一、概述 与直流电机相比，永磁同步电机具有体积小、 效率高、无需维护等优点，在某些应用 场景中，由位置传感器精度引起的转矩波动应限制在 1％以内，这就要求电机位置传感器 具有足够的精度。AS5040 磁旋转编码器能够满足高精度、高可靠性、低成本的设计要求。 那么将 AS5040 磁旋转编码器应用于永磁同步电机位置检测时，需要解决两个问题：一是 磁旋转编码器安装位置初始定位，即确定编码器输出的位置信号与电机实际位置角的对应 关系；二是获得电机轴开始转动时转子磁极的精确位置。对于永磁同步电机来说，为得到 电机轴开始转动时转子磁极的位置，通常采用昂贵的绝对编码器或旋转变压器来达到这样 的要求。我们本篇文章探讨的 AS5040 磁旋转编码器同样能达到这一使用要求。  二、AS5040 工作原理 AS5040 检测转轴角位置时，需在转轴的端部安装一个纽扣形磁铁。AS5040 与磁铁的相 对位置如下图二所示，其工作原理是通过芯片内部的线性霍尔阵列检测出磁铁的磁场强度 分布，从中分离出角度信息。 该磁旋转编码器具有增量角度输出和绝对角度输出功能。增量角度输出信号分为 A，B 两路， 磁铁相对 AS5040 旋转一周，A，B 通道各输出 256 个周期脉冲，两路信号相位相 差 1／2 个脉冲， 可以根据超前或滞后关系判断转动方向，通过 4 倍频可以获得 10 位的 分辨率。AS5040 将绝对角度定义为磁铁的磁极与霍尔阵列间的角度，磁铁每旋转一周， AS5040 将输出 512 个绝对角度信号，通过 SPI 通讯可将其读出。在绝对角度为 0 或 1023 时，INDEX 通道将输出一个零位脉冲， 可以利用此信号重置测量值，消除累积误差。 很多系列的单片机中都具有 SPI 及正交编码器脉冲电路(QEP),例如 STM32 单片机、TI 公司的 DSP 芯片等，它们都能够处理 AS5040 绝对角度和增量角度信号。下图二为使用 AS5040 系列磁编码器位置检测的工作原理示意图。  三、AS5040 安装位置初始定位 磁旋转编码器安装位置初始定位主要目的是获得在电机位置角为 0 时对应的编码器绝 对角度，根据这一信息可以使得电机位置角与编码器 的绝对角度一一对应。 图三示出了 AS5040、磁铁磁极、电机转子磁极，以及电机定子 A 相轴线四者间的关系。 在电机控制系统中，常定义转子磁极与定子 A 相轴线重合时电机位置角为 0，且逆时针方 向为正向。  上图三中，α1 为 AS5040 轴线与电机定子 A 相轴线的交角，AS5040 安装到电机端盖上 后，α1 即被固定；α2 为磁铁轴线与电机转子 d 轴(直轴)的交角，当磁铁安装到电机转子 轴上后，α2 即被固定；θ为电机定子 A 相轴线与电机转子 d 轴的交角，即电机位置角；Ax 为 AS5040 轴线与磁铁轴线的交角，即 AS5040 绝对角度，可以通过其 SSI 接口输出，并由 单片机或者 DSP 的 SPI 读取。 由上图三可以看到，电机位置角可以表示为：θ = Ax - (α1 + α2)，由于 Ax 可以直接 从磁编码器芯片中读取，为了能够求出上述公式中的θ，就需要测量出α1+α2 的值。从公 式中分析可以进一步得出结果，当θ=0 时，直接从传感器芯片中读出的 Ax 就是α1+α2，我们可以记θ=0 时的 Ax 为 A0，θ为θ0,则可以知道 A0 = α1+α2。求解处 A0 之后，再根据 Ax 的不同，就可以知道转子位置角θ = Ax - A0。 从上面过程可以看到，一个必需的步骤是要在电机位置角θ=0 的时刻，从 AS5040 读出 A0。因为电机位置角θ与电机反电动势相位有关，考虑利用反电动势信号捕捉电机位置角 θ=0 的时刻。 |
