CN110932514A - 一种无刷电机及电机转子位置的检测方法 - Google Patents

一种无刷电机及电机转子位置的检测方法 Download PDF

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CN110932514A CN201911390155.XA CN201911390155A CN110932514A CN 110932514 A CN110932514 A CN 110932514A CN 201911390155 A CN201911390155 A CN 201911390155A CN 110932514 A CN110932514 A CN 110932514A
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Abstract

本申请属于电机技术领域,提供了一种无刷电机及电机转子位置的检测方法,通过将第一线性霍尔传感器和述第二线性霍尔传感器分别设于相差90°的电角度的位置,第三线性霍尔传感器设于与第一线性霍尔传感器相差n*360°+180°的电角度位置,第四线性霍尔传感器设于与第二线性霍尔传感器相差n*360°+180°的电角度位置,从而根据线性霍尔传感器输出的霍尔电压信号得到转子位置信息,解决了目前的转子位置检测装置存在结构复杂、安装难度较大的问题。

Description

一种无刷电机及电机转子位置的检测方法
技术领域
本申请属于电机技术领域,特别涉及一种无刷电机及电机转子位置的检测方法。
背景技术
目前对伺服电机的转子位置检测主要利用磁栅结合解码芯片的方式进行检测。
然而,目前的转子位置检测装置存在结构复杂、安装难度较大的问题。
发明内容
本申请的目的在于提供一种无刷电机及电机转子位置的检测方法,旨在解决目前的转子位置检测装置存在结构复杂、安装难度较大的问题。
为了解决上述技术问题,本申请实施例提供了一种无刷电机,包括转子、定子以及与所述定子固定连接的转接板,所述转接板上设有至少四个线性霍尔传感器;
所述至少四个线性霍尔传感器包括第一线性霍尔传感器、第二线性霍尔传感器、第三线性霍尔传感器以及第四线性霍尔传感器,其中,所述第一线性霍尔传感器和所述第二线性霍尔传感器分别位于相差90°的电角度的位置,所述第三线性霍尔传感器位于与所述第一线性霍尔传感器相差n*360°+180°的电角度位置,所述第四线性霍尔传感器位于与所述第二线性霍尔传感器相差n*360°+180°的电角度位置,n≥0,且n为正整数。
可选的,多个所述线性霍尔传感器位于与所述转子垂直的平面上。
可选的,所述转子为多极环形永磁铁。
可选的,所述第一线性霍尔传感器与所述第三线性霍尔传感器分别位于两路正交霍尔相差360°的电角度的位置,且所述第一线性霍尔传感器与所述第三线性霍尔传感器的安装位置相反。
可选的,所述无刷电机还包括:补偿单元,用于根据所述线性霍尔传感器以及所述转子的角度位置进行角度补偿。
可选的,所述无刷电机还包括:解码单元,用于接收所述线性霍尔传感器输出的差分信号,并对所述差分信号进行解码处理得到所述转子的位置信息以及速度信息。
本申请实施例还提供了一种电机转子位置的检测方法,所述检测方法包括:
根据线性霍尔传感器的磁场饱和度确定线性霍尔传感器与转子之间的距离;
根据线性霍尔传感器与转子之间的距离将第一线性霍尔传感器和第二线性霍尔传感器分别设于相差90°的电角度的位置,并将第三线性霍尔传感器设于与第一线性霍尔传感器相差n*360°+180°的电角度位置,将第四线性霍尔传感器设于与第二线性霍尔传感器相差n*360°+180°的电角度位置,n≥0,且n为正整数;
根据线性霍尔传感器以及转子的角度位置进行角度补偿;
接收线性霍尔传感器输出的差分信号,并对所述差分信号进行解码处理得到转子的位置信息以及速度信息。
可选的,所述根据线性霍尔传感器的磁场饱和度确定线性霍尔传感器与转子之间的距离,包括:
将线性霍尔传感器设置在多个位置分别获取多个电压信号,多个电压信号与多个位置一一对应;
获取每个电压信号与供电电压之间的电压差值;
根据多个电压差值获取所述线性霍尔传感器与所述转子之间的距离。
可选的,所述根据线性霍尔传感器以及转子的角度位置进行角度补偿,包括:
获取电机的杂散磁场强度以及与线性霍尔传感器中的霍尔片垂直的有效磁场强度;
根据所述杂散磁场强度和所述有效磁场强度得到补偿角度。
可选的,所述根据所述杂散磁场强度和所述有效磁场强度得到补偿角度,包括:
根据补偿角度表达式生成补偿角度;所述补偿角度表达式为:
Figure BDA0002344734240000031
其中,θError为补偿角度,βStray为杂散磁场强度,βApplied为垂直霍尔片的磁场强度。
本申请提供了一种无刷电机及电机转子位置的检测方法,通过将第一线性霍尔传感器和述第二线性霍尔传感器分别设于相差90°的电角度的位置,第三线性霍尔传感器设于与第一线性霍尔传感器相差n*360°+180°的电角度位置,第四线性霍尔传感器设于与第二线性霍尔传感器相差n*360°+180°的电角度位置,从而根据线性霍尔传感器输出的霍尔电压信号得到转子位置信息,解决了目前的转子位置检测装置存在结构复杂、安装难度较大的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案,下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图是本申请的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本申请的一个实施例提供的无刷电机的结构示意图;
图2是本申请的一个实施例提供的转子的结构示意图;
图3是本申请的一个实施例提供的线性霍尔传感器的安装示意图;
图4是本申请的一个实施例提供的补偿角的示意图;
图5为本申请的一个实施例提供的四个线性霍尔传感器所产生的电压信号的示意图;
图6为本申请的一个实施例提供的四个线性霍尔传感器的位置示意图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本申请进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅用以解释本申请,并不用于限定本申请。
需说明的是,当部件被称为“固定于”或“设置于”另一个部件,它可以直接或者间接位于该另一个部件上。当一个部件被称为“连接于”另一个部件,它可以是直接或者间接连接至该另一个部件上。术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置为基于附图所示的方位或位置,仅是为了便于描述,不能理解为对本技术方案的限制。术语“第一”、“第二”仅用于便于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明技术特征的数量。“多个”的含义是两个或两个以上,除非另有明确具体的限定。
为了说明本申请所述的技术方案,以下结合具体附图及实施例进行详细说明。
以下结合附图和具体实施例,对本申请进行详细说明。
本申请实施例提供了一种无刷电机,参见图1所示,本实施例中的无刷电机包括转子10、定子20以及与所述定子20固定连接的转接板30,所述转接板上设有至少四个线性霍尔传感器;所述至少四个线性霍尔传感器包括第一线性霍尔传感器41、第二线性霍尔传感器42、第三线性霍尔传感器43以及第四线性霍尔传感器44,其中,所述第一线性霍尔传感器41和所述第二线性霍尔传感器42分别位于分别位于相差90°的电角度的位置,所述第三线性霍尔传感器43位于与所述第一线性霍尔传感器相差n*360°+180°的电角度位置,所述第四线性霍尔传感器44位于与所述第二线性霍尔传感器相差n*360°+180°的电角度位置,n≥0,且n为正整数。
