在某些類別的電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中，用戶對(duì)不可預(yù)測(cè)、不均勻或不規(guī)則的電機(jī)行為幾乎沒有容忍度或根本沒有容忍度。雖然這當(dāng)然不能適用于所有電機(jī)驅(qū)動(dòng)的產(chǎn)品——例如電動(dòng)牙刷或電池供電的玩具，但它們始終密切關(guān)注材料清單 (BoM) 成本，并且?guī)缀蹩偸菚?huì)接受少量不穩(wěn)定的電機(jī)行為作為最小化電機(jī)成本的合理權(quán)衡——其他電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用需要更高水平的操作。

電動(dòng)工具是一種產(chǎn)品類型的例子，其中可靠和可預(yù)測(cè)的電機(jī)性能是絕對(duì)必要的特征?？紤]一下電動(dòng)鋸用戶在啟動(dòng)時(shí)向后跳或產(chǎn)生向前“打嗝”運(yùn)動(dòng)的潛在傷害和/或不安 - 特別是如果他們剛剛在切割中間停止了工具。同樣，市場(chǎng)將很快拒絕在每次使用期間以不同扭矩和/或加速度啟動(dòng)的電鉆或類似電動(dòng)工具。

這種對(duì)性能至關(guān)重要的電機(jī)系統(tǒng)的制造商敏銳地意識(shí)到用戶的需求，并且通常試圖通過使用有刷直流電機(jī)來滿足這些需求，這些電機(jī)提供了在啟動(dòng)和管理時(shí)保持換向和全扭矩的可靠能力負(fù)載變化。然而，與有刷直流電機(jī)相比，它的效率相對(duì)較低，并且由于機(jī)械磨損或化學(xué)污染，刷子在其他組件之前失效的固有趨勢(shì)。

相比之下，無刷直流 (BLDC) 電機(jī)在許多方面都大大優(yōu)于有刷直流電機(jī)：

效率

零電氣磨損

清潔操作

BLDC 電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員面臨的主要挑戰(zhàn)是，當(dāng)換向器被迫在沒有準(zhǔn)確和實(shí)時(shí)的絕對(duì)旋轉(zhuǎn)位置數(shù)據(jù)的情況下運(yùn)行時(shí)，電機(jī)會(huì)出現(xiàn)打嗝以及扭矩和加速度不一致的問題。過去，絕對(duì)位置傳感只能通過極其昂貴的傳感器獲得：適用于大多數(shù)電機(jī)系統(tǒng)制造商的 BoM 預(yù)算的低成本傳感解決方案未能充分滿足這一要求。

因此，在電動(dòng)工具和其他對(duì)性能至關(guān)重要的終端產(chǎn)品中，高效可靠的 BLDC 電機(jī)技術(shù)通常不受青睞。然而，本文建議電動(dòng)工具制造商和其他有類似要求的制造商可以通過利用半導(dǎo)體產(chǎn)品類型（磁性位置傳感器 IC）采用 BLDC 電機(jī)，它與簡(jiǎn)單的磁鐵一起提供絕對(duì)位置數(shù)據(jù)。系統(tǒng)成本低，易于組裝到電機(jī)系統(tǒng)中，并使 BLDC 電機(jī)始終保持最佳換向。

圖 1：為了保持最大扭矩，換向器必須在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)通過定子保持與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)正交的磁場(chǎng)。

用于 BLDC 電機(jī)控制的位置傳感器選擇

BLDC 電機(jī)控制系統(tǒng)必須提供干凈的啟動(dòng)操作、保持連續(xù)換向、實(shí)現(xiàn)盡可能高的效率并從可用電力中提取最大扭矩。實(shí)現(xiàn)所有這些目標(biāo)的關(guān)鍵是了解轉(zhuǎn)子相對(duì)于定子的位置，這些信息使電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員能夠?qū)嵤┓€(wěn)健的電氣驅(qū)動(dòng)管理解決方案（見圖1）。

