WO2013127311A1

WO2013127311A1 - 一种平面电机动子位移的测量方法

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Publication number: WO2013127311A1
Application number: PCT/CN2013/071732
Authority: WO
Inventors: 朱煜; 胡金春; 徐登峰; 孙玉婷; 尹文生; 张鸣; 杨开明; 穆海华
Original assignee: 清华大学
Priority date: 2012-03-01
Filing date: 2013-02-21
Publication date: 2013-09-06
Also published as: US9310782B2; US20150097508A1; CN102607391B; CN102607391A

Abstract

一种平面电机动子位移的测量方法，所述测量方法包括：在平面电机动子上布置四个磁感应强度传感器，由所布置的四个传感器的采样信号处理后得到信号Β _sx 、Β _cx 、Β _sy和Β _cy，以及得到磁场参考值Β _ksx 、Β _kcx 、Β _ksy和Β _kcy。Δx、Δy分别为X、Y方向位移分辨率，Β _M为平面电机本身磁场的磁感应强度幅值，根据不等式（I）和（II）进行判断，可分别测量X方向位移和Y方向位移。本发明所述方法，计算简单，可避免超越函数的计算和解决象限判断问题，有利于实时高速运算，具有较高的工程价值。

Description

一种平面电机动子位移的测量方法

技术领域

本发明涉及电机的位移测量方法，尤其是适用于处理平面电机磁场信号分析，实现平面电机精密位移检测。

背景技术

旋转式电动机产生动力驱动,再由机械装置,转换为平面运动。由于机械装置复杂,传动精度和速度都受到限制,且需经常调校,造成成本高、可靠性差、体积较大。最初的平面电动机是由两台直接驱动的平面式电动机来实现说的,这种结构增加了传动***的复杂性。而直接利用电磁能产生平面运动的平面电动机,具有出力密度高、低热耗、高精度的特点,因省去了从旋转运动到平面运动再到平面运动的中间转换装置,可把控制对象同电机做成一体化结构,具有反应快、灵敏度高、随动性好及结构简单等优点。

信号细分技术在机械和电子等领域有着广泛的应用书。平面电机的磁场信号周期性分布，信号每变化一个周期就对应着空间上一个固定的位移量。测量电路通常采用对信号周期进行计数的方法实现对位移的测量，若单纯对信号的周期进行计数，则仪器的分辨力就是一个信号周期所对应的位移量。为了提高仪器的分辨力，需采用细分技术。

发明内容

本发明的目的在于提供一种平面电机动子位移的测量方法，测量平面电机动子与定子在 ^x、 ^F方向的相对位移，实现信号高度细分，并且使信号处理简单快速。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

1)平面电机定子上的磁钢阵列产生磁场，在平面电机动子上布置四个磁感应强度传感器：第一传感器的坐标为（^Χΐ' )、第二传感器的坐标为 ⁱ⁾、第三传感器的坐标为 )、第四传感器的坐标为（第一传感器、第二传感器、第三传感器和第四传感器的采样信号分别为 ^β"、 ^Bb、 A和 , 将采样信号、 ^B»、 A和在信号处理电路中进行处理，其中 X方向位置坐标 ^Xl、 ^Χ2、和 ^Χ4之间依次相距平面电机 X方向磁场极距^的四分之一， ^ 方向位置坐标 ^l、相距平面电机 F方向磁场极距的 ^的四分之一；

2 )设 X方向位移分辨率 Δ 、方向位移分辨率测量磁钢阵列产生的磁场的磁感应强度幅值初始化 X方向计数单元 ^{= Q}、 y方向计数单元 ^{= Q}，初始化 X方向磁场参

， y方向磁场参考值中。、 B_b0、 Α。和。分别为平面电机动子在初始位置时第一传感器、第二传感器、第三传感器和第四传感器的采样信号；

3)测量开始，采样得到第一传感器、第二传感器、第三传感器和第四传感器的采样信号

B_a、 B_b、 ^和 S ，将^、 B_k、 ^和在信号处理电路中分别处理成四路信号 β„、 B_cx、 S "和

, , . Β ― Β, Β ― Β, Β + Β, Β + Β,

Β , 其中： Β =^—— 、 Β =^—— ^d -, Β =^—— ^b -, Β =^—— ^d -

4) 通过信号处理电路判断是否产生 X方向位移和 ί⁷方向位移： a.若产生 X方向位移，需要进一歩判断 X方向位移的正负，如果产生的 X方向位移为正, 则 X方向计数单元 ^{= + 1}，如果产生的 X方向位移为负，则 X方向计数单元更新 X方向磁场参考值 ^B = ^Β^ ^Β^ = ^B"，完成 X方向位移测量；

