一種應(yīng)用于直流無(wú)刷電機(jī)的新型電感式位置傳感器

楊瑩

（ 賽卓電子科技(上海)有限公司，上海 200233 ）

一種應(yīng)用于直流無(wú)刷電機(jī)的新型電感式位置傳感器

楊瑩

（ 賽卓電子科技(上海)有限公司，上海 200233 ）

提出了一種應(yīng)用于直流無(wú)刷電機(jī)的新型電感式位置傳感器,包括定子模塊和轉(zhuǎn)子模塊兩部分。方案兼容現(xiàn)有霍爾式位置傳感器，解決了霍爾式位置傳感器存在的一些缺點(diǎn)，從成本角度看，也具有一定優(yōu)勢(shì)。

無(wú)刷電機(jī)；電感式；位置傳感器；定子；轉(zhuǎn)子

0 引言

直流無(wú)刷電機(jī)既具有交流電動(dòng)機(jī)的機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單和運(yùn)行可靠等優(yōu)點(diǎn)，又具備直流電動(dòng)機(jī)運(yùn)行效率高、無(wú)勵(lì)磁損耗以及調(diào)速性能好等優(yōu)點(diǎn)，在當(dāng)今國(guó)民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域應(yīng)用日益普及。隨著直流無(wú)刷電機(jī)在工業(yè)、交通工具、家用電器、航天設(shè)備及醫(yī)療等行業(yè)的不斷應(yīng)用及推廣，在選擇直流無(wú)刷電機(jī)時(shí)對(duì)其壽命、體積、成本及惡劣環(huán)境下的表現(xiàn)有了更加苛刻的要求。作為檢測(cè)及反饋電機(jī)位置的傳感器，在電機(jī)控制中起到舉足輕重的作用。

1 原理

直流無(wú)刷電機(jī)系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 直流無(wú)刷電機(jī)系統(tǒng)示意

由圖1可見(jiàn)，典型的三相直流無(wú)刷電機(jī)系統(tǒng)由控制器和電機(jī)兩部分組成，電機(jī)包括定子鐵芯繞組、轉(zhuǎn)子永磁鐵和位置傳感器三個(gè)部分。定子繞組一般為三相，轉(zhuǎn)子由永磁體按一定極對(duì)數(shù)組成?？刂破饔晒β孰娮悠骷图呻娐返葮?gòu)成,其功能是:接收電機(jī)的啟動(dòng)、停止和制動(dòng)信號(hào)以控制實(shí)施；接收位置傳感器信號(hào)和正反轉(zhuǎn)信號(hào)，控制逆變橋各功率管的通斷，產(chǎn)生連續(xù)轉(zhuǎn)矩；接收速度指令和速度反饋信號(hào)，控制和調(diào)整轉(zhuǎn)速；提供保護(hù)和顯示等。

位置傳感器是一種無(wú)機(jī)械接觸的檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置的裝置，由定子和轉(zhuǎn)子組成，分別裝在電機(jī)定子機(jī)殼和電機(jī)主轉(zhuǎn)子軸上。它監(jiān)測(cè)主轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相對(duì)于定子繞組的位置，并在確定的相對(duì)位置上發(fā)出信號(hào)給控制器，以控制功率電子元件，使定子繞組中的電流按一定順序切換，帶動(dòng)電機(jī)順序轉(zhuǎn)動(dòng)。由于位置傳感器可以實(shí)時(shí)感知主轉(zhuǎn)子位置，所以不論主轉(zhuǎn)子的起始位置在何處，電機(jī)在啟動(dòng)的瞬間即可產(chǎn)生足夠大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，因此主轉(zhuǎn)子上不需要另設(shè)啟動(dòng)繞組。

2 特性

霍爾式位置傳感器是較為常用的一種直流無(wú)刷電機(jī)位置傳感器，其傳感器定子為按一定規(guī)則配置的霍爾元件或霍爾集成電路，傳感器的轉(zhuǎn)子為電機(jī)主轉(zhuǎn)子上的永磁體。霍爾位置傳感器具有非接觸式檢測(cè)，壽命長(zhǎng)；磁場(chǎng)檢測(cè)，可在油污灰塵等惡劣條件下正常工作；價(jià)格低廉，適合批量應(yīng)用等優(yōu)點(diǎn)。

