抗線圈幹擾的磁浮平面電機初始化位置檢測系統及方法
2023-05-30 00:29:16
抗線圈幹擾的磁浮平面電機初始化位置檢測系統及方法
【專利摘要】本發明提供了一種抗線圈幹擾的磁浮平面電機初始化位置檢測系統及方法，包括傳感器組和處理器，所述傳感器組包括若干傳感器，所述若干傳感器分別與處理器連接，至少三個發力體分別設有一個所述傳感器組，每個所述傳感器包括若干個霍爾元件，同一傳感器在每個線圈內設有一個霍爾元件。本發明通過將霍爾元件均勻分布在不同的線圈中，從而將多個線圈中的電流產生的對霍爾元件的幹擾磁密之和轉化為單個線圈對鄰近線圈內的霍爾元件的幹擾磁密。進而可以通過計算排除此幹擾，有效地避免了動子的線圈通電後產生的磁場對傳感器的幹擾，最終提高傳感器的測量精度。
【專利說明】抗線圈幹擾的磁浮平面電機初始化位置檢測系統及方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種磁浮平面電機，尤其涉及一種磁浮平面電機中的抗線圈幹擾的磁浮平面電機初始化位置檢測系統及方法。
【背景技術】
[0002]動線圈式磁浮平面電機通過將永磁陣列和通電線圈之間的排斥力將動子平臺懸浮起來，並通過調整線圈電流的大小控制電磁合力，從而控制動子在平面上的運動。
[0003]在其初始化運動過程中，線圈相對永磁陣列的位置是任意的，對線圈電流的控制需要知道線圈相對永磁陣列的精確位置，而永磁陣列磁場具有空間正弦分布的特徵，因此可以通測量動子所在位置的磁密來確定線圈相對永磁陣列的位置。在現有技術中，通常使用霍爾元件組成的傳感器來測量動子所在位置的磁密，從而確定動子的位置是比較成熟的方法。
[0004]在2003年12月9日公開的美國專利US6661127B2公開了一種採用Y型陣列來布置霍爾傳感器，使動子的位置測量得而實現，但是在該專利中並沒有指出霍爾傳感器和電機線圈的相對位置，在電機的運行中，電機線圈流過的大電流將產生比較強的磁場，這些磁場將嚴重幹擾霍爾傳感器，影響測量精度。
【發明內容】
[0005]本發明要解決的技術問題是在磁浮平面電機中，動子的線圈通電後產生的磁場幹擾了傳感器對其在永磁陣列中的磁密的測量。
[0006]為了解決以上技術問題，本發明提供了一種抗線圈幹擾的磁浮平面電機初始化位置檢測系統，用於檢測動子的位置，所述動子上設有四個發力體，每個發力體包括均勻分布的三個線圈，兩個所述發力體中的線圈沿X軸方向分布，另兩個所述的發力體中的線圈沿Y軸方向分布，X軸與Y軸互相垂直，四個發力體組合形成一個矩形，線圈分布同向的兩個發力體間隔設置，相鄰線圈的距離為永磁陣列極距的4/3，其特徵在於:包括傳感器組和處理器，所述傳感器組包括若干傳感器，所述若干傳感器分別與處理器連接，至少三個發力體分別設有一個所述傳感器組，每個所述傳感器包括若干個霍爾元件，同一傳感器在每個線圈內設有一個霍爾兀件。
[0007]優選的，每個傳感器中的霍爾元件分別沿其所屬發力體內的線圈的分布方向分布。
[0008]優選的，所述霍爾元件沿傳感器方向的兩側到其線圈的距離相等。
[0009]優選的，每個傳感器組內設有兩個傳感器。
[0010]優選的，所述兩個傳感器之間的距離為極距的二分之一或極距的二分之三。
[0011]本發明還提供了一種抗線圈幹擾的磁浮平面電機初始化位置檢測方法，採用本發明提供的抗線圈幹擾的磁浮平面電機初始化位置檢測系統，包括如下步驟:
[0012]第一步，各傳感器進行測量分別獲得各霍爾元件的實際磁密，並計算各霍爾元件的所受到的來自線圈的幹擾磁密；
[0013]第二步，將各霍爾元件的實際磁密減去對應的幹擾磁密，獲得各個霍爾元件受到的來自永磁陣列的理想磁密，
[0014]第三步，利用所述理想磁密計算出動子的位置。
[0015]優選的，在所述第一步中，計算幹擾磁密的過程中，僅僅計算霍爾元件所屬的線圈及相鄰線圈對其產生的幹擾磁密。
[0016]優選的，在所述的第三步中，通過同傳感器組內的傳感器測得的理想磁密計算出動子在X軸或Y軸上的位置。
[0017]優選的，在所述的第三步中，通過以下步驟計算動子沿Z軸的旋轉位置，所述Z軸與X軸和Y軸所在平面垂直:
[0018]SOl:測量線圈分布方向相同的兩個發力體內的傳感器組的相應的位置差距；
[0019]S02:利用所述位置差距和動子在X軸或Y軸上的位置計算其沿Z軸的旋轉位置。
[0020]優選的，在所述的第三步中，通過對各傳感器組的位置進行計算，從而得到動子沿X軸與Y軸的旋轉位置和動子在Z軸上的位置。
[0021]本發明通過將霍爾元件均勻分布在不同的線圈中，明確了傳感器和線圈的相對位置，更重要的是，將多個線圈中的電流產生的對霍爾元件的幹擾磁密之和轉化為單個線圈對本線圈內的霍爾元件和鄰近線圈內的霍爾元件的幹擾磁密，進而可以通過計算排除此幹擾，有效地避免了動子的線圈通電後產生的磁場對傳感器的幹擾，最終提高傳感器的測量精度。同時，通過軸向分布線圈、傳感器、霍爾元件，使得之後的計算更為方便。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0022]附圖1是本發明一優選的實施例的抗線圈幹擾的磁浮平面電機初始化位置檢測系統的結構示意圖。
[0023]附圖2是本發明一優選的實施例的抗線圈幹擾的磁浮平面電機初始化位置檢測系統的傳感器的位置分布示意圖；
[0024]圖中，100—永磁陣列；101—動子；102—發力體；103—線圈；104—一號傳感器；204一二號傳感器；304—三號傳感器；404—四號傳感器；504—五號傳感器；604—六號傳感器；105—霍爾兀件。
【具體實施方式】
[0025]以下將根據圖2，並結合圖1對本發明的一種抗線圈幹擾的磁浮平面電機初始化位置檢測系統和抗線圈幹擾的磁浮平面電機初始化位置檢測方法進行詳細的描述，其中表示了本發明的優選實施例。
[0026]本實施例提供了一種抗線圈幹擾的磁浮平面電機初始化位置檢測系統，用於檢測動子的位置，所述動子101上設有四個發力體102，每個發力體102包括均勻分布的三個線圈103，兩個所述發力體102中的線圈103沿X軸方向分布，另兩個所述的發力體102中的線圈103沿Y軸方向分布，X軸與Y軸互相垂直，四個發力體102組合形成一個矩形，線圈分布同向的兩個發力體102間隔設置，相鄰線圈103的距離為永磁陣列100極距的4/3，其特徵在於:包括傳感器組和處理器(圖未示)，所述傳感器組包括若干傳感器，所述若干傳感器分別與處理器連接，至少三個發力體分別設有一個所述傳感器組，每個所述傳感器包括若干個霍爾兀件105,同一傳感器在每個線圈內設有一個霍爾兀件。
[0027]發力體102和線圈103的分布方式可以有助於將動子的位置數據分解到X軸與Y軸，以便測量和計算。同一傳感器在每個線圈103內設有一個霍爾元件105，即將霍爾元件105均勻分布在不同的線圈103中，明確了傳感器、霍爾元件105與線圈103之間的相對位置，同時，將多個線圈103中的電流對霍爾元件105的幹擾磁密之和轉化為單個線圈103對本線圈103內的霍爾元件105和鄰近線圈內的霍爾元件105幹擾磁密，進而可以通過計算排除此幹擾，進而提高傳感器整體的測量精度。
