位置傳感器提升電機(jī)運(yùn)作的精確度與效率

位置傳感器提升電機(jī)運(yùn)作的精確度與效率

電機(jī)廣泛應(yīng)用于各種具備動(dòng)力的電子產(chǎn)品之中，像是應(yīng)用在閥門、泵、暖通空調(diào)（HVAC）等，這些應(yīng)用需要搭配電機(jī)驅(qū)動(dòng)器來控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，若能搭配位置傳感器，則更能精準(zhǔn)地控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)位置、扭矩或速度，提升電機(jī)運(yùn)作的精確度與運(yùn)作效率。本文將為您介紹位置傳感器的技術(shù)發(fā)展，以及由Melexis推出適用于1至1000W電機(jī)的多款電機(jī)驅(qū)動(dòng)解決方案。

用于電機(jī)換向與定位的位置傳感器

電機(jī)驅(qū)動(dòng)是一個(gè)復(fù)雜的領(lǐng)域，應(yīng)用于眾多應(yīng)用案例，有些電機(jī)驅(qū)動(dòng)器在不配備位置傳感器（無傳感器）的情況下可以完美運(yùn)行，但有時(shí)還是需要額外增加位置傳感器，來對(duì)電機(jī)進(jìn)行更精密的控制。電機(jī)控制可以具有多個(gè)反饋回路，其中一個(gè)用于電機(jī)換向，一個(gè)用于定位。這些控制回路不一定使用相同的位置傳感器，因?yàn)閮?yōu)化系統(tǒng)和物料清單（BOM）需要不同的特性，位置傳感器可以改進(jìn)系統(tǒng)對(duì)位置、扭矩或速度的控制。

電機(jī)的位置控制可在啟動(dòng)和整個(gè)運(yùn)行過程中啟用已知的（安全）位置，并在使用步進(jìn)電機(jī)時(shí)避免漏步，以及進(jìn)行轉(zhuǎn)矩控制，可實(shí)現(xiàn)低速和低噪音運(yùn)行，尤其適用于如泵之類的大型電機(jī)。此外，在電機(jī)的速度控制上，也要求啟動(dòng)可靠、低速驅(qū)動(dòng)，并可處理高動(dòng)態(tài)負(fù)載。

在電機(jī)換向方面，對(duì)于多種類型的電機(jī)，位置傳感器可以用作電機(jī)換向控制回路的組件。電機(jī)控制算法可決定通過線圈的電流大小及其時(shí)序，施加磁場(chǎng)的角度必須與轉(zhuǎn)子的磁場(chǎng)方向正交，以最大程度提高效率。電機(jī)控制算法的類型與電機(jī)設(shè)計(jì)和傳感器類型相關(guān)。例如，無刷電機(jī)可以在梯形控制、正弦控制和磁場(chǎng)定向控制模式下運(yùn)行。

梯形控制為基本模式，可根據(jù)鎖存器／開關(guān)的輸出確定轉(zhuǎn)子的位置。它可以滿足無刷直流電機(jī)（BLDC）的需求，實(shí)現(xiàn)高速換向，但可能出現(xiàn)意外轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，例如應(yīng)用在電動(dòng)車上時(shí)，將可能造成加速不平穩(wěn)的現(xiàn)象。

正弦控制或磁場(chǎng)定向控制則表現(xiàn)更出色，但它們依賴于轉(zhuǎn)子角位置的精確性（高分辨率角度）。角位置越精確，效率越高，在某些應(yīng)用中會(huì)具體表現(xiàn)出更高的安全性，這些控制算法也適用于永磁同步電機(jī)（PMSM）。

位置傳感器也可用于應(yīng)用定位，以一個(gè)關(guān)鍵的智能閥為例，位置傳感器可確保閥門位置正確（不依賴電機(jī)位置）。另一個(gè)例子是可精確定位機(jī)械臂上的關(guān)節(jié)的伺服電機(jī)。在這個(gè)例子中，電機(jī)定位所用的傳感器可以是用于電機(jī)換向的傳感器。

滿足電機(jī)定位需求的轉(zhuǎn)子位置傳感器

隨著汽車電氣化時(shí)代的來臨，對(duì)純電動(dòng)汽車的需求正在快速增長(zhǎng)，此外還有各式各樣的具有傳動(dòng)需求的電器，都需要采用各種電機(jī)，帶動(dòng)市場(chǎng)的快速增長(zhǎng)。無論現(xiàn)在還是未來，許多電器與每一輛電動(dòng)汽車都需要一個(gè)經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的高性能電機(jī)。而每一臺(tái)電機(jī)又需要精確、通用且經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的轉(zhuǎn)子位置傳感器。

像是同步電機(jī)需要使用這種傳感器信號(hào)來驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制，這些信號(hào)同步中的錯(cuò)誤將會(huì)降低系統(tǒng)的整體性能，并可能導(dǎo)致安全問題。因此，采用轉(zhuǎn)子位置傳感器將對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制提供更高的安全性。

