CN116697872A - 一种具有动子身份识别和六自由度位移检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种具有动子身份识别和六自由度位移检测装置及方法，它涉及一种位移检测装置及方法。本发明为了解决现有磁悬浮平台无法实现对动子身份识别和六自由度绝对位移测量的问题。本发明一种具有动子身份识别和六自由度位移检测装置包括动子单元、传感器测量板、磁传感器矩阵和数据处理模块；磁传感器矩阵固定在传感器测量板的上表面，动子单元安装在传感器测量板的上表面，数据处理模块固定在传感器测量板的下表面。本发明属于平面电机技术领域。

Description

一种具有动子身份识别和六自由度位移检测装置及方法

技术领域

本发明涉及一种位移检测装置及方法，属于平面电机技术领域。

背景技术

在智能制造和超精密加工领域，动磁式磁悬浮平面电机因具有无接触、无摩擦与无磨损，无线缆束缚的特点，可极大简化运动结构与大幅减轻运动质量，在工业自动化生产系统中有着广泛的应用。在这些生产系统中，产品的加工、制造和输送依赖于控制系统中位置检测传感器的精确定位和反馈，传感器的结构形式和性能直接影响自动化生产系统的效能和产品质量。为实现对动磁式磁悬浮平面电机精确的六自由度运动控制，需要实时测量动子在空间六个自由度的位移变化。在具有多个动子的复杂工业生产环境中，需要能够对多个动子的类型和身份进行识别，完成对具体动子的位移测量和定位控制。然而，现有的测量方式比较复杂，难以完成同时对动子身份识别和空间六自由度绝对位移的测量。专利CN112762807B提出了一种椭圆排布传感器的平面电机动子位移测量方法，使用四个特定排布方式的磁感应强度传感器测量平面电机动子的磁场信号，通过对信号细分和处理实现对动子在X和Y方向的相对位移测量。该方法实现了对动子X和Y轴方向的测量，无法实现对动子在空间六个自由度的位移测量。专利CN211696272U提出了一种使用六个位置传感器实现平面电机六自由度位置测量的装置。六个位置传感器分布于定子周围，分别测量电机动子xy平面和zx平面的距离，通过对六组位移数据进行坐标转换和计算实现六自由度位置测量。该位移测量装置会限制动子位置测量的行程，空间占用大，成本相对较高，并且无法对动子身份进行识别。专利CN103256882B提出了一种采用霍尔阵列磁浮平面电机初始化位置检测方法，使用多个霍尔元件沿XY向以井字形或正方形排列，通过测量定子Z向磁通密度，实现了电机动子在XY坐标系和UV坐标系下的位置测量。该方法应用于动线圈式的平面电机，无法实现大行程下的空间六自由度绝对位移测量，也无法对动子身份进行识别。

发明内容

本发明为解决现有磁悬浮平台无法实现对动子身份识别和六自由度绝对位移测量的问题，进而提出一种具有动子身份识别和六自由度位移检测装置及方法。

本发明为解决上述问题采取的技术方案是：本发明所述一种具有动子身份识别和六自由度位移检测装置包括动子单元、传感器测量板、磁传感器矩阵和数据处理模块；磁传感器矩阵固定在传感器测量板的上表面，动子单元安装在传感器测量板的上表面，数据处理模块固定在传感器测量板的下表面。

进一步的，磁传感器矩阵由多个磁传感器呈矩阵状排列组成。

进一步的，数据处理模块包括数据采集单元、数据计算单元、EEPROM存储模块、LED状态指示模块、板间通信模块和位移数据输出模块，磁传感器矩阵和数据采集单元通过m个I2C总线或SPI总线进行数据交换。