若没有产生 X方向位移，则直接完成 X方向位移测量； b.若产生 i⁷方向位移，需要进一步判断 F方向位移的正负，如果产生的 F方向位移为正，则 ί⁷方向计数单元 = ⁺¹, 如果产生的 F方向位移为负，则 ί方向计数单元 = ― 更新 ί⁷方向磁场参考值 ^{= 5}"、 ^B^ ⁼B_cy , 完成 y方向位移测量；若没有产生 y方向位移，则直接完成 y方向位移测量；

5) X方向位移测量和 y方向位移测量均完成后，计算平面电机动子方向的相对位移为 χ = 'Δχ, y方向的相对位移为 y = . _;

6) 重复步骤 3) 至 5)，实现实时测量平面电机动子的位移。

上述技术方案中，其特征在于，所述步骤 4) 中判断是否产生 X方向位移和判断 X方向位移的正负采用如下方法：

Β, Β -Β, Β

成立，则平面电机动子在 X方向的相对位移为，若不成立, 则认为平面电机动子在 X方向没有产生相对位移；若 - ^_fa ≥0成立，则平面电机动子在 X方向的相对位移为正，若不成立，贝 IJ平面电机动子在 X方向的相对位移为负。

上述技术方案中，其特征在于，所述步骤 4)中判断是否产生方向位移和判断方向位移的正负采用如下方法：

B, B - B, B

B,

成立，则平面电机动子在方向的相对位移为若不成立，则认为平面电机动子在 F方向没有产生相对位移；

若 B_ksyB_cy—B_kcyB_sy≥ 0成立, 则平面电机动子在 y方向的相对位移为正，若不成立，则平面电机动子在 ί⁷方向的相对位移为负。

采用以上技术方案可使得本发明取得突出性效果，即基于电机本身磁场作为位移检测信号实现电机动子相对定子的位移测量，可以避免传感器安装困难等不利因素；并且能够提高测量***分辨率，实现高度的细分；此外，由于避免超越函数的计算和解决象限判断问题使计算简单，而有利于实时高速运算，具有较高的工程价值。

附图说明

图 1为本发明所述平面电机动子位移的测量方法应用于动圈式平面电机总体结构示意图。

图 2为在平面电机动子上安装第一传感器、第二传感器、第三传感器和第四传感器位置图 3为本发明所述平面电机动子位移的测量方法的流程图。

其中， 1-平面电机定子； 2-磁钢阵列； 3-平面电机动子； 4-第一传感器； 5-第二传感器；

6-第三传感器； 7-第四传感器； 8-信号处理电路。

具体实施方式

下面以动圈式平面电机为例，结合附图和实施例对本发明所述平面电机动子位移的测量方法进行说明。

参考图 1和图 2，为所述平面电机动子位移的测量方法应用于动圈式平面电机的传感器布置方案。平面电机定子 1上的磁钢阵列 2产生磁场^ ^{= 2}^ («^ + 801 _} ，其中 ¾ /为磁钢阵列 2产生的磁场 β的磁感应强度幅值，为平面电机动子 X方向位移， y为平面电机动子 y方向位移。在平面电机动子 3上布置四个磁感应强度传感器：第一传感器 4的坐标为（^Χι' )、第二传感器 5的坐标为 ^Υι 、第三传感器 6的坐标为 (^Χ2' 、第四传感器 7的坐标为 (^Χ4' ) ,第一传感器、第二传感器、第三传感器和第四传感器的采样信号分别为 A ^B _b、 ^Bc 和，将采样信号 ^β。、 ^Bb、和在信号处理电路 8中进行处理，其中 X方向位置坐标、 X ^和 ^X4之间依次相距平面电机 X方向磁场极距^的四分之一，方向位置坐标

^ 相距平面电机 F方向磁场极距的 ^的四分之一。图 3为本发明所述平面电机动子位移的测量方法的流程图。因为按照上述传感器布置方案， }所以第一传感器、第二传感器、第三传感器、第四传感器的采样信号、、和分别为

Β_α =Β_Μ{ήαχ+ύηγ) B_h = (— sin x+ sin y) B_c = B_M (cos + cos y) B_d - B_M (- cos x + cos j)

