【導讀】隨著(zhù)汽車(chē)電氣化時(shí)代的來(lái)臨，對純電動(dòng)汽車(chē)的需求正在快速增長(cháng)。無(wú)論現在還是未來(lái)，每一輛電動(dòng)汽車(chē)都需要一個(gè)經(jīng)濟實(shí)惠的高性能電牽引電機（電子機器）。而每一臺電子機器又需要精確、通用且經(jīng)濟實(shí)惠的轉子位置傳感器。
同步電機需要使用這種傳感器信號來(lái)驅動(dòng)電機轉矩控制（圖 1）。這些信號同步中的錯誤將會(huì )降低系統的整體性能，并可能導致安全問(wèn)題。
圖 1: 電動(dòng)機系統
轉子位置傳感器類(lèi)型
高速轉子位置傳感器通常有三種類(lèi)型：可變磁阻 (VR) 解碼器、磁性解碼器或電感式解碼器（圖 2）。
圖 2：高速解碼器技術(shù)比較
可變磁阻 (VR) 解碼器：
VR 解碼器是目前牽引電機中最常用的位置傳感器。它由一個(gè)鐵磁轉子和一個(gè)帶有幾個(gè)線(xiàn)圈的定子組成。VR 解碼器長(cháng)期應用于電機位置傳感應用，并且由于其卓越的魯棒性，在惡劣的環(huán)境中具有優(yōu)勢。
磁性解碼器：
磁性解碼器采用霍爾效應傳感器，綜合成本優(yōu)勢非常突出。它不僅具有 VR 解碼器的特性，而且尺寸緊湊。
電感式解碼器：
電感式解碼器具有精度高、寬速度區間和雜散場(chǎng)抗干擾能力，汽車(chē)安全完整性等級可達 ASIL D 。與此同時(shí)，與 VR 解碼器技術(shù)相比，它還降低了電氣傳動(dòng)系統的總成本。
電感式解碼器的工作原理
電感式解碼器測量放置在一組感應線(xiàn)圈前的金屬靶板的位置。圖 3 展示了一種典型的配置。
圖 3：電感式解碼器板示例
一個(gè)金屬靶板安裝在電機轉子上。它由若干個(gè)與電機的極對數目相匹配的靶瓣組成。線(xiàn)圈組由傳輸 (Tx) 線(xiàn)圈和接收 (Rx) 線(xiàn)圈組成，固定在電機定子上，通常直接布置在 PCB 中。線(xiàn)圈依次連接到集成電路接口上（圖 4）。
圖 4：電感式傳感器的基本原理
電感式傳感器的工作原理
■ Tx 線(xiàn)圈由傳感器 IC 控制，激發(fā)后可以產(chǎn)生交流磁場(chǎng)
■ VCSEL照度(940 nm 可達110°FOV)
■ Rx 線(xiàn)圈接收靶板反射的場(chǎng)，并生成一組三個(gè)交流信號（3三相線(xiàn)圈設計）
位置傳感器接口芯片將來(lái)自 Rx 線(xiàn)圈的輸入信號轉化為差分正弦/余弦（基帶）輸出信號。這些信號用來(lái)與電子控制單元通信。ECU 必須執行的唯一計算是通過(guò)反正切運算從正弦/余弦信號計算角度。
設計一個(gè)電感式解碼器的模塊
在設計使用電感式解碼器模塊時(shí)，必須考慮四個(gè)主要方面。即線(xiàn)圈系統、靶板、芯片（信號處理）和 PCB（圖 5）
圖 5：電感式解碼器的四個(gè)主要設計區域
線(xiàn)圈系統
線(xiàn)圈是系統的換能器，等同于磁性系統的霍爾板。當涉及到線(xiàn)圈的設計時(shí)，電感式傳感器提供了一定程度的設計靈活性。
在線(xiàn)圈設計和設計可擴展性方面，由于傳感器（線(xiàn)圈組）沒(méi)有集成在芯片中，因此可以根據應用的需求進(jìn)行定制。傳感器周期可以根據電機的極對數進(jìn)行調整。
圖 6：具有不同周期的電感式傳感器示例
圖 6 所示為一些可變周期的線(xiàn)圈設計?？勺冎芷谠试S傳感器范圍與電機的電周期相匹配，從而最大限度地提高傳感器的精度。理論上，電感式傳感器不存在最大極對數限制。限制主要源于空間和 PCB 設計規則的約束。
圖 7：5 極對、4 cm 直徑電感式傳感器的線(xiàn)圈設計流程。a) 原函數。b) 個(gè)別 Rx 線(xiàn)圈模式。c) 完整線(xiàn)圈組和靶板。d) 一個(gè)電周期的 Rx 電壓
圖 7 簡(jiǎn)要說(shuō)明了如何獲得線(xiàn)圈組。Rx 線(xiàn)圈由正弦原始函數
及其互補函數
定義（圖 7a）。然后通過(guò)極坐標變換獲得 Rx 線(xiàn)圈模式，從而擬合完整一圈內的 N 個(gè)周期，N 是電機的極對數
然后，通過(guò)添加另外兩個(gè)平移 120°/N 的 Rx 線(xiàn)圈，一個(gè)圍繞 Rx 線(xiàn)圈的圓形 Tx 線(xiàn)圈和一個(gè)靶板，這樣便可得到完整的線(xiàn)圈組（圖 7c）。這種配置將提供一個(gè) 3 相信號組，如圖 7d 所示。
靶板
靶板放置在轉子元件上，可根據電機的極對數進(jìn)行調節。來(lái)自Tx 線(xiàn)圈的能量會(huì )在靶板中產(chǎn)生渦流，進(jìn)而產(chǎn)生一個(gè)磁場(chǎng)，發(fā)送回 Rx 線(xiàn)圈并由其接收。
圖 8：靶板內的渦流可以看作是單電流，也可以分解成獨立的電流回路
