專利名稱：一種采用線性霍爾陣列的永磁平面電機尋相檢測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種永磁平面電機尋相方法，特別涉及一種利用線性霍爾陣列確定永
磁平面電機的線圈電流換相點的測量方法。
背景技術(shù)：
隨著先進制造業(yè)的快速發(fā)展，高精度定位平臺技術(shù)得到了深入的研究和發(fā)展，在 半導體產(chǎn)業(yè)、微立體光刻、納米工作臺、高精度繪圖儀等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，其中最 重要的應(yīng)用是半導體產(chǎn)業(yè)中的高精度光刻定位平臺?，F(xiàn)代精密、超精密加工裝備對高響應(yīng)、 高速度、高精度的平面驅(qū)動裝置有著波切的需求。最初的平面驅(qū)動裝置是由兩臺直接驅(qū)動 的直線電機來實現(xiàn)的，采用層疊驅(qū)動結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)增加了傳動系統(tǒng)的復雜性，從本質(zhì)上沒 有擺脫低維運動機構(gòu)疊加形成高維運動機構(gòu)的模式。對于底層的直線電機，要承載上層直 線電機及其相關(guān)機械部件的總質(zhì)量，從而嚴重影響了定位和控制精確度。而直接利用電磁 力產(chǎn)生平面運動的平面電機，具有出力密度高、低熱耗、高速度和高可靠性的特點，因省去 了直線運動到平面運動的中間轉(zhuǎn)換裝置，可把控制對象同電機做成一體化結(jié)構(gòu)，具有反應(yīng) 快、靈敏度高、隨動性好及結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點。 隨著先進制造業(yè)的技術(shù)發(fā)展，光刻機等一些精密控制設(shè)備需要在一個近似平面的 空間范圍內(nèi)進行精密運動控制。因此，平面電機在二維平面定位加工裝置特別是現(xiàn)代半導 體微細加工裝備和其它超精密加工設(shè)備中具有廣闊的應(yīng)用前景。 永磁平面電機電磁力直接驅(qū)動是一種通過預先設(shè)定方向和電磁力直接驅(qū)動以形 成平面內(nèi)的二維運動。 一個驅(qū)動單元由兩個以上線圈組成，在確定線圈和永磁陣列的相對 位置的情況下通入特定大小的電流即可控制電磁力的大小和方向，使永磁平面電機動子產(chǎn) 生相應(yīng)方向的運動。驅(qū)動單元和永磁陣列的相對位置測量一般是利用光柵尺等增量式位置 傳感器，這樣無法確定驅(qū)動單元線圈的換相點(線圈中電流過零點對應(yīng)的線圈和永磁陣列 的位置)，即無法確定線圈和永磁陣列的初始位置的相位關(guān)系。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于為永磁平面電機提供一種線圈的尋相檢測方法，即對永磁平面 電機的驅(qū)動線圈在永磁陣列中的換相點進行測量，使霍爾陣列在垂直于對應(yīng)線圈水平推力 方向上移動時產(chǎn)生的信號基本不變，在對應(yīng)線圈水平推力方向上運動時產(chǎn)生的信號正負交 替，接近正弦波形變化；確定驅(qū)動線圈中電流過零點(換相點)時線圈和永磁陣列的位置關(guān) 系。 為了達到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是 —種采用線性霍爾陣列的永磁平面電機尋相檢測方法，所述的永磁平面電機含有 永磁陣列和線圈陣列，所述的線圈陣列由兩個以上驅(qū)動單元組成，每個驅(qū)動單元由兩個以 上線圈組成，其特征在于該方法包括如下步驟 a.