周俊鴻，樊志華，黃晶晶，劉 娜

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 電氣與動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2.中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所蘇州研究院，江蘇 蘇州 215000)

0 引 言

近年來，永磁同步電機(jī)(PMSM)得到了較多的研究，且被廣泛應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域中，并逐漸成為交流調(diào)速和伺服領(lǐng)域的主流[1]。在PMSM的閉環(huán)控制系統(tǒng)中，電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信息成為了控制PMSM不可或缺的物理量。近年來，研究人員對(duì)無位置傳感器檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行了大量的研究。該技術(shù)對(duì)電機(jī)要求高，在低速和零速條件下難以對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制，普適性不佳，且控制算法復(fù)雜，無法保證轉(zhuǎn)子位置估測(cè)的準(zhǔn)確性[2-3]。故在高性能的PMSM控制系統(tǒng)中，位置傳感器仍不可被取代。磁編碼器和光電編碼器相比，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，可應(yīng)用于振動(dòng)、油污、灰塵等惡劣環(huán)境下，尤其在某些特殊領(lǐng)域(比如航空航天)中有著非常重要的地位，發(fā)展前景和研究?jī)r(jià)值很高[4-5]。本文基于磁通門技術(shù)設(shè)計(jì)了一款新穎的轉(zhuǎn)子位置傳感器，磁通門傳感器是一種靈敏度高、穩(wěn)定性好、可檢測(cè)微弱磁場(chǎng)的傳感器[6-8]，并逐漸向小型化、簡(jiǎn)單化方向發(fā)展[9-14]，未來集成磁通門傳感器將是霍爾元件和磁阻傳感器強(qiáng)大的競(jìng)爭(zhēng)者[15]。

1 基于磁通門的磁編碼器

1.1 磁通門編碼器結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的磁通門式磁編碼器由一個(gè)建立空間磁場(chǎng)的輔助永磁體、兩個(gè)磁通門探頭和硬件電路組成，其原理如圖1所示。兩個(gè)磁通門探頭在空間位置上相差90°放置于永磁體的上方。硬件系統(tǒng)為磁通門探頭提供激勵(lì)并提取磁通門探頭輸出信號(hào)中的二次諧波信號(hào)，轉(zhuǎn)換成與磁場(chǎng)強(qiáng)度成正比的直流電壓信號(hào)。當(dāng)輔助永磁體隨著電機(jī)運(yùn)行而旋轉(zhuǎn)時(shí)，磁通門硬件系統(tǒng)輸出兩路與旋轉(zhuǎn)角度呈正余弦關(guān)系的電壓信號(hào)，從而檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置。

圖1 磁通門式磁編碼器工作原理圖

1.2 磁通門編碼器結(jié)構(gòu)

磁通門傳感器在結(jié)構(gòu)上分為單鐵心結(jié)構(gòu)與雙鐵心結(jié)構(gòu)，單鐵心磁通門輸出信號(hào)含有大量的與外磁場(chǎng)無關(guān)的諧波，而與外磁場(chǎng)有關(guān)的諧波含量很小，信噪比小。雙鐵心結(jié)構(gòu)的磁通門可有效的抑制無用信號(hào)，增加有用信號(hào)的含量，增強(qiáng)信噪比。本文采用雙鐵心結(jié)磁通門傳感器，雙鐵心磁通門結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 雙鐵心磁通門結(jié)構(gòu)示意圖

圖2中，兩個(gè)鐵心的激勵(lì)線圈匝數(shù)相等設(shè)為N1，感應(yīng)線圈匝數(shù)為N2，鐵心橫截面積為S，磁導(dǎo)率為μ。激勵(lì)線圈通入交流電流，在兩個(gè)鐵心上產(chǎn)生大小相等方向相反的內(nèi)磁場(chǎng)H1(t)，設(shè)

H1(t)=Hmsin(2πfext)

(1)

