一种动子无线缆的直线电机精确位置检测方法与流程

1.本发明属于电机领域，尤其涉及电机行程位置检测技术。


背景技术：

2.直线电机基本分为动初级线圈和动次级永磁体两种结构类型。在动初级线圈类型直线电机中，动子上必然有电机动力线、温度传感器线等线缆，这些线缆拖拽在动子运动过程中会带来非线性线缆力，影响直线电机控制精度和运动速度。而动次级永磁体类型直线电机由于动子没有线缆，非常适合应用于高精高速直驱场合。但是在有位置传感器的精密直线电机系统中，光栅/磁栅位置传感器通常会将栅尺安装于初级上，带有线缆的读数头安装于动子上，这并不适用于动子无线缆的直线电机中。申请号为cn201910258194.8，公开日为2019.06.28，名称为《一种长初级永磁直线同步电机位置信号检测装置》的专利申请，该专利所述装置是基于线性霍尔传感器陈列进行位置检测，但是其只提出了一种霍尔安装的结构，该结构的位置检测精度较低，也没有提出具体的位置计算处理方法，难以满足精密直线电机位置的检测需求。


技术实现要素：

3.本发明是为了解决光栅/磁栅位置传感器不适用动子无线缆的直线电机，而线性霍尔位置传感器又难以满足精密检测需求的问题，现提供一种栅尺安装在动子上、分布式读数头安装在初级上的动子无线缆的直线电机精确位置检测方法，实现直线电机位置的精确采集。
4.一种动子无线缆的直线电机精确位置检测方法，所述直线电机永磁体位于动子1上，绕组位于初级2上，直线电机精确位置检测方法包括以下步骤：
5.初始步骤：将栅尺3沿动子1运动方向固定在被测直线电机的动子1上，将n个读数头沿初级2长度方向呈直线均匀固定在被测直线电机的初级2上，并对n个读数头沿动子1运动方向依次编号，栅尺3的长度大于等于相邻两个读数头之间的距离，n为正整数；
6.步骤一：当动子1处于第k个采样周期、且第n个读数头为主读数头时，采集第k个采样周期主读数头的读数a
n
和第n个读数头跳变为主读数头时的读数l0；
7.步骤二：计算第k个采样周期动子1的运动距离增量δl
nk
；
8.步骤三：将第k个采样周期动子1的运动距离增量δl
nk
累加到pos(k
‑
1)上，获得并记录第k个采样周期动子1前端与初级底座首端之间的距离pos(k)，从而确定第k个采样周期时动子1的位置，
9.其中，初级底座首端为动子1出发方向所在端，k为正整数，k＝1时，pos(0)为动子起始位置与初级底座首端之间的距离。
10.进一步的，上述栅尺3的长度l1与相邻两个读数头之间的距离l2满足以下关系：
11.l2≤l1≤2l2。
12.进一步的，上述栅尺3的读数范围记为a～b，判断主读数头的方法为：
13.当只有一个读数头的读数在a～b时，将该读数头作为主读数头；
14.当有两个读数头的读数在a～b时，将这两个读数头中第n
‑
1个读数头的读数记为a1，第n个读数头的读数记为b1，判断是否符合下式：
15.a1‑
a≥b
‑
b1，
16.是则第n
‑
1个读数头为主读数头，否则第n个读数头为主读数头，n＝1,2,...,n。
17.进一步的，启动直线电机、动子1未出发还处于静止状态时，将此时动子位置作为起始位置，起始位置的确定方法为：
18.将当前时刻主读数头的读数记为c1、主读数头与初级底座首端之间的距离记为x1，则当起始位置与初级底座首端之间的距离为：
19.pos(0)＝x1+c1。
20.进一步的，上述动子起始位置与初级底座首端之间的距离为：动子1首端在初级2上的投影与初级底座首端之间的距离。
21.进一步的，根据下式计算第k个采样周期动子1的运动距离增量δl
nk
：
22.δl
nk
＝a
n
‑
l0。
23.进一步的，上述栅尺3为光栅尺，读数头为光栅读数头。
24.进一步的，上述栅尺3为磁栅尺，读数头为磁栅读数头。
25.进一步的，上述直线电机为分段式直线电机，分段式直线电机的初级2包括多个初级段，多个初级段沿直线首尾顺次连接。
26.进一步的，上述初级段总数为m，每段初级段长度均为l，则初级2长度l
m
为：
27.l
m
＝ml。
28.本发明所述的一种动子无线缆的直线电机精确位置检测方法，通过搭建长行程分段直线电机系统，采取分布式位置检测方法，将多个读数头均匀分布于初级上，动子为磁钢，其上有栅尺，对全行程的位置进行检测。实验的结果表明利用本发明提出的方法能够实现全行程的位置连续检测，适用于长行程的分段直线电机的检测。
