传感器的最新发展可大幅提高BLDC电机控制性能

近年来，许多终端市场和应用中的一个明显趋势是用高效率的无刷直流电机(BLDC)替换交流电机或机械泵。使用BLDC的一些主要优点包括：更高的功率和热效率、更高的空间/重量效率、更高的可靠性(无刷)、在危险环境下工作更安全(不会像有刷电机一样产生刷粉或火花)。此外，由于BLDC电机采用电子换向方式，因此更易在应用的速度范围内控制扭矩和速度参数，并且能够实现更复杂的控制，例如维持保持扭矩或速度极限。凭借这些优点，BLDC电机在众多现有和新应用中占得一席之地。在汽车领域，BLDC电机已用于替换液压执行器和有刷电机，这不仅能够减小重量/尺寸、延长工作寿命、降低维护成本，而且能够大幅提高整体系统性能和效率。随着汽车行业向优化燃油效率快速发展，BLDC电机现能够实现相应的性能，帮助减小传动系统、电动助力转向和HVAC(暖通空调)系统以及起动马达/发电机和各类泵(水/燃油/油)中的发动机负荷。

角度传感器在BLDC电机控制中的作用

要实现电机的精确控制和高效换向，高分辨率电流和旋转位置信息至关重要。一般而言，在基于旋变器的系统中，分辨率和精度可能非常高，但终端解决方案可能价格昂贵且体积较大，这是因为旋变器本身会占用较大的物理空间。无传感器方案也可用于检测反电动势电流，而且还能降低传感器重量和成本，但是电机启动性能可能是个问题，因为这时不会产生反电动势，因此就无法得到可用的位置数据。其他解决方案，例如利用三个霍尔效应传感器检测电机磁体的位置，通常用于对成本敏感的应用中。这种情况下，要求的分辨率可以实现，但需要监控三个信号。此外，这些传感器不是配套的，这可能会产生空间和安装难题。

一种替代方案是使用基于异性磁阻(AMR)技术的角度传感器，这些传感器既便宜又精确。借助ARM传感器，不仅可实现高角度精度，而且可将一个检测元件和电子电路集成在同一封装中。这可获得非常小的传感器子系统，并且能够在电机总成内定位传感器。

ADI公司已与MR技术的领导者Sensitec GMBH开展合作，共同提供ADA4571，该产品将高精度AMR传感器和高性能仪表放大器集成在单个封装中。

ADA4571在?40°C至+150°C的宽工作温度范围下进行的生产测试得到的最大角度误差为0.5°，而且具有内置诊断功能、大输出电平、EMC保护以及低失调偏移，因此是非常理想的传感器，它能够实现高性能BLDC电机控制，而且速度超过25000 RPM。

AMR技术

基于AMR理念的传感器的材料电阻率取决于相对于电流方向的磁化方向。该传感器通常沉积为薄膜透磁合金(磁性铁镍合金)。 AMR传感器在饱和状态下工作，因此外部磁场对电阻变化起决定作用。外部磁场和电流方向平行时电阻最大，施加磁场与载流透磁合金的平面垂直时电阻最小。 AMR传感器如何工作的简化图如图1所示。

图1：AMR工作原理。

两个独立的惠斯登电桥配置以彼此呈45°的方式排列时，可实现角度传感器，其正弦和余弦输出取决于外部磁场方向。此配置可提供具有180°绝对测量范围的传感器。

图2：360°机械旋转时的ADA4571误差(灰色)和输出波形(橙色/蓝色)。

图2显示了旋转磁场施加在360°机械旋转情形时ADA4571的典型高输出电平和角度误差。在微控制器中进行失调校正和反正切计算之后，典型误差小于0.1°。

传感器安装

对于大部分BLDC控制系统，根据可用空间和电机轴安装的便利性，配置和安装传感器有许多选择方式。图3显示了ADA4571的两个配置示例。

图3：BLDC系统与ADA4571 (a)轴端系统(b)轴侧系统。