用于磁懸浮中負阻尼補償的控制系統和方法

專利名稱：用于磁懸浮中負阻尼補償的控制系統和方法
用于磁懸浮中負阻尼補償的控制系統和方法
本公開內容涉及磁懸浮，更具體地，涉及用于補償負阻尼的控制系統 和方法。
磁懸浮(Maglev)是指利用磁場來推斥物體以抵抗其它力-諸如舉例而 言重力-的系統或裝置。磁懸浮可在運輸系統中被采用，其中車輛被懸浮 并沿軌道推進。其它應用可包括半導體加工工藝(例如，懸浮一個晶片支撐 臺板)、非接觸軸承(例如，磁懸浮軸)、或醫療設備(例如，CT掃描儀)。
剛度(stiffness )是材料在被按壓時回推的能力，例如，彈簧對抗壓縮。 這種性狀確定了材料的強度和阻尼振動的能力。這是正剛度。某些材料或 系統具有"負剛度"它們的結構已經被以這樣的方式彎曲(buckle)或扭 曲(contort),即如果施加壓力，則其存儲的能量僅導致在相同方向上 的更大壓縮，例如彈簧，當你開始壓它時，它自己就折疊(collapse) 了。
在磁懸浮中，磁芯與被懸浮物體之間的間隙被說成是固有地具有負剛 度。在磁懸浮系統中，負剛度可以通過能夠抵消負剛度效應的校準公式而 被補償。然而，在間隙被測量的時間與間隙被補償的時間之間引入的延時 常常導致負阻尼。負阻尼不能以與負剛度相同的方式來解釋。因此，在磁 懸浮系統中存在補償負阻尼的需求。
按照本實施例，磁懸浮控制系統包括傳感器，被配置用于測量電磁 鐵與平臺(stage)之間的間隙，并生成間隙測量信號。間隙濾波器被配置 用于接收所述間隙測量信號，并提供相位超前信號(phase lead signal)， 該相位超前信號估計并計及(account for)所述間隙測量信號與補償動作 之間的延時。估計塊被配置用于接收所述相位超前信號，并按照所述相位 超前信號提供補償動作，以使得負剛度和負阻尼效應在所述控制系統中都 得到補償。
一種用于控制磁懸浮系統中的間隙的方法包括生成磁場以便按照實 現的電流(realized current)來懸浮平臺并保持所述平臺與電磁鐵芯之間的 間隙；測量所述間隙以便輸出間隙測量信號；濾波所述間隙測量信號，以 便按照過去的測量結果提供相位超前信號，以計及間隙測量信號與補償動 作之間的延時；以及按照所述相位超前信號生成所述實現的電流以便在調 節間隙時補償負剛度和負阻尼。在替換實施例中，間隙測量可被重建，以便允許估計所述間隙測量而
不需要并置的(collocated)傳感器。所述實現的電流優選地按照所述相位 超前信號生成，并且從估計塊輸出的計算的電流被放大，這里所述計算的 電流是基于所述相位超前信號。所述方法可包括減小由于濾波步驟而引入 的噪聲。所述方法還可包括從以前的間隙測量結果外推延時，以使得所述 相位超前信號是基于所述外推的延時。
本公開內容的這些和其它目的、特征及優點將從其說明性實施例的以 下的詳細描述變得明白，所述說明性實施例要結合附圖閱讀。
本公開內容將參照以下的附圖詳細給出優選實施例的如下說明，其
中


圖1是顯示按照一個實施例的磁懸浮系統的方框圖/流程圖； 圖2是顯示按照更詳細的實施例的磁懸浮系統的方框圖/流程圖； 圖3是幅度(dB)或相位角(度)與頻率的關系曲線的圖，其顯示了對于 按照圖2中的間隙濾波器的不同配置的參考信號及響應；以及
