CN110501516B - 用于超高速直线电机的组合测速系统和方法 - Google Patents

用于超高速直线电机的组合测速系统和方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及电磁发射技术领域，公开了一种用于超高速直线电机的组合测速系统和方法。该系统包括：第一检测装置用于检测电机的动子的位置，输出表示电机的动子位置的电压信号；第二检测装置用于检测电机的动子的位置，输出表示电机的动子位置的一组脉冲信号；控制器用于根据当前时刻的电压信号和上一时刻的电压信号计算电机的第一速度，根据一组脉冲信号中预定时间间隔内上升沿的数量或下降沿的数量计算电机的第二速度，根据当前时刻的第二速度和上一时刻的第二速度计算下一时刻的第二速度；滤波器用于对第一速度和下一时刻的第二速度进行滤波确定超高速直线电机的速度。由此，可实现全速域内超高速直线电机速度的高精度快速测量。

Description

用于超高速直线电机的组合测速系统和方法
技术领域
本发明涉及电磁发射技术领域，尤其涉及一种用于超高速直线电机的组合测速系统和方法。
背景技术
磁悬浮与电磁发射技术是指利用磁悬浮技术与轨道脱离接触消除摩擦阻力和振动，利用电磁推进技术提供强大加速能力替代化学燃料等消耗性和高污染性资源。磁悬浮与电磁推进技术主要依靠电力和磁力作为驱动力，具有可重复使用、绿色环保、灵活可调、低成本等优点，是第三次能源革命的典型代表，符合技术发展和时代发展的潮流。磁悬浮与电磁推进技术一般采用直线电机作为执行机构。测速与定位在该系统中至关重要，其不仅关系着直线电机动子推进电角度的识别，参与速度闭环控制，还与分段切换供电导通时序、整个发射系统安全性等诸多环节息息相关。在高速电磁发射的大背景下，对测速定位系统提供的动子位置和速度信息的准确性、实时性和可靠性提出了更高的要求。
传统的直线电机速度与位置测量均采用激光、光栅尺或者磁栅尺，但是这种方法不适合长距离电磁发射领域。在磁悬浮交通领域，主要测速方法有：基于无线扩频定位的微波测速、基于直线同步电机定子齿槽的“极距检测+信标”测速、基于交叉感应回线测速的电磁感应测速方法等。
然而，基于无线扩频定位的微波测速方法由于微波会受云雨雾等环境干扰以及传输延时等问题，而且高大建筑物或山体也会阻挡电磁波的传播，使得不适合电磁发射应用场合。
基于直线同步电机定子齿槽的“极距检测+信标”测速方法依赖于直线同步电机的定子铁芯齿槽效应，而电磁发射领域由于速度达到了超声速，采用了无铁芯定子绕组形式，齿槽效应已经不复存在。
基于交叉感应回线测速的电磁感应测速方法需要速度从橇车回传到地面，无线传输的延时影响测速的响应，不适合超高速场合。
由此可见，现有这些方法仅适用于加速度较慢的交通领域，不太适于加速度极快的电磁发射领域。因此，需要一种能够对超高速直线电机进行组合测速的方法。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术不足，提供了一种用于超高速直线电机的组合测速系统和方法，能够解决上述现有技术中无法对超高速直线电机进行组合测速的问题。
本发明的技术解决方案：一种用于超高速直线电机的组合测速系统，其中，该系统包括第一检测装置、第二检测装置、控制器和滤波器，所述第一检测装置和所述第二检测装置沿超高速直线电机的定子并排布置，其中：
所述第一检测装置用于检测超高速直线电机的动子的位置，并输出表示超高速直线电机的动子的位置的电压信号；
所述第二检测装置用于检测超高速直线电机的动子的位置，并输出表示超高速直线电机的动子的位置的一组脉冲信号；
所述控制器用于接收所述电压信号和所述一组脉冲信号，根据当前时刻的电压信号和上一时刻的电压信号计算超高速直线电机的第一速度，根据所述一组脉冲信号中预定时间间隔内上升沿的数量或下降沿的数量计算超高速直线电机的第二速度，并根据当前时刻的第二速度和上一时刻的第二速度计算下一时刻的第二速度；
所述滤波器用于对所述第一速度和下一时刻的第二速度进行滤波确定超高速直线电机的速度。
优选地，所述控制器根据当前时刻的电压信号和上一时刻的电压信号计算超高速直线电机的第一速度包括：
根据当前时刻的电压信号和上一时刻的电压信号分别计算当前时刻的磁场强度值和上一时刻的磁场强度值；
根据当前时刻的磁场强度值和上一时刻的磁场强度值分别确定当前时刻动子的位置和上一时刻动子的位置；
根据当前时刻动子的位置和上一时刻动子的位置以及当前时刻与上一时刻之间的时间间隔计算超高速直线电机的第一速度。
优选地，所述控制器根据所述一组脉冲信号中上升沿的数量和下降沿的数量计算超高速直线电机的第二速度包括：
Figure BDA0001661793180000031
其中，n表示第二速度，m1为上升沿或下降沿的数量，fc为脉冲频率。
优选地，所述滤波器通过下述等式对所述第一速度和下一时刻的第二速度进行滤波确定超高速直线电机的速度：
