CN103633884B - 一种基于压力传感器组的磁悬浮永磁平面电机起浮方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于压力传感器组的磁悬浮永磁平面电机起浮方法，在动子底面上设4个压力传感器，给驱动单元通入电流，根据压力传感器测量动子产生的此时压力可得悬浮力，采用二分逐次逼近法确定悬浮电流的相位，根据悬浮电流相位给线圈阵列通入相应的电流产生所需悬浮力，安装使用方便，硬件成本低，工作范围不受行程限制，运行稳定可靠，有效解决现有技术中采用平面光栅等增量式位置传感器无法确定动子相对于定子的初始相位的技术问题。

Description

一种基于压力传感器组的磁悬浮永磁平面电机起浮方法
技术领域
本发明属于电力传动技术领域，尤其涉及动圈式磁悬浮永磁平面电机，是一种基于压力传感器组的动圈式磁悬浮永磁平面电机起浮方法，特别适用于半导体光刻、高精度绘图仪、高精密动作台等现代制造装备领域。
背景技术
随着先进制造业的快速发展，现代精密、超高精密制造装备对高响应、高速度、高精密的平面驱动装置有着迫切的需求。与传统的二维平面工作台相比，以平面电机为核心构造的直驱式平面工作台具有结构简单、定位精度高、响应速度快等优点，在半导体光刻、高精度绘图仪、高精密动作台等精密、超高精密的现代制造装备中具有很大的应用潜力。磁悬浮永磁平面电机动子不需任何物理支撑就可在二维平面上自由运动，机械结构极为简单。
动圈式磁悬浮永磁平面电机动子为线圈阵列，定子为永磁阵列，起浮时需根据动子相对于定子的位置给线圈阵列通入相应的电流以产生所需要的悬浮力，因此，确定悬浮电流的相位使动子顺利起浮是磁悬浮永磁平面电机正常工作的前提条件。目前，采用平面光栅等增量式位置传感器只能检测动子运动的相对位移而无法确定动子相对于定子的位置，因而无法确定悬浮电流的相位。采用微距离高精度激光测距仪进行可以检测动子相对于定子的位置，进而确定悬浮电流的相位，但这种设备价格昂贵、安装使用要求高、测量范围有限，因此，需要一种新的技术方案以解决上述问题。
二分逐次逼近法可用于求解已知函数f(x)=0的根(x的解)，其基本思想是：①先找出一个区间[a,b]，使得f(a)与f(b)异号，根据介值定理，这个区间内一定包含着方程式的根；②求该区间的中点m=(a+b)/2，并找出f(m)的值；③若f(m)与f(a)正负号相同则取[m,b]为新的区间,否则取[a,m]；④重复第②和第③步至理想精确度为止。
发明内容
针对现有动圈式磁悬浮永磁平面电机起浮存在的不足，本发明提出一种基于压力传感器组的磁悬浮永磁平面电机起浮方法，该方法采用二分逐次逼近法确定悬浮电流的相位，采用的传感器成本低，结构简单，工作范围不受行程限制，运行稳定可靠。
为实现上述发明目的，本发明所采用的技术方案是:所述磁悬浮永磁平面电机由定子和动子组成，定子为永磁阵列，动子为线圈阵列，线圈阵列包含产生x轴向和y轴向水平推力的驱动单元，其特征是包括以下步骤：以下步骤中：为通电电流幅值，为采用二分逐次逼近法所需的各次通电电流的初始相位，为设定的允许偏差值，为悬浮力的绝对值最大时通电电流的初始相位，为驱动单元通电后在x轴向或y轴向运动引起的相位差，为驱动单元相对定子磁场的初始相位；
1）在动子底面上设4个压力传感器，各压力传感器的输出信号经信号调理电路处理后送入微处理器，微处理器根据压力传感器初始测量值计算出动子自重所产生的压力，
2）给驱动单元通入电流，根据压力传感器测量动子产生的此时压力，可得悬浮力；
3）判断是否成立：是设定的允许偏差值，若成立，则，转入7），若不成立，则给驱动单元通入电流，测量此时动子产生的压力，可得悬浮力；
4）取，给驱动单元通入电流，测量此时动子产生的压力，可得悬浮力；
5）判断是否成立，若成立则，转入7），若不成立则转入6）；
6）判断是否成立，若成立则，转入4）；若不成立则，转入4）；
7）给驱动单元通入电流，测量此时动子产生的压力，可得悬浮力；判断是否成立，若成立，则悬浮电流相位，若不成立，则悬浮电流相位，此时，悬浮电流相位即等于与之和，根据悬浮电流相位给线圈阵列通入相应的电流产生所需悬浮力。
与现有技术相比，本发明的有益效果是:
（1）采用一组压力传感器组取代激光测距仪实现磁悬浮永磁平面电机动子的起浮，安装使用方便，硬件成本低，工作范围不受行程限制，运行稳定可靠。
（2）采用二分逐次逼近法确定悬浮电流的相位，有效解决了现有技术中采用平面光栅等增量式位置传感器无法确定动子相对于定子的初始相位的技术问题。
附图说明
图1为本发明提供的一种基于压力传感器组的磁悬浮永磁平面电机起浮方法实施例的平面示意图。
图1中：1-定子；2-动子。
图2为图2中所述磁悬浮永磁平面电机的动子仰视图。
图2中：3-线圈阵列；4-压力传感器。
图3为图2中一个压力传感器的电路连接示意图。
图3中：5-输入信号调理电路。
图4为本发明采用的二分逐次逼近法确定悬浮电流的相位具体流程图；
图4中：-示例中各工作点；-工作点对应的悬浮力。
图5为本发明采用的二分逐次逼近法确定悬浮电流的相位的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式进一步阐明本发明，应理解这些实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
如图1所示，一种基于压力传感器组的磁悬浮永磁平面电机起浮方法所述的磁悬浮永磁平面电机由定子1和动子2组成，定子1为永磁阵列且磁密的x轴向、y轴向的水平分量均为余弦分布，动子2为线圈阵列3且无铁心。如图2所示，线圈阵列3包含A、B、C、D这4个驱动单元，每个驱动单元由三个线圈组成；驱动单元A、C对角布置，产生x轴向水平推力，驱动单元B、D对角布置，产生y轴向水平推力。在动子2底面上装有4个压力传感器4，4个压力传感器4布置在四个角上，两两对角。
如图3所示，各压力传感器4均连接信号调理电路5，信号调理电路5连接微处理器。各压力传感器4的输出信号经过输入信号调理电路5处理后送入微处理器，微处理器根据压力传感器4的测量值计算动子2所产生的悬浮力。按右手定则确定电流的参考方向，给x轴向或y轴向驱动单元通入初始相位互差电角度的电流，根据它们所产生的悬浮力采用二分逐次逼近法确定悬浮电流的相位。
根据磁悬浮永磁平面电机的工作原理，悬浮力为
式中，是悬浮力系数；是悬浮电流的相位；是驱动单元相对定子磁场的相位；是与的差值。
由上式可知，当时，悬浮力，所以可采用二分逐次逼近法确定对应的，从而可求得悬浮电流的相位。二分逐次逼近法具体示例过程如图4所示，给X轴向(或Y轴向)驱动单元A、C（或B、D）通入电流，对应工作点产生的悬浮力为；根据工作点、确定中间运行点，产生的悬浮力为；根据工作点、确定中间运行点，产生的悬浮力为；根据工作点、……；确定中间运行点，当产生的悬浮力足够小时，可认为，根据工作点通入电流的相位就可求得悬浮电流的相位。
二分逐次逼近法确定悬浮电流的相位的流程图如图5所示，设x轴向(或y轴向)驱动单元A、C（或B、D）相对定子磁场的初始相位为，为驱动单元通电后在x轴向(或y轴向)运动引起的相位差，为各次通电电流的初始相位，为悬浮力的绝对值最大时通电电流的初始相位，则悬浮电流相位可通过如下步骤确定：
1）根据压力传感器4初始测量值计算出动子2自重所产生的压力；设定允许偏差值为，通电电流幅值为；令；
2）给驱动单元通入电流，测量动子2产生的压力，可得悬浮力；
3）判断是否成立：
a.若成立：，转入7）；
b.若不成立：给驱动单元通入电流，测量动子2产生的压力，可得悬浮力；
4）取，给驱动单元通入电流，测量动子2产生的压力，可得悬浮力；
5）判断是否成立：
a.若成立：，转入7）；
b.若不成立：转入6）；
6）判断是否成立：
a.若成立：，转入4）；
b.若不成立：，转入4）；
7）给驱动单元通入电流，测量动子2产生的压力，可得悬浮力；判断是否成立：
a.若成立：；
b.若不成立：；
此时，悬浮电流相位即等于与之和，起浮时根据悬浮电流相位给线圈阵列通入相应的电流以产生所需要的悬浮力。

