i

Positionsbestämning av en

roterande axel i en vinkelgivare

Position determination of a rotating axis in an

angle sensor

Bahman Jahan Frough

KTH ROYAL INSTITUTE OF TECHNOLOGY

I N F O R M A T IO N A N D C O M M U N I C A T I O N T E C H N O L O G Y

ii

iii

Abstract

This thesis includes a study of a touch-free sensor systems and different principles for

measuring a magnetic field. An in-depth study was conducted to describe two important

principles in these contexts, i.e. Magnetoresistance principle and the Hall Effect principle. A

market evaluation of different sensor chips developed on these principles was conducted.

Furthermore, the study should be linked to existing principles to determine the position of a

rotating axis.

Function tests show that the performance requirement for each component was met. The

results based on verification tests show that it is important to have a better mechanical

connection between drive and device. Temperature tests show that the system meets the

project specification at room temperature, but large angular deviations occur in temperature

change, especially when driving with short steps.

This thesis can be continued by reprogramming the source code and developing new

software that can control more parameters and make it more accurate at positioning.

Another recommendation would be to investigate and compare other sensor chips because

there are several sensors that can apply to the system. Further improvements can be made by

performing more tests on the system.

Keywords

Position, sensor, Hall Effect, magnetoresistance.

iv

v

Sammanfattning

Examensarbetet innefattar en studie om beröringsfritt givarsystem och olika principer för att

mäta ett magnetfält. En fördjupad litteraturstudie utfördes för att förklara två viktiga

principer i dessa sammanhang d.v.s. magnetoresistiva principen och hallgivarprincipen. En

marknadsutvärdering av olika sensor-chip som utvecklats enligt dessa principer

genomfördes.

Vidare ska studien kopplas till kända principer för att bestämma positionen för en roterande

axel.

Funktionstester visar att prestandakravet för varje komponent uppfylldes. Resultaten

baserade på verifieringstester visar att det är viktigt att ha en bättre mekanisk koppling

mellan drivdon och enhet. Temperaturtester visar att systemet uppfyller projektets

kravspecifikation vid rumstemperaturen men det uppkommer stora vinkelavvikelser vid

temperaturförändring framför allt vid körning med korta steg.

Detta arbete kan fortsättas genom omprogrammering av källkoden och utveckling av ny

programvara som kan styra fler parametrar och göra det mer exakt vid positionsbestämning.

En annan rekommendation skulle vara att undersöka och jämföra andra sensorchip eftersom

det finns flera sensorer som kan tillämpa i systemet. Ytterligare förbättringar kan göras

genom att utföra fler tester på systemet.

Nyckelord

Position, sensor, hall effekt, magnetoresistive.

vi

vii

Förord

Detta examensarbete har utförts under våren 2017 på Allied Motion Stockholm AB.

Rapporten är det avslutande momentet på mina studier till högskoleingenjör inom

elektronik och datorteknik.

Jag skulle vilja tacka min handledare och min programansvariga Bengt Molin på KTH, jag

har lärt mig mycket under studenttiden.

Vidare skulle jag också vilja tacka Allied Motion för att ha startat ett mycket intressant

projekt och låtit mig ta del av det.

viii

ix

Innehållsförteckning

Positionsbestämning av en roterande axel i en vinkelgivare .......................................................... i

Abstract ............................................................................................................................................................. iii

Sammanfattning ............................................................................................................................................... v

Förord ............................................................................................................................................................... vii

Innehållsförteckning .................................................................................................................................... ix

Förkortningar ................................................................................................................................................. xi

1. Introduktion ........................................................................................................................................... 1

1.1 Bakgrund .............................................................................................................................................. 1

1.2 Problem ................................................................................................................................................. 1

1.3 Syfte ........................................................................................................................................................ 2

1.4 Mål .......................................................................................................................................................... 2

1.4.1 Etik och hållbarhet .............................................................................................................................. 2

1.5 Metod ..................................................................................................................................................... 2

1.6 Avgränsningar .................................................................................................................................... 3

1.7 Disposition ........................................................................................................................................... 3

2. Teoribakgrund ....................................................................................................................................... 5

2.1 DC-motor .............................................................................................................................................. 5

2.2 Borstlös likströmsmotor (BLDC) ................................................................................................. 5

2.3 Givarlös eller med givare drivsystem ........................................................................................ 6

2.4 Magnetisk avkänningsteknologi .................................................................................................. 7

2.4.1 Halleffektmetoden ........................................................................................................................ 7

2.4.2 MagnetoResistivametoden (MR) ............................................................................................. 8

2.4.3 Vinkelmätning med MR-teknik ................................................................................................ 9

2.5 Wheatstone brygga ......................................................................................................................... 10

2.6 Rotationsposition eller vinkelläge ............................................................................................ 11

2.6.1 ON-AXIS applikation .................................................................................................................. 11

2.6.2 OFF-AXIS applikation ................................................................................................................. 11

2.7 Multipolär magnet .......................................................................................................................... 12

3. Metod ....................................................................................................................................................... 15

3.1 Litteraturstudie................................................................................................................................ 15

3.2 Marknadsutvärdering .................................................................................................................... 15

3.3 Urval av sensor-chip ....................................................................................................................... 15

3.4 Primära Testfaser ........................................................................................................................... 16

3.4.1 Funktionstest ................................................................................................................................ 16

3.4.1.1 Sensortest .................................................................................................................................. 17

x

3.4.1.2 Avläsning av position eller vinkel .................................................................................... 18

3.5 Positionsberäkning ........................................................................................................................ 19

3.6 Verifieringstest ................................................................................................................................ 19

3.7 Temperaturberoendet................................................................................................................... 20

3.8 Test av befintlig produkt .............................................................................................................. 20

4. Utförande ............................................................................................................................................... 21

4.1 Sensorval ............................................................................................................................................ 21

4.1.1 Sensorfunktionalitet .................................................................................................................. 21

4.1.2 Sensor vinkelmätningsområde .............................................................................................. 23

4.1.3 Sensorns inbyggda vinkelavvikelser ................................................................................... 24

4.2 Hållbarhet .......................................................................................................................................... 25

4.3 Utrustning och installation .......................................................................................................... 26

4.3.1 Motor och styrenhet ................................................................................................................... 26

4.3.2 Utvecklingsmiljö .......................................................................................................................... 27

4.3.3 PC Användarinterface ................................................................................................................ 28

5. Resultat och Analys ............................................................................................................................ 29

5.1 Utsignaler från två sensorer ........................................................................................................ 29

5.2 Testresultat utan metallplåt........................................................................................................ 31

5.3 Testresultat med metallplåt ........................................................................................................ 32

5.4 Testresultat med metallplåt och delbarkoppling ................................................................ 34

5.5 Testresultat när 360 grader plåt används ............................................................................. 36

5.6 Temperaturberoendet................................................................................................................... 37

5.6.1 Testresultat vid temperaturen -35°C ................................................................................... 37

5.6.2 Testresultat vid temperaturen 70°C .................................................................................... 39

6. Sammanfattning .................................................................................................................................. 42

6.1 Framtida arbete ............................................................................................................................... 43

Referenser ....................................................................................................................................................... 45

Bilaga A ............................................................................................................................................................. 47

xi

Förkortningar

ADC Analog till Digital omvandlare

AMR Anisotrop MagnetoResistance

BLDC Borstlös Likströmsmotor

EMC ElectroMagnetic Compatibility

EMK

EPS

ElektroMotorisk Kraft

Electronic Power Steering

IC Integrerad krets

MR MagnetoResistive

PCB

PTAT

RoHS

TC

Printed-Circuit Board

Proportional To Absolute Temperature

Restriction of Hazardous Substances

Temperature Coefficient

xii

1

1. Introduktion

Beröringsfritt eller borstlöst drivsystem för likströmsmotorer är ett område som har vuxit

och skapat större intresse under det senaste decenniet. Det finns en växande efterfrågan på

mekatroniska rörelsesystem i industriella områden och antalet mekatroniska ställdons

tillämpningar ökar kraftig. Denna utveckling ställer nya krav på den teknik som används för

att mäta linjär och rotationsrörelse, position, hastighet etc. inte bara när det gäller industriell

automation, men även inom fordons- och flygsektorn.

Examensarbetet fokuserar på utveckling av ett styrsystem på företaget Allied Motion där

positionen av en roterande axel skall bestämmas.

1.1 Bakgrund

I ett borstlöst motorsystem kan positionen av en rotor detekteras med hjälp av

magnetpolerna hos en ringmagnet som är direkt kopplad till axeln på rotorn. Tillsammans

med axeln roterar ringmagnetens poler, där kan vinkel av axeln bestämmas med två eller

flera givare. Som svar på den detekterade positionen, är drivsteget i återkopplingsenheten

såsom transistorer eller liknande slås på och av för att kontinuerligt generera vridmoment i

motorn.

Det finns ett antal olika varianter för positionsbestämning, det vanligaste sättet är att

använda en halleffektgivare för att registrera ett magnetfält när detta passerar givaren. Ett

annat sätt är att använda en magnetoresistiv givare, i en sådan givare ändras resistansen

proportionellt mot magnetfältet.

1.2 Problem

Utveckla en produkt där positionen av en roterande axel ska bestämmas med hjälp av en

sensorer-chip. Sensor-chipet kan vara av olika typer bland annat magnetoresistivgivare,

halleffektgivare, optikpulsgivare etc.