[0028]本實施例提供的抗線圈幹擾的磁浮平面電機初始化位置檢測系統及方法適用於由三個線圈組成一個發力體的電機，三個線圈的電流為三相交流電，將一個傳感器的三個霍爾元件分別放在三個線圈的中間位置上，三相交流電對三個霍爾元件的測量值之和幹擾轉化為單個線圈對鄰近線圈內的霍爾元件的幹擾，實時監測該線圈電流，在處理器中進行位置計算時，扣除該線圈的幹擾，從而提高霍爾傳感器的測量精度。
[0029]每個傳感器中的霍爾元件105分別沿其所屬發力體內的線圈的分布方向分布。從而霍爾元件105沿X軸或Y軸方向分布，便於計算。
[0030]所述霍爾元件105沿傳感器方向的兩側到其線圈的距離相等。請參考圖2，傳感器104沿X軸方向設置，則沿X軸方向上，霍爾元件105的兩側到其線圈103的距離相等。以便於後續的計算處理。
[0031]在本實施例中，每個發力體102內設有兩個傳感器。所述傳感器之間的距離為極距的二分之一或極距的二分之三。在磁浮平面電機中，永磁陣列100磁密分布與極距相關，將傳感器之間的距離固定為極距的二分之一或二分之三，可以有助於通過傳感器及霍爾元件105的磁密計算其具體位置。
[0032]每個發力體102內設有三個線圈103。同發力體102內的線圈103之間的距離為極距的三分之四，可便於後續的計算處理。
[0033]本實施例提供了一種抗線圈幹擾的磁浮平面電機初始化位置檢測方法，採用本實施例提供的抗線圈幹擾的磁浮平面電機初始化位置檢測系統，包括如下步驟:
[0034]第一步，各傳感器進行測量分別獲得各霍爾元件105的實際磁密，並計算各霍爾元件105的所受到的來自線圈的幹擾磁密；
[0035]第二步，將各霍爾元件105的實際磁密減去對應的幹擾磁密，獲得各個霍爾元件105受到的來自永磁陣列的理想磁密；
[0036]第三步，利用所述理想磁密計算出動子的位置。
[0037]理想磁密為永磁陣列100產生的磁密，依次為依據計算，才能準確計算出動子101的相對位置。採用理想磁密進行計算而非實際磁密，可以有效避免幹擾磁密對傳感器的幹擾，而只將永磁陣列100產生的磁密參與動子101位置的計算，提高了傳感器整體的測量精度，能夠更準確地計算出動子101的位置。
[0038]在所述第一步中，計算幹擾磁密的過程中，僅僅計算霍爾元件105所屬的線圈103及相鄰線圈103對其產生的幹擾磁密。而忽略較遠的線圈103對其的幹擾磁密，這是由於較遠的線圈103產生的幹擾磁密極小，而且其計算非常複雜，故而在本實施例中將其省略。
[0039]在所述的第三步中，通過同傳感器組內的傳感器測得的理想磁密計算出動子在X軸或Y軸上的位置。
[0040]在所述的第三步中，通過以下步驟計算動子沿Z軸的旋轉位置，所述Z軸與X軸和Y軸所在平面垂直:
[0041]SOl:測量線圈分布方向相同的兩個發力體102內的傳感器組的相應的位置差距；
[0042]S02:利用所述位置差距和動子101在X軸或Y軸上的位置計算其沿Z軸的旋轉位置。
[0043]在所述的第三步中，通過對各傳感器組的位置進行計算，從而得到動子沿X軸與Y軸的旋轉位置和動子在Z軸上的位置。
