CN101226064A

CN101226064A - 电感式转子位置传感器

Info

Publication number: CN101226064A
Application number: CNA2007101916975A
Authority: CN
Inventors: 刘闯; 周强; 吴玉飞; 冯雷
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2007-12-14
Filing date: 2007-12-14
Publication date: 2008-07-23

Abstract

本发明是电感式转子位置传感器，其特征是包括传感器本体和调理放大电路，其中的传感器本体由传感器定子、传感器转子组成，传感器定子包括传感器的定子铁心和探测线圈，传感器的定子铁心、传感器转子铁心均为导磁材料，径向相对的探测线圈串联或并联构成一相探测绕组，传感器转子铁心同轴安装在电机转轴上，与电机铁心相对应；传感器的定子铁心安装在电机的端盖上，传感器的定子铁心的结构与电机定子铁心相对应；探测线圈的电感信号输出端与调理放大电路的信号输入端对应相接；调理放大电路的信号输出端与比较器的信号输入端对应相接，比较器输出端分别输出位置信号。优点：具有简单坚固、抗干扰能力强、结构简单、环境适应性强等特点。

Description

电感式转子位置传感器

技术领域

本发明涉及的是一种电机控制用电感式转子位置传感器，属于电机的位置传感器技术领域。

背景技术

转子位置信号是无刷直流电机、开关磁阻电机等现代调速电机的自整步工作的基础，转子位置信号的检测环节是电机系统的必要的组成部分。

电机的转子位置检测的方法有很多种，可以分为直接位置检测技术和间接位置检测技术两类：直接位置检测技术是在电机转子轴上专门增设一个位置传感器部件来实现转子位置信号检测功能，典型的应用类型有电磁式、光电式、磁敏式等。目前电磁式主要应用的是旋转变压器，由于其结构复杂，价格昂贵，一般应用于对位置精度要求高的伺服场合；光电式位置传感器主要有光电开关和挡光盘或光码盘及组成，由于其光电信号易收外界环境干扰，其性能不稳定，而且光敏元件对应用环境温度的很敏感，因此光电式位置传感器不适合应用环境恶劣、高温、多尘等场合；磁敏式位置传感器对环境的温度有着苛刻的要求，而且需要磁源，也不适合应用与高温等环境恶劣场合。

间接位置检测技术(亦称无位置传感器技术)根据电机的电流、电压等信号来估算转子的位置信号，利用简单可靠的电流、电压传感器代替脆弱的位置传感器，因此电机系统得到了简化，对环境温度适应强，但是其检测精度对电机参数和运行状态存在依赖性，鲁棒性差，易受干扰，通用性差，目前绝大多数电机的间接位置传感器技术还不成熟，处于实验室阶段。因此研究简单可靠、成本低、环境适应性强的直接位置技术对拓宽无刷电机的应用场合很重要。

而电感式(磁阻式)传感器属于电磁式传感器，具有高温、抗冲击、无接触等优点，目前电感式位移传感器多应用于位移、间隙、振动等信号检测场合，还没有作电机转子位置传感器的应用。

发明内容

本发明的目的旨在克服现有技术存在的诸多缺陷，提出一种新型结构的电感式转子位置传感器，该传感器具有结构简单、环境适应性强、通用性强等优点，并能适应于航空、航天、矿山等环境恶劣、高速电机等场合。

本发明的技术解决方案：其结构是包括传感器本体和调理放大电路，其中的传感器本体由传感器定子、传感器转子组成，传感器定子包括传感器的定子铁心和探测线圈，传感器的定子铁心、传感器转子铁心均为导磁材料，径向相对的探测线圈串联或并联构成一相探测绕组，该传感器转子铁心同轴安装在电机转轴上，与电机铁心相对应；该传感器的定子铁心安装在电机的端盖上，该传感器的定子铁心的结构与电机定子铁心相对应；探测线圈的电感信号输出端与调理放大电路的信号输入端对应相接；调理放大电路的信号输出端与比较器的信号输入端对应相接，比较器输出端分别输出位置信号。