式(1)中，Hm為內(nèi)磁場(chǎng)H1(t)的幅值。

若無外磁場(chǎng)存在，由法拉第感應(yīng)定律可知，兩個(gè)鐵心內(nèi)的交變磁場(chǎng)在感應(yīng)線圈上產(chǎn)生的感應(yīng)電壓大小相等，方向相反，故無信號(hào)輸出。

若有外磁場(chǎng)H0存在，此時(shí)兩鐵心內(nèi)部的磁場(chǎng)分別為：

(2)

若鐵心處在周期性的過飽和狀態(tài)時(shí)，鐵心的磁導(dǎo)率不再為常數(shù)，磁導(dǎo)率的變化如圖3所示。

圖3 周期性過飽和狀態(tài)下的鐵心磁導(dǎo)率

設(shè)周期性過飽和狀態(tài)下鐵心的磁導(dǎo)率為μ(t)，式(2)中，H′(t)為一個(gè)鐵心內(nèi)部磁場(chǎng)，H″(t)為另一個(gè)鐵心內(nèi)部磁場(chǎng)。磁通門傳感器感應(yīng)線圈上的感應(yīng)電壓為

(3)

式(3)中，μ′(t)和μ″(t)分別為兩個(gè)鐵心的磁導(dǎo)率函數(shù)。

激勵(lì)信號(hào)產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向是周期性變化的，但磁導(dǎo)率沒有正負(fù)之分，即磁場(chǎng)正反兩個(gè)方向的激磁產(chǎn)生兩次磁導(dǎo)率的變化，故磁導(dǎo)率變化的頻率是磁場(chǎng)頻率的兩倍，為時(shí)間上的偶函數(shù)，將磁導(dǎo)率按照傅里葉級(jí)數(shù)展開，如式(4)。

(4)

因?yàn)橥獯艌?chǎng)的存在，使得兩個(gè)鐵心的飽和程度不一致，導(dǎo)致兩鐵心的磁導(dǎo)率的變化有所差異。將式(1)和式(2)代入式(3)，并將μ′(t)和μ″(t)傅里葉展開整理可得：

(5)

(6)

從式(5)中可以看出，外磁場(chǎng)H0與磁通門感應(yīng)電壓的幅值線性正相關(guān)，并且根據(jù)式(5)傅里葉分解項(xiàng)中可以看出在感應(yīng)電壓中幅度最大的分量即為二次諧波，故本文采用二次諧波法對(duì)感應(yīng)電壓中的二次諧波的幅度進(jìn)行提取從而計(jì)算得出外磁場(chǎng)強(qiáng)度。

2 磁通門編碼器有限元分析

2.1 磁通門傳感器有限元分析

為了驗(yàn)證磁通門傳感器的工作原理以及對(duì)其特性進(jìn)行分析，本文利用Ansoft Maxwell仿真軟件對(duì)雙鐵心磁通門探頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元仿真。為了使雙鐵心磁通門的鐵心采用較少的能量達(dá)到飽和，本文選用閉合的環(huán)形雙鐵心磁通門結(jié)構(gòu)。在Ansoft Maxwell仿真軟件中建立的磁通門探頭結(jié)構(gòu)的二維模型分別如圖4所示。

圖4 磁通門探頭二維模型

圖4中，灰色部分為磁通門傳感器的鐵心部分，鐵心材料選用的是高磁導(dǎo)率、低矯頑力的軟磁材料帶材坡莫合金1J85，鐵心薄膜厚度為0.1 mm，寬度為2 mm。本文建立的環(huán)形雙鐵心磁通門長(zhǎng)為30 mm，總寬為10 mm，為2 mm。圖4中的黃色部分為激勵(lì)線圈，左右兩個(gè)鐵心激勵(lì)線圈匝數(shù)各為55匝；紅色部分為感應(yīng)線圈，均設(shè)置為400匝。為了抑制噪聲，感應(yīng)線圈的匝數(shù)和激勵(lì)線圈的匝數(shù)之比不宜過大，線圈的匝數(shù)可根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整，設(shè)置的自由度很大。為了模擬外磁場(chǎng)的存在，模型中添加了產(chǎn)生外磁場(chǎng)的輔助線圈，如圖4中的綠色部分所示。

