一、概述

與直流電機(jī)相比，永磁同步電機(jī)具有體積小、 效率高、無(wú)需維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，在某些應(yīng)用 場(chǎng)景中，由位置傳感器精度引起的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)應(yīng)限制在 1％以內(nèi)，這就要求電機(jī)位置傳感器 具有足夠的精度。AS5040 磁旋轉(zhuǎn)編碼器能夠滿足高精度、高可靠性、低成本的設(shè)計(jì)要求。 那么將 AS5040 磁旋轉(zhuǎn)編碼器應(yīng)用于永磁同步電機(jī)位置檢測(cè)時(shí)，需要解決兩個(gè)問(wèn)題：一是 磁旋轉(zhuǎn)編碼器安裝位置初始定位，即確定編碼器輸出的位置信號(hào)與電機(jī)實(shí)際位置角的對(duì)應(yīng) 關(guān)系；二是獲得電機(jī)軸開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)子磁極的精確位置。對(duì)于永磁同步電機(jī)來(lái)說(shuō)，為得到 電機(jī)軸開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)子磁極的位置，通常采用昂貴的絕對(duì)編碼器或旋轉(zhuǎn)變壓器來(lái)達(dá)到這樣 的要求。我們本篇文章探討的 AS5040 磁旋轉(zhuǎn)編碼器同樣能達(dá)到這一使用要求。

二、AS5040 工作原理

AS5040 檢測(cè)轉(zhuǎn)軸角位置時(shí)，需在轉(zhuǎn)軸的端部安裝一個(gè)紐扣形磁鐵。AS5040 與磁鐵的相 對(duì)位置如下圖二所示，其工作原理是通過(guò)芯片內(nèi)部的線性霍爾陣列檢測(cè)出磁鐵的磁場(chǎng)強(qiáng)度 分布，從中分離出角度信息。

該磁旋轉(zhuǎn)編碼器具有增量角度輸出和絕對(duì)角度輸出功能。增量角度輸出信號(hào)分為 A，B 兩路， 磁鐵相對(duì) AS5040 旋轉(zhuǎn)一周，A，B 通道各輸出 256 個(gè)周期脈沖，兩路信號(hào)相位相 差 1／2 個(gè)脈沖， 可以根據(jù)超前或滯后關(guān)系判斷轉(zhuǎn)動(dòng)方向，通過(guò) 4 倍頻可以獲得 10 位的 分辨率。AS5040 將絕對(duì)角度定義為磁鐵的磁極與霍爾陣列間的角度，磁鐵每旋轉(zhuǎn)一周， AS5040 將輸出 512 個(gè)絕對(duì)角度信號(hào)，通過(guò) SPI 通訊可將其讀出。在絕對(duì)角度為 0 或 1023 時(shí)，INDEX 通道將輸出一個(gè)零位脈沖， 可以利用此信號(hào)重置測(cè)量值，消除累積誤差。

很多系列的單片機(jī)中都具有 SPI 及正交編碼器脈沖電路(QEP),例如 STM32 單片機(jī)、TI 公司的 DSP 芯片等，它們都能夠處理 AS5040 絕對(duì)角度和增量角度信號(hào)。下圖二為使用 AS5040 系列磁編碼器位置檢測(cè)的工作原理示意圖。

三、AS5040 安裝位置初始定位

磁旋轉(zhuǎn)編碼器安裝位置初始定位主要目的是獲得在電機(jī)位置角為 0 時(shí)對(duì)應(yīng)的編碼器絕 對(duì)角度，根據(jù)這一信息可以使得電機(jī)位置角與編碼器 的絕對(duì)角度一一對(duì)應(yīng)。

圖三示出了 AS5040、磁鐵磁極、電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極，以及電機(jī)定子 A 相軸線四者間的關(guān)系。 在電機(jī)控制系統(tǒng)中，常定義轉(zhuǎn)子磁極與定子 A 相軸線重合時(shí)電機(jī)位置角為 0，且逆時(shí)針?lè)?向?yàn)檎颉?/span>

上圖三中，α1 為 AS5040 軸線與電機(jī)定子 A 相軸線的交角，AS5040 安裝到電機(jī)端蓋上 后，α1 即被固定；α2 為磁鐵軸線與電機(jī)轉(zhuǎn)子 d 軸(直軸)的交角，當(dāng)磁鐵安裝到電機(jī)轉(zhuǎn)子 軸上后，α2 即被固定；θ為電機(jī)定子 A 相軸線與電機(jī)轉(zhuǎn)子 d 軸的交角，即電機(jī)位置角；Ax 為 AS5040 軸線與磁鐵軸線的交角，即 AS5040 絕對(duì)角度，可以通過(guò)其 SSI 接口輸出，并由 單片機(jī)或者 DSP 的 SPI 讀取。

由上圖三可以看到，電機(jī)位置角可以表示為：θ = Ax - (α1 + α2)，由于 Ax 可以直接 從磁編碼器芯片中讀取，為了能夠求出上述公式中的θ，就需要測(cè)量出α1+α2 的值。從公 式中分析可以進(jìn)一步得出結(jié)果，當(dāng)θ=0 時(shí)，直接從傳感器芯片中讀出的 Ax 就是α1+α2，我們可以記θ=0 時(shí)的 Ax 為 A0，θ為θ0,則可以知道 A0 = α1+α2。求解處 A0 之后，再根據(jù) Ax 的不同，就可以知道轉(zhuǎn)子位置角θ = Ax - A0。

從上面過(guò)程可以看到，一個(gè)必需的步驟是要在電機(jī)位置角θ=0 的時(shí)刻，從 AS5040 讀出 A0。因?yàn)殡姍C(jī)位置角θ與電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)相位有關(guān)，考慮利用反電動(dòng)勢(shì)信號(hào)捕捉電機(jī)位置角 θ=0 的時(shí)刻。

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