CN105762991B - 双定子直线旋转永磁电机的一体化位置检测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
一种双定子直线旋转永磁电机一体化位置检测装置及方法，包括外定子、内定子、内外表面贴有永磁体的动子、内霍尔传感器及外霍尔传感器，其特征在于：所述内、外霍尔传感器被分别嵌入在内、外定子槽中。所述动子外表面有沿轴向按N极和S极交替排列的环形永磁体，其在轴向上为2nP1组，每组在圆周方向上被分为n1块，且每P1组在圆周方向上依次错开α/P1的角度。所述动子内表面有沿圆周方向按N极和S极交替排列的瓦形永磁体，其在圆周方向上有2P2组，每组在轴向方向上被分为n2块，且每P2组在轴向上依次错开l/P2距离。本发明的优点在于，省去了采用外置位置检测装置所占的空间，实现了双定子直线旋转永磁电机一体化的位置检测。
Description
技术领域
本发明涉及永磁电机技术领域，具体涉及双定子直线旋转永磁电机的一体化位置检测装置及方法。
背景技术
电机是将电能转换为机械运动的重要装置，在工业、国防及生活领域中有着举足轻重的作用。随着工业驱动系统复杂性的增加和驱动精度要求的提高，多自由度驱动的应用越来越广泛，如人类关节、机器手臂、高档机床、舰船推进、火炮转台、办公自动化、多坐标加工、卫星跟踪天线、电动陀螺仪等，尤其是一些精密装置对多自由度驱动的要求越来越迫切，一维运动的单自由度电机无法满足驱动要求，需要大量多维运动的电机及其驱动机构。直线旋转两自由度运动电机是一种能够实现直线、旋转和螺旋运动的两自由度电机，是多维运动电机的典型代表。经过了十几年的发展，直线旋转两自由度电机的研究取得了一定的成果。许多结构类型的直线旋转两自由度电机不断的被提出，如螺旋式结构、组合式结构和集成式结构等，并应用于各种场合。
双定子直线旋转两自由度永磁电机是一种组合式结构的直线旋转两自由度电机。该电机由内外两个定子和一个中间动子构成，相当于两台单气隙电机并联运行。外定子采用圆筒型永磁直线电机的定子结构，三相环形集中绕组对称放置在外定子上，环形绕组轴线与动子轴线重合。内定子采用外转子永磁旋转电机的定子结构，其上均匀分布三相对称绕组。中间动子由外侧永磁体、内侧永磁体及动子轭组成。外侧永磁体为环形结构，内侧永磁体为瓦形结构，内外侧永磁体均选用径向充磁方式，采用表面粘贴式结构将两部分永磁体固定在环形动子轭上。该电机与现有直线旋转两自由度电机相比，充分利用电机内部空间，减小整个电机体积；结构简单，易于加工、制造；控制简单，易于实现直线和旋转运动的解耦控制。
光电编码器的优点是数据处理电路简单、信号噪声容限较大、容易实现高分辨率、检测精度高,缺点是不耐冲击及振动、容易受温度变化影响、适应环境能力较差。
位置检测装置是直线旋转永磁电机能够正常运行的前提保障。常用的直线旋转永磁电机位置检测是采用分立的直线和旋转位置检测装置，占用空间，且造成检测精度降低。因此，直线旋转永磁电机的位置检测装置的小型化，精确化成为该电机广泛应用急需解决的问题。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种双定子直线旋转永磁电机的一体化位置检测装置及方法，动子运动中，通过霍尔传感器实时监测永磁体位置信息，到达精确检测的目的，解决了现有技术的不足。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：双定子直线旋转永磁电机的一体化位置检测装置，其特征在于，包括外定子、内定子、动子、内霍尔传感器及外霍尔传感器；
所述外霍尔传感器嵌入外定子槽中，所述内霍尔传感器嵌入内定子槽中；
所述外定子与外永磁体构成直线运动机构；外定子槽数为S1，极对数为P1；所述内定子与内永磁体构成旋转运动机构；内定子槽数为S2，极对数为P2；
所述动子外表面沿轴向设置有N极和S极交替排列的环形外永磁体；所述动子内表面沿圆周方向设置有N极和S极交替排列的瓦形内永磁体。
进一步的，所述外永磁体在动子轴向上为2nP1组，其中，n＝1,2,3…；在圆周方向上，每组外永磁体均匀分为n1块，每一块外永磁体对应的圆周角度为α，相邻两块外永磁体之间的间隔圆周的圆周角角度差为2α；在轴向方向上，每P1组外永磁体为一个轴向组合；在所述的一个轴向组合内，相邻两组之间的外永磁体沿圆周方向错开α/P1角度。
