TELKOM NIKA , Vol. 11, No. 4, April 2013, pp. 1807 ~18 1 2   ISSN: 2302-4 046           1807      Re cei v ed  Jan uary 5, 2013;  Re vised Feb r uar y 7, 2013;  Acce pted Fe brua ry 20, 20 13   Permanent Magnet Tracking Position Sensor        Dega ng Lv * 1 , Ningzhi Jin 2    1,2 School of Electri c al & Electroni c Engi n eerin g,  Ha rbi n  University of Science & T e ch nolo g y,   52 Xuefu Avenue, Ha rbin,  Chin a.  *Co rre sp ondi ng autho r, e-mail: lvdegan g619 @1 26.com      A b st r a ct   In view  of the disa dvant ages  of tradition al  posit i on se nso r , a novel p e r m a n e n t ma gn e t  tracking   positi on s ens or is pr op osed. T he  hal co mpo n ent is  use d  to c onvert th ma g netic si gn al r e fl ecting  the s haft   velocity a nd  p o sitio n  into  an  electric al si gna l by  the  co nstruction and opti m i z at io n of ma gnetic fi eld. An d   then th e res o l v er-to-di gital  c onvers i on  is c a rried  o u by  arctang ent so   as to o b tai n  th e sig n a l s of s haft   positi on a nd ve locity.    Ke y w ords :  pe rma n e n t ma gn et, resolver-to- digit a l conv ersi on, positi on se nsor     Copy right  ©  2013 Un ive r sita s Ah mad  Dah l an . All rig h t s r ese rved .       1. Introduc tion  In the moto r co ntrol  syst em, the p o sit i on  sen s o r  i s  gene rally n e eded t o  p r ov ide the   informatio n of the rotor po sition and velo city in  order f o r the motor  positio n and  velocity control,  so the  po sition sen s ors  become a n  i m porta nt  co mpone nt of the moto r co ntrol  system.  At  pre s ent, the  photoel ectri c   encode r is a  comm on po si tion sen s o r  [1, 2]. The po sition sen s o r  is  widely used i n  many fields. With the increa se of  the deman d of position dete c ti on in most fie l ds,  the tradition al position  sensor s are unabl e to meet the spe c ial re quirem ents of sev e ral  appli c ation s   becau se  of their i nhe re nt defe c t.  In t h is  pap er, a  pe rman ent  magnet t r a c king   positio n se nsor is d e si gne d. The de sig ned sen s or i s  better tha n  the photoele c tri c  en cod e r in  environmental suitability,  and has  simpl e  structure  and fabrication process,  so i t  can  repl ace  the  photoel ectri c  encode r.        2. Tracking  Position Sen s or Principle and Design       rr B rc B ri n g  ma g n e t i c x y r B P a ra l l e l  u n i f o rm   ma g n e t i c  f i e l d     Figure 1. Cro ss Se ction of  the Cylindri c a l  Magnet Steel in a Uniform Magneti c  F i eld       2.1. The Basi c Principle of Trackin g  Position Sens or  The  cylind r ical or rin g  m a gnetic ste e l is pla c ed i n  a  p a rallel  unifo rm mag netic fi eld to b e   magneti z ed,  and the  axis  of the mag n e t ic steel  is  m ade ve rtical t o  the di re ctio n of the m a g netic  field, as sho w n in Figure 1.  In the ideal state,  the surface of the ma gnet ic  steel is magnetized to  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046   TELKOM NIKA   Vol. 11, No. 4,  April 2013 :  1807 – 1 812   1808 a bipola r  ma gnetic field,  who s re sidu al magn et ic i ndu ction inte nsity ca n be  decompo se into  the radial a n d  tangential co mpone nts, as  is sho w n in  Equation (1)  and Figu re 1.       sin cos r rc r rr B B B B                                                                                         (1)     From  Equatio n (1), th e rad i al mag netic f i el d of  mag n e tic  steel  su rf ace  chan ge s with  the   co sine l a w,  with which t he pe rma n e n t magn et  tracking  po sition sen s o r  is desi gne d. T w orthog onal  h a ll co mpo n e n ts a r placed on  the  same  circumf e ren c e  in th e pe riph ery  of the  magneti c  fiel d. The  hall  compon ents sense the  r adi al mag netic f i eld an d g e n e rate  a volta ge  sign al refle c ti ng the chan g e s of the ma gnetic fi eld.  