CN104104198B - 一种动线圈型磁浮电机及其磁角度检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种动线圈型磁浮电机及其磁角度检测方法，其结构包括相对设置的磁钢阵列和电机动子，所述电机动子包括四个矩阵排布的绕组线圈，所述绕组线圈中还分别设有磁敏传感器和位移传感器。本发明利用所述磁敏传感器获知所述绕组线圈在磁场中的大致位置，然后通过在该位置附近进行扫描，根据所述位移传感器提供的垂向位移变化量，探知绕组线圈在磁场中的精确位置，磁对准时间短，对准精度高。

Description

一种动线圈型磁浮电机及其磁角度检测方法

技术领域

本发明涉及一种动线圈型磁浮电机及其磁角度检测方法。

背景技术

对于动线圈型磁浮电机而言，基于矢量控制的解耦策略是一种比较成熟的控制方法，它通过坐标变换，实现了永磁同步电机的直轴电流和交轴电流的解耦，从而达到了水平向运动与垂向运动的独立控制。

对于这种解耦控制策略，在进行伺服闭环时，首先需要知道磁浮电机动子在磁钢阵列中的位置，即初始磁角度，否则，由于闭环时发力体出力方向未知，磁浮电机在尚未浮起时，便很可能已经出现水平力超过静摩擦力而导致电机动子产生滑动的情况，使得磁浮电机动子和定子之间出现机械摩擦，影响产品安全和使用寿命。

为了获知初始磁角度，一种方法是在系统中加入磁敏感传感器，如霍尔元件，这样，在初始化时，可以通过这些传感器来直接得到绕组线圈相对于磁场的初始位置。但是，霍尔元件在磁场中的测量精度不高，导致初始磁角度误差较大，进而使得直轴和交轴之间不能完全解耦，降低了伺服性能。

另一种方法是利用位移来探测初始磁角度，在该技术方案中，绕组线圈的底部与磁钢阵列接触的部分有一层弹性元件，原本用于保护线圈绕组和磁钢阵列接触时的机械撞击，当绕组线圈中通入电流，并改变电流的控制角时，绕组线圈所产生的力将随着控制角的变化而变化，由于弹性元件可以压缩，因此绕组线圈与磁钢阵列之间的垂向距离也将随着控制角的变化而变化。这样，根据垂向距离最大或者最小时的电角度，即可获知绕组线圈在磁钢阵列中的初始磁角度，但这种磁对准方法需要不断变更电流的控制角，在磁对准范围内进行逐一扫描，如果要获得更高的磁对准精度，控制角的变化间隔必须比较小，这导致对准时间大大加长，不利于产率的提高。

发明内容

本发明提供一种动线圈型磁浮电机及其磁角度检测方法，以提高初始磁角度的测量精度，同时减少对准时间。

为解决上述技术问题，本发明提供一种动线圈型磁浮电机，包括相对设置的磁钢阵列和电机动子，所述电机动子包括四个矩阵排布的绕组线圈，所述绕组线圈中还分别设有磁敏传感器和位移传感器。

较佳地，所述磁钢阵列和电机动子之间还设有保护层。

较佳地，所述磁敏传感器为霍尔传感器。

本发明还提供了一种动线圈型磁浮电机的磁角度检测方法，应用于如上所述的动线圈型磁浮电机，其步骤包括：

S1：选取一个绕组线圈，该绕组线圈中的磁敏传感器测量得到电机动子的位置，并提供磁对准扫描的初始搜索范围；

S2：给定驱动该绕组线圈的交轴电流和直轴电流，并设定位置扫描步长dstep和电流扫描步长dI；

S3：在给出的初始搜索范围内，记录使磁浮电机抬起的模拟位置；

S4：调整位置扫描步长dstep和电流扫描步长dI，直至在给出的初始搜索范围内找到唯一的使磁浮电机抬起的模拟位置x1，且此时的位置扫描步长dstep小于磁对准精度要求；

S5：该绕组线圈磁对准完成。

较佳地，S3步骤中，若使磁浮电机抬起的模拟位置为2个，则取电流扫描步长为前次扫描的一半，并令模拟位置扫描步长也为前次扫描的一半，重新扫描；若使磁浮电机抬起的模拟位置大于2个，则取电流扫描步长为前次扫描的一半，重新扫描。

较佳地，使磁浮电机抬起的模拟位置大于等于2个的情况下，根据前次扫描结果限定扫描范围。

较佳地，假定xn为第n个能够使磁浮电机动子抬起的模拟位置，并记相邻的两个使电机动子抬起的位置之间的最大距离为：distance=max(abs(xn+1-xn))，记磁钢阵列N极到S极的磁极距为τ；

