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アプリケーションノート

MagAlpha™デバイスを使用してBLDC回転子の位置を検出する

はじめに

ブラシレスDC(BLDC)または電子整流(EC)モーターは、回転子の位置または角度を示すよう制御電子機器へのフィードバックを必要とします。従来、これは、回転子に取り付けられた磁石の磁場を感知するために3つのホールセンサーを使用して行われました。このタイプのフィードバックは、モーターを整流するのに十分な情報を提供しますが、60°の分解能しか提供しません。これは、特に低速で、回転位置を測定したり、モーター速度を正確に測定したりするには不十分です。これらの欠点を克服するために、多くの場合、ホールセンサーに加えて光学式ロータリーエンコーダーが採用されています。これにより、優れた速度と位置精度が得られますが、非常に高価でどちらかといえば信頼性の低い追加の電気機械部品が必要になります。より良い解決策は、回転子磁石の近くに取り付けられたSensimaMagAlpha?磁気角度センサーを使用して、回転子の位置を直接感知することです。

magalpha device operation

MagAlpha™デバイス

このデバイスは、独自の技術を使用して、磁場の角度を最大11ビットの精度で非常に高速に測定します。角度情報は、シリアル(SPI)ポートを介して直接読み取るなど、さまざまな方法で提示できます。また、このデバイスは、光学式エンコーダの直交出力をエミュレートする出力と、BLDCモーターで使用される3つのホールセンサーによって通常生成される「UVW」信号も提供します。一般的に、磁気角度センサーは、ICの表面の上に向けられた2極磁石で使用されます(下の画像の左側に示されています)。さらに、MagAlpha™デバイスにはサイドシャフト補正が含まれているため、デバイスの側面に配置された磁石の角度を正確に測定できます(下の画像の右側に表示)。

 

回転子磁石の検知

MagAlpha™デバイスが回転子の側面近くに取り付けられている場合、回転子の磁場の角度、つまり回転子の機械的角度を測定できます。下の図は、MagAlpha?デバイスが近接して取り付けられた4極回転子の周囲の磁場を示しています。ローターが回転すると、MagAlpha™デバイスを切断する磁場の角度が回転することがわかります。

sensing rotor magnets

3つのホールセンサーを使用する場合と同様に、センサーは極のペアごとに1つの完全な回転を測定します。言い換えると、シャフトの各機械的回転により、極ペアごとに1つの電気的回転がデバイスによって報告されます。これはまさに交換電流に必要なものです。多くの競合デバイスとは異なり、MagAlpha™センサーは非常に高速です。位置は2 μSごとに計算され、遅延時間は3 μSです。これにより、非常に高いローター速度でも正確な転流が可能になります。3μSの遅延により、3kHzの電気周波数(または4極モーターの場合は約100,000 RPM)で約1%の転流エラーが発生します。これは実際には多くの単純なホールセンサよりも高速です!

MagAlpha™デバイスの「ゼロ」角度位置はプログラム可能です。製造中、キャリブレーションの簡単なステップで回転子が既知の位置に配置され、デバイスのゼロ位置が設定されます。これはデバイス内の不揮発性メモリに保存され、光学式エンコーダでは必要とされる手間のかかる手動ポジショニングを置き換えます。また、転流前進の電気的調整が可能となります。

 

実装

多くの場合、BLDCモータには、ホールセンサ (および多くの場合モーターコントローラ/ドライバも) をサポートするためにモータ内部に取り付けられたPCBが含まれています。回転子の磁石構造がPCBに十分に近い場合、MagAlpha™デバイスをそのPCBの、3つの個別のホールセンサーに使用されるのと同様の位置に直接取り付けることができます。MagAlpha™デバイスは非常に小さいため(3mm x 3mm x 0.9mm)、多くの場合、ポールピースの間に配置できます。インナーロータ・モータとアウターロータ・モータの両方のPCBへの取り付け例を以下に示します。

rotor mounting

 

MagAlpha®デバイスをモータ内に取り付けることが物理的に不可能な場合でも、以下に示すように、モータシャフトに別のディスクまたはリング磁石を取り付けることで、デバイスのすべての利点が得られることを了解してください。

 

ring magnet on motor shaft

 

転流に3つのホールセンサを使用する場合、センサーを正確に取り付ける必要があります。そうしないと、転流ミスが発生し、トルクリップルと非効率的な動作が発生する可能性があります。MagAlpha™デバイスを使用する場合、磁場角度は1か所でのみ検出されます。転流信号(常に正確に120°離れている)はその角度から生成されるため、センサの取り付け精度は、3つの別々のホールセンサーの場合ほど重要ではありません。これにより、ホールセンサの位置が間違っているための生産歩留まりの低下とやり直しが改善されます。

 

MagAlpha™インターフェース

MagAlpha™デバイスは、UVWのホール信号をエミュレートする信号を直接出力するだけでなく、光学式エンコーダの直交信号をエミュレートする出力も出力します。これらの信号は、位置制御アプリケーションの場合はホールセンサと光学エンコーダを直接置き換えるために使用でき、速度制御アプリケーションの場合は「FG」またはタコメーター信号を置き換えるために使用できます。実際、MagAlpha™デバイスは、以下に示すように、ホールセンサと速度/位置エンコーダを直接置き換えることができ、既存のモータ・コントローラとドライバ回路を引き続き利用できます。

MagAlphaを使用して既存のコントローラ/ドライバのパフォーマンスを向上させる

MagAlphaを使用して既存のコントローラ/ドライバのパフォーマンスを向上させる

さらに高いパフォーマンスを得るために、マイクロコントローラを使用して、MagAlpha™デバイスのSPIインターフェースを介して回転子の電気角度(最大11ビットの分解能)を直接読み取ることができます。ローターの位置はリアルタイムで非常に正確にわかっているため、単純なルックアップテーブルベースのアルゴリズムを使用して、各フェーズのPWM信号を生成できます。これにより、正弦波転流の実装が簡素化されます。

 

パフォーマンスとコストの利点

位置制御アプリケーションでは、MagAlpha™センサは、はるかに低いコストで、光学式エンコーダと同等以上の解像度を提供します。また、産業用アプリケーションで光学式エンコーダを一般的に悩ませ、位置検出エラーを引き起こし、最終的にはシステム障害を引き起こす汚れやほこりの影響を受けません。速度制御されたアプリケーションでは、以下に示すように、正確な角度測定を使用して、高パルスカウントのタコメータ信号(電気回転あたり最大256パルス)を生成できます。これは、大容量BLDCモータで一般的に使用されている電磁タコメータ(「FG」)を使用して得られるものの約10~20倍です。

electromagnetic tachometers in bldc motors

結論

SensimaMagAlpha™デバイスは、BLDCモーターのホールセンサと光学エンコーダの代わりに使用でき、コストとパフォーマンスのメリットを提供します。多くの場合、デバイスはモータの内部に直接取り付けられ、追加の磁石を必要とせずにロータの位置を感知できます。

 

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