永磁直線電機驅動中低成本位置傳感器的優化

　　問題的引出

　　在某些應用領域中，直線電機驅動并不是用來控制精確的位置，而是調整工業過程的壓力、流量和力等，如壓縮機。位置只在底層控制中需要，而上層閉環控制量是力。在這個特殊的應用場合，沒有線性位置傳感器進行直線電機驅動幾乎是不可能的，但采用精度在10um～50μm的標準傳感器非常昂貴。此時，精度為200μm～1mm的線性傳感器是完全可以滿足要求的。類似精度的位置傳感器可以用兩個低成本霍爾互感元件、安裝接口和一小塊pcb板設計而成。為了控制直線電機的驅動，永磁體必須在電機線圈外部提供一個正弦磁場。大多數情況下，正弦磁場可以通過在一定距離范圍內放置一個小的位置傳感器檢測。傳感器可以裝在磁體和線圈附近，并且不需要傳統線性傳感器的軸所占的空間。

　　傳感器設計

　　利用兩個安裝在霍爾傳感元件測量磁場時，必須將傳感器件安裝在磁體的有效距離內(如圖1所示)。這樣可以得到兩個相位相差90°的正弦波，如圖2所示。利用這些信號可以控制運動的方向。

　　測量采用了一款易于安裝的集成傳感器件(見圖3)。包括電流源在內的霍爾傳感器件輸出已在封裝內部進行了放大。只有通道a和b的兩路測量信號需要與變流器輸入端進行接口設計，可由兩個輸出不同的運算放大器(a和b)實現。這樣做是為了減少電磁接口。另外，還有兩個運放校正傳感器的偏移。另一運放提供的恒定電壓作為運放a和b的共模輸入，該電壓的值為傳感器電源的一半。完整的電路圖見圖3。

　　傳感器的改進

　　傳感器的工作性能可以通過測量磁場相對于電樞的位置進行測試，見圖4。1#信號為正弦信號(2#)的測量結果，二者的差如圖中3#線所示。

　　為了驗證傳感器在直線電機閉環控制中的應用，將圖10右側所示的小傳感器安裝在電機上。

　　將所得的位置信號與精度為10μm的光電線性傳感器所得參考信號進行比較，如圖5。2#和1#線表示兩個測量信號，3#線為二者誤差。在整個測量過程內，位置的絕對誤差非常小。

　　傳感器的優化

　　正如圖2所示，電場旋轉一周內正弦信號中會出現兩次大的噪聲干擾(圖6)。

　　這是最靠近傳感器的線圈中流過的大電流引起的。為了得到更好的位置信號，可以對該信號進行濾波減少干擾。

　　若正弦信號中夾雜的噪聲可以做到最小，傳感器的性能便可得到優化。此過程可通過三步實現。首先，鋪銅的pcb板盒可以屏蔽整個傳感器，然后，利用雙絞電纜代替普通電纜，將傳感器和變流器連接。

　　圖7所示為屏蔽后的傳感器所測得的正弦信號。很明顯信號的干擾降低了。與圖6相比，疊加噪聲的幅值大大減小了，但對無振動的直線電機而言信號還不夠準確。

　　因為模擬電路是接口部分的薄弱環節，在優化過程的第二步中減少了模擬電路，而用可編程器件代替。上文中所提到的用于傳感器校準和偏移量校正的模擬器件可以省去。新傳感器的原理框圖如圖8所示。

　　該傳感器的優勢是內部數字信號處理器，它提高了傳感器的精度并且減少了模擬零漂、溫度偏移和機械壓力對數學運算的影響。另外，該傳感器具有eeprom存儲器和對其編程所用的串行通信接口。這樣，不需改變pcb上的電阻就可以進行校準。對已經安裝的傳感器，不需拆卸即可修改其參數。

　　對新傳感器優化的最后一步是減小pcb板的尺寸。為此采用了4層的pcb板。與2層pcb板相比，4層pcb價格略高，但在emc兼容方面有很大優勢，因此不再需要昂貴的傳感器屏蔽盒。所以，總的說來4層pcb板更經濟。

　　圖9是新傳感器的功能圖。原來的5個運算放大器中有3個可以省去，而性能仍與之前相同。省去的器件使pcb板的尺寸進一步減小，只有原來的40%。圖10是兩個傳感器的比較。

　　測量

　　優化后傳感器的測量結果如圖11所示。1#曲線表示位置，2#曲線表示用高精度光耦位置傳感器測得的參考位置，二者已無法區分。與圖5不同，位置誤差放大后以百分比表示，如圖11中3#曲線。優化后傳感器的位置誤差減小為1.6%，足以應用在上文所說的場合。

　　結語

　　文中定制位置傳感器測量結果說明，底層位置控制環中使用足夠精度的低成本位置傳感器是可能的。該傳感器可以安裝在永磁直線電機內部，而不占用額外的空間。與商業光耦位置傳感器相比，該傳感器的成本低很多。