带检伺服电机与复杂机电系统中的嵌入式位置检测新技术体系

Aiming at the complex electromechanical system, a new embedded position detection method where the position sensor integrates the measured target is proposed based on the earlier researches. In the proposed method, the independent position sensor is not needed. The gear, the rack, the worm gear, the worm, the screw, the bearing, the guide rail, and the electric motor of the electromechanical system are integrated as parts of the sensor because of their mechanical equal division(such as gears with equal space indexing, wire winding slots with equal space indexing, steel balls with equal space indexing). And the clock pulses are regarded as the measurement standard. In this way, the simple electromechanical system which is depend on the auxiliary position sensor to detect the position can be transformed into "the precision electromechanical system with self position detection function" without the auxiliary position sensor. The proposed method is to overcome the shortcomings of the installation difficulties, loose system structure, high fabricating cost and extreme requirements on measuring environments for traditional position sensors. In this way, the integration, the intelligence and the adaptive capacity of the sensing parts are greatly improved. As a result, the volume, the weight, and the price of the system are decreased. This project focuses on "the new method and technology of electric motor with self position detection function". This project integrates the current research on worm gear with self position detection function and bearing with self position detection function to build a new technology system of embedded position detection for the complex electromechanical system.

延续前期时栅传感器研究基础，针对复杂机电系统提出一种不独立安装位置传感器，而将传感器本体融入到被测量部件中的一种"嵌入式"位置检测的新方法。利用机电系统中齿轮、齿条、蜗轮、蜗杆、丝杠、轴承、导轨、电机等自身已经具备的机械等分特性（等分齿、等分绕线槽、等分钢球等），使其作为传感器的一部分，再用时钟脉冲作为位移精密测量基准，从而将原有依赖外加位置传感器的机电系统变成"自带检测功能的精密机电系统"。本方法旨在克服传统位置传感器在测量过程中存在安装困难，系统结构不紧凑，制造成本高，对环境要求苛刻等缺点，通过系统自测的方法，在满足高精度的前提下，显著提高传感部件集成化、智能化和对环境的适应能力，并大大减少整个系统的体积，重量和成本。本申请侧重于研究"带检测功能电机的新方法和技术"，配合现在已开始进行的带检蜗轮和带检轴承研究工作，共同建立全新的"复杂机电系统中的嵌入式位置检测新技术体系"。

随着机电一体化机械设备体系的建立，复杂机电系统已步入智能化、集成化高速发展阶段，但其中最重要的位置精密检测技术却一直依赖外置传感器而无法实现与被测部件有机融为一体。本项目提出直接利用机械部件的等分结构作为传感器的一部分来实现嵌入式位置检测。通过理论建模、仿真分析、优化设计、实验研究等途径深入揭示伺服电机嵌入式位置检测原理并分析工作特性，实现位置的精确检测。主要研究内容及阶段性成果包括:研究了基于线圈式磁场时栅和基于磁敏元件的两种嵌入式交流伺服电机的位置检测方法；根据感应伺服电机和永磁伺服电机两种伺服电机的磁场分布以及两种位置检测原理，建立电磁场数学模型并完成模拟仿真研究；完成了带检功能交流伺服电机的结构设计与材料选型及工艺设计；完成了带检伺服电机的原理样机研制，搭建专用的实验台并开展相关性能参数试验；对传感信号进行溯源，完成嵌入式位置检测的误差建模及理论分析；研究新型标定方法应用到嵌入式位置检测的误差修正中；基于提出的位置检测方法设计新型时栅角位移传感器；构建了包括机械驱动、机械传动、机械运动的精密机电系统嵌入式位置检测技术模型样机。. 本项目针对嵌入式位置检测已形成了较为系统的新型嵌入式位置检测理论和方法，具有较强的工程应用价值。在项目执行期间，发表论文21篇，授权发明专利8项，申报发明专利3项，获第二届“中国创翼”青年创业创新大赛全国一等奖，重庆市优秀硕士论文及两项国家奖学金。