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感測器/MEMS  

新型定位感測器提升馬達性能

上網時間: 2014年12月05日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:BLDC  PMSM  霍爾感測器  ECU  感測器 

作者:Roland Einspieler,ams磁定位感測器產品經理

電動馬達採用各種不同的定位感測方式,例如光學編碼器由於具備高精確度以及易受微控制器(MCU)控制的標準化ABI輸出,受到馬達控制系統設計者長久以來的青睞。但非接觸式磁定位感測器如今正改變一切。

由於種種原因,非接觸式磁定位感測器現在成為更好的選擇。由於磁定位感測器的尺寸更小,能夠免於灰塵、油脂、水氣等污染物影響,因而有利於對尺寸和/或可靠性有更高要求的應用。然而,傳統磁定位感測器以往在馬達設計方面也存在一個缺點:準確度。

新型無刷直流(BLDC)馬達一般都具有高效率的目標,以減少功耗。與此同時,設計者被賦予了增加全新馬達力矩的任務,因為這可實現馬達的低轉速作業,以支援直接驅動系統。最終將不必再使用變速器,從而大幅降低了物料成本。

要使力矩和效率達到最大化,BLDC馬達在高轉速下必須擁有一個極其精確的馬達旋轉角度資料,這是利用傳統磁感測器所難以取得的。現在,感測器設計的一大突破是實現可擷取幾乎完美角度量測(即使是在高轉速時)的新一代裝置產品。

如何實現角度測量

BLDC馬達包含一個旋轉的永磁(轉子)以及三個或更多個等距的固定線圈(定子)。透過控制定子線圈中的電流,能夠形成一個任意方向和大小的磁場。力矩源於轉軸上執行的轉子和定子線圈之間的引力和斥力。當定子線圈磁場與轉子磁場相互垂直時,力矩達到最大值。所測量的轉子角度反饋至透過定子線圈控制電流的系統(見圖1),產生一個垂直磁場。

BLDC馬達控制系統需要透過磁定位感測器或光學定位感測器擷取測量轉子角度移動的閉合反饋迴路
圖1:BLDC馬達控制系統需要透過磁定位感測器(通常用於汽車領域)或光學定位感測器(通常用於工業領域)擷取一個測量轉子角度移動的閉合反饋迴路。

在多數高階應用中,BLDC馬達正被永磁同步馬達(PMSM)所取代。PMSM可取代BLDC馬達中受轉矩脈動影響的模組變換機制,並且在線圈之間自在切換,從而減少振動以及取得更高的效率。

PMSM能夠實現類似於BLDC馬達的反饋迴路
圖2:PMSM能夠實現類似於BLDC馬達的反饋迴路。

當然,儘管工業和汽車馬達設計通常必須在效率和可靠性方面實現最佳化,其他許多馬達最注重的還是成本,尤其是消費產品領域的馬達。對於簡單的馬達來說,霍爾開關陣列提供了合適的定位測量方法,也能產生適當的力矩,使作業變得流暢。但是霍爾開關陣列的精確度和準確度經常無法達到高性能馬達對於力矩和效率的要求。

相反地,磁定位感測器(將半導體與霍爾感測器整合於矽晶中)能夠產生高精確度、高解析度的位置資料。它能夠對靜止狀態或低轉速下的轉軸進行精確的測量。相較於工業應用中常見的光學編碼器,磁定位感測器不受污染物的影響,且佔用空間很小。

然而,大多數霍爾感測器IC有兩大缺陷:傳輸延遲導致在高轉速時的動態角度誤差;以及在雜散磁場環境下需要保護措施

這些缺陷會增加系統成本,並損害系統性能。動態角度誤差補償需要高性能的處理能力,對雜散磁場中的IC進行更多保護也會增加硬體的物料成本。

動態角度誤差的原因

霍爾感測器IC可連續地抽樣讀取轉軸上磁鐵的磁場強度。IC被安裝在一個固定的位置,其表面平行於旋轉磁鐵的表面,在IC和磁鐵之間通常有1-2mm的空隙。

該IC中包含一個訊號調節與處理電路,可將測量出的磁場強度換算為轉子的角度移動(以度計)。這一轉換所需的時間就是IC固定的傳輸延遲(見圖3)。不同的IC延遲持續時間不等,但目前市場上的IC傳輸延遲通常在10us到400us之間。

