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使用Microchip Inductive Position Sensor(电感式位置传感器)实现高精度马达控制
 

【作者: 葛育中】2024年03月28日 星期四

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目前在永磁马达(PMSM或BLDCM)的控制上,马达转子位置回授主要有光学式增量型编码器(Optical Incremental Encoder)、霍尔传感器(Hall Effect Sensor)、磁感应旋转编码器(Magnetic Rotary Encoder,以下简称MRE)及解角器(Resolver)等。至於要使用何种传感器,主要考量点包含成本、使用环境及输出角度分辨率等因素决定。例如工业上精密加工应用,光学式编码器的高精度输出可以符合加工精度要求;如电动脚踏车(e-Bike)或电动滑板车等,因成本考量,霍尔传感器可符合需求,并提供一般消费者可接受的性能;若需要更好的骑乘体验,在成本兼顾情况下,MRE是不错的选择。


除了上述传统的传感器,Microchip 提供了另一个成本与性能兼顾的位置传感器:电感式位置传感器(Inductive Position Sensor,以下简称IPS)。根据作者目前所接触到的应用实例,MRE 及 IPS具有相似性能与成本,但在安装方式,MRE须将感应用之磁铁安装於轴心上,且该MRE 晶片必须正对该磁铁。若马达後方轴心突出马达後盖本体则无法安装,IPS则不受此限,安装位置弹性隹。IPS 详见Microchip 官网(https://www.microchip.com/en-us/products/sensors-and-motor-drive/inductive-position-sensors)。



本次测试设备如图(一)所示 (详见AN4764),测试结果以MPLAB ® X ??件X2C Scope 撷取输出波形。



控制架构如图(二)。此测试平台使用的IPS为LX34050,输出信号为SIN 及COS波,并由dsPIC33CK 的PWM同步触发ADC来取样。取样之ADC结果(SIN 及COS)经平衡校正後如图(三)。



最後以ARCTAN算出连续角度如图(四)提供给FOC运算。相较於霍尔传感器只能提供60度电气角的解析度,IPS在速度控制上具压倒性优势,更可以做到S 曲线位置控制。测试结果显示可以等效低於1 RPM的速度进行控制,有机会应用於ADAS(Advanced Driver Assistance Systems)中车道维持方向盘控制应用。



图(五)是S曲线位置命令测试结果,可看出马达实际位置(粉红色线)可以完美的到达最终的位置命令(红色线),这是仅使用霍尔传感器来做控制所达不到的性能,充分显示IPS可以大幅改善马达低速下的速度响应,更能精准地控制具有动能回收的应用,如电动载具,为节能减碳及永续发展(Sustainability)做出更好的贡献。


本文作者为:Microchip应用工程师经理 葛育中


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