位置傳感器提升電機運作的精確度與效率

位置傳感器提升電機運作的精確度與效率

電機廣泛應用于各種具備動力的電子產(chǎn)品之中，像是應用在閥門、泵、暖通空調(diào)（HVAC）等，這些應用需要搭配電機驅(qū)動器來控制電機的運轉(zhuǎn)，若能搭配位置傳感器，則更能精準地控制電機的運轉(zhuǎn)位置、扭矩或速度，提升電機運作的精確度與運作效率。本文將為您介紹位置傳感器的技術(shù)發(fā)展，以及由Melexis推出適用于1至1000W電機的多款電機驅(qū)動解決方案。

用于電機換向與定位的位置傳感器

電機驅(qū)動是一個復雜的領(lǐng)域，應用于眾多應用案例，有些電機驅(qū)動器在不配備位置傳感器（無傳感器）的情況下可以完美運行，但有時還是需要額外增加位置傳感器，來對電機進行更精密的控制。電機控制可以具有多個反饋回路，其中一個用于電機換向，一個用于定位。這些控制回路不一定使用相同的位置傳感器，因為優(yōu)化系統(tǒng)和物料清單（BOM）需要不同的特性，位置傳感器可以改進系統(tǒng)對位置、扭矩或速度的控制。

電機的位置控制可在啟動和整個運行過程中啟用已知的（安全）位置，并在使用步進電機時避免漏步，以及進行轉(zhuǎn)矩控制，可實現(xiàn)低速和低噪音運行，尤其適用于如泵之類的大型電機。此外，在電機的速度控制上，也要求啟動可靠、低速驅(qū)動，并可處理高動態(tài)負載。

在電機換向方面，對于多種類型的電機，位置傳感器可以用作電機換向控制回路的組件。電機控制算法可決定通過線圈的電流大小及其時序，施加磁場的角度必須與轉(zhuǎn)子的磁場方向正交，以最大程度提高效率。電機控制算法的類型與電機設(shè)計和傳感器類型相關(guān)。例如，無刷電機可以在梯形控制、正弦控制和磁場定向控制模式下運行。

梯形控制為基本模式，可根據(jù)鎖存器／開關(guān)的輸出確定轉(zhuǎn)子的位置。它可以滿足無刷直流電機（BLDC）的需求，實現(xiàn)高速換向，但可能出現(xiàn)意外轉(zhuǎn)矩波動，例如應用在電動車上時，將可能造成加速不平穩(wěn)的現(xiàn)象。

正弦控制或磁場定向控制則表現(xiàn)更出色，但它們依賴于轉(zhuǎn)子角位置的精確性（高分辨率角度）。角位置越精確，效率越高，在某些應用中會具體表現(xiàn)出更高的安全性，這些控制算法也適用于永磁同步電機（PMSM）。

位置傳感器也可用于應用定位，以一個關(guān)鍵的智能閥為例，位置傳感器可確保閥門位置正確（不依賴電機位置）。另一個例子是可精確定位機械臂上的關(guān)節(jié)的伺服電機。在這個例子中，電機定位所用的傳感器可以是用于電機換向的傳感器。

滿足電機定位需求的轉(zhuǎn)子位置傳感器

隨著汽車電氣化時代的來臨，對純電動汽車的需求正在快速增長，此外還有各式各樣的具有傳動需求的電器，都需要采用各種電機，帶動市場的快速增長。無論現(xiàn)在還是未來，許多電器與每一輛電動汽車都需要一個經(jīng)濟實惠的高性能電機。而每一臺電機又需要精確、通用且經(jīng)濟實惠的轉(zhuǎn)子位置傳感器。

像是同步電機需要使用這種傳感器信號來驅(qū)動電機轉(zhuǎn)矩控制，這些信號同步中的錯誤將會降低系統(tǒng)的整體性能，并可能導致安全問題。因此，采用轉(zhuǎn)子位置傳感器將對電機的轉(zhuǎn)矩控制提供更高的安全性。

