CN103973172B - 一种动线圈式磁浮平面电机磁对准系统及其对准方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种动线圈式磁浮平面电机磁对准系统及其对准方法，该系统包括磁钢阵列、固定工装以及固定于所述固定工装上的电机动子，所述电机动子包括四个呈矩阵排布的线圈组，其中相邻的两个线圈组分别对应沿第一方向和垂直于第一方向的第二方向排列，每个线圈组包括若干平行设置的三相线圈，所述电机动子与所述固定工装之间设有一力传感器，在一个磁对准角度周期内变换通入三相线圈的三相电流的角度，通过力传感器测量该线圈组在第一或第二方向上的出力值，将对应所述线圈组在第一或第二方向上出力值最大的三相电流角度确定为所述线圈组的磁对准角度，本发明提供的动线圈式磁浮平面电机磁对准系统及方法提高了磁对准的精度。

Description

一种动线圈式磁浮平面电机磁对准系统及其对准方法

技术领域

本发明涉及一种动线圈式磁浮平面电机磁对准系统及其对准方法。

背景技术

动线圈式磁浮平面电机的基本控制原理类似普通直线电机，即根据线圈在磁场中的位置，改变通入三相线圈的电流角度，使得电机在所需方向上的出力恒定。由于采用ID、IQ解耦的矢量控制方式，因此初始磁对准角度的精确与否，除了保证在动线圈式磁浮平面电机水平向、垂向出力最大外，还影响到电机水平向与垂向的解耦。若磁对准角度不够精确、水平向与垂向解耦不够彻底，则会在控制上引入水平向与垂向的串扰，影响电机的伺服性能。

现有一种初始磁对准角度的系统，如图1所示，该方案提出：在电机线圈1与磁钢2表面之间铺设一层可压缩材料制成的敏感元件3，配以电容或电感距离传感器4，检测电机在垂向出力时使敏感元件3压缩形变。通过在磁对准范围内更改三相线圈电流角度并判断敏感元件3的形变位移大小，从而搜寻出电机的初始磁对准角度。

上述磁对准角度系统的精确程度依赖于电机垂向出力时敏感元件3的形变量和距离传感器4的分辨率，这需要电机垂向出力与敏感元件3形变量之间有良好的线性关系，当垂向出力过大或过小时，这种线性关系将难以满足，从而会影响所测得的磁对准角度的精度。

发明内容

本发明提供一种动线圈式磁浮平面电机磁对准系统及其对准方法，以提高磁对准精度。

为解决上述技术问题，本发明提供一种动线圈式磁浮平面电机磁对准系统，包括磁钢阵列、固定工装以及固定于所述固定工装上的电机动子，所述电机动子包括四个呈矩阵排布的线圈组，其中相邻的两个线圈组分别对应沿第一方向和垂直于第一方向的第二方向排列，每个线圈组包括若干平行设置的三相线圈，所述电机动子与所述固定工装之间设有一力传感器。

较佳地，每个线圈组中的两个相邻的三相线圈之间的距离为4τ/3，其中，τ为磁钢阵列N极到S极的磁极距。

本发明还提供了一种动线圈式磁浮平面电机磁对准方法，应用于上述的动线圈式磁浮平面电机磁对准系统中，其步骤包括：

选择一个线圈组进行磁对准初始化；

在一个磁对准角度周期内变换通入该线圈组的三相电流的角度，通过力传感器测量所述线圈组在第一方向或第二方向上的出力值；

将对应所述线圈组在第一方向或第二方向上出力值最大的三相电流角度确定为所述线圈组的磁对准角度；

所述线圈组磁对准结束。

较佳地，还包括一种伺服修正磁对准角度方法，所述平面电机的各线圈组在一伺服系统中进行闭环控制，所述伺服系统中的控制器对应控制所述平面电机在各运动方向上的出力，其步骤包括：

选择一个线圈组作为目标线圈组进行磁对准角度伺服修正，使所述目标线圈组脱离闭环控制，由其余三个线圈组构成闭环控制，记录此时控制器的输出作为初始偏置；

给所述目标线圈组通入三相电流，该线圈组在伺服系统作用下保持在原处，变换所述三相电流的角度，记录此时控制器的输出作为实际输出；

将对应目标线圈组的三相电流角度调整到控制器实际输出与初始偏置最接近的位置；

伺服修正磁对准角度完成。

较佳地，对其中一个线圈组的磁对准角度进行伺服修正时，给所述目标线圈组通入的三相电流角度是在初始磁对准角度的基础上，在-1/N个磁对准角度周期到+1/N个磁对准角度周期的范围内变换。

