CN104897041B - Pwm主动控制型磁悬浮机构气隙长度的测量***及方法 - Google Patents

Pwm主动控制型磁悬浮机构气隙长度的测量***及方法 Download PDF

Info

Publication number
CN104897041B
CN104897041B CN201510221210.8A CN201510221210A CN104897041B CN 104897041 B CN104897041 B CN 104897041B CN 201510221210 A CN201510221210 A CN 201510221210A CN 104897041 B CN104897041 B CN 104897041B
Authority
CN
China
Prior art keywords
suspension mechanism
mrow
msub
electromagnet
magnetic suspension
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
CN201510221210.8A
Other languages
English (en)
Other versions
CN104897041A (zh
Inventor
于占东
郑建英
张鹏
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Bohai University
Original Assignee
Bohai University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Bohai University filed Critical Bohai University
Priority to CN201510221210.8A priority Critical patent/CN104897041B/zh
Publication of CN104897041A publication Critical patent/CN104897041A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN104897041B publication Critical patent/CN104897041B/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Landscapes

  • Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)
  • Measuring Magnetic Variables (AREA)

Abstract

本发明公开了一种PWM主动控制型磁悬浮机构气隙长度的测量***及方法，该测量***由悬浮机构、电磁铁功率驱动单元、锁相放大单元和数字信号处理单元构成，所述悬浮机构由电磁铁和悬浮体构成，所述电磁铁功率驱动单元包括H桥式电路和霍尔电流传感器，所述锁相放大单元，包括前置滤波放大器，相敏检测器和低通滤波器，所述数字信号处理单元采用CPU处理器，所述数字信号处理单元通过用于驱动电磁铁线圈的线缆与悬浮机构相连。本发明在不使用位置传感器的情况下，只利用电磁铁电流信息和脉宽调制信息就可以计算出磁悬浮机构的气隙长度；***从整体结构上简化为两部分，磁悬浮机构和驱动控制电路板，无需在磁悬浮机构上额外安装位置传感器。

