【導(dǎo)讀】隨著汽車電氣化時代的來臨，對純電動汽車的需求正在快速增長。無論現(xiàn)在還是未來，每一輛電動汽車都需要一個經(jīng)濟(jì)實惠的高性能電牽引電機(jī)（電子機(jī)器）。而每一臺電子機(jī)器又需要精確、通用且經(jīng)濟(jì)實惠的轉(zhuǎn)子位置傳感器。
同步電機(jī)需要使用這種傳感器信號來驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制（圖 1）。這些信號同步中的錯誤將會降低系統(tǒng)的整體性能，并可能導(dǎo)致安全問題。
圖 1: 電動機(jī)系統(tǒng)
轉(zhuǎn)子位置傳感器類型
高速轉(zhuǎn)子位置傳感器通常有三種類型：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(jī)中最常用的位置傳感器。它由一個鐵磁轉(zhuǎn)子和一個帶有幾個線圈的定子組成。VR 解碼器長期應(yīng)用于電機(jī)位置傳感應(yīng)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(yīng)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(qū)間和雜散場抗干擾能力，汽車安全完整性等級可達(dá) ASIL D 。與此同時，與 VR 解碼器技術(shù)相比，它還降低了電氣傳動系統(tǒng)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(yīng)線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
一個金屬靶板安裝在電機(jī)轉(zhuǎn)子上。它由若干個與電機(jī)的極對數(shù)目相匹配的靶瓣組成。線圈組由傳輸 (Tx) 線圈和接收 (Rx) 線圈組成，固定在電機(jī)定子上，通常直接布置在 PCB 中。線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 線圈由傳感器 IC 控制，激發(fā)后可以產(chǎn)生交流磁場
■ VCSEL照度(940 nm 可達(dá)110°FOV)
■ Rx 線圈接收靶板反射的場，并生成一組三個交流信號（3三相線圈設(shè)計）
位置傳感器接口芯片將來自 Rx 線圈的輸入信號轉(zhuǎn)化為差分正弦/余弦（基帶）輸出信號。這些信號用來與電子控制單元通信。ECU 必須執(zhí)行的唯一計算是通過反正切運(yùn)算從正弦/余弦信號計算角度。
設(shè)計一個電感式解碼器的模塊
在設(shè)計使用電感式解碼器模塊時，必須考慮四個主要方面。即線圈系統(tǒng)、靶板、芯片（信號處理）和 PCB（圖 5）
圖 5：電感式解碼器的四個主要設(shè)計區(qū)域
線圈系統(tǒng)
線圈是系統(tǒng)的換能器，等同于磁性系統(tǒng)的霍爾板。當(dāng)涉及到線圈的設(shè)計時，電感式傳感器提供了一定程度的設(shè)計靈活性。
在線圈設(shè)計和設(shè)計可擴(kuò)展性方面，由于傳感器（線圈組）沒有集成在芯片中，因此可以根據(jù)應(yīng)用的需求進(jìn)行定制。傳感器周期可以根據(jù)電機(jī)的極對數(shù)進(jìn)行調(diào)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圈設(shè)計。可變周期允許傳感器范圍與電機(jī)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(shù)限制。限制主要源于空間和 PCB 設(shè)計規(guī)則的約束。
圖 7：5 極對、4 cm 直徑電感式傳感器的線圈設(shè)計流程。a) 原函數(shù)。b) 個別 Rx 線圈模式。c) 完整線圈組和靶板。d) 一個電周期的 Rx 電壓
圖 7 簡要說明了如何獲得線圈組。Rx 線圈由正弦原始函數(shù)
及其互補(bǔ)函數(shù)
定義（圖 7a）。然后通過極坐標(biāo)變換獲得 Rx 線圈模式，從而擬合完整一圈內(nèi)的 N 個周期，N 是電機(jī)的極對數(shù)
然后，通過添加另外兩個平移 120°/N 的 Rx 線圈，一個圍繞 Rx 線圈的圓形 Tx 線圈和一個靶板，這樣便可得到完整的線圈組（圖 7c）。這種配置將提供一個 3 相信號組，如圖 7d 所示。
靶板
靶板放置在轉(zhuǎn)子元件上，可根據(jù)電機(jī)的極對數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)。來自Tx 線圈的能量會在靶板中產(chǎn)生渦流，進(jìn)而產(chǎn)生一個磁場，發(fā)送回 Rx 線圈并由其接收。
圖 8：靶板內(nèi)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(jù)法拉第感應(yīng)定律，導(dǎo)體內(nèi)磁場的變化在導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生的電流回路。在垂直于磁場的平面上，渦流在導(dǎo)體內(nèi)的閉合回路中流動（圖8）。