2

1.3 Syfte

Syftet med detta arbete är att enligt följande:

• Undersöka vilka principer som finns för att mäta ett magnetfält och avgöra vilken

som är mest lämpad för att avkänna magnetfältet bakom en aluminiumvägg.

• Utvärdera och undersöka befintliga sensor-chip på marknaden.

• Undersöka och testa prestationsförmågan hos sensor-chipet, bland annat absolut och

relativnoggrannhet, mätnoggrannheten, temperaturberoendet etc.

• Utvärdera om sensor-chipet är kvalificerad enligt projektets kravspecifikation.

• Utvärdera vinkeldifferens mellan två sensorer för att se avvikelser gentemot

varandra.

1.4 Mål

Målet för arbetet är att undersöka möjligheten att ersätta nuvarande system för

positionsläsning på ett magnetfält. Detta innebär att finna ett/flera sensor chip som är

lämpad för produkten, samt utvärdera detta/dessa chip gentemot projektets

kravspecifikation.

1.4.1 Etik och hållbarhet

Det finns inga etiska frågeställningar som är relevanta för detta arbete men utveckling av

hårdvara ska genomföras med hänsyn till miljömässig hållbarheten och samhällsnytta detta

genom att öka livslängden för produkten, minimera energiförbrukningen samt välja material

som inte innehåller farliga ämnen. Ytterligare en aspekt är att öka säkerhet för produkten

genom att tillämpa två sensorchip för indata.

1.5 Metod

Examensarbetet har delats in i två delar. Inledningsvis ska en litteraturstudie om olika

principer för att mäta ett magnetfält utföras. Vidare ska studien fördjupas i vilka principer

som finns för att bestämma positionen för en roterande axel.

För att lösa ovannämnda problemen kommer en marknadsutvärdering om de befintliga

sensor-chip för ett beröringsfritt system genomföras.

Av de undersökta sensor-chip ska ett chip väljas baserad på dess prestationsförmåga med

avseende på mätnoggrannhet, temperaturberoendet, etc. Detta chip ska testas och

utvärderas i labbmiljö.

3

1.6 Avgränsningar

I denna uppsats fokuseras huvudsakligen på positionsbestämning och övriga metoder

omnämns enbart teoretiskt.

Motorstyrningsprinciper kommer inte att täckas i arbetet, istället kommer en undersökning

och utvärdering av olika principer som finns för att mäta ett multipolärt magnetfält

genomföras.

Det kommer inte att finnas någon kodning av programvara. Prestationsförmåga för chipet

ska testas endast för att bestämma vinkelavvikelse.

1.7 Disposition

Detta dokument skall verifiera att den utvecklade hårdvaran faktiskt fungerar som önskat

och uppfyller produktens krav och design. Rapporten inleds med en kort litteraturstudie om

elmotorer framför allt då trefas borstlösa DC motorer (BLDC), olika metoder för att mätta ett

magnetfält eftersom det är grundsatsen för att utföra examensarbetet. Detta följs av en

fördjupning i olika positionsbestämning metoder i ett beröringsfritt system.

Dokumentet skall ge en översiktlig bild över hur testning har skett under projektets

förutsättningar och även förklara hur detta har genomförts.

Om produkten vidareutvecklas i ett senare projekt ska testansvarig med hjälp av detta

dokument kunna få en överblick i hur produkten har testats och även hur denne kan arbeta

vidare med tester på ett likartat sätt.

I bilaga A finns en lista över utvärderade sensorer.

4

5

2. Teoribakgrund

Idag finns det flera trender som förändrar de tekniska och kommersiella kraven för både

ställdon och givare i ett motorsystem. Ett antal av dessa krav kan beskrivas som

a) Högre noggrannhet

b) Ökad effektivitet

c) Ökad styrning med återkoppling

d) Mer krävande driftsmiljöer

e) Kostnadsoptimerad

Detta kapitel består av en genomgång av motorstyrning och en inblick till olika

magnetkänsliga givare som ligger till grund för det fortsatta arbetet.

2.1 DC-motor

Elmotorer kan delas in i ett antal kategorier, men den vanligaste el-motorn är en

permanentmagnetiserad (PM) DC-motor som består av en stator med två eller flera

permanentmagneter och en lindad rotor. Rotor är försedd med ett antal kollektorer

(kommutator) till vilken strömmen överförs via kolborstar. Det är kommutatorn som är i

kontakt med borstarna och levererar strömmen från borstarna till rotorlindningar (spolar)

[1].

När strömmen går genom dessa spolar genereras ett magnetfält runt dem och varje spole blir

en elektromagnet. Dessa elektromagneter attraherar eller repellerar polerna hos den

omgivande permanentmagneten. Eftersom permanentmagneten inte kan röra sig, kommer

rotorn att rotera och i kontakt med borstarna vänder strömriktningen i rotorlindningar.

Detta förändrar polariteten hos elektromagneten och läget för de magnetiska fälten [1].

2.2 Borstlös likströmsmotor (BLDC)

Konstruktionen i en borstlös likströmsmotor (BLDC) är omvänd jämför med PM-motorer.

En borstlös motor består av en lindad stator och permanentmagneter placeras på rotor. En

elektronisk kommutering kontrollerar strömriktning genom lindningarna. Antalet

faslindningar kan varieras men 3-stycken är vanligast, då en avpassning mellan funktion och

komplexitet måste göras [1].

Vridmomentet skapas genom att likströmmen växelvis omkopplas på faslindningarna som

producerar magnetiska flöde i ett synkroniserat sätt. Det magnetiska flödet ger ett

vridmoment på motorn som orsakar rotationsrörelsen.

6

I syfte att säkerställa att strömmen matas på korrekt fas, används avkänningsmekanismer

för att ge information om positionen av rotorn. Denna information erhålls genom olika

positionsbestämning system såsom hallgivare, optiska givare eller resolver.

Resolver består av en stator med lindningar i tre faser och en lindad rotor som ger en vinkel

uttryckt i en sinus- och en cosinusvåg. Med hjälp av signalbehandling kan fasvinkeln mellan

sinus- och cosinussignalerna mätas och rotorns vinkelläge beräknas [1].

Dessa olika system ger inte en absolut position, men tillräckligt med information för att veta

den relativa positionen för rotorn i en elektrisk period. Därför är det möjligt att använda

dessa mekanismer för att aktivera motorn på ett sådant sätt att den börjar rotera i den

korrekta riktningen.

Den borstlösa motorn är försedd med givare för återkoppling av hastighet, position etc. Figur

1 visar grundläggande begrepp inom motorstyrsystem med återkoppling [1].

Figur 1. Grundläggande begrepp inom motorstyrsystem med återkoppling [1].

2.3 Givarlös eller med givare drivsystem

Med givare (eng. sensor) menar man ett mätinstrument som omvandlar en fysikalisk storhet

till en elektrisk storhet. Informationen kan då enkelt överföras, behandlas, digitaliseras

(lagras) etc.

Drivsystemet i ett borstlöst motorsystem fördelas i två allmänna varianter, "givarlös" och

”med givare”. För att driva motorn krävs att man förser rotoraxeln med någon form av

rotorlägesgivare som utgör ett system av signaler som tillsammans talar om var man

befinner sig [1]. Det kan vara av typen magnetkänsliga givare som svarar mot magneterna på

motorns rotor.

7

I givarlösa drivsystem kommer styrenheten att mäta EMK, elektromotorisk kraft (spänning),

från strömlösa spolen för att bestämma rotorläget. Styrenheten aktiverar två av tre spolar

och avkänner rotorns position baserad på mot-EMK från strömlösa spolen. Då kan

styrenheten leverera korrekta signaler till spolarna för att starta motorn [4].

2.4 Magnetisk avkänningsteknologi

Ett antal nya trender som spelar en allt viktigare roll i valet av sensorer för vinkel, position

och hastighetsmätning kan listas som:

1. inbyggnad av sensorer inom motorer och ställdon (don som överför styrsignal till

mekanisk rörelse; jämför styrdon) leder till större efterfrågan på kompakta sensorer.

2. efterfrågan växer också för sensorer med utökad funktionalitet (t.ex. för

tillståndskontroll) samt för sensorer som uppvisar funktionssäkerhet.

3. Motorer utvecklas med allt högre hastigheter och högre dynamisk prestanda, vilket

ökar efterfrågan på sensorer med extremt hög bandbredd och låg tröghet.

4. Den övergripande trenden till högre energieffektivitet ökar efterfrågan på lågenergi-

sensorer.

Detta kräver repeterbar och tillförlitlig mätning av linjära och roterande rörelse. Inom det

tekniska området finns det olika teknologier för mätning av magnetfältstyrka eller

magnetfältriktning bland annat: halleffekt och magnetoresistiva (MR) teknologi [17].

2.4.1 Halleffektmetoden

Om vi placerar en ledare eller halvledare i ett vinkelrätt magnetfält B (fig. 2) uppstår ett

elektriskt fält vinkelrätt mot I-B-ytan (x-z-ytan). Denna effekt är känd som halleffekten och

upptäckts 1879 av den amerikanska fysikern Edwin Herbert Hall [8].

Figur 2. Hall effekt.

8

Strömmen som består av rörliga elektroner flödar i den positiva x-riktningen. På grund av

magnetfältet ackumuleras elektroner på ena sidan av materialet. Ledarens sidor får positiv

och negativ laddning i förhållande till varandra, med andra ord förekommer en elektrisk

spänning (VH ) i y-riktningen och därför vinkelrätt mot x-z-ytan (I-B-ytan) [8].