Description

PWM主动控制型磁悬浮机构气隙长度的测量***及方法
技术领域
本发明涉及无位置传感器磁悬浮***的领域，具体涉及一种PWM主动控制型磁悬浮机构气隙长度的测量***及方法。
背景技术
PWM主动控制型磁悬浮技术是利用PWM信号驱动的电磁铁装置，采用闭环控制手段调节磁场力，使悬浮体与电磁铁之间保持一定的间隙，实现悬浮的目的。磁悬浮可有效的避免物体之间接触摩擦，因此具有广阔的应用前景。磁悬浮技术已在很多的领域得到了广泛的应用，如磁悬浮列车、磁悬浮轴承、高速磁悬浮电机等。
目前大多数主动控制型磁悬浮机构采用位置传感器测量气隙长度。传感器大体分为两类，激光测距传感器，电涡流位移传感器。由于位置传感器的存在，增加了***的成本和装配的难度，不利于磁悬浮机构的小型化和低成本化。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种PWM主动控制型磁悬浮机构气隙长度的测量***及方法，在不使用位置传感器的情况下，只利用电磁铁电流信息和脉宽调制信息就可以计算出磁悬浮机构的气隙长度；***从整体结构上简化为两部分，磁悬浮机构和驱动控制电路板，无需在磁悬浮机构上额外安装位置传感器。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种PWM主动控制型磁悬浮机构气隙长度的测量***，所述测量***由悬浮机构、电磁铁功率驱动单元、锁相放大(LIA)单元和数字信号处理单元构成，所述悬浮机构由电磁铁和悬浮体构成，所述电磁铁功率驱动单元包括H桥式电路和霍尔电流传感器，所述锁相放大(LIA)单元，包括前置滤波放大器，相敏检测器(PSD)和低通滤波器(LPF)，所述数字信号处理单元采用CPU处理器，所述数字信号处理单元通过用于驱动电磁铁线圈的线缆与悬浮机构相连。
其中，所述锁相放大(LIA)单元采用AD630芯片；霍尔电流传感器的输出经过信号调理，滤波放大后，输入到相敏解调芯片AD630的1脚中(网络标号为Sig_Input)，同时CPU将与PWM波同频，且经过移相处理的方波，输入到AD630的9脚中，作为锁相放大的参考信号；Sig_Input信号在AD630中被锁相放大，AD630的输出信号经过低通滤波后，得到含电流基频分量的幅值信息的信号Output；此信号经过简单信号调理后，输入到数字信号处理单元中。
为解决上述问题，本发明还提供了一种PWM主动控制型磁悬浮机构气隙长度的测量方法，包括如下步骤：
S1、CPU向发出功率驱动单元发出PWM驱动信号，电磁铁线圈产生电流，悬浮体在电磁力控制下运动使气隙x发生改变，进而改变磁路的磁阻和线圈电流；
S2、利用锁相放大(LIA)技术，将淹没于电流谐波信号中的位置变化信息提取出来；
S3、根据PWM信号中基频激励电压分量的幅值和电流的关系，在CUP处理器中计算出气隙长度。
其中，所述运动使气隙x的计算公式为：
式中，N为电磁铁线圈的匝数，μ0表示真空磁导率，A表示电磁铁铁芯的截面积，ω0表示脉宽调制信号基波角频率，Ul表示测量出的电流基波信号的幅值，U表示H桥电源电压，α表示PWM信号占空比，l表示磁路中铁芯的长度，μr表示铁芯相对磁导率。
本发明具有以下有益效果：
利用锁相放大技术，处理磁悬浮机构气隙测量问题，与基于普通整流滤波解调的其他无位置传感器方法相比，测量更精确；考虑了控制信号占空比对气隙测量的影响，提高了测量精度；电磁铁即作为执行机构，又作为磁阻测量的敏感器件，与现有的利用激光位置传感器、以及电涡流测量的方案相比，本方法成本更低，更易于集成，更适合安装和调试。
附图说明
图1本发明实施例一种PWM主动控制型磁悬浮机构气隙长度***的结构图。
图2为图1的简化图。
图3为本发明实施例中磁悬浮装置的等效磁路模型示意图。
图4为本发明实施例中磁悬浮装置的等效的等效电路图。
图5为本发明实施例中线圈输入的PWM驱动电压波形图。
图6为本发明实施例中AD630锁相放大电路。
具体实施方式
为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1-2所示，本发明实施例提供了一种PWM主动控制型磁悬浮机构气隙长度的测量***，所述测量***由悬浮机构、电磁铁功率驱动单元、锁相放大(LIA)单元和数字信号处理单元构成，所述悬浮机构由电磁铁和悬浮体构成，所述电磁铁功率驱动单元包括H桥式电路和霍尔电流传感器，所述锁相放大(LIA)单元，包括前置滤波放大器，相敏检测器(PSD)和低通滤波器(LPF)，所述数字信号处理单元采用CPU处理器，所述数字信号处理单元通过用于驱动电磁铁线圈的线缆与悬浮机构相连。
如图6所示，所述锁相放大(LIA)单元采用AD630芯片；霍尔电流传感器的输出经过信号调理，滤波放大后，输入到相敏解调芯片AD630的1脚中，同时CPU将与PWM波同频，且经过移相处理的方波，输入到AD630的9脚中，作为锁相放大的参考信号；Sig_Input信号在AD630中被锁相放大，AD630的输出信号经过低通滤波后，得到含电流基频分量的幅值信息的信号Output；此信号经过简单信号调理后，输入到数字信号处理单元中。
本发明实施例还提供了一种PWM主动控制型磁悬浮机构气隙长度的测量方法，包括如下步骤：
S1、CPU向发出功率驱动单元发出PWM驱动信号，电磁铁线圈产生电流，悬浮体在电磁力控制下运动使气隙x发生改变，进而改变磁路的磁阻和线圈电流；
S2、利用锁相放大(LIA)技术，将淹没于电流谐波信号中的位置变化信息提取出来；
S3、根据PWM信号中基频激励电压分量的幅值和电流的关系，在CUP处理器中计算出气隙长度。
所述运动使气隙x的计算公式为：
式中，N为电磁铁线圈的匝数，μ0表示真空磁导率，A表示电磁铁铁芯的截面积，ω0表示脉宽调制信号基波角频率，Ul表示测量出的电流基波信号的幅值，U表示H桥电源电压，α表示PWM信号占空比，l表示磁路中铁芯的长度，μr表示铁芯相对磁导率。
