Pwm主動(dòng)控制型磁懸浮機(jī)構(gòu)氣隙長(zhǎng)度的測(cè)量系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及無(wú)位置傳感器磁懸浮系統(tǒng)的領(lǐng)域，具體涉及一種PWM主動(dòng)控制型磁懸 浮機(jī)構(gòu)氣隙長(zhǎng)度的測(cè)量系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]PWM主動(dòng)控制型磁懸浮技術(shù)是利用PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)的電磁鐵裝置，采用閉環(huán)控制手 段調(diào)節(jié)磁場(chǎng)力，使懸浮體與電磁鐵之間保持一定的間隙，實(shí)現(xiàn)懸浮的目的。磁懸浮可有效的 避免物體之間接觸摩擦，因此具有廣闊的應(yīng)用前景。磁懸浮技術(shù)已在很多的領(lǐng)域得到了廣 泛的應(yīng)用，如磁懸浮列車、磁懸浮軸承、高速磁懸浮電機(jī)等。
[0003] 目前大多數(shù)主動(dòng)控制型磁懸浮機(jī)構(gòu)采用位置傳感器測(cè)量氣隙長(zhǎng)度。傳感器大體分 為兩類，激光測(cè)距傳感器，電渦流位移傳感器。由于位置傳感器的存在，增加了系統(tǒng)的成本 和裝配的難度，不利于磁懸浮機(jī)構(gòu)的小型化和低成本化。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為解決上述問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種PWM主動(dòng)控制型磁懸浮機(jī)構(gòu)氣隙長(zhǎng)度的測(cè)量 系統(tǒng)及方法，在不使用位置傳感器的情況下，只利用電磁鐵電流信息和脈寬調(diào)制信息就可 以計(jì)算出磁懸浮機(jī)構(gòu)的氣隙長(zhǎng)度；系統(tǒng)從整體結(jié)構(gòu)上簡(jiǎn)化為兩部分，磁懸浮機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)控 制電路板，無(wú)需在磁懸浮機(jī)構(gòu)上額外安裝位置傳感器。
[0005] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為：
[0006] 一種PWM主動(dòng)控制型磁懸浮機(jī)構(gòu)氣隙長(zhǎng)度的測(cè)量系統(tǒng)，所述測(cè)量系統(tǒng)由懸浮機(jī) 構(gòu)、電磁鐵功率驅(qū)動(dòng)單元、鎖相放大（LIA)單元和數(shù)字信號(hào)處理單元構(gòu)成，所述懸浮機(jī)構(gòu)由 電磁鐵和懸浮體構(gòu)成，所述電磁鐵功率驅(qū)動(dòng)單元包括H橋式電路和霍爾電流傳感器，所述 鎖相放大（LIA)單元，包括前置濾波放大器，相敏檢測(cè)器（PSD)和低通濾波器（LPF)，所述數(shù) 字信號(hào)處理單元采用CPU處理器，所述數(shù)字信號(hào)處理單元通過(guò)用于驅(qū)動(dòng)電磁鐵線圈的線纜 與懸浮機(jī)構(gòu)相連。
[0007] 其中，所述鎖相放大（LIA)單元采用AD630芯片；霍爾電流傳感器的輸出經(jīng)過(guò)信 號(hào)調(diào)理，濾波放大后，輸入到相敏解調(diào)芯片AD630的1腳中（網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)為Sig_Input)，同時(shí) CPU將與PWM波同頻，且經(jīng)過(guò)移相處理的方波，輸入到AD630的9腳中，作為鎖相放大的參考 信號(hào)；Sig_Input信號(hào)在AD630中被鎖相放大，AD630的輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)低通濾波后，得到含電 流基頻分量的幅值信息的信號(hào)Output;此信號(hào)經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單信號(hào)調(diào)理后，輸入到數(shù)字信號(hào)處理 單元中。
[0008] 為解決上述問(wèn)題，本發(fā)明還提供了一種PWM主動(dòng)控制型磁懸浮機(jī)構(gòu)氣隙長(zhǎng)度的測(cè) 量方法，包括如下步驟：
[0009] Sl、CPU向發(fā)出功率驅(qū)動(dòng)單元發(fā)出PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)，電磁鐵線圈產(chǎn)生電流，懸浮體在 電磁力控制下運(yùn)動(dòng)使氣隙x發(fā)生改變，進(jìn)而改變磁路的磁阻和線圈電流；
[0010] S2、利用鎖相放大（LIA)技術(shù)，將淹沒(méi)于電流諧波信號(hào)中的位置變化信息提取出 來(lái)；
[0011] S3、根據(jù)PWM信號(hào)中基頻激勵(lì)電壓分量的幅值和電流的關(guān)系，在CUP處理器中計(jì)算 出氣隙長(zhǎng)度。
