【技术大神】霍尔电流传感器在大扭矩电机中的实际应用案例
笔者在半年多以前被安排了一个项目，要做一个低压大电流的无刷直流电机的伺服控制。和大家分享一下关于电机电流采样所用的MELEXIS电流传感器的使用心得。
首先介绍一下项目需求：50V低压供电，瞬时电流峰值达到50A。额定电流40A，额定平均功率为2KW。应用场合为水上交通工具动力系统。这是笔者目前为止做得相对比较大的功率驱动板，关键是这块驱动板需要考虑满载时的一些问题，以及过载时的保护。另一优点就是可以考虑采用水冷的方式进行散热。在选型完MOSFET、主控、预驱动芯片之后，关键电流采样方式以及芯片的选型是一件值得花时间认真思考的事情。
普通的电流采样从采样位置来分，可以分为绕组采样与下桥臂采样。从采样方式分，可以分为采取电阻采样和传感器采样。从本项目的角度去看，要走大电流，假设毫欧电阻选取10mΩ，电阻的最大瞬时发热功率通过I2R计算也达到了数十瓦的级别，满负载的情况下瞬间就会烧坏电流采样电阻，因此此种方法不可取。所以只能通过用霍尔电流传感器采样，对比了I品牌、A品牌等多家的东西，最终确定了MELEXIS的霍尔元件，型号为MLX91210。A品牌和I品牌的代理比较少，市面上比较难买到。MELEXIS做传感器比较专业，后来获悉，同行也有很多人用它家的霍尔做电流采样用。另外就是成本的问题，虽然都是昂贵的器件，但是MELEXIS的产品还是相对便宜且较实用。
首先从这款芯片的DATASHEET入手：芯片的带宽为100KHz，远远大于伺服系统的离散频率20KHz，所以从电流采样定理的采样的角度来说完全足够。这款芯片的引脚需要流过电流，集磁片与电流通路集成在了芯片内部，所以芯片在PCB上的布局和电流导线的相对位置无需周密考虑。
图1：MELEXIS MLX91210的两种芯片的封装样式
图2：芯片内部的原理及逻辑框图
笔者最终确认采用SOIC8–40mV/A or ±50A sensing range的芯片。
图3：选型的精度及范围
芯片采用5V供电，在系统上电的时候能进行自检矫正，在电流为0的时候，OUT引脚上输出的电压为VDD/2。笔者在做电流采样设计的时候，参考了Datasheet给出的电路样例，外围器件很少，很简单。样例中除了上下拉电阻电路之外，推荐外接一个RC无源低通滤波器，如下图：
图4：带有无源低通滤波器的MELEXIS 91210外部电路图
笔者在做电流采样设计的时候，没有采用运放做二级有源滤波，原因在于平衡了一下成本与运放的必要性的问题，考虑到运放本身供电就会引入电压的毛刺，因此采用单级无源滤波的方式，由于本项目的转速不是很高（800r/min）电流最高的频率也只有13Hz左右，所以滤波器的截止频率选择了20Hz，电路中的R和C选择分别为：8KΩ，1uF。
由于项目已经结束，无法发板子的实物图片，下图是用上位机采集出来的两种算法的电机电流波形，红黄蓝代表电机的三相电流。
图5：上位机采集的三相电流波形
在电机运行的时候，图中的三相电流呈现出正弦变化的趋势。这两张图的电流波形有所不同，是笔者做无传感器控制的两种算法所造成。笔者在做两种电机算法的时候，MLX91210都能正确地检测出电流波形。
最后总结一下MLX91210的优势：测量精度有保障（40mV/A），测量范围广±50A，外围电路简单（去耦电容和RC滤波电路），能够很好的解决PCB布局的问题，简化测量算法以及滤波算法的复杂度。这一类电流采样芯片的确是工程师们的不二之选！
在此感谢世强提供这么好的一个平台，能够让我等工程师在器件选型采购之余，还能够与各位大神一起分享宝贵的经验。本文若存在不足之处，欢迎各位的交流与指正。
作者：坚栋
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品牌：SILICON LABS
品类：Switch Hall Effect Magnetic Position Sensor
价格：￥2.2924
现货：126,000
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可定制变压器的常规尺寸从EE4.4到ETD49不等，温度范围：-40℃~150℃。自动化产品的起订数量：20KPCS，其它定制产品无起订量要求。
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