王 騁，鄧智泉，蔡 駿，2，胡榮光

(1.南京航空航天大學(xué)，南京210016;2.謝菲爾德大學(xué)，英國(guó) 謝菲爾德S1 3JD)

0 引 言

隨著自動(dòng)化程度的提高，電機(jī)在工業(yè)、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域均得到廣泛應(yīng)用。航空航天、油田采礦等對(duì)成本、溫度、體積等有特殊要求的應(yīng)用場(chǎng)合催生了新型電機(jī)的產(chǎn)生，如開關(guān)磁阻電機(jī)、永磁同步電機(jī)、無刷直流電機(jī)等。不同于傳統(tǒng)的直流電機(jī)，這些新型電機(jī)都需要轉(zhuǎn)子的位置信息才能穩(wěn)定高效運(yùn)行。

轉(zhuǎn)子的位置檢測(cè)方法總體上分為兩種:傳感器檢測(cè)技術(shù)及無位置傳感器技術(shù)。前者指在電機(jī)上安裝一套專門的位置檢測(cè)傳感器檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置;后者則通過測(cè)量電流、電壓、磁鏈等物理量，利用這些量與轉(zhuǎn)子位置的關(guān)系間接獲得位置信息。無位置傳感器技術(shù)去除位置傳感器，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，降低了成本，但控制算法復(fù)雜，精度難以保證，存在起動(dòng)困難、動(dòng)態(tài)性能不理想，運(yùn)行轉(zhuǎn)速范圍小等缺點(diǎn)。因此在工程應(yīng)用中采用位置傳感器檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置更為普遍。近年來，從航空航天、數(shù)控機(jī)床等自動(dòng)化設(shè)備的轉(zhuǎn)角測(cè)量到家用電器、電腦磁盤等領(lǐng)域的測(cè)量控制，位置傳感器均起到了不可或缺的作用。

由于電機(jī)控制方法各異及各類環(huán)境對(duì)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)獲取的要求不同，故有必要了解傳感器的工作原理及適用范圍。合理選用位置傳感器不僅可提高電機(jī)控制效果，還能延長(zhǎng)電機(jī)使用壽命，降低成本。

1 常見的位置傳感器

位置傳感器按裝配結(jié)構(gòu)可分為接觸式與非接觸式兩種。非接觸式相比接觸式減少了摩擦，能更準(zhǔn)確地消除機(jī)械配合造成的影響，因此應(yīng)用更為廣泛。常見的非接觸式位置傳感器包括光電式、霍爾式、磁阻式、電渦流式、旋轉(zhuǎn)變壓器等。從現(xiàn)有文獻(xiàn)來看，這些傳感器各有優(yōu)缺點(diǎn)，但無一類能適用于所有應(yīng)用場(chǎng)合。因此對(duì)位置傳感器進(jìn)行分類總結(jié)，在工程應(yīng)用上具有一定的參考價(jià)值。

1.1 光電式

光電式傳感器一般由光源、光電碼盤和光電元件三部分組成。圖1 為光電式傳感器的結(jié)構(gòu)，其基本原理是隨著電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)，碼盤不斷地遮擋或通過LED 發(fā)出的光線至光電傳感器，使其輸出高低電平，從而將轉(zhuǎn)子的機(jī)械位置信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。碼盤可根據(jù)實(shí)際需求確定形狀及制作工藝。若應(yīng)用于開關(guān)磁阻電機(jī)、無刷直流電機(jī)等對(duì)實(shí)時(shí)位置信號(hào)要求不高的電機(jī)，采用遮光片即可滿足位置檢測(cè)需要;若應(yīng)用于永磁同步電機(jī)等需轉(zhuǎn)子實(shí)時(shí)位置信息的電機(jī)，多采用光柵制作齒盤，增加轉(zhuǎn)子位置的檢測(cè)精度［1-2］。

圖1 光電位置傳感器位置測(cè)量原理圖

光電式傳感器按大類可分為增量式及絕對(duì)式，其主要區(qū)別在于碼盤結(jié)構(gòu)。增量式齒盤結(jié)構(gòu)如圖2(a)所示，碼盤上的刻線分布均勻。每轉(zhuǎn)過一個(gè)刻線，傳感器輸出一個(gè)脈沖，通過基準(zhǔn)位置后對(duì)脈沖計(jì)數(shù)檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置。與此同時(shí)，通過增加傳感器的個(gè)數(shù)，使各傳感器的輸出成一定相差(如圖3 所示兩路光電傳感器的輸出)，可提高傳感器系統(tǒng)的檢測(cè)精度。增量式光電傳感器的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于小型化，缺點(diǎn)是掉電后無法確定初始位置，且存在累積誤差［3］。