Β

将 ^ΰ。、。^b、和分别处理成四路信号 ^β Β«-、 ^Β 和 ^β< 其中: 2

₌ B_C-B_{d Β =} B_{a +}B_{b Β =}B_{c +}B_d

2 和设 i'时刻的、 B_cx ^β 和分别 Β. 、 Β. 禾 _ΐπ口 Β " 由（1) 式、（2) 式、（3) 式

B B Β

和（4) 式，以及 '"和的定义，得 "和^£ 如下：

=¾sin ...... ₍₅₎

¾^{= si}"…… ₍₇₎ cos y ₍₈₎ 设 + ¹时刻的 ^β«、 ^β«、和^£ 分别 ^β+ 、和、"'。由（1) 式、（2) 式、（3) 式和（4) 式，以及平面电机动子在 ^时刻到时刻所产生的 X方向相对位移 Δ 平面电机动子在 ^时刻到 ⁱ⁺¹时刻所产生的方向相对位移 Δ 位移很小的情况下， B 、禾口近似如下：

B_(M)sx = B_M sin(x + Δ ¾； β_Μ ( sin x + cos x) (9)

B, B_M cos(x+A ) ¾ ¾(cos -A sin ) (10)

B_M)sy = ^sin(v + ^Δ,) - ( sin + A^cosv) ·····' (11) B, B_M cos(y+A ) « S_M (cos -Δ sin y) ' (12)

将公式 (5) - (12) 运算得:

在平面电机动子位移的实时测量应用中，（13)式和（14)式的左半部分等式由第一传感器、第二传感器、第三传感器、第四传感器的采样信号经过运算求得；和 Δ;ν分别为初始化时已设定的 X方向位移分辨率和方向位移分辨率。在实时测量的过程中，分别同时判断

成立，则认为平面电机动子产生 X方向位移为若不成立则认为平面电机动子产生 X方

> Ay

B;

向位移小于。若成立，则认为平面电机动子产生 F方向位移为

^Ay■ 若不成立则认为平面电机动子产生 F方向位移小于 ^Δ^。如果认为平面电机动子产生 X方向位移，需要进一步判断位移的方向：若

B 、U Β_; ≥ ⁰则认为位移 Δ 的方向为正方向，同时 X方向计数单元 = ^ ^{+ 1} _; 若

Β_(Μ)^ - Β_(Μ)^_Χ < ⁰则认为位移 Λ¾的方向为负方向，同时 X方向计数单元 = — ¹，。如果认为平面电机动子产生方向位移，需要进一步判断位移 ^Δ^的方向：若

- ≥0则认为位移的方向为正方向，同时方向计数单元 = ^{+ 1}；若

― ^< °则认为位移 ^Δ^的方向为负方向，同时 F方向计数单元 = ― ¹。

X方向位移测量和 y方向位移测量均完成后，计算平面电机动子 X方向的相对位移为

本发明提供的一种平面电机动子位移的测量方法，该方法包括以下歩骤：

1)平面电机定子 1上的磁钢阵列产生磁场，在平面电机动子 3上布置四个磁感应强度传感器：第一传感器 4的坐标为（ )、第二传感器 5的坐标为（第三传感器 6 的坐标为第四传感器 7的坐标为 )，第一传感器、第二传感器、第三传感器和第四传感器的采样信号分别为 ^β。、 ^、 Α和将采样信号 «、、 A和 A在信号处理电路 8中进行处理，其中 X方向位置坐标、 ^X 和之间依次相距平面电机 X方向磁场极距的四分之一， y方向位置坐标 ^、相距平面电机 y方向磁场极距的的四分之一；

2)设 X方向位移分辨率、方向位移分辨率 ^Δ^，测量磁钢阵列 2产生的磁场的磁感应强度幅值 ^βΜ，初始化 X方向计数单元 ^=Q、 ^y方向计数单元 ^=Q，初始化 X方向磁场 β = β = β ₌ + β = 参考值 2 ^fa" 2 ， F方向磁场参考值 — 2 、 _ 2 ，其中。、 ^β _Μ、。和 Q分别为平面电机动子在初始位置时第一传感器、第二传感器、第三传感器和第四传感器的采样信号；

3) 测量开始，釆样得到第一传感器 4、第二传感器 5、第三传感器 6和第四传感器 7的釆样信号^、 B_b、 S和 ¾，将 ΰ。、 B_b、 ^和在信号处理电路 8中分别处理成四路信号3„、丄 .、 B ― B, B ― Β> _ B -h Β· Β + Β, β , 、,和 „, , 其中： Β„= ^α - Β„ = ^c . ΰ,', = ^α 、 Β„, = ^c "

4) 通过信号处理电路 s判断是否产生 χ方向位移和 y方向位移：若产生 X方向位移，需要进一步判断 X方向位移的正负，如果产生的 X方向位移为正，则 X方向计数单元 =^ ^{+ 1}, 如果产生的 X方向位移为负，则 X方向计数单元：^—¹, 更新 X方向磁场参考值 = 、完成 χ方向位移测量；