本发明所述一种具有动子身份识别和六自由度位移检测方法的具体步骤如下：

步骤一、数据采集单元通过I2C总线或者SPI总线读取所有磁传感器阵列采集到X轴、Y轴和Z轴的磁场信号；

步骤二、将得到的磁场信号进行处理，确定动子单元四个永磁阵列的初始位置，并得到用于位移计算所用的磁传感器的坐标位置；

步骤三、根据动子单元第一永磁阵列和第三永磁阵列在X轴方向上初始位置之间的距离或者第二永磁阵列和第四永磁阵列在Y轴方向初始位置之间的距离，判断动子单元的排布类型；

步骤四、根据动子模块四个永磁阵列对应磁传感器Z轴磁场信号的正负对动子模块的身份进行二进制编号和识别；

步骤五、根据磁传感器输出的X轴磁场信号和Z轴信号分别计算第一永磁阵列和第三永磁阵列在X轴方向的位移和Z轴方向的位移，根据磁传感器输出的Y轴磁场信号和Z轴信号分别计算第二永磁阵列和第四永磁阵列在Y轴方向的位移和Z轴方向的位移；

步骤六、根据计算得到四组永磁阵列在X轴方向的位移、Y轴方向的位移和Z轴方向的位移，求解动子单元在空间中移动的六自由度绝对位移。

进一步的，步骤一中测量装置在上电后，数据处理模块首先对各部分进行自检测试，依次对每个接入模块进行通信检测判断，自检成功后，LED状态指示模块将自检状态进行亮灯指示；传感器矩阵中的每个磁传感器都有唯一的地址编号，数据采集单元通过总线按地址编号向磁传感器矩阵循环发送数据读取请求，实时读取磁传感器矩阵检测到的磁场信号。

进一步的，步骤二中对处于同一列的磁传感器采集到Z轴磁场信号进行累加，得到n个列和值信号，对处于同一行的磁传感器Z轴磁场信号进行累加，得到m个行和值信号，分别对n个列和值信号和m个行和值进行排序，分别取绝对值最大的两个和值信号来确定动子单元四个永磁阵列的初始位置，其中列和值信号用来确定第一永磁阵列和第三永磁阵列的初始位置，行和值信号用来确定第二永磁阵列和第四永磁阵列的初始位置

进一步的，步骤三中动子单元类型的确定公式为：

或者/>

公式①中，A₁表示第一永磁阵列对应磁传感器所在的行值，A₃表示三永磁阵列对应磁传感器所在的行值，a₂表示第二永磁阵列对应磁传感器所在的列值，a₄表示第四永磁阵列对应磁传感器所在的列值，λ表示永磁阵列的宽度；

动子单元类型S的取值公式为：

进一步的，步骤四中计算动子单元四个永磁阵列的编号的公式为：

公式③中，e_n表示动子单元第n永磁阵列的编码，B_zn表示动子单元第n永磁阵列对应磁传感器Z轴磁场信号，T表示设定的磁场比较阈值，T≥0，T的取值需要根据实际要求进行设置；

动子单元的二进制身份编号为：

mover_code＝e₁e₂e₃e₄。

进一步的，步骤五中计算动子单元第n永磁阵列沿着X轴方向和Y轴方向运动的绝对位移公式为：

公式④中，x_n表示第n永磁阵列在X轴方向的绝对位移，y_n表示第n永磁阵列在Y轴方向的绝对位移，B_xn、B_yn和B_zn分别为第n永磁阵列在X轴、Y轴方向和Z轴方向上的磁感应强度，Δδ和为Z轴磁场信号零点偏移，A_n表示第n永磁阵列对应磁传感器的列值，a_n表示第n永磁阵列对应磁传感器的行值；

计算动子单元第n永磁阵列在Z轴方向上的绝对位移公式为：

公式⑤中，B₁表示M型永磁阵列强磁侧表面的磁场强度的峰值。

进一步的，步骤六中动子单元第n永磁阵列在空间中的位移坐标为(x_n,y_n,z_n)，使用四组永磁阵列中任意三组永磁阵列的位移坐标即可确定动子单元在空间中所处的平面，其空间平面方程为：