当distance<τ，则扫描的位置为从第一个能够使电机动子抬起的位置开始，到最后一个能够使电机动子抬起的位置结束；

当distance>τ，记满足distance>τ的两个位置分别为xn、xn+1，则扫描的起始位置为xn+1，到xn＋2τ结束。

较佳地，S1步骤中，磁对准扫描的初始搜索范围为[pos_x0-Δx-3σ-d1-d2,pos_x0-Δx+3σ+d1+d2]，其中，所述磁敏传感器测量的电机动子位置为(x0,y0,rz0)，根据所述绕组线圈与电机动子位置的固定偏差所计算得到的绕组线圈位置为（pos_x0，pos_y0），所述磁敏传感器的定位方差为σ，机械安装公差为d1，绕组线圈的机械安装公差为d2，绕组线圈相对于电机动子位置的偏离量为（Δx,Δy）。

较佳地，根据所述位移传感器测量的垂向位移判断磁浮电机是否被抬起。

较佳地，四个矩阵排布的绕组线圈需分别进行磁对准。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：本发明提供的动线圈型磁浮电机及其磁角度检测方法，其结构包括相对设置的磁钢阵列和电机动子，所述电机动子包括四个矩阵排布的绕组线圈，所述绕组线圈中还分别设有磁敏传感器和位移传感器。本发明利用所述磁敏传感器获知所述绕组线圈在磁场中的大致位置，然后通过在该位置附近进行扫描，根据所述位移传感器提供的垂向位移变化量，探知绕组线圈在磁场中的精确位置，磁对准时间短，对准精度高。

附图说明

图1为本发明一具体实施方式的动线圈型磁浮电机的结构示意图；

图2为本发明一具体实施方式的动线圈型磁浮电机的磁角度检测方法流程图；

图3至图6为本发明一具体实施方式的动线圈型磁浮电机磁角度检测过程中位置扫描值与垂向力之间的关系图。

图中：10-磁钢阵列、20-电机动子、21-绕组线圈、30-磁敏传感器、40-位移传感器。

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清晰易懂，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型磁浮电机，如图1所示，包括相对设置的磁钢阵列10和电机动子20，所述电机动子20包括四个矩阵排布的绕组线圈21，所述绕组线圈21中还分别设有磁敏传感器30和位移传感器40，在磁角度对准过程中，通过所述磁敏传感器30获知所述绕组线圈21在磁场中的位置，然后根据几何位置确定每个发力体，即每个绕组线圈21，进行磁对准的扫描范围，在该范围内，按照特定的算法不断变换直轴或者交轴电流，最后根据所述位移传感器40检测到的位置变化情况，获知准确的磁对准位置。

较佳地，请继续参考图1，所述磁钢阵列10和电机动子20之间还设有保护层（图中未示出），具体地，所述保护层具有一定弹性，由于所述线圈绕组21和磁钢阵列10接触时会发生机械撞击，所述保护层能够对所述线圈绕组21和磁钢阵列10进行保护。

较佳地，请继续参考图1，所述磁敏传感器30为霍尔传感器，其具有对磁场敏感、结构简单、体积小、频率响应宽、输出电压变化大和使用寿命长等优点。

实施例1

请重点参考图2，并结合图1，本发明还提供了一种动线圈型磁浮电机的磁角度检测方法，应用于如上所述的动线圈型磁浮电机，其步骤包括：

S1：选取一个绕组线圈21，该绕组线圈21中的磁敏传感器30测量得到电机动子20的位置，并提供磁对准扫描的初始搜索范围，具体地，假定霍尔传感器测量的电机动子20位置为(x0,y0,rz0)，根据磁浮电机发力体（即绕组线圈21）与电机动子20位置的固定偏差所计算得到的发力体位置为（pos_x0，pos_y0），并假定霍尔传感器的定位方差为σ，霍尔传感器的机械安装公差为d1，绕组线圈21的机械安装公差为d2，该发力体相对于电机动子20位置的偏离量为（Δx,Δy），那么对于该发力体，磁对准的初始扫描范围可以取[pos_x0-Δx-3σ-d1-d2,pos_x0-Δx+3σ+d1+d2]；

S2：给定驱动该绕组线圈21的交轴电流和直轴电流，并设定位置扫描步长dstep和电流扫描步长dI，具体地，本实施例中，给定交轴电流为0，直轴初始扫描电流为id0，根据磁浮电机的工作原理，该垂向力大小为：