I en halleffektgivare är hallspänningen proportionell mot produkten av magnetfältets styrka

och strömmen genom hallelementet. Hallelementet är ett magnetiskt avkänningselement.

Som ett resultat kan styrenheten bestämma positionen för rotorn från sensorsignalerna [8].

Styrenheten innefattar en mikrokontroller som kommer att köra algoritmer som levererar de

riktiga kommuterande signaler som i sin tur avgör vilka spolar aktiveras för att förflytta

rotorn och startar motorn.

2.4.2 MagnetoResistivametoden (MR)

Den höga prestandan och flexibiliteten hos magnetoresistiva givare spelar en allt viktigare

roll och används i modern industri och elektronik för att känna den magnetiska fältstyrkan i

syfte att mäta ström, läge, rörelse, riktning, och andra fysikaliska storheter [2].

I en magnetoresistiv givare ökar resistansen proportionellt mot magnetfältstyrka, med två

magnetoresistiva givare monterade på en permanentmagnet kan man t.ex. känna av

vridningsvinkeln på ett kugghjul och då även mäta rotationshastighet.

William Thomson (Lord Kelvin) gjorde första upptäckten av vanlig magnetoresistans 1856.

Han experimenterade med bitar av järn och upptäckte att elektriska resistansen ökar när

strömmen är i samma riktning som den magnetiska kraften och minskar när strömmen är i

90° mot magnetkraften. Han gjorde samma experiment med nickel och fann att det

påverkades på samma sätt men effekten var större [3].

Denna effekt kallas Anisotrop MagnetoResistance (AMR) och är lätt att realisera i

tunnfilmsteknik, vilket möjliggör att tillverka exakta men även kostnadseffektiva sensorer

[16]. Eftersom den AMR effekten är en vinkel effekt passar dess användning för kontaktfria

vinkelmätningssystem perfekt. Figur 3 visar principen för den magnetoresistiva teknologin.

9

Figur 3. Magnetoresistiva principen [3].

Det enda villkoret som måste uppfyllas för att uppnå exakta mätningar är att den interna

magnetiseringsvektorn (m) direkt måste följa den externa magnetiska fältvektorn (H). Detta

tillförsäkras vid användning av mycket högre extern fältstyrka än den inre magnetiseringen

[16].

Sensorn känner den starka externa fältstyrkan, därför har den inre fältstyrkan ingen

inverkan på mätningarna. Endast fältets riktning utvärderas. Detta leder till följande fördelar

med magnetoresistiva vinkelmätningssystemen [16]:

• Oberoende av magnetisk drift under livstid

• Oberoende av magnetisk drift med temperatur

• Oberoende av mekaniska monteringstoleranser

• Oberoende av mekaniska förändringar orsakade av termisk stress

MR-elementet har mycket högre känslighet än hallelementet, men den har ett smalt linjärt

arbetsområde [2]. De är slitagefria och kan helt inkapslas av icke magnetiskt material vilket

gör sensormodulerna robusta när det gäller förorening och mekanisk förstöring [16].

2.4.3 Vinkelmätning med MR-teknik

Det integrerade MR-sensorelementet är en känslig magnetfältsensor, som utnyttjar MR-

effekten av en tunnfilm av permalloy. Permalloy är en nickel-järn magnetisk legering.

Den grundläggande principen är att det elektriska motståndet hos permalloy-remsan

förändras med vinkeln mellan den inre magnetiseringsvektorn i remsan och vektorn av den

elektriska strömmen som strömmar igenom den.

10

Alltså, när inget externt magnetfält är närvarande har permalloyen en intern

magnetiseringsvektor M parallellt med strömflödet (α = 0). Figur 4 visar magnetoresistiv

effekten i permalloyen [16].

Figur 4. Visar magnetoresistiv effekten i permalloyen [16].

Om ett externt magnetfält appliceras parallellt med permalloyens plan men vinkelrätt mot

strömflödet, roterar den inre magnetiseringsvektorn för permalloyen runt en vinkel α.

Som ett resultat kommer motståndet R hos permalloy att förändras som en funktion av

rotationsvinkeln α som ges av [16]:

R R0 R0 cos2 α (1)

om 0 => Rmax

om 90 => Rmin

Där R0 och R0 är materialkonstanter. Med materialet som används av NXP, R0 är i

storleksordningen 2 % till 3 % [16].

Det är uppenbart från denna kvadratiska ekvation att förhållandet mellan motståndet och

magnetfält är icke-linjärt. Det blir också klart att den magnetoresistiva effekten naturligtvis

är en vinkeleffekt som rekommenderas för tillämpningar av vinkelmätning.

2.5 Wheatstone brygga

En Wheatstone brygga är en elektrisk krets som används för att mäta ett okänt elektriskt

motstånd. Det består av två parallella grenar som innehåller två seriemotstånd. Genom att

balansera två grenar i kretsen, varav en gren innehåller den okända komponenten, kan

värdet hos komponenten bestämmas [15]. Detta illustreras i figur 5.

11

Figur 5. Fyra motstånd i en Wheatstone brygg konfiguration [16].

Enligt det grundläggande förhållandet som ges av ekvation (1) är skillnaden mellan två

utsignaler (+Vo, -Vo) av en sådan Wheatstone brygga proportionell mot sin2 α. Detta

innebär att sensorn som består av en Wheatstone brygga kan mäta ett vinkelområde på 90°

[16].

2.6 Rotationsposition eller vinkelläge

Det finns två allmänna metoder för att mäta rotationsposition eller vinkelläge. Där används

ett eller flera magneter för att skapa ett måttligt magnetfält över givaren. När magneterna

roteras runt sensorn, ser det ett fält som är en sinusformad funktion av rotationsvinkeln [19].

Avancerade versioner kan använda flera givare (orienterade i olika vinklar) och en

mikrokontroller för att tillhandahålla en utsignal över ett fullt varv (360°) av vinkelrotation

[18].

2.6.1 ON-AXIS applikation

On-axis vinkelavkänning är den vanligaste typen av vinkellägesmätning. Den innefattar

mätning av förskjutningen av en roterande magnet som vanligtvis är placerad på änden av en

axel eller under ett kugghjul. Montering av en magnet i änden av en axel, som typiskt

används i on-axis tillämpningar, innefattar ofta användning av icke-ferromagnetiska

armaturer för att hålla magneten på plats [18].

Jämfört med off-axis applikationer, ger on-axis vinkelmätningar högre mätnoggrannhet och

kräver mindre digital efterbearbetning [19].

2.6.2 OFF-AXIS applikation

Off-axis vinkelavkänning är en annan typ av vinkellägesmätning. Där känner vinkelgivare

positionen av ett magnetiskt fält som genereras av en ringmagnet som är fäst runt en axel.

Som observeras i figur 6 är vinkelgivaren placerad intill axeln och magnetringen [18].

12

Ett stort problem med off-axis vinkelavkänning är att en stor variation av magnetisk

fältriktning och styrka observeras av vinkelgivare eftersom båda magneten och axeln roterar.

För ett bra resultat kräver denna metod betydligt mer digital efterbearbetning av

vinkelmätningen [19].

Det finns två stora utmaningar med tillämpningar av off-axis vinkelanalys. Den första är

fältstyrkan, alla anpassningar bör göras för att maximera magnetisk fältstyrkan som känns

av. Fältstyrka kan maximeras genom användning av magnetiskt material av hög kvalitet, och

genom att minimera avståndet mellan givare och magnetenen [19].

Den andra utmaning är att kompensera den framkommande olinjäritet hos den magnetiska

fältstyrkan som genereras vid kanten av en magnet. Figur 6 visar två metoder för

vinkelavkänning [19].

Figur 6. on-axis och off-axis vinkelavkänning [18].

2.7 Multipolär magnet

Multipolära magneter används i flera applikationer inom sensorteknik och elektrisk

drivteknik. Beroende på användningsområde finns det olika krav för multipolära magneten

och dess magnetisering.

Multipolära magneter är en bra tillämpning för en beröringsfri magnetisk givare med hög

upplösning till off-axis rotationsavkänning. Ökande mätavstånd och noggrannhet i sensorer

kräver mer exakta pol-längder. För detta ändamål behövs tillräcklig fältstyrka i ett

kontinuerligt mönster av upprepande nord- och sydpoler [5].

I magnetiska sensorsystem används permanentmagneten ofta som signalsändare, vilken är

monterad på rörliga maskindelar, och sensorn är fäst vid en annan del. Den växlande

magnetiska signalen mäts sedan av sensorn och utvärderas. På så sätt kan vridriktning,

hastighet, acceleration och position av rörliga delar definieras [5][6][7].

13

Olika sensortyper kan användas, såsom hallsensorer och magnetoresistiva (MR) sensorer.

Dessa sensorer innehåller ett tunt ledande material som omvandlar ett vinkelrätt magnetfält

till en spänning, vilket utvärderas vidare [8].

Eftersom hallsensorer mäter flödestätheten och dessa minskar med ett högre avstånd till

multipolärmagneten är positionering av sensorn till sändaren viktig. MR-sensorer detekterar

magnetfältets riktning och är därför mindre känslig till avståndet till magneten [8]. Figur 7

visar fältvektors riktningar omkring en ringmagnet.

Figur 7. Fältvektor kring en ringmagnet.

