一种平面电机动子位移的测量方法

摘要

一种平面电机动子位移的测量方法，所述测量方法包括：在平面电机动子上布置四个磁感应强度传感器，由所布置的四个传感器的采样信号处理后得到信号Bsx、Bcx、Bsy和Bcy，以及得到磁场参考值Bksx、Bkcx、Bksy和Bkcy。Δx、Δy分别为X、Y方向位移分辨率，BM为平面电机本身磁场的磁感应强度幅值，根据不等式和进行判断，可分别测量X方向位移和Y方向位移。本发明所述方法，计算简单，可避免超越函数的计算和解决象限判断问题，有利于实时高速运算，具有较高的工程价值。

权利要求

1.一种平面电机动子位移的测量方法，其特征在于所述方法包括：

1）平面电机定子（1）上的磁钢阵列（2）产生磁场，在平面电机动子（3）上布置四个磁感应强度传感器：第一传感器（4）的坐标为(X1，Y1)、第二传感器（5）的坐标为(X3，Y1)、第三传感器（6）的坐标为(X2，Y2)、第四传感器（7）的坐标为(X4，Y2)，第一传感器、第二传感器、第三传感器和第四传感器的采样信号分别为Ba、Bb、Bc和Bd，将采样信号Ba、Bb、Bc和Bd在信号处理电路（8）中进行处理，其中X方向位置坐标X1、X2、X3和X4之间依次相距平面电机X方向磁场极距τx的四分之一，Y方向位置坐标Y1、Y2相距平面电机Y方向磁场极距的τy的四分之一；

2）设X方向位移分辨率Δx、Y方向位移分辨率Δy，测量磁钢阵列（2）产生的磁场的磁感应强度幅值BM，初始化X方向计数单元nx=0、Y方向计数单元ny=0，初始化X方向磁场参考值 Y方向磁场参考值其中Ba0、Bb0、Bc0和Bd0分别为平面电机动子在初始位置时第一传感器、第二传感器、第三传感器和第四传感器的采样信号；

3）测量开始，采样得到第一传感器（4）、第二传感器（5）、第三传感器（6）和第四传感器（7）的采样信号Ba、Bb、Bc和Bd，将Ba、Bb、Bc和Bd在信号处理电路（8）中分别处理成四路信号Bsx、Bcx、Bsy和Bcy，其中：

4）通过信号处理电路（8）判断是否产生X方向位移和Y方向位移：

a.若产生X方向位移，需要进一步判断X方向位移的正负，如果产生的X方向位移为正，则X方向计数单元nx=nx+1，如果产生的X方向位移为负，则X方向计数单元nx=nx-1，更新X方向磁场参考值Bksx=Bsx、Bkcx=Bcx，完成X方向位移测量；

若没有产生X方向位移，则直接完成X方向位移测量；

b.若产生Y方向位移，需要进一步判断Y方向位移的正负，如果产生的Y方向位移为正，则Y方向计数单元ny=ny+1，如果产生的Y方向位移为负，则Y方向计数单元ny=ny-1，更新Y方向磁场参考值Bksy=Bsy、Bkcy=Bcy，完成Y方向位移测量；

