一、簡(jiǎn)介

ADA4571是一款各向異性磁阻(AMR)傳感器，集成了信號(hào)調(diào)理放大器和ADC驅(qū)動(dòng)器。 ADA4571產(chǎn)生兩路模擬輸出，指示周圍磁場(chǎng)的角位置。

ADA4571在一個(gè)封裝內(nèi)集成兩個(gè)芯片，即一個(gè)AMR傳感器和一個(gè)固定增益（標(biāo)稱值G = 40）儀表放大器。 ADA4571可提供有關(guān)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)角度的干凈且經(jīng)過(guò)放大的余弦和正弦輸出信號(hào)。 輸出電壓范圍與電源電壓成比例。

傳感器含有兩個(gè)互成45°角的惠斯登電橋。 x-y傳感器平面的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)提供兩路正弦輸出去信號(hào)，且傳感器與磁場(chǎng)方向的角度(α)頻率翻倍。 在x-y平面的均質(zhì)場(chǎng)內(nèi)，輸出信號(hào)與z方向（氣隙）的物理位置無(wú)關(guān)。

ADA4571采用8引腳SOIC封裝。

產(chǎn)品特點(diǎn)

1. 非接觸式角度測(cè)量。

2. 測(cè)量磁場(chǎng)方向而非場(chǎng)密度。

3. 對(duì)氣隙變化的敏感度非常小。

4. 工作距離遠(yuǎn)。

5. 即使是微弱的飽和場(chǎng)也有極佳精度。

6. 熱漂移與壽命漂移極小。

7. 遲滯可忽略。

8. 單芯片解決方案。

二、技術(shù)文章

隨著成本的上升和客戶對(duì)小型長(zhǎng)射程產(chǎn)品需求的增長(zhǎng)，像其他工程領(lǐng)域一樣，成本快速成為彈藥系統(tǒng)的制約因素。為了有效地驅(qū)動(dòng)和控制飛行中的這些彈藥，人們通過(guò)一個(gè)小型控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(CAS)進(jìn)行小的精密調(diào)節(jié)，以確定鰭片位置并調(diào)節(jié)彈體上的氣流。傳統(tǒng)上，這些系統(tǒng)要么采用氣動(dòng)裝置，要么通過(guò)帶齒輪箱的有刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，但包括無(wú)刷直流電機(jī)(BLDC)在內(nèi)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的現(xiàn)代化進(jìn)步，使得設(shè)計(jì)更小、更輕、更便宜、更高效的控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)成為可能。但其代價(jià)是會(huì)增加系統(tǒng)的復(fù)雜性，因?yàn)橐?qū)動(dòng)無(wú)刷直流電機(jī)的三個(gè)相位。

增加復(fù)雜性的原因有多個(gè)。首先，傳統(tǒng)的有刷直流電機(jī)只需要一個(gè)H橋，而無(wú)刷直流電機(jī)卻需要三對(duì)獨(dú)立的MOSFET來(lái)驅(qū)動(dòng)相位。這會(huì)增加少量的成本，并且需要額外的PCB電路板空間。在驅(qū)動(dòng)這些MOSFET時(shí)，必須注意，要避免同時(shí)打開(kāi)頂部和底部的MOSFET，否則直通短路電流可能會(huì)損壞MOSFET。必須特別注意在脈寬調(diào)制(PWM)的頂部和底部驅(qū)動(dòng)信號(hào)之間插入死區(qū)時(shí)間。

從軟件的角度來(lái)看，可以使用簡(jiǎn)單的PID回路來(lái)控制常規(guī)有刷電機(jī)，而無(wú)刷直流電機(jī)則需要采用更高級(jí)的回路和換相策略——通常是測(cè)量繞組電流、相位電壓、轉(zhuǎn)子角度和速度。

無(wú)刷直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)

無(wú)刷直流電機(jī)是定子上的電磁體集合，可轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)子上裝有永磁體。電機(jī)可能是內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)（磁體位于線圈內(nèi)側(cè)），也可能是外轉(zhuǎn)子電機(jī)（磁體位于線圈外）。圖1所示為無(wú)刷直流電機(jī)所用的內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)和外轉(zhuǎn)子電機(jī)。兩種情況下，定子齒周圍都纏繞有三相導(dǎo)線（U、V、W或A、B、C）。這些繞組依次通電以吸引和排斥永磁體（紅色/藍(lán)色）。

