专利名称：一种采用开关霍尔阵列的永磁平面电机寻相检测方法
技术领域：
本发明涉及一种永磁平面电机寻相方法，特别涉及一种利用开关霍尔阵列确定永
磁平面电机的线圈电流换相点的测量方法。
背景技术：
随着先进制造业的快速发展，高精度定位平台技术得到了深入的研究和发展，在 半导体产业、微立体光刻、纳米工作台、高精度绘图仪等领域具有广阔的应用前景，其中最 重要的应用是半导体产业中的高精度光刻定位平台。现代精密、超精密加工装备对高响应、 高速度、高精度的平面驱动装置有着波切的需求。最初的平面驱动装置是由两台直接驱动 的直线电机来实现的，采用层叠驱动结构，这种结构增加了传动系统的复杂性，从本质上没 有摆脱低维运动机构叠加形成高维运动机构的模式。对于底层的直线电机，要承载上层直 线电机及其相关机械部件的总质量，从而严重影响了定位和控制精确度。而直接利用电磁 力产生平面运动的平面电机，具有出力密度高、低热耗、高速度和高可靠性的特点，因省去 了直线运动到平面运动的中间转换装置，可把控制对象同电机做成一体化结构，具有反应 快、灵敏度高、随动性好及结构简单等优点。 随着先进制造业的技术发展，光刻机等一些精密控制设备需要在一个近似平面的 空间范围内进行精密运动控制。因此，平面电机在二维平面定位加工装置特别是现代半导 体微细加工装备和其它超精密加工设备中具有广阔的应用前景。 永磁平面电机电磁力直接驱动是一种通过预先设定方向和电磁力直接驱动以形 成平面内的二维运动。 一个驱动单元由两个以上线圈组成，在确定线圈和永磁阵列的相对 位置的情况下通入特定大小的电流即可控制电磁力的大小和方向，使永磁平面电机动子产 生相应方向的运动。驱动单元和永磁阵列的相对位置测量一般是利用光栅尺等增量式位置 传感器，这样无法确定驱动单元线圈的换相点(线圈中电流过零点对应的线圈和永磁阵列 的位置)，即无法确定线圈和永磁阵列的初始位置的相位关系。本发明即为对永磁平面电机 的驱动线圈在永磁阵列中的换相点进行测量的方法。采用开关霍尔传感器确定换相点，相 对采用线性霍尔传感器，电路处理简单，而且数字信号抗干扰能力强，无噪声积累。
发明内容
本发明的目的在于为永磁平面电机提供一种线圈的寻相检测方法，即对永磁平面 电机的驱动线圈在永磁阵列中的换相点进行测量，使霍尔阵列在垂直于对应线圈水平推力 方向上移动时产生的信号基本不变，在对应线圈水平推力方向上运动时0与1交替变化；进 而确定驱动线圈中电流过零点(换相点)时线圈和永磁阵列的位置关系。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是 —种采用开关霍尔阵列的永磁平面电机寻相检测方法，所述的永磁平面电机含有 永磁阵列和线圈阵列，所述的线圈阵列由两个以上驱动单元组成，每个驱动单元由两个以 上线圈组成，其特征在于该方法包括如下步骤
a.每个线圈对应一个霍尔阵列，且霍尔阵列与该线圈所在驱动单元的水平出力方 向垂直放置，所述霍尔阵列由M个(M^3且为奇数)开关霍尔传感器组成，开关霍尔传感 器在偶数倍极距内等间隔分布； b.开关霍尔传感器平行永磁阵列放置，用于测量垂直于平面电机运动方向的磁通 密度分量；开关霍尔传感器测量的磁通密度大于零则输出l，开关霍尔传感器测量的磁通 密度小于零则输出0 ; c.将霍尔阵列的每个开关霍尔传感器的输出信号用微处理器采集相加后判断是 否大于M/2，若相加后大于M/2霍尔阵列输出信号1，若相加后小于M/2霍尔阵列输出信号 O，进而得到霍尔阵列的输出信号0或1 ; d.每个霍尔阵列的输出信号与所对应线圈的电流换向点存在一一对应关系，作为
电流换相的信号，从而实现永磁平面电机的电流过零点(换相点)检测。 本发明提供的另一种采用开关霍尔阵列的永磁平面电机寻相检测方法，所述的永
磁平面电机含有永磁阵列和线圈阵列，所述的线圈阵列由两个以上驱动单元组成，每个驱
