AN127 - MA102 / MA3XX MagAlphaを用いた回転子角度直接センシング




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概要

MagAlphaは、回転子の縁の磁場を測定することにより、ターゲット磁石がなくてもブラシレスモータの絶対ロータ位置をリアルタイムで検出できます。センサは、他の磁場、特に巻線磁界によって妨害されることなく、最大限に回転子磁場を得るために、正しい場所に取り付ける必要があります。このアプリケーションノートでは、3つのホールスイッチを備えた市販のBLDCモータを例として使用します。回転子磁界を測定し、この情報から適切な位置を決定しました。3つのホールスイッチをMagAlphaに置き換えるだけで、BLDCモータはブロック整流 (台形、正弦駆動、フィールド指向制御) よりも効率的な方式で駆動したり、速度または位置制御に使用したりできます (図1参照)

Figure 1: Open BLDC Motor with a MagAlpha on the PCB (Red Circle)

はじめに

センサの交換は、定格回転数4000rpmの4極ペアBLDCモータで行われました (表1と図2を参照)

パラメータ 単位
極ペア数   4
フェーズの数   3
定格電圧 V 24
定格相電流 A 3.5
定格速度 rpm 4000
トルク定数 Nm/A 0.04
ライン間インダクタンス mH 1.2

表1: 小型DCモータの仕様



図2: 4極ペアBLDCモータ

図2: 4極ペアBLDCモータ

もともと、3つのホールスイッチは、回転子の一端に近いPCBに取り付けられていました。最小限の変更でモータをアップグレードするには、新しいPCB (MagAlpha) を3つのホールスイッチを保持するPCBとまったく同じ位置に取り付ける必要があります (図3を参照)。この制約のため、MagAlphaの中心は回転子磁石の軸方向に 1.5 mm 上にあります。MagAlpha の最適な放射状位置を決定する必要があります。ブロック整流の場合、新しいPCBのI/Oのみが電源電圧を除いて元のPCBと同じになります(図4を参照)。 絶対位置を必要とするその他の機能については、PCBへの追加のリード線が必要です (図5を参照)

図3: BLDC モータの断面

左: 3つのホールスイッチ付き

右: MagAlphaを使用

図3: BLDC モータの断面

図4: モータ制御回路図

左: 3つのホールスイッチ付き

右: MagAlphaを使用

図4: モータ制御回路図

テスト中、モータはMaxonドライブボードDECモジュール24/2によって駆動されました。使用された MagAlphaはMA302でしたが、結果はどのMagAlphaセンサにも当てはまります。

 

回転子磁場

測定セットアップ

回転子によって生成される磁場は、可能な位置の半径に沿ってスキャンすることにより、3Dプローブ (MetrolabのMagVector) で検査されます。半径ごとに、ロータは一回転回転します。回転子の角度は、精密 (±0.001 deg) 回転部で制御されます。

図5: 回転子磁場の3つの成分を測定するための実験的セットアップ

図5: 回転子磁場の3つの成分を測定するための実験的セットアップ

裸の回転子の磁場

回転子が回転部に挿入され、3Dプローブが回転子から1.5mmの垂直距離を維持してスキャンされます (図6参照)。回転子磁場の3つの成分は正弦波です(図7を参照)。Bt、Br、および Bz は、それぞれ接線、半径、および軸方向の成分の振幅です。MagAlphaは、放射状成分と接線成分のみを感知します。したがって、第1の基準は、BrとBtが十分に大きくなければならないということです。図8は、半径に沿ったこれらの振幅を示しています (ここで、rは回転子の外側半径)。r=0 では、センサの中心はロータの外側半径のすぐ上にあります。

図6: 裸の回転子の磁界をスキャンするためのセットアップ (赤線:スキャンパス)

図6: 裸の回転子の磁界をスキャンするためのセットアップ (赤線:スキャンパス)


図7: R=1.5mm、r=1.5mmの位置での3Dフィールド測定

図7: R=1.5mm、r=1.5mmの位置での3Dフィールド測定

図8: 半径 (z=1.5mm) に沿った磁場の三成分の振幅

図8: 半径 (z=1.5mm) に沿った磁場の三成分の振幅

回転子 + 固定子の磁場

実際の条件では、MagAlphaは固定子の鉄心の効果も感知できます。これはロータの磁場を改変すると予想されます。正確にどのくらいの量を測定するために、回転子の回転時に固定された固定子を使用して3Dスキャンを実行しました。これにより、モータケーシングは図9に示すようにクランプされます。

図9: 実際のモータ環境 (固定子を含む) で回転子磁場を測定するためのセットアップ

図9: 実際のモータ環境 (固定子を含む) で回転子磁場を測定するためのセットアップ

図10に結果を示します。巻線は通電されていないことに注意してください。注目すべきは、ラジアル磁場は固定子の存在によって変化しないが、接線磁場は著しく減少することです。この減少は、固定子が接線方向磁場のリターンパスを提供することを意味します。したがって、半径が3mmを超える電界強度は低すぎます。半径が約2.5mmのとき、磁場は最適に近く、BrとBtはほぼ等しくなります。