I allmänhet, kan noggrannheten av mätningen förbättras genom en mindre pol-bredd och

mer exakt pol-längd. Båda kraven leder till ett högre behov av en noggrann positionering av

sensorn, men mätfelet kan orsakas av monteringstoleranser i systemet, sensorelementet eller

elektronisk behandling [9].

En variant av multipolära magneter är ringmagneten som är en skivformad del av ett

magnetiskt material med flera magnetiska polar runt sin omkrets. I detta fall medför

rotationsrörelse en sinusvågformad kurva [8].

Ringmagneten som illustreras i Figur 8 har två polpar (nord/syd kombination).

Ringmagneter finns tillgängliga med varierande antal polpar beroende på applikationen. Det

bör noteras att ju större antal polpar, desto högre blir den magnetiska fältstyrkan (Gauss

nivån) från magneten.

14

Figur 8. Ringmagnet med 2 polpar och sin-kurva [8].

När en ringmagnet används i samband med en digital output av en sensor, kommer en

utgångspuls att produceras för varje pol. Alltså kan 14 pulser per ett varvs rotation erhållas

för en 14-polig ringmagnet. Figur 9 visar utgång signalen från en sensor-chip i samband med

en 14 polig (7 polpar) magnet för ett mekaniskt varv (360 grader).

Figur 9. Utsignaler från en sensor i samband med en 14 polig magnet.

0

1

2

3

4

0 50 100 150 200 250 300 350 400sin

-co

s vo

ltag

e [V

]

Angle [mec deg]

Series1 Series2

15

3. Metod

Som nämnts i föregående avsnitt ska positionen för en roterande axel bestämmas beroende

på var rotorn befinner sig vid ett givet tillfälle. Till detta behövs någon form av givare och

metod för att avgöra rotorns position.

För det första samlades information från befintliga sensor-chip på marknaden. En av dem

valdes, studerades och testades i olika positioner på nuvarande systemet. För det andra

korrigerades nuvarande produkt enligt nya prototypens egenskaper och testades

prestationen för chipet för det nya systemet och prototypen.

3.1 Litteraturstudie

Målet med litteraturstudie var att lära och studera de olika motor- och sensorteknikerna.

Informationen samlades in från olika källor enligt nedan:

• Litteratur från företaget dokument och databasen IEEE Xplore.

• Google scholar för tillhörande artiklar och rapporter.

• Datablad för komponenter, artiklar och förklaringar från tillverkaren.

Även om de flesta av källorna var artiklar eller application note som tagits direkt från

tillverkarna jämfördes de med andra källor för att bekräfta att informationen var tillförlitlig.

3.2 Marknadsutvärdering

En marknadsutvärdering utfördes bland befintliga sensor-chip hos olika tillverkare. Den

intressanta informationen för sensorer samlades i en Excel arbetsbok och en teoretisk

utvärdering genomfördes enligt projektet kravspecifikation. En viktig aspekt för valet av

sensor-chipet är placering av sensorelement i chipet. Beräkningar för placeringen av

sensorelementet utfördes enligt deras datablad och inkluderas i denna arbetsbok. Dessutom

har priset på varje chip sammanställts via kontakt med tillverkaren. I bilaga A förekommer

en lista över utvärderade sensorer.

3.3 Urval av sensor-chip

För det första några fler definitioner [10]:

• En sensors noggrannhet är ett mått på dess noggrannhet av dess utdata.

• En sensors upplösning är ett mått på den minsta ökning eller minskning i position

som den kan mäta.

• En sensors precision är dess grad av repeterbarhet.

• En sensors linjäritet är skillnaden mellan en sensors utgång till den faktiska

positionen som mäts.

16

De sensorer som skall användas för mätning av en roterande axel (såväl som för mätning av

linjära rörelsen och elektrisk ström, som inte kommer att täckas här) måste erbjuda följande

funktioner:

1. Hög noggrannhet, för exakt positionering eller hög kontrollkvalitet.

2. Kompakta mått, för att möjliggöra enkel integration i ett litet kort.

3. Låg linjäritet (position vinkelfel), för att säkerställa den faktiska positionen som

mäts.

4. Högsta tillåtna driftstemperatur, för att överleva i kyla och varma miljöer.

5. Låg linjäritet (position vinkelfel) relativ temperatur (temperaturberoendet).

6. Låg kostnad för att möjliggöra konkret på marknaden.

Dessa trender har en direkt inverkan på valet av givaren och resulterar i en komplex

utvärdering av krav.

3.4 Primära Testfaser

Inom all ingenjörsmässig verksamhet är testning en etablerad metod för att konstatera om en

konstruktion eller produkt är korrekt och fungerar som planerat. Målet med testning är att

säkerställa att ett system fungerar eller finna fel och brister så fort som möjligt samt att

försäkra sig om att dessa åtgärdas.

Detta avsnitt ska ge läsaren ett perspektiv över hur testningen har byggts upp och genomförts

under projektet. Vilka testfaser som inrättades och vad de bör innehålla.

3.4.1 Funktionstest

Det som i denna beskrivning kallas för funktionstest är test av olika enheter i systemet, det

kan exempelvis vara en sensor eller en metod som ska testas. Funktionstesten ska kunna visa

att dessa fungerar och gör som de skall. Ett antal av dessa enhetstest kan sedan integreras

tillsammans och bilda en delkomponent av ett system.

Vid testning av elektronisk utrustning, såsom kretskort, elektroniska komponenter och chip

används en testfixtur. En fixtur är en apparat eller en inställning som är konstruerad för att

hålla enheter på sin plats under test. Alla primära tester genomfördes på en testfixtur i

väntan på den nya konstruktionen levereras.

17

3.4.1.1 Sensortest

Först och främst i detta fall skall sensor-chipet testas för att verifiera att den kommer att

fungera i ny konstruktion d.v.s. undersöka möjligheten att läsa magnetfältet bakom en

aluminiumvägg.

Som ovan nämnts skall chipet känna magnetfält riktningen på en ringmagnet som ligger

bakom en aluminiumvägg med ungefär 2mm tjocklek. För att placera chipet i samma position

som den ska vara på prototypen används ett labbkort som monterades på aluminiumhuset.

En ringmagnet med 14 magnetpoler eller med andra ord 7 polpar som ligger på en roterande

axel placeras på aluminiumhuset. Ringmagneten har 14mm höjd och 32mm diameter och den

roterar tillsammans med axel. Figur 10 visar axeln och ringmagneten.

Figur 10. Ringmagnet med 14 polpar och axel.

Axeln kopplas till en momentgivare som roterar 1500 varv per minut (ibland kallat varvtal)

eller rpm (från engelska: Revolutions per Minute). Ringmagneten roterar med samma

varvtal men magnetpoler roterar 14 gånger snabbare. Det är viktigt att skilja mellan ett

mekaniskt varv och ett magnetiskt varv. Förhållandet mellan rotationen för magnetfältet och

rotationen av rotorn varierar beroende på antalet magnetiska poler på rotorn. Vid ökat antal

poler så roterar magnetfältet fler gånger per mekaniskt varv. Ett samband mellan magnetiskt

varv och mekaniska varv finns således [6].

magnetiskt varv = mekaniskt varv* antalet poler (2)

Alltså med ett mekaniskt varv så roterar ringmaneten 14 elektriskt varv.

Chipet läser fältriktningen bakom aluminiumväggen och två utsignaler från VOUT1 och

VOUT2 kan läsas med hjälp av ett oscilloskop. Figur 11 visar cosinus och sinusutsignaler från

chipet i fallet som matningsspänningen (VCC) är 5V. Utsignalerna på pin VOUT1 och VOUT2

är relaterad till den gemensamma nivån av VCC/2 enligt databladet.

18

Figur 11. Utsignaler från chipet.

Anledningen att det visas 9 period på bilden kan motiveras med kommande beräkningar.

Motorn roterar med 1500 rpm och ett mekaniskt varv motsvarar 14 elektroniskvarv d.v.s. varje

pol roterar 1500 * 14 = 21 000 rpm. Varje horisontell ruta på skärmen motsvara 2,5ms så att

10 stycken motsvarar 25ms. Resultatet blir (21 000/60) * 0,025 ≈9 pulser som visas i figur 11.

3.4.1.2 Avläsning av position eller vinkel

Det här testfallet utförs för att läsa positionen på magnetpoler. Chipet monteras på

aluminiumhuset så att den höjdmässig ligger ungefär i mitten av ringmagneten.

Placeringen på chipet har avsevärd inverkan på mätningar därav bör stor noggrannhet visas

vid placering av chipet.

Efter dessa test används en referensmotor för positionsavläsning. Axeln med monterad

ringmagnet kopplas till referensmotor som kan köras med korta steg. Från början nollställer

man positionen för referensmotorn och läser utsignaler från chipet på så sätt kan

ursprungsvinkel bestämmas. Steglängden i detta fall sätts på 0,01 varv som motsvara 3,6

grader. Referensmotorn roterar 3,6 grader mekaniskt varv i varje steg samtidig roterar

ringmagneten med samma steglängd men 14 gånger snabbare.

Positionen för referensmotorn som skickas från motorns resolver kan läsas in via en Labview

applikation. På samma sätt kan varje steg läsas in två utsignaler från sensorchipets utgångar

som är kopplad till ett oscilloskop. På så sätt kan positionen för magnetfältet beräknas och

jämföras med referensmotorns position. För att ha ett fullständigt varv behöver motorn

stegas 100 gånger och position för referensmotorn och utsignaler från chipet samlas in.

