CN110186365B - 一种初级永磁式直线位置测量系统 - Google Patents
一种初级永磁式直线位置测量系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提出的一种初级永磁式直线位置测量系统,包括:初级永磁式直线位置传感器、信号处理模块和处理器;初级永磁式直线位置传感器包括:初级侧动子、次级侧定子轨道、绕组和多个永磁体;次级侧定子轨道朝向初级侧动子的一面为沿着初级侧动子运动方向周期性起伏的波浪面;多个永磁体均安装在初级侧动子上,相邻的永磁体磁极相反。本发明还包括专用解码电路,当初级侧动子相对于次级侧定子轨道低速运动时,需向激励绕组中注入高频信号,对反馈的正余弦信号解调以获得包络信号,从而计算转子位置;当初级侧动子相对于次级侧定子轨道高速运动时,可直接利用初级永磁体在绕组中感应出的反电势计算初级侧动子的位置,不需要额外的注入高频电压信号。
Description
技术领域
本发明涉及技术领域,尤其涉及一种初级永磁式直线位置测量系统。
背景技术
目前常规直线电机驱动的位置反馈信号常采用光栅尺或直线磁感应式位置传感器。
光栅尺成本高、老化快、易损,不适合工作环境恶劣的应用场合。
现有技术中,已有国外学者提出直线磁感应式位置传感器,通过在绕组中注入高频电压信号,以气隙磁阻调制而获得含有位置信息的反馈电信号,从而测量动子位置。然而这种方案在高速情况下需要极高频率的信号注入,并且需要极高性能的信号解码处理器,成本过高,不适合工程应用。
发明内容
基于背景技术存在的技术问题,本发明提出了一种初级永磁式直线位置测量系统。
本发明提出的一种初级永磁式直线位置测量系统,包括:初级永磁式直线位置传感器、信号处理模块和处理器;
初级永磁式直线位置传感器包括:初级侧动子、次级侧定子轨道、绕组和多个永磁体;次级侧定子轨道的长度大于初级侧动子,次级侧定子轨道朝向初级侧动子的一面为沿着初级侧动子运动方向周期性起伏的波浪面;
多个永磁体均安装在初级侧动子上并沿着初级侧动子长度方向直线排列,相邻的永磁体磁极相反;绕组安装在初级侧动子上,绕组包括励磁电路、正弦反馈电路和余弦反馈电路;
信号处理模块分别连接处理器、励磁电路、正弦反馈电路和余弦反馈电路;处理器用于控制信号处理模块向励磁电路输入励磁信号,并用于通过信号处理模块对正弦反馈电路中的正弦反馈信号和余弦反馈电路中的余弦反馈信号进行采样。
优选的,信号处理模块包括功放电路和采样电路;处理器通过功放电路连接励磁电路,并通过采样电路连接正弦反馈电路和余弦反馈电路;
处理器包括模数转换单元和解码逻辑单元;解码逻辑单元通过模数转换单元连接采样电路,模数转换单元用于将采样电路获取的正弦反馈信号和余弦反馈信号进行模数转换获取数字信号,解码逻辑单元用于根据数字信号计算初级侧动子在次级侧定子轨道上的位置。
优选的,处理器还包括数模转换单元,解码逻辑单元通过数模转换单元连接功放电路。
优选的,功放电路采用运算放大器集成芯片,亦可采用分立模拟元器件,采样电路采用模拟电路或者集成芯片。
优选的,初级侧动子的每一个动子齿上均环绕有一个励磁螺旋线路,各励磁螺旋线路串联形成励磁电路;每一个动子齿上还环绕有一个正弦螺旋线路或者一个余弦螺旋线路,各正弦螺旋线路串联形成正弦反馈电路,各余弦螺旋线路串联形成余弦反馈电路;正弦反馈电路占用的动子齿与余弦反馈电路占用的动子齿数量相等。
优选的,正弦反馈电路占用的动子齿与余弦反馈电路占用的动子齿交错分布。
优选的,每一个动子齿上均设置有动子极靴。
优选的,初级侧动子和动子极靴均由硅钢片冲压堆叠形成,永磁体嵌入式安装在初级侧动子上。
优选的,任意相邻两个永磁体之间的距离均相等。
优选的,次级侧定子轨道的波浪面为正弦曲面,且波浪面的一个周期长度等于相邻两个永磁体之间的距离。
本发明提出的一种初级永磁式直线位置测量系统,初级侧动子相对于次级侧定子轨道低速运动时,可通过正弦反馈电路与余弦反馈电路中获得的高频反馈信号的包络线测量初级侧动子位置;初级侧动子相对于次级侧定子轨道高速运动时,可通过正弦反馈电路与余弦反馈电路中获得的感应空载反电势信号测量初级侧动子位置。
