基于格雷编码的高速直线电机动子定位系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于格雷编码的高速直线电机动子定位系统。其信号感应部分包括外壳、底座，底座置于外壳内并与外壳固定连接，外壳、底座沿动子运动方向延伸；底座上以层叠方式固定有接收线圈、发射线圈，外壳上装有保护线圈的绝缘盖板；动子上固定有导磁体，导磁体与接收线圈和发射线圈正面对应，并与绝缘盖板不接触，导磁体通过与不同形状的接收线圈之间的对应位置所产生的不同电压而对应位置编码，形成绝对地址和精确地址；控制部分的核心是单片机。本发明将电磁场发射部分和接收部分一体安装在固定位置上，运动部分(动子)仅安装导磁体，无电源，系统定位精度适中，抗干扰能力强，适应恶劣环境，安装简单，可靠性高。
【专利说明】
基于格雷编码的高速直线电机动子定位系统
技术领域
[0001] 本发明涉及基于格雷编码的长位移定位系统，具体是一种基于格雷编码的高速直 线电机动子定位系统。可适用于冶金、选矿、水泥、发电、运输等行业的轨道式天车、行车、起 重机等自动控制定位，尤其适用于电磁弹射用高速直线电机定子定位。
【背景技术】
[0002] 在冶金、选矿、水泥、发电、运输等行业中，大量使用轨道式天车、行车、起重机，其 实现自动控制必须有可靠的长位移定位系统。对这类设备定位的要求是:一、一维定位，范 围在几百米范围；二、精度要求不高，在数厘米范围即可;三、可靠性要求极高，抗电磁干扰， 适应恶劣环境。电磁弹射用高速直线电机动子定位系统除满足上述要求外，还应满足下列 要求:一、定位速度高;二、动子上无发射源。
[0003] 目前应用较多的位置检测的方法有：
[0004] 1)行程开关:安装在轨道旁边，当行车走过来时就会碰到机械开关，从而产生一个 开关量送到PLC，说明该机械已到位置。
[0005] 2)旋转编码器:通过安装在车轮上的旋转编码器检测机车的位置。
[0006] 上述方法主要缺点是:接触式测量，具有机械动作部件，可靠性低，定位不精确，维 护工作量大。
[0007] 3)激光:利用激光传输时间来测量距离的基本原理即通过测量激光往返目标所需 时间来确定目标距离，是一种连续非接触位置检测。
[0008] 4)红外:采用高频调制的编码红外光进行识别定位，是一种连续非接触位置检测。
[0009] 上述方法主要缺点是:抗干扰能力差，不能适应恶劣环境。
[0010]专利CN2801283、CN2510504描述了一种定位装置及其方法，其特点是设置一条以 格雷编码交叉的母线，采用电磁感应原理来进行位置检测和数据通信。是一种连续非接触 绝对定位的工作方式。优点是宽容度比较大，可以用在直线或环形位移检测，定位精度适 中，抗干扰能力强，适应恶劣环境，安装简单，可靠性高，最为适合要求。
[0011] 但CN2801283、CN2510504具有以下缺点：一、母线本身结构复杂，成本高昂，不适合 普及生产。二、母线本身是以绝缘材料和导体构成，由于原理的限制，无法加金属防护罩，影 响了整个系统的可靠性和寿命。
[0012] CN203011333U防护式格雷母线定位系统采用电压信号代替相位信号，利用工频电 源发射电磁场，在一定程度上解决了上述问题，但依然存在以下问题:一、有源的发射装置 无法装在高速直线电机的动子上；二、工频信号调理后存在延时，不能满足快速定位的需 要。
【发明内容】
[0013] 本发明旨在解决现有技术存在的上述问题，而提供一种基于格雷编码的高速直线 电机动子定位系统。其将电磁场发射部分和接收部分一体安装在固定位置上，运动部分(动 子)仅安装导磁体，无电源，系统定位精度适中，抗干扰能力强，适应恶劣环境，安装简单，可 靠性高。
