动圈式平面电机动子三自由度位移测量方法

摘要

一种动圈式平面电机动子三自由度位移测量方法，该方法包括3个电涡流传感器、2个绝对直线光栅和信号处理系统；根据3个电涡流传感器的测量值和Ⅰ号绝对直线光栅的测量值求解平面电机动子在线缆台坐标系下的三自由度位移，再根据Ⅱ号绝对直线光栅的测量值求解线缆台坐标系与基台坐标系的转换矩阵，从而求解平面电机动子在基台坐标系下的三自由度位移，进一步可求解平面电机任意线圈中心在基台坐标系下的坐标。本发明为平面电机动子提供了一种结构简单、测量精度高、响应速度快的三自由度位移测量方法，并满足其大行程水平直线位移测量的需求。

主权项

一种动圈式平面电机动子三自由度位移测量方法，其特征在于所述方法采用如下系统进行测量：该系统包括Ⅰ号电涡流传感器、Ⅱ号电涡流传感器、Ⅲ号电涡流传感器、Ⅰ号绝对直线光栅、Ⅱ号绝对直线光栅及信号处理系统；将所述Ⅰ号绝对直线光栅沿x向安装在L型线缆台上，L型线缆台在直线电机驱动下沿基台y向跟随平面电机动子运动；Ⅰ号绝对直线光栅读数头安装在L型线缆台的x向导轨上，并通过一柔性机构与平面电机动子连接，该柔性机构允许Ⅰ号绝对直线光栅读数头与平面电机动子在y向和θz向有微小的相对位移；将所述Ⅱ号绝对直线光栅沿y向安装在基台上，Ⅱ号绝对直线光栅读数头安装在直线电机动子上；将所述Ⅰ号电涡流传感器、Ⅱ号电涡流传感器和Ⅲ号电涡流传感器安装在平板上，平板与平面电机动子一侧固连，其中Ⅱ号电涡流传感器和Ⅲ号电涡流传感器安装在平板靠近直线电机的一侧，且关于平面电机动子的水平中心线对称布置；Ⅰ号电涡流传感器安装在平板靠近x向导轨的一侧；所述方法包括如下步骤：1）分别建立3个直角坐标系：平面电机动子坐标系O1‑x1y1z1、线缆台坐标系O0‑x0y0z0和基台坐标系O‑xyz，平面电机动子坐标系原点位于平面电机动子的几何中心，在初始位置时，3个坐标系的原点重合；2）令Ⅰ号绝对直线光栅的读数沿线缆台坐标系x0轴正方向逐渐减小，标记Ⅰ号绝对直线光栅读数头在线缆台坐标系下x0=0处的读数xref；令Ⅱ号绝对直线光栅的读数沿基台坐标系y轴正方向逐渐减小，标记Ⅱ号绝对直线光栅读数头在基台坐标系下y=0处的读数yref；3）Ⅰ号绝对直线光栅测量Ⅰ号绝对直线光栅读数头在线缆台坐标系下的x向位移，Ⅰ号电涡流传感器测量其安装点到L型线缆台的y向位移，Ⅱ号电涡流传感器和Ⅲ号电涡流传感器分别测量各自安装点到L型线缆台的x向位移；当平面电机动子运动过程中，在每个伺服周期，设Ⅰ号电涡流传感器的读数为y1，Ⅱ号电涡流传感器和Ⅲ号电涡流传感器的读数分别为x1和x2，Ⅰ号绝对直线光栅的读数为x3，则平面电机动子在线缆台坐标系下的三自由度位移（x0,y0,θ0）为： x 0 = x ref - x 3 + ( f - e ) ( x 1 - x 2 ) 2 c + ( a - d ) ( x 1 - x 2 ) 2 + 2 c ( y 1 + b ) ( x 1 - x 2 ) - 4 c 2 d 2 c 4 c 2 + ( x 1 - x 2 ) 2 y 0 = e - a ( x 1 - x 2 ) + 2 c ( y 1 + b ) 4 c 2 + ( x 1 - x 2 ) 2 θ 0 = x 1 - x 2 2 c 其中，（a，b）为Ⅰ号电涡流传感器中心在平面电机动子坐标系下的平面坐标，c为Ⅱ号 电涡流传感器中心到平面电机动子坐标系x1轴的距离，d为Ⅰ号绝对直线光栅读数头到平面电机动子坐标系y1轴的距离，e为L型线缆台靠近Ⅰ号电涡流传感器的侧面到线缆台坐标系x0轴的距离，f为Ⅰ号绝对直线光栅读数头到线缆台坐标系x0轴的距离；4）Ⅱ号绝对直线光栅测量L型线缆台在基台坐标系下的y向位移，在与步骤3）相同的伺服周期，设Ⅱ号绝对直线光栅的读数为y2，则平面电机动子在线缆台坐标系下的三自由度位移（x0,y0,θ0）与在基台坐标系下的三自由度位移（x,y,θ）满足下式： x = x 0 y = y 0 + y ref - y 2 θ = θ 0 故平面电机动子在基台坐标系下的三自由度位移（x,y,θ）为： x = x ref - x 3 + ( f - e ) ( x 1 - x 2 ) 2 c + ( a - d ) ( x 1 - x 2 ) 2 + 2 c ( y 1 + b ) ( x 1 - x 2 ) - 4 c 2 d 2 c 4 c 2 + ( x 1 - x 2 ) 2 y = y ref - y 2 + e - a ( x 1 - x 2 ) + 2 c ( y 1 + b ) 4 c 2 + ( x 1 - x 2 ) 2 θ = x 1 - x 2 2 c .