CN102607388B - 平面电机动子位移测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种平面电机动子位移测量装置及方法，所述方法是在平面电机动子上处于定子磁钢阵列形成的正弦磁场区域沿磁场两个互相垂直的运动方向在一个磁场极距τ内分别均匀布置两组磁通密度传感器，将四组传感器的采样信号分别经过信号处理电路作倍频运算，得到四个细分信号，再检测四个细分信号的过零点，生成两组正交脉冲信号，分别对两组正交脉冲信号的脉冲进行计数，并分别检测两组正交脉冲信号的相位差。本发明根据平面电机自身的磁场信息，将磁场空间周期τ细分，实现大行程高精度平面电机动子的位移测量。本发明可解决由于位移测量大行程高精度要求带来的计算方法复杂或硬件安装不便和测量装置总费用昂贵的问题。

Description

平面电机动子位移测量装置及方法

技术领域

本发明涉及一种具有正弦磁场模型的等一类平面电机的动子位移测量装置及方法，特别涉及一种大行程高分辨率的细分位移测量装置及算法。

背景技术

在二维定位加工装置特别是现代半导体微细加工装备和其他超精密加工设备中，高精密运动通常由平面电机实现。由于平面电机具有反应快、灵敏度高和结构简单等优点，在学术界和工业界均受到广泛关注。专利201110045692.8，专利200910029368.X，专利200910088894.3详细描述了几种不同结构的平面电机。

目前，平面电机的动子位置检测常采用光栅、激光干涉仪等光学测量方法。专利200880111964.6中利用二维光栅进行平面电机的运动测量，需要在平面电机上安装面积较大的平面光栅来产生带有位移信息的光信号与光传感器进行通信，使用环境要求较高，需防止光栅尺面被污染；专利201110040403.5采用光栅传感器进行两个方向的运动位置检测，每个运动方向均需安装满足量程要求的主尺与相应读数头来产生莫尔条纹信号或其他类型的带有位移信息的光信号，使用环境要求也较高；专利200910029828.9采用激光位置传感器，通过激光三角测量法或回波分析原理实现平面电机运动测量，测量精度受环境影响较大，大行程难以保证高精度，信号处理很难同时保证简单快速。

因此，一种既能降低传感器安装的复杂性，又能同时实现大行程高精度、信号处理简单快速的平面电机动子位移测量方法亟待提出。

发明内容

本发明的目的在于提供一种平面电机动子位移的测量装置及方法，利用电机本身的磁场，实现电机动子的平面两自由度大行程高精度位移测量，并可直接输出工业上常用的正交编码信号。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种平面电机动子位移测量装置，所述平面电机为动圈式平面电机包括定子和在定子上的动子，定子包括磁钢阵列，动子下表面设置有线圈阵列；所述位移测量装置包括探头、两组正弦传感器、两组余弦传感器、信号传导线和信号处理电路；所述探头安装在动子边缘处于动圈式平面电机定子磁钢阵列形成的正弦磁场区域；所述两组正弦传感器包括x方向正弦传感器组和y方向正弦传感器组，所述两组余弦传感器包括x方向余弦传感器组和y方向余弦传感器组；所述探头上以如下方式布置传感器：首先在探头上布置一个传感器作为基准传感器，沿x方向在一个磁场极距τ内均匀布置包括基准传感器在内共m_y个传感器，构成y方向正弦传感器组；以所述基准传感器为第一个传感器沿y方向在一个磁场极距τ内均匀布置包括基准传感器在内共m_x个传感器，构成x方向正弦传感器组；以在y方向上与所述基准传感器距离τ/4处起，沿x方向在一个磁场极距τ内均匀布置m_y个传感器，构成y方向余弦传感器组；以在x方向上与所述基准传感器距离τ/4处起，沿y方向在一个磁场极距τ内均匀布置m_x个传感器，构成x方向余弦传感器组，其中m_x＝2，3，4，...，m_y＝2，3，4，...；所述信号处理电路通过信号传导线与探头的输出端相连；所述信号处理电路包括模拟信号处理单元和数字信号处理单元；所述的磁场极距τ为平面电机正弦磁场的空间周期。

