一种动线圈型磁浮电机及其磁角度检测方法
【专利摘要】本发明涉及一种动线圈型磁浮电机及其磁角度检测方法，其结构包括相对设置的磁钢阵列和电机动子，所述电机动子包括四个矩阵排布的绕组线圈，所述绕组线圈中还分别设有磁敏传感器和位移传感器。本发明利用所述磁敏传感器获知所述绕组线圈在磁场中的大致位置，然后通过在该位置附近进行扫描，根据所述位移传感器提供的垂向位移变化量，探知绕组线圈在磁场中的精确位置，磁对准时间短，对准精度高。
【专利说明】一种动线圈型磁淳电机及其磁角度检测方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种动线圈型磁浮电机及其磁角度检测方法。
【背景技术】
[0002] 对于动线圈型磁浮电机而言，基于矢量控制的解耦策略是一种比较成熟的控制方 法，它通过坐标变换，实现了永磁同步电机的直轴电流和交轴电流的解耦，从而达到了水平 向运动与垂向运动的独立控制。
[0003] 对于这种解耦控制策略，在进行伺服闭环时，首先需要知道磁浮电机动子在磁钢 阵列中的位置，即初始磁角度，否则，由于闭环时发力体出力方向未知，磁浮电机在尚未浮 起时，便很可能已经出现水平力超过静摩擦力而导致电机动子产生滑动的情况，使得磁浮 电机动子和定子之间出现机械摩擦，影响产品安全和使用寿命。
[0004] 为了获知初始磁角度，一种方法是在系统中加入磁敏感传感器，如霍尔元件，这 样，在初始化时，可以通过这些传感器来直接得到绕组线圈相对于磁场的初始位置。但是， 霍尔元件在磁场中的测量精度不高，导致初始磁角度误差较大，进而使得直轴和交轴之间 不能完全解耦，降低了伺服性能。
[0005] 另一种方法是利用位移来探测初始磁角度，在该技术方案中，绕组线圈的底部与 磁钢阵列接触的部分有一层弹性元件，原本用于保护线圈绕组和磁钢阵列接触时的机械撞 击，当绕组线圈中通入电流，并改变电流的控制角时，绕组线圈所产生的力将随着控制角的 变化而变化，由于弹性元件可以压缩，因此绕组线圈与磁钢阵列之间的垂向距离也将随着 控制角的变化而变化。这样，根据垂向距离最大或者最小时的电角度，即可获知绕组线圈在 磁钢阵列中的初始磁角度，但这种磁对准方法需要不断变更电流的控制角，在磁对准范围 内进行逐一扫描，如果要获得更高的磁对准精度，控制角的变化间隔必须比较小，这导致对 准时间大大加长，不利于广率的提
【发明内容】
[0006] 本发明提供一种动线圈型磁浮电机及其磁角度检测方法，以提高初始磁角度的测 量精度，同时减少对准时间。
[0007] 为解决上述技术问题，本发明提供一种动线圈型磁浮电机，包括相对设置的磁钢 阵列和电机动子，所述电机动子包括四个矩阵排布的绕组线圈，所述绕组线圈中还分别设 有磁敏传感器和位移传感器。
[0008] 较佳地，所述磁钢阵列和电机动子之间还设有保护层。
[0009] 较佳地，所述磁敏传感器为霍尔传感器。
[0010] 本发明还提供了一种动线圈型磁浮电机的磁角度检测方法，应用于如上所述的动 线圈型磁浮电机，其步骤包括：
[0011] S1:选取一个绕组线圈，该绕组线圈中的磁敏传感器测量得到电机动子的位置，并 提供磁对准扫描的初始搜索范围；
[0012] S2 :给定驱动该绕组线圈的交轴电流和直轴电流，并设定位置扫描步长dstep和 电流扫描步长dl ;
[0013] S3 :在给出的初始搜索范围内，记录使磁浮电机抬起的模拟位置；
[0014] S4 :调整位置扫描步长dst印和电流扫描步长dl，直至在给出的初始搜索范围内 找到唯一的使磁浮电机抬起的模拟位置xl，且此时的位置扫描步长dstep小于磁对准精度 要求；
[0015] S5 :该绕组线圈磁对准完成。
[0016] 较佳地，S3步骤中，若使磁浮电机抬起的模拟位置为2个，则取电流扫描步长为前 次扫描的一半，并令模拟位置扫描步长也为前次扫描的一半，重新扫描；若使磁浮电机抬起 的模拟位置大于2个，则取电流扫描步长为前次扫描的一半，重新扫描。
[0017] 较佳地，使磁浮电机抬起的模拟位置大于等于2个的情况下，根据前次扫描结果 限定扫描范围。
