平面电机动子位移测量装置及方法

专利名称：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I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％个传感器，构成I方向正弦传感器组；以所述基准传感器为第一个传感器沿I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mxf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my个传感器，构成I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内均勻布置!!^个传感器,构成X方向余弦传感器组,其中mx = 2,3,
4,my = 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I)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I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SX(l、x向余弦测量
信号Cxtl、y向正弦测量信号Syci以及y向余弦测量信号Cto ；
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Sxtl和X向余弦测量信号(〕xo 作 ηΙχ次倍频运算
Sxi =2*Sxq*Cxq，Cxi 一Cx0*Cx0_SX0*SX0，
tN - °Χ22*SX1*CX1，Cx2 —Cn*C)Q-Sxl*Sxl，
· ·
SXnx=2Uη —η ^n e* ^ e* Χ,ηχ-\ Xnx ~ ^Χ,ηχ-\ ^Χ,ηχ-\ ^Χ,ηχ-\ ^Χ,ηχ-\
得到X向正弦细分信号&\和X向余弦细分信号，其中SX1、CX1、Sx2, Cx2…口 ，ηχ-I为中间变量，;=1，2，3，...，同时通过信号处理电路将所述y向正弦测量信号Sw和y向余弦测量信号C'γο作ηγ次倍频运算
tN = 0Yl2*SY0*CY0，Cyi —Cyo * CY0_ S Y0* Syo，
tN - °Y22*SY1*CY1，CY2 =cY1*cY1-sY1*sY1，
· ·
_ 9 氺 * ^ η 一 Δ °Y,nY-l W,C — Γ — K ^ K ,ηγ-\ 9 k^Yhy ~ ^Υ,ηγ-Ι ,nY-\ uY,nY-l uY,nY-l
得到y向正弦细分信号*^^■和y向余弦细分信号C7 y，其中AXpSpCy&n
和为中间变量，nY = I，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 Ax和X向余弦脉冲信号Bx，同时分别检测步骤2)中的y向正弦细分信号和I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Ay和y向余弦脉冲信号 By ；4)所述X向正弦细分信号>0，则所述X向正弦脉冲信号Ax输出高电平，所
述X向正弦细分信号<0，则所述X向正弦脉冲信号Ax输出低电平，所述X向正弦细分
信号= O，则所述X向正弦脉冲信号Ax输出不变，所述X向余弦细分信号Cxray > O，则
所述X向余弦脉冲信号Bx输出高电平，所述X向余弦细分信号Cxray <0，则所述X向余弦
脉冲信号Bx输出低电平，所述X向余弦细分信号= O，则所述X向余弦脉冲信号Bx输出不变；
5)所述y向正弦细分信号&% >0，则所述y向正弦脉冲信号AY输出高电平，所述 y向正弦细分信号&^ <0，则所述y向正弦脉冲信号Ay输出低电平，所述y向正弦细分信号&^ = 0，则所述y向正弦脉冲信号Ay输出不变，所述y向余弦细分信号Ch > O，则所述 Y向余弦脉冲信号By输出高电平，所述y向余弦细分信号< O，则所述y向余弦脉冲信号~输出低电平，所述y向余弦细分信号^^ = O，则所述y向余弦脉冲信号By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Ax* X向余弦脉冲信号Bx的脉冲进行计数，并检测所述X向正弦脉冲信号Ax和所述X向余弦脉冲信号Bx的相位差，以所述X向正弦脉冲信号Ax或所述X向余弦脉冲信号Bx的一个脉冲
代表一个X方向位移分辨率$进行计算，％ = 1，2，3，...，所述X向正弦脉冲信号Ax的相
位落后于所述X向余弦脉冲信号Bx的相位表不正向位移,所述X向正弦脉冲信号Ax的相位提前于所述X向余弦脉冲信号Bx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Ay* I向余弦脉冲信号By的脉冲进行计数，并检测所述y向正弦脉冲信号Ay和所述y向余弦脉冲信号By的相位差，以所述y向正弦脉冲信号Ay或所述y向余弦脉冲信号By的一个脉冲
代表一个y方向位移分辨率#7进行计算，ΠΥ = 1，2，3，...，所述y向正弦脉冲信号Ay的相
位落后于所述y向余弦脉冲信号By的相位表不正向位移,所述y向正弦脉冲信号Ay的相位提前于所述I向余弦脉冲信号By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nx的确定方法如下设Bxm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，
D Λ
Vx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％= Iog2 -3 ；
L I νχ J所述ηγ的确定方法如下设Bym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，
' (Β λ '
\为7方向传感器测量噪声，则y方向的最大倍频运算次数为巧=Iog2 -3。
_ \ vy ) _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。


