BLDC電機趨勢

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）、在危險環境下工作更安全（不會像有刷電機一樣產生刷粉或火花）。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控制扭矩和速度參數，并且能夠實現更復雜的控制，例如維持保持扭矩或速度極限。憑借這些優點，BLDC電機在眾多現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性能和效率。隨著汽車行業向優化燃油效率快速發展，BLDC電機現能夠實現相應的性能，幫助減小傳動系統、電動助力轉向和HVAC（暖通空調）系統以及起動馬達/發電機和各類泵（水/燃油/油）中的發動機負荷。

角度傳感器在BLDC電機控制中的作用

要實現電機的精確控制和高效換向，高分辨率電流和旋轉位置信息至關重要。一般而言，在基于旋變器的系統中，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，因為這時不會產生反電動勢，因此就無法得到可用的位置數據。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，但需要監控三個信號。此外，這些傳感器不是配套的，這可能會產生空間和安裝難題。

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，并且能夠在電機總成內定位傳感器。

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測試得到的最大角度誤差為0.5°，而且具有內置診斷功能、大輸出電平、EMC保護以及低失調偏移，因此是非常理想的傳感器，它能夠實現高性能BLDC電機控制，而且速度超過25000RPM。

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°機械旋轉時的ADA4571誤差(灰色)和輸出波形(橙色/藍色)

圖2顯示了旋轉磁場施加在360°機械旋轉情形時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，根據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盤式磁體，該磁體安裝在電機總成內部，如圖3(a)所示。該磁體可提供一個穿過傳感器平面的磁場。

在此配置中，無需使機械和電氣組件接觸即可直接讀取轉子角度。由于AMR技術不依賴磁場強度，因此能夠耐受氣隙變化。不依賴磁場強度還可增大機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環境的距離。.

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

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

傳感器設置和校準

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

圖4顯示了在室溫下執行一次性失調校準后的典型性能。

圖4 單點和雙點校正時典型角度誤差與溫度的關系

由于傳感器的失調漂移，角度精度可能隨溫度升高而下降，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，可對失調和片內溫度傳感器的信息進行插值計算，并且可補償隨溫度變化的失調。

自由運行應用中的BLDC系統可充分利用連續的失調校正技術，方法是計算指定時間內傳感器輸出的均值。微控制器中的動態失調補償可在整個溫度范圍和工作壽命內實現非常高的精度。

與其他傳感器技術(霍爾/GMR/TMR)不同，ADA4571無需執行額外的校準步驟，例如幅度校正或正交性校正。經過生產測試驗證的幅度失配確保小于1%，而先進的傳感器設計還可確保正交性。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用，ADA4571可在不進行線路終端失調校正的情況下使用。這種情況下，ADA4571可確保具有小于5°的角度誤差。這對于一些未校準的應用非常有用，因為主機控制器知道軸的位置，因此可優化啟動狀況。

結論

磁性位置傳感器可為工業和汽車BLDC電機控制系統設計人員提供小型、穩定且易于組裝的位置檢測解決方案。ADI的新款ADA4571提供高速、高精度、經生產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，明顯優于前幾代磁性位置傳感器。

為了確保器件的安裝和校準設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電機制造商可從非常精確的位置數據中受益，即使在高速應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的所有好處。