可寄生式双极电感绝对角度传感器研究.pdf

可寄生式双极电感绝对角度传感器研究张 波 陈小丽 郭赫男 瞿金晨 李 杰李建华*姜 勇 闻小龙(北京科技大学数理学院 北京 100083)(北京市弱磁检测及应用工程技术研究中心 北京 100083)(传感技术国家重点实验室 上海 200050)摘 要：角度传感器作为电机的核心定位部件，对电机的定位精度有重要影响。该文设计了一种双极电感式绝对角度传感器，该传感器通过周期性改变线圈中感应电压的大小来测量角度，敏感结构主要包括转子和定子，可实现与电机主轴的一体化。其中转子由内外单周期、多周期扇形铜箔组成，形成双极布局，定子由激励线圈、接收线圈以及后续处理电路组成。定子中的两组接收线圈，一组线圈由8个回路组成，对应为外沿多周期扇形铜箔，另一组由2个回路组成，对应中心180扇形(半圆形)铜箔，两组线圈相互独立，互不影响。当转子在接收线圈上方转动时，转子中产生的涡流会使相邻两个接收线圈感应电压呈周期性正余弦形式变化。8回路线圈测量精度高，但360内会出现多个周期信号，无法实现绝对位置测量。而2回路线圈在360范围感应出1个周期信号，通过2回路线圈为8回路线圈提供周期数鉴别，进而解决了绝对位置测量的问题。通过算法对正余弦信号进行识别解算，以高精度转台为基准对样机进行测试，结果表明，传感器测量误差可以达到0.04，满足电机位置控制精度要求，验证了该方案的可行性。关键词：电机定位；双极；电感式角度传感器；电磁感应；绝对位置中图分类号：TN762;TP212.1文献标识码：A文章编号：1009-5896(2023)06-1944-08DOI:10.11999/JEIT220610Research on Parasitic Bipolar Inductance Absolute Angle SensorZHANG Bo CHEN Xiaoli GUO Henan QU Jinchen LI Jie LI Jianhua JIANG Yong WEN Xiaolong(Department of Physics,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China)(Beijing Engineering Research Center of Detection and Appli-cation for Weak Magnetic Fieldy,Beijing 100083,China)(The State Key Laboratory of Transducer Technology,Shanghai 200050,China)Abstract:As the core positioning component of the motor,the angle sensor has an important impact on thepositioning accuracy of the motor.In this paper,a bipolar inductive absolute angle sensor is designed.Thesensor measures the angle by periodically changing the induced voltage in the coil.The sensitive structuremainly includes the rotor and stator,the integration with the motor spindle can be realized.The rotor iscomposed of inner and outer single cycle and multi cycle fan-shaped copper foil in a bipolar layout,and thestator is composed of excitation coil,receiving coil and subsequent processing circuit.There are two groups ofreceiving coils in the stator.One group of coils is composed of 8 loops,corresponding to multi cycle sectorcopper foil on the outer edge,and the other group is composed of 2 loops,corresponding to 180 sector(semicircular)copper foil on the center.The two groups of coils are independent of each other and do not affecteach other.When the rotor rotates above the receiving coil,the eddy current generated in the rotor will makethe induced voltage of two adjacent receiving coils change in the form of periodic sine and cosine.The 收稿日期：2022-05-13；改回日期：2022-09-05；网络出版：2022-09-09*通信作者：李建华基金项目：国家自然科学基金(62031025)，传感技术联合国家重点实验室基金(SKT2105)，中央高校基本科研业务费(FRF-BR-20-02B)Foundation Items:The National Natural Science Foundation of China(62031025),The Project