圖2 增量式和絕對(duì)式光電碼盤

圖3 增量式光電傳感器兩路輸出波形

絕對(duì)式碼盤一般采用二進(jìn)制編碼，如圖2(b)所示。碼盤上透光道按特定的規(guī)律排列，每一個(gè)角度分辨率內(nèi)均對(duì)應(yīng)一個(gè)二進(jìn)制數(shù)，在不同的位置下，傳感器輸出不同值反映位置。通過增加二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)即可提高該位置傳感器的檢測(cè)精度。絕對(duì)式位置傳感器輸出的是關(guān)于角度的單值函數(shù)，解決了增量式掉電后無法啟動(dòng)的問題，在國(guó)防、航空航天上得到了廣泛應(yīng)用。但其制造工藝較為復(fù)雜，增加了成本，不利于小型化［4］。

近年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過優(yōu)化碼盤結(jié)構(gòu)，減小絕對(duì)式光電傳感器的體積，使得該傳感器得到了更加廣泛應(yīng)用［5-7］。

多數(shù)光電式傳感器為開關(guān)型輸出，即傳感器輸出為高低電平的數(shù)字量，文獻(xiàn)［8］將模擬輸出的光電傳感器應(yīng)用于電機(jī)控制。該方法在轉(zhuǎn)子上安裝了漸變色轉(zhuǎn)盤，通過光電式傳感器輸出的模擬信號(hào)檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置。模擬輸出的光電式傳感器對(duì)于電機(jī)控制可有更高的靈活性，但其碼盤制造較為復(fù)雜，位置檢測(cè)的精度難以保證。

由光電式傳感器的工作原理可知，其優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輸出精度高、反應(yīng)快，因此具有較為廣泛的應(yīng)用前景。但光電式傳感器的光敏元件易受環(huán)境溫度的影響，且在油污、粉塵等環(huán)境中檢測(cè)效果會(huì)有所降低，故在油田采礦、火力發(fā)電等惡劣條件下難以應(yīng)用。

1.2 霍爾式

基于霍爾效應(yīng)的器件稱為霍爾傳感器，其具體原理如圖4 所示。將電流I 通入薄片狀的霍爾器件，豎直施加強(qiáng)度為B 的磁場(chǎng)，產(chǎn)生的洛倫茲力，使得載流子發(fā)生運(yùn)動(dòng)，元件的邊緣分別有電荷積聚，產(chǎn)生霍爾電場(chǎng)EH。穩(wěn)態(tài)時(shí)，載流子的作用力相互抵消，恢復(fù)原來的運(yùn)動(dòng)方向，它使霍爾元件兩個(gè)邊緣產(chǎn)生電位差，稱為霍爾電壓UH。

圖4 霍爾效應(yīng)原理圖

按照不同的輸出信號(hào)形式，霍爾傳感器有開關(guān)型和線性霍爾兩種。前者輸出高低電平的數(shù)字量，常通過計(jì)數(shù)測(cè)量信號(hào);后者輸出模擬量，其大小與磁場(chǎng)強(qiáng)度成正比［9］。

開關(guān)型霍爾傳感器具有波形清晰、無抖動(dòng)、無回跳、位置重復(fù)精度高、輸出為數(shù)字量等特點(diǎn)。利用它可將大部分非磁的信號(hào)(壓力、位置、角度等)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏縼頇z測(cè)和控制［10］。

開關(guān)型霍爾傳感器受制于磁性轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)，無法達(dá)到較高的檢測(cè)精度。但其體積小、造價(jià)低，在某些工程應(yīng)用中有不可替代的作用。若電機(jī)控制需要更為精確的位置信息，可采用細(xì)分算法獲取更為精確的位置信號(hào)［11-13］。

線性霍爾傳感器輸出正比于磁場(chǎng)強(qiáng)度的電壓，故能實(shí)時(shí)檢測(cè)隨轉(zhuǎn)子位置變化的磁場(chǎng)，從而提取轉(zhuǎn)子位置信號(hào)。其具體工作原理:氣隙磁場(chǎng)隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)為正弦變化，線性霍爾傳感器將該信號(hào)輸出，利用相關(guān)電路與算法對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行處理即可得到轉(zhuǎn)子角度信息。該傳感器分辨率差，但造價(jià)便宜，因此應(yīng)用較為廣泛［14］。

