【应用】解析用于电机控制反馈回路的传感器

时间： 2022-08-30 来源：MELEXIS

技术问答

电机驱动是一个复杂的领域，应用于众多应用案例。有些电机驱动器在不配备位置传感器（无传感器）的情况下可以完美运行。既然如此，为何还要额外增加组件？下面我们先区分一下位置传感器的两个作用。

图 1 实现电机换向和应用定位的通用结构单元和路径

电机控制可以具有多个反馈回路：一个用于电机换向，一个用于定位。这些控制回路不一定使用相同的位置传感器，因为优化系统和BOM需要不同的特性。位置传感器可以在以下方面改进系统的控制：位置、扭矩或速度。

位置控制

●在启动和整个运行过程中启用已知的（安全）位置

●使用步进电机时避免漏步

转矩控制

●可实现低速和低噪音运行，尤其适用于大型电机，如泵

速度控制

●启动可靠

●低速驱动

●可处理高动态负载

图2 位置传感器在电机驱动应用中的优势

电机换向

对于多种类型的电机，位置传感器可以用作电机换向控制回路的组件。

电机控制算法可决定通过线圈的电流大小及其时序。施加磁场的角度必须与转子的磁场方向正交，以最大程度提高效率。

电机控制算法的类型与电机设计和传感器类型相关。例如，无刷电机可以在梯形控制、正弦控制和磁场定向控制模式下运行：

●梯形控制为基本模式，可根据锁存器/开关的输出确定转子的位置。它可以满足无刷直流电机（BLDC）的需求，实现高速换向，但可能出现意外转矩波动。想象一辆加速不平稳的电动车。

●正弦控制或磁场定向控制表现更出色，但它们依赖于转子角位置的精确性（高分辨率角度）。角位置越精确，效率越高，在某些应用中会体表现出更高的安全性。这些控制算法也适用于永磁同步电机（PMSM）。

图 3

应用定位

位置传感器可用于应用定位。以一个关键的智能阀为例。位置传感器可确保阀门位置正确（不依赖电机位置）。另一个例子是可精确定位机械臂上的关节的伺服电机。

在这个例子中，电机定位所用的传感器可以是用于电机换向的传感器。如果转子轴的位置和电机的输出轴完全关联，则应为上述情况。但并非总是如此。在某些情况下，内部齿轮箱会将高速/低转矩转子转换为低速/高转矩输出轴。然后可能需要在输出传感器上额外配备一个低速传感器。

图 4

MELEXIS产品：用于电机换向的传感器芯片

在本文中，我们会详细介绍3用于电机换向的3种霍尔产品：锁存器/开关芯片、线性霍尔传感器芯片和角度编码器芯片。

表 1

采用锁存器/开关控制电机换向

锁存器/开关产品以多芯片配置放置在定子中。它们非常适合直流无刷电机的梯形控制：使用3颗芯片，每相1颗。

图 5 侧向或垂直感应

MELEXIS提供一系列具有预编程或可编程固定参数的霍尔效应锁存器芯片。除了可感应垂直施加于芯片表面的磁感应强度的传统传感器之外，MELEXIS还推出了可感应侧向磁感应强度的锁存器芯片。此功能大大提高了传感器定位相对于磁体（转子或感应磁体）定位的灵活性。传感器采用单芯片TSOT-3L或TO92-3L封装。MELEXIS还推出了首款支持ASIL-B的锁存器/开关芯片。

详细信息

●采用IMC技术的锁存器/开关，适用于电机换向应用

●锁存器/开关选型指南

图 6

采用线性霍尔传感器控电机换向

线性霍尔效应传感器可用于替代锁存型霍尔传感器。多个传感器正交式使用可提供具有高角度分辨率的转子绝对角度。可根据它们的模拟输出通过专用算法计算出更准确的转子位置。因此，它们不仅适用于检测电机换向点，还适用于精确的位置控制。

