新型无刷直流电机控制传感器提高能效降低噪声
发布日期:2023-03-17
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无刷直流（BLDC）电机日益成为电机市场的主力军。尽管采购成本稍高，需要控制电子装置，但和传统有刷电机相比,无刷直流电机具备一些主要优势：高效、耐磨、长使用寿命、设计紧凑、高功率密度、低噪音，同时提高了可靠性。有效的控制需要高性能的反馈传感器，用于感知转子的位置。来自英飞凌的新一代霍尔开关和角度传感器，可提供出色的电机控制功能，并且降低电机的能耗。
无刷直流电机的转子带有一个永磁体，定子带有绕组。不同绕组中电流的方向不再通过机械换向器在电刷上滑动反转（换向），而是通过电子方法反转。
控制定子绕组和电子感知转子的位置，需要精确、灵敏的位置传感器。块换向（例如使用霍尔开关）和（磁）场定向换向具有本质的区别。不同于采用离散开关点的块换向需要感知转子的扇区过渡，高动态负载或精确驱动所采用的场定向换向需要持续获得位置信息，极其精确地了解转子位置。例如，这可以通过采用角度传感器或无传感器方法实现。对于无传感器技术而言，通过感应反向电压的变化计算转子位置，这种算法由于采用单片机和软件算法，增加了成本。此外，这种技术的另外一个缺点是：在转子达到特定的速度之前，不能提供可靠的信息。因此，与有传感器的BLDC电机相比，无传感器BLDC的启动特性较差。
块换向
对于块换向而言，通常由安装在电机中的三个霍尔传感器（即每个定子绕组一个传感器）提供转子位置反馈。双极控制磁铁和相位差120°的霍尔传感器在每次旋转时可提供六个不同的开关组合（图1）。根据传感器提供的信息，在六个不同的控制阶段启动三个部分绕组。电流和电压的变化曲线呈块状。传感器的输出信号提供了数字图像，这可用较少的逻辑运算控制绕组。因此无需使用复杂的算法进行控制。在最简单的应用中，无需单片机即可实现块换向。因此，该技术的优势是使用相对简单和低成本的电子装置、精确度高、可对启动进行控制和启动扭矩高。英飞凌全新推出的TLE4961 或 TLE4968霍尔开关，可通过精确的磁开关点实现高效的BLDC电机块换向，精确感知转子位置。
图1：带有霍尔开关的BLDC电机，可进行块换向
精确的霍尔开关
如前所述，对于块换向而言，三个霍尔开关位于转子四周，彼此的相位偏移量为120°。它们能够识别南、北极，相应地提供逻辑为0或逻辑为1的输出电压。转子的位置可根据所有三个霍尔开关的逻辑状态在60°的扇区内测定。根据这种信息，转子的绕组进行相应切换。为了实现这种操作，传感器必须能够精确地探测转子的位置。理想情况下，传感器应能够提供独立于转矩的换向信号。传感器的一个决定性标准是它们切换的相位保真度，否则在绕组和转子位置之间切换时将发生相位偏移。相位偏移能够导致更大的转矩波动，产生更大的噪声和增加能耗。
但是，由于制造的影响，每个传感器都规定了磁开关点容差。由于温度的升高，BLDC电机中的永磁体的磁场强度有所降低。机械应力和温度的波动将产生漂移影响。为了实现精确的霍尔传感器开关，这些影响必须得到补偿。
磁场开关阈值的温度补偿电路，开关阈值可根据温度进行调整，该传感器能够补偿磁铁的温度相关的场强变化。霍尔元件的“旋转霍尔探头”结构能够大大减少开关阈值的偏移，从而提高开关的整体稳定性。由于具备这种信号处理功能，测量和切换输出信号之间的时间略增，但是这种延时是恒定的，保持时间取决于块换向的速度。
这种带有集成式补偿电路的新型霍尔芯片具备稳定的温度特性，从而减轻了技术变化的影响。主动误差补偿（一种旋转霍尔探头技术）可以补偿信号路径偏移和霍尔元件机械应力的影响。并且，霍尔开关还具有非常低的抖动（<0.3μs）。输出晶体管还具有过流和过温保护功能。
场定向换向
