CN110220446A - 位移传感器解调方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种位移传感器解调方法及系统，其中，该方法包括以下步骤：通过多点同步采样采集预设数量采样值；将预设数量采样值进行加权处理，得到加权采样值；按照预设排列方式对加权采样值进行排序，获得排序后的加权采样值；剔除排序后的加权采样值中的异常数据，得到余值采样值；按照取平均方法对余值采样值进行计算，得到可靠位移数据。该方法通过多点同步采样，结合非线性滤波，剔除电磁轴承电流开关功放引入的脉冲电压干扰信号，增强传感器抗干扰能力，提升磁轴承性能。

Description

位移传感器解调方法及系统

技术领域

本发明涉及解调技术领域，特别涉及一种位移传感器解调方法及系统。

背景技术

电磁轴承系统是一种反馈控制系统，通过向电磁铁线圈中通入受控电流，获得受控电磁力，作用于铁磁性转子，实现铁磁转子非接触支承。电磁铁线圈由功率放大器驱动，功率放大器将输入的控制电压指令转换为对应控制电流。控制电压指令由电磁轴承控制器产生，控制器实时采集位移传感器给出的转子位移信号，按照特定控制算法产生输出信号。因此，电磁轴承的控制精度，与位移传感器测量精度密切相关。

开关功放功率损耗小，效率高，响应速度快，已经成为磁轴承功率放大器主流。另外，开关功放的控制也在向数字控制方向发展，在固定的采样周期处，功放控制核心单元采集当前电流指令信号及线圈电流信号，根据信号偏差生成新的PWM控制信号，驱动功率桥电路工作，调整线圈电流。

开关功放工作时，其功率管的高频开关会产生很强的开关电压噪声。兼顾开关损耗与响应速度的要求，磁轴承开关功率放大器的工作频率通常设定在10～100kHz范围，而作为磁轴承主流传感器类型的电感位移传感器，其正弦激励信号的频率也在这个范围内，则功放的高频开关，会在位移传感器测量结果中引入大的脉冲电压干扰，且这个干扰的主要成分会位于位移传感器的测量带宽范围内，从而影响磁轴承的悬浮精度。

如图1所示，探头材料为铁磁性材料，探头上缠绕线圈，单个方向的位移测量由一对探头完成，即上传感器探头与下传感器探头。上下传感器探头线圈在C点短接，高频正弦激励信号从上传感器探头A端输入，从C端进入下传感器探头，再从B端输出，作为载波信号。转子静止时，C端信号为幅值恒定的高频正弦波，忽略探头电阻影响，其幅度由上传感器探头电感(AC端电感测量值)在上下传感器探头总电感(AB端电感测量值)中的比例决定；当转子上下运动时，上下传感器探头电感随转子位移发生改变，则C端信号受到转子位移调制，其高频正弦波幅度会发生相应改变，即C端载波信号上会叠加低频运动信号，将这个被调制信号输送给后续专门电路进行解调，分离出低频运动信号，即可获得转子位移信息。

如图2所示，生成与激励正弦波信号同步的采样方波，令方波上升沿出现在正弦波峰顶处，在方波的上升沿处，对C点模拟信号进行采样，可以获得调制波波形，实现位移信号同步解调。

由于电磁轴承开关功放引入干扰，实际波形不是图2所示干净的正弦波，上边往往叠加干扰脉冲，如图3。因为开关功放开关过程持续时间很短，此干扰脉冲持续时间不长。干扰脉冲与正弦波的相对位置会随时间发生变化，且可能在任何相位出现。当其出现在正弦波的波峰处，即采样点处，采集到的电压峰值将混入干扰脉冲电压，则位移信号受到干扰。

鉴于此，为了提高位移传感器性能，需要发展新的解调方法，抑制功放开关噪声干扰。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的一个目的在于提出一种位移传感器解调方法，该方法增强了传感器抗干扰能力，提升磁轴承性能。