圖1. 內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)與外轉(zhuǎn)子電機(jī)。

標(biāo)準(zhǔn)微處理器或DSP的電流驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度不足以直接驅(qū)動(dòng)線圈，因此一般用一個(gè)由MOSFET（每個(gè)相位兩個(gè)）組成的功率逆變器級(jí)將來(lái)自控制接口的PWM驅(qū)動(dòng)電流轉(zhuǎn)換成電機(jī)需要高電壓驅(qū)動(dòng)電流。

通常，三相逆變器使用六個(gè)N溝道MOSFET（見(jiàn)圖2頂部），形成圖2底部所示開(kāi)關(guān)狀態(tài)。有幾種切換狀態(tài)未在圖中顯示出來(lái)：001、010、011和101。1表示頂部三個(gè)MOSFET中有一個(gè)已啟用。這些狀態(tài)映射到狀態(tài)空間表示，如圖3中的六個(gè)扇區(qū)所示。通過(guò)打開(kāi)和關(guān)閉開(kāi)關(guān)，施加到繞組的電壓最大可達(dá)2/3×V_DC。作為該策略的自然延伸，可將PWM施加到每對(duì)MOSFET上。通過(guò)改變PWM波形的占空比，繞組中產(chǎn)生的電壓可以根據(jù)PWM生成系統(tǒng)的分辨率產(chǎn)生大范圍的電壓。

圖2. 三相逆變器和開(kāi)關(guān)狀態(tài)。

圖3. 狀態(tài)空間中的開(kāi)關(guān)表示及其在扇區(qū)I到扇區(qū)VI的分布。

在沒(méi)有PWM的情況下，一種非常自然的換相策略是簡(jiǎn)單地以串行方式激勵(lì)每對(duì)繞組（即塊換相或六步換相）。在這種策略中，一個(gè)或兩個(gè)相位被拉高，其余的繞組則被驅(qū)動(dòng)為低電平。通過(guò)依次激勵(lì)各相位，轉(zhuǎn)子上的磁體被拉到每個(gè)相位，轉(zhuǎn)子開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)。為了確定要激勵(lì)的相位，一般將三個(gè)霍爾效應(yīng)傳感器安裝在定子上，三者相隔60度電角度。這些霍爾效應(yīng)傳感器檢測(cè)每個(gè)轉(zhuǎn)子磁體并產(chǎn)生3位數(shù)字序列，后者被用于確定下一個(gè)換相區(qū)域。雖然這種策略適用于低成本電機(jī)控制系統(tǒng)，但該策略在低速時(shí)會(huì)受到轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的影響。此外，如果將電機(jī)用于定位/伺服應(yīng)用，這種轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)會(huì)導(dǎo)致噪聲并帶來(lái)位置誤差。¹

正弦換相的工作原理是將定子電流與無(wú)刷直流電機(jī)中的定子磁通對(duì)準(zhǔn)。無(wú)刷直流電機(jī)基于通過(guò)繞組的梯形電流運(yùn)動(dòng)。這些電流每個(gè)之間相差120°相位。永磁同步電動(dòng)機(jī)(PMSM)類似于無(wú)刷直流電機(jī)，但需要正弦電流來(lái)驅(qū)動(dòng)。圖4所示為永磁同步電動(dòng)機(jī)的功能框圖。通過(guò)使用速度傳感器或基于位置軸傳感器和電機(jī)參數(shù)的估計(jì)可實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的速度控制。正弦波驅(qū)動(dòng)在低速時(shí)特別有效，但在高速時(shí)會(huì)分開(kāi)，因?yàn)樗枵也ǖ碾婎l率也必須隨速度而增加。在更高的速度下，電機(jī)需要更高的扭矩，這會(huì)在相電流中帶來(lái)遲滯。²為了在更高的速度下正確地進(jìn)行控制，通常必須引入相位超前以使扭矩和磁通矢量正確保持一致。

圖4. 永磁同步電機(jī)的正弦驅(qū)動(dòng)。

為了克服這個(gè)問(wèn)題，可以采用一種被稱為磁場(chǎng)定向控制(FOC)的更先進(jìn)的控制方案。與其他換向策略一樣，基于繞組產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)的位置和速度的估測(cè)值，可不用傳感器實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)定向控制，也可以用位置和電流傳感器實(shí)現(xiàn)有傳感器方案。磁場(chǎng)定向控制的基礎(chǔ)是控制進(jìn)入電機(jī)繞組的轉(zhuǎn)矩和磁通矢量。產(chǎn)生的這些矢量來(lái)自電機(jī)所需速度輸入。