每個線圈對應(yīng)一個霍爾陣列，且霍爾陣列與該線圈所在驅(qū)動單元的水平出力方向垂直放置，所述霍爾陣列由兩個以上線性霍爾傳感器組成，線性霍爾傳感器在偶數(shù)倍極 距內(nèi)等間隔分布； b.線性霍爾傳感器平行永磁陣列放置，用于測量垂直于平面電機運動方向的磁通 密度分量； c.將霍爾陣列的每個線性霍爾傳感器的輸出信號分別經(jīng)各自的采樣運算放大器 調(diào)制，制好后的電壓信號通過求和運算放大器相加得到霍爾陣列的輸出信號，或者將霍爾 陣列的每個線性霍爾傳感器的輸出信號分別經(jīng)各自的采樣運算放大器調(diào)制后直接用微處 理器采集相加得到霍爾陣列的輸出信號； d.每個霍爾陣列的輸出信號與所對應(yīng)線圈的電流換向點存在一一對應(yīng)關(guān)系，作為 電流換相的信號，從而實現(xiàn)永磁平面電機的相位檢測。 本發(fā)明提供的另一種采用線性霍爾陣列的永磁平面電機尋相檢測方法，所述的永 磁平面電機含有永磁陣列和線圈陣列，所述的線圈陣列由兩個以上驅(qū)動單元組成，每個驅(qū) 動單元由兩個以上線圈組成，且在相同的水平推力方向上至少有兩個驅(qū)動單元，其特征在 于該方法包括如下步驟 a.水平推力方向相同且在水平推力方向上相差2N個極距p的線圈，對應(yīng)一個霍爾 陣列，其中N二 0、1、2、3……；所述霍爾陣列由兩個以上線性霍爾傳感器組成，線性霍爾傳 感器在偶數(shù)倍極距內(nèi)等間隔分布； b.線性霍爾傳感器平行永磁陣列放置，用于測量垂直于平面電機運動方向的磁通 密度分量； c.將霍爾陣列每個線性霍爾傳感器輸出信號分別經(jīng)各自采樣運算放大器調(diào)制，制 好后的電壓信號通過求和運算放大器相加得到霍爾陣列的輸出信號，或者將霍爾陣列每個 線性霍爾傳感器輸出信號分別經(jīng)各自采樣運算放大器調(diào)制后直接用微處理器采集相加得 到霍爾陣列的輸出信號； d.每個霍爾陣列的輸出信號與所對應(yīng)線圈的電流換向點存在一一對應(yīng)關(guān)系，作為 電流換相的信號，從而實現(xiàn)永磁平面電機的相位檢測。 上述技術(shù)方案中，所述的永磁平面電機為動圈式永磁平面電機或動鐵式永磁平面 電機，所述線圈帶鐵芯或不帶鐵芯。 本發(fā)明具有以下優(yōu)點及突出性效果本發(fā)明為永磁平面電機提供了一種線圈的尋 相方法，即為對永磁平面電機的驅(qū)動線圈在永磁陣列中的換相點進行測量的方法；使霍爾 陣列在垂直于對應(yīng)線圈水平推力方向上移動時產(chǎn)生的信號基本不變，在對應(yīng)線圈水平推力 方向上運動時產(chǎn)生的信號正負交替，接近正弦波形變化；確定驅(qū)動線圈中電流過零點(換 相點)時線圈和永磁陣列的位置關(guān)系，使永磁平面電機在二維內(nèi)的尋相檢測變成了兩個一 維尋相檢測的疊加，使平面尋相檢測得以實現(xiàn)；從而有效解決了現(xiàn)有技術(shù)中利用光柵尺等 增量式位置傳感器無法確定驅(qū)動單元線圈的換相點(線圈中電流過零點對應(yīng)的線圈和永 磁陣列的位置)，即無法確定線圈和永磁陣列的初始位置相位關(guān)系的技術(shù)問題。


圖1為本發(fā)明提供的一種采用線性霍爾陣列的永磁平面電機尋相檢測方法實施 例的平面示意圖。
