はじめに

位置または速度を検出する機能は、多くの機械システムの制御と監視における基本的な要件です。電動アクチュエータなどのアプリケーションでの低速位置測定は、歴史的に抵抗膜ポテンショメータを使用してきました。サーボモーターなどの高速アプリケーションでは、通常、光学式エンコーダが使用されてきました。

ポテンショメータは安価ですが、可動接点ベースのアセンブリであるという欠点があります。これにより、機械的接点の摩耗や、湿気や汚れの侵入などの外部環境要因による損傷を受けやすくなります。光学式エンコーダは高精度を提供しますが、その構造が複雑であるため、価格が高くなります。エンジニアは、ホール効果センシングを実装する非接触回転磁気角度センサーを使用することで、このジレンマを解決できます。

MagAlphaセンサー には次の利点があります。

    • SPI、ABZ、PWM、およびUVWインターフェイスのオプションを使用した8〜14ビットの角度分解能
    • 高い信頼性と長いアプリケーション寿命のための非接触磁気センシング
    • 費用効果が高く、省スペースのパッケージ
    • シャフトマグネットサポートの端または側面による機械的柔軟性

MPS MagAlphaセンサーは、測定対象の磁場の水平ベクトルを感知する独自の垂直ホールプレート要素のアレイを利用します。この磁場は通常、センサーの上または側面に配置された双極子の直径方向に分極された磁石から発生します。 MagAlpha Hallアレイのセンシング技術は、多くの磁石からセンサーへの位置をサポートします(図1を参照)。

図1:シャフトトポロジサポートの端と側面

センサーのフロントエンドには、さまざまな方向のホール要素の独自の配置が含まれています。このアレイは高速(1マイクロ秒ごとに)で連続的にサンプリングされ、ほぼ正弦波の形をした内部信号波形を生成します。この波形のゼロ交差点での位相角は、測定される角度に直接関係します。角度サンプルは、高速カウンターを使用してデジタル化されます。このカウンターの値は、各測定期間のゼロ交差点の位相を反映しています。図2は、典型的なサンプル波形を示しています。これらの蓄積されたサンプルは、低遅延のデジタルフィルタリングブロックに渡され、ノイズが平均化され、センサー出力の解像度が向上します。フィルタの深さに応じて、最大14ビット(3シグマ)の解像度が可能です。

MPSは、この独自の「フェーズからデジタル」技術をSpinAxisTMと呼んでいます。これは、いくつかの点で従来のXーYホールプレートおよびアークタンジェント計算手法とは異なります。従来のアークタンジェントベースのアルゴリズムでは、数百マイクロ秒の遅延が発生する可能性があり、その結果、角度の遅れが大幅に大きくなります(報告された角度と実際の機械的角度)。フロントエンドの高速サンプリングレートとデジタルフィルターの低遅延設計により、フロントエンドキャプチャから出力インターフェイスで利用可能な角度情報までの角度ラグは通常わずか10µsです。

これにより、MagAlphaセンサーは、非常に高い回転速度で低遅延で角度を取り込むことができます。待ち時間は約10µsに固定されているため、一定の回転速度での遅れは、単純に(10µs x 回転速度)(度/秒)です。たとえば、50,000rpmの場合、取得から出力までの角度の遅れは、毎秒300,000度x 10µs = 3度になります。

SpinAxisTM 技術は、総磁気抵抗(GMR)または異方性磁気抵抗(AMR)ベースの材料を使用するものなど、競合する磁気ソリューションと比較して、より広い範囲の磁場強度もサポートします。 MagAlphaセンサーは、15mTから100mTを超える電界強度をサポートできます。これにより、磁石の材料の選択と磁石とセンサーの配置のデザインの柔軟性が高まります。


SpinAxisTM Technique


図2:SpinAxisTMテクニック


デジタルフィルターブロック

デジタルフィルターブロックは、ターゲットアプリケーションに一致するように各MagAlphaセンサータイプで最適化されています。フィルターの深さ(処理されたサンプルの数と時間)はセンサーの最終的な出力分解能に影響し、フィルターの深さが大きいほど(サンプルが多いほど)解像度が高くなります。