The an gula r   positio n information an d e v en   the sp eed i n formatio n of t he rotating m agneti c  fi eld i s  obtai ned  by solving th e a r ctan gent val u e   of two orthog onal cosi ne voltage si gnal s [3].    2.2. The Con s truc tion of  Space Mag n etic Field   Magneti c  mat e rial s in clud e  isotro pic  and  ani sotropi material s. After bei ng ma g netize d the magn etic prop ertie s  o f  the anisot r opic  m a terial s are better  and the  rem anen ce o n  the   surfa c e  of th e ma gnet i s   more  than  th e isotro pi c m a terial s.  Ho wever, a  di re ction of  mag n e t ic   orientatio n is  con s id ere d  when the  ani so tropic ma te ria l  magnet i s  b e ing ma gneti z ed. O n ly wh en   the directio of external  m agneti c  field i s  con s is te nt  with the  dire ction of mag n e tic o r ientatio n ,   woul it ca n achi eve  the  best mag neti z ing   effect,  while the  ma g netizin g effe ct of the  isot ro pic   magnet  is al ways u n iform  i n  eve r y di re ction. Th us,  th e   ani sotropi c material s are more   ap plica b le   to the paralle l magnetizi n g  of the bipolar magnet st e e l in this desi gn so a s  to increa se the air- gap l ength  of  the trackin g   positio sen s or,  while   the isotro pic  mat e rial s are   mo re appli c abl e to  the radial  cha r ge ma gneti s m of multipolar mag net ste e l.   The rin g  or cylindrical ma gnet steel of ani sotropi c m a terial s nee d  to be magn etized in  the parallel m agneti c  field,  whe r e the  direction  of  the  parall e l mag n e tic field  sho u l d be  con s i s te n t   with the mag netic ori entati on dire ction  o f  the magnet steel, as Fi gu re 2 sh ows.       Figure 2. Gen e ral Vie w  of Parallel Ma gn etizing       In the ideal st ate, the spa c e distri bution  of magneti c  lines fo r a ma gnetized ri ng  magnet   steel i s  sho w n in Fig u re  3, whe r e th e m agnet  steel i s  6mm in  out-diamete r, 3m m in in-diam e ter   and 3mm in  height, and I n  the positive  half period  a nd neg ative half spa c e, th e magneti c  field   distrib u tion of  the positive  half cycle a n d  the  negativ e half cycle  are exa c tly symmetrical. T h e   waveforms  of radi al an d t ange ntial ma gnetic fiel d a r sho w n i n   Figure 4, o n   a ci rcumfere nce  who s e ce nter  is  the ce nter of  the  mag net  steel  with th e ra diu s  of  6. 6mm. In the i deal  state, th ere  is no relativ e  position d e viation between  the ma gnetic  steel and the hall  compo nent  and  betwe en th hall  comp one nts,  so th e a m plitude  of  th e radial  mag netic fiel d the  hall  co mpo n ent   is se nsitive to  is the sa me  as the am plitude of  the ta ngential m a g netic field the  hall com pon ent  is insen s itive to, and the ph ase differen c e betwe en th em is only 90 °.    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046       Perm anent M agnet Trackin g  Position Se nso r  (Deg ang  Lv)  1809     Ma gn et ic fl ux   d e n s it y T C i r c u m f e r e n c e  d i s p l a c e me n t ( mm) Ra d i a l   m a g n e tic  f i e l d T a n g e n ti a l  m a g n e tic   f i e l d Figure 3. Space Di strib u tio n  of Magnetic  Line s of Mag netic Steel   Figure 4. Rad i al and Tan g e n tial Magnet  Field  w h en  R= 6 . 6mm       2.3. The Opti mation of M a gne tic Field  In the design  of perman e n t  magnet tracking  p o sition  sen s o r , there  is gene rally positio n   deviation in t he axial direction for the in stallation  of h a ll eleme n ts, as  sho w n in  Figure 5. In this  ca se, the ma gnetic field  sensed by the  hall eleme n ts is diffe rent.  