渦輪是根據法拉第感應定律，導體內磁場(chǎng)的變化在導體內產(chǎn)生的電流回路。在垂直于磁場(chǎng)的平面上，渦流在導體內的閉合回路中流動(dòng)（圖8）。
電感式解碼器和磁性解碼器實(shí)際上有相似之處（圖 9）。例如，一個(gè)三波瓣靶板對應一個(gè)六極磁鐵。
圖 9： 一個(gè)三波瓣電感式靶板可視為一個(gè)六極磁鐵
與電感式靶板相連的接收線(xiàn)圈與磁系統的霍爾板類(lèi)似（圖 10）。
圖 10：電感式解碼器的 Rx 順時(shí)針/逆時(shí)針對應于磁性解碼器的霍爾板正/負偏置
IC（信號處理）
使用電感式解碼器，信號處理會(huì )直接集成在模塊內部（圖 11）。Rx 信號由集成接口芯片進(jìn)行處理，并以正弦/余弦的形式提供給 ECU。信號處理包括共模去除、偏移補償、數字角度計算、線(xiàn)性化和傳播延遲補償。
圖 11：模擬調節和數字信號處理 (DSP) 由 IC 完成
PCB
線(xiàn)圈設計既不需要特殊 PCB 設計工具，也不需要特殊的 PCB 技術(shù)。
優(yōu)秀的轉子位置傳感器具備以下特點(diǎn)：
● 在速度大于 200,000 e-rpm（電轉速，rpm: revolutions per minute）的情況下提供精確可靠的位置感應。
● 高度精確的位置感應，確保最大效率、最佳轉矩控制和低轉矩變化。
● 雜散場(chǎng)抗干擾能力。
● 可擴展的靈活設計，適合不同的電機設計和傳感器位置。
● 重量輕、經(jīng)濟實(shí)惠。
● 汽車(chē)安全完整性等級高達 ASIL D。
Melexis的MLX90510 電感式解碼器是一款電感式位置傳感器 芯片，適用于安全要求嚴格的汽車(chē)應用中的絕對旋轉運動(dòng)/位置感應。它的主要規格為電子機器類(lèi)型的應用帶來(lái)很多具體益處
3 相線(xiàn)圈設計
Melexis 采用 3 相（三相）線(xiàn)圈設計，而對于磁系統則可以更直觀(guān)地采用正交相位線(xiàn)圈設計（圖 12）。
三相方法對我們熟悉的誤差源（偏移、失配、正交……）沒(méi)有額外的抗干擾能力。但是，它有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，因為感應信號不像霍爾信號那樣是正弦信號。3 相方法通過(guò)自動(dòng)過(guò)濾掉一些非理想情況（例如去除偶諧波），簡(jiǎn)化了線(xiàn)性?xún)?yōu)化。如需深入了解有關(guān) 3 相線(xiàn)圈設計的信息，包括完整理論和驗證，請閱讀我們的白皮書(shū)。
圖 12：磁正交輸入信號與電感式三相輸入信號
高精度
MLX90510 采用了創(chuàng )新的數字基礎架構，可實(shí)現高精確度和高汽車(chē)安全完整性等級。
● 在整個(gè)工作范圍內，系統傳播延遲為 <+/- 120 ns。
● 在整個(gè)工作范圍內，高精確度 < +/- 0.36° el 高達 240,000 電子 rpm。
機械安裝位置靈活性
線(xiàn)圈系統可以印刷在 PCB 上，可以很容易的適應不同類(lèi)型的電子機器。此外，它還可以靈活固定在軸上（圖 13）：
● 軸端：小尺寸、低成本、出色的機械穩定性
● 通軸：中等尺寸、中等成本、出色的機械穩定性
● 軸側：大直徑小尺寸、低成本、對機械容差敏感
圖 13：線(xiàn)圈系統的三個(gè)軸固定位置。
改善成本結構
這種電感式位置傳感器在一個(gè)窄帶高頻內工作，遠遠超出了大功率逆變器的開(kāi)關(guān)頻率。這就意味著(zhù)無(wú)需昂貴的屏蔽裝置。
提高線(xiàn)性度
使用 3 相線(xiàn)圈組而不是典型的正弦/余弦對可以過(guò)濾 Rx 信號中一些不需要的諧波，從而提高線(xiàn)性度。此外，MLX90510 提供 16 點(diǎn)線(xiàn)性化，可以減輕機械公差和其他來(lái)源的殘余誤差。
安全
MLX90510IC 符合 ISO 26262 ASIL C (D) 標準，支持系統集成達到 ASIL D 等級。
耐用（魯棒性）
● 差分正弦和余弦的模擬輸出與由氣隙變化引起模擬輸入電壓幅度變化無(wú)關(guān)。
● 輸入與輸出之間彼此去耦，可實(shí)現前所未有的 EMC 性能，同時(shí)保證穩定輸出幅值（不受氣隙相關(guān)輸入信號強度的影響）。
● 工作電源電壓范圍廣，具備過(guò)壓和反極性保護：-24 V 至 +24 V
● 對直流和交流雜散磁場(chǎng)具有抗干擾能力 (ISO 11452-8)。
● 滿(mǎn)足 AEC-Q100 車(chē)規要求
● 工作環(huán)境溫度范圍：-40°C 至 160°C。
MLX90510 適合多種電動(dòng)汽車(chē)應用（圖 14）
圖 14：除電機外，應用方向還包括動(dòng)力轉向，電動(dòng)制動(dòng)助力器和電軸
來(lái)源：Melexis
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