1J85的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Br為0.6 T，飽和磁場(chǎng)強(qiáng)度Hr為800 A/m，在環(huán)形磁通門結(jié)構(gòu)中，可根據(jù)安培環(huán)路定律計(jì)算鐵心達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)所施加的電能。

NI=HL

(7)

式(7)中，當(dāng)鐵心達(dá)到飽和時(shí)，磁場(chǎng)強(qiáng)度H為800 A/m。圖4中平均閉合磁路長(zhǎng)為72 mm，左右兩鐵心的激勵(lì)線圈匝數(shù)共為110匝。由此可計(jì)算飽和電流Ir約為0.524 A。

2.1.1 鐵心周期性飽和

圖5 無外磁場(chǎng)時(shí)鐵心周期性過飽和

給外磁場(chǎng)輔助線圈施加電流激勵(lì)，模擬外磁場(chǎng)的存在，一般外磁場(chǎng)的大小要小于鐵心飽和磁場(chǎng)的大小[18-19]。當(dāng)沿著Y軸正方向的外磁場(chǎng)的強(qiáng)度為24.8 μT，仿真時(shí)間t=2 μs時(shí)，磁通門鐵心內(nèi)部磁感應(yīng)強(qiáng)度云圖分別如圖6(a)所示?？芍?，環(huán)形磁通門左右兩鐵心磁場(chǎng)分布不再均勻。當(dāng)外磁場(chǎng)存在時(shí)，在一定的時(shí)間范圍內(nèi)，環(huán)形磁通門左邊鐵心磁場(chǎng)方向與外磁場(chǎng)方向相同，其內(nèi)部磁場(chǎng)與外磁場(chǎng)相互疊加，而右邊鐵心磁場(chǎng)方向與外磁場(chǎng)方向相反，其內(nèi)部磁場(chǎng)與外磁場(chǎng)相互抵消，所以左邊鐵心的磁感應(yīng)強(qiáng)度大于右邊鐵心的磁感應(yīng)強(qiáng)度。鐵心內(nèi)部磁場(chǎng)強(qiáng)度隨著時(shí)間的變化而變化，導(dǎo)致左邊鐵心提前進(jìn)入飽和狀態(tài)，右邊鐵心落后于左邊鐵心進(jìn)入飽和狀態(tài)。當(dāng)激勵(lì)電流方向變化時(shí)，即在鐵心內(nèi)部建立的磁場(chǎng)開始反向，此時(shí)會(huì)出現(xiàn)右邊鐵心磁場(chǎng)強(qiáng)度大于左邊鐵心磁場(chǎng)強(qiáng)度的情況。

在整個(gè)仿真時(shí)間中，磁通門感應(yīng)線圈的感應(yīng)電壓分別如圖6(b)所示。接下來以一個(gè)電源周期(0～100)μs對(duì)環(huán)形磁通門仿真結(jié)果進(jìn)行分析。由圖6(b)可知，仿真時(shí)間在(16.5～35.5)μs時(shí)間范圍內(nèi)，左右兩邊鐵心開始先后進(jìn)入飽和狀態(tài)。鐵心的磁導(dǎo)率不再是常量，而是隨時(shí)間變化的變量，感應(yīng)線圈產(chǎn)生感應(yīng)電壓。在(35.5～50)μs時(shí)間范圍內(nèi)，鐵心開始退飽和，感應(yīng)電壓急劇下降至零電壓。在50μs處，激勵(lì)電源的方向開始反向。在(66.5～85.5)μs時(shí)間范圍內(nèi)，右左兩邊的鐵心依次進(jìn)入飽和狀態(tài)，雖然鐵心被反向磁化，但鐵心的磁導(dǎo)率是個(gè)標(biāo)量，故感應(yīng)線圈的感應(yīng)電壓與(16.5～35.5)μs時(shí)間內(nèi)的感應(yīng)電壓一致。

