Sensorik
Magnetische Positionssensoren erhöhen das Drehmoment von BLDC-Motoren
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Höhere Präzision bei hoher Geschwindigkeit
Die bisherigen Generationen magnetischer Positionssensor-ICs weisen jedoch einen Nachteil auf: Der Sensor benötigt eine bestimmte Zeit, um den Winkel auf Basis der von den Hall-Elementen im IC erfassten Magnetfelddaten zu berechnen. Diese Zeit, auch Signallaufzeit genannt, verursacht ein Fehlersignal, das mit zunehmender Drehgeschwindigkeit des Rotors größer wird. Wird dieser Fehler nicht korrigiert, kommt es zu einem verringerten Drehmoment und folglich einem Leistungsverlust.
Anwender magnetischer Positionssensoren versuchen, den Signalfehler durch Versatz des gemessenen Winkels zu reduzieren, indem sie eine Berechnung im MCU oder ECU durchführen, um den Offset-Umfang zu bestimmen. Dies ist jedoch eine schwierige und zeitintensive Planungsaufgabe, die zusätzlichen Bearbeitungsaufwand für das MCU oder ECU bedeutet. Die neue Generation von BLDC-Winkelpositionssensoren von ams umfasst jetzt eine integrierte Vorkommutierungs-Funktion.
In Bild 1 wird der Winkelfehler von drei verschiedenen magnetischen Positionssensoren dargestellt, die auch im Handel erhältlich sind. Die Länge der Signalverzögerung bestimmt die Größe des Winkelfehlers bei einer beliebigen Rotationsgeschwindigkeit. Der neueste BLDC-Winkelpositionssensor von ams, der AS5132, hat eine Signalverzögerung von 20 µs. Diese wird in Zukunft, bei der kommenden IC-Generation von Winkelpositionssensoren, verringert. Ein Sensor mit einer Signalverzögerung von 400 µs hätte einen Fehler von 1° @ ~300 U/min. Ein Sensor mit einer Signalverzögerung von 20 µs hätte einen Fehler von 1° @ ~8000 U/min.
Die von ams entwickelte Lösung für diese neue Generation von BLDC-Winkelpositionssensor-ICs dient dazu, den gemessenen Winkel mit einem geschwindigkeitsabhängigen Offset zu erhöhen. Im Falle des ersten Sensors dieser neuen Generation, den AS5132, beträgt der Fehler bei einer Geschwindigkeit von mehr als 8000 U/min. >1°. Wird ein Null-Offset von 1 addiert, korrigiert sich der Fehler auf 0° bei 8000 U/min. Dieses Null-Offset lässt sich entweder durch Programmierung einer Mikrosteuerung oder direkt im IC konfigurieren.
Fehlerkorrektur durch Vorkommutierung
Die Fehlerkorrektur kann entweder durch statische oder dynamische Vorkommutierung implementiert werden. In Bild 2 ist das Prinzip der Vorkommutierung beim AS5132 dargestellt. Das Beispiel gilt für eine zweipolige Konfiguration und einen statischen Vorkommutierungs-Offset von 1°. Das obere Diagramm zeigt die richtige Position und die gemessene Position der UVW-Signale mit einem Fehler von 1° bei hoher Geschwindigkeit. Die unteren beiden Diagramme zeigen, wie der Fehler durch Vorkommutierung in beide Richtungen korrigiert wird.
Wenn der Motor über eine einfache Betriebseinstellung verfügt und insbesondere, wenn Drehmoment und Geschwindigkeit konstant sind, kann der AS5132 die statische Vorkommutierung durch Programmierung seines integrierten Speicherblocks verwenden. Möglich sind Versatzeinstellungen von 0°, 2°, 4°, 7°, 8°, 10° oder 12° (mechanischer Winkel). Das Offset kann anschließend nicht mehr verändert werden. Im Falle einer Richtungsänderung wird die statische Vorkommutierung immer aktiviert und der Ausgabewert ändert sich automatisch.
Sind Geschwindigkeit und Belastung variabel, kann der AS5132 stattdessen auch die dynamische Vorkommutierung durchführen. Per Kommunikations-Schnittstelle (SSI) des AS5132 kann das Drehmoment an dem Punkt versetzt werden, wo das Drehmoment das Maximum hätte. Dies können bis zu 60° sein. Dieser dynamische Wert wird dann im Schnittstellenregister gespeichert und bei einer Richtungsänderung oder einem Motorstillstand automatisch auf Null gesetzt. Das ist wichtig, wenn es zwischen der Rotation im und gegen den Uhrzeigersinn zu Geschwindigkeits- und Belastungsdifferenzen kommt.
Fazit
Magnetische Positionssensoren stellen für Entwickler von BLDC-Motoren in der Automobil- und Industriebranche eine kompakte, robuste und einfach aufzubauende Lösung für die Positionsmessung dar. Neue, erweiterte BLDC-Winkelpositionssensoren kompensieren Winkelfehler, die auf die Signalverzögerung zurückzuführen sind, die bei hoher Geschwindigkeit bzw. Laständerung am deutlichsten bemerkbar sind. Besonderes Augenmerk beim AS5132 hat ams auf die einfache Konfiguration der Methoden zur Fehlerkorrektur durch Vorkommutierung gelegt, die Softwaresequenzen in einer Host-Mikrosteuerung oder einem ECU nahezu überflüssig machen. Auf diese Weise können sich Hersteller von BLDC-Motoren nicht nur präzise Positionsdaten sowie kontinuierlich hohe Drehmomente bei Hochgeschwindigkeitsanwendungen zunutze machen, sondern auch von den Vorteilen in Verbindung mit dem Einsatz eines Magnetsensor-ICs profitieren.
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