磁电式转速传感器的优化设计
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线圈 永久磁铁
鬯
图 １ 磁电式转速传感器结构图
Ｆｉｇ １ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆｍａｇｎｅｔｏｅｌｅｃｔｒｉｅ ｒｏｔａｔｉｏｎａｌ ｓｐｅｅｄ ｓｅｌｌ￥ｏｒ
收 稿 日期 ：２０１２－０７－２９ 基金项 目：四川省教育厅重点资助项 目（１１２０２０１５）；四川省机械 电子工程重点学科 （西华大学 ）资助项 目；四川省制造与 自动化重点实验 室
Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｍａｇｎｅｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｓｐｅｅｄ ｓｅｎｓｏｒ ｉｓ ｗｉｄｅｌｙ ｕｓｅｄ ｉｎ ｒｏｔａｔｉｏｎａｌ ｓｐｅｅｄ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ．Ｉｎ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｐｒａｃｔｉｃｅ， ａ ｔｒａｎｓｉｅｎｔ ｈｉｇｈ ｖｏｌｔａｇｅ ａｐｐｅａｒｓ ｗｈｅｎ ｒｏｔａｔｅ ａｘ ｉｓ ｓｔａｒｔｉｎｇ，ｗｈｉｃｈ ｈａｓ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｎ ｓｕｂｓｅｑｕｅｎｔ ｓｉｇｎａ ｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｃｉｒｃｕｉｔ．Ａｉｍｉｎｇ ａｔ ｔｈｅ ａｂｏｖｅ ｐｒｏｂｌｅｍ ，ｍａｇｎｅｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｓｐｅｅｄ ｓｅｎｓｏｒ ｗｈｉｃｈ ｈａｓ ａｎ ｅｎｔｉｒｅｔｙ ｃｉｒｃｕｌａｒ ｒｉｎｇ ｓｔｎｉｃｔｕｒｅ ｉｓ ｒｅｓｅａｒｃｈｅｄ．Ａｎｓｏｆｌ Ｍ ａｘｗｅｌｌ ｉｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｂｕｉｌｄ ａ ｍａｇｎｅｔｏ—ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｓｐｅｅｄ ｓｅｎｓｏｒ ｍｏｄｅｌ ｗｈｉｃｈ ｈａ ｓ ａ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ
Ｕ，、 Ｄｔ·－ ｉ ｍ － ｉ ｚａｔ·ｉ－ ｏｎ ｄ’ ｅｓｉ‘ ｇｎ ０ｎ ｍ ａｇｎｅｔＪ ０ｅ● ｌ ｅＣｔ』 ｒｌ● Ｃ ｒｏｔ· ａｔ·ｉ· ｏｎａ’ ｌ
ｓｐｅｅｄ ｓｅｎｓｏｒ
ＸＵ Ｇｕａｎｇ－ｗｅｉ，ＳＯＮＧ Ｃｈｕｎ—ｈｕａ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍ ｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，Ｘｉｈｕａ Ｕｎ ｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ ６１００３９，Ｃｈｉｎａ）
１ 电式转速传感器设计 １．１ 磁 电式 转速 传 感 器 的结 构 与原 理
图 ｌ所示为磁 电式 转速传 感器 的结构 图 ，它 由装 在轴 上的 内齿轮和外齿路 、感应线 圈、永久磁铁等部分组成。 当 内齿轮和外齿 轮的齿 凸相对时 ，气 隙最小 ，磁阻最 小 ，磁 通 最大 ；当内齿轮和外齿轮 的齿 凹相对 时 ，气 隙最大 ，磁 阻最 大 ，磁通 最小 。
式 、离心式 、电涡流式和霍尔式等。其 中磁 电式转速传感器是 一 种机一电能量转换型传感器 ，不需供电电源 、电路简单 、性能 稳定 、输出信号强，因此 ，在实际工程中具有广泛 的应用 Ｊ。