[0014] 本发明解决其技术问题采用的技术方案是：
[0015] -种基于格雷编码的高速直线电机动子定位系统，包括:信号感应部分，控制部 分；
[0016] 信号感应部分包括外壳、底座，外壳为槽钢，底座为长条形木块，底座置于外壳内 并与外壳固定连接，外壳、底座沿动子运动方向延伸;底座上以层叠方式固定有线圈，线圈 包括接收线圈、发射线圈，接收线圈包括绝对地址线圈、精确地址线圈、参考接收线圈，外壳 上装有保护线圈的绝缘盖板;动子上固定有导磁体，导磁体与接收线圈和发射线圈正面对 应，并与绝缘盖板不接触，导磁体通过与不同形状的接收线圈之间的对应位置所产生的不 同电压而对应位置编码，形成绝对地址和精确地址；
[0017] 控制部分包括单片机、正弦波发生器、驱动放大电路、信号调理电路、A/D转换电路 以及信号输出及显示电路，单片机的输入管脚与信号感应部分的接收线圈通过信号调理电 路和A/D转换电路连接，接收多路模拟量输入;单片机的一个输出管脚输出方波信号，经变 换后，输出正弦波电流，连接信号感应部分的发射线圈。
[0018] 采用上述技术方案的本发明，与现有技术相比，其有益效果是：
[0019] 应用电磁感应原理，将电磁场发射部分和接收部分一体安装在固定位置上，运动 部分仅安装导磁体，无电源;并采用使电磁干扰信号抵消的电路、线圈、算法设计，使本发明 的长位移检测系统结构非常简洁、牢固，现场部分无电子部件，可适应高温、剧烈振动的环 境，抗干扰能力强，定位精度适中。安装简单，可靠性高，适用于冶金、选矿、水泥、发电、运输 等行业的轨道式天车、行车、起重机等的自动控制定位，特别适合电磁弹射用高速直线电机 动子定位。
[0020] 进一步的，本发明的优选方案是：
[0021] 所述的接收线圈和发射线圈为单匝线圈，发射线圈设置1个，其形状为矩形，其长 度等于检测范围；接收线圈中的绝对地址线圈、精确地址线圈分别设置10个和4个，参考接 收线圈设置一个，其与发射线圈形状相同；绝对地址线圈形状为方波形，其下边是一条直 线，上边按位置格雷编码的规律上下变化，以形成9位的位置格雷编码绝对地址;精确地址 线圈其形状为方波形，每个线圈的方波相位相差90°;接收线圈和发射线圈的首端分别接输 入输出端子，尾端接地。
[0022] 所述的单片机为MSP430F149，MSP430F149的通用输入输出端口作为数据输入输出 端口，12位A/D转换由A/D转换电路中的专用的高速芯片完成，其中MSP430F149的P1、P2口并 行为结果数据输出端口。
【附图说明】
[0023] 图1是本发明实施例的定位原理示意图；
[0024] 图2是发射线圈、参考线圈、绝对地址线圈和精确地址线圈形状示意图；
[0025]图3为信号感应部分结构示意图；
[0026]图4控制部分结构原理示意图；
[0027]图中：I-外壳;2_底座;3_线圈;4_导磁体;5_绝缘盖板。
【具体实施方式】
[0028] 以下结合附图及实施例详述本发明，但本实施例不对本发明构成任何限制。
[0029] 本实施例给出的这种基于格雷编码的高速直线电机动子定位系统，由信号感应部 分(见图3)和控制部分(见图4)两部分组成。
[0030] 信号感应部分的外壳1采用工业标准的低碳钢槽钢，底座2采用长条形木块，底座2 置于外壳1内并与外壳1固定连接，外壳1、底座2长度方向为动子运动方向，其长度依定位长 度而定。
[0031] 在整个位置检测范围内导磁体4绝对地址采用绝对编码来表示。绝对编码由机械 位置决定，每个位置是唯一的。通过不同的线圈形状和位置形成不同的电压对应位置编码。
