BLDC電機(jī)控制中的角度傳感器

 在終端市場(chǎng)上，利用無刷直流電機(jī)(或簡(jiǎn)稱為BLDC)技術(shù)取代交流電機(jī)或高效率的機(jī)械泵已經(jīng)取得了重大進(jìn)展。

相對(duì)于交流電機(jī)，使用BLDC的優(yōu)點(diǎn)包括：更高的功效和熱效率、體積較小、性能更可靠。此外，由于BLDC利用電子換向來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機(jī)械換向，使應(yīng)用速度范圍變得更容易控制扭矩和速度參數(shù)，也可以實(shí)現(xiàn)一些更復(fù)雜的控制如維持扭矩或速度極限。正是由于這些優(yōu)點(diǎn)，BLDC正在進(jìn)入越來越多的現(xiàn)有的和新興的應(yīng)用。

BLDC電機(jī)控制中的角度傳感器

為了實(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。一般旋轉(zhuǎn)器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)雖然可達(dá)到較高的分辨率和精度，但仍然要考慮實(shí)體占用空間大及成本高的問題。

無傳感器方案可用于檢測(cè)反電動(dòng)勢(shì)電流，還可以降低傳感器重量和成本，但由于無法得到有效的位置數(shù)據(jù)來產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)，電機(jī)啟動(dòng)性能可能存在問題。

其他解決方案，例如利用三個(gè)霍爾效應(yīng)傳感器來檢測(cè)電機(jī)磁鐵的位置，通常用于成本敏感的應(yīng)用中。在這種情況下，雖然實(shí)現(xiàn)了分辨率，但必須同時(shí)監(jiān)視三組信號(hào)。在空間不足的情況下，傳感器的安裝也會(huì)成為技術(shù)上的挑戰(zhàn)，這也是另一種潛在的問題。

另一種方案是使用基于異性磁阻 (AnisotropicMagneto-Resistive，或簡(jiǎn)稱AMR)技術(shù)的角度傳感器 (AngleSensor)。

AMR技術(shù)是磁感應(yīng)用的一種，可實(shí)現(xiàn)高角度精度，并且可將單個(gè)傳感元件與電子電路集成在同一封裝中。從而實(shí)現(xiàn)傳感器系統(tǒng)的小型化，并且使得將傳感器定位在電機(jī)組件內(nèi)成為可能。

AMR與光學(xué)傳感技術(shù)的比較

與傳統(tǒng)光學(xué)傳感技術(shù)比較，AMR技術(shù)可提供較小巧的外觀、低成本，并且更適合在惡劣環(huán)境下工作，例如骯臟及溫度變化的工作環(huán)境中。表1列舉了兩者之間的比較，從中可以明顯看出在無刷直流電機(jī)中使用AMR的優(yōu)點(diǎn)。

表1，光電和AMR傳感技術(shù)的比較

AMR傳感器技術(shù)原理

基于AMR原理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。AMR傳感器是在磁飽和狀態(tài)下工作，因此外加的磁場(chǎng)的主導(dǎo)了電阻變化。當(dāng)外磁場(chǎng)和電流方向平行時(shí)，電阻最大;而當(dāng)施加的電場(chǎng)垂直于載流磁感應(yīng)合金的平面時(shí)，電阻最小。圖1顯示了AMR傳感器工作原理的簡(jiǎn)化圖。

圖1，AMR傳感器的工作原理

AMR傳感器的選擇

為了確保電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的高精準(zhǔn)度，在選擇角度傳感器時(shí)有以下建議:

i、能感應(yīng)360° 旋轉(zhuǎn)角，可以準(zhǔn)確測(cè)量絕對(duì)角度位置(Absolute Angular Position);

ii、角度誤差率較低;

iii、擁有線性穩(wěn)定的誤差率，方便讓主微控制器 (Microcontroller) 執(zhí)行偏移校正的計(jì)算。

以AnalogDevices公司的ADA4571 系列為例，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。經(jīng)微控制器進(jìn)行偏移校正后，典型誤差小于0.1°。

圖2，在360°機(jī)械旋轉(zhuǎn)下的ADA4571誤差(灰色)和輸出波形(橙色/藍(lán)色)

角度傳感器的安裝

針對(duì)大多數(shù)BLDC控制系統(tǒng)，根據(jù)可用空間大小和電機(jī)軸的可接近性，有許多方法來配置和安裝傳感器。以ADA4571作例，如圖3所示是兩個(gè)較普遍的安裝配置。

圖3，(a)電機(jī)軸端系統(tǒng)配置 (b)電機(jī)軸側(cè)系統(tǒng)配置

圖3a是典型電機(jī)軸端系統(tǒng)，在旋轉(zhuǎn)軸上安裝了一個(gè)直徑磁化盤式磁體，讓磁體提供穿過傳感器平面的磁場(chǎng)。在這種配置中，可直接讀取轉(zhuǎn)子角度，而沒有機(jī)械和電氣組件之間的接觸。

由于AMR技術(shù)不依賴于磁場(chǎng)強(qiáng)度(FieldStrength) ，因此它對(duì)于氣隙變化(air-gapvariation) 有較大容忍度，使得工程師在對(duì)材料的選擇，以及對(duì)磁體物料的機(jī)械公差要求上，更為靈活。

圖3b是軸側(cè)系統(tǒng)，此配置可用于那些待檢測(cè)的軸不能在端頭安裝磁體的應(yīng)用。在這種配置中，磁體提供磁場(chǎng)，傳感器和磁化盤可以安裝在軸上的任何位置，使得有空間限制的應(yīng)用有多一種選擇。

總結(jié)

對(duì)于工業(yè)和汽車BLDC電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員來說，磁感的角度傳感器提供了一個(gè)小巧、堅(jiān)固且易于組裝的位置傳感解決方案。在選擇角度傳感器時(shí)，需要注意以下三個(gè)要點(diǎn)：

i、能感應(yīng)360° 旋轉(zhuǎn)角，可以準(zhǔn)確測(cè)量絕對(duì)角度位置(Absolute Angular Position);

ii、角度誤差率較低;

iii、擁有線性穩(wěn)定的誤差率，以便主微控制器 (Microcontroller) 執(zhí)行偏移校正的計(jì)算。

在安裝上，角度傳感器也為工程師提供了跟具靈活性的安裝方案，包括“軸端系統(tǒng)”配置及“軸側(cè)系統(tǒng)”配置，以應(yīng)對(duì)空間不足的應(yīng)用場(chǎng)景。