CN104079209B - 抗线圈干扰的磁浮平面电机初始化位置检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种抗线圈干扰的磁浮平面电机初始化位置检测系统及方法，包括传感器组和处理器，所述传感器组包括若干传感器，所述若干传感器分别与处理器连接，至少三个发力体分别设有一个所述传感器组，每个所述传感器包括若干个霍尔元件，同一传感器在每个线圈内设有一个霍尔元件。本发明通过将霍尔元件均匀分布在不同的线圈中，从而将多个线圈中的电流产生的对霍尔元件的干扰磁密之和转化为单个线圈对邻近线圈内的霍尔元件的干扰磁密。进而可以通过计算排除此干扰，有效地避免了动子的线圈通电后产生的磁场对传感器的干扰，最终提高传感器的测量精度。

Description

抗线圈干扰的磁浮平面电机初始化位置检测系统及方法

技术领域

本发明涉及一种磁浮平面电机，尤其涉及一种磁浮平面电机中的抗线圈干扰的磁浮平面电机初始化位置检测系统及方法。

背景技术

动线圈式磁浮平面电机通过将永磁阵列和通电线圈之间的排斥力将动子平台悬浮起来，并通过调整线圈电流的大小控制电磁合力，从而控制动子在平面上的运动。

在其初始化运动过程中，线圈相对永磁阵列的位置是任意的，对线圈电流的控制需要知道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线圈相对永磁阵列的位置。在现有技术中，通常使用霍尔元件组成的传感器来测量动子所在位置的磁密，从而确定动子的位置是比较成熟的方法。

在2003年12月9日公开的美国专利US6661127B2公开了一种采用Y型阵列来布置霍尔传感器，使动子的位置测量得而实现，但是在该专利中并没有指出霍尔传感器和电机线圈的相对位置，在电机的运行中，电机线圈流过的大电流将产生比较强的磁场，这些磁场将严重干扰霍尔传感器，影响测量精度。

发明内容

本发明要解决的技术问题是在磁浮平面电机中，动子的线圈通电后产生的磁场干扰了传感器对其在永磁阵列中的磁密的测量。

为了解决以上技术问题，本发明提供了一种抗线圈干扰的磁浮平面电机初始化位置检测系统，用于检测动子的位置，所述动子上设有四个发力体，每个发力体包括均匀分布的三个线圈，两个所述发力体中的线圈沿X轴方向分布，另两个所述的发力体中的线圈沿Y轴方向分布，X轴与Y轴互相垂直，四个发力体组合形成一个矩形，线圈分布同向的两个发力体间隔设置，相邻线圈的距离为永磁阵列极距的4/3，其特征在于：包括传感器组和处理器，所述传感器组包括若干传感器，所述若干传感器分别与处理器连接，至少三个发力体分别设有一个所述传感器组，每个所述传感器包括若干个霍尔元件，同一传感器在每个线圈内设有一个霍尔元件。