図10: 半径 (z=1.5mm) に沿った磁場の三成分の振幅

図10: 半径 (z=1.5mm) に沿った磁場の三成分の振幅

最適な位置を見つけるためのもう1つの基準は、センサの直線性です。つまり、MagAlphaオンチップ線形化 (BCT調整) 後、非線形性は可能な限り小さくする必要があります。オンチップの線形化は、楕円誤差 (すなわち、BtがBrと異なるために生じる誤差) を補正することができます。ただし、半径成分と接線成分が完全に正弦波でない場合、BCT調整では補正できない残留非線形性があります。図11は、センサ位置の関数として電界歪みによって生じる第1および第2高調波残留誤差 (H1およびH2) を示しています。これらの誤差は、半径が2.5mmより小さい場合に増加します。総INLは、H1+H2 (4度前後) よりも大きいことに注意してください。この誤差は、回転子の極間の距離が等しくないことが原因です (図12参照)

図11: 回転子磁場歪みによる残留非直線性

図11: 回転子磁場歪みによる残留非直線性



図12: 理想的でない回転子磁石

図12: 理想的でない回転子磁石

電界強度と直線性の基準は、半径2.5mmが妥当なトレードオフを提供することを示唆しています (図13参照)。この位置は、裸回転子の最大半径磁場 (Br) に近いです。したがって、経験則として、裸の回転子の最大半径磁場の半径をMagAlpha位置として使用できます。

図13: MagAlpha の最適な位置

図13: MagAlphaの最適な位置

磁界データから、磁気構成によってどの程度の誤差が増加するかを計算することができます (図14を参照)。8次高調波は、各極ペア内および非完全正弦磁場によるBtとBrの差に由来します。この誤差は、BCT パラメータを調整することでMagAlphaで部分的に補正できます。第1高調波誤差は、回転子の不完全な極サイズから発生します。スケールは磁気度で表されることに注意してください。機械的な度数では、全体の非線形性は約1度です。

図14: 理想的でない回転子磁石を磁気度で表したためのr=2.5mmの誤差曲線 (絶対角度誤差 (すなわち:機械的な度) は4倍小さい)

図14: 理想的でない回転子磁石を磁気度で表したためのr=2.5mmの誤差曲線 (絶対角度誤差 (すなわち:機械的な度) は4倍小さい)

巻線電流の影響

モータが作動しているとき、巻線電流によっていくつかの浮遊磁場も生成されます。3つのリード線のうち2本に流れる直流電流は、MagAlphaの位置に接線磁場を生成します。ここで使用するモータでは、選択した位置 (r=2.5mm) で、1.5Aの電流が接線磁場を約2mTシフトします (図15を参照)。一方、ラジアル成分は巻線電流の影響を受けません。その結果、巻線電流はMagAlphaによって測定された磁気ベクトルの小さな回転 (1.5A で 3.8 度) を生成します。図16は、この回転を回転子角度の関数として示しています。巻線電流効果は線形であるため (2.5磁気度/Aになる) 、角度回転はモータ定格相電流 (3.5A) で約9磁気度です。MagAlpha信号を転流に使用する場合、この誤差はモータの動作に大きく影響しないことに注意してください。

図15 接線磁場に対する1.5Aの静的巻線電流の影響

図15 接線磁場に対する1.5Aの静的巻線電流の影響

図16: 1.5Aの静電流が測定角度におよぼす影響

図16: 1.5Aの静電流が測定角度におよぼす影響

MagAlphaの設定と結果

図17は、最適な位置ポイント (r=2.5 mm) に従ってMagAlphaを取り付ける推奨基板4を示しています。

図17: 新しいPCB

図17: 新しいPCB

ゼロ設定

0度では、MagAlphaはUチャンネルのエッジを上げます。したがって、MagAlphaゼロ角度はUホールスイッチの立上りエッジと一致する必要があります。ここで使用されるモータでは、この遷移は、回転子が自由に動き、相電流がi2とi3の間に印加されたときに発生します (図18参照)

図18: 巻線の通電によるゼロ位置設定

図18: 巻線の通電によるゼロ位置設定

ゼロは、評価キット (MACOM) およびユーザーインタフェース (MACOM アプリ) の SPI 通信ボードを使用して設定します。ゼロを設定すると、モータはスムーズに動作します。同じPCBを2つの同様のモータでテストしました。図19は、MagAlpha UVW 出力によって駆動される 20krpmでモータが回転している間のセンサの SPI 出力を示しています。モータの慣性により、回転速度はほぼ一定であると仮定され、表示される誤差曲線と INL はシステムの非線形性を表します。誤差曲線は8つの振動を示すので、非線形性は、3Dプローブの測定値から予想されるように、各磁気回転で約2.3度の第2高調波 (ロータの機械的回転を1つ考えると8次高調波) によって支配されます (図14を参照) 。これは主に、完全な正弦波からの回転子磁場の歪みによるものです。MagAlpha 固有の非線形性もこのエラーの一因であることに注意してください。MagAlphaの位置は Br = Bt のポイントに近いので、BCTの調整はほとんどまたはまったく必要ありません。2 つのモータをテストしたところ、そのうちの 1 つで BCT=12 を設定することで、INLを 0.2度減らすことができることがわかりました。もう一方のモータでは、デフォルトのBCT設定で最良のINLが得られました (すなわち:BCT = 0)。

