CN104634368B - 电动机、电动机位置感知装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明一个实施例的电动机，涉及包括转子及定子的多自由度的电动机，其特征在于，包括：光学传感器，其为一对，感知所述电动机的旋转运动，生成位置信息；及倾斜度传感器，其从感知的位置信息感知用于弥补位置感知误差的倾斜位置信息。根据本发明，通过使用光学传感器及倾斜度传感器的组合，从而能够去除测量位置所需的追加的机械结构物。

Description

电动机、电动机位置感知装置及方法

技术领域

本发明涉及电动机技术，更详细而言，涉及一种电动机、电动机位置感知装置及方法，通过图形传感器及倾斜度传感器体现3-自由度电动机的位置感知，去除追加的机械结构物，使控制性能提高。

背景技术

随着系统的复杂化，为了实现电动机的小型化及/或高效率，需要摆脱1自由度(degree of freedom)电动机的特性，导入新概念的多自由度电动机。

用于驱动这种多自由度电动机的驱动装置在包括多重框架结构的同时，还可以包括使用了用于在各个框架产生动力的多个电动机的系统或使用球形电动机(sphericalmotor)体现多自由度的系统等多种系统。

另一方面，在驱动1自由度或多自由度的电动机方面，掌握转子的位置信息对电动机控制而言非常重要。这是因为根据转子的位置信息，可以适宜地控制电动机的驱动速度、旋转角度等，获得需要的结果值。

一般而言，为了掌握这种转子的位置信息而使用编码器。在图1中图示了对此进行显示的图。如图1所示，在电动机110的旋转轴上，使用了作为位置传感器的编码器。

如果拓展说明，在电动机旋转时，编码器感知电动机的位置信息。就1自由度电动机而言，只需要在驱动轴上安装编码器。因此，不需要仅用于感知的追加性机械结构。

但是，多自由度的情形则不同。如果以3自由度电动机的情形为例，为了感知3自由度，要求3个作为位置传感器的第一至第三编码器211、212、213。第一编码器211与1自由度电动机(参照1)一样，安装于驱动轴并感知位置。

第二编码器212及第三编码器213用于测量并非电动机旋转方向的倾斜角及旋进角。但是，编码器为接触式传感器，因而为了感知倾斜角和旋进角，需要追加的机械结构物220。

由于这种追加的械结构物220而使系统变得复杂，因而存在难以适用于多种应用(application)的缺点。

另外，电动机的运动方程式表示如下。

【数学式1】

其中，J为惯性矩，B为磁场，ω代表角速度。

由于追加的机械结构物，惯性矩J增加，这给电动机的动态特性以不良影响，存在使控制性能降低的问题。

【现有技术文献】

【专利文献】

1.韩国公开专利编号第10-2012-0111120号

【非专利文献】

1.吴瑞浚等，“利用图形传感器的永久磁铁球形电动机的位置测量”，大韩电气学会，2011年度第42届学界学术大会，2011年

发明内容

(要解决的技术课题)

本发明正是为了消除上述背景技术的问题而提出的，其目的在于提供一种无需追加的机械结构物，也能够适用于多种应用的电动机、电动机位置感知装置及方法。

另外，本发明的另一目的在于提供一种在去除追加的机械结构物的同时，使电动机的控制性能提高的电动机、电动机位置感知装置及方法。

(解决的解决手段)

本发明为了达成上述提出的课题，提供一种无需追加的机械结构物，也能够适用于多种应用的电动机。

所述电动机，

涉及包括转子及定子的多自由度的电动机，包括：

光学传感器，其为一对，感知所述电动机的运动，生成位置信息；及

倾斜度传感器，其从所述位置信息感知用于弥补位置感知误差的倾斜位置信息。

此时，所述运动是电动机旋转运动、旋进旋转运动及倾斜旋转运动。

另外，所述多自由度为3自由度。

另外，所述一对光学传感器由安装于一轴的第一光学传感器；及安装于另一轴的第二光学传感器构成。

另一方面，本发明的另一实施例提供一种电动机位置感知装置，包括：上述提出的多自由度的电动机；旋转角演算部，其将所述电动机旋转运动演算成旋转角；旋进角演算部，其将所述旋进旋转运动演算成旋进角；倾斜角演算部，其演算基于所述倾斜度传感器输出值的所述转子的倾斜角，生成倾斜位置信息；及位置信息生成部，其利用所述倾斜位置信息，生成根据旋转角及旋进角生成的电动机的位置信息中的位置感知误差得到弥补的转子位置信息。

此时，所述电动机旋转运动以所述电动机的直线变位量表现。

此时，所述多自由度为3自由度。

另外，所述旋转角利用所述一对光学传感器的输出值及从所述电动机的转子中心至测量表面的距离而算出。

另外，所述电动机为球形电动机(spherical motor)。

再一方面，本发明的再一实施例提供一种电动机位置感知方法，其特征在于，包括：旋转角演算步骤，利用一对光学传感器，把关于多自由度电动机的电动机旋转运动演算成旋转角；旋进角演算步骤，利用所述一对光学传感器，把旋进旋转运动演算成旋进角；位置信息生成步骤，利用所述旋转角及旋进角，生成电动机的位置信息；倾斜位置信息生成步骤，利用倾斜度传感器的倾斜角，生成倾斜位置信息；及转子位置信息生成步骤，利用所述倾斜位置信息，生成电动机位置信息中的位置感知误差得到弥补的转子位置信息。