p、q、r和t的表达式为：

求解动子单元中心点在空间中六自由度(x_d,y_d,z_d,θ_x,θ_y,θ_z)运动的绝对位移公式为：

其中，K_S与动子单元的类型有关，K_S的取值公式为：

本发明的有益效果是：

1、本发明可以具有高精度和快速响应的优点，且具有结构简单、安装维护方便以及用于实现规模化生产的要求；

2、本发明可进行拼接组合使用，实现长行程和超长行程的绝对位移测量；

3、本发明可实现对被测动子的类型和身份标识进行识别；

4、本发明可实现对平面电机动子进行空间六自由度的绝对位置检测，提高位置检测的性能，同时节省空间和成本。

附图说明

图1是本发明的三维结构示意图；

图2是动子模块永磁阵列排布方式的四种实施例；

图3是M型永磁阵列的两种实施例；

图4是传感器测量板上二维磁传感器矩阵分布图；

图5是传感器测量板的电路原理框图；

图6是六自由度绝对位移测量检测方法计算流程图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1至图6说明本实施方式，本实施方式所述一种具有动子身份识别和六自由度位移检测装置包括动子单元99、传感器测量板100、磁传感器矩阵105和数据处理模块106；磁传感器矩阵105固定在传感器测量板100的上表面，动子单元99安装在传感器测量板100的上表面，数据处理模块106固定在传感器测量板100的下表面。

本实施方式中动子单元99为动磁式共面型结构，带有动子身份标号信息，磁传感器矩阵105可识别动子类型、身份标号和六自由度绝对位移检测。

所述动子单元99由第一永磁阵列101、第二永磁阵列102、第三永磁阵列103和第四永磁阵列104组成，四组永磁阵列采用正交的方式以逆时针或者顺时针的方式进行排布，其中第一永磁阵列101和第三永磁阵列103排布方向相同，第二永磁阵列102和第四永磁阵列104排布方向相同，每组永磁阵列由不同排列形式的M型永磁阵列107组成，动子单元99四组永磁阵列通过装配不同排列形式的M型永磁阵列107，可使动子单元具有不同类型和编号。

本发明实施例的动子单元99具有运动和测量一体的特性，在动子单元99和传感器测量板100中间安装定子线圈，动子单元99在定子励磁线圈的作用下可作为运动执行器，同时动子单元99永磁阵列产生的磁场信号可用于位移测量。

动子单元99永磁阵列的排布方式可采用图2的方式实施，图2(a)、图2(b)、图2(c)和图2(d)为四种不同类型的动子单元的实施方式。

M型永磁阵列107的采用45°充磁方向的永磁体排列而成，与现有的永磁阵列相比，具有更低的纹波力。M型永磁阵列107的结构形式可采用图3的方式实施，图3(a)和图3(b)为M型永磁阵列107两种不同编号的实施方式。

所述传感器测量板100通过采集动子单元99四组永磁阵列(第一永磁阵列101、第二永磁阵列102、第三永磁阵列103和第四永磁阵列104)的磁场信号，根据磁场信号可对不同结构形式的动子单元99的类型和身份标识识别，以及对动子单元99在空间中的六自由度(x-y-z-θ_x-θ_y-θ_z)位移信息进行计算。

传感器测量板100可进行拼接使用，通过使用多个传感器测量板100进行拼接可实现长行程或超长行程绝对位移测量。

具体实施方式二：结合图1至图6说明本实施方式，本实施方式所述一种具有动子身份识别和六自由度位移检测装置的磁传感器矩阵105由多个磁传感器200呈矩阵状排列组成。

传感器测量板100上顶面分布有m行×n列(m≥7，n≥7)个磁传感器，多个磁传感器沿XY平面排列构成磁传感器矩阵105，同行和同列相邻两个磁传感器之间间距为一个永磁阵列的宽度λ，相邻行和相邻列相近的两个磁传感器之间在X向和Y向的间距均为为半个永磁阵列的宽度

本实施方式中磁传感器200可选用基于霍尔效应的霍尔传感器或者基于磁阻效应的磁阻传感器，选用可同时采集X轴、Y轴和Z轴的磁场信号的3D磁传感器，3D磁传感器优选内部集成模数转换器和控制器，可将采集到的磁场信号通过I2C总线或SPI总线以数字信号的方式进行输出，实现单个总线挂载多个芯片，可降低数据采集单元201输入输出接口的使用数量。

具体实施方式三：结合图1至图6说明本实施方式，本实施方式所述一种具有动子身份识别和六自由度位移检测装置的数据处理模块106包括数据采集单元201、数据计算单元202、EEPROM存储模块203、LED状态指示模块204、板间通信模块205和位移数据输出模块206，磁传感器矩阵105和数据采集单元201通过m个I2C总线或SPI总线进行数据交换。