磁 电式转速传感 器基于 电磁感 应原理 ，通 过磁 电相互 作 用把转轴 的转速转 换成相 对应 的感应 电动势 ，再 经过对 输 出感 应 电动势信号进行处理 和分析就可 以得到转轴 的实 际转速 。在实际应用 中 ，当转轴启动 的速度过快 时 ，会产 生 一 个瞬时高 电压对信 号处 理 电路 产生较 大 的危害 。因此 ， 本 文对 磁电式转速传 感器 的永磁体 结构进 行 了研 究 ，设计 了一种 启动时无瞬 时高 电压 的磁 电式转 速传感 器 。同时 ， 设计 了磁 电式转速传感器 的信 号处 理电路 。
ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ ｗｉｔｈ ｅｉｇｈｔ—ｐｉｅｃｅ ｔｉｌｅ ａｎｄ ｍｅａｓｕｒ ｉｎｇ ｒａｎｇｅ ２０ Ｎ·ｍ．Ａ ｄｅｓｉｇｎ ｐｒｏｐｏｓａｌ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ
ｒｅｓｕｌｔｓ ｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｍ ｅａｎｗｈｉｌｅ，ｔｈｅ ｓｉｇｎａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｃｉｒｃｕｉｔ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ，ａｎｄ ｓｉｍ ｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ ｈａｓ ｇｏｏｄ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ｖａｌｕｅ．
２０１３年 第 ３２卷 第 ２期
传感器与微 系统 （Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ ａｎｄ Ｍｉｃｒｏｓｙｓｔｅｍ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ）
９３
磁 电式 转 速 传 感 器 的优 化 设 计
徐 光卫 ，宋春 华
（西华大学 机械 工程与 自动化学 院，四川 成都 ６１００３９）
摘 要 ：磁电式转速传感器在转 速的测量 中具有广泛 的应用 。在实 际工程 中 ，当转 轴启 动时往往 会产生 一 个 瞬时的高 电压 ，从 而对 后续的信号处理 电路产生 一定 的影响 。针对上述 问题 ，对原来具有整体圆环结 构永磁体 的磁 电式转速传感器进行 了研究 。通 过使用有 限元分 析软件 Ａｎｓｏｆｌ Ｍａｘｗｅｌｌ建立 具有 ８片瓦型 永磁 体结构 、量程 为 ２０Ｎ·ｍ的磁 电式转速传感器模型并进行仿 真。根据仿真结果得到一种启动时无瞬时 高电压的 ２０ Ｎ·ｍ磁 电式转速传感 器的设计 方案。 同时 ，设计 了磁 电式转速传感器 的信号处理 电路 ，仿真 结果表 明 ：所设计 的电路具 有很 好的实用性 。 关键词 ：磁 电传感 器 ；转速传感器 ；永磁体 ；有限元分析 ；信号处理 中图分 类号 ：ＴＨ８２４ 文献标识码 ：Ａ 文章 编号 ：１０００－－９７８７（２０１３）０２－００９３－－０３
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｍａｇｎ ｅｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｓｅｎｓｏｒ；ｒｏｔａｔｉｏｎａｌ ｓｐｅｅｄ ｓｅｎｓｏｒ；ｐｅｒ ｍ ａｎｅｎｔ ｍａｇ ｎｅｔ；ｆｉｎｉｔｅ—ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎａ ｌｙｓｉｓ（ＦＥＡ）；
ｓｉｇｎａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ
０ 引 言 转速传感器按照工作原理的不同可 以分为 ：磁电式 、光 电
（西华大学 ）资助项 目（ＳＺＪＪ２０１１－ ０１８）
Hale Waihona Puke Baidu
传 感 器 与 微 系 统
第 ３２卷
这样 当内齿轮与 外齿轮 相对 运动 时 ，传 感器 的磁通 就 发生周期性变化 ，从而在线圈中感应出电动势信号 。 １．２ 电磁 场 分析 理论 基 础