块换向的确存在概念相关的缺点。由于分为6个扇区，绕组在60°旋转期间不断开关（即只有在最大能效时才能产生力和磁力线，在短时间内彼此保持90°）。在转换点之前，力和磁力线矢量仅在60°时相关，在这种情况下能效降至87%。
定子产生的磁场改善了这种情况，定子旋转的速度与转子完全相同：彼此的力和磁力线完全平行。这是由于绕组不再采用基于扇区的方法，而是通过脉冲激励的方法，进行开关，因此在转子的位置不同绕组磁场的总和产生了极佳的永久性总体磁场。最终，绕组产生正弦波电流，这意味着转矩和磁场总是保持平行。这种场定向程序具有很多优势，例如噪声级别极低、转矩非常稳定、能够实现变速励磁等。但是，其前提是能够极其精确地测定转子位置，而这单凭霍尔开关是不能实现的，还需要精确的角度传感器。
精确的角度传感器
对于场定向换向而言，角度传感器必须在产品的整个寿命周期内，无论温度和转速如何，都能精确测定磁铁的位置。TLE5009/TLE5012B 系列角度传感器能够快速更新测量数据，并且延时很短，因此提高了效率——甚至在高转速和负荷变化的情况下。
这种高精确的角度传感器位于转子轴端的前方。距离电机轴承最近的转子轴端安装了一个外径磁铁。该角度传感器可以可靠探测该磁场的旋转。
图2：角度传感器的应用示例
新型角度传感器基于创新型iGMR （集成巨磁电阻）技术。通过提供放大的模拟接口，大大提高了成本效益，而高度集成和多功能的具有很强的数据处理功能，提供几个可供选择的数字接口。
短时延和高信号分辨率的新标杆。它在整个操作范围内可提供1°的角度精确度和15位的分辨率，在室温下可实现0.6°的精确度。此外，通过测量和对测量数据进行综合性处理，TLE5012B还可考量内部时延长。也就是说，该传感器知道转速，可独立地将测量数据生成期间旋转的角度添加至输出值。此外，TLE5012B 可由用户选择接口：SSC、PWM、增量式接口（IIF）、霍尔开关模式（HSM）和短PWM代码（SPC）。
图3：高度集成和精确角度传感器可执行多种信号处理，因此减轻了单片机的负荷。
结束语
新型TLE496x 系列霍尔开关和角度传感器，是性能强大的传感器，可应用于BLDC电机驱动。取决于机械布局、空间需求、电机电子装置的位置以及所需的精确度，从这些传感器中可选择适用任何应用的理想解决方案。TLE496x 开关可让设计人员设计出经济、紧凑的产品，而与离散型解决方案（即具有传感器桥路、霍尔元件、信号放大器和补偿软件）相比，TLE5009具有巨大的节支潜力，并且无需改变系统概念。具有综合信号处理功能的高度集成TLE5012B 还能让单片机无需实现精确的角度计算和复杂的校准算法。
锁相霍尔开关
新型霍尔开关TLE4961（锁相开关）和TLE 4968（双极开关）可在3.0 – 32V的电压范围内工作。无需额外的外部电阻器，它们能够耐受高达42V的电压。它们的磁开关点（Bop = +/- 1mT）具备极高的灵敏性和可靠性，由于带有集成式误差补偿电路，它们对于机械应力具有极高的耐受性。它们的输出装置还具有过压和过温保护功能。并且，它们抗静电能力高（+/- 7kV HBM）。正常速度下的抖动约为0.3μs。额定电力消耗为1.6mA，它们尤其适用于节能设计。可提供小型SOT23封装，它们的占板面积比普通的SC56小22%。它们还可提供含铅SS0-3封装。
精确的角度传感器
角度传感器基于iGMR技术。它们可在0° - 360°的方向测量与它们的封装表面平行的磁场。这种iGMR传感器具备极其精确的角度分辨率以及快速的信号处理能力和较短的延时/更新时间。这使它们极其适合精确测定高动态应用中的转子位置。TLE5012B可配备不同的接口（由用户选择），为实现功能异常可靠的设计创造了条件。为了实现这一目标，该设备还具有先进的自检、状态监测功能，以及特殊的架构特性，例如两个集成式惠斯通传感器桥路每个都有独立的数据通道。
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