进一步的，所述内永磁体在动子在圆周方向上有2P2组；在轴向上，每组内永磁体均匀分为n2块，每块内永磁体长度为l，相邻两块内永磁体之间的间隔距离为2l；在圆周方向上，每P2组内永磁体为一个圆周向组合；在所述的一个圆周向组合内，相邻两组之间的内永磁体沿轴向方向错开l/P2距离。
进一步的，所述外霍尔传感器为P1个，分别安装在外定子槽口处；相邻两个外霍尔传感器之间相差两个极距；所述外霍尔传感器检测旋转运动时的动子位置，分辨率为2P1n1。
进一步的，所述内霍尔传感器为P2个，分别安装在内定子槽口处、；相邻两个内霍尔传感器之间相差角度为360°/P2；所述内霍尔传感器检测直线运动时的动子位置，分辨率为2P2n2。
双定子直线旋转永磁电机的一体化位置检测方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
1)双定子直线旋转电机做旋转运动时，外霍尔传感器检测旋转运动位置信号；当动子每转为2α角度时，P1个外霍尔传感器输出2P1个旋转位置信号，其检测角度为α/P1；当动子进入下一个2α角度周期时，重复输出2P1个旋转位置信号；通过旋转位置信号，获得动子旋转方向的位置信息和动子的转速；
2)双定子直线旋转电机做直线运动时，内霍尔传感器检测直线运动位置信号；当动子每移动距离为2l时，P2个内霍尔传感器输出2P2个直线位置信号，其检测位移为l/P2；当动子进入下一个2l距离周期时，重复发出2P2个直线位置信号；通过直线位置信号，获得动子直线方向上的位置信息；
3)双定子直线旋转电机做螺旋运动时，外霍尔传感器和内霍尔传感器分别按步骤1和步骤2检测动子的旋转位置信号和直线位置信号，判断电机动子的实时位置信息和速度。
有益效果：本发明提供的
1)将位置传感器埋入定子，避免了外置传感器，减少了电机整体体积。
2)在保证精度要求的前提下，利用电机的结构特性及永磁体的特性，实现电机动子位置检测，装置简单，成本低。
3)采用的分离交互式位置检测方法，将直线部分永磁体沿圆周方向分为若干块作为旋转部分位置检测，将旋转部分永磁体沿轴向分为若干块作为直线部分位置检测，降低了位置检测的相互干扰，便于电机解耦控制。
附图说明
图1为双定子直线旋转永磁电机结构示意图；
图2为实施例中内霍尔传感器安装位置示意图；
图3为实施例中内霍尔传感器安装位置示意图；
图4为实施例中外永磁体平面展开图；
图5为实施例中旋转运动位置检测原理图；
图6为实施例中内永磁体平面展开图；
图7为实施例中直线位置检测原理图；
图中：1为外定子，2为外定子绕组，3为外永磁体，4为动子轭，5为内定子，6为内定子绕组，7为内永磁体，8为内霍尔传感器，9为外霍尔传感器；O1-1为第一外霍尔传感器，O1-2为第二外霍尔传感器，O1-3为第三外霍尔传感器，O1-4第四外霍尔传感器，O1-5第五外霍尔传感器；I1-1为第一内霍尔传感器，I1-2为第二内霍尔传感器，I1-3为第三内霍尔传感器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如图1所示的一种双定子直线旋转永磁电机的一体化位置检测装置，其特征在于，包括外定子(1)、外永磁体(3)、动子、内霍尔传感器(8)及外霍尔传感器(9)；上述两个霍尔传感器作为位置传感器。
所述外霍尔传感器(9)嵌入外定子(1)槽中，所述内霍尔传感器(8)嵌入内定子(5)槽中；外定子绕组(2)嵌入外定子内，内定子绕组(6)嵌在内定子上；霍尔传感器安装位置如图2和如图3所示。
所述外定子(1)与外永磁体(3)构成直线运动机构，本实施例为10极12槽结构；即外定子(1)槽数S1＝12，极对数P1＝5；所述内定子(5)与内永磁体(7)构成旋转运动机构，本实施例为6极9槽结构；内定子(5)槽数S2＝9，极对数为P2＝3；外定子槽中设置有5个霍尔传感器；内定子槽中设置有3个霍尔传感器。
所述动子外表面，即动子轭(4)外表面沿轴向设置有N极和S极交替排列的环形外永磁体(3)；所述动子内表面沿圆周方向设置有N极和S极交替排列的瓦形内永磁体(7)。
将动子沿轴向剖开并展开，其外永磁体如图4所示，内永磁体如图6所示。