鬯
图 １ 磁电式转速传感器结构图
Ｆｉｇ １ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆｍａｇｎｅｔｏｅｌｅｃｔｒｉｅ ｒｏｔａｔｉｏｎａｌ ｓｐｅｅｄ ｓｅｌｌ￥ｏｒ
收 稿 日期 ：２０１２－０７－２９ 基金项 目：四川省教育厅重点资助项 目（１１２０２０１５）；四川省机械 电子工程重点学科 （西华大学 ）资助项 目；四川省制造与 自动化重点实验 室
Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｍａｇｎｅｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｓｐｅｅｄ ｓｅｎｓｏｒ ｉｓ ｗｉｄｅｌｙ ｕｓｅｄ ｉｎ ｒｏｔａｔｉｏｎａｌ ｓｐｅｅｄ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ．Ｉｎ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｐｒａｃｔｉｃｅ， ａ ｔｒａｎｓｉｅｎｔ ｈｉｇｈ ｖｏｌｔａｇｅ ａｐｐｅａｒｓ ｗｈｅｎ ｒｏｔａｔｅ ａｘ ｉｓ ｓｔａｒｔｉｎｇ，ｗｈｉｃｈ ｈａｓ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｎ ｓｕｂｓｅｑｕｅｎｔ ｓｉｇｎａ ｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｃｉｒｃｕｉｔ．Ａｉｍｉｎｇ ａｔ ｔｈｅ ａｂｏｖｅ ｐｒｏｂｌｅｍ ，ｍａｇｎｅｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｓｐｅｅｄ ｓｅｎｓｏｒ ｗｈｉｃｈ ｈａｓ ａｎ ｅｎｔｉｒｅｔｙ ｃｉｒｃｕｌａｒ ｒｉｎｇ ｓｔｎｉｃｔｕｒｅ ｉｓ ｒｅｓｅａｒｃｈｅｄ．Ａｎｓｏｆｌ Ｍ ａｘｗｅｌｌ ｉｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｂｕｉｌｄ ａ ｍａｇｎｅｔｏ—ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｓｐｅｅｄ ｓｅｎｓｏｒ ｍｏｄｅｌ ｗｈｉｃｈ ｈａ ｓ ａ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ
Ｕ，、 Ｄｔ·－ ｉ ｍ － ｉ ｚａｔ·ｉ－ ｏｎ ｄ’ ｅｓｉ‘ ｇｎ ０ｎ ｍ ａｇｎｅｔＪ ０ｅ● ｌ ｅＣｔ』 ｒｌ● Ｃ ｒｏｔ· ａｔ·ｉ· ｏｎａ’ ｌ
ｓｐｅｅｄ ｓｅｎｓｏｒ
ＸＵ Ｇｕａｎｇ－ｗｅｉ，ＳＯＮＧ Ｃｈｕｎ—ｈｕａ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍ ｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，Ｘｉｈｕａ Ｕｎ ｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ ６１００３９，Ｃｈｉｎａ）
１ 电式转速传感器设计 １．１ 磁 电式 转速 传 感 器 的结 构 与原 理
图 ｌ所示为磁 电式 转速传 感器 的结构 图 ，它 由装 在轴 上的 内齿轮和外齿路 、感应线 圈、永久磁铁等部分组成。 当 内齿轮和外齿 轮的齿 凸相对时 ，气 隙最小 ，磁阻最 小 ，磁 通 最大 ；当内齿轮和外齿轮 的齿 凹相对 时 ，气 隙最大 ，磁 阻最 大 ，磁通 最小 。
式 、离心式 、电涡流式和霍尔式等。其 中磁 电式转速传感器是 一 种机一电能量转换型传感器 ，不需供电电源 、电路简单 、性能 稳定 、输出信号强，因此 ，在实际工程中具有广泛 的应用 Ｊ。