优选的，每个传感器中的霍尔元件分别沿其所属发力体内的线圈的分布方向分布。

优选的，所述霍尔元件沿传感器方向的两侧到其线圈的距离相等。

优选的，每个传感器组内设有两个传感器。

优选的，所述两个传感器之间的距离为极距的二分之一或极距的二分之三。

本发明还提供了一种抗线圈干扰的磁浮平面电机初始化位置检测方法，采用本发明提供的抗线圈干扰的磁浮平面电机初始化位置检测系统，包括如下步骤：

第一步，各传感器进行测量分别获得各霍尔元件的实际磁密，并计算各霍尔元件的所受到的来自线圈的干扰磁密；

第二步，将各霍尔元件的实际磁密减去对应的干扰磁密，获得各个霍尔元件受到的来自永磁阵列的理想磁密，

第三步，利用所述理想磁密计算出动子的位置。

优选的，在所述第一步中，计算干扰磁密的过程中，仅仅计算霍尔元件所属的线圈及相邻线圈对其产生的干扰磁密。

优选的，在所述的第三步中，通过同传感器组内的传感器测得的理想磁密计算出动子在X轴或Y轴上的位置。

优选的，在所述的第三步中，通过以下步骤计算动子沿Z轴的旋转位置，所述Z轴与X轴和Y轴所在平面垂直：

S01：测量线圈分布方向相同的两个发力体内的传感器组的相应的位置差距；

S02：利用所述位置差距和动子在X轴或Y轴上的位置计算其沿Z轴的旋转位置。

优选的，在所述的第三步中，通过对各传感器组的位置进行计算，从而得到动子沿X轴与Y轴的旋转位置和动子在Z轴上的位置。

本发明通过将霍尔元件均匀分布在不同的线圈中，明确了传感器和线圈的相对位置，更重要的是，将多个线圈中的电流产生的对霍尔元件的干扰磁密之和转化为单个线圈对本线圈内的霍尔元件和邻近线圈内的霍尔元件的干扰磁密，进而可以通过计算排除此干扰，有效地避免了动子的线圈通电后产生的磁场对传感器的干扰，最终提高传感器的测量精度。同时，通过轴向分布线圈、传感器、霍尔元件，使得之后的计算更为方便。

附图说明

附图1是本发明一优选的实施例的抗线圈干扰的磁浮平面电机初始化位置检测系统的结构示意图。

附图2是本发明一优选的实施例的抗线圈干扰的磁浮平面电机初始化位置检测系统的传感器的位置分布示意图；

图中，100—永磁阵列；101—动子；102—发力体；103—线圈；104—一号传感器；204—二号传感器；304—三号传感器；404—四号传感器；504—五号传感器；604—六号传感器；105—霍尔元件。

具体实施方式

以下将根据图2，并结合图1对本发明的一种抗线圈干扰的磁浮平面电机初始化位置检测系统和抗线圈干扰的磁浮平面电机初始化位置检测方法进行详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例。

本实施例提供了一种抗线圈干扰的磁浮平面电机初始化位置检测系统，用于检测动子的位置，所述动子101上设有四个发力体102，每个发力体102包括均匀分布的三个线圈103，两个所述发力体102中的线圈103沿X轴方向分布，另两个所述的发力体102中的线圈103沿Y轴方向分布，X轴与Y轴互相垂直，四个发力体102组合形成一个矩形，线圈分布同向的两个发力体102间隔设置，相邻线圈103的距离为永磁阵列100极距的4/3，其特征在于：包括传感器组和处理器（图未示），所述传感器组包括若干传感器，所述若干传感器分别与处理器连接，至少三个发力体分别设有一个所述传感器组，每个所述传感器包括若干个霍尔元件105，同一传感器在每个线圈内设有一个霍尔元件。

发力体102和线圈103的分布方式可以有助于将动子的位置数据分解到X轴与Y轴，以便测量和计算。同一传感器在每个线圈103内设有一个霍尔元件105，即将霍尔元件105均匀分布在不同的线圈103中，明确了传感器、霍尔元件105与线圈103之间的相对位置，同时，将多个线圈103中的电流对霍尔元件105的干扰磁密之和转化为单个线圈103对本线圈103内的霍尔元件105和邻近线圈内的霍尔元件105干扰磁密，进而可以通过计算排除此干扰，进而提高传感器整体的测量精度。

本实施例提供的抗线圈干扰的磁浮平面电机初始化位置检测系统及方法适用于由三个线圈组成一个发力体的电机，三个线圈的电流为三相交流电，将一个传感器的三个霍尔元件分别放在三个线圈的中间位置上，三相交流电对三个霍尔元件的测量值之和干扰转化为单个线圈对邻近线圈内的霍尔元件的干扰，实时监测该线圈电流，在处理器中进行位置计算时，扣除该线圈的干扰，从而提高霍尔传感器的测量精度。

每个传感器中的霍尔元件105分别沿其所属发力体内的线圈的分布方向分布。从而霍尔元件105沿X轴或Y轴方向分布，便于计算。

所述霍尔元件105沿传感器方向的两侧到其线圈的距离相等。请参考图2，传感器104沿X轴方向设置，则沿X轴方向上，霍尔元件105的两侧到其线圈103的距离相等。以便于后续的计算处理。

