霍尔传感器直线电机位置检测

1、电流检测部分本控制系统中永磁直线电机的两相电枢电流通过霍尔电流传感器得到，另外一相电流通过计算得到。电流传感器采用LE相司生产的LTSR -6-NP型电流传感器，该产品具有高精度，高线性度，高响应速度， 高频率带宽，高电流过载能力，低温漂，低接入损耗，以及对外部信 号的高抗干扰能力，非常适合在永磁电机伺服系统中使用。根据选择 不同的引脚接法，该产品可以提供三种不同的额定采样电流值，分别为2A、3倚日6A电流有效值，对应的最大采样电流值分别为6. 4A, 9. 6A和19. 2A。由于该传感器输出电压范围为0. 54. 5V,而TMS320LF240DSPA骊入信号只能在0卜+3. 3必间，所以

2、需要将传 感器的输出电压经过运放电路处理后，再输入 DSP勺ADO,具体电路 如图410所示.一种低成本的线性霍尔位置检测方法在永磁直线电机伺服控制系统中， 无论采用何种控制方式，都需 要准确检测出电机动子位置。可以说，位置检测部分是伺服控制系统 中非常关键的组成部分，直接影响着电机控制精度和系统运行性能。 目前，在直线运动控制系统中，最常见的位置检测方法是采用直线光 栅，但是光栅的成本很高，对安装要求也很高；也有增加额外机械结 构，将直线运动转变成旋转运动，然后用旋转编码器进行位置检测的 方法，显然该方法在成本和精度上都存在缺点； 还有采用无位置检测 的方法，但是目前所有无位置检测方法的在电

3、机低速段效果都不是很 理想，而直线电机恰恰需要频繁的起动和停止， 采用无位置检测方法 获得理想的效果难度较大，尚未有实用的解决方案提出。因此，本节 将介绍一种低成本的利用线性霍尔元件对永磁直线电机进行位置检 测的方法。§ 4. 6. 1线性霍尔位置检测方法的基本原理线性霍尔元件可以用来检测磁通密度，在一定磁场强度范围内， 其输出电压与被检磁场磁通密度成线性关系. 永磁直线同步电机气隙 磁场为正弦分布，因此很容易通过检测气隙磁场磁通密度的方法来确 定电机动子的位置。本节以空心式圆筒型永磁直线电机为例， 具体介 绍该方法。电机及霍尔元件的安装位置示意图如图 4-18所示.因为 电机只沿石

4、由方向做运动，所以只需要检测电机动子在 z轴上的位置。在第三章中，已经分析了该电机气隙磁密Br,沿石由基本成正弦分布, 在一对极范围内，也就是一个周期内，Br不是Z的单值函数，因此不能只用一个霍尔元件来唯一确定电机的位置，至少要使用两个霍尔元件来进行检测。在安装两个霍尔元件时应满足以下条件：(1) 两个霍尔元件r轴方向保持水平；(2) 两个霍尔元件石由方向间距为二分之一极距，即 r /2.L动子2.定子3.霍尔元件4,电枢绕组5机充6.永磁体7.导秘体图4-18圆筒型永磁直线电机结构图该方法的基本工作原理如图4-19所示.因为电机的空载气隙磁 密耳沿若由成正弦分布，那么，当电机动子运动经过一个

5、极距的距离 时，霍尔元件的输出电压也同样是正弦曲线.图 419中的正弦曲线 既是磁密耳的分布曲线，也可以理解为霍尔元件的输出电压曲线。 假 设某个时刻，电机A相绕组轴线与图4-19中原点位置重合，霍尔元件 a、b与用目绕组轴线的距离分别为Za和Zb,且Zb=Za+ T / 2。此时两个霍 尔元件的输出电压分别为U和U,由于两个霍尔元件在安装位置上相 差了90度的电角度，则U和Lb可以分别表示为， La=Lmsin 0 lLb=UrCO3 l0 l 霍尔元件a位置的电角度；U对应最大磁密时，霍尔元件的输出电压。® 4 - 19 工作原理示意图根据U、U可以方便地计算出霍尔元件a所在位置

6、对应的电角度 M,一般有“双霍尔算法”和“单霍尔算法”两种算法：(1)双霍尔算法所谓“双霍尔算法”就是利用两个霍尔元件的输出电压来计算电角度，霍尔元件a所在位置对应的电角度可以表示为，8 »arctan,&ub 主0» arctan + 180,<0(4-29)S , arctan + 360,w_ s 0 &uh / 0电(2)单霍尔算法所谓单霍尔算法是只利用一个霍尔元件的输出电压计算电角度, 霍尔元件a所在位置对应的电角度可以表示为，& ->aicsin四ES' arcsin+180,ft « arcsin+ 360