${\mathrm{Fz}}_{x1}=K_z\&CenterDot;\cos \left(\frac{\mathrm{\&pi;}(x_1-x_0)}{\mathrm{\&tau;}}\right)$

其中Kz是与磁场强度、电流大小有关的一个量，τ为磁钢阵列N极到S极的磁极距；

S3：在给出的初始搜索范围内，记录使磁浮电机抬起的模拟位置，具体地，按照初始扫描步长dstep给驱动器模拟输入位置信号，较佳地，根据所述位移传感器40测量的垂向位移判断磁浮电机是否被抬起，若在整个初始搜索范围内，磁浮电机垂向位移变化量Δz都低于某个阈值，表明磁浮电机没有被抬起，请重点参考图4，在整个初始搜索范围内，电机垂向力均低于垂向抬起所需要的出力的情况下，可按dI增大直轴电流，令：id0＝id0＋dI，直到在整个位置扫描范围内，存在模拟位置，使得磁浮电机能够被抬起，即图4中的另外一种情况。此时有如下几种情况：

a.在整个位置扫描范围内，能够使磁浮电机抬起的模拟位置只有1个，记为x1；

b.在整个位置扫描范围内，能够使磁浮电机抬起的模拟位置有2个，记为x1、x2，表明扫描到的位置已经接近了磁对准位置，应该减小位置扫描步长dstep和电流扫描步长dI，因此可以将直轴电流设定值返回上一次的给定值：id0－dI，取电流扫描步长dI为前次扫描的一半，即令dI＝dI/2，并将位置扫描步长dstep修改为dstep＝dstep/2，重新扫描；

c.在整个位置扫描范围内，能够使磁浮电机抬起的模拟位置超过两个，记为x1、x2、x3……，表明电流扫描步长dI过大，应该减小电流扫描步长dI，因此直轴电流设定值返回上一次的给定值：id0－dI，取电流扫描步长dI为前次扫描的一半，即令dI＝dI/2，重新扫描；

S4：调整位置扫描步长dstep和电流扫描步长dI，直至在给出的初始搜索范围内找到唯一的使磁浮电机抬起的模拟位置x1，且此时的位置扫描步长dstep小于磁对准精度要求，若此时的位置扫描步长dstep大于磁对准精度要求，表明本次位置扫描步长dstep过大，应该降低位置扫描步长dstep，因此可修改位置扫描步长dstep＝dstep/2，直轴电流和交轴电流的设定值保持不变，扫描范围选择[x1-dstep,x1+dstep]，重新扫描；

较佳地，使磁浮电机抬起的模拟位置大于等于2个的情况下，根据前次扫描结果限定扫描范围，可以加快扫描速度，具体地，假定xn为第n个能够使磁浮电机动子20抬起的模拟位置，并记相邻的两个使电机动子20抬起的位置之间的最大距离为：distance=max(abs(xn+1-xn))，那么distance有两种可能：distance<τ和distance>τ，分别对应如下两种情况：

如图5所示，当distance<τ，则扫描的位置为从第一个能够使电机动子20抬起的位置开始，到最后一个能够使电机动子20抬起的位置结束；

如图6所示，当distance>τ，记满足distance>τ的两个位置分别为xn、xn+1，则扫描的起始位置为xn+1，到xn＋2τ结束。

S5：该绕组线圈21磁对准完成，唯一的使磁浮电机抬起的模拟位置x1即为该绕组线圈21的初始磁角度。

较佳地，四个矩阵排布的绕组线圈21需分别进行磁对准。

实施例2

本实施例与实施例1的区别在于：在S2步骤中，给定交轴电流为iq0，直轴电流为0，根据磁浮电机的工作原理，该垂向力大小为：

${\mathrm{Fz}}_{x1}=K_z\&CenterDot;\sin \left(\frac{\mathrm{\&pi;}(x_1-x_0)}{\mathrm{\&tau;}}\right)$

其中Kz是与磁场强度、电流大小有关的一个量。

假定根据磁敏感元件计算出来的磁对准初始扫描位置为[pos_x0-Δx-3σ-d1-d2,pos_x0-Δx+3σ+d1+d2]，那么，实际扫描时，扫描位置可以取：[pos_x0-Δx+τ/2-3σ-d1-d2,pos_x0-Δx+τ/2+3σ+d1+d2]，