如此,本发明中,当初级侧动子相对于次级侧定子轨道高速运动时,可直接利用初级永磁体在绕组中感应出的反电势计算初级侧动子的位置,不需要额外的注入高频电压信号。
附图说明
图1a为本发明提出的一种初级永磁式直线位置测量系统工作原理图;
图1b为初级侧动子和次级侧定子轨道结构图;
图2为图1a中初级侧动子在不同运动速度下的输出信号波形示意图;
图3a为优选实施例中初级侧动子低速运动下正余弦反馈信号示意图;
图3b为优选实施例中初级侧动子高速运动下正余弦反馈信号示意图;
图4a为初级侧动子低速运动下解码逻辑示意图;
图4b为初级侧动子高速运动下解码逻辑示意图。
具体实施方式
参照图1a和图1b,本发明提出的一种初级永磁式直线位置测量系统,包括:初级永磁式直线位置传感器、信号处理模块2和处理器3。
初级永磁式直线位置传感器包括:初级侧动子11、次级侧定子轨道12、绕组14和多个永磁体13。次级侧定子轨道12的长度大于初级侧动子11,初级侧动子11和次级侧定子轨道12相互平行设置且两者之间具有间隙,初级侧动子 11沿着次级侧定子轨道12往复运动。
次级侧定子轨道12朝向初级侧动子11的一面为沿着初级侧动子11运动方向周期性起伏的波浪面。
多个永磁体13均安装在初级侧动子11上并沿着初级侧动子11长度方向直线排列,相邻的永磁体13磁极相反。绕组14安装在初级侧动子11上,绕组14 包括励磁电路(EXC)、正弦反馈电路(SIN)和余弦反馈电路(COS)。
如此,本实施方式中,永磁体13产生磁场,当初级侧动子11沿着次级侧定子轨道12运动,从而使得动子齿上的绕组的反电势感应随着波浪面的起伏而周期性变化。
本实施方式中,励磁电路用于接入激励电压,正弦反馈电路和余弦反馈电路分别用于输出正弦反馈电压和余弦反馈电压。具体的,正弦反馈电路和余弦反馈电路的输出与励磁电路的输入、永磁体13的设置、波浪面的形状以及初级侧动子11相对于次级侧定子轨道12的运动均有关。具体的,当初级侧动子11 相对于次级侧定子轨道12低速运动时,永磁体13感应的反电势幅值较低;当初级侧动子11相对于次级侧定子轨道12高速运动时,永磁体13感应的反电势幅值较强。
如此,在永磁体13、波浪面和励磁电路输入固定的情况下,可根据正弦反馈电路和余弦反馈电路的输出反推初级侧动子11相对于次级侧定子轨道12的运动位置。
信号处理模块2分别连接处理器3、励磁电路、正弦反馈电路和余弦反馈电路。处理器3用于控制信号处理模块2向励磁电路输入励磁信号,并用于通过信号处理模块2对正弦反馈电路中的正弦反馈信号和余弦反馈电路中的余弦反馈信号进行采样。
本实施方式中,信号处理模块2包括功放电路21和采样电路22。处理器3 通过功放电路21连接励磁电路,并通过采样电路22连接正弦反馈电路和余弦反馈电路。如此,处理器3在通过功放电路21激励励磁电路时,可通过功放电路21对处理器3的输出电信号进行调整,提高励磁电流的输入电信号的质量。具体的,本实施方式中,功放电路21采用运算放大器或者集成芯片,采样电路 22采用模拟电路或者集成芯片。
处理器3包括模数转换单元32和解码逻辑单元33。解码逻辑单元33通过模数转换单元32连接采样电路22,模数转换单元32用于将采样电路22获取的正弦反馈信号和余弦反馈信号进行模数转换获取数字信号,解码逻辑单元33用于根据数字信号计算初级侧动子11在次级侧定子轨道12上的位置。如此,本实施方式中,处理器3和模数转换单元32将初级侧动子11的位置计算转换为数字信号的计算,有利于提高处理器3工作效率,提高计算速度。具体的,本实施方式中,处理器3还包括数模转换单元31,解码逻辑单元33通过数模转换单元31连接功放电路21。如此,处理器3通过数模转换单元31产生激励信号。具体实施时,数模转换单元31也可通过其他功能模块代替。本实施方式中,处理器33可以采用可编程逻辑门阵列FPGA等具有逻辑运算功能的集成器件。
具体的,本实施方式中,当初级侧动子11相对于次级侧定子轨道12低速运动时,永磁体13感应的反电势幅值较低,不足以支持初级侧动子11的位置测量。此时,处理器3可通过功放电路21向绕组14输出高频激励信号,以保证绕组14感应出两相高频电压信号,采样电路22对每一相高频电压信号的反电势波形进行采样,再由数模转换单元32转换成数字信号,解码逻辑单元33 通过抽取反电势波形的包络线,从而计算出初级动子11的位置。