一种动圈式平面电机动子位移的测量方法，所述方法包括：

1)将所述的x方向正弦传感器组的采样信号、所述的x方向余弦传感器组的采样信号、所述的y方向正弦传感器组的采样信号以及所述的y方向余弦传感器组的采样信号通过信号处理电路的模拟信号处理单元处理，分别得到x向正弦测量信号S_X0、x向余弦测量信号C_X0、y向正弦测量信号S_Y0以及y向余弦测量信号C_Y0；

2)通过信号处理电路的数字信号处理单元将x向正弦测量信号S_X0和x向余弦测量信号C_X0作n_X次倍频运算：

S_X1＝2*S_X0*C_X0，C_X1＝C_X0*C_X0-S_X0*S_X0，

S_X2＝2*S_X1*C_X1，C_X2＝C_X1*C_X1-S_X1*S_X1，

...，

$S_{{\mathrm{Xn}}_X}=2*S_{X,n_X-1}*C_{X,n_X-1},C_{{\mathrm{Xn}}_X}=C_{X,n_X-1}*C_{X,n_X-1}-S_{X,n_X-1}*S_{X,n_X-1}$

得到x向正弦细分信号和x向余弦细分信号其中：S_X1、C_X1、S_X2、C_X2…和为中间变量，n_X＝1，2，3，...，同时通过信号处理电路将所述y向正弦测量信号S_Y0和y向余弦测量信号C_Y0作n_Y次倍频运算：

S_Y1＝2*S_Y0*C_Y0，C_Y1＝C_Y0*C_Y0-S_Y0*S_Y0，

S_Y2＝2*S_Y1*C_Y1，C_Y2＝C_Y1*C_Y1-S_Y1*S_Y1，

...，

$S_{{\mathrm{Yn}}_Y}=2*S_{Y,n_Y-1}*C_{Y,n_Y-1},C_{{\mathrm{Yn}}_Y}=C_{Y,n_Y-1}*C_{Y,n_Y-1}-S_{Y,n_Y-1}*S_{Y,n_Y-1}$

得到y向正弦细分信号和y向余弦细分信号其中：S_Y1、C_Y1、S_Y2、C_Y2…和为中间变量，n_Y＝1，2，3，...；

3)通过信号处理电路的数字信号处理单元分别检测步骤2)中的x向正弦细分信号和x向余弦细分信号的过零点，生成一组x向正交脉冲信号：x向正弦脉冲信号A_X和x向余弦脉冲信号B_X，同时分别检测步骤2)中的y向正弦细分信号和y向余弦细分信号过零点，生成一组y向正交脉冲信号：y向正弦脉冲信号A_Y和y向余弦脉冲信号B_Y；

4)所述x向正弦细分信号则所述x向正弦脉冲信号A_X输出高电平，所述x向正弦细分信号则所述x向正弦脉冲信号A_X输出低电平，所述x向正弦细分信号则所述x向正弦脉冲信号A_X输出不变，所述x向余弦细分信号则所述x向余弦脉冲信号B_X输出高电平，所述x向余弦细分信号则所述x向余弦脉冲信号B_X输出低电平，所述x向余弦细分信号则所述x向余弦脉冲信号B_X输出不变；

5)所述y向正弦细分信号则所述y向正弦脉冲信号A_Y输出高电平，所述y向正弦细分信号则所述y向正弦脉冲信号A_Y输出低电平，所述y向正弦细分信号则所述y向正弦脉冲信号A_Y输出不变，所述y向余弦细分信号则所述y向余弦脉冲信号B_Y输出高电平，所述y向余弦细分信号则所述y向余弦脉冲信号B_Y输出低电平，所述y向余弦细分信号则所述y向余弦脉冲信号B_Y输出不变；

6)通过信号处理电路的数字信号处理单元对步骤3)中的x向正弦脉冲信号A_X或x向余弦脉冲信号B_X的脉冲进行计数，并检测所述x向正弦脉冲信号A_X和所述x向余弦脉冲信号B_X的相位差，以所述x向正弦脉冲信号A_X或所述x向余弦脉冲信号B_X的一个脉冲代表一个x方向位移分辨率进行计算，n_X＝1，2，3，...，所述x向正弦脉冲信号A_X的相位落后于所述x向余弦脉冲信号B_X的相位表示正向位移，所述x向正弦脉冲信号A_X的相位提前于所述x向余弦脉冲信号B_X的相位表示反向位移，以此测量平面电机动子在x方向的位移；