动单元由两个以上线圈组成，且在相同的水平推力方向上至少有两个驱动单元，其特征在
于该方法包括如下步骤 a.水平推力方向相同且在水平推力方向上相差2N个极距p的线圈，对应一个霍尔 阵列，其中，N为等于零或大于零的整数；所述霍尔阵列由M个(M^3且为奇数)开关霍尔 传感器组成，开关霍尔传感器在偶数倍极距内等间隔分布； b.开关霍尔传感器平行永磁阵列放置，用于测量垂直于平面电机运动方向的磁通 密度分量；开关霍尔传感器测量的磁通密度大于零则输出l，开关霍尔传感器测量的磁通 密度小于零则输出0 ; c.将霍尔阵列的每个开关霍尔传感器的输出信号用微处理器采集相加后判断是 否大于M/2，若相加后大于M/2，则霍尔阵列输出信号l，若相加后小于M/2，则霍尔阵列输出 信号O，进而得到霍尔阵列的输出信号0或1 ; d.每个霍尔阵列的输出信号与所对应线圈的电流换向点存在一一对应关系，作为
电流换相的信号，从而实现永磁平面电机的电流过零点(换相点)检测。 上述技术方案中，所述的永磁平面电机为动圈式永磁平面电机或动铁式永磁平面
电机，所述线圈带铁芯或不带铁芯。 本发明具有以下优点及突出性效果本发明为永磁平面电机提供了一种线圈的寻 相方法，即为对永磁平面电机的驱动线圈在永磁阵列中的换相点进行测量的方法；使霍尔 阵列在垂直于对应线圈水平推力方向上移动时产生的信号基本不变，在对应线圈水平推力 方向上运动时输出信号0与1交替变化；进而确定驱动线圈中电流过零点(换相点)时线 圈和永磁阵列的位置关系，使永磁平面电机在二维内的寻相检测变成了两个一维寻相检测 的叠加，使平面寻相检测得以实现；从而有效解决了现有技术中利用光栅尺等增量式位置 传感器无法确定驱动单元线圈的换相点(线圈中电流过零点对应的线圈和永磁阵列的位 置)，即无法确定线圈和永磁阵列的初始位置相位关系的技术问题。采用开关霍尔传感器确 定换相点，相对采用线性霍尔传感器，电路处理简单，而且数字信号抗干扰能力强，无噪声 积累。
图1为本发明提供的一种采用开关霍尔阵列的永磁平面电机寻相检测方法实施 例的平面示意图。 图2为本发明中开关霍尔阵列与永磁阵列的位置关系图。
图3为图2的A-A截面图。 图4为在相同推力方向上两个驱动单元的一种线圈排列方式。
图5为另一种永磁平面电机动子平台结构。 图中l-永磁阵列；2-线圈阵列；3_驱动单元；4_线圈；5_霍尔阵列；6_水平推 力为X方向的线圈对应的霍尔阵列；7-水平推力为Y方向的线圈对应的霍尔阵列；11-Y方 向的第一驱动单元；12-Y方向的第二驱动单元；15-X方向的第一驱动单元；16-X方向的第 二驱动单元；15a-X方向的第一驱动单元的线圈；15b-X方向的第一驱动单元的线圈；15c-X 方向的第一驱动单元的线圈；16a-X方向的第二驱动单元的线圈；16b-X方向的第二驱动单 元的线圈；16c-X方向的第二驱动单元的线圈。
具体实施例方式
本发明提供的一种采用开关霍尔阵列的永磁平面电机寻相检测方法，所述的永磁 平面电机含有永磁阵列和线圈阵列，所述的线圈阵列由两个以上驱动单元组成，每个驱动 单元由两个以上线圈组成，其特征在于该方法包括如下步骤 a.每个线圈对应一个霍尔阵列，且霍尔阵列与该线圈所在驱动单元的水平出力方 向垂直放置，所述霍尔阵列由M个(M^3且为奇数)开关霍尔传感器组成，开关霍尔传感 器在偶数倍极距内等间隔分布； b.开关霍尔传感器平行永磁阵列放置，用于测量垂直于平面电机运动方向的磁通 密度分量；开关霍尔传感器测量的磁通密度大于零则输出l，开关霍尔传感器测量的磁通 密度小于零则输出0 ; c.将霍尔阵列的每个开关霍尔传感器的输出信号用微处理器采集相加后判断是 否大于M/2，若相加后大于M/2，则霍尔阵列输出信号l，若相加后小于M/2，则霍尔阵列输出 信号O，进而得到霍尔阵列的输出信号0或1 ; d.每个霍尔阵列的输出信号与所对应线圈的电流换向点存在一一对应关系，作为
