磁性傳感器實現(xiàn)電機控制位置反饋
發(fā)布時間:2019-02-13 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】本文重點介紹基于霍爾效應(yīng)開關(guān)的主要反饋系統(tǒng),提供關(guān)于一般工作原理和傳感器要求的說明,展示了英飛凌 BLDC 應(yīng)用專用霍爾效應(yīng)開關(guān)。
圖 1 顯示了霍爾效應(yīng)開關(guān)反饋的最簡單的應(yīng)用示例。三個霍爾傳感器被 120°相角隔開,通過轉(zhuǎn)子磁體觸發(fā)。這些傳感器每 60°獲得一個新的數(shù)字狀態(tài),并據(jù)此產(chǎn)生圖 2 所示的開關(guān)樣式。因此,可以知曉轉(zhuǎn)子位置,分辨率為 60°;若將霍爾傳感器放置在合適的位置,就可以令信號轉(zhuǎn)換與線圈勵磁理想換向點精確匹配。 在這個包絡(luò)內(nèi),可以使用任意恒定的或脈寬調(diào)制 (PWM) 驅(qū)動信號為線圈供電,驅(qū)動電機運轉(zhuǎn)。
圖 1內(nèi)部轉(zhuǎn)子 BLDC 電機
圖 2霍爾開關(guān) S1 至 S3 在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周過程中的開關(guān)模式
在許多無刷直流電機中,霍爾傳感器直接檢測轉(zhuǎn)子磁體的磁場。其結(jié)果是,傳感器安裝在電機內(nèi)部,暴露在高溫和振動中,缺乏密封保護,氣體和液體可能對部件造成影響。此外,安裝新的傳感器,尤其是更換故障部件是非常細致的工作,費用很高。有些電機在軸上加裝一個磁環(huán),通過這個磁環(huán)來觸發(fā)霍爾開關(guān),從而允許霍爾開關(guān)遠離加熱部件。圖 3 顯示的就是這類應(yīng)用示例。這個解決方案的好處是溫度更低、更便于接觸并且提高了設(shè)計的靈活性,但這些優(yōu)勢也是有代價的:增加了加裝磁碼盤的費用。在這類設(shè)計中,霍爾開關(guān)模式中的角度傳感器別具吸引力。
圖 3BLDC 電機,帶外部霍爾開關(guān)磁體
1、傳感器類型
霍爾效應(yīng)開關(guān)在兩種邏輯狀態(tài)之間切換,這兩個開關(guān)點之間有一定的滯后。人們通常將這類器件分成兩個大類:單極開關(guān),雙極鎖存。 這里不考慮全極開關(guān)和雙極開關(guān)。
圖 4單極開關(guān)與雙極開關(guān)
單極開關(guān)
圖 4 介紹了單極開關(guān)的工作原理。當(dāng)外加磁場穿過工作點 BOP 時,器件輸出開啟。若磁場被釋放,在 Brp 達到零場之前,器件切換回關(guān)閉狀態(tài)。通過一些滯后 Bhys 來避免兩種狀態(tài)之間發(fā)生瞬態(tài)快速切換事件。
雙極鎖存器
與單極開關(guān)相似,雙極鎖存器也在磁場穿過 Bop 后開啟。不過,釋放磁場之后,雙極鎖存器即使在零場中也會保持其狀態(tài)。只有當(dāng)極性反轉(zhuǎn)的磁場通過 Brp 后,器件才會返回到關(guān)閉狀態(tài),如圖 4 所示。因此這些器件名副其實,能夠有效地鎖存其狀態(tài)。
1、霍爾效應(yīng)開關(guān)的要求
接下來,讓我們來看一些關(guān)于 BLDC 電機換向用霍爾效應(yīng)開關(guān)的具體要求:
單極與雙極
