集成霍爾磁編碼器的研究.pdf

1、在電動機控制系統(tǒng)中，一般需要位置傳感器來提供轉(zhuǎn)子位置以實現(xiàn)電動機的位置控制，位置傳感器已成為電動機控制系統(tǒng)中重要的組成部件。常用的位置傳感器包括電磁感應(yīng)式旋轉(zhuǎn)變壓器、光電編碼器和磁敏電阻式編碼器。位置傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域十分廣闊，隨著各領(lǐng)域?qū)ξ恢脵z測的要求不斷提高，傳統(tǒng)的位置傳感器由于其自身的缺陷已經(jīng)不能滿足某些應(yīng)用領(lǐng)域的特殊要求。例如，由于大功率電動機控制系統(tǒng)電磁兼容問題嚴重而無法使用光電編碼器。在大功率或惡劣環(huán)境場合中通常使用體積偏大、

2、精度偏低的傳統(tǒng)電磁感應(yīng)式旋轉(zhuǎn)變壓器。
　　本文在對傳統(tǒng)電磁感應(yīng)式旋轉(zhuǎn)變壓器、光電編碼器和磁敏電阻式編碼器的原理進行對比分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計出一種新型位置傳感器——集成霍爾磁編碼器。為了使集成霍爾磁編碼器能夠達到商用水平，針對影響集成霍爾磁編碼器精度、穩(wěn)定性、一致性的幾個關(guān)鍵問題，本文進行深入的理論分析與研究。在磁場計算和分析的基礎(chǔ)上，本文提出磁場整定方法和電路補償方法，然后設(shè)計出基于數(shù)字信號處理器(DSP)的集成霍爾磁編碼器。該編碼

3、器與傳統(tǒng)電磁感應(yīng)式旋轉(zhuǎn)變壓器相比，精度提高，體積更??；其環(huán)境適應(yīng)性優(yōu)于光電編碼器；幅值誤差、相位誤差很小，對安裝偏差不敏感；一致性好，結(jié)構(gòu)與制造工藝簡單，可輸出多種模式的位置信號，能夠替代傳統(tǒng)位置傳感器。
　　在集成霍爾磁編碼器研究中，獲得高質(zhì)量的氣隙磁場是其設(shè)計的難點和重要研究內(nèi)容。本文首先介紹了兩極氣隙磁場的獲取方法，并對磁鋼充磁方法進行研究，給出了磁鋼充磁后磁場的空間分布圖。進一步提出多極氣隙磁場的建立方法，并分析了磁鋼形狀

4、以及材料對空間磁場分布產(chǎn)生的影響。通過磁場計算和分析歸納，得出氣隙磁場的特性曲線，為氣隙磁場優(yōu)化提供對比依據(jù)。
　　在集成霍爾磁編碼器的實際生產(chǎn)過程中，由于充磁或機械加工原因，氣隙磁場和霍爾元器件的位置都是非理想的，都會對最終角位置計算產(chǎn)生影響。本文對各種誤差來源及其影響進行分析，包括信號幅度不平衡誤差、信號正交性誤差、直流分量誤差、諧波誤差以及磁場過強引起的誤差，并根據(jù)公式推導(dǎo)得出各種條件下角位置計算誤差數(shù)學(xué)表達式。
　　

5、針對誤差產(chǎn)生原因，本文提出在磁鋼外圍放置同心環(huán)形鐵心的方法進行磁場優(yōu)化，并對此時磁場空間分布進行計算。對磁鋼、鐵心和霍爾器件非理想放置時磁場變化進行分析，分析結(jié)果表明，與無鐵心磁場相比，該優(yōu)化方法能夠改善氣隙磁場的質(zhì)量，減小磁鋼安裝不同心、霍爾位置不對稱等偏差的影響，間接減小了幅值誤差和相位誤差。
　　磁場信息需要通過霍爾器件進行檢測，霍爾器件將磁場信息轉(zhuǎn)換為電信號，進一步通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，將數(shù)字量送入微處理器進行軸角變

6、換計算。軸角變換是指根據(jù)兩路正交信號計算角位置的方法，本文分別提出基于反正切法和跟蹤型RDC變換器法的數(shù)字軸角變換方法。同時對CORDIC算法進行適當?shù)母倪M，使之適用于集成霍爾磁編碼器的解碼運算。
　　本文對集成霍爾磁編碼器的機械結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，設(shè)計出一種全新的雙磁鋼復(fù)合磁路結(jié)構(gòu)，進一步實現(xiàn)體積小型化。
　　在計算角位置信息后，需要將該信息進行輸出，不同應(yīng)用場合對于角位置信息傳遞方式有不同的要求。本文根據(jù)實際需要，實現(xiàn)了多種輸