CN113311248B - 一种针对磁阻式球形电机的定子线圈电感测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种针对磁阻式球形电机的定子线圈电感测量方法，包括信号发生器、功率放大电路、电感测量电路和磁阻式球形电机定子线圈；信号发生器用于产生电感测量电路所需要的稳定持续的正弦交流信号；功率放大电路的核心部件为LM1875T运算放大器，由于电机定子线圈为大负载，而信号发生器带负载的能力较弱，所以需要引入功率放大电路来稳定交流信号的幅值大小；电感测量电路基于阻抗法原理，通过检测标准电阻上的分压来间接得到定子线圈电感数据。本发明可以实现对磁阻式球形电机定子线圈上电感数据的检测，电路结构简单，系统复杂性低，且测量精度和可靠性较高。

Description

一种针对磁阻式球形电机的定子线圈电感测量方法
技术领域
本发明涉及球形电动机技术领域，具体涉及一种针对磁阻式球形电机的定子线圈电感测量方法。
背景技术
球形电机可实现多自由度运动，发展潜力巨大。目前国内外所研究的球形电机多为永磁式。永磁式球形电机由于结构上存在的问题，具有输出力矩较小和通电控制策略复杂等不足之处。因此，一种新型磁阻式球形电机应运而生，已经完成样机的制作。
目前球形电机转子位置检测主要依靠安装光学传感器或基于水平仪的MEMS传感器。光学传感器造价昂贵，且所需安装空间较大；MEMS传感器直接安装在电机输出轴上，对电机运行性能有明显影响，且会产生累积误差。因此，需要根据磁阻式球形电机的结构特点来实现无位置传感器检测，以避免安装位置传感器带来的不利影响。而要实现无位置传感器检测，首先就需要实现对磁阻式球形电机定子线圈电感的测量。
现有的针对单自由度开关磁阻电机的电感/磁链测量方法，都基于单自由度电机载交流电驱动下进行周期性运动这一特点来实现。但由于磁阻式球形电机的驱动电流为直流电，且运动方式多种多样，能够实现多自由度运动，其运动方式呈非周期性，这就使得以往的针对单自由度旋转电机的电感/磁链测量方法并不能直接适用于多自由度磁阻式球形电机的电感/磁链测量。因此，亟需一种适用于多自由度磁阻式球形电机的电感/磁链测量方法。
发明内容
本发明技术解决问题：针对一种特定的磁阻式球形电机，提供一种定子线圈电感测量方法，能够实现其在任何运动过程中的定子线圈电感测量，为实现对电机运行状态的监控以及进一步实现无位置传感器检测打下了基础。
本发明的目的是提供一种针对特定的磁阻式球形电机，对其定子线圈电感进行测量方法。该方法主要包括信号产生电路和电感测量电路两个模块，能够实现对磁阻式球形电机定子线圈上电感数据的测量。
本发明提供以下技术方案：一种针对磁阻式球形电机的定子线圈电感测量方法，针对特定的磁阻式球形电机，在特定的磁阻式球形电机进行自旋和俯仰运动的过程中，能够现实任意转子角度下的定子线圈电感数值测量；
使用的部件由信号产生电路和电感测量电路两个部分组成，其中信号产生电路由功率放大电路组成，信号发生器用于产生电感测量电路所需要的稳定持续的正弦交流信号，功率放大电路稳定正弦交流信号的幅值大小；电感测量电路基于阻抗法原理，通过检测标准电阻上的分压来间接得到磁阻式球形电机定子线圈电感数据；
测量过程为：
步骤(1)，在特定的磁阻式球形电机输出轴上安装位置传感器，用于记录电机转子位置角度；
步骤(2)，为12组定子线圈接入电感测量电路；
步骤(3)，根据电机转子运动的需要，通过上位机控制的集成了控制芯片的电流控制器来为磁阻式球形电机定子线圈注入驱动电流，实现磁阻式球形电机进行自旋和俯仰运动；
步骤(4)，在电机转子移动到任意位置时，轮流为12组定子线圈及电感测量电路注入固定频率的交流正弦波，记录相对应的电压值；
步骤(5)，通过电感计算得到电感，将12组定子线圈的电感与电机转子位置角度记录下来，即为电感-位置测量结果；
上述电感计算的具体步骤为：
步骤(51)，向电路注入固定频率的正弦交流信号，经功率放大电路增大幅值并消除杂波干扰，为电感测量电路提供稳定的检测信号；
步骤(52)，检测并记录此时的电路总输入电压
