一種基於直線磁鋼陣列的運動平臺一維定位方法

2023-09-14 06:25:55 5

專利名稱：一種基於直線磁鋼陣列的運動平臺一維定位方法
技術領域：
本發明涉及一種包含直線磁鋼陣列的運動部件的測量方法，特別涉及一種利用線性霍爾傳感器進行測量的方法，屬於測量及數據處理技術領域。

背景技術：
直線電機是一種將電磁能直接轉換成直線運動機械能的電磁裝置，它具有結構簡單、定位精度高、響應速度快等優點，可以直接驅動工作檯，這樣就取消了驅動電機和工作檯之間的一切中間傳動環節，從而克服了傳統驅動方式的傳動環節帶來的缺點，因而廣泛地應用於工業直線驅動、交通運輸、軍事裝備等眾多領域。
在運用直線電機的運動系統中，一般採用高精度光柵尺作為位置檢測元件，定位精度取決於光柵的解析度。專利200720002447.8中，描述了利用光柵位置檢測編碼器進行位置檢測，專利200610033455中，描述了利用光柵編碼器進行位置實時反饋來進行定位。以上專利技術所運用的元器件，測量精度雖然較高，但需要較為複雜的電路與光學設備並且成本較高。而在實際運動過程中，若直接用霍爾傳感器進行位置測量，測量信號本身及採樣過程都會存在噪聲而導致測量精度損失。


發明內容
本發明的目的提供一種基於直線磁鋼陣列的運動平臺一維定位方法，並不局限於直線電機，當定子磁鋼陣列布置得當，就能產生在運動方向上呈正弦分布的磁場，在磁場分布明確的前提下，即可利用與運動部件相關的磁通密度測量值進行位置確定。該方法針對包含直線磁鋼陣列的運動系統，利用多個傳感器的數據融合，提供一種簡單、便捷、魯棒的平臺定位方法，從而達到降低成本及降低噪聲對測量精度影響的目的。
為達到上述發明目的，本發明採取的技術方案是一種基於直線磁鋼陣列的運動平臺一維定位方法的運動系統，包括定子平臺、相對定子平臺運動的運動平臺，定子平臺上有N極、S極交替放置的直線磁鋼陣列，它們之間由氣隙隔開，運動平臺面積小於定子平臺。
一種基於直線磁鋼陣列的運動平臺一維定位方法，所述方法包括以下步驟 1)選定運動系統中運動平臺表面運動方向上的直線磁鋼陣列一個或者多個極距內任意n個不同位置，每個位置放置1個線性霍爾傳感器，其中，不同極距內相同相位的位置被認為是同一位置，而且n至少等於2； 2)根據運動系統中直線磁鋼陣列確定磁通密度分布模型公式Bz＝A×sin(X+α+α0)； 其中，Bz表示直線磁鋼陣列磁通密度，A表示磁通密度分布模型幅值分量，X表示要解算的運動平臺質心相位，α表示線性霍爾傳感器安裝位置相對運動平臺質心的相位，α0表示初始相位； 3)在運動平臺運動前，測量步驟1)中線性霍爾傳感器的安裝位置Sαi，其中，i＝1，2…，n，並轉化為相對運動平臺質心的相位αi，其中，i＝1，2…，n； 4)在運動平臺工作過程中，記錄步驟3)中各個線性霍爾傳感器磁通密度測量值Bzi，其中，i＝1，2…，n； 5)將步驟4)中測量值作為觀測量，將步驟2)中直線磁鋼陣列磁通密度分布模型作為計算模型，通過數學算法解算出運動平臺的質心相位X，該質心相位X為相對相位； 6)根據步驟5)中解算出的運動平臺質心相位X，進一步確定運動平臺質心相對於初始相位的位置Sx，所述的初始相位由在運動平臺上安裝的機械零位給出。
上述技術方案中，步驟3)中所述的線性霍爾傳感器相對運動平臺質心的相位αi與安裝位置Sαi的關係如下