高速轉(zhuǎn)子位置傳感器通常有三種類型，包括可變磁阻（VR）解碼器、磁性解碼器或電感式解碼器。VR解碼器是電動汽車的牽引電機中最常用的位置傳感器，它由一個鐵磁轉(zhuǎn)子和一個帶有幾個次級線圈的定子組成。VR解碼器長期應用于電機位置傳感應用，并且由于其卓越的穩(wěn)固性，在惡劣的環(huán)境中更具有優(yōu)勢。

磁性解碼器則是采用霍爾效應傳感器，綜合成本優(yōu)勢非常突出。它不僅具有VR解碼器的特性，而且尺寸緊湊。電感式解碼器則具有精度高、寬速度區(qū)間和雜散場抗干擾能力。與此同時，與VR解碼器技術(shù)相比，它還降低了電氣傳動系統(tǒng)的總成本。

為了確保準確可靠的運行，優(yōu)秀的轉(zhuǎn)子位置傳感器應在速度大于200,000 e-rpm（電轉(zhuǎn)速，rpm: revolutions per minute）的情況下提供精確可靠的位置感應，支持高度精確的位置感應，以確保最大效率、最佳轉(zhuǎn)矩控制和低轉(zhuǎn)矩變化，并應具備雜散場抗干擾能力，以及可擴展的靈活設(shè)計，以適合不同的電機設(shè)計和傳感器位置。此外，還應該具備重量輕、經(jīng)濟實惠的優(yōu)勢。

多種解決方案滿足不同的電機應用需求

應用于高速電機換向應用時，可以依據(jù)分辨率來選擇解決方案，可在采用多芯片架構(gòu)時，于低分辨率下采用鎖存器／開關(guān)，在高分辨率下采用線性霍爾傳感器。若采用單芯片架構(gòu)（或雙芯片以實現(xiàn)冗余）時，則可在高分辨率時采用角度編碼器。

當采用鎖存器／開關(guān)控制電機換向時，鎖存器／開關(guān)產(chǎn)品以多芯片配置放置在定子中。它們非常適合直流無刷電機的梯形控制，例如使用3顆芯片，每相1顆。

當采用線性霍爾傳感器控制電機換向時，線性霍爾效應傳感器可用于替代鎖存型霍爾傳感器。多個傳感器正交式使用可提供具有高角度分辨率的轉(zhuǎn)子絕對角度，可根據(jù)它們的模擬輸出通過專用算法計算出更準確的轉(zhuǎn)子位置。因此，它們不僅適用于檢測電機換向點，還適用于精確的位置控制。

此外，也可采用磁性或電感式編碼器來控制電機換向，編碼器或電機編碼器，是提供成比例模擬正余弦輸出的快速芯片解決方案。這些輸出代表轉(zhuǎn)子磁通量，因此可用于檢測電機位置，最新一代產(chǎn)品可以放在軸上（軸端）或軸外（軸側(cè)）。

某些電機應用會額外配備用于定位的控制回路。例如，執(zhí)行器低速運行的閥門，或者當應用中的內(nèi)部齒輪箱將高速／低轉(zhuǎn)矩旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換為低速／高轉(zhuǎn)矩旋轉(zhuǎn)時。由于齒輪箱的不斷磨損，轉(zhuǎn)子位置與電機輸出軸之間的一一對應關(guān)系會逐漸消失。因此，在某些設(shè)計中，輸出軸上額外配備了一個位置傳感器。

完整的電機換向與定位解決方案

Melexis推出了多款用于電機換向和／或定位的磁性位置傳感器芯片，包括鎖存器／開關(guān)、線性霍爾傳感器或角度編碼器等磁性解決方案。

鎖存器和開關(guān)

