（无锡华润上华半导体有限公司 上海分公司 上海 201103）
摘要：本论文提出了一种应用于直流无刷电机的新型电感式位置传感器。此位置传感器包括定子模块和转子模块两个部分。典型的定子模块为一个印刷电路板，固定于直流无刷电机的定子上，在印刷电路板上绕有一组激励线圈和两组或以上且有一定相位差的接收线圈；典型的转子模块为一个特定几何图形的金属片，与电机的转子相连；放置于定子PCB板上的处理芯片和外围电路与定子电路板上的激励线圈配合产生周期性的高频交流电压和电流，在特定的定子模块区域内产生交变电磁场；定子模块上的接收线圈设置在所述激励线圈产生的交变电磁场区域内，并产生感应电动势；转子模块用于影响所述激励线圈和接收线圈之间的电磁耦合强度；处理芯片处理从接收线圈上得到的电压信号，经过硬件计算处理，输出转子的实时位置信号，输出信号形式可以为UVW、正交AB或者正余弦。
关键词：直流；无刷；电感式；位置传感器；
A Novel Inductive Position Sensor for Brushless DC Motor
Abstract：In this paper, a new type of inductive position sensor applied to brushless DC motor is proposed. The position sensor comprises two parts: a stator module and a rotor module. The typical stator module is a printed circuit board which is fixed on the stator of the brushless DC motor, and has a set of exciting coils and two or more receiving coils with a certain phase difference on the printed circuit board; The typical rotor module is a sheet metal with a specific geometry, is connected with the rotor of the motor; the excitation coil together with processing chip and the peripheral circuit placed on the stator PCB board produces periodic high frequency AC voltage and current, the alternating electromagnetic field in the specific area of stator module. The receiving coil on the stator module is arranged in an alternating electromagnetic field generated by the exciting coil and generates an induced electromotive force; The rotor module is used to influence the electromagnetic coupling strength between the exciting coil and the receiving coil;The processing chip processes the voltage signals received from the receiving coil and outputs the rotor position signals in real time after the hardware calculation process, and the output signals can be UVW, Orthogonal AB or sine cosine.
Keywords：DC；Brushless；Inductive ；Position Sensor
背景技术
直流无刷电机既具有交流电动机的机构简单和运行可靠等优点，又具备直流电动机的运行效率高、无励磁损耗以及调速性能好等诸多优点，在当今国民经济各领域应用日益普及。随着直流无刷电机在工业、交通工具、家用电器、航天设备及医疗等行业的不断应用及推广，行业在选择直流无刷电机时对其寿命、体积、成本及恶劣环境下的表现有了更加苛刻的要求。而作为检测及反馈电机位置的传感器，在电机控制中启到举足轻重的作用，一款优秀的位置传感器很大程度上决定了电机的性能。
