AMR角度傳感器在永磁同步電機轉子位置檢測中的應用

【摘 要】AMR角度傳感器是非常穩定可靠的高精度磁場傳感器，能夠準確檢測高達50kr/min的速度，其低成本、小體積等優勢可以作為現代新能源汽車永磁同步電機旋變傳感器的一種替代方案。磁編碼器由安裝在電機轉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，輸出經過放大和數字化處理，通過跟蹤旋轉軸的速度和位置來提供閉環反饋信號。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在車載永磁同步電機中的應用實現。

【關鍵詞】AMR;角度傳感器;永磁同步電機

中圖分類號：U469.72 文獻標識碼：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

在當今位置檢測技術中，各向異性磁阻（AMR）薄膜材料變得日益重要。相比傳統技術，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公司都有相關集成產品可用于電機位置檢測。新能源汽車的永磁同步電機驅動運行主要依賴于位置傳感器旋轉變壓器，以獲得轉子位置信息，采用AMR傳感器，雙橋結構，最大只能測量180°的角度，如果需要檢測360°位置信息，需要配合使用電機位置無傳感器檢測技術，對于車輛而言，這是至關重要的，如果位置傳感器失效，則無位置檢測技術可繼續運行。本文將探討AMR角度傳感器在電機轉子位置檢測中的應用。

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

AMR傳感器的制作過程是把4個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，采用雙橋結構，由于2個電橋位置排布成45°，2個單橋傳感器的輸出信號成90°的相移，這樣就實現了180°的角度測量范圍。

電阻的變化可由式（1）來計算：

R=R0+ΔR0cos2（α）（1）

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

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，因此需要用一個信號放大器，把輸出信號進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傳感器是非常穩定可靠的高精度磁場傳感器，在多塵和惡劣的環境中表現出色。AMR傳感器無磁場強度上限，具備高雜散磁場抗擾度，因此非常適用于嚴苛的電氣環境。在設計解決方案時，廣泛的磁場強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確的性能，可實現穩健可靠的低成本解決方案。

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

電機軸尾磁體配置非常適合無刷直流電機定位和控制。對于AMR角度傳感器，所使用的無刷直流電機必須是一個偶對極電機，因為奇對極電機需要完整的360°位置信息。多數閉環無刷直流電機使用霍爾傳感器來提供轉子位置反饋，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。為了實現更平滑、更高效的電機響應，減少扭矩波動，需要更精確的電機角度信息。現代高精度的AMR傳感器的機械精度典型值為 ±0.1°，最大值為±0.5°。AMR傳感器可提供啟動或轉子卡止條件下的絕對位置信息，而不受電機位置影響。借助這個絕對位置信息，可以更好地控制扭矩，使電機啟動時更加平順，還能提高電機啟動效率和卡止時的性能。

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

在磁角的計算中，絕對電壓和絕對磁場強度都不重要，AMR集成傳感器對磁場強度和電壓幅值變化及漂移都不敏感。AMR傳感器內部還有集成信號放大器和ADC模數轉換驅動器，以及用于溫度補償的溫度傳感器。

由于2個AMR惠斯通電橋在單個芯片上的生產布局，正弦通道與余弦通道之間的內在相位誤差可以忽略不計。然而，如果輸出信號用多路復用模數轉換器（ADC）而沒有進行同步采樣，結果就會引入相位誤差。在較高的磁場旋轉速度下，異步采樣導致的誤差更大，因為采樣之間的相位滯后變大了。建議用2個獨立的ADC，或者一個多路復用ADC配合2個同步跟蹤保持放大器，對正弦和余弦輸出同步采樣，防止相位滯后導致誤差。采樣相位誤差的大小直接關系到計算得到的電氣誤差的大小。

2 無傳感器檢測技術的選用

目前電機無傳感器位置檢測技術被廣泛研究和開發，這些技術大多數都是以電壓、電流和反電動勢的檢測為基礎，主要分為以下幾種。

2.1 應用檢測量和數學的方法

2.1.1 應用所檢測的電壓和電流計算磁鏈

由已知初始位置、電機參數以及磁鏈與轉子位置之間的關系，即可確定轉子位置。通過積分結果來確定磁鏈的變化率，則轉速也可予以確定[3]。磁鏈計算法的優點是計算中可應用線電壓，因而沒有電機中性點的要求。

2.1.2 利用一個可測量電壓或電流的預測模型

將模型的值與實際所檢測的電壓或電流值進行比較，然后計算與電壓或電流檢測值和實際值之間差值成正比的位置[4]。該方法首先構造電機精確的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換后的電壓進行比較，其差值正比于模型坐標系與實際坐標系之間的角度，該角度是關于實際坐標系中轉子位置。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，檢測量與計算量之間的差值被用作轉子位置校正方程中的乘數。該方法比較復雜，定子參數隨溫度發生變化時，嚴重影響系統的準確度。該算法對數學模型和位置精度的依賴度較強，需要不斷地補償和修正，計算負擔較大。

