主頁 > 技術文章 > 對新型傳感器提升電動機性能并降低功耗作用 2022-04-18

對新型傳感器提升電動機性能并降低功耗作用

概況：現如今的工業自動化設備中的電動機位置傳感方式多種多樣，光學編碼器因其高精確度和易受微控制器控制的標準化“ABI”輸出而倍受工業自動化設備中電機控制系統設計者的青睞。

但由于多種原因，非接觸式磁性位置傳感器現在成為了更好的選擇。由于磁性位置傳感器的尺寸更小，能夠抵御灰塵、油脂、水汽等污染物，因而能夠作用于對尺寸和/或可靠性有更高要求的應用。

在過去，有一個對磁性位置傳感器不利的趨勢：新型無刷直流(BLDC)電動機在總體上有高效率目標，以減少功耗。與此同時，設計者被賦予了增加新電機力矩的任務，實現工業自動化設備中電機的低轉速運行，以支持直接驅動系統。最終，變速器將不再是必需品，這就大大降低了物料成本。

要使得力矩和效率達到最大化，無刷直流電動機在高轉速下就必須有一個極其精確的發動機旋轉角度數據——利用傳統的磁性傳感器是很難得到的。現在，新工業自動化設備中已經實現了傳感器設計的一大突破，它們能夠幾乎完全精確地測量高轉速下的旋轉角度。

如何實現角度測量

一個無刷直流電動機包含了一個永磁電動機(轉子)和三個或三個以上等距的固定線圈(定子)。通過控制固定線圈中的電流能夠形成一個任意方向和大小的磁場。力矩來源于轉軸上運行的轉子和固定線圈之間的引力和斥力。

當固定線圈磁場與轉子磁場相互垂直時，力矩達到最大值。所測量的轉子角度反饋到通過固定線圈控制電流的系統(見圖1)，產生一個垂直磁場。

圖1：一個無刷直流電機控制系統需要通過磁性位置傳感器(通常用于汽車領域)或光學位置在多數高端應用中，無刷直流電動機正在被永磁同步電動機(PMSM)所取代。永磁同步電動機代替了無刷直流電動機中受轉矩脈動影響的模塊換相方案，而且能在線圈之間自如切換，減少振動，獲得更高的效率。

Fig. 2: A PMSM draws on a similar feedback loop to a BLDC motor's.當然，盡管工業自動化和汽車電動機設計的效率和可靠性必須經常得到優化，許多其他電動機，尤其是消費產品領域的電動機還是最注重成本。對于簡單的電動機來說，霍爾開關陣列提供了合適的位置測量方法，也能產生適當的力矩，使操作變得流暢。

但是霍爾開關陣列的精確度和準確度常常達不到高性能發動機對力矩和利用率的要求。相反地，磁性編碼器(將霍爾傳感器集成到硅芯片中的一個半導體)能夠產生高精確度、高分辨率的位置數據。它能夠對靜止狀態或低轉速下的轉軸進行精確的測量。與工業自動化應用常用的光學編碼器不同，磁性位置傳感器不會受到污染物的影響，且占用空間很小。

另一方面，大多數霍爾傳感器芯片有兩大缺陷：傳輸延遲導致的高轉速下動態角度誤差；在雜散磁場環境下需要屏蔽措施。

這些缺陷會增加系統成本，削弱系統性能。動態角度誤差補償需要很強的處理能力，對雜散磁場中的IC進行額外的保護也會增加硬件的物料成本。

動態角度誤差的起因

霍爾傳感器芯片連續地抽樣讀取轉軸上磁鐵的磁場強度。芯片被安裝在一個固定位置，其表面平行于旋轉磁鐵的表面，芯片和磁鐵之間通常有1到2毫米的空隙。

芯片中包含一個信號調節與處理回路，將測量出的磁場強度換算為轉子的角度位置(以度數形式)。這一轉換所需的時間就是芯片固定的傳輸延遲(見圖2)。不同芯片延遲持續的時間不等，但當今市場上的芯片傳輸延遲通常在10μs到400μs之間。

圖2：磁性位置傳感器中的信號處理導致傳輸延遲傳輸延遲的問題在轉子轉動時導致了動態角度誤差。動態角度誤差會隨著速度呈線性增長；傳輸延遲和速度越高，動態角度誤差就越大。（見圖3）。