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圖2為本發(fā)明中線性霍爾陣列與永磁陣列的位置關(guān)系圖。 圖3為圖2的A-A截面圖。 圖4為一個霍爾陣列的電路連接示意圖。 圖5為采用6個線性霍爾傳感器組成的霍爾陣列沿對應(yīng)線圈水平推力方向運動時 的輸出波形信號。 圖6為在相同推力方向上兩個驅(qū)動單元的一種線圈排列方式。
圖7為另一種永磁平面電機動子平臺結(jié)構(gòu)。 圖中l(wèi)-永磁陣列；2-線圈陣列；3_驅(qū)動單元；4_線圈；5_霍爾陣列；6_水平推 力為X方向的線圈對應(yīng)的霍爾陣列；7-水平推力為Y方向的線圈對應(yīng)的霍爾陣列；8-線性 霍爾傳感器；9-采樣運算放大器；10-求和運算放大器；11-Y方向的第一驅(qū)動單元；12-Y方 向的第二驅(qū)動單元；15-X方向的第一驅(qū)動單元；16-X方向的第二驅(qū)動單元；15a-X方向的 第一驅(qū)動單元的線圈；15b-X方向的第一驅(qū)動單元的線圈；15c-X方向的第一驅(qū)動單元的線 圈；16a-X方向的第二驅(qū)動單元的線圈；16b-X方向的第二驅(qū)動單元的線圈；16c-X方向的
第二驅(qū)動單元的線圈。
具體實施例方式
本發(fā)明提供的一種采用線性霍爾陣列的永磁平面電機尋相檢測方法，所述的永磁 平面電機含有永磁陣列和線圈陣列，所述的線圈陣列由兩個以上驅(qū)動單元組成，每個驅(qū)動 單元由兩個以上線圈組成，其特征在于該方法包括如下步驟 a.每個線圈對應(yīng)一個霍爾陣列，且霍爾陣列與該線圈所在驅(qū)動單元的水平出力方 向垂直放置，所述霍爾陣列由兩個以上線性霍爾傳感器組成，線性霍爾傳感器在偶數(shù)倍極 距內(nèi)等間隔分布； b.線性霍爾傳感器平行永磁陣列放置，用于測量垂直于平面電機運動方向的磁通 密度分量； c.將霍爾陣列的每個線性霍爾傳感器的輸出信號分別經(jīng)各自的采樣運算放大器 9調(diào)制，制好后的電壓信號通過求和運算放大器10相加得到霍爾陣列的輸出信號，或者將 霍爾陣列的每個線性霍爾傳感器的輸出信號分別經(jīng)各自的采樣運算放大器9調(diào)制后直接 用微處理器采集相加得到霍爾陣列的輸出信號； d.每個霍爾陣列的輸出信號與所對應(yīng)線圈的電流換向點存在一一對應(yīng)關(guān)系，作為 電流換相的信號，從而實現(xiàn)永磁平面電機的相位檢測。 本發(fā)明提供的另一種采用線性霍爾陣列的永磁平面電機尋相檢測方法，所述的永 磁平面電機含有永磁陣列和線圈陣列，所述的線圈陣列由兩個以上驅(qū)動單元組成，每個驅(qū) 動單元由兩個以上線圈組成，且在相同的水平推力方向上至少有兩個驅(qū)動單元，其特征在 于該方法包括如下步驟 a.水平推力方向相同且在水平推力方向上相差2N個極距p的線圈，對應(yīng)一個霍爾 陣列，其中N = 0、1、2、3……(即N為零或正整數(shù))；所述霍爾陣列由兩個以上線性霍爾傳 感器組成，線性霍爾傳感器在偶數(shù)倍極距內(nèi)等間隔分布； b.線性霍爾傳感器平行永磁陣列放置，用于測量垂直于平面電機運動方向的磁通 密度分量；
c.將霍爾陣列每個線性霍爾傳感器輸出信號分別經(jīng)各自采樣運算放大器9調(diào)制，
制好后的電壓信號通過求和運算放大器io相加得到霍爾陣列的輸出信號，或者將霍爾陣
列每個線性霍爾傳感器輸出信號分別經(jīng)各自采樣運算放大器9調(diào)制后直接用微處理器采 集相加得到霍爾陣列的輸出信號； d.每個霍爾陣列的輸出信號與所對應(yīng)線圈的電流換向點存在一一對應(yīng)關(guān)系，作為 電流換相的信號，從而實現(xiàn)永磁平面電機的相位檢測。
