BLDC電機(jī)趨勢

 

近年來，許多終端市場和應(yīng)用中的一個(gè)明顯趨勢是用高效率的 無刷直流電機(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(無刷)、在危險(xiǎn)環(huán)境下工作更安全(不會像有刷電機(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)?現(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(dá)/發(fā)電機(jī)和各類泵 (水/燃油/油)中的發(fā)動機(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 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(jī)啟 動性能可能是個(gè)問題，因?yàn)檫@時(shí)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(gè)霍爾效應(yīng)傳 感器檢測電機(jī)磁體的位置，通常用于對成本敏感的應(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。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(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(shí)電阻最大，施加磁場與載流透 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(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)

 

典型的軸端配置包括一個(gè)安裝在旋轉(zhuǎn)軸上的直徑磁化盤式磁體，該磁體安裝在電機(jī)總成內(nèi)部，如圖3(a)所示。該磁體可提供一個(gè)穿過傳感器平面的磁場。

 

在此配置中，無需使機(jī)械和電氣組件接觸即可直接讀取轉(zhuǎn)子角度。由于AMR技術(shù)不依賴磁場強(qiáng)度，因此能夠耐受氣隙變化。不依賴磁場強(qiáng)度還可增大機(jī)械容差并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制裝置(微控制器、MOSFET)的印刷電路板(PCB)上，從而能夠最大限度減少信號路由并減小與惡劣電機(jī)環(huán)境的距離。.

 

另一種可能的配置是圖3(b)所示的軸側(cè)系統(tǒng)。軸側(cè)配置可用于待檢測軸無法在端頭安裝磁體的應(yīng)用。在此配置中，由磁極環(huán)提供激勵，傳感器和磁極環(huán)可安裝在軸上的任意位置。典型應(yīng)用包括電動助力轉(zhuǎn)向泵或由于空間限制不能使用軸端的BLDC電機(jī)。

 

由于ADA4571能夠提供低延遲和精確的位置反饋信息，因此可對電機(jī)各相的電流進(jìn)行精確控制，從而使電機(jī)對動態(tài)負(fù)載做出順暢響應(yīng)，或在變化的條件下維持恒速。最終結(jié)果就是更好的控制、最大的扭矩、更高的啟動/停止效率，以及更佳的運(yùn)行狀況。

 

傳感器設(shè)置和校準(zhǔn)

 

要獲得更高的精度，可在用戶的生產(chǎn)線末端執(zhí)行各類校準(zhǔn)程序。 可執(zhí)行一次性失調(diào)校準(zhǔn)，以消除正弦和余弦信號的初始失調(diào)。

 

圖4顯示了在室溫下執(zhí)行一次性失調(diào)校準(zhǔn)后的典型性能。 圖4.

 

圖4. 單點(diǎn)和雙點(diǎn)校正時(shí)典型角度誤差與溫度的關(guān)系

 

由于傳感器的失調(diào)漂移，角度精度可能隨溫度升高而下降，如在150°C時(shí)進(jìn)行單點(diǎn)校正的情況，而雙點(diǎn)溫度校準(zhǔn)則可提高性能。在這種情況下，可對失調(diào)和片內(nèi)溫度傳感器的信息進(jìn)行插值計(jì)算，并且可補(bǔ)償隨溫度變化的失調(diào)。

 

自由運(yùn)行應(yīng)用中的BLDC系統(tǒng)可充分利用連續(xù)的失調(diào)校正技術(shù)，方法是計(jì)算指定時(shí)間內(nèi)傳感器輸出的均值。微控制器中的動態(tài)失調(diào)補(bǔ)償可在整個(gè)溫度范圍和工作壽命內(nèi)實(shí)現(xiàn)非常高的精度。

 

與其他傳感器技術(shù)(霍爾/GMR/TMR)不同，ADA4571無需執(zhí)行額外的校準(zhǔn)步驟，例如幅度校正或正交性校正。經(jīng)過生產(chǎn)測試驗(yàn)證的幅度失配確保小于1%，而先進(jìn)的傳感器設(shè)計(jì)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。

 

對于無需高精度、低性能且對成本敏感的應(yīng)用，ADA4571可在不進(jìn)行線路終端失調(diào)校正的情況下使用。這種情況下，ADA4571可確保具有小于5°的角度誤差。這對于一些未校準(zhǔn)的應(yīng)用非常有用，因?yàn)橹鳈C(jī)控制器知道軸的位置，因此可優(yōu)化啟動狀況。

 

結(jié)論

 

磁性位置傳感器可為工業(yè)和汽車BLDC電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員提供小型、穩(wěn)定且易于組裝的位置檢測解決方案。ADI的新款A(yù)DA4571提供高速、高精度、經(jīng)生產(chǎn)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(yōu)于前幾代磁性位置傳感器。

 

為了確保器件的安裝和校準(zhǔn)設(shè)置簡單方便并減少用戶的軟件開銷，ADI投入了大量精力。

 

因此，BLDC電機(jī)制造商可從非常精確的位置數(shù)據(jù)中受益，即使在高速應(yīng)用中也可獲得非常高的扭矩性能，除此之外，他們還能獲得使用無接觸式磁性檢測技術(shù)的所有好處。

 

參考電路

 

AA700應(yīng)用筆記。AMR Free Pitch Sensoren für winkel– und Längenmessung. Sensitec.

 

 

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