主頁 > 技術文章（zhāng） > 對新型傳感（gǎn）器提升電動機性能（néng）並降低功耗作用 2025-08-22

對新型傳感器提升電動機性（xìng）能並降低功耗作（zuò）用

概況：現如今的工業自動化設備中的電動機位置傳感方式多種多（duō）樣，光學（xué）編（biān）碼器因其高精確度和易受微控製器控製的標準化“ABI”輸出而倍受工業（yè）自（zì）動化設備中電機控製係統設計（jì）者的青（qīng）睞。

但由於多種原因，非接觸式磁性位置傳感器現在（zài）成為了更好（hǎo）的選擇。由於磁性位置傳感器（qì）的尺寸更小，能夠抵禦灰塵、油脂、水汽等汙染物，因而能夠作用於對尺寸和/或可靠性有（yǒu）更高要求（qiú）的應用。

在過去，有（yǒu）一（yī）個對磁性位置傳感器不利的（de）趨（qū）勢：新型無刷直流(BLDC)電（diàn）動機在總體上有（yǒu）高效（xiào）率目標，以減少功（gōng）耗。與（yǔ）此同時，設計（jì）者被賦予了增加新電機力矩的任務，實現（xiàn）工業自（zì）動化設備中（zhōng）電機的（de）低轉速運行，以支（zhī）持直接驅動（dòng）係（xì）統。最終，變速器將不再是必需品（pǐn），這就大大降低了物料成本。

要使（shǐ）得力矩和效率達到（dào）最大（dà）化，無刷直流電動機在高轉速下就必須有一個極（jí）其精確的發動機旋轉角（jiǎo）度數據——利用（yòng）傳統（tǒng）的磁性傳感器是很難得到的。現在，新工業自動化設備中已（yǐ）經實現了傳感器設計的一大突破，它們能夠幾（jǐ）乎（hū）完全精確地測（cè）量高轉速（sù）下的旋轉角度。

如何（hé）實現（xiàn）角度測量

一個無刷直流電動（dòng）機包含了一個永磁電動機(轉子)和三個或三個以上等距的固定線圈(定（dìng）子)。通過控製固定線圈中的電流能夠（gòu）形成一個任意方向和大小的磁場。力矩來源於轉軸上運（yùn）行（háng）的轉（zhuǎn）子和（hé）固定（dìng）線圈之間的引力和斥力。

當（dāng）固定線圈磁場（chǎng）與轉子磁場相互（hù）垂直時，力矩達到最大值（zhí）。所測量（liàng）的轉（zhuǎn）子角度反饋到通過固定線圈控製電流的係統(見圖1)，產生（shēng）一個垂直磁場。

圖1：一個無刷直流電（diàn）機控（kòng）製係統需要通過（guò）磁性位置傳感器(通常用於汽車領域)或光學位置在多數高端（duān）應用中，無刷直流電動機正（zhèng）在被永磁同步電動機(PMSM)所取代。永磁同步電動機代替了無刷直流電動機中受轉矩脈動影響的模塊換相方案，而且能在線圈之間自如切換（huàn），減少振（zhèn）動（dòng），獲（huò）得（dé）更高的效率。

Fig. 2: A PMSM draws on a similar feedback loop to a BLDC motor's.當然，盡管（guǎn）工業自動化（huà）和汽車電動機設計的效率和可靠性必須經（jīng）常得到優化，許（xǔ）多其他電動機，尤其是消費（fèi）產品領域的電動機還是最注重成本。對於簡單的電動機來說，霍爾（ěr）開關陣列提供了合適的位置測量方法，也能產生適當的力（lì）矩，使操作變得流暢。

但是霍爾開關陣列的精確度和準確度（dù）常常達不到高性能（néng）發動機對（duì）力矩和利用率的要求。相反地，磁性編碼器(將（jiāng）霍爾傳感器集成到（dào）矽芯片中的一個半導體)能夠產生高精確度、高分辨率的（de）位置數據。它（tā）能夠對靜（jìng）止狀態（tài）或低轉速（sù）下的轉軸進行（háng）精確的測量。與工業自動化應用常用的光學編碼器不同（tóng），磁性位置傳感器不會受到汙染物的影響（xiǎng），且占用空間（jiān）很（hěn）小。

另一方麵（miàn），大多數霍爾傳感器芯片有兩（liǎng）大缺陷：傳輸延遲導致的高（gāo）轉速下動態角度（dù）誤差；在雜散磁場環境（jìng）下（xià）需要屏蔽措施。

這（zhè）些缺陷（xiàn）會增加係統成（chéng）本，削弱（ruò）係統（tǒng）性能。動（dòng）態角度誤（wù）差（chà）補償需要很強的處理能力，對雜（zá）散磁場中的IC進行額（é）外的保護也會增加硬件的物料成本。

動態角度誤差的起因

霍爾（ěr）傳感器芯片連續地抽樣讀取轉軸上磁鐵的磁場（chǎng）強度（dù）。芯片被安裝在一個固定位置，其表麵平行於旋轉磁鐵的（de）表麵，芯（xīn）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（xìn）號調節與（yǔ）處理回（huí）路，將測量出的磁場強度換算為轉子的角度位（wèi）置（zhì）(以度數（shù）形式)。這一轉換所需的時間就是芯片固定的傳輸延遲(見圖2)。不同芯片延遲持續的時（shí）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傳輸延（yán）遲的問題在轉子轉（zhuǎn）動時導（dǎo）致了動態角（jiǎo）度誤差。動態角度（dù）誤差會隨著速度呈線性增長；傳輸延遲和速度越高，動態角度誤差就越大。（見圖3）。