高速轉(zhuǎn)子位置傳感器通常有三種類型，包括可變磁阻（VR）解碼器、磁性解碼器或電感式解碼器。VR解碼器是電動(dòng)汽車的牽引電機(jī)中最常用的位置傳感器，它由一個(gè)鐵磁轉(zhuǎn)子和一個(gè)帶有幾個(gè)次級(jí)線圈的定子組成。VR解碼器長(zhǎng)期應(yīng)用于電機(jī)位置傳感應(yīng)用，并且由于其卓越的穩(wěn)固性，在惡劣的環(huán)境中更具有優(yōu)勢(shì)。

磁性解碼器則是采用霍爾效應(yīng)傳感器，綜合成本優(yōu)勢(shì)非常突出。它不僅具有VR解碼器的特性，而且尺寸緊湊。電感式解碼器則具有精度高、寬速度區(qū)間和雜散場(chǎng)抗干擾能力。與此同時(shí)，與VR解碼器技術(shù)相比，它還降低了電氣傳動(dòng)系統(tǒng)的總成本。

為了確保準(zhǔn)確可靠的運(yùn)行，優(yōu)秀的轉(zhuǎn)子位置傳感器應(yīng)在速度大于200,000 e-rpm（電轉(zhuǎn)速，rpm: revolutions per minute）的情況下提供精確可靠的位置感應(yīng)，支持高度精確的位置感應(yīng)，以確保最大效率、最佳轉(zhuǎn)矩控制和低轉(zhuǎn)矩變化，并應(yīng)具備雜散場(chǎng)抗干擾能力，以及可擴(kuò)展的靈活設(shè)計(jì)，以適合不同的電機(jī)設(shè)計(jì)和傳感器位置。此外，還應(yīng)該具備重量輕、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的優(yōu)勢(shì)。

多種解決方案滿足不同的電機(jī)應(yīng)用需求

應(yīng)用于高速電機(jī)換向應(yīng)用時(shí)，可以依據(jù)分辨率來選擇解決方案，可在采用多芯片架構(gòu)時(shí)，于低分辨率下采用鎖存器／開關(guān)，在高分辨率下采用線性霍爾傳感器。若采用單芯片架構(gòu)（或雙芯片以實(shí)現(xiàn)冗余）時(shí)，則可在高分辨率時(shí)采用角度編碼器。

當(dāng)采用鎖存器／開關(guān)控制電機(jī)換向時(shí)，鎖存器／開關(guān)產(chǎn)品以多芯片配置放置在定子中。它們非常適合直流無刷電機(jī)的梯形控制，例如使用3顆芯片，每相1顆。

當(dāng)采用線性霍爾傳感器控制電機(jī)換向時(shí)，線性霍爾效應(yīng)傳感器可用于替代鎖存型霍爾傳感器。多個(gè)傳感器正交式使用可提供具有高角度分辨率的轉(zhuǎn)子絕對(duì)角度，可根據(jù)它們的模擬輸出通過專用算法計(jì)算出更準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)子位置。因此，它們不僅適用于檢測(cè)電機(jī)換向點(diǎn)，還適用于精確的位置控制。

此外，也可采用磁性或電感式編碼器來控制電機(jī)換向，編碼器或電機(jī)編碼器，是提供成比例模擬正余弦輸出的快速芯片解決方案。這些輸出代表轉(zhuǎn)子磁通量，因此可用于檢測(cè)電機(jī)位置，最新一代產(chǎn)品可以放在軸上（軸端）或軸外（軸側(cè)）。

某些電機(jī)應(yīng)用會(huì)額外配備用于定位的控制回路。例如，執(zhí)行器低速運(yùn)行的閥門，或者當(dāng)應(yīng)用中的內(nèi)部齒輪箱將高速／低轉(zhuǎn)矩旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換為低速／高轉(zhuǎn)矩旋轉(zhuǎn)時(shí)。由于齒輪箱的不斷磨損，轉(zhuǎn)子位置與電機(jī)輸出軸之間的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系會(huì)逐漸消失。因此，在某些設(shè)計(jì)中，輸出軸上額外配備了一個(gè)位置傳感器。

完整的電機(jī)換向與定位解決方案

Melexis推出了多款用于電機(jī)換向和／或定位的磁性位置傳感器芯片，包括鎖存器／開關(guān)、線性霍爾傳感器或角度編碼器等磁性解決方案。

鎖存器和開關(guān)

