具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

如图1和图2所示，在该实施例中，基于永磁同步直线电机的霍尔位置传感器的系统包括永磁同步直线电机100和霍尔位置传感器200。永磁同步直线电机100包括动子10(图中未示出)和定子12(图中未示出)。

如图1所示，永磁同步直线电机100包括框架主体。框架主体包括动子载物台150、滑块151、滑轨153、定子磁钢155和定子磁轭157。动子载物台150用于承载永磁同步直线电机100的动子10(图中未示出)。滑块151设置于动子载物台150的侧下方，可沿着滑轨153直线运动，从而带动动子载物台150沿直线方向运动。在动子载物台150的下方具有定子磁钢155和定子磁轭157，定子12通过定子磁轭157布置于永磁同步直线电机100的框架主体上。如图2所示，霍尔位置传感器200设置于动子载物台150的端面，也可视为霍尔位置传感器200设置于动子10的端面。霍尔位置传感器200同时位于定子12的永磁体的上方。

如图3所示，工作时，永磁同步直线电机100的动子10在其与定子12之间形成的电磁推力作用下，就会在行波磁场的方向实现直驱。霍尔位置传感器200通过感应永磁同步直线电机100的永磁体上表面的空间气隙磁场，将磁信号信息转换成霍尔输出电压信号。此外，为了使得永磁同步直线电机100能够实现直线运动方向的控制，可通过A、B、C三相电流的相序变换控制来改变永磁同步直线电机100的位移方向。

如图4所示，永磁同步直线电机100的定子的永磁体结构示意图。定子12可产生按固定规律变化的磁场。定子12包括永磁体，永磁体包括多个永磁体N极121和永磁体S极122。其中，多个所述永磁体N极121和永磁体S极122间隔且等间距地排列成固定阵列。在该实施例中，永磁体所用磁钢采用厚度方向充磁,以永磁体N极、S极的放置规律均匀排列成永磁体阵列。永磁体的下表面用金属粘合剂通过设计的工装贴在定子磁轭157的表面。霍尔传感器200通过感应永磁同步直线电机100的定子永磁体上表面的空间气隙磁场，将磁信号信息转换成霍尔输出电压。控制系统根据霍尔传感器200的电压信号实时检测出被控对象的相对位移。

优选地，永磁体的材料选用钕铁硼材料。钕铁硼永磁材料的剩磁、矫顽力和最大磁能积均高于其他稀土永磁材料，是现在磁性能最高的永磁材料。进一步地，钕铁硼永磁材料不易碎，密度小，有利于磁性器件的轻量化和小型化。普通钕铁硼永磁材料的缺点是温度系数较高，而对于超高矫顽力钕铁硼永磁材料也易被锈蚀，所以需要进行表面涂层处理。优选地，永磁体采用牌号为N38H的钕铁硼材料制成平行充磁镀镍的磁钢作为永磁体，其主要性能参数如表1所示。

表1 N38H主要性能参数

N38H的钕铁硼材料的磁感矫顽力在916KA/m以上，其剩磁Br为1.27T，对于PMSLM的定子磁轭部分则选用铁氧体材料，有利于减小了磁路漏磁问题，可以让系统磁路的闭合完整性更好，有利于提高永磁同步直线电机100的气隙磁密。

永磁同步直线电机100的定子永磁体作为磁场激励源，不仅影响着永磁同步直线电机100的电机本体的性能，也对基于直线电机的霍尔位置传感器200的一体化设计有着决定性影响。本发明实施例为了更好地分析永磁同步直线电机100的空间磁场，对其空间磁场的数学模型进行了初步建立，为永磁同步直线电机100定子永磁体的设计分析提供理论模型。

在该实施例中，忽略定子永磁体的加工误差及设计差异，假定定子永磁体为一个尺寸为L×W×H的理想矩形永磁体，且均匀充磁为饱和状态。如图5所示的一个矩形永磁体模型，通过安培分子环流假可得，矩形永磁体内部的分子电流效应可相互抵消，从而宏观角度看矩形永磁体只存在表面电流，所以矩形永磁体外整个空间磁场只通过其表面闭合电流环路ABCDA(定义其电流强度为I)进行激发，那么，平行于面xoy的永磁体截面的面电流密度都可以表示为J＝1/h。

