计一款基于磁通门技术的新颖转子位置传感器,能够 高 的转子位置信息。通过有的径向充磁磁源的空间磁计的
%分析说明了磁通门 的工 、工特性以及磁场强度的探
装位置,最后通过
;径向充磁围,对磁通门编
分析,并确定了磁通门 磁通门编
关键词:磁通门;编码器;永磁同步电机;有
中图分类号:TM35I ; TM34I ; TM359. 9: TP273 文献标志码:A 文章编号:1001-848(2020)03-084-9Design of Rotor Position Sensor Basee on Fluxgatr TechnologyZHOU Junhong1,FAN Zhihua1,HUANG Jingjing1,LIU Na2(I. SchooO eg Electricae and Powes Engineering, China UnOers^ty gg Mining and Technology, OuzZou Jiangss
22III6, China ; 2. Institute og Electronics,Chiness Academy og Sciencc, SkzZou Jiangss 215000, China)Abstract: Fluxges sensors are used in ths design of magnetic encoders with ths advantagss of high precision and Kupeeooeloneaepeetoemance.When deovongPMSM, theacquootoon ottheeotoepoKotoon ontoematoon othe
key.In thelow-Kpeed opeeatoon, thepoKotoon KenKoeleKdeovongtechnologyand theexotongKenKoehavelaege
eeoe, whoch beongKdotocultoeKtotheKtabledeovongotPMSM.ThopapeedeKogned and omplemented anovel eotoepoKotoon KenKoebaKed on tluxgatetechnology, whoch can peovodehogh-peecooon eotoepoKotoon ontoematoon.
In thopapee, thetonoteelementmethod waKuKed toanalyeethewoekongpeoncople, woekongchaeacteeotocKand
magnetoctoeld Kteength detectoon eangeotthetluxgateKenKoe.TheKpatoalmagnetoctoeld ottheeadoalmagnetoeong magnetocKoueceotthetluxgateencodeewaKanalyeed, and theonKtalpoKotoon otthetluxgateKenKoewaKdetee- moned.Fonaly, thedeKogn and peactocalotyotthedeKogn weeeveeotoed bymakongatluxgateencodeepeototype.
Key wordt: tluxgate; encodee; PMSM; ton ote element method; eadoalmagnetoeatoono引言年来,永磁同步电机(PMSM)得到了较多的 研究, 广泛应用到各个领域中,并逐渐成 :不佳,且控算 ,无法保证转子位置 的确性(2-)。故 高性能的PMSM控制系统中,位置仍不 取代%磁编 电编 相比,具有 单、 高、寿命长等优点,可应流 伺服领域的主流PMSM的 控制系统中,电机转子位置信息成 控制PMSM不可的 。近年来,研究 对无位置 [器技术 大量的研究。该技术对电机 高,低