圖5 線性霍爾位置傳感器示意圖［15］

圖5 為常見的線性霍爾位置傳感器示意圖，H1～H4 為四個(gè)線性霍爾元件。該結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子上是5 對(duì)極的永磁體，其形狀經(jīng)過特殊設(shè)計(jì)，在轉(zhuǎn)子勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，線性霍爾傳感器可輸出正弦信號(hào)。四個(gè)霍爾傳感器呈相差90°排列，經(jīng)過反正切函數(shù)的解算即可得出轉(zhuǎn)子位置。該結(jié)構(gòu)只需兩個(gè)霍爾傳感器即可獲得位置信號(hào)。文獻(xiàn)［15］表明，增加霍爾傳感器個(gè)數(shù)可有效抑制永磁體不對(duì)稱造成的幅值、相位誤差以及轉(zhuǎn)子偏心影響。

霍爾傳感器是感應(yīng)磁場(chǎng)變化獲取轉(zhuǎn)子位置信息，因此理論上可直接利用永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生的磁場(chǎng)檢測(cè)位置，減小系統(tǒng)體積，如圖6 所示。然而傳感器輸出受電樞繞組電流影響，會(huì)有相角滯后，且非正弦。文獻(xiàn)［16］通過檢測(cè)電流獲得滯后角從而解算出實(shí)時(shí)角度。同時(shí)，引入卡爾曼濾波器以獲取正弦信號(hào)，避免了傳統(tǒng)濾波器的相角滯后，提高了檢測(cè)精度。

圖6 集成霍爾傳感器的無刷直流電動(dòng)機(jī)

然而，實(shí)際中霍爾傳感器的估測(cè)信號(hào)會(huì)由于外界因素存在一定偏差。溫度對(duì)線性霍爾傳感器的霍爾系數(shù)影響較大，使得輸出信號(hào)不能準(zhǔn)確跟蹤實(shí)際的磁場(chǎng)強(qiáng)度，影響了電機(jī)的控制效果。故在線性霍爾傳感器設(shè)計(jì)時(shí)，常內(nèi)部集成溫度補(bǔ)償電路。另外，該傳感器的輸出信號(hào)對(duì)磁場(chǎng)分布較敏感，故工程中對(duì)傳感器安裝位置也有一定的要求。若安裝誤差較大，檢測(cè)到的磁場(chǎng)相角差不是設(shè)定值，會(huì)產(chǎn)生較大偏差。同時(shí)，線性霍爾傳感器的模擬輸出電壓一般不高，易受電磁噪聲干擾，故需設(shè)計(jì)合適的濾波電路來對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行處理。對(duì)于各種引起誤差存在的因素，實(shí)際中均需采取一定的處理方式，才能得到準(zhǔn)確的位置信息［17］。

霍爾傳感器由于其獨(dú)特的工作特性，可被封裝在密閉環(huán)境中，適用于臟濕、粉塵等惡劣環(huán)境。與此同時(shí)，霍爾傳感器常常需要永磁體或者勵(lì)磁才可以工作，因此應(yīng)用時(shí)需安裝與轉(zhuǎn)子同軸的含永磁體位置檢測(cè)裝置，這在一定程度降低了其體積小的優(yōu)勢(shì)。

1.3 磁阻式

磁性材料隨外部磁場(chǎng)變化而相應(yīng)改變阻抗的特性稱為磁阻效應(yīng)。磁阻式傳感器就是根據(jù)磁性材料的這一性質(zhì)而制成的測(cè)量用傳感器，被廣泛用于磁性齒輪轉(zhuǎn)速、旋轉(zhuǎn)方向的測(cè)量。磁阻材料多選用坡莫合金，其相對(duì)磁阻變化為2% ～3%。

圖7 磁阻效應(yīng)原理圖

磁阻效應(yīng)原理如圖7 所示，若外磁場(chǎng)M 與合金內(nèi)電流方向成一個(gè)角度α，會(huì)使得合金的電阻R 發(fā)生變化，其函數(shù)關(guān)系:

式中:R0為坡莫合金在未施加外磁場(chǎng)時(shí)的電阻值;ΔR0為坡莫合金的阻值絕對(duì)變化量。由式(1)可見，合金的電阻與磁場(chǎng)間是一個(gè)角度效應(yīng)，適用于角度參數(shù)的測(cè)量［18］。

早在1992 年，就有學(xué)者將磁阻傳感器應(yīng)用于電機(jī)位置信號(hào)的檢測(cè)［19］。檢測(cè)裝置原理如圖8所示，

圖8 磁阻傳感器位置檢測(cè)原理圖

轉(zhuǎn)子部分由四極永磁體構(gòu)成，定子為連續(xù)排布的45°坡莫合金，連接方式為間隔串聯(lián)。兩條電路同時(shí)接入恒流源，輸出電壓:

式中:IR0可通過差分放大器消除，將上式相減放大可得:

輸出電壓為正弦曲線，可對(duì)應(yīng)此時(shí)的轉(zhuǎn)子位置信息。圖8 的位置檢測(cè)裝置多適用于轉(zhuǎn)子為四極的電機(jī)。若要將該裝置應(yīng)用于其它結(jié)構(gòu)的電機(jī)，只需改變?cè)撗b置的永磁體、坡莫合金極弧長(zhǎng)度即可。

近年來，磁阻傳感器的研究熱點(diǎn)主要集中在巨磁阻效應(yīng)(Giant Magnetoresistance，GMR)上［20-21］，主要是由于傳統(tǒng)磁阻材料電阻變化率最大為2% ～3%，而巨磁阻效應(yīng)電阻變化率可達(dá)到50%，比普通磁電阻效應(yīng)大了一個(gè)數(shù)量級(jí)，更有利于信號(hào)的處理及檢測(cè)精度的提高。利用GMR 傳感器的位置角測(cè)量系統(tǒng)如圖9 所示。

圖9 巨磁阻位置傳感器［20］

GMR 傳感器具有體積小、成本低、抗惡劣環(huán)境等一系列優(yōu)點(diǎn)，使得它具有良好的發(fā)展前景。但GMR 作用機(jī)理等理論方面的研究仍不完善，目前對(duì)GMR 的研究仍在探索之中［22-23］。

磁阻式位置傳感器與霍爾式相同，需永磁材料向其提供位置信號(hào)，這在一定程度上限制了磁阻式位置傳感器的應(yīng)用。

1.4 電渦流式

電渦流傳感器由于其工作穩(wěn)定、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、無接觸等特點(diǎn)，成為近幾年較為熱門的傳感器，被廣泛應(yīng)用于無損檢測(cè)、位移檢測(cè)、位置檢測(cè)。圖10 為電渦流式傳感器結(jié)構(gòu)圖，由探頭線圈、延伸電纜、前置器三部分組成［24］。

圖10 電渦流式傳感器工作示意圖

電渦流式傳感器工作原理如圖11 所示。當(dāng)傳感器探頭線圈通以正弦電流i1時(shí)，空間內(nèi)產(chǎn)生交變磁場(chǎng)H1，使金屬導(dǎo)體表面產(chǎn)生一定的感應(yīng)電流，即電渦流i2。與此同時(shí)，i2又產(chǎn)生新的交變磁場(chǎng)H2，其方向與H1相反，從而導(dǎo)致線圈的等效電阻發(fā)生變化。在金屬導(dǎo)體的線圈激勵(lì)電流的頻率f、空間磁導(dǎo)率μ、線圈電阻率ρ 不變的情況下，線圈阻抗Z 為關(guān)于x 的單值函數(shù)。電渦流位置傳感器便是通過這一性質(zhì)設(shè)計(jì)的。

圖11 電渦流效應(yīng)工作原理

在測(cè)量轉(zhuǎn)子位置時(shí)，只需在轉(zhuǎn)子上加裝一個(gè)齒輪狀金屬體，通過電渦流傳感器檢測(cè)金屬表面與傳感器的距離，即可測(cè)算出轉(zhuǎn)子位置或轉(zhuǎn)速［25］，如圖12 所示。

圖12 電渦流式傳感器位置測(cè)量方法圖

電渦流位置傳感器的激勵(lì)線圈等效電感、與金屬盤互感等參數(shù)會(huì)影響位置檢測(cè)性能。優(yōu)化設(shè)計(jì)的探頭形狀及金屬體齒寬、槽寬可有效提高電渦流位置傳感器的檢測(cè)性能［26-27］。

電渦流式位置傳感器適合在高溫等惡劣條件下運(yùn)行。如卡曼公司生產(chǎn)的高溫位移傳感器工作溫度范圍達(dá)到-195°C ～538°C，已廣泛應(yīng)用于核反應(yīng)堆、渦輪機(jī)、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)等場(chǎng)合。

1.5 旋轉(zhuǎn)變壓器

旋轉(zhuǎn)變壓器是一種輸出電壓隨轉(zhuǎn)子位置角變化而變化的位置傳感器，由于其結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，受干擾較小，響應(yīng)速度快，廣泛應(yīng)用于高溫高速運(yùn)行場(chǎng)合［28］。其缺點(diǎn)在于信號(hào)處理比較復(fù)雜，但隨著最近幾年解碼芯片的發(fā)展，該問題已逐步得到解決。

傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理如圖13 所示。在激磁繞組中通正弦電壓，隨著轉(zhuǎn)子位置的改變，激勵(lì)繞組與相互垂直的兩個(gè)信號(hào)繞組(正弦繞組及余弦繞組)的耦合程度發(fā)生改變，從而使信號(hào)繞組的感應(yīng)電勢(shì)隨轉(zhuǎn)子位置按正余弦規(guī)律變化［29］。

