МУЛЬТИСЕНСОРНЫЙ ПОДХОД К ОПРЕДЕЛЕНИЮ ПОЗИЦИИ РАБОЧЕГО УЗЛА СИСТЕМЫ ЛИНЕЙНОГО ПЕРЕМЕЩЕНИЯ
Authors: Антинескул А.В. , Безукладников И.И. , Южаков А.А. 
Published: February 2025

В статье рассматривается комплексный метод определения позиции рабочего узла трубчатого линейного двигателя на постоянных магнитах, получивший весьма широкое распространение в течение последних лет. Одной из научных проблем, связанных с данным типом двигателя, является поиск методов точного определения текущей позиции рабочего узла на статоре, способных работать в условиях ограниченных ресурсов типовых микроконтроллеров, в то же время обеспечивающих достаточную точность позиционирования. В статье предлагается метод определения позиции рабочего узла с использованием нескольких датчиков Холла, расположенных на статоре со сдвигом в 60 градусов (относительно магнитного поля статора), а также аналоговых датчиков ускорения (акселерометров). Предложенный метод опирается на использование больших корректировочных таблиц (LUT), создаваемых в процессе калибровки для каждого экземпляра статора, а также применении методов оверсемплинга для увеличения эффективной разрядности АЦП. Использование метода позволило достичь точности позиционирования в пределах 1 мкм, не превышая вычислительных ресурсов типового микроконтроллера.

Introduction. Tubular linear permanent magnet motors (TLPMM) have been the subject of a lot of research over the past few decades due to their high power density, modest end effect and excellent dynamic performance. TLPMMs are increasingly used in high speed positioning systems that do require high dynamic performance and positioning accuracy while maintaining a small volume. Motor positioning is one of the key techniques to ensure successful TLPMM control. Achieving appropriate resolution of positioning sensor and high conversion rate is vital for torque control and improvement of the positioning accuracy and speed performance of the drive actuator. Typically, for positioning purposes, an external sensor based on glass or magnetic precision rulers is used. Their use yields the advantage of high positioning accuracy and conversion rate, however has a number of disadvantages, including the high final cost, the presence of additional external components, and an increase in the volume of the device. One of the options for solving the positioning problem is to use the stator's own magnetic field, which allows to successfully use cheap Hall sensors embedded directly into the moving part of the motor. The main problem of this method is the low positioning accuracy (of the order of 50-70 microns), which limits the applicability of this approach for a number of areas that do need accurate and inexpensive actuator systems (3D printing market, pick-and-place systems, medical systems, etc.). The aim of this work is to develop a complex approach for the analysis of the main reasons that cause a loss of accuracy in positioning by means of Hall sensors, as well as to develop a method which eliminates the identified drawbacks. Conclusion. The paper discusses a complex method for positioning the functional unit of a TLPMM, to operate under limited resources of typical microcontrollers, while providing sufficient positioning accuracy. The proposed method is based on the simultaneous use of multiple Hall sensors located on the stator with a shift of 60 degrees (relative to the stator magnetic field), as well as analog accelerometers. To further increase the accuracy, the proposed method relies on the use of large lookup tables (LUTs) created during the calibration process for each stator copy, as well as the use of oversampling methods to increase the effective ADC bit depth. The use of the method allowed to achieve positioning accuracy within 1 micron without exceeding the computing resources of a typical microcontroller.