CN102445220A - 磁悬浮装置中悬浮物位置的检测方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种磁悬浮装置中悬浮物位置的检测方法及装置，该方法在悬浮物每一个可控水平移动方向上设置一传感器组，传感器组包括以悬浮装置的中心呈对称布置的两个传感器，每个传感器对应检测一个用来控制悬浮物水平移动方向的电磁铁场强以及悬浮物场强；将同组中两个传感器的检测值相减得到对消后的差值，根据差值判断得到悬浮物的位置。该装置包括与悬浮装置中悬浮物可控水平方向数量对应的传感器组以及处理单元，每个传感器组包括沿着同一个水平方向布置且以悬浮装置的中心对称布置的两个传感器。本发明具有结构简单紧凑、成本低廉、工作稳定可靠、能够消除外部叠加磁场的影响、提高检测精度和控制精度等优点。

Description

磁悬浮装置中悬浮物位置的检测方法及装置

技术领域

本发明主要涉及到磁悬浮装置领域，特指一种适用于磁悬浮装置中对悬浮物位置进行检测的方法及装置。

背景技术

磁悬浮装置从悬浮原理上可分为电磁吸力型悬浮装置和永磁斥力型悬浮装置。电磁吸力型悬浮装置通过可控电磁铁吸引铁磁性悬浮物，使之无接触地悬浮在空中。永磁斥力型悬浮装置分别在底座和悬浮物上安装有磁性相反的永久磁铁，利用永久磁铁“同性相斥”的原理实现悬浮。在上述两种类型的磁悬浮装置中，都需要准确获知悬浮物的位置。为此，通常采用位置传感器进行测量，如电涡流传感器、光电传感器、霍尔传感器等。

在永磁斥力型悬浮装置中，由于悬浮物内含有永磁铁，因此使用霍尔传感器通过测量悬浮磁铁产生的磁场变化来判断其位置，是最简单直接的方法，其被广泛采用。但是，由于该装置中用于实现悬浮控制的电磁铁会产生可变电磁场，该磁场会与悬浮永磁铁的磁场叠加，进而干扰位置测量，使得测量的准确性和一致性下降，严重影响到悬浮的稳定性。

为了解决上述问题，现有技术中常采用信号处理的方法，即通过检测电磁铁的激励电流，得出其激发磁场的强度的估计值；然后在传感器的检测值中减去上述估计值，得到真值。该方法在大型系统中得到了广泛应用，且效果良好。但是，该方法的准确性严重依赖于估计算法，因此对系统的建模精度要求非常高；另外，由于要检测电流，需要增加额外的传感器，因此系统复杂，在对空间和成本敏感的场合难以应用。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种结构简单紧凑、成本低廉、工作稳定可靠、能够消除外部叠加磁场的影响、提高检测精度和控制精度的磁悬浮装置中悬浮物位置的检测方法及装置。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种磁悬浮装置中悬浮物位置的检测方法，在悬浮物每一个可控水平移动方向上设置一传感器组，所述传感器组包括以悬浮装置的中心呈对称布置的两个传感器，每个传感器对应检测一个用来控制悬浮物水平移动方向的电磁铁产生的磁场的强度以及悬浮物产生的磁场的强度；将同组中两个传感器的检测值相减得到对消后的差值，根据所述差值判断得到悬浮物的位置。

作为本发明检测方法的进一步改进：

所述传感器组为两个并呈正交方式布置。

本发明进一步提供一种磁悬浮装置中悬浮物位置的检测装置，包括与悬浮装置中悬浮物可控水平方向数量对应的传感器组以及处理单元，所述每个传感器组包括沿着同一个水平方向布置且以悬浮装置的中心对称布置的两个传感器，所述每个传感器对应检测一个用来控制悬浮物水平移动方向的电磁铁产生的磁场的强度以及悬浮物产生的磁场的强度，所述处理单元根据同组中两个传感器的检测值相减得到对消后的差值判断得到悬浮物的位置。

