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新型传感器提升电动机性能并降低功耗

上网日期: 2014年12月09日 ?? 作者: Roland Einspieler ?? 我来评论 字号:放大 | 缩小 分享到:sina weibo tencent weibo tencent weibo


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关键字:BLDC? PMSM? 霍尔传感器? ECU?

现如今的电动机位置传感方式多种多样,光学编码器因其高精确度和易受微控制器控制的标准化“ABI”输出而倍受电机控制系统设计者的青睐。

但由于多种原因,非接触式磁性位置传感器现在成为了更好的选择。由于磁性位置传感器的尺寸更小,能够抵御灰尘、油脂、水汽等污染物,因而能够作用于对尺寸和/或可靠性有更高要求的应用。

在过去,有一个对磁性位置传感器不利的趋势:新型无刷直流(BLDC)电动机在总体上有高效率目标,以减少功耗。与此同时,设计者被赋予了增加新电机力矩的任务,实现电机的低转速运行,以支持直接驱动系统。最终,变速器将不再是必需品,这就大大降低了物料成本。

要使得力矩和效率达到最大化,无刷直流电动机在高转速下就必须有一个极其精确的发动机旋转角度数据——利用传统的磁性传感器是很难得到的。现在,新一代产品已经实现了传感器设计的一大突破,它们能够几乎完全精确地测量高转速下的旋转角度。

如何实现角度测量

一个无刷直流电动机包含了一个永磁电动机(转子)和三个或三个以上等距的固定线圈(定子)。通过控制固定线圈中的电流能够形成一个任意方向和大小的磁场。力矩来源于转轴上运行的转子和固定线圈之间的引力和斥力。

当固定线圈磁场与转子磁场相互垂直时,力矩达到最大值。所测量的转子角度反馈到通过固定线圈控制电流的系统(见图1),产生一个垂直磁场。

新型传感器提升电动机性能并降低功耗(电子工程专辑)
图1:一个无刷直流电机控制系统需要通过磁性位置传感器(通常用于汽车领域)或光学位置

在多数高端应用中,无刷直流电动机正在被永磁同步电动机(PMSM)所取代。永磁同步电动机代替了无刷直流电动机中受转矩脉动影响的模块换相方案,而且能在线圈之间自如切换,减少振动,获得更高的效率。

当然,尽管工业和汽车电动机设计的效率和可靠性必须经常得到优化,许多其他电动机,尤其是消费产品领域的电动机还是最注重成本。对于简单的电动机来说,霍尔开关阵列提供了合适的位置测量方法,也能产生适当的力矩,使操作变得流畅。

但是霍尔开关阵列的精确度和准确度常常达不到高性能发动机对力矩和利用率的要求。相反地,磁性编码器(将霍尔传感器集成到硅芯片中的一个半导体)能够产生高精确度、高分辨率的位置数据。它能够对静止状态或低转速下的转轴进行精确的测量。与工业应用常用的光学编码器不同,磁性位置传感器不会受到污染物的影响,且占用空间很小。

另一方面,大多数霍尔传感器芯片有两大缺陷:传输延迟导致的高转速下动态角度误差;在杂散磁场环境下需要屏蔽措施。

这些缺陷会增加系统成本,削弱系统性能。动态角度误差补偿需要很强的处理能力,对杂散磁场中的IC进行额外的保护也会增加硬件的物料成本。

第二页:动态角度误差的起因

第三页:新型传感 器减少动态角度误差


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