用于BLDC電機控制的位置傳感器選擇

在某些類別的電機驅(qū)動應(yīng)用中，用戶對不可預(yù)測、不均勻或不規(guī)則的電機行為幾乎沒有容忍度或根本沒有容忍度。雖然這當(dāng)然不能適用于所有電機驅(qū)動的產(chǎn)品——例如電動牙刷或電池供電的玩具，但它們始終密切關(guān)注材料清單 (BoM) 成本，并且?guī)缀蹩偸菚邮苌倭坎环€(wěn)定的電機行為作為最小化電機成本的合理權(quán)衡——其他電機驅(qū)動應(yīng)用需要更高水平的操作。

電動工具是一種產(chǎn)品類型的例子，其中可靠和可預(yù)測的電機性能是絕對必要的特征。考慮一下電動鋸用戶在啟動時向后跳或產(chǎn)生向前“打嗝”運動的潛在傷害和/或不安 - 特別是如果他們剛剛在切割中間停止了工具。同樣，市場將很快拒絕在每次使用期間以不同扭矩和/或加速度啟動的電鉆或類似電動工具。

這種對性能至關(guān)重要的電機系統(tǒng)的制造商敏銳地意識到用戶的需求，并且通常試圖通過使用有刷直流電機來滿足這些需求，這些電機提供了在啟動和管理時保持換向和全扭矩的可靠能力負載變化。然而，與有刷直流電機相比，它的效率相對較低，并且由于機械磨損或化學(xué)污染，刷子在其他組件之前失效的固有趨勢。

相比之下，無刷直流 (BLDC) 電機在許多方面都大大優(yōu)于有刷直流電機：

效率

零電氣磨損

清潔操作

BLDC 電機控制系統(tǒng)設(shè)計人員面臨的主要挑戰(zhàn)是，當(dāng)換向器被迫在沒有準確和實時的絕對旋轉(zhuǎn)位置數(shù)據(jù)的情況下運行時，電機會出現(xiàn)打嗝以及扭矩和加速度不一致的問題。過去，絕對位置傳感只能通過極其昂貴的傳感器獲得：適用于大多數(shù)電機系統(tǒng)制造商的 BoM 預(yù)算的低成本傳感解決方案未能充分滿足這一要求。

因此，在電動工具和其他對性能至關(guān)重要的終端產(chǎn)品中，高效可靠的 BLDC 電機技術(shù)通常不受青睞。然而，本文建議電動工具制造商和其他有類似要求的制造商可以通過利用半導(dǎo)體產(chǎn)品類型（磁性位置傳感器 IC）采用 BLDC 電機，它與簡單的磁鐵一起提供絕對位置數(shù)據(jù)。系統(tǒng)成本低，易于組裝到電機系統(tǒng)中，并使 BLDC 電機始終保持最佳換向。

圖 1：為了保持最大扭矩，換向器必須在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時通過定子保持與轉(zhuǎn)子磁場正交的磁場。

用于 BLDC 電機控制的位置傳感器選擇

BLDC 電機控制系統(tǒng)必須提供干凈的啟動操作、保持連續(xù)換向、實現(xiàn)盡可能高的效率并從可用電力中提取最大扭矩。實現(xiàn)所有這些目標(biāo)的關(guān)鍵是了解轉(zhuǎn)子相對于定子的位置，這些信息使電機控制系統(tǒng)設(shè)計人員能夠?qū)嵤┓€(wěn)健的電氣驅(qū)動管理解決方案（見圖1）。

特別是，絕對位置數(shù)據(jù)的可用性使電機能夠從任何位置平穩(wěn)啟動。相比之下，使用離散傳感器或其他控制技術(shù)的系統(tǒng)可能會在啟動時執(zhí)行跳躍或“打嗝”，以便在開始正常運行之前計算其相對于定子的起始位置。由不準確的位置數(shù)據(jù)引起的扭矩降低如圖2所示。

遺憾的是，迄今為止 BLDC 電機設(shè)計人員可用的最簡單、最便宜的位置傳感系統(tǒng)無法實現(xiàn)精確的絕對定位。

圖 2：四極對電機中由于零點偏移導(dǎo)致的轉(zhuǎn)矩降低。

用于換向的反電動勢或反電動勢位置感測要求電機處于運動狀態(tài)，以便感應(yīng)出用于感測的磁場。這意味著反電動勢系統(tǒng)沒有靜態(tài)電機的位置數(shù)據(jù)，除非它之前已被硬驅(qū)動到一個對齊點——該操作將導(dǎo)致電機向前或向后移動到這樣一個對齊點，獨立于用戶。并且在失速或卡住之后，必須重復(fù)此過程以實現(xiàn)有序的重新啟動。在所有情況下，在電機到達換向鎖定點之前，在沒有關(guān)于絕對轉(zhuǎn)子/定子定位的數(shù)據(jù)的情況下，它將遭受扭矩和輸出功率的降低。