若没有产生Y方向位移，则直接完成Y方向位移测量；

5）X方向位移测量和Y方向位移测量均完成后，计算平面电机动子方向的相对位移为x=nx·Δx，Y方向的相对位移为y=ny·Δy；

6）重复步骤3）至5），实现实时测量平面电机动子的位移。

2.根据权利要求1所述的一种平面电机动子位移的测量方法，其特征在于，所述步骤

4）中判断是否产生X方向位移和判断X方向位移的正负采用如下方法：若 成立，则平面电机动子在X方向的相对位移为Δx，若不成立，

则认为平面电机动子在X方向没有产生相对位移；

若BksxBcx-BkcxBsx≥0成立，则平面电机动子在X方向的相对位移为正，若不成立，则平面电机动子在X方向的相对位移为负。

3.根据权利要求1所述的一种平面电机动子位移的测量方法，其特征在于，所述步骤

4）中判断是否产生Y方向位移和判断Y方向位移的正负采用如下方法：若 成立，则平面电机动子在Y方向的相对位移为Δy，若不成立，

则认为平面电机动子在Y方向没有产生相对位移；

若BksyBcy-BkcyBsy≥0成立，则平面电机动子在Y方向的相对位移为正，若不成立，则平面电机动子在Y方向的相对位移为负。

说明书

一种平面电机动子位移的测量方法

技术领域

[0001] 本发明涉及电机的位移测量方法，尤其是适用于处理平面电机磁场信号分析，实现平面电机精密位移检测。

背景技术

[0002] 旋转式电动机产生动力驱动，再由机械装置，转换为平面运动。由于机械装置复杂，传动精度和速度都受到限制，且需经常调校，造成成本高、可靠性差、体积较大。最初的平面电动机是由两台直接驱动的平面式电动机来实现的，这种结构增加了传动系统的复杂性。而直接利用电磁能产生平面运动的平面电动机，具有出力密度高、低热耗、高精度的特点，因省去了从旋转运动到平面运动再到平面运动的中间转换装置，可把控制对象同电机做成一体化结构，具有反应快、灵敏度高、随动性好及结构简单等优点。

[0003] 信号细分技术在机械和电子等领域有着广泛的应用。平面电机的磁场信号周期性分布，信号每变化一个周期就对应着空间上一个固定的位移量。测量电路通常采用对信号周期进行计数的方法实现对位移的测量，若单纯对信号的周期进行计数，则仪器的分辨力就是一个信号周期所对应的位移量。为了提高仪器的分辨力，需采用细分技术。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于提供一种平面电机动子位移的测量方法，测量平面电机动子与定子在X、Y方向的相对位移，实现信号高度细分，并且使信号处理简单快速。

[0005] 为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

[0006] 1)平面电机定子上的磁钢阵列产生磁场，在平面电机动子上布置四个磁感应强度传感器：第一传感器的坐标为(X1，Y1)、第二传感器的坐标为(X3，Y1)、第三传感器的坐标为(X2，Y2)、第四传感器的坐标为(X4，Y2)，第一传感器、第二传感器、第三传感器和第四传感器的采样信号分别为Ba、Bb、Bc和Bd，将采样信号Ba、Bb、Bc和Bd在信号处理电路中进行处理，其中X方向位置坐标X1、X2、X3和X4之间依次相距平面电机X方向磁场极距τx的四分之一，Y方向位置坐标Y1、Y2相距平面电机Y方向磁场极距的τy的四分之一；

[0007] 2)设X方向位移分辨率Δx、Y方向位移分辨率Δy，测量磁钢阵列产生的磁场的磁感应强度幅值BM，初始化X方向计数单元nx＝0、Y方向计数单元ny＝0，初始化X方向磁场参考值 Y方向磁场参考值其中Ba0、Bb0、Bc0和Bd0分别为平面电机动子在初始位置时第一传感器、第二传感器、第三传感器和第四传感器的采样信号；

[0008] 3)测量开始，采样得到第一传感器、第二传感器、第三传感器和第四传感器的采样信号Ba、Bb、Bc和Bd，将Ba、Bb、Bc和Bd在信号处理电路中分别处理成四路信号Bsx、Bcx、Bsy和Bcy，其中：

[0009] 4)通过信号处理电路判断是否产生X方向位移和Y方向位移：

[0010] a.若产生X方向位移，需要进一步判断X方向位移的正负，如果产生的X方向位移为正，则X方向计数单元nx＝nx+1，如果产生的X方向位移为负，则X方向计数单元nx＝nx-1，更新X方向磁场参考值Bksx＝Bsx、Bkcx＝Bcx，完成X方向位移测量；

[0011] 若没有产生X方向位移，则直接完成X方向位移测量；

[0012] b.若产生Y方向位移，需要进一步判断Y方向位移的正负，如果产生的Y方向位移为正，则Y方向计数单元ny＝ny+1，如果产生的Y方向位移为负，则Y方向计数单元ny＝ny-1，更新Y方向磁场参考值Bksy＝Bsy、Bkcy＝Bcy，完成Y方向位移测量；