圖13 的旋轉(zhuǎn)變壓器激勵(lì)繞組通過滑環(huán)和電刷連至變壓器外部。這種旋轉(zhuǎn)變壓器檢測(cè)精度較高，但受制于電刷和滑環(huán)等結(jié)構(gòu)，運(yùn)行速度和壽命等均受限制，目前應(yīng)用較少。因此需要研發(fā)新結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)變壓器解決上述問題。

圖13 傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)變壓器原理圖

最先想到的是使用永磁材料取代外部的電激勵(lì)源。文獻(xiàn)［30］所述旋轉(zhuǎn)變壓器由永磁體轉(zhuǎn)子、定子鐵心和信號(hào)線圈組成，但這種結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)變壓器由于需使用永磁材料，故未得到很好的研究推廣。

美國(guó)和日本等國(guó)學(xué)者提出用耦合變壓器實(shí)現(xiàn)無刷化，其具體結(jié)構(gòu)如圖14 所示。激勵(lì)信號(hào)注入耦合變壓器的定子，其轉(zhuǎn)子與旋轉(zhuǎn)變壓器的轉(zhuǎn)子同軸相連，這樣就在旋轉(zhuǎn)變壓器的轉(zhuǎn)子上施加了正弦信號(hào)。這種旋轉(zhuǎn)變壓器省去了滑環(huán)和電刷結(jié)構(gòu)，安全性得以提高，但其體積增加、成本提高，結(jié)構(gòu)也更加復(fù)雜，不利于加工生產(chǎn)［31］。

圖14 帶耦合變壓器的旋轉(zhuǎn)變壓器結(jié)構(gòu)圖

磁阻式旋轉(zhuǎn)變壓器工作原理為通過一定的繞線方式以及轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，使氣隙磁導(dǎo)隨轉(zhuǎn)子位置變化而變化，從而使信號(hào)繞組的感應(yīng)電勢(shì)幅值隨之變化［32-34］。常見的磁阻式旋轉(zhuǎn)變壓器結(jié)構(gòu)如圖15 所示。其本質(zhì)上是一種累加式位置傳感器，位置檢測(cè)精度與轉(zhuǎn)子鐵心的小齒數(shù)有關(guān)，數(shù)據(jù)處理方法與傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)變壓器不同。

圖15 傳統(tǒng)變磁阻式旋轉(zhuǎn)變壓器

圖16(a)是單極式變磁阻旋轉(zhuǎn)變壓器。這種旋轉(zhuǎn)變壓器利用了轉(zhuǎn)子的凸極效應(yīng)，激勵(lì)繞組及信號(hào)繞組均繞制在定子齒上。當(dāng)線圈以特定的方式排列，且轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)成某些特定形狀時(shí)，氣隙磁導(dǎo)僅含有恒值及基波分量。在合理設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，激勵(lì)繞組的氣隙磁導(dǎo)不隨轉(zhuǎn)子位置變化而改變，而信號(hào)繞組的感應(yīng)電勢(shì)隨轉(zhuǎn)子位置正弦變化［35］。

圖16(b)是多極式變磁阻旋轉(zhuǎn)變壓器。其工作原理與單極式相同，都是利用轉(zhuǎn)子的凸極形狀改變氣隙磁導(dǎo)。所不同的就是轉(zhuǎn)子的極數(shù)有所增加，當(dāng)其應(yīng)用于多極電機(jī)時(shí)，只需將轉(zhuǎn)子極數(shù)與電機(jī)極數(shù)做到一致即可實(shí)時(shí)測(cè)得電角度。因此多極式變磁阻旋轉(zhuǎn)變壓器適合用于多極式電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)［36］。

圖16 兩種磁阻式旋轉(zhuǎn)變壓器結(jié)構(gòu)圖

由于旋轉(zhuǎn)變壓器對(duì)安裝精度的要求很高，近幾年出現(xiàn)了一種單極性等氣隙結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)變壓器，該旋轉(zhuǎn)變壓器本質(zhì)上仍為磁阻式旋轉(zhuǎn)變壓器，其結(jié)構(gòu)如圖17 所示。由圖中可見，激磁繞組及信號(hào)繞組均繞在定子上，其中激磁繞組水平嵌放在定子上、下齒之間，信號(hào)繞組套在定子的上、下齒上;轉(zhuǎn)子由導(dǎo)磁環(huán)及不導(dǎo)磁的保護(hù)套制成，其旋轉(zhuǎn)時(shí)即可改變激勵(lì)繞組與信號(hào)繞組的耦合程度。實(shí)驗(yàn)證明該結(jié)構(gòu)具有良好的抗機(jī)械偏心能力［36-37］。

