新型無刷直流電機控制傳感器提高能效降低噪聲
發(fā)布日期:2023-03-17
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無刷直流（BLDC）電機日益成為電機市場的主力軍。盡管采購成本稍高，需要控制電子裝置，但和傳統(tǒng)有刷電機相比,無刷直流電機具備一些主要優(yōu)勢：高效、耐磨、長使用壽命、設(shè)計緊湊、高功率密度、低噪音，同時提高了可靠性。有效的控制需要高性能的反饋傳感器，用于感知轉(zhuǎn)子的位置。來自英飛凌的新一代霍爾開關(guān)和角度傳感器，可提供出色的電機控制功能，并且降低電機的能耗。
無刷直流電機的轉(zhuǎn)子帶有一個永磁體，定子帶有繞組。不同繞組中電流的方向不再通過機械換向器在電刷上滑動反轉(zhuǎn)（換向），而是通過電子方法反轉(zhuǎn)。
控制定子繞組和電子感知轉(zhuǎn)子的位置，需要精確、靈敏的位置傳感器。塊換向（例如使用霍爾開關(guān)）和（磁）場定向換向具有本質(zhì)的區(qū)別。不同于采用離散開關(guān)點的塊換向需要感知轉(zhuǎn)子的扇區(qū)過渡，高動態(tài)負(fù)載或精確驅(qū)動所采用的場定向換向需要持續(xù)獲得位置信息，極其精確地了解轉(zhuǎn)子位置。例如，這可以通過采用角度傳感器或無傳感器方法實現(xiàn)。對于無傳感器技術(shù)而言，通過感應(yīng)反向電壓的變化計算轉(zhuǎn)子位置，這種算法由于采用單片機和軟件算法，增加了成本。此外，這種技術(shù)的另外一個缺點是：在轉(zhuǎn)子達到特定的速度之前，不能提供可靠的信息。因此，與有傳感器的BLDC電機相比，無傳感器BLDC的啟動特性較差。
塊換向
對于塊換向而言，通常由安裝在電機中的三個霍爾傳感器（即每個定子繞組一個傳感器）提供轉(zhuǎn)子位置反饋。雙極控制磁鐵和相位差120°的霍爾傳感器在每次旋轉(zhuǎn)時可提供六個不同的開關(guān)組合（圖1）。根據(jù)傳感器提供的信息，在六個不同的控制階段啟動三個部分繞組。電流和電壓的變化曲線呈塊狀。傳感器的輸出信號提供了數(shù)字圖像，這可用較少的邏輯運算控制繞組。因此無需使用復(fù)雜的算法進行控制。在最簡單的應(yīng)用中，無需單片機即可實現(xiàn)塊換向。因此，該技術(shù)的優(yōu)勢是使用相對簡單和低成本的電子裝置、精確度高、可對啟動進行控制和啟動扭矩高。英飛凌全新推出的TLE4961 或 TLE4968霍爾開關(guān)，可通過精確的磁開關(guān)點實現(xiàn)高效的BLDC電機塊換向，精確感知轉(zhuǎn)子位置。
圖1：帶有霍爾開關(guān)的BLDC電機，可進行塊換向
精確的霍爾開關(guān)
如前所述，對于塊換向而言，三個霍爾開關(guān)位于轉(zhuǎn)子四周，彼此的相位偏移量為120°。它們能夠識別南、北極，相應(yīng)地提供邏輯為0或邏輯為1的輸出電壓。轉(zhuǎn)子的位置可根據(jù)所有三個霍爾開關(guān)的邏輯狀態(tài)在60°的扇區(qū)內(nèi)測定。根據(jù)這種信息，轉(zhuǎn)子的繞組進行相應(yīng)切換。為了實現(xiàn)這種操作，傳感器必須能夠精確地探測轉(zhuǎn)子的位置。理想情況下，傳感器應(yīng)能夠提供獨立于轉(zhuǎn)矩的換向信號。傳感器的一個決定性標(biāo)準(zhǔn)是它們切換的相位保真度，否則在繞組和轉(zhuǎn)子位置之間切換時將發(fā)生相位偏移。相位偏移能夠?qū)е赂蟮霓D(zhuǎn)矩波動，產(chǎn)生更大的噪聲和增加能耗。
但是，由于制造的影響，每個傳感器都規(guī)定了磁開關(guān)點容差。由于溫度的升高，BLDC電機中的永磁體的磁場強度有所降低。機械應(yīng)力和溫度的波動將產(chǎn)生漂移影響。為了實現(xiàn)精確的霍爾傳感器開關(guān)，這些影響必須得到補償。
磁場開關(guān)閾值的溫度補償電路，開關(guān)閾值可根據(jù)溫度進行調(diào)整，該傳感器能夠補償磁鐵的溫度相關(guān)的場強變化。霍爾元件的“旋轉(zhuǎn)霍爾探頭”結(jié)構(gòu)能夠大大減少開關(guān)閾值的偏移，從而提高開關(guān)的整體穩(wěn)定性。由于具備這種信號處理功能，測量和切換輸出信號之間的時間略增，但是這種延時是恒定的，保持時間取決于塊換向的速度。
這種帶有集成式補償電路的新型霍爾芯片具備穩(wěn)定的溫度特性，從而減輕了技術(shù)變化的影響。主動誤差補償（一種旋轉(zhuǎn)霍爾探頭技術(shù)）可以補償信號路徑偏移和霍爾元件機械應(yīng)力的影響。并且，霍爾開關(guān)還具有非常低的抖動（<0.3μs）。輸出晶體管還具有過流和過溫保護功能。
場定向換向