如图4所示，所述外永磁体(3)在动子轴向上为2nP1组，其中，n＝1,2,3…；本实施例取n＝2，P1＝5，即外永磁体(3)在动子轴向上为20组，极距为11.4mm，每组永磁体轴向长度为10.3mm。在圆周方向上，每组外永磁体(3)均匀分为n1块，本例取n1＝24，每一块外永磁体(3)对应的圆周角度为α＝7.5°，相邻两块外永磁体(3)之间的间隔圆周的圆周角角度差为2α＝15°。
每P1组外永磁体(3)为一个轴向组合，即每5组为一个轴向组合；在一个轴向组合内，相邻两组之间的外永磁体在圆周方向错开α/P1＝0.75°的圆周角度。
如图6所示，所述内永磁体(7)在动子在圆周方向上有2P2＝6组，极距为60°；在轴向上，每组内永磁体(7)均匀分为n2块，本例n2取24，每块内永磁体(7)长度为l＝4.74mm，相邻两块内永磁体7之间的间隔距离为2l＝9.48mm。
每P2组内永磁体7为一个圆周向组合，即每3组为一个圆周向组合；在一个圆周向组合内，相邻两组之间的内永磁体在轴向上错开l/P2＝1.58mm距离。
所述外霍尔传感器9为P1个，本实施例为5个，分别安装在外定子1槽口处；相邻两个外霍尔传感器9之间相差两个极距为11.4mm；所述外霍尔传感器9检测旋转运动时的动子位置，分辨率为240。
所述内霍尔传感器(8)为P2个，本实施例为3个，分别安装在内定子5槽口处；相邻两个内霍尔传感器8之间相差角度为60°；所述内霍尔传感器8检测直线运动时的动子位置，分辨率为144。
双定子直线旋转永磁电机的一体化位置检测方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤1)双定子直线旋转电机做旋转运动时，外霍尔传感器9检测旋转运动位置信号；当动子每转为2α角度时，P1个外霍尔传感器9输出2P1个旋转位置信号，其检测角度为α/P1；当动子进入下一个2α角度周期时，重复输出2P1个旋转位置信号；通过旋转位置信号，获得动子旋转方向的位置信息和动子的转速；
步骤2)双定子直线旋转电机做直线运动时，内霍尔传感器8检测直线运动位置信号；当动子每移动距离为2l时，P2个内霍尔传感器8输出2P2个直线位置信号，当动子进入下一个2l距离周期时，重复发出2P2个直线位置信号；通过直线位置信号，获得动子直线方向上的位置信息；
步骤3)双定子直线旋转电机做螺旋运动时，外霍尔传感器9和内霍尔传感器8分别按步骤1和步骤2检测动子的旋转位置信号和直线位置信号，判断电机动子的实时位置信息和速度。
具体的，当动子做旋转运动(沿θ方向运动)时，初始位置如图5所示，此时电机控制器读取该5个外霍尔传感器信号，并记录该初始位置信号。当每转动15°动子旋转角度，埋在外定子中的所述5个外霍尔传感器输出一组如下表1所示的状态信号。当进入下一个15°动子角度时，重复表1所示的输出信号，且电机控制器记录初始位置信号出现次数增加一。由于外永磁体沿动子圆周方向共有24块，因此，输出表1的信号周期数为24，即外霍尔传感器检测动子的旋转运动的精度为1.5°。当电机控制器记录到24次初始位置信号时，电机动子转过一周，通过控制器的计时器即可计算电机的转速。而通过读取24个位置信号即可得到动子旋转的位置。
当动子做直线运动(沿Z方向运动)时，初始位置如图7所示，此时电机控制器读取该3个内霍尔传感器信号，并记录该初始位置信号。当每移动9.48mm，埋在内定子中的所述3个内霍尔传感器输出一组如表2所示的状态信号。当进入下一个9.48mm，重复表2所示的输出信号，且电机控制器记录初始位置信号出现次数增加一。由于内永磁体沿动子轴向方向有24块，因此，输出表2的信号周期数为24，即内霍尔传感器检测动子直线运动的精度为1.58mm。当电机控制器每检测到一次初始位置信号时，控制器的计时器清零一次，并将时间存入寄存器，从而控制器可以计算动子的位移速度。而通过读取该24个位置信号即可得到动子的轴向位置。
表1 外霍尔传感器信号状态表
| O1-1 | O1-2 | O1-3 | O1-4 | O1-5 |
| 1 | 1 | 0 | 1 | 0 |
| 1 | 1 | 0 | 1 | 1 |
| 1 | 1 | 1 | 1 | 1 |
| 0 | 1 | 1 | 1 | 1 |
| 0 | 1 | 1 | 0 | 1 |