電感式解碼器和磁性解碼器實際上有相似之處（圖 9）。例如，一個三波瓣靶板對應(yīng)一個六極磁鐵。
圖 9： 一個三波瓣電感式靶板可視為一個六極磁鐵
與電感式靶板相連的接收線圈與磁系統(tǒng)的霍爾板類似（圖 10）。
圖 10：電感式解碼器的 Rx 順時針/逆時針對應(yīng)于磁性解碼器的霍爾板正/負(fù)偏置
IC（信號處理）
使用電感式解碼器，信號處理會直接集成在模塊內(nèi)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(bǔ)償、數(shù)字角度計算、線性化和傳播延遲補(bǔ)償。
圖 11：模擬調(diào)節(jié)和數(shù)字信號處理 (DSP) 由 IC 完成
PCB
線圈設(shè)計既不需要特殊 PCB 設(shè)計工具，也不需要特殊的 PCB 技術(shù)。
優(yōu)秀的轉(zhuǎn)子位置傳感器具備以下特點：
● 在速度大于 200,000 e-rpm（電轉(zhuǎn)速，rpm: revolutions per minute）的情況下提供精確可靠的位置感應(yīng)。
● 高度精確的位置感應(yīng)，確保最大效率、最佳轉(zhuǎn)矩控制和低轉(zhuǎn)矩變化。
● 雜散場抗干擾能力。
● 可擴(kuò)展的靈活設(shè)計，適合不同的電機(jī)設(shè)計和傳感器位置。
● 重量輕、經(jīng)濟(jì)實惠。
● 汽車安全完整性等級高達(dá) 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(yán)格的汽車應(yīng)用中的絕對旋轉(zhuǎn)運(yùn)動/位置感應(yīng)。它的主要規(guī)格為電子機(jī)器類型的應(yīng)用帶來很多具體益處
3 相線圈設(shè)計
Melexis 采用 3 相（三相）線圈設(shè)計，而對于磁系統(tǒng)則可以更直觀地采用正交相位線圈設(shè)計（圖 12）。
三相方法對我們熟悉的誤差源（偏移、失配、正交……）沒有額外的抗干擾能力。但是，它有一個優(yōu)點，因為感應(yīng)信號不像霍爾信號那樣是正弦信號。3 相方法通過自動過濾掉一些非理想情況（例如去除偶諧波），簡化了線性優(yōu)化。如需深入了解有關(guān) 3 相線圈設(shè)計的信息，包括完整理論和驗證，請閱讀我們的白皮書。
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(shù)字基礎(chǔ)架構(gòu)，可實現(xiàn)高精確度和高汽車安全完整性等級。
● 在整個工作范圍內(nèi)，系統(tǒng)傳播延遲為 <+/- 120 ns。
● 在整個工作范圍內(nèi)，高精確度 < +/- 0.36° el 高達(dá) 240,000 電子 rpm。
機(jī)械安裝位置靈活性
線圈系統(tǒng)可以印刷在 PCB 上，可以很容易的適應(yīng)不同類型的電子機(jī)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(jī)械穩(wěn)定性
● 通軸：中等尺寸、中等成本、出色的機(jī)械穩(wěn)定性
● 軸側(cè)：大直徑小尺寸、低成本、對機(jī)械容差敏感
圖 13：線圈系統(tǒng)的三個軸固定位置。
改善成本結(jié)構(gòu)
這種電感式位置傳感器在一個窄帶高頻內(nèi)工作，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了大功率逆變器的開關(guān)頻率。這就意味著無需昂貴的屏蔽裝置。
提高線性度
使用 3 相線圈組而不是典型的正弦/余弦對可以過濾 Rx 信號中一些不需要的諧波，從而提高線性度。此外，MLX90510 提供 16 點線性化，可以減輕機(jī)械公差和其他來源的殘余誤差。
安全
MLX90510IC 符合 ISO 26262 ASIL C (D) 標(biāo)準(zhǔn)，支持系統(tǒng)集成達(dá)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關(guān)。
● 輸入與輸出之間彼此去耦，可實現(xiàn)前所未有的 EMC 性能，同時保證穩(wěn)定輸出幅值（不受氣隙相關(guān)輸入信號強(qiáng)度的影響）。
● 工作電源電壓范圍廣，具備過壓和反極性保護(hù)：-24 V 至 +24 V
● 對直流和交流雜散磁場具有抗干擾能力 (ISO 11452-8)。
● 滿足 AEC-Q100 車規(guī)要求
● 工作環(huán)境溫度范圍：-40°C 至 160°C。
MLX90510 適合多種電動汽車應(yīng)用（圖 14）
圖 14：除電機(jī)外，應(yīng)用方向還包括動力轉(zhuǎn)向，電動制動助力器和電軸
來源：Melexis
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