圖6 有外磁場(chǎng)時(shí)鐵心周期性過飽和

由磁通門傳感器的數(shù)學(xué)模型可知，磁通門輸出的電壓存在大量的諧波。對(duì)上述仿真中的感應(yīng)電壓進(jìn)行諧波分析，結(jié)果分別如圖6(c)所示。由圖6(f)可知，環(huán)形磁通門的感應(yīng)電壓均為偶次諧波，沒有奇次諧波。無用的奇次諧波相互抵消，偶次諧波相互疊加，進(jìn)而大大地減少了對(duì)有用諧波的提取難度。

2.1.2 環(huán)形雙鐵心磁通門工作特性

確定磁通門探頭結(jié)構(gòu)后，對(duì)環(huán)形雙鐵心磁通門探頭的工作特性進(jìn)行仿真分析。在上述仿真的基礎(chǔ)上，保持外磁場(chǎng)強(qiáng)度不變，改變激勵(lì)電源的頻率，仿真電源頻率fex與磁通門輸出的關(guān)系如圖7所示。

圖7 電源頻率與感應(yīng)電壓關(guān)系

仿真結(jié)果表明，感應(yīng)電壓的大小與所施加的電源頻率的大小成正比，與理論推導(dǎo)一致。磁通門探頭檢測(cè)磁場(chǎng)的靈敏度和電源頻率fex也成正比，所以增大電源頻率會(huì)增加磁通門傳感器的輸出電壓和靈敏度。實(shí)際中，激勵(lì)信號(hào)的頻率與鐵心中產(chǎn)生渦流的大小成正相關(guān)。渦流越大鐵心的有效面積越小，即趨膚效應(yīng)越嚴(yán)重，該情況會(huì)影響磁通門信號(hào)的輸出。經(jīng)過反復(fù)實(shí)驗(yàn)，并考慮硬件電路設(shè)計(jì)難度，最終本文選用頻率為10 kHz的激勵(lì)信號(hào)。從以上分析可知，磁通門探頭設(shè)計(jì)的自由度很大。

確定電源頻率之后，保持激勵(lì)電源頻率與幅值不變，給外磁場(chǎng)輔助線圈施加不同大小的電流源，建立不同強(qiáng)度的外磁場(chǎng)，磁通門輸出電壓如圖8(a)所示，外磁場(chǎng)強(qiáng)度越大，磁通門輸出的電壓越大。對(duì)這些感應(yīng)電壓進(jìn)行諧波分析，結(jié)果如圖8(b)、(c)、(d)、(e)所示，感應(yīng)電壓包含大量的偶次諧波，且不包含奇次諧波，仿真結(jié)果和理論推導(dǎo)一致。但實(shí)際實(shí)驗(yàn)中，由于鐵心貼片難以保證完全對(duì)稱，繞組繞制也有所差異，磁通門輸出電壓還是會(huì)包含大量的奇次諧波。當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度較小的情況下，如圖8(b)所示，感應(yīng)電壓中二次諧波和四次諧波含量最大，且四次諧波幅值大于二次諧波；當(dāng)外磁場(chǎng)強(qiáng)度增加時(shí)，二次諧波的含量逐漸增加，如圖8(c)、(d)、(e)所示，最終二次諧波含量隨著外磁場(chǎng)的增加逐漸大于其它偶次諧波含量。由此可知，二次諧波含量和外磁場(chǎng)的大小成一定的比例關(guān)系，故一般提取二次諧波來檢測(cè)外磁場(chǎng)的大小。

