隨著全球工業(yè)自動(dòng)化、智能化和人們生活水平的提高，電機(jī)在汽車、家用電器、電子音像、信息處理設(shè)備，以及工業(yè)自動(dòng)化等領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。相對(duì)于電機(jī)200多年的歷史，無刷直流（BLDC）電機(jī)其實(shí)是相對(duì)來說比較年輕的，從發(fā)展至今也就50多年的歷史。但是隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展、MCU和驅(qū)動(dòng)組件的普及，使得BLDC電機(jī)的總體成本降低了很多，因此，這幾年BLDC電機(jī)得到了快速發(fā)展，其總體成長率也高于電機(jī)的成長率。根據(jù)市場研究報(bào)告，2019年BLDC的市場規(guī)模約為163億美元，預(yù)計(jì)到2024年將會(huì)達(dá)到224.4億美元左右，未來幾年BLDC電機(jī)的年復(fù)合增長率將會(huì)是6.5%左右。

顧名思義，無刷直流電機(jī)沒有電刷觸點(diǎn)，需要使用電機(jī)位置傳感器來測量定子與轉(zhuǎn)子之間的相對(duì)位置，以確保定子線圈按正確順序通電。BLDC內(nèi)含定子上的電磁鐵以及可動(dòng)轉(zhuǎn)子上的永久磁鐵。用于無刷直流電機(jī)的電機(jī)有兩種：內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)和外轉(zhuǎn)子電機(jī)。內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁體位于定子的內(nèi)部，外轉(zhuǎn)子電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁體位于定子的外部。其基本原理是按順序激勵(lì)各相，從而拉動(dòng)永磁體旋轉(zhuǎn)。下圖顯示了BLDC內(nèi)轉(zhuǎn)子組件與外轉(zhuǎn)子組件。

內(nèi)轉(zhuǎn)子(inrunner) vs.外轉(zhuǎn)子(outrunner)

當(dāng)需要檢測轉(zhuǎn)子的位置和速度時(shí)，一般使用的四種傳感器是霍爾效應(yīng)傳感器、AMR/GMR/TMR傳感器、增量和絕對(duì)值編碼器以及旋變器?；魻栃?yīng)傳感器的成本最低，也最易使用，通常內(nèi)嵌在BLDC的定子中；AMR/GMR/TMR傳感器使用一個(gè)磁體，因?yàn)樗惭b在BLDC的轉(zhuǎn)子上，所以可以檢測該磁體的運(yùn)動(dòng)；增量編碼器和絕對(duì)值編碼器直接安裝在轉(zhuǎn)子軸上，并使用一些外部電路對(duì)其進(jìn)行檢測；旋變器也安裝在轉(zhuǎn)子軸上，在這些傳感器中，它的成本最高，但可以提供非常精確的反饋。

BLDC電機(jī)如何實(shí)現(xiàn)高精度控制？角度傳感器少不了

要實(shí)現(xiàn)電機(jī)的精確控制和高效換向，高分辨率電流和旋轉(zhuǎn)位置信息至關(guān)重要。一般而言，在基于旋變器的系統(tǒng)中，分辨率和精度可能非常高，但終端解決方案可能價(jià)格昂貴且體積較大，這是因?yàn)樾兤鞅旧頃?huì)占用較大的物理空間。無傳感器方案也可用于檢測反電動(dòng)勢電流，而且還能降低傳感器重量和成本，但是電機(jī)啟動(dòng)性能可能是個(gè)問題，因?yàn)檫@時(shí)不會(huì)產(chǎn)生反電動(dòng)勢，因此就無法 得到可用的位置數(shù)據(jù)。其他解決方案，例如利用三個(gè)霍爾效應(yīng)傳感器檢測電機(jī)磁體的位置，通常用于對(duì)成本敏感的應(yīng)用中。這種情況下，要求的分辨率可以實(shí)現(xiàn)，但需要監(jiān)控三個(gè)信號(hào)。此外，這些傳感器不是配套的，這可能會(huì)產(chǎn)生空間和安裝難題。

一種替代方案是使用基于異性磁阻(AMR)技術(shù)的角度傳感器，不僅可實(shí)現(xiàn)高角度精度，而且可將一個(gè)檢測元件和電子電路集成在同一封裝中。這可獲得非常小的傳感器子系統(tǒng)，并且能夠在電機(jī)總成內(nèi)定位傳感器。ADI公司與MR技術(shù)的領(lǐng)導(dǎo)者——Sensitec GMBH——合作開發(fā)的AMR傳感器ADA4571，將高精度AMR傳感器和高性能儀表放大器集成在單個(gè)封裝中，在?40°C至+150°C的寬工作溫度范圍下進(jìn)行的生產(chǎn)測試得到的最大角度誤差為0.5°，該產(chǎn)品具有內(nèi)置診斷功能、大輸出電平、EMC保護(hù)以及低失調(diào)偏移，因此是非常理想的傳感器，它能夠?qū)崿F(xiàn)高性能BLDC電機(jī)控制，而且速度超過25000 RPM。