[0013] 若没有产生Y方向位移，则直接完成Y方向位移测量；

[0014] 5)X方向位移测量和Y方向位移测量均完成后，计算平面电机动子方向的相对位移为x＝nx·Δx，Y方向的相对位移为y＝ny·Δy；

[0015] 6)重复步骤3)至5)，实现实时测量平面电机动子的位移。

[0016] 上述技术方案中，其特征在于，所述步骤4)中判断是否产生X方向位移和判断X方向位移的正负采用如下方法：

[0017] 若 成立，则平面电机动子在X方向的相对位移为Δx，若不成立，则认为平面电机动子在X方向没有产生相对位移；

[0018] 若BksxBcx-BkcxBsx≥0成立，则平面电机动子在X方向的相对位移为正，若不成立，则平面电机动子在X方向的相对位移为负。

[0019] 上述技术方案中，其特征在于，所述步骤4)中判断是否产生Y方向位移和判断Y方向位移的正负采用如下方法：

[0020] 若 成立，则平面电机动子在Y方向的相对位移为Δy，若不成立，则认为平面电机动子在Y方向没有产生相对位移；

[0021] 若BksyBcy-BkcyBsy≥0成立，则平面电机动子在Y方向的相对位移为正，若不成立，则平面电机动子在Y方向的相对位移为负。

[0022] 采用以上技术方案可使得本发明取得突出性效果，即基于电机本身磁场作为位移检测信号实现电机动子相对定子的位移测量，可以避免传感器安装困难等不利因素；并且能够提高测量系统分辨率，实现高度的细分；此外，由于避免超越函数的计算和解决象限判断问题使计算简单，而有利于实时高速运算，具有较高的工程价值。

附图说明

[0023] 图1为本发明所述平面电机动子位移的测量方法应用于动圈式平面电机总体结构示意图。

[0024] 图2为在平面电机动子上安装第一传感器、第二传感器、第三传感器和第四传感器位置示意图。

[0025] 图3为本发明所述平面电机动子位移的测量方法的流程图。

[0026] 其中，1-平面电机定子；2-磁钢阵列；3-平面电机动子；4-第一传感器；5-第二传感器；6-第三传感器；7-第四传感器；8-信号处理电路。

具体实施方式

[0027] 下面以动圈式平面电机为例，结合附图和实施例对本发明所述平面电机动子位移的测量方法进行说明。

[0028] 参考图1和图2，为所述平面电机动子位移的测量方法应用于动圈式平面电机的传感器布置方案。平面电机定子1上的磁钢阵列2产生磁场B＝BM(sinx+siny)，其中BM为磁钢阵列2产生的磁场B的磁感应强度幅值，x为平面电机动子X方向位移，y为平面电机动子Y方向位移。在平面电机动子3上布置四个磁感应强度传感器：第一传感器4的坐标为(X1，Y1)、第二传感器5的坐标为(X3，Y1)、第三传感器6的坐标为(X2，Y2)、第四传感器7的坐标为(X4，Y2)，第一传感器、第二传感器、第三传感器和第四传感器的采样信号分别为Ba、Bb、Bc和Bd，将采样信号Ba、Bb、Bc和Bd在信号处理电路8中进行处理，其中X方向位置坐标X1、X2、X3和X4之间依次相距平面电机X方向磁场极距τx的四分之一，Y方向位置坐标Y1、Y2相距平面电机Y方向磁场极距的τy的四分之一。

[0029] 图3为本发明所述平面电机动子位移的测量方法的流程图。因为按照上述传感器布置方案，所以第一传感器、第二传感器、第三传感器、第四传感器的采样信号Ba、Bb、Bc和Bd分别为

[0030] Ba＝BM(sinx+siny).....(1)

[0031] Bb＝BM(-sinx+siny).....(2)

[0032] Bc＝BM(cosx+cosy).....(3)

[0033] Bd＝BM(-cosx+cosy).....(4)

[0034] 将Ba、Bb、Bc和Bd分别处理成四路信号Bsx、Bcx、Bsy和Bcy，其中：和

[0035] 设i时刻的Bsx、Bcx、Bsy和Bcy分别Bisx、Bicx、Bisy和Bicy。由(1)式、(2)式、(3)式和(4)式，以及Bsx、Bcx、Bsy和Bcy的定义，得Bisx、Bicx、Bisy和Bicy如下：

[0036] Bisx＝BMsinx......(5)

[0037] Bicx＝BMcosx......(6)

[0038] Bisy＝BMsiny......(7)

[0039] Bicy＝BMcosy......(8)

[0040] 设i+1时刻的Bsx、Bcx、Bsy和Bcy分别B(i+1)sx、B(i+1)cx、B(i+1)sy和B(i+1)cy。由(1)式、(2)式、(3)式和(4)式，以及平面电机动子在i时刻到i+1时刻所产生的X方向相对位移Δx、平面电机动子在i时刻到i+1时刻所产生的Y方向相对位移Δy位移很小的情况下，B(i+1)sx、B(i+1)cx、B(i+1)sy和B(i+1)cy近似如下：

[0041] B(i+1)sx＝BM sin(x+Δx)≈BM(sinx+Δxcosx)……(9)

[0042] B(i+1)cx＝BM cos(x+Δx)≈BM(cosx-Δxsinx)……(10)