傳感器的任務(wù)是準(zhǔn)確地檢測轉(zhuǎn)子的位置。理想的情況是,轉(zhuǎn)子位置每次正好改變 60°時傳感器就提供一個換向信號,不考慮電機速度和施加的扭矩,每個傳感器每 180°切換一次輸出。圖 5 顯示了一個傳統(tǒng)的單極開關(guān)和兩個不同的雙極鎖存器的行為。可以看出,單極開關(guān)會帶來不平衡的占空比,而雙極鎖存器在 Bop 和 Brp 絕對值相等時,占空比正好為 50%。靈敏度越高,延遲就越小,這就是首選接近 0mT 的開關(guān)點的原因。因此,高靈敏度的雙極鎖存器是這個應(yīng)用的最佳選擇。
圖 5不同霍爾開關(guān)的開關(guān)圖。高靈敏度的雙極鎖存器延遲最低,占空比平衡
開關(guān)點精度
很遺憾,由于半導(dǎo)體制造過程中有過程差異,所以無法創(chuàng)造出相同的傳感器。每個傳感器都有其個性,并且事實證明,磁開關(guān)點是一個嚴(yán)重受工藝差異影響的參數(shù)。此外,環(huán)境的影響,例如因二次成型或濕度導(dǎo)致的機械應(yīng)力等,也會導(dǎo)致開關(guān)點在器件壽命期間發(fā)生偏移。為了減少這些影響,一些霍爾效應(yīng)開關(guān)采用斬波原理,通過一個巧妙的方法來消除霍爾探頭和輸入放大器級的偏移。此技術(shù)允許用戶在僅具有小差異的狹窄窗口內(nèi)指定開關(guān)點。由此帶來的機械應(yīng)力高抗性能也是 TLE49x6 系列的另一大優(yōu)勢。
圖7是顯示了有不同開關(guān)點差異的兩個雙極鎖存器之間的對比情況。可以看出,在最壞的情況下,如果Bop和Brp正好在指定開關(guān)點范圍的任一端上,占空比可能很不平衡。 部分器件采用上述斬波原理,開關(guān)點的差異更小,因此對占空比的影響非常小,旋轉(zhuǎn)一整周過程中電機可以實現(xiàn)平衡致動。
圖 6開關(guān)點差異對占空比的影響較小的差異可以帶來平衡的占空比
延遲
磁場過零點后立刻換向,不應(yīng)傳感器內(nèi)部處理而被延遲。英飛凌的霍爾開關(guān)是基于一個輸入與輸出只有微小延遲的快速信號路徑。
抖動
開關(guān)樣式的重復(fù)性是電機換向應(yīng)用的另一個重要標(biāo)準(zhǔn)。用抖動參數(shù)來識別常規(guī)操作過程中開關(guān)點的變化幅度有多大。
圖 7固定式開關(guān)點與溫度補償式開關(guān)點
2、霍爾開關(guān)模式的角度傳感器
針對可以使用如圖 3 所示外部霍爾磁體的應(yīng)用,有只要一個傳感器就可以創(chuàng)建霍爾效應(yīng)開關(guān)的開關(guān)模式,基于獲諾貝爾獎的巨磁阻 (GMR) 效應(yīng)原理,將標(biāo)準(zhǔn)硅處理工藝融入其成功的 iGMR 技術(shù)中。如圖 8 顯示,在電機軸上安裝一個簡單的圓柱形磁體,用于創(chuàng)建通過2、3、4、6、7、8、12 和16 個極對驅(qū)動轉(zhuǎn)子所需的開關(guān)模式。憑借自動校準(zhǔn)算法,在溫度范圍和工作壽命期間可以獲得小于 1°的角度誤差(機械),其開關(guān)模式通??梢员茸罹_的霍爾開關(guān)提供的開關(guān)模式更準(zhǔn)確。
對一些要求更高轉(zhuǎn)矩平滑性的電機來說,只使用在大多數(shù)無刷直流電機中采用的塊換向是不夠的,它們需要使用特殊的繞組設(shè)計和適配的驅(qū)動算法來同步驅(qū)動電機。這些永磁同步電機 (PMSM) 通常需要更精確的反饋。
圖 8安裝霍爾傳感器,軸上有一塊徑向磁體
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