CN108988601B - 一种球形电机、球形电机位置检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种球形电机、球形电机位置检测装置及方法，属于球形电机姿态检测技术领域。本发明以新型的球形电机即永磁球形步进电动机转子作为研究对象，利用无源无线的SAW压力传感器，将SAW传感器设置在球形电机的永磁体指向球面的一端，SAW传感器在球形电机转子与定子之间的曲面狭缝空间中完成测量任务，可以及时准确地找到球型电机转子的位置，实现成本低，具有很高的性价比。

Description

一种球形电机、球形电机位置检测装置及方法

技术领域

本发明涉及球形电机姿态检测技术领域，更具体地说，涉及一种球形电机、球形电机位置检测装置及方法。

背景技术

随着当代工业的不断发展，对电机的功能要求也相对提高，一些做复杂运动的特殊结构装置需要电机实现多自由度的运动。如果采用传统的单自由度工业电机，就必须増加单自由度动力装置的数目，以其组合形式来实现多自由度的空间运动，这样的装置一般结构复杂，体积庞大，安装困难，效率较低，并且各装置之间存在传动误差，各个误差累积起来会导致系统的精度下降，稳定性能差，无法达到一些高精度精密装置需满足的条件。在这样的情况下，球形电机应运而生。

球形电机实现了多个单自由度动力装置的集成，可以独立地完成多自由度的空间运动，因此很大程度上减少了装备的复杂度，使装备的体积下降，系统的反应速度变快、定位精度更准确，从而实现快速定位，体现出相对优良的性能。并且随着稀永磁材料性能的不断完善，永磁球形电机的出现，其体积小、装置轻、控制简单，更是受到了越来越多的青睐。

球形电机转子的位置检测作为电机不可缺少的反馈控制环节，其位置检测的分辨率直接影响到系统的控制精度，在电机控制系统中起到了至关重要的作用。因此位置检测技术也是当前球形电机研究的重点和关键性内容。

经检索，关于球形电机转子的位置检测，专利申请号为201711241998.4，申请日为2017年11月30日，公开了一种基于MEMS传感器的球形电机转子位置检测方法；该申请案首先采集MEMS传感器的原始数据。分别对角速度进行零偏误差补偿，对加速度和磁感应强度进行椭球拟合补偿。将补偿后的角速度、加速度和磁感应强度数据进行基于互补滤波的数据融合，并代入四元数微分方程中得到姿态更新四元数。由姿态更新四元数转换到欧拉角，并结合欧拉角在不同区间的变化特点，做出准确的区间转移判断，实现全角度范围变化的条件下欧拉角的转换。该申请案在将陀螺仪、加速度计进行数据处理后，基于四元数更新的姿态解算算法在经过全角度解算后可以较好地反应球机转子的位置变化，但该申请案获得球形电机转子位置变化的整个计算过程较复杂，实现成本较高，仍有待进一步改进。

发明内容

1.发明要解决的技术问题

本发明立足于球形电机的结构机理，选择永磁球形步进电动机作为研究对象，目的在于解决球型电机的位置检测，提供了一种球形电机、球形电机位置检测装置及方法；本发明可以及时准确地找到球型电机转子的位置。

2.技术方案

为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：

本发明的一种球形电机，包括转子、定子和永磁体，球形转子内部规则镶嵌多个永磁体，永磁体与定子产生吸附力，所述的永磁体指向球面的一端附着SAW传感器。

作为本发明更进一步地改进，所述的永磁体指向球面的一端为N极。

作为本发明更进一步地改进，所述的球形转子内部规则镶嵌n个永磁体，n的取值范围为70-90。

作为本发明更进一步地改进，所述的SAW传感器包括微带天线、微带线、柔性基底和SAW器件，微带线设置在柔性基底上，SAW器件通过微带线与微带天线相连。

本发明的一种球形电机位置检测装置，包括传感器端和查询端，所述的传感器端包括多个SAW传感器，该SAW传感器设置在所述的球形电机的永磁体指向球面的一端；所述的查询端包括带有频率收发射天线的信号发生器、上位机和频谱分析仪，频率收发射天线连接信号发生器和频谱分析仪，信号发生器和频谱分析仪均与上位机相连；查询端通过频率收发射天线接收传感器端的频率信号，频谱分析仪发送查询端的控制信息。

作为本发明更进一步地改进，所述的球形转子内部规则镶嵌n个永磁体，n的取值范围为70-90，永磁体上的SAW传感器按照顺序进行编号。

作为本发明球形电机位置检测装置更进一步地改进，所述的SAW传感器包括微带天线、微带线、柔性基底和SAW器件，微带线设置在柔性基底上，SAW器件通过微带线与微带天线相连。