则该扫描范围下，产生的垂向力大小为：

${\mathrm{Fz}}_{x1}=K_z\&CenterDot;\sin \left(\frac{\mathrm{\&pi;}(x_1+\mathrm{\&tau;}/2-x_0)}{\mathrm{\&tau;}}\right)=K_z\&CenterDot;\cos \left(\frac{\mathrm{\&pi;}(x_1-x_0)}{\mathrm{\&tau;}}\right)\text{,}$

磁对准的对准流程仍然按照步骤S3至S5所示进行，假定经过扫描得到的磁对准位置为x1，那么实际绕组线圈21在磁场中的初始磁角度为：

x1’=x1-τ/2，

该绕组线圈21在磁场中的初始磁角度为：x1’=x1-τ/2，其中，x1’为绕组线圈21在磁场中的初始磁角度，x1为S4步骤中得到的使磁浮电机抬起的模拟位置，τ为磁钢阵列N极到S极的磁极距。

综上所述，本发明提供的动线圈型磁浮电机及其磁角度检测方法，其结构包括相对设置的磁钢阵列10和电机动子20，所述电机动子20包括四个矩阵排布的绕组线圈21，所述绕组线圈21中还分别设有磁敏传感器30和位移传感器40。本发明利用所述磁敏传感器30获知所述绕组线圈21在磁场中的大致位置，然后通过在该位置附近进行扫描，根据所述位移传感器40提供的垂向位移变化量，探知绕组线圈21在磁场中的精确位置，磁对准时间短，对准精度高。

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)

1.一种动线圈型磁浮电机的磁角度检测方法，动线圈型磁浮电机包括相对设置的磁钢阵列和电机动子，所述电机动子包括四个矩阵排布的绕组线圈，所述绕组线圈中还分别设有磁敏传感器和位移传感器；其特征在于，其步骤包括：

S1：选取一个绕组线圈，该绕组线圈中的磁敏传感器测量得到电机动子的位置，并提供磁对准扫描的初始搜索范围；

S2：给定驱动该绕组线圈的交轴电流和直轴电流，并设定位置扫描步长dstep和电流扫描步长dI；

S3：在给出的初始搜索范围内，记录使磁浮电机抬起的模拟位置；

S4：调整位置扫描步长dstep和电流扫描步长dI，直至在给出的初始搜索范围内找到唯一的使磁浮电机抬起的模拟位置x1，且此时的位置扫描步长dstep小于磁对准精度要求；

S5：该绕组线圈磁对准完成；

其中，所述S1步骤中，磁对准扫描的初始搜索范围为[pos_x0-Δx-3σ-d1-d2,pos_x0-Δx+3σ+d1+d2]，其中，所述磁敏传感器测量的电机动子位置为(x0,y0,rz0)，根据所述绕组线圈与电机动子位置的固定偏差所计算得到的绕组线圈位置为(pos_x0，pos_y0)，所述磁敏传感器的定位方差为σ，机械安装公差为d1，绕组线圈的机械安装公差为d2，绕组线圈相对于电机动子位置的偏离量为(Δx,Δy)。

2.如权利要求1所述的动线圈型磁浮电机的磁角度检测方法，其特征在于，S3步骤中，若使磁浮电机抬起的模拟位置为2个，则取电流扫描步长为前次扫描的一半，并令模拟位置扫描步长也为前次扫描的一半，重新扫描；若使磁浮电机抬起的模拟位置大于2个，则取电流扫描步长为前次扫描的一半，重新扫描。

3.如权利要求2所述的动线圈型磁浮电机的磁角度检测方法，其特征在于，使磁浮电机抬起的模拟位置大于等于2个的情况下，根据前次扫描结果限定扫描范围。

4.如权利要求3所述的动线圈型磁浮电机的磁角度检测方法，其特征在于，假定x_n为第n个能够使磁浮电机动子抬起的模拟位置，并记相邻的两个使电机 动子抬起的位置之间的最大距离为：distance＝max(abs(x_n+1-x_n))，记磁钢阵列N极到S极的磁极距为τ，

当distance<τ，则扫描的位置为从第一个能够使电机动子抬起的位置开始，到最后一个能够使电机动子抬起的位置结束；

当distance>τ，记满足distance>τ的两个位置分别为x_n、x_n+1，则扫描的起始位置为x_n+1，到x_n+2τ结束。

5.如权利要求1所述的动线圈型磁浮电机的磁角度检测方法，其特征在于，根据所述位移传感器测量的垂向位移判断磁浮电机是否被抬起。

6.如权利要求1所述的动线圈型磁浮电机的磁角度检测方法，其特征在于，四个矩阵排布的绕组线圈需分别进行磁对准。