一、概述

与直流电机相比，永磁同步电机具有体积小、 效率高、无需维护等优点，在某些应用场景中，由位置传感器精度引起的转矩波动应限制在1％以内，这就要求电机位置传感器具有足够的精度。AS5040磁旋转编码器能够满足高精度、高可靠性、低成本的设计要求。

那么将AS5040磁旋转编码器应用于永磁同步电机位置检测时，需要解决两个问题：一是磁旋转编码器安装位置初始定位，即确定编码器输出的位置信号与电机实际位置角的对应关系；二是获得电机轴开始转动时转子磁极的精确位置。对于永磁同步电机来说，为得到电机轴开始转动时转子磁极的位置，通常采用昂贵的绝对编码器或旋转变压器来达到这样的要求。我们本篇文章探讨的 AS5040磁旋转编码器同样能达到这一使用要求。

图一：AS5040磁编码器芯片的内部框图

二、AS5040工作原理 

AS5040检测转轴角位置时，需在转轴的端部安装一个纽扣形磁铁。AS5040与磁铁的相对位置如下图二所示，其工作原理是通过芯片内部的线性霍尔阵列检测出磁铁的磁场强度分布，从中分离出角度信息。

该磁旋转编码器具有增量角度输出和绝对角度输出功能。增量角度输出信号分为A，B两路， 磁铁相对AS5040旋转一周，A，B通道各输出 256个周期脉冲，两路信号相位相差1／2个脉冲， 可以根据超前或滞后关系判断转动方向，通过4倍频可以获得10位的分辨率。AS5040将绝对角度定义为磁铁的磁极与霍尔阵列间的角度，磁铁每旋转一周，AS5040将输出512个绝对角度信号，通过SPI通讯可将其读出。在绝对角度为0或1023时，INDEX通道将输出一个零位脉冲， 可以利用此信号重置测量值，消除累积误差。

很多系列的单片机中都具有SPI及正交编码器脉冲电路(QEP),例如STM32单片机、TI公司的DSP芯片等，它们都能够处理AS5040绝对角度和增量角度信号。

下图二为使用AS5040系列磁编码器位置检测的工作原理示意图。

图二：磁传感器位置检测示意图

三、AS5040安装位置初始定位

磁旋转编码器安装位置初始定位主要目的是获得在电机位置角为0时对应的编码器绝对角度，根据这一信息可以使得电机位置角与编码器 的绝对角度一一对应。

图三示出了AS5040、磁铁磁极、电机转子磁极，以及电机定子A相轴线四者间的关系。在电机控制系统中，常定义转子磁极与定子A相轴线重合时电机位置角为 0，且逆时针方向为正向。

图三：磁传感器与电机间的位置关系示意

上图三中，α1为AS5040轴线与电机定子A相轴线的交角，AS5040安装到电机端盖上后，α1即被固定；α2为磁铁轴线与电机转子d轴(直轴)的交角，当磁铁安装到电机转子轴上后，α2即被固定；θ为电机定子A相轴线与电机转子d轴的交角，即电机位置角；Ax为AS5040轴线与磁铁轴线的交角，即AS5040绝对角度，可以通过其SSI接口输出，并由单片机或者DSP的SPI读取。

由上图三可以看到，电机位置角可以表示为：θ = Ax - (α1 + α2)，由于Ax可以直接从磁编码器芯片中读取，为了能够求出上述公式中的θ，就需要测量出α1+α2的值。从公式中分析可以进一步得出结果，当θ=0时，直接从传感器芯片中读出的Ax就是α1+α2，我们可以记θ=0时的Ax为A0，θ为θ0,则可以知道A0 = α1+α2。求解处A0之后，再根据Ax的不同，就可以知道转子位置角θ = Ax - A0。

从上面过程可以看到，一个必需的步骤是要在电机位置角θ=0的时刻，从AS5040读出A0。因为电机位置角θ与电机反电动势相位有关，考虑利用反电动势信号捕捉电机位置角θ=0的时刻。

下图四所示的电路引出了电机反电动势信号。在图四中，R是外接电阻，LA，LB，LC是电机定子三相电感，Ra，Rb，Rc是电机定子三相电阻,N是电机三相中心点，N`是模拟中心点。根据上面对电机位置的定义，若R值取得很大，则定子内阻压降以及电感上的感应电压可以被忽略，电机A相反电动势的表达式为：

图四：A相反电动势测量示意图

从上述反电动势公式可以看出，通过检测A相反电动势正向过零点即可表明电机位置角θ是否等于0。下图五是检测A相反电动势正向过零点的示意图。为了获得信噪比较高的反电动势波形，需要利用另外一台电机拖动永磁同步电机以较高的速度作恒速旋转。

图五：反电动势过零点测试示意图

当A相反电动势正向过零点时，单片机（DSP）发生捕获中断。在中断服务子程序中，通过SPI读入AS5040输出的绝对角度信号A0。尽管电机拖动速度很高，由于在反电动势过零点处仍会有毛刺存在，实际捕获过零点时，过零比较器仍会有误触发。在过零比较器的前级串入一个低通滤波器，可解决这一问题。由于电机空载恒速旋转，反电动势是频率正比于转速的正弦波，滤波器引起的延迟可以被精确地补偿。

转子磁极对数为P时，每机械周期A相反电动势将出现P个正向过零点，A0可取AS5040输出的绝对角度信号中最大者。

整个初始定位过程无需手工调整传感器与电机的相对位置，同时在安装时对传感器的安装位置角未作任何要求，从而加快了传感器的安装速度。