霍尔传感器直线电机位置检测

1、电流检测局部本限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心司生产的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,高电流过载水平,低温漂,低接入损耗,以及对外部信 号的高抗干扰水平,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府口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. 21A由于该传感器输出电压范围为0. 54. 5V,而 TMS320LF240DSPA流入信号只能在0J +3. 3月

2、间,所以需要将传 感器的输出电压经过运放电路处理后,再输入 dsPUtn,具体电路 如图410所不'.8J4-10电貌检寓局部电跳圉一种低本钱的线性霍尔位置检测方法在永磁直线电机伺服限制系统中, 无论采用何种限制方式,都需 要准确检测出电机动子位置.可以说,位置检测局部是伺服限制系统 中非常关键的组成局部,直接影响着电机限制精度和系统运行性能. 目前,在直线运动限制系统中,最常见的位置检测方法是采用直线光 栅,但是光栅的本钱很高,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,显然该方法在本钱和精度上都存在缺点； 还有采用无位置

3、检测 的方法,但是目前所有无位置检测方法的在电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 将介绍一种低本钱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根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

4、置示意图如图 418所示.由于 电机只沿有由方向做运动,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,沿落由根本成正弦分布, 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)两个霍尔元件落由方向间距为二分之一极距,即 r /2.L动子2.定子3居尔元件4.电枢绕组5.机光6.永磁体7.导越体图4-18圆筒型永磁直线电机结构图该方法的根本工作原理如图4-19所示.由于电机的空载气隙磁 密耳沿有

5、由成正弦分布,那么,当电机动子运动经过一个极距的距离 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Af绕组轴线的距离分别为za和z%且Zb=Za+p/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,那么U和Lb可以分别表示为,La=UrSin 0 lLb=UCOS l0 l 霍尔元件a位置的电角度；困4 一19 工作原理示意图根据U、U可以方便地计算出霍尔元件a所在位置对应的电角度01,

6、 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,外 =arctan,&ub、0(4-29)咻» arctan + 180,<0用 arctan + 360,w_ s 0 &uh / 0%(2)单霍尔算法ua 0&ub >0叱<0q与0 &ub之0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,M -aicsinE用 f arcsin + 180,ft « arc

7、sin - + 360, U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,久=为 + 4 180/t(4-31 )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 咨由绝对位置.§4. 6. 2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

8、机气隙磁场来检测电机位置,检测结果自然受到磁场的影响,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绘制磁密且沿有由分布曲线,如图4 20 所示.® 4 - 20气隙磁密分布曲线从图4 20中可以看出,在不同位置上,虽然磁密幅值不同,但是根本都成正弦分布,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=30mnfc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

9、结果,如图4 2I所示.图4-21 位置电角度计算结果从图421中可以看出,“双霍尔算法的计算结果与实际位置 电角度的真实值根本重合,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, 这是由于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=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列出了局部位置,两种算法的计算值和 真实值.表47型髓况下位置电角度计算

10、值与真实值位置/mm!电角度/s真疑双霍尔算法单霍尔算法计算值误差计算值误差0284.1228410-0.02286.132.011 531941319.11318.70-0.271035471F 354.70-0.01354.670.04!1530.0030.070.0729.800202065.2965.66037阱82Q47251005910L410.82106.285.6930)135.88134.764.12135.64Q2635171.18171.03-01517L04-0444020647206.750.28206340.07452417624L9304724L532450277

11、.06276.844).22256.24,20.82图422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15尸,一个周期内的平均误差只有 631.,根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 38,不适合实际应用图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,电枢反响对检测结果的影

12、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,电枢反响影响了磁场分布,r=z 30mm处,空载和额定负载情况下气隙磁密耳分布曲线比照情况如图 424所示.图4-24 中,在z=076mrg域内存在电枢绕组,在此区域中电枢反响对气隙 磁密分布的影响非常明显,而在此区域之外,电枢反响影响就非常有 限了.ffl 4-24 空载.负载情况下气障破雷分布曲嫔比照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,即胃口 一 S " - L2J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

13、的电角度即是 阂目绕组的电角度.当之"一百时,"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425所示.图4-25 额定负载下位置电角度计算值与真实值比照从图425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列出了局部位置,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 426所示,最大绝对误差为 2.91.,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_电角度真实值I 计算值误差 0564756,360J1 591.76

14、92470.40|10127.06127,780.72|15162.35161911.5620197.65198.270.6225232.94232.46-0.4830268.2426s2340135303.53303.8603340_ 338.82338.510314514,1214460.3450494147.77-1.642T图4-26额定负载时电角度计算误差§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

15、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. 3m夕G.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428所示.在实际硬件电路中, 放大器选用1rI公司生产的TLE2024K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所示.图4-27线性霍尔元件工作电路图由4-28找性霍尔元件位置检测硬件电路图&#

16、167;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根本一致.检测误差如图432所示,实测到最大误差为4.65.一对极范围内平均误差为 21,均比理论分析所得到的误差要大,这主要是由于检测墨中霍尔元件的实际安装位置无法到达理想的安装条件,sin、cos信号的幅值无法到达绝对一致所导致的.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.800-600

17、 -son 4600400200 -2.0sin七o片-2 00 - 1-400 -；图4-39 位置检测器输出信号350 J3001OO50O50在际加或 二二冷恻印度I型 200-篇15060由4 3N 独个仍史谀注表4-3位置检测值与实际值比拟实际值检测值检测误差位置/mm电角度PSIN /mVCOS/mV位 Jf/mm电角度位 iff/mm电角度0126.00-357.6491.40.01126.040.010.042140.12-453.9401.61.77138.50-0.23-1.624154.24-521.5289.73.53150.95-0.473.296168.35-560

18、.5153.35.48164.700.52-3.658182.47565.114.77.44178.51-0.56-3.9610196.59-535.8127.79.55193.41-0.45-3.1812210.71-473.9-262.511.76208.98-0.24-1.7214224.82-385.7374.13.90224.12-0.10-0.7116238.94-272.0-466.116.11239.730.110.7918253.06-141.8-529.518.28255.010.281.9520267.18-8.0-560.820.28269.180.282.0122281.29140.8560.422.40284.100.402.8124295.41262.9-523.524.18296.670.181.2526309.53364.2-468.625.76307.850.24-