傳感器的最新發(fā)展可大幅提高BLDC電機(jī)控制性能

BLDC電機(jī)趨勢(shì)

近年來，許多終端市場(chǎng)和應(yīng)用中的一個(gè)明顯趨勢(shì)是用高效率的無刷直流電機(jī)（BLDC）替換交流電機(jī)或機(jī)械泵。使用BLDC的一些主要優(yōu)點(diǎn)包括：更高的功率和熱效率、更高的空間/重量效率、更高的可靠性（無刷）、在危險(xiǎn)環(huán)境下工作更安全（不會(huì)像有刷電機(jī)一樣產(chǎn)生刷粉或火花）。此外，由于BLDC電機(jī)采用電子換向方式，因此更易在應(yīng)用的速度范圍內(nèi)控制扭矩和速度參數(shù)，并且能夠?qū)崿F(xiàn)更復(fù)雜的控制，例如維持保持扭矩或速度極限。憑借這些優(yōu)點(diǎn)，BLDC電機(jī)在眾多現(xiàn)有和新應(yīng)用中占得一席之地。在汽車領(lǐng)域，BLDC電機(jī)已用于替換液壓執(zhí)行器和有刷電機(jī)，這不僅能夠減小重量/尺寸、延長(zhǎng)工作壽命、降低維護(hù)成本，而且能夠大幅提高整體系統(tǒng)性能和效率。隨著汽車行業(yè)向優(yōu)化燃油效率快速發(fā)展，BLDC電機(jī)現(xiàn)能夠?qū)崿F(xiàn)相應(yīng)的性能，幫助減小傳動(dòng)系統(tǒng)、電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向和HVAC（暖通空調(diào)）系統(tǒng)以及起動(dòng)馬達(dá)/發(fā)電機(jī)和各類泵（水/燃油/油）中的發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷。

角度傳感器在BLDC電機(jī)控制中的作用

要實(shí)現(xiàn)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。一般而言，在基于旋變器的系統(tǒng)中，分辨率和精度可能非常高，但終端解決方案可能價(jià)格昂貴且體積較大，這是因?yàn)樾兤鞅旧頃?huì)占用較大的物理空間。無傳感器方案也可用于檢測(cè)反電動(dòng)勢(shì)電流，而且還能降低傳感器重量和成本，但是電機(jī)啟動(dòng)性能可能是個(gè)問題，因?yàn)檫@時(shí)不會(huì)產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)，因此就無法得到可用的位置數(shù)據(jù)。其他解決方案，例如利用三個(gè)霍爾效應(yīng)傳感器檢測(cè)電機(jī)磁體的位置，通常用于對(duì)成本敏感的應(yīng)用中。這種 情況下，要求的分辨率可以實(shí)現(xiàn)，但需要監(jiān)控三個(gè)信號(hào)。此外，這些傳感器不是配套的，這可能會(huì)產(chǎn)生空間和安裝難題。

一種替代方案是使用基于異性磁阻（AMR）技術(shù)的角度傳感器，這些傳感器既便宜又精確。借助ARM傳感器，不僅可實(shí)現(xiàn)高角度精度，而且可將一個(gè)檢測(cè)元件和電子電路集成在同一封裝中。這可獲得非常小的傳感器子系統(tǒng)，并且能夠在電機(jī)總成內(nèi)定位傳感器。

ADI公司已與MR技術(shù)的領(lǐng)導(dǎo)者——Sensitec GMBH——開展合作，共同提供ADA4571，該產(chǎn)品將高精度AMR傳感器和高性能儀表放大器集成在單個(gè)封裝中。

ADA4571在?40°C至+150°C的寬工作溫度范圍下進(jìn)行的生產(chǎn)測(cè)試得到的最大角度誤差為0.5°，而且具有內(nèi)置診斷功能、大輸出電平、EMC保護(hù)以及低失調(diào)偏移，因此是非常理想的傳感器，它能夠?qū)崿F(xiàn)高性能BLDC電機(jī)控制，而且速度超過25000RPM。

AMR技術(shù)

基于AMR理念的傳感器的材料電阻率取決于相對(duì)于電流方向的磁化方向。該傳感器通常沉積為薄膜透磁合金(磁性鐵鎳合金)。AMR傳感器在飽和狀態(tài)下工作，因此外部磁場(chǎng)對(duì)電阻變化起決定作用。外部磁場(chǎng)和電流方向平行時(shí)電阻最大，施加磁場(chǎng)與載流透磁合金的平面垂直時(shí)電阻最小。AMR傳感器如何工作的簡(jiǎn)化圖如圖1所示。

圖1 AMR工作原理

兩個(gè)獨(dú)立的惠斯登電橋配置以彼此呈45°的方式排列時(shí)，可實(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。此配置可提供具有180°絕對(duì)測(cè)量范圍的傳感器。

圖2 360°機(jī)械旋轉(zhuǎn)時(shí)的ADA4571誤差(灰色)和輸出波形(橙色/藍(lán)色)

圖2顯示了旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)施加在360°機(jī)械旋轉(zhuǎn)情形時(shí)ADA4571的典型高輸出電平和角度誤差。在微控制器中進(jìn)行失調(diào)校正和反正切計(jì)算之后，典型誤差小于0.1°。