图I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mx = my = 4为例的探头从下往上的仰视图。图3a、3b是本发明以nx = 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I定子7信号处理电路
2磁钢阵列8X方向正弦传感器组
3动子9X方向余弦传感器组
4线圈阵列10y方向正弦传感器组
5探头11y方向余弦传感器组
6信号传导线12基准传感器
具体实施例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I、2，本发明所述平面电机为动圈式平面电机包括定子I和在定子I上的动子3，所述定子I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γ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my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mx个传感器，构成X方向正弦传感器组；以在I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％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mx个传感器， 构成X方向余弦传感器组，其中mx = 2,3,4, ... ,my = 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nx = 4情况下动子运动过程中X向正弦测量信号SX(l、x向正弦细分信号Sx4、x向正弦脉冲信号Ax的波形，和X向余弦测量信号CX(I、X向余弦细分信号CX4、X向余弦脉冲信号Bx的波形。参考图4a、4b，分别演示采用x正弦脉冲信号Ax和x向余弦脉冲信号Bx进行x方向位移的测量，以及采用I向正弦脉冲信号Ay和y向余弦脉冲信号By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I)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 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SX(l、x向余弦测量信号CX(I、y向正弦测量信号Syci以及y向余弦测量信号Cyci ；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Sxtl和X向余弦测量信号Cxtl作nx次倍频运算Sxi — 2*Sxq*Cxq，Cxi — CXQ*CXQ_SXQ*SX。，Sx2 — 2*SX1*CX1，Cx2 — Cxi5^Cxi-Sxi-Sjq,…，Sxnx = 2 *
^X^ηχ·—\ ^XΧ χX—I X—I ^X,n—I ^X,n^· —I得到X向正弦细分信号&%和X向余弦细分信号，其中Sxi、Cxi, Sx2、Cf &，《χ-ι和Ογ， χ_ι为中间变量，nx = 1,2,3,...,同时通过信号处理电路将所述y向正弦测量信号Syci和y向余弦测量信号Cyci作ηγ 次倍频运算Syi = 2*SY(I*CY(I, Cyi = CY(I*CY(|-SY(I*SY0,SY2 = 2*SY1*CY1, CY2 = CY1*CY1_SY1*SY1,…，SYnY =2*Sy^y^ *Cy^y^，CYnr = Cy*Cy-Sy*Sy得到y向正弦细分信号S7fil■和I向余弦细分信号C7 y，其中=SyiXyiJy2Xy^Ah 和Cy， r_l为中间变量，nY = I，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 4和X向余弦脉冲信号Bx ;同时分别检测步骤2)中的y向正弦细分信号和I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Ay和y向余弦脉冲信号By ；4)所述X向正弦细分信号> O，则所述X向正弦脉冲信号Ax输出高电平；所述X向正弦细分信号<0，则所述1向正弦脉冲信号Ax输出低电平；所述X向正弦细分信号= O，则所述X向正弦脉冲信号^输出不变；所述X向余弦细分信号Cxray > O，则所述X向余弦脉冲信号Bx输出高电平；所述X向余弦细分信号Cxray < O，则所述x向余弦脉冲信号Bx输出低电平；所述X向余弦细分信号匸^ = O，则所述x向余弦脉冲信号Bx输出不变；5)所述y向正弦细分信号&% >0，则所述y向正弦脉冲信号AY输出高电平，所述 y向正弦细分信号&^ <0，则所述y向正弦脉冲信号Ay输出低电平，所述y向正弦细分信号&^ = 0，则所述y向正弦脉冲信号Ay输出不变，所述y向余弦细分信号> O，则所述 Y向余弦脉冲信号By输出高电平，所述y向余弦细分信号< O，则所述y向余弦脉冲信号~输出低电平，所述y向余弦细分信号^^ = O，则所述y向余弦脉冲信号Βγ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Ax*X向余弦脉冲信号Bx的脉冲进行计数，并检测所述X向正弦脉冲信号Ax和所述X向余弦脉冲信号Bx的相位差，以所述X向正弦脉冲信号Ax或所述X向余弦脉冲信号Bx的一个脉冲
代表一个X方向位移分辨率+进行计算，nx = 1，2，3，...，所述X向正弦脉冲信号Ax的相
位落后于所述X向余弦脉冲信号Bx的相位表不正向位移,所述X向正弦脉冲信号Ax的相位提前于所述X向余弦脉冲信号Bx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Ay或 I向余弦脉冲信号By的脉冲进行计数，并检测所述y向正弦脉冲信号Ay和所述y向余弦脉冲信号By的相位差，以所述y向正弦脉冲信号Ay或所述y向余弦脉冲信号By的一个脉冲
