CN103256882B - 一种采用霍尔阵列的磁浮平面电机初始化位置检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种采用霍尔阵列的磁浮平面电机初始化位置检测方法，其特征在于：若干霍尔元件沿XY向等间距分布形成井字形或正方形阵列，阵列中各传感器对所在位置Z向磁通密度分量进行测量。该阵列中沿XY向分布的传感器用于XY坐标系的位置测量，沿UV向分布的传感器用于UV坐标系的位置测量，所述XY坐标系为动子运动坐标系，所述UV坐标系为XY坐标系逆时针旋转45度后形成的坐标系。本方法使电机动子在XY坐标系和UV坐标下的位置测量得以实现。

Description

一种采用霍尔阵列的磁浮平面电机初始化位置检测方法

技术领域

本发明涉及磁浮平面电机初始化位置检测。

背景技术

由于磁浮平面电机在结构、控制精度、损耗等方面具有良好的综合性能，它在光刻机等精密、超精密设备中有着巨大的潜力，该领域的研究已受到各半导体设备厂商的积极投入。

磁浮平面电机按动子和定子的相对位置不同可分为动磁铁式和动线圈式，动线圈式磁浮平面电机是指永磁阵列为定子，线圈阵列为动子，通电线圈在永磁阵列的磁场作用下产生运动，动磁铁式磁浮平面电机工作方式与其相反。在永磁阵列中，Halbach阵列由于其磁场分布的单边性，以及比较理性的正弦性，在永磁电机等领域得到了广泛运用，其原理如图1所示，永磁阵列上每一点的磁化方向随极角连续变化，阵列产生的磁场强度就按照正弦分布，实际运用中采用离散磁阵列。如图2所示，其二维磁钢阵列布置如图3所示。在图3中，无论是在u，v坐标系下，还是在x，y坐标系下，阵列的z向磁密分布都具有正弦性。

以动线圈式磁浮平面电机为例，在其工作的过程中需要经过磁对准、初始化、自动搜零三个阶段，然后再执行伺服运动。在初始化运动过程中，动线圈相对永磁阵列的位置是任意的，对动线圈电流的控制需要知道动线圈相对永磁阵列的精确位置，而永磁阵列磁场具有空间正弦分布的特征，因此可以通测量动子所在位置的磁密来确定动线圈相对永磁阵列的位置。

对于强磁密的测量，霍尔元件是比较好的选择。如上所述，永磁阵列的z向磁密分布无论是在u，v坐标系下，还是在x，y坐标系下都具有正弦性，所以其测量方法可以利用u，v坐标系下的正弦性或者x，y坐标系下正弦性进行测量。上述专利采用Y型霍尔阵列在x，y坐标系下测量平面磁场，如图4所示，其特点是将二维磁场分布通过特定的霍尔阵列转化成一维磁场分布，可以测量x，y，z位置以及Rx，Ry，Rz旋转角，优点是减小了霍尔元件的失调和放大误差。缺点是，霍尔元件使用较多，阵列分布方式导致安装精度得不到保证。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的缺陷，提供一种采用霍尔阵列的磁浮平面电机初始化位置检测方法，能有效减少霍尔元件使用的数量，保证安装精度，且可同时进行XY坐标系和UV坐标系下的位置测量。

为了实现上述目的，本发明提供一种采用霍尔阵列的检测方法，该霍尔阵列同时适用于XY坐标系的位置测量和UV坐标系的位置测量，该UV坐标系为XY坐标系逆时针旋转45度后形成的坐标系，该方法包括以下步骤：

a、若干霍尔元件沿XY向等间距分布形成井字形或正方形阵列；

b、X向或Y向的四个霍尔元件组成一个测量传感器；

c、U向或V向的单个霍尔元件组成一个测量传感器；

d、霍尔阵列安装在电机动子上，与永磁阵列平行，用于测量Z向的磁通密度；

e、各测量传感器的信号经过电路处理采样后，送往微处理器进行计算，从而完成动子相对永磁阵列的位置测量。

XY坐标系为与永磁阵列成45度的坐标系，UV坐标系为XY坐标系逆时针旋转45度后形成的坐标系。

更进一步地，当该霍尔阵列分布呈井字形时，沿X方向有两行霍尔元件，每行霍尔元件数量为6或8，沿Y方向有两列霍尔元件，每列霍尔元件数量为4。沿X方向排列的中间四个霍尔元件与沿Y方向排列的中间四个霍尔元件共用。阵列用于XY坐标系下测量时，沿X方向每行左边4个，右边4个霍尔元件分别组成共四个测量传感器；当阵列用于UV坐标系下测量时，每个测量传感器由一个霍尔元件组成，所述传感器沿UV方向排列成三行两列。