由于許多傳統(tǒng)霍爾效應傳感器僅對垂直于IC的磁通量敏感，因此可能需要開發(fā)復雜（因此又大又昂貴）的定制磁性結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)所需的測量。Melexis提供一系列具有預編程或可編程固定參數(shù)的霍爾效應鎖存器芯片Melexis的鎖存器和開關(guān)傳感器，采用創(chuàng)新的磁性Triaxis技術(shù)，可以測量橫向磁通量分量。除了可感應垂直施加于芯片表面的磁感應強度的傳統(tǒng)傳感器之外，Melexis還推出了可感應側(cè)向磁感應強度的鎖存器芯片，此功能大大提高了傳感器定位相對于磁體（轉(zhuǎn)子或感應磁體）定位的靈活性。傳感器采用單芯片TSOT-3L或TO92-3L封裝。此外，Melexis還推出了首款支持ASIL-B的鎖存器／開關(guān)芯片。

線性霍爾傳感器

MLX90290是一款SMD出廠編程的高速線性霍爾傳感器芯片，具有成比例模擬輸出。目標應用為小行程旋轉(zhuǎn)應用、線性位置傳感器、交流和直流電流感應應用，以及無刷直流電機換向應用。線性霍爾效應傳感器芯片與工作偏置電壓為3.3VDC和5VDC的電路兼容。對于使用大多數(shù)永磁體（例如AlNiCo、NeFeB和鐵氧體）的位置檢測，此芯片可以做溫度補償。對于電流感應應用，可提供適用于0ppm/℃的版本。

解碼器

－ 磁性

Melexis的MLX90380是一款適用于無刷電機的快速預編程磁性解碼器芯片，非常適用于汽車應用以及其它需要快速讀取位置的應用。另一款MLX90381則是3D磁性角度編碼器芯片，可測量高達50,000 e-rpm的轉(zhuǎn)速。該芯片針對可靠的電機設(shè)計進行了優(yōu)化，具有尺寸小巧、可在模塊層級編程、頗具成本效益，且符合ASIL標準。

－ 電感式

Melexis提供最先進的電感式解碼器解決方案：MLX90510和MLX90517支持極高的速度和高精度（最大±0.36° el，最高240000 e-rpm）。

磁力計

Melexis還提供各種低速角位置傳感器芯片，Melexis產(chǎn)品中的低速指更新頻率不低于200μs。其中的 MLX90392 / MLX90393 / MLX90395 / MLX90397 是經(jīng)過數(shù)值優(yōu)化，需進行后處理的磁力計，適用于消費類應用或汽車應用。

位置傳感器

－ 磁性

MLX9042x則是主流系列的磁性位置傳感器芯片，適用于注重成本但要求嚴苛的應用。MLX9037x是性能系列，具備高性能、高安全性且功能全面的磁性位置傳感器芯片。

－ 電感式

MLX90513是一款一流的電感式位置傳感器，Melexis現(xiàn)在廣泛采用電感技術(shù)，它提供全面的雜散場抗擾度、高安全標準，以及在要求苛刻的應用中提供更高的精度。

LIN電機驅(qū)動器

Melexis的全集成LIN電機驅(qū)動芯片和預驅(qū)動芯片則可降低BoM成本，簡化汽車機電一體化應用中電機控制翼板、閥門、風扇和泵的設(shè)計。這些裝置還可用于機器人系統(tǒng)和電動自行車／電動踏板車。LIN電機驅(qū)動芯片支持兩線直流電機、三線直流無刷電機或四線雙極步進電機，可以使用帶傳感器或無傳感器的磁場定向控制（FOC）算法。

Melexis的第三代嵌入式驅(qū)動芯片系列包括適用于1~10 W應用的MLX81330、MLX81332和MLX81334 LIN驅(qū)動芯片，以及適用于10~2000 W應用的MLX81340、MLX81344和MLX81346 LIN預驅(qū)動芯片。值得一提的是，Melexis憑借MLX81346成為將全集成片上系統(tǒng)（SoC）48 V預驅(qū)動芯片推向市場的先驅(qū)企業(yè)。

結(jié)語

借助位置傳感器的支持，電機驅(qū)動器可滿足與位置、轉(zhuǎn)矩和速度控制相關(guān)的特定應用要求，有助于提升電機的運作精度、效率。Melexis推出多款用于電機的傳感與驅(qū)動解決方案，將是優(yōu)化您的機電一體化應用的理想選擇。

審核編輯：劉清