本发明的另一个目的在于提出一种位移传感器解调系统。

为达到上述目的，本发明一方面提出了位移传感器解调方法，包括以下步骤：通过多点同步采样方式采集预设数量采样值；采用非线性滤波对所述预设数量采样值进行数据处理，获得可靠位移数据。

本发明实施例的位移传感器解调方法，采用多点同步采样方式，选取正弦波固定相角处的点作为同步采样点，结合非线性滤波对相应同步采样信号进行加权，筛选未受干扰采样点，并对未受干扰采用点进行取平均计算，获取被测转子位移信息，从而实现不改变传感器结构的前提下，剔除电磁轴承电流开关功放引入的脉冲电压干扰信号，增强传感器抗干扰能力。

另外，根据本发明上述实施例的位移传感器解调方法还可以具有以下附加的技术特征：

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述通过多点同步采样方式采集预设数量采样值进一步包括：利用多点同步采样将同步采样脉冲按照预设周期进行采集，获得所述预设数量采集值，其中，所述预设数量采集值分布在正弦波载波的预设角度处。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述采用非线性滤波对所述预设数量采样值进行数据处理进一步包括：将所述预设数量采样值进行加权处理，得到加权采样值；按照预设排列方式对所述加权采样值进行排序，获得排序后的加权采样值；剔除所述排序后的加权采样值中的异常数据，得到余值采样值；按照取平均方法对所述余值采样值进行计算，得到所述可靠位移数据。

可选地，在本发明的一个实施例中，所述预设排列方式为升序排列或降序排列。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述异常数据为所述排序后的加权采样值的头部数据和尾部数据。

为达到上述目的，本发明另一方面提出了一种位移传感器解调系统，包括：采集模块用于通过多点同步采样方式采集预设数量采样值；数据处理模块用于采用非线性滤波对所述预设数量采样值进行数据处理，获得可靠位移数据。

本发明实施例的位移传感器解调系统，采用多点同步采样方式，选取正弦波固定相角处的点作为同步采样点，结合非线性滤波对相应同步采样信号进行加权，筛选未受干扰采样点，并对未受干扰采用点进行取平均计算，获取被测转子位移信息，从而实现不改变传感器结构的前提下，剔除电磁轴承电流开关功放引入的脉冲电压干扰信号，增强传感器抗干扰能力。

另外，根据本发明上述实施例的位移传感器解调系统还可以具有以下附加的技术特征：

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述采集模块进一步用于：利用多点同步采样方式将同步采样脉冲按照预设周期进行采集，获得所述预设数量采集值，其中，所述预设数量采集值分布在正弦波载波的预设角度处。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述数据处理模块进一步包括：加权单元，用于将所述预设数量采样值进行加权处理，得到加权采样值；排序单元，用于按照预设排列方式对所述加权采样值进行排序，获得排序后的加权采样值；剔除单元，用于剔除所述排序后的加权采样值中的异常数据，得到余值采样值；计算单元，用于按照取平均方法对所述余值采样值进行计算，得到所述可靠位移数据。

可选地，在本发明的一个实施例中，所述预设排列方式为升序排列或降序排列。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述异常数据为所述排序后的加权采样值的头部数据和尾部数据。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为电感位移传感器工作原理图；

图2为同步采样实现信号解调示意图；

图3为被开关功放干扰的信号示意图；

图4为本发明一个实施例的位移传感器解调方法流程图；

图5为本发明一个实施例的多点同步采样示意图；

图6为本发明一个实施例的位移传感器解调系统结构示意图；

图7为本发明一个实施例的数据处理模块的结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参照附图描述根据本发明实施例提出的位移传感器解调方法及系统，首先将参照附图描述根据本发明实施例提出的位移传感器解调方法。

图4是本发明一个实施例的位移传感器解调方法流程图。

如图4所示，该位移传感器解调方法包括以下步骤：

在步骤S101中，通过多点同步采样采集预设数量采样值。

如图3所示，参考脉冲出现有一定随机性，其持续时间很短。由于信号解调使用的是同步解调方式，偶发性的干扰脉冲其实对位移测量影响很小，它们造成的波动将被解调环节的后续低通滤波环节滤除。有影响的干扰脉冲，其出现周期与正弦周期往往接近(出现周期与正弦周期的整数倍接近的信号，借助同步解调后的滤波环节一样可以被滤除，因此也没有大的影响)。