电流换相的信号，从而实现永磁平面电机的电流过零点(换相点)检测。 本发明提供的另一种采用开关霍尔阵列的永磁平面电机寻相检测方法，所述的永
磁平面电机含有永磁阵列和线圈阵列，所述的线圈阵列由两个以上驱动单元组成，每个驱
动单元由两个以上线圈组成，且在相同的水平推力方向上至少有两个驱动单元，其特征在
于该方法包括如下步骤 a.水平推力方向相同且在水平推力方向上相差2N个极距p的线圈，对应一个霍尔 阵列，其中，N为等于零或大于零的整数；所述霍尔阵列由M个(M^3且为奇数)开关霍尔 传感器组成，开关霍尔传感器在偶数倍极距内等间隔分布； b.开关霍尔传感器平行永磁阵列放置，用于测量垂直于平面电机运动方向的磁通 密度分量；开关霍尔传感器测量的磁通密度大于零则输出l，开关霍尔传感器测量的磁通 密度小于零则输出0 ;
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c.将霍尔阵列的每个开关霍尔传感器的输出信号用微处理器采集相加后判断是 否大于M/2，若相加后大于M/2霍尔阵列输出信号1，若相加后小于M/2霍尔阵列输出信号 O，进而得到霍尔阵列的输出信号0或1 ; d.每个霍尔阵列的输出信号与所对应线圈的电流换向点存在一一对应关系，作为 电流换相的信号，从而实现永磁平面电机的电流过零点(换相点)检测。
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。 图1为本发明提供的一种采用开关霍尔阵列的永磁平面电机寻相检测方法的实 施例平面示意图，所述的永磁平面电机含有永磁阵列1和线圈阵列2，线圈排列方向与永磁 阵列排列方向成45。角(或沿X轴方向或沿Y轴方向)布置，各相邻驱动单元方向互成 90°角布置，每个线圈对应一个霍尔阵列，且霍尔阵列与该线圈所在驱动单元的水平出力 方向垂直放置，所述霍尔阵列由九个开关霍尔传感器组成，开关霍尔传感器在偶数倍极距 内等间隔分布，参考图2和图3，本实例中，线圈4对应的霍尔阵列5由二倍极距2p内等距 的九个开关霍尔传感器组成，开关霍尔传感器之间的距离为2p/9。 开关霍尔传感器平行永磁阵列放置，用于测量垂直于平面电机运动方向的磁通密 度分量，开关霍尔传感器测量的磁通密度大于零则输出1，开关霍尔传感器测量的磁通密度 小于零则输出0。 将霍尔阵列的每个开关霍尔传感器的输出信号用微处理器采集相加后判断是否 大于4. 5，若相加后大于4. 5霍尔阵列输出信号l，若相加后小于4. 5霍尔阵列输出信号0， 进而得到霍尔阵列的输出信号0或1。 每个霍尔阵列的输出信号与所对应线圈的电流换向点存在一一对应关系，作为电 流换相的信号，水平推力为Y方向的线圈对应的霍尔阵列7沿X方向移动或者水平推力为X 方向的线圈对应的霍尔阵列6沿Y方向移动时输出信号均基本不变，水平推力为Y方向的 线圈对应的霍尔阵列7沿Y方向移动或者水平推力为X方向的线圈对应的霍尔阵列6沿X 方向移动时输出信号0与1交替变化，从而实现永磁平面电机的电流过零点(换相点)检 由于永磁阵列磁场的周期性，水平推力方向相同且在水平推力方向上相差2N个 极距p的线圈，可共用一个霍尔阵列，其中，N为等于零或大于零的整数。参考图4所示，X 方向第一驱动单元15和X方向第二驱动单元16水平推力方向相同，均为X方向，其中X方 向的第一驱动单元的线圈15a与X方向的第二驱动单元的线圈16a在X方向上相距四个极 距P，因此X方向的第一驱动单元的线圈15a与X方向的第二驱动单元的线圈16a可以共用 一个霍尔阵列，同理X方向的第一驱动单元的线圈15b与X方向的第二驱动单元的线圈16b 可以共用一个霍尔阵列，X方向的第一驱动单元的线圈15c与X方向的第二驱动单元的线 圈16c可以共用一个霍尔阵列；与X方向驱动单元类似，Y方向的第一驱动单元ll与Y方 向的第二驱动单元对应的线圈也可共用霍尔阵列。 图1和图4中的一个驱动单元均为三相线圈，驱动单元中的一相线圈对应一个霍 尔阵列，霍尔阵列相互之间的距离与驱动单元中线圈之间的距离相等；图5中所示，驱动单 元为五相线圈，则需要五组与线圈等距的霍尔阵列进行寻相测量。采用开关霍尔阵列的永 磁平面电机寻相检测方法可实现对任意线圈排列的情况。
