兩極平行充磁轉(zhuǎn)子全位置傳感器的研究
范文壽，易萍虎，崔新藝
（西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，西安710049）
摘要：為了滿足在低速高精度伺服控制系統(tǒng)中對(duì)轉(zhuǎn)子位置高分辨率的要求，提出了一種利用線性霍爾元件作為位置信號(hào)傳感器元件，對(duì)永磁體隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)變化的磁場(chǎng)進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行相關(guān)的處理從而獲得轉(zhuǎn)子連續(xù)位置的新方案。文章對(duì)兩極平行充磁轉(zhuǎn)子全位置傳感器的關(guān)鍵部件永磁體及測(cè)量算法進(jìn)行了研究：利用等效磁荷模型推導(dǎo)出圓柱形永磁體的磁感應(yīng)強(qiáng)度的空間分布的近似解析表達(dá)式，并且利用三維有限元分析軟件對(duì)推導(dǎo)的近似解析公式進(jìn)行了驗(yàn)證，根據(jù)其軸向分量在某平面圓上的正弦分布規(guī)律，并針對(duì)兩點(diǎn)測(cè)量在永磁體偏心時(shí)存在測(cè)量誤差大的問(wèn)題，提出了四點(diǎn)測(cè)量的算法，仿真及試驗(yàn)結(jié)果表明，采用此算法檢測(cè)轉(zhuǎn)子的位置具有很高的分辨率，完全可以滿足低速高精度伺服控制系統(tǒng)對(duì)轉(zhuǎn)子位置的要求。
關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)；兩極平行充磁；軸向分量；三維有限元分析；四點(diǎn)測(cè)量算法
中圖分類(lèi)號(hào)：tp274+5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：a 文章編號(hào)：1001-6848(2,010)05-0089-04
0引 言
轉(zhuǎn)子位置傳感器在電機(jī)控制系統(tǒng)中具有十分重要的作用，尤其是在高精度伺服控制系統(tǒng)中。目前常用的轉(zhuǎn)子位置傳感器有****式、增量式光電編碼器和旋轉(zhuǎn)變壓器等，然而它們都存在一定的不足之處，其中****式光電編碼器是其價(jià)格較高，且安裝較麻煩；增量式光電編碼器是無(wú)法輸出轉(zhuǎn)子的****位置信息，其價(jià)格也較高；旗轉(zhuǎn)變壓器同光電編碼器比較，價(jià)格略低，但是旋轉(zhuǎn)變壓器還常常需要解碼芯片，這樣成本就上升很多，另外在分辨率相同的情況下，其****角度精度是光電編碼器的1/6以下。因此，研究以低成本的線性霍爾元件、永磁體等來(lái)檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置并能夠提供轉(zhuǎn)子連續(xù)位置且安裝方便的高分辨率傳感器具有較高的實(shí)用價(jià)值[1-2]。
本文所研究的轉(zhuǎn)子全位置傳感器的設(shè)計(jì)思想就是利用線性霍爾元件作為位置信號(hào)傳感器元件，對(duì)兩極平行充磁永磁體隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)而在軸向方向上產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)變化的磁場(chǎng)進(jìn)行檢測(cè)，然后對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行相關(guān)的處理后從而獲得轉(zhuǎn)子連續(xù)位置。首先，對(duì)傳感器的關(guān)鍵部件兩極平行充磁圓柱形永磁體的磁感應(yīng)強(qiáng)度進(jìn)行了近似解析式的推導(dǎo)并利用三維有限元分析軟件對(duì)其進(jìn)行了驗(yàn)證，并為接下來(lái)的磁場(chǎng)測(cè)量算法的提出及仿真提供了理論依據(jù)；最后針對(duì)當(dāng)永磁體偏心時(shí)采用兩點(diǎn)測(cè)量存在測(cè)量誤差大的問(wèn)題，提出了四點(diǎn)測(cè)量算法，并對(duì)傳感器進(jìn)行仿真試驗(yàn)，這為進(jìn)一步設(shè)計(jì)和研究全位置磁傳感器提供了試驗(yàn)依據(jù)。
1永磁體磁場(chǎng)的近似解析分析
根據(jù)maxweⅱ方程組中的高斯定律，可得由永磁體產(chǎn)生的空間任意點(diǎn)上磁標(biāo)量 勢(shì)為：
在v .m =o（均勻磁化）的條件下，根據(jù)斯托克斯公式可將式(1)寫(xiě)成：
其在柱坐標(biāo)系下可表示為：
圓柱永磁體的磁化方向如圖l所示：
式(4)在柱坐標(biāo)系中表示為：
將其代人式(3)得：
將r-3泰勒展開(kāi)并取其前兩項(xiàng)可近似得：
只要對(duì)上式再進(jìn)行兩次積分，全部積出之后再在場(chǎng)點(diǎn)對(duì)φn。求梯度，也就是在r、θ、z個(gè)量上分別求一次偏導(dǎo)，再轉(zhuǎn)換為直角坐標(biāo)，就可得到磁場(chǎng)強(qiáng)度在x、y、z方向各分量。
如果直接求磁場(chǎng)強(qiáng)度的表達(dá)式，則對(duì)上式求-—次 |