圖4是顯示用于控制磁懸浮系統中的間隙的一個示例方法的流程圖。 本公開內容描述適于在磁懸浮系統中使用的控制系統，其中負阻尼通 過如下方式補償預先考慮在測量和補償被懸浮部件或裝置(此后稱為機械 設施(plant))與磁芯(此后稱為設施芯(plant core))間的間隙波動之間的 延時。在一個特別有用的實施例中，由間隙濾波器預先考慮延時，所述間 隙濾波器提供相位超前以便抵消在系統中經受的負阻尼。代替或附加于所 述間隙濾波器，過去的測量結果或間隙預測準則可被采用來更精確地預測 實際的間隙，以便幫助消除所述負阻尼。應當理解，本發明將就特定的磁 懸浮系統來描述；然而，本發明的教導要廣泛得多，且可應用于任何可能 因在反饋環中引入延時而具有負阻尼的磁懸浮系統。還應當理解，說明性 的示例電路可以#皮修改以包括附加部件或所述部件可凈皮集成在 一 個或多 個集成電路芯片上。另外，所描繪的部件可以以軟件或是在獨立的裝置或 電路上實現。在特別有用的實施例中，附圖中描繪的單元可以以硬件和軟 件的各種組合來實現，并提供可以被組合到單個單元或多個單元中的功
現在參照附圖，圖上同樣的數字代表相同的或類似的單元，初始地參
考圖1,圖1是顯示按照一個說明性實施例的磁懸浮系統10的高級示意圖。
5電磁鐵芯26包括繞組或線圈24，其接收經校正的電流，以便調節由所述 鐵芯26生成的磁場。來自放大器22的經校正的電流起到反饋的作用，以 便對所述鐵芯26與平臺12之間的間隙14進行調節。所述間隙14由位置 傳感器16進行測量。
使用電磁鐵芯(E-芯)26而具有磁懸浮的平臺12呈現固有的負剛度。 可以采用校準方案來抵消所述負剛度效應，其可包括引入預定義的校準延 時。這可包括提供控制方程中的校準常數或參數，其將力F表示為有效間 隙z及電流I的函數。還可采用包括旋轉和間隙不完整性的更復雜的方案 來補償此負剛度。如果負剛度被抵消，帶有在測量所述位置與使用該位置 來產生一個力之間的延時,那么將會存在負阻尼。
對于間隙中小的擾動，阻尼等于剛度乘以在測量間隙14的位置與使 用該位置來補償之間的延時。因為剛度是負的，所以阻尼也是負的。
^<formula>formula see original document page 6</formula> (1)
其中Ft是在時間t作用于被懸浮物體的標稱的力，Fw是在時間t-l的標稱 的力，F是瞬時力，At是所述測量與所述補償之間的延時，z是瞬時間隙，
"或生)是間隙的瞬時改變，(_2互)是剛度，以及(-2蘭A/)是負阻尼的阻尼 力 z z
系數。應當指出，阻尼是絕對的(absolute)并且也依賴于磁懸浮的標稱剛度，
而不依賴于被補償的剛度。
筒化的校準公式表明，所述剛度固有地是負的
<formula>formula see original document page 6</formula>(2)
其中Ci是校準常數，以及I是線圈電流。作為力函數的微分的結果， 剛度將是負的。因為在方程(l)中剛度是負的，所以阻尼也是負的。按照本 原理，此后描述的實施例將提供對于該負阻尼的補償。補償模塊18被包 括來提供不僅對抗負剛度也對抗負阻尼的補償。在來自位置傳感器16的 間隙測量信號被補償后，經補償的信號被控制器20用來確定輸出線圏電流。所述線圈電流可以在用來激勵線圈24之前被放大器22放大。
參照圖2，磁懸浮系統100被示例性地描繪以闡述按照本原理的構思。 本領域技術人員已知的、組成所述系統結構的各個塊部件的細節將僅以足 夠理解本發明的細節來描述。系統100的一些部分或全部可以在中央運行 (central motion)計算機(例如，個人計算機)上實現或分布在單機控制器 上。系統100包括磁芯或設施芯102。設施芯102可包括E-芯或響應于反 饋電流的其它磁裝置，例如在其上下有繞組(未示出)。所述繞組接收電流 IReailzed，其包括正如下面將更詳細地說明的經放大和補償的信號。設施芯 102對機械設施裝置(平臺)104施加磁力FReal。