于振动、 、 恶 境下,尤 特殊领域( 空天)中有着非常重要的地位,发景和研究价值很高[4-5] %本文基于磁通门技术设
计了一 的转子位置 一种灵敏度高、 好、
条件下难以对电机 控制,I,磁通门 是磁场的 i收稿日期:20I9—07—03, 日期:20I9 —I0 —I6基金项目:江苏省研究生科研与实践创新计划项目(KYCXI9_ 2I9I);中国矿业大学研究生科研与实践创新计划(ZG - KDI9
2I9I)。作者简介:周俊鸿(I996),男,硕士研究生,研究方向为 电机的设计与控制。志华(I993),男,硕士研究生,研究方向为 电机的设计与控制。黄晶晶(I995),女,硕士研究生,研究方向为 电机的设计与控制。刘 娜(I993),女,硬件工程师,研究方向为 $3期周俊鸿等:基于磁通门技术的转子位置传感器设计-85 -g],并逐渐向小型化、简单化方向 [9-14],未
将是霍尔 磁阻 强别为:来集成磁通门 大的竞争者[15]%{DX # =H (t) +D IH\"# =H (# _D1(2)( 11基于磁通门的磁编码器1.1磁通门编码器结构心 周期性的过 状态时,铁心的磁3所示。导率不 常数,磁导率的变化
本文设计的磁通门式磁编 由一个建立空间
磁场的辅助永磁体、两个磁通门探 硬件电路组
成, 1所示。两个磁通门探 空间位 置上相差90。放置于永磁体的上方%硬系 磁通
门探 取磁通门探头输出信号中的二波信号,转成与磁场强度成 的直流电压
图3周期性过饱和状态下的铁心磁导率信号。 永磁体随着电机运 转时,磁通 门硬件系统输出两路与旋转 余弦关系的电 压信号,从 电机转子位置。永磁体周期性过 状态下铁心的磁导率为\"(#,式(2)中,D(#为一个铁心内部磁场,H\"\"# 一个铁心内部磁场。磁通门传感器感应线圈上的感应
电压»e# = -!S (d\"(#H(小 +!S d(\"(##\"小
dd(3#
图1磁通门式磁编码器工作原理图式(3)中,\"X#和\"\"#分别为两个铁心的磁导率 函数%信号产生的磁场方向是周期性变化的,但
1.2 磁 编码器结磁通门 上分为单铁心 与 :心 ,单心磁通门输出信号含有大量的与外磁
磁导率没有正负之分,即磁场正反两个方向的激磁
产生
磁导率的变化, 故磁导率变化的 率是磁,为时间上的偶函数,将磁导率 级 ,如式(4)。“\"# =\"0e +“2”cos4 !aX 场频率的
场无关的谐波,而与磁场有关的谐波含量很小, 信噪比小。 心 的磁通门可有效的抑制无用+\"”cos8 !aX +(4)信号, 有 信号的含量,增强信噪比%本文采\"eCOS12 !aX +…=
”!\"2” xeCOS心结磁通门
2所示。, 心磁通门 示意4”!1#磁场的 ,使得个铁心的
不一致,导致 心的磁导率的变化有所
程度%将式(1)式(2) 式(3), 将\"XX \"'(X得:e(t) = - !2SHA2!—图2双铁心磁通门结构示意图 !\"X” =0XEa/!.faX - sin2!1--2中,两个心的 线圈匝数相 Y为
” =0!\"\"\" cos4”\"。- • sin2!1-)-!, 应线圈匝 !, 心 积为S,磁导率为\"。激励线圈通入交流电流,在两个铁心上产
生大小相 向相反的内磁场D (-),电D1 ( # =HnSin(2(1 )
cos2!仁1 - ( ” =0!4”!1\"2”'”sin4”!1 -”=0! 4”!/>\"\"” =0nXm sin4 ”!O] +式(1)中,Dm 磁场D1 (-)的 %无外磁场 ,由拉第感应定律
,两!SH0fa ! 4«” =0!/A,2„x„sWn4mfca +n4!fca个铁心内的交变磁场