7)通过信号处理电路的数字信号处理单元对步骤3)中的y向正弦脉冲信号A_Y或y向余弦脉冲信号B_Y的脉冲进行计数，并检测所述y向正弦脉冲信号A_Y和所述y向余弦脉冲信号B_Y的相位差，以所述y向正弦脉冲信号A_Y或所述y向余弦脉冲信号B_Y的一个脉冲代表一个y方向位移分辨率进行计算，n_Y＝1，2，3，...，所述y向正弦脉冲信号A_Y的相位落后于所述y向余弦脉冲信号B_Y的相位表示正向位移，所述y向正弦脉冲信号A_Y的相位提前于所述y向余弦脉冲信号B_Y的相位表示反向位移，以此测量平面电机动子在y方向的位移。

本发明的技术特征在于，所述n_X的确定方法如下：

设B_XM为所述平面电机定子磁钢阵列形成的正弦磁场在x方向的磁感应强度幅值，v_x为x方向传感器测量噪声，则x方向的最大倍频运算次数为

所述n_Y的确定方法如下：

设B_YM为所述平面电机定子磁钢阵列形成的正弦磁场在y方向的磁感应强度幅值，v_y为y方向传感器测量噪声，则y方向的最大倍频运算次数为

本发明与现有技术相比，具有以下优点突出性效果：直接利用电机本身的正弦磁场，通过简单的减法乘法将磁场信号包含的位移信息解算出来，不涉及非线性函数的求解，算法简单快速，且不需配置产生包含位移信息信号的组件，极大地降低了成本，另外增大行程只需增大定子尺寸，不影响位移分辨率，可同时实现大行程和高精度的平面电机动子位移测量。

附图说明

图1是本发明的位移测量装置的整体结构示意图。

图2是本发明以m_x＝m_y＝4为例的探头从下往上的仰视图。

图3a、3b是本发明以n_X＝4为例的x向正余弦测量信号、x向正余弦细分信号和x向正余弦脉冲信号的波形示意图。

图4a、4b是本发明测量过程中动子位移的两组正交脉冲信号示意图。

附图中的主要标号有：

1    定子                        7     信号处理电路

2    磁钢阵列                    8     x方向正弦传感器组

3    动子                        9     x方向余弦传感器组

4    线圈阵列                    10    y方向正弦传感器组

5    探头                        11    y方向余弦传感器组

6    信号传导线                  12    基准传感器

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施方式作进一步详细描述。

参考图1、2，本发明所述平面电机为动圈式平面电机包括定子1和在定子1上的动子3，所述定子1包括磁钢阵列2，所述动子3下表面设置有线圈阵列4；所述位移测量装置包括探头5、两组正弦传感器、两组余弦传感器、信号传导线6和信号处理电路7；所述探头5安装在动子3边缘处于动圈式平面电机定子磁钢阵列形成的正弦磁场区域；所述两组正弦传感器包括x方向正弦传感器组8和y方向正弦传感器组10，所述两组余弦传感器包括x方向余弦传感器组9和y方向余弦传感器组11；所述探头5上以如下方式布置传感器：首先在探头5上布置一个传感器作为基准传感器12，沿x方向在一个磁场极距τ内均匀布置包括基准传感器12在内共m_y个传感器，构成y方向正弦传感器组；以所述基准传感器12为第一个传感器沿y方向在一个磁场极距τ内均匀布置包括基准传感器12在内共m_x个传感器，构成x方向正弦传感器组；以在y方向上与所述基准传感器12距离τ/4处起，沿x方向在一个磁场极距τ内均匀布置m_y个传感器，构成y方向余弦传感器组；以在x方向上与所述基准传感器12距离τ/4处起，沿y方向在一个磁场极距τ内均匀布置m_x个传感器，构成x方向余弦传感器组，其中m_x＝2，3，4，...，m_y＝2，3，4，...；所述信号处理电路7通过信号传导线6与探头5的输出端相连；所述信号处理电路7包括模拟信号处理单元和数字信号处理单元；所述的磁场极距τ为平面电机正弦磁场的空间周期。

