[發明專利]基于3-D磁場傳感器的永磁球形電動機位置檢測方法

有效

• 申請號: 201711146210.1
• 申請日: 2017-11-17
• 公開（公告）號: CN108021534B
• 公開（公告）日: 2021-04-27
• 發明（設計）人: 李洪鳳;柳文俊
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: G06F17/12
• 分類號: G06F17/12;G06F17/15;G01B7/004
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 程毓英

1.一種基于3-D磁場傳感器的永磁球形電動機位置檢測方法，所適用的電機為永磁球形電動機，包括底座，球形定子、定子線圈和球形轉子，轉子位于定子壁內，其轉子輸出軸從定子壁上方的開口處伸出，其特征在于，定子線圈為柱形無鐵心結構，沿球形定子內部的赤道及與赤道平行的線圈上均勻分布3層，呈放射狀固定在球形定子壁上；轉子表面嵌有永磁體磁極，磁極沿與赤道分為上下兩層，每層的N極和S極交替分布；位置檢測方法為：首先根據磁場模型和旋轉變換理論得到磁感應強度與轉子位置信息之間的非線性關系；在此基礎上考慮到轉子磁場諧波、定子線圈磁場的干擾會影響位置檢測的精度，設計采用主3-D磁場傳感器和輔助3-D磁場傳感器的組合方案；綜合各個磁場傳感器確定位置解算的適應度函數；利用結合粒子群算法和梯度投影法的位置解算算法進行位置解算獲得轉子的位置信息，包括以下步驟：

1)利用解析法獲得轉子球坐標系下轉子磁場模型；

其中，B_r、B_θ、為轉子磁場的三個分量，k_r、k_θ、和是只與永磁球形電機的特性和結構有關的常數，r、θ、是氣隙中點在轉子球坐標系下的坐標；

2)主傳感器安裝在定子直角坐標系X-Y平面與定子球面的交點處，根據轉子球坐標系下轉子磁場模型及旋轉變換理論得到主傳感器輸出與轉子位置信息之間的關系方程；

其中：B_R、B_Θ、B_Φ為定子球坐標系下主傳感器輸出的三個分量，α,β和γ是用歐拉角表示的轉子位置信息；

3)設定一個磁場檢測閾值，增加輔助磁場傳感器，當主傳感器檢測到的磁場值在閾值以下，采用輔助磁場傳感器的數據；輔助傳感器的安裝需要滿足以下幾個原則；

a)由于球形電機的對稱性，輔助傳感器的安裝位置在定子直角坐標系X-Y平面內或其投影在這個平面內；

b)輔助傳感器檢測到的磁場低于閾值的區域需要與主傳感器和其它輔助傳感器低于閾值的區域錯開；

c)α、β、γ在取值范圍內任意取值時，B_R(α,β,γ)、B_R1(α,β,γ)…B_Ri(α,β,γ)至少有一個大于閾值，B_Θ(α,β,γ)、B_Θ1(α,β,γ)…B_Θi(α,β,γ)至少有一個大于閾值，B_Φ(α,β,γ)、B_Φ1(α,β,γ)…B_Φi(α,β,γ)至少有一個大于閾值；

其中：B_Ri(α,β,γ)、B_Θi(α,β,γ)、B_Φi(α,β,γ)表示第i個輔助傳感器的三個磁場分量；

d)每個傳感器之間的差異越大，傳感器組合越優，基于此，第i個輔助傳感器的選取需要滿足如下差異函數；

T_i＝(B_Ri-B_R)²+(B_Θi-B_Θ)²+(B_Φi-B_Φ)²+(B_Ri-B_R1)²+(B_Θi-B_Θ1)²+(B_Φi-B_Φ1)²+…+(B_Ri-B_Ri-1)²+(B_Θi-B_Θi-1)²+(B_Φi-B_Φi-1)²

其中，第i個輔助傳感器檢測得到的三個磁場分量如下：

主傳感器的位置繞定子直角坐標系Σ(XYZ)的三個軸分別旋轉Δα_i,Δβ_i,Δγ_i使得T_i達到最大便可以得到第i個輔助傳感器的安裝位置，當主磁場傳感器和所有的輔助磁場傳感器滿足原則c)時，便可以得到傳感器的組合方案；

4)位置解算的適應度函數的確立；定義函數f_1i(α,β,γ)、f_2i(α,β,γ)和f_3i(α,β,γ)為：

當B_R＜0.01時,令f₁＝max(|f_1i|)

當B_Θ＜0.01時,令f₂＝max(|f_2i|)

當B_Φ＜0.01時,令f₃＝max(|f_3i|)

定義適應度函數為

5)根據4)的適應度函數，利用結合粒子群算法和梯度投影法的位置解算算法，通過粒子群算法獲得一組優化解，隨后將該優化解作為梯度投影法的搜索初始點，進行位置解算獲得轉子的位置信息。