圖 3：霍爾開關(guān)、光學(xué)編碼器和旋轉(zhuǎn)變壓器都已廣泛用于 BLDC 電機控制系統(tǒng)，但現(xiàn)在正被磁性位置傳感技術(shù)所取代。

離散霍爾開關(guān)系統(tǒng)通常由三個、五個或更多霍爾傳感器組成，這些傳感器在電機生產(chǎn)過程中固定在適當(dāng)?shù)奈恢茫ㄒ妶D3）。放置錯誤會導(dǎo)致效率或功率損失，因此分立式霍爾傳感器系統(tǒng)需要極其精確的組裝才能有效工作。每個霍爾傳感器還需要自己的信號線，使生產(chǎn)過程更加復(fù)雜。更糟糕的是，即使傳感器本身固定在絕對位置，它們也無法在整個 360° 旋轉(zhuǎn)范圍內(nèi)生成絕對位置數(shù)據(jù)，而僅限于在任何給定位置上最近的霍爾傳感器的角度切換響應(yīng)范圍內(nèi)進行測量。當(dāng)考慮與角度相關(guān)的扭矩損失時，由此產(chǎn)生的位置測量誤差可能很大。

光學(xué)編碼器可以產(chǎn)生絕對位置信息，但這需要在組裝過程中將編碼器與電機組件進行物理對齊，或者在系統(tǒng)級存儲零點信息。這種組件類型最具破壞性的缺點是它可能容易受到灰塵、污垢和其他污染物的影響。除非受到密封外殼的保護，否則污染會隨時損害編碼器的性能。

旋轉(zhuǎn)變壓器能夠提供極其精確和準確的位置測量。但是，典型的旋轉(zhuǎn)變壓器解決方案（包括旋轉(zhuǎn)變壓器單元本身以及附加的模擬和數(shù)字支持電路）的高成本在大多數(shù)消費類應(yīng)用中，甚至在工業(yè)和其他細分市場的最終產(chǎn)品的電機驅(qū)動系統(tǒng)中都是令人望而卻步的。

因此，這些位置傳感器選項中的每一個都受到以下一個或多個特性的影響：

啟動時不可預(yù)測/意外的電機運動，用戶無法控制

在所有條件下都缺乏準確的絕對位置信息

組裝到電機中的成本和難度

單位成本高

易受污染

但是，如果將多個霍爾傳感器集成在單個芯片中會怎樣？這是在稱為絕對磁性位置傳感器的一系列設(shè)備中采用的方法。通過在芯片上制造多個高度敏感的霍爾元件——以及模擬、信號處理和數(shù)字電路——可以在與簡單磁鐵配對的單個芯片中實現(xiàn)位置傳感器系統(tǒng)。該芯片通常固定在電機軸的末端，與安裝在電機軸末端或末端的小型低成本圓形兩極磁鐵平行（見圖4）。

圖 4：片上磁性位置傳感器與小型低成本磁鐵配對。

分立式霍爾傳感器解決方案的單芯片替代方案受益于以下特性：

360° 始終準確的絕對位置信息

組裝簡單：芯片安裝在簡單的 PCB 上，只需要一組線對板連接

單位成本低，因為集成電路受益于半導(dǎo)體制造過程中固有的規(guī)模經(jīng)濟

不受化學(xué)品、顆?；蚱渌牧系奈廴?/p>

ams 的 A5047 就是這種單芯片霍爾傳感產(chǎn)品的一個例子，它開創(chuàng)了磁性位置傳感器產(chǎn)品類別。在 AS5047 中，ams 具有使傳感器系統(tǒng)易于設(shè)計和制造的功能：