若没有产生 X方向位移，则直接完成 X方向位移测量； b.若产生 y方向位移，需要进一步判断 y方向位移的正负，如果产生的 y方向位移为正，则 F方向计数单元 = ⁺¹, 如果产生的 y方向位移为负，则 y方向计数单元 = ― 更新 r方向磁场参考值^ ^=β"、 ^Β^= , 完成 y方向位移测量；若没有产生 y方向位移，则直接完成 y方向位移测量；

5) X方向位移测量和方向位移测量均完成后，计算平面电机动子方向的相对位移为 ⁼ ^^,A , y方向的相对位移为³ ^ ^;

6) 重复步骤 3) 至 5)，实现实时测量平面电机动子的位移。

Β, Β -Β, Β

成立，则平面电机动子在 X方向的相对位移为，若不成立，则认为平面电机动子在 X方向没有产生相对位移

老 B_ksxB_cx—B_kcxB_sx≥ ，则平面电机动子在 X方向的相对位移为正，若不成立，贝 IJ平面电机动子在 X方向的相对位移为负。

上述技术方案中，其特征在于，所述步骤 4)中判断是否产生 y方向位移和判断 F方向位移的正负采用如下方法：

B_t B —B_t B

≥Ay

B

成立，则平面电机动子在 F方向的相对位移为 ^Δ)7，若不成立，则认为平面电机动子在 F方向没有产生相对位移；若 ^^― ^^^≥Q成立，则平面电机动子在方向的相对位移为正，若不成立，则平面电机动子在方向的相对位移为负。

实施例：

所述的磁场极距^ =^= 35.35mm，所述的 X方向位移分辨率 Δ¾ = 15 «ί、 F方向位移分辨率 Ay = \5_Mm, 测量得磁钢阵列形成的磁场的磁感应强度幅值为 ^=80mT。

1)平面电机定子 1上的磁钢阵列 2产生磁场，在平面电机动子 3上布置四个磁感应强度传感器：第一传感器 4的坐标为（， ^), 第二传感器 5的坐标为（Χ₃， ί)、第三传感器 6 的坐标为（x₂， r₂)、第四传感器 7的坐标为 (X₄， Y₂) , 第一传感器、第二传感器、第三传感器和第四传感器的釆样信号分别为 β_α、 B_b、和，将采样信号、 B_b、和在信号处理电路 8中进行处理，其中 X方向位置坐标、 X₂、 ₃和 ₄之间依次相距 ⁸.^8375wwi， Γ方向位置坐标、 y₂相距 8.8375m ;

2) 设 X方向位移分辨率 Δχ = 15 «ί、； Γ方向位移分辨率 Ay = 15 /m，测量磁钢阵列 2产生的磁场的磁感应强度幅值 M^=8QmT，初始化 X方向计数单元 =0、方向计数单元 n_y y方向磁场参考值

B, B_k。 B_M、。和。分别为平面电机动子在初始位置时

第一传感器、第二传感器、第三传感器和第四传感器的采样信号；

3) 测量开始，采样得到第一传感器 4、第二传感器 5、第三传感器 6和第四传感器 7的采样信号 _a、 B_B、和 , 将、 B_B、和 6^在信号处理电路（8) 中分别处理成四路信号

Β -Β,

β„、 5 , 和，其中： B<_r

2 2 2

4 ) 通过信号处理电路 s判断是否产生 χ方向位移和 y方向位移:

\B, B -B, B

>15

a.若 6400 成立，则平面电机在 X方向的相对位移为 ¹⁵^^m，进一歩判断 X 方向位移的正负，如果，则 X方向位移为正， X方向计数单元 ^{= +1} _: 如果" _fa ^^ - D_fa ^ ^J，则 ί方向位移为负， X方向计数单元 =^— 更新 X方向磁场 = B_SX、，完成 X方向位移测量;

B, B -B, B

<15

6400 ，则直接完成 X方向位移测量； b. 若

成立，则平面电机在 Υ方向的相对位移为 ¹⁵^"，进一步判断 i⁷ 方向位移的正负，如果 m A_y≥o，则； F方向位移为正， y方向计数单元 = ⁺¹，如果 m A_y ^<0,则； F方向位移为负， y方向计数单元 = ― 更新 r方向磁场参考值 ^Β = 、 ^B^ = ^Β ，完成 y方向位移测量；

