采用磁性位置傳感器提升電動機(jī)的性能

現(xiàn)如今的電動機(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”輸出而倍受電機(jī)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(jī)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(jī)力矩的任務(wù)，實現(xiàn)電機(jī)的低轉(zhuǎn)速運(yùn)行，以支持直接驅(qū)動系統(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，無刷直流電動機(jī)在高轉(zhuǎn)速下就必須有一個極其精確的發(fā)動機(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，它們能夠幾乎完全精確地測量高轉(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(jī)包含了一個永磁電動機(jī)（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)固定線圈磁場與轉(zhuǎn)子磁場相互垂直時，力矩達(dá)到最大值。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(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，無刷直流電動機(jī)正在被永磁同步電動機(jī)（PMSM）所取代。永磁同步電動機(jī)代替了無刷直流電動機(jī)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(jī)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(jī)，尤其是消費(fèi)產(chǎn)品領(lǐng)域的電動機(jī)還是最注重成本。對于簡單的電動機(jī)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)陣列的精確度和準(zhǔn)確度常常達(dá)不到高性能發(fā)動機(jī)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(bǔ)償需要很強(qiáng)的處理能力，對雜散磁場中的IC進(jìn)行額外的保護(hù)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(qiáng)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(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(qiáng)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(qiáng)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(bǔ)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)動機(jī)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(bǔ)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(bǔ)償會對主機(jī)ECU造成嚴(yán)重的負(fù)擔(dān)，甚至需要額外定制一個誤差補(bǔ)償專用的MCU。

設(shè)計團(tuán)隊并不希望從本質(zhì)上增加物料成本，也不想花費(fèi)太多時間來開發(fā)、測試和修正他們的補(bǔ)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(bǔ)償方案應(yīng)用到磁性傳感器中，該方案正在申請專利。這種新的內(nèi)部補(bǔ)償技術(shù)叫做DAEC（動態(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，動態(tài)角度誤差僅為0.17度，幾乎可以忽略不計。

圖5：集成補(bǔ)償方案的傳感器輸出（左）以及未集成補(bǔ)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)生的動態(tài)角度誤差為18度。

圖6：左圖顯示了傳統(tǒng)的分散式動態(tài)角度誤差補(bǔ)償法。右圖顯示了新的動態(tài)角度誤差補(bǔ)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(diào)整控制器，無需外部補(bǔ)償。事實上，帶有DAEC技術(shù)的內(nèi)部補(bǔ)償產(chǎn)生的動態(tài)角度誤差可能比外部補(bǔ)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(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

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(jī)的錯誤無法通過主機(jī)ECU或MCU來補(bǔ)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(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機(jī)和永磁同步電動機(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，同時通過磁性位置傳感器縮小電動機(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），支持無刷直流電動機(jī)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(jìn)制ABI輸出，是替換光學(xué)編碼器的理想之選。