[发明专利]基于3-D磁场传感器的永磁球形电动机位置检测方法

说明书

本发明涉及一种基于3‑D磁场传感器的永磁球形电动机位置检测方法，所适用的电机为永磁球形电动机，包括底座，球形定子、定子线圈和球形转子，转子位于定子壁内，其转子输出轴从定子壁上方的开口处伸出，其特征在于，定子线圈为柱形无铁心结构，沿球形定子内部的赤道及与赤道平行的线圈上均匀分布3层，呈放射状固定在球形定子壁上；转子表面嵌有永磁体磁极，磁极沿与赤道分为上下两层，每层的N极和S极交替分布；位置检测方法为：首先根据磁场模型和旋转变换理论得到磁感应强度与转子位置信息之间的非线性关系；综合各个磁场传感器确定位置解算的适应度函数；利用结合粒子群算法和梯度投影法的位置解算算法进行位置解算获得转子的位置信息。

技术领域

本发明属于永磁球形电动机位置检测的技术领域，涉及一种基于3-D磁场传感器的永磁球形电动机位置检测方法。

背景技术

多自由度操纵器的应用非常广泛，在现代的航空航天、军事、工业自动化、智能机器人等领域，要求多自由度操纵器的末端执行器可以实现迅速、平稳、精确地调整。当前的装置要完成多自由度运动，需要多个单自由度驱动元件以及复杂的机械传动装置的相互配合才能实现。这样，不但会导致系统复杂，而且会增加系统的损耗，降低系统的动态性能。这些因素促进了可以独立提供多自由度运动的球形电机的发展。

在闭环控制系统中,电机的位置检测是必要的。然而永磁球形电机现在仍处在发展的初始阶段，面临着很多挑战，尤其是在位置检测方面。现有的球形电机位置检测方案主要分为接触式位置检测和非接触式位置检测。由于接触式会增加摩擦阻力从而影响转子的动态响应和定位精度，所以非接触式位置检测是位置检测的主要方式。在非接触式位置检测方法中，主要有基于视觉、光学传感器、激光干涉仪的位置检测方法，但前两种检测方法对工作环境要求高，容易受到外界干扰，基于激光干涉仪的位置检测成本过高，磁场检测的方法具有抗干扰能力强、不受工作环境影响、灵敏度高、封装小等优点，因而受到研究者的青睐，但是由于球形电机结构的复杂性，为了简化运算磁场模型往往忽略了谐波，此外磁场传感器的输出与转子位置关系之间关系的复杂性阻碍了磁场传感器的广泛使用。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术的上述不足，提高永磁球形电机位置检测的速度与精度，本发明设计了一种磁场传感器的组合方案，有效地避免了转子磁场谐波、定子线圈磁场及其它干扰对位置检测的影响；利用结合了粒子群算法和梯度投影法的位置解算算法进行位置解算，快速地、高精度地获得转子的位置信息。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于3-D磁场传感器的永磁球形电动机位置检测方法，所适用的电机为永磁球形电动机，包括底座，球形定子、定子线圈和球形转子，转子位于定子壁内，其转子输出轴从定子壁上方的开口处伸出，其特征在于，定子线圈为柱形无铁心结构，沿球形定子内部的赤道及与赤道平行的线圈上均匀分布3层，呈放射状固定在球形定子壁上；转子表面嵌有永磁体磁极，磁极沿与赤道分为上下两层，每层的N极和S极交替分布；位置检测方法为：首先根据磁场模型和旋转变换理论得到磁感应强度与转子位置信息之间的非线性关系；在此基础上考虑到转子磁场谐波、定子线圈磁场及其它干扰会影响位置检测的精度，设计采用主3-D磁场传感器和辅助3-D磁场传感器的组合方案；综合各个磁场传感器确定位置解算的适应度函数；利用结合粒子群算法和梯度投影法的位置解算算法进行位置解算获得转子的位置信息，包括以下步骤：

1)利用解析法获得转子球坐标系下转子磁场模型；

其中，B_r、B_θ、为转子磁场的三个分量，k_r、k_θ、和是只与永磁球形电机的特性和结构有关的常数，r、θ、是气隙中点在转子球坐标系下的坐标。

2)主传感器安装在定子直角坐标系X-Y平面与定子球面的交点处，根据转子球坐标系下转子磁场模型及旋转变换理论得到主传感器输出与转子位置信息之间的关系方程；