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[分享] 位置传感器可改善电动机性能

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发表于 2016-4-26 07:38:25 | 显示全部楼层 |阅读模式

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  非接触式传感器备受设计人员青睐的原因有很多,其中一点是磁性位置传感器外形小巧,不受灰尘、油脂和潮湿等污染物的影响。因此磁性位置传感器更适用于对尺寸和可靠性方面有严格要求的应用领域。但迄今为止,将传统的磁性位置传感器应用于电动机设计仍然存在精度不符合要求的问题。
          电动汽车的开发人员希望增大新型电动机的转矩,以实现电动机在低速运行的状态下带动直接驱动系统(无需使用齿轮箱),从而显著降低物料(BoM)成本。高效的新型无刷直流电动机(BLDC)比较适合这种应用。为实现最大转矩和最高功效,当BLDC高速运转时,需要掌握转子旋转角度的精确数据,但传统的磁性位置传感器很难实现这一目标。如今,传感器技术取得了重大突破,新设备可精确地捕捉角度测量值。
          角度测量值的应用原理
          BLDC包含一个转动的永磁体(转子)以及三个或多个等距的固定绕组(定子)。通过控制定子绕组中的电流,即可产生方向和强度任意的磁场,磁场作用于转子轴上的引力和斥力形成了转矩。当定子的磁场正交于转子磁体的磁场时,转矩最大。测量转子角位移可为控制流经定子绕组的电流对系统提供反馈,从而生成正交磁场(见图 1)。
       

位置传感器可改善电动机性能

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        图1  BLDC电机控制系统需要闭环反馈,此闭环反馈采用磁性位置传感器(常用于汽车应用)或光学位置传感器(常用于工业应用)捕捉的转子角位移的测量值

          在多数高级应用中,BLDC被永磁同步电动机(PMSM)所取代。PMSM替代了受到转矩脉动干扰的BLDC中的块换相方案,并且能在线圈之间顺利切换(见图2)。这种电动机减小了振动并提高了效率。
       

位置传感器可改善电动机性能

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        图2  PMSM采用与BLDC相似的反馈环路

          汽车驱动电动机设计通常要对效率和可靠性进行优化,因而离散型霍尔开关阵列的精密度和准确度不能满足高性能电动机对于转矩和效率的要求。相反,磁性位置传感器(一种将霍尔传感器集成到硅片中的半导体)会产生精确的高分辨率位置数据。在转子轴处于静止状态或以低速转动时,这种传感器的精度高。与工业应用中常用的光学编码器不同,磁性位置传感器不会受到污染且空间占用率更低。
          产生动态角误差的原因
          霍尔式IC的工作原理是针对转子轴上的磁体生成磁场的强度进行持续采样。IC安装在固定位置,其表面与旋转磁体的表面平行,二者之间通常留有 1~2?mm的间隙。IC包含一个信号调节和处理电路,该电路将磁场强度测量值转换为转子角位移的计算值(以“°”为单位)。执行该转换过程所需的时间即为IC的固定传播延迟(见图3)。
       

位置传感器可改善电动机性能

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        图3  磁性位置传感器中的信号处理过程会导致传播延迟

          这是一个棘手的问题,导致转子转动产生动态角误差。该动态角误差会随转速的加快呈现线性增大的趋势。若不解决传播延迟,则随着转速的加快,动态角误差也会随之增大(见图4)。
       

位置传感器可改善电动机性能

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        图4  动态角误差和旋转速度呈线性关系

          如图5所示,红线为转子位置,假设IC捕捉到了磁场强度测量值。同时假设转子处于转动状态,并且IC的传播延迟为100 μs。当IC将磁场强度转换为角度计算值时,转子经过100?μs转动至蓝线标记的位置,但IC会通知电动机控制ECU或MCU,转子处于红线处。
       

位置传感器可改善电动机性能

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        图5  传输延迟如何引起动态角误差

          如果不进行补偿,换相方案会将电流施加到红线位置(而非蓝线位置)。因此,系统无法实现最大转矩且浪费电能,系统效率也会降低。如果IC的传播延迟为100?μs 且电动机转速旋转速度为1?000?r/min ,则动态角误差为1.2°。当转子转速上升至10?000?r/min时,动态角误差增至12°。
          传播延迟是磁性位置传感器的固有特性。因此,系统设计工程师使用补偿算法来减小动态角误差。然而,如果对数以千计的样本进行补偿,主ECU将承受很大负荷,甚至需要额外使用专用的误差补偿MCU。这种方案增加了BoM成本、延长设计团队开发、测试和调试的时间。
          新型传感器消除了动态角误差
          如上文所述,磁性位置传感器的信号传输延迟为固定值,动态角误差值由传播延迟的持续时间和转速决定。现在,传感器制造商艾迈斯半导体(ams AG)开发了一种动态角误差补偿方案(DAEC),并正在声请专利。通过该方法,可在磁性位置传感器内部实现这种形式的补偿方案。
          DAEC最初应用于AS5x47系列磁性位置传感器,在汽车位置传感器AS5147中,DAEC将表观传播延迟降至1.9?μs(见图6)。这意味着当转速为14?500?r/min时,AS5147测量值的动态角误差为0.17°,完全可以忽略不计。
       

位置传感器可改善电动机性能

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        图 6  具有(上)和不具有(下)集成补偿的传感器输出

          通过换相控制器直接使用AS5147的信号,无需外部补偿。DAEC技术提供的内部补偿产生的动态角误差小于使用外部补偿产生的动态角误差,原因是ECU和MCU中通常存在采样误差。由于无需额外的MCU执行误差补偿或者可以使用控制能力相对较弱的ECU,传感器的内部补偿也会降低系统成本。
          杂散磁场抗扰度
          对杂散磁场比较敏感是一些磁性位置传感器的弱点,因此其他磁场所产生的干扰会随机破坏IC对角度的测量值,而主ECU或MCU无法对这种随机误差进行补偿。因此,用户必须屏蔽IC,因而增加BoM和装配成本,还可能因空间受限应用而不得不在机械设计方面做出让步。
          随着ISO 26262功能安全标准应用于汽车行业,在设计电动机系统的过程中必须赋予其杂散磁场抗干扰能力。获得专利认证的差分检测技术已在AMS的所有磁性位置传感器(包括47系列)中广泛应用,该技术最高可提供25?000?A/m的杂散磁场抗扰度。因此,用户无需对低于该阈值(25?000?A/m)的杂散磁场进行屏蔽。
          结论
          借助DAEC技术,BLDC和PMSM制造商可以获得极其精准的位置数据,因此能够实现最大转矩(在高速应用中也是如此),同时充分利用磁性位置传感器在尺寸和可靠性方面的优势。如今,AS5147(单片)和AS5247(双冗余片)汽车磁性位置传感器(符合AEC-Q1000级汽车标准)采用DAEC技术,从而在电动助力转向系统(EPS)、传动装置(齿轮箱和制动器)、泵和制动装置等汽车应用中支持 LDC。
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