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步詳細說明。 圖1為本發(fā)明提供的一種采用線性霍爾陣列的永磁平面電機尋相檢測方法的實 施例平面示意圖，所述的永磁平面電機含有永磁陣列1和線圈陣列2，線圈排列方向與永磁 陣列排列方向成45。角(或沿X軸方向或沿Y軸方向)布置，各相鄰驅(qū)動單元方向互成 90°角布置，每個線圈對應(yīng)一個霍爾陣列，且霍爾陣列與該線圈所在驅(qū)動單元的水平出力 方向垂直放置，所述霍爾陣列由六個線性霍爾傳感器組成，線性霍爾傳感器在偶數(shù)倍極距 內(nèi)等間隔分布，參考圖2和圖3，本實例中，線圈4對應(yīng)的霍爾陣列5由二倍極距2p內(nèi)等距 的六個線性霍爾傳感器組成，線性霍爾傳感器之間的距離為p/3。 線性霍爾傳感器平行永磁陣列放置，用于測量垂直于平面電機運動方向的磁通密 度分量。 將霍爾陣列每個線性霍爾傳感器輸出信號分別經(jīng)各自采樣運算放大器9調(diào)制，制 好后的電壓信號通過求和運算放大器10相加得到霍爾陣列的輸出信號。如圖4所示，每個 線性霍爾傳感器輸出端分別與各自的采樣運算放大器相連，各自采樣運算放大器輸出端與 求和運算放大器的輸入端相連。 將霍爾陣列每個線性霍爾傳感器輸出信號分別經(jīng)各自采樣運算放大器9調(diào)制后 也可以直接采用微處理器采集相加得到霍爾陣列的輸出信號。 每個霍爾陣列的輸出信號與所對應(yīng)線圈的電流換向點存在一一對應(yīng)關(guān)系，作為電 流換相的信號，水平推力為Y方向的線圈對應(yīng)的霍爾陣列7沿X方向移動或者水平推力為X 方向的線圈對應(yīng)的霍爾陣列6沿Y方向移動時輸出信號均基本不變，水平推力為Y方向的 線圈對應(yīng)的霍爾陣列7沿Y方向移動或者水平推力為X方向的線圈對應(yīng)的霍爾陣列6沿X 方向移動時輸出信號都正負交替變化，波形接近正弦，如圖5所示。從而實現(xiàn)永磁平面電機 的相位檢測。 由于永磁陣列磁場的周期性，水平推力方向相同且在水平推力方向上相差2N個 極距p的線圈，可共用一個霍爾陣列，其中N二0、1、2、3……。參考圖6所示，X方向第一驅(qū) 動單元15和X方向第二驅(qū)動單元16水平推力方向相同，均為X方向，其中X方向的第一驅(qū) 動單元的線圈15a與X方向的第二驅(qū)動單元的線圈16a在X方向上相距四個極距p，因此X 方向的第一驅(qū)動單元的線圈15a與X方向的第二驅(qū)動單元的線圈16a可以共用一個霍爾陣 列，同理X方向的第一驅(qū)動單元的線圈15b與X方向的第二驅(qū)動單元的線圈16b可以共用 一個霍爾陣列，X方向的第一驅(qū)動單元的線圈15c與X方向的第二驅(qū)動單元的線圈16c可 以共用一個霍爾陣列；與X方向驅(qū)動單元類似，Y方向的第一驅(qū)動單元11與Y方向的第二 驅(qū)動單元對應(yīng)的線圈也可共用霍爾陣列。 圖1和圖6中的一個驅(qū)動單元均為三相線圈，驅(qū)動單元中的一相線圈對應(yīng)一個霍 爾陣列，霍爾陣列相互之間的距離與驅(qū)動單元中線圈之間的距離相等；圖7中所示，驅(qū)動單元為五相線圈，則需要五組與線圈等距的霍爾陣列進行尋相測量。采用線性霍爾陣列的永 磁平面電機尋相檢測方法可實現(xiàn)對任意線圈排列的情況。
權(quán)利要求