如上图所示，一个典型的三相直流无刷电机系统由控制器和电机两部分组成，其中电机包括定子铁芯绕组、转子永磁铁和位置传感器三个部分。其定子绕组一般制成三项，转子由永磁体按一定极对数组成。控制器由功率电子器件和集成电路等构成,其功能是：接收电机的启动、停止和制动信号以控制电机的启动、停止和制动；接收位置传感器信号和正反转信号，用来控制逆变桥各功率管的通断，产生连续转矩；接收速度指令和速度反馈信号，用来控制和调整转速；提供保护和显示等。
位置传感器是一种无机械接触的检测转子位置的装置，由定子和转子组成，分别装在电机定子机壳和电机主转子轴上。它监测主转子磁场相对于定子绕组的位置，并在确定的相对位置上发出信号给控制器，以控制功率电子元件，使定子绕组中的电流按一定的顺序进行切换，从而使电机按一定的顺序转动。另外，由于位置传感器可以实时感知主转子的位置，所以不论主转子的起始位置在何处，电机在启动的瞬间就会发生足够大的启动转矩，因此主转子上不需要另设启动绕组。
霍尔式位置传感器是比较常用的一种直流无刷电机位置传感器，其传感器定子为按一定规则配置的霍尔元件或者霍尔集成电路，传感器的转子为电机主转子上的永磁体。霍尔位置传感器有以下优点：
1.非接触式检测，寿命长
2.因为是磁场检测，所以能在油污灰尘等恶劣条件下正常工作
3.价格便宜，适合大批量应用。
但是霍尔位置传感器在实际使用也存在一些无法解决的问题，下面结合霍尔位置传感器的两种安装方式分别描述。
（一）霍尔嵌入定子式安装
如上图所示，在此种安装方式中，三个霍尔电路嵌入在电机主定子上作为位置传感器定子，传感器转子为电机主转子上的永磁体。此安装方式存在以下几个问题：
1.工艺复杂，人工成本高，生产效率低。安装时需要人工把霍尔插入电机内，并用胶水固定；连接三个霍尔的电路板也需要用各种方式固定在电机主定子上，防止擦钢。
2.霍尔容易损坏，维修成本高。随着电机功率的增加，电机主转子与电机绕组形成的反电动势越来越大；电机定子上的霍尔槽容易形成电涡流，产生电压毛刺；电机高速工作中容易擦钢挤压霍尔电路，最终导致霍尔损坏。而更换霍尔则需要把电机定子和主转子拉开，再把被胶水固定的霍尔敲掉，需要很多的人工成本，远大于三个霍尔传感器的自身成本。
3.传感器复用率低。电机定子的尺寸和电机的极对数各种各样，导致连接三个霍尔的电路板尺寸也各不相同，相互之间不能复用，增加了设计和使用成本。
4.体积大，不能适应特种小型无刷电机的应用。嵌入式安装的霍尔采用直插封装，体积较大，再结合电机内的安装位置要求，霍尔传感器在特种小电机上的应用遇到很大困难。
（二）霍尔外置式安装
为了避免或克服嵌入式安装的一些缺点，一些无刷电机特别是大功率电机采用霍尔外置式安装。此种安装方式中，三个霍尔传感器按一定规则放置于一块PCB板上作为电机位置传感器的定子固定在电机定子上，传感器的转子为固定在电机主转子上的磁环。不同于嵌入式安装，此时的位置传感器定子和转子都在电机绕组与永磁体之外，所以称为外置式安装法。此种安装方式的好处是，霍尔传感器受到的电磁干扰小，霍尔损坏的概率大大减小，并且得到的霍尔电压信号，干扰小，杂波少，容易被控制器处理；霍尔一般采用贴片封装形式，不再需要人工焊接，降低了一部分人工成本。但是，此种安装方式也存在一些不可避免的问题，导致无法普及应用。
1.需要额外增加一个磁环作为传感器转子，这个额外增加的磁环带来几个问题
a）把磁环固定到电机主转子上，需要复杂的工艺
b）在电机磁极较多时，磁环的制作难度较大
c）磁环的磁场一致性要求高
d）在电机运转中，磁环容易震碎或震裂，一旦磁环震裂或震碎，则整个电机无法正常工作
2.对霍尔的磁场参数一致性要求很高。与电机主转子永磁体相比，磁环本身的磁场较弱，霍尔感应到的磁场大小一般比永磁体的磁场小两个数量级；霍尔传感器磁场参数本身有一定的离散性，这两个因素结合，很容易造成位置传感器的位置信号精度下降，造成整个电机的扭矩和效率下降。
3.成本增加。磁环本身是增加的成本，高精度霍尔传感器也需要较高的成本，与嵌入式安装相比，虽然减少了一部分人工，但整个外置式安装成本依然比嵌入式安装方式高。
新型电感式位置传感器