所述运动使气隙x的计算公式通过以下步骤获得：
如图3-4所示，取N为线圈匝数，i为线圈电流，则Ni为***的磁动势，Rm为***的磁阻；若忽略漏磁和端面效应，则***的磁阻可表示为：
其中l表示磁路中铁芯长度(含悬浮体)，x表示气隙长度，μ0为真空磁导率，μr为铁芯材料的相对磁导率，A表示铁芯的面积
根据磁阻与电感的关系，有：
电磁铁的磁链为：ψ＝Li (3)
如图5所示，若电磁铁两端加电压u，电磁铁线圈电阻为R，则可以列出电磁铁电回路方程为：
若忽略电磁铁的反电势项，即，则有
将L与Rm的关系(2)带入(5)式，有
其中，u为输入到线圈中的脉宽调制信号，其周期为T，其占空比为
将脉宽调制信号进行傅立叶分析可以得到：
其中，U为电桥电源电压，
u(t)的基波分量为：
根据电磁铁***回路方程得到的***电压电流关系如下：
***中设置基频信号的频率为10KHz以上，在此频率下有因此有，u＞＞iR，即
对于(10)式，考虑基频激励的情况，有：
对(11)式积分得到：
若iω0(t)的幅值Ul已知，则气隙长度可以表示为：
本具体实施采用锁相放大技术测量电流基频分量的幅值Ul。采用相敏放大技术，在电流信号中提取气隙长度信息的原因如下：
a)电磁铁通过PWM脉冲信号激励产生电磁力，PWM基频信号是载波信号，位置信息被调制在PWM基频信号中，因此直接利用PWM信号中的基频分量作为参考信号；
b)利用相敏检测器实现调制信号的解调过程，可以同时利用频率和相位进行检测，干扰噪声与信号同频又同相的概率很低；
c)相比普通解调器而言，锁相放大器采用低通滤波，其通频带可以做得很窄，而且其带宽不受调制频率影响，具有很好的稳定性
本具体实施的实现过程中，CPU所用的处理器，可以是单片机、DSP、ARM、FPGA，PC104，PC机等；参考信号可由CPU处理器发出，也可以采用专门的锁相环(PLL)电路，生成用于锁相放大的参考信号；锁相放大单元可以采用AD630为核心的锁相放大电路，也可以采用由高速模拟开关电路搭建的锁相放大电路，或直接通过数字锁相放大方式实现锁相放大功能；霍尔电流传感器的功能可以用采样电阻取代，即在H桥下端串联一个锰铜低温漂采样电阻，再用差动放大电路测出电阻电压，进而计算电流的方式测出。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种PWM主动控制型磁悬浮机构气隙长度的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、CPU向发出功率驱动单元发出PWM驱动信号，电磁铁线圈产生电流，悬浮体在电磁力控制下运动使气隙x发生改变，进而改变磁路的磁阻和线圈电流；
S2、利用锁相放大技术，将淹没于电流谐波信号中的位置变化信息提取出来；
S3、根据PWM信号中基频激励电压分量的幅值和电流的关系，在CUP处理器中计算出气隙长度；
所述运动使气隙x的计算公式为：
<mrow> <mi>x</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mn>2</mn> </mfrac> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>&amp;pi;&amp;mu;</mi> <mn>0</mn> </msub> <msub> <mi>&amp;omega;</mi> <mn>0</mn> </msub> <msup> <mi>N</mi> <mn>2</mn> </msup> <msub> <mi>AU</mi> <mi>l</mi> </msub> </mrow> <mrow> <mn>4</mn> <mi>U</mi> <mi>sin</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>&amp;pi;</mi> <mi>&amp;alpha;</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mfrac> <mo>-</mo> <mfrac> <mi>l</mi> <msub> <mi>&amp;mu;</mi> <mi>r</mi> </msub> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
式中，N为电磁铁线圈的匝数，μ0表示真空磁导率，A表示电磁铁铁芯的截面积，ω0表示脉宽调制信号基波角频率，U1表示测量出的电流基波信号的幅值，U表示H桥电源电压，α表示PWM信号占空比，l表示磁路中铁芯的长度，μr表示铁芯相对磁导率。
CN201510221210.8A 2015-04-26 2015-04-26 Pwm主动控制型磁悬浮机构气隙长度的测量***及方法 Expired - Fee Related CN104897041B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201510221210.8A CN104897041B (zh) 2015-04-26 2015-04-26 Pwm主动控制型磁悬浮机构气隙长度的测量***及方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201510221210.8A CN104897041B (zh) 2015-04-26 2015-04-26 Pwm主动控制型磁悬浮机构气隙长度的测量***及方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN104897041A CN104897041A (zh) 2015-09-09
CN104897041B true CN104897041B (zh) 2017-11-10