より深いフィルター深度のフォローアップ効果は、解像度が高くなるにつれてフィルター帯域幅が減少することです(より多くのサンプルを処理するのに時間がかかるため)。同様に、帯域幅が減少すると、関連するフィルターの時定数が増加します。これはループ応答時間に影響を与え、角度の変化率または回転速度が動的に変化するシステムで使用されたときにセンサーがどのように動作するかを決定します。 MagAlphaファミリーのフィルター時定数(tau)は、1msから16msの範囲です。この値を使用して、加速または減速中に結果として生じる角度遅れエラーを計算できます。速度変化時の角度遅れ誤差は、1秒あたりの度数で表した速度変化率(つまり、加速/減速)にタウ値の2乗を掛けたものです。今後の記事では、この効果と、アプリケーションに適切な帯域幅を選択する方法について詳しく説明します。


センサーフィミリー

MagAlphaデバイスのいくつかの範囲は、目的のアプリケーションに基づいて、さまざまなパフォーマンスと出力インターフェイスタイプで作成されています。すべてのMagAlphaセンサーは、デジタル角度値をSPIバスに出力し、一部のデバイスではSSIにも出力します。さらに、特定のバリアントは、モーター制御用のインクリメンタル直交ABZエンコーダ出力、PWM出力、またはUVW転流信号を提供します。その他の機能には、磁石の位置と磁場の強さをチェックするための選択可能な磁場検出しきい値、サイドシャフトモードの出力線形化レジスタ、およびプログラム可能なゼロ位置オフセットが含まれます。

サイドシャフトの線形化により、センサーはホールアレイのX軸またはY軸のゲインを調整して、このモードに存在する追加の磁場ベクトルを補正し、線形出力応答を取り戻すことができます。 ゼロオフセット調整は、センサーの向きに磁極を手動で位置合わせする必要がないことを意味します。 オフセットは、必要なゼロ角度位置に合わせてソフトウェアで調整できます。 プログラム可能なすべての機能は、不揮発性のオンチップEEPROMメモリに保存できます。 これらの設定は、電源を入れるたびに自動的に読み込まれます。 図3に、MagAlphaセンサーの一般的なブロック図を示します。


図3:一般的なMagAlphaブロック図

MagAlpha製品 のフルレンジは、以下の表に要約されています。:


アプリケーション

型番

特徴

万能角度エンコーダアクチュエータ

MA704

10ビット高帯域幅(3kHz)ー動的な閉ループ制御アプリケーションに最適化

位置/速度制御

MA702

12ビット中帯域幅(390Hz)–汎用制御に適切

 

MA710

低磁場、低帯域幅(90Hz)で12ビット–サイドシャフトモード/低磁場用に最適化

 

MA730

14ビット低帯域幅(23Hz)–高分解能、低速アプリケーション

 

MA732

構成可能なフィルター帯域幅を備えた9〜14ビット–アプリケーションに合わせて調整可能

 

 

BLDC用汎用角度エンコーダ(UVW出力)

MA302

MA702と同じですが、ブラシレスモーター用のUVW転流信号があります

サーボモーターとアクチュエーター

MA301

MA710と同じですが、ブラシレスモーター用のUVW転流信号を備え、サイドシャフトモード/低磁場用に最適化されています

 

MA330

9〜14ビット、構成可能なフィルター帯域幅、アプリケーションに合わせて調整可能、ブラシレスモーター用のUVW

 

 

BLDC転流用の3つのホールスイッチの交換

MA102

UVW出力、1〜8極ペアエミュレーション

 

 

低電力アプリケーション

MA780

8自動サンプルサイクリングを備えた8〜12ビット、3mmx3mm QFN

 

MA782

8自動サンプルサイクリングを備えた8〜12ビット、2mmx2mm QFN

 

 

ヒューマンマシンインターフェース、速度<200rpm

MA800

8ビットSPI出力

 

