傳感器的最新發(fā)展可大幅提高BLDC電機控制性能

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(yōu)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(huán)境下工作更安全(不會像有刷電機一樣產(chǎn)生刷粉或火花)。此外，由于BLDC電機采用電子換向方式，因此更易在應用的速度范圍內(nèi)控制扭矩和速度參數(shù)，并且能夠?qū)崿F(xiàn)更復雜的控制，例如維持保持扭矩或速度極限。憑借這些優(yōu)點，BLDC電機在眾多現(xiàn)有和新應用中占得一席之地。在汽車領域，BLDC電機已用于替換液壓執(zhí)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電機現(xiàn)能夠?qū)崿F(xiàn)相應的性能，幫助減小傳動系統(tǒng)、電動助力轉(zhuǎn)向和HVAC(暖通空調(diào))系統(tǒng)以及起動馬達/發(fā)電機和各類泵(水/燃油/油)中的發(fā)動機負荷。

角度傳感器在BLDC電機控制中的作用

要實現(xiàn)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于檢測反電動勢電流，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(chǎn)生反電動勢，因此就無法得到可用的位置數(shù)據(jù)。其他解決方案，例如利用三個霍爾效應傳感器檢測電機磁體的位置，通常用于對成本敏感的應用中。這種情況下，要求的分辨率可以實現(xiàn)，但需要監(jiān)控三個信號。此外，這些傳感器不是配套的，這可能會產(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(xiàn)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系統(tǒng)，并且能夠在電機總成內(nèi)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(chǎn)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的寬工作溫度范圍下進行的生產(chǎn)測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電機控制，而且速度超過25000 RPM。

AMR技術

基于AMR理念的傳感器的材料電阻率取決于相對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面垂直時電阻最小。 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(xiàn)角度傳感器，其正弦和余弦輸出取決于外部磁場方向。此配置可提供具有180°絕對測量范圍的傳感器。

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

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

傳感器安裝

對于大部分BLDC控制系統(tǒng)，根據(jù)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系統(tǒng)與ADA4571 (a)軸端系統(tǒng)(b)軸側(cè)系統(tǒng)。