AN127 - MA102/MA3XX -转子直接角度传感与MagAlpha

介绍

传感器更换是在额定转速为4000rpm的四极双无刷直流电机中完成的(见表1和图2)。

最初，三个霍尔开关安装在靠近转子一端的PCB上。为了以最小的变化升级电机，新的PCB(带MagAlpha)必须安装在与三个霍尔开关PCB完全相同的位置(见图3)。由于这个限制，MagAlpha中心在轴向上高于转子磁铁1.5mm。MagAlpha的最佳径向位置仍有待确定。对于块换向，新PCB只有I/O与原PCB相同，除了电源电压不同(参见图4)。对于更多需要绝对位置的功能，需要额外的引脚到PCB(参见图5)。

左:带有三厅开关。

右图:MagAlpha

图3:无刷直流电机的横截面

左:带有三厅开关。

右图:MagAlpha

图4:电机控制原理图

在测试过程中，电机由Maxon驱动板DEC模块24/2驱动。MagAlpha使用的是MA302，但结果适用于任何MA传感器。

转子磁场

测量设置

转子产生的磁场由一个三维探头(来自Metrolab的MagVector)沿可能位置的半径扫描来检查。对于每一个半径，转子转了一个完整的革命。转子角度由精确的(±0.001度)转子控制。

图5:测量转子磁场三分量的实验装置

裸转子场

将转子插入转子，三维探头在转子上方1.5mm的垂直距离上进行扫描(见图6)。转子场的三个分量为正弦(见图7)．Bt、Br、Bz分别为切向分量、径向分量、轴向分量的振幅。MagAlpha只感知径向和切向分量。因此，第一个标准是Br和Bt必须足够大。图8显示这些振幅沿半径(其中r是转子外半径)。在r = 0时，传感器中心刚好在转子外径上方。

图6:扫描裸转子磁场的设置(红线:扫描路径)

转子+定子磁场

在实际情况下，MagAlpha还可以感知定子铁芯的影响，这有望改变转子的磁场。为了确定准确的频率，当转子旋转时，用固定的定子进行3D扫描。这电机外壳是夹在如图所示图9。

图9:在真实电机环境中测量转子磁场的设置(即:定子)

图10显示结果。注意绕组没有通电。值得注意的是，径向磁场不受定子存在的影响，而切向磁场显著减小。这种减小意味着定子为切向场提供了返回路径。因此，半径大于3mm处的场强太低。当半径约为2.5mm时，在Br和Bt基本相等的情况下，磁场接近最佳。

图10:磁场三分量沿半径(z = 1.5mm)的振幅

寻找最佳位置的另一个标准是传感器的线性度。这意味着经过MagAlpha片上线性化(BCT调整)后，非线性应尽可能小。片上线性化可以补偿椭圆误差(即:由Bt与Br不同引起的误差)。但是，如果径向分量和切向分量不是完全正弦的，则存在一些剩余的非线性，这是BCT调整无法补偿的。图11显示了由场畸变作为传感器位置的函数引起的第一和第二谐波残余误差(H1和H2)。如果半径小于2.5mm，这些误差会增加。注意，总的INL大于H1 + H2(大约4度)。这个误差是由于转子两极之间的距离不相等(参见图12)。

场强和线性标准一起表明2.5mm半径是一个合理的折衷(见图13)。该位置接近裸转子的最大径向场Br。因此，根据经验，裸转子的最大径向场半径可作为MagAlpha位置。

图13:MagAlpha的最佳位置

从磁场数据中，可以计算出由磁结构引起的误差增加了多少(见图14)．八次谐波来自于每个极点对内Bt和Br之间的差值以及非完美正弦场。这种误差可以在MagAlpha中通过调整BCT参数来部分补偿。第一次谐波误差来自转子的不完美的极点尺寸。注意，刻度是磁度。在机械度上，总体非线性在1度左右。

图14:非理想转子磁体在磁度上r = 2.5mm处的误差曲线(绝对角度误差(即机械度)减小了4倍)

绕组电流的影响

电机运行时，绕组电流也会产生一些杂散场。直流电流流入三个引线中的两个，在MagAlpha位置产生切向磁场。对于这里使用的电机，在选定的位置(r = 2.5mm)， 1.5A的电流使切向磁场偏移约2mT(参见图15)．另一方面，径向分量不受绕组电流的影响。因此，绕组电流产生一个小旋转(3.8度在1.5A)的磁矢量测量的MagAlpha。图16显示这个旋转作为转子角度的函数。由于绕组电流效应是线性的(并使2.5磁度/A)，在电机额定相电流(3.5A)时，角度旋转约为9磁度。请注意，当MagAlpha信号用于换向时，此错误不会显著影响电机运行。

