CN115586436A - 基于磁传感阵列的永磁直线电机高分辨率位置检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于磁传感阵列的永磁直线电机高分辨率位置检测方法，属于电机检测技术领域。该方法首先在永磁直线电机上布设磁传感阵列，并向磁传感阵列输入激励信号，以感应永磁直线电机运动所带来的规律性变化磁场，从而输出携带位移信息的信号；其次通过信号处理单元对磁传感阵列的输出信号进行处理得到行波信号；最后对行波信号进行处理，计数得到位移信息量。本发明具有低成本、小型化的优点，能在较少的机械等分下实现高分辨率的位置检测。
Description
技术领域
本发明属于电机检测技术领域，涉及一种基于磁传感阵列的永磁直线电机高分辨率位置检测方法。
背景技术
高端制造装备离不开高性能的驱动系统，在众多驱动形式中，直驱电机系统因缺少传统驱动系统和减速器，从而打破了传统的“旋转电机+滚珠丝杠”的传动方式，实现了“零传动”，消除了摩擦、振动、噪音等不利因素，具备高速度、高加速度、精确定位、结构简化紧凑等优点，已成为高端制造装备的应用点。直驱电机的结构特点决定了其检测的高精度直接取决于控制技术与传感技术。永磁直线电机是直驱电机的典型，具有高速、高精度、快速响应和大行程的优点。而位置传感器的最高移动速度、量程及分辨率限制了直线电机的最高速度、行程和定位精度。
目前应用最广泛的永磁直线电机的运动位置检测方法是在电机定尺旁边放置直线光栅，但光栅的旁置不仅增加了体积而且增加了成本，甚至会使电机的运行性能受到影响。再者，光栅位置检测方法的测量分辨率依赖机械的等分刻线，会受到机械加工精度影响。近年来，专利申请CN114123870A公开了基于高频注入的永磁电机位置检测，减少了检测成本，但是其检测精度依赖电机的参数，在电机长时间运行后，检测性能会受到影响。专利申请CN105656282A公开了一种基于TMR与伺服电机等分永磁体集成一体，设计具有嵌入式位置检测装置的直线永磁伺服电机，但是没有解决伺服电机本身及对数少以及电机内部磁场干扰强的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于磁传感阵列的永磁直线电机高分辨率位置检测方法，通过磁传感阵列的排布以及输入信号的不同实现位置测量信号的倍频和滤波，实现高精度高性能测量。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于磁传感阵列的永磁直线电机高分辨率位置检测方法，该方法首先在永磁直线电机上布设磁传感阵列，并向磁传感阵列输入激励信号，以感应永磁直线电机运动所产生的规律性变化磁场，从而输出携带位移信息的信号；其次通过信号处理系统对磁传感阵列的输出信号进行处理得到行波信号；最后对行波信号和参考信号的相位差进行高频时钟脉冲插补，计数得到位移信息量。
进一步，磁传感阵列包括两组磁敏元件阵列，每组磁敏元件阵列的排列方向与永磁直线电机中永磁体结构的排列方向平行。
每组磁敏元件阵列中，各磁敏元件之间按照W/(2n)的间隔依次放置；两组阵列的磁敏元件之间在排列方向上依次间隔W/λ；其中W表示永磁直线电机的极距，n表示空间位置信号的倍频数，λ表示空间位置信号需滤除的谐波波长。此处谐波为本发明中对于空间位置信号需滤除的谐波。其中磁敏元件选用单轴线性输出元件。
进一步，向磁传感阵列输入激励信号具体为：对于各组磁敏元件阵列，向每组磁敏元件阵列中的前两个磁敏元件输入交流激励信号，其他的磁敏元件则输入直流激励信号。
进一步，对磁传感阵列输出信号的处理方式具体为：每组磁敏元件阵列中，奇数号和偶数号磁敏元件的输出分别相乘后再相加；各组磁敏元件阵列的输出相减，即得到行波信号。
进一步，对行波信号进行处理的方式具体为：先将行波信号和同频率的参考信号进行放大滤波及整形，再进行解调，将得到的相位差用高频时钟脉冲插补，计数得到位移信息量。
本发明的有益效果在于：本发明采用磁传感阵列作为传感单元，具有低成本、小型化的特性；通过对传感单元的排布设计实现空间位置信号的倍频和空间滤波功能，能在较少的机械等分下实现高分辨率的位置检测。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为磁传感阵列在永磁直线电机上的布设示意图；
图2为磁传感阵列的双排阵列及驱动形式；
图3为信号处理原理框图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
