新型傳感器提升電動(dòng)機(jī)性能并降低功耗
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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(guò)去，有一個(gè)對(duì)磁性位置傳感器不利的趨勢(shì)：新型無(wú)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)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(wú)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，新一代產(chǎn)品已經(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(wú)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(guò)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(lái)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(guò)固定線圈控制電流的系統(tǒng)(見(jiàn)圖1)，產(chǎn)生一個(gè)垂直磁場(chǎng)。
圖1：一個(gè)無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)需要通過(guò)磁性位置傳感器(通常用于汽車領(lǐng)域)或光學(xué)位置
Fig. 2: A PMSM draws on a similar feedback loop to a BLDC motor's.
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)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(jiàn)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
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
評(píng)論