AMR角度傳感器在永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測中的應(yīng)用

【摘 要】AMR角度傳感器是非常穩(wěn)定可靠的高精度磁場傳感器，能夠準(zhǔn)確檢測高達(dá)50kr/min的速度，其低成本、小體積等優(yōu)勢可以作為現(xiàn)代新能源汽車永磁同步電機(jī)旋變傳感器的一種替代方案。磁編碼器由安裝在電機(jī)轉(zhuǎn)子軸上的磁體和磁場傳感器組成，傳感器提供正弦和余弦模擬輸出，輸出經(jīng)過放大和數(shù)字化處理，通過跟蹤旋轉(zhuǎn)軸的速度和位置來提供閉環(huán)反饋信號。文章主要探討AMR角度傳感器的特性和安裝配置要求，匹配磁體的選擇和安裝要求，并配合無傳感器檢測技術(shù)在車載永磁同步電機(jī)中的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)。

【關(guān)鍵詞】AMR;角度傳感器;永磁同步電機(jī)

中圖分類號：U469.72 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-8639（ 2024 ）09-0047-03

Application of AMR Angle Sensor in Rotor Position Detection of Permanent Magnet Synchronous Motor

ZHANG Zhen，HUA Qi，ZHU Yanyan

（Jiangsu Vocational College of Information Technology，Wuxi 214153，China）

【Abstract】AMR angle sensor is a very stable and reliable high-precision magnetic field sensor，which can accurately detect the speed of up to 50kr/min. Its advantages such as low cost and small size can be used as an alternative to the rotation sensor of permanent magnet synchronous motor in modern new energy vehicles. The magnetic encoder consists of a magnet mounted on the rotor shaft of the motor and a magnetic field sensor that provides sine and cosine analog outputs that are amplified and digitized to provide closed-loop feedback signals by tracking the speed and position of the rotating shaft. This paper mainly discusses the characteristics and installation requirements of AMR angle sensor，the selection and installation requirements of matching magnets，and the application of sensorless detection technology in vehicle permanent magnet synchronous motor.

【Key words】AMR;angle sensor;permanent magnet synchronous motor

在當(dāng)今位置檢測技術(shù)中，各向異性磁阻（AMR）薄膜材料變得日益重要。相比傳統(tǒng)技術(shù)，在低成本、相對較小的尺寸、非接觸式操作、寬溫度范圍、對灰塵和光的不敏感性、寬磁場范圍等方面，AMR角度傳感器兼具穩(wěn)定可靠的性能和高精度，一些知名公司，例如美國的ADI公司和德國的Sensitec公司都有相關(guān)集成產(chǎn)品可用于電機(jī)位置檢測。新能源汽車的永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)運(yùn)行主要依賴于位置傳感器旋轉(zhuǎn)變壓器，以獲得轉(zhuǎn)子位置信息，采用AMR傳感器，雙橋結(jié)構(gòu)，最大只能測量180°的角度，如果需要檢測360°位置信息，需要配合使用電機(jī)位置無傳感器檢測技術(shù)，對于車輛而言，這是至關(guān)重要的，如果位置傳感器失效，則無位置檢測技術(shù)可繼續(xù)運(yùn)行。本文將探討AMR角度傳感器在電機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測中的應(yīng)用。

1 AMR角度傳感器的特性和安裝配置要求

1.1 AMR角度傳感器簡介

為了能使AMR傳感單元應(yīng)用于精密的角度測量，前提條件是磁性單元中的磁化強(qiáng)度矢量M與外磁場的方向一致。這個(gè)條件很容易滿足，只需通過增加作用在傳感器上的外磁場強(qiáng)度大于磁場單元的內(nèi)場，使AMR傳感器進(jìn)入飽和的工作模式，此時(shí)外磁場的方向就是強(qiáng)度矢量M的方向，AMR傳感器的電阻大小只與外磁場的方向有關(guān)，而與外磁場強(qiáng)度無關(guān)[1]。