有外磁场D
应线圈上产生的感应电压大小相等,方向相反,故无信号输出。, 时 心内部的磁场分!2SH0fa ! 4”!\"'2”'”si(5#・86・微电机53卷式(5)中,\"X Xm \"2” 'm 心磁导率的傅磁场的 线 , 4 中的 部分所示%里叶分解项的系数% 互叠加。一
的
心 中,与外磁场无关1J85的饱和磁感应强度Be为0. 6 T饱和磁场
的电压信号相互抑制,与外磁场有关的电压信号相 强度H为800 A/m,在环形磁通门结构中,可根据 安培环路定律计算铁心达到饱和状态时所施加的
的外磁场的强度远小于铁心的饱和磁场强度,故个铁心 磁场后的总磁场较小,予\"电能%NI = HL
较小,即 心的磁导率 化为:(7)化分析,
(t), 式(5)
心磁导率的变化一致,
式(7)中,当铁心达到饱和时,磁场强度H为 800 Abm% 4 中 合磁路 72 mm,铁心的 2.1.1
e( t) = 2N2SH0fc n =0! 4n!\"n2'm/n4n!fe (6 )线圈匝数共为110匝%由此可计算 心周期性饱和电流I约 0024 A%无外磁场情况下,在磁通门的激励线圈中施加
从式(5)中可以看出,外磁场H与磁通门感应
电压的 线 相关,
根式(5) 分解项中可以看出在感应电压中
二 波的
大的分量即为二 波,故本文 二 波法对感应电压中的
频率为10 kHe正弦电压
大于 电流 Ze% 一 ,使得产生的 电流电流产生的磁场取从而计算得出外磁场强度%值为槡H”时,磁通门的输出特性最佳[i6-i7] %在仿真
时间t =25 \"处磁通门
2磁通门编码器有限元分析2.1磁通门传感器有限元分析的铁心的磁感应强度云5 ( b)所示%可分 5 ( e)所示,环形 心内部磁场分布较均
匀% 应线圈的感应电压波形 ,
为了验证磁通门传感器的工作原理以及对其特 分析, 本文 AnsottMaUwel 对心磁通门探 心磁通门的铁心
有 磁场的情 下, 心 周期 过状 时, 形 磁通门 心的 应电压相互有
%;抵消,
,本文选乎 ,与 分析一致%较少的能量达到
用闭合的环形双铁心磁通门结构。在Ansoft Maxwell
中建立的磁通门探
4所示。的二维模型分别(a)环形结构磁感应强度云图Winding Plot 4
1-铁心,2-激励线圈,3-感应线圈,4-外磁场辅助线圈图4磁通门探头二维模型4中, 部分为磁通门 的铁心部分,的软磁
心 选用的是高磁导率、低 -图5无外磁场时铁心周期性过饱和带 合金1J85, 心 2 mm%本文建立的环形
00 mm,宽度给外磁场辅助线
大小[i8-i9]%
Y
电流 ,模拟外磁场心磁通门长为30 m叫55匝;红色的 ,一磁场的大小要小于铁心 磁场的f总宽为10 mm,为2 mm%图4中的黄色部分为激励 向的外磁场的强 6(e)所示%
线圈, 个心 线圈匝 24. 8 仿真时间t=2 \"时,磁通门铁心内部磁
部分 应线圈, 应线圈的匝
置 400匝% 抑噪声,线圈的匝数之比不宜过大,感应强度云图分 , 形磁通门 心磁场分 不 % 磁场 时,心磁场方线圈的匝 根 大%
情 ,设置的自由度很一定的时间范围内,环形磁通门
拟外磁场的 , 中 产生外向与外磁场方向相同,其内部磁场与外磁场相互叠
3期周俊鸿等:基于磁通门技术的转子位置传感器设计-87 -加,而右边铁心磁场方向与外磁场方向相反,其内
部磁场与外磁场相互抵消,所以 心的磁感应
由磁通门 的数学 ,磁通门输出的电压 大量的谐波%对上述 中的感应电压
强度大于 心的磁感应强度。铁心内部磁场强度随着时间的变化而变化,导致左边铁心提前进入
状态,
心落后于
进行谐波分析,结果分别如图6(O所示%由图6(-), 形磁通门的感应电压 偶 波,没有
奇 波%无用的奇次谐波相互抵消,偶 波相 互 ,进而大大地减 对有用谐波的提取 % 2.10环形 心磁通门工作特性心 状态%电流方向变化时,即 心内部建立的磁场反向,此时会出 铁心磁场强度的情况%个