本发明的一种球形电机位置检测方法，球形电机定子上的线圈通电，SAW传感器通过射频进行无源无线传输数据，根据永磁体与定子间的吸附力向外发射不同频率的信号，频率收发器接收该信号，经频谱分析仪传送到上位机进行分析，通过分析得出各个永磁体所受压力情况，进而确定永磁体的排列情况，从而确定了转子位置。

3.有益效果

采用本发明提供的技术方案，与已有的公知技术相比，具有如下显著效果：

(1)本发明的一种球形电机位置检测装置，其在球形电机的永磁体指向球面的一端附着声表面波SAW传感器，声表面波SAW传感器在受到外界压力的作用时，其压电基片上声表面波的波长和波速会发生变化，速度和波长的变化最终导致了SAW传感器中心频率偏移，输出频率也随之改变，输出频率的变化与小应变之间是线性关系，利用该线性关系即可测量所施加的外力的大小，确定与定子接触的永磁体的排列情况，最终确定唯一的与定子吸附的转子区域，可以及时准确地找到球型电机转子的位置；

(2)本发明的一种球形电机位置检测装置，将SAW器件应用到球形电机转子与定子之间的曲面狭缝空间中完成测量任务，检测球形电机的位置，实现了狭缝空间等极端环境中物理量的测量；

(3)本发明的一种球形电机位置检测装置，对于球型电机的位置检测选择无源无线的天线耦合型传感器器件----声表面波SAW传感器，其中天线耦合方式采用天线接收空间中的电磁波能量，该能量高效地转化成其他形式能量，最终又转化成电能经过天线发射出去，实现了无线信号传输；

(4)本发明的一种球形电机位置检测装置，按照一定的顺序对永磁体上的SAW传感器进行编号，即从01开始到n结束，如此可方便后期确定是哪一些永磁体与定子产生吸附力，进而更便于及时准确地找到球型电机转子的位置；

(5)本发明的一种球形电机位置检测装置，使用检测器件少，实现成本低，也非常便于控制，具有很高的性价比。

附图说明

图1为本发明所使用的永磁球形步进电动机的模型图；

图2为本发明所使用的永磁球形步进电动机转子的结构示意图；

图3为本发明所使用的SAW传感器的结构示意图；

图4为本发明中SAW压力传感器放置位置示意图；

图5为本发明的球形电机位置检测装置中查询端的示意图；

图6为本发明的球形电机位置检测装置中传感器端的示意图；

图7为本发明中SAW压力传感器压力敏感流程图；

图8中的(a)为本发明球形电机在某一位置的示意图；图8中的(b)为在该位置下永磁体的编号图；

图9中的(a)为本发明球形电机在另一位置的示意图；图9中的(b)为在该位置下永磁体的编号图。

示意图中的标号说明：

1、转子；2、定子；3、永磁体；4、天线；5、叉指换能器；6、压电基片；7、SAW传感器；8、频率收发射天线；9、信号发生器；10、上位机；11、频谱分析仪；12、频率收发射天线；13、微带天线；14、微带线；15、柔性基底；16、SAW器件。

具体实施方式

为进一步了解本发明的内容，结合附图和实施例对本发明作详细描述。

实施例1

本实施例的一种球形电机位置检测装置，以永磁球形步进电动机转子作为研究对象，以无源无线的声表面波(Surface Acoustic Wave，SAW)传感技术做成SAW压力传感器件作为传感器。图1给出了本实施例所使用的永磁球形步进电动机模型图，图2给出了本实施例永磁球形步进电动机转子结构图。

如图1、图2所示，本实施例中球形电机包括转子1和定子2，转子1是球形的，在球形转子内部按照一定的规则合理地镶嵌了n个永磁体3，n的具体个数可以根据实际需要设计，本实施例镶嵌了80个永磁体3，对于这80个永磁体3，它们的规格都是一致的，并且在每一个永磁体3的N极，即永磁体3指向球面的一端附着声表面波SAW传感器7，共需要80个SAW传感器。本实施例中SAW传感器放置的位置具体参见图4。

声表面波传感器的基本工作原理是：SAW传感器7在受到外界物理量的作用时，其谐振频率或延时特性等会随着外界物理量的变化而变化，根据谐振频率或延时等的测试结果进行相应数据处理就可以得到外界物理量的变化情况。基于此，将压力作用于SAW传感器基片上会引起基片材料常数发生变化，这就使基片上声表面波波速发生变化，同时SAW传感器在压力作用下其几何尺寸也发生微弱变化，从而导致声表面波的波长等性能参数发生变化。