塊換向的確存在概念相關(guān)的缺點。由于分為6個扇區(qū)，繞組在60°旋轉(zhuǎn)期間不斷開關(guān)（即只有在最大能效時才能產(chǎn)生力和磁力線，在短時間內(nèi)彼此保持90°）。在轉(zhuǎn)換點之前，力和磁力線矢量僅在60°時相關(guān)，在這種情況下能效降至87%。
定子產(chǎn)生的磁場改善了這種情況，定子旋轉(zhuǎn)的速度與轉(zhuǎn)子完全相同：彼此的力和磁力線完全平行。這是由于繞組不再采用基于扇區(qū)的方法，而是通過脈沖激勵的方法，進行開關(guān)，因此在轉(zhuǎn)子的位置不同繞組磁場的總和產(chǎn)生了極佳的永久性總體磁場。最終，繞組產(chǎn)生正弦波電流，這意味著轉(zhuǎn)矩和磁場總是保持平行。這種場定向程序具有很多優(yōu)勢，例如噪聲級別極低、轉(zhuǎn)矩非常穩(wěn)定、能夠?qū)崿F(xiàn)變速勵磁等。但是，其前提是能夠極其精確地測定轉(zhuǎn)子位置，而這單憑霍爾開關(guān)是不能實現(xiàn)的，還需要精確的角度傳感器。
精確的角度傳感器
對于場定向換向而言，角度傳感器必須在產(chǎn)品的整個壽命周期內(nèi)，無論溫度和轉(zhuǎn)速如何，都能精確測定磁鐵的位置。TLE5009/TLE5012B 系列角度傳感器能夠快速更新測量數(shù)據(jù)，并且延時很短，因此提高了效率——甚至在高轉(zhuǎn)速和負(fù)荷變化的情況下。
這種高精確的角度傳感器位于轉(zhuǎn)子軸端的前方。距離電機軸承最近的轉(zhuǎn)子軸端安裝了一個外徑磁鐵。該角度傳感器可以可靠探測該磁場的旋轉(zhuǎn)。
圖2：角度傳感器的應(yīng)用示例
新型角度傳感器基于創(chuàng)新型iGMR （集成巨磁電阻）技術(shù)。通過提供放大的模擬接口，大大提高了成本效益，而高度集成和多功能的具有很強的數(shù)據(jù)處理功能，提供幾個可供選擇的數(shù)字接口。
短時延和高信號分辨率的新標(biāo)桿。它在整個操作范圍內(nèi)可提供1°的角度精確度和15位的分辨率，在室溫下可實現(xiàn)0.6°的精確度。此外，通過測量和對測量數(shù)據(jù)進行綜合性處理，TLE5012B還可考量內(nèi)部時延長。也就是說，該傳感器知道轉(zhuǎn)速，可獨立地將測量數(shù)據(jù)生成期間旋轉(zhuǎn)的角度添加至輸出值。此外，TLE5012B 可由用戶選擇接口：SSC、PWM、增量式接口（IIF）、霍爾開關(guān)模式（HSM）和短PWM代碼（SPC）。
圖3：高度集成和精確角度傳感器可執(zhí)行多種信號處理，因此減輕了單片機的負(fù)荷。
結(jié)束語
新型TLE496x 系列霍爾開關(guān)和角度傳感器，是性能強大的傳感器，可應(yīng)用于BLDC電機驅(qū)動。取決于機械布局、空間需求、電機電子裝置的位置以及所需的精確度，從這些傳感器中可選擇適用任何應(yīng)用的理想解決方案。TLE496x 開關(guān)可讓設(shè)計人員設(shè)計出經(jīng)濟、緊湊的產(chǎn)品，而與離散型解決方案（即具有傳感器橋路、霍爾元件、信號放大器和補償軟件）相比，TLE5009具有巨大的節(jié)支潛力，并且無需改變系統(tǒng)概念。具有綜合信號處理功能的高度集成TLE5012B 還能讓單片機無需實現(xiàn)精確的角度計算和復(fù)雜的校準(zhǔn)算法。
鎖相霍爾開關(guān)
新型霍爾開關(guān)TLE4961（鎖相開關(guān)）和TLE 4968（雙極開關(guān)）可在3.0 – 32V的電壓范圍內(nèi)工作。無需額外的外部電阻器，它們能夠耐受高達42V的電壓。它們的磁開關(guān)點（Bop = +/- 1mT）具備極高的靈敏性和可靠性，由于帶有集成式誤差補償電路，它們對于機械應(yīng)力具有極高的耐受性。它們的輸出裝置還具有過壓和過溫保護功能。并且，它們抗靜電能力高（+/- 7kV HBM）。正常速度下的抖動約為0.3μs。額定電力消耗為1.6mA，它們尤其適用于節(jié)能設(shè)計?？商峁┬⌒蚐OT23封裝，它們的占板面積比普通的SC56小22%。它們還可提供含鉛SS0-3封裝。
精確的角度傳感器
角度傳感器基于iGMR技術(shù)。它們可在0° - 360°的方向測量與它們的封裝表面平行的磁場。這種iGMR傳感器具備極其精確的角度分辨率以及快速的信號處理能力和較短的延時/更新時間。這使它們極其適合精確測定高動態(tài)應(yīng)用中的轉(zhuǎn)子位置。TLE5012B可配備不同的接口（由用戶選擇），為實現(xiàn)功能異?？煽康脑O(shè)計創(chuàng)造了條件。為了實現(xiàn)這一目標(biāo)，該設(shè)備還具有先進的自檢、狀態(tài)監(jiān)測功能，以及特殊的架構(gòu)特性，例如兩個集成式惠斯通傳感器橋路每個都有獨立的數(shù)據(jù)通道。
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