其中，τ為定子平臺直線磁鋼陣列的極距。
本發明對步驟5)中所得到的運動平臺質心相位X，還需要進行以下處理 設Xr為運動平臺質心相對於初始相位的相位，N為運動方向上相對於初始相位的跳躍周期數，則Xr＝N×2π+X，得到運動平臺質心相對於初始相位的相位，進而得到運動平臺質心相對於初始相位的位置，即
本發明步驟5)中所述的數學算法採用無跡卡爾曼濾波、非線性最小二乘、擴展卡爾曼濾波算法進行。
本發明的技術特徵還在於，所述的相對於初始相位的跳躍周期數的確定方法如下 a.設Xn為當前時刻解算出的運動平臺質心相位，Xn-1為上個時刻解算出的運動平臺質心相位，Nn為當前時刻相對於初始相位的跳躍周期數，Nn-1為上個時刻相對於初始相位的跳躍周期數； b.當(Xn-Xn-1)＞π且判斷運動平臺的運動速度為正時，Nn＝Nn-1+1；當(Xn-Xn-1)＞π且判斷運動平臺的運動速度為負時，Nn＝Nn-1-1；當(Xn-Xn-1)≤π時，當前時刻相對於初始相位的跳躍周期數與上個時刻相同，即Nn＝Nn-1。
由於採用了以上的技術方案，具有以下優點和技術性效果，本發明為包含直線磁鋼陣列的運動系統提供了一種簡單、便捷、魯棒的平臺一維定位方法，同時給包含直線磁鋼陣列的運動系統提供了一種運動平臺定位的新思路和新方法，達到降低成本及降低噪聲對測量精度影響的目的。



圖1是本發明算法流程圖。
圖2是本發明直線磁鋼陣列磁通密度分布圖。
圖3是本發明運動系統的結構示意圖。
其中，1-定子平臺；2-直線磁鋼陣列；3-氣隙；4-運動平臺；5-線性霍爾傳感器。

具體實施例方式 下面結合附圖對本發明實施方式進一步地詳細描述。
一種基於直線磁鋼陣列的運動平臺一維定位方法的運動系統，包括定子平臺1、相對定子平臺1運動的運動平臺4，定子平臺1上有N極、S極交替放置的直線磁鋼陣列2，它們之間由氣隙3隔開，運動平臺4面積小於定子平臺1。
本發明提供的一種基於直線磁鋼陣列的運動平臺一維定位方法，該方法包括以下步驟 1)選定運動系統中運動平臺4表面運動方向上的直線磁鋼陣列2一個或一個以上極距內任意n個不同位置，每個位置放置1個線性霍爾傳感器5，其中，不同極距內相同相位的位置被認為是同一位置，而且n至少等於2； 2)根據運動系統中直線磁鋼陣列2確定磁通密度分布模型公式Bz＝A×sin(X+α+α0)； 其中，Bz表示直線磁鋼陣列2磁通密度，A表示磁通密度分布模型幅值分量，X表示要解算的運動平臺4質心相位，α表示線性霍爾傳感器5安裝位置相對運動平臺4質心的相位，α0表示初始相位； 3)在運動平臺4運動前，測量步驟1)中線性霍爾傳感器5的安裝位置Sαi，其中，i＝1，2…，n，並轉化為相對運動平臺4質心的相位αi，其中，i＝1，2…，n； 4)在運動平臺4工作過程中，記錄步驟3)中各個線性霍爾傳感器5磁通密度測量值Bzi，其中，i＝1，2…，n； 5)將步驟4)中測量值作為觀測量，將步驟2)中直線磁鋼陣列2磁通密度分布模型作為計算模型，通過數學算法解算出運動平臺4的質心相位X，該質心相位X為相對相位； 6)根據步驟5)中解算出的運動平臺4質心相位X，進一步確定運動平臺4質心相對於初始相位的位置Sx，所述的初始相位由在運動平臺4上安裝的機械零位給出。
步驟3)中所述的線性霍爾傳感器5相對運動平臺4質心的相位αi與安裝位置Sαi的關係如下