本实施例按照一定的顺序对永磁体3上的SAW传感器7进行编号，即从01开始到80结束，如此可方便后期确定是哪一些永磁体3与定子2产生吸附力，确定了哪一部分永磁体3，即对应的转子1区域也确定了。

声表面波(SAW)器件是一种无源无线器件，其借助于压电基底材料的正压电与逆压电效应工作，即可高效地实现电磁波与同频SAW之间相互转换。由于SAW器件的工作频率属于射频电磁波范围，故可直接将其与天线相连构成无源无线传感器。SAW器件通常由叉指换能器(inter digital transducer,IDT)、反射栅以及压电基底构成。图3给出了本实施例所使用的SAW器件的结构示意图。如图3所示，所述的SAW器件包括天线4、叉指换能器5和压电基片6，叉指换能器5设置于压电基片6上，且连接天线4。

对于球型电机的空间结构来说，信号的有线传输方式需要在球体表面的传感器上引出大量的导线，对球型电机的正常工作造成了极大的不便；同时为了利于电机的运行，也不便在为收发端提供电源。

而迄今为止，应用于接触压力测量的传感器大致可分为压电式、压阻式、电容式、电感式、光学式等五类，然而，其均需要电源供电且基于有线方式工作。对于狭缝空间接触压力监测来说，有源有线工作方式显得并不方便或者难以实现，而以无源无线方式工作的声表面波传感技术，无疑给狭缝空间等极端环境中物理量的测量提供了新的思路。本实施例将SAW器件应用到球形电机转子与定子之间的曲面狭缝空间中完成测量任务，检测球形电机的位置。SAW传感器7在受到外界物理量的作用时，其谐振频率或延时特性等会随着外界物理量的变化而变化，根据谐振频率或延时等的测试结果进行相应数据处理就可以得到外界物理量的变化情况。例如，压力作用于压电基片6上会引起基片材料常数发生变化，这就使压电基片6上声表面波波速发生变化，同时SAW传感器7在压力作用下其几何尺寸也发生变化，从而导致声表面波的波长等性能参数发生变化。

由SAW理论知识，SAW传感器7的输出频率：

其中，v_s为声表面波传播速度，λ为声表面波波长。

SAW传感器7的中心频率：

其中，v₀为受力为零的声表面波传播速度，λ₀为受力为零时的声表面波波长。

速度和波长的变化最终导致了SAW传感器7中心频率偏移，输出频率也随之改变。如此就建立了谐振频率偏移与压力的关系，从而达到测量压力的目的。

SAW的输出频率变化量与小应变有一定的关系，即

其中，δ为小应变，K为常数。

由上式可知，输出频率的变化与小应变之间是线性关系，由于外力与应变之间也为线性关系，因此就可以用频偏来测量所施加的外力的大小。

本实施例的检测思路如下：

球形电机的转子转动是通过设定对定子线圈不同的通电策略，使定子对转子上的永磁体产生吸附力，出现力矩进而使转子进行不同方位的旋转，完成特定方向的操作，通过对球形电机该运动机制的设定，可以通过检测转子上永磁体受到的吸附力(压力)来确定转子位置，通过SAW传感器检测压力的有无，确定是转子上哪一部分永磁体与定子吸附，进而确定该部分永磁体的转子区域，再通过检测压力的大小，通过受力分析，进而确定与定子接触的永磁体的排列情况，最终确定唯一的与定子吸附的转子区域，检测出转子的位置。

图5和图6给出了本实施例的球形电机位置检测装置的结构示意图，本实施例的球形电机位置检测装置包括传感器端和查询端，所述的传感器端即为无源无线SAW压力传感器，该无源无线SAW压力传感器包括微带天线13、微带线14、柔性基底15和SAW器件16，微带线14设置在柔性基底15上，SAW器件16通过微带线14与微带天线13相连。所述的查询端包括带有频率收发射天线的信号发生器9、上位机10和频谱分析仪11，频率收发射天线连接信号发生器9和频谱分析仪11(图5分别用标号8和12表示频率收发射天线)，信号发生器9和频谱分析仪11均与上位机10相连；查询端通过频率收发射天线接收传感器端的频率信号，频谱分析仪11发送查询端的控制信息。

本实施例中无源无线SAW压力传感器放置在球形电机转子上的每一个永磁体表面，查询端放置在球形电机附近，查询端通过频率收发射天线来接收传感器端的频率信号，并发送查询端的控制信息等。上位机10的控制器设计一定的球形电机的控制算法，控制球形电机的转动规则。