代表一个y方向位移分辨率#7进行计算，nY = 1，2，3，...，所述y向正弦脉冲信号Ay的相
位落后于所述y向余弦脉冲信号By的相位表不正向位移,所述y向正弦脉冲信号Ay的相位提前于所述I向余弦脉冲信号By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nx的确定方法如下设Bxm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，
〔B^
Vx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％= Iog2 -3
\J .步骤2)中所述nY的确定方法如下设Bym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，
' (B^ '
Vy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巧=Iog2 -3
L U _。实施例以mx = my = 4、磁场极距t = 35. 35mm为例,根据最大空间倍频运算次数计算公式,选择nx = nY = 4,实施本发明所述装置及方法。所述装置参考图I，本发明所述平面电机为动圈式平面电机包括定子I和在定子 I上的动子3，所述定子I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T方向即X方向每隔T /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I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T方向即y方向每隔 T /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T/4处起，沿X方向每隔T/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T /4处起，沿y方向每隔 T /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T /4为8. 8375mm。所述方法包括I)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I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SX(l、x向余弦测量信号CX(I、y向正弦测量信号Syci以及y向余弦测量信号Cyci ；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Sxtl和X向余弦测量信号Cxtl作nx = 4次倍频运算，即24次细分运算Sxi 一 2*SX(I*CX。，Cxi 一 CX(I*CX(I_SX(I*SX0，Sx2 — 2*SX1*CX1，Cx2 — CX1*CX1-SX1*SX1，Sx3 一 2*SX2*CX2，Cx3 一 CX2*CX2_SX2*SX2，Sx4 — 2*SX3*CX3，Cx4 — CX3*CX3_SX3*SX3，得到x向正弦细分信号Sx4和X向余弦细分信号Cx4，其中SX1、CX1、Sx2, Cx2, Sx3和 Cx3为中间变量，同时通过信号处理电路将所述I向正弦测量信号Syci和y向余弦测量信号 Cyo作nY = 4次倍频运算，即24次细分运算Syi = 2*SY(i*CY(i, Cyi = CY(I*CY(|-SY(I*SY0,SY2 = 2*SY1*CY1, Cy2 = CY1*CY「SY1*SY1,SY3 = 2*SY2*CY2, Cy3 = CY2*CY2-SY2*SY2,Sy4 = 2*SY3*CY3, Cy4 = CY3*CY3-SY3*SY3,得到y向正弦细分信号Sy4和y向余弦细分信号Cy4，其中Syi、Cyi、Sy2、Cy2、Sy3和Cy3 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Sx8和X向余弦细分信号Cx8的过零点，生成一组X向正交脉冲信号x向正弦脉冲信号Ax和X向余弦脉冲信号Bx，同时分别检测y向正弦细分信号y向余弦细分信号Cy8的过零点，生成一组I向正交脉冲信号y向正弦脉冲信号Ay和y向余弦脉冲信号By ；4)参考图3a、3b,所述的x向正弦细分信号Sx8 > 0,则x向正弦脉冲信号Ax输出高电平，X向正弦细分信号Sx8 < 0，则X向正弦脉冲信号Ax输出低电平，X向正弦细分信号 Sx8 = 0，则X向正弦脉冲信号Ax输出不变，X向余弦细分信号Cx8 > 0，则X向余弦脉冲信号 Bx输出高电平，X向余弦细分信号Cx8 < 0，则X向余弦脉冲信号Bx输出低电平，X向余弦细分信号Cx8 = 0，则X向余弦脉冲信号Bx输出不变；5)所述的y向正弦细分信号Sy8 > 0，则y向正弦脉冲信号Ay输出高电平，y向正弦细分信号Sy8 < 0，则y向正弦脉冲信号Ay输出低电平，y向正弦细分信号Sy8 = 0，则y向正弦脉冲信号Ay输出不变，y向余弦细分信号Cy8 >0，则y向余弦脉冲信号By输出高电平， I向余弦细分信号Cy8 < 0，则y向余弦脉冲信号By输出低电平，y向余弦细分信号Cy8 = 0， 则I向余弦脉冲信号By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向余弦脉冲信号民的脉冲进行计数，t时刻相对于0时刻的脉冲数为4，代表4*占=4* 35气5smm= 0.5523mm的位移长度，且X向正弦脉冲信号Ax的相位提前于X向余弦脉冲信号Bx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Ay的脉冲进
行计数，t时刻相对于0时刻的脉冲数为3，代表3*1 = 3 * 35^mm = 0.4143mm的位移长
度，且y向正弦脉冲信号Ay的相位落后于y向余弦脉冲信号By的相位表不正向位移,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。