| 0 | 0 | 1 | 0 | 1 |
| 0 | 0 | 1 | 0 | 0 |
| 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 1 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 1 | 0 | 0 | 1 | 0 |
表2 内霍尔传感器信号状态表
| I1-1 | I1-2 | I1-3 |
| 1 | 0 | 1 |
| 1 | 1 | 1 |
| 1 | 1 | 0 |
| 0 | 1 | 0 |
| 0 | 0 | 0 |
| 0 | 0 | 1 |
综上所述，电机控制器通过记录初始位置信号和捕获所述表1和表2的信号，可以轻松的实现电机动子的位置和速度的实时检测和判断。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.双定子直线旋转永磁电机的一体化位置检测装置，其特征在于，包括外定子(1)、外永磁体(3)、动子、内霍尔传感器(8)及外霍尔传感器(9)；
所述外霍尔传感器(9)嵌入外定子(1)槽中，所述内霍尔传感器(8)嵌入内定子(5)槽中；
所述外定子(1)与外永磁体(3)构成直线运动机构；外定子(1)槽数为S1，极对数为P1；所述内定子(5)与内永磁体(7)构成旋转运动机构；内定子(5)槽数为S2，极对数为P2；
所述动子外表面沿轴向设置有N极和S极交替排列的环形外永磁体(3)；所述动子内表面沿圆周方向设置有N极和S极交替排列的瓦形内永磁体(7)；
所述内永磁体(7)在动子在圆周方向上有2P2组；在轴向上，每组内永磁体(7)均匀分为n2块，每块内永磁体(7)长度为l，相邻两块内永磁体(7)之间的间隔距离为2l；在圆周方向上，每P2组内永磁体(7)为一个圆周向组合；在所述的一个圆周向组合内，相邻两组之间的内永磁体沿轴向方向错开l/P2距离。
2.如权利要求1所述的双定子直线旋转永磁电机的一体化位置检测装置，其特征在于，所述外永磁体(3)在动子轴向上为2nP1组，其中，n＝1,2,3…；在圆周方向上，每组外永磁体(3)均匀分为n1块，每一块外永磁体(3)对应的圆周角度为α，相邻两块外永磁体(3)之间的间隔圆周的圆周角角度差为2α；在轴向方向上，每P1组外永磁体(3)为一个轴向组合；在所述的一个轴向组合内，相邻两组之间的外永磁体沿圆周方向错开α/P1角度。
3.如权利要求1所述的双定子直线旋转永磁电机的一体化位置检测装置，其特征在于，所述外霍尔传感器(9)为P1个，分别安装在外定子(1)槽口处；相邻两个外霍尔传感器(9)之间相差两个极距；所述外霍尔传感器(9)检测旋转运动时的动子位置，分辨率为2P1n1。
4.如权利要求1所述的双定子直线旋转永磁电机的一体化位置检测装置，其特征在于，所述内霍尔传感器(8)为P2个，分别安装在内定子(5)槽口处、；相邻两个内霍尔传感器(8)之间相差角度为360°/P2；所述内霍尔传感器(8)检测直线运动时的动子位置，分辨率为2P2n2。
5.如权利要求1-4任一所述的双定子直线旋转永磁电机的一体化位置检测装置的检测方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
1)双定子直线旋转电机做旋转运动时，外霍尔传感器(9)检测旋转运动位置信号；当动子每转过2α角度时，P1个外霍尔传感器(9)输出2P1个旋转位置信号，其检测角度为α/P1；当动子进入下一个2α角度周期时，重复输出2P1个旋转位置信号；通过旋转位置信号，获得动子旋转方向的位置信息和动子的转速；
2)双定子直线旋转电机做直线运动时，内霍尔传感器(8)检测直线运动位置信号；当动子每移动距离为2l时，P2个内霍尔传感器(8)输出2P2个直线位置信号，当动子进入下一个2l距离周期时，重复发出2P2个直线位置信号；通过直线位置信号，获得动子直线方向上的位置信息；
3)双定子直线旋转电机做螺旋运动时，外霍尔传感器(9)和内霍尔传感器(8)分别按步骤1和步骤2检测动子的旋转位置信号和直线位置信号，判断电机动子的实时位置信息和速度。
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