圖3顯（xiǎn）示了動（dòng）態角度誤差（chà）的增加。假設芯片在轉（zhuǎn）子處於紅線位置時讀取磁場強度，且芯片在轉子轉動時的（de）傳輸延遲為100μs。當芯片將磁場強度換算為角度時，轉子（zǐ）用100?s的時間轉到了藍線位置——但芯片向（xiàng）ECU或MCU顯示轉子仍在紅線位置。

圖3：動態角度誤差和（hé）轉速之間的線性關係在沒有誤差補償的情況（kuàng）下（xià），調整方案中的電流會到紅線位置的啟動線圈中去（qù），而不是藍色位置，結果導致係統無法將力矩最（zuì）大化（huà），從而（ér）浪費能量，降低係統效率。

如（rú）果芯片的傳輸（shū）延遲是100μs，發動機的轉速為1000轉每秒（miǎo），那麽動（dòng）態角度誤差為1.2度。如果轉子的轉速增（zēng）至（zhì）10,000轉每秒，動態（tài）角度誤差就增至12度（dù）。圖4：傳（chuán）輸（shū）延（yán）遲如何增加動態角度誤差傳輸延遲（chí）是所有磁性位置傳感器的特點，因（yīn）此係統設（shè）計工程師試圖將補償（cháng）算法應用於減少動態角度誤差。不幸的是，每秒幾千（qiān）個數據樣本的補償會對主機ECU造成嚴重的負擔，甚至需要額（é）外定製一（yī）個誤差補償專用的MCU。

設計團隊並不希望從本（běn）質上增加物料成本，也不想花費太多時間（jiān）來開發、測試和修正（zhèng）他們的補償算法。

新型傳感器減少動態（tài）角度誤差

如剛才所說，磁性位置傳感器的傳輸（shū）延遲是固定的，而動態角度誤差的值取決於傳輸延遲的時間（jiān）和轉速。

現在，奧地利微電子已經開發出（chū）新的補償方案應用到磁性傳感器中，該方案正在申請專（zhuān）利。這（zhè）種新的內部補償技術叫做（zuò）DAEC(動態角度誤差補償)，首先試用於47係（xì）列的磁性（xìng）傳感器。DAEC能夠有效減少汽車位置傳感器AS5147的（de）傳輸延遲誤差至（zhì）僅1.9μs。這意味著AS5147在（zài）14,500轉（zhuǎn）每秒的轉速下（xià），動態角度誤差僅（jǐn）為0.17度，幾乎可（kě）以忽略不計。

圖5：集成補償方案的傳感器輸出（上）以及未集成補償方案的傳感器輸出（下）圖6顯示了AS5147(左)與傳統磁（cí）性位置傳感器(右)測量輸出的區（qū）別，有（yǒu）精確的光學編碼器（qì）輸出作為參（cān）考。右圖顯示傳感器輸出受到200μs傳（chuán）輸延遲的影響，在14,500轉每秒（miǎo）的轉速下產（chǎn）生的（de）動（dòng）態角度誤差為18度。

圖（tú）6：左圖顯示了傳統的分散式動態角度誤差補償法。右圖顯示了新的動態角（jiǎo）度誤差補償法。相反，AS5147的誤差幾乎可以忽略不計，也就是說它的信號能夠直接（jiē）用於調整控製器，無需外部補償（cháng）。事實上，帶有（yǒu）DAEC技術的內（nèi）部補償（cháng）產生的動態角度誤差可能比外部補（bǔ）償更小，因為ECU和MCU中常常會有抽樣誤差（chà）。

當（dāng）然，在工業自動化設備中（zhōng）傳感器內部補（bǔ）償還能降（jiàng）低係統成本，原因是沒有額（é）外的MCU，又或（huò）是（shì）能夠使用更小功率的ECU。

抵禦雜散磁場

許多磁性傳感器的另一個弊端是容（róng）易受到（dào）雜散（sàn）磁場的幹擾（rǎo）。轉子磁鐵以外的磁場幹擾隨時會（huì）破壞（huài）芯片的角度（dù）測量，而這種隨機的錯誤無（wú）法通過主機ECU或（huò）MCU來補救。因此，用戶（hù）不（bú）得（dé）不對芯片采取屏（píng）蔽措施，這就增加了物料成本和裝配成本；還可能（néng）違背對空間有要求應用的（de）結構設計（jì）。

根（gēn）據ISO 26262汽（qì）車功能安全標準，免受雜散磁場的幹擾已經成為發動機係統（tǒng）的強製性要求。

“差分傳感”專利（lì）技術被應（yīng）用於（yú）奧地利微電子的所有（yǒu）磁性（xìng）位置傳感器中，包括47係列，使傳（chuán）感（gǎn）器免受雜散磁場影響的（de）最（zuì）高值達到25,000A/m。低於該臨界值，就無（wú）需采取屏蔽措施。

結論

奧地（dì）利微電子DAEC技術的推出意味著無刷直流電動機和永磁同步電動機製（zhì）造商能夠利用極其精（jīng）確的位置數（shù）據使高轉速應用中的轉矩達到最大化，同時通過磁性位置傳感器縮小（xiǎo）電動機的尺寸，提高可靠性。

DAEC技（jì）術現已應用於AS5147*單層晶圓）和AS5247(雙層冗餘晶圓）汽車磁性位置傳感器(AEC-Q100 階段0汽（qì）車應用認證（zhèng）)，支（zhī）持無刷直流電動機在汽車領（lǐng）域的應用（yòng），如電子（zǐ）動力方（fāng）向盤(EPS)、傳（chuán）動（dòng）裝置(變速箱、促動（dòng）器)、泵以及製動器。

在工業自（zì）動化（huà）設備應用方麵，采用DAEC技術的AS5047D也（yě）已投入使用，提供十進製ABI輸出，是替換光學編碼器的理想之選。

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