使用電機(jī)的電氣和機(jī)械常數(shù)（慣性矩、摩擦系數(shù)、定子繞組的電感和電阻以及反電動(dòng)勢(shì)常數(shù)），圖5所示PI回路將所需速度轉(zhuǎn)換為直流量。為了控制電動(dòng)機(jī)的電周期，必須將這些量轉(zhuǎn)換到轉(zhuǎn)子的參考系中（圖6），以用Park變換產(chǎn)生V_α和V_β。磁場(chǎng)定向控制的下一步是將V_α和V_β轉(zhuǎn)換為發(fā)送到PWM逆變器單元的PWM值。該過(guò)程一般使用正弦調(diào)制方案(SPWM)或空間矢量調(diào)制方案（SVPWM或SVM）。

圖5. 磁場(chǎng)定向控制功能框圖。

圖6. 磁場(chǎng)定向控制中控制參數(shù)的轉(zhuǎn)換。

如前所述，通過(guò)控制功率逆變器內(nèi)MOSFET的開(kāi)關(guān)，可以形成空間矢量表示，如圖3所示。對(duì)相鄰單元矢量之間的空間進(jìn)行編碼以產(chǎn)生1到6之間的扇區(qū)，與換相電周期的六個(gè)開(kāi)關(guān)扇區(qū)對(duì)應(yīng)。圖7所示為圖3中的第1扇區(qū)的特寫。電壓矢量VREF由電壓矢量V_α和V_β組成，角度θ是V_d的反正切除以V_q之商。³ 圖7表明，通過(guò)使用兩個(gè)相鄰單元矢量（V₁和V₂）并在每個(gè)狀態(tài)停留特定時(shí)間（對(duì)應(yīng)于占空比），可求出V_REF。該占空比可通過(guò)使用類似于向量數(shù)學(xué)（推導(dǎo)的方程）進(jìn)行計(jì)算（見(jiàn)圖8）。

圖7. 狀態(tài)空間的第1扇區(qū)。

U、V、W矢量方程計(jì)算

圖8. 來(lái)自參考矢量的扇區(qū)時(shí)間

根據(jù)圖7中的等式，設(shè)歸一化時(shí)間為1.0（等于完整的100%占空比）并減去T_n和T_{n + 1}，可以得到PWM時(shí)間。扇區(qū)可通過(guò)其他的計(jì)算確定，如圖9所示。

圖9. 扇區(qū)的確定。

一旦計(jì)算出占空比并將其發(fā)送到控制器的PWM模塊，就可以實(shí)現(xiàn)使用磁場(chǎng)定向控制的開(kāi)環(huán)控制。這時(shí)必須集成反饋以實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。如圖4所示，使用逆Clarke和逆Park變換測(cè)量和變換三個(gè)繞組的電流。為了測(cè)量這些電流，可使用幾種不同的策略：與每個(gè)相繞組并聯(lián)的分流檢測(cè)；在底部三個(gè)MOSFET與地之間設(shè)一個(gè)低端分流；在每個(gè)接地MOSFET之下設(shè)相分流；或在每個(gè)頂部MOSFET和V_DC之間設(shè)高壓側(cè)分流。如果設(shè)計(jì)受成本限制，則使用與繞組并聯(lián)的兩個(gè)分流器是一種很好的測(cè)量方法，因?yàn)檫@是直接測(cè)量?jī)蓚€(gè)繞組電流的一種簡(jiǎn)單方式。第三電流可使用基爾霍夫電流定律計(jì)算，其和為0。另一個(gè)好處是可以在任何時(shí)刻測(cè)量電流，而不是僅在底部或頂部MOSFET被啟用時(shí)測(cè)量。在測(cè)量這些電流后，應(yīng)使用分流系統(tǒng)可測(cè)量的最大電流將它們歸一化到[-1，+1]以內(nèi)。

對(duì)于位置和速度檢測(cè)，則可使用編碼器（相對(duì)或絕對(duì)）、霍爾效應(yīng)傳感器、旋變器或磁角度傳感器。但是，根據(jù)傳感器的分辨率，可能需要使用其他位置和速度估算方案。無(wú)論采用何種技術(shù)，必須將測(cè)量的角度轉(zhuǎn)換為電角度，使換相與轉(zhuǎn)子實(shí)際位置同步并實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子變換。角速度也必須是已知的，但該項(xiàng)通常在機(jī)械域中以匹配所需的輸入速度。