当开关功放采用固定电流采样周期的数字控制方式工作时，两个相邻干扰脉冲之间，有一定的时间间距，尤其当功放工作周期与位移传感器激励正弦波周期接近时。

脉冲的持续时间短，同时时间间隔往往超过四分之一个正弦周期(甚至超过一个正弦周期)，这就为采取措施抑制干扰提供了基础。针对磁轴承传感器中的这种开关噪声干扰，本发明实施例专门设计了多点同步采样方式。

也就是说，利用多点同步采样将同步采样脉冲按照预设周期进行采集，获得预设数量采集值，其中，预设数量采集值分布在正弦波载波的预设角度处。

举例而言，如图5所示，将同步采样脉冲由每周期采集一次，变为每周期采集5个，并且这5个采集点要分布在正弦波载波的45度、77.5度、90度、112.5度、135度处。相应的采样时钟上升沿如图5中竖线所示。则对峰值为1的正弦波而言，所得的5个采样值分别为k₁＝sin(1/4*pi)、k₂＝sin(3/8*pi)、k₃＝sin(pi/2)、k₄＝sin(pi*5/8)、k₅＝sin(pi*3/4)(pi为圆周率)。

在步骤S102中，采用非线性滤波对预设数量采样值进行数据处理，获得可靠位移数据。

具体而言，将预设数量采样值进行加权处理，得到加权采样值；按照预设排列方式对加权采样值进行排序，获得排序后的加权采样值；剔除排序后的加权采样值中的异常数据，得到余值采样值；按照取平均方法对余值采样值进行计算，得到可靠位移数据。

其中，预设排列方式可以为升序排列或降序排列。异常数据为排序后的加权采样值的头部数据和尾部数据。

结合上述例子，当正弦波峰值随位移改变时，由于位移运动频率远小于正弦载波频率，在不受开关噪声干扰情况下，5个采样值假定分别为a₁、a₂、a₃、a₄、a₅，则加权值a₁/k₁、a₂/k₂、a₃/k₁、a₄/k₂、a₅/k₅近似相等。当开关噪声对应的干扰脉冲在正弦波各个相位上移动，影响到5个采样点中的某一个时，这个采样点的数值将出现异常。假定受影响的是第j个点，则a_j/k_j数值将明显区别于其余的四个比值——或者明显大，或者明显小。

这时，可通过非线性滤波将异常值滤除，同时将余下的3个数值进行平均处理，获得可靠的位移值。

采用非线性滤波对5个采样值进行处理，如下：

1)对a₁/k₁、a₂/k₂、a₃/k₁、a₄/k₂、a₅/k₅进行排序，从小到大分别定义为b₁、b₂、b₃、b₄、b₅；

2)异常值只能处于b₁与b₅中，将b₁与b₅剔除；

3)对b₂、b₃、b₄取均值，获得这个正弦周期对应的可靠位移数据。

也可以采集更多的点，并应用非线性滤波剔除异常值。比如每22.5度相位取一个点，整个周期取16个点，依照上述方法，将加权后的数值进行排列，剔除头部与尾部数据，在余下的数值中按照取平均的方法获得可靠位移数据。还可以在剔除异常值后，仅取余下数值中，绝对值大的3个(或更多)数进行平均，作为可靠位移数据，以保证采样数值精度。

根据本发明实施例提出的位移传感器解调方法，采用多点同步采样方式，选取正弦波固定相角处的点作为同步采样点，结合非线性滤波对相应同步采样信号进行加权，筛选未受干扰采样点，并对未受干扰采用点进行取平均计算，获取被测转子位移信息，从而实现不改变传感器结构的前提下，剔除电磁轴承电流开关功放引入的脉冲电压干扰信号，增强传感器抗干扰能力。

