BLDC電機趨勢

 

近年來
，許多終端市場和應用中的一個明顯趨勢是用高效率的 無刷直流電機(BLDC)替換交流電機或機械泵。使用BLDC的一些主 要優點包括：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)
、在危險環境下工作更安全(不會像有刷電機一 樣產生刷粉或火花)。此外，由於BLDC電機采用電子換向方式， 因此更易在應用的速度範圍內控製扭矩和速度參數，並且能夠實 現更複雜的控製，例如維持保持扭矩或速度極限。憑借這些優 點，BLDC電機在眾多現有和新應用中占得一席之地。在汽車領 域，BLDC電機已用於替換液壓執行器和有刷電機
，這不僅能夠 減小重量/尺寸
、延長工作壽命

、降低維護成本
，而且能夠大幅 提高整體係統性能和效率。隨著汽車行業向優化燃油效率快速發 展，BLDC電機現能夠實現相應的性能，幫助減小傳動係統、電 動助力轉向和HVAC(暖通空調)係統以及起動馬達/發電機和各類泵 (水/燃油/油)中的發動機負荷。

 

角度傳感器在BLDC電機控製中的作用

 

要實現電機的精確控製和高效換向，高分辨率電流和旋轉位置信 息至關重要。一般而言，在基於旋變器的係統中，分辨率和精度 可能非常高
，但終端解決方案可能價格昂貴且體積較大，這是因 為旋變器本身會占用較大的物理空間。無傳感器方案也可用於檢 測反電動勢電流，而且還能降低傳感器重量和成本，但是電機啟 動性能可能是個問題
，因為這時不會產生反電動勢，因此就無法 得到可用的位置數據。其他解決方案，例如利用三個霍爾效應傳 感器檢測電機磁體的位置，通常用於對成本敏感的應用中。這種 情況下，要求的分辨率可以實現，但需要監控三個信號。此外
， 這些傳感器不是配套的，這可能會產生空間和安裝難題。

 

一種替代方案是使用基於異性磁阻(AMR)技術的角度傳感器，這 些傳感器既便宜又精確。借助ARM傳感器
，不僅可實現高角度精 度
，而且可將一個檢測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係統，並且能夠在電機總成內定位傳 感器。

 

ADI公司已與MR技術的領導者——Sensitec GMBH——開展合作，共 同提供ADA4571，該產品將高精度AMR傳感器和高性能儀表放大 器集成在單個封裝中。

 

 

ADA4571在−40°C至+150°C的寬工作溫度範圍下進行的生產測試 得到的最大角度誤差為0.5°，而且具有內置診斷功能
、大輸出電 平、EMC保護以及低失調偏移，因此是非常理想的傳感器，它能 夠實現高性能BLDC電機控製，而且速度超過25000 RPM。

 

AMR技術

 

基於AMR理念的傳感器的材料電阻率取決於相對於電流方向的 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傳感器在飽和狀態下工作
，因此外部磁場對電阻變化起決定 作用。外部磁場和電流方向平行時電阻最大，施加磁場與載流透 磁合金的平麵垂直時電阻最小。 AMR傳感器如何工作的簡化圖如 圖1所示。

 

圖1. AMR工作原理

 

兩個獨立的惠斯登電橋配置以彼此呈45°的方式排列時，可實現角度傳感器，其正弦和餘弦輸出取決於外部磁場方向。此配置可提供具有180°絕對測量範圍的傳感器。

 

圖2. 360°機械旋轉時的ADA4571誤差(灰色)和輸出波形(橙色/藍色)

 

圖2顯示了旋轉磁場施加在360°機械旋轉情形時ADA4571的典型高輸出電平和角度誤差。在微控製器中進行失調校正和反正切計算之後，典型誤差小於0.1°。

 

傳感器安裝

 

對於大部分BLDC控製係統
，根據可用空間和電機軸安裝的便利性，配置和安裝傳感器有許多選擇方式。圖3顯示了ADA4571的兩個配置示例。

 

圖3. BLDC係統與ADA4571 (a)軸端係統(b)軸側係統

 

典型的軸端配置包括一個安裝在旋轉軸上的直徑磁化盤式磁體，該磁體安裝在電機總成內部，如圖3(a)所示。該磁體可提供一個穿過傳感器平麵的磁場。

 

在此配置中，無需使機械和電氣組件接觸即可直接讀取轉子角度。由於AMR技術不依賴磁場強度，因此能夠耐受氣隙變化。不依賴磁場強度還可增大機械容差並使磁體材料的選擇簡單化。

 

緊湊的軸端配置意味著傳感器可直接安裝在非常靠近電子控製裝置(微控製器、MOSFET)的印刷電路板(PCB)上
，從而能夠最大限度減少信號路由並減小與惡劣電機環境的距離。.