在已知轉(zhuǎn)子實(shí)際位置和速度的情況下，可以執(zhí)行反向/逆向Park和Clarke變換，將相位電流從靜止的定子坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為d,q參考系中的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系。對(duì)于產(chǎn)生的電流和速度誤差項(xiàng)，PI循環(huán)形成誤差向量，然后，這些誤差向量被反饋到正向Park和Clarke變換中，可以重復(fù)執(zhí)行該控制過(guò)程。

那么該過(guò)程應(yīng)該多快重復(fù)一次？答案因電機(jī)特性而異。通常選擇超出聽(tīng)覺(jué)可聽(tīng)范圍（15 kHz至30 kHz）的PWM頻率，使電機(jī)不會(huì)發(fā)出人耳可聽(tīng)見(jiàn)的共振。然后在PWM中斷服務(wù)例程中實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)定向控制和所需的控制環(huán)路，以便新的PWM值可用于下一個(gè)PWM周期。這就對(duì)磁場(chǎng)定向控制例程提出了嚴(yán)格的時(shí)序限制，因?yàn)樗欧WM中斷所花費(fèi)的任何時(shí)間是未用于伺服控制處理器其他方面（如PC程序的串行接口）的時(shí)間。PWM頻率為30 kHz時(shí)，每個(gè)PWM ISR僅為33.3 μs?？梢?jiàn)，每微秒都很重要！必須注意，盡量減少正弦和余弦以及其他浮點(diǎn)計(jì)算的計(jì)算開(kāi)銷。通常，最好將磁場(chǎng)定向控制例程保持在可用PWM ISR時(shí)間的50%以下，使處理器可以服務(wù)其他外圍設(shè)備（例如UART），以便處理不太重要的任務(wù)，例如改變所需速度或設(shè)置新位置。

精選組件

鑒于磁場(chǎng)定向控制的實(shí)現(xiàn)方式本身已經(jīng)很復(fù)雜，仔細(xì)選擇組件有助于在系統(tǒng)集成方面較大限度地減少額外挑戰(zhàn)。ADI公司提供面向電機(jī)控制信號(hào)鏈的多種器件。這些部件包括柵極驅(qū)動(dòng)器、絕對(duì)角度和霍爾效應(yīng)傳感器、電流傳感器和隔離產(chǎn)品。

電機(jī)控制信號(hào)鏈組件的簡(jiǎn)單功能框圖如圖10所示。在高電平下，使用 ADA4571 AMR角度傳感器和AD22151 磁場(chǎng)傳感器檢測(cè)無(wú) 刷直流電機(jī)軸位置和速度。使用內(nèi)聯(lián)分流電阻測(cè)量相繞組電流， AD8418 電流檢測(cè)放大器消除PWM共模電壓。 LTC2345-18 8×18位ADC將來(lái)自傳感器的6個(gè)模擬電壓轉(zhuǎn)換成微控制器數(shù)字電壓。 微控制器使用這些信號(hào)計(jì)算PWM占空比，并將其發(fā)送到硬件定時(shí)器。 LT1158 MOSFET驅(qū)動(dòng)器充當(dāng)功率逆變器六個(gè)MOSFET的柵極驅(qū)動(dòng)器。

圖10. 電機(jī)控制信號(hào)鏈功能框圖。

LT1158是一款集成半橋N溝道MOSFET驅(qū)動(dòng)器。雖然電源電壓范圍為5 V至30 V dc，但輸入PWM波形邏輯可以接受TTL或CMOS電平。此外，單個(gè)PWM輸入被轉(zhuǎn)換為高和低MOSFET驅(qū)動(dòng)信號(hào)，芯片自動(dòng)插入自適應(yīng)死區(qū)時(shí)間。這意味著PWM頻率可以動(dòng)態(tài)變化，并且自動(dòng)插入死區(qū)時(shí)間以保護(hù)MOSFET免受電流擊穿影響，而無(wú)需更改PWM定時(shí)器代碼或寄存器。

圖11. LT1158雙N溝道MOSFET驅(qū)動(dòng)器。

ADA4571集成的各向異性磁阻(AMR)傳感器能測(cè)量180°旋轉(zhuǎn)，測(cè)量精度為0.5°以內(nèi)。該傳感器的供電電壓為2.7 V至5 V，在啟用溫度補(bǔ)償功能時(shí)，功耗僅為7 mA。該傳感器的輸出是兩個(gè)模擬正弦波（V_SIN、V_COS），以2.5 V（5 V電源）為中心。V_SIN和V_COS的電壓數(shù)字化后，就可以通過(guò)簡(jiǎn)單的公式將其轉(zhuǎn)換為角度：

