Bei bürstenlosen DC-Motoren Absolute Positionsmessung für bessere Motorkommutierung

Positionsbestimmung mit einem Chip

Aber was wäre, wenn multiple Hallsensoren in einen Einzelchip integriert wären? Diese Methode wird in einer Gerätefamilie eingesetzt, die als absolute magnetischen Positionssensoren bezeichnet werden. Mehrere hochempfindliche Hallelemente sind darin zu-sammen mit einer analogen Signalverarbeitung und digitalen Schaltungen auf einem Chip untergebracht. So kann ein Positionssensorsystem in einem Einzelchip, gepaart mit einem einfachen Magneten, implementiert werden. Der Chip wird üblicherweise am Ende der Motorwelle fixiert, parallel zu einem kleinen, kostengünstigen zweipoligen Rundmagneten, der auf oder in das Ende der Motorwelle montiert wird (Bild 3).

Die Einzelchip-Alternative zu einer diskreten Hallsensorlösung profitiert von folgenden Eigenschaften:

  • genaue absolute Positionsinformationen über 360°
  • einfache Montage: Der Chip wird auf eine einfache Leiterplatte montiert
  • niedrige Stückkosten, da eine integrierte Schaltung von den Größenvorteilen der Halbleiterfertigung profitiert
  • Immunität gegen Verunreinigung durch Chemikalien, Partikel oder andere Materialien

Einzelchip-Hallsensor A5047

Ein Beispiel für ein solches Einzelchip-Hallsensorprodukt ist der A5047 von ams. Darin sind Funktionen integriert, durch die das Sensorsystem einfach zu entwickeln und herzustellen ist:

Der akzeptable Bereich für den Luftspalt zwischen Magnet und IC (üblicherweise 1 mm bis 2 mm, je nach Stärke des Magnetfelds) ermöglicht große Toleranzen im Produktionsprozess. Ebenso erfolgt die permanente, absolute Ausrichtung von Rotor und Stator nach der mechanischen Montage elektronisch durch einen On-Chip-Speicher-Programmierungsschritt. Das differenzielle Sensorschema in Positionssensoren von ams bietet eine hohe Streufeldimmunität, sodass keine speziellen magnetischen Abschirmungsmaßnahmen gebraucht werden, wie sie bei diskreten Hallsensoren notwendig sind.

Diese einfache Lösung kann absolute Positionserfassungsdaten vom Start bis zu einer hohen Maximalgeschwindigkeit von 28.000 U/min liefern. Die Technologie DAEC (Dynamic Angle Error Compensation) von ams kompensiert intern die Laufzeitverzögerung bei hoher Geschwindigkeit und verringert den dynamischen Winkelfehler auf unter 0,36° bei einer konstanten Geschwindigkeit von 28.000 U/min. Eine typische Absolut-Positionsdaten-Aktualisierungszeit von 222 ns bedeutet, dass absolute Positionsinformationen in Echtzeit in einem großen Drehzahlbereich zur Verfügung stehen. Durch die Nutzung dieser Positionsdaten kann ein Motorsteuerungssystem ungleichmäßige Lasten ohne Verzögerungen oder verlorene Kommutierung ansteuern.

Kommutierung für bis zu siebenpolige Motoren

Gepaart mit einem diametral magnetisierten Rundmagneten wandelt der AS5047 Magnetfeldstärkenmessungen in Positionsdaten um. Um das Systemdesign zu vereinfachen, kann er diese Daten in Form von UVW-Ausgangssignalen für eine stabile Kommutierung von Motoren mit ein- bis siebenpoligen Paaren liefern und bietet außerdem auch absolute 14-bit-Positionsdaten, inkrementelle Positionsdaten und andere Positionsinformationsformate. Das entlastet den Host-Prozessor und erhöht die Systemeffizienz.

Durch Überwachen der absoluten Position in definierten Intervallen kann das System sofort auf die jeweiligen Anforderungen reagieren: Beispielsweise kann unter Startbedingungen der absolute Winkel gemessen werden, um daraus der optimalen Antrieb zu berechnen. Auch bei unterschiedlichen Lasten sorgt das System dafür, dass das Kommutierungsmanagement basierend auf der absoluten Stator-/Rotor-Position einen optimalen Motorbetrieb bietet.

Zudem liefert der Sensor über seine serielle periphere Schnittstelle nützliche Diagnoseinformationen, zum Beispiel wenn die Magnetfeldstärke außerhalb des spezifizierten Bereichs liegt. Auch andere Betriebsstörungen werden erkannt, wodurch das System mögliche Probleme anzeigen kann, die eventuell beachtet werden müssen.

Im Ergebnis ist ein Sensor-IC mit multiplen On-Chip-Hallsensorelementen einfacher in Motorenaggregate zu montieren als diskrete Hallsensoren, ist kostengünstiger als ein Resolver, vermeidet die Anfälligkeit des optischen Drehgebers für Kontamination und liefert, anders als Back-EMF-Sensoren, jederzeit genaue absolute Positionsdaten. Dank der absoluten Positionsmessung ermöglicht der AS5047-Sensor ein BLDC-Motormanagement für eine problemlose und vorhersehbare Motorleistung mit optimalem Drehmoment zu jeder Zeit.

Der Autor

Norwood Brown

ist Staff Field Application Engineer bei ams in den USA. Er kam 2012 als Regional Field Application Engineer zu ams. Von 2000 bis 2012 hatte er Application-Engineering-Funktionen bei Vertreibern elektronischer Bauteile in den USA inne. Zuvor war Norwood in verschiedenen Design-Engineering- und Engineering-Management-Funktionen bei einem OEM für medizinische Ausrüstung tätig. Norwood verfügt über einen Bachelor of Science in Elektrotechnik der University of Alabama in Birmingham.