通過仿真得到二次諧波的幅值和外磁場(chǎng)強(qiáng)度關(guān)系如圖9所示，當(dāng)外磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度大于700μT且小于868 μT時(shí)，二次諧波的幅值隨磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加而緩慢增加；當(dāng)外磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度大于868 μT時(shí)，二次諧波的幅值不再隨著外磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加而增加，反而有減少的趨勢(shì)；當(dāng)外磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度大于100 μT且小于700 μT時(shí)，二次諧波的幅值與磁場(chǎng)強(qiáng)度有較好的線性關(guān)系。

圖9 二次諧波幅值與外磁場(chǎng)強(qiáng)度關(guān)系

2.2 磁源的有限元分析

本文研究了永磁體不同空間位置處的磁場(chǎng)強(qiáng)度分布情況，以確定磁通門探頭合適的安裝位置。以直徑為11 mm、厚度為3.5 mm的圓柱形釹鐵硼永磁體為例，在有限元軟件Maxwell中建立其3D仿真模型，研究永磁體空間磁場(chǎng)的分布情況。

本仿真中永磁體采用徑向充磁方式為永磁體充磁，并定義Y軸正方向?yàn)槌浯欧较?。永磁體內(nèi)部磁感應(yīng)強(qiáng)度分布云圖與磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量圖分別如圖10(a)、(b)所示?？芍?，磁場(chǎng)方向沿著Y軸正方向，并向四周發(fā)散。距永磁體上表面d=1 mm、半徑r=4 mm的圓周處的磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量圖如圖10(c)所示，可知圓周上的磁感應(yīng)強(qiáng)度各不相同，有一半的磁場(chǎng)強(qiáng)度方向偏上，一半的磁場(chǎng)強(qiáng)度方向偏下。圓周上沿著Z軸正方向的磁感應(yīng)強(qiáng)度如圖10(d)所示，可知磁感應(yīng)強(qiáng)度與角度呈正弦關(guān)系，且正弦度良好。因此可通過檢測(cè)此方向的磁場(chǎng)強(qiáng)度辨識(shí)永磁體相對(duì)于磁傳感器的角度位置，進(jìn)而檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置。

通過上節(jié)的仿真分析可知，本文設(shè)計(jì)的磁通門探頭可檢測(cè)的線性磁場(chǎng)強(qiáng)度范圍大約為±(100～700) μT。然而圖10(d)所示磁場(chǎng)強(qiáng)度幅值明顯超過磁通門探頭可檢測(cè)的磁場(chǎng)強(qiáng)度范圍。本節(jié)接下來分析距永磁體上表面不同位置處的空間磁場(chǎng)分布情況，以便將磁通門探頭安裝在合適磁場(chǎng)強(qiáng)度位置上。

圖10 徑向充磁磁鋼磁感應(yīng)強(qiáng)度分布圖

距離永磁體上表面d=1 mm、不同半徑r的圓周上沿著Z軸正方向的磁感應(yīng)強(qiáng)度如圖11(a)所示。本文旨在研究磁通門傳感器檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置的方法，對(duì)傳感器的體積不作研究。本文選擇半徑r=12 mm的圓周，研究磁通門探頭相對(duì)永磁體不同軸向距離處的磁感應(yīng)強(qiáng)度，以便確定軸向安置位置。距永磁體上表面不同距離d、半徑r=12 mm圓周處沿著Z軸正方向的磁感應(yīng)強(qiáng)度如圖11(b)所示。根據(jù)仿真結(jié)果，本設(shè)計(jì)可將磁通門探頭安裝在距離永磁體上表面約35 mm、半徑約為12 mm的圓周上。

