基于压缩感知的永磁球形转子位置辨识方法技术

本发明专利技术涉及一种基于压缩感知的永磁球形转子位置辨识方法，所适用的永磁球形电机，包括底座，球形定子、定子线圈和球形转子，转子表面嵌有永磁体磁极，磁极沿与赤道分为上下两层，每层有4个永磁体磁极，N极和S极交替分布；基于永磁球形电机八分之一球面气隙处的径向磁场强度信息辨识转子位置，包括以下步骤：第一步，确定所需传感器数量；第二步，确定传感器的具体位置；第三步，压缩感知中观测矩阵A的设计；第四步，永磁球形电机的转子位置辨识，包括数据圆筛选、磁极中心位置计算、磁极位置和转子位置的转换。子位置的转换。子位置的转换。

【技术实现步骤摘要】
基于压缩感知的永磁球形转子位置辨识方法


[0001]本专利技术涉及到一种永磁球形电机转子的位置检测方法，属于永磁球形电机控制


技术介绍

[0002]随着现代科技的发展，对生产工具的性能和结构的要求越来越高，多自由度运动结构在工业生产和航空航天等领域具有重要的战略意义。以往的多自由度运动装置都是利用多台单自由度电机与相应的机械装置配套使用，不但造成装置本身结构复杂，系统体积庞大，而且系统的故障率大大提高，尤其是电机间的连接部分。球形电机可以通过简单的结构和较小的体积实现三自由度运动，从而得到了国内外学者的广泛关注。在对球形电机进行闭环控制的时候，需要实时检测球形电机转子的位置。
[0003]目前研究球形电机转子的位置检测方法，根据其工作原理，现有的方法一般可分为五类，即基于机械框架的方法、基于转子表面特征的方法、基于新传感器的方法、基于特定结构的方法和基于霍尔传感器的方法。虽然上述方法都能识别转子位置，但基于机械框架的测量系统体积大，限制了球机的运动；转子表面表征方法需要对转子表面进行图像处理，算法复杂或对采集的图像质量有很大的依赖性；新型传感器中光学鼠标传感器的灵敏度受转子表面微观特性的影响，高速检测的性能尚不明确，MEMS传感器的输出也不够稳定。
[0004]相关文献
[0005][1]Lee K.M.,Kwan C.K.Design concept development of a spherical stepper for robotic applications[J].IEEE Transactions on Robotics and Automation 1991,7(1):175
‑
181.
[0006][2]Kim J,Son H.Two
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DOF orientation measurement system for a magnet with single magnetic sensor and neural network[C].2017 14th International Conference on Ubiquitous Robots and Ambient Intelligence(URAI).2017.
[0007][3]Lu Y,Hu C,WangQ,et al.A New Rotor Position Measurement Method for Permanent Magnet Spherical Motors[J].Applied Sciences,2018,8(12).
[0008][4]G.Li,J.Feng,B.Li,and H.Li,“An Orientation Measurement System of the Two
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DOF Permanent Magnet Spherical Motor Based on Hall Ring Detectors,”Measurement,vol.150,no.1,pp.107073,2019.
[0009][5]J.Zhang，L.Yuan，S.L.Chen，Y.Liang，X.Huang，C.Zhang，and G.Yang，“A survey on design of reaction spheres and associated speed and orientation measurement technologies，”ISA Trans，vol.99，pp.417
‑
431，Apr 2020.

