主頁 > 技術(shù)文章 > 對(duì)新型傳感器提升電動(dòng)機(jī)性能并降低功耗作用 2024-10-28

對(duì)新型傳感器提升電動(dòng)機(jī)性能并降低功耗作用

概況：現(xiàn)如今的工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備中的電動(dòng)機(jī)位置傳感方式多種多樣，光學(xué)編碼器因其高精確度和易受微控制器控制的標(biāo)準(zhǔn)化“ABI”輸出而倍受工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備中電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(duì)尺寸和/或可靠性有更高要求的應(yīng)用。

在過去，有一個(gè)對(duì)磁性位置傳感器不利的趨勢(shì)：新型無刷直流(BLDC)電動(dòng)機(jī)在總體上有高效率目標(biāo)，以減少功耗。與此同時(shí)，設(shè)計(jì)者被賦予了增加新電機(jī)力矩的任務(wù)，實(shí)現(xiàn)工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備中電機(jī)的低轉(zhuǎn)速運(yùn)行，以支持直接驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。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(dá)到最大化，無刷直流電動(dòng)機(jī)在高轉(zhuǎn)速下就必須有一個(gè)極其精確的發(fā)動(dòng)機(jī)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，新工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備中已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了傳感器設(shè)計(jì)的一大突破，它們能夠幾乎完全精確地測(cè)量高轉(zhuǎn)速下的旋轉(zhuǎn)角度。

如何實(shí)現(xiàn)角度測(cè)量

一個(gè)無刷直流電動(dòng)機(jī)包含了一個(gè)永磁電動(dòng)機(jī)(轉(zhuǎn)子)和三個(gè)或三個(gè)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(gè)任意方向和大小的磁場(chǎng)。力矩來源于轉(zhuǎn)軸上運(yùn)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(chǎng)與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相互垂直時(shí)，力矩達(dá)到最大值。所測(cè)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(gè)垂直磁場(chǎng)。

圖1：一個(gè)無刷直流電機(jī)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(dòng)機(jī)正在被永磁同步電動(dòng)機(jī)(PMSM)所取代。永磁同步電動(dòng)機(jī)代替了無刷直流電動(dòng)機(jī)中受轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)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(dòng)，獲得更高的效率。

Fig. 2: A PMSM draws on a similar feedback loop to a BLDC motor's.當(dāng)然，盡管工業(yè)自動(dòng)化和汽車電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的效率和可靠性必須經(jīng)常得到優(yōu)化，許多其他電動(dòng)機(jī)，尤其是消費(fèi)產(chǎn)品領(lǐng)域的電動(dòng)機(jī)還是最注重成本。對(duì)于簡(jiǎn)單的電動(dòng)機(jī)來說，霍爾開關(guān)陣列提供了合適的位置測(cè)量方法，也能產(chǎn)生適當(dāng)?shù)牧兀共僮髯兊昧鲿场?nbsp;

但是霍爾開關(guān)陣列的精確度和準(zhǔn)確度常常達(dá)不到高性能發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)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(gè)半導(dǎo)體)能夠產(chǎn)生高精確度、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(jìn)行精確的測(cè)量。與工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用常用的光學(xué)編碼器不同，磁性位置傳感器不會(huì)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(dòng)態(tài)角度誤差；在雜散磁場(chǎng)環(huán)境下需要屏蔽措施。

這些缺陷會(huì)增加系統(tǒng)成本，削弱系統(tǒng)性能。動(dòng)態(tài)角度誤差補(bǔ)償需要很強(qiáng)的處理能力，對(duì)雜散磁場(chǎng)中的IC進(jìn)行額外的保護(hù)也會(huì)增加硬件的物料成本。

動(dòng)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(chǎng)強(qiáng)度。芯片被安裝在一個(gè)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(gè)信號(hào)調(diào)節(jié)與處理回路，將測(cè)量出的磁場(chǎng)強(qiáng)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(shí)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(shí)間不等，但當(dāng)今市場(chǎng)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(hào)處理導(dǎo)致傳輸延遲傳輸延遲的問題在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)導(dǎo)致了動(dòng)態(tài)角度誤差。動(dòng)態(tài)角度誤差會(huì)隨著速度呈線性增長(zhǎng)；傳輸延遲和速度越高，動(dòng)態(tài)角度誤差就越大。（見圖3）。