2.2 使用觀測器的方法

使用觀測器確定轉子位置和轉速的方法，比較成熟的是卡爾曼濾波器，其作為一種位置測算器，可以有效降低隨機干擾以及噪聲所帶來的影響，能夠快速跟蹤系統實際狀態。卡爾曼濾波提高了轉子位置和轉速初始估算的精度，但實際應用算法復雜，計算量大。目前常用的觀測器系統還有非線性觀測器、全階觀測器、滑模觀測器等。滑模觀測器本質上是非線性觀測器的一種，特點在于系統控制的不連續性，而且結構不固定，可以在動態過程中不斷調整，從而使系統按預定滑動模態運行[5]。滑模觀測器結構簡單，調節參數少，響應速度快，對環境擾動不敏感，具有較強的魯棒性，是目前無感控制中應用較多的一種觀測器。

2.3 反電動勢感測的方法

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

2.4 調制信號注入法

目前較為成熟的高頻信號注入法，對電機三相注入平衡的高頻電壓或電流信號，通過電機內部固有的不對稱性產生一個磁凸極檢測對應的高頻電流或電壓信號的響應，從而獲取電機的位置信息和轉速[6]。高頻注入法根據注入信號的形式可分為旋轉高頻電壓注入法、旋轉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信號來檢測凸極性，因此在低速甚至零速時性能較好，對電機參數不敏感，具有較好的魯棒性。

綜上所述，相較于傳統的旋轉變壓器，AMR角度傳感器只能檢測180°轉子位置信息，應用在新能源汽車的永磁同步電機中，必須實現360°轉子位置的檢測，通過無傳感器檢測方案可以很容易區分前后180°位置信息。考慮到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可靠地工作，在AMR角度傳感器失效時電機也能驅動運行，現階段結合滑模觀測器或脈振高頻電壓注入法無傳感器檢測是優選方案。成本和體積是AMR角度傳感器在永磁同步電機應用中的優勢。

3 選擇磁體時的考慮因素

3.1 AMR傳感器磁體的安裝

在使用AMR傳感器時，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動。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，因為后者具有較高的磁能質量比。然而，只要能達到傳感器的最小飽和磁場強度要求，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用來說，如果使用稀土磁體，性能會得到提升，因為AMR傳感器可以感知到更高的磁場強度。較高的磁場強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勢。這兩種磁性材料都有多個不同的等級，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，其拉拔強度為同樣大小磁體的兩倍。

對于AMR技術，強度較高的磁體，其性能始終優于強度較低的磁體。增加AMR傳感器元件可以感知到磁場強度，也可以提高器件性能。因為器件存在物理限制，所有AMR傳感器中都存在較高階的諧波。采用弧形結構的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度條件下實現類似的性能。

4 磁體與傳感器的關系

機械對齊對于最大限度地提高AMR傳感器的性能至關重要。在設計機械系統時，必須嚴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給整個系統帶來誤差，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才能使傳感器性能最大化。為了實現AMR傳感器的額定性能，磁激勵在設計時必須考慮至少提供傳感器要求的最小磁場強度，一般要求磁場強度為25kA/m。提高傳感器所感知的磁場強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，磁場強度變得不均勻。對氣隙不敏感，是AMR技術的一個重要特性。只要傳感器在激勵磁場下進入完全飽和狀態，從該傳感器獲取到的角度信息就不會隨磁場強度而變化，意味著因振動、應力或全壽命機械漂移導致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，但范圍可能達到幾d070b0b016475c6df3859de01ca7bb3a0d1e1f1ba079b70c1c68e7dc862a6fe8毫米到一厘米，甚至更多。

在電機軸尾或離軸配置中，磁場強度必須在整個機械旋轉過程中保持均勻。該磁場的強度必須超過25kA/m才能使傳感器完全飽和，以克服其內部磁化效應。在達到該條件的基礎上，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）計算：

（2）

當半徑VRAD由外部處理器或電子控制單元ECU監控時，如果額定半徑出現任何顯著偏差，就表示系統出現了故障。實時機械故障、對齊誤差及磁場強度下降等情況都可以通過計算該半徑來監控。

5 結語

永磁同步電機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中的應用。基于成本優勢和體積優勢，為廠家設計永磁同步電機控制系統，替代目前被廣泛采用的旋轉變壓器提供了一個解決方案，以及在應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提出相應的解決措施，考慮到車載永磁同步電機360°轉子位置檢測要求和運行可靠性高的需求，結合無傳感器檢測技術，也提供了相應的解決方案。

參考文獻：

[1] 鐘智勇. 磁電阻傳感器[M]. 北京：科學出版社，2015.

[2] 陶仁婧. 磁多層膜各向異性磁電阻角度傳感器研究[D]. 成都：電子科技大學，2021.

[3] 董淑海. 基于高頻信號耦合注入的永磁無刷直流電機轉子初始位置檢測[D]. 天津：天津大學，2019.

[4] 聞紹靖. 高速永磁同步電動機無傳感器控制研究[D].沈陽：沈陽工業大學，2009.

[5] 朱洪雨. 基于滑模觀測器的永磁同步電機無位置傳感器控制研究[D]. 哈爾濱：哈爾濱工業大學，2009.

[6] 程啟明，王映斐，程尹曼，等. 感應電動機無速度傳感器技術的發展與展望[J]. 微特電機，2010（11）：75-74，78.

（編輯 凌 波）

作者簡介張震（1975—），男，講師，主要研究方向為機械工程。