磁定位感測器中的訊號處理導致傳輸延遲
圖3:磁定位感測器中的訊號處理導致傳輸延遲

傳輸延遲的問題在轉子轉動時導致了動態角度誤差。動態角度誤差會隨著速度呈線性成長;傳輸延遲和速度越高,動態角度誤差就越大。(見圖4)。

動態角度誤差和轉速之間的線性關係
圖4:動態角度誤差和轉速之間的線性關係

圖5顯示動態角度誤差的增加。假設IC在轉子處於紅線位置時讀取磁場強度,且在轉子轉動時的傳輸延遲為100us。而當IC將磁場強度轉換為角度計算時,轉子用100us的時間轉到了藍線位置,但IC向馬達控制ECU或MCU顯示轉子仍在紅線位置。

在沒有誤差補償的情況下,變換機制中的電流施加在為紅線位置最佳化的定子線圈中,而非藍色位置,結果導致系統無法將力矩最大化,因而浪費能量以及降低系統效率。如果IC的傳輸延遲是100us,馬達的轉速為每秒1,000轉(rpm),那麼動態角度誤差為1.2度。如果轉子的轉速增加至10,000rpm,動態角度誤差就增加至12度。

傳輸延遲是所有磁定位感測器的特點,因此系統設計工程師試圖以補償演算法來減少動態角度誤差。遺憾的是,每秒幾千次資料樣本的補償會對主機ECU造成嚴重的負擔,甚至需要額外增加一個專用的誤差補償MCU。但設計團隊基本上並不希望增加物料成本,也不想花費太多時間來開發、測試和修正其補償演算法。

傳輸延遲增加動態角度誤差
圖5:傳輸延遲增加動態角度誤差

新型感測器減少動態角度誤差

如前所述,磁定位感測器的傳輸延遲是固定的,而動態角度誤差的值取決於傳輸延遲的時間和轉速。現在,奧地利微電子(ams)已經開發出一種可內建於磁感測器中的全新補償機制。

這種內部補償技術稱為‘動態角度誤差補償’(DAEC) ,能夠有效減少汽車定位感測器AS5147的傳輸延遲誤差至僅1.9us。這意味著AS5147在14,500轉每秒的轉速下,動態角度誤差僅為0.17度,幾乎可以忽略不計。

整合補償機制的感測器輸出以及未整合補償機制的感測器輸出
圖6:整合補償機制的感測器輸出(左)以及未整合補償機制的感測器輸出(右)

圖7顯示AS5147(左)與傳統磁定位感測器(右)所測量的輸出差異,並以精確的光學編碼器輸出作為參考。右圖顯示感測器輸出受到200us傳輸延遲的影響,在14,500rpm的轉速下產生的動態角度誤差為18度。

相反地,AS5147的誤差幾乎可以忽略不計,也就是說它的訊號能讓變換控制器直接使用,而無需外部補償。事實上,具有DAEC技術的內部補償產生的動態角度誤差可能比外部補償更小,因為ECU和MCU中常常發生取樣誤差。當然,感測器中的內部補償還可降低系統成本,原因是無需額外的MCU執行誤差補償,或可使用更小功率的ECU。

分散式動態角度誤差補償法與整合式動態角度誤差補償法
圖7:左圖顯示傳統的分散式動態角度誤差補償法。右圖顯示新的整合式動態角度誤差補償法。

抗雜散磁場干擾

許多磁定位感測器的另一個缺點是容易受到雜散磁場的干擾。轉子磁鐵以外的磁場干擾隨時會破壞IC的角度測量,而這種隨機的錯誤無法透過主機ECU或MCU來補救。因此,使用者必須為IC採取保護措施,因而增加了物料成本和裝配成本,還可能在空間有限的應用中影響機械設計。

根據ISO 26262汽車功能安全標準,抗雜散磁場干擾已經成為馬達系統設計的強制性要求了。‘差分感測’技術已被應用於ams的所有磁定位感測器中,包括47系列,使感測器的抗雜散磁場干擾最高值可達到25,000A/m。一旦低於該臨界值,就無需採取保護措施了。

結語

DAEC技術可使BLDC馬達和PMSM製造商利用極其精確的定位資料,使高轉速應用中的轉矩達到最大化,同時利用磁定位感測器縮小馬達的尺寸,提高可靠性。

DAEC技術現已導入汽車磁定位感測器以支援BLDC馬達在汽車領域的應用,如動力方向盤(EPS)、傳動裝置(變速箱、致動器)、泵以及煞車系統。DAEC技術也已投入工業應用,提供十進位的ABI輸出,可作為取代光學編碼器的理想選擇。





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