一種基于壓力傳感器組的磁懸浮永磁平面電機起浮方法
【專利摘要】本發明公開一種基于壓力傳感器組的磁懸浮永磁平面電機起浮方法，在動子底面上設4個壓力傳感器，給驅動單元通入電流，根據壓力傳感器測量動子產生的此時壓力可得懸浮力，采用二分逐次逼近法確定懸浮電流的相位，根據懸浮電流相位給線圈陣列通入相應的電流產生所需懸浮力，安裝使用方便，硬件成本低，工作范圍不受行程限制，運行穩定可靠，有效解決現有技術中采用平面光柵等增量式位置傳感器無法確定動子相對于定子的初始相位的技術問題。
【專利說明】一種基于壓力傳感器組的磁懸浮永磁平面電機起浮方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于電力傳動【技術領域】，尤其涉及動圈式磁懸浮永磁平面電機，是一種基于壓力傳感器組的動圈式磁懸浮永磁平面電機起浮方法，特別適用于半導體光刻、高精度繪圖儀、高精密動作臺等現代制造裝備領域。
【背景技術】
[0002]隨著先進制造業的快速發展，現代精密、超高精密制造裝備對高響應、高速度、高精密的平面驅動裝置有著迫切的需求。與傳統的二維平面工作臺相比，以平面電機為核心構造的直驅式平面工作臺具有結構簡單、定位精度高、響應速度快等優點，在半導體光刻、高精度繪圖儀、高精密動作臺等精密、超高精密的現代制造裝備中具有很大的應用潛力。磁懸浮永磁平面電機動子不需任何物理支撐就可在二維平面上自由運動，機械結構極為簡單。
[0003]動圈式磁懸浮永磁平面電機動子為線圈陣列，定子為永磁陣列，起浮時需根據動子相對于定子的位置給線圈陣列通入相應的電流以產生所需要的懸浮力，因此，確定懸浮電流的相位使動子順利起浮是磁懸浮永磁平面電機正常工作的前提條件。目前，采用平面光柵等增量式位置傳感器只能檢測動子運動的相對位移而無法確定動子相對于定子的位置，因而無法確定懸浮電流的相位。采用微距離高精度激光測距儀進行可以檢測動子相對于定子的位置，進而確定懸浮電流的相位，但這種設備價格昂貴、安裝使用要求高、測量范圍有限，因此，需要一種新的技術方案以解決上述問題。
[0004]二分逐次逼近法可用于求解已知函數/Cr) = 0的根Cr的解)，其基本思想是:①先找出一個區間fe幻，使得/Td與//⑴異號，根據介值定理，這個區間內一定包含著方程式的根；②求該區間的中點》=(a分)/2,并找出fipi)的值；③若f(m)與f (a)正負號相同則取b]為新的區間，否則取m\ 重復第②和第③步至理想精確度為止。
【發明內容】
[0005]針對現有動圈式磁懸浮永磁平面電機起浮存在的不足，本發明提出一種基于壓力傳感器組的磁懸浮永磁平面電機起浮方法，該方法采用二分逐次逼近法確定懸浮電流的相位，采用的傳感器成本低，結構簡單，工作范圍不受行程限制，運行穩定可靠。
[0006]為實現上述發明目的，本發明所采用的技術方案是:所述磁懸浮永磁平面電機由定子和動子組成，定子為永磁陣列，動子為線圈陣列，線圈陣列包含產生X軸向和y軸向水平推力的驅動單元，其特征是包括以下步驟:以下步驟中:
4為通電電流幅值，為各次通電電流的初始相位，f為設定的允許偏差值J
為懸浮力的絕對值最大時通電電流的初始相位為驅動單元通電后在X軸向或y軸向運
動引起的相位差，為驅動單元相對定子磁場的初始相位；1)在動子底面上設4個壓力傳感器，各壓力傳感器的輸出信號經信號調理電路處理后送入微處理器，微處理器根據壓力傳感器初始測量值計算出動子自重所產生的壓力
2)給驅動單元通入電流z= cos(^ + A#),根據壓力傳感器測量動子產生的此時壓力
f，可得懸浮力& —iI ;
3)判斷|f|< ε是否成立:e是設定的允許偏差值，若成立，則(=也-90。’轉入7)，若不成立，則給驅動單元通入電流〗 = 4^c.S(l+A的，測量此時動子產生的壓力i?，可得懸浮ti Fn = F - Fn ；