AMR傳感器的制作過程是把4個(gè)相同的傳感單元制作在同一芯片上，組成惠斯通電橋，惠斯通電橋的差分輸出正比于sin2α，α是電流與磁化強(qiáng)度方向的夾角，這就意味著單電橋的角度測量范圍僅為90°。雙路惠斯通電橋傳感器的簡化電路圖如圖1所示，采用雙橋結(jié)構(gòu)，由于2個(gè)電橋位置排布成45°，2個(gè)單橋傳感器的輸出信號成90°的相移，這樣就實(shí)現(xiàn)了180°的角度測量范圍。

電阻的變化可由式（1）來計(jì)算：

R=R0+ΔR0cos2（α）（1）

式中：R——傳感器電阻;R0——未激勵(lì)傳感器電阻;ΔR0——傳感器電阻的變化;α——電流與磁化強(qiáng)度方向的夾角。

對于AMR傳感器而言，ΔR0一般約為電橋總電阻的3%。由于電阻變化極小，因此需要用一個(gè)信號放大器，把輸出信號進(jìn)一步放大到相對于電源電壓的可用值。

1.2 AMR角度傳感器的軸端角位置檢測

基于AMR的軸端角位置檢測是一種位置檢測方法，其利用轉(zhuǎn)子軸端連接的永久磁鐵和AMR傳感器通過測量磁場方向來確定軸的位置。AMR傳感器是非常穩(wěn)定可靠的高精度磁場傳感器，在多塵和惡劣的環(huán)境中表現(xiàn)出色。AMR傳感器無磁場強(qiáng)度上限，具備高雜散磁場抗擾度，因此非常適用于嚴(yán)苛的電氣環(huán)境。在設(shè)計(jì)解決方案時(shí)，廣泛的磁場強(qiáng)度還帶來更寬的氣隙公差和更大的靈活性。該傳感器通過鐵氧體磁體提供可靠準(zhǔn)確的性能，可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)健可靠的低成本解決方案。

在軸尾磁體配置中，一個(gè)已經(jīng)徑向磁化的偶極磁體位于旋轉(zhuǎn)軸的尾部，傳感器位于旋轉(zhuǎn)軸和磁體的下方。在該機(jī)械設(shè)置中，徑向磁體的北極和南極在磁體中心上方形成一個(gè)均強(qiáng)磁場，隨著磁體和電機(jī)軸旋轉(zhuǎn)，磁場也開始旋轉(zhuǎn)。傳感器如此放置是為了使均強(qiáng)磁場始終與檢測元件處于同一平面。電機(jī)軸尾磁體配置如圖2所示。

電機(jī)軸尾磁體配置非常適合無刷直流電機(jī)定位和控制。對于AMR角度傳感器，所使用的無刷直流電機(jī)必須是一個(gè)偶對極電機(jī)，因?yàn)槠鎸O電機(jī)需要完整的360°位置信息。多數(shù)閉環(huán)無刷直流電機(jī)使用霍爾傳感器來提供轉(zhuǎn)子位置反饋，用以確定線圈換向的正確位置。這些傳感器的精度各不相同，但一般都在5°～10°之間。為了實(shí)現(xiàn)更平滑、更高效的電機(jī)響應(yīng)，減少扭矩波動(dòng)，需要更精確的電機(jī)角度信息?，F(xiàn)代高精度的AMR傳感器的機(jī)械精度典型值為 ±0.1°，最大值為±0.5°。AMR傳感器可提供啟動(dòng)或轉(zhuǎn)子卡止條件下的絕對位置信息，而不受電機(jī)位置影響。借助這個(gè)絕對位置信息，可以更好地控制扭矩，使電機(jī)啟動(dòng)時(shí)更加平順，還能提高電機(jī)啟動(dòng)效率和卡止時(shí)的性能。

對于永磁同步電機(jī)，需要檢測360°的轉(zhuǎn)子位置，可以配合雙極性霍爾元件產(chǎn)生的信號，可進(jìn)行不同區(qū)域正余弦信號值的判定，則可實(shí)現(xiàn) 0°～360°角度測量;也可采用無位置傳感器方案，實(shí)現(xiàn)不同區(qū)域正余弦信號值的判定，不需要額外添加霍爾傳感器[2]。

在磁角的計(jì)算中，絕對電壓和絕對磁場強(qiáng)度都不重要，AMR集成傳感器對磁場強(qiáng)度和電壓幅值變化及漂移都不敏感。AMR傳感器內(nèi)部還有集成信號放大器和ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)器，以及用于溫度補(bǔ)償?shù)臏囟葌鞲衅鳌?/p>

