1引言
隨著高精度、高穩(wěn)定的電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的發(fā)展，作為系統(tǒng)速度反饋元件的檢測(cè)元件也在不斷更新。在電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)速反饋的脈沖數(shù)愈多，系統(tǒng)F/V變換器的分辨率也愈高，電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制精度也越高。目前，檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速的檢測(cè)元件有三種，一種是常用的頻率發(fā)生器(FG)，但由于制造其矩形波繞組，間距太小，受到限制，它提供的正比于電機(jī)轉(zhuǎn)速的反饋信號(hào)頻率也會(huì)有一定限制。另一種是光電編碼器，它檢測(cè)的輸出量是數(shù)字量，并能提供較多的脈沖數(shù)，因而分辨率高，但由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，光碼盤(pán)制造精度高，且對(duì)使用環(huán)境條件的要求及長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)的維護(hù)，都使它的應(yīng)用受到了限制。第三種是磁變阻傳感器，簡(jiǎn)稱(chēng)MR傳感器。MR傳感器采用了磁變阻元件，簡(jiǎn)稱(chēng)MR元件，這種元件的電阻值隨磁場(chǎng)的變化而變化，故稱(chēng)磁變阻MR元件。它的****特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造方便，適于小型輕量化，不受環(huán)境條件的影響，耐振耐沖擊，工作可靠，無(wú)需維修，壽命長(zhǎng)，價(jià)格低廉。MR傳感器的輸出波形與磁場(chǎng)波形相同．且其頻率為磁場(chǎng)波形的2倍，即頻率倍增，同時(shí)，其結(jié)構(gòu)與電機(jī)易于結(jié)合，有利于簡(jiǎn)化電機(jī)結(jié)構(gòu)，減小電機(jī)昀體積。本文介紹MR傳感器的特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)及其基本工作原理。
2 MR傳感器的結(jié)構(gòu)和基本原理
圖1表示MR傳感器由磁轉(zhuǎn)子和MR元件兩個(gè)主要部分組成。
磁轉(zhuǎn)子是由永磁材料制成的扁平圓環(huán)體。在圓環(huán)體的外表面有NS多對(duì)極，極對(duì)數(shù)一般在120對(duì)以上。
永磁圓環(huán)體多采用塑磁注射成形，并成形在電工鋼板制成的轉(zhuǎn)子架上，成形方便，造價(jià)低廉。
2.2 MR元件
根據(jù)使用材質(zhì)的不同分為兩種形式．一種是由銻化銦(lnSb)或砷化鎵(GaAs)等半導(dǎo)體材料制成．稱(chēng)為半導(dǎo)體MR元件。另一種是由鎳鐵(NiFe)或鎳鈷(NiCo)系等強(qiáng)磁性材料制成，稱(chēng)為強(qiáng)磁性MR元件。前者磁敏度低，后者磁敏度高，其中尤以NiFe系強(qiáng)磁性MR元件的磁敏度****，可在場(chǎng)強(qiáng)4kA/m以下場(chǎng)合使用，應(yīng)用****泛。
2.3基本原理
圖2為MR元件的磁場(chǎng)與磁化示意圖。MR元件的磁分子電流在外磁場(chǎng)H下磁化方向當(dāng)MR元件中流過(guò)電流i與磁化的方向夾角為咿，則MR元件的電阻值由下式表示：
很明顯，當(dāng)飽和磁化方向與電流方向平行時(shí)，θ=0度，電阻****。當(dāng)飽和磁化方向與電流方向垂直時(shí)，θ=90度，電阻最小。
有