由于許多傳統(tǒng)霍爾效應(yīng)傳感器僅對(duì)垂直于IC的磁通量敏感，因此可能需要開發(fā)復(fù)雜（因此又大又昂貴）的定制磁性結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)所需的測(cè)量。Melexis提供一系列具有預(yù)編程或可編程固定參數(shù)的霍爾效應(yīng)鎖存器芯片Melexis的鎖存器和開關(guān)傳感器，采用創(chuàng)新的磁性Triaxis技術(shù)，可以測(cè)量橫向磁通量分量。除了可感應(yīng)垂直施加于芯片表面的磁感應(yīng)強(qiáng)度的傳統(tǒng)傳感器之外，Melexis還推出了可感應(yīng)側(cè)向磁感應(yīng)強(qiáng)度的鎖存器芯片，此功能大大提高了傳感器定位相對(duì)于磁體（轉(zhuǎn)子或感應(yīng)磁體）定位的靈活性。傳感器采用單芯片TSOT-3L或TO92-3L封裝。此外，Melexis還推出了首款支持ASIL-B的鎖存器／開關(guān)芯片。

線性霍爾傳感器

MLX90290是一款SMD出廠編程的高速線性霍爾傳感器芯片，具有成比例模擬輸出。目標(biāo)應(yīng)用為小行程旋轉(zhuǎn)應(yīng)用、線性位置傳感器、交流和直流電流感應(yīng)應(yīng)用，以及無刷直流電機(jī)換向應(yīng)用。線性霍爾效應(yīng)傳感器芯片與工作偏置電壓為3.3VDC和5VDC的電路兼容。對(duì)于使用大多數(shù)永磁體（例如AlNiCo、NeFeB和鐵氧體）的位置檢測(cè)，此芯片可以做溫度補(bǔ)償。對(duì)于電流感應(yīng)應(yīng)用，可提供適用于0ppm/℃的版本。

解碼器

－ 磁性

Melexis的MLX90380是一款適用于無刷電機(jī)的快速預(yù)編程磁性解碼器芯片，非常適用于汽車應(yīng)用以及其它需要快速讀取位置的應(yīng)用。另一款MLX90381則是3D磁性角度編碼器芯片，可測(cè)量高達(dá)50,000 e-rpm的轉(zhuǎn)速。該芯片針對(duì)可靠的電機(jī)設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化，具有尺寸小巧、可在模塊層級(jí)編程、頗具成本效益，且符合ASIL標(biāo)準(zhǔn)。

－ 電感式

Melexis提供最先進(jìn)的電感式解碼器解決方案：MLX90510和MLX90517支持極高的速度和高精度（最大±0.36° el，最高240000 e-rpm）。

磁力計(jì)

Melexis還提供各種低速角位置傳感器芯片，Melexis產(chǎn)品中的低速指更新頻率不低于200μs。其中的 MLX90392 / MLX90393 / MLX90395 / MLX90397 是經(jīng)過數(shù)值優(yōu)化，需進(jìn)行后處理的磁力計(jì)，適用于消費(fèi)類應(yīng)用或汽車應(yīng)用。

位置傳感器

－ 磁性

MLX9042x則是主流系列的磁性位置傳感器芯片，適用于注重成本但要求嚴(yán)苛的應(yīng)用。MLX9037x是性能系列，具備高性能、高安全性且功能全面的磁性位置傳感器芯片。

－ 電感式

MLX90513是一款一流的電感式位置傳感器，Melexis現(xiàn)在廣泛采用電感技術(shù)，它提供全面的雜散場(chǎng)抗擾度、高安全標(biāo)準(zhǔn)，以及在要求苛刻的應(yīng)用中提供更高的精度。

LIN電機(jī)驅(qū)動(dòng)器

Melexis的全集成LIN電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片和預(yù)驅(qū)動(dòng)芯片則可降低BoM成本，簡(jiǎn)化汽車機(jī)電一體化應(yīng)用中電機(jī)控制翼板、閥門、風(fēng)扇和泵的設(shè)計(jì)。這些裝置還可用于機(jī)器人系統(tǒng)和電動(dòng)自行車／電動(dòng)踏板車。LIN電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片支持兩線直流電機(jī)、三線直流無刷電機(jī)或四線雙極步進(jìn)電機(jī)，可以使用帶傳感器或無傳感器的磁場(chǎng)定向控制（FOC）算法。

Melexis的第三代嵌入式驅(qū)動(dòng)芯片系列包括適用于1~10 W應(yīng)用的MLX81330、MLX81332和MLX81334 LIN驅(qū)動(dòng)芯片，以及適用于10~2000 W應(yīng)用的MLX81340、MLX81344和MLX81346 LIN預(yù)驅(qū)動(dòng)芯片。值得一提的是，Melexis憑借MLX81346成為將全集成片上系統(tǒng)（SoC）48 V預(yù)驅(qū)動(dòng)芯片推向市場(chǎng)的先驅(qū)企業(yè)。

結(jié)語

借助位置傳感器的支持，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器可滿足與位置、轉(zhuǎn)矩和速度控制相關(guān)的特定應(yīng)用要求，有助于提升電機(jī)的運(yùn)作精度、效率。Melexis推出多款用于電機(jī)的傳感與驅(qū)動(dòng)解決方案，將是優(yōu)化您的機(jī)電一體化應(yīng)用的理想選擇。

審核編輯：劉清