4)取1= (4+^)/2 ,給驅動單元通入電流: = 4cOS^+A0)，測量此時動子產生的壓力i?，可得懸浮力& = 7 —巧;
5)判斷|iL|<^是否成立，若成立則武_90°，轉入7)，若不成立則轉入6)；
6)判斷<0是否成立，若成立則I = & ,轉入4);若不成立則I = ，轉入4);
7)給驅動單元通入電流i=/Mcos(成+ A巧，測量此時動子產生的壓力F，可得懸浮力Fz = P-Pti ;判斷4 >0是否成立，若成立，則懸浮電流相位4 = 4 + 若不成立，則懸浮電流相位之=在+A6-130°,此時，懸浮電流相位之即等于與之和，根據懸浮電流
相位4給線圈陣列通入相應的電流產生所需懸浮力。
[0007]與現有技術相比，本發明的有益效果是:
(1)采用一組壓力傳感器組取代激光測距儀實現磁懸浮永磁平面電機動子的起浮，安裝使用方便，硬件成本低，工作范圍不受行程限制，運行穩定可靠。
[0008](2)采用二分逐次逼近法確定懸浮電流的相位，有效解決了現有技術中采用平面光柵等增量式位置傳感器無法確定動子相對于定子的初始相位的技術問題。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0009]圖1為本發明提供的一種基于壓力傳感器組的磁懸浮永磁平面電機起浮方法實施例的平面示意圖。
[0010]圖1中:1-定子；2-動子。
[0011]圖2為圖2中所述磁懸浮永磁平面電機的動子仰視圖。
[0012]圖2中:3-線圈陣列；4-壓力傳感器。
[0013]圖3為圖2中一個壓力傳感器的電路連接示意圖。
[0014]圖3中:5-輸入信號調理電路。
[0015]圖4為本發明采用的二分逐次逼近法確定懸浮電流的相位具體流程圖；
圖4中:巧、J?2、ft、A、A -示例中各工作點；Al、、^3、-工作點Pl、P2、Pl、P4對應的懸浮力。
[0016]圖5為本發明采用的二分逐次逼近法確定懸浮電流的相位的流程圖。【具體實施方式】
[0017]下面結合附圖和【具體實施方式】進一步闡明本發明，應理解這些實施方式僅用于說明本發明而不用于限制本發明的范圍，在閱讀了本發明之后，本領域技術人員對本發明的各種等價形式的修改均落于本申請所附權利要求所限定的范圍。
[0018]如圖1所示，一種基于壓力傳感器組的磁懸浮永磁平面電機起浮方法所述的磁懸浮永磁平面電機由定子I和動子2組成,定子I為永磁陣列且磁密的X軸向、y軸向的水平分量均為余弦分布，動子2為線圈陣列3且無鐵心。如圖2所示，線圈陣列3包含A、B、C、D這4個驅動單元,每個驅動單元由三個線圈組成；驅動單元A、C對角布置,產生X軸向水平推力，驅動單元B、D對角布置，產生I軸向水平推力。在動子2底面上裝有4個壓力傳感器4，4個壓力傳感器4布置在四個角上，兩兩對角。
[0019]如圖3所示，各壓力傳感器4均連接信號調理電路5，信號調理電路5連接微處理器。各壓力傳感器4的輸出信號經過輸入信號調理電路5處理后送入微處理器，微處理器根據壓力傳感器4的測量值計算動子2所產生的懸浮力。按右手定則確定電流的參考方向，給X軸向或y軸向驅動單元通入初始相位互差180°電角度的電流，根據它們所產生的懸浮力采用二分逐次逼近法確定懸浮電流的相位。
[0020]根據磁懸浮永磁平面電機的工作原理，懸浮力17力 Pz = K cos {9C -D = K cos Bcm
式中，尤是懸浮力系數；巧是懸浮電流的相位是驅動單元相對定子磁場的相位；I是芑與^的差值。