其中，τ為定子平臺1直線磁鋼陣列2的極距。
對步驟5)中所得到的運動平臺4質心相位X，還需要進行以下處理 設Xr為運動平臺4質心相對於初始相位的相位，N為運動方向上相對於初始相位的跳躍周期數，則Xr＝N×2π+X，得到運動平臺4質心相對於初始相位的相位，進而得到運動平臺4質心相對於初始相位的位置，即
步驟5)中所述的數學算法採用無跡卡爾曼濾波、非線性最小二乘、擴展卡爾曼濾波算法進行。
所述的相對於初始相位的跳躍周期數的確定方法如下 a.設Xn為當前時刻解算出的運動平臺4質心相位，Xn-1為上個時刻解算出的運動平臺4質心相位，Nn為當前時刻相對於初始相位的跳躍周期數，Nn-1為上個時刻相對於初始相位的跳躍周期數； b.當(Xn-Xn-1)＞π且判斷運動平臺4的運動速度為正時，Nn＝Nn-1+1；當(Xn-Xn-1)＞π且判斷運動平臺4的運動速度為負時，Nn＝Nn-1-1；當(Xn-Xn-1)≤π時，當前時刻相對於初始相位的跳躍周期數與上個時刻相同，即Nn＝Nn-1。
實施例 所述的線性霍爾傳感器5在運動平臺4上放置的最少個數由所述的直線磁鋼陣列2磁通密度分布模型所包含未知參數的個數決定，並在此基礎上放置個數越多，對於減小運動平臺4相位解算結果的不確定性越有利，因此，n至少等於2。
參考圖3，下面以運動平臺4表面運動方向上放置2個線性霍爾傳感器5(即n＝2)，運用無跡卡爾曼濾波算法為例對本發明進行描述，以便進一步理解本發明。
1)選定運動系統中運動平臺4表面運動方向上的直線磁鋼陣列2一個極距內任意2個不同位置，每個位置放置1個線性霍爾傳感器5； 2)根據運動系統中直線磁鋼陣列2確定磁通密度分布模型公式 Bz＝A×sin(X+α+α0)； 其中，Bz表示直線磁鋼陣列2磁通密度，A表示磁通密度分布模型幅值分量，X表示要解算的運動平臺4質心相位，α表示線性霍爾傳感器5安裝位置相對運動平臺4質心的相位，α0表示初始相位； 3)在運動平臺4運動前，測量步驟1)中線性霍爾傳感器5的安裝位置Sαi，其中，i＝1，2，並通過關係式