圖17 單極性等氣隙旋轉(zhuǎn)變壓器結(jié)構(gòu)圖［37］

根據(jù)旋轉(zhuǎn)變壓器上的耦合關(guān)系，向激勵(lì)繞組通入高頻等幅交流電，相互垂直的兩個(gè)副邊，其中一個(gè)得到正弦包絡(luò)的振蕩波形，另一個(gè)得到余弦包絡(luò)的振蕩波形，波形如圖18 所示［38］。圖中由上至下分別為原邊電壓、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角、cosine 副邊電壓、sine 副邊電壓。

圖18 旋轉(zhuǎn)變壓器波形圖

根據(jù)圖18 的波形，有多種方法可以求解轉(zhuǎn)子位置。比如將兩個(gè)副邊電壓峰值信號(hào)提取后，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)化進(jìn)DSP，利用反正切函數(shù)等運(yùn)算得到轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角信息［39］。

文獻(xiàn)［40 -41］采用軟件解算旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)子位置。其本質(zhì)是電機(jī)控制、高頻信號(hào)發(fā)生、位置信號(hào)采樣用的是同一個(gè)DSP，使得三者的時(shí)間同步。為了簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)可用方波注入。該方法具有低成本、算法簡(jiǎn)便等特點(diǎn)。

總體來說，磁阻式旋轉(zhuǎn)變壓器是旋轉(zhuǎn)變壓器的發(fā)展趨勢(shì)。磁阻式變壓器只在定子上繞有繞組，解決了傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)變壓器繞線麻煩、磨損較大的問題，同時(shí)磁阻式旋轉(zhuǎn)變壓器結(jié)構(gòu)軸向長(zhǎng)度較小，節(jié)省了空間［42］。但磁阻式旋轉(zhuǎn)變壓器抑制諧波較麻煩，故該類旋轉(zhuǎn)變壓器設(shè)計(jì)較為復(fù)雜。

2 位置傳感器應(yīng)用分析

上文對(duì)常見的位置傳感器分別從原理、裝置結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行了闡述。在選用時(shí)需綜合考慮工程的各項(xiàng)要求，下文將分析比較傳感器的各項(xiàng)性能，為工程選用提供參考。

2.1 精度

檢測(cè)精度是衡量位置傳感器性能的重要指標(biāo)。高精度的位置信息是實(shí)現(xiàn)電機(jī)精確、高效控制的重要因素。不同電機(jī)對(duì)位置信號(hào)精度的需求亦不相同，例如對(duì)于同步電機(jī)，精確的實(shí)時(shí)位置信息必不可少;而對(duì)于開關(guān)磁阻、無刷直流等方波驅(qū)動(dòng)的電機(jī)，并不需要精確位置信號(hào)。故選用傳感器時(shí)需考慮電機(jī)的控制精度要求。

獲取精確的位置信號(hào)有兩種方法，一種是硬件上的細(xì)分，例如采用光柵制作的光電碼盤;另一種是采用模擬信號(hào)輸出，例如線性霍爾傳感器。前者在傳感器的材料、加工上要求更高，但解算出的位置信號(hào)誤差較小。后者輸出信號(hào)的處理更為復(fù)雜，在處理過程中累計(jì)誤差較多，可靠性不如前者。

綜合比較各類位置傳感器，光柵光電碼盤的檢測(cè)精度最為可靠。一方面由于光柵的制作工藝使得其對(duì)位置信號(hào)的細(xì)分更為密集;另一方面光電碼盤輸出數(shù)字信號(hào)，信號(hào)處理簡(jiǎn)單快速。因此光電碼盤廣泛應(yīng)用于交流電機(jī)控制等對(duì)轉(zhuǎn)子位置要求較高的場(chǎng)合。

2.2 體積

在航空航天等應(yīng)用場(chǎng)合，體積大小亦為傳感器選用的重要依據(jù)之一。體積需考慮三方面因素:位置傳感器本身體積、與傳感器配套的裝置體積(如同軸碼盤等)及檢測(cè)電路的體積。

