CN117335708A - 一种磁悬浮片式电机高精度转角检测方法 - Google Patents

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安翼
李琪琦
张芳
张礼策
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Abstract

本发明涉及一种磁悬浮片式电机高精度转角检测方法，首先设计包含N个线性霍尔传感器的霍尔采集电路，将霍尔采集电路设置在电机转子上方或下方的某一平面位置，该平面位置峰值磁场强度不高于最大量程且磁场受绕组磁场影响较小；设计并安装和转子同轴的带旋转变压器的校准工装；在正式试验前，利用霍尔采集电路通过N个线性霍尔传感器采集电机转子磁场强度，计算获得转子转角θ霍尔；利用所述校准工装测量转子实际转角θ，利用公式θ‑θ霍尔计算补偿值△；实际测量时，拆除校准工装，通过霍尔采集电路测量得到转子转角θ霍尔，利用公式θ霍尔+△得到实际电机转角。本发明解决了系统转角位置测量难题，可以广泛应用于各种工业生产和科学研究领域。

Description

一种磁悬浮片式电机高精度转角检测方法
技术领域
本发明属于有源磁悬浮离心泵领域，涉及一种磁悬浮片式电机高精度转角检测方法，适用于有源磁悬浮离心泵领域转角位置测量。
背景技术
有源磁悬浮离心泵是一种基于无轴承薄片电机原理所设计的离心泵，此类泵无单独的转子轴系结构，由于磁悬浮片式电机转矩控制是基于转子磁场定向控制做了相关改进，因此需要对薄片转子的位置以及角度实时检测，传统永磁同步电机多采用旋变或编码器来实现对转子位置以及转速的检测，磁悬浮片式电机由于其特有的薄片转子结构，不适合采用上述方法。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种磁悬浮片式电机高精度转角检测方法，解决了系统转角位置测量难题。
本发明解决技术的方案是：
一种磁悬浮片式电机高精度转角检测方法，包括：
设计霍尔采集电路，所述霍尔采集电路上设计有N个线性霍尔传感器，N个线性霍尔传感器沿霍尔采集电路中心均布；
将霍尔采集电路设置在电机转子上方或下方的某一平面位置，该平面位置峰值磁场强度不高于最大量程且磁场受绕组磁场影响较小；
设计并安装和转子同轴的带旋转变压器的校准工装；
在正式试验前，利用霍尔采集电路通过N个线性霍尔传感器采集电机转子磁场强度，计算获得转子转角θ霍尔；利用所述校准工装测量转子实际转角θ，利用公式θ-θ霍尔计算补偿值Δ；
实际测量时，拆除校准工装，通过霍尔采集电路测量得到转子转角θ霍尔，利用公式θ霍尔+Δ得到实际电机转角。
优选的，所述平面位置绕组磁场比转子磁场小10倍及以上。
优选的，磁悬浮片式电机为无轴承电机，没有电机轴，无法安装接触式传感器。
优选的，校准工装包括电机轴、旋转变压器、工装壳体、轴承；
电机转子为中空结构，安装在电机轴上，电机轴穿过所述霍尔采集电路的中心通孔，电机轴、转子、霍尔采集电路固定在工装壳体上；
为电机A相绕组通直流电，使转子N极正对电机A相绕组，将旋转变压器套在电机轴上，把旋转变压器调整到0°后，将其固定在工装壳体上；
在电机的上端和下端均安装有轴承，用于支撑正式试验前标定时电机轴的旋转。
优选的，校准工装还包括压片；所述电机轴为阶梯轴，电机轴上方设计有挡肩，安装到位后，所述挡肩位于转子上方，压片将转子压紧在挡肩处，保证转子和电机轴同轴转动。
优选的，N＝4时，四个线性霍尔传感器相差90度依次安装在霍尔采集电路上，将线性霍尔传感器I和线性霍尔传感器III安装在X轴上，线性霍尔传感器II和线性霍尔传感器IV安装在Y轴上，形成两组差分信号位置检测布置。
优选的，利用霍尔采集电路通过4个线性霍尔传感器采集电机转子磁场强度，计算获得转子转角θ霍尔，具体方法为：
Ux＝U1-U3
Uy＝U2-U4
如果Ux≥0且Uy＝0，θ霍尔＝3.1415926*0.5；
如果Ux≥0且Uy>0，θ霍尔＝arctan(Ux/Uy)；
如果Uy<0，θ霍尔＝arctan(Ux/Uy)+3.1415926；
如果Ux<0且Uy＝0，θ霍尔＝3.1415926*1.5；
如果Ux<0且Uy>0，θ霍尔＝arctan(Ux/Uy)+6.2831852
U1为线性霍尔传感器I测量的电压信号，U2为线性霍尔传感器II测量的电压信号，U3为线性霍尔传感器III测量的电压信号，U4为线性霍尔传感器IV测量的电压信号，Ux为线性霍尔传感器I和线性霍尔传感器III的电压信号差值，Uy为线性霍尔传感器II和线性霍尔传感器IV的电压信号差值。