特別是，絕對(duì)位置數(shù)據(jù)的可用性使電機(jī)能夠從任何位置平穩(wěn)啟動(dòng)。相比之下，使用離散傳感器或其他控制技術(shù)的系統(tǒng)可能會(huì)在啟動(dòng)時(shí)執(zhí)行跳躍或“打嗝”，以便在開始正常運(yùn)行之前計(jì)算其相對(duì)于定子的起始位置。由不準(zhǔn)確的位置數(shù)據(jù)引起的扭矩降低如圖2所示。

遺憾的是，迄今為止 BLDC 電機(jī)設(shè)計(jì)人員可用的最簡(jiǎn)單、最便宜的位置傳感系統(tǒng)無法實(shí)現(xiàn)精確的絕對(duì)定位。

圖 2：四極對(duì)電機(jī)中由于零點(diǎn)偏移導(dǎo)致的轉(zhuǎn)矩降低。

用于換向的反電動(dòng)勢(shì)或反電動(dòng)勢(shì)位置感測(cè)要求電機(jī)處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，以便感應(yīng)出用于感測(cè)的磁場(chǎng)。這意味著反電動(dòng)勢(shì)系統(tǒng)沒有靜態(tài)電機(jī)的位置數(shù)據(jù)，除非它之前已被硬驅(qū)動(dòng)到一個(gè)對(duì)齊點(diǎn)——該操作將導(dǎo)致電機(jī)向前或向后移動(dòng)到這樣一個(gè)對(duì)齊點(diǎn)，獨(dú)立于用戶。并且在失速或卡住之后，必須重復(fù)此過程以實(shí)現(xiàn)有序的重新啟動(dòng)。在所有情況下，在電機(jī)到達(dá)換向鎖定點(diǎn)之前，在沒有關(guān)于絕對(duì)轉(zhuǎn)子/定子定位的數(shù)據(jù)的情況下，它將遭受扭矩和輸出功率的降低。

圖 3：霍爾開關(guān)、光學(xué)編碼器和旋轉(zhuǎn)變壓器都已廣泛用于 BLDC 電機(jī)控制系統(tǒng)，但現(xiàn)在正被磁性位置傳感技術(shù)所取代。

離散霍爾開關(guān)系統(tǒng)通常由三個(gè)、五個(gè)或更多霍爾傳感器組成，這些傳感器在電機(jī)生產(chǎn)過程中固定在適當(dāng)?shù)奈恢茫ㄒ妶D3）。放置錯(cuò)誤會(huì)導(dǎo)致效率或功率損失，因此分立式霍爾傳感器系統(tǒng)需要極其精確的組裝才能有效工作。每個(gè)霍爾傳感器還需要自己的信號(hào)線，使生產(chǎn)過程更加復(fù)雜。更糟糕的是，即使傳感器本身固定在絕對(duì)位置，它們也無法在整個(gè) 360° 旋轉(zhuǎn)范圍內(nèi)生成絕對(duì)位置數(shù)據(jù)，而僅限于在任何給定位置上最近的霍爾傳感器的角度切換響應(yīng)范圍內(nèi)進(jìn)行測(cè)量。當(dāng)考慮與角度相關(guān)的扭矩?fù)p失時(shí)，由此產(chǎn)生的位置測(cè)量誤差可能很大。

光學(xué)編碼器可以產(chǎn)生絕對(duì)位置信息，但這需要在組裝過程中將編碼器與電機(jī)組件進(jìn)行物理對(duì)齊，或者在系統(tǒng)級(jí)存儲(chǔ)零點(diǎn)信息。這種組件類型最具破壞性的缺點(diǎn)是它可能容易受到灰塵、污垢和其他污染物的影響。除非受到密封外殼的保護(hù)，否則污染會(huì)隨時(shí)損害編碼器的性能。

旋轉(zhuǎn)變壓器能夠提供極其精確和準(zhǔn)確的位置測(cè)量。但是，典型的旋轉(zhuǎn)變壓器解決方案（包括旋轉(zhuǎn)變壓器單元本身以及附加的模擬和數(shù)字支持電路）的高成本在大多數(shù)消費(fèi)類應(yīng)用中，甚至在工業(yè)和其他細(xì)分市場(chǎng)的最終產(chǎn)品的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中都是令人望而卻步的。