本论文提出的新型电感式位置传感器同样由传感器定子和传感器转子两部分组成。典型的定子模块为一个印刷电路板，固定于直流无刷电机的定子上，在印刷电路板上绕有一组激励线圈和两组或以上且有一定相位差的接收线圈；典型的转子模块为一个特定几何图形的金属片，与电机的转子相连；放置于定子PCB板上的处理芯片和外围电路与定子电路板上的激励线圈与接收线圈和传感器转子，共同组成电感式位置传感器，其系统示意图如下：
1.当电机控制器给位置传感器通电后，处理电路配合激励线圈产生高频周期性交流电压和电流，流过激励线圈的交变电流将在定子模块区域内形成交变电磁场。
2.根据法拉第电磁感应定律可知，通过闭合线圈的磁通量发生变化，会在闭合线圈上产生感应电动势。当激励线圈上产生的交变电磁场穿过闭合接收线圈时，由于通过闭合接收线圈的磁通量发生交变，在每个扇形线圈上产生频率相同的交变感应电动势。
3.转子模块用于影响激励线圈和接收线圈之间的耦合关系，当电机转动时，带动转子模块一起旋转，激励线圈的交变电磁场使得转子模块产生涡流场，从而削弱激励线圈的电磁场。不均匀的电磁场将导致接收线圈上的感应电动势发生变化。当转子模块与定子模块发生相对变化时，在接收线圈上得到1个或多个周期性变化的电压信号曲线，通过处理电路计算后得到电机所需编码信号。
下面，将通过一个四对极120°三相直流无刷电机的位置传感器的案例来说明本文所述新型电感式位置传感器的实现方式。
（一）传感器定子板结构实例
上图是一个应用于四对极120°直流无刷电机的电感式传感器定子示意图，一共有四组线圈，#22为激励线圈，#23， #24， #25 为三组接收线圈，其按120°的相位排列。传感器定子板上还有一个处理芯片和三个电容与激励线圈和接收线圈相连，给激励线圈提供激励，处理接收三相接收线圈的输入信号，并计算输出传感器转子的位置信号。
（二）传感器转子结构实例
本实例的传感器转子为一个有4个叶片的金属片，中间有个空洞，便于与电机主转轴联结。
（三）新型电感式位置传感器的结构特点
与现有霍尔式位置传感器方案相比，本论文所提出的新型电感式位置传感器的结构有以下特点：
1.原来的霍尔PCB板，替换为新的电感PCB板，安装方式不变，
只是PCB板上的三个霍尔传感器变为一个新的处理电路芯片。
2.原来的霍尔传感器磁环转子替换为一个特定形状的金属片，成本降低，安装方便，更重要的是，不用再担心磁环破碎或者震裂产生的失效。
3.新型电感式位置传感器的输出信号可以为UVW、正交AB和正余弦等方式，其中UVW输出形式与霍尔传感器方案完全兼容。
4.极对数相同的不同尺寸电机可以复用一种新型电感式位置传感器方案。即使是120度和60度不同的电机，只要进行处理芯片的简单编程，PCB定子板可以完全复用，而不用重新设计传感器定子板，更改霍尔传感器的位置。
5.可靠性高。整个传感器只有一个处理芯片和外围2-3个电容，其余都是硬件连线，工作温度范围宽，可靠性高；采用机械强度高的材料（如金属）更容易加固转子模块与电机转轴之间的连接，在转速过快的情况下因其本身材料的坚固也不会发生变形、碎裂的情况。
6.灵活的应用安装方式，传感器安装在外壳内，并以穿轴的方式安装和应用，也可以根据电机结构限制采取转轴末端安装或者侧边安装的方式。多样的安装方式保证了本发明中涉及的电磁感应式编码器在各类型电机应用都能灵活自如。
7.适用于各种特种电机应用，尤其是特种小尺寸电机。电感式位置传感器定子板的尺寸可以小到15mm，处理芯片的位置可以与电机控制电路放在一起，更好的节省电机空间。
8.定子板上的三组接收线圈与转子图形配合，使转子的叶片数可以与电机的极对数不同，举例来说，4个叶片的传感器金属片转子，可以适用于各种极对数的电机
9.成本低。电感式位置传感器的定子板与霍尔传感器的定子板大小一样，不增加成本，处理芯片的成本与三个高精度霍尔芯片比，成本要低；电感式传感器的转子铁片成本要低于霍尔传感器转子磁环的成本；安装成本方面，电感式位置传感器定子板上的器件都是贴片封装，不需要人工参与，成本大大降低；电感式位置传感器的复用性强，方便电机企业备货，降低了成本。
新型电感式位置传感器
综上所述，本论文提出的一种新型电感式位移传感器，可以很好的兼容现有的霍尔式位置传感器，解决了霍尔式位置传感器的存在的一些缺点，并且从成本角度看，也具有优势，是无刷直流电机位置传感器的一个优选方案。
参考文献
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论文作者:杨莹
论文发表刊物:《电力设备》2017年第17期
论文发表时间:2017/10/19
标签：霍尔论文; 传感器论文; 定子论文; 转子论文; 电机论文; 线圈论文; 位置论文; 《电力设备》2017年第17期论文;