基于多场耦合的精密位置检测单元与直线电机一体化理论与技术

In order to solve the effective integration problems of displacement sensors and linear motor systems in structure and function, time-grating position detecting units are embedded in the linear motor systems, and a new position detecting method using multiple magnetic field coupling is proposed based on the previous time-grating research. The implementation of moving reference system is proposed innovatively using physical effect of magnetic field coupling, and magnetic field generated by exciting signals of motors for power is employed to create a carrier for building the relationship between the space displacement and time reference. The electric configuration and structure characteristics of the motors are used to establish travelling wave field in space quadrature, which extends the sensing mechanism of time-grating sensors innovatively. The multiple read heads and the corrected read head are employed to correct measurement errors in strong electromagnetic interference conditions, and matching techniques for kinetics and smart sensing techniques are proposed to build the “structure-function- performance” integrated design theory between position sensing and linear motor system, thus new techniques of intelligent position detection are developed for electromechanical system. The proposed linear motors embedded with time-grating sensing parts which neither need an external independent position sensor nor change original impact structure of linear motors, employ position detecting units embedded in linear motors as the position sensors to realize ±2μm positional accuracy and 0.2μm measurement resolution within 600mm. Such merits meet integration requirements of electromechanical system.

针对位置传感器件与直线电机在结构和功能上难以实现有效集成的矛盾，在前期时栅研究基础上，本项目将时栅位置检测单元内置到直线电机系统中，提出一种基于多磁场耦合的位置检测新方法。采用磁场耦合物理效应创新运动参考系的实现方式，利用直线电机动力励磁构建一种稳定运动作为载体，建立空间位置和时间基准之间的关系。创新时栅传感机理，研究采用直线电机电气配置和结构特性构建空间正交的行波磁场。提出采用多读数头及修正读数头技术实现强电磁干扰环境下测量误差修正技术，研究时栅内置式直线电机系统动力学与智能感知匹配方法，建立位置传感与直线电机“结构-功能-性能”一体化设计新理论，形成机电系统位置传感智能检测新技术。研制出时栅内置式直线电机，可摒弃外置独立位置传感器，在不改变电机紧凑结构的基础上，将位置检测单元内置于直线电机的方式实现在600mm范围内±4μm定位精度、0.2μm定位分辨力，满足复杂机电一体化要求。

检测技术与被测系统的集成是智能制造装备发展的必然趋势，但位置检测技术却始终没能实现与直线电机形成有效集成，究其原因在于复杂机电系统对位置传感器的测量精度、测量功能和传感结构灵活性提出了更高要求。针对位置传感器件与直线电机在结构和功能上难以实现有效集成的矛盾，本项目开展了时栅内置式位置传感理论及方法、时栅内置式直线电机“结构-功能-性能”集成理论与技术、时栅内置式直线电机系统精度标定与误差溯源等研究，提出了一种基于多磁场耦合的位置检测新方法。采用磁场耦合物理效应创新运动参考系的实现方式，利用直线电机动力励磁构建一种稳定运动作为载体，建立空间位置和时间基准之间的关系。创新直线电机位置传感机理，采用直线电机电气配置和结构特性构建空间正交的行波磁场。采用多读数头及修正读数头技术实现强电磁干扰环境下测量误差修正技术，研究时栅内置式直线电机系统动力学与智能感知匹配方法，建立位置传感与直线电机“结构-功能-性能”一体化设计新理论，形成机电系统位置传感智能检测新技术。研究成果在IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement、IEEE Sensors Journal、仪器仪表学报、光学精密工程等期刊发表论文12篇，其中SCI一区Top期刊IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement2篇，被国际同行评价“novelty”，获得授权发明专利3项。本项目设计的新型时栅传感器能满足市场大部分直线电机在不改变永磁同步直线电机原有机械结构和电气特性的基础上可实现永磁同步直线电机在150mm范围内-47.2μm-49.6μm的定位精度和0.15µm的测量分辨力。对比同等精度光栅尺及配套细分卡成本，本方案成本只有其成本的15%，并且该方案成本不随直线电机测量量程的增加而增加，因此可替代一些中等精度光栅尺在复杂机电系统实现位置检测，具有重要的工程应用价值。本项目的研究成果作为重要创新点之一支撑获得重庆市技术发明一等奖。