心磁场强度大于确定磁通门探 探头的工作特
,对形 心磁通门分析%在上述 的 7所示%时间中,磁通门感应线圈的感应电分析%由 6压分
(b)
6(b)所示%接下来以一个电源周期(0~上, 磁场强度不变,改变激励电源的频率,电源频率与磁通门输出的关系
100)\"对环形磁通门
,仿真时间在(16.5-35.5)\"时间范围内,心 先
状态。铁心的磁导率不再是常量,而是随时间变化的变量,感应线圈 产生感应电压。在(350 ~50)\"时间范围内,铁心
退 ,感应电压急剧下降 时间 围 ,
的 心
电压%在50\"状 ,处,激励电源的方向开始反向。在(660~850)\"
心被反向磁化,但心的磁导率是个
应电压一致%B [tesla]H. 79H1E-002I. H7H6E-002 •».1551E-002 3.8355E-002 3.5160E-002 3.1965E-002 2.8769E-002 2.557HE-002 2.2379E-002 1.9183E-002 1.5988E-002 1.2793E-002 9.S973E-003 6.4020E-003 3.2066E-003 1.1383E-005,图7电源频率与感应电压关系故感应线圈的感应电压与(16.5 - 35. 5)\"时间内的
表明,感应电压的大小与所施加的电
源频率的大小成
,与理论推导一致%磁通门探磁场的灵敏
敏度%
电源频率也成 ,所以大电源 率会 磁通门 的输出电压中, 信号的频率与铁心中产生涡流的大小成正相关%涡流越大铁心的有效面积越小,
即 效应越严重,该情况会
率为10 kHz的
磁通门信号的输,最出%经过反 ,并考虑硬件电路设计 计的自由度很大%终本文选 信号%从以上分析电源频率与幅值不同大小的电流源,8(a)(a)环形结构磁感应强度云图,磁通门探 不变,给外磁场
确定电源频率之后,
线
建立不同强度的外磁场,磁通门输出电压
所示,外磁场强 对这 应电压
(b)环形结构感应电压大,磁通门输出的电压越大%波分析, 8 (b)、(c)、(d)、( e)所示,感应电压包含大量的偶 1波,且不包含奇次谐波, 但
大量的奇 大,且四
推导一致%中,由于铁心贴片难以保证完全对称,也有所 , 磁通门输出电压 是会 含
波%当磁场强度较小的情况下,如图8(b)所示,感应电压中二 波和四 波含量最波幅值大于二 波; 磁场强度(C)环形结构感应电压谐波次数增加时,二次谐波的含量逐渐增加,如图8 ( c)、 ( d)、 ( e) 所示, 终二
波含 随
图6有外磁场时铁心周期性过饱和磁场的-88 -微电机53卷加逐渐大于 偶次谐波含量%由 波含
,二次谐通过 得到二次谐波的 磁场强度关磁场的大小成一定的比例关系,故一般系如图9所示,当外磁场的磁感应强度大于700\"T
0 25 50 75
100 125 150 175 200t/s(a)外磁场强度与感应电压的关系谐波次数/kHz(b) B()=24.8 rT谐波次数/kHz(d) B„=74.4|xTiiiniiniiiii 皿叩iiii0
10
20 30 40 50谐波次数/kHz(e)B”=99.2»T图8外磁场强度对磁通门输出的影响小于868 \"T时,二
波的
随磁场强度的增缓 ;
磁场的磁感应强度大于868 \"T时, 二 波的 不 随 磁场强 的,反而有减少的趋势; 磁场的磁感应强度大于100 \"T且小于700 \"T时,二次谐波的幅值与 磁场强度有较好的线性关系%0...0124 248 372 496 620 744 868 992
外磁场大/|Vx10-6T图9二次谐波幅值与外磁场强度关系2.2磁源的有限元分析本文研究了永磁体不同空间位置处的磁场强度 分布情况,以确定磁通门探头合适的安装位置%以
