新型傳感器提升電動機性能并降低功耗
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但由于多種原因，非接觸式磁性位置傳感器現(xiàn)在成為了更好的選擇。由于磁性位置傳感器的尺寸更小，能夠抵御灰塵、油脂、水汽等污染物，因而能夠作用于對尺寸和/或可靠性有更高要求的應用。
在過去，有一個對磁性位置傳感器不利的趨勢：新型無刷直流(BLDC)電動機在總體上有高效率目標，以減少功耗。與此同時，設計者被賦予了增加新電機力矩的任務，實現(xiàn)電機的低轉(zhuǎn)速運行，以支持直接驅(qū)動系統(tǒng)。最終，變速器將不再是必需品，這就大大降低了物料成本。
要使得力矩和效率達到最大化，無刷直流電動機在高轉(zhuǎn)速下就必須有一個極其精確的發(fā)動機旋轉(zhuǎn)角度數(shù)據(jù)——利用傳統(tǒng)的磁性傳感器是很難得到的?，F(xiàn)在，新一代產(chǎn)品已經(jīng)實現(xiàn)了傳感器設計的一大突破，它們能夠幾乎完全精確地測量高轉(zhuǎn)速下的旋轉(zhuǎn)角度。
如何實現(xiàn)角度測量
一個無刷直流電動機包含了一個永磁電動機(轉(zhuǎn)子)和三個或三個以上等距的固定線圈(定子)。通過控制固定線圈中的電流能夠形成一個任意方向和大小的磁場。力矩來源于轉(zhuǎn)軸上運行的轉(zhuǎn)子和固定線圈之間的引力和斥力。
當固定線圈磁場與轉(zhuǎn)子磁場相互垂直時，力矩達到最大值。所測量的轉(zhuǎn)子角度反饋到通過固定線圈控制電流的系統(tǒng)(見圖1)，產(chǎn)生一個垂直磁場。
圖1：一個無刷直流電機控制系統(tǒng)需要通過磁性位置傳感器(通常用于汽車領域)或光學位置
Fig. 2: A PMSM draws on a similar feedback loop to a BLDC motor's.
但是霍爾開關陣列的精確度和準確度常常達不到高性能發(fā)動機對力矩和利用率的要求。相反地，磁性編碼器(將霍爾傳感器集成到硅芯片中的一個半導體)能夠產(chǎn)生高精確度、高分辨率的位置數(shù)據(jù)。它能夠?qū)o止狀態(tài)或低轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)軸進行精確的測量。與工業(yè)應用常用的光學編碼器不同，磁性位置傳感器不會受到污染物的影響，且占用空間很小。
另一方面，大多數(shù)霍爾傳感器芯片有兩大缺陷：傳輸延遲導致的高轉(zhuǎn)速下動態(tài)角度誤差；在雜散磁場環(huán)境下需要屏蔽措施。
這些缺陷會增加系統(tǒng)成本，削弱系統(tǒng)性能。動態(tài)角度誤差補償需要很強的處理能力，對雜散磁場中的IC進行額外的保護也會增加硬件的物料成本。
動態(tài)角度誤差的起因
霍爾傳感器芯片連續(xù)地抽樣讀取轉(zhuǎn)軸上磁鐵的磁場強度。芯片被安裝在一個固定位置，其表面平行于旋轉(zhuǎn)磁鐵的表面，芯片和磁鐵之間通常有1到2毫米的空隙。
芯片中包含一個信號調(diào)節(jié)與處理回路，將測量出的磁場強度換算為轉(zhuǎn)子的角度位置(以度數(shù)形式)。這一轉(zhuǎn)換所需的時間就是芯片固定的傳輸延遲(見圖2)。不同芯片延遲持續(xù)的時間不等，但當今市場上的芯片傳輸延遲通常在10μs到400μs之間。
圖2：磁性位置傳感器中的信號處理導致傳輸延遲
圖3顯示了動態(tài)角度誤差的增加。假設芯片在轉(zhuǎn)子處于紅線位置時讀取磁場強度，且芯片在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時的傳輸延遲為100μs。當芯片將磁場強度換算為角度時，轉(zhuǎn)子用100?s的時間轉(zhuǎn)到了藍線位置——但芯片向ECU或MCU顯示轉(zhuǎn)子仍在紅線位置。
圖3：動態(tài)角度誤差和轉(zhuǎn)速之間的線性關系
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