无刷直流电动机转速控制用磁变阻传感器
夏 云 (重庆微电机厂 630043)
1引言
随着高精度、高稳定的电机转速控制系统的发展，作为系统速度反馈元件的检测元件也在不断更新。在电机转速控制系统中，转速反馈的脉冲数愈多，系统F/V变换器的分辨率也愈高，电机转速的控制精度也越高。目前，检测电机转速的检测元件有三种，一种是常用的频率发生器(FG)，但由于制造其矩形波绕组，间距太小，受到限制，它提供的正比于电机转速的反馈信号频率也会有一定限制。另一种是光电编码器，它检测的输出量是数字量，并能提供较多的脉冲数，因而分辨率高，但由于结构复杂，光码盘制造精度高，且对使用环境条件的要求及长期运行时的维护，都使它的应用受到了限制。第三种是磁变阻传感器，简称MR传感器。MR传感器采用了磁变阻元件，简称MR元件，这种元件的电阻值随磁场的变化而变化，故称磁变阻MR元件。它的****特点是结构简单，制造方便，适于小型轻量化，不受环境条件的影响，耐振耐冲击，工作可靠，无需维修，寿命长，价格低廉。MR传感器的输出波形与磁场波形相同．且其频率为磁场波形的2倍，即频率倍增，同时，其结构与电机易于结合，有利于简化电机结构，减小电机昀体积。本文介绍MR传感器的特点、结构及其基本工作原理。
2 MR传感器的结构和基本原理
图1表示MR传感器由磁转子和MR元件两个主要部分组成。
磁转子是由永磁材料制成的扁平圆环体。在圆环体的外表面有NS多对极，极对数一般在120对以上。
永磁圆环体多采用塑磁注射成形，并成形在电工钢板制成的转子架上，成形方便，造价低廉。
2.2 MR元件
根据使用材质的不同分为两种形式．一种是由锑化铟(lnSb)或砷化镓(GaAs)等半导体材料制成．称为半导体MR元件。另一种是由镍铁(NiFe)或镍钴(NiCo)系等强磁性材料制成，称为强磁性MR元件。前者磁敏度低，后者磁敏度高，其中尤以NiFe系强磁性MR元件的磁敏度****，可在场强4kA/m以下场合使用，应用****泛。
2.3基本原理
图2为MR元件的磁场与磁化示意图。MR元件的磁分子电流在外磁场H下磁化方向当MR元件中流过电流i与磁化的方向夹角为咿，则MR元件的电阻值由下式表示：
很明显，当饱和磁化方向与电流方向平行时，θ=0度，电阻****。当饱和磁化方向与电流方向垂直时，θ=90度，电阻最小。
有
由式(3)作曲线，得图3，即MR元件中电阻变化率随磁场变化的关系曲线。该曲线是近似一条倒过未的正态分布曲线。无论磁场增加或减少，其电阻变化率随磁场变化是一致的。图3所示是NiFe系MR元件的电阻变化率随磁场变化的曲线，其变化率****为百分之3。
2.4输出特性
图4所示为MR元件在频率为ω∞、的正弦波磁场作用下而得到的输出特性。由图可知，其输出也为正弦波信号，且其频率倍增，即2ω。
由于电阻变化率随磁场变化曲线并马}线性，因此即使在正弦波输入磁场作用下，其输出实际上并非正弦波，而含有高次谐波。
2.5 MR元件的等值电路
通常MR元件由两个MR元素反接串联组成三端子线路（参见图5a、b）。这种结构称为单组三端子接线。这时有：
由于MR元素的电阻温度系数大，所以一般不采用单组三端子接线，而采用并联H式两组三端子接线（参见图6），对角线输出，以实现温度补偿。
同样，可有：
式中比例系数K未列入。
从图1可见，MR传感器的输出尚须经运算放大器输出，故其通常输出是：
在实际输出曲线中，由于含有高次谐波，所以在MR元素分布结构设计中，应尽可能消除高次谐波的影响。
由式(7)可知，为消除输出中偶次谐波的影响，应使α=π，则有：
为消除输出中奇次尤其是3次谐波的影响，应使α1=2/3π有：
这就确定了通常并联两组MR元素的相对位置。考虑到三角函数的周期性，结合MR传感器总体设计要求和制造方便，α和α1值可在下列范围内任取：
3 MR传感器在无刷直流电机转速控制系统中的应用
无刷直流电机的转子是永磁转子，将MR传感器的磁转子与其永磁转子组合成一体，而不需专门的磁转子，即简化了MR传感器的结构，又缩小了系统的体积。传感器的MR元件就放在靠近永磁转子圆周表面附近，保持一定间隙，并安装在印制板上。
磁转子采用径向异性塑磁注射成形，安装在永磁转子架上。这种塑磁材料的特点是，高磁能积、高耐热稳定性和径向方向上的磁均匀性，可以在径向充任意多对极，如录相机用主导轴无刷直流电机，其磁转子外表面径向极对数多至180、360对。
这种传感器中采用的MR元件，其结构就是并联H式两组三端子接线（见图6)它的各个MR元素对其磁转子的相互排列位置如图7所示。
按图7排列位置，其输出由式(7)得到：
可见，随着永磁转子的旋转，其运算放大器的输出端可获得一正比于电机转速的频率反馈信号，为电机转速控制系统提供了转速反馈信号。
4结语
MR传感器可作为一种速度传感器使用．又由于它具有其它速度传感器无可比拟的优点，且性能价格比****，因此它越来越受到人们的广泛重视。
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