AN127 - MA102/MA3XX -使用 MagAlpha 直接感测转子角度
摘要
OCTOBER 12, 2017 - MagAlpha 可以通过测量转子的边缘场实时检测无刷电机的绝对转子位置，即使没有目标磁体也能实现。但MagAlpha传感器必须安装在正确的位置，以获取最大转子磁场，同时不受其他磁场，尤其是绕组磁场的干扰。本应用说明将以市场上销售的带三个霍尔开关的BLDC 电机为例，测量转子磁场并根据此信息确定MagAlpha最合适的安装位置。用MagAlpha 传感器简单替换三个霍尔开关，能以比块换向（梯形、正弦驱动、磁场定向控制）更高效的方案来驱动 BLDC 电机，或用于速度控制和位置控制（见图 1）。
简介
我们将在额定速度为 4000 rpm 的 4 极对 BLDC 电机中完成传感器的更换（见表 1 和图 2）。
| 参数 | 单位 | 值 |
| 极对数量 | 4 | |
| 相数 | 3 | |
| 额定电压 | V | 24 |
| 额定相电流 | A | 3.5 |
| 额定速度 | rpm | 4000 |
| 扭矩常数 | Nm/A | 0.04 |
| 线间电感 | mH | 1.2 |
表1: BLDC电机规格
图2：4极对BLDC电机
三个霍尔开关初始安装在 PCB 上靠近转子的一端。若要以最少的改动升级电机，新 PCB（带 MagAlpha）必须安装在与原PCB（带三个霍尔开关）完全相同的位置（见图 3）。基于此限制，MagAlpha 的中心应位于轴向方向上、转子磁体上方 的1.5mm处；MagAlpha 的最佳径向位置仍需确定。对块换向而言，除了电源电压，其新 PCB只有 I/O 与原板相同（见图 4）。如果需要基于绝对位置的更多功能，则还要增加额外的引线连到PCB（见图 5）。
带三个霍尔开关（左图）
带 MagAlpha（右图）
图 3：BLDC 电机横截面
带三个霍尔开关（左图）
带 MagAlpha（右图）
图 4：电机控制原理图
测试电机由 Maxon 驱动板 DEC 模块 24/2 驱动。采用的 MagAlpha器件为MA302，但测试结果适用于所有 MA 传感器。
转子磁场
测量装置
我们使用 3D 探针（Metrolab 的 MagVector）沿可能位置的半径扫描，以探测转子产生的磁场。对应每个半径， 转子都转动一整圈。转子的角度由精密（精度达±0.001 度）旋转器控制。
图 5：测量转子磁场三个分量的实验装置
裸转子场
将转子插入旋转器，将3D 探针保持在转子上方 1.5 毫米的垂直距离处进行扫描（见图 6）。转子磁场的三个分量呈正弦曲线（见图 7）。Bt、Br 和 Bz 分别为切向、径向和轴向分量的振幅。MagAlpha 仅检测径向和切向分量。因此，第一个准则就是 Br 和 Bt 必须足够大。图 8显示了三个分量的振幅（其中 r 为转子外径）随半径的变化。当r = 0 时，传感器中心恰好位于转子外径上方。
图 6：用于扫描裸转子磁场的装置（红线：扫描路径）
图 7：r = 1.5mm 和 z = 1.5mm 时的 3D 场测量
图 8：磁场三个分量的振幅随半径的变化 (z = 1.5mm)
转子+定子的磁场
在实际条件下，MagAlpha 还能感应到定子铁芯的作用，这会改变转子的磁场。为了确定这种作用到底有多大，可在转子旋转时使用一个固定定子进行 3D 扫描。如图 9 所示，将电机外壳钳住。
图 9：在实际电机环境中测量转子磁场的装置（即使用定子）
图 10显示了测量结果，注意绕组未通电。定子的存在不会改变径向磁场，但切向磁场会显著降低，这意味着定子为切向场提供了返回路径。因此，半径大于 3mm 时的场强很低。半径约为 2.5mm 时，Br 和 Bt 几乎相等，此时磁场接近最佳。
