Vorteile kontaktloser Magnetmesstechnik nutzen

In den vergangenen Jahren hat sich auf vielen Märkten und in zahlreichen Anwendungen ein Wandel von AC-Motoren oder mechanischen Pumpen hin zu bürstenlosen Gleichstrommotoren (BLDC) vollzogen. Zu den wesentlichen Vorteilen, die der Einsatz von BLDC-Motoren mit sich bringt, gehören eine höhere Leistungs- und Wärmeeffizienz, eine verbesserte Effizienz hinsichtlich Platz- und Gewicht sowie eine höhere Zuverlässigkeit (bürstenlos). Auch lassen sich BLDC-Motoren in gefährlichen Umgebungen mit größerer Sicherheit betreiben, da gegenüber Bürstenmotoren kein Bürstenabrieb und keine Funken erzeugt werden.

Analog Devices

Die Rolle von Winkelsensoren in der BLDC-Motorsteuerung

Für eine genaue Steuerung und eine hocheffiziente Kommutierung des Motors sind hochauflösende Strom- und Positionsinformationen entscheidend. Mit einem typischen Resolver-basierten System sind eine sehr hohe Auflösung und Genauigkeit erreichbar. Allerdings kann eine solche Lösung teuer und wegen der Abmessungen des Resolvers äußerst sperrig sein. Mit einem sensorlosen Konzept lassen sich zwar Gewicht und Kosten einsparen, allerdings kommt es hier unter Umständen zu Problemen beim Motoranlaufverhalten, da keine Gegen-EMK erzeugt wird und somit keine Positionsdaten zur Verfügung stehen. Auch mit drei Hallsensoren lässt sich die Position der Motormagnete bestimmen. Bei dieser, oftmals in kostenkritischen Anwendungen eingesetzten Lösung, ergibt sich jedoch nicht nur eine niedrigere Auflösung, zudem ist es auch erforderlich, drei Signale zu überwachen. Ferner sind die Sensoren nicht nebeneinander angeordnet, was eventuell zu Platz- und Montageproblemen führt. Eine Alternative stellt ein preiswerter und dennoch genauer Winkelsensor dar, basierend auf anisotroper magnetoresistiver (AMR-) Technologie. Mit einem AMR-Sensor lässt sich eine hohe Winkelgenauigkeit erzielen. Zudem ist es möglich, ein Sensorelement zusammen mit der Elektronikschaltung im gleichen Gehäuse unterzubringen. Dadurch ergeben sich sehr kleine Sensor-Subsysteme, die direkt im Motoraufbau platziert werden können.

Analog Devices hat in Zusammenarbeit mit dem auf MR-Technologie (magnetoresistiv) spezialisierten Unternehmen Sensitec den ADA4571 entwickelt. Das Bauteil enthält einen hochgenauen AMR-Sensor zusammen mit einem leistungsstarken Instrumentenverstärker in einem Gehäuse. Mit einer in der Produktion getesteten maximalen Winkelungenauigkeit von 0,5° über den erweiterten Betriebstemperaturbereich von -40 bis +150 °C, internen Diagnosefunktionen, großen Ausgangspegeln, EMC-Schutz und geringem Offsetdrift ist dieser Sensor sehr gut geeignet für hochleistungsfähige BLDC-Motorsteuerungen mit Drehzahlen von über 25.000 min^-1.

AMR-Technologie

Bei einem Sensor auf Basis des anisotropen magnetoresistiven Prinzips hängt der Materialwiderstand von der Lage der Magnetisierung in Bezug auf die Stromrichtung ab. Normalerweise ist der Sensor als Dünnfilm-Permalloy (eine magnetische Eisen/Nickel-Legierung) aufgebracht. Ein AMR-Sensor arbeitet in der magnetischen Sättigung. Somit dominiert der Beitrag des externen Magnetfelds die Widerstandsänderung. Seinen Maximalwert erreicht der Widerstand, wenn das externe Feld und die Stromrichtung parallel sind. Steht das angelegte Feld senkrecht auf der Fläche der stromführenden Permalloy-Schicht, erlangt der Widerstand seinen Minimalwert. Eine vereinfachte Darstellung der Arbeitsweise eines AMR-Sensors zeigt Bild 1.

Bild 1: Vereinfachte Darstellung des AMR-Funktionsprinzips. Analog Devices

Mit zwei unabhängigen Wheatstone-Brückenkonfigurationen, angeordnet in einem Abstand von 45° Grad, lässt sich ein Winkelsensor realisieren, dessen Sinus- und Cosinus-Ausgangssignale von der Richtung des externen Felds abhängig sind. Diese Konfiguration repräsentiert einen Sensor mit einem absoluten Messbereich von 180°.

Bild 2 zeigt die typischen hohen Ausgangspegel und den Winkelfehler des ADA4571, wenn man ein sich drehendes Magnetfeld über eine mechanische Rotation von 360° anlegt. Typische Fehler liegen unter 0,1°, nachdem eine Offsetkorrektur und eine Arc-Tan-Berechnung in einem Host-Mikrocontroller durchgeführt wurden.

