磁懸浮機構氣隙長度的互感測量系統及方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及無位置傳感器磁懸浮系統的控制領域，具體涉及一種磁懸浮機構氣隙 長度的互感測量系統及方法。
【背景技術】
[0002] PWM主動控制型磁懸浮技術是利用PWM驅動的電磁鐵裝置，采用閉環控制手段調 節磁場力，使懸浮體與電磁體之間保持一定的間隙，實現懸浮的目的。磁懸浮可有效的避免 物體之間接觸摩擦，因此具有廣闊的應用前景。磁懸浮技術已在很多的領域得到了廣泛的 應用，如磁懸浮列車、磁懸浮軸承、高速磁懸浮電機等。
[0003]目前大多數主動控制型磁懸浮機構采用位置傳感器測量氣隙長度。傳感器大體分 為兩類，激光測距傳感器，電渦流位移傳感器。由于位置傳感器的存在，增加了系統的成本 和裝配的難度，不利于磁懸浮機構的小型化和低成本化。
【發明內容】
[0004] 為解決上述問題，本發明提供了一種磁懸浮機構氣隙長度的互感測量系統及方 法，在不使用位置傳感器的情況下，只需在電磁鐵線圈加工中，預埋互感線圈，通過對預埋 線圈互感電壓以及電磁鐵線圈電流的測量，就可以計算出磁懸浮機構的氣隙長度。
[0005] 為實現上述目的，本發明采取的技術方案為：
[0006] 磁懸浮機構氣隙長度的互感測量系統，所述測量系統由懸浮機構、電磁鐵功率驅 動單元、兩個鎖相放大（LIA)單元和數字信號處理單元構成，一個鎖相放大單元用于檢測 電流信號幅值，另一個鎖相放大單元用于檢測電壓信號的幅值，所述懸浮機構由電磁鐵和 懸浮體構成，所述電磁鐵功率驅動單元包括H橋式電路和霍爾電流傳感器，所述鎖相放大 單元，包括前置濾波放大器，相敏檢測器（PSD)和低通濾波器（LPF)，所述數字信號處理單 元采用CPU處理器，所述數字信號處理單元通過兩根線纜與懸浮機構相連，一根線纜用于 驅動電磁鐵，另一根線纜用于測量互感電壓。
[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過信 號調理，濾波放大后，輸入到相敏解調芯片AD630的1腳中（網絡標號為Sig_Input)，同時 CPU將與PWM波同頻，且經過移相處理的方波，輸入到AD630的9腳中，作為鎖相放大的參考 信號；Sig_Input信號在AD630中被鎖相放大，AD630的輸出信號經過低通濾波后，得到含電 流基頻分量的幅值信息的信號Output;此信號經過簡單信號調理后，輸入到數字信號處理 單元中。
[0008] 為解決上述問題，本發明還提供了一種磁懸浮機構氣隙長度的互感測量方法，包 括如下步驟：
[0009] Sl、CPU向發出功率驅動單元發出PWM驅動信號，電磁鐵線圈產生電流，懸浮體在 電磁力控制下運動使氣隙x發生改變，進而改變磁路的磁阻和線圈電流；
[0010] S2、利用鎖相放大（LIA)技術，將淹沒于電流諧波信號中的位置變化信息提取出 來；
[0011] S3、根據PWM信號中基頻激勵電壓分量的幅值和電流的關系，在CUP處理器中計算 出氣隙長度。
[0012] 其中，所述運動使氣隙x的計算公式為：
[0014] 式中，N為電磁鐵線圈的匝數，&表示真空磁導率，A表示電磁鐵鐵芯的截面積， 表示脈寬調制信號基波角頻率，m為預埋互感線圈的匝數，Ui(l表示電流基波信號幅值， Uue(l表示互感線圈電壓基頻分量的幅值，1表示磁路中鐵芯的長度，y^表示鐵芯相對磁導 率。
[0015] 本發明具有以下有益效果：
[0016] 利用鎖相放大技術，處理磁懸浮機構氣隙測量問題；利用采用互感線圈測量主回 路基頻電壓，一方面可以避免主回路直流干擾，另一方面可以消除電阻壓降iR對測量的影 響，提高了測量的精度；考慮了控制信號占空比對氣隙測量的影響，與其他無位置傳感器方 法相比，測量更精確；電磁鐵即作為執行機構，又作為磁阻測量的敏感器件；與現有的利用 激光位置傳感器、以及電渦流測量的方案相比，本方法成本更低，更易于集成，更適合安裝 和調試。
【附圖說明】
[0017] 圖1本發明實施例一種磁懸浮機構氣隙長度的互感測量系統的系統結構圖
[0018] 圖2為圖1的簡化圖。
[0019] 圖3為本發明實施例中磁懸浮裝置的等效磁路模型示意圖。
[0020] 圖4為本發明實施例中磁懸浮裝置的等效的等效電路圖。
[0021] 圖5為本發明實施例中AD630鎖相放大電路。
【具體實施方式】
[0022] 為了使本發明的目的及優點更加清楚明白，以下結合實施例對本發明進行進一步 詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，并不用于限定本發 明。
[0023] 如圖1-2所示，本發明實施例提供了一種磁懸浮機構氣隙長度的互感測量系統， 所述測量系統由懸浮機構、電磁鐵功率驅動單元、兩個鎖相放大（LIA)單元和數字信號處 理單元構成，一個鎖相放大單元用于檢測電流信號幅值，另一個鎖相放大單元用于檢測電 壓信號的幅值，所述懸浮機構由電磁鐵和懸浮體構成，所述電磁鐵功率驅動單元包括H橋 式電路和霍爾電流傳感器，所述鎖相放大單元，包括前置濾波放大器，相敏檢測器（PSD)和 低通濾波器（LPF)，所述數字信號處理單元采用CPU處理器，所述數字信號處理單元通過兩 根線纜與懸浮機構相連，一根線纜用于驅動電磁鐵，另一根線纜用于測量互感電壓。
[0024] 如圖5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 過信號調理，濾波放大后，輸入到相敏解調芯片AD630的1腳中（網絡標號為Sig_Input)， 同時CPU將與PWM波同頻，且經過移相處理的方波，輸入到AD630的9腳中，作為鎖相放大 的參考信號；Sig_Input信號在AD630中被鎖相放大，AD630的輸出信號經過低通濾波后，得 到含電流基頻分量的幅值信息的信號Output;此信號經過簡單信號調理后，輸入到數字信 號處理單元中。
[0025] 本發明實施例還提供了一種磁懸浮機構氣隙長度的互感測量方法，包括如下步 驟：
[0026] Sl、CPU向發出功率驅動單元發出PWM驅動信號，電磁鐵線圈產生電流，懸浮體在 電磁力控制下運動使氣隙x發生改變，進而改變磁路的磁阻和線圈電流；
[0027] S2、利用鎖相放大（LIA)技術，將淹沒于電流諧波信號中的位置變化信息提取出 來；
[0028] S3、根據PWM信號中基頻激勵電壓分量的幅值和電流的關系，