[发明专利]一种基于光学传感器的永磁球形电机转子位置检测方法

权利要求书

1.一种基于光学传感器的永磁球形电机转子位置检测方法，其特征在于，所述永磁球形电机包括电机底座(9)、球形电机定子外壳(8)、万向节(7)、呈两层分布在球形电机定子外壳(8)上的定子线圈(5)、嵌装在球形电机定子外壳(8)内的球形转子(4)，呈四层分布在球形转子(4)上的永磁体(6)，以及固定在球形转子(4)上的输出轴(1),所述永磁球形电机能够在最大倾斜角37.5°内做自旋、倾斜运动；其特征是：

该永磁球形电机转子位置检测方法如下：

在所述球形转子(4)的输出轴上固定设置半球形罩壳(2)，所述半球形罩壳(2)与球形转子(4)处在同心位置上，在所述球形电机定子外壳(8)上以Z轴为轴心，呈90°间隔的位置固定放置两个光学传感器，分别为第一光学传感器(10)和第二光学传感器(3)，对于运动的球形转子(4)，由所述两个光学传感器检测获得半球形罩壳(2)表面的位移信息，通过对该位移信息进行位置解算，得到半球形罩壳(2)运动的偏航角和俯仰角，对此偏航角和俯仰角进行解算，得到半球形罩壳(2)上P点的位置坐标，因球形转子(4)跟半球形罩壳(2)同轴同心，所以球形转子(4)和半球形罩壳(2)的偏航角和俯仰角相等，因而通过球形转子(4)半径与半球形罩壳(2)的半径之间的关系，即可求得球形转子(4)上S点的位置坐标；

定义：C是半球形罩壳，U为球形转子，P为半球形罩壳上待求点，P点的初始位置在大地坐标系的Z轴上，P点离Z轴原点的距离等于转子球心到半球形罩壳外表面的距离；S是球形转子上待求点，S点初始位置在大地坐标系的Z轴上，S点离Z轴原点的距离等于转子半径距离，T点初始位置也在大地坐标系的Z轴上，T点为S₁点处向大地坐标系的Z轴做垂线的垂足；大地坐标系的Z轴是球形转子(4)输出轴初始静止时所在位置，当球形转子(4)处于静止状态时，第一、第二光学传感器分别放置在S₁、S₂点，S₁点偏航角为∠MOX,俯仰角为∠S₁OP，S₂点偏航角为∠QOX，俯仰角为∠S₂OP，S₁、S₂点的偏航角和俯仰角初始值是根据各自对应的光学传感器初始静止时所在位置确定；

所述球形转子(4)上S点的位置坐标计算方法如下：

步骤31：当球形转子(4)倾斜转动一个角度，第一光学传感器相当于从S₁点运动到A点所在位置，在半球形罩壳(2)上运动轨迹是弧S₁A，该运动过程中第一光学传感器所检测的量为S₁点沿水平及铅直方向的切线d_x1、d_y1在半球形罩壳(2)球面上的投影，即弧长L_x1、L_y1，弧长分量L_x1是以T点为圆心，以线段S₁T为半径的圆弧，此分量改变球形转子(4)的偏航角，弧长分量L_y1是以O点为圆心，以半球形罩壳(2)半径R为半径的圆弧，此分量改变球形转子(4)的俯仰角，根据第一光学传感器检测弧长分量计算半球形罩壳(2)的偏航角和俯仰角，对此偏航角和俯仰角进行解算，得到半球形罩壳(2)上点P的位置，根据半球形罩壳(2)的半径与球形转子(4)的半径关系，即可算出球形转子(4)上S点的位置坐标；

步骤32:在半球形罩壳的偏航角和俯仰角的变化量确定后，待求点P的坐标可根据以下方法计算得到：当球形转子(4)在初始静止位置时，P点位于大地坐标系的Z轴之上，当球形转子(4)转动一个角度，除旋转中心轴线外，半球形罩壳(2)球面上其余所有部分都将绕旋转中心轴线转动同样的角度，P点偏航角和俯仰角的变化量与S₁点的偏航角和俯仰角的变化量相同，可根据该运动过程中第一光学传感器所检测的半球形罩壳(2)表面的位移信息的变化量去计算半球形罩壳(2)上待求点P的偏航角和俯仰角的变化量；根据P点的初始位置以及P点的偏航角和俯仰角的变化量，得到半球形罩壳(2)上P点运动后的位置坐标，进而获得球形转子(4)上待求点S的位置坐标；

步骤33:当球形转子(4)在初始静止位置进行自旋运动时，球形转子(4)的俯仰角不变，偏航角随着球形转子的旋转而变化，此时可通过第一光学传感器检测并计算S₁点偏航角的变化，进而确定球形转子(4)自旋运动所旋转的角度，从而确定球形转子位置；

步骤34:当球形转子(4)绕线段S₁O所在的轴转动时，第一光学传感器检测不到半球形罩壳(2)表面的位移数据，此时，启用放置在S₂点处的第二光学传感器检测数据进行球形转子(4)偏航角及俯仰角的计算，此时P点及S点位置坐标计算的方法如同通过步骤31、步骤32、步骤33通过第一光学传感器测量解算P点及S点位置坐标。