定义矩形永磁体内部的某一点为(x₀，y₀，z₀)，z₀和z₀+dz₀两者组成一个平面薄层电流环，点P(x，y，z)是在这个薄层外的任一点，dB是电流环A′B′C′D′A′在强度为Jdz₀的情况下的磁场，总磁场则可表示成:

C′D′式中，dB_x、dB_y与dB_z为点P处电流环A′B′C′D′A′在相应方向产生的磁场分量，也可以表示成A′B′、B′C′、C′D′、D′A′四个电流段的相应磁场分量的和。所以，以A′B′电流段为例进行、dB_y与dB_z理论公式的分析，此时x₀＝L。

定义r是电流元所在点指向点P的矢径，由毕奥萨伐尔定律

式中，μ0＝4π×10-7,为真空中的磁导率。可得

B′C′、C′D′、D′A′四个电流段的dB_xi、dB_yi与dB_zi(i＝2,3，4)可同理求得。设定ψ_i是一个用ψ₁，ψ₂，ψ₃作为自变量的函数记号，且定义：

则可得

定义Γ是一个用γ₁,γ₂,γ₃作为自变量的函数记号，φ是一个用γ₁,γ₂,γ₃作为自变量的函数记号，函数公式如下：

那么，矩形永磁体ABCDA在其外任意点总磁场则可表示成:

即永磁同步直线电机100的定子永磁体理想情况下的气隙磁场数学模型，由上文对霍尔效应的原理分析可得，霍尔传感器电压输出信号仅和永磁体空间磁场的B_y分量有关。且由B_y的数学模型可知，在不考虑磁场耦合的理想情况下，定子永磁体的尺寸与气隙是永磁体空间磁场的磁感应强度大小的主要因素，考虑直线电机定子整体，永磁体间距(文中直接用磁极距来体现)也会影响磁感应强度的大小分布，气隙是影响磁感应强度的大小的关键参数。

如图6所示，永磁同步直线电机100的定子磁场永磁体采用厚度方向(即图中箭头方向)充磁，按NS规律等间距排列在定子磁轭157上。如图7所示，多个所述永磁体N极和永磁体S极之间的间隔距离范围为1.5毫米至3.5毫米。空间中任一点的磁感应强度的大小主要由矩形永磁体的尺寸和气隙来决定。本发明实施例中，单个永磁体的尺寸从直线电机设计出发，再结合霍尔磁场信号源对磁极距和气隙进行优化。考虑直线电机结构以及实际工艺等因素，定子磁轭157的厚度范围为4毫米至8毫米，优选为定子磁轭厚度为6mm。单个永磁体厚度控制是防止磁钢内部形成漏磁，通常厚度为4mm～6mm.。根据直线电机实际应用和仿真优化，单个永磁体厚度优选为4.5mm。电机动定子设计需要耦合面积一致，这样保证充分利用，永磁体长度控制利用率，永磁体宽度控制极弧系数，降低直线电机的齿槽力。在该实施例中，经电机设计确定单个永磁体长度和宽度尺寸为55mm×10mm，永磁体间距为2.5mm。

本发明实施例所提供的基于永磁同步直线电机的霍尔位置传感器根据永磁同步直线电机选用的钕铁硼永磁材料以及单边型电机定子结构，建立了定子矩形永磁体空间磁场模型，结合有限元电磁仿真对永磁同步直线电机的定子永磁体磁场分布进行了分析，确保永磁同步直线电机性能的前提下确定了定子磁轭、永磁体尺寸、磁极距等结构参数。

霍尔效应是由美国物理学家霍尔于1879年发现的一种磁电效应。如图8所示，为N型半导体霍尔效应原理图。若其两侧的电流为I，存在一个磁感应强度为B且与半导体上下表面相垂直的磁场，则由于洛伦兹力使得片内载流子发生偏转，在其上下边缘形成霍尔电场。稳态时，载流子以初始方向继续运动，在霍尔元件上下边缘产生霍尔电压。霍尔传感器是基于霍尔效应可用于位置检测单元设计的磁敏元件。