参考图3a、3b，以动子3沿x方向匀速运动为例，分别演示n_X＝4情况下动子运动过程中x向正弦测量信号S_X0、x向正弦细分信号S_X4、x向正弦脉冲信号A_X的波形，和x向余弦测量信号C_X0、x向余弦细分信号C_X4、x向余弦脉冲信号B_X的波形。

参考图4a、4b，分别演示采用x正弦脉冲信号A_X和x向余弦脉冲信号B_X进行x方向位移的测量，以及采用y向正弦脉冲信号A_Y和y向余弦脉冲信号B_Y进行y方向位移的测量。

本发明所述平面电机动子位移测量方法包括如下步骤：

1)将所述的x方向正弦传感器组的采样信号、所述的x方向余弦传感器组的采样信号、所述的y方向正弦传感器组的采样信号以及所述的y方向余弦传感器组的采样信号通过信号处理电路的模拟信号处理单元处理，分别得到x向正弦测量信号S_X0、x向余弦测量信号C_X0、y向正弦测量信号S_Y0以及y向余弦测量信号C_Y0；

2)通过信号处理电路的数字信号处理单元将x向正弦测量信号S_X0和x向余弦测量信号C_X0作n_X次倍频运算：

S_X1＝2*S_X0*C_X0，C_X1＝C_X0*C_X0-S_X0*S_X0，

S_X2＝2*S_X1*C_X1，C_X2＝C_X1*C_X1-S_X1*S_X1，

...，

$S_{{\mathrm{Xn}}_X}=2*S_{X,n_X-1}*C_{X,n_X-1},C_{{\mathrm{Xn}}_X}=C_{X,n_X-1}*C_{X,n_X-1}-S_{X,n_X-1}*S_{X,n_X-1}$

得到x向正弦细分信号和x向余弦细分信号其中：S_X1、C_X1、S_X2、C_X2…和为中间变量，n_X＝1，2，3，...，

同时通过信号处理电路将所述y向正弦测量信号S_Y0和y向余弦测量信号C_Y0作n_Y次倍频运算：

S_Y1＝2*S_Y0*C_Y0，C_Y1＝C_Y0*C_Y0-S_Y0*S_Y0，

S_Y2＝2*S_Y1*C_Y1，C_Y2＝C_Y1*C_Y1-S_Y1*S_Y1，

...，

$S_{{\mathrm{Yn}}_Y}=2*S_{Y,n_Y-1}*C_{Y,n_Y-1},C_{{\mathrm{Yn}}_Y}=C_{Y,n_Y-1}*C_{Y,n_Y-1}-S_{Y,n_Y-1}*S_{Y,n_Y-1}$

得到y向正弦细分信号和y向余弦细分信号其中：S_Y1、C_Y1、S_Y2、C_Y2…和为中间变量，n_Y＝1，2，3，...；

3)通过信号处理电路的数字信号处理单元分别检测步骤2)中的x向正弦细分信号和x向余弦细分信号的过零点，生成一组x向正交脉冲信号：x向正弦脉冲信号A_X和x向余弦脉冲信号B_X；同时分别检测步骤2)中的y向正弦细分信号和y向余弦细分信号的过零点，生成一组y向正交脉冲信号：y向正弦脉冲信号A_Y和y向余弦脉冲信号B_Y；

4)所述x向正弦细分信号则所述x向正弦脉冲信号A_X输出高电平；所述x向正弦细分信号则所述x向正弦脉冲信号A_X输出低电平；所述x向正弦细分信号则所述x向正弦脉冲信号A_X输出不变；所述x向余弦细分信号则所述x向余弦脉冲信号B_X输出高电平；所述x向余弦细分信号则所述x向余弦脉冲信号B_X输出低电平；所述x向余弦细分信号则所述x向余弦脉冲信号B_X输出不变；