更进一步地，所述霍尔阵列呈正方形时，沿X方向有四行霍尔元件，每行霍尔元件数量为4，沿Y方向有四列霍尔元件，每列霍尔元件数量为4，形成4X4阵列。当阵列用于XY坐标系下测量时，沿X方向每行4个，每列4个霍尔元件分别组成共八个测量传感器；当阵列用于UV坐标系下测量时，每个测量传感器由一个霍尔元件组成，所述传感器沿UV方向排列成三行四列。

更进一步地，所述霍尔阵列沿X向或沿Y向的相邻的霍尔元件间距为p/2+np，其中n为整数，p为XY坐标系下的极距。

更进一步地，沿X方向分布的测量传感器信号为关于Y的正弦信号；沿Y方向分布的测量传感器信号为关于X的正弦信号，其峰值与Z有关。

更进一步地，沿UV方向分布的测量传感器信号为关于U的正弦信号和关于V的正弦信号的乘积，其峰值与Z有关。

更进一步地，各传感器信号经微处理器采集计算后，便可完成动子在XY坐标下或UV坐标系下的6轴位置测量

与现有技术相比较，本发明所提供的技术方案，相对于传统霍尔阵列布置方法，有些霍尔元件为公用元件，减少了霍尔元件的数量；其分布方式既能满足利用XY坐标系下磁场正弦性进行位置测量要求，又能满足利用UV坐标系下磁场正弦性进行位置测量，为算法上的多通道信息融合提供了硬件上的支持；将霍尔阵列安装在同一块电路板卡上，保证了安装精度。

附图说明

关于本发明的优点与精神可以通过以下的发明详述及所附图式得到进一步的了解。

图1所示为理想连续Halbach磁阵列；

图2所示为45和90度离散Halbach磁阵列；

图3所示二维Halbach磁阵列；

图4所示为现有技术中较为典型的一种霍尔测量方案；

图5所示为本发明所提供的第一实施方式；

图6所示为本发明霍尔阵列相对动子位置示意图；

图7所示为本发明所提供的第二实施方式；

图8所示为本发明所提供的第三实施方式。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的一种具体实施例。然而，应当将本发明理解成并不局限于以下描述的这种实施方式，并且本发明的技术理念可以与其他公知技术或功能与那些公知技术相同的其他技术组合实施。

在以下描述中，为了清楚展示本发明的结构及工作方式，将借助诸多方向性词语进行描述，但是应当将“前”、“后”、“左”、“右”、“外”、“内”、“向外”、“向内”、“上”、“下”等词语理解为方便用语，而不应当理解为限定性词语。此外，在以下描述中所使用的“Y方向”一词主要指与水平向平行的方向，“X方向”一词主要指与水平向平行的且与Y方向垂直的方向，“Z方向”一词主要指与水平向垂直的方向。“UV坐标系”为XY坐标系逆时针旋转45度后形成的坐标系。“U方向”一词主要指与水平向平行的方向，“V方向”一词主要指与水平向平行的且与U方向垂直的方向。