其次参照附图描述根据本发明实施例提出的位移传感器解调系统。

图6是本发明一个实施例的位移传感器解调系统结构示意图。

如图6所示，该位移传感器解调系统10包括：采集模块100和数据处理模块200。

其中，采集模块100用于通过多点同步采样方式采集预设数量采样值。数据处理模块200用于采用非线性滤波对预设数量采样值进行数据处理，获得可靠位移数据。本发明实施例的解调系统10有效剔除电磁轴承电流开关功放引入的脉冲电压干扰信号，增强了传感器抗干扰能力，提升了磁轴承系统性能。

进一步地，在本发明的一个实施例中，采集模块进一步用于：利用多点同步采样方式将同步采样脉冲按照预设周期进行采集，获得预设数量采集值，其中，预设数量采集值分布在正弦波载波的预设角度处。

进一步地，在本发明的一个实施例中，如图7所示，数据处理模块200进一步包括：加权单元201用于将预设数量采样值进行加权处理，得到加权采样值。排序单元202用于按照预设排列方式对加权采样值进行排序，获得排序后的加权采样值。剔除单元203用于剔除排序后的加权采样值中的异常数据，得到余值采样值。计算单元204用于按照取平均方法对余值采样值进行计算，得到可靠位移数据。

可选地，在本发明的一个实施例中，预设排列方式可以为升序排列或降序排列。

进一步地，在本发明的一个实施例中，异常数据为排序后的加权采样值的头部数据和尾部数据。

需要说明的是，前述对位移传感器解调方法实施例的解释说明也适用于该系统，此处不再赘述。

根据本发明实施例提出的位移传感器解调系统，采用多点同步采样方式，选取正弦波固定相角处的点作为同步采样点，结合非线性滤波对相应同步采样信号进行加权，筛选未受干扰采样点，并对未受干扰采用点进行取平均计算，获取被测转子位移信息，从而实现不改变传感器结构的前提下，剔除电磁轴承电流开关功放引入的脉冲电压干扰信号，增强传感器抗干扰能力。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种位移传感器解调方法，其特征在于，包括以下步骤：

通过多点同步采样方式采集预设数量采样值；

采用非线性滤波对所述预设数量采样值进行数据处理，获得可靠位移数据。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述通过多点同步采样采集预设数量采样值进一步包括：

利用多点同步采样方式将同步采样脉冲按照预设周期进行采集，获得所述预设数量采集值，其中，所述预设数量采集值分布在正弦波载波的预设角度处。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述采用非线性滤波对所述预设数量采样值进行数据处理进一步包括：

将所述预设数量采样值进行加权处理，得到加权采样值；

按照预设排列方式对所述加权采样值进行排序，获得排序后的加权采样值；

剔除所述排序后的加权采样值中的异常数据，得到余值采样值；

按照取平均方法对所述余值采样值进行计算，得到所述可靠位移数据。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述预设排列方式为升序排列或降序排列。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述异常数据为所述排序后的加权采样值的头部数据和尾部数据。

6.一种位移传感器解调系统，其特征在于，包括：

采集模块，用于通过多点同步采样方式采集预设数量采样值；

数据处理模块，用于采用非线性滤波对所述预设数量采样值进行数据处理，获得可靠位移数据。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述采集模块进一步用于：

利用多点同步采样方式将同步采样脉冲按照预设周期进行采集，获得所述预设数量采集值，其中，所述预设数量采集值分布在正弦波载波的预设角度处。

8.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述数据处理模块进一步包括：

加权单元，用于将所述预设数量采样值进行加权处理，得到加权采样值；

排序单元，用于按照预设排列方式对所述加权采样值进行排序，获得排序后的加权采样值；

剔除单元，用于剔除所述排序后的加权采样值中的异常数据，得到余值采样值；

计算单元，用于按照取平均方法对所述余值采样值进行计算，得到所述可靠位移数据。

9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述预设排列方式为升序排列或降序排列。

10.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述异常数据为所述排序后的加权采样值的头部数据和尾部数据。