数据处理模块106用于实时采集和计算动子模块在空间上移动的位移信息，磁传感器矩阵105和数据采集单元201通过m个I2C总线或SPI总线进行数据交换，

其中，所述数据采集单元201优选使用现场可编程门阵列FPGA实现磁传感器数据的并行采集和预处理；所述数据计算单元202优选使用ARM或DSP的处理器或微控制器，按照特定的计算方法实时计算动子模块在空间6个自由度的位移数据；所述数据采集单元201通过并行总线与数据计算单元202进行数据的交换。

所述数据计算单元202使用EEPROM存储模块203存储动子单元99位移计算时所需的查表数据，用于提高测量装置的测量精度。

所述LED状态指示模块204用于对整个数据处理模块106的各个单元和模块的工作状态进行显示，所述板间通信模块205用于相邻传感器测量板间数据的同步和交互使用，所述位移数据输出模块206通过SPI的通信方式将计算得出的六自由度(x_d,y_d,z_d,θ_x,θ_y,θ_z)绝对位移数据进行输出。

具体实施方式四：结合图1至图6说明本实施方式，本实施方式所述一种具有动子身份识别和六自由度位移检测方法的具体步骤如下：

步骤一、数据采集单元通过I2C总线或者SPI总线读取所有磁传感器阵列105采集到X轴、Y轴和Z轴的磁场信号；

步骤二、将得到的磁场信号进行处理，确定动子单元9四个永磁阵列的初始位置，并得到用于位移计算所用的磁传感器200的坐标位置；

步骤三、根据动子单元99第一永磁阵列和第三永磁阵列在X轴方向上初始位置之间的距离或者第二永磁阵列和第四永磁阵列在Y轴方向初始位置之间的距离，判断动子单元99的排布类型；

步骤四、根据动子模块四个永磁阵列对应磁传感器200Z轴磁场信号的正负对动子模块的身份进行二进制编号和识别；

步骤五、根据磁传感器200输出的X轴磁场信号和Z轴信号分别计算第一永磁阵列和第三永磁阵列在X轴方向的位移和Z轴方向的位移，根据磁传感器200输出的Y轴磁场信号和Z轴信号分别计算第二永磁阵列和第四永磁阵列在Y轴方向的位移和Z轴方向的位移；

步骤六、根据计算得到四组永磁阵列在X轴方向的位移、Y轴方向的位移和Z轴方向的位移，求解动子单元99在空间中移动的六自由度绝对位移。

具体实施方式五：结合图1至图6说明本实施方式，本实施方式所述一种具有动子身份识别和六自由度位移检测方法的步骤一中测量装置在上电后，数据处理模块106首先对各部分进行自检测试，依次对每个接入模块进行通信检测判断，自检成功后，LED状态指示模块204将自检状态进行亮灯指示；传感器矩阵中的每个磁传感器200都有唯一的地址编号，数据采集单元通过总线按地址编号向磁传感器矩阵105循环发送数据读取请求，实时读取磁传感器矩阵105检测到的磁场信号。

具体实施方式六：结合图1至图6说明本实施方式，本实施方式所述一种具有动子身份识别和六自由度位移检测方法的步骤二中对处于同一列的磁传感器200采集到Z轴磁场信号进行累加，得到n个列和值信号，对处于同一行的磁传感器200Z轴磁场信号进行累加，得到m个行和值信号，分别对n个列和值信号和m个行和值进行排序，分别取绝对值最大的两个和值信号来确定动子单元四个永磁阵列的初始位置，其中列和值信号用来确定第一永磁阵列和第三永磁阵列的初始位置，行和值信号用来确定第二永磁阵列和第四永磁阵列的初始位置。

具体实施方式七：结合图1至图6说明本实施方式，本实施方式所述一种具有动子身份识别和六自由度位移检测方法的步骤三中动子单元类型的确定公式为：

或者/>

公式①中，A₁表示第一永磁阵列对应磁传感器所在的行值，A₃表示三永磁阵列对应磁传感器所在的行值，a₂表示第二永磁阵列对应磁传感器所在的列值，a₄表示第四永磁阵列对应磁传感器所在的列值，λ表示永磁阵列的宽度；