Figure BDA0003133810390000021
与标准电阻分压
Figure BDA0003133810390000022
步骤(53)，由于电阻上的分压均为同相位，根据标准电阻分压，得到定子线圈电阻R部分的分压
Figure BDA0003133810390000023
两者相加即为整个电阻部分的分压
Figure BDA0003133810390000024
步骤(54)，在总输入电压与电阻部分分压已知的情况下，根据整个电路的阻抗分压向量关系，得到定子线圈电感部分的分压
Figure BDA0003133810390000025
步骤(55)，根据阻抗公式
Figure BDA0003133810390000026
电路的电流大小
Figure BDA0003133810390000027
与检测信号的频率f已知，即计算得到定子线圈的电感数值L。
所述特定的磁阻式球形电机中的定子磁轭采用球形结构，内部对称设置三层定子铁心，每个定子铁心上设置有集中式绕组线圈，能够实现三自由度运动；磁阻式球形电机具有24个定子线圈，将中心对称的两个线圈规定为一个线圈组，共12组定子线圈。该磁阻式球形电机由于结构上有定子铁心，因此这种新型磁阻式球形电机在体积远小于永磁式球形电机的情况下依然能输出较高的电磁转矩，且通电策略更为简单，转子运动时产生的摩擦也更小。
所述磁阻式球形电机的定子线圈采用集中绕组设计方案，使得定子线圈的制作与安装更为容易。在磁阻式球形电机的设计过程中，确定了电磁线的最大安全载流量为8A/mm2，基于此选取了线径0.48mm的漆包线用于绕制线圈，实际绕制匝数为350匝，以满足电机安全运行的需求。
所述信号产生电路，首先由信号发生器发出一个较弱的正弦交流信号，随后通过以LM1875T运算放大器为核心的功率放大电路，附加一定的电容与电阻，起到将信号发生器所输出的正弦波放大幅值和稳定波形的作用。信号发生器与功率放大电路之间由导线直接连接。
所述电感测量电路以阻抗法为基本原理，通过对磁阻式球形电机的定子线圈附加标准电阻，利用示波器测量其分压，来间接计算最终得到定子线圈电感。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明电路针对一种能够实现空间三自由度运动的磁阻式球形电机，能够测量其定子线圈的电感数据，能够实时监测其运行状态和电机转子位置。
(2)本发明电路使得磁阻式球形电机的运动控制系统进一步简化，为实现磁阻式球形电机无传感器位置检测提供数据，取代光学传感器，使得系统稳定性增强，降低电机控制成本。
(3)本发明电路结构简单，制作难度低，成本低廉，测量精度高，且可移植性较强。
附图说明
图1为本发明所应用的磁阻式球形电机结构示意图，其中右上为定子线圈组标号示意图；
图2为本发明所应用的磁阻式球形电机自旋和俯仰两种典型运动方式示意图；
图3为本发明定子线圈电感测量模块组成框图；
图4为本发明内部功率放大电路原理图；
图5为本发明内部电感测量电路原理图。左图为电感测量电路拓扑图，右图为各部分阻抗器件分压向量图；
图6为本发明在两种典型运动方式下的12组定子线圈电感测量结果图。左图为自旋运动过程中的电感测量结果，右图为俯仰运动过程中的电感测量结果。
其中：定子铁心1，定子线圈2，转轴3，转子4，底座5，定子外壳6。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。
参见图1，本方法所适用的一种特定的磁阻式球形电机，定子磁轭采用球形结构，内部对称设置三层定子铁心1，每个定子铁心1上设置有集中式绕组线圈，能够实现三自由度运动。
定子线圈2的材质为线径0.48mm的漆包线，匝数为350。由于磁阻式球形电机具有24个定子线圈，可以将中心对称的两个线圈规定为一个线圈组。首先设定转子齿处于与定子线圈对齐处为运动起始位置，此时对应的定子线圈组为第1组线圈，接下来按照转子自转运动方向将赤道线上剩余定子线圈分别设定为第2、3、4组线圈，最后继续按照此顺序标定剩余5至12号线圈组，具体的线圈组标定示意图如右上图所示。