优选的，霍尔采集电路既能够适应贴片式线性霍尔传感器，也能适应直插式线性霍尔传感器；当安装平面处的转子磁场强度较弱时，选择直插式线性霍尔传感器；当安装空间受限时，选择贴片式线性霍尔传感器。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
本发明提出了一种磁悬浮片式电机高精度转角测量方法，解决了系统转角位置测量难题。具有重要的经济和社会价值，可以广泛应用于各种工业生产和科学研究领域。
附图说明
图1为霍尔采集电路示意图；
图2为校准工装示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步阐述。
传统永磁同步电机多采用旋变或编码器来实现对转子位置以及转速的检测，磁悬浮片式电机由于其特有的薄片转子结构，不适合采用上述方法。磁悬浮片式电机为无轴承电机，没有电机轴，无法安装接触式传感器。为此提出了采用线性霍尔传感器。这种霍尔传感器输出电压与感应磁场呈线性关系。
磁悬浮片式电机转子的磁场强度通常能达到1T～1.5T、而芯片能采集到的磁场强度通常只有0.1T左右。因此在安装位置的选择上就显得尤其重要，在电机设计时需要在转子的上方或下方选择一个峰值磁场强度不高于最大量程的平面位置，并且该平面位置磁场受到绕组磁场的影响很小(绕组磁场比转子磁场小10倍及以上)，在该平面位置上布置霍尔采集电路，霍尔采集电路上沿圆心均布N个线性霍尔传感器，N大于等于4。因为角度值直接影响控制闭环，在产品出来之后还需要设计一个和转子同轴的带旋转变压器的专用工装对线性霍尔传感器测量的角度值进行校准。
理想情况下，线性霍尔传感器与电机A相绕组重合，但是由于安装的误差，线性霍尔传感器与A相绕组存在一定的角度偏差，如图1所示。假设线性霍尔传感器超前于A相绕组Δθ，以A相绕组轴线作为实际转子位置的初始位置，造成实际转子位置滞后于解算出的转子位置一个固定角度。另外由于转子磁场并非完全是正旋状态，需要通过旋转变压器来校准这一部分误差。
由于机械安装上存在偏差，若不对此进行有效处理将会影响有效信号的准确传输，以N＝4为例，传感器机械安装结构示意图如图1所示，将四个线性霍尔传感器相差90度依次安装在永磁薄片转子的正下方，将线性霍尔传感器I和线性霍尔传感器III安装在X轴上，线性霍尔传感器II和线性霍尔传感器IV安装在Y轴上，形成两组差分信号位置检测布置。
而转子在气隙中产生的磁场呈正弦分布。线性霍尔传感器用于采集电机转子的磁场强度，转换为电压信号，输出到霍尔采集电路中进行运算。
霍尔采集电路根据四个线性霍尔传感器的电压信号，计算转子转角θ霍尔的方法如下：
Ux＝U1-U3
Uy＝U2-U4
如果Ux≥0且Uy＝0，θ霍尔＝3.1415926*0.5；
如果Ux≥0且Uy>0，θ霍尔＝arctan(Ux/Uy)；
如果Uy<0，θ霍尔＝arctan(Ux/Uy)+3.1415926；
如果Ux<0且Uy＝0，θ霍尔＝3.1415926*1.5；
如果Ux<0且Uy>0，θ霍尔＝arctan(Ux/Uy)+6.2831852
U1为线性霍尔传感器1测量的电压信号，U2为线性霍尔传感器2测量的电压信号，U3为线性霍尔传感器3测量的电压信号，U4为线性霍尔传感器4测量的电压信号。
本发明中，霍尔采集电路既能够适应贴片式线性霍尔传感器，也能适应直插式线性霍尔传感器。当安装平面处的转子磁场强度较弱时，选择直插式线性霍尔传感器；当安装空间受限时，选择贴片式线性霍尔传感器。
本发明进一步提出了基于线性霍尔的磁悬浮片式电机通过旋转变压器对线性霍尔的测量转角校正方法。
校准工装如图2所示，包括电机轴、旋转变压器、工装壳体、轴承和压片。电机转子为中空结构，安装在电机轴上，电机轴穿过所述霍尔采集电路的中心通孔，电机轴、转子、霍尔采集电路固定在工装壳体上；为电机A相绕组通直流电，使转子N极正对电机A相绕组，将旋转变压器套在电机轴上，把旋转变压器调整到0°后，将其固定在工装壳体上；在电机的上端和下端均安装有轴承，用于支撑正式试验前标定时电机轴的旋转。电机轴为阶梯轴，电机轴上方设计有挡肩，安装到位后，所述挡肩位于转子上方，压片将转子压紧在挡肩处，保证转子和电机轴同轴转动。
通过电机轴，把旋转变压器与转子进行同轴安装，再把旋转变压器的0°调整到电机A相绕组的位置，确保旋转变压器得到的数据是正确的。转子的霍尔采集电路放置在转子的上方或下方，通过测试工装保证了线性霍尔传感器测量的角度和旋转变压器测量的角度是相关的。工装壳体用于固定电机轴，转子，霍尔采集电路以及旋转变压器。这样就能通过旋转变压器采集的角度去对霍尔采集电路采集角度进行校准。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (8)