在本实施例中,通过将第一线性霍尔传感器41和述第二线性霍尔传感器42分别相差90°的电角度的位置,此时,在一个电气周期内产生相位差为90°的正弦波信号,进一步的,将第三线性霍尔传感器43设于与第一线性霍尔传感器相差n*360°+180°的电角度位置,第四线性霍尔传感器44设于与第二线性霍尔传感器42相差n*360°+180°的电角度位置,n≥0,且n为正整数。第一线性霍尔传感器41输出的电压信号与第三线性霍尔传感器43输出的电压信号组成一对差分信号,通过信号转换得到对应的第一霍尔电压信号,第二线性霍尔传感器42输出的电压信号与第四线性霍尔传感器44输出的电压信号组成一对差分信号,通过信号转换得到对应的第二霍尔电压信号,通过设置四个线性霍尔传感器还可以根据输出的两对差分信号消除共模干扰,增加其抗干扰能力。在本实施例中,利用线性霍尔传感器对磁场强度的变化敏感的特点,对线性霍尔传感器输出的信号进行解码处理得到转子位置信息。
在本实施例中,线性霍尔传感器的输出信号可以直接取自运算放大器的输出信号,其输出电压信号与通过线性霍尔传感器的磁场呈正比,具体的,输出的霍尔电压信号的电压VH=RH(I/t*B),其中,VH为霍尔电压,RH为霍尔常数,I为霍尔传感器的偏置电流,B为磁场强度,t为线性霍尔传感器中的霍尔片的厚度。
在一个实施例中,线性霍尔传感器的型号为A1326,其中,该线性霍尔传感器的灵敏度为2.5mV/G,所用饱和磁场是800Gs,即能够检测+/-800Gs磁场。
在一个实施例中,转子10的型号为45SH。
在本实施例中,线性霍尔传感器本身具有磁场饱和的特性,即当磁场超过+/-800Gs,线性霍尔传感器输出的霍尔电压是不变的。
在一个实施例中,多个所述线性霍尔传感器位于与所述转子20垂直的平面上。在本实施例中,本实施例中的线性霍尔传感器位于同一平面上,且均与转子10保持一定的距离。
在本实施例中,采用线性霍尔传感器测试与转子10之间的距离不同的情况下时,线性霍尔传感器输出的电压大小,从而根据磁场的饱和度确定线性霍尔传感器与转子10之间的最佳距离。
在一个实施例中,线性霍尔传感器输出的霍尔电压与电机供电电压相同时,此时线性霍尔传感器与转子10之间的距离为最佳距离。
例如,在一个实施例中,采用型号为45SH的转子进行测试,当霍尔传感器与转子10之间的距离为3mm时,转子10的N极的中心点的磁场强度最大,此时的霍尔电压为5V,转子的S极的中心点的磁场强度最小,此时的霍尔电压为0.01V。当霍尔传感器与转子10之间的距离为5mm时,转子10的N极的中心点的磁场强度最大,此时的霍尔电压为4.56V,转子的S极的中心点的磁场强度最小,此时的霍尔电压为0.58V。当霍尔传感器与转子10之间的距离为7.5mm时,转子10的N极的中心点的磁场强度最大,此时的霍尔电压为3.15V,转子的S极的中心点的磁场强度最小,此时的霍尔电压为1.86V。由于5mm的间隙距离对应的霍尔电压最接近电源电压,此时选择将线性霍尔传感器安装于距离转子5mm的位置。
在一个实施例中,所述线性霍尔传感器与所述转子10之间的距离为3mm-8mm。
在一个实施例中,参见图2所示,本实施例中的转子10为多极环形永磁铁。
在一个实施例中,本实施例中的转子10可以为无刷电机转子,该转子采用永磁磁钢,连同外壳一起与输出轴相连。
在一个实施例中,线性霍尔传感器的中心点与转子10的S极的中心点相对,或者与转子10的N极的中心点相对。
在一个实施例中,所述第一线性霍尔传感器41与所述第三线性霍尔传感器43分别位于两路正交霍尔相差360°的电角度的位置,且所述第一线性霍尔传感器41与所述第三线性霍尔传感器43的安装位置相反。具体的,第一线性霍尔传感器41与所述第三线性霍尔传感器43分别位于两路正交霍尔相差360°的电角度的位置,此时,第一线性霍尔传感器41与第三线性霍尔传感器43输出的信号之间的相位差为360°,由于线性霍尔传感器内部也相当于设有一个N-S磁极的霍尔片,当霍尔传感器的正面对着N磁极时,霍尔传感器的N极正对着,此时电压为最大值,当霍尔传感器的S正对着,此时电压为最小值,因此,当所述第一线性霍尔传感器41与所述第三线性霍尔传感器43的安装位置相反时,其相位差为180°,此时,第一线性霍尔传感器41与所述第三线性霍尔传感器43输出的信号为一对差分信号。