傳感器安裝

對(duì)于大部分BLDC控制系統(tǒng)，根據(jù)可用空間和電機(jī)軸安裝的便利性，配置和安裝傳感器有許多選擇方式。圖3顯示了ADA4571的兩個(gè)配置示例。

圖3 BLDC系統(tǒng)與ADA4571 (a)軸端系統(tǒng)(b)軸側(cè)系統(tǒng)

典型的軸端配置包括一個(gè)安裝在旋轉(zhuǎn)軸上的直徑磁化盤式磁體，該磁體安裝在電機(jī)總成內(nèi)部，如圖3(a)所示。該磁體可提供一個(gè)穿過傳感器平面的磁場(chǎng)。

在此配置中，無需使機(jī)械和電氣組件接觸即可直接讀取轉(zhuǎn)子角度。由于AMR技術(shù)不依賴磁場(chǎng)強(qiáng)度，因此能夠耐受氣隙變化。不依賴磁場(chǎng)強(qiáng)度還可增大機(jī)械容差并使磁體材料的選擇簡(jiǎn)單化。

緊湊的軸端配置意味著傳感器可直接安裝在非?？拷娮涌刂蒲b置(微控制器、MOSFET)的印刷電路板(PCB)上，從而能夠最大限度減少信號(hào)路由并減小與惡劣電機(jī)環(huán)境的距離。.

另一種可能的配置是圖3(b)所示的軸側(cè)系統(tǒng)。軸側(cè)配置可用于待檢測(cè)軸無法在端頭安裝磁體的應(yīng)用。在此配置中，由磁極環(huán)提供激勵(lì)，傳感器和磁極環(huán)可安裝在軸上的任意位置。典型應(yīng)用包括電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向泵或由于空間限制不能使用軸端的BLDC電機(jī)。

由于ADA4571能夠提供低延遲和精確的位置反饋信息，因此可對(duì)電機(jī)各相的電流進(jìn)行精確控制，從而使電機(jī)對(duì)動(dòng)態(tài)負(fù)載做出順暢響應(yīng)，或在變化的條件下維持恒速。最終結(jié)果就是更好的控制、最大的扭矩、更高的啟動(dòng)/停止效率，以及更佳的運(yùn)行狀況。

傳感器設(shè)置和校準(zhǔn)

要獲得更高的精度，可在用戶的生產(chǎn)線末端執(zhí)行各類校準(zhǔn)程序?？蓤?zhí)行一次性失調(diào)校準(zhǔn)，以消除正弦和余弦信號(hào)的初始失調(diào)。

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

圖4 單點(diǎn)和雙點(diǎn)校正時(shí)典型角度誤差與溫度的關(guān)系

由于傳感器的失調(diào)漂移，角度精度可能隨溫度升高而下降，如在150°C時(shí)進(jìn)行單點(diǎn)校正的情況，而雙點(diǎn)溫度校準(zhǔn)則可提高性能。在這種情況下，可對(duì)失調(diào)和片內(nèi)溫度傳感器的信息進(jìn)行插值計(jì)算，并且可補(bǔ)償隨溫度變化的失調(diào)。

自由運(yùn)行應(yīng)用中的BLDC系統(tǒng)可充分利用連續(xù)的失調(diào)校正技術(shù)，方法是計(jì)算指定時(shí)間內(nèi)傳感器輸出的均值。微控制器中的動(dòng)態(tài)失調(diào)補(bǔ)償可在整個(gè)溫度范圍和工作壽命內(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無需執(zhí)行額外的校準(zhǔn)步驟，例如幅度校正或正交性校正。經(jīng)過生產(chǎn)測(cè)試驗(yàn)證的幅度失配確保小于1%，而先進(jìn)的傳感器設(shè)計(jì)還可確保正交性。傳感器還可忽略遲滯，從而獲得高可靠性且精確的位置信息。

對(duì)于無需高精度、低性能且對(duì)成本敏感的應(yīng)用，ADA4571可在不進(jìn)行線路終端失調(diào)校正的情況下使用。這種情況下，ADA4571可確保具有小于5°的角度誤差。這對(duì)于一些未校準(zhǔn)的應(yīng)用非常有用，因?yàn)橹鳈C(jī)控制器知道軸的位置，因此可優(yōu)化啟動(dòng)狀況。

結(jié)論

磁性位置傳感器可為工業(yè)和汽車BLDC電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員提供小型、穩(wěn)定且易于組裝的位置檢測(cè)解決方案。ADI的新款A(yù)DA4571提供高速、高精度、經(jīng)生產(chǎn)測(cè)試保證的全角度精度、集成式診斷功能以及低功耗工作模式，明顯優(yōu)于前幾代磁性位置傳感器。

為了確保器件的安裝和校準(zhǔn)設(shè)置簡(jiǎn)單方便并減少用戶的軟件開銷，ADI投入了大量精力。

因此，BLDC電機(jī)制造商可從非常精確的位置數(shù)據(jù)中受益，即使在高速應(yīng)用中也可獲得非常高的扭矩性能，除此之外，他們還能獲得使用無接觸式磁性檢測(cè)技術(shù)的所有好處。