新型無(wú)刷直流電機控制傳感器提高能效降低噪聲

無(wú)刷直流(BLDC)電機日益成為電機市場(chǎng)的主力軍。盡管采購成本稍高，需要控制電子裝置，但和傳統有刷電機相比,無(wú)刷直流電機具備一些主要優(yōu)勢：高效、耐磨、長(cháng)使用壽命、設計緊湊、高功率密度、低噪音，同時(shí)提高了可靠性。有效的控制需要高性能的反饋傳感器，用于感知轉子的位置。來(lái)自英飛凌的新一代霍爾開(kāi)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(wú)刷直流電機的轉子帶有一個(gè)永磁體，定子帶有繞組。不同繞組中電流的方向不再通過(guò)機械換向器在電刷上滑動(dòng)反轉(換向)，而是通過(guò)電子方法反轉。

控制定子繞組和電子感知轉子的位置，需要精確、靈敏的位置傳感器。塊換向(例如使用霍爾開(kāi)關(guān))和(磁)場(chǎng)定向換向具有本質(zhì)的區別。不同于采用離散開(kāi)關(guān)點(diǎn)的塊換向需要感知轉子的扇區過(guò)渡，高動(dòng)態(tài)負載或精確驅動(dòng)所采用的場(chǎng)定向換向需要持續獲得位置信息，極其精確地了解轉子位置。例如，這可以通過(guò)采用角度傳感器或無(wú)傳感器方法實(shí)現。對于無(wú)傳感器技術(shù)而言，通過(guò)感應反向電壓的變化計算轉子位置，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(gè)缺點(diǎn)是：在轉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(wú)傳感器BLDC的啟動(dòng)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(gè)霍爾傳感器(即每個(gè)定子繞組一個(gè)傳感器)提供轉子位置反饋。雙極控制磁鐵和相位差120°的霍爾傳感器在每次旋轉時(shí)可提供六個(gè)不同的開(kāi)關(guān)組合(圖1)。根據傳感器提供的信息，在六個(gè)不同的控制階段啟動(dòng)三個(gè)部分繞組。電流和電壓的變化曲線(xiàn)呈塊狀。傳感器的輸出信號提供了數字圖像，這可用較少的邏輯運算控制繞組。因此無(wú)需使用復雜的算法進(jìn)行控制。在最簡(jiǎn)單的應用中，無(wú)需單片機即可實(shí)現塊換向。因此，該技術(shù)的優(yōu)勢是使用相對簡(jiǎn)單和低成本的電子裝置、精確度高、可對啟動(dòng)進(jìn)行控制和啟動(dòng)扭矩高。英飛凌全新推出的TLE4961 或 TLE4968霍爾開(kāi)關(guān)，可通過(guò)精確的磁開(kāi)關(guān)點(diǎn)實(shí)現高效的BLDC電機塊換向，精確感知轉子位置。

圖1：帶有霍爾開(kāi)關(guān)的BLDC電機，可進(jìn)行塊換向

精確的霍爾開(kāi)關(guān)

如前所述，對于塊換向而言，三個(gè)霍爾開(kāi)關(guān)位于轉子四周，彼此的相位偏移量為120°。它們能夠識別南、北極，相應地提供邏輯為0或邏輯為1的輸出電壓。轉子的位置可根據所有三個(gè)霍爾開(kāi)關(guān)的邏輯狀態(tài)在60°的扇區內測定。根據這種信息，轉子的繞組進(jìn)行相應切換。為了實(shí)現這種操作，傳感器必須能夠精確地探測轉子的位置。理想情況下，傳感器應能夠提供獨立于轉矩的換向信號。傳感器的一個(gè)決定性標準是它們切換的相位保真度，否則在繞組和轉子位置之間切換時(shí)將發(fā)生相位偏移。相位偏移能夠導致更大的轉矩波動(dòng)，產(chǎn)生更大的噪聲和增加能耗。

但是，由于制造的影響，每個(gè)傳感器都規定了磁開(kāi)關(guān)點(diǎn)容差。由于溫度的升高，BLDC電機中的永磁體的磁場(chǎng)強度有所降低。機械應力和溫度的波動(dòng)將產(chǎn)生漂移影響。為了實(shí)現精確的霍爾傳感器開(kāi)關(guān)，這些影響必須得到補償。

TLE4946和新型TLE4961和TLE4968霍爾開(kāi)關(guān)具有非常好的相位保真度(圖2)。該傳感器集成了磁場(chǎng)開(kāi)關(guān)閾值的溫度補償電路，開(kāi)關(guān)閾值可根據溫度進(jìn)行調整，該傳感器能夠補償磁鐵的溫度相關(guān)的場(chǎng)強變化?；魻栐?amp;ldquo;旋轉霍爾探頭”結構能夠大大減少開(kāi)關(guān)閾值的偏移，從而提高開(kāi)關(guān)的整體穩定性。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(shí)間略增，但是這種延時(shí)是恒定的，保持時(shí)間取決于塊換向的速度。圖3a和3b顯示相位漂移的延遲時(shí)間和兩個(gè)傳感器之間漂移的開(kāi)關(guān)閾值的總和：左側為T(mén)LE4961-1 (旋轉霍爾探頭設計)和右側為競爭對手的同類(lèi)產(chǎn)品(非旋轉霍爾探頭設計)的開(kāi)關(guān)閾值漂移。偏移對于相位保真的主要影響十分明顯：TLE4961-1 的相位誤差遠遠小于競爭對手同類(lèi)產(chǎn)品。

