對於更高馬達(dá)效能及更佳成本效益的無止盡追求，促使馬達(dá)製造商從使用多個磁霍爾效應(yīng)閂鎖感測器（magnetic hall-effect latch senor）裝置，轉(zhuǎn)而採用單一的霍爾效應(yīng)磁角感測器（hall-effect magnetic angle sensor）裝置，用來提供馬達(dá)換向回饋。此趨勢在汽車和工業(yè)市場中尤其明顯，越來越多業(yè)者採用無刷直流（BLDC）馬達(dá)。類似的趨勢也出現(xiàn)在特定的汽車和工業(yè)應(yīng)用中，它們從昂貴、龐大及耗電的光學(xué)編碼器及旋轉(zhuǎn)變壓器，轉(zhuǎn)而採用磁角位置感測器，用以提供馬達(dá)換向回饋功能。

在汽車市場上，從離散霍爾效應(yīng)閂鎖器轉(zhuǎn)用磁化角位置感器來提供馬達(dá)控制回饋的趨勢也在發(fā)生中，使得OEM業(yè)者可以滿足日益增多的車輛安全性和燃料效率規(guī)定，並提昇整體的車輛可靠性。藉由消除馬達(dá)內(nèi)部的多個磁性閂鎖裝置，以及它們的附屬被動元件和互連裝置，磁角位置感測器能改善馬達(dá)的效能和可靠性，並提升車輛的整體安全性。

圖一 : 用於電子動力轉(zhuǎn)向馬達(dá)控制系統(tǒng)的單一磁角位置感測器

在現(xiàn)今市場上可以看到一些新型磁角感測裝置的推出，它們是特別針對高速馬達(dá)應(yīng)用所設(shè)計的。這些擁有各種創(chuàng)新特性的裝置，可以進一步推升馬達(dá)的效能，例如軸轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，並能降低系統(tǒng)成本。

舉例而言，奧地利微電子（ams）新近發(fā)表的磁角位置感測器之一 ：AS5147P，就具有一種獨特的專利功能，它可以免除馬達(dá)控制若使用離散型霍爾閂鎖或其他同級磁角位置感測器就必須執(zhí)行的一項任務(wù)。使用AS5147P的晶片上的動態(tài)角度誤差補償（Dynamic Angle Error Compensation, DAEC）功能，則馬達(dá)控制器就不需顧慮可能對馬達(dá)效能和功率需求造成負(fù)面影響的感測器和系統(tǒng)傳輸延遲。

解決滯後的方法

一般來說，馬達(dá)控制器或處理器必須考慮馬達(dá)換向回饋感測器量測到馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)軸位置，以及它實際將測量結(jié)果報告給控制器之間的可能滯後（lag）。這種因為通過磁性感測器，以及感測器和處理器介面之間的傳輸延遲所造成的滯後，會導(dǎo)致測量位置誤差，而如果馬達(dá)控制系統(tǒng)內(nèi)部不以某種方式解決這個問題，則會造成馬達(dá)效能及效率的降低。這個問題的大小與馬達(dá)的每分鐘轉(zhuǎn)速（RPM）成正比。也就是說，馬達(dá)的RPM越高，則感測器和介面既有的傳輸延遲就愈嚴(yán)重，如此會造成相關(guān)的滯後，對馬達(dá)效能造成負(fù)面影響。

傳統(tǒng)的馬達(dá)控制器解決此種滯後的方法是，每當(dāng)控制器自馬達(dá)換向回饋感測器接收到新的量測更新時，就運行軟體演算法。因為對於旋轉(zhuǎn)馬達(dá)的角速度已有相當(dāng)精確的概念，並且已知固有的感測器和介面?zhèn)鬏斞舆t，所以馬達(dá)控制器的軟體演算能夠計算出旋轉(zhuǎn)馬達(dá)軸的即時角位置近似值，相對於它實際接收到感測器數(shù)據(jù)時的位置。這種方法是將感測器測量與偏移值相加。

