使用Microchip Inductive Position Sensor实现高精度马达控制

目前在永磁马达（PMSM或BLDCM）的控制上，马达转子位置回授主要有光学式增量型编码器（Optical Incremental Encoder）、霍尔传感器（Hall Effect Sensor）、磁感应旋转编码器（Magnetic Rotary Encoder，以下简称MRE）及解角器（Resolver）等。至于要使用何种传感器，主要考虑点包含成本、使用环境及输出角度分辨率等因素决定。例如工业上精密加工应用，光学式编码器的高精度输出可以符合加工精度要求；如电动脚踏车（e-Bike）或电动滑板车等，因成本考虑，霍尔传感器可符合需求，并提供一般消费者可接受的性能；若需要更好的骑乘体验，在成本兼顾情况下，MRE是不错的选择。

除了上述传统的传感器，Microchip 提供了另一个成本与性能兼顾的位置传感器：电感式位置传感器（Inductive Position Sensor，以下简称IPS）。根据作者目前所接触到的应用实例，MRE 及 IPS具有相似性能与成本，但在安装方式，MRE须将感应用之磁铁安装于轴心上，且该MRE 芯片必须正对该磁铁。若马达后方轴心突出马达后盖本体则无法安装，IPS则不受此限，安装位置弹性佳。IPS 详见Microchip 官网（https://www.microchip.com/en-us/products/sensors-and-motor-drive/inductive-position-sensors）。

 

本次测试设备如图（一）所示 （详见AN4764），测试结果以MPLAB ® X 插件X2C Scope 撷取输出波形。

 

控制架构如图（二）。此测试平台使用的IPS为LX34050，输出信号为SIN 及COS波，并由dsPIC33CK 的PWM同步触发ADC来取样。取样之ADC结果（SIN 及COS）经平衡校正后如图（三）。

最后以ARCTAN算出连续角度如图（四）提供给FOC运算。相较于霍尔传感器只能提供60度电气角的分辨率，IPS在速度控制上具压倒性优势，更可以做到S 曲线位置控制。测试结果显示可以等效低于1 RPM的速度进行控制，有机会应用于ADAS（Advanced Driver Assistance Systems）中车道维持方向盘控制应用。
 

图（五）是S曲线位置命令测试结果，可看出马达实际位置（粉红色线）可以完美的到达最终的位置命令（红色线），这是仅使用霍尔传感器来做控制所达不到的性能，充分显示IPS可以大幅改善马达低速下的速度响应，更能精准地控制具有动能回收的应用，如电动载具，为节能减碳及永续发展（Sustainability）做出更好的贡献。

本文作者为：Microchip应用工程师经理 葛育中