作为本发明检测装置的进一步改进：

所述处理单元为一对消处理电路。

所述对消处理电路包括与两个传感器相连的差分运算器以及与差分运算器输出端相连的比例放大器。

所述传感器组为两个并呈正交方式布置。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明结构简单、成本低廉、易于实现、可靠性高；通过在空间上对称布置传感器，就能消除电磁铁磁场的场强分量（干扰分量），并且保留永磁铁磁场的场强分量（有效分量），从而消除外部叠加磁场的影响，解决了外磁场干扰的问题，测量的鲁棒性好、位置检测精度高，进而提高了磁悬浮装置的控制精度，整个装置工作更加稳定可靠。

附图说明

图1是具体应用实例中磁悬浮装置的结构示意图。

图2是本发明在具体应用实例中的结构示意图。

图3是电磁铁的布置示意图。

图4是传感器的布置示意图。

图5是传感器与电磁铁相对布置位置的示意图。

图6是本发明具体实例中检测原理的分析示意图。

图7是本发明具体实例中处理单元的电路示意图。

图例说明：

    1、悬浮物；2、悬浮底座；301、环形永磁铁；311、第一电磁铁；312、第二电磁铁；313、第三电磁铁；314、第四电磁铁；401、第一传感器；402、第二传感器；403、第三传感器；404、第四传感器。

具体实施方式

以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

本发明主要应用于如图1所示的磁悬浮装置中，其中磁悬浮装置一般由悬浮物1和悬浮底座2两部分组成，悬浮物1包括永磁铁以及包裹在永磁铁外侧的外壳，悬浮底座2则包括机芯组件、电路板以及外壳。

本实施例中，如图2和图3所示，机芯组件包括环形永磁铁301、第一电磁铁311、第二电磁铁312、第三电磁铁313、第四电磁铁314以及本发明的检测装置，四只电磁铁位于环形永磁铁301的环内，且分布在相同的圆周上。第一电磁铁311与第三电磁铁313为一组，第二电磁铁312与第四电磁铁314为一组，每组电磁铁用来控制悬浮物1在一个水平方向的移动。两组电磁铁的中心连线呈90度，即呈正交布置。

本发明磁悬浮装置中悬浮物位置的检测方法，就是在悬浮物每一个可控水平移动方向上设置一传感器组，传感器组包括以悬浮装置的中心呈对称布置的两个传感器，每个传感器对应检测一个用来控制悬浮物水平移动方向的电磁铁场强以及悬浮物场强；将同组中两个传感器的检测值相减得到对消后的差值，根据所述差值判断得到悬浮物的位置。

如图2、图4和图5所示，本发明进一步提供一种磁悬浮装置中悬浮物位置的检测装置，它包括与悬浮装置中悬浮物可控水平方向数量对应的传感器组以及处理单元，每个传感器组包括沿着同一个水平方向布置且以悬浮装置的中心对称布置的两个传感器，每个传感器对应检测一个用来控制悬浮物水平移动方向的电磁铁产生的磁场的强度以及悬浮物产生的磁场的强度，这样每组传感器的两个测量结果中包含的电磁铁磁场的场强分量（干扰分量）相等、永磁铁磁场的场强分量（有效分量）等值反向。处理单元根据同组中两个传感器的检测值相减得到对消后的差值判断得到悬浮物的位置。本发明采用双传感器对消的方法实现，即每对信号用一套电路处理，通过对两个信号做减法，就能消除电磁铁磁场的场强分量（干扰分量），并且保留永磁铁磁场的场强分量（有效分量），从而消除外部叠加磁场的影响，巧妙地解决了外磁场干扰的问题。 

如图4所示，本实施例中包括两组传感器组，即第一传感器401和第三传感器403、第二传感器402和第四传感器404，传感器均可采用霍尔传感器，它负责将待测的磁场强度值转换为电流信号。传感器组呈正交方式布置。即，第一传感器401和第三传感器403布置于第一电磁铁311和第三电磁铁313连线BB’的水平方向上，第二传感器402和第四传感器404布置于第二电磁铁312与第四电磁铁314连线AA’的水平方向上。第一传感器401和第三传感器403用来检测悬浮物在AA’方向上的水平移动，第二传感器402和第四传感器404用来检测悬浮物在BB’方向上的水平移动。这两个方向的测量原理完全相同，下面以AA’方向为例，详细描述本发明的检测方法。

