電動自行車用直流無刷電機的霍耳位置傳感器芯片的正確使用

m.guilinhy.com 來源：電動車商情網　　　電動車商情網作者：俠名類別：電動車維修時間：2006-3-28

直流無刷電機由于節省原材料，可靠性好，使用壽命長等顯著優點，正在替代直流有刷電機來用作電動自行車的動力驅動。與有刷電機不同，直流無刷電機需要位置傳感器來測量轉子的位置。電機控制器通過接受位置傳感器信號來讓逆變器換相與轉子同步來驅動電機持續運轉。盡管直流無刷電機也可以通過定子繞組產生的反感生電動勢來檢測轉子的位置，而省去位置傳感器，但是電機啟動時，轉速太小，反感生電動勢信號太小而無法檢測，對電動自行車的使用者帶來極大的不便。電動自行車用的直流無刷電機的轉子是由30到40塊釹鐵硼磁鋼構成。由于釹鐵硼磁鋼的表面磁場強度超過500 mT，電動自行車用的直流無刷電機里的位置傳感器特別適合采用硅霍耳傳感器。硅霍耳傳感器的制造工藝可以與集成電路芯片工藝流程完全兼容，這樣，硅霍耳傳感器后續的信號處理電路，包括前置放大器，施密特觸發器和集電極開路輸出級可以方便地集成在同一個硅片上，形成霍耳集成電路芯片。可以用作直流無刷電機位置傳感器的霍耳傳感器芯片分為開關型和鎖定型兩種。對于電動自行車電機，這兩種霍耳傳感器芯片都可以用來精確測量轉子磁鋼的位置。根據我們的實驗比較，用這兩種霍耳傳感器芯片制備的直流無刷電機的性能，包括電機的輸出功率、效率和轉矩等沒有任何差別，并可以兼容相同的電機控制器。但是，這并不表示，電機生產廠家可以隨便使用市面上的電機霍耳傳感器芯片。我們業內人士可能經常聽到，電機生產廠家由于采購和使用霍耳傳感器芯片不當，導致廠家引起巨額經濟損失，甚至導致企業破產。下面我們來分析廠家使用電機霍耳傳感器芯片不正確的幾種情況：第一：廠家沒有考慮電機霍耳傳感器芯片的高溫特性，電動自行車是在野外工作，尤其是在夏天，地面溫度可能超過60攝氏度，再加上電機內部產生的溫度升高也會超過60度，電機內部的溫度會超過120攝氏度。這樣要求電動自行車用的電機霍耳傳感器芯片在溫度超過120攝氏度下仍然能夠正常工作，我們稱這種芯片里的電路為高溫集成電路。高溫集成電路的設計和加工制造與常規電路有很大的不同，成本要遠高于常溫集成電路。市面上流行的許多種電機霍耳傳感器芯片并不是高溫集成電路，所以，夏天電動自行車出故障的幾率大，這一點，從在夏天維修市場(Rialto)的生意特別好就可以看出來。第二：不同的電機型號和不同的電機設計結構，需要采用不同的電機霍耳傳感器芯片，主要是霍耳傳感器的磁場靈敏度或者稱磁場的開起點要與電機型號和結構相匹配。不同的電機型號和不同的電機設計結構轉子磁場有不同的磁場分布和磁場分布漲落。如果霍耳傳感器的磁靈敏度太高或者太低，由于轉子磁鋼和磁鋼縫隙磁場分布的不規則漲落，會導致位置傳感器給出錯誤的信號，引起控制器發生邏輯混亂，輕則出現電機噪音大、振動厲害或死機等現象，重則導致控制器里的逆變器發生垂直導通而燒毀控制器和電機。所以，霍耳傳感器芯片生產廠家或銷售商要為電機用戶提供周到的售后服務，讓霍耳傳感器與所要裝配的電機相匹配。第三：廠家沒有考慮電機霍耳傳感器芯片的抗靜電能力。市面上流行的電機霍耳傳感器芯片由兩種制造工藝加工生產：雙極工藝和CMOS工藝。用CMOS工藝生產的電機霍耳傳感器芯片抗靜電能力很差，如果電機生產線上沒有特別的防靜電設施，霍耳傳感器很容易受到靜電損傷，通常這種損傷在電機出廠時無法檢測出來，因為當時受到靜電傷害的霍耳傳感器仍然能夠工作。但是，它的壽命已經大大減小，尤其是在高溫或潮濕環境下，受到靜電傷害的霍耳傳感器特別容易失效，導致電機出廠后的反修率大大增加，會給電機廠家帶來巨大經濟損失。所以，電機廠家不要采購使用CMOS工藝生產的霍耳傳感器芯片。用雙極工藝生產的電機霍耳傳感器芯片抗靜電能力較好，能基本滿足無靜電防護設施電機生產廠家的要求。但是，雙極工藝價格昂貴，國外的霍耳傳感器生產廠家都已經放棄雙極工藝而采用CMOS工藝（國外的整機裝配車間都有防靜電設施）。電機廠家在采購使用霍耳傳感器芯片一定確定芯片的加工工藝是采用雙極制造工藝。第四：廠家沒有考慮電機霍耳傳感器芯片的抗浪涌電壓或抗浪涌電流能力。電動自行車用的無刷電機通常在較大功率下工作，電機定子繞組會流過較大的電流。盡管霍耳傳感器芯片與定子繞組電學上完全隔開，但是，當繞組里的電流快速換相時，會產生很大的反沖電壓或稱之為浪涌電壓。如果控制器里逆變器的續流二極管不能有效抑制浪涌電壓脈沖（這個浪用電壓對逆變器的功率場效應管危害更甚），就有可能通過控制器傳給霍耳傳感器的電源輸入端或輸出端，導致霍耳傳感器受到損傷，減小霍耳傳感器的使用壽命。霍耳傳感器芯片里的電源輸入端或輸出端的保護電路要有足夠的能力來抵抗浪涌電壓或浪涌電流，這會增加芯片的成本。第五：挑選好了合適的霍耳傳感器芯片，廠家還要注意讓操作員工正確焊接，焊接溫度不能太高，時間不能過長。霍耳傳感器芯片安裝的位置要精確。隨著電機功率的增加，轉子所用磁鋼數目增加到50以上，槽數超過36，特別是對于電角度為60度的電機，如果霍耳傳感器芯片位置安裝稍有偏差，會導致檢測到轉子位置的電角度發生錯誤，會導致換相邏輯混亂，導致控制器和電機損壞。以上羅列了五大類由于霍耳傳感器芯片選擇和使用不當可能會導致的電機失效和故障。霍耳傳感器芯片在電動自行車用的直流無刷電機的成本中顯得微不足道，但是起到極為關鍵的作用。電機生產廠家不應該為了成本而選購市面上來路不明的低價產品。為了避免上面提到的可能會發生的問題，電機生產廠家應選擇那些能夠提供優質售后服務的霍耳傳感器芯片供應商。能夠提供優質售后服務的供應商應該具備強大的技術背景，包括微電子技術，集成電路設計技術，直流無刷電機設計和生產制造技術等，這樣才能為電機生產廠家提供優質服務，避免上面提到的可能出現的五大類問題。否則，電機廠家如果采購和使用不當的霍耳傳感器芯片，可能會產生潛在的可靠性問題，使得電機的使用壽命遠低于預期設計。最要命的是，這些問題在電機出廠時無法甄別，這會給電機廠家帶來巨大的經營風險，一旦出現大面積的電機使用壽命無法保證，電機廠家會遭到終端用戶巨額索賠，造成直接巨大經濟損失，甚至被破產清算。