機械設施104可包括車輛、 平臺，諸如用于半導體加工工藝的臺板(platen)、旋轉軸等等。在所述 設施芯102與所述設施機構104之間保持間隙GapReal。所述設施芯102與 所述設施機構104組成系統100的內部環路120，其建立所述系統100的 機械/物理方面的模型。內部環路120可包括實際的物理部件或可包括數字 建才莫的部件。GapR^可能經受由于工作條件引起的波動、旋轉或其它偏轉。 這些波動被確定并按照外部環路130校正或補償。
外部環路130包括至少一個傳感器106。傳感器106可包括光學傳感 器、感應傳感器、機械傳感器或任何其它裝置或軟件模塊，用來估計間隙 距離和所述間隙隨時間的波動。傳感器106可以是測量位置的任何裝置(例
如，感應傳感器)。傳感器106輸出測量的間隙GapMeasured。所述間隙測量 結果可以是模擬或數字信號。如果信號是模擬的，則優選地通過模擬-數字 轉換器108將其轉換成數字信號。間隙重建模塊110允許傳感器106不必 與E-芯102的間隙并置。當間隙測量與實際的間隙并置時，間隙重建110 是任選的。如果傳感器106沒有與E-芯102的間隙并置，則間隙重建110 計算所述間隙(Gap
calculated」，
以便計及位置差異。
在外部環路130(例如，計算環路)中相對于內部環路120(其為真實的 設施)的任何延時均引起負阻尼。間隙濾波器112可用來生成相位超前信號 113，以便補償間隙延時。在一個應用中，平臺104被操控或者要不然就 經受方向、力或加速度的改變。此時，需要來自間隙重建110的間隙估計， 以便用于間隙濾波器112。間隙濾波器112使所述GapCakulated信號超前
(lead),以便計及測量的間隙(GapMe證ed)與lReaUzed信號之間的延時。間
隙濾波器112可以是簡單的超前濾波器(lead filter)、高階濾波器(用于更 高的精度)或是根據幾個過去的測量對所述間隙在未來的估計。間隙濾波器1 12可以以這樣的方式實現，以便對所述系統內遇到的全部延時進行補償。 間隙濾波器112輸出的經調節的相位被輸入到估計塊114，其將輸出 電流Icalculated作為施加到平臺104的力F與間隙(相位超前信號113)的函數 來預測，以便提供期望的恢復力。由于存在間隙濾波器112,所以延時被 補償，導致更精確的電流估計。這減小或消除了負阻尼。取決于實現， Icakukted可以是數字的，并由數字-模擬轉換器116轉換成模擬信號(電壓或 電流)。可以采用放大器118來放大或者要不然便修改ICakuiated,以便把 lReaUzed提供到內部環路120中的所述芯102。
任何產生相位超前的間隙濾波器112很可能將放大噪聲。不過，這可
以通過使用已知的方法由放大器118中的模擬濾波器抵消。結果是得到 相位超前并補償阻尼，而在增益中沒有可見的負效應。系統100可用于許 多不同的應用，例如，在車輛系統中，在半導體加工工藝裝置中，在非接 觸軸承系統、醫學成像設備中等等。
參照圖3，間隙濾波器的各種實現的效果可以在伯德(Bode)圖中看 到。基線圖202顯示在不具有間隙濾波器時輸入到估計塊的延時的幅度和 相位。曲線204、 206和208顯示在具有間隙濾波器的不同配置時輸入到 估計塊的延時的幅度和相位，且漸增地顯示對相位延時的補償。更多的補 償需要間隙濾波器的更高的增益。并且，在這種情形下，在曲線圖的左面 可看見剩余的負剛度211，此處線條變得水平。對于所有曲線，幅度相對 而言是相同的。