由式(3)作曲線(xiàn)，得圖3，即MR元件中電阻變化率隨磁場(chǎng)變化的關(guān)系曲線(xiàn)。該曲線(xiàn)是近似一條倒過(guò)未的正態(tài)分布曲線(xiàn)。無(wú)論磁場(chǎng)增加或減少，其電阻變化率隨磁場(chǎng)變化是一致的。圖3所示是NiFe系MR元件的電阻變化率隨磁場(chǎng)變化的曲線(xiàn)，其變化率****為百分之3。
2.4輸出特性
圖4所示為MR元件在頻率為ω∞、的正弦波磁場(chǎng)作用下而得到的輸出特性。由圖可知，其輸出也為正弦波信號(hào)，且其頻率倍增，即2ω。
由于電阻變化率隨磁場(chǎng)變化曲線(xiàn)并馬}線(xiàn)性，因此即使在正弦波輸入磁場(chǎng)作用下，其輸出實(shí)際上并非正弦波，而含有高次諧波。
2.5 MR元件的等值電路
通常MR元件由兩個(gè)MR元素反接串聯(lián)組成三端子線(xiàn)路（參見(jiàn)圖5a、b）。這種結(jié)構(gòu)稱(chēng)為單組三端子接線(xiàn)。這時(shí)有：
由于MR元素的電阻溫度系數(shù)大，所以一般不采用單組三端子接線(xiàn)，而采用并聯(lián)H式兩組三端子接線(xiàn)（參見(jiàn)圖6），對(duì)角線(xiàn)輸出，以實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償。
同樣，可有：
式中比例系數(shù)K未列入。
從圖1可見(jiàn)，MR傳感器的輸出尚須經(jīng)運(yùn)算放大器輸出，故其通常輸出是：
在實(shí)際輸出曲線(xiàn)中，由于含有高次諧波，所以在MR元素分布結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)盡可能消除高次諧波的影響。
由式(7)可知，為消除輸出中偶次諧波的影響，應(yīng)使α=π，則有：
為消除輸出中奇次尤其是3次諧波的影響，應(yīng)使α1=2/3π有：
這就確定了通常并聯(lián)兩組MR元素的相對(duì)位置�？紤]到三角函數(shù)的周期性，結(jié)合MR傳感器總體設(shè)計(jì)要求和制造方便，α和α1值可在下列范圍內(nèi)任�。�
3 MR傳感器在無(wú)刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)中的應(yīng)用
無(wú)刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子是永磁轉(zhuǎn)子，將MR傳感器的磁轉(zhuǎn)子與其永磁轉(zhuǎn)子組合成一體，而不需專(zhuān)門(mén)的磁轉(zhuǎn)子，即簡(jiǎn)化了MR傳感器的結(jié)構(gòu)，又縮小了系統(tǒng)的體積。傳感器的MR元件就放在靠近永磁轉(zhuǎn)子圓周表面附近，保持一定間隙，并安裝在印制板上。
磁轉(zhuǎn)子采用徑向異性塑磁注射成形，安裝在永磁轉(zhuǎn)子架上。這種塑磁材料的特點(diǎn)是，高磁能積、高耐熱穩(wěn)定性和徑向方向上的磁均勻性，可以在徑向充任意多對(duì)極，如錄相機(jī)用主導(dǎo)軸無(wú)刷直流電機(jī)，其磁轉(zhuǎn)子外表面徑向極對(duì)數(shù)多至180、360對(duì)。
這種傳感器中采用的MR元件，其結(jié)構(gòu)就是并聯(lián)H式兩組三端子接線(xiàn)（見(jiàn)圖6)它的各個(gè)MR元素對(duì)其磁轉(zhuǎn)子的相互排列位置如圖7所示。
按圖7排列位置，其輸出由式(7)得到：
可見(jiàn)，隨著永磁轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)，其運(yùn)算放大器的輸出端可獲得一正比于電機(jī)轉(zhuǎn)速的頻率反饋信號(hào)，為電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)提供了轉(zhuǎn)速反饋信號(hào)。
4結(jié)語(yǔ)
MR傳感器可作為一種速度傳感器使用．又由于它具有其它速度傳感器無(wú)可比擬的優(yōu)點(diǎn)，且性能價(jià)格比****，因此它越來(lái)越受到人們的廣泛重視。 |
