CN104897042B - 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，两个所述锁相放大(LIA)单元均采用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脚中为Sig_Input信号，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向电磁铁功率驱动单元发出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表示基频激励电压分量的幅值，I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，两个所述锁相放大(LIA)单元均采用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脚中为Sig_Input信号，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向电磁铁功率驱动单元发出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表示基频激励电压分量的幅值，I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，I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，iv0为电流的基频分量，uev0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ADb30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，进而通过计算的方式得到电流。
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；其中，激励信号采用电磁铁功率驱动单元控制信号，其形式为PWM脉冲。
2.根据权利要求1所述的磁悬浮机构气隙长度的互感测量***，其特征在于，两个所述锁相放大单元均采用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脚中为Sig_Input信号，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；此信号经过信号调理后，输入到数字信号处理单元中。
3.一种利用权利要求1所述的磁悬浮机构气隙长度的互感测量***的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向电磁铁功率驱动单元发出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，Uue0表示基频激励电压分量的幅值，l表示磁路中铁芯的长度，μr表示铁芯相对磁导率。
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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 |
|---|
| 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);正文第1-3、17页 * |
| 互感式自检测磁悬浮轴承***的检测原理研究;李益民等;《机械》;20020630;第29卷(第6期);正文第58-60、63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 * |
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