Certai n mea s ures m u st b e   taken  to mini mize th e e r ror of th sen s ed  mag netic field be ca use of t he evitable  in stallati on   deviation. Th e erro r can b e  decrea s e d  by putting  the ring co re on  the perip hery  of hall eleme n ts The optimai o n  of axial magneti c  field of the  core i s  analy z ed q ualitatively by the softwa r e   ANSOFT.         Figure 5. Dist ribution of Ma gnetic Fiel d in Diffe rent Axial Position s on a Circu m feren c with  R=5.5mm       Suppo se the  positio n deviation of hall element onl y exists in the axial dire ction of the  surfa c e  of m agneti c  st eel. In the o u tsid e of ma gnet i c  steel  with th e oute r  di am eter of  6mm,  the  inner dia m ete r  of  3mm  and  the h e ight  of 3mm,  o ne  h a ll elem ents i s  pl aced  on  a  ci rcumferen c e   who s ce nter is the  axis  center   of the  magnet  steel  with the  ra di us  of 5.5mm,  while  the  other  hall elem ents is pla c e d  on  a ci rcumfere nce  wh ose  center i s  1m m  away from  the axis  ce nte r  of  the magn et steel with the radiu s   of 5.5m m. The distri b u tion of magn etic field inten s ity vectors o n   the surfa c of hall eleme n ts is sho w n  in Figur e 5.  The Z-axi s  comp one nt of magnetic field   intensity o n  a  ci rcumferen c e of the  axi s   cente r   of  the  magnet  ste e is  ze ro, b u t it is not  ze ro  o n   any other  circumfere nce. Thus, the p r oj ects of  ma gn etic field inte nsity vectors  in X-Y plane  are   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046   TELKOM NIKA   Vol. 11, No. 4,  April 2013 :  1807 – 1 812   1810 not equal, th at is,  the pro j ect of   magnetic fi eld int ensity on a ci rcu m fere nce  who s cente r  is   1mm a w ay from the  axis  center i s    mu ch smalle r  th an  th a t  on  a c i r c umfe r e n c e   w h os e ce n t e r  is  the axis ce nter, as  sho w in Figure 6.           Figure 6.Top  View of Magn etic Di stributi on in Di fferent Axial Pos i tions  on a  Circ umferenc with  R=5.5mm       Distri bution   of mag netic field inte nsi t y ve ctors in  differe nt ax ial po sition s on  two   circumfe ren c es i s  sh own i n  Fig u re  7,  where  the   rin g  co re  is pla c ed in  the  out side  of m agn etic  steel. Th e project s  of mag netic field i n tensity ve cto r s in X-Y  plan e are  sh own i n  Figu re 8,  where   the proje c t deviation is si gnifica ntly decre ased a fter the iron core is placed, and the error of  magneti c  fiel d compo nent  se nsed by t he hall  elem e n ts i s  effectiv ely wea k e n e d . Thu s , be si des  the method to  improve the i n stallatio n  de viation,  the method to ap pl y the ring core can  de cre a s the axial deviation and o b tain a goo d pe rforma nce.             Figure 7. Dist ribution of Ma gnetic Fiel d in  Different Axia l Positions o n  a Circumfere nce  with R=5.5m m (with iro n  core Figure 8. Bottom View of M agneti c  Di stri bution  in Different A x ial Positions  on a Circu m feren c with R=5.5m m (with iro n  core     2.4. The Arc t angen t  Meth od based  Re solv er-to-Di g ital Conv ersion  In this p ape r, the origi nal  sign al of th e po sition  se nso r  i s  de co ded by th e a r ctan gent  method [4]. T he impl ement  method  of a r ctan gent i s  t o  solve the  p hase an gle  a c cordi ng to  the  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046       Perm anent M agnet Trackin g  Position Se nso r  (Deg ang  Lv)  1811 input sin e  an d co sine  sig nals, that is,  to so lve the arcta ngent  value of the sine a nd cosine  sign als,  1 sin ta n cos V V     , so  as to g e t the  positio n an gl θ . We  can  get more a c cura cy angl positio n by th e an alysi s  o n   stable  e rro r [ 5 ] and   dyna m i c e r ror [6] an d e rro com p ensation. Fi g u re  9 sho w s the circuit st ru cture of resolver-t o-di gital  conv ersi on with th e arcta nge nt method.     