近年来，在制造业自动化需求不断增长的推动下，工业机器人在工厂中的应用迅速扩大。这一趋势在很大程度上归因于劳动力短缺以及多品种、小批量生产需求日益增长等结构性挑战。

与此同时，AI技术的进步使机器人能够执行以前需要人工干预的精细操作，以及高强度的体力作业，从而加速了采用机器人解决方案来应对这些挑战的进程。工业机器人广泛采用基于伺服电机系统的高性能电机。电机驱动器和机器人控制器对于控制这些电机和机器人系统至关重要。

然而，这些组件在工厂中占用一定的空间，因此控制器的进一步小型化对于提高生产效率至关重要。此外，随着工厂节能要求的不断提高，人们对构成伺服电机系统和机器人控制器的各个电子组件的能效提升也有着迫切的需求。

伺服驱动器和机器人控制器的关键功能之一是通过高分辨率电流检测来实现精确的扭矩控制和故障检测。目前，分流电阻被广泛用于此目的。为实现高分辨率控制，通常在分流电阻之后采用Σ-Δ调制器。

此外，由于电流检测部分在数百伏的高电压下工作，因此需要在初级侧和次级侧之间进行电气隔离。在使用分流电阻的传统系统中，分流电阻产生的大量发热以及自举电路、Σ-Δ模块等众多组件，给实现小型化和提高能效带来了挑战。因此，迫切需要一种能够解决这些问题的新型电流检测技术来替代现有方案。

电流传感器——分流电阻的替代方案

应对这些挑战最合适的解决方案之一是将承载电流的初级导体和Σ-Δ调制器集成于一体的磁电流传感器。图1展示了在三相伺服驱动器的逆变器电路中，使用分流电阻的方案与使用磁电流传感器的方案在系统配置上的比较。在伺服驱动控制中，通常对三相系统中的两相或全部三相进行电流检测。

图1

磁电流传感器提供电流隔离，且仅需在次级侧使用单一电源即可工作，能够用单个器件替代分流电阻方案中所需的所有高压侧外围组件。此外，磁电流传感器可以抑制发热，而这正是使用分流电阻测量大电流时的一个关键问题。因此，它们既能实现小型化，又能提高能效，作为分流电阻方案的替代方案而备受关注。

磁电流传感器的性能取决于所用磁感应元件的类型。然而，传统的磁传感器在实现伺服驱动和机器人应用所需的电流分辨率方面一直面临挑战。下文将介绍几种用于电流传感器的候选磁感应技术，并讨论它们适用于伺服和机器人应用中电流检测的可行性。

硅霍尔元件与xMR元件面临的挑战

硅霍尔元件广泛应用于磁电流传感器。然而，其灵敏度本质上受到材料特性的限制，难以实现高电流分辨率。提高电流分辨率的一种方法是增加初级导体中的电流密度;但这会引入一个权衡问题，因为导体电阻的增加会导致更高的发热量。

因此，很难同时满足伺服驱动和机器人应用所需的高电流分辨率和低发热量。为解决此问题，一种常见的方法是使用磁芯来放大施加到霍尔元件上的磁场，从而提高分辨率。然而，使用磁芯会增加整体尺寸，并且磁芯材料的磁滞也会降低精度，这仍然是一个难题。

xMR元件通常提供比硅霍尔元件更高的灵敏度，使其成为实现伺服驱动和机器人应用所需电流分辨率的一种有前景的解决方案。然而，xMR元件通常在输入磁场范围和灵敏度之间存在权衡，这给提高大电流应用中的电流分辨率带来了挑战。

此外，已经观察到由磁滞引起的精度下降问题，并且将这些传感器应用于需要在大电流下进行高分辨率、高精度电流检测的工业设备中仍然存在挑战。

III-V族化合物半导体是关键

众所周知，III-V族化合物半导体霍尔元件提供比硅霍尔元件高得多的灵敏度。这种高灵敏度使得在不受到输入磁场限制的情况下实现高电流分辨率成为可能，允许以高分辨率和高精度测量大电流。它还允许在保持高分辨率的同时降低初级导体中的电流密度，这反过来又使得导体电阻最小化并实现低发热量。因此，这种方法作为能够满足伺服驱动和机器人应用中所需电流分辨率，同时解决与分流电阻相关挑战的解决方案而受到关注。

一个代表性示例是旭化成微电子(AKM)开发的CQ36系列，该系列在使用sinc3滤波器和256倍过采样率(OSR)时，可实现14位或更高的有效位数(ENOB)——可与隔离式Σ-Δ调制器相媲美。它提供可选的接口，包括10 MHz或20 MHz的时钟频率，以及内部(输出)或外部(输入)时钟。该传感器还具有极低的0.27 mΩ的电流导体电阻。产品线覆盖从小容量到大容量交流伺服系统的广泛应用，支持从±10.5 Apeak到±168 Apeak的电流。爬电距离和电气间隙为8毫米，无需自举电路，因为该传感器仅使用次级侧电源即可工作。

图2

图2展示了在三相伺服驱动器的逆变器电路中，使用CQ36系列替代分流电阻(水泥电阻)和隔离式Σ-Δ调制器所实现的尺寸缩减效果。结果显示，占板面积可减少60%以上，高度可降低90%以上。

图3显示了使用图2所示电路板进行的热测量结果。当施加40 A直流电流时，水泥电阻(2.7 mΩ)的温升约为+50 °C，而CQ36系列的温升仅为约+30 °C。

图3

结论

基于III-V族化合物半导体霍尔元件的电流传感器可以替代传统的分流电阻和隔离式Σ-Δ调制器。这有助于实现伺服和机器人系统的小型化和节能化。