電動工具就是這類產品的例子之一,可靠和可預測的馬達效能是絕對必要的。若電鋸在啟動時後跳或產生如「打嗝(hiccupping)」的動作,則使用者可能會受傷或被嚇到——特別是如果在切割中途停止該工具時。同樣地,若電鑽或類似電動工具在每次使用期間是以不同的扭矩和/或加速度起動,則這些產品也很快就會被市場排拒。

針對這些對效能要求嚴苛的馬達系統,製造商須非常了解使用者的要求。在過去,他們通常是透過使用有刷直流馬達來滿足這些需求,這些馬達能確保在啟動時保持換向和全扭矩,同時管理不同的負載。然而有刷直流馬達有其缺點,包括效率極低,以及機械磨損或化學污染等原因會導致電刷總是比其他元件早發生故障。

相較之下,無刷直流(BLDC)馬達在許多方面都大勝有刷直流馬達,包括:

˙效率; ˙無馬達磨損; ˙運作無汙染。

BLDC馬達控制系統的設計人員所面臨的重大挑戰在於——當換向器被迫在沒有精確和即時的絕對旋轉位置數據的情況下運作時,馬達會受到打嗝及扭矩和加速度不一致的影響。在過去,若想要獲得絕對位置感測,就只能使用非常昂貴的感測器,而符合大多數馬達系統製造商的BOM預算的低成本感測解決方案,並無法完全滿足此一要求。

因此,在電動工具和其他對效能極為要求的終端產品中,高效可靠的BLDC馬達技術一般都沒有獲得好評。然而,本文建議電動工具製造商和其他有類似需求的製造業者,可以透過採用半導體產品型式的磁性位置感測器IC,來發揮BLDC馬達的優勢。這類感測IC與簡單磁體的組合能以低系統成本提供絕對位置數據,且容易組裝於馬達系統中,並能使得BLDC馬達始終保持最佳換向。

BLDC馬達控制的位置感測器選擇

BLDC馬達控制系統必需提供乾淨的啟動運作、維持連續性的換向、達到最高的效率,並從可用的電力中榨取出最大的扭矩。實現所有這些目標的關鍵是了解轉子相對於定子的位置,這些是讓馬達控制系統設計人員能夠創建一個穩健馬達驅動管理解決方案的資訊(圖1)。

20170523TA01P1 圖 1 為保持最大扭矩,換向器必須透過在轉子旋轉時與轉子的磁場正交的定子,來保持磁場。

特別是絕對位置數據的取得能讓馬達自任何位置都能順利啟動。相較之下,使用離散感測器或其他控制技術的系統可能會在啟動時產生跳躍或打嗝,因為如此才能在開始正常運作之前計算其相對於定子的起始位置。圖2顯示不精確的位置數據導致扭矩減少。

20170523TA01P2 圖 2 在四極對(pole-pair)馬達中,零點偏移(zero-point shift)所造成的扭矩減少。

不幸的是,BLDC馬達設計師目前可用的最簡單且最便宜的位置感測系統,還無法提供精確的絕對定位。

用於換向的逆向電動勢Back-EMF(電動力)位置感測需要馬達有所動作,如此才能引發磁場,以用於感測。這意謂著,逆向電動勢系統沒有靜態馬達的位置數據,除非它先前已被硬驅動(hard-driven)至對準點,這樣的運作會導致馬達向前或向後移動至此一對準點,且這不在使用者的控制之下,而在停止或干擾後,還必須重複此過程才能依序重新啟動。在各種情況下,直到馬達達到換向鎖定點之前,馬達都將因為沒有絕對轉子/定子的定位數據,而受到扭矩和輸送功率減少的影響。

在馬達製造期間,離散霍爾開關系統通常是由固定在適當位置的3個、5個或更多個霍爾感測器組成。放置錯誤會導致效率損失或功率損失,因此要非常精確地組裝,才能讓離散式霍爾感測器系統高效率運作。每個霍爾感測器還需要有自己的訊號線,導致生產過程更為複雜化。更糟糕的是,儘管感測器本身固定在絕對位置,但它們不能在整個360°旋轉中產生絕對位置數據,只能受限地在任何給定位置處最近的霍爾感測器的角度切換響應範圍內進行測量。考量到角度相關的扭矩損失,其所造成的位置測量誤差可能非常顯著。

光學編碼器可以產生絕對位置資訊,但是這需要在組裝期間將編碼器與馬達元件進行物理對準,或是需要針對零點資訊進行系統級的儲存。這種元件類型的最致命缺點是其無法抵抗灰塵、汙垢和其他汙染物所帶來的傷害。除非受到密封外殼的保護,否則編碼器效能可能隨時會受到汙染物的損害。