圖3顯示了動態角度誤差的增加。假設芯片在轉子處于紅線位置時讀取磁場強度，且芯片在轉子轉動時的傳輸延遲為100μs。當芯片將磁場強度換算為角度時，轉子用100?s的時間轉到了藍線位置——但芯片向ECU或MCU顯示轉子仍在紅線位置。

圖3：動態角度誤差和轉速之間的線性關系在沒有誤差補償的情況下，調整方案中的電流會到紅線位置的啟動線圈中去，而不是藍色位置，結果導致系統無法將力矩最大化，從而浪費能量，降低系統效率。

如果芯片的傳輸延遲是100μs，發動機的轉速為1000轉每秒，那么動態角度誤差為1.2度。如果轉子的轉速增至10,000轉每秒，動態角度誤差就增至12度。圖4：傳輸延遲如何增加動態角度誤差傳輸延遲是所有磁性位置傳感器的特點，因此系統設計工程師試圖將補償算法應用于減少動態角度誤差。不幸的是，每秒幾千個數據樣本的補償會對主機ECU造成嚴重的負擔，甚至需要額外定制一個誤差補償專用的MCU。

設計團隊并不希望從本質上增加物料成本，也不想花費太多時間來開發、測試和修正他們的補償算法。

新型傳感器減少動態角度誤差

如剛才所說，磁性位置傳感器的傳輸延遲是固定的，而動態角度誤差的值取決于傳輸延遲的時間和轉速。

現在，奧地利微電子已經開發出新的補償方案應用到磁性傳感器中，該方案正在申請專利。這種新的內部補償技術叫做DAEC(動態角度誤差補償)，首先試用于47系列的磁性傳感器。DAEC能夠有效減少汽車位置傳感器AS5147的傳輸延遲誤差至僅1.9μs。這意味著AS5147在14,500轉每秒的轉速下，動態角度誤差僅為0.17度，幾乎可以忽略不計。

圖5：集成補償方案的傳感器輸出（上）以及未集成補償方案的傳感器輸出（下）圖6顯示了AS5147(左)與傳統磁性位置傳感器(右)測量輸出的區別，有精確的光學編碼器輸出作為參考。右圖顯示傳感器輸出受到200μs傳輸延遲的影響，在14,500轉每秒的轉速下產生的動態角度誤差為18度。

圖6：左圖顯示了傳統的分散式動態角度誤差補償法。右圖顯示了新的動態角度誤差補償法。相反，AS5147的誤差幾乎可以忽略不計，也就是說它的信號能夠直接用于調整控制器，無需外部補償。事實上，帶有DAEC技術的內部補償產生的動態角度誤差可能比外部補償更小，因為ECU和MCU中常常會有抽樣誤差。

當然，在工業自動化設備中傳感器內部補償還能降低系統成本，原因是沒有額外的MCU，又或是能夠使用更小功率的ECU。

抵御雜散磁場

許多磁性傳感器的另一個弊端是容易受到雜散磁場的干擾。轉子磁鐵以外的磁場干擾隨時會破壞芯片的角度測量，而這種隨機的錯誤無法通過主機ECU或MCU來補救。因此，用戶不得不對芯片采取屏蔽措施，這就增加了物料成本和裝配成本；還可能違背對空間有要求應用的結構設計。

根據ISO 26262汽車功能安全標準，免受雜散磁場的干擾已經成為發動機系統的強制性要求。

“差分傳感”專利技術被應用于奧地利微電子的所有磁性位置傳感器中，包括47系列，使傳感器免受雜散磁場影響的最高值達到25,000A/m。低于該臨界值，就無需采取屏蔽措施。

結論

奧地利微電子DAEC技術的推出意味著無刷直流電動機和永磁同步電動機制造商能夠利用極其精確的位置數據使高轉速應用中的轉矩達到最大化，同時通過磁性位置傳感器縮小電動機的尺寸，提高可靠性。

DAEC技術現已應用于AS5147*單層晶圓）和AS5247(雙層冗余晶圓）汽車磁性位置傳感器(AEC-Q100 階段0汽車應用認證)，支持無刷直流電動機在汽車領域的應用，如電子動力方向盤(EPS)、傳動裝置(變速箱、促動器)、泵以及制動器。

在工業自動化設備應用方面，采用DAEC技術的AS5047D也已投入使用，提供十進制ABI輸出，是替換光學編碼器的理想之選。

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