本发明提供一种采用霍尔阵列的磁浮平面电机初始化位置检测方法，该方法包括以下步骤：

a、若干霍尔元件沿XY向等间距分布形成井字形或正方形阵列；

b、X向或Y向的四个霍尔元件组成一个测量传感器；

c、U向或V向的单个霍尔元件组成一个测量传感器；

d、霍尔阵列安装在电机动子上，与永磁阵列平行，用于测量Z向的磁通密度；

e、各测量传感器的信号经过电路处理采样后，送往微处理器进行计算，从而完成动子相对永磁阵列的位置测量。

图5所示为本发明所提供霍尔阵列的第一实施方式，如图5中所示，霍尔阵列和永磁阵列成45度放置，UV坐标系与永磁阵列分布正交，该霍尔阵列按井字形分布。沿X方向扩展，分别布置两排数量为4的霍尔元件，上面4个霍尔元件组成的传感器组标记为x11，下面4个霍尔元件组成的传感器组标记为x12。继续相距p/2的距离沿x方向扩展，分别布置两排数量为4的霍尔元件，上面4个霍尔元件组成传感器组标记为x21，下面4个霍尔元件组成传感器组标记为x22。每个霍尔元件x向间距为p/2，y向间距也为p/2，p为永磁阵列在x，y坐标系下的极距。以两排2X8霍尔阵列的中间四个元件为基础向+Y和-Y方向分别以间距为p/2的距离扩张共四个霍尔元件，以此组成一个井字形霍尔阵列，左边一列4个霍尔元件组成传感器组标记为y11，右边一列4个霍尔元件组成传感器组标记为y12。以上参数p/2均可延伸为p/2+np，n为整数。

霍尔阵列在动子上的位置如图6所示，井字形结构安装在动子的中间空闲地方。在图6中，20是霍尔阵列，30是线圈阵列，40是动子。

该霍尔阵列在工作时，，x11，x12，x21，x22测量信号分别为沿x方向扩展的四个霍尔元件信号的算术平均值，在动子沿x方向移动时，其值保持不变，在沿y向移动时，为关于y的正弦信号。其中x11，x12正交，x21，x22正交。

在图5所示的霍尔阵列中，y11，y12测量信号分别为沿y方向扩展的四个霍尔元件信号的算术平均值，在动子沿y方向移动时，其值保持不变，在沿x向移动时，为关于x的正弦信号。其中y11，y12正交。

图5所示的霍尔阵列中，6个黑色标记的传感器A1（x12阵列中从左到右第三个元件），A2（y11中从上到下第四个元件），A3（x11中从左到右第四个元件），A4（x22中从左到右第一个元件），A5（y12中从上到下第一个元件），A6(x21中从左到右第二个元件)输出信号为关于U的正弦信号和关于V的正弦信号的乘积，其峰值与Z有关，用以UV坐标系下的位置测量。

本发明同时提供该霍尔阵列的第二种实施方式，请参见图7。该霍尔阵列按井字形分布。以X向分布两排2X6霍尔元件，以中间四个元件为基础向+Y和-Y方向分别以间距为p/2的距离扩张共四个霍尔元件，以此组成一个井字形霍尔阵列，相邻霍尔元件在X向或Y向上间距均为p/2。以上参数p/2均可延伸为p/2+np，n为整数。。与第一实施例相比较，第二实施方式中间的霍尔元件被多次复用，减少了四个霍尔元件。

本发明同时提供该霍尔阵列的第三种实施方式，请参见图8。在第三实施方式中，该霍尔阵列分布呈正方形，相邻霍尔元件在X向或Y向上间距均为p/2+np，n为整数。与第一实施例相比较，第三实施方式工程实现更为容易。

以下将以霍尔元件的间距为p/2第一种实施例具体讲述霍尔阵列的工作方法：

a、如图5所示，霍尔阵列（动子）与永磁阵列成45度角放置，在XY坐标系下，永磁阵列Z向磁密分布可近似表示为，则x11所测的磁密可表示为，x12所测的磁密可表示为，通过x11，x12可求出传感器所在位置y坐标为，从而确定动子所在位置Y坐标。tan（y）为周期内单调函数，可通过其一次导数来判断动子Y向运动方向（+Y或-Y）。

b、同理，可通过y11，y12来求出动子X坐标及X向运动方向（+X或-X）。

c、传感器x11，x12所测磁密值平方和为只和Z相关的数，通过此可求出其所在位置Z坐标从而可确定动子的Z坐标。

d、x21，x22与x11，x12的Y坐标在动子与永磁阵列如图5Rz为0度角时相等，若发生小的角度偏转（绕z轴），将导致此值发生变化，设x11，x12求出的Y坐标为y1，x21，x22求出的Y坐标为y2，则。

e、动子平面与XY平面平行的时候，x11，x12的Z坐标相同，即其信号峰值相同，当动子平面绕X轴有小角度旋转时，导致x11，x12的z坐标相差为psin/2，可求出Rx。