[0021]由上式可知，當見* =±90°時，懸浮力4 = 0，所以可采用二分逐次逼近法確定Pz = 0對應的&微,從而可求得懸浮電流的相位€。二分逐次逼近法具體示例過程如圖4所示，給X軸向(或Y軸向)驅動 單元A、C(或B、D)通入電流,對應工作點巧、/>2產生的懸浮力為巧I >0、Fs2 <0 ;根據工作點巧、灼確定中間運行點巧，產生的懸浮力為A3 <0
;根據工作點P1、Pi確定中間運行點A ,產生的懸浮力為> 0 ;根據工作點A、ft......;
確定中間運行點Pm ,當~產生的懸浮力F飯足夠小時，可認為4?。，根據Pm工作點通A電流的相位就可求得懸浮電流的相位。
[0022]二分逐次逼近法確定懸浮電流的相位的流程圖如圖5所示，設X軸向(或y軸向)驅動單元A、C (或B、D)相對定子磁場的初始相位為Swq , t.&為驅動單元通電后在X軸向
(或y軸向)運動引起的相位差，1、1、為各次通電電流的初始相位，4為懸浮力的絕
對值最大時通電電流的初始相位，則懸浮電流相位3可通過如下步驟確定:
I)根據壓力傳感器4初始測量值計算出動子2自重所產生的壓力;設定允許偏差值
為。通電電流幅值為4 ;^A5= 0° = O0-^v=ISO0 ；2)給驅動單元通入電流I= ^iCosd+A0),測量動子2產生的壓力V可得懸浮力Fm = F - F。.3)判斷是否成立:
a.若成立:
【權利要求】
1.一種基于壓力傳感器組的磁懸浮永磁平面電機起浮方法，所述磁懸浮永磁平面電機由定子和動子組成，定子為永磁陣列，動子為線圈陣列，線圈陣列包含產生X軸向和y軸向水平推力的驅動單元，其特征是包括以下步驟: 以下步驟中:4為通電電流幅值，^ H為各次通電電流的初始相位，力設定的允許偏差值，之為懸浮力的絕對值最大時通電電流的初始相位，AS為驅動單元通電后在X軸向或y軸向運動引起的相位差，為驅動單元相對定子磁場的初始相位； 1)在動子底面上設4個壓力傳感器，各壓力傳感器的輸出信號經信號調理電路處理后送入微處理器，微處理器根據壓力傳感器初始測量值計算出動子自重所產生的壓力^ 2)給驅動單元通入電流；=Imcos(^ + A5),根據壓力傳感器測量動子產生的此時壓力"可得懸浮力4; 3)判斷|ig是否成立:f是設定的允許偏差值，若成立，則豸=C -90° ,轉入7)，若不成立，則給驅動單元通入電流； =約，測量此時動子產生的壓力,可得懸浮力1^ = F - F0 ； 4)取1= (1+1)/2 ,給驅動單元通入電流j = 4coSd+A5)，測量此時動子產生的壓力F，可得懸浮力巧 = F -? ; 5)判斷|iL|是否成立，若成立則式=匕-90°，轉入7)，若不成立則轉入6)； 6)判斷圪I< 0是否成立，若成立則圮=I ,轉入4);若不成立則^ = I，轉入4); 7)給驅動單元通入電流:=/sc0S(或+A的，測量此時動子產生的壓力v可得懸浮力Fs: F-4 ;判斷巧>0是否成立，若成立，則懸浮電流相位g + 若不成立，則懸浮電流相位死=硨+ A0-180° ,此時，懸浮電流相位芑即等于見。與之和，根據懸浮電流相位4給線圈陣列通入相應的電流產生所需懸浮力。
2.根據權利要求1所述一種基于壓力傳感器組的磁懸浮永磁平面電機起浮方法，其特征是:線圈陣列包含4個驅動單元，每個驅動單元由三個線圈組成，4個驅動單元兩兩對角布置，對角布置的兩個驅動單元產生X軸向或y軸向水平推力。
3.根據權利要求2所述一種基于壓力傳感器組的磁懸浮永磁平面電機起浮方法，其特征是:4個壓力傳感器兩兩對角地布置在四個角上。
【文檔編號】H02N15/00GK103633884SQ201310626553
【公開日】2014年3月12日 申請日期:2013年12月2日 優先權日:2013年12月2日
【發明者】張新華, 駱浩, 孫玉坤, 胡金春, 趙文祥 申請人:江蘇大學