在本实施例中，每个发力体102内设有两个传感器。所述传感器之间的距离为极距的二分之一或极距的二分之三。在磁浮平面电机中，永磁阵列100磁密分布与极距相关，将传感器之间的距离固定为极距的二分之一或二分之三，可以有助于通过传感器及霍尔元件105的磁密计算其具体位置。

每个发力体102内设有三个线圈103。同发力体102内的线圈103之间的距离为极距的三分之四，可便于后续的计算处理。

本实施例提供了一种抗线圈干扰的磁浮平面电机初始化位置检测方法，采用本实施例提供的抗线圈干扰的磁浮平面电机初始化位置检测系统，包括如下步骤：

第一步，各传感器进行测量分别获得各霍尔元件105的实际磁密，并计算各霍尔元件105的所受到的来自线圈的干扰磁密；

第二步，将各霍尔元件105的实际磁密减去对应的干扰磁密，获得各个霍尔元件105受到的来自永磁阵列的理想磁密；

第三步，利用所述理想磁密计算出动子的位置。

理想磁密为永磁阵列100产生的磁密，依次为依据计算，才能准确计算出动子101的相对位置。采用理想磁密进行计算而非实际磁密，可以有效避免干扰磁密对传感器的干扰，而只将永磁阵列100产生的磁密参与动子101位置的计算，提高了传感器整体的测量精度，能够更准确地计算出动子101的位置。

在所述第一步中，计算干扰磁密的过程中，仅仅计算霍尔元件105所属的线圈103及相邻线圈103对其产生的干扰磁密。而忽略较远的线圈103对其的干扰磁密，这是由于较远的线圈103产生的干扰磁密极小，而且其计算非常复杂，故而在本实施例中将其省略。

在所述的第三步中，通过同传感器组内的传感器测得的理想磁密计算出动子在X轴或Y轴上的位置。

在所述的第三步中，通过以下步骤计算动子沿Z轴的旋转位置，所述Z轴与X轴和Y轴所在平面垂直：

S01：测量线圈分布方向相同的两个发力体102内的传感器组的相应的位置差距；

S02：利用所述位置差距和动子101在X轴或Y轴上的位置计算其沿Z轴的旋转位置。

在所述的第三步中，通过对各传感器组的位置进行计算，从而得到动子沿X轴与Y轴的旋转位置和动子在Z轴上的位置。

本实施例适用的电机动子在xy坐标系内作二维运动，动子101有四个发力体102，每个发力体102包含三个线圈103，线圈之间的距离为4P/3（P为极距）；

如图2所示，其中一个发力体102中包括沿X向分布的两个传感器104和204，每个传感器包含3个霍尔元件105，这3个霍尔元件105布置在所属发力体102的三个线圈103内，且每个霍尔元件105的两侧和其所在线圈103之间沿X轴向的距离相等，传感器1、2之间的距离为p/2或3p/2，本实施例中其余三个发力体102中传感器、霍尔元件105和线圈103的分布均与之相似。

本实施例中的霍尔元件105采集的磁密既包括永磁阵列100的磁场的磁密也包括通电线圈103产生的磁场的干扰磁密。本实施例中将以如下的计算步骤和原理去除干扰磁密。

在使用本实施例的抗线圈干扰的磁浮平面电机初始化位置检测系统与抗线圈干扰的磁浮平面电机初始化位置检测方法对动子101的位置进行测量时，请参考附图2，当动子101运动时，一号传感器104包含3个霍尔元件，这三个霍尔元件的测量值不仅包括永磁阵列的磁场还包括通电线圈产生的磁场。一号传感器104所在发力体的三个线圈103，从左至右设为A，B，C，其电流

I_A+I_B+I_c＝0

(1)

