基于三维霍尔传感器的球形电机位置检测方法研究

摘要

永磁球形电机属于小型特种电机，能完成多自由度运动。球形电机的小型化和多维运动特性使其拥有更广泛的应用场合。球形电机的研究已经进行了很多年，却仍然无法实现工业级应用，原因是多方面的。从控制策略领域看，位置检测限制了控制策略的发展，更加高效和精确的位置检测策略能够使球形电机运动地更加精准。 本论文对球形电机位置检测策略的发展历史进行了探讨，根据球形电机的结构和运动方式，提出了基于三维霍尔传感器的球形电机转子三自由度位置的检测方法并通过仿真、电机运动实验证明其有效性。 本文研究内容如下: 1)分析了一种球形电机样机的结构和工作原理，对圆柱型永磁体磁场的分子电流模型和DMP模型的磁感应强度、磁矢势等相关物理量进行了仿真建模分析和验证比较。两种模型建模的结果接近、误差较小，选择DMP模型作为后续分析的基础。 2)研究了基于三维霍尔传感器的转子三自由度位置检测方法的方法，在划分的区域内使用多对圆柱型永磁体和三维霍尔传感器，利用空间某固定点的三维霍尔传感器检测到的磁感强度，通过分布式磁偶极子法来计算转轴在空间的位置并进行仿真验证;再通过绑定在转轴上的三维霍尔传感器来计算转轴自旋的角度并进行仿真验证。仿真结果证明其有效性。此外建立坐标系并分析数学转换关系。同时对非磁场检测区永磁体对检测区磁场、电磁线圈、转子永磁体及安放问题等误差影响进行了分析。 3)利用该方法设计了位置检测系统的实验平台，选取了MLX90363三维霍尔传感器进行位置信息的采集，通过STM32F103C8T6单片机实现与上位机通讯。通过和高速摄像机拍摄电机转轴位置的离线照片对比，进行初始点自旋运动和转轴倾斜运动实验，验证本文所述方法的有效性。