[0032] 底座1上以层叠方式固定有1个发射线圈、1个参考接收线圈、4个绝对地址线圈和4 个精确地址线圈，各个线圈的形状如图2所示。
[0033]图2中(a)是发射线圈、参考接收线圈。图2中（b)是形成4位格雷码编码电压的线圈 形状，也就是绝对地址线圈，可表示16个绝对地址位置。如果绝对地址线圈的节距取200mm， 则系统的测量范围为3.2m。增加绝对地址线圈的个数即可增加测量范围。图2中（c)是形成 精确地址的两组线圈形状，也就是精确地址线圈。
[0034]外壳1上装有保护线圈的绝缘盖板5,绝缘盖板5采用电工板;动子上固定有导磁体 4,导磁体4以导磁不导电的材料为佳，如铁氧体导磁材料;导磁体4与接收线圈和发射线圈 正面对应，并与绝缘盖板5不接触，导磁体4通过与不同形状的接收线圈之间的对应位置所 产生的不同电压而对应位置编码，形成绝对地址和精确地址。
[0035]控制部分参见图4,控制部分的核心是单片机，单片机采用以16位处理器为核心的 MSP430F149单片机。MSP430F149的P5口的8个输入管脚为模拟量输入端口，通过12位A/D转 换、采样保持和多路开关电路、信号调理和放大电路与信号感应部分的接收线圈电连接，接 收多路模拟量输入;MSP430F149的一个输出管脚连接正弦波发生器，向正弦波发生器输出 方波信号，正弦波发生器输出正弦波驱动电流至驱动放大电路，驱动放大电路连接信号感 应部分的发射线圈。
[0036] MSP430F149的P1、P2口并行数据输出端口，以提高系统的反应速度。
[0037] 定位系统基本原理：
[0038]参见图1，共有如图所示形状的四个单匝线圈。图中1号线圈作为发射线圈，2号线 圈作为接收线圈，3、4号线圈是绝对地址线圈兼做精确地址线圈。四个线圈长度为L，宽为D， 〇A、AB长度为1/2L，定义为一个节距1^。线圈的首端各接输入输出端子，尾端共地。当1号线 圈通以电流^寸，根据毕奥一一萨瓦定律，在空间任意点产生的磁感应强度矢量
[0040] 式中，R为线元至被研究点的距离，妒为线元指向被研究点方向上的单位矢量，μ〇是 真空磁导率，为431X10-7H/rn
[0041] 在线圈围成的平面上以及距该平面垂直距离较小的点构成的空间范围内，B矢量 方向近似垂直于平面。L?D，按无限长平行导线近似，B矢量数值沿X轴方向无变化。则在线 圈围成的平面上以及距该平面垂直距离较小的点构成的空间范围内，B矢量数值
[0043]则穿过线圈2的磁通
[0047] 其d为线圈导线直径。
[0048]当1号线圈通以频率为f的正弦交流电流Ii时 [0049] 2号线圈输出电压有效值
[00511当存在电磁干扰时，线圈2输出电压有效值2Vo =疒o+Vs，其中Vs是电磁干扰产生的 差模干扰电压。
[0052] 3、4号线圈由于节距等于1/2L，故此时输出电压均为Vo
[0053] 设有一导磁体，尺寸为lXDiXHl小于D/2，1 = 1/4L。其位置在线圈围成的平面上 以及距该平面垂直距离较小的点构成的空间范围，即"正对"2号线圈时，由于导磁体4的相 对磁导率远大于1，部分磁路的磁阻降低，φ增加 Δ Φη，则2号线圈输出电压有一个增量Vm。 根据公式(2)，导磁体4内部磁场磁感应强度近似均匀分布，△ 〇^与线圈"正对"导磁体4的 表面面积成正比，如图1中（b)、（c)所示，当导磁体4的质心沿X轴方向移动时，2、3、4号线圈 输出电压分别是
[0054] u〇(x) = 2Vo+Vm (3)
