傳感器的發(fā)展推動了BLDC電機控制性能

作者：Brendan Cronin, Robert Guyol, and Mark Donegan

近年來，在許多終端市場和應(yīng)用中，用高效無刷直流電機 （BLDC） 取代交流電機或機械泵采取了重大舉措。使用 BLDC 電機的一些主要優(yōu)點包括：更高的功率和熱效率、改進的空間/重量效率、更高的可靠性（無刷）以及在危險環(huán)境中更安全地運行（不會產(chǎn)生電刷灰塵或火花，如有刷電機）。此外，鑒于 BLDC 電機采用電子換向，因此在整個應(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，BLDC 電機正在進入許多現(xiàn)有和新的應(yīng)用。在汽車行業(yè)，BLDC 電機已被用于取代液壓執(zhí)行器和有刷電機，以減輕重量/尺寸、延長使用壽命、降低維護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 電機可實現(xiàn)按需性能，并有助于降低動力總成、動力轉(zhuǎn)向和 HVAC（供暖、通風(fēng)和空調(diào)）系統(tǒng)中的發(fā)動機負(fù)載，此外還有起動電機/發(fā)電機和多種泵（水/燃料/油）。

角度傳感器在 BLDC 電機控制中的作用

對于電機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反電動勢電流，從而降低傳感器重量和成本，但電機啟動性能可能存在問題，因為不會產(chǎn)生反電動勢，因此沒有可用的位置數(shù)據(jù)。其他解決方案，例如利用三個霍爾效應(yīng)傳感器來檢測電機磁體的位置，通常用于成本敏感型應(yīng)用。在這種情況下，實現(xiàn)了分辨率，并且需要監(jiān)控三個信號。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)的廉價但精確的角度傳感器。使用AMR傳感器可以實現(xiàn)高角度精度，并且可以在同一封裝中將單個傳感元件與電子電路集成在一起。這使得實現(xiàn)非常小的傳感器子系統(tǒng)成為可能，并為在電機組件內(nèi)定位傳感器提供了機會。

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擴展工作溫度范圍內(nèi)具有經(jīng)生產(chǎn)測試的最大角度誤差為0.5°、內(nèi)置診斷功能、大輸出電平、EMC保護和低失調(diào)漂移，是實現(xiàn)速度超過25，000 RPM的高性能BLDC電機控制的理想傳感器。

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，因此外部磁場的貢獻主導(dǎo)電阻變化。當(dāng)外部磁場和電流方向平行時，電阻為最大值，當(dāng)施加的磁場垂直于載流坡莫合金的平面時，電阻為最小值。AMR傳感器工作原理的簡化圖如圖1所示。

圖1.抗微生物藥物耐藥性原則。

通過兩個獨立的惠斯通電橋配置，彼此呈45°排列，可以實現(xiàn)角度傳感器，其正弦和余弦輸出取決于外部磁場方向。這種配置為傳感器提供了180°絕對測量范圍。

圖2.360°機械旋轉(zhuǎn)過程中的ADA4571誤差（灰色）和輸出波形（橙色/藍色）

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

傳感器安裝

對于大多數(shù) BLDC 控制系統(tǒng)，根據(jù)可用的占地面積和軸的可訪問性，有許多選項可以配置和安裝傳感器。ADA4571的兩個配置示例如圖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） 所示的電機組件內(nèi)部。磁鐵提供穿過傳感器平面的磁場。

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

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路由和與惡劣電機環(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，傳感器和極環(huán)可以沿軸安裝在任何位置。典型應(yīng)用包括電動助力轉(zhuǎn)向泵或 BLDC 電機，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)控制電機相位的電流，以提供對動態(tài)負(fù)載的平滑電機響應(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/失速效率以及更好的運行條件。

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?？梢詧?zhí)行一次性偏移校準(zhǔn)，以消除正弦和余弦信號的初始偏移。

圖4顯示了在室溫下進行一次性失調(diào)校準(zhǔn)后的典型性能。

圖4.1 點和 2 點校正在整個溫度范圍內(nèi)的典型角度誤差。

由于傳感器的偏移漂移，角度精度可能會隨溫度下降，如150°C下單點校準(zhǔn)情況所示。 通過 2 點溫度校準(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行插值，并補償失調(diào)隨溫度的變化。

自由運行應(yīng)用中的 BLDC 系統(tǒng)可以通過在指定時間內(nèi)對傳感器輸出求平均值來利用連續(xù)偏移校正技術(shù)。微控制器中的動態(tài)失調(diào)補償可以在溫度和工作壽命范圍內(nèi)實現(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%，先進的傳感器設(shè)計保證正交性。該傳感器的遲滯可以忽略不計，可實現(xiàn)高度可靠和準(zhǔn)確的位置信息。

對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，因為主機控制器可以在知道軸的位置的情況下優(yōu)化啟動條件。

結(jié)論

磁性位置傳感器為工業(yè)和汽車 BLDC 電機控制系統(tǒng)的設(shè)計人員提供了小巧、堅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)置簡單，并減少用戶的軟件開銷。

因此，BLDC 電機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