随着转子旋转，传感器的定子、传感器转子间的气隙随转子位置变化而变化，探测线圈的磁通路径的磁阻值也相应变化，导致探测线圈的电感值随着传感器转子角度变化和变化，通过调理电路得出的对应电感值的电信号也继承电感值变化规律，再利用三相电感信号的对称的几何特点，通过简单的比较器电路，输出反映传感器转子位置特征值(一般对应电机的换相位置)的方波信号，该方波信号直接作为电机控制的传感器转子位置信号。

本发明的优点：传感器的转子结构具有简单坚固的特性，可以应用高速、大机械冲击力等场合；本传感器不存在对温度、灰尘等因素敏感的元件，因此本传感器可以应用高温、多尘等环境恶劣场合；由于本传感器的调理电路利用探测线圈的电感信号的几何对称原则，通过比较电路获得反映转子位置特征点的信号，该方法的位置特征点信号对检测灵敏度要求不高，实现电路简单，因此具有抗干扰能力强等特点。因此本发明具有结构简单、环境适应性强，特别适合应用航空、航天、矿山等恶劣环境，也可以应用于高速、超高速电机等领域。

附图说明(以6/4结构电感式位置传感器为例说明)

图1是电感式位置传感器安装示意图。

图2是电感式位置传感器定子铁心结构图。

图3是电感式位置传感器转子铁心结构图。

图4是电感式位置传感器截面示意图。

图5是相测试线圈的电感曲线。

图6是三相测试线圈电感信号交截得到特征点位置信号

图7是位置信号特征点实现的原理框图。

图8是印刷电路板上的三相绕组。

图9是图1的剖示图。

附图中1是电机转轴、2是电机转子铁心、3是传感器的定子铁心、4是传感器转子铁心、5是探测线圈、6是电感信号调理放大电路、7是电平比较器。

具体实施方式

本电感式传感器的定、转子结构取决于电机的定、转子结构，其定、转子齿数可以灵活选取，以6/4结构电感式位置传感器为例说明。

对照附图1，电感式位置传感器铁心包括传感器的定子铁心3、传感器转子铁心4两个部件，该传感器的转子铁心4安装在电机转轴1上，与电机转子铁心2相对应，且同轴安装；传感器的定子铁心3安装在电机的端盖上，其结构与电机定子铁心相对应。

传感器的定子铁心和传感器转子铁心的形状为双凸极结构或爪极结构，电感式转子位置传感器利用传感器定子、传感器转子间的气隙随传感器转子位置变化导致探测线圈的磁通路径的磁阻值变化而工作的，传感器的探测线圈的电感值随着转子角度变化而变化，通过调理电路得出的对应角度的电信号获得传感器转子的特征位置信号。

通过调理电路得出的对应角度的电信号获得传感器转子的特征位置信号的实现方法是利用探测线圈的电感信号的对称原则，通过其他相的电感信号的比较获得本相传感器转子位置的特征值信号。

对照附图2，传感器的定子铁心3为6个齿。

对照附图3，电机转子铁心2有4个齿，传感器的定子铁心3、电机转子铁心2均为导磁材料。

对照附图4，在传感器的定子铁心3每个宽齿上绕有一个集中探测线圈5，径向相对的2个线圈串联或并联构成一相探测绕组，分别为A、B、C三相。随着传感器转子旋转，传感器的定子、传感器转子间的气隙随转子位置变化而变化，探测线圈的磁通路径的磁阻值也相应变化，导致探测线圈的电感值随着转子角度变化和变化，其波形如附图5，电感曲线变化周期角为齿距角；

θ_{r} = \frac{2 π}{N_{r}}

把当绕组的轴线(定子铁心齿轴线)与转子齿轴线重合时，磁路的磁阻最大，绕组电感最小，此位置定义为θ＝0°，该位置相电感为最小值L_min；定子相绕组轴线和转子槽轴线重合时磁路的磁阻最小，测试绕组电感最大，定义此位置为θ_m，其时电感具有最大值L_max。本例中转子齿数N_r＝4，则齿距角θ_r＝90°，θ_m＝45°。