参见图6，假设当悬浮物1在如图所示位置时，第一电磁铁311和第三电磁铁313绕组上通过的电流为I。则悬浮物1内永磁铁激发的磁场方向为P，电磁铁激发的磁场方向为Q。第一传感器401、第三传感器403将同时测量出这两个磁场的场强，即：

第一传感器401输出为:  U401 = Up1 + Uq1                         (1)

第三传感器403输出为:  U403 = Up2 + Uq2                         (2)

其中：Up1和Up2的大小与悬浮物1中心偏离传感器中心的距离成比例。因此：

Up1 = k1 * x1                                               (3)

Up2 = k2 * x2                                               (4)

由于两个传感器特性相同，因此可记：

k1 = k2 = k                                                 (5)

其中k为一个常系数，其与传感器布置的位置相关。

根据位置的对称性，悬浮物1在水平方向上离悬浮装置的中心（传感器组件中心）的距离为x，x即为本发明检测方法所要确定的未知量，也就是悬浮物1的位置。第一电磁铁311和第三电磁铁313中心距离为D，则有：

x1 = (D/2) + x                                              (6)

x2 = (D/2) - x                                              (7)

将(5)～(7)代入(3) ～(4)可得：

Up1 = k * (D/2) + k * x                                     (8)

Up2 = k * (D/2) - k * x                                     (9)

再考虑Uq1和Uq2。由于电磁铁激发磁场在垂直于传感器表面的方向上近似为均匀磁场，因此可记为：

Uq1 = Uq2 = Uq                                             (10)

将(8) ～(10)代入(1) ～(2)可得：

U401 = k * (D/2) + k * x + Uq                              (11)

U403 = k * (D/2) - k * x + Uq                              (12)

用式(11)减去式(12)可得：

U401-U403 = 2 * k * x                                      (*)

这就是说，只需将第一传感器401与第三传感器403的输出值相减，即可得到一个与悬浮物1位置x成正比的信号。据此即可检测出悬浮物1的位置。

参见图7，本实施例中，处理单元为一对消处理电路。对消处理电路包括与两个传感器相连的差分运算器（运放U1）以及与差分运算器输出端相连的比例放大器（运放U2），差分运算器可以实现对两路输入信号的减法处理，比例放大器可以对输入信号进行放大。经过U1处理后，即可得到(*)式所需的位置检测信号，但是该信号非常微弱。因此利用U2对其放大，以便于后续电路处理。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种磁悬浮装置中悬浮物位置的检测方法，其特征在于：在悬浮物每一个可控水平移动方向上设置一传感器组，所述传感器组包括以悬浮装置的中心呈对称布置的两个传感器，每个传感器对应检测一个用来控制悬浮物水平移动方向的电磁铁产生的磁场的强度以及悬浮物产生的磁场的强度；将同组中两个传感器的检测值相减得到对消后的差值，根据所述差值判断得到悬浮物的位置。

2.根据权利要求1所述的磁悬浮装置中悬浮物位置的检测方法，其特征在于：所述传感器组为两个并呈正交方式布置。

3.一种磁悬浮装置中悬浮物位置的检测装置，其特征在于：包括与悬浮装置中悬浮物可控水平方向数量对应的传感器组以及处理单元，所述每个传感器组包括沿着同一个水平方向布置且以悬浮装置的中心对称布置的两个传感器，所述每个传感器对应检测一个用来控制悬浮物水平移动方向的电磁铁产生的磁场的强度以及悬浮物产生的磁场的强度，所述处理单元根据同组中两个传感器的检测值相减得到对消后的差值判断得到悬浮物的位置。

4.根据权利要求3所述的磁悬浮装置中悬浮物位置的检测装置，其特征在于：所述处理单元为一对消处理电路。

5.根据权利要求4所述的磁悬浮装置中悬浮物位置的检测装置，其特征在于：所述对消处理电路包括与两个传感器相连的差分运算器以及与差分运算器输出端相连的比例放大器。

6.根据权利要求3或4或5所述的磁悬浮装置中悬浮物位置的检测装置，其特征在于：所述传感器组为两个并呈正交方式布置。

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