动子单元类型S的取值公式为：

具体实施方式八：结合图1至图6说明本实施方式，本实施方式所述一种具有动子身份识别和六自由度位移检测方法的步骤四中计算动子单元四个永磁阵列的编号的公式为：

公式③中，e_n表示动子单元第n永磁阵列的编码，B_zn表示动子单元第n永磁阵列对应磁传感器Z轴磁场信号，T表示设定的磁场比较阈值，T≥0，T的取值需要根据实际要求进行设置；

动子单元的二进制身份编号为：

mover_code＝e₁e₂e₃e₄。

具体实施方式九：结合图1至图6说明本实施方式，本实施方式所述一种具有动子身份识别和六自由度位移检测方法的步骤五中计算动子单元第n永磁阵列沿着X轴方向和Y轴方向运动的绝对位移公式为：

公式④中，x_n表示第n永磁阵列在X轴方向的绝对位移，y_n表示第n永磁阵列在Y轴方向的绝对位移，B_xn、B_yn和B_zn分别为第n永磁阵列在X轴、Y轴方向和Z轴方向上的磁感应强度，Δδ和为Z轴磁场信号零点偏移，A_n表示第n永磁阵列对应磁传感器的列值，a_n表示第n永磁阵列对应磁传感器的行值；

计算动子单元第n永磁阵列在Z轴方向上的绝对位移公式为：

公式⑤中，B₁表示M型永磁阵列强磁侧表面的磁场强度的峰值。

具体实施方式十：结合图1至图6说明本实施方式，本实施方式所述一种具有动子身份识别和六自由度位移检测方法的步骤六中动子单元第n永磁阵列在空间中的位移坐标为(x_n,y_n,z_n)，使用四组永磁阵列中任意三组永磁阵列的位移坐标即可确定动子单元在空间中所处的平面，其空间平面方程为：

p、q、r和t的表达式为：

求解动子单元中心点在空间中六自由度(x_d,y_d,z_d,θ_x,θ_y,θ_z)运动的绝对位移公式为：

其中，K_S与动子单元的类型有关，K_S的取值公式为：

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种具有动子身份识别和六自由度位移检测装置，其特征在于：所述一种具有动子身份识别和六自由度位移检测装置包括动子单元(99)、传感器测量板(100)、磁传感器矩阵(105)和数据处理模块(106)；磁传感器矩阵(105)固定在传感器测量板(100)的上表面，动子单元(99)安装在传感器测量板(100)的上表面，数据处理模块(106)固定在传感器测量板(100)的下表面。

2.根据权利要求1所述的一种具有动子身份识别和六自由度位移检测装置，其特征在于：磁传感器矩阵(105)由多个磁传感器(200)呈矩阵状排列组成。

3.根据权利要求1所述的一种具有动子身份识别和六自由度位移检测装置，其特征在于：数据处理模块(106)包括数据采集单元(201)、数据计算单元(202)、EEPROM存储模块(203)、LED状态指示模块(204)、板间通信模块(205)和位移数据输出模块(206)，磁传感器矩阵(105)和数据采集单元(201)通过m个I2C总线或SPI总线进行数据交换。

4.一种具有动子身份识别和六自由度位移检测方法，其特征在于：所述一种具有动子身份识别和六自由度位移检测方法的具体步骤如下：

步骤一、数据采集单元通过I2C总线或者SPI总线读取所有磁传感器阵列(105)采集到X轴、Y轴和Z轴的磁场信号；

步骤二、将得到的磁场信号进行处理，确定动子单元(9)四个永磁阵列的初始位置，并得到用于位移计算所用的磁传感器(200)的坐标位置；

步骤三、根据动子单元(99)第一永磁阵列和第三永磁阵列在X轴方向上初始位置之间的距离或者第二永磁阵列和第四永磁阵列在Y轴方向初始位置之间的距离，判断动子单元(99)的排布类型；