附图说明
29.图1为动子下方有一个读数头的示意图；
30.图2为动子下方有两个个读数头的示意图；
31.图3为读数头读数示意图；
32.图4为动子起始位置与初级底座首端之间指示图。
具体实施方式
33.对于动磁式的分段直线电机，由于其行程长，将读数头安装在动子上的话，会导致线缆过长，对于分段直线电机的动子精密控制带来了外部的扰动，因此，针对长行程的分段电机的位置检测，本实施方式提出了一种无线缆的分布式位置检测结构，并且对于针对全行程连续位置检测提出了一种动子无线缆的直线电机精确位置检测方法，参照图1至图4具体说明本实施方式，具体的：
34.直线电机为分段式直线电机，分段式直线电机的初级2包括m个初级段，每段初级段长度均为l，多个初级段沿直线首尾顺次连接，则初级2总长度为l
m
＝ml。所述直线电机永
磁体位于动子1上，绕组位于初级2上，绕组和定子之间的长度通过特定的电磁设计以尽量减小动子1处于过渡阶段的推力波动。
35.直线电机精确位置检测方法包括以下步骤：
36.初始步骤：将栅尺3沿动子1运动方向固定在被测直线电机的动子1上，将n个读数头沿初级2长度方向呈直线均匀固定在被测直线电机的初级2上，并对n个读数头沿动子1运动方向依次编号，n为正整数。
37.栅尺3的长度l1与相邻两个读数头之间的距离l2满足以下关系：
38.l2≤l1≤2l2。
39.首先启动直线电机，在电机启动的时刻动子1是还处于静止状态的，将此时动子位置作为起始位置，则起始位置的确定方法为：
40.将当前时刻主读数头的读数记为c1、主读数头与初级底座首端之间的距离记为x1，则当起始位置与初级底座首端之间的距离为：
41.pos(0)＝x1+c1。
42.由于动子1和初级2之间还存在一定的空隙，那么动子起始位置与初级底座首端之间就是一条斜线，如图4虚线所指区间。实际上由栅尺3得到的动子起始位置与初级底座首端之间的距离为：动子1首端在初级2上的投影与初级底座首端之间的距离，如图4实线所指区间。
43.在上述过程中还存在确定主读数头的问题，将栅尺3的读数范围记为a～b，栅尺3下放主读数头的数量只有两种情况，即：只有一个或只有两个。那么判断主读数头的方法为：
44.当只有一个读数头的读数在a～b时，将该读数头作为主读数头。
45.当有两个读数头的读数在a～b时，将这两个读数头中第n
‑
1个读数头的读数记为a1，第n个读数头的读数记为b1，判断是否符合下式：
46.a1‑
a≥b
‑
b1，
47.是则第n
‑
1个读数头为主读数头，否则第n个读数头为主读数头，n＝1,2,...,n。
48.上述工作完成后，开始进行动子1运动过程中的检测，包括以下步骤：
49.步骤一：当动子1处于第k个采样周期、且第n个读数头为主读数头时，采集第k个采样周期主读数头的读数a
n
和第n个读数头跳变为主读数头时的读数l0。
50.本步骤中，由于动子1在运动时主读数头是变化的，因此就有第n个读数头跳变为主读数头的时刻，这一刻主读数头的读数记为l0。但是此时并不一定就是第k个采样周期，所以当第n个读数头读取了一段数据之后才会跳转到第k个采样周期，所以就有了第k个采样周期主读数头的读数a
n
。
51.步骤二：根据下式计算第k个采样周期动子1的运动距离增量δl
nk
：
52.δl
nk
＝a
n
‑
l0。
53.步骤三：将第k个采样周期动子1的运动距离增量δl
nk
累加到pos(k
‑
1)上，获得并记录第k个周期动子1前端与初级底座首端之间的距离pos(k)，从而确定第k个采样周期时动子1的位置，
54.其中，初级底座首端为动子1出发方向所在端，k为正整数，k＝1时，pos(0)为动子起始位置与初级底座首端之间的距离；
55.步骤四：使k＝k+1，然后返回步骤一，直至动子1按照实际运动需求到达停止位置。
56.具体的，每个周期动子1前端与初级底座首端之间的距离如下：
[0057][0058]
本实施方式在实际应用时，栅尺3有两种选择：栅尺3为光栅尺，则读数头为光栅读数头；若栅尺3为磁栅尺，则读数头为磁栅读数头。