新型無刷直流電機(jī)控制傳感器提高能效降低噪聲

無刷直流(BLDC)電機(jī)日益成為電機(jī)市場的主力軍。盡管采購成本稍高，需要控制電子裝置，但和傳統(tǒng)有刷電機(jī)相比,無刷直流電機(jī)具備一些主要優(yōu)勢：高效、耐磨、長使用壽命、設(shè)計(jì)緊湊、高功率密度、低噪音，同時(shí)提高了可靠性。有效的控制需要高性能的反饋傳感器，用于感知轉(zhuǎn)子的位置。來自英飛凌的新一代霍爾開關(guān)和角度傳感器，可提供出色的電機(jī)控制功能，并且降低電機(jī)的能耗。

無刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子帶有一個(gè)永磁體，定子帶有繞組。不同繞組中電流的方向不再通過機(jī)械換向器在電刷上滑動(dòng)反轉(zhuǎn)(換向)，而是通過電子方法反轉(zhuǎn)。

控制定子繞組和電子感知轉(zhuǎn)子的位置，需要精確、靈敏的位置傳感器。塊換向(例如使用霍爾開關(guān))和(磁)場定向換向具有本質(zhì)的區(qū)別。不同于采用離散開關(guān)點(diǎn)的塊換向需要感知轉(zhuǎn)子的扇區(qū)過渡，高動(dòng)態(tài)負(fù)載或精確驅(qū)動(dòng)所采用的場定向換向需要持續(xù)獲得位置信息，極其精確地了解轉(zhuǎn)子位置。例如，這可以通過采用角度傳感器或無傳感器方法實(shí)現(xiàn)。對(duì)于無傳感器技術(shù)而言，通過感應(yīng)反向電壓的變化計(jì)算轉(zhuǎn)子位置，這種算法由于采用單片機(jī)和軟件算法，增加了成本。此外，這種技術(shù)的另外一個(gè)缺點(diǎn)是：在轉(zhuǎn)子達(dá)到特定的速度之前，不能提供可靠的信息。因此，與有傳感器的BLDC電機(jī)相比，無傳感器BLDC的啟動(dòng)特性較差。

塊換向

對(duì)于塊換向而言，通常由安裝在電機(jī)中的三個(gè)霍爾傳感器(即每個(gè)定子繞組一個(gè)傳感器)提供轉(zhuǎn)子位置反饋。雙極控制磁鐵和相位差120°的霍爾傳感器在每次旋轉(zhuǎn)時(shí)可提供六個(gè)不同的開關(guān)組合(圖1)。根據(jù)傳感器提供的信息，在六個(gè)不同的控制階段啟動(dòng)三個(gè)部分繞組。電流和電壓的變化曲線呈塊狀。傳感器的輸出信號(hào)提供了數(shù)字圖像，這可用較少的邏輯運(yùn)算控制繞組。因此無需使用復(fù)雜的算法進(jìn)行控制。在最簡單的應(yīng)用中，無需單片機(jī)即可實(shí)現(xiàn)塊換向。因此，該技術(shù)的優(yōu)勢是使用相對(duì)簡單和低成本的電子裝置、精確度高、可對(duì)啟動(dòng)進(jìn)行控制和啟動(dòng)扭矩高。英飛凌全新推出的TLE4961 或 TLE4968霍爾開關(guān)，可通過精確的磁開關(guān)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)高效的BLDC電機(jī)塊換向，精確感知轉(zhuǎn)子位置。

圖1：帶有霍爾開關(guān)的BLDC電機(jī)，可進(jìn)行塊換向

精確的霍爾開關(guān)

如前所述，對(duì)于塊換向而言，三個(gè)霍爾開關(guān)位于轉(zhuǎn)子四周，彼此的相位偏移量為120°。它們能夠識(shí)別南、北極，相應(yīng)地提供邏輯為0或邏輯為1的輸出電壓。轉(zhuǎn)子的位置可根據(jù)所有三個(gè)霍爾開關(guān)的邏輯狀態(tài)在60°的扇區(qū)內(nèi)測定。根據(jù)這種信息，轉(zhuǎn)子的繞組進(jìn)行相應(yīng)切換。為了實(shí)現(xiàn)這種操作，傳感器必須能夠精確地探測轉(zhuǎn)子的位置。理想情況下，傳感器應(yīng)能夠提供獨(dú)立于轉(zhuǎn)矩的換向信號(hào)。傳感器的一個(gè)決定性標(biāo)準(zhǔn)是它們切換的相位保真度，否則在繞組和轉(zhuǎn)子位置之間切換時(shí)將發(fā)生相位偏移。相位偏移能夠?qū)е赂蟮霓D(zhuǎn)矩波動(dòng)，產(chǎn)生更大的噪聲和增加能耗。

