采用磁性位置傳感器提升電動機的性能

現(xiàn)如今的電動機位置傳感方式多種多樣，光學(xué)編碼器因其高度和易受微控制器控制的標(biāo)準(zhǔn)化“ABI”輸出而倍受電機控制系統(tǒng)設(shè)計者的青睞。

但由于多種原因，非接觸式磁性位置傳感器現(xiàn)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(yīng)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(biāo)，以減少功耗。與此同時，設(shè)計者被賦予了增加新電機力矩的任務(wù)，實現(xiàn)電機的低轉(zhuǎn)速運行，以支持直接驅(qū)動系統(tǒng)。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(dá)到化，無刷直流電動機在高轉(zhuǎn)速下就必須有一個極其的發(fā)動機旋轉(zhuǎn)角度數(shù)據(jù)——利用傳統(tǒng)的磁性傳感器是很難得到的?，F(xiàn)在，新一代產(chǎn)品已經(jīng)實現(xiàn)了傳感器設(shè)計的一大突破，它們能夠幾乎完全地測量高轉(zhuǎn)速下的旋轉(zhuǎn)角度。

如何實現(xiàn)角度測量

一個無刷直流電動機包含了一個永磁電動機（轉(zhuǎn)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。力矩于轉(zhuǎn)軸上運行的轉(zhuǎn)子和固定線圈之間的引力和斥力。

當(dāng)固定線圈磁場與轉(zhuǎn)子磁場相互垂直時，力矩達(dá)到值。所測量的轉(zhuǎn)子角度反饋到通過固定線圈控制電流的系統(tǒng)（見圖1），產(chǎn)生一個垂直磁場。

圖1：一個無刷直流電機控制系統(tǒng)需要通過磁性位置傳感器（通常用于汽車領(lǐng)域）或光學(xué)位置

在多數(shù)高端應(yīng)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(zhuǎn)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。

當(dāng)然，盡管工業(yè)和汽車電動機設(shè)計的效率和可靠性必須經(jīng)常得到優(yōu)化，許多其他電動機，尤其是消費產(chǎn)品領(lǐng)域的電動機還是注重成本。對于簡單的電動機來說，霍爾開關(guān)陣列提供了合適的位置測量方法，也能產(chǎn)生適當(dāng)?shù)牧?，使操作變得流暢?/p>

但是霍爾開關(guān)陣列的度和準(zhǔn)確度常常達(dá)不到高性能發(fā)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(dǎo)體）能夠產(chǎn)生高度、高分辨率的位置數(shù)據(jù)。它能夠?qū)o止?fàn)顟B(tài)或低轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)軸進行的測量。與工業(yè)應(yīng)用常用的光學(xué)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(shù)霍爾傳感器芯片有兩大缺陷：傳輸延遲導(dǎo)致的高轉(zhuǎn)速下動態(tài)角度誤差；在雜散磁場環(huán)境下需要屏蔽措施。

這些缺陷會增加系統(tǒng)成本，削弱系統(tǒng)性能。動態(tài)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(tài)角度誤差的起因

霍爾傳感器芯片連續(xù)地抽樣讀取轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(diào)節(jié)與處理回路，將測量出的磁場強度換算為轉(zhuǎn)子的角度位置（以度數(shù)形式）。這一轉(zhuǎn)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(xù)的時間不等，但當(dāng)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(dǎo)致傳輸延遲

傳輸延遲的問題在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時導(dǎo)致了動態(tài)角度誤差。動態(tài)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(tài)角度誤差就越大。（見圖3）。

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

圖3：動態(tài)角度誤差和轉(zhuǎn)速之間的線性關(guān)系

在沒有誤差補償?shù)那闆r下，調(diào)整方案中的電流會到紅線位置的啟動線圈中去，而不是藍(lán)色位置，結(jié)果導(dǎo)致系統(tǒng)無法將力矩化，從而浪費能量，降低系統(tǒng)效率。

如果芯片的傳輸延遲是100μs，發(fā)動機的轉(zhuǎn)速為1000轉(zhuǎn)每秒，那么動態(tài)角度誤差為1.2度。如果轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速增至10，000轉(zhuǎn)每秒，動態(tài)角度誤差就增至12度。

圖4：傳輸延遲如何增加動態(tài)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(tǒng)設(shè)計工程師試圖將補償算法應(yīng)用于減少動態(tài)角度誤差。不幸的是，每秒幾千個數(shù)據(jù)樣本的補償會對主機ECU造成嚴(yán)重的負(fù)擔(dān)，甚至需要額外定制一個誤差補償專用的MCU。

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

新型傳感器減少動態(tài)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(tài)角度誤差的值取決于傳輸延遲的時間和轉(zhuǎn)速。

現(xiàn)在，奧地利微電子已經(jīng)開發(fā)出新的補償方案應(yīng)用到磁性傳感器中，該方案正在申請。這種新的內(nèi)部補償技術(shù)叫做DAEC（動態(tài)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(zhuǎn)每秒的轉(zhuǎn)速下，動態(tài)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（左）以及未集成補償方案的傳感器輸出（右）

圖6顯示了AS5147（左）與傳統(tǒng)磁性位置傳感器（右）測量輸出的區(qū)別，有的光學(xué)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(zhuǎn)每秒的轉(zhuǎn)速下產(chǎn)生的動態(tài)角度誤差為18度。

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(diào)整控制器，無需外部補償。事實上，帶有DAEC技術(shù)的內(nèi)部補償產(chǎn)生的動態(tài)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(dāng)然，傳感器內(nèi)部補償還能降低系統(tǒng)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(zhuǎn)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(yīng)用的結(jié)構(gòu)設(shè)計。

根據(jù)ISO 26262汽車功能安全標(biāo)準(zhǔn)，免受雜散磁場的干擾已經(jīng)成為發(fā)動機系統(tǒng)的強制性要求。

“差分傳感”技術(shù)被應(yīng)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值達(dá)到25，000A/m。低于該臨界值，就無需采取屏蔽措施。

結(jié)論

奧地利微電子DAEC技術(shù)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的位置數(shù)據(jù)使高轉(zhuǎn)速應(yīng)用中的轉(zhuǎn)矩達(dá)到化，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(shù)現(xiàn)已應(yīng)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(yīng)用），支持無刷直流電動機在汽車領(lǐng)域的應(yīng)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(yè)應(yīng)用方面，采用DAEC技術(shù)的AS5047D也已投入使用，提供十進制ABI輸出，是替換光學(xué)編碼器的理想之選。