[0012] 其中，所述運(yùn)動(dòng)使氣隙x的計(jì)算公式為：
[0014] 式中，N為電磁鐵線圈的匝數(shù)，&表示真空磁導(dǎo)率，A表示電磁鐵鐵芯的截面積， ?C)表示脈寬調(diào)制信號(hào)基波角頻率，1表示測(cè)量出的電流基波信號(hào)的幅值，U表示H橋電源 電壓，a表不PWM信號(hào)占空比，1表不磁路中鐵芯的長(zhǎng)度，]^表不鐵芯相對(duì)磁導(dǎo)率。
[0015] 本發(fā)明具有以下有益效果：
[0016] 利用鎖相放大技術(shù)，處理磁懸浮機(jī)構(gòu)氣隙測(cè)量問(wèn)題，與基于普通整流濾波解調(diào)的 其他無(wú)位置傳感器方法相比，測(cè)量更精確；考慮了控制信號(hào)占空比對(duì)氣隙測(cè)量的影響，提高 了測(cè)量精度；電磁鐵即作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，又作為磁阻測(cè)量的敏感器件，與現(xiàn)有的利用激光位置 傳感器、以及電渦流測(cè)量的方案相比，本方法成本更低，更易于集成，更適合安裝和調(diào)試。
【附圖說(shuō)明】
[0017] 圖1本發(fā)明實(shí)施例一種PWM主動(dòng)控制型磁懸浮機(jī)構(gòu)氣隙長(zhǎng)度系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。
[0018] 圖2為圖1的簡(jiǎn)化圖。
[0019] 圖3為本發(fā)明實(shí)施例中磁懸浮裝置的等效磁路模型示意圖。
[0020] 圖4為本發(fā)明實(shí)施例中磁懸浮裝置的等效的等效電路圖。
[0021] 圖5為本發(fā)明實(shí)施例中線圈輸入的PWM驅(qū)動(dòng)電壓波形圖。
[0022] 圖6為本發(fā)明實(shí)施例中AD630鎖相放大電路。
【具體實(shí)施方式】
[0023] 為了使本發(fā)明的目的及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步 詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā) 明。
[0024] 如圖1-2所示，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種PWM主動(dòng)控制型磁懸浮機(jī)構(gòu)氣隙長(zhǎng)度的 測(cè)量系統(tǒng)，所述測(cè)量系統(tǒng)由懸浮機(jī)構(gòu)、電磁鐵功率驅(qū)動(dòng)單元、鎖相放大（LIA)單元和數(shù)字信 號(hào)處理單元構(gòu)成，所述懸浮機(jī)構(gòu)由電磁鐵和懸浮體構(gòu)成，所述電磁鐵功率驅(qū)動(dòng)單元包括H 橋式電路和霍爾電流傳感器，所述鎖相放大（LIA)單元，包括前置濾波放大器，相敏檢測(cè)器 (PSD)和低通濾波器（LPF)，所述數(shù)字信號(hào)處理單元采用CPU處理器，所述數(shù)字信號(hào)處理單 元通過(guò)用于驅(qū)動(dòng)電磁鐵線圈的線纜與懸浮機(jī)構(gòu)相連。
[0025] 如圖6所示，所述鎖相放大（LIA)單元采用AD630芯片；霍爾電流傳感器的輸出經(jīng) 過(guò)信號(hào)調(diào)理，濾波放大后，輸入到相敏解調(diào)芯片AD630的1腳中，同時(shí)CPU將與PWM波同頻， 且經(jīng)過(guò)移相處理的方波，輸入到AD630的9腳中，作為鎖相放大的參考信號(hào)；Sig_Input信 號(hào)在AD630中被鎖相放大，AD630的輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)低通濾波后，得到含電流基頻分量的幅值 信息的信號(hào)Output;此信號(hào)經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單信號(hào)調(diào)理后，輸入到數(shù)字信號(hào)處理單元中。
[0026] 本發(fā)明實(shí)施例還提供了一種PWM主動(dòng)控制型磁懸浮機(jī)構(gòu)氣隙長(zhǎng)度的測(cè)量方法，包 括如下步驟：
[0027] Sl、CPU向發(fā)出功率驅(qū)動(dòng)單元發(fā)出PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)，電磁鐵線圈產(chǎn)生電流，懸浮體在 電磁力控制下運(yùn)動(dòng)使氣隙x發(fā)生改變，進(jìn)而改變磁路的磁阻和線圈電流；
[0028] S2、利用鎖相放大（LIA)技術(shù)，將淹沒(méi)于電流諧波信號(hào)中的位置變化信息提取出 來(lái)；
[0029] S3、根據(jù)PWM信號(hào)中基頻激勵(lì)電壓分量的幅值和電流的關(guān)系，在CUP處理器中計(jì)算 出氣隙長(zhǎng)度。
[0030] 所述運(yùn)動(dòng)使氣隙x的計(jì)算公式為：
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