一种基于电机磁场模型的动子位移测量方法

摘要

一种基于电机磁场模型的动子位移测量方法，该方法是在动子上沿动子运动方向布置两个磁感应强度传感器，两个传感器相距磁场极距的四分之一将两者的采样信号Bs、Bc，两者的磁场参考值Bks、Bkc，位移分辨率Δx按照公式运算，若满足算式则认为电机定子和动子的相对位移为Δx，否则电机相对位移小于Δx，实时记录产生位移Δx的个数计算当前相对位移。该方法可避免超越函数的计算和解决象限判断问题，计算简单，有利于实时高速运算，具有较高的工程价值。

说明书

技术领域

本发明涉及电机的位移测量方法，尤其是适用于处理电机磁场信号，实现电机位移检测。

背景技术

随着精密制造和数控技术等先进技术的发展，高速、高效、高精度成为当前设备的发展 方向。直线电机以其零传动、高速、高精度等所带来的一切优点，成为热点和发展趋势。当 前，对直线电机位移的检测方法有光栅尺检测、激光干涉仪检测等，这些测量方法对安装要 求高，所得测量信号复杂。基于电机本身磁场作为位移检测信号，实现高精度测量，可以降 低传感器的安装难度和简化信号的复杂程度。

现有的电子细分方法包括四细分辨向法、电阻链移相细分法、幅值分割细分法、载波调 制细分法、锁相倍频细分法等。四细分辨向法只提高分辨率而不提高精度；电阻链移相细分 法模拟电路复杂，难以实现更高的细分；幅值分割细分法和载波调制细分法对原始信号质量 要求严格；锁相倍频细分法只能用于动态测量，要求被测物体运动速度基本恒定。上述各种 细分方法都存在其局限性。因此，一种既基于电机本身磁场作为位移检测信号实现高精度测 量，同时又能实现高度细分、信号处理简单快速的测量方法亟待提出。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于电机磁场模型的动子位移测量方法，测量电机动子与电 机定子的相对位移、实现高度细分、信号处理简单快速。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

1)在电机定子中磁钢阵列形成的正弦磁场中，沿电机动子运动方向在电机动子上布 置两个磁感应强度传感器：第一传感器和第二传感器，第一传感器和第二传感器的采样信号 分别为B_s和B_c，两个传感器相距其中τ为磁场极距，N＝0，1，2，3……；

2)设位移分辨率Δx和采样频率f，测量磁钢阵列形成的正弦磁场的磁感应强度幅 值B_M，初始化计数单元n＝0，第一传感器和第二传感器的磁场参考值分别为B_ks和B_kc，电 机动子在初始位置时，第一传感器和第二传感器的采样信号分别为B_0s和B_0c，初始化B_ks和B_kc 分别为B_0s和B_0c，令B_ks＝B_0s、B_kc＝B_0c；

3)测量开始，第一传感器和第二传感器以采样频率f采样得到采样信号B_s和B_c，完 成一次采样，进入步骤4)；

4)通过信号处理电路判断含第一传感器和第二传感器的采样信号B_s、B_c，第一传感 器和第二传感器的磁场参考值B_ks、B_kc的不等式是否成立：

a.若不等式成立，则电机定子和电机动子产生的相对位移大于等于Δx，通过信号处 理电路判断B_sB_kc-B_cB_ks≥0是否成立，若成立，则位移方向为正方向，计数单元n＝n+1， 若不成立，则位移方向为负方向，计数单元n＝n-1；

b.若不等式不成立，则电机定子和电机动子产生的相对位移小于Δx，返回步骤3)；

5)计算电机动子的位移x为x＝n·Δx，更新第一传感器和第二传感器的磁场参考值 B_ks、B_kc，令B_ks＝B_s、B_kc＝B_c；

6)重复步骤3)至5)，实现实时测量电机动子的位移。

上述发明中，其特征还在于：该测量方法不仅可以用于直线电机，测量方法同样适用于 旋转电机。

采用以上技术方案可使得本发明取得有益效果，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；同时又能实现高 度细分，避免超越函数的计算和解决象限判断问题，计算简单，有利于实时高速运算，具有 较高的工程价值。

附图说明

图1为本发明所述基于电机磁场模型的动子位移测量方法应用于动圈式直线电机的传感 器安装结构示意图。

图2为电机工作过程中本发明所述第一传感器的采样信号和第二传感器的采样信号示意 图。

图3为本发明所述基于电机磁场模型的动子位移测量方法的流程图。

其中，1-电机定子，2-磁钢阵列，3-电机动子，4-第一传感器，5-第二传感器，6-信号 处理电路。

具体实施方式

下面以动圈式直线电机为例，结合附图和实施例对本发明所述基于电机磁场模型的动子 位移测量方法进行说明。

图1为所述基于电机磁场模型的动子位移测量方法应用于动圈式直线电机的传感器安装 结构示意图。电机定子1上固定有磁钢阵列2，磁钢阵列2使电机本身存在正弦磁场 B＝B_M sinx，其中B_M为正弦磁场B的磁感应强度幅值，x为电机动子位移。在电机动子3 上固定两个磁感应强度传感器，分别为第一传感器4和第二传感器5。第一传感器4和第二 传感器5同时采样，第一传感器4和第二传感器5的采样信号分别为B_s和B_c，两个传感器相 距其中τ为磁场极距，N＝0，1，2，3……。