f、同理可通过y11，y12可求出Ry。

g、在u，v坐标系下磁阵列z向磁密分布可近似表示为，其中，所以A1所测磁密可表示为，A2所测磁密可表示为，A3所测磁密可表示为,A4所测磁密可表示为，通过这四个值即可求出动子u，v坐标及u，v轴运动方向。

h、A1、A3、A2、A4信号平方和为只和Z相关的数，通过此可求出动子Z坐标。

i、在动子与永磁阵列Rz为0度角时，A1和A5的u坐标相同，若发生小的角度偏转，将导致此值发生变化，设A5的u坐标为u2，A1求出的u坐标为u1，则。

动子平面与UV平面平行的时候，A1，A3信号平方和峰值测的z坐标与A2，A4信号平方和峰值测的z坐标相同，当动子平面绕v轴有小角度旋转时，导致两者Z坐标相差为p1sin/2，可求出Rv。同理，可通过A1，A2信号平方和峰值测的z坐标与A3，A4信号平方和峰值测的z坐标可求出Ru。

通过以上步骤，可完成XY坐标系下以及UV坐标系的6轴位置测量。

实施例2和实施例3的测量方法和实施例1相似，不再累述。

本说明书中所述的只是本发明的较佳具体实施例，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明的限制。凡本领域技术人员依本发明的构思通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在本发明的范围之内。

Claims (8)

1.一种采用霍尔阵列的磁浮平面电机初始化位置检测方法，其特征在于，所述霍尔阵列同时适用于XY坐标系的位置测量和UV坐标系的位置测量，所述UV坐标系为XY坐标系逆时针旋转45度后形成的坐标系，包括：

若干霍尔元件沿XY向等间距分布形成井字形或正方形阵列；

X向或Y向的四个霍尔元件组成一个测量传感器；

U向或V向的单个霍尔元件组成一个测量传感器；

所述霍尔阵列安装在电机动子上，与永磁阵列平行，用于测量Z向的磁通密度；

各测量传感器的信号经过电路处理采样后，送往微处理器进行计算，从而完成动子相对永磁阵列的位置测量。

2.如权利要求1所述的采用霍尔阵列的磁浮平面电机初始化位置检测方法，其特征在于，当所述霍尔阵列呈井字形时，沿X方向有两行霍尔元件，每行霍尔元件数量为6或8，沿Y方向有两列霍尔元件，每列霍尔元件数量为4；沿X方向排列的中间四个霍尔元件与沿Y方向排列的中间四个霍尔元件共用。

3.如权利要求1所述的采用霍尔阵列的磁浮平面电机初始化位置检测方法，其特征在于，当所述霍尔阵列呈正方形时，沿X方向有四行霍尔元件，每行霍尔元件数量为4，沿Y方向有四列霍尔元件，每列霍尔元件数量为4，形成4X4阵列。

4.如权利要求1所述的采用霍尔阵列的磁浮平面电机初始化位置检测方法，其特征在于，所述霍尔阵列沿X向或沿Y向的相邻的霍尔元件间距为p/2+np，其中n为整数，p为XY坐标系下的极距。

5.如权利要求2所述的采用霍尔阵列的磁浮平面电机初始化位置检测方法，其特征在于，当所述霍尔阵列用于XY坐标系下测量时，沿X方向每行左边4个，右边4个霍尔元件分别组成共四个测量传感器。

6.如权利要求2所述的采用霍尔阵列的磁浮平面电机初始化位置检测方法，其特征在于，当所述霍尔阵列用于UV坐标系下测量时，每个测量传感器由一个霍尔元件组成，所述传感器沿UV方向排列成三行两列。

7.如权利要求3所述的采用霍尔阵列的磁浮平面电机初始化位置检测方法，其特征在于，当所述霍尔阵列用于XY坐标系下测量时，沿X方向每行4个，每列4个霍尔元件分别组成共八个测量传感器。

8.如权利要求3所述的采用霍尔阵列的磁浮平面电机初始化位置检测方法，其特征在于，当所述霍尔阵列用于UV坐标系下测量时，每个测量传感器由一个霍尔元件组成，所述传感器沿UV方向排列成三行四列。