由于2個(gè)AMR惠斯通電橋在單個(gè)芯片上的生產(chǎn)布局，正弦通道與余弦通道之間的內(nèi)在相位誤差可以忽略不計(jì)。然而，如果輸出信號用多路復(fù)用模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）而沒有進(jìn)行同步采樣，結(jié)果就會(huì)引入相位誤差。在較高的磁場旋轉(zhuǎn)速度下，異步采樣導(dǎo)致的誤差更大，因?yàn)椴蓸又g的相位滯后變大了。建議用2個(gè)獨(dú)立的ADC，或者一個(gè)多路復(fù)用ADC配合2個(gè)同步跟蹤保持放大器，對正弦和余弦輸出同步采樣，防止相位滯后導(dǎo)致誤差。采樣相位誤差的大小直接關(guān)系到計(jì)算得到的電氣誤差的大小。

2 無傳感器檢測技術(shù)的選用

目前電機(jī)無傳感器位置檢測技術(shù)被廣泛研究和開發(fā)，這些技術(shù)大多數(shù)都是以電壓、電流和反電動(dòng)勢的檢測為基礎(chǔ)，主要分為以下幾種。

2.1 應(yīng)用檢測量和數(shù)學(xué)的方法

2.1.1 應(yīng)用所檢測的電壓和電流計(jì)算磁鏈

由已知初始位置、電機(jī)參數(shù)以及磁鏈與轉(zhuǎn)子位置之間的關(guān)系，即可確定轉(zhuǎn)子位置。通過積分結(jié)果來確定磁鏈的變化率，則轉(zhuǎn)速也可予以確定[3]。磁鏈計(jì)算法的優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算中可應(yīng)用線電壓，因而沒有電機(jī)中性點(diǎn)的要求。

2.1.2 利用一個(gè)可測量電壓或電流的預(yù)測模型

將模型的值與實(shí)際所檢測的電壓或電流值進(jìn)行比較，然后計(jì)算與電壓或電流檢測值和實(shí)際值之間差值成正比的位置[4]。該方法首先構(gòu)造電機(jī)精確的d-q模型。利用所檢測的電流和d-q變換，模型的輸出電壓與檢測轉(zhuǎn)換后的電壓進(jìn)行比較，其差值正比于模型坐標(biāo)系與實(shí)際坐標(biāo)系之間的角度，該角度是關(guān)于實(shí)際坐標(biāo)系中轉(zhuǎn)子位置。反之，也可以通過所檢測的電壓，得出電流差值。無論哪種情況，檢測量與計(jì)算量之間的差值被用作轉(zhuǎn)子位置校正方程中的乘數(shù)。該方法比較復(fù)雜，定子參數(shù)隨溫度發(fā)生變化時(shí)，嚴(yán)重影響系統(tǒng)的準(zhǔn)確度。該算法對數(shù)學(xué)模型和位置精度的依賴度較強(qiáng)，需要不斷地補(bǔ)償和修正，計(jì)算負(fù)擔(dān)較大。

2.2 使用觀測器的方法

使用觀測器確定轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速的方法，比較成熟的是卡爾曼濾波器，其作為一種位置測算器，可以有效降低隨機(jī)干擾以及噪聲所帶來的影響，能夠快速跟蹤系統(tǒng)實(shí)際狀態(tài)?？柭鼮V波提高了轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速初始估算的精度，但實(shí)際應(yīng)用算法復(fù)雜，計(jì)算量大。目前常用的觀測器系統(tǒng)還有非線性觀測器、全階觀測器、滑模觀測器等?；Ｓ^測器本質(zhì)上是非線性觀測器的一種，特點(diǎn)在于系統(tǒng)控制的不連續(xù)性，而且結(jié)構(gòu)不固定，可以在動(dòng)態(tài)過程中不斷調(diào)整，從而使系統(tǒng)按預(yù)定滑動(dòng)模態(tài)運(yùn)行[5]。滑模觀測器結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)節(jié)參數(shù)少，響應(yīng)速度快，對環(huán)境擾動(dòng)不敏感，具有較強(qiáng)的魯棒性，是目前無感控制中應(yīng)用較多的一種觀測器。

