CN105066857B - 轴位置检测装置和磁悬浮电机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种轴位置检测装置和磁悬浮电机。所述轴位置检测装置包括：电涡流位移传感器探头组，和与所述电涡流位移传感器探头组相连接的集成式前置器；所述电涡流位移传感器探头组包括至少10个电涡流位移传感器探头，在磁悬浮电机轴的5个自由度中，每个自由度至少设置有2个所述电涡流位移传感器探头。本发明提供的轴位置检测装置，相对于现有技术中每个探头对应一个前置器电路的方案，能够有效节省空间，方便集成化。
Description
技术领域
本发明涉及检测技术领域，尤其轴位置检测装置和磁悬浮电机。
背景技术
在磁悬浮电机中需要探测轴5个自由度的位移信号，这5个自由度的位移信号用于提供给轴承控制器，以实现轴的稳定悬浮控制。每个自由度至少需要安装1个非接触式位移传感器来实现轴位移的测量。
为了提高悬浮精度，目前的技术中，通常采取差动结构，即每个自由度安装2个非接触式位移传感器，则整套磁悬浮轴承系统中总共需要安装10个非接触式位移传感器，非接触式位移传感器一般采用电涡流位移传感器。目前的技术中，请参阅图1，电涡流位移传感器(即轴位置检测装置)的设计一般采用分立式设计方案，即一个探头对应一个前置器电路。
但是，目前的技术方案，由于每个探头对应一个前置器电路，造成前置器的体积较大，不利于集成化。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种轴位置检测装置和磁悬浮电机，体积较小，方便集成化。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种轴位置检测装置，包括：
电涡流位移传感器探头组，和与所述电涡流位移传感器探头组相连接的集成式前置器；
所述电涡流位移传感器探头组包括至少10个电涡流位移传感器探头，在磁悬浮电机轴的5个自由度中，每个自由度至少设置有2个所述电涡流位移传感器探头。
优选的，所述电涡流位移传感器探头组集成在两个探头环内，所述两个探头环分别设置在轴的两端。
优选的，所述磁悬浮电机轴同一个自由度所对应的所述电涡流位移传感器探头采用差分布置结构。
优选的，所述集成式前置器包括：
与所述电涡流位移传感器探头组相连接的激励源发生电路；与每个所述电涡流位移传感器探头一一对应的谐振电容，每个所述电涡流位移传感器探头与所对应的谐振电容并联，构成至少10组谐振电路，其中，所述磁悬浮电机轴的每个自由度对应至少两组谐振电路；至少5组差分检波电路，所述磁悬浮电机轴的每个自由度至少对应1组差分检波电路，同一自由度的所述差分检波电路与所对应的所述谐振电路相连接；以及至少5组放大滤波电路，所述磁悬浮电机轴的每个自由度至少对应1组放大滤波电路，同一自由度的所述放大滤波电路与所对应的所述差分检波电路相连接。
优选的，所述激励源发生电路为方波激励源发生电路。
优选的，所述差分检波电路包括:
信号选择电路，以及与所述信号选择电路相连接的差分电路。
优选的，所述集成式前置器设置在磁悬浮电机的轴承控制器上。
优选的，所有所述电涡流位移传感器探头为电参数和机械参数分别全部相同的电涡流位移传感器探头；所有所述谐振电容为参数相同的电容。
优选的，所有所述谐振电路为固有振荡频率与激励信号的频率相等的谐振电路，所述激励信号由所述激励源发生电路产生。
一种磁悬浮电机，包括：
所述磁悬浮电机本体，和上述任意一项所述的轴位置检测装置。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明提供了一种轴位置检测装置和磁悬浮电机。轴位置检测装置包括：电涡流位移传感器探头组，和与所述电涡流位移传感器探头组相连接的集成式前置器；所述电涡流位移传感器探头组包括至少10个电涡流位移传感器探头，在磁悬浮电机轴的5个自由度中，每个自由度至少设置有2个所述电涡流位移传感器探头。本发明提供的技术方案，提供集成式前置器，集成式前置器所占用的体积较小，相对于现有技术中每个探头对应一个前置器电路的方案，能够有效节省空间，方便集成化。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为现有技术中轴位置检测装置的结构图；