5)所述y向正弦细分信号则所述y向正弦脉冲信号A_Y输出高电平，所述y向正弦细分信号则所述y向正弦脉冲信号A_Y输出低电平，所述y向正弦细分信号则所述y向正弦脉冲信号A_Y输出不变，所述y向余弦细分信号则所述y向余弦脉冲信号B_Y输出高电平，所述y向余弦细分信号则所述y向余弦脉冲信号B_Y输出低电平，所述y向余弦细分信号则所述y向余弦脉冲信号B_Y输出不变；

6)通过信号处理电路的数字信号处理单元对步骤3)中的x向正弦脉冲信号A_X或x向余弦脉冲信号B_X的脉冲进行计数，并检测所述x向正弦脉冲信号A_X和所述x向余弦脉冲信号B_X的相位差，以所述x向正弦脉冲信号A_X或所述x向余弦脉冲信号B_X的一个脉冲代表一个x方向位移分辨率进行计算，n_X＝1，2，3，...，所述x向正弦脉冲信号A_X的相位落后于所述x向余弦脉冲信号B_X的相位表示正向位移，所述x向正弦脉冲信号A_X的相位提前于所述x向余弦脉冲信号B_X的相位表示反向位移，以此测量平面电机动子在x方向的位移；

7)通过信号处理电路的数字信号处理单元对步骤3)中的y向正弦脉冲信号A_Y或y向余弦脉冲信号B_Y的脉冲进行计数，并检测所述y向正弦脉冲信号A_Y和所述y向余弦脉冲信号B_Y的相位差，以所述y向正弦脉冲信号A_Y或所述y向余弦脉冲信号B_Y的一个脉冲代表一个y方向位移分辨率进行计算，n_Y＝1，2，3，...，所述y向正弦脉冲信号A_Y的相位落后于所述y向余弦脉冲信号B_Y的相位表示正向位移，所述y向正弦脉冲信号A_Y的相位提前于所述y向余弦脉冲信号B_Y的相位表示反向位移，以此测量平面电机动子在y方向的位移。

步骤2)中所述的n_X的确定方法如下：

设B_XM为所述平面电机定子磁钢阵列形成的正弦磁场在x方向的磁感应强度幅值，v_x为x方向传感器测量噪声，则x方向的最大倍频运算次数为

步骤2)中所述n_Y的确定方法如下：

设B_YM为所述平面电机定子磁钢阵列形成的正弦磁场在y方向的磁感应强度幅值，v_y为y方向传感器测量噪声，则y方向的最大倍频运算次数为

实施例：

以m_x＝m_y＝4、磁场极距τ＝35.35mm为例，根据最大空间倍频运算次数计算公式，选择n_X＝n_Y＝4，实施本发明所述装置及方法。

所述装置参考图1，本发明所述平面电机为动圈式平面电机包括定子1和在定子1上的动子3，所述定子1包括磁钢阵列2，所述动子3下表面设置有线圈阵列4；所述位移测量装置包括探头5、两组正弦传感器、两组余弦传感器、信号传导线6和信号处理电路7；所述探头5安装在动子3边缘处于动圈式平面电机定子磁钢阵列形成的正弦磁场区域；所述两组正弦传感器包括x方向正弦传感器组8和y方向正弦传感器组10，所述两组余弦传感器包括x方向余弦传感器组9和y方向余弦传感器组11；在动子边缘处于动圈式平面电机定子磁钢阵列形成的正弦磁场区域安装一个探头5，参考图2，探头5上以如下方式布置传感器：首先在探头5上布置一个传感器作为基准传感器12，沿磁场其中一个极距τ方向即x方向每隔τ/4距离布置一个传感器，包括基准传感器共4个传感器，构成y方向正弦传感器组；以所述的基准传感器为第一个传感器沿磁场的另一个极距τ方向即y方向每隔τ/4距离布置一个传感器共4个传感器，构成x方向正弦传感器组；以在y方向上与所述基准传感器12距离τ/4处起，沿x方向每隔τ/4距离布置一个传感器共4个传感器，构成y方向余弦传感器组；以在x方向上与所述基准传感器12距离τ/4处起，沿y方向每隔τ/4距离布置一个传感器共4个传感器，构成x组余弦传感器；其中τ/4为8.8375mm。