转轴3与转子4为一体式结构，转子4采用硅钢片堆叠而成，转轴3采用PC材料制成。底座5与定子外壳6为一体式结构，起到支撑球形电机的作用，均为纯铁材料制成。
该球形电机的相关结构上的专利已经申请，样机已制作完成。
参见图2，本方法所适用的磁阻式球形电机的运动原理与传统开关磁阻电机类似，当定子线圈通过电流时，磁力线总沿着磁阻最小的路径流通，对转子齿产生径向的磁拉力，使得转子转动。由于磁阻式球形电机存在三层分布的定子线圈，因此通过采用不同的定子线圈通电策略，能够使得电机转子实现多自由度运动。其中，自旋运动时仅为中间层线圈通电，使转子绕Z轴运动，此时电机转子的运动方式与旋转电机相同；俯仰运动是通过控制同一纵切面上的三对线圈通电，使得转子向上或向下偏转。通过这两种基本运动方式的组合，电机即可实现多自由度的运动。
参见图3，本发明一种基于阻抗法的磁阻式球形电机定子线圈电感测量方法，主要由信号产生电路和电感测量电路两个部分组成。其中信号产生电路由信号发生器与功率放大电路组成，信号发生器用于产生电感测量电路所需要的稳定持续的正弦交流信号，功率放大电路的核心部件为LM1875T运算放大器，由于电机定子线圈为大负载，而信号发生器带负载的能力较弱，所以需要引入功率放大电路来稳定正弦交流信号的幅值大小；电感测量电路基于阻抗法原理，通过检测标准电阻上的分压来间接得到定子线圈电感数据。
参见图4，本发明中的功率放大电路部分以LM1875T运算放大器为核心，与R3和R4共同组成同相比例运算电路，C2起到滤波作用。C1、R1和R2组成滤波电路，过滤信号发生器产生的杂波。VCC和VEE为直流电压源，为LM1875T提供所需的工作电压，C4～C7为直流电压源过滤交流杂波。R5和C3起到为LM1875T的输出端信号滤波的作用。
参见图5，L与RL代表定子线圈自身的电感和电阻，R为与定子线圈串联的标准电阻，组成整个基于阻抗法的电感测量电路。
参见图6，通过实验测得磁阻式球形电机转子在0°～360°范围内的自旋运动与-30°～30°范围内的俯仰运动过程中12组线圈的电感特性曲线如图所示。从结果图6中可以看出，磁阻式球形电机转子在做自旋运动过程中，处于赤道的1～4号四组线圈的电感随自转角以60°为周期呈类正弦波变化，每组线圈电感特性曲线之间存在15°相位差，而位于上下两侧的5～12号八组线圈电感较小且基本保持不变；俯仰运动过程中，最靠近转子齿运动竖直线上的1、5、9号线圈组变化最大，其余线圈组次之，位于赤道线上的线圈组的电感变化具有对称性，位于上下两侧的线圈组的电感变化具有单调性。根据这些不同线圈组电感随转子角度变化的特点，即可实现对转子角度的估算。
本发明工作原理如下：
由于磁阻式球形电机的定转子结构为双凸式结构，每当转子齿与定子线圈之间存在不同的偏转角度时，电机气隙内的磁通路径就会发生变化，使得线圈内的电感随之变化。准确地对定子线圈的电感值进行测量，有助于检测电机的运行状态，增强控制系统的稳定性。
具体的电感测量电路工作过程为如下：
步骤(1)，在特定的磁阻式球形电机输出轴上安装位置传感器，用于记录电机转子位置角度；
步骤(2)，为12组定子线圈接入电感测量电路；
步骤(3)，根据电机转子运动的需要，通过上位机控制的集成了控制芯片的电流控制器来为磁阻式球形电机定子线圈注入驱动电流，即可实现磁阻式球形电机进行自旋和俯仰运动。
步骤(4)，在电机转子移动到任意位置时，轮流为12组定子线圈及电感测量电路注入固定频率的交流正弦波，记录相对应的电压值；
步骤(5)，通过电感计算得到电感，将12组定子线圈的电感与电机转子位置角度记录下来，即为电感-位置测量结果；
电感计算的具体步骤为：
步骤(1)，通过信号发生器产生固定频率的正弦交流信号，经功率放大电路增大其幅值并消除杂波干扰，为电感测量电路提供稳定的检测信号。
步骤(2)，利用示波器检测并记录此时的电路总输入电压
Figure BDA0003133810390000051
与标准电阻分压
Figure BDA0003133810390000052
