[發明專利]基于光柵尺和二維PSD的平面電機動子位置測量系統及方法

有效

• 申請號: 201710213466.3
• 申請日: 2017-04-01
• 公開（公告）號: CN107063104B
• 公開（公告）日: 2019-06-18
• 發明（設計）人: 朱煜;楊開明;黃偉才;李鑫;成榮;胡金春
• 申請（專利權）人: 清華大學;北京華卓精科科技股份有限公司
• 主分類號: G01B11/03
• 分類號: G01B11/03;G01B11/00
• 代理公司: 北京鴻元知識產權代理有限公司 11327
• 代理人: 邸更巖

1.一種基于光柵尺和二維PSD傳感器的平面電機動子位置測量方法，其特征在于，該方法采用的測量系統包括一號導桿(1)、二號導桿(2)、滑塊(3)、一號激光頭(4)、一號PSD傳感器(5)、二號激光頭(6)、二號PSD傳感器(7)、三號激光頭(8)、三號PSD傳感器(9)、X方向光柵尺(10)和Y方向光柵尺(11)；

所述一號導桿(1)與二號導桿(2)均與線纜臺固聯，隨動子運動沿Y向平移；

所述滑塊(3)安裝于二號導桿(2)上，隨動子沿X方向運動，隨二號導桿(2)沿Y向運動；

所述的一號激光頭(4)安裝于二號導桿(2)上，一號PSD傳感器(5)安裝于平面電機動子(12)上表面，一號PSD傳感器(5)接收一號激光頭(4)沿X方向發射的激光信號，讀出平面電機動子在Y方向和Z方向的位移信息；二號激光頭(6)安裝于滑塊(3)上，二號PSD傳感器(7)安裝于平面電機動子(12)上表面，二號PSD傳感器(7)接收二號激光頭(6)沿Y方向發射的激光信號，并讀取平面電機動子(12)在X方向和Z方向的位移信息；三號激光頭(8)安裝于一號導桿(1)上，三號PSD傳感器(9)安裝于平面電機動子(12)上表面，三號PSD傳感器(9)接收三號激光頭(8)沿X方向發射的激光信號，讀出平面電機動子在Y方向和Z方向的位移信息；

所述X方向光柵尺(10)的讀數頭安裝于滑塊(3)上，標尺貼于二號導桿(2)靠近動子一側的側面上，用于測量動子在X方向的位移；所述Y方向光柵尺(11)的讀數頭安裝于線纜臺上，標尺貼于平面電機定子(13)側面邊緣，用于測量平面電機動子在Y方向的位移；

所述測量方法包含以下步驟：

1)建立定子上的固定坐標系O_A-X_AY_AZ_A和動子上的隨動坐標系O-XYZ，隨動坐標系中X軸沿著初始時刻一號導桿(1)的方向，Y軸沿著垂直于一號導桿(1)的方向，Z軸垂直于平面電機動子(12)上表面，原點在動子幾何中心，兩個坐標系在初始時刻完全重合；

2)記錄與各激光頭安裝位置相關的常數，該相關常數包括：一號激光頭(4)所發射的直線激光信號與動子隨動坐標系XOZ平面的距離a、一號PSD傳感器(5)靶平面與隨動坐標系YOZ平面的距離b、二號PSD傳感器(7)靶平面與XOZ平面的距離c、二號激光頭(6)所發射的直線激光信號與隨動坐標系YOZ平面的距離d、三號激光頭(8)所發射的直線激光信號與隨動坐標系XOZ平面的距離e、三號PSD傳感器(9)靶平面與隨動坐標系YOZ平面的距離f和一號激光頭(4)所發射的直線激光信號與隨動坐標系XOY平面的距離h；

3)記錄各傳感器當前伺服周期的讀數：其中一號PSD傳感器(5)的讀數記為(Y₁,Z₁)，二號PSD傳感器(6)的讀數記為(X₂,Z₂)，三號PSD傳感器(7)的讀數記為(Y₃,Z₃)，X方向光柵尺的讀數記為x_abs，Y方向光柵尺的讀數記為y_abs；

4)計算平面電機動子六個自由度的位移(x,y,z,θ_x,θ_y,θ_z)，其中x是平面電機動子在定子固定坐標系O_A-X_AY_AZ_A中沿X_A方向平動的位移，y是平面電機動子在坐標系O_A-X_AY_AZ_A中沿Y_A方向平動的位移，z是平面電機動子在坐標系O_A-X_AY_AZ_A中沿Z_A方向平動的位移，θ_x是平面電機動子在坐標系O_A-X_AY_AZ_A中繞X_A軸轉動的角度，θ_y是平面電機動子在坐標系O_A-X_AY_AZ_A中繞Y_A軸轉動的角度，θ_z是平面電機動子在坐標系O_A-X_AY_AZ_A中繞Z_A軸轉動的角度，具體步驟如下：

i.進行如下計算：

T₁＝b+f，T₂＝a+e，y_C1＝-a-Y₁，z_C1＝h-Z₁

x_C2＝-d-X₂，z_C2＝h-Z₂，y_C3＝e-Y₃，z_C3＝h-Z₃

其中T₁、T₂、y_C1、z_C1、x_C2、z_C2、y_C3和z_C3均為中間參數；

ii.進一步計算：

S₁＝y_C1-y_C3，S₂＝z_C1-z_C3，S₃＝x_C2-b，S₄＝y_C1+c，S₅＝z_C2-z_C1

其中S₁、S₂、S₃、S₄和S₅均為中間參數；

iii.計算cosθ_x、sinθ_x、cosθ_y和sinθ_y：

S₆＝(S₅T₁-S₂S₃)/(S₄T₁-S₁S₃)，S₇＝(S₂+S₁S₆)/T₁

其中S₆和S₇為中間參數，而cosθ_x＝S₈、sinθ_x＝S₉、cosθ_y＝S₁₀、sinθ_y＝S₁₁；

iv.計算cosθ_z和sinθ_z：

S₁₂＝S₁-(S₉S₁₁/S₁₀)T₁，S₁₃＝(S₈/S₁₀)T₁，S₁₄＝S₈T₂，

S₁₇＝(-S₁₂S₁₆-S₁₄)/S₁₃

其中S₁₂、S₁₃、S₁₄和S₁₅均為中間參數，而cosθ_z＝S₁₆、sinθ_z＝S₁₇；

v.計算x、y和z：

S₁₈＝S₈S₁₇-S₉S₁₁S₁₆，S₁₉＝S₉S₁₁S₁₇+S₈S₁₆

S₂₀＝S₉S₁₇+S₈S₁₁S₁₆，S₂₁＝S₈S₁₁S₁₇-S₉S₁₆

S₂₂＝-S₁₀S₁₆x_C2-S₂₀z_C2-S₁₈c+x_abs-d

S₂₃＝[-(y_C1+y_C3)S₁₉-(z_C1+z_C3)S₂₁+(f-b)S₁₀S₁₇+2y_abs+e-a]/2

S₂₄＝[-(z_C1+z_C2+z_C3)S₈S₁₀+(c-y_C1-y_C3)S₉S₁₀+(x_C2+b-f)S₁₁+3h]/3

其中S₁₈、S₁₉、S₂₀和S₂₁均為中間參數，而x＝S₂₂、y＝S₂₃、z＝S₂₄；

vi.得出六個自由度的位移：

x＝S₂₂，y＝S₂₃，z＝S₂₄

θ_x≈sinθ_x＝S₉，θ_y≈sinθ_y＝S₁₀，θ_z≈sinθ_z＝S₁₇。