所述方法包括：

1)将所述的x方向正弦传感器组的采样信号、所述的x方向余弦传感器组的采样信号、所述的y方向正弦传感器组的采样信号以及所述的y方向余弦传感器组的采样信号通过信号处理电路的模拟信号处理单元处理，分别得到x向正弦测量信号S_X0、x向余弦测量信号C_X0、y向正弦测量信号S_Y0以及y向余弦测量信号C_Y0；

2)通过信号处理电路的数字信号处理单元将所述的x向正弦测量信号S_X0和x向余弦测量信号C_X0作n_X＝4次倍频运算，即2⁴次细分运算：

S_X1＝2*S_X0*C_X0，C_X1＝C_X0*C_X0-S_X0*S_X0，

S_X2＝2*S_X1*C_X1，C_X2＝C_X1*C_X1-S_X1*S_X1，

S_X3＝2*S_X2*C_X2，C_X3＝C_X2*C_X2-S_X2*S_X2，

S_X4＝2*S_X3*C_X3，C_X4＝C_X3*C_X3-S_X3*S_X3，

得到x向正弦细分信号S_X4和x向余弦细分信号C_X4，其中：S_X1、C_X1、S_X2、C_X2、S_X3和C_X3为中间变量，同时通过信号处理电路将所述y向正弦测量信号S_Y0和y向余弦测量信号C_Y0作n_Y＝4次倍频运算，即2⁴次细分运算：

S_Y1＝2*S_Y0*C_Y0，C_Y1＝C_Y0*C_Y0-S_Y0*S_Y0，

S_Y2＝2*S_Y1*C_Y1，C_Y2＝C_Y1*C_Y1-S_Y1*S_Y1，

S_Y3＝2*S_Y2*C_Y2，C_Y3＝C_Y2*C_Y2-S_Y2*S_Y2，

S_Y4＝2*S_Y3*C_Y3，C_Y4＝C_Y3*C_Y3-S_Y3*S_Y3，

得到y向正弦细分信号S_Y4和y向余弦细分信号C_Y4，其中S_Y1、C_Y1、S_Y2、C_Y2、S_Y3和C_Y3为中间变量；

3)通过信号处理电路的数字信号处理单元分别检测x向正弦细分信号S_X8和x向余弦细分信号C_X8的过零点，生成一组x向正交脉冲信号：x向正弦脉冲信号A_X和x向余弦脉冲信号B_X，同时分别检测y向正弦细分信号S_Y8和y向余弦细分信号C_Y8的过零点，生成一组y向正交脉冲信号：y向正弦脉冲信号A_Y和y向余弦脉冲信号B_Y；

4)参考图3a、3b，所述的x向正弦细分信号S_X8＞0，则x向正弦脉冲信号A_X输出高电平，x向正弦细分信号S_X8＜0，则x向正弦脉冲信号A_X输出低电平，x向正弦细分信号S_X8＝0，则x向正弦脉冲信号A_X输出不变，x向余弦细分信号C_X8＞0，则x向余弦脉冲信号B_X输出高电平，x向余弦细分信号C_X8＜0，则x向余弦脉冲信号B_X输出低电平，x向余弦细分信号C_X8＝0，则x向余弦脉冲信号B_X输出不变；

5)所述的y向正弦细分信号S_Y8＞0，则y向正弦脉冲信号A_Y输出高电平，y向正弦细分信号S_Y8＜0，则y向正弦脉冲信号A_Y输出低电平，y向正弦细分信号S_Y8＝0，则y向正弦脉冲信号A_Y输出不变，y向余弦细分信号C_Y8＞0，则y向余弦脉冲信号B_Y输出高电平，y向余弦细分信号C_Y8＜0，则y向余弦脉冲信号B_Y输出低电平，y向余弦细分信号C_Y8＝0，则y向余弦脉冲信号B_Y输出不变；

6)参考图4a，通过信号处理电路的数字信号处理单元对x向余弦脉冲信号B_X的脉冲进行计数，t时刻相对于0时刻的脉冲数为4，代表的位移长度，且x向正弦脉冲信号A_X的相位提前于x向余弦脉冲信号B_X的相位表示反向位移，故图4a中t时刻相对于0时刻的x方向位移为-0.5523mm；