步骤四、根据动子模块四个永磁阵列对应磁传感器(200)Z轴磁场信号的正负对动子模块的身份进行二进制编号和识别；

步骤五、根据磁传感器(200)输出的X轴磁场信号和Z轴信号分别计算第一永磁阵列和第三永磁阵列在X轴方向的位移和Z轴方向的位移，根据磁传感器(200)输出的Y轴磁场信号和Z轴信号分别计算第二永磁阵列和第四永磁阵列在Y轴方向的位移和Z轴方向的位移；

步骤六、根据计算得到四组永磁阵列在X轴方向的位移、Y轴方向的位移和Z轴方向的位移，求解动子单元(99)在空间中移动的六自由度绝对位移。

5.根据权利要求4所述的一种具有动子身份识别和六自由度位移检测方法，其特征在于：步骤一中测量装置在上电后，数据处理模块(106)首先对各部分进行自检测试，依次对每个接入模块进行通信检测判断，自检成功后，LED状态指示模块(204)将自检状态进行亮灯指示；传感器矩阵中的每个磁传感器(200)都有唯一的地址编号，数据采集单元通过总线按地址编号向磁传感器矩阵(105)循环发送数据读取请求，实时读取磁传感器矩阵(105)检测到的磁场信号。

6.根据权利要求4所述的一种具有动子身份识别和六自由度位移检测方法，其特征在于：步骤二中对处于同一列的磁传感器(200)采集到Z轴磁场信号进行累加，得到n个列和值信号，对处于同一行的磁传感器(200)Z轴磁场信号进行累加，得到m个行和值信号，分别对n个列和值信号和m个行和值进行排序，分别取绝对值最大的两个和值信号来确定动子单元四个永磁阵列的初始位置，其中列和值信号用来确定第一永磁阵列和第三永磁阵列的初始位置，行和值信号用来确定第二永磁阵列和第四永磁阵列的初始位置。

7.根据权利要求4所述的一种具有动子身份识别和六自由度位移检测方法，其特征在于：步骤三中动子单元类型的确定公式为：

或者/>

公式①中，A₁表示第一永磁阵列对应磁传感器所在的行值，A₃表示三永磁阵列对应磁传感器所在的行值，a₂表示第二永磁阵列对应磁传感器所在的列值，a₄表示第四永磁阵列对应磁传感器所在的列值，λ表示永磁阵列的宽度；

动子单元类型S的取值公式为：

8.根据权利要求4所述的一种具有动子身份识别和六自由度位移检测方法，其特征在于：步骤四中计算动子单元四个永磁阵列的编号的公式为：

公式③中，e_n表示动子单元第n永磁阵列的编码，B_zn表示动子单元第n永磁阵列对应磁传感器Z轴磁场信号，T表示设定的磁场比较阈值，T≥0，T的取值需要根据实际要求进行设置；

动子单元的二进制身份编号为：

mover_code＝e₁e₂e₃e₄。

9.根据权利要求4所述的一种具有动子身份识别和六自由度位移检测方法，其特征在于：步骤五中计算动子单元第n永磁阵列沿着X轴方向和Y轴方向运动的绝对位移公式为：

公式④中，x_n表示第n永磁阵列在X轴方向的绝对位移，y_n表示第n永磁阵列在Y轴方向的绝对位移，B_xn、B_yn和B_zn分别为第n永磁阵列在X轴、Y轴方向和Z轴方向上的磁感应强度，Δδ和为Z轴磁场信号零点偏移，A_n表示第n永磁阵列对应磁传感器的列值，a_n表示第n永磁阵列对应磁传感器的行值；

计算动子单元第n永磁阵列在Z轴方向上的绝对位移公式为：

公式⑤中，B₁表示M型永磁阵列强磁侧表面的磁场强度的峰值。

10.根据权利要求4所述的一种具有动子身份识别和六自由度位移检测方法，其特征在于：步骤六中动子单元第n永磁阵列在空间中的位移坐标为(x_n,y_n,z_n)，使用四组永磁阵列中任意三组永磁阵列的位移坐标即可确定动子单元在空间中所处的平面，其空间平面方程为：

p、q、r和t的表达式为：

求解动子单元中心点在空间中六自由度(x_d,y_d,z_d,θ_x,θ_y,θ_z)运动的绝对位移公式为：

其中，K_S与动子单元的类型有关，K_S的取值公式为：