霍爾位置傳感器在實(shí)際使用同樣存在一些問(wèn)題，以下結(jié)合霍爾位置傳感器的兩種安裝方式分別描述。

2.1 霍爾嵌入定子式安裝

圖2 霍爾嵌入定子式安裝

如圖2所示，在此種安裝方式中，三個(gè)霍爾電路嵌入電機(jī)主定子作位置傳感器定子，傳感器轉(zhuǎn)子為電機(jī)主轉(zhuǎn)子上的永磁體。

此安裝方式工藝較為復(fù)雜，相對(duì)而言其缺點(diǎn)表現(xiàn)在：

1）人工成本高生產(chǎn)效率低

安裝時(shí)需采用人工方式將霍爾插入電機(jī)內(nèi)，并用膠水固定；連接三個(gè)霍爾的電路板也需要被固定在電機(jī)主定子上，防止和永磁體相擦。

2）霍爾易損壞維修成本高

隨著電機(jī)功率的增加，電機(jī)主轉(zhuǎn)子與電機(jī)繞組形成的反電動(dòng)勢(shì)越來(lái)越大；電機(jī)定子上的霍爾槽易形成渦流，產(chǎn)生電壓毛刺；電機(jī)高速工作中易與永磁體相擦,擠壓霍爾電路，最終導(dǎo)致霍爾損壞。更換霍爾需將電機(jī)定子和主轉(zhuǎn)子拉開(kāi)，去除原先膠水固定的霍爾較為繁瑣，其人工成本遠(yuǎn)大于三個(gè)霍爾傳感器的材料成本。

3） 傳感器復(fù)用率低

電機(jī)定子的尺寸和電機(jī)極對(duì)數(shù)式樣較多，導(dǎo)致連接三個(gè)霍爾的電路板尺寸也各不相同，相互之間不能復(fù)用，增加設(shè)計(jì)和使用成本。

4）體積略大不適應(yīng)特種小型無(wú)刷電機(jī)

嵌入式安裝的霍爾采用直插封裝，體積較大，結(jié)合電機(jī)內(nèi)的安裝位置要求，霍爾傳感器在特種小電機(jī)上的應(yīng)用較為困難。

2.2 霍爾外置式安裝

為了避免或克服嵌入式安裝的某些缺點(diǎn)，一些無(wú)刷電機(jī)特別是大功率電機(jī)采用霍爾外置式安裝。此種安裝方式中，三個(gè)霍爾傳感器按一定規(guī)則放置于一塊PCB板上,作為電機(jī)位置傳感器的定子固定在電機(jī)定子上，傳感器的轉(zhuǎn)子為固定在電機(jī)主轉(zhuǎn)子上的磁環(huán)。不同于嵌入式安裝，此時(shí)的位置傳感器定子和轉(zhuǎn)子都在電機(jī)繞組與永磁體之外，故稱之為外置式安裝法。該安裝方式優(yōu)點(diǎn)是：霍爾傳感器受到的電磁干擾小，霍爾損壞概率得以減小，并且得到的霍爾電壓信號(hào)干擾小、雜波少，較易被控制器處理；霍爾一般采用貼片封裝形式，無(wú)需人工焊接，降低一部分人工成本。但是，此種安裝方式也存在一些不可避免的問(wèn)題，表現(xiàn)在：

1）需增加磁環(huán)作為傳感器轉(zhuǎn)子

將磁環(huán)固定到電機(jī)主轉(zhuǎn)子上，需要復(fù)雜的工藝，且在電機(jī)磁極較多時(shí)，磁環(huán)的制作難度較大，磁環(huán)的磁場(chǎng)一致性要求高。在電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)中，磁環(huán)易震碎或震裂，一旦磁環(huán)震裂或震碎，則整個(gè)電機(jī)將無(wú)法正常工作。

