提升BLDC马达控制性能，这个传感器是如何做到的？

磁定位感测器可为工业和汽车BLDC马达控制系统设计人员提供小型、稳健且易于组装的定位检测解决方案。诸如ADI ADA4571等测角感测器能够提供高速、高准确度、经生产测试保证的全测角准确度、整合式诊断功能以及低功耗作业模式，不仅确保元件的安装和校准设置简便，同时也减少了使用者的软体开销。

近年来，许多终端市场和应用的一个明显趋势是用高效率的无刷直流马达(BLDC)取代交流(AC)马达或机械泵。使用BLDC马达的一些主要优点包括：更高的功率和热效率、更佳的空间/重量效率、更高的可靠性(无刷)，以及在危险环境下操作更安全(不会像有刷马达一样产生刷粉或火花)。

此外，由于BLDC马达采用电子换向方式，因此更易于在应用的速度范围内控制扭矩和速度参数，并且能够实现更复杂的控制，例如持续保持扭矩或速度极限。凭藉这些优点，BLDC马达在众多现有和新应用中占得了一席之地。

在汽车领域，BLDC马达已用于取代液压执动器和有刷马达，这不仅能够减少重量/尺寸、延长工作寿命、降低维护成本，而且能够大幅提高整体系统性能和效率。随着汽车产业朝向最佳化燃油效率发展，BLDC马达现在能够实现相应的性能，从而有助于为动力传动系统、动力转向和HVAC系统以及启动马达/发电机和各类泵(水/燃料/油)减轻负载。

磁角感测器在BLDC马达控制的作用
要实现马达的精确控制和高效率转向，高解析度电流和旋转位置资讯至关重要。 一般而言，在基于旋变器的系统中，解析度和准确度可能非常高，但终端解决方案可能价格昂贵且体积较大，这是因为旋变器本身会占用较大的实体空间。无感测器方案也可用于检测反电动势(EMF)电流，而且还能降低感测器重量和成本，但是马达启动性能可能出现问题，因为这时不会产生反电动势，也就无法得到可用的位置资料。 其他解决方案，例如利用三个霍尔效应感测器检测马达磁体位置，通常用于对成本敏感的应用中。在这种情况下，可以达到所要求的解析度，但必须监控三种讯号。此外，这些感测器不是配套的，可能会产生空间和安装等难题。

一种替代方案是使用基于异向磁阻(AMR)技术的磁角感测器，这些感测器既便宜又精确。藉由ARM感测器，不仅可实现较高的测角准确度，而且可将单一检测元件和电子电路整合在同一封装中。这可获得非常小的感测器子系统，并且能够在马达组装中定位感测器。

ADI与MR技术业者Sensitec展开合作，共同提供整合高准确度AMR感测器和高性能仪表放大器于单一封装的ADA4571元件。ADA4571可在-40℃至+150℃的宽广作业温度范围进行的生产测试取得0.5°的最大角度误差，而且具有内建诊断功能、大输出电平、EMC保护以及低偏置漂移，因而成为可实现高性能BLDC马达控制且速度超过25000 RPM的理想感测器。

AMR技术
基于AMR理念的感测器是一种材料电阻率取决于磁化方向(相对于电流方向)的元件。 该感测器通常沉积为薄膜透磁合金(磁性铁镍合金)。AMR感测器在磁饱和状态下作业，因此外部磁场对电阻变化具有决定作用。当外部磁场和电流方向平行时的电阻最大，施加磁场与载流透过磁合金的平面垂直时电阻最小。AMR感测器如何运作的简化图如图1所示。

图1：AMR工作原理

将两个独立的惠斯登电桥(Wheatstone bridge)配置以彼此呈45°的方式排列时，可实现角度感测器，其正弦和余弦输出取决于外部磁场方向。此配置提供了具有180°绝对测量范围的感测器。

图2：360°机械旋转时的ADA4571误差(灰色)和输出波形(橙色/蓝色)

图2显示旋转磁场施加在360°机械旋转时，ADA4571的典型高输出电平和角度误差。 在微控制器中进行偏置校正和反正切计算之后，典型误差小于0.1°。

感测器安装
对于大部份BLDC控制系统，根据可用空间和马达轴安装的便利性，配置和安装感测器有许多选择方式。图3显示ADA4571的两种配置示例。

图3：BLDC系统与ADA4571 (a)轴端系统(b)轴侧系统

典型的轴端配置包括一个安装在旋转轴上的直径磁化碟式磁体，该磁体安装在马达组装内部，如图3(a)所示。该磁体可提供一个穿过感测器平面的磁场。

在此配置中，无需使机械和电子元件接触即可直接读取转子角度。由于AMR技术不依赖磁场强度，因而能够耐受气隙变化。不依赖磁场强度还可增大机械容差，简化磁体材料的选择。

紧密的轴端配置意味着感测器可直接安装在非常靠近电子控制装置(微控制器、MOSFET)的印刷电路板(PCB)上，从而能最大限度减少讯号绕线以及接近恶劣的马达环境。

另一种可能的配置是图3(b)所示的轴侧系统。轴侧配置可用于待检测轴无法端接磁体的应用。在此配置中，由磁极环提供激励，感测器和磁极环可安装在轴上的任意位置。典型的应用包括电力转向泵或由于空间限制无法使用轴端的BLDC马达。

采用像ADA4571一类的测角感测器，能够提供低延迟和精确的位置回馈资讯，对于马达各相的电流进行精确控制，从而使马达对动态负载做出顺畅回应，或在变化的情况下维持恒定速度。最终结果就是更妥善的控制、最大的扭矩、更高的启动/停止效率，以及更佳的运作状况。