直径为11 mm、厚度为3- 5 mm的圆柱形钱铁硼永磁 体为例,在有限元软件Maxwell中建立其3D仿真模
型,研究永磁体空间磁场的分布情况%本 中永磁 向充磁方式为永磁体充磁,并定义Y轴正方向为充磁方向%永磁体内部 磁感应强度分布云图与磁感应强度矢
分,图10 ( a)、( b)所示%
,磁场方向沿着Y
方向,并向四周发散。距永磁体上表面d = 1 mm、半
径+ = 4 mm的圆周处的磁感应强度矢量图如图
10 ( C)所示,可知圆周上的磁感应强度各不相同,
有一 的磁场强 向 上, 一 的磁场强
向下%圆周上 Z
向的磁感应强
1图10(d)所示, 磁 应强度与 关系,良好% 通过
向的磁场强度辨识永磁体相对于磁传感器的角度位置,左
电机转子位置%通过上节的仿真分析可知,本文设计的磁通门
探头可检测的线性磁场强 围大约为±( 100 -700) \"T%然而图10 ( O)所示磁场强度幅值明显超
过磁通门探头可检测的磁场强 围%本 下来分析 永磁 上表 不同位置 的空间磁场分 情
,以将磁通门探
装在合适磁场强度位置上。3期周俊鸿等:基于磁通门技术的转子位置传感器设计・・B tesla]0.0030.0010.000(a)内部磁感应强度分布云图-0.001-0.0030125 250375角度/(° )(b) r=12mm不同d时的圆周处Z轴正方向磁感应强度图11不同空间位置磁感应强度(b)磁感应强度矢量图B [tesla]3磁通门编码器实验分析3.1磁通门传感器的制作031HE-0010132E-0019502E-0027682E-0025863E-0824044E-0022225E-0020W06E-0028587E-0026768E-8024949E-0023130E-0021310E-M29H91E-0027672E-0025853E-002(c) /=lmm、r=4mm圆周处磁密分布磁通门探头一般包括铁心、线圈和支撑铁心和 线圈的 %通过对磁通门的工
分析可知,磁通门的铁心 周期性的 过 状态,所以要反复磁化铁心 ,这就 心%综上0.20o
退磁。 减 磁 由于被反复磁化与退磁带心具有很小的
来的磁滞损耗,
o.翹專宦®遛
所述,磁通门 导率、低
带
所用的铁心 具有高磁周上 Z 向的磁感应强 11 (a)所示。本文 研究磁通门 转子位置的方法,对 的体积不作研究。本文选 r = 12 mm的圆周,研究磁通门探头相对永磁体不同轴向 ;的磁感应强度,以确
上表面不同
向的磁感应强 11 ( b)所示。根,本 计可将磁通门探 装 永磁体上表面约35 mm、
0.201700的特性。本文选用满足上述条件的合金1J85 磁 ,铁心的 丢为12所示。0- 1 mm,饱和磁感应强度为0. 6 T,产品具体的参
数如表1所示,铁心 的
表1坡莫合金材料属性名 称参图10径向充磁磁钢磁感应强度分布图产品编号1J850. 10.6T永磁体上表面d = 1 mm、不同半径r的圆
厚度/mm磁 应强饱和磁场强度/A/m最大磁导率矫顽力'800400000. 012向安置位置。距永磁Z带状1J85材料没有足够的物理支撑能力,故需
d、 r = 12 mm圆周
要设计 宽为16 mm,
为 0. 5 mm%% SoFdworksf 计的铁心骨架模型如图13( a)所示。铁心骨架长为32 mm,
2 mm,凹槽宽为3 mm,深度约 12 mm的圆周上。0.100.00-0.10-°'2Oo125250375角度/(° )(a) d= 1mm不同r时的圆周处Z轴正方向磁感应强度图12 1J85实物图・90・微电机53卷将铁心材料1J85进行剪裁,然后贴于铁心骨架 永磁体和磁通门探头圭寸装在一起。辅助永磁体固定
的 , 水固定,
激励线圈直
13 (b)所示。转轴上与永磁同步电机同轴连接,两个磁通门探
