电机转子位置传感器的评述与发展趋势
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电机转子位置传感器的评述与发展趋势
王骋 ，邓智泉 ，蔡骏 ，胡荣光
（１．南京航空航天大学，南京２１００１６；２．谢菲尔德大学，英国谢菲尔德Ｓ１ ３ＪＤ）
摘要：电机作为一种常见的电力驱动装置，广泛应用于航空航天、工业自动化、家用电器等场合。随着应用范
围的扩展及研究的深入，开关磁阻电机、永磁同步电机、无刷直流电机等新型电机相继被提出。这些电机的控制均
离不开转子位置信息。位置传感器是工程中最常用的转子位置检测装置，其环境适应性及检测精度将直接影响电
机控制的各项性能。对目前应用较广的位置传感器归纳总结，阐述其工作原理。通过对各类传感器特性的分析探
讨其应用场合，并对发展趋势进行了展望，以期对电机位置传感器的选用及研究提供参考。
关键词：电机；转子位置；位置传感器；应用场合；发展趋势
中图分类号：ＴＭ３３ ＴＭ３４ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００４—７０１８（２０１４）ｏ３—００６４－０８
Ｒｅｖｉｅｗｓ ａｎｄ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ Ｔｒｅｎｄ ｏｆ Ｒｏｔｏｒ Ｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｓｅｎｓｏｒｓ ｆｏｒ Ｍｏｔｏｒｓ
ＷＡＮＧ Ｃｈｅｎｇ ，ＤＥＮＧ Ｚｈｉ—ｑｕａｎ。，ＣＡＩ Ｊｕｎ 一，ＨＵ Ｒｏｎｇ—ｇｕａｎｇ
（１ Ｎａｎｊｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃｓ ａｎｄ Ａｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓ，Ｎａｎｊｉｎｇ ２１００１６，Ｃｈｉｎａ；
２．Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｈｅｆｆｉｅｌｄ，Ｓｈｅｆｆｉｅｌｄ Ｓ１ ３ＪＤ，ＵＫ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｓ ａ ｃｏｍｍｏｎ ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｄｒｉｖｅ ｄｅｖｉｃｅｓ，ｍｏｔｏｒｓ ａｒｅ ｗｉｄｅｌｙ ｕｓｅｄ ｉｎ ａｅｒｏｓｐａｃｅ，ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，ｈｏｍｅ ａｐ—
ｐｌｉａｎｃｅｓ ａｎｄ ｏｔｈｅｒ ｏｃｃａｓｉｏｎｓ．Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｅｘｐａｎｓｉｏｎ ｏｆ ｒｅｓｅａｒｃｈ，ｓｗｉｔｃｈｅｄ ｒｅｌｕｃｔａｎｃｅ ｍｏｔｏｒｓ，ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ
ｍｏｔｏｒｓ，ｂｒｕｓｈｌｅｓｓ ＤＣ ｍｏｔｏｒｓ ａｎｄ ｏｔｈｅｒ ｎｅｗ ｔｙｐｅｓ ｏｆ ｍｏｔｏｒｓ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｔｈｅｓｅ ｍｏｔｏｒｓ ｃａｎｎｏｔ ｗｏｒｋ ｗｉｔｈｏｕｔ ｒｏｔｏｒ ｐｏ—
ｓｉｔｉｏｎ ｓｉｇｎａ１．Ｒｏｔｏｒ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｓｅｎｓｏｒ ｉｓ ｔｈｅ ｍｏｓｔ ｃｏｍｍｏｎｌｙ ｕｓｅｄ ｄｅｖｉｃｅ ｔｏ ｄｅｔｅｃｔ ｒｏｔｏｒ ｐｏｓｉｔｉｏｎ，ａｎｄ ｔｈｅ ａｃｃｕｒａｃｙ ａｎｄ ｅｎｖｉｒｏｎ—
ｍｅｎｔａｌ ａｄａｐｔａｂｉｌｉｔｙ ｗｉｌｌ ｄｉｒｅｃｔｌｙ ａｆｆｅｃｔ ｔｈｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｓｕｍｍａｒｉｚｅｓ ｓｅｖｅｒａｌ ｔｙｐｅｓ ｏｆ ｓｅｎｓｏｒｓ ａｎｄ ｅｌａｂｏ—
ｒａｔｅｓ ｔｈｅｉｒ ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ａｎｄ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｔｒｅｎｄｓ ｏｆ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｓｅｎｓｏｒｓ ａｒｅ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ
ｐｒｏｖｉｄｅ ａ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｆｏｒ ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｔｏｒ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｓｅｎｓｏｒｓ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｍｏｔｏｒｓ；ｒｏｔｏｒ ｐｏｓｉｔｉｏｎ；ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｓｅｎｓｏｒ；ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ；ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｔｒｅｎｄｓ
０引 言
随着自动化程度的提高，电机在工业、农业等领
域均得到广泛应用。航空航天、油田采矿等对成本、
温度、体积等有特殊要求的应用场合催生了新型电
机的产生，如开关磁阻电机、永磁同步电机、无刷直
流电机等。不同于传统的直流电机，这些新型电机
都需要转子的位置信息才能稳定高效运行。
转子的位置检测方法总体上分为两种：传感器
检测技术及无位置传感器技术。前者指在电机上安
装一套专门的位置检测传感器检测转子位置；后者
则通过测量电流、电压、磁链等物理量，利用这些量
与转子位置的关系间接获得位置信息。无位置传感
器技术去除位置传感器，简化了系统结构，降低了
成本，但控制算法复杂，精度难以保证，存在起动困
难、动态性能不理想，运行转速范围小等缺点。因此
在工程应用中采用位置传感器检测转子位置更为普
遍。近年来，从航空航天、数控机床等自动化设备的
收稿日期：２０１３—０９—２３ 基金项目：国家自然科学基金项目（５１２７７０９４） 转角测量到家用电器、电脑磁盘等领域的测量控制，
位置传感器均起到了不可或缺的作用。
由于电机控制方法各异及各类环境对转子位置
信号获取的要求不同，故有必要了解传感器的工作
原理及适用范围。合理选用位置传感器不仅可提高
电机控制效果，还能延长电机使用寿命，降低成本。
１常见的位置传感器
位置传感器按装配结构可分为接触式与非接触
式两种。非接触式相比接触式减少了摩擦，能更准
确地消除机械配合造成的影响，因此应用更为广泛。
常见的非接触式位置传感器包括光电式、霍尔式、磁
阻式、电涡流式、旋转变压器等。从现有文献来看，
这些传感器各有优缺点，但无一类能适用于所有应
用场合。因此对位置传感器进行分类总结，在工程
应用上具有一定的参考价值。
１．１光电式
光电式传感器一般由光源、光电码盘和光电元
件三部分组成。图１为光电式传感器的结构，其基
本原理是随着电机转子的转动，码盘不断地遮挡或
王 骋，等儆持电棚 ２０１４年第４２卷第３期
通过ＬＥＤ发出的光线至光电传感器，使其输出高低
电平，从而将转子的机械位置信号转化为电信号。
码盘可根据实际需求确定形状及制作工艺。若应用
于开关磁阻电机、无刷直流电机等对实时位置信号
要求不高的电机，采用遮光片即可满足位置检测需
要；若应用于永磁同步电机等需转子实时位置信息
的电机，多采用光栅制作齿盘，增加转子位置的检测
精度 一 。
光电传感器 图１ 光电位置传感器位置测量原理图
光电式传感器按大类可分为增量式及绝对式，
其主要区别在于码盘结构。增量式齿盘结构如图２
（ａ）所示，码盘上的刻线分布均匀。每转过一个刻
线，传感器输出一个脉冲，通过基准位置后对脉冲计
数检测转子位置。与此同时，通过增加传感器的个
数，使各传感器的输出成一定相差（如图３所示两
路光电传感器的输出），可提高传感器系统的检测
精度。增量式光电传感器的优点是结构简单，易于
小型化，缺点是掉电后无法确定初始位置，且存在累
积误差
◎ｏ
（ａ）增量式 （ｂ）绝对式
图２增量式和绝对式光电码盘
路输出
路输出
图３增量式光电传感器两路输出波形
绝对式码盘一般采用二进制编码，如图２（ｂ）所
示。码盘上透光道按特定的规律排列，每一个角度
分辨率内均对应一个二进制数，在不同的位置下，传
感器输出不同值反映位置。通过增加二进制数的位
数即可提高该位置传感器的检测精度。绝对式位置
传感器输出的是关于角度的单值函数，解决了增量
式掉电后无法启动的问题，在国防、航空航天上得到
了广泛应用。但其制造工艺较为复杂，增加了成本，
不利于小型化 。
近年来，国内外学者通过优化码盘结构，减小绝
对式光电传感器的体积，使得该传感器得到了更加 …
广泛应用 。
多数光电式传感器为开关型输出，即传感器输
出为高低电平的数字量，文献［８］将模拟输出的光
电传感器应用于电机控制。该方法在转子上安装了
渐变色转盘，通过光电式传感器输出的模拟信号检
测转子位置。模拟输出的光电式传感器对于电机控
制可有更高的灵活性，但其码盘制造较为复杂，位置
检测的精度难以保证。
由光电式传感器的工作原理可知，其优点在于
结构简单、输出精度高、反应快，因此具有较为广泛
的应用前景。但光电式传感器的光敏元件易受环境
温度的影响，且在油污、粉尘等环境中检测效果会有
所降低，故在油田采矿、火力发电等恶劣条件下难以
应用。
１．２霍尔式
基于霍尔效应的器件称为霍尔传感器，其具体
原理如图４所示。将电流，通入薄片状的霍尔器
件，竖直施加强度为Ｂ的磁场，产生的洛伦兹力，使
得载流子发生运动，元件的边缘分别有电荷积聚，产
生霍尔电场Ｅ 。稳态时，载流子的作用力相互抵
消，恢复原来的运动方向，它使霍尔元件两个边缘产
生电位差，称为霍尔电压 。
图４霍尔效应原理图 ； Ｉ 按照不同的输出信号形式，霍尔传感器有开关：
型和线性霍尔两种。前者输出高低电平的数字量，；
常通过计数测量信号；后者输出模拟量，其大小与磁：
场强度成正比 。 ：
开关型霍尔传感器具有波形清晰、无抖动、无回：可
跳、位置重复精度高、输出为数字量等特点。利用它；景
可将大部分非磁的信号（压力、位置、角度等）转变；营
为电量来检测和控制 。 ；伍
开关型霍尔传感器受制于磁性转子的结构，无；晷
法达到较高的检测精度。但其体积小、造价低，在某！
些工程应用中有不可替代的作用。若电机控制需要ｉ
更为精确的位置信息，可采用细分算法获取更为精：速
确的位置信号¨卜＂ 。 ｉ茗
线性霍尔传感器输出正比于磁场强度的电压，；嚣
故能实时检测随转子位置变化的磁场，从而提取转ｉ势
子位置信号。其具体工作原理：气隙磁场随转子转；
动为正弦变化，线性霍尔传感器将该信号输出，利用
相关电路与算法对输出信号进行处理即可得到转子１
６５
