新传感器开发推动BLDC电机控制性能

转向BLDC电机

近年来,在许多终端市场和应用中,用高效无刷直流电动机(BLDC)取代交流电动机或机械泵已经取得了重大进展。使用BLDC电机的一些主要优点包括:更高的功率和热效率,更高的空间/重量效率,更高的可靠性(无刷),以及在危险环境中操作更安全(无刷尘或火花产生,如有刷电机)。此外,由于BLDC电机采用电子换向,因此在整个应用的速度范围内更容易控制扭矩和速度参数,并且可以获得更复杂的控制,例如保持保持扭矩或速度限制。由于这些优势,BLDC电机正在进入许多现有和新的应用。在汽车领域,BLDC电机已被用于取代液压执行器和有刷电机,以减少重量/尺寸,延长使用寿命,降低维护成本,并提高整体系统性能和效率。随着汽车行业向最佳燃油效率发展,BLDC电机可实现按需性能,并有助于降低动力总成,动力转向系统和HVAC(加热,通风和空调)系统中的发动机负载,以及启动电机/发电机和泵的多种变化(水/燃料/油)。

角度传感器在无刷直流电机控制中的作用

为了实现电机的精确控制和高效换向,高分辨率电流和旋转位置信息至关重要。在典型的基于旋转变压器的系统中,分辨率和准确度可能非常高,但由于旋转变压器本身的物理占用空间,最终解决方案可能昂贵且笨重。无传感器方法也可用于检测反电动势电流,降低传感器重量和成本,但电机启动性能可能有问题,因为没有产生反电动势,因此没有可用的位置数据。其他解决方案,例如利用三个霍尔效应传感器来检测电机磁铁的位置,通常用于成本敏感的应用中。在这种情况下,实现了分辨率,并且需要监视三个信号。此外,传感器没有并置,
另一种方法是使用基于各向异性磁阻(AMR)技术的廉价但精确的角度传感器。使用AMR传感器,可实现高角度精度,并且单个传感元件可与电子电路集成在同一封装中。这使得可以实现非常小的传感器子系统并且提供将传感器定位在马达组件内的机会。
ADI公司与MR技术的领导者Sensitec GMBH合作,提供ADA4571,它将高精度AMR传感器与高性能仪表放大器集成在一个封装中。
 
 
 
ADA4571
ADA4571是一款理想的传感器,在-40°C至+ 150°C的扩展工作温度范围内具有0.5°的最大角度误差,内置诊断,大输出电平,EMC保护和低失调漂移实现高速BLDC电机控制,速度超过25,000 RPM。

AMR技术

基于AMR原理的传感器是材料电阻率取决于磁化方向相对于电流方向的传感器。传感器通常沉积为薄膜坡莫合金(磁铁镍合金)。AMR传感器在磁饱和状态下工作,因此外部磁场的贡献主导电阻变化。当外部场和电流方向平行时,电阻最大,而当施加的电场垂直于载流坡莫合金的平面时,电阻最小。图1显示了AMR传感器工作原理的简化图。
 
 
 
图1
图1. AMR原理。
两个独立的惠斯通电桥配置相互成45°布置,可以实现角度传感器,其正弦和余弦输出取决于外场方向。该配置提供具有180°绝对测量范围的传感器。
 
 
 
图2
图2.在360°机械旋转下的ADA4571误差(灰色)和输出波形(橙色/蓝色)
图2显示了在360°机械旋转上施加旋转磁场时ADA4571的典型高输出电平和角度误差。偏移校正后的典型误差小于0.1°,并且在主微控制器中执行arctan计算。

传感器安装

对于大多数BLDC控制系统,根据可用的占地面积和轴的可接近性,有许多选项可以配置和安装传感器。ADA4571的两个配置示例如图3所示。
 
 
 
图3
图3.带有ADA4571的BLDC系统(a)轴系统的一端(b)离轴系统。
轴结构的典型端部包括安装在旋转轴上的径向磁化盘式磁铁,例如图3(a)所示的电动机组件内部。磁铁提供穿过传感器平面的磁场。
在这种配置中,实现了直接转子角度读数,而没有机械和电气部件之间的接触。由于AMR技术不依赖于场强,因此它可以容忍气隙的变化。场强的独立性还减轻了磁体材料的机械公差和材料选择。
轴结构的紧凑端意味着传感器可以直接安装在印刷电路板(PCB)上,靠近电子控制装置(微控制器,MOSFET),从而最大限度地减少信号路由并接近恶劣的电机环境。
第二种可能的配置是离轴,如图3(b)所示。离轴配置可用于待检测的轴不能用磁铁端接的应用中。在这种配置中,极环提供刺激,并且传感器和极环可以沿着轴安装在任何位置。典型应用包括电动转向泵或BLDC电机,由于空间限制,轴端不可用。
鉴于ADA4571的低延迟和准确的位置反馈信息,可以仔细控制电机相位电流,以便为动态负载提供平稳的电机响应,或在可变条件下保持恒定的速度。最终结果是更好的控制,最大扭矩,提高启动/失速效率,以及更好的运行条件。

传感器设置和校准

为了提高精度,可以在用户的​​生产线末端执行许多校准程序。可以执行一次偏移校准以消除正弦和余弦信号的初始偏移。
图4显示了在室温下进行一次偏移校准后的典型性能。
 
 
 
图4
图4. 1点和2点校正的典型温度角度误差。
由于传感器的偏移漂移,角度精度可能会随温度而降低,如150°C单点校准情况所示。通过2点温度校准可以提高性能。在这种情况下,可以使用来自片上温度传感器的信息对偏移进行插值,并补偿温度上的偏移变化。
自由运行应用中的BLDC系统可以通过在指定时间内平均传感器输出来利用连续偏移校正技术。微控制器中的动态偏移补偿可以在整个温度和工作寿命内实现非常高的精度。
与其他传感器技术(霍尔/ GMR / TMR)不同,ADA4571不需要额外的校准步骤,例如幅度校正或正交校正。幅度不匹配的产量保证不到1%,并且先进的传感器设计保证了正交性。该传感器还具有可忽略的滞后现象,可实现高度可靠和准确的位置信息。
对于不需要高精度的低性能和成本敏感型应用,ADA4571可以在没有任何线路末端偏移校正的情况下使用。在这种情况下,ADA4571保证角度误差小于5°。这在一些未校准的应用中是有用的,因为主控制器可以在知道轴的位置的情况下优化启动条件。

结论

磁性位置传感器为工业和汽车BLDC电机控制系统的设计人员提供了一个小巧,坚固且易于组装的位置传感解决方案。ADI的新型ADA4571通过提供高速,高精度,生产保证的总角度精度,集成诊断功能和低功耗运行模式,改进了前几代磁性位置传感器。
ADI特别注意确保部件的安装和校准设置简单,并减少用户的软件开销。
因此,BLDC电机制造商可以从非常精确的位置数据中受益,因此即使在高速应用中也可以获得高水平的扭矩性能,同时获得使用非接触式磁传感技术的所有优势。

参考

AA700应用说明。AMR Free PitchSensorenfürwinkel-undLängenmessung。Sensitec。

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