权利要求
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(I)和在定子(I)上的动子(3)，所述定子(I)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my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mx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my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mx个传感器，构成 X方向余弦传感器组，其中mx = 2,3,4, my = 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I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SX(I、X向余弦测量信号 Cxo> y向正弦测量信号Sw以及y向余弦测量信号Cyci ；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Sxtl和X向余弦测量信号Cxci作nx次倍频运算Sxi 一 2*SX0*CX0，Cxi 一 CX0*CX(I-SX0*SX0，Sx2 一 2*SX1*CX1，Cx2 一 CX1*CX1-SX1*SX1， · · cc - c *r* -S^Xnx ~ Δ ^X,nx-l 匕Z， -l，_ ^Χ,ηχ-1 ^Χ,ηχ-1 ^Χ,ηχ-1 ^Χ,ηχ-1得到X向正弦细分信号&\和X向余弦细分信号，其中SX1、CX1、Sx2, Cx2…&，和为中间变量，nx = 1,2,3,...,同时通过信号处理电路将所述y向正弦测量信号Syci和y向余弦测量信号Cyci作ηγ次倍频运算Syi — 2*SY0*CY0，Cyi — CY0*CY0_SY0*SY0，SY2 = 2*SY1*CY1，CY2 = CY1*CY1_SY1*SY1， · · c _ ο ^ ^ ^ ηρ —ρ ^ ρ _ ckjYny ~ ^ ^Υ,ηγ-1 ^Υ,ηγ-1 ~ ,ηγ-\ ^Υ,ηγ-\ °Υ,ηγ-\ °Υ,ηγ-\得到I向正弦细分信号*^^■和I向余弦细分信号，其中SY1、CY1、SY2, Cy2…为中间变量，ηγ = 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CXra；r的过零点，生成一组X向正交脉冲信号x向正弦脉冲信号Ax 和X向余弦脉冲信号Bx ;同时分别检测步骤2)中的y向正弦细分信号和I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Ay和y向余弦脉冲信号 By ；4)所述X向正弦细分信号>O，则所述X向正弦脉冲信号Ax输出高电平；所述X 向正弦细分信号< O，贝Ij所述X向正弦脉冲信号Ax输出低电平；所述X向正弦细分信号 Sxnx = O，则所述X向正弦脉冲信号4输出不变；所述X向余弦细分信号Cxrax > O，则所述 X向余弦脉冲信号Bx输出高电平；所述X向余弦细分信号Cxrax < O，则所述x向余弦脉冲信号Bx输出低电平；所述X向余弦细分信号匸^ = O，则所述x向余弦脉冲信号Bx输出不变；5)所述y向正弦细分信号&^>0，则所述y向正弦脉冲信号Ay输出高电平，所述y 向正弦细分信号$7 <0，贝1]所述7向正弦脉冲信号Ay输出低电平,所述y向正弦细分信号=0，则所述y向正弦脉冲信号Aγ输出不变，所述y向余弦细分信号>0，则所述y 向余弦脉冲信号By输出高电平，所述y向余弦细分信号< O，则所述y向余弦脉冲信号 By输出低电平，所述y向余弦细分信号匸^ = O，则所述y向余弦脉冲信号By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Ax*x向余弦脉冲信号Bx的脉冲进行计数，并检测所述X向正弦脉冲信号Ax和所述X向余弦脉冲信号Bx的相位差，以所述X向正弦脉冲信号Ax或所述X向余弦脉冲信号Bx的一个脉冲代表一个X方向位移分辨率进行计算，％ = 1，2，3，...，所述X向正弦脉冲信号Ax的相位落后于所述X向余弦脉冲信号Bx的相位表示正向位移，所述X向正弦脉冲信号Ax的相位提前于所述X向余弦脉冲信号Bx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AY*y向余弦脉冲信号By的脉冲进行计数，并检测所述y向正弦脉冲信号Ay和所述y向余弦脉冲信号By的相位差，以所述y向正弦脉冲信号Ay或所述y向余弦脉冲信号By的一个脉冲代表一个y方向位移分辨率#进行计算，nY = 1，2，3，...，所述y向正弦脉冲信号Ay的相位落后于所述y向余弦脉冲信号By的相位表示正向位移，所述y向正弦脉冲信号Ay的相位提前于所述I向余弦脉冲信号By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。
3.根据权利要求2所述的一种平面电机动子位移测量方法，其特征在于步骤2)中所述的nx的确定方法如下设Bxm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，Vx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
全文摘要
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。
文档编号G01B7/02GK102607388SQ201210038659
公开日2012年7月25日 申请日期2012年2月17日 优先权日2012年2月17日
发明者刘召, 尹文生, 张鸣, 徐登峰, 朱煜, 杨开明, 穆海华, 胡楚雄, 胡金春, 陈龙敏 申请人:清华大学