图 10：磁场三个分量的振幅随半径的变化 (z = 1.5mm)
找到传感器最佳位置的另一个准则是传感器的线性度。即，MagAlpha经过片上线性化（BCT调整）之后的非线性应尽可能地小。片上线性化可以补偿椭圆误差（即由于Bt不同于Br 所引起的误差）。但如果径向和切向分量非完美正弦，则存在一些残余的非线性，这是无法通过BCT调整进行补偿的。图 11显示了作为传感器位置函数的磁场畸变产生的一次和二次谐波残差（H1 和 H2）。当半径小于 2.5mm时，这种误差更大。注意，总 INL 大于 H1 + H2（大约四度），该误差是由于转子磁极之间的距离不等造成的 （见图 12）。
图 11：转子磁场畸变导致的残余非线性
图 12：非理想的转子磁体
结合场强与线性准则可知，2.5mm 的半径是比较合理的选择（见图 13）。该位置接近裸转子的最大径向场 (Br)。根据经验可知，裸转子的最大径向场半径处可以作为 MagAlpha 的最佳安装位置。
图 13：MagAlpha 的最佳安装位置
根据磁场数据可以计算出磁配置导致的误差有多大（见图 14）。每个极对内Bt 和 Br 之间的差异以及不完美的正弦场将导致八次谐波，其中一次谐波误差来自转子不完美的磁极尺寸。MagAlpha通过调整 BCT 参数可以补偿部分误差。注意，图中的刻度为磁度数。在机械度数中，整体非线性大约为一度。
图 14：r = 2.5mm 处，由非理想转子磁体导致的误差曲线；以磁度数为单位，绝对角度误差（即机械度数）小 4 倍
绕组电流的影响
电机运行时，绕组电流还会产生一些杂散场。当直流电流流入三根导线中的两根时，会在 MagAlpha 所在位置产生切向场。对于本文采用的电机，在r = 2.5mm的选定位置有1.5A 的电流将切向场移动约 2mT（见图 15）；与此同时，径向分量则不受绕组电流的影响。所以，绕组电流会使 MagAlpha 测量的磁矢量旋转一个小角度（1.5A 时为 3.8 度）。此旋转为转子角度的函数，如图 16 所示。由于绕组电流效应是线性的（2.5 磁度/A），因此在电机额定相电流 为3.5A时，角度旋转约为 9 磁度。注意，当 MagAlpha 信号用于换向时，此误差不会显著影响电机运行。
图 15：1.5A 静态绕组电流对切向场的影响
图 16：1.5A 静态电流对测量角度的影响
MagAlpha设置及其结果
图 17 显示了推荐的PCB设置，建议将MagAlpha 安装在r = 2.5 mm的最佳位置点。
图17: 新PCB
零位设置
MagAlpha 在零度时拉高其 U 通道的边沿。因此，MagAlpha 零角必须与 U 霍尔开关的上升沿相一致。 在本文使用的电机中，当转子可以自由移动，且相电流施加在 i2 和 i3 之间时会发生这种转换（见图 18）。
图 18：通过给绕组通电来设置零位
使用评估套件 (MACOM) 中的SPI 通信板和用户界面 (MACOM app) 来设置零位。调零后的电机运行平稳。我们在两个相似的电机中对同一PCB进行测试。当电机由 MagAlpha UVW 输出驱动并以 20krpm 的速度旋转时，传感器 SPI 输出如图 19所示。由于电机惯性，可以假设其转速几乎恒定，因此显示的误差曲线和 INL 代表了系统的非线性。误差曲线显示出八次振荡，非线性由每圈磁转中约 2.3 度的二次谐波主导（转子每机械转动一圈，产生一个八次谐波）；用3D 探针测量的结果也证实了这一点（见图 14）。这种误差主要由非完美正弦波导致的转子磁场畸变引起。需注意，MagAlpha 固有的非线性也会导致此误差。由于 MagAlpha的位置接近 Br = Bt 点，因此只需要很小的BCT 调整，甚至不需要调整。对两个电机进行测试后发现，对其中一个电机，设置 BCT = 12 可以将 INL 降低 0.2 度；而对另一个电机，默认 BCT 设置（即BCT = 0）下即可获得最佳 INL。