[0043] B(i+1)sy＝BM sin(y+Δy)≈BM(siny+Δycosy)……(11)

[0044] B(i+1)cy＝BM cos(y+Δy)≈BM(cosy-Δysiny)……(12)

[0045] 将公式(5)～(12)运算得：

[0046]

[0047]

[0048] 在平面电机动子位移的实时测量应用中，(13)式和(14)式的左半部分等式由第一传感器、第二传感器、第三传感器、第四传感器的采样信号经过运算求得；Δx和Δy分别为初始化时已设定的X方向位移分辨率和Y方向位移分辨率。在实时测量的过程中，分别同时判断 是否成立：若成立，则认为平面电机动子产生X方向位移为Δx；若不成立则认
为平面电机动子产生X方向位移小于Δx。若 成立，则认为平面
电机动子产生Y方向位移为Δy；若不成立则认为平面电机动子产生Y方向位移小于Δy。

[0049] 如果认为平面电机动子产生X方向位移，需要进一步判断位移Δx的方向：若B(i+1)sxBicx-B(i+1)cxBisx≥0则认为位移Δx的方向为正方向，同时X方向计数单元nx＝nx+1；若B(i+1)sxBicx-B(i+1)cxBisx＜0则认为位移Δx的方向为负方向，同时X方向计数单元nx＝nx-1，。

[0050] 如果认为平面电机动子产生Y方向位移，需要进一步判断位移Δy的方向：若B(i+1)syBicy-B(i+1)cyBisy≥0则认为位移Δy的方向为正方向，同时Y方向计数单元ny＝ny+1；若B(i+1)syBicy-B(i+1)cyBisy＜0则认为位移Δy的方向为负方向，同时Y方向计数单元ny＝ny-1。

[0051] X方向位移测量和Y方向位移测量均完成后，计算平面电机动子X方向的相对位移为x＝nx·Δx，Y方向的相对位移为y＝ny·Δy。

[0052] 本发明提供的一种平面电机动子位移的测量方法，该方法包括以下步骤：

[0053] 1)平面电机定子1上的磁钢阵列2产生磁场，在平面电机动子3上布置四个磁感应强度传感器：第一传感器4的坐标为(X1，Y1)、第二传感器5的坐标为(X3，Y1)、第三传感器6的坐标为(X2，Y2)、第四传感器7的坐标为(X4，Y2)，第一传感器、第二传感器、第三传感器和第四传感器的采样信号分别为Ba、Bb、Bc和Bd，将采样信号Ba、Bb、Bc和Bd在信号处理电路8中进行处理，其中X方向位置坐标X1、X2、X3和X4之间依次相距平面电机X方向磁场极距τx的四分之一，Y方向位置坐标Y1、Y2相距平面电机Y方向磁场极距的τy的四分之一；

[0054] 2)设X方向位移分辨率Δx、Y方向位移分辨率Δy，测量磁钢阵列2产生的磁场的磁感应强度幅值BM，初始化X方向计数单元nx＝0、Y方向计数单元ny＝0，初始化X方向磁场参考值 Y方向磁场参考值其中Ba0、Bb0、Bc0和Bd0分别为平面电机动子在初始位置时第一传感器、第二传感器、第三传感器和第四传感器的采样信号；

[0055] 3)测量开始，采样得到第一传感器4、第二传感器5、第三传感器6和第四传感器7的采样信号Ba、Bb、Bc和Bd，将Ba、Bb、Bc和Bd在信号处理电路8中分别处理成四路信号Bsx、Bcx、Bsy和Bcy，其中：

[0056] 4)通过信号处理电路8判断是否产生X方向位移和Y方向位移：

[0057] a.若产生X方向位移，需要进一步判断X方向位移的正负，如果产生的X方向位移为正，则X方向计数单元nx＝nx+1，如果产生的X方向位移为负，则X方向计数单元nx＝nx-1，更新X方向磁场参考值Bksx＝Bsx、Bkcx＝Bcx，完成X方向位移测量；

[0058] 若没有产生X方向位移，则直接完成X方向位移测量；

[0059] b.若产生Y方向位移，需要进一步判断Y方向位移的正负，如果产生的Y方向位移为正，则Y方向计数单元ny＝ny+1，如果产生的Y方向位移为负，则Y方向计数单元ny＝ny-1，更新Y方向磁场参考值Bksy＝Bsy、Bkcy＝Bcy，完成Y方向位移测量；

