傳感器的發(fā)展推動(dòng)了BLDC電機(jī)控制性能

作者：Brendan Cronin, Robert Guyol, and Mark Donegan

近年來，在許多終端市場(chǎng)和應(yīng)用中，用高效無刷直流電機(jī) （BLDC） 取代交流電機(jī)或機(jī)械泵采取了重大舉措。使用 BLDC 電機(jī)的一些主要優(yōu)點(diǎn)包括：更高的功率和熱效率、改進(jìn)的空間/重量效率、更高的可靠性（無刷）以及在危險(xiǎn)環(huán)境中更安全地運(yùn)行（不會(huì)產(chǎn)生電刷灰塵或火花，如有刷電機(jī)）。此外，鑒于 BLDC 電機(jī)采用電子換向，因此在整個(gè)應(yīng)用速度范圍內(nèi)控制扭矩和速度參數(shù)以及獲得更復(fù)雜的控制（例如保持保持扭矩或速度限制）更容易。由于這些優(yōu)勢(shì)，BLDC 電機(jī)正在進(jìn)入許多現(xiàn)有和新的應(yīng)用。在汽車行業(yè)，BLDC 電機(jī)已被用于取代液壓執(zhí)行器和有刷電機(jī)，以減輕重量/尺寸、延長(zhǎng)使用壽命、降低維護(hù)成本并提高整體系統(tǒng)性能和效率。隨著汽車行業(yè)朝著最佳燃油效率的方向發(fā)展，BLDC 電機(jī)可實(shí)現(xiàn)按需性能，并有助于降低動(dòng)力總成、動(dòng)力轉(zhuǎn)向和 HVAC（供暖、通風(fēng)和空調(diào)）系統(tǒng)中的發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載，此外還有起動(dòng)電機(jī)/發(fā)電機(jī)和多種泵（水/燃料/油）。

角度傳感器在 BLDC 電機(jī)控制中的作用

對(duì)于電機(jī)的精確控制和高效換向，高分辨率電流和旋轉(zhuǎn)位置信息至關(guān)重要。在典型的基于旋轉(zhuǎn)變壓器的系統(tǒng)中，分辨率和精度可能非常高，但由于旋轉(zhuǎn)變壓器本身的物理占用空間，最終解決方案可能既昂貴又笨重。無傳感器方法也可用于檢測(cè)反電動(dòng)勢(shì)電流，從而降低傳感器重量和成本，但電機(jī)啟動(dòng)性能可能存在問題，因?yàn)椴粫?huì)產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)，因此沒有可用的位置數(shù)據(jù)。其他解決方案，例如利用三個(gè)霍爾效應(yīng)傳感器來檢測(cè)電機(jī)磁體的位置，通常用于成本敏感型應(yīng)用。在這種情況下，實(shí)現(xiàn)了分辨率，并且需要監(jiān)控三個(gè)信號(hào)。此外，傳感器未并置，導(dǎo)致潛在的空間和安裝挑戰(zhàn)。

另一種方法是使用基于各向異性磁阻（AMR）技術(shù)的廉價(jià)但精確的角度傳感器。使用AMR傳感器可以實(shí)現(xiàn)高角度精度，并且可以在同一封裝中將單個(gè)傳感元件與電子電路集成在一起。這使得實(shí)現(xiàn)非常小的傳感器子系統(tǒng)成為可能，并為在電機(jī)組件內(nèi)定位傳感器提供了機(jī)會(huì)。

ADI公司與MR技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)者Sensitec GMBH合作推出的ADA4571，該器件在單個(gè)封裝中集成了高精度AMR傳感器和高性能儀表放大器。

ADA4571在?40°C至+150°C擴(kuò)展工作溫度范圍內(nèi)具有經(jīng)生產(chǎn)測(cè)試的最大角度誤差為0.5°、內(nèi)置診斷功能、大輸出電平、EMC保護(hù)和低失調(diào)漂移，是實(shí)現(xiàn)速度超過25，000 RPM的高性能BLDC電機(jī)控制的理想傳感器。

抗微生物藥物耐藥性技術(shù)

基于AMR原理的傳感器是材料電阻率取決于磁化方向相對(duì)于電流方向的傳感器。傳感器通常沉積為薄膜坡莫合金（磁性鐵鎳合金）。AMR傳感器在磁飽和狀態(tài)下工作，因此外部磁場(chǎng)的貢獻(xiàn)主導(dǎo)電阻變化。當(dāng)外部磁場(chǎng)和電流方向平行時(shí)，電阻為最大值，當(dāng)施加的磁場(chǎng)垂直于載流坡莫合金的平面時(shí)，電阻為最小值。AMR傳感器工作原理的簡(jiǎn)化圖如圖1所示。

圖1.抗微生物藥物耐藥性原則。

通過兩個(gè)獨(dú)立的惠斯通電橋配置，彼此呈45°排列，可以實(shí)現(xiàn)角度傳感器，其正弦和余弦輸出取決于外部磁場(chǎng)方向。這種配置為傳感器提供了180°絕對(duì)測(cè)量范圍。

圖2.360°機(jī)械旋轉(zhuǎn)過程中的ADA4571誤差（灰色）和輸出波形（橙色/藍(lán)色）

圖2顯示了在360°機(jī)械旋轉(zhuǎn)上施加旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)時(shí)ADA4571的典型高輸出電平和角度誤差。在主機(jī)微控制器中進(jìn)行偏移校正和反角計(jì)算后，典型誤差小于0.1°。

