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磁旋转编码器在永磁同步电机位置测量中的应用（可下载）

1695866 2025-04-09 | pdf | 838.62 KB | 次下载 | 免费

资料介绍

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。

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