圖2：新型TLE4961 和 TLE4968 霍爾開(kāi)關(guān)，采用緊湊的SOT-23封裝，具備出色的相位保真度等高級特性

圖3：旋轉霍爾探頭霍爾開(kāi)關(guān)和非旋轉霍爾探頭霍爾開(kāi)關(guān)相位差比較

這種帶有集成式補償電路的新型霍爾芯片具備穩定的溫度特性，從而減輕了技術(shù)變化的影響。主動(dòng)誤差補償(一種旋轉霍爾探頭技術(shù))可以補償信號路徑偏移和霍爾元件機械應力的影響。并且，霍爾開(kāi)關(guān)還具有非常低的抖動(dòng)(0.3μs)。輸出晶體管還具有過(guò)流和過(guò)溫保護功能。

場(chǎng)定向換向

塊換向的確存在概念相關(guān)的缺點(diǎn)。由于分為6個(gè)扇區，繞組在60°旋轉期間不斷開(kāi)關(guān)(即只有在最大能效時(shí)才能產(chǎn)生力和磁力線(xiàn)，在短時(shí)間內彼此保持90°)。在轉換點(diǎn)之前，力和磁力線(xiàn)矢量?jì)H在60°時(shí)相關(guān)，在這種情況下能效降至87%。

定子產(chǎn)生的磁場(chǎng)改善了這種情況，定子旋轉的速度與轉子完全相同：彼此的力和磁力線(xiàn)完全平行。這是由于繞組不再采用基于扇區的方法，而是通過(guò)脈沖激勵的方法，進(jìn)行開(kāi)關(guān)，因此在轉子的位置不同繞組磁場(chǎng)的總和產(chǎn)生了極佳的永久性總體磁場(chǎng)。最終，繞組產(chǎn)生正弦波電流，這意味著(zhù)轉矩和磁場(chǎng)總是保持平行。這種場(chǎng)定向程序具有很多優(yōu)勢，例如噪聲級別極低、轉矩非常穩定、能夠實(shí)現變速勵磁等。但是，其前提是能夠極其精確地測定轉子位置，而這單憑霍爾開(kāi)關(guān)是不能實(shí)現的，還需要精確的角度傳感器。

精確的角度傳感器

對于場(chǎng)定向換向而言，角度傳感器必須在產(chǎn)品的整個(gè)壽命周期內，無(wú)論溫度和轉速如何，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據，并且延時(shí)很短，因此提高了效率——甚至在高轉速和負荷變化的情況下。

這種高精確的角度傳感器位于轉子軸端的前方(圖4)。距離電機軸承最近的轉子軸端安裝了一個(gè)外徑磁鐵。該角度傳感器可以可靠探測該磁場(chǎng)的旋轉。

圖4：TLE5012B 角度傳感器的應用示例

新型TLE5009 和 TLE5012B 角度傳感器基于英飛凌的創(chuàng )新型iGMR (集成巨磁電阻)技術(shù)。通過(guò)提供放大的模擬接口，TLE5009大大提高了成本效益，而高度集成和多功能的TLE5012B 具有很強的數據處理功能，提供幾個(gè)可供選擇的數字接口。

TLE5012B (圖5)設立了短時(shí)延和高信號分辨率的新標桿。它在整個(gè)操作范圍內可提供1°的角度精確度和15位的分辨率，在室溫下可實(shí)現0.6°的精確度。此外，通過(guò)測量和對測量數據進(jìn)行綜合性處理，TLE5012B還可考量?jì)炔繒r(shí)延長(cháng)。也就是說(shuō)，該傳感器知道轉速，可獨立地將測量數據生成期間旋轉的角度添加至輸出值。此外，TLE5012B 可由用戶(hù)選擇接口：SSC、PWM、增量式接口(IIF)、霍爾開(kāi)關(guān)模式(HSM)和短PWM代碼(SPC)。

圖5：高度集成和精確的TLE5012B 角度傳感器可執行多種信號處理，因此減輕了單片機的負荷。

結束語(yǔ)

新型TLE496x 系列霍爾開(kāi)關(guān)和TLE5009/TLE5012B 角度傳感器，是性能強大的傳感器，可應用于BLDC電機驅動(dòng)。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用的理想解決方案。TLE496x 開(kāi)關(guān)可讓設計人員設計出經(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具有巨大的節支潛力，并且無(wú)需改變系統概念。具有綜合信號處理功能的高度集成TLE5012B 還能讓單片機無(wú)需實(shí)現精確的角度計算和復雜的校準算法。

鎖相霍爾開(kāi)關(guān)

新型霍爾開(kāi)關(guān)TLE4961(鎖相開(kāi)關(guān))和TLE 4968(雙極開(kāi)關(guān))可在3.0 – 32V的電壓范圍內工作。無(wú)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(kāi)關(guān)點(diǎn)(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，它們對于機械應力具有極高的耐受性。它們的輸出裝置還具有過(guò)壓和過(guò)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(dòng)約為0.3μs。額定電力消耗為1.6mA，它們尤其適用于節能設計?？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

英飛凌的TLE 5009 和 TLE5012B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(chǎng)。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(shí)/更新時(shí)間。這使它們極其適合精確測定高動(dòng)態(tài)應用中的轉子位置。TLE5012B可配備不同的接口(由用戶(hù)選擇)，為實(shí)現功能異?？煽康脑O計創(chuàng )造了條件。為了實(shí)現這一目標，該設備還具有先進(jìn)的自檢、狀態(tài)監測功能，以及特殊的架構特性，例如兩個(gè)集成式惠斯通傳感器橋路每個(gè)都有獨立的數據通道。