图2为电机工作过程中本发明所述第一传感器的采样信号和第二传感器的采样信号示意 图。由于第一传感器和第二传感器相距且同时采样，所以第一传感器和第二传感器的采样 信号分别为B_s＝B_M sinx，B_c＝B_M cosx。不妨设i时刻的第一传感器和第二传感器的采样信 号分别为B_is＝B_M sinx，B_ic＝B_M cosx，设i+1时刻的第一传感器和第二传感器的采样信号分 别为B_(i+1)s＝B_M sin(x+Δx)，B_(i+1)c＝B_M cos(x+Δx)，其中Δx是电机动子在i时刻到i+1时刻所 产生的相对位移。在Δx很小的情况下：

B_(i+1)s＝B_M sin(x+Δx)＝B_M(sinx·cosΔx+cosx·sinΔx)≈B_M(sinx+Δxcosx)……(1)

B_(i+1)c＝B_M cos(x+Δx)＝B_M(cosx·cosΔx-sinx·sinΔx)≈B_M(cosx+Δxsinx)……(2)

将(1)式和(2)式进行简单运算得：$\frac{B_{(i+1)s}{B}_{\mathrm{ic}}-B_{(i+1)c}{B}_{\mathrm{is}}}{B_M^2}\approx \mathrm{\Delta x}······\left(3\right)$

图3为本发明所述基于电机磁场模型的动子位移测量方法的流程图。该方法是上述的(3) 式在电机动子位移测量方法中的具体应用。

本发明提供的一种基于电机磁场模型的动子位移测量方法，该方法包括以下步骤：

1)在电机定子1中磁钢阵列2形成的正弦磁场中，沿电机动子3运动方向在电机动 子上布置两个磁感应强度传感器：第一传感器4和第二传感器5，第一传感器4和第二传感 器5的采样信号分别为B_s和B_c，两个传感器相距其中τ为磁场极距， N＝0，1，2，3……；

2)设位移分辨率Δx和采样频率f，测量磁钢阵列2形成的正弦磁场的磁感应强度 幅值B_M，初始化计数单元n＝0，第一传感器4和第二传感器5的磁场参考值分别为B_ks和B_kc， 电机动子在初始位置时，第一传感器4和第二传感器5的采样信号分别为B_0s和B_0c，初始化B_ks和B_kc分别为B_0s和B_0c，令B_ks＝B_0s、B_kc＝B_0c；

3)测量开始，第一传感器4和第二传感器5以采样频率f采样得到采样信号B_s和B_c， 完成一次采样，进入步骤4)；

4)通过信号处理电路6判断含第一传感器4和第二传感器5的采样信号B_s、B_c，第 一传感器4和第二传感器5的磁场参考值B_ks、B_kc的不等式是否成立：

a.若不等式成立，则电机定子1和电机动子3产生的相对位移大于等于Δx，通过信 号处理电路6判断B_sB_kc-B_cB_ks≥0是否成立，若成立，则位移方向为正方向，计数单元 n＝n+1，若不成立，则位移方向为负方向，计数单元n＝n-1；

b.若不等式不成立，则电机定子1和电机动子3产生的相对位移小于Δx，返回步骤 3)；

5)计算电机动子3的位移x为x＝n·Δx，更新第一传感器4和第二传感器5的磁场 参考值B_ks、B_kc，令B_ks＝B_s、B_kc＝B_c；

6)重复步骤3)至5)，实现实时测量电机动子的位移。

实施例：

所述的磁场极距τ＝35.35mm，所述的第一传感器和第二传感器相距即8.8375mm，所 述的位移分辨率设为Δx＝10μm，采样频率设为5KHz，测量得磁钢阵列形成的正弦磁场的磁 感应强度幅值为B_M＝80mT。

1)在电机定子1中磁钢阵列2形成的正弦磁场B＝80sinx中，沿电机动子3运动方向在电机 动子上布置两个磁感应强度传感器：第一传感器4和第二传感器5，第一传感器4和第二传感器 5的采样信号分别为B_s和B_c，两个传感器相距8.8375mm；

2)设位移分辨率Δx＝10μm和采样频率f＝5KHz，测量磁钢阵列2形成的正弦磁场的磁 感应强度幅值B_M＝80mT，初始化计数单元n＝0，第一传感器4和第二传感器5的磁场参考 值分别为B_ks和B_kc，电机动子在初始位置时，第一传感器4和第二传感器5的采样信号分别 为B_0s和B_0c，初始化B_ks和B_kc分别为B_0s和B_0c，令B_ks＝B_0s、B_kc＝B_0c；

3)测量开始，第一传感器4和第二传感器5以5KHz采样得到采样信号B_s、B_c，完成一 次采样，进入步骤4)；

4)通过信号处理电路6判断含第一传感器4和第二传感器5的采样信号B_s、B_c，第一传 感器4和第二传感器5的磁场参考值B_ks、B_kc的不等式是否成立：

a.若不等式成立，则电机定子1和电机动子3产生的相对位移大于等于10μm，通过信 号处理电路6判断B_sB_kc-B_cB_ks≥0是否成立，若成立，则位移方向为正方向，计数单元 n＝n+1，若不成立，则位移方向为负方向，计数单元n＝n-1；

b.若不等式不成立，则电机定子1和电机动子3产生的相对位移小于10μm，返回步骤 3)；

5)计算电机动子3的位移x为x＝n×10μm，更新第一传感器4和第二传感器5的磁场 参考值B_ks、B_kc，令B_ks＝B_s、B_kc＝B_c；

6)重复步骤3)至5)，实现实时测量电机动子的位移。

通过上述步骤，提供了一种基于电机磁场模型的动子位移测量方法，测量电机动子相对 定子的位移、实现高度细分、信号处理简单快速。