2.3 反電動(dòng)勢感測的方法

反電動(dòng)勢感測法主要有：端電壓感測法、三次諧波反電動(dòng)勢感測法、續(xù)流二極管導(dǎo)通法、反電動(dòng)勢積分法。在零速和低速時(shí)，反電動(dòng)勢誤差較大，在轉(zhuǎn)速較高時(shí)，與轉(zhuǎn)速相關(guān)的電抗干擾了電流與反電動(dòng)勢及磁場定向的定位，會(huì)帶來一些問題，因此不適合高轉(zhuǎn)速的永磁同步電機(jī)。

2.4 調(diào)制信號注入法

目前較為成熟的高頻信號注入法，對電機(jī)三相注入平衡的高頻電壓或電流信號，通過電機(jī)內(nèi)部固有的不對稱性產(chǎn)生一個(gè)磁凸極檢測對應(yīng)的高頻電流或電壓信號的響應(yīng)，從而獲取電機(jī)的位置信息和轉(zhuǎn)速[6]。高頻注入法根據(jù)注入信號的形式可分為旋轉(zhuǎn)高頻電壓注入法、旋轉(zhuǎn)高頻電流注入法和脈振高頻電壓注入法。由于采用外加注入高頻激勵(lì)信號來檢測凸極性，因此在低速甚至零速時(shí)性能較好，對電機(jī)參數(shù)不敏感，具有較好的魯棒性。

綜上所述，相較于傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)變壓器，AMR角度傳感器只能檢測180°轉(zhuǎn)子位置信息，應(yīng)用在新能源汽車的永磁同步電機(jī)中，必須實(shí)現(xiàn)360°轉(zhuǎn)子位置的檢測，通過無傳感器檢測方案可以很容易區(qū)分前后180°位置信息?？紤]到AMR角度傳感器的可靠性比旋變傳感器差一些，為了保證永磁同步電機(jī)可靠地工作，在AMR角度傳感器失效時(shí)電機(jī)也能驅(qū)動(dòng)運(yùn)行，現(xiàn)階段結(jié)合滑模觀測器或脈振高頻電壓注入法無傳感器檢測是優(yōu)選方案。成本和體積是AMR角度傳感器在永磁同步電機(jī)應(yīng)用中的優(yōu)勢。

3 選擇磁體時(shí)的考慮因素

3.1 AMR傳感器磁體的安裝

在使用AMR傳感器時(shí)，需要為傳感器配上合適的磁體才能取得最佳性能。由于其方向取決于磁場，所以使用的磁體必須徑向磁化而非軸向磁化，如圖3所示，磁場線從磁體北極向南極運(yùn)動(dòng)。在磁體上方（如果是軸尾配置，必須把AMR傳感器置于此處，如圖2所示），磁場線均勻分布于傳感器所在平面。

3.2 磁體材料的選擇

一般AMR傳感器要搭配稀土磁體使用，因?yàn)楹笳呔哂休^高的磁能質(zhì)量比。然而，只要能達(dá)到傳感器的最小飽和磁場強(qiáng)度要求，也可以使用成本較低的鐵氧體磁鐵。但是，對于高性能和高溫應(yīng)用來說，如果使用稀土磁體，性能會(huì)得到提升，因?yàn)锳MR傳感器可以感知到更高的磁場強(qiáng)度。較高的磁場強(qiáng)度也有助于降低雜散磁場對傳感器精度的影響。

用于制造稀土永磁體的兩種最常見的材料是釹（NdFeB）和釤鈷（SmCo）。表1為兩種不同磁性材料的比較情況，分別列出了各自的主要優(yōu)勢。這兩種磁性材料都有多個(gè)不同的等級，因此，表中只是粗略比較，對于具體特性，必須分開考察每個(gè)等級的材料。磁性材料的等級表示材料的磁能積，單位為百萬高斯-奧斯特（MGOe），該值等于具體磁性材料BH曲線的最大值。一般MGOe兩倍的材料，其拉拔強(qiáng)度為同樣大小磁體的兩倍。