霍尔传感器可分为输出数字信号的开关霍尔与输出模拟信号的线性霍尔。线性霍尔可以根据工作环境中的磁感应强度大小反馈出相应的电压信号，如图9所示为其输出特性曲线。曲线斜率对应着线性霍尔的灵敏度大小，对于磁场强度的变化能够较好地进行实时检测，并且具有高灵敏度能够准确跟踪较弱的磁场变化，可处理毫伏级模拟信号。

在该实施例中，为了更好地实现基于PMSLM检测单元的高精度位置反馈，以线性霍尔传感器作为磁敏元件进行检测单元的设计，霍尔位置传感器200为六霍尔信号的线性霍尔。优选地，霍尔位置传感器200选用Cosemitech公司的CH604ASR，其具有宽工作电压，可以线性输出。该霍尔元件内部集成了信号放大电路无需外接，电路设计灵活，有利于简化位移传感器的电路结构和降低产品成本，同时使得其结构尽量紧凑，四方霍尔传感元件也最大程度地减小了机械应力或热应力对输出的影响。

如图10所示，本发明实施例中的霍尔位置传感器200为六霍尔信号检测结构。目前在信号处理技术中，三次谐波还没有很好的办法进行消除，因此在信号检测结构设计中，主要分析三次谐波对传感器测量精度的影响。

根据磁场分析，磁钢产生的磁场为正弦信号，则霍尔输出信号也为正弦波，可表示为

式中λ为节距，V为电压幅值，x为位移。考虑到磁场的非线性，实际情况中会存在机械误差、随机干扰、零点漂移,霍尔元件的输出电压信号可以表示为

式中ε为幅值变化系数，Δ为零点漂移，ξ为随机误差。

考虑到磁场的非线性，霍尔元件A+感应出来的信号含有直流偏量和高次谐波，可表示为

式中Δ为信号直流偏量(V)，V_i为第i次信号幅值(V)。同理可得A-感应出来的信号可表示为

对信号和进行对径差分处理得到v_a(主要考虑2、3、4次谐波)，为

同理，可得

将式2.28中各式依次累加得到

因为对于任意位移，有

因此，式2.29转换为

因此信号中三次谐波成分计算为

则理论上原始采样信号v_a、v_b、v_c分别减去式2.32可以消除三次谐波，得到的三相理论正弦信号V_A、V_B、V_C可表示为

因此三相信号归一化后的信号理论输出波形如图11所示。

本发明实施例所提供的基于永磁同步直线电机的霍尔位置传感器基于霍尔效应原理结合永磁同步直线电机的定子空间结构及电气模型，进行了基于线性霍尔传感器的信号发生结构设计，采用“三相六霍尔”的信号发生结构消除了三次谐波对位置传感器测量精度的影响。

由于霍尔传感器利用永磁同步直线电机100自身的定子永磁体空间磁场，以及其自身的特性，初步可以看出霍尔直线位置传感器能够与直线电机系统进行较好的一体化设计，如图2所示。但由于结合紧密且基于线性霍尔的位置传感器测量精度直接受磁场强度影响，电机结构和其存在的端部效应等因素带来磁场信号的谐波特性，会影响永磁同步直线电机100定子磁场的空间分布，所以需要对霍尔传感器安装位置的空间磁场进行分析并其优化，而水平位置是影响其磁场谐波的首要因素。

对于永磁同步直线电机100的气隙空间磁场谐波主要包括电枢绕组磁动势谐波、永磁体磁动势谐波及气隙磁导谐波(包括齿槽效应谐波和端部效应谐波)。永磁同步直线电机100动定子直接耦合气隙空间磁场由于受电枢绕组磁动势谐波、齿槽效应谐波影响，对磁场特性影响很大，而由于初期考虑将霍尔传感器安装在永磁同步直线电机100动子端部近端，所以可以很大程度减少这些谐波对霍尔磁场激励信号质量的影响。