如图4b，通过信号处理电路的数字信号处理单元对y向正弦脉冲信号A_Y的脉冲进行计数，t时刻相对于0时刻的脉冲数为3，代表的位移长度，且y向正弦脉冲信号A_Y的相位落后于y向余弦脉冲信号B_Y的相位表示正向位移，故图4b中t时刻相对于0时刻的y方向位移为+0.4143mm。

通过上述步骤，在保证能够检测所述过零点的情况下，只要通过简单的减法乘法运算就可提取出磁场信号中的位移信息，不需安装费用昂贵的用于产生包含位移信息信号的组件，方便了硬件安装，降低了成本，保障实现大行程高精度平面电机动子位移测量。

以上公开了本发明的较佳实施例，在不背离权利要求书中公开的本发明的范围的情况下，任何各种修改、添加和替换均属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种平面电机动子位移测量装置，所述平面电机为动圈式平面电机包括定子(1)和在定子(1)上的动子(3)，所述定子(1)包括磁钢阵列(2)，所述动子(3)下表面设置有线圈阵列(4)，其特征在于:所述位移测量装置包括探头(5)、两组正弦传感器、两组余弦传感器、信号传导线(6)和信号处理电路(7)；所述探头(5)安装在动子(3)边缘处于动圈式平面电机定子磁钢阵列形成的正弦磁场区域；所述两组正弦传感器包括x方向正弦传感器组(8)和y方向正弦传感器组（10），所述两组余弦传感器包括x方向余弦传感器组（9）和y方向余弦传感器组(11)；所述探头(5)上以如下方式布置传感器：首先在探头（5）上布置一个传感器作为基准传感器(12)，沿x方向在一个磁场极距τ内均匀布置包括基准传感器(12)在内共m_y个传感器，构成y方向正弦传感器组；以所述基准传感器(12)为第一个传感器沿y方向在一个磁场极距τ内均匀布置包括基准传感器(12)在内共m_x个传感器，构成x方向正弦传感器组；以在y方向上与所述基准传感器(12)距离τ/4处起，沿x方向在一个磁场极距τ内均匀布置m_y个传感器，构成y方向余弦传感器组；以在x方向上与所述基准传感器(12)距离τ/4处起，沿y方向在一个磁场极距τ内均匀布置m_x个传感器，构成x方向余弦传感器组，其中m_x=2,3,4,...，m_y=2,3,4,...；所述信号处理电路(7)通过信号传导线(6)与探头(5)的输出端相连；所述信号处理电路(7)包括模拟信号处理单元和数字信号处理单元；所述的磁场极距τ为平面电机正弦磁场的空间周期。

2.一种采用如权利要求1所述装置的平面电机动子位移测量方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：

1）将所述的x方向正弦传感器组的采样信号、所述的x方向余弦传感器组的采样信号、所述的y方向正弦传感器组的采样信号以及所述的y方向余弦传感器组的采样信号通过信号处理电路的模拟信号处理单元处理，分别得到x向正弦测量信号S_X0、x向余弦测量信号C_X0、y向正弦测量信号S_Y0以及y向余弦测量信号C_Y0；

2）通过信号处理电路的数字信号处理单元将x向正弦测量信号S_X0和x向余弦测量信号C_X0作n_X次倍频运算：

S_X1=2*S_X0*C_X0，C_X1=C_X0*C_X0-S_X0*S_X0,

S_X2=2*S_X1*C_X1，C_X2=C_X1*C_X1-S_X1*S_X1,

...,

$S_{{\mathrm{Xn}}_X}=2*S_{{X,n}_X-1}*C_{{X,n}_X-1},C_{{\mathrm{Xn}}_X}=C_{{X,n}_X-1}*C_{{X,n}_X-1}-S_{{X,n}_X-1}*S_{{X,n}_X-1}$