參照圖4 ，舉例描述用于控制磁懸浮系統中的間隙的方法。在方框3 02, 根據實現的電流生成磁場，用來懸浮平臺并保持平臺與電磁鐵芯之間的間 隙。電磁鐵芯包括線圈繞組，其由實現的電流激勵，以便對間隙進行調節。 在方框304，由一個或多個傳感器測量所述間隙，以便輸出間隙測量信號。 在方框306，如果需要的話，所述間隙測量可以任選地重建，以便允許在 測量與濾波步驟之間校準所述間隙測量。這可能是由于在間隙須'j量信號被 間隙濾波器濾波之前對間隙測量信號進行信號轉換或其它延時或改變導 致的結果。
在方框308,間隙測量信號被間隙濾波器濾波，以便按照延時，例如 通過使用過去的測量結果/歷史，來提供相位超前信號。濾波器被設計成計 及間隙測量信號與補償動作之間的延時。所述補償動作優選地由估計塊來 執行，其計算用于繞組電流的輸出電流以便調節/保持所述間隙。在方框310，從以前的間隙測量外推延時量(例如，相移)，以使得相位超前信號是
基于外推的延時。這可以通過如下方式實現使用查找表或其它存儲器存 儲裝置以便根據過去的歷史確定或外推一個動作。方框310是任選的。
在方框312，由估計塊按照所述相位超前信號生成校正電流或計算的 電流(或電壓)，以便補償在調節所述間隙時的負剛度和負阻尼。(電流可以 由電壓代表)。在方框314，校正電流按照所述相位超前信號生成，它可包 括放大從估計塊輸出的計算的電流，其中所述計算的電流是基于所述相位 超前信號。放大器被使用來放大計算的(校正)電流輸出并可以在方框316 中減小由濾波步驟引入的噪聲。在方框318,實現的電流從放大器輸出。
在解釋所附權利要求時，應當理解
動作的其它元素或動作的存在；
b. 在元素前面的詞"一個"不排除多個這樣的元素的存在；
c. 在權利要求中的任何參考符號不限制其范圍；
d. 幾個"裝置"可以由同 一項或硬件或軟件實現的結構或功能來代表；
以及
e. 不打算要求任何特定的動作順序，除非特別指出。
在描述了用于磁懸浮中負阻尼補償的控制系統和方法的優選實施例 (旨在示例而非限制)后，應當指出，本領域技術人員可以根據以上的教導 作出修改和變化。因此需要理解的是，在所公開的本公開內容的特定實施 例中可以作出改變，這些改變仍舊處在如所附權利要求概述的、這里公開 的實施例的范圍和精神內。在這樣描述了由專利法要求的細節和特性后， 要求和期望通過專利證書保護的內容在所附的權利要求中闡述。
權利要求
1.一種磁懸浮控制系統(100)，包括傳感器(106)，被配置用于測量電磁鐵與平臺之間的間隙，并生成間隙測量信號；間隙濾波器(112)，被配置用于接收所述間隙測量信號，并提供相位超前信號(113)，該相位超前信號估計并計及所述間隙測量信號與補償動作之間的延時；以及估計塊(114)，被配置用于接收所述相位超前信號，并按照所述相位超前信號提供所述補償動作，以使得負剛度和負阻尼效應在所述控制系統中被補償。
2. 如在權利要求1中引述的控制系統，還包括間隙重建模塊(IIO)， 被配置用于提供在測量時間與所述間隙濾波器的濾波時間之間的校準。
3. 如在權利要求l中引述的控制系統，其中所述補償動作包括按照所 述相位超前信號修改輸出信號(ICaiculated)。
4. 如在權利要求3中引述的控制系統，還包括放大器(118),被配置 用于接收所述輸出信號。
5. 如在權利要求4中引述的控制系統，其中所述放大器(118)減小由 所述間隙濾波器(112)引入的噪聲。
6. 如在權利要求1中引述的控制系統，其中所述間隙濾波器(112)從 以前的間隙測量延時外推延時，以使得所述相位超前信號是基于所述外推 的延時。
