位置传感器提升电机运作的精确度与效率

位置传感器提升电机运作的精确度与效率

电机广泛应用于各种具备动力的电子产品之中，像是应用在阀门、泵、暖通空调（HVAC）等，这些应用需要搭配电机驱动器来控制电机的运转，若能搭配位置传感器，则更能精准地控制电机的运转位置、扭矩或速度，提升电机运作的精确度与运作效率。本文将为您介绍位置传感器的技术发展，以及由Melexis推出适用于1至1000W电机的多款电机驱动解决方案。

用于电机换向与定位的位置传感器

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，但有时还是需要额外增加位置传感器，来对电机进行更精密的控制。电机控制可以具有多个反馈回路，其中一个用于电机换向，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，因为优化系统和物料清单（BOM）需要不同的特性，位置传感器可以改进系统对位置、扭矩或速度的控制。

电机的位置控制可在启动和整个运行过程中启用已知的（安全）位置，并在使用步进电机时避免漏步，以及进行转矩控制，可实现低速和低噪音运行，尤其适用于如泵之类的大型电机。此外，在电机的速度控制上，也要求启动可靠、低速驱动，并可处理高动态负载。

在电机换向方面，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，例如应用在电动车上时，将可能造成加速不平稳的现象。

正弦控制或磁场定向控制则表现更出色，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，在某些应用中会具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）。

位置传感器也可用于应用定位，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。

满足电机定位需求的转子位置传感器

随着汽车电气化时代的来临，对纯电动汽车的需求正在快速增长，此外还有各式各样的具有传动需求的电器，都需要采用各种电机，带动市场的快速增长。无论现在还是未来，许多电器与每一辆电动汽车都需要一个经济实惠的高性能电机。而每一台电机又需要精确、通用且经济实惠的转子位置传感器。

像是同步电机需要使用这种传感器信号来驱动电机转矩控制，这些信号同步中的错误将会降低系统的整体性能，并可能导致安全问题。因此，采用转子位置传感器将对电机的转矩控制提供更高的安全性。

高速转子位置传感器通常有三种类型，包括可变磁阻（VR）解码器、磁性解码器或电感式解码器。VR解码器是电动汽车的牵引电机中最常用的位置传感器，它由一个铁磁转子和一个带有几个次级线圈的定子组成。VR解码器长期应用于电机位置传感应用，并且由于其卓越的稳固性，在恶劣的环境中更具有优势。

磁性解码器则是采用霍尔效应传感器，综合成本优势非常突出。它不仅具有VR解码器的特性，而且尺寸紧凑。电感式解码器则具有精度高、宽速度区间和杂散场抗干扰能力。与此同时，与VR解码器技术相比，它还降低了电气传动系统的总成本。

为了确保准确可靠的运行，优秀的转子位置传感器应在速度大于200,000 e-rpm（电转速，rpm: revolutions per minute）的情况下提供精确可靠的位置感应，支持高度精确的位置感应，以确保最大效率、最佳转矩控制和低转矩变化，并应具备杂散场抗干扰能力，以及可扩展的灵活设计，以适合不同的电机设计和传感器位置。此外，还应该具备重量轻、经济实惠的优势。

多种解决方案满足不同的电机应用需求

应用于高速电机换向应用时，可以依据分辨率来选择解决方案，可在采用多芯片架构时，于低分辨率下采用锁存器／开关，在高分辨率下采用线性霍尔传感器。若采用单芯片架构（或双芯片以实现冗余）时，则可在高分辨率时采用角度编码器。

当采用锁存器／开关控制电机换向时，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，例如使用3颗芯片，每相1颗。

当采用线性霍尔传感器控制电机换向时，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。

此外，也可采用磁性或电感式编码器来控制电机换向，编码器或电机编码器，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（轴侧）。

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。

完整的电机换向与定位解决方案

Melexis推出了多款用于电机换向和／或定位的磁性位置传感器芯片，包括锁存器／开关、线性霍尔传感器或角度编码器等磁性解决方案。

锁存器和开关

由于许多传统霍尔效应传感器仅对垂直于IC的磁通量敏感，因此可能需要开发复杂（因此又大又昂贵）的定制磁性结构来实现所需的测量。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Melexis的锁存器和开关传感器，采用创新的磁性Triaxis技术，可以测量横向磁通量分量。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。此外，Melexis还推出了首款支持ASIL-B的锁存器／开关芯片。

线性霍尔传感器

MLX90290是一款SMD出厂编程的高速线性霍尔传感器芯片，具有成比例模拟输出。目标应用为小行程旋转应用、线性位置传感器、交流和直流电流感应应用，以及无刷直流电机换向应用。线性霍尔效应传感器芯片与工作偏置电压为3.3VDC和5VDC的电路兼容。对于使用大多数永磁体（例如AlNiCo、NeFeB和铁氧体）的位置检测，此芯片可以做温度补偿。对于电流感应应用，可提供适用于0ppm/℃的版本。

解码器

－ 磁性

Melexis的MLX90380是一款适用于无刷电机的快速预编程磁性解码器芯片，非常适用于汽车应用以及其它需要快速读取位置的应用。另一款MLX90381则是3D磁性角度编码器芯片，可测量高达50,000 e-rpm的转速。该芯片针对可靠的电机设计进行了优化，具有尺寸小巧、可在模块层级编程、颇具成本效益，且符合ASIL标准。

－ 电感式

Melexis提供最先进的电感式解码器解决方案：MLX90510和MLX90517支持极高的速度和高精度（最大±0.36° el，最高240000 e-rpm）。

磁力计

Melexis还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。其中的 MLX90392 / MLX90393 / MLX90395 / MLX90397 是经过数值优化，需进行后处理的磁力计，适用于消费类应用或汽车应用。

位置传感器

－ 磁性

MLX9042x则是主流系列的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是性能系列，具备高性能、高安全性且功能全面的磁性位置传感器芯片。

－ 电感式

MLX90513是一款一流的电感式位置传感器，Melexis现在广泛采用电感技术，它提供全面的杂散场抗扰度、高安全标准，以及在要求苛刻的应用中提供更高的精度。

LIN电机驱动器

Melexis的全集成LIN电机驱动芯片和预驱动芯片则可降低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。LIN电机驱动芯片支持两线直流电机、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。

Melexis的第三代嵌入式驱动芯片系列包括适用于1~10 W应用的MLX81330、MLX81332和MLX81334 LIN驱动芯片，以及适用于10~2000 W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）48 V预驱动芯片推向市场的先驱企业。

结语

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，有助于提升电机的运作精度、效率。Melexis推出多款用于电机的传感与驱动解决方案，将是优化您的机电一体化应用的理想选择。

审核编辑：刘清