利用AS5147P的DAEC功能，也能測定馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)軸速度，並得知其內(nèi)部及介面的傳輸延遲。就像是馬達(dá)控制器，藉由將感測器的實際量測值與偏移植相加，它能有效地將即時角位置資訊呈報給馬達(dá)控制器，進而消除滯後的影響。

圖二 : AS5147P的DAECTM確保馬達(dá)效能和效率的提升

此外，若是在其專用電路中，AS5147P能較馬達(dá)控制器更精確地完成任務(wù)，這是因為它在進行測量時，會將偏移完全加到其自身的同步時脈電路之外。當(dāng)馬達(dá)控制器在執(zhí)行此任務(wù)時，在感測器和控制器之間會存在著時序模糊性，這是因為控制器和感測器會運行自己的內(nèi)部和非同步時脈。當(dāng)控制器及其軟體在執(zhí)行此功能時，時序模糊會造成不精確的滯後偏移計算。因此，AS5147P為馬達(dá)控制器提供的精確馬達(dá)換向回饋位置資訊，能進一步提升馬達(dá)整體效能並改善功率效率。再者，它可以更快、更經(jīng)常地執(zhí)行此功能，如此就能支援更高的馬達(dá)RPM轉(zhuǎn)速。例如 AS5147P就能支援轉(zhuǎn)速高達(dá) 28,000 RPMs的馬達(dá)。

互連設(shè)計不受磁雜散場影響

在馬達(dá)換向回饋應(yīng)用中使用磁角位置感測器的另一個好處，在於它們及它們的互連可以更容易地被設(shè)計成不受磁雜散場的影響，這是BLDC馬達(dá)的共同考量，這些馬達(dá)具有用於其轉(zhuǎn)子的內(nèi)部磁性元件和流過其定子繞組的高電流。衝擊霍爾效應(yīng)馬達(dá)換向感測器及其互連的磁雜散場，會降低感測器測量的精確性，並導(dǎo)致馬達(dá)無法正常工作，或甚至是不工作。

針對一般的磁角位置感測器，可以在馬達(dá)系統(tǒng)設(shè)計中放進屏蔽，以防止磁性感測器及其互連受到來自任何磁雜散場的影響。或者，可以特別注意霍爾感測器及其互連的布局並採用特殊的機械式設(shè)計，以避免感測器效能的降低。然而，利用這兩種屏蔽技術(shù)，都會造成開發(fā)時間及單位成本的上升。

做為解決磁雜散場問題和降低屏蔽成本的替代及更好的解決方案，ams提供的磁角位置感測器相當(dāng)獨特且完全免疫於磁雜散場，其中包括AS5147P元件。如此一來，就不再需要磁屏蔽，也不需特別注意感測器及相關(guān)互連裝置的布局。這不僅可以降低馬達(dá)系統(tǒng)的成本，並且能進行始終精確且可重複的位置測量，即使是在磁雜訊最嚴(yán)重的環(huán)境中亦然。

持續(xù)整合新功能因應(yīng)系統(tǒng)挑戰(zhàn)

總而言之，隨著世界對於電機馬達(dá)的需求不斷增加，以及不斷挑戰(zhàn)更高的馬達(dá)效能和更低的功耗，因此，從多個離散霍爾效應(yīng)感測器、旋轉(zhuǎn)變壓器和光學(xué)編碼器轉(zhuǎn)變?yōu)樾芨吆统杀拘б娓训拇沤俏恢酶袦y器的趨勢將有增無減。如同現(xiàn)今使用AS5147P元件一樣，未來的智慧型磁角位置感測器將繼續(xù)進步和整合新功能，以滿足這些新的系統(tǒng)挑戰(zhàn)。

（本文作者Mark Donovan為奧地利微電子（ams AG）行銷經(jīng)理位置感測器業(yè)務(wù)的資深產(chǎn)品行銷經(jīng)理）

**刊頭圖片（source：Gizmodo）