19

3.5 Positionsberäkning

Data som samlas i Excel arbetsboken är bara två sinus- och cosinusvärden från chipets

utgångar och positionen till extern referensmotorn. Denna information måste hanteras för

positionsbestämning av magneten som i sin tur visar positionen till ratten.

För att beräkna positionen till axeln används ARCTAN2 i Microsoft Excel som returnerar en

vinkel i radianer. Tabell 1 visar en liten del av datainsamlingar i Excel arbetsboken. I syfte att

ha bättre grafer kan en godtycklig offset värde tillämpas för att korrigera sinus och

cosinusvärdena och vinkelavvikelsen.

Tabell 1. Datasamlingar från motorn och sensor-chipet.

Andra kolumnen i tabellen (Reference sensor angle) visar positionen för extern

referensmotorn som är kopplad till axeln. Första kolumnen (Reference angle [deg, mech])

visar mekaniska vinkeln för referensmotorn och beräknas genom att multiplicera andra

kolumnen med 360 d.v.s. räknar ut mekaniska varvtalet (0,001) till grader.

Elektrisk vinkel (Electrical angle [deg, el]) beräknas från sinus- och cosinusvärdena och

elektrisk vinkelreferens (Reference electrical angle [deg, el]) beräknas genom att multiplicera

den mekaniska referensvinkeln med 14 (antalet magnetiska poler på ringmagneten).

Följaktligen beräknas den elektriska vinkelavvikelsen (Angle error [deg, el]) genom att ta

skillnaden mellan elektrisk vinkel (Electrical angle) och elektrisk vinkelreferens (Reference

electrical angle). Till sist beräknas mekanisk vinkelavvikelse (Angle error [deg, mec]) genom

att dividera elektrisk vinkelavvikelsen med 14.

3.6 Verifieringstest

För att säkerställa att designen och chippet uppfyller projektets kravspecifikation

analyserades testresultat av funktionstesterna innan verifieringstest påbörjades. Detta utförs

för att förbättra vidare testförutsättningar och finna förekommande fel i systemet. Den första

ändringen är att minska matningsspänningen till 3,3V som är en optimal spänning för

chipet. Chipets matningsspänning ligger mellan 2,7 till 5,5V enligt databladet.

(yellow cells are inputs) offset 2,37 2,37 160

Reference angle

Reference sensor

angle KMZ60 sin KMZ60 cos sin cos Electrical angle

Reference

electrical angle

Angle

error Angle error

[deg, mech] [Revolutions] [Volt] [Volt] [deg, el] [deg, el] [deg, el] [deg, mec]

0 0 2,81 1,27 0,44 -1,1 158,1985905 0 1,801409 0,12867211

3,582 0,00995 3,6 2,06 1,23 -0,31 104,1457955 -50,148 5,706205 0,40758604

7,164 0,0199 3,48 3,18 1,11 0,81 53,88065915 -100,296 5,823341 0,41595292

10,728 0,0298 2,41 3,73 0,04 1,36 1,684684318 -150,192 8,123316 0,58023683

14,292 0,0397 1,34 3,25 -1,03 0,88 -49,49045192 -200,088 9,402452 0,67160371

17,892 0,0497 1,12 2,16 -1,25 -0,21 -99,53663576 -250,488 9,048636 0,64633113

21,456 0,0596 1,78 1,35 -0,59 -1,02 -149,9535648 -300,384 9,569565 0,68354034

20

I avsikt att minimera de tänkbara skadorna av ett fel mitt i drift används två sensorchip på

kretskortet i syfte att skaffa två kanaler för indata. Om indata från kanalerna är olika då

stoppas systemet.

För att undersöka noggrannheten när axeln roterar endast 1 grad ska steglängden minskas

till 0,0025. Denna minskning kommer att utföras inom sekvensen 0,001 för att jämföra

noggrannheten för mindre rotation. För mer exakta mätdata används fyra stycken voltmeter

för avläsning av utsignaler.

3.7 Temperaturberoendet

Den valda vinkelgivare har en temperaturkompensation som kan användas för att

kompensera effekten av ökande temperatur. Det betyder att samma amplitud fås på

utsignaler oavsett vilken temperatur man kör.

Pin TCC_EN används för att aktivera temperaturkompensationen (TC), två fall är definierad.

Signalamplituden kompenseras i stor del av en inbyggd förstärkare om pin TCC_EN är

ansluten till VCC [14].

För en negativ TC eller om ingen TC-kompensation krävs fås den förstärkta utsignalen om

pin TCC_EN är ansluten till jord [14]. I detta fall utgångssignalamplituden minskar med

ökande temperatur relaterad till MR-sensorns TC [14].

Vinkelnoggrannheten kan minskas något på grund av den begränsade upplösningen av den

använda ADC [14].

Den tänkbara temperaturområde som chipet ska användas i ligger mellan -35 °C till +70 °C.

Två stycken temperaturtester vid -35 °C och +70 °C genomförs i detta sammanhang.

3.8 Test av befintlig produkt

För att verifiera funktionalitet för det nya konceptet ska samma test utföras med en befintlig

produkt. Samma testförutsättningar inrättas i detta fall men det ska utföras bara i

rumstemperatur.

21

4. Utförande

Den här delen av examensarbete beskriver hur arbetet implementeras samt utrustningar och

modeller som används.

4.1 Sensorval

Från marknadsutvärderingen valdes en sensor med hänsyn till noggrannhet, kostnad,

avkänningsmetod och mått. Eftersom i nuvarande versionen används halleffekt sensorer den

valda sensoren skulle vara en magnetoresistiv sensor.

Det valda sensor-chipet heter KMZ60 som är en magnetoresistiv vinkelgivare som tillverkas

av NXP Semiconductors. Den är konstruerad för vinkelstyrning och BLDC motorer. Utöver

detta är kretsen användbar för positionsdetektering och allmän kontaktfri vinkelmätning

[14].

För att säkerställa funktionaliteten utfördes en fördjupad undersökning på den valda

sensorn. I nästa avsnitt förklaras sensorfunktionalitet och åtgärder som genomfördes på

konstruktionen för att förbättra mätresultat.

4.1.1 Sensorfunktionalitet

Sensorn använder sig av det faktum att det elektriska motståndet hos vissa ferromagnetiska

legeringar, såsom permalloy, påverkas av en extern magnetiska fält.

Den består av två mikrochips i ett paket (Integrerad krets (IC)), d.v.s. en vinkelgivare och en

förstärkare. Kretsen har två utgångar (VOUT1 och VOUT2) som levererar två analoga

sinusformiga signaler med en fasskjutning på 90 grader. De är relaterade till vinkel på ett

roterande magnetfält [14].

Utgångsspänningsområdet är proportionellt relaterat till matningsspänning (VCC/2) för

optimal användning av ADC-ingångsområdet [14].

Temperaturkoefficienten (TC) kan kompenseras för utgångssignalens amplitud och en

utgångsspänning proportionellt till temperaturen kan levereras.

Ett Power-down-läge och en temperaturberoende utsignal VTEMP är implementerat.

Om signaler som tillhandahålls av sensorn inte behövs kan enheten ställas in genom att

ansluta POWERDOWN_EN till VCC [14].

Figur 12 visar den fullständiga kretsen bestående av MR-sensorelementet som realiserat av

två inskjutna Wheatstone-bryggor för cosinus- och sinussignaler. Även stödfunktionerna för

styrkrets och signalförstärkningar visas i figuren.

22

Figur 12. Funktionsschema för sensor [16].

En proportionell till absolut temperatur (PTAT) referensström, en spänning-ström

omvandlare och en strömmultiplikator genererar en referensström, vilken är beroende till

matningsspänning, temperatur och en resistans (R2) [14].

Denna referensström kontrollerar matningsspänningen hos båda sensorbryggor för att

kompensera deras TC via en matningsbuffert. För brus och EMC påverkan implementeras

ett lågpassfilter [14].

Bryggans utgångsspänningar förstärks med en konstant faktor och matas till

utgångsbuffertar. För att uppnå bra signalprestanda, matchas båda signalerna i amplitud och

fas. Förstärkarens bandbredd är tillräcklig för låg fasfördröjning vid maximal

rotationshastighet [14].

Figur 13 visar utsignaler från VOUT1 och VOUT2. Båda utsignalerna påverkas av två offset

(VOoff1, VOoff2) och en minimumgräns på 7 % och en maximumgräns på 93 %.

23

Figur 13. Två utsignaler från sensorn [16].

4.1.2 Sensor vinkelmätningsområde

Fyra permalloy strimlor d.v.s. fyra magnetoresistiva vinkelavkännare skapar en Wheatstone

brygga som är anslutna till sensorns matningsspänning Vccs och sensorns jordplan GND [16].

Sensorn som består av en Wheatstone brygga kan mäta ett vinkelområde på 90° [16]. Detta

illustreras i figur 14.

Figur 14. Utsignal från sensorn med en enda Wheatstone brygga [16].

Det begränsade vinkelområdet kan utökas till 180° mätområde genom att använda två

inskjutna Wheatstone-bryggor. För detta ändamål placeras de två sensorbryggorna i en

vinkel på 45° mot varandra. I denna modell ligger de två utsignalerna i en elektrisk

fasförskjutning av 90°.

24

Det är därför de två utsignalerna är proportionella mot sin2α respektive cos2α. Det kan

bevisas att dessa två signaler nu tillåter en analys av ett vinkelområde på 180°. Figur 15 visar

hur detta utförs. Även i denna modell kommer signalamplituderna förändras med

temperaturen.