 

另一種可能的配置是圖3(b)所suo示shi的de軸zhou側ce係xi統tong。軸zhou側ce配pei置zhi可ke用yong於yu待dai檢jian測ce軸zhou無wu法fa在zai端duan頭tou安an裝zhuang磁ci體ti的de應ying用yong。在zai此ci配pei置zhi中zhong
，由you磁ci極ji環huan提ti供gong激ji勵li，傳chuan感gan器qi和he磁ci極ji環huan可ke安an裝zhuang在zai軸zhou上shang的de任ren意yi位wei置zhi。典dian型xing應ying用yong包bao括kuo電dian動dong助zhu力li轉zhuan向xiang泵beng或huo由you於yu空kong間jian限xian製zhi不bu能neng使shi用yong軸zhou端duan的deBLDC電機。

 

由於ADA4571nenggoutigongdiyanchihejingquedeweizhifankuixinxi
，yincikeduidianjigexiangdedianliujinxingjingquekongzhi，congershidianjiduidongtaifuzaizuochushunchangxiangying，huozaibianhuadetiaojianxiaweichihengsu。zuizhongjieguojiushigenghaodekongzhi
、最大的扭矩
、更高的啟動/停止效率，以及更佳的運行狀況。

 

傳感器設置和校準

 

要獲得更高的精度，可在用戶的生產線末端執行各類校準程序。 可執行一次性失調校準，以消除正弦和餘弦信號的初始失調。

 

圖4顯示了在室溫下執行一次性失調校準後的典型性能。 圖4.

 

圖4. 單點和雙點校正時典型角度誤差與溫度的關係

 

由於傳感器的失調漂移
，角度精度可能隨溫度升高而下降，如在150°C時shi進jin行xing單dan點dian校xiao正zheng的de情qing況kuang，而er雙shuang點dian溫wen度du校xiao準zhun則ze可ke提ti高gao性xing能neng。在zai這zhe種zhong情qing況kuang下xia，可ke對dui失shi調tiao和he片pian內nei溫wen度du傳chuan感gan器qi的de信xin息xi進jin行xing插cha值zhi計ji算suan，並bing且qie可ke補bu償chang隨sui溫wen度du變bian化hua的de失shi調tiao。

 

自由運行應用中的BLDC係(xi)統(tong)可(ke)充(chong)分(fen)利(li)用(yong)連(lian)續(xu)的(de)失(shi)調(tiao)校(xiao)正(zheng)技(ji)術(shu)，方(fang)法(fa)是(shi)計(ji)算(suan)指(zhi)定(ding)時(shi)間(jian)內(nei)傳(chuan)感(gan)器(qi)輸(shu)出(chu)的(de)均(jun)值(zhi)。微(wei)控(kong)製(zhi)器(qi)中(zhong)的(de)動(dong)態(tai)失(shi)調(tiao)補(bu)償(chang)可(ke)在(zai)整(zheng)個(ge)溫(wen)度(du)範(fan)圍(wei)和(he)工(gong)作(zuo)壽(shou)命(ming)內(nei)實(shi)現(xian)非(fei)常(chang)高(gao)的(de)精(jing)度(du)。

 

與其他傳感器技術(霍爾/GMR/TMR)不同，ADA4571無需執行額外的校準步驟，例如幅度校正或正交性校正。經過生產測試驗證的幅度失配確保小於1%
，而先進的傳感器設計還可確保正交性。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。

 

對於無需高精度、低性能且對成本敏感的應用，ADA4571可在不進行線路終端失調校正的情況下使用。這種情況下
，ADA4571可確保具有小於5°的角度誤差。這對於一些未校準的應用非常有用
，因為主機控製器知道軸的位置
，因此可優化啟動狀況。

 

結論

 

磁性位置傳感器可為工業和汽車BLDC電機控製係統設計人員提供小型、穩定且易於組裝的位置檢測解決方案。ADI的新款ADA4571提供高速
、高精度、經生產測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
，明顯優於前幾代磁性位置傳感器。

 

為了確保器件的安裝和校準設置簡單方便並減少用戶的軟件開銷，ADI投入了大量精力。

 

因此
，BLDC電dian機ji製zhi造zao商shang可ke從cong非fei常chang精jing確que的de位wei置zhi數shu據ju中zhong受shou益yi，即ji使shi在zai高gao速su應ying用yong中zhong也ye可ke獲huo得de非fei常chang高gao的de扭niu矩ju性xing能neng，除chu此ci之zhi外wai，他ta們men還hai能neng獲huo得de使shi用yong無wu接jie觸chu式shi磁ci性xing檢jian測ce技ji術shu的de所suo有you好hao處chu。

 

參考電路

 

AA700應用筆記。AMR Free Pitch Sensoren für winkel– und Längenmessung. Sensitec.

 

 

推薦閱讀：