[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

摘要

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。

主权项

1.一种基于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，Br、Bθ、为转子磁场的三个分量，kr、kθ、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；其中：BR、BΘ、BΦ为定子球坐标系下主传感器输出的三个分量，α,β和γ是用欧拉角表示的转子位置信息；3)设定一个磁场检测阈值，增加辅助磁场传感器，当主传感器检测到的磁场值在阈值以下，采用辅助磁场传感器的数据；辅助传感器的安装需要满足以下几个原则；a)由于球形电机的对称性，辅助传感器的安装位置在定子直角坐标系X-Y平面内或其投影在这个平面内；b)辅助传感器检测到的磁场低于阈值的区域需要与主传感器和其它辅助传感器低于阈值的区域错开；c)α、β、γ在取值范围内任意取值时，BR(α,β,γ)、BR1(α,β,γ)…BRi(α,β,γ)至少有一个大于阈值，BΘ(α,β,γ)、BΘ1(α,β,γ)…BΘi(α,β,γ)至少有一个大于阈值，BΦ(α,β,γ)、BΦ1(α,β,γ)…BΦi(α,β,γ)至少有一个大于阈值；其中：BRi(α,β,γ)、BΘi(α,β,γ)、BΦi(α,β,γ)第i个辅助传感器的三个磁场分量；d)每个传感器之间的差异越大，传感器组合越优，基于此，第i个辅助传感器的选取需要满足如下差异函数；Ti＝(BRi-BR)2+(BΘi-BΘ)2+(BΦi-BΦ)2+(BRi-BR1)2+(BΘi-BΘ1)2+(BΦi-BΦ1)2+…+(BRi-BRi-1)2+(BΘi-BΘi-1)2+(BΦi-BΦi-1)2其中，第i个辅助传感器检测得到的三个磁场分量如下：主传感器的位置绕Σ(XYZ)的三个轴分别旋转Δαi,Δβi,Δγi使得Ti达到最大便可以得到第i个辅助传感器的安装位置，当主磁场传感器和所有的辅助磁场传感器满足原则c)时，便可以得到传感器的组合方案；4)位置解算的适应度函数的确立；定义函数f1i(α,β,γ)、f2i(α,β,γ)和f3i(α,β,γ)为：当BR＜0.01时,令f1＝max(|f1i|)当BΘ＜0.01时,令f2＝max(|f2i|)当BΦ＜0.01时,令f3＝max(|f3i|)定义适应度函数为5)根据4)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，通过粒子群算法获得一组优化解，随后将该优化解作为梯度投影法的搜索初始点，进行位置解算获得转子的位置信息。