[0018] 较佳地，假定xn为第η个能够使磁浮电机动子抬起的模拟位置，并记相邻的两个 使电机动子抬起的位置之间的最大距离为：distance=max(abs(xn+l_xn))，记磁钢阵列Ν 极到S极的磁极距为τ ;
[0019] 当distance〈 τ，则扫描的位置为从第一个能够使电机动子抬起的位置开始，到最 后个能够使电机动子抬起的位直结束；
[0020] 当distance〉τ，记满足distance〉τ的两个位置分别为χη、χη+1，则扫描的起始 位置为xn+1,到xn + 2 τ结束。
[0021] 较佳地，S1步骤中，磁对准扫描的初始搜索范围为[pos_x0-Ax-3 σ-dl-d2, pos_ x0-Δ χ+3 σ +dl+d2]，其中，所述磁敏传感器测量的电机动子位置为（x0, y0, rzO)，根据所述 绕组线圈与电机动子位置的固定偏差所计算得到的绕组线圈位置为（P〇S_x〇, P〇s_y〇)，所 述磁敏传感器的定位方差为σ，机械安装公差为dl，绕组线圈的机械安装公差为d2,绕组 线圈相对于电机动子位置的偏尚量为（Δχ, Ay)。
[0022] 较佳地，根据所述位移传感器测量的垂向位移判断磁浮电机是否被抬起。
[0023] 较佳地，四个矩阵排布的绕组线圈需分别进行磁对准。
[0024] 与现有技术相比，本发明具有以下优点：本发明提供的动线圈型磁浮电机及其磁 角度检测方法，其结构包括相对设置的磁钢阵列和电机动子，所述电机动子包括四个矩阵 排布的绕组线圈，所述绕组线圈中还分别设有磁敏传感器和位移传感器。本发明利用所述 磁敏传感器获知所述绕组线圈在磁场中的大致位置，然后通过在该位置附近进行扫描，根 据所述位移传感器提供的垂向位移变化量，探知绕组线圈在磁场中的精确位置，磁对准时 间短，对准精度高。
【专利附图】
【附图说明】
[0025] 图1为本发明一【具体实施方式】的动线圈型磁浮电机的结构示意图；
[0026] 图2为本发明一【具体实施方式】的动线圈型磁浮电机的磁角度检测方法流程图；
[0027] 图3至图6为本发明一【具体实施方式】的动线圈型磁浮电机磁角度检测过程中位置 扫描值与垂向力之间的关系图。
[0028] 图中：10_磁钢阵列、20-电机动子、21-绕组线圈、30-磁敏传感器、40-位移传感 器。
【具体实施方式】
[0029] 为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加清晰易懂，下面结合附图对本发明 的【具体实施方式】做详细的说明。需说明的是，本发明附图均采用简化的形式且均使用非精 准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
[0030] 本发明提供的动线圈型磁浮电机，如图1所示，包括相对设置的磁钢阵列10和电 机动子20,所述电机动子20包括四个矩阵排布的绕组线圈21，所述绕组线圈21中还分别 设有磁敏传感器30和位移传感器40,在磁角度对准过程中，通过所述磁敏传感器30获知所 述绕组线圈21在磁场中的位置，然后根据几何位置确定每个发力体，即每个绕组线圈21， 进行磁对准的扫描范围，在该范围内，按照特定的算法不断变换直轴或者交轴电流，最后根 据所述位移传感器40检测到的位置变化情况，获知准确的磁对准位置。
[0031] 较佳地，请继续参考图1，所述磁钢阵列10和电机动子20之间还设有保护层（图中 未示出），具体地，所述保护层具有一定弹性，由于所述线圈绕组21和磁钢阵列10接触时会 发生机械撞击，所述保护层能够对所述线圈绕组21和磁钢阵列10进行保护。
[0032] 较佳地，请继续参考图1，所述磁敏传感器30为霍尔传感器，其具有对磁场敏感、 结构简单、体积小、频率响应宽、输出电压变化大和使用寿命长等优点。
[0033] 实施例1
[0034] 请重点参考图2,并结合图1，本发明还提供了一种动线圈型磁浮电机的磁角度检 测方法，应用于如上所述的动线圈型磁浮电机，其步骤包括：