具体的,本实施方式中,当初级侧动子11相对于次级侧定子轨道12低速运动时,解码逻辑单元33需先对绕组输出高频信号进行解调,并以低通滤波器获得高频信号的包络线即两相正余弦曲线,解码逻辑单元33将包络线经过归一化处理后的信号再经过锁相环计算出初级侧动子11的位置与转速。
当初级侧动子11相对于次级侧定子轨道12高速运动时,永磁体13感应的反电势幅值较强,足以支持初级侧动子11的位置测量。此时,功放电路21向绕组14停止输出任何信号,绕组14由于初级侧动子11在永磁体13磁场中的高速运动感应出两相高频电压信号,采样电路22对每一相高频电压信号的反电势波形进行采样,再由数模转换单元32转换成数字信号,解码逻辑单元33直接根据反电势波形计算出初级动子11的位置。
具体的,本实施方式中,当初级侧动子11相对于次级侧定子轨道12高速运动时,永磁体13所感应出的信号直接是两相正余弦曲线,解码逻辑单元33 可直接对两相正余弦曲线,经过归一化处理后的信号再经过锁相环计算出初级侧动子11的位置与转速。
如此,通过该初级永磁式直线位置测量系统,当初级侧动子11相对于次级侧定子轨道12高速运动时,可直接利用初级永磁体13在绕组14中感应出的反电势计算初级侧动子11的位置,不需要额外的注入高频电压信号。
具体的,本实施方式中,初级侧动子11的每一个动子齿上均环绕有一个励磁螺旋线路,各励磁螺旋线路串联形成励磁电路。每一个动子齿上还环绕有一个正弦螺旋线路或者一个余弦螺旋线路,各正弦螺旋线路串联形成正弦反馈电路,各余弦螺旋线路串联形成余弦反馈电路。正弦反馈电路占用的动子齿与余弦反馈电路占用的动子齿数量相等。本实施方式中,由于正弦反馈电路和余弦反馈电路所占用的动子齿不同,从而使得正弦反馈电路输出的正弦反馈信号和余弦反馈电路输出的余弦反馈信号之间具有相位差,方便处理器3根据正弦反馈信号和余弦反馈信号对初级侧动子11的位置进行计算。
本实施方式中,次级侧定子轨道12由导磁材料支撑。每一个动子齿上均设置有动子极靴15。初级侧动子11和动子极靴15均由硅钢片冲压堆叠形成,永磁体13嵌入式安装在初级侧动子11上。如此,保证了初级侧动子11的整体结构的完整,从而保证了初级侧动子11和永磁体13的相对结构稳定。
本实施方式中,任意相邻两个永磁体13之间的距离均相等,次级侧定子轨道12的波浪面为正弦曲面,且波浪面的一个周期长度等于相邻两个永磁体13 之间的距离。
以下结合一个具体的实施例对本发明作进一步解释。
本实施例中,正弦反馈电路占用的动子齿与余弦反馈电路占用的动子齿交错分布。如此,可保证正弦反馈电路和余弦反馈电路分别感应产生的正弦反馈信号和余弦反馈信号正交。
本实施例中,当初级侧动子11相对于次级侧定子轨道12低速运动时,处理器3可通过功放电路21向绕组14中的励磁电路输出高频激励信号,绕组14 中的正弦反馈电路和余弦反馈电路分别感应产生正弦反馈信号和余弦反馈信号,正弦反馈信号和余弦反馈信号均为高频电压信号并正交;其中,正弦反馈信号和余弦反馈信号对应的反电势波形均如图2中反电势波形在初级侧动子11 低速运动下的波形,采样电路22对反电势波形进行采样并由模数转换单元32 转换成数字信号,然后解码逻辑单元33通过抽取反电势波形的包络线,从而计算出初级动子11的位置。
具体的,初级侧动子11低速运动时,通过在激磁电路中注入高频电压信号作为激励信号,进而从正弦反馈电路与余弦反馈电路中获得的高频反馈信号即正弦反馈信号和余弦反馈信号如图3a所示。
本实施例中,当初级侧动子11相对于次级侧定子轨道12高速运动时,绕组14无输入,即绕组中的励磁电路无输入,绕组14中的正弦反馈电路和余弦反馈电路由于初级侧动子在永磁体13磁场中的高速运动分别感应产生正弦反馈信号和余弦反馈信号,正弦反馈信号和余弦反馈信号均为高频电压信号并正交;其中,正弦反馈信号和余弦反馈信号对应的反电势波形均如图2中反电势波形在初级侧动子11高速运动下的波形,采样电路22对反电势波形进行采样并由模数转换单元32转换成数字信号,然后解码逻辑单元33直接根据反电势波形计算出初级动子11的位置。
