[发明专利]一种基于霍尔元件的球形电机转子位置检测方法

说明书

本发明涉及一种基于霍尔元件的球形电机转子位置检测方法，包括：求解出整个转子球面的空间径向磁场矩阵；基于转子磁场的特性，利用椭圆拟合转子磁极周围磁场等高线；采用四个传感器单元的配置策略；采用可分为三步的由所有霍尔元件的径向磁场测量值计算转子位置的解算方法，首先判定当前测量状态下测量的磁极位置，然后，由于当前测量状态下使用的几个传感器不一定属于同一个传感器单元，将当前测量状态下使用的几个传感器定义为一个传感器组，确定该传感器组与相邻的传感器单元间的球坐标角度差，最后在已确定的磁极范围内进行划分，精确求解磁极中心与选中的传感器组的中心间的位置差，从而得出转子的位置。

技术领域

本发明属于球形电机的控制技术领域，尤其涉及到一种球形电机转子位置检测方法。

背景技术

随着现代航天、军事、化工、工业自动化和智能机器人等领域的发展，对多自由度运动的需求越来越多，越来越迫切。球形电机以其体积小、重量轻、结构相对简单、转矩密度较高、在一个关节处可以提供多达3个自由度的运动等优势得到了人们广泛的关注。而若要实现对球形电机的闭环精确控制，需要检测球形电机的转子位置。球形电机特殊的结构导致传统电机的位置检测方法无法直接借鉴在球形电机上。因此转子位置检测技术是当前球形电机研究中迫切需要解决的问题。

目前研究较多的方法主要基于滑轨支架、光电编码器及视觉传感器等。基于滑轨支架配合旋转编码器的测量方法需要特殊的导联结构耦合转子方向与编码器，增加摩擦阻力，给系统运行带来不便。基于光电编码器的测量方法需要在转子表面喷涂颜色，并且为了提高分辨率，需要布置较多的光电编码器，增加了系统的复杂程度。而基于视觉传感器的系统体积较大，难以集成，且检测速度受视觉图形的处理速度制约。霍尔元件的成本较低，且可集成在定子球壳内部，不会额外增加系统的体积，通过解算霍尔元件测量出的磁场大小与转子位置之间的关系，得出转子位置。

发明内容

本发明的目的是克服基于滑轨支架或光电编码器测量系统中硬件较复杂、系统体积大的弊端，提出了一种基于霍尔元件的球形电机转子位置检测方法。方案如下：

一种基于霍尔元件的球形电机转子位置检测方法，转子球内共有8个磁极，包括如下步骤：

(1)根据转子磁极的分布特点，利用旋转变换和线性叠加的原理，建立球形电机转子表面磁场表达式，然后利用磁场表达式，在整个球面范围内采样，求解出整个转子球面的空间径向磁场矩阵；

(2)基于转子磁场的特性，利用椭圆拟合转子磁极周围磁场等高线：为利用拟合椭圆的特性，利用4个霍尔元件组成一个传感器单元，设定传感器单元的直径与磁极直径相等，且令各个霍尔元件间的距离l均相等，利用传感器单元与磁场拟合椭圆相交的几何特性，提出传感器单元与磁极之间的位置差的解算方法；

(3)采用四个传感器单元的配置策略，其中第一传感器单元和第二传感器单元中心间的球坐标角度差为Δθ₁₂＝0°,第三传感器单元与第四传感器中心间的球坐标角度差为Δθ₃₄＝0°,第一传感器单元与第三传感器单元的中心间的球坐标角度差为Δθ₁₃＝55°,

采用可分为三步的由所有霍尔元件的径向磁场测量值计算转子位置的解算方法，首先判定当前测量状态下测量的磁极位置，然后，由于当前测量状态下使用的几个传感器不一定属于同一个传感器单元，将当前测量状态下使用的几个传感器定义为一个传感器组，确定该传感器组与相邻的传感器单元间的球坐标角度差，最后在已确定的磁极范围内进行划分，精确求解磁极中心与选中的传感器组的中心间的位置差，从而得出转子的位置，转子的位置由当前测量状态下传感器组测量的磁极中心的球坐标角度θ_O,表示，如下式所示：