圖12. ADA4571 AMR傳感器。

為了測(cè)量360°的絕對(duì)旋轉(zhuǎn)，ADA4571可以與線性輸出磁場(chǎng)（霍爾效應(yīng)）傳感器（如AD22151）結(jié)合使用。AD22151針對(duì)單5V工作電源設(shè)計(jì)，輸出電壓與垂直于封裝的磁場(chǎng)成線性比例。在正常工作期間，器件最大功耗為10 mA電流，可檢測(cè)具有不同增益量的雙極或單極場(chǎng)。該傳感器的優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在模擬輸出電壓方面，可以輕松添加到已具備模擬量測(cè)量功能的系統(tǒng)，如電流傳感器輸出或附加模擬角度傳感器。將AD22151與ADA4571垂直放置，可以通過(guò)軟件將輸出融合在一起，以便檢測(cè)軸安裝直徑磁體的360°運(yùn)動(dòng)。

就如角度傳感器一樣，帶傳感器的磁場(chǎng)定向控制需要精確測(cè)量通過(guò)無(wú)刷直接電機(jī)的相電流。AD8418是一款雙向零漂移電流檢測(cè)放大器，非常適合這一任務(wù)。該外部分流放大器在整個(gè)溫度范圍內(nèi)工作時(shí)的增益為20 V/V，共模抑制范圍為-2 V至+ 70 V。該放大器還可以檢測(cè)通過(guò)分流器的雙向電流，這在測(cè)量無(wú)刷直流電機(jī)的相電流時(shí)特別有用。該器件的設(shè)計(jì)電源電壓范圍V_S為2.7 V至5 V，模擬輸出電壓以V_S/2為中心。如果選擇5 V電源，則輸出以2.5 V為中心，與ADA4571一樣。

圖13. AD8418電流傳感器。

使用模擬輸出傳感器時(shí)，必須將結(jié)果轉(zhuǎn)換為數(shù)字域。雖然存在多個(gè)ADC，但由于有8個(gè)同時(shí)采樣通道，因此，LTC2345特別適用于電機(jī)控制。采樣與轉(zhuǎn)換線路上的單個(gè)上升沿同步。然后，在中心對(duì)齊PWM期間，相電流和絕對(duì)角度傳感器輸出可以同步到同一時(shí)刻。單5V電源簡(jiǎn)化了電源設(shè)計(jì)，功耗仍然不到20mA。獨(dú)立的數(shù)字邏輯輸出電壓允許LTC2345與較低電壓的微控制器、處理器或FPGA接口。由于模擬輸入范圍非常靈活，可以通過(guò)使用(IN-)模擬輸入通道在硬件中自動(dòng)消除位置和電流傳感器的2.5 V失調(diào)。根據(jù)所需的采樣吞吐量，可使用各種時(shí)鐘速率下的SDO輸出從LTC2345輸出數(shù)據(jù)。

圖14. LTC2345功能框圖。

結(jié)論

無(wú)刷直流電機(jī)在控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的普及需要更先進(jìn)的算法、傳感器和驅(qū)動(dòng)電路的支持。正弦和磁場(chǎng)定向控制是兩種換相策略，可以精確控制無(wú)刷直流電機(jī)。這兩種策略都需要精確測(cè)量無(wú)刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子角度，如果沒(méi)有合適的組件，可能會(huì)非常困難。然而，ADA4571和AD22151簡(jiǎn)化了這種測(cè)量。LT1158通過(guò)減少PWM線路并消除死區(qū)時(shí)間計(jì)算的必要性，簡(jiǎn)化了無(wú)刷直流電機(jī)三相的PWM驅(qū)動(dòng)線路。AD8418簡(jiǎn)化了繞組電流，LTC2345則可輕松數(shù)字化和同步多個(gè)模擬傳感器的輸出。這些組件只是ADI公司電機(jī)控制應(yīng)用產(chǎn)品組合的一小部分。

三、相關(guān)技術(shù)資料下載

1、數(shù)據(jù)表格

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2、用戶手冊(cè)

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3、應(yīng)用筆記

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4、技術(shù)文章

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https://www.analog.com/cn/resources/technical-articles/motor-control-performance.html

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