[发明专利]一种采用霍尔阵列的磁浮平面电机初始化位置检测方法

说明书

技术领域

本发明涉及磁浮平面电机初始化位置检测。

背景技术

由于磁浮平面电机在结构、控制精度、损耗等方面具有良好的综合性能，它在光刻机等精密、超精密设备中有着巨大的潜力，该领域的研究已受到各半导体设备厂商的积极投入。

磁浮平面电机按动子和定子的相对位置不同可分为动磁铁式和动线圈式，动线圈式磁浮平面电机是指永磁阵列为定子，线圈阵列为动子，通电线圈在永磁阵列的磁场作用下产生运动，动磁铁式磁浮平面电机工作方式与其相反。在永磁阵列中，Halbach阵列由于其磁场分布的单边性，以及比较理性的正弦性，在永磁电机等领域得到了广泛运用，其原理如图1所示，永磁阵列上每一点的磁化方向随极角连续变化，阵列产生的磁场强度就按照正弦分布，实际运用中采用离散磁阵列。如图2所示，其二维磁钢阵列布置如图3所示。在图3中，无论是在u，v坐标系下，还是在x，y坐标系下，阵列的z向磁密分布都具有正弦性。

以动线圈式磁浮平面电机为例，在其工作的过程中需要经过磁对准、初始化、自动搜零三个阶段，然后再执行伺服运动。在初始化运动过程中，动线圈相对永磁阵列的位置是任意的，对动线圈电流的控制需要知道动线圈相对永磁阵列的精确位置，而永磁阵列磁场具有空间正弦分布的特征，因此可以通测量动子所在位置的磁密来确定动线圈相对永磁阵列的位置。

对于强磁密的测量，霍尔元件是比较好的选择。如上所述，永磁阵列的z向磁密分布无论是在u，v坐标系下，还是在x，y坐标系下都具有正弦性，所以其测量方法可以利用u，v坐标系下的正弦性或者x，y坐标系下正弦性进行测量。上述专利采用Y型霍尔阵列在x，y坐标系下测量平面磁场，如图4所示，其特点是将二维磁场分布通过特定的霍尔阵列转化成一维磁场分布，可以测量x，y，z位置以及Rx，Ry，Rz旋转角，优点是减小了霍尔元件的失调和放大误差。缺点是，霍尔元件使用较多，阵列分布方式导致安装精度得不到保证。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的缺陷，提供一种采用霍尔阵列的磁浮平面电机初始化位置检测方法，能有效减少霍尔元件使用的数量，保证安装精度，且可同时进行XY坐标系和UV坐标系下的位置测量。

为了实现上述目的，本发明提供一种采用霍尔阵列的检测方法，该霍尔阵列同时适用于XY坐标系的位置测量和UV坐标系的位置测量，该UV坐标系为XY坐标系逆时针旋转45度后形成的坐标系，该方法包括以下步骤：

a、 若干霍尔元件沿XY向等间距分布形成井字形或正方形阵列；

b、X向或Y向的四个霍尔元件组成一个测量传感器；

c、 U向或V向的单个霍尔元件组成一个测量传感器；

d、霍尔阵列安装在电机动子上，与永磁阵列平行，用于测量Z向的磁通密度；

e、 各测量传感器的信号经过电路处理采样后，送往微处理器进行计算，从而完成动子相对永磁阵列的位置测量。

XY坐标系为与永磁阵列成45度的坐标系，UV坐标系为XY坐标系逆时针旋转45度后形成的坐标系。

更进一步地，当该霍尔阵列分布呈井字形时，沿X方向有两行霍尔元件，每行霍尔元件数量为6或8，沿Y方向有两列霍尔元件，每列霍尔元件数量为4。沿X方向排列的中间四个霍尔元件与沿Y方向排列的中间四个霍尔元件共用。阵列用于XY坐标系下测量时，沿X方向每行左边4个，右边4个霍尔元件分别组成共四个测量传感器；当阵列用于UV坐标系下测量时，每个测量传感器由一个霍尔元件组成，所述传感器沿UV方向排列成三行两列。

更进一步地，所述霍尔阵列呈正方形时，沿X方向有四行霍尔元件，每行霍尔元件数量为4，沿Y方向有四列霍尔元件，每列霍尔元件数量为4，形成4X4阵列。当阵列用于XY坐标系下测量时，沿X方向每行4个，每列4个霍尔元件分别组成共八个测量传感器；当阵列用于UV坐标系下测量时，每个测量传感器由一个霍尔元件组成，所述传感器沿UV方向排列成三行四列。

更进一步地，所述霍尔阵列沿X向或沿Y向的相邻的霍尔元件间距为p/2+np，其中n为整数，p为XY坐标系下的极距。

更进一步地，沿X方向分布的测量传感器信号为关于Y的正弦信号；沿Y方向分布的测量传感器信号为关于X的正弦信号，其峰值与Z有关。

更进一步地，沿UV方向分布的测量传感器信号为关于U的正弦信号和关于V的正弦信号的乘积，其峰值与Z有关。

更进一步地，各传感器信号经微处理器采集计算后，便可完成动子在XY坐标下或UV坐标系下的6轴位置测量