Family

ID=54029857

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201510221210.8A Expired - Fee Related CN104897041B (zh) 2015-04-26 2015-04-26 Pwm主动控制型磁悬浮机构气隙长度的测量***及方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN104897041B (zh)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109726677B (zh) * 2018-12-28 2021-01-26 武汉万集信息技术有限公司 轮轴识别方法、装置及可读存储介质
CN111895901B (zh) * 2020-08-31 2021-12-21 爱德森（厦门）电子有限公司 铁磁性与非铁磁性金属板材间隙的检测方法及其***装置

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1885043A (zh) * 2005-06-23 2006-12-27 中国科学院电子学研究所 小型锁相放大器的数字控制电路及方法
CN101245470A (zh) * 2008-03-18 2008-08-20 北京大学 一种制备纳米尺度间隙金属电极对的方法
CN101511632A (zh) * 2006-09-12 2009-08-19 西门子公司 用于测量间隙的方法和装置
CN101592582A (zh) * 2009-06-26 2009-12-02 北京航空航天大学 一种适用于轻敲模式原子力显微镜针尖与样品间距的检测装置
CN101761365A (zh) * 2009-12-31 2010-06-30 绍兴文理学院 一种汽轮机自检测电磁悬浮轴承减振***
CN102358205A (zh) * 2011-07-26 2012-02-22 西南交通大学 一种基于辨识的无气隙传感器电磁吸力悬浮控制方法
CN103522912A (zh) * 2013-10-17 2014-01-22 中国人民解放军国防科学技术大学 Ems型低速悬浮列车的磁通反馈悬浮控制方法及装置
CN103728883A (zh) * 2014-01-14 2014-04-16 渤海大学 无位置传感器主动控制型磁悬浮***的控制方法
CN104006734A (zh) * 2014-06-10 2014-08-27 中国长江三峡集团公司 一种水轮发电机定转子动态气隙在线测量装置及其方法

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9279655B2 (en) * 2013-02-26 2016-03-08 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy Non-contact electrical machine air gap measurement tool