圖3顯示了動(dòng)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(shí)讀取磁場(chǎng)強(qiáng)度，且芯片在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的傳輸延遲為100μs。當(dāng)芯片將磁場(chǎng)強(qiáng)度換算為角度時(shí)，轉(zhuǎn)子用100?s的時(shí)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(dòng)態(tài)角度誤差和轉(zhuǎn)速之間的線性關(guān)系在沒有誤差補(bǔ)償?shù)那闆r下，調(diào)整方案中的電流會(huì)到紅線位置的啟動(dòng)線圈中去，而不是藍(lán)色位置，結(jié)果導(dǎo)致系統(tǒng)無法將力矩最大化，從而浪費(fèi)能量，降低系統(tǒng)效率。

如果芯片的傳輸延遲是100μs，發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為1000轉(zhuǎn)每秒，那么動(dòng)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(dòng)態(tài)角度誤差就增至12度。圖4：傳輸延遲如何增加動(dòng)態(tài)角度誤差傳輸延遲是所有磁性位置傳感器的特點(diǎn)，因此系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師試圖將補(bǔ)償算法應(yīng)用于減少動(dòng)態(tài)角度誤差。不幸的是，每秒幾千個(gè)數(shù)據(jù)樣本的補(bǔ)償會(huì)對(duì)主機(jī)ECU造成嚴(yán)重的負(fù)擔(dān)，甚至需要額外定制一個(gè)誤差補(bǔ)償專用的MCU。

設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)并不希望從本質(zhì)上增加物料成本，也不想花費(fèi)太多時(shí)間來開發(fā)、測(cè)試和修正他們的補(bǔ)償算法。

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

現(xiàn)在，奧地利微電子已經(jīng)開發(fā)出新的補(bǔ)償方案應(yīng)用到磁性傳感器中，該方案正在申請(qǐng)專利。這種新的內(nèi)部補(bǔ)償技術(shù)叫做DAEC(動(dòng)態(tài)角度誤差補(bǔ)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(dòng)態(tài)角度誤差僅為0.17度，幾乎可以忽略不計(jì)。

圖5：集成補(bǔ)償方案的傳感器輸出（上）以及未集成補(bǔ)償方案的傳感器輸出（下）圖6顯示了AS5147(左)與傳統(tǒng)磁性位置傳感器(右)測(cè)量輸出的區(qū)別，有精確的光學(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(dòng)態(tài)角度誤差為18度。

圖6：左圖顯示了傳統(tǒng)的分散式動(dòng)態(tài)角度誤差補(bǔ)償法。右圖顯示了新的動(dòng)態(tài)角度誤差補(bǔ)償法。相反，AS5147的誤差幾乎可以忽略不計(jì)，也就是說它的信號(hào)能夠直接用于調(diào)整控制器，無需外部補(bǔ)償。事實(shí)上，帶有DAEC技術(shù)的內(nèi)部補(bǔ)償產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)角度誤差可能比外部補(bǔ)償更小，因?yàn)镋CU和MCU中常常會(huì)有抽樣誤差。

當(dāng)然，在工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備中傳感器內(nèi)部補(bǔ)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(chǎng)

許多磁性傳感器的另一個(gè)弊端是容易受到雜散磁場(chǎng)的干擾。轉(zhuǎn)子磁鐵以外的磁場(chǎng)干擾隨時(shí)會(huì)破壞芯片的角度測(cè)量，而這種隨機(jī)的錯(cuò)誤無法通過主機(jī)ECU或MCU來補(bǔ)救。因此，用戶不得不對(duì)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(duì)空間有要求應(yīng)用的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

根據(jù)ISO 26262汽車功能安全標(biāo)準(zhǔn)，免受雜散磁場(chǎng)的干擾已經(jīng)成為發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的強(qiáng)制性要求。

“差分傳感”專利技術(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(chǎng)影響的最高值達(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(dòng)機(jī)和永磁同步電動(dòng)機(jī)制造商能夠利用極其精確的位置數(shù)據(jù)使高轉(zhuǎn)速應(yīng)用中的轉(zhuǎn)矩達(dá)到最大化，同時(shí)通過磁性位置傳感器縮小電動(dòng)機(jī)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)用認(rèn)證)，支持無刷直流電動(dòng)機(jī)在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用，如電子動(dòng)力方向盤(EPS)、傳動(dòng)裝置(變速箱、促動(dòng)器)、泵以及制動(dòng)器。

在工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備應(yīng)用方面，采用DAEC技術(shù)的AS5047D也已投入使用，提供十進(jìn)制ABI輸出，是替換光學(xué)編碼器的理想之選。

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