但是，由于制造的影響，每個(gè)傳感器都規(guī)定了磁開關(guān)點(diǎn)容差。由于溫度的升高，BLDC電機(jī)中的永磁體的磁場強(qiáng)度有所降低。機(jī)械應(yīng)力和溫度的波動(dòng)將產(chǎn)生漂移影響。為了實(shí)現(xiàn)精確的霍爾傳感器開關(guān)，這些影響必須得到補(bǔ)償。

TLE4946和新型TLE4961和TLE4968霍爾開關(guān)具有非常好的相位保真度(圖2)。該傳感器集成了磁場開關(guān)閾值的溫度補(bǔ)償電路，開關(guān)閾值可根據(jù)溫度進(jìn)行調(diào)整，該傳感器能夠補(bǔ)償磁鐵的溫度相關(guān)的場強(qiáng)變化。霍爾元件的“旋轉(zhuǎn)霍爾探頭”結(jié)構(gòu)能夠大大減少開關(guān)閾值的偏移，從而提高開關(guān)的整體穩(wěn)定性。由于具備這種信號(hào)處理功能，測量和切換輸出信號(hào)之間的時(shí)間略增，但是這種延時(shí)是恒定的，保持時(shí)間取決于塊換向的速度。圖3a和3b顯示相位漂移的延遲時(shí)間和兩個(gè)傳感器之間漂移的開關(guān)閾值的總和：左側(cè)為TLE4961-1 (旋轉(zhuǎn)霍爾探頭設(shè)計(jì))和右側(cè)為競爭對(duì)手的同類產(chǎn)品(非旋轉(zhuǎn)霍爾探頭設(shè)計(jì))的開關(guān)閾值漂移。偏移對(duì)于相位保真的主要影響十分明顯：TLE4961-1 的相位誤差遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于競爭對(duì)手同類產(chǎn)品。

圖2：新型TLE4961 和 TLE4968 霍爾開關(guān)，采用緊湊的SOT-23封裝，具備出色的相位保真度等高級(jí)特性

圖3：旋轉(zhuǎn)霍爾探頭霍爾開關(guān)和非旋轉(zhuǎn)霍爾探頭霍爾開關(guān)相位差比較

這種帶有集成式補(bǔ)償電路的新型霍爾芯片具備穩(wěn)定的溫度特性，從而減輕了技術(shù)變化的影響。主動(dòng)誤差補(bǔ)償(一種旋轉(zhuǎn)霍爾探頭技術(shù))可以補(bǔ)償信號(hào)路徑偏移和霍爾元件機(jī)械應(yīng)力的影響。并且，霍爾開關(guān)還具有非常低的抖動(dòng)(<0.3μs)。輸出晶體管還具有過流和過溫保護(hù)功能。

場定向換向

塊換向的確存在概念相關(guān)的缺點(diǎn)。由于分為6個(gè)扇區(qū)，繞組在60°旋轉(zhuǎn)期間不斷開關(guān)(即只有在最大能效時(shí)才能產(chǎn)生力和磁力線，在短時(shí)間內(nèi)彼此保持90°)。在轉(zhuǎn)換點(diǎn)之前，力和磁力線矢量僅在60°時(shí)相關(guān)，在這種情況下能效降至87%。

定子產(chǎn)生的磁場改善了這種情況，定子旋轉(zhuǎn)的速度與轉(zhuǎn)子完全相同：彼此的力和磁力線完全平行。這是由于繞組不再采用基于扇區(qū)的方法，而是通過脈沖激勵(lì)的方法，進(jìn)行開關(guān)，因此在轉(zhuǎn)子的位置不同繞組磁場的總和產(chǎn)生了極佳的永久性總體磁場。最終，繞組產(chǎn)生正弦波電流，這意味著轉(zhuǎn)矩和磁場總是保持平行。這種場定向程序具有很多優(yōu)勢，例如噪聲級(jí)別極低、轉(zhuǎn)矩非常穩(wěn)定、能夠?qū)崿F(xiàn)變速勵(lì)磁等。但是，其前提是能夠極其精確地測定轉(zhuǎn)子位置，而這單憑霍爾開關(guān)是不能實(shí)現(xiàn)的，還需要精確的角度傳感器。

精確的角度傳感器

對(duì)于場定向換向而言，角度傳感器必須在產(chǎn)品的整個(gè)壽命周期內(nèi)，無論溫度和轉(zhuǎn)速如何，都能精確測定磁鐵的位置。TLE5009/TLE5012B 系列角度傳感器能夠快速更新測量數(shù)據(jù)，并且延時(shí)很短，因此提高了效率——甚至在高轉(zhuǎn)速和負(fù)荷變化的情況下。

