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    转子位置传感器及其位置的确定

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    点击次数:更新时间:2018-05-11 17:05:09

    转子位置传感器的分类和特点

    永磁同步电动机控制系统中,电动机的换相是由转子的位置决定的,因此必须有转子位置传感器对转子位置进行实时检测。实际可用的转子位置传感器有多种,正弦波驱动的水磁同步电机一般采用旋转变压器、绝对式光电脉冲编码器或增量式光电脉冲编码器作为位置检测器,要求连续检测转子位置,分辨率要求高,成本也较高。而在矩形波驱动的永磁直流无刷电动机中,只需要离散的转子位置信息,即有限个数的换相点时刻,例如常用的三相六状态工作方式,一对极下仅需要确定6个换相点时刻即可。所以采用简易型的位置检测器就可以,检测转子位置的分辨率要求低得多,因而成本也较低。

    位置传感器是电动推杆系统组件部分之一,其作用是检测主转子在运动过程中对以,检测转子位置的分辨率要求低得多,因面成本也较低。于定子绕组的相对位置,将永磁转子磁场的位置信号转换成电信号,为逻辑开关电路提供正确的换相信息,以控制它们的导通和截止,使电动机电枢绕组中的电流随着转子位置的变化按次序换相,形成气隙中步进式的旋转磁场,驱动水磁转子连续不断的旋转。矩形波驱动的水磁直流无刷电动机的位置传感器主要分为电磁式、光电式、磁敏式等几种,分述如下。

    1. 电磁式位置传感器

    电磁式位置传感器是利用电磁效应来实现其位置测量,主要有开口变压器式、谐振式接近开关等。

    开口变压器位置传感器由定子和转子两部分组成。定子可由硅钢片的冲片叠成,或用高频铁氧体材料压制而成。在2极三相电动推杆中的开口变压器定子有六个齿,它们之间的间隔分别为60°。其中三个齿绕上一次绕组,并相互串联后以高频振荡电源(一般的频率为几千赫到几十千赫)供电;另外三个齿上分别绕有二次绕组,它近开关等。们之间分别相隔120°。转子是一个用非导磁材料作成的圆盘,并在它上面镶上一块约120°的扇形导磁材料。将它与电机同轴安装。开口变压器工作原理与一般旋转变压器类似,三个二次绕组的输出是被转子位置调制的高频信号,经解调后再进行逻辑处理,得到换相控制信号。

    谐振式接近开关位置传感器结构与开口变压器类似,但不需要一次侧高频励磁。在三相电机,它的定子有三个电感元件构成的振谐电路,转子是一个约120°的扇形导电金属盘,当转子的扇形金属部分接近电感元件时,使得该电路的品质因数Q值下降,导致电路正反得到换相控制信号。馈不足而停振,故输出为零。当扇形金属转子离开电感元件时,电路的Q值开始回升,电路又重新起振,输出高频调制信号。三个振谐电路的输出是被转子位置调制的高频信号,它电磁式位置传感器具有工作可靠、可适应较恶劣使用环境等优点。但这种传感器信噪比经检波解调后再进行逻辑处理,获得转子位置信号。较低,位置分辨率较差,体积较大,已经很少使用。

    2.光电式位置传感器

      光电式位置传感器是利用光电效应原理工作,它由安放在定子上的发光管光敏接收管组件以及跟随电机转子一起旋转的遮光板等组成。

      在三相电机,遮光板开有120°(电角度)左右的缝隙,且缝隙的数目等于直流无刷电机转子磁极的极对数。当缝隙对着光敏晶体管时,光敏晶体管接收到光源发射的光,产生“亮电流”输出。当遮光板挡住光线,光敏晶体管只有“暗电流”输出。遮光板随转子旋转,光敏晶体管随转子的转动而轮流输出“亮电流”或“暗电流”的信号,以此来检测转子磁极位置,控制电机三相绕组换相。光电式位置传感器缺点是光电信号容易受到灰尘或潮气的影响,可靠性较低。

    3.磁敏式位置传感器

    磁敏式位置传感器是利用对磁场敏感的半导体元件制成的,如霍尔效应或磁阻效应元件。常见的磁敏式位置传感器有霍尔元件或霍尔集成电路、磁敏电阻以及磁敏二极管等。其中基于霍尔效应原理的霍尔元件、霍尔集成电路统称为霍尔效应磁敏传感器,简称霍尔传感器。当磁场中的半导体有电流通过时,其横向产生电压(霍尔电动势),这个现象后来被称为霍尔效应。霍尔元件利用它所产生的霍尔电动势与正交的磁场强度成正比原理工作。但霍尔元件薄而脆,它的霍尔电动势小,需要外围放大电路,不便使用。

      霍尔集成电路是在霍尔效应原理的基础上,利用集成封装和组装工艺制作而成,内部集成了霍尔元件和必要的外围电路,它可方便地把磁场信号转换成较大幅度的电信号,同时又具备耐受工业应用环境可靠工作的要求。霍尔集成电路具有无触点、低功耗、长使用寿命、响应频率高等特点,采用塑封材料包封成一体化,所以能在各类恶劣环境下可靠的工作。由于霍尔位置传感器具有结构简单、体积小、安装灵活方便、易于机电一体化、价格低等优点,故目前得到广泛的应用。目前,霍尔集成电路传感器是电动推杆最主要使用的转子位置传感器。

      霍尔集成电路按功能和应用可分为线性型和开关型两大类

      1.线性型霍尔集成电路

      线性型霍尔集成电路是由电压调整器、霍尔元件、差分放大器、输出级等部分组成的集成电路,其输出为与磁场强度成线性关系的输出电压,可用于磁场测量、电流测量、电压测量等。一般不用作电动推杆转子位置传感器。

      2.开关型霍尔集成电路

      开关型霍尔集成电路是由电压调整器、霍尔元件、差分放大器、施密特触发器和输出级等部分组成的集成电路。其输出为开关(逻辑)信号。霍尔开关的输入信息是以磁通密度B来表征的,当芯片法线方向上的B值增大到一定的程度后(动作值Bp),霍尔开关内部的触发器翻转,霍尔开关的输出电平状态也随之翻转为低电平;当B值降低到低于(返回值Bn),霍尔开关的输出翻转为高电平。动作值Bp与返回值Bn之差称为回差。输出端一般采用集电极开路输出,能够与各种类型电路兼容。

      开关型霍尔集成电路中有一种称为锁存型霍尔集成电路,其特征为:动作值Bp和返回值B相对S极和N极磁场是对称动作的,有Bp=-Bn。例如UGN3175锁存型霍尔集成电路就是这样的双极性对称的开关霍尔集成电路。它的动作值在+B区(即S极磁场),返回值在-B区(即N极磁场)。在S极磁场的某一磁通密度(≥Bp)下,它的输出是导通状态(ON,低电平),当S极逐渐离开该1C、磁通密度为零时,它的输出仍然保持导通状态只有磁场转变为N极并达到Bp值时,输出才翻转为截止状态(OFF高电平),这种电路在S-N-S.N交替变化磁场下的输出波形占空比接近50%,适合于有多极环形水磁转子的电动推杆位置检测。



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