[0044]本實施例適用的電機動子在xy坐標系內作二維運動，動子101有四個發力體102，每個發力體102包含三個線圈103，線圈之間的距離為4P/3 (P為極距)；
[0045]如圖2所示，其中一個發力體102中包括沿X向分布的兩個傳感器104和204，每個傳感器包含3個霍爾元件105，這3個霍爾元件105布置在所屬發力體102的三個線圈103內，且每個霍爾元件105的兩側和其所在線圈103之間沿X軸向的距離相等，傳感器1、2之間的距離為p/2或3p/2，本實施例中其餘三個發力體102中傳感器、霍爾元件105和線圈103的分布均與之相似。
[0046]本實施例中的霍爾元件105採集的磁密既包括永磁陣列100的磁場的磁密也包括通電線圈103產生的磁場的幹擾磁密。本實施例中將以如下的計算步驟和原理去除幹擾磁 LU O
[0047]在使用本實施例的抗線圈幹擾的磁浮平面電機初始化位置檢測系統與抗線圈幹擾的磁浮平面電機初始化位置檢測方法對動子101的位置進行測量時，請參考附圖2，當動子101運動時,一號傳感器104包含3個霍爾兀件,這三個霍爾兀件的測量值不僅包括永磁陣列的磁場還包括通電線圈產生的磁場。一號傳感器104所在發力體的三個線圈103，從左至右設為A，B，C，其電流
[0048]IA+IB+IC = O
[0049](I)
[0050]一號傳感器104的霍爾元件105自左至右設為j、k、1，由於線圈103的電流在某一位置產生的磁密正比於電流大小，所以一號傳感器測量的幹擾磁密如下:
[0051]B — fAJ * iA+fBk.iB+fci.Ic+fBj.Ιβ+fAk.[+fck.IC+^l.
[0052](2)
[0053]在上式中，fAj表示線圈A在霍爾元件j處的磁密的電流比例因子，由於相距較遠，忽略線圈A對霍爾元件1，線圈C對霍爾元件j的影響，以及其它發力體內的線圈103對一號傳感器的影響。fBk表示線圈B在霍爾元件k處的磁密的電流比例因子，fcl表示線圈C在霍爾元件I處的磁密的電流比例因子。
[0054]由於位直的對稱關係，fAj=fBk=fci，fBj=fAk=fck=fBl，代入(I)式，上式間化為:
[0055]B = fB1.Ib
[0056](3)
[0057]上式中，傳感器的幹擾磁密簡化為線圈B對鄰近的霍爾元件I的幹擾，
[0058]由於位置固定，fB1固定，實時監測Ib，便可扣除此幹擾，從而使線圈對傳感器的幹擾近似為零。
[0059]以同樣的計算方式,二號傳感器204、三號傳感器304、四號傳感器404、五號傳感器504和六號傳感器604受到的線圈的幹擾也可減弱為零。
[0060]通過如下步驟，可完成動子101的6軸測量:
[0061]a、在動子101運動時,一號傳感器104和二號傳感器204的測量值只對y方向敏感，且為關於y的正交信號。
[0062]b、三號傳感器304和四號傳感器404為關於X的正交正弦信號，通過一號傳感器104、二號傳感器204、三號傳感器304和四號傳感器404便可完成動子xy坐標的確定以及
向。
[0063]C、一號傳感器104和二號傳感器分別與五號傳感器504和六號傳感器604在y向距離為定值，而當動子101繞z軸有旋轉角時，此距離發生變化，可通過此變化得出旋轉角Rz0
[0064]d、一號傳感器104和二號傳感器204的測量值的平方和為關於z, rx, ry的值,三號傳感器304和四號傳感器404的測量值的平方和為關於z, rx, ry的值,五號傳感器504和六號傳感器604的測量值的平方和為關於z，rX，ry值，通過三組方程，可得到動子z、rx、ry的坐標。
