使用Microchip Inductive Position Sensor實現高精度馬達控制

目前在永磁馬達（PMSM或BLDCM）的控制上，馬達轉子位置回授主要有光學式增量型編碼器（Optical Incremental Encoder）、霍爾傳感器（Hall Effect Sensor）、磁感應旋轉編碼器（Magnetic Rotary Encoder，以下簡稱MRE）及解角器（Resolver）等。至于要使用何種傳感器，主要考慮點包含成本、使用環境及輸出角度分辨率等因素決定。例如工業上精密加工應用，光學式編碼器的高精度輸出可以符合加工精度要求；如電動腳踏車（e-Bike）或電動滑板車等，因成本考慮，霍爾傳感器可符合需求，并提供一般消費者可接受的性能；若需要更好的騎乘體驗，在成本兼顧情況下，MRE是不錯的選擇。

除了上述傳統的傳感器，Microchip 提供了另一個成本與性能兼顧的位置傳感器：電感式位置傳感器（Inductive Position Sensor，以下簡稱IPS）。根據作者目前所接觸到的應用實例，MRE 及 IPS具有相似性能與成本，但在安裝方式，MRE須將感應用之磁鐵安裝于軸心上，且該MRE 芯片必須正對該磁鐵。若馬達后方軸心突出馬達后蓋本體則無法安裝，IPS則不受此限，安裝位置彈性佳。IPS 詳見Microchip 官網（https://www.microchip.com/en-us/products/sensors-and-motor-drive/inductive-position-sensors）。

 

本次測試設備如圖（一）所示 （詳見AN4764），測試結果以MPLAB ? X 插件X2C Scope 擷取輸出波形。

 

控制架構如圖（二）。此測試平臺使用的IPS為LX34050，輸出信號為SIN 及COS波，并由dsPIC33CK 的PWM同步觸發ADC來取樣。取樣之ADC結果（SIN 及COS）經平衡校正后如圖（三）。

最后以ARCTAN算出連續角度如圖（四）提供給FOC運算。相較于霍爾傳感器只能提供60度電氣角的分辨率，IPS在速度控制上具壓倒性優勢，更可以做到S 曲線位置控制。測試結果顯示可以等效低于1 RPM的速度進行控制，有機會應用于ADAS（Advanced Driver Assistance Systems）中車道維持方向盤控制應用。
 

圖（五）是S曲線位置命令測試結果，可看出馬達實際位置（粉紅色線）可以完美的到達最終的位置命令（紅色線），這是僅使用霍爾傳感器來做控制所達不到的性能，充分顯示IPS可以大幅改善馬達低速下的速度響應，更能精準地控制具有動能回收的應用，如電動載具，為節能減碳及永續發展（Sustainability）做出更好的貢獻。

本文作者為：Microchip應用工程師經理 葛育中