较佳地，对其中一个线圈组的磁对准角度进行伺服修正时，所述目标线圈组通入电流产生开环垂向力，若产生水平向分力则继续进行磁对准角度调整。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1.本发明采用力传感器，相比现有技术中采用的可压缩材料，其具有更可信的线性工作区间，减少了非线性因素对磁对准的影响；

2.现有技术中的可压缩材料只能测量电机的垂向出力，力传感器可以测量电机的垂向出力，也可以测量其水平向出力；

3.所述电机动子与力传感器固定于固定工装上，可以避免电机因水平向出力大于电机动子与磁钢阵列表面的静摩擦力而产生位置偏移；

4.采用伺服修正磁对准角度的方法可以在无需多余传感器的情况下提高磁对准精度，避免传感器分辨率对磁对准精度的影响。

附图说明

图1为现有技术中的动线圈式磁浮平面电机磁对准系统的结构示意图；

图2为本发明一具体实施方式的动线圈式磁浮平面电机磁对准系统的结构示意图；

图3为图2的仰视图；

图4为本发明一具体实施方式的动线圈式磁浮平面电机出力示意图；

图5为本发明一具体实施方式的动线圈式磁浮平面电机磁对准方法流程图；

图6为本发明一具体实施方式的动线圈式磁浮平面电机控制结构框图；

图7为本发明一具体实施方式的动线圈式磁浮平面电机三组线圈构成闭环控制的控制结构框图；

图8为本发明一具体实施方式的伺服修正磁对准角度方法流程图。

图1中：1-线圈、2-磁钢、3-敏感元件、4-距离传感器；

图2~4中：10-磁钢阵列、20-电机动子、21-三相线圈。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。需说明的是，本发明附图均采用简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

本发明提供的动线圈式磁浮平面电机磁对准系统，如图2至图4所示，包括磁钢阵列10、固定工装（图中未示出）以及固定于所述固定工装上的电机动子20，具体地，所述固定工装与所述磁钢阵列10的相对位置保持不变，所述磁钢阵列10为二维磁钢阵列。所述电机动子20包括四个呈矩阵排布的线圈组X1、X2、Y1、Y2，其中相邻的两个线圈组分别对应沿第一方向和垂直于第一方向的第二方向排列，每个线圈组即为一个发力体，具体的，每个线圈组包括若干平行设置的三相线圈21，本实施例中，每个线圈组包括三个三相线圈21，所述电机动子20与所述固定工装之间设有一力传感器（图中未示出），所述电机动子20与力传感器均固定于所述固定工装上，避免了电机因水平向出力大于电机动子20与磁钢阵列10表面的静摩擦力而产生位置偏移。请重点参考图4，线圈组X1产生水平向力Fx_x1和垂向力Fz_x1、线圈组X2产生水平向力Fx_x2和垂向力Fz_x2、线圈组Y1产生水平向力Fy_y1和垂向力Fz_y1、线圈组Y2产生水平向力Fy_y2和垂向力Fz_y2，较佳地，每个线圈组中的两个相邻的三相线圈21之间的距离为4τ/3，其中，τ为磁钢阵列N极到S极的磁极距。所述磁钢阵列10的磁密分布沿X/Y方向呈正弦分布，故各发力体三相线圈21处的磁密分布k_j的表达式为：

$K_j=\hat{K}\sin \left(\frac{\mathrm{\π}[p+4(j-1)\mathrm{\τ}/3]}{\mathrm{\τ}}\right),j=\mathrm{1,2,3}$

设定驱动器输出三相电流为：

其中，P为电机动子运动行程，与电机动子20的运动有关，为电机动子20的三相线圈21中电流角度与实际线圈所在磁场位置磁角度的夹角。

则单个发力体的出力F为在[-τ,τ]周期内，通过力传感器寻找使发力体出力F最大的记录值为该发力体的磁对准角度。

本发明还提供了一种动线圈式磁浮平面电机磁对准方法，应用于上述的动线圈式磁浮平面电机磁对准系统中，如图5所示，并结合图2至图4，其步骤包括：

选择一个线圈组进行磁对准初始化；

在一个磁对准角度周期内变换通入该线圈组的三相电流的角度，具体地，将磁对准角度周期平均分为N份，每1/N磁对准角度周期变换一次三相电流的角度，通过力传感器测量所述线圈组在第一方向或第二方向上的出力值；

