一種動線圈型磁浮電機及其磁角度檢測方法

2023-05-09 20:06:31 2

一種動線圈型磁浮電機及其磁角度檢測方法
【專利摘要】本發明涉及一種動線圈型磁浮電機及其磁角度檢測方法，其結構包括相對設置的磁鋼陣列和電機動子，所述電機動子包括四個矩陣排布的繞組線圈，所述繞組線圈中還分別設有磁敏傳感器和位移傳感器。本發明利用所述磁敏傳感器獲知所述繞組線圈在磁場中的大致位置，然後通過在該位置附近進行掃描，根據所述位移傳感器提供的垂向位移變化量，探知繞組線圈在磁場中的精確位置，磁對準時間短，對準精度高。
【專利說明】一種動線圈型磁淳電機及其磁角度檢測方法

【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種動線圈型磁浮電機及其磁角度檢測方法。

【背景技術】
[0002] 對於動線圈型磁浮電機而言，基於矢量控制的解耦策略是一種比較成熟的控制方 法，它通過坐標變換，實現了永磁同步電機的直軸電流和交軸電流的解耦，從而達到了水平 向運動與垂向運動的獨立控制。
[0003] 對於這種解耦控制策略，在進行伺服閉環時，首先需要知道磁浮電機動子在磁鋼 陣列中的位置，即初始磁角度，否則，由於閉環時發力體出力方向未知，磁浮電機在尚未浮 起時，便很可能已經出現水平力超過靜摩擦力而導致電機動子產生滑動的情況，使得磁浮 電機動子和定子之間出現機械摩擦，影響產品安全和使用壽命。
[0004] 為了獲知初始磁角度，一種方法是在系統中加入磁敏感傳感器，如霍爾元件，這 樣，在初始化時，可以通過這些傳感器來直接得到繞組線圈相對於磁場的初始位置。但是， 霍爾元件在磁場中的測量精度不高，導致初始磁角度誤差較大，進而使得直軸和交軸之間 不能完全解耦，降低了伺服性能。
[0005] 另一種方法是利用位移來探測初始磁角度，在該技術方案中，繞組線圈的底部與 磁鋼陣列接觸的部分有一層彈性元件，原本用於保護線圈繞組和磁鋼陣列接觸時的機械撞 擊，當繞組線圈中通入電流，並改變電流的控制角時，繞組線圈所產生的力將隨著控制角的 變化而變化，由於彈性元件可以壓縮，因此繞組線圈與磁鋼陣列之間的垂向距離也將隨著 控制角的變化而變化。這樣，根據垂向距離最大或者最小時的電角度，即可獲知繞組線圈在 磁鋼陣列中的初始磁角度，但這種磁對準方法需要不斷變更電流的控制角，在磁對準範圍 內進行逐一掃描，如果要獲得更高的磁對準精度，控制角的變化間隔必須比較小，這導致對 準時間大大加長，不利於廣率的提