of State Key Laboratory of Transducer TechnologyChina(SKT2105),The Fundamental Research Funds for the Central Universities(FRF-BR-20-02B)第45卷第6期电 子 与 信 息 学 报Vol.45No.62023年6月Journal of Electronics&Information TechnologyJun.2023measurement accuracy of 8-loop coil is high,but multiple periodic signals will appear within 360,so theabsolute position measurement cannot be realized.By measuring the number of cycles of the coil,the problemis solved by identifying the number of cycles of the coil 1 and the number of cycles of the coil 2.The sine andcosine signals are identified and solved by the algorithm,and the prototype is tested based on the high-precision turntable.The results show that the measurement error of the sensor can reach 0.04,which meets therequirements of motor position control accuracy,and verifies the feasibility of the scheme.Key words:Motor positioning;Bipolar;Inductive angle sensor;Electromagnetic induction;Absolute position 1 引 言随着自动化控制及高精度电机技术的不断发展，角度传感器作为常用的电机定位设备，作为最前端位置精准检测的核心部件，其精度高低直接决定了电机的性能和品质，越来越受到各界的重视。角度传感器按照其结构布局可以分为接触式和非接触式。接触式传感器主要以旋转滑动变阻器(电位计)形式为主。非接触式角度传感器主要分为容栅式、光电式、磁电阻式、霍尔效应式等几类1。由于接触式传感器存在机械磨损等工况，其在使用过程中精度逐渐下降，可靠性降低2。相比于接触式，非接触式传感器在可靠性方面有较大的提升，但根据原理不同，各类非接触式传感器也存在各自缺陷。例如容栅式角度传感器结构简单，成本低，但其体积较大，难以集成且稳定性较差。霍尔效应式角度传感器的优点是不受电磁干扰，可用于复杂电磁环境中，但缺点是温漂系数较大 3。光电式角度传感器测量精度高，但无法适用于油污、粉尘、振动等测量环境，且结构复杂，对其制作工艺、制造设备及生产条件要求苛刻 4,5。近年来，随着磁传感器技术的不断发展，出现了基于各向异性磁阻(Anisotropic Magneto Resistive,AMR)和巨磁电阻(Giant Magneto Resistive,GMR)的角度传感器6,7，这类传感器结构简单，体积小巧，抗污防尘，抗冲击性强，受温度影响小，可靠性高，但其仍有分辨率和精度不够高的缺点。旋转变压器式(旋变式)角度传感器是基于磁通量变化原理，类似于变压器结构，将原边、副边绕组随转子的角位移发生相对位置的改变转换为磁通量的变化，进而实现角度测量。旋变式角度传感器精度高，且可用于振动、冲击、灰尘、油污等苛刻环境。但其结构较为复杂，成本高昂导致其大规模应用受到限制。电感式角度传感器是最近新兴的一种角度测量技术，具有非接触、高转速、抗油污、可灵活设计结构尺寸等突出优势，拓宽了角度传感器的适用范围。基于电磁感应原理，将角度变化转化为线圈感应电压变化进而实现角度测量，其核心感应元件仅为线圈和检测转子，结构简单，且可以设计为中空形式，能够高度集成到自动化及电机设备中，这将有助于在工业应用中取得巨大突破。但该种传感器转子旋转一圈过程会对应多个周期信号，导致这种角度传感器只能实现增量测量，无法实现绝对位置测量。为解决绝对位置测量的问题，本文将电感传感器转子设计为内外双极型结构，其中转子中心为半圆形结构，为单周期对称设计，转子外沿为四周期扇形分布结构，为四周期对称设计，对应的感应线圈也设计内外两组单、四周期布局。该电感角度传感器通过两组内外线圈组合，在测量过程中，单周期线圈信号对多周期线圈信号所处周期位数进行识别，多周期线圈信号对所处角度位置进行识别，从而实现了在高精度测量的基础上，同时具备了绝对位置测量的功能。2 双极型电感角度传感器原理 2.1 基本测量原理电感式角度传感器基于电磁感应原理，敏感单元包括激励线圈和感应接收线圈，通过向激励线圈通入高频交流信号，从而产生对应的交变磁场，感应接收线圈进而会感应出电压。当铜箔转子存在于激励线圈上方时，其内部会在交变磁场的作用下产生涡流，而该涡流又会在铜箔表面形成涡流磁场8,9，涡流磁场与原激励磁场方向相反，即会削弱相应位置的激励磁场。因此，铜箔转子在旋转过程中，接收线圈感应的电压信号便会随之周期性变化，形成与转子角度之间的映射关系10。图1为国际知名磁 图 1 Melexis公司研发的多周期电感式角度传感器第6期张 波等：可寄生式双极电感绝对角度传感器研究1945传感器厂商欧洲Melexis公司研发的多周期电感式角度传感器结构形态，为增量型角度传感器。为实现传感器的绝对位置测量，本文通过设计双极型转子和对应双极线圈实现对多周期信号的周期位数识别，从而达到绝对位置测量的目的。其