传感器的发展推动了BLDC电机控制性能

作者：Brendan Cronin, Robert Guyol, and Mark Donegan

近年来，在许多终端市场和应用中，用高效无刷直流电机 （BLDC） 取代交流电机或机械泵采取了重大举措。使用 BLDC 电机的一些主要优点包括：更高的功率和热效率、改进的空间/重量效率、更高的可靠性（无刷）以及在危险环境中更安全地运行（不会产生电刷灰尘或火花，如有刷电机）。此外，鉴于 BLDC 电机采用电子换向，因此在整个应用速度范围内控制扭矩和速度参数以及获得更复杂的控制（例如保持保持扭矩或速度限制）更容易。由于这些优势，BLDC 电机正在进入许多现有和新的应用。在汽车行业，BLDC 电机已被用于取代液压执行器和有刷电机，以减轻重量/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。随着汽车行业朝着最佳燃油效率的方向发展，BLDC 电机可实现按需性能，并有助于降低动力总成、动力转向和 HVAC（供暖、通风和空调）系统中的发动机负载，此外还有起动电机/发电机和多种泵（水/燃料/油）。

角度传感器在 BLDC 电机控制中的作用

对于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，分辨率和精度可能非常高，但由于旋转变压器本身的物理占用空间，最终解决方案可能既昂贵又笨重。无传感器方法也可用于检测反电动势电流，从而降低传感器重量和成本，但电机启动性能可能存在问题，因为不会产生反电动势，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体的位置，通常用于成本敏感型应用。在这种情况下，实现了分辨率，并且需要监控三个信号。此外，传感器未并置，导致潜在的空间和安装挑战。

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传感器可以实现高角度精度，并且可以在同一封装中将单个传感元件与电子电路集成在一起。这使得实现非常小的传感器子系统成为可能，并为在电机组件内定位传感器提供了机会。

ADI公司与MR技术领导者Sensitec GMBH合作推出的ADA4571，该器件在单个封装中集成了高精度AMR传感器和高性能仪表放大器。

ADA4571在−40°C至+150°C扩展工作温度范围内具有经生产测试的最大角度误差为0.5°、内置诊断功能、大输出电平、EMC保护和低失调漂移，是实现速度超过25，000 RPM的高性能BLDC电机控制的理想传感器。

抗微生物药物耐药性技术

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（磁性铁镍合金）。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。当外部磁场和电流方向平行时，电阻为最大值，当施加的磁场垂直于载流坡莫合金的平面时，电阻为最小值。AMR传感器工作原理的简化图如图1所示。

图1.抗微生物药物耐药性原则。

通过两个独立的惠斯通电桥配置，彼此呈45°排列，可以实现角度传感器，其正弦和余弦输出取决于外部磁场方向。这种配置为传感器提供了180°绝对测量范围。

图2.360°机械旋转过程中的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。在主机微控制器中进行偏移校正和反角计算后，典型误差小于0.1°。

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访问性，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.采用ADA4571（a）轴端系统（b）离轴系统的BLDC系统。

典型的轴端配置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，实现了直接的转子角度读数，而无需机械和电气部件之间的接触。由于AMR技术不依赖于场强，因此可以容忍气隙的变化。场强的独立性也简化了磁体材料的机械公差和材料选择。

紧凑的轴端配置意味着传感器可以直接安装在印刷电路板（PCB）上，与电子控制（微控制器、MOSFET）非常接近，从而最大限度地减少信号路由和与恶劣电机环境的接近。

第二种可能的配置是离轴配置，如图3（b）所示。离轴配置可用于要检测的轴不能用磁铁端接的应用。在这种配置中，极环提供激励，传感器和极环可以沿轴安装在任何位置。典型应用包括电动助力转向泵或 BLDC 电机，由于空间限制，轴端不可用。

鉴于ADA4571的低延迟和精确的位置反馈信息，可以仔细控制电机相位的电流，以提供对动态负载的平滑电机响应，或在可变条件下保持恒定速度。最终结果是更好的控制、最大的扭矩、更高的启动/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。可以执行一次性偏移校准，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性失调校准后的典型性能。

图4.1 点和 2 点校正在整个温度范围内的典型角度误差。

由于传感器的偏移漂移，角度精度可能会随温度下降，如150°C下单点校准情况所示。 通过 2 点温度校准可以提高性能。在这种情况下，失调可以用来自片内温度传感器的信息进行插值，并补偿失调随温度的变化。

自由运行应用中的 BLDC 系统可以通过在指定时间内对传感器输出求平均值来利用连续偏移校正技术。微控制器中的动态失调补偿可以在温度和工作寿命范围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性校正。幅度失配保证小于1%，先进的传感器设计保证正交性。该传感器的迟滞可以忽略不计，可实现高度可靠和准确的位置信息。

对于不需要高精度的较低性能和成本敏感型应用，ADA4571无需任何线路末端失调校正即可使用。在这种情况下，保证ADA4571的角度误差小于5°。这在某些未校准的应用中很有用，因为主机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小巧、坚固且易于组装的位置传感解决方案。ADI公司的新型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工作模式，改进了前几代磁性位置传感器。

ADI特别注意确保器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准确的位置数据中受益，从而即使在高速应用中也能获得高水平的扭矩性能，同时获得使用非接触式磁感应技术的所有好处。

审核编辑：郭婷