B, B -B, B

<15

6400 ，则完成方向位移测量；

5) X方向位移测量和方向位移测量均完成后，计算平面电机动子 X方向的相对位移为 _x=i54 ， y方向的相对位移为

6) 重复步骤 3) 至 5)，实现实时测量平面电机的动子位移。通过上述步骤，提供了平面电机动子位移的测量方法，分别测量平面电机动子与平面电机定子在 X、 ³⁷方向的相对位移，实现信号高度细分，并且使信号处理简单快速。

9

Claims

权利要求书

1.一种平面电机动子位移的测量方法，其特征在于所述方法包括：

1) 平面电机定子（1) 上的磁钢阵列（2) 产生磁场，在平面电机动子（3) 上布置四个磁感应强度传感器：第一传感器（4)的坐标为（^Χι' ^yi)、第二传感器（5)的坐标为 i)、第三传感器（6) 的坐标为（^Χ2' )、第四传感器（7) 的坐标为（^Χ4' ^Υ2) , 第一传感器、第二传感器、第三传感器和第四传感器的采样信号分别为、 ^Bb、和，将釆样信号

^B"、 ^Bb、和在信号处理电路（8)中进行处理，其中 X方向位置坐标 ^Χι、 ^Χι、和之间依次相距平面电机 X方向磁场极距的四分之一， J⁷方向位置坐标 ^、相距平面电机方向磁场极距的 ^的四分之一；

2) 设 X方向位移分辨率^、方向位移分辨率 >；，测量磁钢阵列（2) 产生的磁场的磁感应强度幅值 ^βΜ，初始化 X方向计数单元 ^=Q、方向计数单元 ⁼⁽⁾, 初始化 X方向 t>,„, = D,

磁场参考值

2 , 方向磁场参考值 β^{+ B}bl B _n+B,

ο, . = B

b^y ~ 2 、 — 2 ，其中。、 A。、。和。分别为平面电机动子在初始位置时第一传感器、第二传感器、第三传感器和第四传感器的采样信号；

3) 测量开始，采样得到第一传感器 )、第二传感器（5)、第三传感器（6) 和第四传感器（7) 的釆样信号 β_α、 B_b、和，将 Β_α、 B_b、和在信号处理电路（8) 中分别处理成四路信号、 B_cx、和 β ，其中：

B =B。_B_b、 _B B_c-B_{d B =} B_{a +}B_{b B}

2 2 ^sy 2 ^cy 2

4) 通过信号处理电路（8) 判断是否产生 X方向位移和 ί⁷方向位移： a.若产生 X方向位移，需要进一步判断 X方向位移的正负，如果产生的 X方向位移为正，则 X方向计数单元 =^ ^{+ 1}, 如果产生的 X方向位移为负，则 X方向计数单元 = ― 更新 X方向磁场参考值 ^Β^ = ^B^ = , 完成 X方向位移测量；若没有产生 X方向位移，则直接完成 X方向位移测量； b.若产生 ί⁷方向位移，需要进一步判断 F方向位移的正负，如果产生的 F方向位移为正，则 F方向计数单元 = ⁺¹，如果产生的 ί⁷方向位移为负，则 i⁷方向计数单元 = ― 更新 ί⁷方向磁场参考值 ^{= β}"、完成 y方向位移测量；

若没有产生 y方向位移，则直接完成 y方向位移测量；

5) X方向位移测量和 y方向位移测量均完成后，计算平面电机动子方向的相对位移为 ^ 'Δ , 方向的相对位移为 '^Δ

6) 重复步骤 3) 至 5)，实现实时测量平面电机动子的位移。

2.根据权利要求 1所述的一种平面电机动子位移的测量方法，其特征在于，所述步骤 4) 中判断是否产生 X方向位移和判断 X方向位移的正负采用如下方法：

则平面电机动子在 X方向的相对位移为，若不成立，则认为平面电机动子在 X方向没有产生相对位移； B_k!xB_cx-B ≥ΰ 则平面电机动子在 X方向的相对位移为正，若不成立，则平面电机动子在 X方向的相对位移为负。

3.根据权利要求 1所述的一种平面电机动子位移的测量方法，其特征在于，所述步骤 4) 中判断是否产生 F方向位移和判断方向位移的正负采用如下方法：

B, B —B_t B

B

' 成立，则平面电机动子在方向的相对位移为 ^{Δ 1}，若不成立，则认为平面电机动子在 F方向没有产生相对位移；

若 B_ksyB_cy—B_kcyB_s ≥Q航, 则平面电机动子在 Γ方向的相对位移为正，若不成立，则平面电机动子在方向的相对位移为负。