因此，這些位置傳感器選項(xiàng)中的每一個(gè)都受到以下一個(gè)或多個(gè)特性的影響：

啟動(dòng)時(shí)不可預(yù)測(cè)/意外的電機(jī)運(yùn)動(dòng)，用戶無法控制

在所有條件下都缺乏準(zhǔn)確的絕對(duì)位置信息

組裝到電機(jī)中的成本和難度

單位成本高

易受污染

但是，如果將多個(gè)霍爾傳感器集成在單個(gè)芯片中會(huì)怎樣？這是在稱為絕對(duì)磁性位置傳感器的一系列設(shè)備中采用的方法。通過在芯片上制造多個(gè)高度敏感的霍爾元件——以及模擬、信號(hào)處理和數(shù)字電路——可以在與簡(jiǎn)單磁鐵配對(duì)的單個(gè)芯片中實(shí)現(xiàn)位置傳感器系統(tǒng)。該芯片通常固定在電機(jī)軸的末端，與安裝在電機(jī)軸末端或末端的小型低成本圓形兩極磁鐵平行（見圖4）。

圖 4：片上磁性位置傳感器與小型低成本磁鐵配對(duì)。

分立式霍爾傳感器解決方案的單芯片替代方案受益于以下特性：

360° 始終準(zhǔn)確的絕對(duì)位置信息

組裝簡(jiǎn)單：芯片安裝在簡(jiǎn)單的 PCB 上，只需要一組線對(duì)板連接

單位成本低，因?yàn)?a href="http://www.brongaenegriffin.com/v/tag/123/" target="_blank">集成電路受益于半導(dǎo)體制造過程中固有的規(guī)模經(jīng)濟(jì)

不受化學(xué)品、顆?；蚱渌牧系奈廴?/p>

ams 的 A5047 就是這種單芯片霍爾傳感產(chǎn)品的一個(gè)例子，它開創(chuàng)了磁性位置傳感器產(chǎn)品類別。在 AS5047 中，ams 具有使傳感器系統(tǒng)易于設(shè)計(jì)和制造的功能：

磁鐵和 IC 之間氣隙的可接受范圍——通常為 1 到 2 毫米，具體取決于磁鐵的磁場(chǎng)強(qiáng)度——在生產(chǎn)過程中允許較大的公差。

同樣，轉(zhuǎn)子和定子的永久、絕對(duì)對(duì)齊是在機(jī)械組裝之后通過片上 OTP 存儲(chǔ)器編程步驟以電子方式完成的。

ams 位置傳感器中實(shí)施的差分傳感方案提供了極高水平的雜散場(chǎng)抗擾度，因此在使用離散霍爾傳感器時(shí)不需要特殊的磁屏蔽布置。

這個(gè)簡(jiǎn)單的解決方案可以提供從啟動(dòng)到最高 28,000 rpm 的絕對(duì)位置傳感數(shù)據(jù)。艾邁斯半導(dǎo)體的動(dòng)態(tài)角度誤差校正 (DAEC) 技術(shù)可在內(nèi)部補(bǔ)償高速傳播延遲，在 28,000 rpm 的恒定速度下將動(dòng)態(tài)角度誤差降至不超過 0.36°。222 ns 的典型絕對(duì)位置數(shù)據(jù)更新時(shí)間意味著絕對(duì)位置信息可在很寬的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)實(shí)時(shí)使用。利用此位置數(shù)據(jù)，電機(jī)控制系統(tǒng)可以驅(qū)動(dòng)不一致的負(fù)載，而不會(huì)出現(xiàn)滯后或換向丟失。

AS5047 與低成本的圓形徑向磁體配合使用，可將磁場(chǎng)強(qiáng)度測(cè)量值轉(zhuǎn)換為位置數(shù)據(jù)。為了簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，它可以以 UVW 輸出信號(hào)的形式提供這些數(shù)據(jù)，用于具有 1 至 7 極對(duì)的電機(jī)的穩(wěn)態(tài)換向，以及提供絕對(duì) 14 位位置數(shù)據(jù)、增量位置數(shù)據(jù)和其他位置數(shù)據(jù)如果需要，信息格式。這減輕了主機(jī)處理器的負(fù)擔(dān)并提高了系統(tǒng)效率。