[0060] 若没有产生Y方向位移，则直接完成Y方向位移测量；

[0061] 5)X方向位移测量和Y方向位移测量均完成后，计算平面电机动子方向的相对位移为x＝nx·Δx，Y方向的相对位移为y＝ny·Δy；

[0062] 6)重复步骤3)至5)，实现实时测量平面电机动子的位移。

[0063] 上述技术方案中，其特征在于，所述步骤4)中判断是否产生X方向位移和判断X方向位移的正负采用如下方法：

[0064] 若 成立，则平面电机动子在X方向的相对位移为Δx，若不成立，则认为平面电机动子在X方向没有产生相对位移；

[0065] 若BksxBcx-BkcxBsx≥0成立，则平面电机动子在X方向的相对位移为正，若不成立，则平面电机动子在X方向的相对位移为负。

[0066] 上述技术方案中，其特征在于，所述步骤4)中判断是否产生Y方向位移和判断Y方向位移的正负采用如下方法：

[0067] 若 成立，则平面电机动子在Y方向的相对位移为Δy，若不成立，则认为平面电机动子在Y方向没有产生相对位移；

[0068] 若BksyBcy-BkcyBsy≥0成立，则平面电机动子在Y方向的相对位移为正，若不成立，则平面电机动子在Y方向的相对位移为负。

[0069] 实施例：

[0070] 所述的磁场极距τx＝τy＝35.35mm，所述的X方向位移分辨率Δx＝15μm、Y方向位移分辨率Δy＝15μm，测量得磁钢阵列形成的磁场的磁感应强度幅值为BM＝80mT。

[0071] 1)平面电机定子1上的磁钢阵列2产生磁场，在平面电机动子3上布置四个磁感应强度传感器：第一传感器4的坐标为(X1，Y1)、第二传感器5的坐标为(X3，Y1)、第三传感器6的坐标为(X2，Y2)、第四传感器7的坐标为(X4，Y2)，第一传感器、第二传感器、第三传感器和第四传感器的采样信号分别为Ba、Bb、Bc和Bd，将采样信号Ba、Bb、Bc和Bd在信号处理电路8中进行处理，其中X方向位置坐标X1、X2、X3和X4之间依次相距8.8375mm，Y方向位置坐标Y1、Y2相距8.8375mm；

[0072] 2)设X方向位移分辨率Δx＝15μm、Y方向位移分辨率Δy＝15μm，测量磁钢阵列2产生的磁场的磁感应强度幅值BM＝80mT，初始化X方向计数单元nx＝0、Y方向计数单元ny＝0，初始化X方向磁场参考值 Y方向磁场参考值其中Ba0、Bb0、Bc0和Bd0分别为平面电机动子在初始位置时第
一传感器、第二传感器、第三传感器和第四传感器的采样信号；

[0073] 3)测量开始，采样得到第一传感器4、第二传感器5、第三传感器6和第四传感器7的采样信号Ba、Bb、Bc和Bd，将Ba、Bb、Bc和Bd在信号处理电路(8)中分别处理成四路信号Bsx、Bcx、Bsy和Bcy，其中：

[0074] 4)通过信号处理电路8判断是否产生X方向位移和Y方向位移：

[0075] a.若 成立，则平面电机在X方向的相对位移为15μm，进一步判断X方向位移的正负，如果BksxBcx-BkcxBsx≥0，则X方向位移为正，X方向计数单元nx＝nx+1，如果BksxBcx-BkcxBsx＜0，则X方向位移为负，X方向计数单元nx＝nx-1，更新X方向磁场参考值Bksx＝Bsx、Bkcx＝Bcx，完成X方向位移测量；

[0076] 若 则直接完成X方向位移测量；

[0077] b.若 成立，则平面电机在Y方向的相对位移为15μm，进一步判断Y方向位移的正负，如果BksyBcy-BkcyBsy≥0，则Y方向位移为正，Y方向计数单元ny＝ny+1，如果BksyBcy-BkcyBsy＜0，则Y方向位移为负，Y方向计数单元ny＝ny-1，更新Y方向磁场参考值Bksy＝Bsy、Bkcy＝Bcy，完成Y方向位移测量；

[0078] 若 则完成Y方向位移测量；

[0079] 5)X方向位移测量和Y方向位移测量均完成后，计算平面电机动子X方向的相对位移为x＝15*nx，Y方向的相对位移为y＝15*ny；

[0080] 6)重复步骤3)至5)，实现实时测量平面电机的动子位移。

[0081] 通过上述步骤，提供了平面电机动子位移的测量方法，分别测量平面电机动子与平面电机定子在X、Y方向的相对位移，实现信号高度细分，并且使信号处理简单快速。