BLDC电机控制原理分析、电路设计技巧

电子月

在终端市场上，利用无刷直流电机（或简称为BLDC）技术取代交流电机或高效率的机械泵已经取得了重大进展。

相对于交流电机，使用BLDC的优点包括：更高的功效和热效率、体积较小、性能更可靠。此外，由于BLDC利用电子换向来代替传统的机械换向，使应用速度范围变得更容易控制扭矩和速度参数，也可以实现一些更复杂的控制如维持扭矩或速度极限。正是由于这些优点，BLDC正在进入越来越多的现有的和新兴的应用。

BLDC电机控制中的角度传感器

为了实现电机的精确控制和高效换向，高分辨率电流和旋转位置信息至关重要。一般旋转器的系统设计虽然可达到较高的分辨率和精度，但仍然要考虑实体占用空间大及成本高的问题。无传感器方案可用于检测反电动势电流，还可以降低传感器重量和成本，但由于无法得到有效的位置数据来产生反电动势，电机启动性能可能存在问题。其他解决方案，例如利用三个霍尔效应传感器来检测电机磁铁的位置，通常用于成本敏感的应用中。在这种情况下，虽然实现了分辨率，但必须同时监视三组信号。在空间不足的情况下，传感器的安装也会成为技术上的挑战，这也是另一种潜在的问题。

另一种方案是使用基于异性磁阻(Anisotropic Magneto-Resistive，或简称AMR)技术的角度传感器(Angle Sensor)。 AMR技术是磁感应用的一种，可实现高角度精度，并且可将单个传感元件与电子电路集成在同一封装中。从而实现传感器系统的小型化，并且使得将传感器定位在电机组件内成为可能。

AMR 与光学传感技术的比较

与传统光学传感技术比较，AMR技术可提供较小巧的外观、低成本，并且更适合在恶劣环境下工作，例如肮脏及温度变化的工作环境中。表1列举了两者之间的比较，从中可以明显看出在无刷直流电机中使用AMR的优点。

AMR传感器技术原理

基于AMR原理的传感器的材料电阻率取决于相对于电流方向的磁化方向。AMR传感器是在磁饱和状态下工作，因此外加的磁场的主导了电阻变化。当外磁场和电流方向平行时，电阻最大；而当施加的电场垂直于载流磁感应合金的平面时，电阻最小。图1显示了AMR传感器工作原理的简化图。

AMR传感器的选择

为了确保电机转动的高精准度，在选择角度传感器时有以下建议 :

• 能感应360° 旋转角，可以准确测量绝对角度位置(Absolute Angular Position)；
• 角度误差率较低；
• 拥有线性稳定的误差率，方便让主微控制器(Microcontroller) 执行偏移校正的计算。
  

以Analog Devices公司的ADA4571系列为例，图2显示了旋转磁场施加在360° 机械旋转情形时ADA4571的典型高输出电平和角度误差。经微控制器进行偏移校正后，典型误差小于0.1°。

角度传感器的安装

针对大多数BLDC控制系统，根据可用空间大小和电机轴的可接近性，有许多方法来配置和安装传感器。以ADA4571作例，如图3所示是两个较普遍的安装配置。

图3a是典型电机轴端系统，在旋转轴上安装了一个直径磁化盘式磁体，让磁体提供穿过传感器平面的磁场。在这种配置中，可直接读取转子角度，而没有机械和电气组件之间的接触。由于AMR技术不依赖于磁场强度 (Field Strength) ，因此它对于气隙变化(air-gap variation) 有较大容忍度，使得工程师在对材料的选择，以及对磁体物料的机械公差要求上，更为灵活。

图3b是轴侧系统，此配置可用于那些待检测的轴不能在端头安装磁体的应用。在这种配置中，磁体提供磁场，传感器和磁化盘可以安装在轴上的任何位置，使得有空间限制的应用有多一种选择。

总结

对于工业和汽车BLDC电机控制系统的设计人员来说，磁感的角度传感器提供了一个小巧、坚固且易于组装的位置传感解决方案。在选择角度传感器时，需要注意以下三个要点：

• 能感应360° 旋转角，可以准确测量绝对角度位置(Absolute Angular Position)；
• 角度误差率较低；
• 拥有线性稳定的误差率，以便主微控制器(Microcontroller) 执行偏移校正的计算。
  

在安装上，角度传感器也为工程师提供了跟具灵活性的安装方案，包括“轴端系统”配置及“轴侧系统”配置，以应对空间不足的应用场景。