【發明內容】

[0006] 本發明提供一種動線圈型磁浮電機及其磁角度檢測方法，以提高初始磁角度的測 量精度，同時減少對準時間。
[0007] 為解決上述技術問題，本發明提供一種動線圈型磁浮電機，包括相對設置的磁鋼 陣列和電機動子，所述電機動子包括四個矩陣排布的繞組線圈，所述繞組線圈中還分別設 有磁敏傳感器和位移傳感器。
[0008] 較佳地，所述磁鋼陣列和電機動子之間還設有保護層。
[0009] 較佳地，所述磁敏傳感器為霍爾傳感器。
[0010] 本發明還提供了一種動線圈型磁浮電機的磁角度檢測方法，應用於如上所述的動 線圈型磁浮電機，其步驟包括：
[0011] S1:選取一個繞組線圈，該繞組線圈中的磁敏傳感器測量得到電機動子的位置，並 提供磁對準掃描的初始搜索範圍；
[0012] S2 :給定驅動該繞組線圈的交軸電流和直軸電流，並設定位置掃描步長dstep和 電流掃描步長dl ;
[0013] S3 :在給出的初始搜索範圍內，記錄使磁浮電機抬起的模擬位置；
[0014] S4 :調整位置掃描步長dst印和電流掃描步長dl，直至在給出的初始搜索範圍內 找到唯一的使磁浮電機抬起的模擬位置xl，且此時的位置掃描步長dstep小於磁對準精度 要求；
[0015] S5 :該繞組線圈磁對準完成。
[0016] 較佳地，S3步驟中，若使磁浮電機抬起的模擬位置為2個，則取電流掃描步長為前 次掃描的一半，並令模擬位置掃描步長也為前次掃描的一半，重新掃描；若使磁浮電機抬起 的模擬位置大於2個，則取電流掃描步長為前次掃描的一半，重新掃描。
[0017] 較佳地，使磁浮電機抬起的模擬位置大於等於2個的情況下，根據前次掃描結果 限定掃描範圍。
[0018] 較佳地，假定xn為第η個能夠使磁浮電機動子抬起的模擬位置，並記相鄰的兩個 使電機動子抬起的位置之間的最大距離為：distance=max(abs(xn+l_xn))，記磁鋼陣列Ν 極到S極的磁極距為τ ;
[0019] 當distance〈 τ，則掃描的位置為從第一個能夠使電機動子抬起的位置開始，到最 後個能夠使電機動子抬起的位直結束；
[0020] 當distance〉τ，記滿足distance〉τ的兩個位置分別為χη、χη+1，則掃描的起始 位置為xn+1,到xn + 2 τ結束。
[0021] 較佳地，S1步驟中，磁對準掃描的初始搜索範圍為[pos_x0-Ax-3 σ-dl-d2, pos_ x0-Δ χ+3 σ +dl+d2]，其中，所述磁敏傳感器測量的電機動子位置為（x0, y0, rzO)，根據所述 繞組線圈與電機動子位置的固定偏差所計算得到的繞組線圈位置為（P〇S_x〇, P〇s_y〇)，所 述磁敏傳感器的定位方差為σ，機械安裝公差為dl，繞組線圈的機械安裝公差為d2,繞組 線圈相對於電機動子位置的偏尚量為（Δχ, Ay)。
[0022] 較佳地，根據所述位移傳感器測量的垂向位移判斷磁浮電機是否被抬起。
[0023] 較佳地，四個矩陣排布的繞組線圈需分別進行磁對準。
[0024] 與現有技術相比，本發明具有以下優點：本發明提供的動線圈型磁浮電機及其磁 角度檢測方法，其結構包括相對設置的磁鋼陣列和電機動子，所述電機動子包括四個矩陣 排布的繞組線圈，所述繞組線圈中還分別設有磁敏傳感器和位移傳感器。本發明利用所述 磁敏傳感器獲知所述繞組線圈在磁場中的大致位置，然後通過在該位置附近進行掃描，根 據所述位移傳感器提供的垂向位移變化量，探知繞組線圈在磁場中的精確位置，磁對準時 間短，對準精度高。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0025] 圖1為本發明一【具體實施方式】的動線圈型磁浮電機的結構示意圖；
[0026] 圖2為本發明一【具體實施方式】的動線圈型磁浮電機的磁角度檢測方法流程圖；
[0027] 圖3至圖6為本發明一【具體實施方式】的動線圈型磁浮電機磁角度檢測過程中位置 掃描值與垂向力之間的關係圖。
[0028] 圖中：10_磁鋼陣列、20-電機動子、21-繞組線圈、30-磁敏傳感器、40-位移傳感 器。

【具體實施方式】
[0029] 為使本發明的上述目的、特徵和優點能夠更加清晰易懂，下面結合附圖對本發明 的【具體實施方式】做詳細的說明。需說明的是，本發明附圖均採用簡化的形式且均使用非精 準的比例，僅用以方便、明晰地輔助說明本發明實施例的目的。
[0030] 本發明提供的動線圈型磁浮電機，如圖1所示，包括相對設置的磁鋼陣列10和電 機動子20,所述電機動子20包括四個矩陣排布的繞組線圈21，所述繞組線圈21中還分別 設有磁敏傳感器30和位移傳感器40,在磁角度對準過程中，通過所述磁敏傳感器30獲知所 述繞組線圈21在磁場中的位置，然後根據幾何位置確定每個發力體，即每個繞組線圈21， 進行磁對準的掃描範圍，在該範圍內，按照特定的算法不斷變換直軸或者交軸電流，最後根 據所述位移傳感器40檢測到的位置變化情況，獲知準確的磁對準位置。
[0031] 較佳地，請繼續參考圖1，所述磁鋼陣列10和電機動子20之間還設有保護層（圖中 未示出），具體地，所述保護層具有一定彈性，由於所述線圈繞組21和磁鋼陣列10接觸時會 發生機械撞擊，所述保護層能夠對所述線圈繞組21和磁鋼陣列10進行保護。
[0032] 較佳地，請繼續參考圖1，所述磁敏傳感器30為霍爾傳感器，其具有對磁場敏感、 結構簡單、體積小、頻率響應寬、輸出電壓變化大和使用壽命長等優點。
[0033] 實施例1
[0034] 請重點參考圖2,並結合圖1，本發明還提供了一種動線圈型磁浮電機的磁角度檢 測方法，應用於如上所述的動線圈型磁浮電機，其步驟包括：
[0035] S1 :選取一個繞組線圈21，該繞組線圈21中的磁敏傳感器30測量得到電機動子 20的位置，並提供磁對準掃描的初始搜索範圍，具體地，假定霍爾傳感器測量的電機動子 20位置為（xO, y0, rzO)，根據磁浮電機發力體（即繞組線圈21)與電機動子20位置的固定偏 差所計算得到的發力體位置為（P〇s_x0, pos_y0)，並假定霍爾傳感器的定位方差為〇，霍 爾傳感器的機械安裝公差為dl，繞組線圈21的機械安裝公差為d2,該發力體相對於電機動 子20位置的偏離量為（Λ X，Λ y)，那麼對於該發力體，磁對準的初始掃描範圍可以取[P0s_ χ0-Δ χ-3 σ -dl-d2, pos_x0-Δ χ+3 σ +dl+d2]；
[0036] S2 :給定驅動該繞組線圈21的交軸電流和直軸電流，並設定位置掃描步長dstep 和電流掃描步長dl，具體地，本實施例中，給定交軸電流為0,直軸初始掃描電流為idO,根 據磁浮電機的工作原理，該垂向力大小為：
[0037]