Figur 15. Utgångssignal från sensorn med dubbla Wheatstone bryggor [16].

4.1.3 Sensorns inbyggda vinkelavvikelser

Enligt sensorns datablad sitter sensorelementen med maximum 2 grader vinkelavvikelse

jämför med chipets framkant. Figur 16 visar placeringen och vinkelavvikelsen för

magnetelement i chipet. Dessutom har chipet en mekanisk vinkelavvikelse som maximum

kan vara upptill 1,5 grader.

Figur 16. Visar vinkelavvikelsen i chipet [16].

25

4.2 Hållbarhet

De magnetoresistiva sensorbryggor och den integrerade analoga signalförstärkaren är

kombinerade i ett SO8 paket och är markerade som RoHS-direktivet. SO8 är ett

standardpaket för ett chip med 8 pinnar. RoHS (Restriction of Hazardous Substances) är ett

EU-direktiv som förbjuder eller begränsar användningen av vissa farliga ämnen i elektrisk

och elektronisk utrustning. Direktivet föreskriver att ny elektrisk och elektronisk utrustning

som säljs inom Europeiska unionen får inte innehålla något ämne med högsta tillåtna

koncentrationsvärden till material såsom bly och kvicksilver.

26

4.3 Utrustning och installation

För att genomföra tester till det utvalda sensorchipet behövs en referensgivare för avläsning

av position. För detta ändamål används axeln på ratten som kopplas till en referensmotor

och positionen för motorn ska stegas framåt och bakåt med en bestämd steglängd. Det

betyder att magnetringen som monterades på axeln stegas med samma steglängd. För varje

steg skall utgångar av sensorn läsas av och positionen för ringmagneten bestämmas. Figur 17

visar referensmotorn och kopplingen till rattgivaren.

Figur 17. Visar design och installation.

4.3.1 Motor och styrenhet

Den motor som används som referens är en trefas borstlös AC servomotorer av modellen

Baldor BSM50N-175AA [11]. En inbyggd resolver som ger positionsfeedback finns i motorn

för att mäta vinklar.

Som styrenhet används Flex Drive-II som är en mångsidig servodrift med integrerad

rörelsekontroll för både enkla och komplexa indexeringsprogram.

En enkel position eller hastighetstabell kan konfigureras från Windows. Flex Drive-II ger

kontroll över både roterande och linjära motorer. Denna produkt är märkt som Baldor (en

medlem i ABB-gruppen) [13]. Figur 18 visar driven och Baldor motorn.

27

Figur 18. Flex Drive-II och Baldor motor [11].

Styrenheten kommunicerar med den seriella kommunikationen RS232 [13]. Datorn kopplas

till styrenheten via en USB-kabel. Det finns en konverterare mellan USB och RS232 kablar.

RS-232 får lätt problem med störningar därför används ett flertal olika filter för att filtrera

utsignalen från sensor-chipet. De olika delsystemen är ihopkopplade enligt figur 19.

Laddar upp kod

Positionslopp

USB RS232 Faser(U,V,W)

Figur 19. Visar installation design.

4.3.2 Utvecklingsmiljö

Programmet på styrenheten är skrivet i programmeringsspråket Mint (Motion Intelligence),

vilket är en modifierad version av Basic. Mint är ett programmeringsspråk som är speciellt

designat av Baldor för tillämpningar av rörelsestyrning [11]. Mint Workbench v5 [12]

används för att konfigurera och programmera motorn, i detta definieras de olika in- och

utgångar som ska användas. Workbench används också för att ladda ner firmware till

styrenhet (Baldor Flex drive) även fasa och sätta reglerparametrar för ström, hastighet och

positionslopp. Driven kopplas med två kablar till motorn, en för resolver som ger

positionsfeedback och andra för tre faser.

Workbench COMMS obj.

CC

Dator med Labview

Baldor flex drive

Konverter

ar

Motor med Resolver

28

4.3.3 PC Användarinterface

En parameteridentifikation för systemet genomförs för att motorn ska kunna regleras med

god noggrannhet. För detta ett PC användargränssnitt (figur 20) som har designats i

utvecklingsmiljön Labview. Labview-applikationen skickar parametrar till styrenheten och

läser position och moment. Det vill säga värdena på parametrar såsom absolut och relativ

position, steglängd och vridmoment kan identifieras i applikationen. Dessa parametrar

används i mätningar av sensorutgångar. Detta förenklar avsevärt loggning av data mellan

PC:n och styrenheten.

I applikationen kan motorn nollställas och köras framåt och bakåt med en bestämd

steglängd. Testmoment som är kopplad till motorn roterar med samma steglängd och

positionen för testmomenten kan läsas av med en hög noggrannhet. Samtidigt kan

utgångarna på sensorchipet läsas av och registreras i ett Excel-ark för vidare beräkningar och

analys.

Figur 20. Användargränssnitt till Utvecklingsmiljö.

29

5. Resultat och Analys

I detta kapitel presenteras testresultaten från de olika testfaserna tillsammans med en analys

av resultatet. Alla testfaserna som beskrivs här utförs på protypen som innehåller två

sensorchip. Funktionstester samt tester som utförts på fixturen är inte inkluderat. En extern

vinkelgivare används som referens. Grafer med index 1 representerar mätdata från chipet

som ligger på övre delen av kretskortet och grafer med index 2 representerar mätdata från

chipet som ligger på nedre delen av det. Grafer med rubriken’’Angle error [deg, mec]’’

representerar mekanisk vinkelavvikelsen vid körning av 360 grader (ett helvarv) framåt och

90 grader bakåt. Grafer med rubriken’’Angle error derivative’’ visar derivatan av

vinkelavvikelsen per grad i procent vilken är den "momentana noggrannheten".

5.1 Utsignaler från två sensorer

Denna testfas har genomförts för att jämföra sinus- och cosinusgrafer som erhålls från två

sensorer. Jämförelse mellan utsignaler från två kanaler åskådliggör att de har samma

mönster det betyder att två kanaler för utsignaler stämmer överens med varandra och inga

stora avvikelser finns. Figur 21 visar utsignalen från övre sensorn.

Figur 21. Visar utsignaler från övre sensorn.

Figur 22 visar utsignalen från nedre sensorn.

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

0 50 100 150 200 250 300 350 400

KMZ60 sin1, cos1

KMZ60 cos1 [Volt] KMZ60 sin1 [Volt]

30

Figur 22. Visar utsignaler från nedre sensorn.

För en bättre översikt och jämförelse plottas båda utsignalerna i en graf. Differensen mellan

två utsignaler beror antagligen på monteringstolerans och sensortolerans och kan korrigeras

med ett gränsvärde på differensen. Figur 23 visar grafen för båda kanalerna.

Figur 23. Visar grafen för båda kanalerna.

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

0 50 100 150 200 250 300 350 400

KMZ60 sin2, cos2

KMZ60 sin2 [Volt] KMZ60 cos2 [Volt]

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3

sin-cos xy plot channel 1 and 2

31

5.2 Testresultat utan metallplåt

Systemet innehåller två sensorchip (KMZ60) och en 7 polpar magnet. Mekanisk

vinkelavvikelse representeras i grafer 1 och 2 för respektive sensorer vilken visar 1,5 graders

noggrannhet som kan verka bra.

Grafer i figur 24 uppvisar mekanisk vinkelavvikelse för respektive sensorer.

Figur 24. Visar mekanisk vinkelavvikelsen för respektive sensorer.

Den "momentana noggrannheten" eller vinkelavvikelse för en gradändring (hastighetsfelet)

får inte vara större än ± 0,15 grader per grad (± 15 % per grad) enligt projektets

kravspecifikation.

Grafer i figur 25 visar derivatan av vinkelavvikelsen (momentana noggrannhet) i procent för

varje sensor. Som figurer uppvisar uppfyller sensorer kravspecifikationen utom en punkt

som beror på fel mätdata.

-1,5

-1

-0,5

0

0,5

1

0 50 100 150 200 250 300 350 400

An

gle

erro

r [m

ec d

eg]

Angle [mec deg]

Angle error 1 [deg, mec]

-1,5

-1

-0,5

0

0,5

1

0 50 100 150 200 250 300 350 400

An

gle

erro

r [m

ec d

eg]

Angle [mec deg]

Angle error 2 [deg, mec]

32

Figur 25. Visar derivatan av mekanisk avvikelse för respektive sensor.

5.3 Testresultat med metallplåt

Systemet innehåller två sensorchip (KMZ60), en 7 polpar magnet och en plåt (som ger

friktionsmoment). Syfte med denna testfas är att förstå användningen av metallplåten i

systemet och dess effekter på utsignalsekvensen.

Ett flertal parametrar kan påverka testresultatet, men detta skulle kunna ses som ett tecken

på olämplig mekanisk koppling mellan axeln och referensmotorn.

Grafer i figur 26 och 27 visar vinkelavvikelse respektive derivatan av vinkelavvikelse från

sensorer.

-15%

-10%

-5%

0%

5%

10%

15%

0 50 100 150 200 250 300 350 400An

gle

erro

r [m

ec d

eg]

Angle [mec deg]

Angle error derivative 1 [%]

-20,%

-15,%

-10,%

-5,%

0,%

5,%

10,%

15,%

0 50 100 150 200 250 300 350 400

An

gle

erro

r [m

ec d

eg]

Angle [mec deg]

Angle error derivative 2[%]

33

Figur 26. Visar mekanisk vinkelavvikelsen för respektive sensorer när plåten placeras i systemet.