在一个实施例中,参见图3所示,在实际安装线性霍尔传感器的过程中,线性霍尔传感器与转子10中的磁极的中心点之间存在一定的误差,为了避免在线性霍尔传感器的安装过程中出现的误差,本实施例中的所述无刷电机还包括补偿单元,用于根据所述线性霍尔传感器以及所述转子的角度位置进行角度补偿。
在本实施例中,参见图4所示,本实施例中采用如下的补偿角度表达式确定补偿角度,补偿角度为:
Figure BDA0002344734240000071
其中,θError为补偿角度,βStray为杂散磁场强度,βApplied为垂直霍尔片的磁场强度。具体的,βApplied为垂直于线性霍尔传感器中霍尔片的有效信号,在本实施例中,通过前期安装的线性霍尔传感器和转子的安装角度计算得到补偿角度。
在一个实施例中,本实施例中的无刷电机还包括:解码单元,用于接收所述线性霍尔传感器输出的差分信号,并对所述差分信号进行解码处理得到所述转子的位置信息以及速度信息。
在一个实施例中,通过将所述第一线性霍尔传感器41和所述第二线性霍尔传感器42分别设于相差90°的电角度的位置,此时第一线性霍尔传感器和第二线性霍尔传感器输出的信号相位差为90度,通过将第三线性霍尔传感器43设于与第一线性霍尔传感器41相差n*360°+180°的电角度位置,第四线性霍尔传感器44设于与第二线性霍尔传感器43相差n*360°+180°的电角度位置,n≥0,且n为正整数,此时,第一线性霍尔传感器41输出的电压信号与第三线性霍尔传感器43输出的电压信号组成一对差分信号,第二线性霍尔传感器42输出的电压信号与第四线性霍尔传感器44输出的电压信号组成一对差分信号。
参见图5所示,Sim+和Sim-分别为第一线性霍尔传感器41输出的电压信号与第三线性霍尔传感器43输出的电压信号,根据该差分信号可以得到霍尔电压信号Ua,例如,通过485转换器得到霍尔电压信号Ua;Cos+和Cos-分别为第二线性霍尔传感器42输出的电压信号与第四线性霍尔传感器44输出的电压信号,根据该差分信号可以得到霍尔电压信号Ub,根据反正切运算公式可以得到电机转子的位置信息。
在一个实施例中,通过两对线性霍尔传感器输出的信号计算电机转子位置的电角度,Ua=Asinθ,Ub=Acosθ,其中,θ为电机转子位置的电角度,A为最大磁密度时,线性霍尔传感器输出的电压信号,此时线性霍尔传感器的正余弦输出电压信号经过检测电路和模数转换电路处理以后,通过数字信号控制器进行反正切运算即可得到电机转子的位置信息。
在一个实施例中,反正切运算公式如下:
θ=arctan(Ua/Ub),Ua≥0,Ub≥0; (1)
θ=arctan(Ua/Ub)+180°,Ub<0; (2)
θ=arctan(Ua/Ub)+360°,Ua≥0,Ub≥0; (3)。
本申请实施例还提供了一种电机转子位置的检测方法,所述检测方法包括:
步骤A:根据线性霍尔传感器的磁场饱和度确定线性霍尔传感器与转子之间的距离;
步骤B:根据线性霍尔传感器与转子之间的距离将第一线性霍尔传感器和第二线性霍尔传感器分别设于相差90°的电角度的位置,并将第三线性霍尔传感器设于与第一线性霍尔传感器相差n*360°+180°的电角度位置,将第四线性霍尔传感器设于与第二线性霍尔传感器相差n*360°+180°的电角度位置,n≥0,且n为正整数;
步骤C:根据线性霍尔传感器以及转子的角度位置进行角度补偿;
步骤D:接收线性霍尔传感器输出的差分信号,并对所述差分信号进行解码处理得到转子的位置信息以及速度信息。
