两极平行充磁转子全位置传感器的研究
范文寿，易萍虎，崔新艺
（西安交通大学电气工程学院，西安710049）
摘要：为了满足在低速高精度伺服控制系统中对转子位置高分辨率的要求，提出了一种利用线性霍尔元件作为位置信号传感器元件，对永磁体随转子旋转而产生旋转变化的磁场进行检测，对输出信号进行相关的处理从而获得转子连续位置的新方案。文章对两极平行充磁转子全位置传感器的关键部件永磁体及测量算法进行了研究：利用等效磁荷模型推导出圆柱形永磁体的磁感应强度的空间分布的近似解析表达式，并且利用三维有限元分析软件对推导的近似解析公式进行了验证，根据其轴向分量在某平面圆上的正弦分布规律，并针对两点测量在永磁体偏心时存在测量误差大的问题，提出了四点测量的算法，仿真及试验结果表明，采用此算法检测转子的位置具有很高的分辨率，完全可以满足低速高精度伺服控制系统对转子位置的要求。
关键词：转子位置检测；两极平行充磁；轴向分量；三维有限元分析；四点测量算法
中图分类号：tp274+5 文献标志码：a 文章编号：1001-6848(2,010)05-0089-04
0引 言
转子位置传感器在电机控制系统中具有十分重要的作用，尤其是在高精度伺服控制系统中。目前常用的转子位置传感器有****式、增量式光电编码器和旋转变压器等，然而它们都存在一定的不足之处，其中****式光电编码器是其价格较高，且安装较麻烦；增量式光电编码器是无法输出转子的****位置信息，其价格也较高；旗转变压器同光电编码器比较，价格略低，但是旋转变压器还常常需要解码芯片，这样成本就上升很多，另外在分辨率相同的情况下，其****角度精度是光电编码器的1/6以下。因此，研究以低成本的线性霍尔元件、永磁体等来检测转子位置并能够提供转子连续位置且安装方便的高分辨率传感器具有较高的实用价值[1-2]。
本文所研究的转子全位置传感器的设计思想就是利用线性霍尔元件作为位置信号传感器元件，对两极平行充磁永磁体随转子旋转而在轴向方向上产生旋转变化的磁场进行检测，然后对输出信号进行相关的处理后从而获得转子连续位置。首先，对传感器的关键部件两极平行充磁圆柱形永磁体的磁感应强度进行了近似解析式的推导并利用三维有限元分析软件对其进行了验证，并为接下来的磁场测量算法的提出及仿真提供了理论依据；最后针对当永磁体偏心时采用两点测量存在测量误差大的问题，提出了四点测量算法，并对传感器进行仿真试验，这为进一步设计和研究全位置磁传感器提供了试验依据。
1永磁体磁场的近似解析分析
根据maxweⅱ方程组中的高斯定律，可得由永磁体产生的空间任意点上磁标量 势为：
在v .m =o（均匀磁化）的条件下，根据斯托克斯公式可将式(1)写成：
其在柱坐标系下可表示为：
圆柱永磁体的磁化方向如图l所示：
式(4)在柱坐标系中表示为：
将其代人式(3)得：
将r-3泰勒展开并取其前两项可近似得：
只要对上式再进行两次积分，全部积出之后再在场点对φn。求梯度，也就是在r、θ、z个量上分别求一次偏导，再转换为直角坐标，就可得到磁场强度在x、y、z方向各分量。
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