如何提高無刷直流電機控制性能?

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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。要做到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。雖然無傳感器方案可用於檢測反電動勢電流,但是電機啟動性能可能是個問題。

一種替代方案是使用基於異性磁阻(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,不僅可做到高角度精度,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,並且能夠在電機總成內定位傳感器。

ADI已與MR技術的主管者——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。

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ADA4571在−40°C至+150°C的寬工作溫度範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,它能夠做到高性能BLDC電機控制,而且速度超過25000 RPM。

AMR技術

基於AMR理念的傳感器的材料電阻率取決於相對於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。

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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,可做到角度傳感器,其正弦和餘弦輸出取決於外部磁場方向。此配置可提供具有180°絕對測量範圍的傳感器。

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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後,典型誤差小於0.1°。

傳感器安裝

對於大部分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。

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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。由於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並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並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。軸側配置可用於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於空間限制不能使用軸端的BLDC電機。

由於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,以消除正弦和餘弦信號的初始失調。圖4顯示了在室溫下執行一次性失調校準後的典型性能。

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圖4. 單點和雙點校正時典型角度誤差與溫度的關係

由於傳感器的失調漂移,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,並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範圍和工作壽命內做到非常高的精度。

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於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。

對於無需高精度、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、穩定且易於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,明顯優於前幾代磁性位置傳感器。

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