7、,Umua云()&，兰0<0七 w 0 &ub、0(4-30)“单霍尔算法”虽然在计算时只利用了一个霍尔元件的输出电压U但是由于反正弦函数，在一个周期范围内，其结果不是唯一确定的，必 须通过另外一个霍尔元件输出电压U的正负值来辅助判断，最终确定 电角度的唯一解。在得到霍尔元件a所在位置对应的电角度后，A相绕 组轴线位置对应的电角度就可以表示为，B-n 缶 + za *180/t（4-3】）这样，通过对霍尔元件输出电压进行简单地三角函数运算，就能方便地判断出电机动子位置电角度.在预先设定初始位置的情况下，也可 以将电角度位置转换成 吞由绝对位置。§ 4. 6. 2

8、线性霍尔检测方法准确性分析§ 4. 6. 2. 1空载状态准确性分析总体来说，这种线性霍尔位置检测法是通过检测电机气隙磁场来 检测电机位置，检测结果白然受到磁场的影响，通过对霍尔元件安装 位置区域气隙磁场进行有限元分析，可以具体分析该方法的准确性。 首先考虑空载状态下，该区域气隙磁密的分布情况，分别选择半径为 30ram, 31mm 32ram, 33mm绘制磁密且沿Z$由分布曲线，如图4 20 所示。U.(M<W30.020.01 t： 0.00-0,010.02-0.03z /mm® 4 - 20气隙磁密分布的线50从图4 20中可以看出，在不同位置上，虽然磁密幅

9、值不同，但是基本 都成正弦分布，只是在峰值位置附近有一点畸变，所以，理论 L霍尔 元件安装在这几个位置都是可行的，以霍尔元件安装在r=30mmt为倒，根据“双霍尔算法”和“单霍尔算法”，分别计算得到霍尔元件 a的电角度位置0.的计算结果，如图4 2I所示。图4-21 位置电角度计算结果从图4- 21中可以看出，“双霍尔算法”的计算结果与实际位置 电角度的真实值基本重合，误差很小.“单霍尔算法”的计算结果在 0 1=90°和0 1=270附近时，计算结果与真实值之间有较大误差，这是因为该算法的计算结果完全决定于霍尔元件 a检测的气隙磁密大 小，而气隙磁密分布在峰值附近，也就是 0 1=

10、90和0 1=270°位置 附近存在畸变，所以该算法计算结果在这些区域也存在较大误差。“双 霍尔算法”的计算结果取决于两个霍尔元件检测的气隙磁密大小，有 效地减小了计算误差。表41列出了部分位置，两种算法的计算值和 真实值。表47舞眦下曜电角度计算傥与真实值位置/mm!电角度/。双霍律法魅尔算法计算值屣误差0284.1228410-0,02286132.011 531941319.11也30318.70-0.271035471F 354,70-0.01354.67-0.041 1530,0030.070.0729.80近202065.2965,66037M.82Q4725100591

11、0L410,82106.285.6930|135.88134.76112135.64.02635171.18171.03-01517L04-0444020647206150.28206540.07452417624L9304724L53-0.2450277.06276,844),22256.24,20.82 j图4-22绘制出“双霍尔算法”计算误差随位置变化的曲线，从图中可以看出，该算法的计算误差很小，最大的绝对误差只有一个周期内的平均误差只有0.31。，基本可以满足位置检测的精度要求。图423绘制出“单霍尔算法”计算误差随位置变化的曲线，该算法的计算误差很大，最大的绝对误差超过了 30,不适

12、合实际应用图4-22双霍尔算法”计算误差图4 - 23 “单霍尔算法*计算误差§ 4. 6. 2. 2额定状态准确性分析在分析了空载状态下，线性霍尔元件位置检测方法的准确性后， 再来分析在额定负载情况下，电枢反应对检测结果的影响.考虑到“单 霍尔算法”计算误差较大，所以下面的分析都采用“双霍尔算法”。 负载状态下，电枢反应影响了磁场分布，r=z 30mm处，空载和额定负载情况下气隙磁密耳分布曲线对比情况如图 4-24所示.图4-24 中，在z=076mrg域内存在电枢绕组，在此区域中电枢反应对气隙 磁密分布的影响非常明显，而在此区域之外，电枢反应影响就非常有 限了.ffl 4-24