步骤(3)，由于电阻上的分压均为同相位，根据标准电阻分压，可以得到定子线圈电阻部分的分压
Figure BDA0003133810390000053
两者相加即为整个电阻部分的分压
Figure BDA0003133810390000054
步骤(4)，在总输入电压与电阻部分分压已知的情况下，根据整个电路的阻抗分压向量关系，可以得到定子线圈电感部分的分压
Figure BDA0003133810390000055
步骤(5)，根据阻抗公式|UL|＝2πf|I|L，电路的电流大小
Figure BDA0003133810390000061
与检测信号的频率f已知，即可计算得到定子线圈的电感数值L。电机自旋与俯仰运动过程中定子线圈电感测量的结果图参见图6。根据这些不同线圈组电感随转子角度变化的特点，即可实现对转子角度的估算。
在本说明书中的实施例，为本发明为便于描述采用的合适实施例，并非对本发明的结构、组配的具体限制，本发明中的零部件的组合和装配，电路的拓扑结构以及各个元件的排列方式，元件具体型号与特性数值大小在不同的实际条件下都可进行变化和修改，这些变化和修改仍属于本发明所要求的保护范围内。

Claims (2)

1.一种针对磁阻式球形电机的定子线圈电感测量方法，其特征在于：针对特定的磁阻式球形电机，在特定的磁阻式球形电机进行自旋和俯仰运动的过程中，能够实现 任意转子角度下的定子线圈电感数值测量；
使用的部件由信号产生电路和电感测量电路两个部分组成，其中信号产生电路由功率放大电路组成，信号发生器用于产生电感测量电路所需要的稳定持续的正弦交流信号，功率放大电路稳定正弦交流信号的幅值大小；电感测量电路基于阻抗法原理，通过检测标准电阻上的分压来间接得到磁阻式球形电机定子线圈电感数据；
测量过程为：
步骤(1)，在特定的磁阻式球形电机输出轴上安装位置传感器，用于记录电机转子位置角度；
步骤(2)，为12组定子线圈接入电感测量电路；
步骤(3)，根据电机转子运动的要求，通过上位机控制的集成了控制芯片的电流控制器来为磁阻式球形电机定子线圈注入驱动电流，实现磁阻式球形电机进行自旋和俯仰运动；
步骤(4)，在电机转子移动到任意位置时，轮流为12组定子线圈及电感测量电路注入固定频率的交流正弦波，记录相对应的电压值；
步骤(5)，通过电感计算得到电感，将12组定子线圈的电感与电机转子位置角度记录下来，即为电感—位置测量结果；
上述电感计算的具体步骤为：
步骤(51)，向电路注入固定频率的正弦交流信号，经功率放大电路增大幅值并消除杂波干扰，为电感测量电路提供稳定的检测信号；
步骤(52)，检测并记录此时的电路总输入电压
Figure FDA0003133810380000011
与标准电阻分压
Figure FDA0003133810380000012
步骤(53)，由于电阻上的分压均为同相位，根据标准电阻分压，得到定子线圈电阻R部分的分压
Figure FDA0003133810380000013
两者相加即为整个电阻部分的分压
Figure FDA0003133810380000014
步骤(54)，在总输入电压与电阻部分分压已知的情况下，根据整个电路的阻抗分压向量关系，得到定子线圈电感部分的分压
Figure FDA0003133810380000015
步骤(55)，根据阻抗公式
Figure FDA0003133810380000016
电路的电流大小
Figure FDA0003133810380000017
与检测信号的频率f已知，即计算得到定子线圈的电感数值L。
2.根据权利要求1所述的一种针对磁阻式球形电机的定子线圈电感测量方法，其特征在于：所述特定的磁阻式球形电机中的定子磁轭采用球形结构，内部对称设置三层定子铁心，每个定子铁心上设置有集中式绕组线圈，能够实现三自由度运动；磁阻式球形电机具有24个定子线圈，将中心对称的两个线圈规定为一个线圈组，共12组定子线圈。
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