分解器(resolver)能提供極為精確和準確的位置測量,但是在大多數消費性應用,甚至是工業和其他市場領域終端產品的馬達驅動系統中,典型的分解器解決方案——包括分解器單元本身加上額外的類比和數位支援電路——的高成本使其不被青睞。

此外,這些位置感測器選項中的每一個都或多或少具有以下缺點:

˙啟動時不可預測/意外的馬達動作,不受使用者控制; ˙無法在各種條件下提供準確的絕對位置資訊; ˙組裝於馬達的成本及難度高; ˙單位成本高; ˙易受汙染。

但是如果將多個霍爾感測器整合在單晶片上呢?這就是被稱為絕對磁性位置感測器系列裝置所採用的方法。透過在晶粒上製造出多個高靈敏度的霍爾元件及類比、訊號處理和數位電路,就能透過與簡單磁體配對的單晶片來實現位置感測器系統。該晶片通常固定在馬達軸的末端,平行於安裝在馬達軸上或其末端的小型、低成本的圓形雙極磁體(圖3)。

20170523TA01P3 圖3 磁性位置感測器晶片與小型、低成本的磁鐵配對。

用來替代離散霍爾感測器解決方案的單晶片具有以下優點:

˙總是精確的絕對位置訊息,涵蓋360度; ˙簡單的組裝:晶片安裝在簡單的印刷電路板(PCB)上,只需要一組線對板連接(圖4); ˙單位成本低,因為IC可以受惠於半導體製程既有的經濟規模效益; ˙不免受化學品、灰塵或其他物質的汙染。

ams的A5047就是此種單晶片霍爾感測產品的例子,它是此類磁性位置感測器中的產品之一。在AS5047中,ams提供許多讓感測器系統更易於設計和製造的特性:

˙磁體和IC間的氣隙可接受範圍通常為1~2mm,取決於磁鐵的強度——如此可容許製程出現大量公差; ˙同樣的,透過晶片上一次性可編程(OTP)記憶體的編程步驟進行機械組裝後,可以利用電子方式完成永久、絕對的轉子和定子對準; ˙位置感測器的差分感測方案提供高水準的雜散場抗擾度(stray field immunity),因此不需使用離散式霍爾感測器時所需的特殊磁屏蔽佈局。

20170523TA01P4 圖4 一個位置感測系統晶片,例如奧地利微電子的AS5047只需要IC(圖示的電路還包括PCB上其他與位置感測器無關的部分),以及安裝在非有色金屬(non-ferrous)載體上軸末端的磁體。

這種簡單的解決方案可以提供從啟動到最高28,000rpm轉速的絕對位置感測數據。ams的動態角度誤差校正(DAEC)技術能補償高速下的傳播延遲,在28,000rpm的恆定速度下,將動態角度誤差降低至0.36度以下。絕對位置數據的更新時間一般為222ns,這就意謂在寬廣的RPM範圍內都能即時使用絕對位置資訊。根據這個位置數據,馬達控制系統可以驅動不一致的負載,而不會產生滯後或無法換向的情況。

搭配低成本的圓形直徑磁體,感測器IC將磁場強度測量值轉換為位置數據。為了簡化系統設計,它能以UVW輸出訊號的形式提供數據,用於從1~7極對的馬達穩態換向,並能提供絕對的14位元位置數據、增量位置數據,以及其他所需的位置資訊格式。這能減輕主機處理器的負擔,並提升系統效率。

以定義的間隔監視絕對位置,當只有基於絕對定子/轉子位置的換向管理才能提供最佳的馬達運行時,在啟動條件下或是針對不同負載,系統可以立即切換至絕對角度和經過計算的驅動。所有的BLDC馬達管理方案都能採用這種絕對位置感測方法,這些方案包括:6步換向、12步換向、場定向控制,甚至是永磁同步馬達(PMSM)型正弦驅動。

當磁場強度超出其指定範圍及發生其他運作錯誤時,感測器還會透過其串列周邊介面提供有用的診斷資訊,使系統能夠標記可能需要注意的問題。

總而言之,包含多個晶片上霍爾感測元件的感測器IC,較離散式霍爾感測器更容易安裝在馬達零件中、比分解器便宜,不像光學編碼器易受汙染影響,且不同於逆向EMF感測,感測器IC能隨時提供精確的絕對位置數據。

藉由提供絕對位置測量,感測器讓BLDC馬達可以被管理,如此就能時時提供平順且可預測的馬達效能,以及最佳化的扭矩。透過使用整合型磁性位置感測器IC,電動工具製造商和類似終端產品的製造業者現在可以採用更現代化、更高效率的BLDC馬達來取代有刷直流馬達,同時仍維持使用者期望的高水準馬達效能。