图2为本发明实施例提供的一种轴位置检测装置的结构图；
图3为本发明实施例提供的另外一种轴位置检测装置的结构图；
图4为本发明实施例提供的一种电涡流位移传感器探头差分布置的结构图；
图5为本发明实施例提供的集成式前置器的结构图；
图6为本发明实施例提供的集成式前置器中差分检波电路的结构图；
图7为本发明实施例提供的差分检波的波形图。
具体实施方式
下面将结合现有技术和本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
请参阅图1，图1为现有技术中轴位置检测装置的结构图。如图1所示，现有技术中的轴位置检测装置，一般采用分立式设计方案，即一个探头对应一个前置器电路。现有技术中的这种分立式技术方案，由于每个探头对应一个前置器电路，造成前置器的体积较大，不利于集成化。
为此，本发明提供一种新的轴位置检测装置，用以解决上述现有技术中存在的不便于集成化的问题。
实施例
请参阅图2，图2为本发明实施例提供的一种轴位置检测装置的结构图。如图2所示，本发明实施例提供的轴位置检测装置，包括：
电涡流位移传感器探头组201，和与所述电涡流位移传感器探头组201相连接的集成式前置器202；
所述电涡流位移传感器探头组201包括至少10个电涡流位移传感器探头2011，在磁悬浮电机轴的5个自由度中，每个自由度至少设置有2个所述电涡流位移传感器探头2011。
具体的，本发明实施例提供的轴位置检测装置，可选的，包括10个电涡流位移传感器探头2011，在磁悬浮电机轴的5个自由度中，每个自由度设置有2个所述电涡流位移传感器探头2011。当然，本发明实施例提供的轴位置检测装置，在磁悬浮电机轴的5个自由度中，任意一个自由度可以设置多于2个所述电涡流位移传感器探头2011，比如设置4个(需为偶数个)所述电涡流位移传感器探头2011。需要说明的是，在磁悬浮电机轴的5个自由度中，每个自由度设置有2个所述电涡流位移传感器探头2011，其实已经够用了。
具体的，本发明实施例提供的轴位置检测装置，所述磁悬浮电机轴同一个自由度所对应的所述电涡流位移传感器探头2011采用差分布置结构，即所述磁悬浮电机轴同一个自由度所对应的所述电涡流位移传感器探头2011之间存在其他自由度所对应的所述电涡流位移传感器探头2011。
请参阅图3，图3为本发明实施例提供的另外一种轴位置检测装置的结构图。如图3所示，所述电涡流位移传感器探头组集成在两个探头环203内，即所述电涡流位移传感器探头2011分布在两个探头环203内集成，具体的，可选的，其中，一个探头环203集成2个自由度的4个所述电涡流位移传感器探头2011，另一个探头环203集成3个自由度的6个所述电涡流位移传感器探头2011。所述两个探头环203分别设置在轴的两端，不与轴接触。
进一步的，请参阅图4，图4为本发明实施例提供的一种电涡流位移传感器探头差分布置的结构图。如图4所示，X1探头和X2探头为同一自由度的两个电涡流位移传感器探头，Y1探头和Y2探头为另外一自由度的两个电涡流位移传感器探头，可见，同一自由度的两个电涡流位移传感器探头，比如X1探头和X2探头，采用差分布置。图中，轴与探头环之间的区域为二者之间的间隙，二者为非接触结构。
具体的，请参阅图5，图5为本发明实施例提供的集成式前置器的结构图。如图5所示，所述集成式前置器202包括：