轉化為相對運動平臺4質心的相位αi，其中，i＝1，2； 4)在運動平臺4工作過程中，記錄步驟3)中各個線性霍爾傳感器5磁通密度測量值Bzi，其中，i＝1，2； 5)將步驟4)中測量值作為觀測量，將步驟2)中直線磁鋼陣列2磁通密度分布模型中幅值分量及運動平臺3的質心相位作為狀態變量x(設x維數為L，即L＝2)，即x＝[A X]，且具有均值x與協方差陣Pxx，通過無跡卡爾曼濾波算法，解算出運動平臺3的質心相位X； 運動系統的狀態方程為 xk＝I2×2xk-1 所述步驟2)中磁通密度分布模型作為計算模型，則運動系統的量測方程為 Bzi＝A×sin(X+αi+α0) 根據上述狀態方程和量測方程，可假定運動系統離散方程為 其中，xk是不可觀測的狀態向量，yk是觀測向量，uk是激勵輸入向量，vk是系統噪聲向量，nk是觀測噪聲向量。假設以上噪聲是高斯白噪聲，且它們的協方差陣分別是Q和R。
具體算法步驟如下 步驟一設置狀態變量x的初始估計值和初始誤差方差 步驟二計算sigma點和相應的加權因子； 其中，λ為一個比例因子； 步驟三預測狀態的均值和協方差； 其中，Wim、Wic是兩組加權係數，表達式如下 步驟四利用觀測量進行更新； 步驟五若還有線性霍爾傳感器5的測量值未利用，轉到步驟二，反之輸出的運動平臺4質心相位
6)根據步驟5)中解算出的運動平臺質心相位X，利用轉換公式 Xr＝N ×2π+X 進一步確定運動平臺4質心相對於初始相位的位置Sx。
採用以上說明的本發明的一種基於直線磁鋼陣列的運動平臺一維定位方法，針對包含直線磁鋼陣列2的運動系統，利用多個傳感器的數據融合，提供一種簡單、便捷、魯棒的平臺一維質心位置計算方法。本發明的思路及效果對包含直線磁鋼陣列2的運動系統在運動平臺4一維定位方面的研究和發展具有重要的實際意義。
權利要求
1.一種基於直線磁鋼陣列的運動平臺一維定位方法，所述的直線磁鋼陣列放置在定子平臺上表面，所述的運動平臺相對於定子平臺作直線運動，其特徵在於，所述方法包括
1)選定運動系統中運動平臺表面運動方向上的直線磁鋼陣列一個或一個以上極距內任意n個不同位置，每個位置放置1個線性霍爾傳感器，其中，不同極距內相同相位的位置被認為是同一位置，而且n至少等於2；
2)根據運動系統中直線磁鋼陣列確定磁通密度分布模型公式Bz＝A×sin(X+α+α0)；
其中，Bz表示直線磁鋼陣列磁通密度，A表示磁通密度分布模型幅值分量，X表示要解算的運動平臺質心相位，α表示線性霍爾傳感器安裝位置相對運動平臺質心的相位，α0表示初始相位；
3)在運動平臺運動前，測量步驟1)中線性霍爾傳感器的安裝位置Sαi，其中，i＝1，2…，n，並轉化為相對運動平臺質心的相位αi，其中，i＝1，2…，n；
4)在運動平臺工作過程中，記錄步驟3)中各個線性霍爾傳感器磁通密度測量值Bzi，其中，i＝1，2…，n；
5)將步驟4)中測量值作為觀測量，將步驟2)中直線磁鋼陣列磁通密度分布模型作為計算模型，通過數學算法解算出運動平臺的質心相位X，該質心相位X為相對相位；
6)根據步驟5)中解算出的運動平臺質心相位X，進一步確定運動平臺質心相對於初始相位的位置Sx，所述的初始相位由在運動平臺上安裝的機械零位給出。
2.根據權利要求1所述的一種基於直線磁鋼陣列的運動平臺一維定位方法，其特徵在於，步驟3)中所述的線性霍爾傳感器相對運動平臺質心的相位αi與安裝位置Sαi的關係如下
其中，τ為定子平臺直線磁鋼陣列的極距。
3.根據權利要求2所述的一種基於直線磁鋼陣列的運動平臺一維定位方法，其特徵在於，對步驟5)中解算出的運動平臺質心相位X，還需要進行以下處理
設Xr為運動平臺質心相對於初始相位的相位，N為運動方向上相對於初始相位的跳躍周期數，則Xr＝N×2π+X，得到運動平臺質心相對於初始相位的相位，進而得到運動平臺質心相對於初始相位的位置，即
4.根據權利要求1所述的一種基於直線磁鋼陣列的運動平臺一維定位方法，其特徵在於，步驟5)中所述的數學算法採用無跡卡爾曼濾波、非線性最小二乘或擴展卡爾曼濾波算法進行。
5.根據權利要求3所述的一種基於直線磁鋼陣列的運動平臺一維定位方法，其特徵在於，所述的相對於初始相位的跳躍周期數的確定方法如下
a.設Xn為當前時刻解算出的運動平臺質心相位，Xn-1為上個時刻解算出的運動平臺質心相位，Nn為當前時刻相對於初始相位的跳躍周期數，Nn-1為上個時刻相對於初始相位的跳躍周期數；
b.當(Xn-Xn-1)＞π且判斷運動平臺的運動速度為正時，Nn＝Nn-1+1；當(Xn-Xn-1)＞π且判斷運動平臺的運動速度為負時，Nn＝Nn-1-1；當(Xn-Xn-1)≤π時，當前時刻相對於初始相位的跳躍周期數與上個時刻相同，即Nn＝Nn-1。
全文摘要
一種基於直線磁鋼陣列的運動平臺一維定位方法，該方法包括以下步驟在運動系統中運動平臺表面運動方向上的直線磁鋼陣列一個或一個以上極距內任意不同位置放置2個以上線性霍爾傳感器，根據直線磁鋼陣列確定磁通密度分布模型，確定上述線性霍爾傳感器的安裝位置，並轉化為相對運動平臺質心的相位，在運動過程中記錄所述線性霍爾傳感器磁通密度測量值，並以所述測量值作為觀測量，所述磁通密度分布模型作為計算模型，解算運動平臺質心在運動方向上的相位，再以所述相位為依據，確定運動平臺質心相對於初始相位的位置，實現運動平臺的一維定位。本發明為包含直線磁鋼陣列的運動系統提供了一種簡單、便捷、魯棒的平臺一維質心位置計算方法。
文檔編號G01D5/12GK101769764SQ20101003427
公開日2010年7月7日 申請日期2010年1月19日 優先權日2010年1月19日
發明者胡金春, 朱煜, 汪勁松, 尹文生, 張鳴, 楊開明, 徐登峰, 廖凱, 段廣洪, 張利 申請人:清華大學