具体的,初级侧动子11高速运动时,截止激磁电路中高频电压信号的注入,通过永磁体13在正弦反馈电路与余弦反馈电路中感应出空腔反电势分别作为正弦反馈信号和余弦反馈信号,如图3b所示。
以上所述,仅为本发明涉及的较佳的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变,都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种初级永磁式直线位置测量系统,其特征在于,包括:初级永磁式直线位置传感器、信号处理模块(2)和处理器(3);
初级永磁式直线位置传感器包括:初级侧动子(11)、次级侧定子轨道(12)、绕组(14)和多个永磁体(13);次级侧定子轨道(12)的长度大于初级侧动子(11),次级侧定子轨道(12)朝向初级侧动子(11)的一面为沿着初级侧动子(11)运动方向周期性起伏的波浪面;
多个永磁体(13)均安装在初级侧动子(11)上并沿着初级侧动子(11)长度方向直线排列,相邻的永磁体(13)磁极相反;绕组(14)安装在初级侧动子(11)上,绕组(14)包括励磁电路、正弦反馈电路和余弦反馈电路;
信号处理模块(2)分别连接处理器(3)、励磁电路、正弦反馈电路和余弦反馈电路;处理器(3)用于控制信号处理模块(2)向励磁电路输入励磁信号,并用于通过信号处理模块(2)对正弦反馈电路中的正弦反馈信号和余弦反馈电路中的余弦反馈信号进行采样;
初级侧动子相对于次级侧定子轨道低速运动时,可通过正弦反馈电路与余弦反馈电路中获得的高频反馈信号的包络线测量初级侧动子位置;初级侧动子相对于次级侧定子轨道高速运动时,可通过正弦反馈电路与余弦反馈电路中获得的感应空载反电势信号测量初级侧动子位置。
2.如权利要求1所述的初级永磁式直线位置测量系统,其特征在于,信号处理模块(2)包括功放电路(21)和采样电路(22);处理器(3)通过功放电路(21)连接励磁电路,并通过采样电路(22)连接正弦反馈电路和余弦反馈电路;
处理器(3)包括模数转换单元(32)和解码逻辑单元(33);解码逻辑单元(33)通过模数转换单元(32)连接采样电路(22),模数转换单元(32)用于将采样电路(22)获取的正弦反馈信号和余弦反馈信号进行模数转换获取数字信号,解码逻辑单元(33)用于根据数字信号计算初级侧动子(11)在次级侧定子轨道(12)上的位置。
3.如权利要求2所述的初级永磁式直线位置测量系统,其特征在于,处理器(3)还包括数模转换单元(31),解码逻辑单元(33)通过数模转换单元(31)连接功放电路(21)。
4.如权利要求2所述的初级永磁式直线位置测量系统,其特征在于,功放电路(21)采用运算放大器或者集成芯片,采样电路(22)采用模拟电路或者集成芯片。
5.如权利要求1所述的初级永磁式直线位置测量系统,其特征在于,初级侧动子(11)的每一个动子齿上均环绕有一个励磁螺旋线路,各励磁螺旋线路串联形成励磁电路;每一个动子齿上还环绕有一个正弦螺旋线路或者一个余弦螺旋线路,各正弦螺旋线路串联形成正弦反馈电路,各余弦螺旋线路串联形成余弦反馈电路;正弦反馈电路占用的动子齿与余弦反馈电路占用的动子齿数量相等。
6.如权利要求5所述的初级永磁式直线位置测量系统,其特征在于,正弦反馈电路占用的动子齿与余弦反馈电路占用的动子齿交错分布。
7.如权利要求5所述的初级永磁式直线位置测量系统,其特征在于,每一个动子齿上均设置有动子极靴(15)。
8.如权利要求7所述的初级永磁式直线位置测量系统,其特征在于,初级侧动子(11)和动子极靴(15)均由硅钢片冲压堆叠形成,永磁体(13)嵌入式安装在初级侧动子(11)上。
9.如权利要求1所述的初级永磁式直线位置测量系统,其特征在于,任意相邻两个永磁体(13)之间的距离均相等。
10.如权利要求9所述的初级永磁式直线位置测量系统,其特征在于,次级侧定子轨道(12)的波浪面为正弦曲面,且波浪面的一个周期长度等于相邻两个永磁体(13)之间的距离。
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