得到x向正弦细分信号和x向余弦细分信号其中：S_X1、C_X1、S_X2、C_X2…和为中间变量，n_X=1,2,3,...，

同时通过信号处理电路将所述y向正弦测量信号S_Y0和y向余弦测量信号C_Y0作n_Y次倍频运算：

S_Y1=2*S_Y0*C_Y0，C_Y1=C_Y0*C_Y0-S_Y0*S_Y0,

S_Y2=2*S_Y1*C_Y1，C_Y2=C_Y1*C_Y1-S_Y1*S_Y1,

...,

$S_{{\mathrm{Yn}}_Y}=2*S_{{Y,n}_Y-1}*C_{{Y,n}_Y-1},C_{{\mathrm{Yn}}_Y}=C_{{Y,n}_Y-1}*C_{Y{,n}_Y-1}-S_{{Y,n}_Y-1}*S_{{Y,n}_Y-1}$

得到y向正弦细分信号和y向余弦细分信号其中：S_Y1、C_Y1、S_Y2、C_Y2…和为中间变量，n_Y=1,2,3,...；

3）通过信号处理电路的数字信号处理单元分别检测步骤2）中的x向正弦细分信号和x向余弦细分信号的过零点，生成一组x向正交脉冲信号：x向正弦脉冲信号A_X和x向余弦脉冲信号B_X；同时分别检测步骤2）中的y向正弦细分信号和y向余弦细分信号的过零点，生成一组y向正交脉冲信号：y向正弦脉冲信号A_Y和y向余弦脉冲信号B_Y；

4）所述x向正弦细分信号则所述x向正弦脉冲信号A_X输出高电平；所述x向正弦细分信号则所述x向正弦脉冲信号A_X输出低电平；所述x向正弦细分信号则所述x向正弦脉冲信号A_X输出不变；所述x向余弦细分信号则所述x向余弦脉冲信号B_X输出高电平；所述x向余弦细分信号则所述x向余弦脉冲信号B_X输出低电平；所述x向余弦细分信号则所述x向余弦脉冲信号B_X输出不变；

5）所述y向正弦细分信号则所述y向正弦脉冲信号A_Y输出高电平，所述y向正弦细分信号则所述y向正弦脉冲信号A_Y输出低电平，所述y向正弦细分信号则所述y向正弦脉冲信号A_Y输出不变，所述y向余弦细分信号则所述y向余弦脉冲信号B_Y输出高电平，所述y向余弦细分信号则所述y向余弦脉冲信号B_Y输出低电平,所述y向余弦细分信号则所述y向余弦脉冲信号B_Y输出不变；

6）通过信号处理电路的数字信号处理单元对步骤3)中的x向正弦脉冲信号A_X或x向余弦脉冲信号B_X的脉冲进行计数，并检测所述x向正弦脉冲信号A_X和所述x向余弦脉冲信号B_X的相位差，以所述x向正弦脉冲信号A_X或所述x向余弦脉冲信号B_X的一个脉冲代表一个x方向位移分辨率进行计算，n_X=1,2,3,...,所述x向正弦脉冲信号A_X的相位落后于所述x向余弦脉冲信号B_X的相位表示正向位移，所述x向正弦脉冲信号A_X的相位提前于所述x向余弦脉冲信号B_X的相位表示反向位移，以此测量平面电机动子在x方向的位移；

7）通过信号处理电路的数字信号处理单元对步骤3)中的y向正弦脉冲信号A_Y或y向余弦脉冲信号B_Y的脉冲进行计数，并检测所述y向正弦脉冲信号A_Y和所述y向余弦脉冲信号B_Y的相位差，以所述y向正弦脉冲信号A_Y或所述y向余弦脉冲信号B_Y的一个脉冲代表一个y方向位移分辨率进行计算，n_Y=1,2,3,...，所述y向正弦脉冲信号A_Y的相位落后于所述y向余弦脉冲信号B_Y的相位表示正向位移，所述y向正弦脉冲信号A_Y的相位提前于所述y向余弦脉冲信号B_Y的相位表示反向位移，以此测量平面电机动子在y方向的位移；

步骤2）中所述的n_X的确定方法如下：

设B_XM为所述平面电机定子磁钢阵列形成的正弦磁场在x方向的磁感应强度幅值，v_x为x方向传感器测量噪声，则x方向的最大倍频运算次数为

步骤2）中所述n_Y的确定方法如下：

设B_YM为所述平面电机定子磁钢阵列形成的正弦磁场在y方向的磁感应强度幅值，v_y为y方向传感器测量噪声，则y方向的最大倍频运算次数为