在某些類別的電機驅動應用中，用戶對不可預測、不均勻或不規則的電機行為幾乎沒有容忍度或根本沒有容忍度。雖然這當然不能適用于所有電機驅動的產品——例如電動牙刷或電池供電的玩具，但它們始終密切關注材料清單 (BoM) 成本，并且幾乎總是會接受少量不穩定的電機行為作為最小化電機成本的合理權衡——其他電機驅動應用需要更高水平的操作。

電動工具是一種產品類型的例子，其中可靠和可預測的電機性能是絕對必要的特征?？紤]一下電動鋸用戶在啟動時向后跳或產生向前“打嗝”運動的潛在傷害和/或不安 - 特別是如果他們剛剛在切割中間停止了工具。同樣，市場將很快拒絕在每次使用期間以不同扭矩和/或加速度啟動的電鉆或類似電動工具。

這種對性能至關重要的電機系統的制造商敏銳地意識到用戶的需求，并且通常試圖通過使用有刷直流電機來滿足這些需求，這些電機提供了在啟動和管理時保持換向和全扭矩的可靠能力負載變化。然而，與有刷直流電機相比，它的效率相對較低，并且由于機械磨損或化學污染，刷子在其他組件之前失效的固有趨勢。

相比之下，無刷直流 (BLDC) 電機在許多方面都大大優于有刷直流電機：

效率

零電氣磨損

清潔操作

BLDC 電機控制系統設計人員面臨的主要挑戰是，當換向器被迫在沒有準確和實時的絕對旋轉位置數據的情況下運行時，電機會出現打嗝以及扭矩和加速度不一致的問題。過去，絕對位置傳感只能通過極其昂貴的傳感器獲得：適用于大多數電機系統制造商的 BoM 預算的低成本傳感解決方案未能充分滿足這一要求。

因此，在電動工具和其他對性能至關重要的終端產品中，高效可靠的 BLDC 電機技術通常不受青睞。然而，本文建議電動工具制造商和其他有類似要求的制造商可以通過利用半導體產品類型（磁性位置傳感器 IC）采用 BLDC 電機，它與簡單的磁鐵一起提供絕對位置數據。系統成本低，易于組裝到電機系統中，并使 BLDC 電機始終保持最佳換向。

圖 1：為了保持最大扭矩，換向器必須在轉子旋轉時通過定子保持與轉子磁場正交的磁場。

用于 BLDC 電機控制的位置傳感器選擇

BLDC 電機控制系統必須提供干凈的啟動操作、保持連續換向、實現盡可能高的效率并從可用電力中提取最大扭矩。實現所有這些目標的關鍵是了解轉子相對于定子的位置，這些信息使電機控制系統設計人員能夠實施穩健的電氣驅動管理解決方案（見圖1）。

特別是，絕對位置數據的可用性使電機能夠從任何位置平穩啟動。相比之下，使用離散傳感器或其他控制技術的系統可能會在啟動時執行跳躍或“打嗝”，以便在開始正常運行之前計算其相對于定子的起始位置。由不準確的位置數據引起的扭矩降低如圖2所示。

遺憾的是，迄今為止 BLDC 電機設計人員可用的最簡單、最便宜的位置傳感系統無法實現精確的絕對定位。

圖 2：四極對電機中由于零點偏移導致的轉矩降低。

用于換向的反電動勢或反電動勢位置感測要求電機處于運動狀態，以便感應出用于感測的磁場。這意味著反電動勢系統沒有靜態電機的位置數據，除非它之前已被硬驅動到一個對齊點——該操作將導致電機向前或向后移動到這樣一個對齊點，獨立于用戶。并且在失速或卡住之后，必須重復此過程以實現有序的重新啟動。在所有情況下，在電機到達換向鎖定點之前，在沒有關于絕對轉子/定子定位的數據的情況下，它將遭受扭矩和輸出功率的降低。

圖 3：霍爾開關、光學編碼器和旋轉變壓器都已廣泛用于 BLDC 電機控制系統，但現在正被磁性位置傳感技術所取代。

離散霍爾開關系統通常由三個、五個或更多霍爾傳感器組成，這些傳感器在電機生產過程中固定在適當的位置（見圖3）。放置錯誤會導致效率或功率損失，因此分立式霍爾傳感器系統需要極其精確的組裝才能有效工作。每個霍爾傳感器還需要自己的信號線，使生產過程更加復雜。更糟糕的是，即使傳感器本身固定在絕對位置，它們也無法在整個 360° 旋轉范圍內生成絕對位置數據，而僅限于在任何給定位置上最近的霍爾傳感器的角度切換響應范圍內進行測量。當考慮與角度相關的扭矩損失時，由此產生的位置測量誤差可能很大。

光學編碼器可以產生絕對位置信息，但這需要在組裝過程中將編碼器與電機組件進行物理對齊，或者在系統級存儲零點信息。這種組件類型最具破壞性的缺點是它可能容易受到灰塵、污垢和其他污染物的影響。除非受到密封外殼的保護，否則污染會隨時損害編碼器的性能。

旋轉變壓器能夠提供極其精確和準確的位置測量。但是，典型的旋轉變壓器解決方案（包括旋轉變壓器單元本身以及附加的模擬和數字支持電路）的高成本在大多數消費類應用中，甚至在工業和其他細分市場的最終產品的電機驅動系統中都是令人望而卻步的。