圖11 不同空間位置磁感應(yīng)強(qiáng)度

3 磁通門編碼器實(shí)驗(yàn)分析

3.1 磁通門傳感器的制作

磁通門探頭一般包括鐵心、線圈和支撐鐵心和線圈的骨架。通過對(duì)磁通門的工作原理分析可知，磁通門的鐵心需要周期性的處在過飽和狀態(tài)，所以要反復(fù)磁化鐵心材料，這就要求鐵心材料易飽和易退磁。為了減少鐵磁材料由于被反復(fù)磁化與退磁帶來的磁滯損耗，要求鐵心具有很小的矯頑力。綜上所述，磁通門傳感器所用的鐵心材料需要具有高磁導(dǎo)率、低矯頑力的特性。本文選用滿足上述條件的帶材坡莫合金1J85軟磁材料，鐵心的厚度為0.1 mm，飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.6 T，產(chǎn)品具體的參數(shù)如表1所示，鐵心材料的實(shí)物圖如圖12所示。

表1 坡莫合金材料屬性

帶狀1J85材料沒有足夠的物理支撐能力，故需要設(shè)計(jì)骨架支撐材料。利用Soildworks軟件設(shè)計(jì)的鐵心骨架模型如圖13(a)所示。鐵心骨架長(zhǎng)為32 mm，寬為16 mm，厚度為2 mm，凹槽寬為3 mm，深度為0.5 mm。

圖12 1J85實(shí)物圖

將鐵心材料1J85進(jìn)行剪裁，然后貼于鐵心骨架的凹槽處，用膠水固定，實(shí)物圖如圖13(b)所示。激勵(lì)線圈直接纏繞于鐵心骨架的兩邊。為便于感應(yīng)線圈的纏繞，設(shè)計(jì)感應(yīng)線圈繞組骨架，模型和實(shí)物圖分別如圖13(c)、(d)所示。感應(yīng)線圈繞組骨架與鐵心骨架是配套結(jié)構(gòu)，鐵心骨架可插入感應(yīng)線圈繞組骨架的槽中。感應(yīng)線圈繞組骨架總長(zhǎng)為35 mm，寬為25 mm，壁厚2 mm。為了使得纏繞激勵(lì)線圈后的鐵心骨架能夠插入到感應(yīng)線圈繞組骨架的矩形槽中，設(shè)計(jì)的矩形槽的長(zhǎng)和寬均留有一定的裕量，長(zhǎng)為17.5 mm，寬為3 mm。鐵心骨架與感應(yīng)線圈繞組骨架均用3D打印機(jī)打印，打印耗材選用機(jī)械性能與物理性能良好的PLA(聚乳酸)材料。

圖13 磁通門傳感器骨架模型

骨架模型設(shè)計(jì)完之后，需要在骨架上纏繞激勵(lì)線圈與感應(yīng)線圈。激勵(lì)線圈總匝數(shù)為110匝，選用直徑為0.29 mm的銅漆包線。感應(yīng)線圈總匝數(shù)為400匝，為便于纏繞，選擇直徑為0.2 mm的銅漆包線。激勵(lì)線圈和感應(yīng)線圈的匝數(shù)可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整，磁通門探頭的實(shí)物圖如圖14所示。

圖14 磁通門探頭實(shí)物圖

3.2 磁通門傳感器實(shí)驗(yàn)分析

在實(shí)驗(yàn)階段，沒有將磁通門式磁編碼器的輔助永磁體和磁通門探頭封裝在一起。輔助永磁體固定在轉(zhuǎn)軸上與永磁同步電機(jī)同軸連接，兩個(gè)磁通門探頭放在距輔助永磁體合適的位置。本實(shí)驗(yàn)中，兩個(gè)磁通門探頭中心點(diǎn)與輔助永磁體中心點(diǎn)的軸向距離約為4 cm，徑向距離約為6 mm。在電機(jī)控制板上采用VF控制方式控制電機(jī)空載運(yùn)行。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速為500 r/min時(shí)，磁通門硬件電路輸出信號(hào)VPh1和VPh2的波形如圖15(a)所示，為正余弦信號(hào)。保存示波器數(shù)據(jù)，在Matlab軟件中進(jìn)行信號(hào)處理，將信號(hào)進(jìn)行幅值歸一化并去除直流偏置，利用atan2函數(shù)求解角度，結(jié)果如圖15(b)所示?？芍磐ㄩT硬件電路輸出信號(hào)的正弦度以及所求解角度的線性度均良好。