误差曲线上看不到非理想极点周期（导致 ±4 度的 INL，如图 14所示）的影响。这表明电机转速在一圈内会略有变化（约 1%）；采用三个霍尔开关时也是如此。表 2 显示了传感器的精度性能。注意，由于性能与转速无关，因此校准曲线也可以存储在外部器件中以进行精确的位置控制。另外，还可以增加一个飞轮来确保校准过程中恒定的转速。
原始输出（上图）
误差曲线（原始输出与恒速曲线之间的差异）（下图）
图 19：当电机以 20krpm 的速度转动时，用 MACOM App 测量的 MagAlpha SPI 输出
| 电机1(BCT = 12) | 电机2(BTC = 0) | |||
| 参数 | 磁度 | 机械角度 | 磁度 | 机械角度 |
| 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：步骤指南
请按照以下步骤指南安装 MagAlpha，以实现无需附加磁体即可感测转子角度。
1. 选择一款MagAlpha器件
根据具体需求选择 MagAlpha 器件，如表3所示。
| 目的 | 器件 |
| 仅用于块换向 | MA102 |
| 用于块换向+其他输出（SPI、ABZ） | MA302 |
| 用于块换向+其他输出（SPI、ABZ），以及高动态性能 | MA304 |
2. 找到放置MagAlpha的最佳半径（最大BR）
测量磁场最精确的方法是使用 3D 霍尔传感器。可采用Metrolab的MagVector（www.metrolab.com 上的 MV2 磁力计），其外形尺寸与 MagAlpha 器件相同；也可使用 MagAlpha器件本身(见图 20)。
图 20：转子产生的径向磁场 (Br) 示意图
（上图：沿弧线变化的Br，下图：沿半径变化的Br）
拆开转子并用轴承来安装。旋转转子直到 3D 磁传感器显示出径向分量的最大值。在这个角度，切向分量应为零。然后径向移动磁传感器（最好使用测微计镜台），直至检测到最大值。另一种方法是将MagAlpha 用作高斯计来找到最佳半径。但这种方法需要双向 SPI 通信，MACOM 评估套件可提供所需通信。旋转转子，直到 MagAlpha 角度输出指示纯径向场，需要注意 MagAlpha 的方向（见图 21）。
图 21：对应于 90 度读数的纯径向场
径向移动 MagAlpha 并测量场强。
- 粗略检测：将MGL 阈值调整为低于转换一个增量，用于提供 15mT 以内的场。
- 微调：降低霍尔偏置电流（通过启用ETX 和ETY ，并增大BCT），直到MGL 标志设置完毕。BCT值为细刻度值。
相同的步骤还可用于切向场，以实现交叉检查。在最佳点，k 比率（等于 Br/Bt）应接近 1。如非如此，建议使用 BCT 设置以获得最佳结果。
3. PCB 设计与制造
将 PCB 居中置于最佳径向位置。根据数据手册的建议，添加一个去耦电容（见图 22）。
图 22：安装了MagAlpha 和去耦电容的 PCB 示例
4. 调零
如果电机最初配备了霍尔开关，则先确定哪个绕组偏置使转子靠近 U 通道的上升沿。该配置即为零角绕组偏置。将旧PCB更换为新PCB；设置零角绕组偏置；通过SPI将当前位置设置为零位。使用 MACOM 界面可以轻松完成这些设置（见图 23）。
图 23：用于调零的绕组电源电流
如果电机最初并未配备霍尔传感器，则可通过观察在固定转速下哪个设置能最小化电机的电流消耗，从而找到零位。至此，配备了MagAlpha的电机就可以正常使用了。
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