傳感器安裝

對(duì)于大多數(shù) BLDC 控制系統(tǒng)，根據(jù)可用的占地面積和軸的可訪問性，有許多選項(xiàng)可以配置和安裝傳感器。ADA4571的兩個(gè)配置示例如圖3所示。

圖3.采用ADA4571（a）軸端系統(tǒng)（b）離軸系統(tǒng)的BLDC系統(tǒng)。

典型的軸端配置包括安裝在旋轉(zhuǎn)軸上的徑向磁化盤式磁鐵，例如圖 3 （a） 所示的電機(jī)組件內(nèi)部。磁鐵提供穿過傳感器平面的磁場(chǎng)。

在這種配置中，實(shí)現(xiàn)了直接的轉(zhuǎn)子角度讀數(shù)，而無需機(jī)械和電氣部件之間的接觸。由于AMR技術(shù)不依賴于場(chǎng)強(qiáng)，因此可以容忍氣隙的變化。場(chǎng)強(qiáng)的獨(dú)立性也簡(jiǎn)化了磁體材料的機(jī)械公差和材料選擇。

緊湊的軸端配置意味著傳感器可以直接安裝在印刷電路板（PCB）上，與電子控制（微控制器、MOSFET）非常接近，從而最大限度地減少信號(hào)路由和與惡劣電機(jī)環(huán)境的接近。

第二種可能的配置是離軸配置，如圖3（b）所示。離軸配置可用于要檢測(cè)的軸不能用磁鐵端接的應(yīng)用。在這種配置中，極環(huán)提供激勵(lì)，傳感器和極環(huán)可以沿軸安裝在任何位置。典型應(yīng)用包括電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向泵或 BLDC 電機(jī)，由于空間限制，軸端不可用。

鑒于ADA4571的低延遲和精確的位置反饋信息，可以仔細(xì)控制電機(jī)相位的電流，以提供對(duì)動(dòng)態(tài)負(fù)載的平滑電機(jī)響應(yīng)，或在可變條件下保持恒定速度。最終結(jié)果是更好的控制、最大的扭矩、更高的啟動(dòng)/失速效率以及更好的運(yùn)行條件。

傳感器設(shè)置和校準(zhǔn)

為了提高精度，可以在用戶的生產(chǎn)線末端執(zhí)行許多校準(zhǔn)程序。可以執(zhí)行一次性偏移校準(zhǔn)，以消除正弦和余弦信號(hào)的初始偏移。

圖4顯示了在室溫下進(jìn)行一次性失調(diào)校準(zhǔn)后的典型性能。

圖4.1 點(diǎn)和 2 點(diǎn)校正在整個(gè)溫度范圍內(nèi)的典型角度誤差。

由于傳感器的偏移漂移，角度精度可能會(huì)隨溫度下降，如150°C下單點(diǎn)校準(zhǔn)情況所示。 通過 2 點(diǎn)溫度校準(zhǔn)可以提高性能。在這種情況下，失調(diào)可以用來自片內(nèi)溫度傳感器的信息進(jìn)行插值，并補(bǔ)償失調(diào)隨溫度的變化。

自由運(yùn)行應(yīng)用中的 BLDC 系統(tǒng)可以通過在指定時(shí)間內(nèi)對(duì)傳感器輸出求平均值來利用連續(xù)偏移校正技術(shù)。微控制器中的動(dòng)態(tài)失調(diào)補(bǔ)償可以在溫度和工作壽命范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)非常高的精度。

與其他傳感器技術(shù)（霍爾/GMR/TMR）不同，ADA4571不需要額外的校準(zhǔn)步驟，例如幅度校正或正交性校正。幅度失配保證小于1%，先進(jìn)的傳感器設(shè)計(jì)保證正交性。該傳感器的遲滯可以忽略不計(jì)，可實(shí)現(xiàn)高度可靠和準(zhǔn)確的位置信息。

對(duì)于不需要高精度的較低性能和成本敏感型應(yīng)用，ADA4571無需任何線路末端失調(diào)校正即可使用。在這種情況下，保證ADA4571的角度誤差小于5°。這在某些未校準(zhǔn)的應(yīng)用中很有用，因?yàn)橹鳈C(jī)控制器可以在知道軸的位置的情況下優(yōu)化啟動(dòng)條件。

結(jié)論

磁性位置傳感器為工業(yè)和汽車 BLDC 電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員提供了小巧、堅(jiān)固且易于組裝的位置傳感解決方案。ADI公司的新型ADA4571通過提供高速、高精度、生產(chǎn)保證的總角度精度、集成診斷功能和低功耗工作模式，改進(jìn)了前幾代磁性位置傳感器。

ADI特別注意確保器件的安裝和校準(zhǔn)設(shè)置簡(jiǎn)單，并減少用戶的軟件開銷。

因此，BLDC 電機(jī)制造商可以從非常準(zhǔn)確的位置數(shù)據(jù)中受益，從而即使在高速應(yīng)用中也能獲得高水平的扭矩性能，同時(shí)獲得使用非接觸式磁感應(yīng)技術(shù)的所有好處。

審核編輯：郭婷