-2-1,5

-1-0,5

00,5

11,5

2

0 50 100 150 200 250 300 350 400

An

gle

erro

r [m

ec d

eg]

Angle [mec deg]

Angle error 1 [deg, mec]

-2-1,5

-1-0,5

00,5

11,5

0 50 100 150 200 250 300 350 400An

gle

erro

r [m

ec d

eg]

Angle [mec deg]

Angle error 2 [deg, mec]

-15%

-10%

-5%

0%

5%

10%

15%

0 50 100 150 200 250 300 350 400

An

gle

erro

r d

eriv

ativ

e

Angle [mec deg]

Angle error derivative 1 [%]

34

Figur 27. Visar derivatan av mekanisk vinkelavvikelsen för respektive sensorer när plåten placeras

i systemet.

Ett misstänkt scenario för felet är den mekaniska kopplingen mellan motorn och axeln. En

fjädrande mjuk koppling används för att koppla axeln till referensgivaren. På grund av

plåtens hystereseffekt vrider troligtvis axeln gentemot kopplingen vid körning i korta steg.

För att undvika dessa rotationer används en delbarkoppling som ger bättre mekanisk

koppling mellan axeln på motorn och axeln på konstruktionen. Figur 28 visar de två använda

kopplingarna.

Figur 28. En delbar axelkoppling(vänster) och en GFS axelkoppling.

5.4 Testresultat med metallplåt och delbarkoppling

Den enda parametern som ändrades i den här testfasen var att använda en delbarkoppling

istället för den fjädrande kopplingen. Det allra tydligaste felet som framträder vid körning

bakåt antagligen beror på motorns tröghet när riktningen förändras.

Testresultatet visar svårigheter när man använder Baldormotorn med korta steg, trögheten

förändras beroende på rörelsehastighet, längd, acceleration.

-15%

-10%

-5%

0%

5%

10%

15%

0 50 100 150 200 250 300 350 400An

gle

erro

r d

eriv

ativ

e

Angle [mec deg]

Angle error derivative 2[%]

35

Grafer i figur 29 och 30 visar dessa svårigheter när motorn körs med korta steg. De stora

vinkelavvikelse förekommer vid körning bakåt med korta steg. Frånsett denna avvikelse

uppfyller sensorer projektets kravspecifikation.

Figur 29. Visar mekanisk vinkelavvikelsen för respektive sensorer när plåten placeras i systemet

och en delbarkoppling används.

-2

-1,5

-1

-0,5

0

0,5

1

0 50 100 150 200 250 300 350 400

An

gle

erro

r [m

ec d

eg]

Angle [mec deg]

Angle error 1 [deg, mec]

-1,5

-1

-0,5

0

0,5

1

0 50 100 150 200 250 300 350 400An

gle

erro

r [m

ec d

eg]

Angle [mec deg]

Angle error 2 [deg, mec]

-15%

-10%

-5%

0%

5%

10%

15%

0 50 100 150 200 250 300 350 400

An

gle

erro

r d

eriv

ativ

e

Angle [mec deg]

Angle error derivative 1[%]

36

Figur 30. Visar derivatan av mekanisk vinkelavvikelsen för respektive sensorer när plåten placeras

i systemet och en delbarkoppling används.

5.5 Testresultat när 360 grader plåt används

I den här testfasen används en helcirkel plåt som täcker 360 grader och sensorer placeras

framför metallplåten.

Det är intressant i detta fall att urskilja metallplåtens effekt på nedre sensorn som ligger nära

plåten, därför undersöks bara utsignalfrekvensen från den här sensorn.

Som grafer i figur 31 och 32 påvisar överstiger vinkelavvikelsen från den tillåtna gränsen i

flera testpunkter. Detta beror på både mekanisk koppling och närvaro av plåten.

Figur 31. Visar mekanisk vinkelavvikelsen för nedre sensorn när 360 grader plåt används och

chipet flyttades upp.

-15%

-10%

-5%

0%

5%

10%

15%

0 50 100 150 200 250 300 350 400

An

gle

erro

r d

eriv

ativ

e

Angle [mec deg]

Angle error derivative 2[%]

-1,5-1

-0,50

0,51

1,52

2,5

0 50 100 150 200 250 300 350 400An

gle

erro

r [m

ec d

eg]

Angle [mec deg]

Angle error 2 [deg, mec]

37

Figur 32. Visar derivatan av mekanisk vinkelavvikelsen för nedre sensorn när 360 grader plåt

används och chipet flyttades upp.

5.6 Temperaturberoendet

Testfallet klargör sensorbeteende i olika temperaturer. Till test av temperaturberoendet

används ett tempskåp som kan styras via en Labview-applikation. Med hänsyn till sensorns

temperaturområde som ligger mellan -40°C till 150°C, har två testfaser genomförts i detta

fall för att undersöka sensorbeteende vid kyltemperatur respektive högtemperatur.

5.6.1 Testresultat vid temperaturen -35°C

Temperaturförändringar gör att material förändrar form. När temperaturen minskas,

krymper materialet i varierande grad beroende på deras längdutvidgningskoefficient.

Användning av en extern vinkelreferens medför att tre olika material med tre olika

längdutvidgningskoefficienter tillämpas i testfaser. Alltså axel på referensmotorn, axel på

prototypen och delbarkopplingen krymper i olika grad och detta bidrar till dåligt mekanisk

koppling mellan dem.

Dessutom förändras motorns egenskaper mest troligt vid temperaturförändring, detta visar

sig vid körning med korta steg. Figur 33 visar mekanisk vinkelavvikelsen i detta fall.

-15%

-10%

-5%

0%

5%

10%

15%

0 50 100 150 200 250 300 350 400An

gle

erro

r d

eriv

ativ

e

Angle [mec deg]

Angle error derivative 2 [%]

-1,5

-1

-0,5

0

0,5

1

1,5

0 50 100 150 200 250 300 350 400

An

gle

erro

r [m

ec d

eg]

Angle [mec deg]

Angle error 1 [deg, mec]

38

Figur 33. Visar mekanisk vinkelavvikelsen för respektive sensorer vid temperaturen-35°C.

Figur 34 representerar derivatan av mekanisk vinkelavvikelsen vid temperaturen -35°C. Av

grafen framgår det klart att mätresultatet är utanför kraven vid korta steg (en grad per steg).

Figur 34. Visar derivatan av mekanisk vinkelavvikelsen för respektive sensorer vid temperaturen

-35°C.

-1,5

-1

-0,5

0

0,5

1

0 50 100 150 200 250 300 350 400An

gle

erro

r [m

ec d

eg]

Angle [mec deg]

Angle error 2 [deg, mec]

-15%

-10%

-5%

0%

5%

10%

15%

0 50 100 150 200 250 300 350 400

An

gle

erro

r d

eriv

ativ

e

Angle [mec deg]

Angle error derivative 1 [%]

-15%

-10%

-5%

0%

5%

10%

15%

0 50 100 150 200 250 300 350 400

An

gle

erro

r d

eriv

ativ

e

Angle [mec deg]

Angle error derivative 2[%]

39

5.6.2 Testresultat vid temperaturen 70°C

När temperaturen ökar, utvidgas materialet men olika material utvidgar sig i olika grad

beroende på deras längdutvidgningskoefficient. I detta fall grafen för sinus- och

cosinussignaler från två sensorer inkluderas i syfte att visa sensorbeteende vid

temperaturökningen.

Figur 35 visar hur utsignaler är felaktiga i vissa punkter som påvisar att axeln vrider loss i

kopplingen, vilken beror på deras olika utvidgnings grad.

Figur 35. Visar sinus- och cosinussignalerna för respektive sensorer vid temperaturen 70°C.

Figur 36 och 37 utvisar mekanisk och derivatan av vinkelavvikelse vid temperaturen 70°C.

Det framgår av grafer att kraven på vinkelavvikelsen överskrids på flera testpunkter. Detta

beror på inte bara motorn egenskaper i hög temperatur utan också olikhet på materialet

utvidgningsfaktor.

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

0 50 100 150 200 250 300 350 400

KMZ60 sin1, cos1

KMZ60 cos1 [Volt] KMZ60 sin1 [Volt]

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

0 50 100 150 200 250 300 350 400

KMZ60 sin2, cos2

KMZ60 sin2 [Volt] KMZ60 cos2 [Volt]

40

Figur 36. Visar mekanisk vinkelavvikelsen för respektive sensorer vid temperaturen 70°C.

-1,5

-1

-0,5

0

0,5

1

1,5

0 50 100 150 200 250 300 350 400

An

gle

erro

r [m

ec d

eg]

Angle [mec deg]

Angle error 1 [deg, mec]

-1,5

-1

-0,5

0

0,5

1

1,5

0 50 100 150 200 250 300 350 400

An

gle

erro

r [m

ec d

eg]

Angle [mec deg]

Angle error 2 [deg, mec]

-15%

-10%

-5%

0%

5%

10%

15%

0 50 100 150 200 250 300 350 400

An

gle

erro

r d

eriv

ativ

e

Angle [mec deg]

Angle error derivative 1[%]

41

Figur 37. Visar derivatan av mekanisk vinkelavvikelsen för respektive sensorer vid temperaturen

70°C.

