[发明专利]一种大面积磁浮平面电机动子的三自由度位置测量方法

权利要求书

1.一种针对大面积磁浮平面电机动子的三自由度位置测量方法，其特征在于该方法采用如下测量系统：所述测量系统包括第一Z向电涡流传感器(1)、第二Z向电涡流传感器(2)、第三Z向电涡流传感器(3)、第四Z向电涡流传感器(4)、第五Z向电涡流传感器(5)、第六Z向电涡流传感器(6)、第七Z向电涡流传感器(7)、第八Z向电涡流传感器(8)、第一Y向电涡流传感器(9)、第二Y向电涡流传感器(10)、X方向绝对光栅(11)和Y方向绝对光栅(12)；

建立平面电机定子上的固定坐标系O-XYZ和平面电机动子的随动坐标系O_c-X_cY_cZ_c，其中固定坐标系O-XYZ的Z轴垂直定子上表面，X轴平行于线缆(17)延伸方向，Y轴垂直于线缆(17)延伸方向，原点O位于平面电机定子上表面X方向和Y方向的坐标均最小的散热孔(15)中心；初始时刻，动子未悬浮时两个坐标系完全重合；

所述八个Z向电涡流传感器均安装于磁浮平面电机动子(13)下表面，靶平面均为平面电机定子(14)的上表面，其中第一Z向电涡流传感器(1)、第二Z向电涡流传感器(2)、第三Z向电涡流传感器(3)和第四Z向电涡流传感器(4)安装于同一条与平面电机动子随动坐标系O_c-X_cY_cZ_c中Y_c轴平行的直线上；第五Z向电涡流传感器(5)、第六Z向电涡流传感器(6)、第七Z向电涡流传感器(7)和第八Z向电涡流传感器(8)安装于另一条与平面电机动子随动坐标系O_c-X_cY_cZ_c中Y_c轴平行的直线上；

所述八个电涡流传感器分为四组，依次是第一Z向电涡流传感器(1)和第二Z向电涡流传感器(2)为第一组、第三Z向电涡流传感器(3)和第四Z向电涡流传感器(4)为第二组、第五Z向电涡流传感器(5)和第六Z向电涡流传感器(6)为第三组、第七Z向电涡流传感器(7)和第八Z向电涡流传感器(8)为第四组，每组的两个电涡流传感器安装于相邻的位置，各组两个Z向电涡流传感器的间距相同，该间距需要小于平面电机定子上表面磁钢阵列Y方向的极距DY减去两倍平面电机定子上表面散热孔(15)的直径再减去两倍Z向电涡流传感器靶区直径；

所述第一Y向电涡流传感器(9)和第二Y向电涡流传感器(10)安装于平面电机动子(13)侧面，靶平面为线缆台导杆(16)靠近动子一侧的侧面，用于测量动子相对线缆台导杆的距离；

所述X方向绝对光栅(11)的读数头安装于动子(13)侧面，标尺安装于线缆台导杆(16)靠近动子一侧的侧面，用于测量动子相对于线缆台在X方向的运动；

所述Y方向绝对光栅(12)的读数头安装于线缆台上，标尺安装于平面电机定子(14)侧面，用于测量线缆台相对定子在Y方向的运动；

所述测量方法包括如下步骤：

1)采集原始数据：包括八个Z向电涡流传感器在随动坐标系O_c-X_cY_cZ_c中的X_c方向和Y_c方向的坐标，依次为第一Z向电涡流传感器(1)的坐标(p₁,q₁)、第二Z向电涡流传感器(2)的坐标(p₂,q₂)、第三Z向电涡流传感器(3)的坐标(p₃,q₃)、第四Z向电涡流传感器(4)的坐标(p₄,q₄)、第五Z向电涡流传感器(5)的坐标(p₅,q₅)、第六Z向电涡流传感器(6)的坐标(p₆,q₆)、第七Z向电涡流传感器(7)的坐标(p₇,q₇)和第八Z向电涡流传感器(8)的坐标(p₈,q₈)；以及八个Z向电涡流传感器当前伺服周期内的读数，依次为第一Z向电涡流传感器(1)的读数z₁、第二Z向电涡流传感器(2)的读数z₂、第三Z向电涡流传感器(3)的读数z₃、第四Z向电涡流传感器(4)的读数z₄、第五Z向电涡流传感器(5)的读数z₅、第六Z向电涡流传感器(6)的读数z₆、第七Z向电涡流传感器(7)的读数z₇和第八Z向电涡流传感器(8)的读数z₈；