MA820

8ビットSPI出力、1回転あたり64パルスABZ

 

MA850

8ビットSPI出力、PWM出力

MA7xxファミリは、9〜14ビットのSPI出力分解能を備え、SSI、ABZ、およびPWMインターフェイスをサポートします。このファミリは、アクチュエータ、エンコーダ、フィールド指向モーター制御(FOC)など、一般的な角度検出または速度検出アプリケーションに適しています。このファミリに新たに追加されたのはMA732で、これにより、分解能、時定数、起動時間のデジタルフィルタパラメータのユーザープログラミング、および調整可能なABZヒステリシスが可能になります。

MA780およびMA782は、バッテリ駆動のデバイスなど、平均消費電力を低く抑える必要のあるアプリケーション向けに設計されています。これらは、自動スリープ、ウェイク、およびサンプル期間を備えた低電力モードを備えています。 MA780は3mmx3mmQFNパッケージで提供されますが、MA782は小さな2mmx2mmQFNパッケージで提供されます。

MA3xxファミリは、9〜14ビットのSPI出力解像度を備え、ABZおよびUVWインターフェイスをサポートします。 UVWインターフェースは、多くの三相ブラシレスモーターに見られる3つの個別のホールセンサーによって生成されるモーター転流信号を置き換えることができます。 MA3xxファミリは、単純な双極子磁石を使用して、3つのホールセンサーの波形をエミュレートし、1〜8極のペアを持つローターをサポートするUVW出力を生成できます。

SPI角度またはABZエンコーダ出力とUVW転流のこの組み合わせを使用すると、非常にコンパクトなブラシレスサーボモーターの実装が可能になります。これは、固定子巻線に3つのホールスイッチを埋め込むことができない非常に小さな直径のマイクロモーターで役立ちます。

MA330を使用すると、サーボモーター制御のループ帯域幅を最適化するためのデジタルフィルターパラメーターのプログラミングを強化し、ABZヒステリシスを調整して、特定の解像度設定で1ターンあたりのパルス数を増やすことができます。

3つのホールセンサーを交換したいだけの非サーボアプリケーションの場合、MA102はUVW信号のみを提供する最小限の機能があるソリューションです。これらは、センサーワイヤリングルームからモーターコントローラーに戻る信号対雑音比を向上させるために、相補的な出力極性を備えています。

自動車用途の場合、MAQ470およびMAQ430は、それぞれMA702およびMA30212ビット角度センサーのAECQグレード1バージョンです。これらは-40°Cから+ 125°Cの動作をサポートし、車両アプリケーションのキャビンおよびボディセンサー電子機器での使用に適しています。典型的なアプリケーションには、インフォテインメントコントロール、HVACフラップ角度コントロール、およびポップアウトドアハンドルが含まれます。

最後に、単純なロータリーユーザーインターフェイスアプリケーションの場合、8ビットパーツのMA8xxファミリは、機械式ロータリースイッチまたはポテンショメータを置き換える費用効果の高い方法を提供します。これらはまた、すべてのMagAlphaパーツで利用可能な磁場しきい値検出機能を備えており、ロータリーノブの設計にプッシュボタンアクションを実装できます。

すべてのMagAlphaセンサーは、省スペースの3mmx3mm QFNパッケージ(2mmx2mm QFNのMA782を除く)で提供され、3.3V電源で動作します。消費電流は通常10mAから13mAの範囲であり、新しいMA780およびMA782低電力部品ではマイクロアンペアの平均電流が可能です。 

MagAlphaセンサーファミリーの詳細については https://www.monolithicpower.com/en/products/sensors/position-sensors.html をご参照ください。

ファミリに関する次の記事では、デジタルフィルタ操作が出力分解能を決定する方法、およびさまざまなフィルタ帯域幅が角度ラグにどのように影響するかについて説明します。

___________________________

これはおもしろいと思いましたか? 貴重なリソースを受信トレイに直接入手してくださいー月に1回配信されます!