磁 电式转速传感 器基于 电磁感 应原理 ，通 过磁 电相互 作 用把转轴 的转速转 换成相 对应 的感应 电动势 ，再 经过对 输 出感 应 电动势信号进行处理 和分析就可 以得到转轴 的实 际转速 。在实际应用 中 ，当转轴启动 的速度过快 时 ，会产 生 一 个瞬时高 电压对信 号处 理 电路 产生较 大 的危害 。因此 ， 本 文对 磁电式转速传 感器 的永磁体 结构进 行 了研 究 ，设计 了一种 启动时无瞬 时高 电压 的磁 电式转 速传感 器 。同时 ， 设计 了磁 电式转速传感器 的信 号处 理电路 。
ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ ｗｉｔｈ ｅｉｇｈｔ—ｐｉｅｃｅ ｔｉｌｅ ａｎｄ ｍｅａｓｕｒ ｉｎｇ ｒａｎｇｅ ２０ Ｎ·ｍ．Ａ ｄｅｓｉｇｎ ｐｒｏｐｏｓａｌ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ
ｒｅｓｕｌｔｓ ｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｍ ｅａｎｗｈｉｌｅ，ｔｈｅ ｓｉｇｎａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｃｉｒｃｕｉｔ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ，ａｎｄ ｓｉｍ ｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ ｈａｓ ｇｏｏｄ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ｖａｌｕｅ．
２０１３年 第 ３２卷 第 ２期
传感器与微 系统 （Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ ａｎｄ Ｍｉｃｒｏｓｙｓｔｅｍ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ）
９３
磁 电式 转 速 传 感 器 的优 化 设 计
徐 光卫 ，宋春 华
（西华大学 机械 工程与 自动化学 院，四川 成都 ６１００３９）
摘 要 ：磁电式转速传感器在转 速的测量 中具有广泛 的应用 。在实 际工程 中 ，当转 轴启 动时往往 会产生 一 个 瞬时的高 电压 ，从 而对 后续的信号处理 电路产生 一定 的影响 。针对上述 问题 ，对原来具有整体圆环结 构永磁体 的磁 电式转速传感器进行 了研究 。通 过使用有 限元分 析软件 Ａｎｓｏｆｌ Ｍａｘｗｅｌｌ建立 具有 ８片瓦型 永磁 体结构 、量程 为 ２０Ｎ·ｍ的磁 电式转速传感器模型并进行仿 真。根据仿真结果得到一种启动时无瞬时 高电压的 ２０ Ｎ·ｍ磁 电式转速传感 器的设计 方案。 同时 ，设计 了磁 电式转速传感器 的信号处理 电路 ，仿真 结果表 明 ：所设计 的电路具 有很 好的实用性 。 关键词 ：磁 电传感 器 ；转速传感器 ；永磁体 ；有限元分析 ；信号处理 中图分 类号 ：ＴＨ８２４ 文献标识码 ：Ａ 文章 编号 ：１０００－－９７８７（２０１３）０２－００９３－－０３
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｍａｇｎ ｅｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｓｅｎｓｏｒ；ｒｏｔａｔｉｏｎａｌ ｓｐｅｅｄ ｓｅｎｓｏｒ；ｐｅｒ ｍ ａｎｅｎｔ ｍａｇ ｎｅｔ；ｆｉｎｉｔｅ—ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎａ ｌｙｓｉｓ（ＦＥＡ）；
ｓｉｇｎａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ
０ 引 言 转速传感器按照工作原理的不同可 以分为 ：磁电式 、光 电
（西华大学 ）资助项 目（ＳＺＪＪ２０１１－ ０１８）
Hale Waihona Puke Baidu
传 感 器 与 微 系 统
第 ３２卷
这样 当内齿轮与 外齿轮 相对 运动 时 ，传 感器 的磁通 就 发生周期性变化 ，从而在线圈中感应出电动势信号 。 １．２ 电磁 场 分析 理论 基 础