光電式傳感器本身體積較小，檢測(cè)電路簡(jiǎn)單，但需要配套設(shè)計(jì)與電機(jī)轉(zhuǎn)子同軸的光電碼盤?？傮w來說光電式傳感器在體積方面有一定的優(yōu)勢(shì)?；魻柤按抛鑲鞲衅鞒Ｓ糜谟来呸D(zhuǎn)子電機(jī)，這可以省去同軸裝置。然而當(dāng)其應(yīng)用于非永磁轉(zhuǎn)子電機(jī)時(shí)，該優(yōu)勢(shì)不復(fù)存在。與光電式傳感器相同，霍爾及磁阻式傳感器檢測(cè)電路較為簡(jiǎn)單，可有效減少位置檢測(cè)裝置的體積。旋轉(zhuǎn)變壓器本身已包含同軸轉(zhuǎn)子，就現(xiàn)有的研究成果來看，各國(guó)學(xué)者已可將旋轉(zhuǎn)變壓器的體積降至足夠小。但旋轉(zhuǎn)變壓器的檢測(cè)電路較為復(fù)雜，需要信號(hào)發(fā)生、檢測(cè)比較等多部分電路，但解碼芯片的出現(xiàn)一定程度上減少了檢測(cè)電路的體積。電渦流式傳感器本身體積較大，且需配合專門設(shè)計(jì)的同軸金屬盤使用，難以壓縮其體積。

綜上所述，若只考慮傳感器本身，霍爾、磁阻式體積更小，優(yōu)勢(shì)更大。然而工程中選用時(shí)需綜合考慮檢測(cè)電路體積等因素，因此要根據(jù)電機(jī)類型、應(yīng)用場(chǎng)合選取總體體積最小的傳感器系統(tǒng)。

2.3 環(huán)境適應(yīng)性

在環(huán)境惡劣的電機(jī)應(yīng)用場(chǎng)合，傳感器檢測(cè)時(shí)的環(huán)境適應(yīng)性亦需多加考慮。由于檢測(cè)原理的差異，各位置傳感器適應(yīng)環(huán)境的能力亦不相同。在傳感器選用時(shí)需考慮溫度、濕度、粉塵等因素。

光電式傳感器檢測(cè)光信號(hào)，在粉塵較多的情況下光信號(hào)傳遞易受阻擋，導(dǎo)致檢測(cè)效果受干擾，無法反映轉(zhuǎn)子位置。霍爾式及磁阻式傳感器檢測(cè)磁場(chǎng)，因此在強(qiáng)磁場(chǎng)條件下表現(xiàn)往往難以滿足工程需求。與此同時(shí)，傳感器有時(shí)需工作在高溫環(huán)境中。較高的溫度一方面會(huì)影響傳感器中永磁體性能，另一方面霍爾、磁阻傳感器會(huì)有較大的溫漂現(xiàn)象。設(shè)計(jì)溫度補(bǔ)償電路可以解決該問題，但其可靠性會(huì)受到影響，檢測(cè)效果不如其它的位置傳感器。

不同于以上傳感器檢測(cè)外界的物理量(光、磁)，電渦流傳感器及旋轉(zhuǎn)變壓器檢測(cè)的信號(hào)均為主動(dòng)施加獲得，因此信號(hào)檢測(cè)受到環(huán)境影響較小。尤其在高溫、高輻射環(huán)境下，這兩種傳感器的檢測(cè)性能明顯優(yōu)于其他類型。在核電站、航空航天等環(huán)境惡劣、且不計(jì)成本的情況下，往往優(yōu)先考慮電渦流傳感器及旋轉(zhuǎn)變壓器。

2.4 成本

在大多數(shù)情況下，電機(jī)系統(tǒng)對(duì)于成本有一定的限制。位置傳感器作為電機(jī)控制系統(tǒng)的重要組成部分，其成本亦成為選用時(shí)重要的考量標(biāo)準(zhǔn)。在保證系統(tǒng)要求的情況下，選用合適的傳感器可有效降低系統(tǒng)成本，提高性價(jià)比。

一般來說，霍爾、磁阻這兩種傳感器制造工藝較為簡(jiǎn)單，成本較之其它類型傳感器有較大優(yōu)勢(shì)。光電式傳感器的成本需視碼盤的檢測(cè)精度而定，若精度要求較高，光柵制作工藝復(fù)雜，成本會(huì)有所提高。

電渦流式傳感器由于其工作原理復(fù)雜，造價(jià)較高，但由于其良好的環(huán)境適應(yīng)性，常用于航空航天等不太限制成本的場(chǎng)合。旋轉(zhuǎn)變壓器由于其信號(hào)處理較為復(fù)雜，解碼芯片價(jià)格較高，在成本中占了很大的比重。

傳感器的成本與其精度、性能有較大的聯(lián)系。同類型的傳感器精度越高、性能越強(qiáng)，成本勢(shì)必越高。因此難以簡(jiǎn)單評(píng)判各傳感器的成本優(yōu)勢(shì)孰高孰低。但在滿足工程需要的前提下，合理選用傳感器仍可有效降低成本，提高系統(tǒng)的性價(jià)比。