業(yè)內(nèi)精度、速率均領(lǐng)先的磁性角度傳感器ADA4571

ADA4571直接測量電機(jī)位置，可有效降低噪聲、優(yōu)化平滑度和扭矩性能，有助于BLDC電機(jī)的設(shè)計(jì)師達(dá)到最加嚴(yán)格的環(huán)境、噪聲和能耗要求。這款傳感器經(jīng)過汽車應(yīng)用認(rèn)證，集成一個(gè)定制型混合信號(hào)調(diào)理IC以及采用AMR技術(shù)的檢測元件，可在廣泛的電機(jī)應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)直接、非接觸式和無磨損的角度測量，包括電動(dòng)輔助轉(zhuǎn)向、制動(dòng)、主動(dòng)式懸架、穩(wěn)定性控制等汽車系統(tǒng)

BLDC電機(jī)中角度傳感器安裝示例

AMR檢測元件的布局決定著器件的最終性能。對(duì)于大部分BLDC控制系統(tǒng)，根據(jù)可用空間和電機(jī)軸安裝的便利性，傳感器的配置和安裝有許多選擇方式。下圖顯示了ADA4571的兩個(gè)配置示例。

BLDC系統(tǒng)與ADA4571 (a)軸端系統(tǒng)(b)軸側(cè)系統(tǒng)

典型的軸端配置包括一個(gè)安裝在旋轉(zhuǎn)軸上的直徑磁化盤式磁體，該磁體安裝在電機(jī)總成內(nèi)部，如上圖(a)所示，該磁體可提供一個(gè)穿過傳感器平面的磁場。在此配置中，無需使機(jī)械和電氣組件接觸即可直接讀取轉(zhuǎn)子角度。由于AMR技術(shù)不依賴磁場強(qiáng)度，因此能夠耐受氣隙變化。不依賴磁場強(qiáng)度還可增大機(jī)械容差并使磁體材料的選擇簡單化。緊湊的軸端配置意味著傳感器可直接安裝在非?？拷娮涌刂蒲b置（微控制器、MOSFET）的印刷電路板(PCB)上，從而能夠最大限度減少信號(hào)路由并減小與惡劣電機(jī)環(huán)境的距離。

另一種可能的配置是上圖(b)所示的軸側(cè)系統(tǒng)。軸側(cè)配置可用于待檢測軸無法在端頭安裝磁體的應(yīng)用。在此配置中，由磁極環(huán)提供激勵(lì)，傳感器和磁極環(huán)可安裝在軸上的任意位置。典型應(yīng)用包括電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向泵或由于空間限制不能使用軸端的BLDC電機(jī)。

由于ADA4571能夠提供低延遲和精確的位置反饋信息，因此可對(duì)電機(jī)各相的電流進(jìn)行精確控制，從而使電機(jī)對(duì)動(dòng)態(tài)負(fù)載做出順暢響應(yīng)，或在變化的條件下維持恒速。最終結(jié)果就是更好的控制、最大的扭矩、更高的啟動(dòng)/停止效率，以及更佳的運(yùn)行狀況。

總結(jié)

據(jù)統(tǒng)計(jì)，發(fā)達(dá)國家每個(gè)家庭平均擁有的電機(jī)數(shù)量是80到130臺(tái)，而我國大城市家庭平均擁有的電機(jī)數(shù)量大約在20到40臺(tái)之間，目前還遠(yuǎn)低于發(fā)達(dá)國家的平均水平，因此，國內(nèi)的電機(jī)產(chǎn)業(yè)還有很大的發(fā)展空間。此外，2019年國家相關(guān)政策將逐漸向綠色、智能家電產(chǎn)品傾斜，而這也正是BLDC最合適的應(yīng)用領(lǐng)域。ADI的AMR傳感器集成了信號(hào)調(diào)理放大器和ADC驅(qū)動(dòng)器，可提供非常低的角度誤差信號(hào)（通常在0.1度范圍內(nèi)），同時(shí)具備可忽略的遲滯、高帶寬、低延遲和良好的線性度，這些特性能夠幫助減少轉(zhuǎn)矩波動(dòng)和可聽到的噪聲，實(shí)現(xiàn)順暢、高效的BLDC電機(jī)控制。