[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

摘要

大面积磁浮平面电机动子的三自由度位置测量方法，该方法采用的测量系统包括八个Z向电涡流传感器、两个Y向电涡流传感器、一个X方向绝对光栅和一个Y方向绝对光栅。八个Z向电涡流传感器平均分为四组，分别测量四个位置上的动子悬浮高度，使用电涡流切换算法使各组Z向电涡流传感器的测量不受散热孔的干扰，并输出四个位置上的动子悬浮高度数据；利用这四组数据进行解算，可得到平面电机动子在固定坐标系下绕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。本发明能够克服磁钢表面散热孔对Z向电涡流传感器位移测量的干扰，实现平面电机动子在定子固定坐标系中的三自由度准确测量。

主权项

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Oc‑XcYcZc，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Oc‑XcYcZc中Yc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Oc‑XcYcZc中Yc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Oc‑XcYcZc中的Xc方向和Yc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Oc‑XcYcZc中的坐标值，即(xi,yi,0)，i＝1,2,3,4，其中：xi＝(p2i‑1+p2i)/2，yi＝(q2i‑1+q2i)/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θx、绕Y轴的转角位移θy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Oc‑XcYcZc中组内两个Z向电涡流传感器位置的中点的Xc方向的坐标差S1＝x1‑x2和S2＝x3‑x4，Yc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Oc‑XcYcZc中Xc方向的坐标的总和S13＝x1+x2+x3+x4、Yc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θx≈sinθx＝S10、θy≈sinθy＝S12和z＝S16。