权利要求
一种采用开关霍尔阵列的永磁平面电机寻相检测方法，所述的永磁平面电机含有永磁阵列和线圈阵列，所述的线圈阵列由两个以上驱动单元组成，每个驱动单元由两个以上线圈组成，其特征在于该方法包括如下步骤a.每个线圈对应一个霍尔阵列，且霍尔阵列与该线圈所在驱动单元的水平出力方向垂直放置，所述霍尔阵列由M个开关霍尔传感器组成，开关霍尔传感器在偶数倍极距内等间隔分布；所述的M为等于或大于3的奇数；b.开关霍尔传感器平行永磁阵列放置，用于测量垂直于平面电机运动方向的磁通密度分量；开关霍尔传感器测量的磁通密度大于零则输出1，开关霍尔传感器测量的磁通密度小于零则输出0；c.将霍尔阵列的每个开关霍尔传感器的输出信号用微处理器采集相加后判断是否大于M/2，若相加后大于M/2，则霍尔阵列输出信号1，若相加后小于M/2，霍尔阵列输出信号0，进而得到霍尔阵列的输出信号0或1；d.每个霍尔阵列的输出信号与所对应线圈的电流换向点存在一一对应关系，作为电流换相的信号，从而实现永磁平面电机的换相点检测。
2. —种采用开关霍尔阵列的永磁平面电机寻相检测方法，所述的永磁平面电机含有永 磁阵列和线圈阵列，所述的线圈阵列由两个以上驱动单元组成，每个驱动单元由两个以上 线圈组成，且在相同的水平推力方向上至少有两个驱动单元，其特征在于该方法包括如下 步骤a. 水平推力方向相同且在水平推力方向上相差2N个极距p的线圈，对应一个霍尔阵 列，其中，N为等于零或大于零的整数；所述霍尔阵列由M个开关霍尔传感器组成，开关霍尔 传感器在偶数倍极距内等间隔分布，所述的M为等于或大于3的奇数；b. 开关霍尔传感器平行永磁阵列放置，用于测量垂直于平面电机运动方向的磁通密度 分量；开关霍尔传感器测量的磁通密度大于零则输出l，开关霍尔传感器测量的磁通密度 小于零则输出0 ;c. 将霍尔阵列的每个开关霍尔传感器的输出信号用微处理器采集相加后判断是否大 于M/2，若相加后大于M/2，则霍尔阵列输出信号l，若相加后小于M/2，则霍尔阵列输出信号 O，进而得到霍尔阵列的输出信号0或1 ;d. 每个霍尔阵列的输出信号与所对应线圈的电流换向点存在一一对应关系，作为电流 换相的信号，从而实现永磁平面电机的换相点检测。
3. 根据权利要求1或2所述的一种采用开关霍尔阵列的永磁平面电机寻相检测方法， 其特征在于所述的永磁平面电机为动圈式永磁平面电机或动铁式永磁平面电机；所述线 圈带铁芯或不带铁芯。
全文摘要
一种采用开关霍尔阵列的永磁平面电机寻相检测方法，该方法的特征是一个霍尔阵列由M个(M≥3且为奇数)开关霍尔传感器组成，霍尔阵列与该线圈所在驱动单元的水平出力方向垂直放置，霍尔阵列中开关霍尔传感器在偶数倍极距内等间隔分布且平行永磁阵列放置，用于测量垂直于平面电机运动方向的磁通密度分量。通过对霍尔阵列中所有开关霍尔传感器信号相加后判断是否大于M/2，进而得出输出信号0或1，霍尔阵列在垂直于对应线圈水平推力方向上移动时输出信号不变，在对应线圈水平推力方向上运动时0与1交替，确定驱动线圈中电流过零点(换相点)。本方法使永磁平面电机在二维内的寻相检测变成了两个一维寻相检测的叠加，使平面寻相检测得以实现。
文档编号G01R29/00GK101750548SQ20091024191
公开日2010年6月23日 申请日期2009年12月15日 优先权日2009年12月15日
发明者尉鹏, 尹文生, 张鸣, 徐云龙, 徐登峰, 朱煜, 杨开明, 段广洪, 汪劲松, 胡金春 申请人:清华大学