与所述电涡流位移传感器探头组相连接的激励源发生电路2021；与每个所述电涡流位移传感器探头2011一一对应的谐振电容C，每个所述电涡流位移传感器探头2011与所对应的谐振电容C并联，构成至少10组谐振电路2022，其中，所述磁悬浮电机轴的每个自由度对应至少两组谐振电路2022；至少5组差分检波电路2023，所述磁悬浮电机轴的每个自由度至少对应1组差分检波电路2023，同一自由度的所述差分检波电路2023与所对应的所述谐振电路2022相连接；以及至少5组放大滤波电路2024，所述磁悬浮电机轴的每个自由度至少对应1组放大滤波电路2024，同一自由度的所述放大滤波电路2024与所对应的所述差分检波电路2023相连接。
进一步的，为了更加清楚的阐述所述集成式前置器202的结构，下面以(本发明轴位置检测装置包括)10个电涡流位移传感器探头2011继续说明。请参阅图5，图5中，除所述激励源发生电路2021和省略号以外的其他电路部分是针对某一自由度的结构，比如命名为第一自由度轴位置检测电路，省略号部分表示其他4个自由度的轴位置检测电路，且与所述第一自由度轴位置检测电路结构完全相同，这五个自由度的轴位置检测电路都与所述激励源发生电路2021相连接，接收其激励信号。若某一自由度多出两个探头，则针对这两个多出的探头设置一个与所述第一自由度轴位置检测电路相同的检测电路，针对这两个多出的探头所设置的检测电路同样与所述激励源发生电路2021相连接，接收其激励信号。
对同一自由度上的两个电涡流位移传感器探头的谐振信号作差分检波处理，提取出仅与位移变化相关的量，由于此信号量幅值较小，故后级放大倍数可相应增大，从而可提高灵敏度，且滤波电容可选择的更小，从而可提高频率响应，另外由于温度对同一自由度上的2个探头的参数的影响是一致的，两者作差分处理后，可削除温度变化对传感器信号的影响，从而提高传感器的温漂性能。
进一步的，本发明实施例提供的轴位置检测装置，所述激励源发生电路2021为方波激励源发生电路。方波激励源发生电路相对于现有技术中的正弦波激励源发生电路，电路结构要简单，体积较小。
进一步的，请参阅图6，图6为本发明实施例提供的集成式前置器中差分检波电路的结构图。如图6所示，本发明实施例提供的轴位置检测装置，所述差分检波电路2023包括:
信号选择电路20231，以及与所述信号选择电路20231相连接的差分电路20232。
具体的，参考图6，以前径向X方向为例来说明差分检波的处理过程，电涡流位移传感器探头X1谐振信号(简称PX1)和电涡流位移传感器探头X2谐振信号(简称PX2)经过信号选择电路20231，得到2路信号PX+和PX-，PX+的波形由PX1的正半周波形和PX2的负半周波形组成，PX－的波形由PX1的负半周波形和PX2的正半周波形组成，再经过差分电路20232，将PX+减去PX-实现差分，得到一个仅与位移变化量相关的信号PXA，即PXA为电涡流位移传感器探头X1和电涡流位移传感器探头X2两者差分检波的信号，如图7，图7为本发明实施例提供的差分检波的波形图，横轴表示时间，纵轴表示电压。PXA信号的极性与轴的位置有关，当轴处在靠近电涡流位移传感器探头X1远离电涡流位移传感器探头X2时，PX1的幅值小于PX2的幅值，PXA信号为负，反之，PXA信号为正。PXA信号为一个脉动信号，通过所述放大滤波电路2024对其进行放大滤波处理，得到一个与位置相对应的直流信号PXD。当PXA信号为负时PXD也为负值，当PXA信号为正值时PXD也为正值。由于模数转换芯片一般只识别正信号，故通过一个偏置电路对PXD信号加一个适当的偏置电压得到PX信号，使得PX的电压在模数转换芯片采集范围的最小值和最大值之内，这样最终得到一个与位移变化成一定比例关系的电压信号PX。
具体的，可选的，本发明实施例提供的轴位置检测装置，所述集成式前置器设置在磁悬浮电机的轴承控制器上。
进一步的，本发明实施例提供的轴位置检测装置，所有所述电涡流位移传感器探头为电参数和机械参数分别全部相同的电涡流位移传感器探头；所有所述谐振电容为参数相同的电容。