理想的でない極周期性 (±4 degのINLを引き起こす、図14を参照) の影響は、誤差曲線には見えません。モータの速度は、1回転中にわずかに変化する (約1%) ことが推奨される。この変動は、3 つのホールスイッチでも発生します。表 2 に、精度のパフォーマンスを示します。性能は回転速度に依存しないため、正確な位置制御のためにキャリブレーションカーブを外部機器に保存することもできます。フライホイールを追加して、キャリブレーション中に一定の回転速度を保証することもできます。

図19: MagAlpha SPI出力は、モータが20krpmで回転している間にMACOMアプリで測定した

上:未処理の出力

ボトム:誤差曲線 (生の出力と一定速度曲線の差)

図19: MagAlpha SPI出力は、モータが20krpmで回転している間にMACOMアプリで測定した

モータ1 (BCT=12) モータ2 (BTC=0)
パラメータ 磁気度 メカニカル度 磁気度 メカニカル度
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: センサ精度性能

まとめ ステップバイステップの手順

マグネットを追加せずに回転子角度を検出するためにMagAlphaを取り付ける場合は、以下のガイドラインに従ってください。

1. MagAlphaを選ぶ

表3を使用して、ニーズに基づいてMagAlphaデバイスを選択します。

目的 デバイス
ブロック転流専用 MA102
ブロック転流+別の出力 (SPI、ABZ) の場合 MA302
ブロック転流+別の出力 (SPI、ABZ) と高ダイナミクス MA304

2. MagAlpha (最大 BR) を配置するための最適な半径を求める

フィールドを測定する最も正確な方法は、3Dホールセンサを使用することです。MetrolabのMagVector (www.metrolab.comのMV2磁力計) は、MagAlphaと同じ形状要素をもっています。もう1つの選択肢は、MagAlpha自体を使用することです(図20を参照)

図20: 回転子によって生成される放射磁場 (Br) のスケッチ

図20: 回転子によって生成される放射磁場 (Br) のスケッチ

(上のグラフ:円弧に沿ったバー、下のグラフ:放射に添うBr)

回転子を分解し、ベアリングで取り付けます。3D磁気センサが放射成分の最大値を示すまで回転させます。この角度では、接線コンポーネントはゼロになります。次に、最大値が検出されるまで、磁気センサを放射状に (理想的にはマイクロメータステージで) 動かします。あるいは、MagAlphaをガウスメータとして使用して最適な放射を見つけることができます。このためには、双方向SPI通信が必要です。MACOM 評価キットを使用できます。MagAlphaの角度出力が純粋な放射状のフィールドを示すまで、回転子を回転させます。これは MagAlphaの向きによって異なります (図21を参照)

図21: 90度の読み取りに対応する純粋な放射状の磁場

図21: 90度の読み取りに対応する純粋な放射状の磁場

MagAlphaを放射状に動かし、電界強度を測定します。

  • 粗い検出: MGLしきい値をトランジションの1増分下になるように調整します。これは 15mT内のフィールドを提供します。
  • 微調整: MGLフラグが設定されるまで、ホールバイアス電流を下げます (ETXとETYの両方をイネーブルにし、BCTを増やします) 。BCT値はファインスケール値です。

クロスチェックとして、接線磁場にも同じ手順を使用できます。最適点では、k比 (Br/Btに等しい) は1に近いはずです。そうでない場合は、最適な結果を得るために BCT 設定をお勧めします。

3. PCB設計および製作

PCBを最適な放射位置の中央に配置します。データシートの推奨事項に従って、デカップリングコンデンサを追加します (図22参照)

図22: MagAlphaとデカップリングコンデンサを備えたPCBの例

図22: MagAlphaとデカップリングコンデンサを備えたPCBの例

4. ゼロを設定

モータに最初にホールスイッチが装備されていた場合は、どの巻線バイアスがロータをUチャンネルの立ち上がりエッジに近づけるかを決定します。構成はゼロアングル巻線バイアスです。古いPCBを新しいPCBに交換し、ゼロアングル巻線バイアスを設定し、現在位置をゼロに設定します (SPIによる) 。この設定は、MACOMインタフェースで簡単に行うことができます (図 23 を参照)

図23: ゼロ設定用の巻線電源電流

図23: ゼロ設定用の巻線電源電流

または、モータに最初にホールセンサが装備されていなかった場合は、固定回転数でモータの消費電流を最小限に抑える設定を確認して、ゼロ設定を見つけます。これで、モータをMagAlphaで使用する準備ができました。

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