近年來,許多終端市場和應用的一個明顯趨勢是用高效率的無刷直流馬達(BLDC)取代交流(AC)馬達或機械泵。使用BLDC馬達的一些主要優點包括:更高的功率和熱效率、更佳的空間/重量效率、更高的可靠性(無刷),以及在危險環境下操作更安全(不會像有刷馬達一樣產生刷粉或火花)。

此外,由於BLDC馬達採用電子換向方式,因此更易於在應用的速度範圍內控制扭矩和速度參數,並且能夠實現更複雜的控制,例如持續保持扭矩或速度極限。憑藉這些優點,BLDC馬達在眾多現有和新應用中佔得了一席之地。

在汽車領域,BLDC馬達已用於取代液壓執動器和有刷馬達,這不僅能夠減少重量/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性能和效率。隨著汽車產業朝向最佳化燃油效率發展,BLDC馬達現在能夠實現相應的性能,從而有助於為動力傳動系統、動力轉向和HVAC系統以及啟動馬達/發電機和各類泵(水/燃料/油)減輕負載。

磁角感測器在BLDC馬達控制的作用

要實現馬達的精確控制和高效率轉向,高解析度電流和旋轉位置資訊至關重要。 一般而言,在基於旋變器的系統中,解析度和準確度可能非常高,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佔用較大的實體空間。無感測器方案也可用於檢測反電動勢(EMF)電流,而且還能降低感測器重量和成本,但是馬達啟動性能可能出現問題,因為這時不會產生反電動勢,也就無法得到可用的位置資料。 其他解決方案,例如利用三個霍爾效應感測器檢測馬達磁體位置,通常用於對成本敏感的應用中。在這種情況下,可以達到所要求的解析度,但必須監控三種訊號。此外,這些感測器不是配套的,可能會產生空間和安裝等難題。

一種替代方案是使用基於異向磁阻(AMR)技術的磁角感測器,這些感測器既便宜又精確。藉由ARM感測器,不僅可實現較高的測角準確度,而且可將單一檢測元件和電子電路整合在同一封裝中。這可獲得非常小的感測器子系統,並且能夠在馬達組裝中定位感測器。

ADI與MR技術業者Sensitec展開合作,共同提供整合高準確度AMR感測器和高性能儀表放大器於單一封裝的ADA4571元件。ADA4571可在-40℃至+150℃的寬廣作業溫度範圍進行的生產測試取得0.5°的最大角度誤差,而且具有內建診斷功能、大輸出電平、EMC保護以及低偏置漂移,因而成為可實現高性能BLDC馬達控制且速度超過25000 RPM的理想感測器。

AMR技術

基於AMR理念的感測器是一種材料電阻率取決於磁化方向(相對於電流方向)的元件。 該感測器通常沉積為薄膜透磁合金(磁性鐵鎳合金)。AMR感測器在磁飽和狀態下作業,因此外部磁場對電阻變化具有決定作用。當外部磁場和電流方向平行時的電阻最大,施加磁場與載流透過磁合金的平面垂直時電阻最小。AMR感測器如何運作的簡化圖如圖1所示。

20160513 ADI TA31P1 圖1:AMR工作原理

將兩個獨立的惠斯登電橋(Wheatstone bridge)配置以彼此呈45°的方式排列時,可實現角度感測器,其正弦和餘弦輸出取決於外部磁場方向。此配置提供了具有180°絕對測量範圍的感測器。

20160513 ADI TA31P2 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顯示旋轉磁場施加在360°機械旋轉時,ADA4571的典型高輸出電平和角度誤差。 在微控制器中進行偏置校正和反正切計算之後,典型誤差小於0.1°。

感測器安裝

對於大部份BLDC控制系統,根據可用空間和馬達軸安裝的便利性,配置和安裝感測器有許多選擇方式。圖3顯示ADA4571的兩種配置示例。

20160513 ADI TA31P3 圖3:BLDC系統與ADA4571 (a)軸端系統(b)軸側系統

典型的軸端配置包括一個安裝在旋轉軸上的直徑磁化碟式磁體,該磁體安裝在馬達組裝內部,如圖3(a)所示。該磁體可提供一個穿過感測器平面的磁場。

在此配置中,無需使機械和電子元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,因而能夠耐受氣隙變化。不依賴磁場強度還可增大機械容差,簡化磁體材料的選擇。

緊密的軸端配置意味著感測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,從而能最大限度減少訊號繞線以及接近惡劣的馬達環境。

另一種可能的配置是圖3(b)所示的軸側系統。軸側配置可用於待檢測軸無法端接磁體的應用。在此配置中,由磁極環提供激勵,感測器和磁極環可安裝在軸上的任意位置。典型的應用包括電力轉向泵或由於空間限制無法使用軸端的BLDC馬達。

採用像ADA4571一類的測角感測器,能夠提供低延遲和精確的位置回饋資訊,對於馬達各相的電流進行精確控制,從而使馬達對動態負載做出順暢回應,或在變化的情況下維持恒定速度。最終結果就是更妥善的控制、最大的扭矩、更高的啟動/停止效率,以及更佳的運作狀況。

感測器設置和校準

要獲得更高的準確度,可在用戶的生產線末端執行各類校準程式。可執行一次性偏置校準,以消除正弦和餘弦訊號的初始偏置。圖4顯示在室溫下執行一次性偏置校準後的典型性能。

20160513 ADI TA31P4 圖4:在進行單點和雙點校正時,典型角度誤差與溫度的關係

由於感測器的偏置漂移,測角準確度可能隨溫度升高而降低,如在150°C時進行單點校正的情況,而雙點溫度校準則可提高性能。在這種情況下,可對偏置和晶片溫度感測器的資訊進行插值計算,並且可補償隨溫度變化的偏置。

自由執行應用中的BLDC系統可充份利用連續的偏置校正技術,其方法是計算指定時間內感測器輸出的平均值。微控制器中的動態偏置補償可在整個溫度範圍和工作壽命內實現非常高的準確度。

相較於其他感測器技術(霍爾/GMR/TMR)不同,ADA4571測角感測器無需執行額外的校準步驟,例如振幅校正或正交校正。經過生產測試驗證的振幅不匹配可小於1%,而先進的感測器設計還可確保正交。感測器還可忽略遲滯,從而獲得高可靠度且精確的位置資訊。

對於無需高準確度、性能較低的低成本應用,ADA4571可在不進行線路終端補償校正的情況下使用。在這種情況下,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,因為主控制器知道軸位置,因此可最佳化啟動狀況。

結論

磁定位感測器可為工業和汽車BLDC馬達控制系統設計人員提供小型、穩健且易於組裝的定位檢測解決方案。諸如ADI ADA4571等測角感測器能夠提供高速、高準確度、經生產測試保證的全測角準確度、整合式診斷功能以及低功耗作業模式,不僅確保元件的安裝和校準設置簡便,同時也減少了使用者的軟體開銷。

BLDC馬達製造商可望從非常精確的位置資料中受益,即使在高速應用中也可獲得非常高的扭矩性能,此外,還能夠獲得使用無接觸式磁性檢測技術的所有好處。