(发明效果)

根据本发明，通过使用光学传感器及倾斜度传感器的组合，从而能够去除测量位置所需的追加的机械结构物。

另外，作为本发明的另一效果，通过去除追加的机械结构物，从而能够使电动机的动态特性性能提高。

另外，作为本发明的再一效果，此时能够减小对倾斜角的感知误差，因而控制性能得到提高。

另外，作为本发明的再一效果，通过使用芯片传感器和倾斜度传感器，从而不要求追加的机械结构物便能够实现轻量化。

附图说明

图1是普通的1自由度电动机的位置感知概念图。

图2是普通的3自由度电动机的位置感知概念图。

图3是显示普通的图形感知的位置感知原理的概念图。

图4是定义普通的3自由度运动的概念图。

图5是本发明一个实施例的3自由度电动机500的外部概念图。

图6是本发明一个实施例的3自由度电动机500的内部概念图。

图7是本发明一个实施例的电动机位置感知装置700的构成框图。

图8是显示本发明一个实施例的生成位置信息的步骤的流程图。

图9是显示倾斜角导致的误差的曲线图。

符号说明

510:倾斜度传感器

511:第一光学传感器 512:第二光学传感器

610:轴承

700:电动机位置感知装置

710:旋转角演算部

720:旋进角演算部

730:倾斜角演算部

740:位置信息生成部

具体实施方式

本发明可以施加多样的变更，可以拥有多个实施例，在附图中图示出特定实施例，以期在详细说明中具体进行说明。但是，这并非要针对特定实施形态而限定本发明，应理解为包括本发明的思想及技术范围中包含的所有变更、均等物乃至替代物。

在说明各附图的同时，对类似的构成要素，使用类似的参照符号。

第一、第二等术语可以用于说明多样的构成要素，但所述构成要素不得由所述术语所限定。所述术语只用于把一个构成要素区别于其它构成要素区的目的。

例如，在不超出本发明的权利范围的同时，第一构成要素可以命名为第二构成要素，类似地，第二构成要素也可以命名为第一构成要素。“及/或”等术语包括多个相关记载项目的组合或多个相关记载项目中的某一项。

只要未不同地定义，包括技术性或科学性术语在内，在此使用的所有术语与本发明所属技术领域的技术人员一般理解的内容具有相同的意义。

与一般使用的词典中定义的内容相同的术语，应解释为具有与相关记述的文理上具有的意义一致的意义，只要本申请中未明确定义，不应更多地或过度地解释为形式上的意义。

下面参照附图，详细说明本发明一个实施例的电动机、电动机位置感知装置及方法。

图3是显示普通的图形感知的位置感知原理的概念图。如图3所示，用于图形感知的结构包括发光部340、受光部330及透镜321、322等构成。作为发光部340，一般使用LED(Light Emitting Diode，发光二极管)。

如果拓展说明，发光部340向要感知的物体310的表面照射光线，受光部330在感知光线的同时，测量关于物体310的位置的变位值。即，对明亮、黑暗的图案350进行比较，输出变化的距离。使用非接触方式。

图4是定义普通的3自由度运动的概念图。如图4所示，图4(a)图示了电动机旋转运动的概念，图4(b)图示了旋进旋转的概念。另外，图4(c)图示了倾斜旋转的概念。

图5是本发明一个实施例的3自由度电动机500的外部概念图。如图5所示，3自由度电动机500包括感知电动机的旋转运动并感知位置信息的一对光学传感器511、512、感知在生成的位置信息中弥补了位置感知误差的倾斜位置信息的倾斜度传感器510等构成。

当然，在电动机500内，构成有定子(Stator)、转子(Rotor)等，这种构成已经广为所知，因而为了理解本发明，省略对更多结构的说明。

一对光学传感器511、512，由安装于X轴的第一光学传感器511、与该第一光学传感器511构成90度角安装的第二光学传感器512构成。另外，第一及第二光学传感器511、512构成非接触方式的光学传感器。

另外，在Z轴方向上，构成用于感知电动机500的倾斜角的倾斜度传感器510。

当然，图5所示电动机500为球形电动机(spherical motor)。

图6是本发明一个实施例的3自由度电动机500的内部概念图。如图6所示，以轴承610为基准，配置有第一光学传感器511、第二光学传感器512及倾斜度传感器510。

图7是本发明一个实施例的电动机位置感知装置700的构成框图。如图7所示，电动机位置感知装置700利用图5及图6中记述的第一光学传感器511、第二光学传感器512及倾斜度传感器510，生成电动机的位置信息。