一号传感器104的霍尔元件105自左至右设为j、k、l，由于线圈103的电流在某一位置产生的磁密正比于电流大小，所以一号传感器测量的干扰磁密如下：

B＝f_Aj·I_A+f_Bk·I_B+f_Cl·I_c+f_Bj·I_B+f_Ak·I_A+f_Ck·I_C+f_Bl·I_B

(2)

在上式中，f_Aj表示线圈A在霍尔元件j处的磁密的电流比例因子，由于相距较远，忽略线圈A对霍尔元件l，线圈C对霍尔元件j的影响，以及其它发力体内的线圈103对一号传感器的影响。f_Bk表示线圈B在霍尔元件k处的磁密的电流比例因子，f_Cl表示线圈C在霍尔元件l处的磁密的电流比例因子。

由于位置的对称关系，f_Aj=f_Bk=f_Cl，f_Bj=f_Ak=f_Ck=f_Bl，代入（1）式，上式简化为：

B＝f_Bl·I_B

(3)

上式中，传感器的干扰磁密简化为线圈B对邻近的霍尔元件l的干扰，

由于位置固定，f_Bl固定，实时监测I_B，便可扣除此干扰，从而使线圈对传感器的干扰近似为零。

以同样的计算方式，二号传感器204、三号传感器304、四号传感器404、五号传感器504和六号传感器604受到的线圈的干扰也可减弱为零。

通过如下步骤，可完成动子101的6轴测量：

a、在动子101运动时，一号传感器104和二号传感器204的测量值只对y方向敏感，且为关于y的正交信号。

b、三号传感器304和四号传感器404为关于x的正交正弦信号，通过一号传感器104、二号传感器204、三号传感器304和四号传感器404便可完成动子xy坐标的确定以及运动方向。

c、一号传感器104和二号传感器分别与五号传感器504和六号传感器604在y向距离为定值，而当动子101绕z轴有旋转角时，此距离发生变化，可通过此变化得出旋转角Rz。

d、一号传感器104和二号传感器204的测量值的平方和为关于z，rx，ry的值，三号传感器304和四号传感器404的测量值的平方和为关于z，rx，ry的值，五号传感器504和六号传感器604的测量值的平方和为关于z，rx，ry值，通过三组方程，可得到动子z、rx、ry的坐标。

将各传感器的模拟电压信号经过AD转化后，送进处理器进行计算，各传感器信号减去线圈干扰信号后，进行如下计算：

请参考附图2，在x，y坐标系下，永磁阵列100在z轴方向的磁密分布可近似表示为：

$B_{z,\mathrm{xy}}=B[cos\left(\frac{\mathrm{\πx}}{p}\right)-\cos \left(\frac{\mathrm{\πy}}{p}\right)]$

则一号传感器104的磁密B1可表示为：

$B\cos \left(\frac{\mathrm{\πy}}{p}\right)$

二号传感器204与一号传感器104相距为p/2，则二号传感器204磁密B2可表示为：

$B\sin \left(\frac{\mathrm{\πy}}{p}\right)$

可求出动子y坐标为：

y＝parctan(B2/B1)+np

同时，由于tan（y）为周期内单调函数，可通过其一次导数来判断动子Y轴方向运动方向（+y或-y）。

以同样的计算方式，可以通过三号传感器304与四号传感器404求得动子的x坐标以及动子沿Y轴方向的运动方向（+x或-x）。

一号、二号传感器与五号、六号传感器的y坐标相距为L，x坐标相距为w，若动子101相对永磁阵列100绕z轴发生小的角度θ偏转，将导致L值发生变化，设一号传感器104与二号传感器204求出的y坐标为y1，五号传感器504与六号传感器604求出的y坐标为y2，则

θ＝arcsin[(y1-y2-L)/w]。

在动子101运动后，可以通过计算三组传感器组的磁密，计算各传感器组的位置坐标，假定三组传感器分别为A、B、C，则其运动后的坐标为（x_A，y_A，z_A）、（x_B，y_B，z_B）和（x_C，y_C，z_C）

