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想搞BLDC电机控制,就必须要懂的角度传感器

2018-12-12
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在终端市场上,利用无刷直流电机(或简称为BLDC)技术取代交流电机或高效率的机械泵已经取得了重大进展。

 

相对于交流电机,使用BLDC的优点包括:更高的功效和热效率、体积较小、性能更可靠。此外,由于BLDC利用电子换向来代替传统的机械换向,使应用速度范围变得更容易控制扭矩和速度参数,也可以实现一些更复杂的控制如维持扭矩或速度极限。正是由于这些优点,BLDC正在进入越来越多现有的和新兴的应用。

BLDC电机控制中的角度传感器


为了实现电机的精确控制和高效换向,高分辨率电流和旋转位置信息至关重要。一般旋转器的系统设计虽然可达到较高的分辨率和精度,但仍然要考虑实体占用空间大及成本高的问题。无传感器方案可用于检测反电动势电流,还可以降低传感器重量和成本,但由于无法得到有效的位置数据来产生反电动势,电机启动性能可能存在问题。其他解决方案,例如利用三个霍尔效应传感器来检测电机磁铁的位置,通常用于成本敏感的应用中。在这种情况下,虽然实现了分辨率,但必须同时监视三组信号。在空间不足的情况下,传感器的安装也会成为技术上的挑战,这也是另一种潜在的问题

 

另一种方案是使用基于异性磁阻 (Anisotropic Magneto-Resistive,或简称AMR)技术的角度传感器 (Angle Sensor)。 AMR技术是磁感应用的一种,可实现高角度精度,并且可将单个传感元件与电子电路集成在同一封装中。从而实现传感器系统的小型化,并且使得将传感器定位在电机组件内成为可能

AMR 与光学传感技术的比较


与传统光学传感技术比较,AMR技术可提供较小巧的外观、低成本,并且更适合在恶劣环境下工作,例如肮脏及温度变化的工作环境中。表1列举了两者之间的比较,从中可以明显看出在无刷直流电机中使用AMR的优点


传感技术

光电

AMR

例子

光电编码器  

Optical 

Encoders

AMR编码器

AMR

Encoders

检测视线

传感器与光源之间需要清晰的检测视线

传感器与磁场源之间的检测视线清晰度要求较低

检测距离

传感器与光源之间需要保持很贴近的距离 (如約 <1毫米),在震动环境较易影响传感工作表现

传感器与磁场之间可以容忍较远距离(如約4毫米),抗震性能较强

其他

编码器物料,制造及安装要求较高

除了增加成本,也限制了体积的小型化

磁场要求较低,成本较低,体积较细小

表1,光电和AMR传感技术的比较


AMR传感器技术原理

基于AMR原理的传感器的材料电阻率取决于相对于电流方向的磁化方向。AMR传感器是在磁饱和状态下工作,因此外加的磁场的主导了电阻变化。当外磁场和电流方向平行时,电阻最大;而当施加的电场垂直于载流磁感应合金的平面时,电阻最小。1显示了AMR传感器工作原理的简化图


 1,AMR传感器的工作原理


AMR传感器的选择


为了确保电机转动的高精准度,在选择角度传感器时有以下建议 :

  1. 能感应360° 旋转角,可以准确测量绝对角度位置(Absolute Angular Position);

  2. 角度误差率较低;

  3. 拥有线性稳定的误差率,方便让主微控制器     (Microcontroller) 执行偏移校正的计算。

 

Analog Devices公司的ADA4571 系列为例,图2显示了旋转磁场施加在360° 机械旋转情形时ADA4571的典型高输出电平和角度误差。经微控制器进行偏移校正后,典型误差小于0.1°



图2,在360°机械旋转下的ADA4571误差(灰色)和输出波形(橙色/蓝色)


角度传感器的安装


针对大多数BLDC控制系统,根据可用空间大小和电机轴的可接近性,有许多方法来配置和安装传感器。以ADA4571作例,如图3所示是两个较普遍的安装配置。


图3,(a)电机轴端系统配置             (b)电机轴侧系统配置


图3a是典型电机轴端系统,在旋转轴上安装了一个直径磁化盘式磁体,让磁体提供穿过传感器平面的磁场。在这种配置中,可直接读取转子角度,而没有机械和电气组件之间的接触。由于AMR技术不依赖于磁场强度 (Field Strength) ,因此它对于气隙变化(air-gap variation) 有较大容忍度,使得工程师在对材料的选择,以及对磁体物料的机械公差要求上,更为灵活。

 

图3b 是轴侧系统,此配置可用于那些待检测的轴不能在端头安装磁体的应用。在这种配置中,磁体提供磁场,传感器和磁化盘可以安装在轴上的任何位置,使得有空间限制的应用有多一种选择


总结


对于工业和汽车BLDC电机控制系统的设计人员来说,磁感的角度传感器提供了一个小巧、坚固且易于组装的位置传感解决方案。在选择角度传感器时,需要注意以下三个要点:


  1. 能感应360° 旋转角,可以准确测量绝对角度位置(Absolute Angular Position);

  2. 角度误差率较低;

  3. 拥有线性稳定的误差率,以便主微控制器     (Microcontroller) 执行偏移校正的计算。   

 

在安装上,角度传感器也为工程师提供了跟具灵活性的安装方案,包括“轴端系统”配置及“轴侧系统”配置,以应对空间不足的应用场景


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