进一步的，本发明实施例提供的轴位置检测装置，所述集成式前置器中所有所述谐振电路为固有振荡频率与激励信号的频率相等的谐振电路，所述激励信号由所述激励源发生电路产生。当被测体靠近电涡流位移传感器探头时，电涡流位移传感器探头的等效阻抗发生变化，谐振电路失谐，输出电压也发生变化，且被测体离电涡流位移传感器探头越近，失谐越大，输出的电压也越小。LC谐振回路的输出信号为正弦波，其幅值的变化反应了被测体距电涡流位移传感器探头距离的变化。
进一步的，本发明还公开一种磁悬浮电机，包括所述磁悬浮电机本体，和上述本发明实施例所公开的所述轴位置检测装置。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明提供了一种轴位置检测装置和磁悬浮电机。轴位置检测装置包括：电涡流位移传感器探头组，和与所述电涡流位移传感器探头组相连接的集成式前置器；所述电涡流位移传感器探头组包括至少10个电涡流位移传感器探头，在磁悬浮电机轴的5个自由度中，每个自由度至少设置有2个所述电涡流位移传感器探头。本发明提供的技术方案，提供集成式前置器，集成式前置器所占用的体积较小，相对于现有技术中每个探头对应一个前置器电路的方案，能够有效节省空间，方便集成化。
另外，本发明提供的技术方案，所有电涡流位移传感器探头用统一的激励源，提高了各路电涡流位移传感器信号的一致性，简化了电路，削除了使用多个激励源探头相互之间的干扰。
另外，本发明提供的技术方案，采用差分检波的方式，提高了灵敏度和频率响应，能够削除温度变化对传感器信号的影响，从而提高传感器的温漂性能。
最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (8)
1.一种轴位置检测装置，其特征在于，包括：
电涡流位移传感器探头组，和与所述电涡流位移传感器探头组相连接的集成式前置器；
所述电涡流位移传感器探头组包括至少10个电涡流位移传感器探头，在磁悬浮电机轴的5个自由度中，每个自由度至少设置有2个所述电涡流位移传感器探头；
其中，所述电涡流位移传感器探头组集成在两个探头环内，所述两个探头环分别设置在轴的两端；
所述集成式前置器包括：
与所述电涡流位移传感器探头组相连接的激励源发生电路；与每个所述电涡流位移传感器探头一一对应的谐振电容，每个所述电涡流位移传感器探头与所对应的谐振电容并联，构成至少10组谐振电路，其中，所述磁悬浮电机轴的每个自由度对应至少两组谐振电路；至少5组差分检波电路，所述磁悬浮电机轴的每个自由度至少对应1组差分检波电路，同一自由度的所述差分检波电路与所对应的所述谐振电路相连接；以及至少5组放大滤波电路，所述磁悬浮电机轴的每个自由度至少对应1组放大滤波电路，同一自由度的所述放大滤波电路与所对应的所述差分检波电路相连接。
2.根据权利要求1所述的轴位置检测装置，其特征在于，所述磁悬浮电机轴同一个自由度所对应的所述电涡流位移传感器探头采用差分布置结构。
3.根据权利要求1所述的轴位置检测装置，其特征在于，所述激励源发生电路为方波激励源发生电路。
4.根据权利要求1所述的轴位置检测装置，其特征在于，所述差分检波电路包括:
信号选择电路，以及与所述信号选择电路相连接的差分电路。
5.根据权利要求1所述的轴位置检测装置，其特征在于，所述集成式前置器设置在磁悬浮电机的轴承控制器上。
6.根据权利要求1所述的轴位置检测装置，其特征在于，所有所述电涡流位移传感器探头为电参数和机械参数分别全部相同的电涡流位移传感器探头；所有所述谐振电容为参数相同的电容。
7.根据权利要求6所述的轴位置检测装置，其特征在于，所有所述谐振电路为固有振荡频率与激励信号的频率相等的谐振电路，所述激励信号由所述激励源发生电路产生。
8.一种磁悬浮电机，其特征在于，包括：
所述磁悬浮电机本体，和权利要求1-7任意一项所述的轴位置检测装置。
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