Claims (3)

1.一种基于压力传感器组的磁悬浮永磁平面电机起浮方法，所述磁悬浮永磁平面电机由定子和动子组成，定子为永磁阵列，动子为线圈阵列，线圈阵列包含产生x轴向和y轴向水平推力的驱动单元，其特征是包括以下步骤：
以下步骤中：为通电电流幅值，为采用二分逐次逼近法所需的各次通电电流的初始相位，为设定的允许偏差值，为悬浮力的绝对值最大时通电电流的初始相位，为驱动单元通电后在x轴向或y轴向运动引起的相位差，为驱动单元相对定子磁场的初始相位；
1）在动子底面上设4个压力传感器，各压力传感器的输出信号经信号调理电路处理后送入微处理器，微处理器根据压力传感器初始测量值计算出动子自重所产生的压力，
2）给驱动单元通入电流，根据压力传感器测量动子产生的此时压力，可得悬浮力；
3）判断是否成立：是设定的允许偏差值，若成立，则，转入7），若不成立，则给驱动单元通入电流，测量此时动子产生的压力，可得悬浮力；
4）取，给驱动单元通入电流，测量此时动子产生的压力，可得悬浮力；
5）判断是否成立，若成立则，转入7），若不成立则转入6）；
6）判断是否成立，若成立则，转入4）；若不成立则，转入4）；
7）给驱动单元通入电流，测量此时动子产生的压力，可得悬浮力；判断是否成立，若成立，则悬浮电流相位，若不成立，则悬浮电流相位，此时，悬浮电流相位即等于与之和，根据悬浮电流相位给线圈阵列通入相应的电流产生所需悬浮力。
2.根据权利要求1所述一种基于压力传感器组的磁悬浮永磁平面电机起浮方法，其特征是：线圈阵列包含4个驱动单元，每个驱动单元由三个线圈组成，4个驱动单元两两对角布置，对角布置的两个驱动单元产生x轴向或y轴向水平推力。
3.根据权利要求2所述一种基于压力传感器组的磁悬浮永磁平面电机起浮方法，其特征是：4个压力传感器两两对角地布置在四个角上。
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