如图12所示，本发明实施例分别在永磁同步直线电机100空载情况下，距离其动子端部0mm、5mm、10mm、20mm等进行了磁场谐波分布仿真及傅里叶分析。从图12可以看出，当靠动子端部较近时，二、三次等谐波占比较高，距离10mm附近的时候开始明显降低，结合表2中各种磁场谐波占基波百分比的具体数据情况得出，霍尔传感器基于永磁同步直线电机100的端部的水平安装位置由距离0mm移动到10mm的过程中，磁场谐波占基波百分比急剧下降，磁场谐波影响减弱；由距离0mm移动到30mm的过程中，磁场谐波占基波百分呈总体下降趋势但趋于平缓。结合实际永磁同步直线电机100一体化结构设计考虑，霍尔位置传感器200距离所述动子端部的水平距离范围为5毫米至15毫米。优选地，最终霍尔阵列中首个霍尔位置传感器200距永磁同步直线电机100的水平安装位置距离优化值为10mm。

表2磁场谐波傅里叶分析中占基波百分比(％)情况

永磁同步直线电机100的定子磁轭157上永磁体按照N、S规律均匀排布，该永磁同步直线电机100的定子永磁体气隙空间磁场具有一定的规律性，随着水平与高度方向变化。根据检测原理可知霍尔传感器以一定排列方式安装能够输出磁场信号实现位置测量。上文对霍尔永磁同步直线电机100的系统磁场谐波分布对传感器的水平安装位置进行分析优化，霍尔传感器能否精准测量出当前位置磁场强度大小是电机位置检测精度的关键，即确保传感器位于合适的输出磁场范围即可，所以需要结合永磁同步直线电机100系统磁场强度大小分布进行霍尔传感器气隙高度的优化。

定子永磁体上方的空间磁场磁感应强度呈规律的正弦形状变化并在某一个气隙高度产生理想的正余弦信号，此外随着定子永磁体上方高度的上升其磁感应强度在充磁方向迅速变弱。为了确定霍尔传感器检测单元在永磁同步直线电机100系统空间磁场的最佳气隙高度，通过调整磁钢和霍尔元件之间气隙以观测它们之间气隙处磁场强度。

如果霍尔位置传感器200在永磁同步直线电机100定子永磁体上方距离过高(即气隙高度过大)，那么磁感应强度相对较弱对应霍尔输出电压信号较小，不利于霍尔位移电压信号的处理以及AD模块的利用率；如果检测单元在永磁同步直线电机100的定子永磁体上方距离过低(即气隙高度过小)，那么磁感应强度相对较强对应霍尔输出电压信号较大，霍尔位移电压信号输出波峰会被“削平”带来检测错误。

考虑微处理器内置模数转换模块的模拟电压输入范围为0～3.6V，工作电压为3.3V，为了提高传感器的测量精度和分辨率，霍尔传感器的电压输出变化范围应尽量接近3.3V。此外，AD转换模块的使用直接影响线性霍尔检测单元的分辨率，其量程利用率一般要超过0.67来提高检测分辨率。根据选用的CH604ASR线性霍尔特性以及温度漂移的因素，霍尔传感器感应出的电压信号峰值为2.7-3.1V最合适，且实际情况中PMSLM定子永磁体存在漏磁，对应的磁场强度大小最优范围为1000～1200G。

在保持合适的水平位置情况下线性霍尔传感器气隙高度在6.6-8.0mm的范围区间内的最大磁场密度大小情况，在气隙高度为7.5mm情况下，最大磁密值为1107G，并考虑到实际的制造安装，此时的线性霍尔传感器气隙高度较为合适。霍尔位置传感器200距离所述永磁体上方表面的垂直高度范围为5毫米至10毫米。优选地，霍尔位置传感器距离所述永磁体上方表面的垂直高度为7.5毫米。

在本发明实施例中，针对永磁同步直线电机的定子永磁体空间气隙磁场谐波对线性霍尔信号的影响，分别对永磁同步直线电机位置检测单元在其空间磁场的水平安装和垂直安装进行了有限元电磁仿真分析和傅里叶磁场谐波分析，对霍尔位置传感器的安装位置进行了优化，最大程度避免了永磁同步直线电机平台与霍尔位置传感器之间的干扰，又充分利用了永磁同步直线电机自身的空间气隙磁场，从而实现了永磁同步直线电机结构紧凑性和霍尔位置传感器一体化设计理念。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。