圖15 電機(jī)轉(zhuǎn)速為500r/min時(shí)磁通門輸出信號(hào)與角度波形

為便于信號(hào)處理，本文采用DSP自帶的AD模塊對(duì)磁通門硬件輸出信號(hào)進(jìn)行采樣。磁通門硬件電路輸出信號(hào)VPh1和VPh2的幅值和直流分量的偏差既可通過硬件電路調(diào)節(jié)，也可通過軟件調(diào)節(jié)。為便于觀察波形，使用DA模塊將AD采樣后的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)后用示波器觀察，如圖16所示。AD采樣后的波形如圖16(a)所示，可知兩個(gè)信號(hào)存在幅值和直流分量的偏差，將信號(hào)進(jìn)行幅值歸一化處理并去除直流分量后的波形如圖16(b)所示，求解的角度波形如圖16(c)所示。由圖16(c)可知，角度波形的線性度良好。

圖16 信號(hào)處理與角度求解

當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速為500 r/min、1000 r/min、1500 r/min、2000 r/min時(shí)，經(jīng)磁通門探頭檢測(cè)的電機(jī)角度分別如圖17(a)、圖17(b)、圖17(c)、圖17(d)所示?？芍?，轉(zhuǎn)速越高，基于磁通門傳感器檢測(cè)的電機(jī)轉(zhuǎn)子位置線性度越差，誤差越大。這是因?yàn)榇磐ㄩT探頭的激勵(lì)頻率是固定的，且不能無限制的增加，故其檢測(cè)變化的磁場(chǎng)的頻率也是有限制的。本文通入磁通門探頭的激勵(lì)頻率為10 kHz，當(dāng)轉(zhuǎn)速為500 r/min時(shí)，輔助永磁體磁場(chǎng)的變化頻率為33.33 Hz，激勵(lì)頻率是磁場(chǎng)變化頻率的300倍；當(dāng)轉(zhuǎn)速為2000 r/min時(shí)，激勵(lì)頻率是磁場(chǎng)變化頻率的75倍?？梢姡D(zhuǎn)速越高磁場(chǎng)變化頻率越快，磁通門位置傳感器的檢測(cè)精度越差。

圖17 不同轉(zhuǎn)速下角度波形

通過上述實(shí)驗(yàn)可知，磁通門式磁編碼器角度輸出穩(wěn)定，線性度良好。在中高速場(chǎng)合，可通過適當(dāng)?shù)脑黾哟磐ㄩT探頭激勵(lì)源的頻率提高其速度檢測(cè)范圍。

4 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一款基于磁通門技術(shù)的新穎磁編碼器，并通過有限元仿真說明了磁通門傳感器工作原理，并根據(jù)仿真結(jié)果選擇了適宜磁編碼器的磁通門鐵心結(jié)構(gòu)；此外本文還對(duì)磁源的設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)的分析，對(duì)兩種充磁方式的輔助永磁體進(jìn)行空間磁場(chǎng)分布研究，進(jìn)而找出磁通門探頭合適的安裝位置。最后通過實(shí)驗(yàn)證明本文所設(shè)計(jì)基于磁通門的磁編碼器的可行性，并通過基于id=0的電機(jī)控制實(shí)驗(yàn)證明了本文所設(shè)計(jì)磁編碼器的實(shí)用性。本文所制作的磁通門傳感器制作較為粗糙，但依然能良好的完成工作，故磁通門編碼器具有非常好的抗干擾性，本文對(duì)未來位置傳感器設(shè)計(jì)提供了思路，具有良好的參考價(jià)值。