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标题: 选择关键无刷电机位置传感器（Position Sensor of BLAC Motor） [打印本页]

作者: 崩死菊花虫 时间: 2018-11-16 00:59
标题: 选择关键无刷电机位置传感器（Position Sensor of BLAC Motor）
常用位置传感器有霍尔式、旋变器及光电编码器。从功能上来讲，三者都能完成速度反馈的功能，但是编码器由于码盘防护等级不高，容易震坏，虽然有较高的分辨率，但是维修频率高，从而影响整台车质量可靠性；霍尔速度传感器价格便宜，但是分辨率低，使得控制精度收到限制，而且霍尔元件长时间受热后磁性会减弱，所以使用寿命不长；旋转变压器由于转子和钉子分离，无接触，而且采用无刷设计，所以又很高的防护等级，能耐高强度的震动，不怕水和有无，使用寿命可以长达数十年，另外采用专门的转换芯片解码，可以将旋变输出的模拟信号转换为数字信号，有和旋转编码器相当的解码精度。

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（1）霍尔位置传感器

在一块通电的半导体薄片上，加上和片子表面垂直的磁场B，在薄片的横向两侧会出现一个电压，这种现象就是霍尔效应。VH 称为霍尔电压，如图2.60所示。霍尔元件可用多种半导体材料制作，如 Ge、Si、InSb、GaAs、InAs、InAsP 以及多层半导体异质结构量子阱材料等等。
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位置传感器的基本功能是在电动机的每一个电周期内，产生出所要求的开关状态数。也就是说电动机传感器的永磁转子每转过一对磁极（N、S极）的转角，就要产生出于电机逻辑分配状态相对应的开关状态数，以完成电动机的一个换流全过程。如果转子充磁的极对数越多，则在360°机械角度内完成该换流全过程的次数也就越多。以一个相互间隔为60电角度的三个霍尔元件A、B、C所组成的霍尔位置传感器为例，图为霍尔元件输出波形组合图（b），输出状态如图（c）。
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霍尔元件数目的确定：开关型霍尔传感器是一个双值元件，一个双值元件仅有“0”和“1”两种状态，两个双值元件便有四个状态，而n个双值元件则可责成2n个状态。按照这样的规律，根据电动机的分配状态数确定所需霍尔元件的最少个数。例如两相导通三相六状态电机，在一个电周期内需要六个不同的状态，二个霍尔元件产生不了六个状态，因而所对应需要的霍尔元件数起码是三个。以上规律仅仅是从理论上考虑一个多位双值系统能构成的状态数，实际中还需要结合波形组合法，才能最终确定一个实际的位置传感器所需的霍尔元件个数。

（2）旋变器
磁阻式旋变与传统线绕式旋变原理区别较大。传统线绕式旋变的气隙均匀, 通过转子信号绕组与定子激磁绕组之间的相对位置变化来计算转子转角位置变化；而磁阻式旋变的信号绕组和激磁绕组均固定在旋变的定子上, 仅通过转子凸极效应产生具有正弦轨迹的气隙磁导变化, 由此在信号绕组感应出正、余弦信号。图2.62为磁阻式旋变示意图(图中绕组未显示出, 定子槽数Z=16, 转子凸极数p= 4)。定子槽内激磁(输入)绕组逐槽反向串接, 二相(输出)绕组信号相位相差/2。
当转子相对于定子转动时, 空间的气隙磁导发生变化; 每转过一个转子凸极, 气隙磁导变化一个周期; 转过一周时气隙磁导变化的周期数等于转子凸极数( p )。气隙磁导变化导致输入、输出绕组之间互感变化, 进而导致输出绕组感应的电势也随之发生变化。在电路设置上, 旋变一般采用频率为1～10 kH z的正弦交流电源作为激磁信号, 对旋变输出的二相转角位置调制信号进行处理, 得到以电量形式表达的位置信号。其输出电压形式与传统的正、余弦旋变相同。
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各个定子齿上的励磁绕组、正余弦输出绕组的绕向、匝数以及连接方式如表所示。
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表中：“+”表示绕组正向绕制，“-”表示绕组反向绕制，Usin、Ucos分别表示该定子齿上的输出绕组将与其它对应绕组连接组成正弦或余弦输出绕组。
根据以上励磁绕组和正余弦输出绕组的绕向、匝数以及连接方式，经过简单的推导，可以推断Resolver正余弦输出绕组上输出的反电势认和认分别为：
Us= Us2+Us4+Us6+Us8+Us10+Us12+Us14+Us16=-j8wNsNmImG1 sin(4θ)=Kssin(4θ)
Uc=Uc1+Uc3+Uc5+ Uc7+Uc9+ Uc11+ Uc13+ Uc15==-j8wNcNmImG1 cos(4θ)=Kccos(4θ)
其中，常系数Ks=-j8wNsNmImG1，Kc=-j8wNcNmImG1。
可以看出，Resolver正余弦输出绕组上输出的反电势Us、Uc与转子转角θ对应的电角度4θ成严格的正余弦函数关系，符合预期的表达式。
磁阻式旋转变压器与传统旋转变压器相比，结构较为简单，且由于没有电刷滑环的接触，其可靠性、抗冲击振动能力得以提高，使之能够适应恶劣的环境，寿命也有所增加。虽然磁阻式旋转变压器精度一般不如传统的旋变精度高，但对于大部分的应用场合来讲，其精度己经达到了应用要求，而且近年来高精度的磁阻式旋变也得到了长足的发展。
Resolver的具体特征如下：
1）很小的体积：是一种厚度很薄的内置式结构装置，所以它的体积和占据的安装空间都很小。
2）广泛的温度范围：能够在一55一+l55‘C温度范围内正常工作。
3）能够承受恶劣的工作环境：抗震动能力可达：196m/see(20G)，抗冲击能力可达：98om/see，(looG)，抗湿度能力可达:90%RH。
4）很高的转速：可达到30000rpm。
5）很高的可靠性：具有与一般的电机相类似的结构，但由于转子上没有嵌放绕组而具有很高的可靠性。
6）可以测量绝对转子位置和速度：和RZD电路结合，可将其输出的两路模拟信号转化为一个电周期内的绝对位置信号，同时也可以计算出转速。
7）低成本：与传统的Resdver相比，它的体积减小到了前者的1/10，所以成本低廉。
基于定转子之间的气隙磁导随转子转角按正弦变化的原则，可以通过磁场反问题的求解得到转子的优化形状。不同的转子极对数，对应不同的测量精度。极对数越多，精度越高。下图分别是2对极、3对极和4对极的转子形状图。
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