当动子101沿Z轴运动时，Z轴坐标变化为z；

当动子101以X轴为轴旋转时，其旋转的角度为rx；

当动子101以Y轴为轴旋转时，其旋转的角度为ry;

因此，当磁浮电机动子运动(z,rx,ry)时，

z_A＝-x_A·ry+y_A·rx+z

z_B＝-x_B·ry+y_B·rx+z

z_C＝-x_C·ry+y_C·rx+z

由于三组传感器A、B、C的坐标均为已知的，可求出动子101的z坐标以及旋转角rx,ry。

动子101的X、Y、Z轴的坐标及其旋转角度均被计算出来，动子101的位置也被确定。

Claims (10)

1.一种抗线圈干扰的磁浮平面电机初始化位置检测系统，用于检测动子的位置，所述动子上设有四个发力体，每个发力体包括均匀分布的三个线圈，两个所述发力体中的线圈沿X轴方向分布，另两个所述的发力体中的线圈沿Y轴方向分布，X轴与Y轴互相垂直，四个发力体组合形成一个矩形，线圈分布同向的两个发力体间隔设置，相邻线圈的距离为永磁阵列极距的4/3，其特征在于：包括传感器组和处理器，所述传感器组包括若干传感器，所述若干传感器分别与处理器连接，至少三个发力体分别设有一个所述传感器组，每个所述传感器包括若干个霍尔元件，同一传感器在每个线圈内设有一个霍尔元件。

2.如权利要求1所述的一种抗线圈干扰的磁浮平面电机初始化位置检测系统，其特征在于：每个传感器中的霍尔元件分别沿其所属发力体内的线圈的分布方向分布。

3.如权利要求1所述的一种抗线圈干扰的磁浮平面电机初始化位置检测系统，其特征在于：所述霍尔元件沿传感器方向的两侧到其线圈的距离相等。

4.如权利要求1所述的一种抗线圈干扰的磁浮平面电机初始化位置检测系统，其特征在于：每个传感器组内设有两个传感器。

5.如权利要求4所述的一种抗线圈干扰的磁浮平面电机初始化位置检测系统，其特征在于：所述两个传感器之间的距离为永磁阵列极距的二分之一或永磁阵列极距的二分之三。

6.一种抗线圈干扰的磁浮平面电机初始化位置检测方法，其特征在于，采用如权利要求1所述的抗线圈干扰的磁浮平面电机初始化位置检测系统，包括如下步骤：

第一步，各传感器进行测量分别获得各霍尔元件的实际磁密，并计算各霍尔元件的所受到的来自线圈的干扰磁密；

第二步，将各霍尔元件的实际磁密减去对应的干扰磁密，获得各个霍尔元件受到的来自永磁阵列的理想磁密，

第三步，利用所述理想磁密计算出动子的位置。

7.如权利要求6所述的一种抗线圈干扰的磁浮平面电机初始化位置检测方法，其特征在于：在所述第一步中，计算干扰磁密的过程中，仅仅计算霍尔元件所属的线圈及相邻线圈对其产生的干扰磁密。

8.如权利要求6所述的一种抗线圈干扰的磁浮平面电机初始化位置检测方法，其特征在于：在所述的第三步中，通过同一传感器组内的传感器测得的理想磁密计算出动子在X轴或Y轴上的位置。

9.如权利要求8所述的一种抗线圈干扰的磁浮平面电机初始化位置检测方法，其特征在于：在所述的第三步中，通过以下步骤计算动子沿Z轴的旋转位置，所述Z轴与X轴和Y轴所在平面垂直：

S01：测量线圈分布方向相同的两个发力体内的传感器组的相应的位置差距；

S02：利用所述位置差距和动子在X轴或Y轴上的位置计算其沿Z轴的旋转位置。

10.如权利要求6所述的一种抗线圈干扰的磁浮平面电机初始化位置检测方法，其特征在于：在所述的第三步中，通过对各传感器组的位置进行计算，从而得到动子沿X轴与Y轴的旋转位置和动子在Z轴上的位置。