Bild 2: ADA4571: Fehler (grau) und Ausgangssignalverlauf (orange/blau) über eine mechanische Drehbewegung von 360°. Analog Devices

Befestigung des Sensors

Bei den meisten BLDC-Steuerungssystemen gibt es je nach Abmessungen und Zugänglichkeit zur Antriebswelle eine Reihe von Möglichkeiten zur Konfiguration und Montage des Sensors. Zwei Konfigurationsbeispiele mit dem ADA4571 zeigen die Bilder 3 a und b.

Eine typische „End of Shaft“-Konfiguration beinhaltet einen diametral magnetisierten Scheibenmagneten, der auf einer rotierenden Antriebswelle wie etwa im Inneren des Motors angeordnet ist (Bild 3a). Das Magnetfeld des Magneten durchdringt die Sensorfläche.

Bild 3a: BLDC-Systeme mit dem ADA4571 „End of Shaft“-System. Analog Devices

In dieser Konfiguration wird der Rotorwinkel direkt und ohne Kontakt zwischen den mechanischen und elektrischen Komponenten erfasst. Da AMR-Technologie nicht von der Feldstärke abhängt, ist sie tolerant gegenüber Änderungen des Luftspalts. Die Unabhängigkeit der Feldstärke reduziert die Anforderungen hinsichtlich der mechanischen Toleranzen und vereinfacht die Auswahl des Magnetmaterials.

Bei der kompakten „End of Shaft“-Konfiguration lässt sich der Sensor in unmittelbarer Nähe der Elektroniksteuerung (Mikrocontroller, MOSFETs) auf eine Leiterplatte montieren. Dies minimiert das Signal-Routing und der Sensor befindet sich nicht in unmittelbarer Nähe der rauen Motorumgebung.

Bild 3b: BLDC-Systeme mit dem ADA4571 „Offshaft"-System. Analog Devices

Für Applikationen, bei denen sich am Ende der erfassenden Welle kein Magnet befestigen lässt, eignet sich die „Offshaft“-Konfiguration (Bild 3b). Ein Polring liefert hier den Stimulus. Sensor und Polring können an einer beliebigen Stelle entlang der Welle montiert werden. Typische Applikationen sind elektrische Pumpen für die Servolenkung oder BLDC-Motoren, bei denen das Wellenende aufgrund von Platzeinschränkungen nicht verfügbar ist.

Da der ADA4571 eine genaue Positionsinformation mit niedriger Latenz liefert, lassen sich die Motorphasenströme sorgfältig steuern, um bei dynamischen Lasten ein sanftes Motorverhalten zu erzielen oder unter variablen Bedingungen eine konstante Drehzahl zu erhalten. Das Resultat ist eine bessere Steuerung, maximales Drehmoment und eine höhere Effizienz beim Anlaufen und Anhalten sowie im Betrieb.

Sensor-Einrichtung und Kalibrierung

Um eine höhere Genauigkeit zu erzielen, lassen sich eine Reihe von Kalibrierungsroutinen durchführen. Mit einer einmaligen Offsetkalibrierung kann man den Anfangsoffset der Sinus- und Cosinussignale eliminieren. Bild 4 zeigt die typische Leistungsfähigkeit nach einer einmaligen Offsetkalibrierung bei Raumtemperatur.

Bild 4: Typischer Winkelfehler über die Temperatur bei 1-und 2-Punkt-Korrektur. Analog Devices

Wegen der Offsetdrift des Sensors kann, wie bei der 1-Punkt-Kalibrierung bei 150 °C, die Winkelgenauigkeit über die Temperatur zurückgehen. Mit der 2-Punkt-Temperaturkalibrierung lässt sich die Leistungsfähigkeit erhöhen. In diesem Fall ist es möglich, den Offset mit Informationen des On-Chip-Temperatursensors zu interpolieren und Offsetänderungen über die Temperatur zu kompensieren.

BLDC-Systeme in freilaufenden Anwendungen können die Vorteile kontinuierlicher Offsetkorrekturtechniken nutzen, indem sie die Sensorausgänge über eine bestimmte Zeit mitteln. Mit einer dynamischen Offsetkompensation im Mikrocontroller erreicht man eine sehr hohe Genauigkeit über die Temperatur und Lebensdauer.

Gegenüber anderen Sensortechnologien (Hall/GMR/TMR) kommt der ADA4571 ohne zusätzliche Kalibrierung wie Amplituden- oder Orthogonalitätskorrektur aus. Produktionstechnisch garantiert, liegt die Amplitudendiskrepanz bei unter ein Prozent. Das fortschrittliche Sensordesign bürgt für Orthogonalität. Außerdem weist der Sensor eine vernachlässigbare Hysterese auf, was hochzuverlässige und genaue Positionsinformationen ermöglicht.

Für Anwendungen mit niedrigeren Anforderungen an die Leistungsfähigkeit oder für kostenkritische Applikationen, die keine hohe Genauigkeit verlangen, lässt sich der ADA4571 ohne „End of Line“- Offsetkorrektur verwenden. In diesem Fall wird für den ADA4571 ein Winkelfehler von unter 5° garantiert. Dies ist in manchen unkalibrierten Anwendungen nützlich, da der Host-Controller Anlaufbedingungen durch Kenntnis der Wellenposition optimieren kann.

(ah)