通過以定義的時(shí)間間隔監(jiān)控絕對(duì)位置，當(dāng)只有基于絕對(duì)定子/轉(zhuǎn)子位置的換向管理才能提供最佳電機(jī)運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)可以在啟動(dòng)條件或變化負(fù)載下立即切換到絕對(duì)角度和計(jì)算驅(qū)動(dòng)。這種絕對(duì)位置感測(cè)方法可以在所有 BLDC 電機(jī)管理方案中實(shí)施：六步換向、12 步換向、磁場(chǎng)定向控制，甚至 PMSM 式正弦驅(qū)動(dòng)器。

當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度超出其指定范圍以及發(fā)生其他操作故障時(shí)，傳感器還通過其串行外圍接口提供有用的診斷信息，這使系統(tǒng)能夠標(biāo)記可能需要注意的問題。

總之，包含多個(gè)片上霍爾傳感元件的傳感器 IC 比分立式霍爾傳感器更易于安裝在電機(jī)組件中，比旋轉(zhuǎn)變壓器更便宜，避免了光學(xué)編碼器易受污染的影響，并且與反電動(dòng)勢(shì)傳感不同，它提供始終準(zhǔn)確的絕對(duì)位置數(shù)據(jù)。通過提供絕對(duì)位置測(cè)量，AS5047 傳感器可以管理 BLDC 電機(jī)，以便始終提供平穩(wěn)且可預(yù)測(cè)的電機(jī)性能和最佳扭矩。通過使用集成磁性位置傳感器 IC，電動(dòng)工具和類似終端產(chǎn)品的制造商現(xiàn)在可以用更現(xiàn)代、更高效的 BLDC 電機(jī)類型替換有刷直流電機(jī)，同時(shí)保持用戶期望的高電機(jī)性能。

概括

過去，電機(jī)制造商通過使用有刷直流電機(jī)來滿足用戶對(duì)平穩(wěn)和可預(yù)測(cè)性能的要求，這些電機(jī)在啟動(dòng)時(shí)保持換向和全扭矩，同時(shí)管理變化的負(fù)載。然而，與有刷直流電機(jī)相比，它的效率相對(duì)較低，并且由于機(jī)械磨損或化學(xué)污染，刷子在其他組件之前失效的固有趨勢(shì)。

相比之下，無刷直流 (BLDC) 電機(jī)在許多方面都大大優(yōu)于有刷直流電機(jī)，包括：

效率

零電氣磨損

清潔操作

BLDC 電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員面臨的主要挑戰(zhàn)是，當(dāng)換向器被迫在沒有準(zhǔn)確和實(shí)時(shí)的絕對(duì)旋轉(zhuǎn)位置數(shù)據(jù)的情況下運(yùn)行時(shí)，電機(jī)會(huì)出現(xiàn)打嗝以及扭矩和加速度不一致的問題。過去，絕對(duì)位置傳感只能通過極其昂貴的傳感器獲得：適用于大多數(shù)制造商的物料清單預(yù)算的低成本傳感解決方案未能充分滿足這一要求。

因此，在電動(dòng)工具和其他對(duì)性能至關(guān)重要的終端產(chǎn)品中，高效可靠的 BLDC 電機(jī)技術(shù)通常不受青睞。然而，本文建議電動(dòng)工具制造商和其他有類似要求的制造商可以通過利用半導(dǎo)體產(chǎn)品類型（磁性位置傳感器 IC）采用 BLDC 電機(jī)，它與簡(jiǎn)單的磁鐵一起提供絕對(duì)位置數(shù)據(jù)。系統(tǒng)成本低，易于組裝到電機(jī)系統(tǒng)中，并使 BLDC 電機(jī)始終保持最佳換向。

　　審核編輯：湯梓紅