1.一种磁悬浮片式电机高精度转角检测方法，其特征在于，包括：
设计霍尔采集电路，所述霍尔采集电路上设计有N个线性霍尔传感器，N个线性霍尔传感器沿霍尔采集电路中心均布；
将霍尔采集电路设置在电机转子上方或下方的某一平面位置，该平面位置峰值磁场强度不高于最大量程且磁场受绕组磁场影响较小；
设计并安装和转子同轴的带旋转变压器的校准工装；
在正式试验前，利用霍尔采集电路通过N个线性霍尔传感器采集电机转子磁场强度，计算获得转子转角θ霍尔；利用所述校准工装测量转子实际转角θ，利用公式θ-θ霍尔计算补偿值Δ；
实际测量时，拆除校准工装，通过霍尔采集电路测量得到转子转角θ霍尔，利用公式θ霍尔+Δ得到实际电机转角。
2.根据权利要求1所述的一种磁悬浮片式电机高精度转角检测方法，其特征在于，所述平面位置绕组磁场比转子磁场小10倍及以上。
3.根据权利要求1所述的一种磁悬浮片式电机高精度转角检测方法，其特征在于，磁悬浮片式电机为无轴承电机，没有电机轴，无法安装接触式传感器。
4.根据权利要求1所述的一种磁悬浮片式电机高精度转角检测方法，其特征在于，校准工装包括电机轴、旋转变压器、工装壳体、轴承；
电机转子为中空结构，安装在电机轴上，电机轴穿过所述霍尔采集电路的中心通孔，电机轴、转子、霍尔采集电路固定在工装壳体上；
为电机A相绕组通直流电，使转子N极正对电机A相绕组，将旋转变压器套在电机轴上，把旋转变压器调整到0°后，将其固定在工装壳体上；
在电机的上端和下端均安装有轴承，用于支撑正式试验前标定时电机轴的旋转。
5.根据权利要求4所述的一种磁悬浮片式电机高精度转角检测方法，其特征在于，校准工装还包括压片；所述电机轴为阶梯轴，电机轴上方设计有挡肩，安装到位后，所述挡肩位于转子上方，压片将转子压紧在挡肩处，保证转子和电机轴同轴转动。
6.根据权利要求1所述的一种磁悬浮片式电机高精度转角检测方法，其特征在于，N＝4时，四个线性霍尔传感器相差90度依次安装在霍尔采集电路上，将线性霍尔传感器I和线性霍尔传感器III安装在X轴上，线性霍尔传感器II和线性霍尔传感器IV安装在Y轴上，形成两组差分信号位置检测布置。
7.根据权利要求6所述的一种磁悬浮片式电机高精度转角检测方法，其特征在于，利用霍尔采集电路通过4个线性霍尔传感器采集电机转子磁场强度，计算获得转子转角θ霍尔，具体方法为：
Ux＝U1-U3
Uy＝U2-U4
如果Ux≥0且Uy＝0，θ霍尔＝3.1415926*0.5；
如果Ux≥0且Uy>0，θ霍尔＝arctan(Ux/Uy)；
如果Uy<0，θ霍尔＝arctan(Ux/Uy)+3.1415926；
如果Ux<0且Uy＝0，θ霍尔＝3.1415926*1.5；
如果Ux<0且Uy>0，θ霍尔＝arctan(Ux/Uy)+6.2831852
U1为线性霍尔传感器I测量的电压信号，U2为线性霍尔传感器II测量的电压信号，U3为线性霍尔传感器III测量的电压信号，U4为线性霍尔传感器IV测量的电压信号，Ux为线性霍尔传感器I和线性霍尔传感器III的电压信号差值，Uy为线性霍尔传感器II和线性霍尔传感器IV的电压信号差值。
8.根据权利要求1所述的一种磁悬浮片式电机高精度转角检测方法，其特征在于，霍尔采集电路既能够适应贴片式线性霍尔传感器，也能适应直插式线性霍尔传感器；当安装平面处的转子磁场强度较弱时，选择直插式线性霍尔传感器；当安装空间受限时，选择贴片式线性霍尔传感器。
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