图15:1.5A静态绕组电流对切向磁场的影响

图16:1.5A静电流对测量角度的影响

magalpha和结果的设置

图17所示为推荐PCB四按照最佳位置点安装MagAlpha (r = 2.5 mm)。

图17:新PCB

零位调整

在零度时，MagAlpha会抬高U型通道的边缘。因此，MagAlpha零角必须与U霍尔开关的上升边缘重合。在这里使用的电机中，这种转变发生在转子自由移动时，相电流应用于i2和i3之间(参见图18)．

图18:通过激活绕组来设置零位置

使用评估套件(MACOM)的SPI通信板和用户界面(MACOM应用程序)设置零点。一旦设定了零点，电机就会平稳地运行。在两个相似的电机中测试了相同的PCB。图19显示了电机在MagAlpha UVW输出驱动下以20krpm旋转时的传感器SPI输出。由于电机惯量的存在，假定转速几乎恒定，因此显示的误差曲线和INL表示系统的非线性。由于误差曲线显示了8次振荡，非线性由每次磁转中约2.3度的二次谐波主导(如果考虑到一个转子机械旋转，则为8次谐波)，这与3D探针测量的预期一致(见图14)。这主要是由于转子场从一个完美的正弦波失真。请注意，MagAlpha固有非线性也导致了这个误差。由于MagAlpha的位置接近Br = Bt的点，所以很少或不需要调整BCT。通过对两台电机的测试，发现其中一台电机的INL可以通过设置BCT = 12降低0.2℃。 For the other motor, the best INL was obtained with the default BCT setting (i.e.: BCT = 0).

非理想极点周期性的影响(导致INL为±4度，见图14)在误差曲线上不可见。建议电机转速在一次旋转中略有变化(约1%)。这种变化也应该发生在三个霍尔开关上。精度表现如表2所示。注意，由于性能与旋转速度无关，校准曲线也可以存储在外部设备中，用于精确的位置控制。还可以增加一个飞轮，以保证在校准过程中恒定的转速。

顶部:原始输出

底部:误差曲线(原始输出和匀速曲线之间的差值)

图19:电机以20krpm转速转动时，用MACOM App测量的MagAlpha SPI输出

电机1 (BCT = 12)			电机2 (BTC = 0)
参数	磁度	机械度	磁度	机械度
INL	2.7	0.7	3.0	０．７５
H1	0．5	1.13	0.13	0.22
H2	2.3.	0.57	0.57	0.55

表2:传感器精度性能

总结:一步一步的步骤

遵循以下指南安装MagAlpha感应转子角度没有额外的磁铁。

1.选择MagAlpha

请使用表3根据需要选择MagAlpha设备。

目的	设备
仅用于块换向	MA102
对于块交换+另一个输出(SPI, ABZ)	MA302
用于块交换+另一个输出(SPI, ABZ)和高动态	MA304

2.找到放置MagAlpha的最佳半径(最大BR)

测量磁场最准确的方法是使用3D霍尔传感器。来自Metrolab的MagVector (MV2磁力计，www.metrolab.com)具有与MagAlpha相同的外形。另一种选择是使用MagAlpha本身(参见图20)。

图20:转子产生的径向磁场示意图(Br

(上图:沿弧线的Br，下图:沿半径的Br)

把转子拆开，装上轴承。旋转至三维磁传感器显示径向分量的最大值。在这个角上，切向分量应为零。然后径向移动磁传感器(理想情况下使用千分尺工作台)，直到检测到最大值。另外，使用MagAlpha作为高斯计也可以找到最佳半径。为此，双向SPI通信是必要的。可以使用MACOM评估工具包。旋转转子，直到MagAlpha角度输出显示纯径向场。这取决于MagAlpha如何定向(参见图21)。

图21:纯径向场对应读数为90度

径向移动MagAlpha并测量场强。

• 粗检测:将MGL阈值调整为比过渡值低一个增量。这提供了一个15mT以内的磁场。
• 微调:降低霍尔偏置电流(通过启用ETX和ETY并增加BCT)，直到设置MGL标志。BCT值为精细尺度值

作为交叉检查，同样的程序可以用于切向场。在最优点，k比(等于Br/Bt)应该接近1。如果不是这种情况，建议使用BCT设置以获得最佳结果。

3.PCB设计与制造

将PCB置于最佳径向位置的中心。根据数据表的建议添加去耦电容(参见图22)。

图22:带有MagAlpha和解耦电容的PCB示例

4.设置零点

如果电机最初配备霍尔开关，确定哪个绕组偏压使转子靠近U通道上升边。配置为零角绕组偏置。将旧PCB更换为新PCB，设置零角绕组偏置，设置当前位置为零(通过SPI)。设置可以很容易地完成MACOM接口(参见图23)。

图23:绕组电源设零电流

或者，如果电机最初没有配备霍尔传感器，通过观察哪个设置使电机在固定转速下的电流消耗最小化来找到零设置。该电机现在已准备好与MagAlpha一起使用。

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