利用空间磁场信息的六自由度精密实时测量研究

首次提出充分利用电机固有空间磁场信息，解决一类平面运动电机六自由度测量理论与应用问题，研究内容包括：建立满足测量精度需求的精密空间磁场简化模型，探索基于信息融合方法的六自由度位移测量非实时算法，提出基于磁场特征的便于硬件实现实时测量解算方法，对前者算法进行仿真与离线验证，对后者开发实用测量装置。测量装置能够实现平动位移分辨率优于2μm，转动分辨率优于10μrad，带宽不低于20KHz，数据刷新率不低于200KHz，满足改造该类平面电机实现六自由度运动的实时控制应用需求。

永磁同步平面电机由于电磁力呈现高度线性，没有叠层结构而直接驱动，在IC、生物制造、精密检测等领域具有重要应用。本项目利用这种电机磁钢包含丰富空间位置信息的固有磁场，研究了由电机磁场与空间位置的关系模型实现位移测量问题。.具体地本项目开展如下三个方面研究：.基于磁场分布的特点，提出一种基于解耦冗余传感器信息的平面3-DOF位移测量方法。设计特殊传感器拓扑使得检测位置与信息具有解耦特点，再从对位移敏感能力和对参数偏差鲁棒性角度，提出参数优化原则；通过检测值组合计算得到只含单个自由度位移信息方程，实现位移快速解算。验证了求解能力，分析了在常规噪声水平下的算法性能。.考虑解耦法扩展到6-DOF测量时结构拓扑不可解局限性，提出一种逆模型位移测量方法。该方法基于最大相关熵核自适应滤波，构建由若干核函数线性组合而成的逆模型。结合矢量量化缩减模型规模，减少计算与存储量。仿真验证了该算法的实现性能。.基于前述2种方法工程应用的复杂性，利用运动连续性及空间磁场光滑性，提出了极具工程价值的顺序求解6-DOF位移的测量方法。该算法在上一采样时刻位移处，对检测模型线性化，通过迭代与反馈，实现当前时刻位移的高精度解算。对算法的收敛性进行了深入分析给出收敛性定理；导出与所求位移无关收敛条件；结合工程应用给出收敛速度、迭代次数。.采用8核DSP与并行计算，搭建了6-DOF测量验证平台，通过与商用传感器的比对，验证了所提方法可行性：定点重复测量标准差X向优于4.5μm、Y向优于3μm，但绝对精度受到机械结构的限制，X、Y向仅能达到100μm级。未来项目组将在本项目的研究基础上，开展参数与误差标定研究，提升精度性能。.此外，基于项目的部分研究成果，开展了理论应用研究，包括提出由1个大径高比扁平圆柱磁钢、2个圆柱磁钢等构成的非接触位移测量系统，以及基于平面光栅与激光干涉仪检测的6自由度位移测量等，分别实现3-DOF μm量级、6-DOF nm级分辨率测量。.在本项目资助下，培养硕士4名，其中毕业2名；培养博士3名，其中毕业1名；申请发明专利11项，其中授权6项，国际（PCT）2项；.发表标注基金号研究论文9篇（3篇SCI收录、7篇EI收录），未标注论文2篇（2篇EI收录），2篇国际期刊录用。.本项目执行期间出版专著1部，由国内外2出版社出版。