-15%

-10%

-5%

0%

5%

10%

15%

0 50 100 150 200 250 300 350 400

An

gle

erro

r d

eriv

ativ

e

Angle [mec deg]

Angle error derivative 2[%]

42

6. Sammanfattning

Detta kapitel presenterar en slutlig bedömning om modellen och prototypen baserade på

tester. Slutdelen tittar på framtida arbete, som beskriver hur man kan fortsätta härifrån och

arbeta med ett sensorbaserade system.

Som ett första steg rekommenderades formella krav på systemet, helst noggrannhet,

upplösning, säkerhet och prestanda, vilket testades på fixturen innan prototypen tillverkas.

Varje komponent valdes utifrån deras individuella egenskaper och beskrevs hur den valda

komponenterna arbetar på en detaljerad nivå och hur de ska fungera i systemet.

Respektive komponenter testades och analyserades enligt kravspecifikationen för att

bekräfta hur bra de fungerar i systemet samt för vidare utveckling av prototypen.

Nästa steg enligt metoden är att skapa en systemöversikt, detta används för att förstå hur

alla komponenter är sammankopplade och därmed hur systemet fungerar.

Funktionstester som kördes på fixturen, med hjälp av den grundläggande inställningen, visar

att prestandakravet för varje komponent uppfylldes. Resultaten baserade på

verifieringstester visar att det är viktigt att ha en bättre mekanisk koppling mellan drivdon

och enhet. Det betyder att när mekaniska kopplingen förbättras blir vinkelavvikelsen mer

försumbar, testresultatet på en äldre version av produkten bekräftar detta påståendet.

Temperaturtester visar att systemet uppfyller projektets kravspecifikation vid

rumstemperatur men det uppkommer stora vinkelavvikelser vid temperaturförändring

framför allt vid körning med korta steg.

En förklaring till detta kan vara allt fler material som är inkluderad i mekaniska kopplingen.

Detta material har olika utvidgnings- eller krympningsfaktor vilket bidrog till lossad vridning

på kopplingen. Andra faktorer som kan påverka vinkelavvikelsen vid temperaturförändring

kan vara referensmotorns egenskaper som förändras med temperaturen.

Eftersom resultaten från detta arbete inte förklarar uppkomsten av dessa avvikelser,

levererades prototypen till kunden för prestandatest på deras produkt.

43

6.1 Framtida arbete

Detta arbete kan fortsättas genom omprogrammering av källkoden och utveckling av ny

programvara som kan styra fler parametrar och göra det mer exakt vid positionsbestämning.

En annan rekommendation skulle vara att undersöka och jämföra andra sensorchip eftersom

det finns flera sensorer som kan tillämpa i systemet. Ytterligare förbättringar kan göras

genom att utföra fler tester på systemet.

44

45

Referenser

[1] Lund universitet, Industrial Electrical Engineering and Automation (IEA), 2017-02-10,

Hämtad 2017-03-7.

http://www.iea.lth.se/mek/Mekatronikkursen%202006/Energy%20Flow%2006/Motorer.p

df

[2] Multi dimension sensing the future, MR Sensor Technology, Introduction to TMR

Magnetic Sensors, 03-12-2015, Hämtad 2017-03-19.

http://www.dowaytech.com/en/1776.html

[3] Basics of Magnetoresistive (MR) Sensors, TE Connectivity Corporation,

Hämtad 2017-03-28.

http://www.te.com/usa-en/industries/sensor-solutions/insights/intro-into-mr-sensor-

applications.html

[4] Jon Titus, Careful designers get the most from brushless DC motors, 08/20/2012,

Hämtad 2017-03 22.

https://www.ecnmag.com/article/2012/08/careful-designers-get-most-brushless-dc-motors

[5] Steven Gauthier, "Tracking motion with multipole-magnet Hall sensing", Motion System

Design, vol. 54, no. 10, October 2012.

http://www.machinedesign.com/sensors/tracking-motion-multipole-magnet-hall-sensing

[6] Microsemi, Speed Control of Brushless DC Motors-Block Commutation With Hall

Sensors User’s Guide. Hämtad 2017-04-26.

http://www.actel.com/documents/Dual_Kit_Block_Commutation_With_Hall_Sensors_U

G.pdf

[7] John Brauer,” Magnetic Actuators and Sensors 2 nd”, Hoboken, USA:John Wiley & Sons,

Inc., 2014, Sidan 3-6, Hämtad 2017-04-05.

[8] "Hall Effect Sensing and Application”, Honeywell. MICRO SWITCH Sensing and Control,

Hämtad 2017-04-30.

https://sensing.honeywell.com/hallbook.pdf

[9] Magnetfabrik Bonn, Hämtad 2017-04-28.

http://www.magnetfabrik.de/magnetfabrik_en/produkte.php?category=616

[10] Zettlex, Precision in the extreme, Hämtad 2017-04-21.

http://www.zettlex.com/articles/position-sensors-dummys-guide/

46

[11] ABB, Baldor, Hämtad 2017-05-13.

http://www.baldormotion.com/products/servomotors/servomotors.asp

[12] ABB, Mint Workbench, Hämtad 2017-05-13.

http://www.baldormotion.com/products/mint/workbench.asp

[13] ABB, Flex Drive-II, Hämtad 2017-05-13.

http://www.abbmotion.com/products/servodrives/flexplus.asp

[14] Product data sheet, NXP Semiconductors, “Angle sensor with integrated amplifier”, and

Rev. 2— 7 February 2014, Hämtad 2017-05-07.

http://www.nxp.com/documents/data_sheet/KMZ60.pdf

[15] Hoffmann, Karl. Applying the wheatstone bridge circuit. HBM, 1974,

Hämtad 2017-05-12.

http://paginas.fisica.uson.mx/horacio.munguia/aula_virtual/Cursos/Instrumentacion%20I

I/Documentos/Teoria%20Ctos%20Puentes.PDF

[16] Wenting Fan, Jan Przytarski, KMZ60 Application Note, NXP Semiconductors,

Rev.1.4 – 24 January 2013. Hämtad 2017-05-19.

http://www.ebvnews.ru/doc13/KMZ60_AN.pdf

[17] Dr. Rolf Slatter, New Magnetoresistive Sensor Developments for Angle, Position and

Speed Measurement in small-and micro-sized Actuators, ISBN 978-3-8007-4072-7, 2015-

09-15 Köln, Hämtad 2017-04-22.

[18] Allegro MicroSystems, LLC, Advanced On-Chip Linearization in the A1332 Angle Sensor

IC, Hämtad 2017-03-28.

http://www.allegromicro.com/en/Design-Center/Technical-Documents/Hall-Effect-Sensor-

IC-Publications/Advanced-On-Chip-Linearization-A1332-Angle-Sensor-IC.aspx

[19] Bodo's Power, Angle Sensor Devices in On-Axis and Off-Axis Applications,

10 March 2015, Hämtad 2017-04-12.

http://www.powerguru.org/angle-sensor-devices-in-on-axis-and-off-axis-applications/h

47

Bilaga A

Lista över utvärderade sensorer

Theoretical evaluation of priority sensor -

chip SWS projects

Sensor KMZ60 ADA4571B

(ARM)

Allegro(A1335

single)

Allegro(A1335

dual)

Allegro(A1330

single)

Allegro(A1330

dual)

Technology MagnetoResistive

(MR)

Anisotropic

MR (AMR)

Hall-Effect Hall-Effect Hall-Effect Hall-Effect

Supply

Voltage (Vcc)

2.7 - 5.5 V 2.7 - 5.5 V 4.5 - 5.5 V 4.5 - 5.5 V 4.5 - 5.5 V 4.5 - 5.5 V

Angle Range 180° 180° 360° 360° 360° 360°

Supply

Current (Icc)

2 - 10 mA 3.5 - 6.5 mA Max 20 mA Max 20 mA Max 11 mA Max 11 mA

Max angle

error relative

temp

±19 Degrees

(start-up, 150°C)

±4 Degrees

(125°C)

±1.3 deg

(150°C,

B=300G)

±1.3 deg

(150°C,

B=300G)

±2 deg

(150°C, B=300G)

±2 deg

(150°C,

B=300G)

Max

mechanical

angular error

1.5 deg

(phase error)

±0.5 deg ±1.4 deg

(150°C,

B=300G)

±1.4 deg

(150°C,

B=300G)

±0.3 deg

(150°C, B=300G)

±0.3 deg

(150°C,

B=300G)

Temperatur

range

– 40°C to 150°C – 40°C to

125°C

– 40°C to 150°C – 40°C to 150°C – 40°C to 150°C – 40°C to 150°C

external

magnetic field

strength

25 kA/m 25 kA/m 300 to 1500 G

(recommended)

300 to 1500 G

(recommended)

max 1200G max 1200G

Position Angle

Error (2nd

and 7th pin)

±2 Degrees ±2 Degrees

Cost [$]

(Quality)

1,15 Digikey

0,63 Arrow

Electronics

1,2

(ANALOG

DEVICES,

1000>)

2

(Digikey,

4000>)

1,82(Codico)

3,35

(Digikey,

4000>)

? ?

magnetic field

rotational

frequency

25 000 r/min 50 000

r/min

Outline

Dimensons

5 x 6.20 mm 5 x 6.20 mm 5 x 6.40 mm 7.80 x 6.40 mm 6.40 x 3.1 mm 6.40 x 3.1 mm

Distance

(sensor

element to

front edge)

1.72 mm 1,646 mm 1.59 mm 3.40 mm, 4.40

mm

1.55 mm 1.25 mm, 1.75

mm

TRITA-ICT-EX-2017:131