[0035] S1 :选取一个绕组线圈21，该绕组线圈21中的磁敏传感器30测量得到电机动子 20的位置，并提供磁对准扫描的初始搜索范围，具体地，假定霍尔传感器测量的电机动子 20位置为（xO, y0, rzO)，根据磁浮电机发力体（即绕组线圈21)与电机动子20位置的固定偏 差所计算得到的发力体位置为（P〇s_x0, pos_y0)，并假定霍尔传感器的定位方差为〇，霍 尔传感器的机械安装公差为dl，绕组线圈21的机械安装公差为d2,该发力体相对于电机动 子20位置的偏离量为（Λ X，Λ y)，那么对于该发力体，磁对准的初始扫描范围可以取[P0s_ χ0-Δ χ-3 σ -dl-d2, pos_x0-Δ χ+3 σ +dl+d2]；
[0036] S2 :给定驱动该绕组线圈21的交轴电流和直轴电流，并设定位置扫描步长dstep 和电流扫描步长dl，具体地，本实施例中，给定交轴电流为0,直轴初始扫描电流为idO,根 据磁浮电机的工作原理，该垂向力大小为：
[0037]
【权利要求】
1. 一种动线圈型磁浮电机，包括相对设置的磁钢阵列和电机动子，所述电机动子包括 四个矩阵排布的绕组线圈，其特征在于，所述绕组线圈中还分别设有磁敏传感器和位移传 感器。
2. 如权利要求1所述的动线圈型磁浮电机，其特征在于，所述磁钢阵列和电机动子之 间还设有保护层。
3. 如权利要求1所述的动线圈型磁浮电机，其特征在于，所述磁敏传感器为霍尔传感 器。
4. 一种动线圈型磁浮电机的磁角度检测方法，应用于如权利要求1?3中任意一项所 述的动线圈型磁浮电机，其特征在于，其步骤包括： 51 :选取一个绕组线圈，该绕组线圈中的磁敏传感器测量得到电机动子的位置，并提供 磁对准扫描的初始搜索范围； 52 :给定驱动该绕组线圈的交轴电流和直轴电流，并设定位置扫描步长dstep和电流 扫描步长dl ; 53 :在给出的初始搜索范围内，记录使磁浮电机抬起的模拟位置； 54 :调整位置扫描步长dst印和电流扫描步长dl，直至在给出的初始搜索范围内找到 唯一的使磁浮电机抬起的模拟位置xl，且此时的位置扫描步长dst印小于磁对准精度要 求； 55 :该绕组线圈磁对准完成。
5. 如权利要求4所述的动线圈型磁浮电机的磁角度检测方法，其特征在于，S3步骤中， 若使磁浮电机抬起的模拟位置为2个，则取电流扫描步长为前次扫描的一半，并令模拟位 置扫描步长也为前次扫描的一半，重新扫描；若使磁浮电机抬起的模拟位置大于2个，则取 电流扫描步长为前次扫描的一半，重新扫描。
6. 如权利要求5所述的动线圈型磁浮电机的磁角度检测方法，其特征在于，使磁浮电 机抬起的模拟位置大于等于2个的情况下，根据前次扫描结果限定扫描范围。
7. 如权利要求6所述的动线圈型磁浮电机的磁角度检测方法，其特征在于，假定xn为 第η个能够使磁浮电机动子抬起的模拟位置，并记相邻的两个使电机动子抬起的位置之间 的最大距离为：distance=max (abs (xn+1-xn))，记磁钢阵列Ν极到S极的磁极距为τ， 当diStance〈 τ，则扫描的位置为从第一个能够使电机动子抬起的位置开始，到最后一 个能够使电机动子抬起的位置结束； 当distance〉τ，记满足distance〉τ的两个位置分别为χη、χη+1，则扫描的起始位置 为χη+1，到xn + 2 τ结束。
8. 如权利要求4所述的动线圈型磁浮电机的磁角度检测方法，其特征在于，S1步骤中， 磁对准扫描的初始搜索范围为[p〇s_x〇-Ax-3 σ -dl-d2, pos_x〇-Ax+3 σ +dl+d2]，其中，所 述磁敏传感器测量的电机动子位置为（x〇, y〇, rzO)，根据所述绕组线圈与电机动子位置的 固定偏差所计算得到的绕组线圈位置为（P〇s_xO, p〇s_yO)，所述磁敏传感器的定位方差为 σ，机械安装公差为dl，绕组线圈的机械安装公差为d2,绕组线圈相对于电机动子位置的 偏尚量为（Δ X，Δ y)。
9. 如权利要求4所述的动线圈型磁浮电机的磁角度检测方法，其特征在于，根据所述 位移传感器测量的垂向位移判断磁浮电机是否被抬起。
10.如权利要求4所述的动线圈型磁浮电机的磁角度检测方法，其特征在于，四个矩阵 排布的绕组线圈需分别进行磁对准。
【文档编号】H02P6/16GK104104198SQ201310130299
【公开日】2014年10月15日 申请日期:2013年4月15日 优先权日:2013年4月15日
【发明者】张晓文, 张霖, 严兰舟, 杨晓峰 申请人:上海微电子装备有限公司