在本实施例中,电机转子的磁场强度是确定的,通过将线性霍尔传感器设于转子的不同位置检测磁场强度,由于线性霍尔传感器本身具有磁场饱和的,例如,线性霍尔传感器的型号为A1326时,其灵敏度为2.5mV/G,所用饱和磁场是800Gs,即能够检测+/-800Gs磁场。当磁场超过+/-800Gs,线性霍尔传感器输出的霍尔电压是不变的。当线性霍尔传感器与转子的距离越近,对应的磁场最强点的霍尔电压就越大,在本实施例中,当霍尔电压最接近供电电压时的距离为最佳距离,此时同样的磁场强度变化,电压的变化量就越大,极大的增加了磁场变化检测的灵敏度。
在本实施例中,通过将第一线性霍尔传感器和述第二线性霍尔传感器分别相差90°的电角度的位置,此时,在一个电气周期内产生相位差为90°的正弦波信号,进一步的,将第三线性霍尔传感器43设于与第一线性霍尔传感器相差n*360°+180°的电角度位置,第四线性霍尔传感器44设于与第二线性霍尔传感器42相差n*360°+180°的电角度位置,n≥0,且n为正整数。第一线性霍尔传感器41输出的电压信号与第三线性霍尔传感器43输出的电压信号组成一对差分信号,通过信号转换得到对应的第一霍尔电压信号,第二线性霍尔传感器42输出的电压信号与第四线性霍尔传感器44输出的电压信号组成一对差分信号,通过信号转换得到对应的第二霍尔电压信号,通过设置四个线性霍尔传感器还可以根据输出的两对差分信号消除共模干扰,增加其抗干扰能力。在本实施例中,利用线性霍尔传感器对磁场强度的变化敏感的特点,对线性霍尔传感器输出的信号进行解码处理得到转子位置信息。
在一个实施例中,图6为转子为3对极环形磁铁时,第一线性霍尔传感器41、第二线性霍尔传感器42、第三线性霍尔传感器43以及第四线性霍尔传感器44的位置示意图,其中,第一线性霍尔传感器41和第二线性霍尔传感器42分别相差90°的电角度的位置,具体的,第一线性霍尔传感器41位于磁极N与磁极S之间的中心线上的位置A+,第二线性霍尔传感器42位于磁极N的中心线上的位置B+,此时,在一个电气周期内产生相位差为90°的正弦波信号,进一步的,将第三线性霍尔传感器43设于与第一线性霍尔传感器相差n*360°+180°的电角度位置,第四线性霍尔传感器44设于与第二线性霍尔传感器42相差n*360°+180°的电角度位置,具体的,第三线性霍尔传感器43位于磁极N与磁极S之间的中心线上的位置A-,第四线性霍尔传感器44位于磁极S的中心线上的位置B-。
在本实施例中,第一线性霍尔传感器41、第二线性霍尔传感器42、第三线性霍尔传感器43以及第四线性霍尔传感器44与转子10之间的距离相等。
在一个实施例中,步骤A:根据线性霍尔传感器的磁场饱和度确定线性霍尔传感器与转子之间的距离,包括:
步骤A1:将线性霍尔传感器设置在多个位置分别获取多个电压信号,多个电压信号与多个位置一一对应;
步骤A2:获取每个电压信号与供电电压之间的电压差值;
步骤A3:根据多个电压差值获取所述线性霍尔传感器与所述转子之间的距离。
在本实施例中,多个所述线性霍尔传感器位于与所述转子20垂直的平面上。在本实施例中,本实施例中的线性霍尔传感器位于同一平面上,且均与转子10保持一定的距离。
在本实施例中,采用线性霍尔传感器测试与转子10之间的距离不同的情况下时,线性霍尔传感器输出的电压大小,从而根据磁场的饱和度确定线性霍尔传感器与转子10之间的最佳距离。
在一个实施例中,线性霍尔传感器输出的霍尔电压与电机供电电压相同时,此时线性霍尔传感器与转子10之间的距离为最佳距离。
在一个实施例中,步骤C:根据所述线性霍尔传感器以及所述转子的角度位置进行角度补偿,包括:
步骤C1:获取电机的杂散磁场强度以及与线性霍尔传感器中的霍尔片垂直的有效磁场强度;
步骤C2:根据所述杂散磁场强度和所述有效磁场强度得到补偿角度。
在一个实施例中,所述根据所述杂散磁场强度和所述有效磁场强度得到补偿角度,包括:
根据补偿角度表达式生成补偿角度;所述补偿角度表达式为:
Figure BDA0002344734240000111
其中,θError为补偿角度,βStray为杂散磁场强度,βApplied为补偿角度。
在本实施例中,根据反正切运算公式可以得到电机转子的电角度θ后,加上补偿角度θError,即可得到电机转子的实际电角度。