技术实现思路

[0010]本专利技术的目的是提供一种基于压缩感知的永磁球形转子位置辨识方法，利用放置于气隙处的线性霍尔传感器阵列，通过传感器输出信号计算球形电机的转子位置。本专利技术
基于压缩感知技术，首先设计了一种新型的霍尔传感器阵列，然后传感器输出值重构为球机气隙的磁场数据，最后计算永磁球形电机的转子位置。技术方案如下：
[0011]一种基于压缩感知技术的永磁球形转子位置辨识方法，所适用的永磁球形电机，包括底座，球形定子、定子线圈和球形转子，转子表面嵌有永磁体磁极，磁极沿与赤道分为上下两层，每层有4个永磁体磁极，N极和S极交替分布；基于永磁球形电机八分之一球面气隙处的径向磁场强度信息辨识转子位置，将霍尔传感器放置在S1空间，S1空间为球坐标系中均属于0～90
°
的空间，而此径向磁场强度信息是通过压缩感知技术处理传感器阵列采集的信息得到的；包括以下步骤：
[0012]第一步，确定所需传感器数量
[0013]设压缩感知理论要求的原始信号X的原始数据量为N，原始信号稀疏度K和观测信号Y的数据量M需要满足公式(1)
[0014]M＝K
·
ln(N/K)
ꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0015]根据有限元仿真结果确定转子气隙磁场信息的稀疏度K取值范围为5～10，用于位置辨识的原始数据量N＝8100，根据公式(1)，观测信号的数据量M取值范围为36～66，即所需霍尔传感器数量，选择斐波那契数列的前若干项项来确定各层传感器的数量，由于斐波那契数列的前8项之和为54，在36～66范围内，因而设计传感器阵列设计为8行共计M＝54个传感器；
[0016]第二步，确定传感器的具体位置
[0017]在确定传感器的具体位置，即纬度和经度时，采用生成随机数方式，方法如下：
[0018]1)确定每行传感器的纬度：先将S1空间所覆盖的纬度，即0～90
°
，等分为8份，即[0，11.25]，[11.25，22.5]，...，再在各纬度范围内生成随机数作为各行的纬度。
[0019]2)确定每行传感器中每个传感器的经度：记每行传感器的个数为n
i
，i＝1～8；在计算第i行的传感器的经度时，先将S1空间所覆盖的经度，即0～90
°
等分为n
i
份，即[0，90/n
i
]，[90/n
i
，2*(90/n
i
)]，...，再在各经度范围内生成随机数作为各个传感器的经度。
[0020]第三步，压缩感知中观测矩阵A的设计
[0021]设观测矩阵A的行列数分别为M＝54和N＝8100，A中共计M＝54个数据块待确定，且每一块均与传感器位置有关，详细步骤如下：
[0022]1)将第i个传感器记为(i，J
i
，W
i
)，依次为传感器编号，经度坐标和纬度坐标；
[0023]2)计算观测矩阵A中对应元素的坐标(i，90*(J
i
‑
1)+W
i
)；
[0024]3)生成1*100的随机高斯矩阵赋给A中对应元素的前后100个元素。
[0025]根据此观测矩阵A对传感器阵列收集的信息进行处理即可得到所需八分之一球本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于压缩感知的永磁球形转子位置辨识方法，所适用的永磁球形电机，包括底座，球形定子、定子线圈和球形转子，转子表面嵌有永磁体磁极，磁极沿与赤道分为上下两层，每层有4个永磁体磁极，N极和S极交替分布；基于永磁球形电机八分之一球面气隙处的径向磁场强度信息辨识转子位置，将霍尔传感器放置在S1空间，S1空间为球坐标系中θ,均属于0～90
°
的空间，而此径向磁场强度信息是通过压缩感知技术处理传感器阵列采集的信息得到的；包括以下步骤：第一步，确定所需传感器数量设压缩感知理论要求的原始信号X的原始数据量为N，原始信号稀疏度K和观测信号Y的数据量M需要满足公式(1)M＝K
·
ln(N/K)
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(1)根据有限元仿真结果确定转子气隙磁场信息的稀疏度K取值范围为5～10，用于位置辨识的原始数据量N＝8100，根据公式(1)，观测信号的数据量M取值范围为36～66，即所需霍尔传感器数量，选择斐波那契数列的前若干项项来确定各层传感器的数量，由于斐波那契数列的前8项之和为54，在36～66范围内，因而设计传感器阵列设计为8行共计M＝54个传感器；第二步，确定传感器的具体位置在确定传感器的具体位置，即纬度和经度时，采用生成随机数方式，方法如下：1)确定每行传感器的纬度：先将S1空间所覆盖的纬度，即0～90
°
，等分为8份，即[0,11.25],[11.25,22.5],
…
,再在各纬度范围内生成随机数作为各行的纬度。2)确定每行传感器中每个传感器的经度：记每行传感器的个数为n
i
,i＝1～8；在计算第i行的传感器的经度时，先将S1空间所覆盖的经度，即0～90
°
等分为n
i...

【专利技术属性】
技术研发人员：李洪凤，米梦来，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：