[0057] 如图1中（b)、（c)、（d)所示。设一阈值电压VN = Vo+l/2Vm，当Uca(x)彡VN时，3号线圈 输出定为1，Uoi (X) < Vn3号线圈输出定为0，则可判断导磁体4质心的粗略位置，0表示导磁体 4质心位于0A范围，1表示位于AB范围，叫绝对地址。
[0058] 还可通过解析u〇(x)、u〇i(x)、u〇2(x)得出导磁体4质心的精确位置，例如当
[0063] 导磁体4质心的精确位置x，叫精确地址。同理可解出
：时的精确位置。 这样在1^长范围内，可得到精确结果。可通过再设一组与3、4号线圈平移一个1^距离的线圈 组，得到整个L长范围的结果。特别值得指出的是，X与Vo无关，其实质是该电路及其对应的 位置算法通过使干扰信号互相抵消的方式有效地消除了电磁干扰。
[0064] 以上所述仅为本发明较佳可行的实施例而已，并非因此局限本发明的权利范围， 凡运用本发明说明书内容所作的等效变化，均包含于本发明的权利范围之内。
【主权项】
1. 一种基于格雷编码的高速直线电机动子定位系统，包括信号感应部分、控制部分，其 特征在于： 信号感应部分包括外壳（1)、底座(2)，外壳（1)为槽钢，底座(2)为长条形木块，底座(2) 置于外壳（1)内并与外壳（1)固定连接，外壳（1)、底座(2)沿动子运动方向延伸;底座（1)上 以层叠方式固定有线圈（3)，线圈（3)包括接收线圈、发射线圈，接收线圈包括绝对地址线 圈、精确地址线圈、参考接收线圈，外壳（1)上装有保护线圈（3)的绝缘盖板(5);动子上固定 有导磁体(4)，导磁体(4)与接收线圈和发射线圈正面对应，并与绝缘盖板(5)不接触，导磁 体(4)通过与不同形状的接收线圈之间的对应位置所产生的不同电压而对应位置编码，形 成绝对地址和精确地址； 控制部分包括单片机、正弦波发生器、驱动放大电路、信号调理电路、A/D转换电路以及 信号输出及显示电路，单片机的输入管脚与信号感应部分的接收线圈通过信号调理电路和 A/D转换电路连接，接收多路模拟量输入;单片机的一个输出管脚输出方波信号，经变换后， 输出正弦波电流，连接信号感应部分的发射线圈。2. 根据权利要求1所述的基于格雷编码的高速直线电机动子定位系统，其特征在于:所 述的接收线圈和发射线圈为单匝线圈，发射线圈设置1个，其形状为矩形，其长度等于检测 范围；接收线圈中的绝对地址线圈、精确地址线圈分别设置10个和4个，参考接收线圈设置 一个，其与发射线圈形状相同；绝对地址线圈形状为方波形，其下边是一条直线，上边按位 置格雷编码的规律上下变化，以形成9位的位置格雷编码绝对地址;精确地址线圈其形状为 方波形，每个线圈的方波相位相差90°;接收线圈和发射线圈的首端分别接输入输出端子， 尾端接地。3. 根据权利要求1所述的基于格雷编码的高速直线电机动子定位系统，其特征在于:所 述的单片机为MSP430F149，MSP430F149的通用输入输出端口作为数据输入输出端口，12位 A/D转换由A/D转换电路中的专用的高速芯片完成，其中MSP430F149的P1、P2 口并行为结果 数据输出端口。
【文档编号】G05B19/042GK106094650SQ201610628808
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年8月3日 公开号201610628808.3, CN 106094650 A, CN 106094650A, CN 201610628808, CN-A-106094650, CN106094650 A, CN106094650A, CN201610628808, CN201610628808.3
【发明人】郝成, 杨志刚, 屈滨, 孟凡伟, 罗振中, 刘旭, 吕晶, 王建民
【申请人】华北理工大学