以90°磁相移放置的两个线性霍尔传感器也可用作正弦余弦角度传感器。α角由SIN与COS反正切计算得出。

详细信息

●MLX90290，高速预编程线性霍尔传感器芯片，成比例模拟输出

●全部MELEXIS线性霍尔芯片

图 7

由磁性角度编码器控制的电机换向

磁性角度编码器，也称为角度编码器或电机角度编码器，是提供成比例模拟正余弦输出的快速芯片解决方案。这些输出代表转子磁通量，因此可用于检测电机位置。最新一代产品可以放在轴上（轴端）或轴外（轴通）。

图 8

Triaxis®角度编码器提供了一种X-Y-Z磁轴配置。此功能大大提高了传感器定位相对于磁体（转子或感应磁体）定位的灵活性。

传感器的OUT1和OUT2（正弦和余弦信号）可配置为X/Y磁轴、X/Z磁轴或Z/Y磁轴，用于轴端或轴通感应。

详细信息

●MLX90380，Triaxis®角度编码器，360度，两路成比例模拟输出，高速

●MLX90381，Triaxis®微型角度编码器，360度，两路成比例模拟输出，高速

●磁性位置传感器选型指南

定位用传感器芯片

某些电机应用会额外配备用于定位的控制回路。例如，执行器低速运行的阀门。或者当应用中的内部齿轮箱将高速/低转矩旋转转换为低速/高转矩旋转时。由于齿轮箱的不断磨损，转子位置与电机输出轴之间的一一对应关系会逐渐消失。因此，在某些设计中，输出轴上额外配备了一个位置传感器。

表 2

上述电机换向产品非常注重高速性能。它们的更新频率以几微秒来表示，通常输出原始信息。然后由相关的MCU处理此信息。对于应用定位，快速响应不再是关注重点。因此，我们可以使用能输出已计算角度信息的“更智能”的传感器。这类传感器在DSP助力下，可提供更多功能（信号补偿、可编程诊断...），从而能进一步简化系统设计。Melexis提供各种低速角位置传感器芯片。MELEXIS产品中的低速指更新频率不低于200µs。

详细信息

●MLX90392/MLX90393/MLX90395/MLX90397（价值优化），需进行后处理的磁力计。适用于消费类应用或汽车应用。

●MLX9042x（主流系列）磁性位置传感器芯片，适用于注重成本但要求严苛的应用。

●MLX9037x（性能系列）具备高性能、高安全性且功能全面的磁性位置传感器芯片。

●磁性位置传感器选型指南-适合汽车和工业领域的Triaxis®产品

●磁性位置传感器选型指南-适合电动车、智能家电、家居、工业和医疗领域的Triaxis®产品

适用于执行器的驱动芯片

MELEXIS的全集成LIN电机驱动芯片和预驱动芯片可降低BoM成本，简化汽车机电一体化应用中电机控制翼板、阀门、风扇和泵的设计。这些装置还可用于机器人系统和电动自行车/电动踏板车。

支持两线直流电机、三线直流无刷电机或四线双极步进电机，可以使用带传感器或无传感器的磁场定向控制（FOC）算法。

对于带传感器的应用，MELEXIS一站式为您提供传感与驱动解决方案。绝对角度位置传感器芯片可与MELEXIS的驱动芯片搭配使用，以驱动和感应智能阀的位置，从而有效冷却电池或发动机。还可兼容Melexis的预驱动芯片，用于跟踪智能泵中的转子位置，从而以正确的转矩实现泵的高效和动态控制。我们的第三代嵌入式驱动芯片系列包括：

●适用于1~10W应用的MLX81330和MLX81332 LIN驱动芯片

●适用于10~2000W应用的MLX81340、MLX81344和MLX81346 LIN预驱动芯片

值得一提的是，Melexis凭借MLX81346成为将全集成片上系统（SoC）48V预驱动芯片推向市场的先驱企业。

详细信息

●LIN电机驱动器（电流<1A）

●LIN电机预驱动器（电流>1A）

●智能LIN电机驱动器选型指南

图 9

概念总结

表 3

结论

借助位置传感器的支持，电机驱动器可满足与位置、转矩和速度控制相关的特定应用要求。MELEXIS传感与驱动解决方案是优化您的机电一体化应用的理想选择。

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