请参阅图1～图3，为一种基于磁传感阵列的永磁直线电机高分辨率位置检测方法。本方法采用磁传感阵列感应电机动尺运动所带来的磁场变化，通过空间排布方式的不同和输入激励信号的不同，利用信号处理得到高分辨率的位移信息。
具体来说，磁传感阵列中，布设两组磁敏元件阵列，每组磁敏元件阵列的排列方向与永磁直线电机中永磁体结构的排列方向平行。在每组磁敏元件阵列中，各磁敏元件之间按照W/(2n)的间隔依次放置；两组阵列的磁敏元件之间在排列方向上依次间隔W/λ。同时向每组磁敏元件阵列中的前两个磁敏元件输入交流激励信号，其他的磁敏元件则输入直流激励信号。
之后通过信号处理系统对磁传感阵列的输出信号进行处理：每组磁敏元件阵列中，奇数号和偶数号磁敏元件的输出分别相乘后再相加；两组磁敏元件阵列的输出相减，即得到行波信号。再对行波信号进行处理：先将行波信号和同频率的参考信号进行放大滤波及整形，再进行解调，将得到的行波信号和参考信号的相位差用高频时钟脉冲插补，计数得到位移信息量。
下面以基于单轴线性磁敏元件的磁传感阵列实现空间位置信号二倍频及滤除三次谐波为例，对本方法进行详细说明：
如图1所示，永磁直线电机定尺上分布着磁性交替分布的永磁体结构，以及基板，其中永磁直线电机的极距为W，磁敏元件A～D以及a～d沿着平行于永磁体结构的方向排布，且各组磁敏元件之间的距离为W/4，磁敏元件a～d与磁敏元件A～D之间依次间隔着W/λ3的距离(λ3表示滤除的三次谐波的波长)，即磁敏元件a与磁敏元件A间隔W/λ3，磁敏元件b与磁敏元件B间隔W/λ3，依次类推。
本实施例中，磁敏元件A输入的激励信号为正弦激励A1 sinωet，磁敏元件B的激励信号为余弦激励A1 cosωet(信号幅值大小可任意，此处以A1示例)，磁敏元件C、D均输入直流激励A1；磁敏元件a～d的激励信号与A～D相同，如图2所示。
当考虑空间中最主要的三次谐波时，磁敏元件A～D的输出信号分别为：
式中，A2表示三次谐波分量的幅值，x表示电机动尺的位移量。
如图3所示，将UA、UC以及UB、UD分别相乘后再相加得到信号U′：
磁敏元件a～d的输出信号分别为：
同样将Ua、Uc以及Ub、Ud分别相乘后再相加得到信号U″：
由此，直接将式(2)和式(4)做差后即得到行波信号U：
从上式(5)可看出，行波信号已抵消了谐波分量，且对空间位置信息进行了二倍频。
得到行波信号后，将行波信号和同频率的参考信号送入信号处理系统中进行放大滤波、整形处理，然后解调信号，将得到的相位差用高频时钟脉冲插补，计数得到位移信息量。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (7)
1.一种基于磁传感阵列的永磁直线电机高分辨率位置检测方法，其特征在于：该方法具体为：首先在永磁直线电机上布设磁传感阵列，并向磁传感阵列输入激励信号，以感应永磁直线电机运动所产生的规律性变化磁场，从而输出携带位移信息的信号；其次通过信号处理系统对磁传感阵列的输出信号进行处理得到行波信号；最后对行波信号进行处理后，计数得到位移信息量。
2.根据权利要求1所述的高分辨率位置检测方法，其特征在于：所述磁传感阵列包括两组磁敏元件阵列，每组磁敏元件阵列的排列方向与永磁直线电机中永磁体结构的排列方向平行。
3.根据权利要求2所述的高分辨率位置检测方法，其特征在于：磁敏元件的排列方式具体为：每组磁敏元件阵列中，各磁敏元件之间按照W/(2n)的间隔依次放置；两组阵列的磁敏元件之间在排列方向上依次间隔W/λ；其中W表示永磁直线电机的极距，n表示空间位置信号的倍频数，λ表示空间位置信号需滤除的谐波波长。
4.根据权利要求1所述的高分辨率位置检测方法，其特征在于：向磁传感阵列输入激励信号具体为：对于磁传感阵列中各组磁敏元件阵列，向每组磁敏元件阵列中的前两个磁敏元件输入交流激励信号，其他的磁敏元件则输入直流激励信号。
5.根据权利要求1所述的高分辨率位置检测方法，其特征在于：对磁传感阵列输出信号的处理方式具体为：磁传感阵列中，每组磁敏元件阵列中的奇数号和偶数号磁敏元件的输出分别相乘后再相加；各组磁敏元件阵列的输出相减，即得到行波信号。
6.根据权利要求1所述的高分辨率位置检测方法，其特征在于：磁传感阵列中，各组磁敏元件阵列的磁敏元件个数为2n个，其中n表示空间位置信号的倍频数。
7.根据权利要求1所述的高分辨率位置检测方法，其特征在于：对行波信号进行处理的方式具体为：先将行波信号和同频率的参考信号进行放大滤波及整形，再进行解调，将得到的相位差用高频时钟脉冲插补，计数得到位移信息量。
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