2） 對(duì)霍爾的磁場(chǎng)參數(shù)一致性要求高

與電機(jī)主轉(zhuǎn)子永磁體相比，磁環(huán)本身的磁場(chǎng)較弱，霍爾感應(yīng)到的磁場(chǎng)大小一般比永磁體磁場(chǎng)小兩個(gè)數(shù)量級(jí)；霍爾傳感器磁場(chǎng)參數(shù)本身具有一定的離散性，這兩個(gè)因素結(jié)合，較易造成位置傳感器的位置信號(hào)精度下降，致使整個(gè)電機(jī)的扭矩和效率下降。

3）成本增加

磁環(huán)本身即是增加的成本內(nèi)容，高精度霍爾傳感器也需要較高的成本，與嵌入式安裝相比，雖然減少了一部分人工，但整個(gè)外置式安裝成本依然比嵌入式安裝方式高。

3 設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的新型電感式位置傳感器同樣由傳感器定子和傳感器轉(zhuǎn)子兩部分組成。典型的定子模塊為一個(gè)印刷電路板，固定于直流無(wú)刷電機(jī)的定子上。在印刷電路板上繞有一組激勵(lì)線圈和兩組或以上且有一定相位差的接收線圈；典型的轉(zhuǎn)子模塊為一個(gè)特定幾何圖形的金屬片，與電機(jī)的轉(zhuǎn)子相連，其系統(tǒng)示意見(jiàn)圖3。主要由傳感器轉(zhuǎn)子；傳感器定子板組成，傳感器定子板材料為PCB板,包含三個(gè)部分: 激勵(lì)線圈和接收線圈、處理芯片（解碼電路）和外圍電路（電容和電阻）。

圖3 電感式位置傳感器

當(dāng)電機(jī)控制器給位置傳感器通電后，處理電路配合激勵(lì)線圈產(chǎn)生高頻周期性交流電壓和電流，流過(guò)激勵(lì)線圈的交變電流將在定子模塊區(qū)域內(nèi)形成交變電磁場(chǎng)。

根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律可知，通過(guò)閉合線圈的磁通量發(fā)生變化，可在閉合線圈上產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。當(dāng)激勵(lì)線圈上產(chǎn)生的交變電磁場(chǎng)穿過(guò)閉合接收線圈時(shí)，通過(guò)閉合接收線圈的磁通量發(fā)生交變，在每個(gè)扇形線圈上產(chǎn)生頻率相同的交變感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。

轉(zhuǎn)子模塊用于影響激勵(lì)線圈和接收線圈之間的耦合關(guān)系，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)轉(zhuǎn)子模塊一起旋轉(zhuǎn)，激勵(lì)線圈的交變電磁場(chǎng)使得轉(zhuǎn)子模塊產(chǎn)生渦流場(chǎng)，從而削弱激勵(lì)線圈的電磁場(chǎng)。不均勻的電磁場(chǎng)將導(dǎo)致接收線圈上的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)發(fā)生變化。當(dāng)轉(zhuǎn)子模塊與定子模塊發(fā)生相對(duì)變化時(shí)，在接收線圈上得到1個(gè)或多個(gè)周期性變化的電壓信號(hào)曲線，通過(guò)處理電路計(jì)算后得到電機(jī)所需編碼信號(hào)。

以下通過(guò)一個(gè)四對(duì)極120°三相直流無(wú)刷電機(jī)的位置傳感器案例證明本文所述傳感器實(shí)現(xiàn)方式。

3.1 傳感器定子板結(jié)構(gòu)實(shí)例

圖4 定子板結(jié)構(gòu)實(shí)例

圖4是一個(gè)應(yīng)用于四對(duì)極120°直流無(wú)刷電機(jī)的電感式傳感器定子示意圖，其中四組線圈，22為激勵(lì)線圈，23、24、25為三組接收線圈，其按120°的相位排列。傳感器定子板上有一個(gè)處理芯片和三個(gè)電容與激勵(lì)線圈和接收線圈相連，給激勵(lì)線圈提供激勵(lì)，處理接收三相接收線圈的輸入信號(hào)，并計(jì)算輸出傳感器轉(zhuǎn)子的位置信號(hào)。

3.2 傳感器轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)實(shí)例

圖5 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)實(shí)例

該實(shí)例的傳感器轉(zhuǎn)子為具有4個(gè)葉片的金屬片，中間空洞，便于與電機(jī)主轉(zhuǎn)軸聯(lián)結(jié)。

新型電感式位置傳感器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與現(xiàn)有霍爾式位置傳感器方案相比，改變?nèi)缦拢?/p>