綜上所述，現(xiàn)將上文所述位置傳感器各項(xiàng)性能指標(biāo)列于表1。表中，★的個(gè)數(shù)多，代表精度高、體積小、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)及成本低。工程應(yīng)用中可根據(jù)具體應(yīng)用場(chǎng)合的要求對(duì)照此表進(jìn)行位置傳感器的選擇。

表1 各位置傳感器性能優(yōu)劣比較表

3 位置傳感器的發(fā)展趨勢(shì)

為進(jìn)一步提高電機(jī)的控制效果，使其能夠適應(yīng)各類工程需求，還有一些重要的方向值得傳感器研究機(jī)構(gòu)及生產(chǎn)廠商探索研究。

3.1 高精度的位置傳感器

在風(fēng)力、潮汐發(fā)電等多極電機(jī)應(yīng)用場(chǎng)合，每個(gè)電周期所對(duì)應(yīng)的機(jī)械角度較小，往往需要位置傳感器信號(hào)能夠檢測(cè)到更小的角度變化。且在姿態(tài)控制、電機(jī)伺服系統(tǒng)等場(chǎng)合，高精度的位置信號(hào)是精確控制電機(jī)的關(guān)鍵因素。因此，高精度是位置傳感器的重要發(fā)展方向之一，也是提高電機(jī)控制效果，拓展新能源等新興電機(jī)應(yīng)用場(chǎng)合的重要因素。

3.2 位置傳感器的故障處理能力

由于加工、老化、外界干擾等因素，位置傳感器是電機(jī)控制系統(tǒng)中較為容易發(fā)生故障的部分。然而在航空航天、醫(yī)療、化工制造等對(duì)可靠性要求較高的領(lǐng)域，即使出現(xiàn)傳感器故障，也要保證電機(jī)可靠運(yùn)行。為此，具有容錯(cuò)性能、故障處理能力強(qiáng)的位置傳感器系統(tǒng)能夠盡可能地減少故障所造成的損失，提高電機(jī)的可靠性，拓寬電機(jī)的應(yīng)用范圍。

3.3 專用位置傳感器信號(hào)處理芯片及電路

目前位置傳感器的輸出信號(hào)多通過DSP 等數(shù)字信號(hào)處理芯片解算位置及控制電機(jī)運(yùn)行。然而這些芯片多為串行執(zhí)行的，各片內(nèi)資源容易相互影響。尤其在電機(jī)高速運(yùn)行時(shí)，位置信號(hào)的解算在每個(gè)控制周期內(nèi)占據(jù)了較多的時(shí)間，不利于電機(jī)的復(fù)雜控制及新型算法的應(yīng)用。

專用位置傳感器信號(hào)處理芯片及電路獨(dú)立于電機(jī)控制系統(tǒng)，使位置解算與電機(jī)控制并行執(zhí)行，可較好地滿足復(fù)雜算法及高速情況下對(duì)于位置信號(hào)快速性及精確性的要求。因此，多功能、高可靠性的信號(hào)處理芯片及電路開發(fā)可有效提高電機(jī)的控制效率，拓寬電機(jī)的應(yīng)用場(chǎng)合。

3.4 間接位置傳感器

在潛艇推進(jìn)器、微小電機(jī)等應(yīng)用場(chǎng)合，位置傳感器的引入會(huì)帶來軸向長(zhǎng)度增加、體積重量增大等問題。這些情況下傳統(tǒng)的位置傳感器已無法滿足工程的需要。

近幾十年來，諸如探測(cè)線圈、高頻信號(hào)注入等間接位置檢測(cè)方法為電機(jī)的位置檢測(cè)提供了新的思路。這些方法雖然沒有采用傳統(tǒng)位置傳感器，但仍然使用了電壓、電流等傳感器，因此仍可認(rèn)為是傳感器系統(tǒng)。從現(xiàn)有文獻(xiàn)來看，還沒有形成一整套可以完全代替位置傳感器的間接位置檢測(cè)方法。因此研究間接位置傳感器技術(shù)對(duì)于拓展電機(jī)應(yīng)用、提高電機(jī)控制的靈活性有著至關(guān)重要的作用。

4 結(jié) 語

位置傳感器是電機(jī)控制系統(tǒng)的重要組成部分，選取價(jià)格合理、滿足應(yīng)用條件的轉(zhuǎn)子位置傳感器對(duì)電機(jī)性能及運(yùn)用起到了不可或缺的作用。本文從工作原理、結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行了闡述，調(diào)研了各類位置傳感器。與此同時(shí)，本文分析了某些應(yīng)用場(chǎng)合位置傳感器的性能表現(xiàn)，并根據(jù)電機(jī)的應(yīng)用需求提出了位置傳感器的發(fā)展方向，以期對(duì)電機(jī)位置傳感器選用及研究提供依據(jù)。

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