将对应所述线圈组在第一方向或第二方向上出力值最大的三相电流角度确定为所述线圈组的磁对准角度；

所述线圈组磁对准结束。

四个发力体，每个发力体均需经过上述磁对准步骤。

需要说明的是，力传感器可以测量垂向力，也可以测量水平向力，因为无论是垂向力还是水平向力都满足电机动子20相对磁钢阵列10位置固定时，出力随变化呈正弦变化的关系。

当按照上述步骤完成初始磁对准，所述动线圈式磁浮平面电机即已实现了电机水平向出力与垂向出力的初步解耦，此时已能根据所测得的磁角度对电机实现伺服闭环控制。在闭环状态下，通过监视代表电机出力大小的控制量，可以进一步提高磁对准精度。

具体地，动线圈式磁浮平面电机六自由度解耦控制策略的框图如图6所示，包括四个发力体（即四个线圈组X1、X2、Y1、Y2）、六个逻辑轴（X、Rx、Y、Ry、Z、Rz）及八个物理轴（x1、z1、x2、z2、y1、z3、y2、z4）的控制，具体地过程为：读取位置误差，以x_error为例，该误差经相对应的X控制器，转换为相对的力Fx，经执行器系统进行力的再分配，将逻辑轴上的力转换为物理轴上的力，并结合控制器输出变量与初始偏置最接近的位置时的磁角度控制驱动器1输出电流所述输出电流通入线圈组X1中，控制所述线圈组X1发力。

较佳地，本发明的动线圈式磁浮平面电机磁对准方法还包括一种伺服修正磁对准角度方法，以进一步提高磁对准精度，所述平面电机的各线圈组X1、X2、Y1、Y2在一伺服系统中进行闭环控制，所述伺服系统中的控制器对应控制所述平面电机在各运动方向上的出力，如图8所示，其步骤包括：

选择一个线圈组作为目标线圈组进行磁对准角度伺服修正，使所述目标线圈组脱离闭环控制，由其余三个线圈组构成闭环控制，记录此时控制器的输出作为初始偏置，也就是说，对其中一个线圈组（X1）的磁角度进行伺服修正时，该线圈组（X1）不参与伺服控制，其余三个线圈组（X2、Y1、Y2）构成闭环控制。由于三个发力体也是可以完成电机六自由度控制的，如图7所示，驱动器1脱离闭环控制，动线圈式磁浮平面电机六自由度解耦控制策略的框图，包括电机三个发力体（即三个线圈组X2、Y1、Y2）、六个逻辑轴（X、Rx、Y、Ry、Z、Rz）及六个物理轴（x2、z2、y1、z3、y2、z4）的控制。此时线圈组X1即可用于对该发力体磁对准角度的进一步修正，而另三个发力体控制电机处于伺服悬浮状态；

给所述目标线圈组通入三相电流，该线圈组在伺服系统作用下保持在原处，变换所述三相电流的角度，记录此时控制器的输出作为实际输出，较佳地，对其中一个线圈组的磁对准角度进行伺服修正时，给所述目标线圈组通入的三相电流角度是在初始磁对准角度的基础上，在-1/N个磁对准角度周期到+1/N个磁对准角度周期的范围内变换；

以图7所示的驱动器1脱离闭环控制为例，当另三个发力体控制电机处于伺服悬浮状态时，该线圈组X1通入电流产生开环垂向力，若产生水平向分力则继续进行磁对准角度调整。也就是说，X控制器的输出F_x应为一固定偏置值Fx_offset（理论上Fx_offset＝0，但由于初始磁对准时对准精度的限制，提供电机悬浮的垂向出力会耦合进水平方向）。此时给未处于闭环控制中的发力体设置垂向电流i_d，电机在伺服作用下会保持在原处，记录此时的X控制器的输出F_x，若F_x不等于初始时的固定偏置值Fx_offset，则说明该未处于闭环控制中的发力体的垂向力耦合进了水平方向，即其磁对准精度还可以提高，故需对磁角度继续进行调整，较佳地，根据读取所述闭环控制中的控制量，确定进行伺服修正的线圈组X1产生的水平向分力，进而确定磁角度调整的范围。