因此，這些位置傳感器選項中的每一個都受到以下一個或多個特性的影響：

啟動時不可預測/意外的電機運動，用戶無法控制

在所有條件下都缺乏準確的絕對位置信息

組裝到電機中的成本和難度

單位成本高

易受污染

但是，如果將多個霍爾傳感器集成在單個芯片中會怎樣？這是在稱為絕對磁性位置傳感器的一系列設備中采用的方法。通過在芯片上制造多個高度敏感的霍爾元件——以及模擬、信號處理和數字電路——可以在與簡單磁鐵配對的單個芯片中實現位置傳感器系統。該芯片通常固定在電機軸的末端，與安裝在電機軸末端或末端的小型低成本圓形兩極磁鐵平行（見圖4）。

圖 4：片上磁性位置傳感器與小型低成本磁鐵配對。

分立式霍爾傳感器解決方案的單芯片替代方案受益于以下特性：

360° 始終準確的絕對位置信息

組裝簡單：芯片安裝在簡單的 PCB 上，只需要一組線對板連接

單位成本低，因為集成電路受益于半導體制造過程中固有的規模經濟

不受化學品、顆粒或其他材料的污染

ams 的 A5047 就是這種單芯片霍爾傳感產品的一個例子，它開創了磁性位置傳感器產品類別。在 AS5047 中，ams 具有使傳感器系統易于設計和制造的功能：

磁鐵和 IC 之間氣隙的可接受范圍——通常為 1 到 2 毫米，具體取決于磁鐵的磁場強度——在生產過程中允許較大的公差。

同樣，轉子和定子的永久、絕對對齊是在機械組裝之后通過片上 OTP 存儲器編程步驟以電子方式完成的。

ams 位置傳感器中實施的差分傳感方案提供了極高水平的雜散場抗擾度，因此在使用離散霍爾傳感器時不需要特殊的磁屏蔽布置。

這個簡單的解決方案可以提供從啟動到最高 28,000 rpm 的絕對位置傳感數據。艾邁斯半導體的動態角度誤差校正 (DAEC) 技術可在內部補償高速傳播延遲，在 28,000 rpm 的恒定速度下將動態角度誤差降至不超過 0.36°。222 ns 的典型絕對位置數據更新時間意味著絕對位置信息可在很寬的轉速范圍內實時使用。利用此位置數據，電機控制系統可以驅動不一致的負載，而不會出現滯后或換向丟失。

AS5047 與低成本的圓形徑向磁體配合使用，可將磁場強度測量值轉換為位置數據。為了簡化系統設計，它可以以 UVW 輸出信號的形式提供這些數據，用于具有 1 至 7 極對的電機的穩態換向，以及提供絕對 14 位位置數據、增量位置數據和其他位置數據如果需要，信息格式。這減輕了主機處理器的負擔并提高了系統效率。

通過以定義的時間間隔監控絕對位置，當只有基于絕對定子/轉子位置的換向管理才能提供最佳電機運行時，系統可以在啟動條件或變化負載下立即切換到絕對角度和計算驅動。這種絕對位置感測方法可以在所有 BLDC 電機管理方案中實施：六步換向、12 步換向、磁場定向控制，甚至 PMSM 式正弦驅動器。

當磁場強度超出其指定范圍以及發生其他操作故障時，傳感器還通過其串行外圍接口提供有用的診斷信息，這使系統能夠標記可能需要注意的問題。

總之，包含多個片上霍爾傳感元件的傳感器 IC 比分立式霍爾傳感器更易于安裝在電機組件中，比旋轉變壓器更便宜，避免了光學編碼器易受污染的影響，并且與反電動勢傳感不同，它提供始終準確的絕對位置數據。通過提供絕對位置測量，AS5047 傳感器可以管理 BLDC 電機，以便始終提供平穩且可預測的電機性能和最佳扭矩。通過使用集成磁性位置傳感器 IC，電動工具和類似終端產品的制造商現在可以用更現代、更高效的 BLDC 電機類型替換有刷直流電機，同時保持用戶期望的高電機性能。

概括

過去，電機制造商通過使用有刷直流電機來滿足用戶對平穩和可預測性能的要求，這些電機在啟動時保持換向和全扭矩，同時管理變化的負載。然而，與有刷直流電機相比，它的效率相對較低，并且由于機械磨損或化學污染，刷子在其他組件之前失效的固有趨勢。

相比之下，無刷直流 (BLDC) 電機在許多方面都大大優于有刷直流電機，包括：

效率

零電氣磨損

清潔操作

BLDC 電機控制系統設計人員面臨的主要挑戰是，當換向器被迫在沒有準確和實時的絕對旋轉位置數據的情況下運行時，電機會出現打嗝以及扭矩和加速度不一致的問題。過去，絕對位置傳感只能通過極其昂貴的傳感器獲得：適用于大多數制造商的物料清單預算的低成本傳感解決方案未能充分滿足這一要求。

因此，在電動工具和其他對性能至關重要的終端產品中，高效可靠的 BLDC 電機技術通常不受青睞。然而，本文建議電動工具制造商和其他有類似要求的制造商可以通過利用半導體產品類型（磁性位置傳感器 IC）采用 BLDC 電機，它與簡單的磁鐵一起提供絕對位置數據。系統成本低，易于組裝到電機系統中，并使 BLDC 電機始終保持最佳換向。

　　審核編輯：湯梓紅