原有的霍爾PCB板，替換為新的電感PCB板，安裝方式不變，PCB板上的三個(gè)霍爾傳感器改為一枚處理電路芯片；原有的霍爾傳感器磁環(huán)轉(zhuǎn)子替換為一個(gè)特定形狀的金屬片，成本降低，安裝方便，更重要的是，不再擔(dān)心磁環(huán)破碎或者震裂產(chǎn)生的失效；新型電感式位置傳感器的輸出信號(hào)可以為UVW、正交AB和正余弦等方式，其中UVW輸出形式與霍爾傳感器方案完全兼容；極對(duì)數(shù)相同的不同尺寸電機(jī)可復(fù)用該方案。即使是120°和60°等不同的電機(jī)，僅需進(jìn)行處理芯片簡(jiǎn)單編程，PCB定子板可以完全復(fù)用，而不用重新設(shè)計(jì)傳感器定子板，更改霍爾傳感器的位置；可靠性高，整個(gè)傳感器僅有一枚處理芯片和外圍2～3個(gè)電容，其余均為硬件連線，工作溫度范圍寬，可靠性高；采用機(jī)械強(qiáng)度高的材料（如金屬）更容易加固轉(zhuǎn)子模塊與電機(jī)轉(zhuǎn)軸之間的連接，在轉(zhuǎn)速過(guò)快的情況下因其本身材料的堅(jiān)固也不會(huì)發(fā)生變形、碎裂的情況。

方案提供了靈活的應(yīng)用安裝方式，傳感器安裝在外殼內(nèi)，并以穿軸的方式安裝和應(yīng)用，也可根據(jù)電機(jī)結(jié)構(gòu)限制采取轉(zhuǎn)軸末端安裝或者側(cè)邊安裝的方式。多樣的安裝方式保證了電磁感應(yīng)式編碼器在各類型電機(jī)中都能靈活應(yīng)用。電感式位置傳感器定子板尺寸可為15 mm，處理芯片可與電機(jī)控制電路疊放，進(jìn)一步節(jié)省電機(jī)空間。

定子板上三組接收線圈與轉(zhuǎn)子圖形配合，使轉(zhuǎn)子的葉片數(shù)可與電機(jī)的極對(duì)數(shù)不同，舉例來(lái)說(shuō)，4個(gè)葉片的傳感器金屬片轉(zhuǎn)子，可適用于各種極對(duì)數(shù)的電機(jī)。

電感式位置傳感器的定子板與霍爾傳感器的定子板大小一樣，不增加成本，處理芯片的成本與三個(gè)高精度霍爾芯片相比較，價(jià)格更為低廉；電感式傳感器的轉(zhuǎn)子鐵片成本低于霍爾傳感器轉(zhuǎn)子磁環(huán)的成本；位置傳感器定子板上器件均為貼片封裝，不需要人工參與，勞動(dòng)成本降低明顯。電感式位置傳感器的復(fù)用性強(qiáng)，方便電機(jī)企業(yè)備貨間接助力成本降低。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上，本文提出的一種新型電感式位移傳感器，可較好兼容現(xiàn)有霍爾式位置傳感器，解決了霍爾式位置傳感器的存在的一些缺點(diǎn)，從成本角度看，也具有優(yōu)勢(shì)，是無(wú)刷直流電機(jī)位置傳感器的一個(gè)優(yōu)選方案。

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A Novel Inductive Position Sensor for Brushless DC Motor

Yang Ying
( Sentronic Technology (Shanghai) Co., Ltd. Shanghai 200233, China )

A new type of inductive position sensor applied to brushless DC motor is proposed, which consists of stator and rotor module. The scheme is compatible with the existing Holzer position sensor, and resolves some shortcomings of the Holzer ones, which also has some advantages from the view of cost.

Brushless DC motor; Inductive; Position sensor; Stator; Rotor

TM502

A

1674-2796（2017）04-0024-04

2017-03-07

楊瑩（1974—），女，大學(xué)本科，工程師，主要從事位置傳感器芯片和傳感器模塊開(kāi)發(fā)工作。