13、空载、负载情况下发隙城密分布曲短对比如果考虑将霍尔元件安装在特殊的位置， 使霍尔元件a与电机A相绕组 间距为极距f的整数倍，即« -1,2,3-这种情况下， 霍尔元件a的输出电压将与A相绕组反电势保持同相位，霍尔元件a位 置的电角度即是 用目绕组的电角度。当时，“双霍尔算法”计算得到霍尔元件a位置电角度与真实值如图4-25所示。图4-25 额定负载下位置电角度计算值与真实值对比 从图4 25中看出，在额定负载情况下，利用霍尔检测得到的电角度 值与真实值之间误差同样很小，表42列出了部分位置，霍尔检测方 法计算值和真实值。额定负载情况下，电角度计算结果误差曲线如图 4-26所示，最大绝

14、对误差为 2.9炒,，比空载情况下的最大绝对误差 大，一个极距范围内的平均误差为 0-57* o表4-2额定负载情况下位置电角度计算值与真实值位置电角度1 真实值I 计算值误差 0564756,360J1 59L7692.17040|10127.06127,780.72|15162.35163.911.5620197.65198.270.6225232.94232.46-0.4830268.24268.230,0135303.53303.8603340_ 338.82338.510314514,1214460.3450494147.77-1.64B 4-26薮定负载时电角度计算误差§

15、 4. 6. 3线性霍尔元件位置检测硬件电路在硬件电路中，采用ALLEGRO司生产的UGN3503线性霍尔元 件，该产品可以精确跟踪磁场的细微变化， 具有高敏感度，输出电压高 线性度，低噪声，低温漂，以及体积小，磁优化封装等特点.该霍尔 元件能够检测-900900Gm围磁通密度的磁场，静态（0G磁通密度下） 输出电压为2. 5V,灵敏度为1. 3mG.线性霍尔元件的工作电路也 非常简单，只需要对线性霍尔元件的输出电压经过放大电路和差分电 路的处理，最后输出士 sin（霍尔元件a输出电压）和士 cos（霍尔元件b 输出电压）四路信号，工作电路图如图4-28所示.在实际硬件电路中， 放大器选用1r

16、I公司生产的TLE202岱片，该芯片内部集成了四个独立 的放大器；差分电路选用Linear公司生产的LTCl992芯片，位置检测 的硬件电路如图428所不'.图4-27绶性霍尔元件工作电寤困困4-28埃性霍尔元件位置检测硬件电路图§4. 6. 4线性霍尔位置检测方法实验线性霍尔位置检测器硬件实物如图4- 29所示国4 29 我姓左尔元件4立宣检承I硬件实物图位置检测器输出的sin、cos两路信号如图430所示.，根据sin , cos 采样信号计算出的电机位置电角度和实际电角度如图 4 31所示，该方 法检测得到电机位置的电角度与实际电角度基本一致。 检测误差如图 4-32所

17、示，实测到最大误差为4.65口。一对极范围内平均误差为均比理论分析所得到的误差要大，这主要是因为检测墨中霍尔元件的实际安装位置无法达到理想的安装条件，sin、cos信号的幅值无法达到绝对一致所导致的。表4-3列出一对极范围内，检测器检 测得到的位置和电角度与实际位置、电角度值.800-j吏600400 4200O-200 -；-400 -600 >-800 Xsin2,2.0图 4-30 彳立宣检测器输出sii). cos信 号350-300100-150O50® 4-31 电机位置计算电角度与实际电鬲度比较图60表4-3位置检测值与实际值比较实际值检测值检测误差位置/mm电角

18、度PSIN /mVCOS/mV位置/mm电角度尸位 W/mm电角度尸0126.00-357.6491.40.01126.040.010.042140.12-453.9401.61.77138.50-0.23-1.624154.24521.5289.7353150.95-0.473.296168.35-560.5153.35.48164.700.52-3.658182.47565.114.77.44178.51-0.563.9610196.59-535.8127.79.55193.41-0.45-3.1812210.71-473.9-262.511.76208.98-0.24-1.7214224.82-385.7374.013.90224.12-0.10-0.7116238.94272.0466.116.11239.730.110.7918253.06-141.8-529.518.28255.010.281.9520267.188.0-560.820.28269.180.282.0122281.29140.8560.422.40284.100.402.8124295.41262.9523.524.18296.670.181.2526309.53364.2-468.625.