磁鐵和 IC 之間氣隙的可接受范圍——通常為 1 到 2 毫米，具體取決于磁鐵的磁場強度——在生產(chǎn)過程中允許較大的公差。

同樣，轉(zhuǎn)子和定子的永久、絕對對齊是在機械組裝之后通過片上 OTP 存儲器編程步驟以電子方式完成的。

ams 位置傳感器中實施的差分傳感方案提供了極高水平的雜散場抗擾度，因此在使用離散霍爾傳感器時不需要特殊的磁屏蔽布置。

這個簡單的解決方案可以提供從啟動到最高 28,000 rpm 的絕對位置傳感數(shù)據(jù)。艾邁斯半導(dǎo)體的動態(tài)角度誤差校正 (DAEC) 技術(shù)可在內(nèi)部補償高速傳播延遲，在 28,000 rpm 的恒定速度下將動態(tài)角度誤差降至不超過 0.36°。222 ns 的典型絕對位置數(shù)據(jù)更新時間意味著絕對位置信息可在很寬的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)實時使用。利用此位置數(shù)據(jù)，電機控制系統(tǒng)可以驅(qū)動不一致的負載，而不會出現(xiàn)滯后或換向丟失。

AS5047 與低成本的圓形徑向磁體配合使用，可將磁場強度測量值轉(zhuǎn)換為位置數(shù)據(jù)。為了簡化系統(tǒng)設(shè)計，它可以以 UVW 輸出信號的形式提供這些數(shù)據(jù)，用于具有 1 至 7 極對的電機的穩(wěn)態(tài)換向，以及提供絕對 14 位位置數(shù)據(jù)、增量位置數(shù)據(jù)和其他位置數(shù)據(jù)如果需要，信息格式。這減輕了主機處理器的負擔(dān)并提高了系統(tǒng)效率。

通過以定義的時間間隔監(jiān)控絕對位置，當(dāng)只有基于絕對定子/轉(zhuǎn)子位置的換向管理才能提供最佳電機運行時，系統(tǒng)可以在啟動條件或變化負載下立即切換到絕對角度和計算驅(qū)動。這種絕對位置感測方法可以在所有 BLDC 電機管理方案中實施：六步換向、12 步換向、磁場定向控制，甚至 PMSM 式正弦驅(qū)動器。

當(dāng)磁場強度超出其指定范圍以及發(fā)生其他操作故障時，傳感器還通過其串行外圍接口提供有用的診斷信息，這使系統(tǒng)能夠標(biāo)記可能需要注意的問題。

總之，包含多個片上霍爾傳感元件的傳感器 IC 比分立式霍爾傳感器更易于安裝在電機組件中，比旋轉(zhuǎn)變壓器更便宜，避免了光學(xué)編碼器易受污染的影響，并且與反電動勢傳感不同，它提供始終準確的絕對位置數(shù)據(jù)。通過提供絕對位置測量，AS5047 傳感器可以管理 BLDC 電機，以便始終提供平穩(wěn)且可預(yù)測的電機性能和最佳扭矩。通過使用集成磁性位置傳感器 IC，電動工具和類似終端產(chǎn)品的制造商現(xiàn)在可以用更現(xiàn)代、更高效的 BLDC 電機類型替換有刷直流電機，同時保持用戶期望的高電機性能。

概括

過去，電機制造商通過使用有刷直流電機來滿足用戶對平穩(wěn)和可預(yù)測性能的要求，這些電機在啟動時保持換向和全扭矩，同時管理變化的負載。然而，與有刷直流電機相比，它的效率相對較低，并且由于機械磨損或化學(xué)污染，刷子在其他組件之前失效的固有趨勢。

相比之下，無刷直流 (BLDC) 電機在許多方面都大大優(yōu)于有刷直流電機，包括：

效率

零電氣磨損

清潔操作

BLDC 電機控制系統(tǒng)設(shè)計人員面臨的主要挑戰(zhàn)是，當(dāng)換向器被迫在沒有準確和實時的絕對旋轉(zhuǎn)位置數(shù)據(jù)的情況下運行時，電機會出現(xiàn)打嗝以及扭矩和加速度不一致的問題。過去，絕對位置傳感只能通過極其昂貴的傳感器獲得：適用于大多數(shù)制造商的物料清單預(yù)算的低成本傳感解決方案未能充分滿足這一要求。

因此，在電動工具和其他對性能至關(guān)重要的終端產(chǎn)品中，高效可靠的 BLDC 電機技術(shù)通常不受青睞。然而，本文建議電動工具制造商和其他有類似要求的制造商可以通過利用半導(dǎo)體產(chǎn)品類型（磁性位置傳感器 IC）采用 BLDC 電機，它與簡單的磁鐵一起提供絕對位置數(shù)據(jù)。系統(tǒng)成本低，易于組裝到電機系統(tǒng)中，并使 BLDC 電機始終保持最佳換向。

　　審核編輯：湯梓紅