7. —種磁懸浮系統(IIO)，包括電磁鐵芯(102),被配置用于生成磁場，以便按照實現的電流懸浮平臺 (104),并保持所述平臺與所述電磁鐵芯之間的間隙；傳感器(106),被配置用于測量所述間隙并生成間隙測量信號；間隙濾波器(112)，被配置用于接收所述間隙測量信號，并按照過去的 測量結果調節所述間隙測量信號，以便提供相位超前信號(113),用以計及 所述間隙測量信號與補償動作之間的延時；以及估計塊(U4)，被配置用于接收所述相位超前信號，并輸出計算的電流(Icalculated),該計算的電流被放大以提供所述實現的電流，使得負剛度和負阻尼在所述控制系統中被補償。
8. 如在權利要求7中引述的系統，還包括間隙重建才莫塊(UO)，被配置用于提供在測量時間與所述間隙濾波器的濾波時間之間的校準。
9. 如在權利要求7中引述的系統，其中所述計算的電流(Icdc淑ed)按照 所述相位超前信號(1 1 3)被修改。
10. 如在權利要求7中引述的系統，其中所述放大器(118)減小由所述間隙濾波器(112)引入的噪聲。
11. 如在權利要求7中引述的系統，其中所述間隙濾波器(112)從以前 的間隙測量延時外推延時，以使得所述相位超前信號是基于所述外推的延時。
12. 如在權利要求7中引述的系統 臺(104)在車輛系統中采用。
13. 如在權利要求7中引述的系統 臺(104)在半導體加工工藝裝置中采用。
14. 如在權利要求7中引述的系統 臺(104)在非接觸軸承系統中采用。
15. 如在權利要求7中引述的系統 臺(104)在醫學成像系統中采用。
16. —種用于控制磁懸浮系統中的間隙的方法，包括 生成(302)磁場，以便按照實現的電流來懸浮平臺并保持所述平臺與電磁鐵芯之間的間隙；測量(304)所述間隙以便輸出間隙測量信號；濾波(308)所述間隙測量信號以便按照過去的測量結果提供相位超前 信號，用以計及所述間隙測量信號與補償動作之間的延時；以及按照所述相位超前信號生成(312)所述實現的電流以便在調節所述間 隙時補償負剛度和負阻尼。
17. 如在權利要求16中引述的方法，還包括重建(306)所述間隙測量， 以便允許估計所述間隙測量，而不需要并置的傳感器。
18. 如在權利要求16中引述的方法，其中按照所述相位超前信號生成 (302)所述實現的電流包括放大從估計塊輸出的計算的電流，其中所述計 算的電流是基于所述相位超前信號。
19. 如在權利要求18中引述的方法，還包括減小(316)由所述濾波步 驟引入的噪聲。
20. 如在權利要求16中引述的方法，還包括從以前的間隙測量結果外 推(310)延時，以使得所述相位超前信號l基于所述外推的延時。 ,其中所述電磁鐵芯(102)和所述平 ,其中所述電磁鐵芯(102)和所述平 ，其中所述電磁鐵芯(102)和所述平 ，其中所述電磁鐵芯(102)和所述平
全文摘要
磁懸浮控制系統(100)包括傳感器(106)，被配置用于測量在電磁鐵與平臺之間的間隙，并生成間隙測量信號。間隙濾波器(112)被配置用于接收所述間隙測量信號，并提供相位超前信號，該相位超前信號估計并計及所述間隙測量信號與補償動作之間的延時。估計塊(114)被配置用于接收所述相位超前信號，并按照所述相位超前信號提供所述補償動作，以使得負剛度和負阻尼效應在所述控制系統中被補償。
文檔編號G05B5/01GK101568892SQ200780047218
公開日2009年10月28日 申請日期2007年12月13日 優先權日2006年12月19日
發明者A·F·巴克 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司