傳感器的最新發(fā)展可大幅提高BLDC電機(jī)控制性能

近年來(lái)，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(wú)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(wú)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(wú)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(wèn)題，因?yàn)檫@時(shí)不會(huì)產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)，因此就無(wú)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(kāi)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(guò)25000 RPM。

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)。