图7给出了本实施例SAW压力传感器压力敏感流程图。如图7所示，当压力施加到压电基片6上时，压电基片6的应力分布会发生变化，这样会引起基片变形，同时使得基片的弹性模量与密度发生微小的变化。基片形变进而使得谐振器的尺寸变化，而基片弹性模量与密度的变化则会导致波速变化。谐振器的尺寸变化与波速变化最终引起谐振器的中心频率偏移，通过对谐振频率偏移量的测试即可感知压力的变化。因此，SAW压力传感器可以通过射频进行无源无线传输数据，然后根据永磁体与定子托盘间的吸附力向外发射不同频率的信号。

SAW压力传感器安装完成后，给球形电机定子上的线圈通电，让其开始工作。信号发生器9产生的信号频率一方面通过频率收发射天线发送给球形电机转子80个永磁体3表面贴附的无源无线SAW压力传感器，另一方面将信号传输到上位机10，上位机10记录原始信号。球形电机位置发生改变时，永磁体3与定子托盘产生的吸附力会使无源无线SAW压力传感器的信号频率发生改变，并经天线4发射出去，发射的信号传输给频谱分析仪11，通过频谱分析仪11进行信息分析，继而传送到上位机10，与初始信号进行对比，找到球形电机发生信号改变的永磁体3的编号，确定永磁体的排列情况，从而确定转子1的位置。

图8和图9给出了本实施例的球形电机不同位置及永磁体的编号图。假设球形电机运行的图8中的(a)所示的位置，通过SAW压力传感器传输的频率，检测到永磁体为19、23、24、25、26，继而找到受力最大的一个永磁体，即25号，由此就可以准确的确定此时球形电机所处的位置。随着球形电机继续持续运行，当球形电机运行到如图9中的(a)所示的位置时，找到与之接触的5个永磁体为53、55、56、57、58，并判断出该5个永磁体的排列情况，分析对应的转子输出轴的位置，由此就可以准确的确定此时球形电机所处的位置。

实施例2

本实施例的一种球形电机及其球形电机位置检测装置，基本同实施例1，其不同之处在于：本实施例中球形转子内部规则镶嵌70个永磁体，永磁体3指向球面的一端附着声表面波SAW传感器7，共需要70个SAW传感器。

实施例3

本实施例的一种球形电机及其球形电机位置检测装置，基本同实施例1，其不同之处在于：本实施例中球形转子内部规则镶嵌90个永磁体，永磁体3指向球面的一端附着声表面波SAW传感器7，共需要90个SAW传感器。

以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种球形电机，包括转子(1)、定子(2)和永磁体(3)，其特征在于：球形转子(1)内部规则镶嵌70-90个永磁体(3)，永磁体(3)与定子(2)产生吸附力，所述的永磁体(3)指向球面的一端附着SAW传感器(7)；所述的永磁体(3)指向球面的一端为N极；所述的SAW传感器(7)包括微带天线(13)、微带线(14)、柔性基底(15)和SAW器件(16)，微带线(14)设置在柔性基底(15)上，SAW器件(16)通过微带线(14)与微带天线(13)相连。

2.一种球形电机位置检测装置，其特征在于：包括传感器端和查询端，所述的传感器端包括多个SAW传感器(7)，该SAW传感器(7)设置在如权利要求1所述的球形电机的永磁体(3)指向球面的一端；所述的查询端包括带有频率收发射天线的信号发生器(9)、上位机(10)和频谱分析仪(11)，频率收发射天线连接信号发生器(9)和频谱分析仪(11)，信号发生器(9)和频谱分析仪(11)均与上位机(10)相连；查询端通过频率收发射天线接收传感器端的频率信号，频谱分析仪(11)发送查询端的控制信息。

3.根据权利要求2所述的一种球形电机位置检测装置，其特征在于：所述的球形转子(1)内部规则镶嵌永磁体(3)上的SAW传感器(7)按照顺序进行编号。

4.利用如权利要求3所述的球形电机位置检测装置进行位置检测的方法，其特征在于：球形电机定子(2)上的线圈通电，SAW传感器(7)通过射频进行无源无线传输数据，根据永磁体(3)与定子(2)间的吸附力向外发射不同频率的信号，频率收发器接收该信号，经频谱分析仪(11)传送到上位机(10)进行分析，通过分析得出各个永磁体(3)所受压力情况，进而确定永磁体(3)的排列情况，从而确定了转子位置。

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