Arc  ta ng en me t h od d sin d cos de rivato r d n 12- bi t A/ D Po sit i on   t r an s duc e r Po l a ri ty  tra n sfo r ma t i o n dsp fil t er sca l e r d   Figure 9 Circuit Structure of Arctang ent       3. Experimental Re sults  and Applica t ion  Two o r thog o nal linea r hall  sen s o r sen s e t he ma gn etic field co m pone nts which re sults  from two - pol e  ring m agn etic ste e l an d th us o u tput two  pha se o r tho gonal  co sine  voltage si gna ls,  as  sh own in  Figu re  10. I t  can  be   se en from the   tested  wavef o rm s that  th e two  si gnal s i s   compl e tely orthogon al with  the phase di fference of 90 0 whi c will be then decoded to obtai the positio n si gnal.           Figure 10. Waveform s of Output Signal s of Hall Sen s ors      Figure 11. Te st Platform of Position Sen s or  Fi gure 12. Te st Wavefo rm of Angular Po sition     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046   TELKOM NIKA   Vol. 11, No. 4,  April 2013 :  1807 – 1 812   1812 The expe rim ental platform  is esta blish e d  for  the test  of the trackin g  positio n se nso r , as  sho w n i n  Fig u re  11. The   output waveform of a ngul ar p o sition  fo r the h a ll effe ct ba sed t r a c king  positio sen s or i s   sh own i n  Fig u re  12.   The  cu rve b e t ween  the  rot a tion  spe ed  a nd the  a r mat u re   voltage of  DC moto r for the de sig ned t r ackin g  p o siti on sen s o r  is  sho w n i n  Fig u re  13, whe r e the  sep a rately e x cite DC mo tor with the  rated ex citin g  cu rrent of  0.3A  and the  rated  spe e d  of  2400 r/min is  use d .       Figure 13. Cu rve betwe en the Rotatio n  Speed  a nd the  Armature Voltage of DC Motor      4. Conclusio n   A novel tra c king  po sition  sen s o r  i s  d e sig ned  whi c h provides a  new  sol u tio n  for the  spe ed an d p o sition m e a s urem ent of motor  c ontrol  system. Th e experim ent  and ap plication  results  sh ow  that the re sol u tion an d p r e c isi on  of th desi gne d po sition se nsor  can compl e tel y   meet the re q u irem ents of  the motor  co ntrol sy stem, and can repl ace the  phot oele c tric  en coder  with the sam e  resolution a nd pre c i s ion,  so  it is of gre a t practi cality in engin eeri n g.      Ackn o w l e dg ement  This p r oje c t is su ppo rted b y  National Na tural Scie nce Found ation of  China (511 0 7023     Referen ces   [1] Yu  Qing gua ng Liu Ku i W a ng Ch on g. Cho i ce of Optical- e n cod e r an d Me asure of Sp ee d an d Roto r   Place of S y nc h r ono us Motor.  Electric Drive 200 6; 36(4): 17 -20.  [2] Z hang   Sh i y i Ai Hua H a n  Xu do ng.  T he Devel opm ent and   Ap p lic atio n of  Ne w  T y p e  Ph otoe lectric   Rotary  Encoders.  Journal of C han gch un Un iv ersity of Scienc e and T e ch no l ogy . 200 5; 28( 4): 43-46.   [3]  Ogasa w a r a S,  Akagi H. An  appr oach to r e al-time p o sitio n  estimatio n  at  zero an d lo w   spee d for a   PMmotor base d  on sal i e n c y I EEE Transactions on Industr y Applic ations 199 8; 34(1): 16 3-16 8.  [4] Wu  Wei Li u Xi ao hui Li Z h engr ong. Imp l ementati on  of  arc T angent F unctio n  Us ing   Assembl y   i n   F i xe d-p o int DS P Based  on D i fferentia l Evol ution A l gor ith m Systems E ngi neer in g an d  Electron ics 200 5; 27(5): 92 6-92 8.  [5] Shigeo  Morimoto , Masay u ki Sanada.  Sinusoidal curr ent drive syst em  of  per m anent m a gnet  synchro nous  motor w i th l o w  resoluti on  pos ition s ensor . Conference Rec o rd of  the  1996 IEEE, 1996;   1(1): 9-14.   [6]  Jianr ong B u , Lon g y Xu.  Near-Z ero S p eed Perf orma nce Enh anc e m ent of PM S y nc hro n o u Machines Assisted by  Lo w - Cost Hall Effect  Sensors.  Ap p lied P o w e r Ele c tronics Co nfe r ence  an d   Expositi o n . 19 98; 31(1): 6 4 -6 8.    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.