2)计算四组电涡流传感器中每组两个Z向电涡流传感器位置的中点在随动坐标系O_c-X_cY_cZ_c中的坐标值，即(x_i,y_i,0)，i＝1,2,3,4，其中：x_i＝(p_2i-1+p_2i)/2，y_i＝(q_2i-1+q_2i)/2；其中(x₁,y₁,0)为第一Z向电涡流传感器(1)和第二Z向电涡流传感器(2)的中点坐标，(x₂,y₂,0)为第三Z向电涡流传感器(3)和第四Z向电涡流传感器(4)的中点坐标，(x₃,y₃,0)为第五Z向电涡流传感器(5)和第六Z向电涡流传感器(6)的中点坐标，(x₄,y₄,0)为第七Z向电涡流传感器(7)和第八Z向电涡流传感器(8)的中点坐标；

3)使用电涡流切换算法依次对第一组Z向电涡流传感器、第二组Z向电涡流传感器、第三组Z向电涡流传感器和第四组Z向电涡流传感器进行处理，得到各组相应位置当前伺服周期内的悬浮高度依次为h₁、h₂、h₃和h₄；

4)计算平面电机动子在固定坐标系O-XYZ中绕X轴的转角位移θ_x、绕Y轴的转角位移θ_y以及Z向的位移z，具体求解步骤如下：

i.分别计算第一组Z向电涡流传感器和第二组Z向电涡流传感器、第三组Z向电涡流传感器和第四组Z向电涡流传感器在随动坐标系O_c-X_cY_cZ_c中组内两个Z向电涡流传感器位置的中点的X_c方向的坐标差S₁＝x₁-x₂和S₂＝x₃-x₄，Y_c方向的坐标差S₃＝y₁-y₂和S₄＝y₃-y₄，以及通过电涡流切换算法处理得到的悬浮高度的差值S₅＝h₂-h₁和S₆＝h₄-h₃；

ii.计算中间变量S₇＝(S₅S₄-S₆S₃)/(S₁S₄-S₂S₃)和S₈＝(S₂S₅-S₁S₆)/(S₁S₄-S₂S₃)；

iii.分别计算θ_x的余弦值θ_x的正弦值θ_y的余弦值θ_y的正弦值

iv.计算四组Z向电涡流传感器中点在动子随动坐标系O_c-X_cY_cZ_c中X_c方向的坐标的总和S₁₃＝x₁+x₂+x₃+x₄、Y_c方向的坐标的总和S₁₄＝y₁+y₂+y₃+y₄以及通过电涡流切换算法处理得到的悬浮高度的总和S₁₅＝h₁+h₂+h₃+h₄；

v.计算平面电机动子在固定坐标系O-XYZ下Z向的位移：

S₁₆＝(S₁₂S₁₃-S₁₀S₁₁S₁₄+S₉S₁₁S₁₅)/4；

vi.得到最终的解算结果，依次为θ_x≈sinθ_x＝S₁₀、θ_y≈sinθ_y＝S₁₂和z＝S₁₆。

2.如权利要求1所述的一种大面积磁浮平面电机动子的三自由度位置测量方法，其特征在于，步骤3)中所述的电涡流切换算法包括如下步骤：

1)将第一Y向电涡流传感器(9)和第二Y向电涡流传感器(10)当前伺服周期内的读数求平均，再加上Y方向绝对光栅(12)当前伺服周期内的读数，得到平面电机动子在固定坐标系O-XYZ中Y方向的位移，记为y₀；将X方向绝对光栅(11)当前伺服周期内的读数作为平面电机动子在固定坐标系O-XYZ中X方向的位移，记为x₀；