对照附图5，A、B、C三相探测线圈电感值L(θ)以转子齿距角θ_r为周期而变化的关系曲线L_A(θ)、L_B(θ)、L_C(θ)，当传感器转子和定子的材质均匀，结构完全对称，则各相探测线圈相对于转子位置的电感曲线具有严格的周期性，而且又关于最小电感位置对称，不同相探测线圈的电感曲线除了空间上有特定相位差外，无其它差别，本例它们相位上相差30°。考察三相探测线圈在一周期内的电感曲线，设θ＝0°对应A相探测线圈电感的最小值处，也即A相电感最小位置，那么由于三相电感曲线完全相同，相邻间只有30°的相位差，可知，B相和C相电感曲线的两个交点分别对应转子位置角θ＝0°和θ＝45°，而两个交点正好相差半周期位置角Δθ＝45°。类似的，A相和B相电感曲线的交点分别对应位置角θ＝60°(C相电感值最小点)和θ＝15°，以及A相和C相电感曲线的交点分别对应位置角θ＝30°(B相电感值最小点)和θ＝-15°，上述的角度为传感器转子位置的特征角度(一般对应电机换相位置)。

对照附图6，V_A(θ)、V_B(θ)、V_C(θ)为通过调理放大电路得出的对应电感值的电压信号，三相电压信号继承了三相电感曲线L_A(θ)、L_B(θ)、L_C(θ)的几何特征。再利用三相电感曲线几何特点，通过简单的比较器即可获得位置方波信号P、Q、R，作为电机直接控制的传感器位置信号。

对照附图7，三相探测线圈通过电感信号调理放大电路6得到相对应的电压信号V_A(θ)、V_B(θ)、V_C(θ)，V_C(θ)和V_B(θ)、V_B(θ)和V_A(θ)、V_A(θ)和V_C(θ)分别接三个电平比较器7的正、负输入端，三个比较器7输出端分别得到传感器位置方波信号P、Q、R。

对照附图8，电感式位置传感器的探测线圈可以采用漆包线绕制，也可以采用印刷电路板实现，探测线圈在印刷电路板采用形成规则的螺旋线代替漆包线形成，印刷电路板和传感器的定子铁心安装在一起形成传感器的定子，简化工艺。

Claims

1.电感式转子位置传感器，其特征是包括传感器本体和调理放大电路，其中的传感器本体由传感器定子、传感器转子组成，传感器定子包括传感器的定子铁心和探测线圈，传感器的定子铁心、传感器转子铁心均为导磁材料，径向相对的探测线圈串联或并联构成一相探测绕组，传感器转子铁心同轴安装在电机转轴上，与电机铁心相对应；传感器的定子铁心安装在电机的端盖上，传感器的定子铁心的结构与电机定子铁心相对应；探测线圈的电感信号输出端与调理放大电路的信号输入端对应相接；调理放大电路的信号输出端与比较器的信号输入端对应相接，比较器输出端分别输出位置信号。

2.根据权利要求1所述的电感式转子位置传感器，其特征是传感器的定子铁心和传感器转子铁心的形状为双凸极结构或爪极结构，电感式转子位置传感器利用传感器定子、传感器转子间的气隙随传感器转子位置变化导致探测线圈的磁通路径的磁阻值变化而工作的，传感器的探测线圈的电感值随着转子角度变化而变化，通过调理电路得出的对应角度的电信号获得传感器转子的特征位置信号。

3.根据权利要求2所述的电感式转子位置传感器，其特征是通过调理电路得出的对应角度的电信号基础上再获得传感器转子的特征位置信号的实现方法，是利用探测线圈的电感信号的对称原则，通过其他相的电感信号的比较获得本相传感器转子位置的特征值信号。

4.根据权利要求1所述的电感式转子位置传感器，其特征是探测线圈在印刷电路板采用形成规则的螺旋线代替漆包线形成，印刷电路板和传感器的定子铁心安装在一起形成传感器的定子。