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1885043A (zh) * 2005-06-23 2006-12-27 中国科学院电子学研究所 小型锁相放大器的数字控制电路及方法
CN101511632A (zh) * 2006-09-12 2009-08-19 西门子公司 用于测量间隙的方法和装置
CN101245470A (zh) * 2008-03-18 2008-08-20 北京大学 一种制备纳米尺度间隙金属电极对的方法
CN101592582A (zh) * 2009-06-26 2009-12-02 北京航空航天大学 一种适用于轻敲模式原子力显微镜针尖与样品间距的检测装置
CN101761365A (zh) * 2009-12-31 2010-06-30 绍兴文理学院 一种汽轮机自检测电磁悬浮轴承减振***
CN102358205A (zh) * 2011-07-26 2012-02-22 西南交通大学 一种基于辨识的无气隙传感器电磁吸力悬浮控制方法
CN103522912A (zh) * 2013-10-17 2014-01-22 中国人民解放军国防科学技术大学 Ems型低速悬浮列车的磁通反馈悬浮控制方法及装置
CN103728883A (zh) * 2014-01-14 2014-04-16 渤海大学 无位置传感器主动控制型磁悬浮***的控制方法
CN104006734A (zh) * 2014-06-10 2014-08-27 中国长江三峡集团公司 一种水轮发电机定转子动态气隙在线测量装置及其方法

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
一种基于AD630的锁相放大弱信号检测***;李辉等;《无线电通信技术》;20150402;第86-88、92页 *
中低速磁悬浮列车电涡流间隙传感器设计;张刘泽等;《仪表技术与传感器》;20101231(第1期);第1-3、17页 *
非对称钢丝间隙传感器设计及优化;严义等;《传感技术学报》;20090228;第22卷(第2期);正文第2节，图2、6 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN104897041A (zh) 2015-09-09

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN103149542B (zh) 在二次谐波检测模式下使用磁阻传感器感测弱磁场的方法
US7956604B2 (en) Integrated sensor and magnetic field concentrator devices
CN102954808A (zh) 具有低电偏移的磁传感器
CN103616550A (zh) 巨磁阻电流传感器
CN104897041B (zh) Pwm主动控制型磁悬浮机构气隙长度的测量***及方法
CN105258690A (zh) 一种用于核磁共振陀螺仪磁共振激励磁场的闭环操控方法
Sebastiá et al. Signal conditioning for GMR magnetic sensors: Applied to traffic speed monitoring GMR sensors
US20230117718A1 (en) Displacement detection circuit of maglev rotor system and displacement self-sensing system thereof
CN108693486A (zh) 一种基于amr传感器的微弱低频磁信号检测方法和***
Cardelli et al. Contact-less speed probe based on eddy currents
CN112834815A (zh) 一种基于脉冲幅度检测法的磁通门数字电流传感器
CN105954806A (zh) 一种基于巨磁电阻和正交偏置调制的金属探测方法及装置
CN203630195U (zh) 巨磁阻电流传感器
CN106097723A (zh) 基于偏置磁场的车辆压车道实线检测装置的工作方法
Van Schoor et al. Evaluation of demodulation algorithms for robust self-sensing active magnetic bearings
Li et al. Offset suppression in a micromachined Lorentz force magnetic sensor by current chopping
WO2009037607A2 (en) Magnetoresistive sensor device and method of processing a signal thereof
CN110082564B (zh) 基于反馈电容力矩器的隧道磁阻式加速度计闭环控制电路
CN210323082U (zh) 基于反馈电容力矩器的隧道磁阻式加速度计闭环控制电路
CN104897042B (zh) 磁悬浮机构气隙长度的互感测量***及方法
CN102520375B (zh) 磁通门磁力仪检测电路及精度提高方法
Matheoud et al. Microwave inductive proximity sensors with sub-pm/Hz1/2 resolution
JPH06347526A (ja) 磁気センサー
CN107329441A (zh) 一种基于dsp控制的磁悬浮磁轴承检测***
CN115327202B (zh) 一种tmr电流传感器

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20171110

Termination date: 20210426