引出问题之新颖视角
在诸多工业应用中，直线电机驱动技术并非单纯用于精确定位，其更关键的功能是调节工业过程中的压力、流量和力量等参数，例如在压缩机中的应用。在此特定场景下，尽管精确位置控制对于底层控制至关重要，但上层闭环控制所关注的核心是力。在这样的特殊应用场景中，若不采用线性位置传感器，直线电机驱动几乎难以实现。然而，采用精度在10微米至50微米之间的标准传感器成本高昂。在此情况下，精度为200微米至1毫米的线性传感器已足以满足需求。此类精度传感器可通过两个低成本的霍尔互感元件、安装接口以及一块小型PCB板轻松设计。为了控制直线电机的驱动，需要在电机线圈外部产生一个正弦磁场，通常通过在一定距离范围内放置一个小的位置传感器来检测。这种传感器可以安装在磁体和线圈附近，无需占用传统线性传感器的轴空间。
传感器设计新解
在霍尔传感元件测量磁场时，必须确保传感器件位于磁体的有效距离内（如图1所示）。这样，可以得到两个相位差90度的正弦波（如图2所示），并据此控制运动方向。
本设计采用了一种易于安装的集成传感器件（见图3），包括电流源在内的霍尔传感器件输出已在封装内部进行了放大。只需将通道a和b的两路测量信号与变流器输入端进行接口设计，即可由两个输出不同的运算放大器（a和b）实现，从而减少电磁接口。此外，还有两个运放用于校正传感器的偏移，另一运放提供的恒定电压作为运放a和b的共模输入，该电压值为传感器电源的一半。完整的电路图见图3。安徽皖南电机
传感器性能提升新思路
传感器的工作性能可通过测量磁场相对于电枢的位置进行测试（见图4）。皖南电机1#信号为正弦信号（2#）的测量结果，二者的差值如图中3#线所示。
为了验证传感器在直线电机闭环控制中的应用，将图10右侧所示的小型传感器安装在电机上。将所得的位置信号与精度为10微米的光电线性传感器所得参考信号进行比较（如图5）。2#和1#线表示两个测量信号，3#线为二者误差。在整个测量过程中，位置的绝对误差非常小。
传感器优化新策略
如图2所示，电场旋转一周内，正弦信号中会出现两次较大的噪声干扰（图6）。这是由于*靠近传感器的线圈中流过的大电流引起的。为了获得更好的位置信号，可以对该信号进行滤波以减少干扰。
若正弦信号中夹杂的噪声能够降至*低，传感器的性能便可得到优化。此过程可通过三步实现。首先，利用铺铜的PCB板盒屏蔽整个传感器，然后，使用双绞电缆代替普通电缆连接传感器和变流器。
图7所示为屏蔽后的传感器所测得的正弦信号。很明显，信号的干扰降低了。安徽皖南电机与图6相比，叠加噪声的幅值大大减小了，但对无振动的直线电机而言信号还不够准确。
由于模拟电路是接口部分的薄弱环节，在优化过程的第二步中减少了模拟电路，而用可编程器件代替。上文提到的用于传感器校准和偏移量校正的模拟器件可以省去。新传感器的原理框图如图8所示。
该传感器的优势在于其内部数字信号处理器，它提高了传感器的精度并减少了模拟零漂、温度偏移和机械压力对数学运算的影响。此外，该传感器具有EEPROM存储器和用于编程的串行通信接口。这样，无需改变PCB上的电阻即可进行校准。对于已经安装的传感器，无需拆卸即可修改其参数。
对新传感器优化的*后一步是减小PCB板的尺寸。为此，采用了4层PCB板。与2层PCB板相比，4层PCB的价格略高，但在EMC兼容性方面具有很大优势，因此不再需要昂贵的传感器屏蔽盒。皖南电机因此，总而言之，4层PCB板更具经济性。
图9是新传感器的功能图。原来的5个运算放大器中有3个可以省去，而性能仍与之前相同。省去的器件使PCB板的尺寸进一步减小，仅为原来的40%。图10是两个传感器的比较。
测量新成果
优化后传感器的测量结果如图11所示。1#曲线表示位置，2#曲线表示用高精度光耦位置传感器测得的参考位置，二者已无法区分。与图5不同，位置误差放大后以百分比表示，如图11中3#曲线。优化后传感器的位置误差减小至1.6%，足以应用于上文所述的场合。
结语新观点
文中定制位置传感器的测量结果表明，在底层位置控制环中使用足够精度的低成本位置传感器是可行的。该传感器可以安装在永磁直线电机内部，而不占用额外空间。与商业光耦位置传感器相比，该传感器的成本大幅降低。皖南电机价格表
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