将对应目标线圈组的三相电流角度调整到控制器实际输出与初始偏置最接近的位置；

具体地，通过调整该发力体的磁对准角度使观察到的Fx与初始时的固定偏置值Fx_offset最为接近。

伺服修正磁对准角度完成。

需要说明的是，每个发力体均可通过上述的伺服修正磁对准角度方法来提高磁对准精度。

综上所述，本发明提供的动线圈式磁浮平面电机磁对准系统及其对准方法，该系统包括磁钢阵列10、固定工装以及固定于所述固定工装上的电机动子20，所述电机动子20包括四个呈矩阵排布的线圈组X1、X2、Y1、Y2，其中相邻的两个线圈组分别对应沿第一方向和垂直于第一方向的第二方向排列，每个线圈组包括若干平行设置的三相线圈21，所述电机动子20与所述固定工装之间设有一力传感器，在一个磁角度周期内变换通入三相线圈21的三相电流的角度，通过力传感器测量该线圈组在第一或第二方向上的出力值，将对应所述线圈组在第一或第二方向上出力值最大的三相电流角度确定为所述线圈组的磁对准角度，此时，磁对准过程完成，本发明提供的动线圈式磁浮平面电机磁对准系统及方法提高了磁对准的精度。

显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。

Claims (6)

1.一种动线圈式磁浮平面电机磁对准系统，包括磁钢阵列、固定工装以及固定于所述固定工装上的电机动子，其特征在于，所述电机动子包括四个呈矩阵排布的线圈组，其中相邻的两个线圈组分别对应沿第一方向和垂直于第一方向的第二方向排列，每个线圈组包括若干平行设置的三相线圈，所述电机动子与所述固定工装之间设有一力传感器；

通过所述力传感器测量所述线圈组在第一方向或第二方向上的出力值，将对应所述线圈组在第一方向或第二方向上出力值最大的三相电流角度确定为所述线圈组的磁对准角度。

2.如权利要求1所述的动线圈式磁浮平面电机磁对准系统，其特征在于，每个线圈组中的两个相邻的三相线圈之间的距离为4τ/3，其中，τ为磁钢阵列N极到S极的磁极距。

3.一种动线圈式磁浮平面电机磁对准方法，应用于如权利要求1或2所述的动线圈式磁浮平面电机磁对准系统中，其特征在于，其步骤包括：

选择一个线圈组进行磁对准初始化；

在一个磁对准角度周期内变换通入该线圈组的三相电流的角度，通过力传感器测量所述线圈组在第一方向或第二方向上的出力值；

将对应所述线圈组在第一方向或第二方向上出力值最大的三相电流角度确定为所述线圈组的磁对准角度；

所述线圈组磁对准结束。

4.如权利要求3所述的动线圈式磁浮平面电机磁对准方法，其特征在于，还包括一种伺服修正磁对准角度方法，所述平面电机的各线圈组在一伺服系统中进行闭环控制，所述伺服系统中的控制器对应控制所述平面电机在各运动方向上的出力，其步骤包括：

选择一个线圈组作为目标线圈组进行磁对准角度伺服修正，使所述目标线圈组脱离闭环控制，由其余三个线圈组构成闭环控制，记录此时控制器的输出作为初始偏置；

在初始磁对准角度的基础上，给所述目标线圈组通入三相电流，该线圈组在伺服系统作用下保持在原处，变换所述三相电流的角度，记录此时控制器的输出作为实际输出；

将对应目标线圈组的三相电流角度调整到控制器实际输出与初始偏置最接近的位置；

伺服修正磁对准角度完成。

5.如权利要求4所述的动线圈式磁浮平面电机磁对准方法，其特征在于，对其中一个线圈组的磁对准角度进行伺服修正时，给所述目标线圈组通入的三相电流角度是在初始磁对准角度的基础上，在-1/N个磁对准角度周期到+1/N个磁对准角度周期的范围内变换。

6.如权利要求4所述的动线圈式磁浮平面电机磁对准方法，其特征在于，对其中一个线圈组的磁对准角度进行伺服修正时，所述目标线圈组通入电流产生开环垂向力，若产生水平向分力则继续进行磁对准角度调整。