【導(dǎo)讀】在終端市場上，利用無刷直流電機(jī)（簡稱為BLDC）技術(shù)取代交流電機(jī)或機(jī)械泵已經(jīng)取得了重大進(jìn)展。為了實(shí)現(xiàn)電機(jī)的精確控制和高效換向，高分辨率電流和旋轉(zhuǎn)位置信息至關(guān)重要。
相對于交流電機(jī)，使用BLDC的優(yōu)點(diǎn)包括：更高的功效和熱效率、體積較小、性能更可靠。此外，由于BLDC利用電子換向來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機(jī)械換向，使應(yīng)用速度范圍變得更容易控制扭矩和速度參數(shù)，也可以實(shí)現(xiàn)一些更復(fù)雜的控制如維持扭矩或速度極限。正是由于這些優(yōu)點(diǎn)，BLDC正在進(jìn)入越來越多的現(xiàn)有的和新興的應(yīng)用。
BLDC電機(jī)控制中的角度傳感器
為了實(shí)現(xiàn)電機(jī)的精確控制和高效換向，高分辨率電流和旋轉(zhuǎn)位置信息至關(guān)重要。一般旋轉(zhuǎn)器的系統(tǒng)設(shè)計雖然可達(dá)到較高的分辨率和精度，但仍然要考慮實(shí)體占用空間大及成本高的問題。無傳感器方案可用于檢測反電動勢電流，還可以降低傳感器重量和成本，但由于無法得到有效的位置數(shù)據(jù)來產(chǎn)生反電動勢，電機(jī)啟動性能可能存在問題。其他解決方案，例如利用三個霍爾效應(yīng)傳感器來檢測電機(jī)磁鐵的位置，通常用于成本敏感的應(yīng)用中。在這種情況下，雖然實(shí)現(xiàn)了分辨率，但必須同時監(jiān)視三組信號。在空間不足的情況下，傳感器的安裝也會成為技術(shù)上的挑戰(zhàn)，這也是另一種潛在的問題。
另一種方案是使用基于異性磁阻 (Anisotropic Magneto-Resistive，或簡稱AMR)技術(shù)的角度傳感器 (Angle Sensor)。 AMR技術(shù)是磁感應(yīng)用的一種，可實(shí)現(xiàn)高角度精度，并且可將單個傳感元件與電子電路集成在同一封裝中。從而實(shí)現(xiàn)傳感器系統(tǒng)的小型化，并且使得將傳感器定位在電機(jī)組件內(nèi)成為可能。
AMR 與光學(xué)傳感技術(shù)的比較
與傳統(tǒng)光學(xué)傳感技術(shù)比較，AMR技術(shù)可提供較小巧的外觀、低成本，并且更適合在惡劣環(huán)境下工作，例如骯臟及溫度變化的工作環(huán)境中。表1列舉了兩者之間的比較，從中可以明顯看出在無刷直流電機(jī)中使用AMR的優(yōu)點(diǎn)。
表1：光電和AMR傳感技術(shù)的比較
AMR傳感器技術(shù)原理
基于AMR原理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。AMR傳感器是在磁飽和狀態(tài)下工作，因此外加的磁場的主導(dǎo)了電阻變化。當(dāng)外磁場和電流方向平行時，電阻最大；而當(dāng)施加的電場垂直于載流磁感應(yīng)合金的平面時，電阻最小。圖1顯示了AMR傳感器工作原理的簡化圖。
圖1：AMR傳感器的工作原理
AMR傳感器的選擇
為了確保電機(jī)轉(zhuǎn)動的高精準(zhǔn)度，在選擇角度傳感器時有以下建議 :
能感應(yīng)360° 旋轉(zhuǎn)角，可以準(zhǔn)確測量絕對角度位置(Absolute Angular Position)；
角度誤差率較低；
擁有線性穩(wěn)定的誤差率，方便讓主微控制器 (Microcontroller) 執(zhí)行偏移校正的計算。
以Analog Devices公司的ADA4571 系列為例，圖2顯示了旋轉(zhuǎn)磁場施加在360° 機(jī)械旋轉(zhuǎn)情形時ADA4571的典型高輸出電平和角度誤差。經(jīng)微控制器進(jìn)行偏移校正后，典型誤差小于0.1°。
圖2：在360°機(jī)械旋轉(zhuǎn)下的ADA4571誤差（灰色）和輸出波形（橙色/藍(lán)色）
角度傳感器的安裝
針對大多數(shù)BLDC控制系統(tǒng)，根據(jù)可用空間大小和電機(jī)軸的可接近性，有許多方法來配置和安裝傳感器。以ADA4571作例，如圖3所示是兩個較普遍的安裝配置。
圖3：（a）電機(jī)軸端系統(tǒng)配置 (b)電機(jī)軸側(cè)系統(tǒng)配置
圖3a是典型電機(jī)軸端系統(tǒng)，在旋轉(zhuǎn)軸上安裝了一個直徑磁化盤式磁體，讓磁體提供穿過傳感器平面的磁場。在這種配置中，可直接讀取轉(zhuǎn)子角度，而沒有機(jī)械和電氣組件之間的接觸。由于AMR技術(shù)不依賴于磁場強(qiáng)度 (Field Strength) ，因此它對于氣隙變化(air-gap variation) 有較大容忍度，使得工程師在對材料的選擇，以及對磁體物料的機(jī)械公差要求上，更為靈活。
圖3b 是軸側(cè)系統(tǒng)，此配置可用于那些待檢測的軸不能在端頭安裝磁體的應(yīng)用。在這種配置中，磁體提供磁場，傳感器和磁化盤可以安裝在軸上的任何位置，使得有空間限制的應(yīng)用有多一種選擇。
總結(jié)
對于工業(yè)和汽車BLDC電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計人員來說，磁感的角度傳感器提供了一個小巧、堅固且易于組裝的位置傳感解決方案。在選擇角度傳感器時，需要注意以下三個要點(diǎn)：
能感應(yīng)360° 旋轉(zhuǎn)角，可以準(zhǔn)確測量絕對角度位置(Absolute Angular Position)；
角度誤差率較低；
擁有線性穩(wěn)定的誤差率，以便主微控制器 (Microcontroller) 執(zhí)行偏移校正的計算。
在安裝上，角度傳感器也為工程師提供了跟具靈活性的安裝方案，包括“軸端系統(tǒng)”配置及“軸側(cè)系統(tǒng)”配置，以應(yīng)對空間不足的應(yīng)用場景。
更多有關(guān)角度傳感器及BLDC電機(jī)控制的技術(shù)設(shè)計應(yīng)用內(nèi)容，可參考:
ADA4571評估板
Benefits of using Brushless DC Motors (BLDC)
How to Power and Control Brushless DC Motors
Smaller, Smoother, Saving Energy: Power and Sensing Advances for Better Motor Control
原創(chuàng)：Kevin Chow 得捷電子DigiKey