为此，电动机位置感知装置700包括旋转角演算部710、旋进角演算部720、倾斜角演算部730及位置信息生成部740等构成。

旋转角演算部710将电动机旋转运动演算成旋转角，旋进角演算部720将旋进旋转运动演算成旋进角。

第一及第二光学传感器511，512感知转子的变位值，获得位置信息，此时的输出值并非象编码器一样为旋转角(deg)，而是直线变位量(m)。因此，为了用于普通方式的电动机控制算法，构成有把直线变位量变换成旋转角的旋转角演算部710。

倾斜角演算部730演算基于所述倾斜度传感器510输出值的转子的倾斜角，生成倾斜位置信息。如果拓展说明，当通过2个光学传感器511，512进行位置感知时，如图9所示，倾斜角越大，位置感知误差在指数上越增加。

因此，需通过倾斜度传感器510，弥补电动机位置信息中的位置感知误差。即，倾斜角演算部730利用倾斜度传感器510的输出值，算出将弥补这种位置感知误差的倾斜位置信息。

位置信息生成部740利用从倾斜角演算部730生成的所述倾斜位置信息，生成位置感知误差得到弥补的转子位置信息。

图8是显示本发明一个实施例的生成位置信息步骤的流程图。如图8所示，利用一对光学传感器511、512，把关于多自由度电动机的电动机旋转运动演算成旋转角步骤S810。即，如果利用光学传感器511、512的输出x1、y1、x2、y2、传感器和测量部长度r，则如以下数学式所示。

【数学式2】

其中，l₁代表x1与y2的对角线长度。特别是，r为从电动机的转子中心到测量表面的距离。

与此同时，演算成旋进旋转运动导致的旋进角步骤S830。旋进角如下式所示定义。

【数学式3】

旋进角＝arctan2(y₁，y₂)

这种旋转角及旋进角算出后，生成电动机的位置信息，通常如果2个光学传感器只感知X轴及Y轴，那么，倾斜角越大，位置感知误差在指数上越增加(参照图9)。

因此，需弥补这种位置感知误差。为此，利用倾斜度传感器图5的510的倾斜角，生成倾斜位置信息步骤S840。

之后，利用生成的倾斜位置信息，生成电动机位置信息中的位置感知误差得到弥补的转子位置信息步骤S850。

Claims (14)

1.一种电动机，在包括转子及定子的多自由度的电动机中，其特征在于，包括：

光学传感器，其为一对，感知所述电动机的运动，生成位置信息；及

倾斜度传感器，感知电动机的倾斜角，生成倾斜位置信息，倾斜位置信息用于弥补所述位置信息中的位置感知误差。

2.根据权利要求1所述的电动机，其特征在于，

所述运动是电动机旋转运动、旋进旋转运动及倾斜旋转运动。

3.根据权利要求1所述的电动机，其特征在于，

所述多自由度为3自由度。

4.根据权利要求1所述的电动机，其特征在于，

所述一对光学传感器由安装于一轴的第一光学传感器；及安装于另一轴的第二光学传感器构成。

5.根据权利要求1所述的电动机，其特征在于，

所述一对光学传感器为非接触方式的光学传感器。

6.一种电动机位置感知装置，其特征在于，包括：

权利要求2所述的多自由度的电动机；

旋转角演算部，其将所述电动机旋转运动演算成旋转角；

旋进角演算部，其将所述旋进旋转运动演算成旋进角；

倾斜角演算部，其演算基于所述倾斜度传感器输出值的所述转子的倾斜角，生成倾斜位置信息；及

位置信息生成部，其利用所述倾斜位置信息，生成根据旋转角及旋进角生成的电动机位置信息中的位置感知误差得到弥补的转子位置信息。

7.根据权利要求6所述的电动机位置感知装置，其特征在于，

所述电动机旋转运动以所述电动机的直线变位量表现。

8.根据权利要求6所述的电动机位置感知装置，其特征在于，

所述多自由度为3自由度。

9.根据权利要求6所述的电动机位置感知装置，其特征在于，

所述旋转角利用所述一对光学传感器的输出值及从所述电动机的转子中心至测量表面的距离而算出。

10.根据权利要求6所述的电动机位置感知装置，其特征在于，

所述电动机为球形电动机。

11.一种电动机位置感知方法，其特征在于，包括：

旋转角演算步骤，利用一对光学传感器，把关于多自由度电动机的电动机旋转运动演算成旋转角；

旋进角演算步骤，利用所述一对光学传感器，把旋进旋转运动演算成旋进角；

位置信息生成步骤，利用所述旋转角及旋进角，生成电动机的位置信息；

倾斜位置信息生成步骤，利用倾斜度传感器的倾斜角，生成倾斜位置信息；及

转子位置信息生成步骤，利用所述倾斜位置信息，生成电动机位置信息中的位置感知误差得到弥补的转子位置信息。

12.根据权利要求11所述的电动机位置感知方法，其特征在于，

所述电动机旋转运动以所述电动机的直线变位量表现。

13.根据权利要求11所述的电动机位置感知方法，其特征在于，

所述多自由度为3自由度。

14.根据权利要求11所述的电动机位置感知方法，其特征在于，

所述旋转角利用所述一对光学传感器的输出值及从所述电动机的转子中心至测量表面的距离而算出。