[0065]將各傳感器的模擬電壓信號經過AD轉化後，送進處理器進行計算，各傳感器信號減去線圈幹擾信號後，進行如下計算:
[0066]請參考附圖2，在x，y坐標系下，永磁陣列100在z軸方向的磁密分布可近似表示為:
[0067]
【權利要求】
1.一種抗線圈幹擾的磁浮平面電機初始化位置檢測系統，用於檢測動子的位置，所述動子上設有四個發力體，每個發力體包括均勻分布的三個線圈，兩個所述發力體中的線圈沿X軸方向分布，另兩個所述的發力體中的線圈沿Y軸方向分布，X軸與Y軸互相垂直，四個發力體組合形成一個矩形，線圈分布同向的兩個發力體間隔設置，相鄰線圈的距離為永磁陣列極距的4/3，其特徵在於:包括傳感器組和處理器，所述傳感器組包括若干傳感器，所述若干傳感器分別與處理器連接，至少三個發力體分別設有一個所述傳感器組，每個所述傳感器包括若干個霍爾元件，同一傳感器在每個線圈內設有一個霍爾元件。
2.如權利要求1所述的一種抗線圈幹擾的磁浮平面電機初始化位置檢測系統，其特徵在於:每個傳感器中的霍爾元件分別沿其所屬發力體內的線圈的分布方向分布。
3.如權利要求1所述的一種抗線圈幹擾的磁浮平面電機初始化位置檢測系統，其特徵在於:所述霍爾元件沿傳感器方向的兩側到其線圈的距離相等。
4.如權利要求1所述的一種抗線圈幹擾的磁浮平面電機初始化位置檢測系統，其特徵在於:每個傳感器組內設有兩個傳感器。
5.如權利要求4所述的一種抗線圈幹擾的磁浮平面電機初始化位置檢測系統，其特徵在於:，所述兩個傳感器之間的距離為極距的二分之一或極距的二分之三。
6.一種抗線圈幹擾的磁浮平面電機初始化位置檢測方法，其特徵在於，採用如權利要求I所述的抗線圈幹擾的磁浮平面電機初始化位置檢測系統，包括如下步驟: 第一步，各傳感器進行測量分別獲得各霍爾元件的實際磁密，並計算各霍爾元件的所受到的來自線圈的幹擾磁密； 第二步，將各霍爾元件的實際磁密減去對應的幹擾磁密，獲得各個霍爾元件受到的來自永磁陣列的理想磁密， 第三步，利用所述理想磁密計算出動子的位置。
7.如權利要求6所述的一種抗線圈幹擾的磁浮平面電機初始化位置檢測方法，其特徵在於:在所述第一步中，計算幹擾磁密的過程中，僅僅計算霍爾元件所屬的線圈及相鄰線圈對其產生的幹擾磁密。
8.如權利要求6所述的一種抗線圈幹擾的磁浮平面電機初始化位置檢測方法，其特徵在於:在所述的第三步中，通過同一傳感器組內的傳感器測得的理想磁密計算出動子在X軸或Y軸上的位置。
9.如權利要求8所述的一種抗線圈幹擾的磁浮平面電機初始化位置檢測方法，其特徵在於:在所述的第三步中，通過以下步驟計算動子沿Z軸的旋轉位置，所述Z軸與X軸和Y軸所在平面垂直: 501:測量線圈分布方向相同的兩個發力體內的傳感器組的相應的位置差距； 502:利用所述位置差距和動子在X軸或Y軸上的位置計算其沿Z軸的旋轉位置。
10.如權利要求6所述的一種抗線圈幹擾的磁浮平面電機初始化位置檢測方法，其特徵在於:在所述的第三步中，通過對各傳感器組的位置進行計算，從而得到動子沿X軸與Y軸的旋轉位置和動子在Z軸上的位置。
【文檔編號】H02N15/00GK104079209SQ201310103920
【公開日】2014年10月1日 申請日期:2013年3月27日 優先權日:2013年3月27日
【發明者】丁少華, 張志鋼 申請人:上海微電子裝備有限公司