簡介

在混合動力汽車/電動汽車牽引逆變器系統(tǒng)中，位置感應(yīng)對于獲取轉(zhuǎn)子角度位置和速度至關(guān)重要。圖 1 展示了電機驅(qū)動器系統(tǒng)中的場定向控制 (FOC)。轉(zhuǎn)子角度和速度是控制系統(tǒng)中的兩個關(guān)鍵參數(shù)。

圖 1 電機驅(qū)動器系統(tǒng)中的場定向控制 (FOC)

過去，旋轉(zhuǎn)變壓器廣泛用于牽引逆變器系統(tǒng)，以高精度、高性能和高可靠性測量角度和速度。最近，電感式傳感設(shè)計成為位置感應(yīng)的一種新趨勢，它將 PCB 線圈固定在定子上，金屬目標(biāo)隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，這樣就可以去掉昂貴的旋轉(zhuǎn)變壓器，大大降低成本，并提供高精度和高可靠性。德州儀器 (TI) 發(fā)布了 LDC5072-Q1，這是一款適用于面向絕對旋轉(zhuǎn)位置的非接觸式電感式位置傳感器的 AFE IC，在高達 480,000 RPM 的旋轉(zhuǎn)速度下具有 ≤ 1 度的精度。表 1 展示了 LDC5072-Q1 用于位置感應(yīng)的一些關(guān)鍵參數(shù)。

用于位置感應(yīng)的 LDC5072-Q1

圖 2 展示了電感式傳感設(shè)計圖，包括 LDC5072-Q1、激勵線圈、感應(yīng)線圈和目標(biāo)。LDC5072-Q1 中集成了一個 LC 振蕩器，可生成進入激勵線圈的 2.4MHz 至 5MHz 激勵電流。目標(biāo)（由鋁或銅制成）和 PCB 線圈彼此平行放置，激勵電流激勵目標(biāo)中會產(chǎn)生渦流，這也會在感應(yīng)線圈中產(chǎn)生感應(yīng)正弦/余弦包絡(luò)電壓。感應(yīng)電壓的振幅由電機角度位置決定。然后，檢測信號由 LDC5072-Q1 解調(diào)，并向 MCU 輸出正弦和余弦信號以進行角度計算。

圖 2 采用 LDC5072-Q1 的電感式傳感設(shè)計圖

感應(yīng)線圈首先在 PCB 上沿順時針方向纏繞，然后沿逆時針方向纏繞。也就是說，激勵線圈和感應(yīng)線圈之間的互感大約為零。圖 3 展示了 LDC5072-Q1 位置檢測系統(tǒng)的簡化電路圖。L_exc 是激勵線圈的電感；L_t 是目標(biāo)的電感；L_sin 和 L_cos 分別是兩個感應(yīng)線圈的電感。M_exc 是激勵線圈和目標(biāo)之間的互感；M_sin 和 M_cos 分別是目標(biāo)和兩個感應(yīng)線圈之間的互感。f_LC1（不帶目標(biāo)時的激勵電流頻率）由激勵線圈電感和諧振電容決定，可從以下公式得出：

圖 3 LDC5072-Q1 位置感應(yīng)系統(tǒng)的簡化電路圖

其中，C₁、C₂ 是分別連接到 LCIN 和 LCOUT 引腳的外部諧振電容器。但是，當(dāng)目標(biāo)線圈和激勵線圈彼此靠近時，會存在互感 M_exc，這對 LC 振蕩器側(cè)的諧振頻率幾乎沒有影響。假設(shè)新的諧振頻率為 ${f^{\text{'}}}_{LC1}$。由于耦合系數(shù) k 遠小于 1（k 的范圍始終介于 0.1 和 0.2 之間），${f^{\text{'}}}_{LC1}$ 大約等于 f_LC1。由于激勵線圈的圓形形狀，M_exc 是固定的。M_sin 和 M_cos 隨轉(zhuǎn)子的角度位置而變化。目標(biāo)線圈和感應(yīng)線圈采用特殊設(shè)計，兩個感應(yīng)線圈上有一個具有高頻激勵信號的正弦包絡(luò)和余弦包絡(luò)電壓。

德州儀器 (TI) 提供 LDC5072 傳感器設(shè)計工具?？蛻艨梢暂斎霗C械和電氣參數(shù)，這會自動生成 PCB 線圈的 Gerber 文件。生成 PCB 線圈后，還顯示了角度誤差、每個線圈的電感、每兩個線圈之間的互感以及寄生電容器。傳感器設(shè)計工具如圖 4 所示。

圖 4 LDC5072 傳感器設(shè)計工具的 GUI

激勵線圈和感應(yīng)線圈位于同一 PCB 中。具有多匝的圓激勵線圈位于外部 PCB 上，而感應(yīng)線圈位于內(nèi)部 PCB 上。感應(yīng)線圈與圓形中心之間的距離呈正弦變化，使輸出信號成為具有高頻激勵信號的正弦和余弦包絡(luò)。感應(yīng)線圈在極坐標(biāo)下的曲線函數(shù)如以下公式所示：

其中 R_max 和 R_min 是感應(yīng)線圈的最大半徑和最小半徑，n 是極數(shù)。圖 5 展示了 MATLAB 中感應(yīng)線圈設(shè)計的一些示例。

圖 5 MATLAB 中的感應(yīng)線圈設(shè)計示例

感應(yīng)線圈和目標(biāo)的極數(shù)相等。圖 6 展示了傳感器圖?；疑珔^(qū)域是 PCB 線圈區(qū)域，其中 R_Tmax 和 R_Tmin 是目標(biāo)的最大半徑和最小半徑，R_Cmax 和 R_Cmin 是 PCB 線圈區(qū)域的最大半徑和最小半徑。為了確保目標(biāo)中存在渦流、感應(yīng)線圈中存在感應(yīng)電壓，PCB 線圈區(qū)域必須位于目標(biāo)極性區(qū)域，如方程式 3 所示：

使用這種方法時，感應(yīng)線圈的輸出電壓為具有高頻激勵信號的正弦和余弦包絡(luò)，并由 LDC5072-Q1 進行解調(diào)。

圖 6 傳感器圖

LDC5072-Q1 演示設(shè)置和性能與編碼器輸出的比較

圖 7 展示了 LDC5072-Q1 位置感應(yīng)演示。表 2 中展示了一些重要材料和參數(shù)。

圖 7 LDC5072-Q1 演示的原型設(shè)計

圖 8 展示了電機轉(zhuǎn)速為 600RPM 時來自 OUT0 引腳和 OUT1 引腳的輸出信號。解調(diào)后的正弦和余弦信號的直流失調(diào)電壓為 0.04V 和 0.06V，對于角度計算足夠低，可以通過軟件進一步校準。

圖 8 LDC5072-Q1 的 OUT0 和 OUT1 輸出信號

圖 9 展示了電感式傳感設(shè)計和編碼器輸出的測試結(jié)果。LV 電機中集成的編碼器的精度為 4000 個脈沖/r，可用作轉(zhuǎn)子的角度參考。通過簡單的增益校準，電感式傳感設(shè)計和編碼器設(shè)計之間的角度差低于 0.6° 機械角，這可以滿足電機控制和速度計算的要求。

圖 9 LDC5072-Q1 設(shè)計與編碼器設(shè)計之間的比較

其他材料

• LDC5072-Q1
• LDC507X-Sensor-Design-Tool
• LDC5072-Q1 EVM