一種采用線性霍爾陣列的永磁平面電機尋相檢測方法，所述的永磁平面電機含有永磁陣列和線圈陣列，所述的線圈陣列由兩個以上驅(qū)動單元組成，每個驅(qū)動單元由兩個以上線圈組成，其特征在于該方法包括如下步驟a.每個線圈對應(yīng)一個霍爾陣列，且霍爾陣列與該線圈所在驅(qū)動單元的水平出力方向垂直放置，所述霍爾陣列由兩個以上線性霍爾傳感器組成，線性霍爾傳感器在偶數(shù)倍極距內(nèi)等間隔分布；b.線性霍爾傳感器平行永磁陣列放置，用于測量垂直于平面電機運動方向的磁通密度分量；c.將霍爾陣列的每個線性霍爾傳感器的輸出信號分別經(jīng)各自的采樣運算放大器(9)調(diào)制，制好后的電壓信號通過求和運算放大器(10)相加得到霍爾陣列的輸出信號，或者將霍爾陣列的每個線性霍爾傳感器的輸出信號分別經(jīng)各自的采樣運算放大器(9)調(diào)制后直接用微處理器采集相加得到霍爾陣列的輸出信號；d.每個霍爾陣列的輸出信號與所對應(yīng)線圈的電流換向點存在一一對應(yīng)關(guān)系，作為電流換相的信號，從而實現(xiàn)永磁平面電機的相位檢測。
2. —種采用線性霍爾陣列的永磁平面電機尋相檢測方法，所述的永磁平面電機含有永 磁陣列和線圈陣列，所述的線圈陣列由兩個以上驅(qū)動單元組成，每個驅(qū)動單元由兩個以上 線圈組成，且在相同的水平推力方向上至少有兩個驅(qū)動單元，其特征在于該方法包括如下 步驟a. 水平推力方向相同且在水平推力方向上相差2N個極距p的線圈，對應(yīng)一個霍爾陣 列，其中N二 0、1、2、3……；所述霍爾陣列由兩個以上線性霍爾傳感器組成，線性霍爾傳感 器在偶數(shù)倍極距內(nèi)等間隔分布；b. 線性霍爾傳感器平行永磁陣列放置，用于測量垂直于平面電機運動方向的磁通密度c. 將霍爾陣列每個線性霍爾傳感器輸出信號分別經(jīng)各自采樣運算放大器(9)調(diào)制，制 好后的電壓信號通過求和運算放大器(10)相加得到霍爾陣列的輸出信號，或者將霍爾陣 列每個線性霍爾傳感器輸出信號分別經(jīng)各自采樣運算放大器(9)調(diào)制后直接用微處理器 采集相加得到霍爾陣列的輸出信號；d. 每個霍爾陣列的輸出信號與所對應(yīng)線圈的電流換向點存在一一對應(yīng)關(guān)系，作為電流 換相的信號，從而實現(xiàn)永磁平面電機的相位檢測。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種采用線性霍爾陣列的永磁平面電機尋相檢測方法， 其特征在于所述的永磁平面電機為動圈式永磁平面電機或動鐵式永磁平面電機；所述線 圈帶鐵芯或不帶鐵芯。
全文摘要
一種采用線性霍爾陣列的永磁平面電機尋相檢測方法，該方法的特征是每個線圈對應(yīng)一個霍爾陣列，且霍爾陣列與該線圈所在驅(qū)動單元的水平出力方向垂直放置，霍爾陣列中的線性霍爾傳感器在偶數(shù)倍極距內(nèi)等間隔分布且平行永磁陣列放置，用于測量垂直于平面電機運動方向的磁通密度分量?；魻栮嚵械妮敵鲂盘柺峭ㄟ^對霍爾陣列中所有線性霍爾傳感器信號相加產(chǎn)生，霍爾陣列在垂直于對應(yīng)線圈水平推力方向上移動時輸出信號基本不變，在對應(yīng)線圈水平推力方向上運動時正負交替，接近正弦波形，確定驅(qū)動線圈中電流過零點(換相點)。本方法使永磁平面電機在二維內(nèi)的尋相檢測變成了兩個一維尋相檢測的疊加，使平面尋相檢測得以實現(xiàn)。
文檔編號G01R31/06GK101769981SQ20091024191
公開日2010年7月7日 申請日期2009年12月15日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月15日
發(fā)明者尉鵬, 尹文生, 張鳴, 徐云龍, 徐登峰, 朱煜, 楊開明, 段廣洪, 汪勁松, 胡金春 申請人:清華大學