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集成光编码器用于BLDC电机反馈

供稿:创意电子有限公司 2014/4/4 14:23:17

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在工业大多数的电能损耗来自大型电机和固定速度的驱动系统。因此,能效运动控制系统应适应未来实际负载需求应用。BLDC电机满足这一要求通过电子换向和调速控制。电机磁极绕组换向在最佳的转子位置的是非常重要的,用于减少电损耗当使用可变转速和负载的情况。本文讨论了不同的霍尔传感器布置和一体化技术发展趋势。

 

转子位置反馈可靠性是很重要的,对于运动控制系统的性能。它允许定子绕组精确的换相,最大限度地减少电机电损耗。通常在120˚相移UVW信号用于激活BLDC电机驱动器的换向。不同的选项are available today to generate the UVW signals.可产生UVW信号。

这可以使用霍尔传感器或开关,可以组装在绕组中安装在一个小的PCB上面;计算软件基于反电动势数据从定子绕组;连接在电机轴上的光学或磁编码器;或先进的单片光学或磁编码器芯片集成motorhousing.电机外壳当中。

霍尔传感器或开关广泛用于BLDC电机,由于其低元件成本。这种方法需要有效的算法来计算UVW,从测得的反向电动势。同时快速微处理器或DSP需要减少执行时间和减少额外的延迟时间。这种方法的局限,UVW信号的产生可以在快速负载变化,在低转速和在同步操作上观看到。硬件中检测转子的绝对位置被认为是the most reliable option. Attaching an optical ormagnetic encoder unit to the BLDC最可靠的选择。连接在BLDC电机上的光学或磁性编码器是有利的,当需要高精度动态定位,如果motor is advantageous when very high precisiondynamic positioning is required andif the application is not cost sensitive.应用对成本不敏感。

 

霍尔传感器用于换向

在一个BLDC电机使用三个分离的霍尔传感器/开关产生UVW信号基于传感器的安装位置,无论是在定子绕组,或组装在小PCB上,120˚240˚,位置相对转子永磁体。在某些情况下,一个磁极环连接到轴可以用。1的左边显示了三个霍尔传感器/开关的机械位置,resulting UVW signals generated. The positionaccuracy of the UVW signals in relation用于UVW信号的产生。UVW信号定位精度与关的to the actual rotor position转子实际位置depends on the mounting取决于安装tolerances and matching of公差与配合霍尔传感器/开关的灵敏度和稳定性。磁场变化很多,由于a lotover temperature, rotor超温,转子速度和操作寿命(永磁老化),位置误差很容易累加to +/-3˚ or more.+/ - 3˚或更多。

另一种方法使用四个集成霍尔传感器并且信号调理生成正弦/余弦信号,其中在360˚


选择磁/光学电机编码

图 1: BLDC电机位置检测的选择用于换向

现代混合信号集成的研究进展,让霍尔阵列加上所有的正弦/余弦信号调理和插值用于绝对位置,能够在一个编码器IC集成代替the threediscrete Hall sensor/switches, a single三个分离的霍尔传感器/开关,一个单一的5x5mm封装可以组装在同一个PCB (see igure 1).PCB上(参图1)。

Z信号标志转子的零位置,允许从ABZ信号以简单的方法计算电机的绝对位置,control or motion control system.在电机控制和运动控制系统。

从绝对位置也可以产生增量ABZ信号可用于监测快速位置变化,以非常低的延迟。图2显示了上/AB信号编码,用于增量操作。当电机的方向反转AB信号改变其相移。Z信号标志转子的零位置,允许从ABZ信号以简单的方法计算电机的绝对位置,control or motion controlsystem.在电机控制或运动控制系统。


图2: 通过正弦/余弦产生UVW和ABZ

With a sine/cosineto UVW interpolation用正弦/余弦到UVW,插值unit the commutation signals can be单元的换向信号可以产生两个,四个或多个磁极BLDC-motor types. In this case eachBLDC电机类型。在这种情况下,每个commutation signal is shifted by 60˚ in换向信号偏移了60˚phase. It can be used to control directly相位。它可以直接控制the BLDC-driver unit for block commutation.

BLDC驱动单元用于块换向。它也可以通过电机控制器用来产生正弦波换向。一个集成的单芯片磁编码器通常有多输出选项,用于电机控制器或高级运动控制器。但进展远落后于当前的需求。

 

提出了通过单芯片编码器集成

单芯片编码器一体化的进展,使一个完整的片上系统具有多个输出选择用于BLDC电机。图3显示了BLDC电机反馈选项,以iC-MH8作为一个例子。在顶部的UVW其他信号的输出选项设置,例如绝对位置通过SSI / BiSS接口,


图3: 绝对磁编码器电机控制带输出选项

芯片上的正弦/余弦信号放大到to 1 Vpp andprovided through a diferential1 Vpp,并且通过一个差分模拟输出驱动器,用于analogue output driver for external monitoring外部监测或独立的插补。他们也被用于12位实时正弦数字转换器/插补器,以一个非常低时间延迟1μs.,小于1μS

12位提供了一个小于0.1˚的分辨率。一个绝对位置可读出通过串行SSI(同步串行接口)或BiSS接口(双向同步串行接口)的运动控制器。一个开放标准的SSI / BISS提供高速串行接口,也用于生产线配置。如果需要,集成的RS422线路驱动器支持长电缆到电机或运动控制器。ABZ信号以2MHz的频率更新并且延迟时间小于the 1μs. The zero position can be programmed in1μS。零位可编程256 steps (1.4˚) for the incremental and 192steps256步(1.4˚)用于增量,192(1.8°)用于UVW接口。

也很重要的是要有设置和调理模拟信号的能力。这需要一个高质量编码器输出信号。选择BLDC电机换向磁极设置,可用于各种不同的电机设备类型。可调设置存储在编码器芯片的RAM并且能够编程到片内非易失性ROM,上电后可读。

光集成也可能

   磁性编码器芯片能够更好的用于非常苛刻,灰尘和严格的环境。然而光单片编码器芯片带换向输出通过光学系统集成同样变为可能。其性能更高一些,但对比表明,两种技术齐头并进。图4显示了两个单芯片光学编码器带增量和UVW输出。这里的分辨率定义是码盘确定的,并且使用三个光学传感器用于产生UVW。电机的极对数定义是码盘设计确定的。例如,四个光电二极管阵列可以提供高达20,000CPR用一个直径33.2mm的码盘。特殊的封装如optoQFN符合这个光学解决方案需要。

现在的混合信号集成能力可以提供可靠、高度灵活单片编码器芯片,并且可配置磁编码器反馈选项具有12位分辨率。这与传统的霍尔传感器/开关系统相比较,具有高性能集成到电机壳体。在光学编码器带有集成的UVW输出选择,也是单芯片解决方案的发展趋势。这些趋势支持增强性能提高电机电子换向的能量效率,通过最好的电机反馈解决方案。


图 4: 光学单芯片电机编码器芯片带UVW换向





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