【權利要求】
1. 一種動線圈型磁浮電機，包括相對設置的磁鋼陣列和電機動子，所述電機動子包括 四個矩陣排布的繞組線圈，其特徵在於，所述繞組線圈中還分別設有磁敏傳感器和位移傳 感器。
2. 如權利要求1所述的動線圈型磁浮電機，其特徵在於，所述磁鋼陣列和電機動子之 間還設有保護層。
3. 如權利要求1所述的動線圈型磁浮電機，其特徵在於，所述磁敏傳感器為霍爾傳感 器。
4. 一種動線圈型磁浮電機的磁角度檢測方法，應用於如權利要求1?3中任意一項所 述的動線圈型磁浮電機，其特徵在於，其步驟包括： 51 :選取一個繞組線圈，該繞組線圈中的磁敏傳感器測量得到電機動子的位置，並提供 磁對準掃描的初始搜索範圍； 52 :給定驅動該繞組線圈的交軸電流和直軸電流，並設定位置掃描步長dstep和電流 掃描步長dl ; 53 :在給出的初始搜索範圍內，記錄使磁浮電機抬起的模擬位置； 54 :調整位置掃描步長dst印和電流掃描步長dl，直至在給出的初始搜索範圍內找到 唯一的使磁浮電機抬起的模擬位置xl，且此時的位置掃描步長dst印小於磁對準精度要 求； 55 :該繞組線圈磁對準完成。
5. 如權利要求4所述的動線圈型磁浮電機的磁角度檢測方法，其特徵在於，S3步驟中， 若使磁浮電機抬起的模擬位置為2個，則取電流掃描步長為前次掃描的一半，並令模擬位 置掃描步長也為前次掃描的一半，重新掃描；若使磁浮電機抬起的模擬位置大於2個，則取 電流掃描步長為前次掃描的一半，重新掃描。
6. 如權利要求5所述的動線圈型磁浮電機的磁角度檢測方法，其特徵在於，使磁浮電 機抬起的模擬位置大於等於2個的情況下，根據前次掃描結果限定掃描範圍。
7. 如權利要求6所述的動線圈型磁浮電機的磁角度檢測方法，其特徵在於，假定xn為 第η個能夠使磁浮電機動子抬起的模擬位置，並記相鄰的兩個使電機動子抬起的位置之間 的最大距離為：distance=max (abs (xn+1-xn))，記磁鋼陣列Ν極到S極的磁極距為τ， 當diStance〈 τ，則掃描的位置為從第一個能夠使電機動子抬起的位置開始，到最後一 個能夠使電機動子抬起的位置結束； 當distance〉τ，記滿足distance〉τ的兩個位置分別為χη、χη+1，則掃描的起始位置 為χη+1，到xn + 2 τ結束。
8. 如權利要求4所述的動線圈型磁浮電機的磁角度檢測方法，其特徵在於，S1步驟中， 磁對準掃描的初始搜索範圍為[p〇s_x〇-Ax-3 σ -dl-d2, pos_x〇-Ax+3 σ +dl+d2]，其中，所 述磁敏傳感器測量的電機動子位置為（x〇, y〇, rzO)，根據所述繞組線圈與電機動子位置的 固定偏差所計算得到的繞組線圈位置為（P〇s_xO, p〇s_yO)，所述磁敏傳感器的定位方差為 σ，機械安裝公差為dl，繞組線圈的機械安裝公差為d2,繞組線圈相對於電機動子位置的 偏尚量為（Δ X，Δ y)。
9. 如權利要求4所述的動線圈型磁浮電機的磁角度檢測方法，其特徵在於，根據所述 位移傳感器測量的垂向位移判斷磁浮電機是否被抬起。
10.如權利要求4所述的動線圈型磁浮電機的磁角度檢測方法，其特徵在於，四個矩陣 排布的繞組線圈需分別進行磁對準。
【文檔編號】H02P6/16GK104104198SQ201310130299
【公開日】2014年10月15日 申請日期:2013年4月15日 優先權日:2013年4月15日
【發明者】張曉文, 張霖, 嚴蘭舟, 楊曉峰 申請人:上海微電子裝備有限公司