21世纪以来,我国工业自动化进入全新阶段,交流伺服控制系统已成为机械自动控制的主流系统,朝着集成化、智能化的方向快速发展。然而,伺服电机作为控制系统的执行部件,却始终无法与关键位置检测技术融为一体,少有集成位置检测功能的伺服电机被研究。因此,如何在不破坏电机本体结构的同时又可以嵌入电机内部实现全速度范围的位置检测,是解决伺服电机位置检测问题的研究方向。作者所在课题组研制的嵌入式时栅传感器,利用时栅传感器的结构灵活性以及只需机械等分即可实现计量等分的特点,将机电系统中的传动部件(齿轮、蜗轮)和运动部件(轴承)作为传感器的一部分,打破传统同轴安装独立位移传感器的模式,解决了大型中空等极端特殊条件下的位置检测问题。在此背景下,延续前期的研究基础,开展以伺服电机为代表的机械驱动部件嵌入式位置检测研究。将位置传感器与伺服电机本体集成融合,进一步紧缩电机结构、降低检测成本。本文主要的研究内容及创新点如下:(1)针对位置传感器与电机主体分离的传统检测方式,在嵌入式时栅位置检测思想和伺服电机等分线槽、等分永磁体结构的基础上,提出线圈绕组和磁敏元件式嵌入时栅传感方法,将检测技术和电机本体结构集成一体。为了构建时栅运动坐标系,完整的提出两路、三路及多路驻波信号合成时栅电行波的方式。在推导过程中,提出“时间补偿空间”的信号模型用于补偿传感单元空间位置不理想问题,且分析出空间磁场的建模与解耦、位置传感单元的设计是嵌入式位置检测的关键技术。(2)针对电机内部复杂的磁场环境,提出从端面和轴向解耦三维空间磁场并建立模型。基于分层区域法建立解析模型求解出定、转子单独以及共同作用时的不同区域端面磁场;基于毕奥萨伐尔定律和永磁体简化模型解析求解轴向空间磁场;有限元数值分析结合实验测试均证实,在远离转子且正对气隙的端面磁场满足测试需求。(3)针对不同的转子和磁敏元件结构类型,分别设计单组和多组位置传感单元。为解决空间位置信息中谐波干扰成分随转速变化的问题,提出反相谐波式和同相谐波式的传感阵列优化设计,避免了复杂的滤波技术;为解决电机本体磁极对数有限的问题,在时栅位置解算模型的基础上提出不同频次空间倍频的传感阵列优化设计,从传感源头优化位置传感信号,提高位置检测性能。(4)研制带位置检测功能的伺服电机样机,并设计实验系统采集测试数据。基于传感机理,溯源分析主频次误差并建立数学模型,提出从信号补偿和数据处理两方面修正误差,进一步提高检测精度。在此基础上展开性能测试,实验结果表明,嵌入式时栅位置检测的稳定性达9.2”,重复性误差为11.4",在200r/min的速度范围内,检测精度高于±10’。(5)将基于磁敏元件的嵌入式时栅位置检测新方法扩展到永磁直线电机的位置检测、主动式角位移传感器以及被动式角位移传感器的研究,并分别从方案设计、建模仿真及实验测试展开讨论。综上所述,嵌入式时栅位置检测方法便于与被测系统集成,使被测部件既是装置又作为传感器的一部分,将同轴安装传感器所附加的随机性问题转化为传感器部件间易于控制和消除的系统误差。本文将嵌入式时栅位置检测新方法用于伺服电机,为空间狭小场合位置信息的检测提供了可能,打开了集成一体化检测的新思路。时栅检测技术的融入为高精度、高分辨率提供了保障,同时,该方法又开拓出时栅传感器多样化发展的新方向。在伺服系统测控智能化、集成化、一体化的发展趋势下,具有宽广的应用前景。