本申请提供了一种无刷电机及电机转子位置的检测方法,通过将第一线性霍尔传感器和述第二线性霍尔传感器分别设于两路正交霍尔相差360°的电角度的位置,第三线性霍尔传感器设于与第一线性霍尔传感器相差n*360°+180°的电角度位置,第四线性霍尔传感器设于与第二线性霍尔传感器相差n*360°+180°的电角度位置,从而根据线性霍尔传感器输出的霍尔电压信号得到转子位置信息,解决了目前的转子位置检测装置存在结构复杂、安装难度较大的问题。
以上仅为本申请的可选实施例而已,并不用以限制本申请,凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种无刷电机,其特征在于,包括转子、定子以及与所述定子固定连接的转接板,所述转接板上设有至少四个线性霍尔传感器;
所述至少四个线性霍尔传感器包括第一线性霍尔传感器、第二线性霍尔传感器、第三线性霍尔传感器以及第四线性霍尔传感器,其中,所述第一线性霍尔传感器和所述第二线性霍尔传感器分别位于相差90°的电角度的位置,所述第三线性霍尔传感器位于与所述第一线性霍尔传感器相差n*360°+180°的电角度位置,所述第四线性霍尔传感器位于与所述第二线性霍尔传感器相差n*360°+180°的电角度位置,n≥0,且n为正整数。
2.如权利要求1所述的无刷电机,其特征在于,多个所述线性霍尔传感器位于与所述转子垂直的平面上。
3.如权利要求1所述的无刷电机,其特征在于,所述转子为多极环形永磁铁。
4.如权利要求1所述的无刷电机,其特征在于,所述第一线性霍尔传感器与所述第三线性霍尔传感器分别位于两路正交霍尔相差360°的电角度的位置,且所述第一线性霍尔传感器与所述第三线性霍尔传感器的安装位置相反。
5.如权利要求1所述的无刷电机,其特征在于,所述无刷电机还包括:补偿单元,用于根据所述线性霍尔传感器以及所述转子的角度位置进行角度补偿。
6.如权利要求1所述的无刷电机,其特征在于,所述无刷电机还包括:解码单元,用于接收所述线性霍尔传感器输出的差分信号,并对所述差分信号进行解码处理得到所述转子的位置信息以及速度信息。
7.一种电机转子位置的检测方法,其特征在于,所述检测方法包括:
根据线性霍尔传感器的磁场饱和度确定线性霍尔传感器与转子之间的距离;
根据线性霍尔传感器与转子之间的距离将第一线性霍尔传感器和第二线性霍尔传感器分别设于相差90°的电角度的位置,并将第三线性霍尔传感器设于与第一线性霍尔传感器相差n*360°+180°的电角度位置,将第四线性霍尔传感器设于与第二线性霍尔传感器相差n*360°+180°的电角度位置,n≥0,且n为正整数;
根据线性霍尔传感器以及转子的角度位置进行角度补偿;
接收线性霍尔传感器输出的差分信号,并对所述差分信号进行解码处理得到转子的位置信息以及速度信息。
8.如权利要求7所述的检测方法,其特征在于,所述根据线性霍尔传感器的磁场饱和度确定线性霍尔传感器与转子之间的距离,包括:
将线性霍尔传感器设置在多个位置分别获取多个电压信号,多个电压信号与多个位置一一对应;
获取每个电压信号与供电电压之间的电压差值;
根据多个电压差值获取所述线性霍尔传感器与所述转子之间的距离。
9.如权利要求7所述的检测方法,其特征在于,所述根据线性霍尔传感器以及转子的角度位置进行角度补偿,包括:
获取电机的杂散磁场强度以及与线性霍尔传感器中的霍尔片垂直的有效磁场强度;
根据所述杂散磁场强度和所述有效磁场强度得到补偿角度。
10.如权利要求9所述的检测方法,其特征在于,所述根据所述杂散磁场强度和所述有效磁场强度得到补偿角度,包括:
根据补偿角度表达式生成补偿角度;所述补偿角度表达式为:
Figure FDA0002344734230000021
其中,θError为补偿角度,βStray为杂散磁场强度,βApplied为垂直霍尔片的磁场强度。
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