這種高精確的角度傳感器位于轉(zhuǎn)子軸端的前方(圖4)。距離電機(jī)軸承最近的轉(zhuǎn)子軸端安裝了一個(gè)外徑磁鐵。該角度傳感器可以可靠探測該磁場的旋轉(zhuǎn)。

圖4：TLE5012B 角度傳感器的應(yīng)用示例

新型TLE5009 和 TLE5012B 角度傳感器基于英飛凌的創(chuàng)新型iGMR (集成巨磁電阻)技術(shù)。通過提供放大的模擬接口，TLE5009大大提高了成本效益，而高度集成和多功能的TLE5012B 具有很強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理功能，提供幾個(gè)可供選擇的數(shù)字接口。

TLE5012B (圖5)設(shè)立了短時(shí)延和高信號(hào)分辨率的新標(biāo)桿。它在整個(gè)操作范圍內(nèi)可提供1°的角度精確度和15位的分辨率，在室溫下可實(shí)現(xiàn)0.6°的精確度。此外，通過測量和對(duì)測量數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合性處理，TLE5012B還可考量內(nèi)部時(shí)延長。也就是說，該傳感器知道轉(zhuǎn)速，可獨(dú)立地將測量數(shù)據(jù)生成期間旋轉(zhuǎn)的角度添加至輸出值。此外，TLE5012B 可由用戶選擇接口：SSC、PWM、增量式接口(IIF)、霍爾開關(guān)模式(HSM)和短PWM代碼(SPC)。

圖5：高度集成和精確的TLE5012B 角度傳感器可執(zhí)行多種信號(hào)處理，因此減輕了單片機(jī)的負(fù)荷。

結(jié)束語

新型TLE496x 系列霍爾開關(guān)和TLE5009/TLE5012B 角度傳感器，是性能強(qiáng)大的傳感器，可應(yīng)用于BLDC電機(jī)驅(qū)動(dòng)。取決于機(jī)械布局、空間需求、電機(jī)電子裝置的位置以及所需的精確度，從這些傳感器中可選擇適用任何應(yīng)用的理想解決方案。TLE496x 開關(guān)可讓設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)出經(jīng)濟(jì)、緊湊的產(chǎn)品，而與離散型解決方案(即具有傳感器橋路、霍爾元件、信號(hào)放大器和補(bǔ)償軟件)相比，TLE5009具有巨大的節(jié)支潛力，并且無需改變系統(tǒng)概念。具有綜合信號(hào)處理功能的高度集成TLE5012B 還能讓單片機(jī)無需實(shí)現(xiàn)精確的角度計(jì)算和復(fù)雜的校準(zhǔn)算法。

鎖相霍爾開關(guān)

新型霍爾開關(guān)TLE4961(鎖相開關(guān))和TLE 4968(雙極開關(guān))可在3.0 – 32V的電壓范圍內(nèi)工作。無需額外的外部電阻器，它們能夠耐受高達(dá)42V的電壓。它們的磁開關(guān)點(diǎn)(Bop = +/- 1mT)具備極高的靈敏性和可靠性，由于帶有集成式誤差補(bǔ)償電路，它們對(duì)于機(jī)械應(yīng)力具有極高的耐受性。它們的輸出裝置還具有過壓和過溫保護(hù)功能。并且，它們抗靜電能力高(+/- 7kV HBM)。正常速度下的抖動(dòng)約為0.3μs。額定電力消耗為1.6mA，它們尤其適用于節(jié)能設(shè)計(jì)?？商峁┬⌒蚐OT23封裝，它們的占板面積比普通的SC56小22%。它們還可提供含鉛SS0-3封裝。

精確的角度傳感器

英飛凌的TLE 5009 和 TLE5012B角度傳感器基于iGMR技術(shù)。它們可在0° - 360°的方向測量與它們的封裝表面平行的磁場。這種iGMR傳感器具備極其精確的角度分辨率以及快速的信號(hào)處理能力和較短的延時(shí)/更新時(shí)間。這使它們極其適合精確測定高動(dòng)態(tài)應(yīng)用中的轉(zhuǎn)子位置。TLE5012B可配備不同的接口(由用戶選擇)，為實(shí)現(xiàn)功能異?？煽康脑O(shè)計(jì)創(chuàng)造了條件。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，該設(shè)備還具有先進(jìn)的自檢、狀態(tài)監(jiān)測功能，以及特殊的架構(gòu)特性，例如兩個(gè)集成式惠斯通傳感器橋路每個(gè)都有獨(dú)立的數(shù)據(jù)通道。