Pwm主动控制型磁悬浮机构气隙长度的测量系统及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及无位置传感器磁悬浮系统的领域，具体涉及一种PWM主动控制型磁悬 浮机构气隙长度的测量系统及方法。
【背景技术】
[0002]PWM主动控制型磁悬浮技术是利用PWM信号驱动的电磁铁装置，采用闭环控制手 段调节磁场力，使悬浮体与电磁铁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。
[0003] 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，增加了系统的成本 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】
[0004] 为解决上述问题，本发明提供了一种PWM主动控制型磁悬浮机构气隙长度的测量 系统及方法，在不使用位置传感器的情况下，只利用电磁铁电流信息和脉宽调制信息就可 以计算出磁悬浮机构的气隙长度；系统从整体结构上简化为两部分，磁悬浮机构和驱动控 制电路板，无需在磁悬浮机构上额外安装位置传感器。
[0005] 为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
[0006] 一种PWM主动控制型磁悬浮机构气隙长度的测量系统，所述测量系统由悬浮机 构、电磁铁功率驱动单元、锁相放大（LIA)单元和数字信号处理单元构成，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（LIA)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用于驱动电磁铁线圈的线缆 与悬浮机构相连。
[0007] 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。
[0008] 为解决上述问题，本发明还提供了一种PWM主动控制型磁悬浮机构气隙长度的测 量方法，包括如下步骤：
[0009] Sl、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；
[0010] 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；
[0011] 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。
[0012] 其中，所述运动使气隙x的计算公式为：
[0014] 式中，N为电磁铁线圈的匝数，&表示真空磁导率，A表示电磁铁铁芯的截面积， ?C)表示脉宽调制信号基波角频率，1表示测量出的电流基波信号的幅值，U表示H桥电源 电压，a表不PWM信号占空比，1表不磁路中铁芯的长度，]^表不铁芯相对磁导率。
[0015] 本发明具有以下有益效果：
[0016] 利用锁相放大技术，处理磁悬浮机构气隙测量问题，与基于普通整流滤波解调的 其他无位置传感器方法相比，测量更精确；考虑了控制信号占空比对气隙测量的影响，提高 了测量精度；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】
[0017] 图1本发明实施例一种PWM主动控制型磁悬浮机构气隙长度系统的结构图。
[0018] 图2为图1的简化图。
[0019] 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。
[0020] 图4为本发明实施例中磁悬浮装置的等效的等效电路图。
[0021] 图5为本发明实施例中线圈输入的PWM驱动电压波形图。
[0022] 图6为本发明实施例中AD630锁相放大电路。
【具体实施方式】
[0023] 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。
[0024] 如图1-2所示，本发明实施例提供了一种PWM主动控制型磁悬浮机构气隙长度的 测量系统，所述测量系统由悬浮机构、电磁铁功率驱动单元、锁相放大（LIA)单元和数字信 号处理单元构成，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（LIA)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 元通过用于驱动电磁铁线圈的线缆与悬浮机构相连。
[0025] 如图6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，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。
[0026] 本发明实施例还提供了一种PWM主动控制型磁悬浮机构气隙长度的测量方法，包 括如下步骤：
[0027] Sl、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；
[0028] 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；
[0029] 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。
[0030] 所述运动使气隙x的计算公式为：
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