對于AMR技術(shù)，強(qiáng)度較高的磁體，其性能始終優(yōu)于強(qiáng)度較低的磁體。增加AMR傳感器元件可以感知到磁場強(qiáng)度，也可以提高器件性能。因?yàn)槠骷嬖谖锢硐拗?，所有AMR傳感器中都存在較高階的諧波。采用弧形結(jié)構(gòu)的AMR傳感器，可減少許多其他傳感器中存在的四階諧波，即可在較低的磁場強(qiáng)度條件下實(shí)現(xiàn)類似的性能。

4 磁體與傳感器的關(guān)系

機(jī)械對齊對于最大限度地提高AMR傳感器的性能至關(guān)重要。在設(shè)計(jì)機(jī)械系統(tǒng)時(shí)，必須嚴(yán)格控制磁體與傳感器之間的x-y對齊容差，使傳感器感知到磁場方向符合要求。傳感器中心與磁體中心的物理對齊誤差會(huì)給整個(gè)系統(tǒng)帶來誤差，該誤差取決于傳感器位置周圍磁場的大小和一致性。受控軸尾系統(tǒng)的磁體軸中心必須與磁傳感器中心在一直線上。氣隙或z向間距對于AMR傳感器的性能也很重要。雖然在絕對對齊中不如x-y相對位置重要，但也必須了解氣隙參數(shù)才能使傳感器性能最大化。為了實(shí)現(xiàn)AMR傳感器的額定性能，磁激勵(lì)在設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮至少提供傳感器要求的最小磁場強(qiáng)度，一般要求磁場強(qiáng)度為25kA/m。提高傳感器所感知的磁場強(qiáng)度的一種方法是減小工作氣隙，然而，減小與磁體的距離不一定能提高器件的性能。在接近磁體表面的地方，磁場強(qiáng)度變得不均勻。對氣隙不敏感，是AMR技術(shù)的一個(gè)重要特性。只要傳感器在激勵(lì)磁場下進(jìn)入完全飽和狀態(tài)，從該傳感器獲取到的角度信息就不會(huì)隨磁場強(qiáng)度而變化，意味著因振動(dòng)、應(yīng)力或全壽命機(jī)械漂移導(dǎo)致z方向的較小位移對角度精度的影響非常小。位移容差量取決于磁體材料和幾何尺寸，但范圍可能達(dá)到幾d070b0b016475c6df3859de01ca7bb3a0d1e1f1ba079b70c1c68e7dc862a6fe8毫米到一厘米，甚至更多。

在電機(jī)軸尾或離軸配置中，磁場強(qiáng)度必須在整個(gè)機(jī)械旋轉(zhuǎn)過程中保持均勻。該磁場的強(qiáng)度必須超過25kA/m才能使傳感器完全飽和，以克服其內(nèi)部磁化效應(yīng)。在達(dá)到該條件的基礎(chǔ)上，必須使正弦通道和余弦通道的輸出幅度同步，相位差為90°。受此輸出同步性影響，在恒定溫度條件下，半徑保持不變。半徑可用式（2）計(jì)算：

（2）

當(dāng)半徑VRAD由外部處理器或電子控制單元ECU監(jiān)控時(shí)，如果額定半徑出現(xiàn)任何顯著偏差，就表示系統(tǒng)出現(xiàn)了故障。實(shí)時(shí)機(jī)械故障、對齊誤差及磁場強(qiáng)度下降等情況都可以通過計(jì)算該半徑來監(jiān)控。

5 結(jié)語

永磁同步電機(jī)在新能源汽車中被廣泛使用，本文探討了AMR角度傳感器在永磁同步電機(jī)中的應(yīng)用。基于成本優(yōu)勢和體積優(yōu)勢，為廠家設(shè)計(jì)永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)，替代目前被廣泛采用的旋轉(zhuǎn)變壓器提供了一個(gè)解決方案，以及在應(yīng)用中考慮傳感器的特性和安裝位置，并在選擇磁體材料的要求和磁體位置安裝要求時(shí)提出相應(yīng)的解決措施，考慮到車載永磁同步電機(jī)360°轉(zhuǎn)子位置檢測要求和運(yùn)行可靠性高的需求，結(jié)合無傳感器檢測技術(shù)，也提供了相應(yīng)的解決方案。

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（編輯 凌 波）

作者簡介張震（1975—），男，講師，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械工程。