2)计算八个Z向电涡流传感器各自在固定坐标系O-XYZ中的X方向和Y方向的坐标：假定在固定坐标系O-XYZ中Z向一号电涡流传感器的坐标为(a₁,b₁)、Z向二号电涡流传感器的坐标为(a₂,b₂)、Z向三号电涡流传感器的坐标为(a₃,b₃)、Z向四号电涡流传感器的坐标为(a₄,b₄)、Z向五号电涡流传感器的坐标为(a₅,b₅)、Z向六号电涡流传感器的坐标为(a₆,b₆)、Z向七号电涡流传感器的坐标为(a₇,b₇)、Z向八号电涡流传感器的坐标为(a₈,b₈)，则其计算方式为：a_i＝p_i+x₀、b_i＝q_i+y₀，其中i＝1,2,…,8；

3)对八个Z向电涡流传感器在固定坐标系O-XYZ中的X方向和Y方向的坐标进行如下处理：A_i＝a_i％DX,B_i＝b_i％DY，其中i＝1,2,…,8且DX和DY分别为磁浮平面电机定子上表面磁钢阵列在X轴方向和Y轴方向的极距，所得的A_i和B_i均为中间变量，其中i＝1,2,…,8；

4)针对第一组Z向电涡流传感器，选出序号较小的Z向电涡流传感器，即第一Z向电涡流传感器(1)，判断如下五个条件是否同时成立：(A₁-DX)²+B₁²＞D²、(A₁-DX)²+(B₁-DY)²＞D²和(A₁-DX/2)²+(B₁-DY/2)²＞D²，其中D是Z向电涡流传感器靶区和散热孔的半径之和，如果同时成立则选择第一Z向电涡流传感器(1)的读数z₁，作为当前伺服周期内动子在第一组Z向电涡流传感器所在位置的悬浮高度，如果没有同时成立则选择第二Z向电涡流传感器(2)的读数z₂，作为当前伺服周期内动子在第一组Z向电涡流传感器所在位置的悬浮高度，假定当前伺服周期的序号为T₀，并记此伺服周期内通过上述方法得出的第一组Z向电涡流传感器所在位置的悬浮高度为u₁(T₀)；对第二组、第三组和第四组Z向电涡流传感器做类似处理，得出当前伺服周期内动子在该组Z向电涡流传感器所在位置的悬浮高度，依次记为u₂(T₀)、u₃(T₀)和u₄(T₀)；

5)四组Z向电涡流传感器在不同伺服周期内选出的悬浮高度读数组成的四组在相应位置上动子的悬浮高度随时间变化的信号，依次为第一组Z向电涡流传感器所在位置的悬浮高度信号u₁(n)，n＝1,2,…，第二组Z向电涡流传感器所在位置的悬浮高度信号u₂(n)，n＝1,2,…，第三组Z向电涡流传感器所在位置的悬浮高度信号u₃(n)，n＝1,2,…，第四组Z向电涡流传感器所在位置的悬浮高度信号u₄(n)，n＝1,2,…，对四组信号进行低通滤波处理，便可依次得到第一组Z向电涡流传感器所在位置的悬浮高度最终结果h₁(n)，n＝1,2,…、第二组Z向电涡流传感器所在位置的悬浮高度最终结果h₂(n)，n＝1,2,…、第三组Z向电涡流传感器所在位置的悬浮高度最终结果h₃(n)，n＝1,2,…和第四组Z向电涡流传感器所在位置的悬浮高度最终结果h₄(n)，n＝1,2,…；

6)选择当前伺服周期的h₁(T₀)、h₂(T₀)、h₃(T₀)和h₄(T₀)作为各组Z向电涡流传感器所在位置当前伺服周期中动子的悬浮高度。