于铁心 的 %
,屯于感应与应线 :永磁体合适的位置。本 中,两个
磁通门探头中心点与
线圈的缠绕,设计感应线
铁心
永磁体中心点的轴向分 13(c)、(d)所示。感应线 约为4—i,径向
VF控
约为6 mm。在电机控 上采是配套 ,铁心骨架可插
2 mm。
式控制电机空载运行。当电机转 '15 (e)所示, 余信号。 示波的槽中。感应线
宽为25 mm,
总 35 mm,得
线的矩形槽,长500 r/min时,磁通门硬件电路输出信号Mpi和Mh2
的波形
的铁心骨架能够插入到感应线 中,设计的矩形槽的
3D
, Matlab 中 信号 , 将信号宽 有一定的 与感应线
。一化并去除直流偏置,
,
atan2函 解170 mm,宽 3 mm。铁心 组15 (b)所示。 ,磁通门硬件电机打印,
)
耗选用机 能与路输出信号的 以及所求解 的线 :均能良好的PLA(聚 良 好。图I3磁通门传感器骨架模型计完之后, 上缠绕激励线圈与感应线圈。 线总匝 110匝,选线。感应线圈总匝数为直 0. 29 mm的铜 线。
400匝,为便于 ,选直 00 mm的铜
线 应线圈的匝 根 情 :,磁通门探头的
14所示。图I5电机转速为500/min时磁通门输出信号
与角度波形为便于信号处理,本文采用DSP自带的AD模
对磁通门硬件输出信号
图I4磁通门探头实物图。磁通门硬件电路输出信号Mei和%的幅值和直流分量的偏差既可 通过硬件电路 ,也可通过 。 于观察波形,
DA模块将AD
3.2磁通门传感器实验分析的 信号转换16所示。AD采在实验阶段,没有将磁通门式磁编码器的辅助成模拟信号 示波 察,
3期周俊鸿等:基于磁通门技术的转子位置传感器设计・91・的波形如图16(e)所示,可知两个信号存在幅
直流分量的
除直流分
,将信号 一化 〕>弓0。9)
8、
的波形 16 ( b)所示,求解的波形 16(c)所示。由图16(O可知, 波形的线 良好。0 0.1 0.2
t/s0.3 0.4 0.6(a) 5OOr/min(AHVO09W0 0.1 0.2
t/s0.3 0.4(a) AD采样波形0 0.1 0.2
t/s0.3 0.4 0.6(b) lOOOr/min0 0.1
0.2
t/s0.3 0.4(b)信号处理后波形0 0.04 0.08 0.12 0.16 0.2t/s(c) 1500r/min0 0.2 0.4
t/s0.6 0.8 1(c)角度波形图I6信号处理与角度求解0 0.04 0.08 0.12 t/s0.16 0.2当电机转速为500 /min、I000 /min、I500 /min、 2000 r/min时,经磁通门探头检测的电机角度分别 如图 17(a)、图 17 ( b)、图 17 ( c)、图 17 ( d)所示。(d) 2000r/min图I7不同转速下角度波形通过上述
的 磁通门探 范围。,磁通门式磁编码器角度输, 转 高, 于磁通门 ,误差越大。这是
的电机转磁通门探出稳定,线 良好。在中高速场合,可通过
子位置线
源的频率提高其进头的 率是 的,且不能无 的增加,故变化的磁场的频率也是有的。本文通入
磁通 门 探 的
33.33 He,
率 I0 kHe, 转;4结语本文设计并实现了一 于磁通门技术的 -
磁编 ,并通过有
说明了磁通门 [器500 r/min时,辅助永磁体磁场的变化频率为
率是磁场变化 率的 300
转速为2000 r/min时,激励频率是磁场变化频率的
75
工作原理,并根 选 磁编 的。可见,转
的
高磁场变化频率越快,磁通门%磁通门铁心 ; 本文还对磁源的设计进行了位置 详细的分析,对 充磁方式的 永磁 空・92・微电机53卷间磁场分布研究,进而找出磁通门探头合适的安装
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