CN104897042A - 磁悬浮机构气隙长度的互感测量***及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种磁悬浮机构气隙长度的互感测量***及方法,该测量***由悬浮机构、电磁铁功率驱动单元、两个锁相放大单元和数字信号处理单元构成,一个锁相放大单元用于检测电流信号幅值,另一个锁相放大单元用于检测电压信号的幅值,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。本发明在不使用位置传感器的情况下,只需在电磁铁线圈加工中,预埋互感线圈,通过对预埋线圈互感电压以及电磁铁线圈电流的测量,就可以计算出磁悬浮机构的气隙长度。
Description
技术领域
本发明涉及无位置传感器磁悬浮***的控制领域,具体涉及一种磁悬浮机构气隙长度的互感测量***及方法。
背景技术
PWM主动控制型磁悬浮技术是利用PWM驱动的电磁铁装置,采用闭环控制手段调节磁场力,使悬浮体与电磁体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,本发明提供了一种磁悬浮机构气隙长度的互感测量***及方法,在不使用位置传感器的情况下,只需在电磁铁线圈加工中,预埋互感线圈,通过对预埋线圈互感电压以及电磁铁线圈电流的测量,就可以计算出磁悬浮机构的气隙长度。
为实现上述目的,本发明采取的技术方案为:
磁悬浮机构气隙长度的互感测量***,所述测量***由悬浮机构、电磁铁功率驱动单元、两个锁相放大(LIA)单元和数字信号处理单元构成,一个锁相放大单元用于检测电流信号幅值,另一个锁相放大单元用于检测电压信号的幅值,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(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两根线缆与悬浮机构相连,一根线缆用于驱动电磁铁,另一根线缆用于测量互感电压。
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磁悬浮机构气隙长度的互感测量方法,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,m为预埋互感线圈的匝数,Ui0表示电流基波信号幅值,Uue0表示互感线圈电压基频分量的幅值,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;利用采用互感线圈测量主回路基频电压,一方面可以避免主回路直流干扰,另一方面可以消除电阻压降iR对测量的影响,提高了测量的精度;考虑了控制信号占空比对气隙测量的影响,与其他无位置传感器方法相比,测量更精确;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本发明实施例一种磁悬浮机构气隙长度的互感测量***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磁悬浮机构气隙长度的互感测量***,所述测量***由悬浮机构、电磁铁功率驱动单元、两个锁相放大(LIA)单元和数字信号处理单元构成,一个锁相放大单元用于检测电流信号幅值,另一个锁相放大单元用于检测电压信号的幅值,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(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两根线缆与悬浮机构相连,一根线缆用于驱动电磁铁,另一根线缆用于测量互感电压。
如图5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(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。
本发明实施例还提供了一种磁悬浮机构气隙长度的互感测量方法,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,m为预埋互感线圈的匝数,Ui0表示电流基波信号幅值,Uue0表示互感线圈电压基频分量的幅值,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为主线圈匝数,i为线圈电流,m为互感线圈的匝数,互感线圈与差动放大电路相连,因此可以认为互感线圈开路,其电压为ue。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)
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流回路方程为:
其中,e为感应电压。互感回路的电压为:
若忽略电磁铁的反电势项,即,则有
将L与Rm的关系(2)带入(6)式,有
对(7)式进行傅立叶分析,只考虑基频情况,有:
其中,iω0为电流的基频分量,usω0为互感线圈电压的基频分量。
令:Ui0为i的基频分量信号的幅值,Uue0为ue的基频分量信号的幅值,根据(8)式,两者的关系如下:
若Ui0和Uue0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Ui0和Uue0。采用相敏放大技术提取信号幅值信息的原因如下:
a)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;
b)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。
c)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,因此可以直接利用PWM信号中的基频分量作为参考信号。
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 (4)
1.磁悬浮机构气隙长度的互感测量***,其特征在于,所述测量***由悬浮机构、电磁铁功率驱动单元、两个锁相放大单元和数字信号处理单元构成,一个锁相放大单元用于检测电流信号幅值,另一个锁相放大单元用于检测电压信号的幅值,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两根线缆与悬浮机构相连,一根线缆用于驱动电磁铁,另一根线缆用于测量互感电压。
2.磁悬浮机构气隙长度的互感测量***,其特征在于,所述锁相放大单元采用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。
3.磁悬浮机构气隙长度的互感测量方法,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。
4.根据权利要求3所述的磁悬浮机构气隙长度的互感测量方法,其特征在于,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,m为预埋互感线圈的匝数,Ui0表示电流基波信号幅值,Uuc0表示互感线圈电压基频分量的幅值,/表示磁路中铁芯的长度,μr表示铁芯相对磁导率。
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN106828185A (zh) * | 2017-01-19 | 2017-06-13 | 西南交通大学 | 一种电磁悬浮列车悬浮控制方法 |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6208134B1 (en) * | 1999-09-30 | 2001-03-27 | Honeywell International Inc | Interference-tolerant proximity sensor system having a resonance-tracking impedance analyzer |
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 |
CN201318931Y (zh) * | 2008-11-28 | 2009-09-30 | 湖南航空天瑞仪表电器有限责任公司 | 低速磁悬浮一体化间隙传感器 |
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 |
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 |
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Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6208134B1 (en) * | 1999-09-30 | 2001-03-27 | Honeywell International Inc | Interference-tolerant proximity sensor system having a resonance-tracking impedance analyzer |
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 |
CN201318931Y (zh) * | 2008-11-28 | 2009-09-30 | 湖南航空天瑞仪表电器有限责任公司 | 低速磁悬浮一体化间隙传感器 |
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 |
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)
Title |
---|
严义等: "非对称钢丝间隙传感器设计及优化", 《传感技术学报》 * |
张刘泽等: "中低速磁悬浮列车电涡流间隙传感器设计", 《仪表技术与传感器》 * |
李益民等: "互感式自检测磁悬浮轴承***的检测原理研究", 《机械》 * |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN106828185A (zh) * | 2017-01-19 | 2017-06-13 | 西南交通大学 | 一种电磁悬浮列车悬浮控制方法 |
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