Figure BDA0001661793180000032
其中，n0表示超高速直线电机的速度，TS表示滤波器截止频率，
Figure BDA0001661793180000033
表示第一速度，
Figure BDA0001661793180000034
表示下一时刻的第二速度。
优选地，所述控制器包括数模转换器，用于对接收的所述电压信号进行模数转换。
优选地，所述第一检测装置为线性霍尔传感器，所述第二检测装置为磁接近开关。
本发明还提供了一种用于超高速直线电机的组合测速方法，其中，该方法包括：
利用第一检测装置检测超高速直线电机的动子的位置，并输出表示超高速直线电机的动子的位置的电压信号；
利用第二检测装置检测超高速直线电机的动子的位置，并输出表示超高速直线电机的动子的位置的一组脉冲信号，所述第一检测装置和所述第二检测装置沿超高速直线电机的定子并排布置；
利用控制器接收所述电压信号和所述一组脉冲信号，根据当前时刻的电压信号和上一时刻的电压信号计算超高速直线电机的第一速度，根据所述一组脉冲信号中预定时间间隔内上升沿的数量或下降沿的数量计算超高速直线电机的第二速度，并根据当前时刻的第二速度和上一时刻的第二速度计算下一时刻的第二速度；
利用滤波器对所述第一速度和下一时刻的第二速度进行滤波确定超高速直线电机的速度。
优选地，根据当前时刻的电压信号和上一时刻的电压信号计算超高速直线电机的第一速度包括：
根据当前时刻的电压信号和上一时刻的电压信号分别计算当前时刻的磁场强度值和上一时刻的磁场强度值；
根据当前时刻的磁场强度值和上一时刻的磁场强度值分别确定当前时刻动子的位置和上一时刻动子的位置；
根据当前时刻动子的位置和上一时刻动子的位置以及当前时刻与上一时刻之间的时间间隔计算超高速直线电机的第一速度。
优选地，根据所述一组脉冲信号中上升沿的数量和下降沿的数量计算超高速直线电机的第二速度包括：
Figure BDA0001661793180000041
其中，n表示第二速度，m1为上升沿或下降沿的数量，fc为脉冲频率。
优选地，通过下述等式对所述第一速度和下一时刻的第二速度进行滤波确定超高速直线电机的速度：
Figure BDA0001661793180000042
其中，n0表示超高速直线电机的速度，TS表示滤波器截止频率，
Figure BDA0001661793180000043
表示第一速度，
Figure BDA0001661793180000051
表示下一时刻的第二速度。
通过上述技术方案，可以利用互不相同的第一检测装置和第二检测装置分别对超高速直线电机的动子的位置进行检测，分别输出电压信号和一组脉冲信号，进而可以根据电压信号和一组脉冲信号分别计算第一速度和第二速度以及下一时刻的第二速度，并可以通过对第一速度和下一时刻的第二速度进行滤波确定超高速直线电机的速度。由此，通过将两种测速方式进行融合，可以实现全速域内超高速直线电机的速度的高精度、快速测量。
附图说明
所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施例，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种用于超高速直线电机的组合测速系统的方框图；以及
图2为本发明实施例提供的一种用于超高速直线电机的组合测速方法的流程图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的具体实施例进行详细说明。在下面的描述中，出于解释而非限制性的目的，阐述了具体细节，以帮助全面地理解本发明。然而，对本领域技术人员来说显而易见的是，也可以在脱离了这些具体细节的其它实施例中实践本发明。
在此需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的设备结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
图1为本发明实施例提供的一种用于超高速直线电机的组合测速系统的方框图。
如图1所示，本发明实施例提供了一种用于超高速直线电机的组合测速系统，其中，该系统包括第一检测装置10、第二检测装置12、控制器14和滤波器16，所述第一检测装置10和所述第二检测装置12沿超高速直线电机的定子并排布置，其中：
所述第一检测装置10用于检测超高速直线电机的动子的位置，并输出表示超高速直线电机的动子的位置的电压信号；
所述第二检测装置12用于检测超高速直线电机的动子的位置，并输出表示超高速直线电机的动子的位置的一组脉冲信号；
所述控制器14用于接收所述电压信号和所述一组脉冲信号，根据当前时刻的电压信号和上一时刻的电压信号计算超高速直线电机的第一速度，根据所述一组脉冲信号中预定时间间隔内上升沿的数量或下降沿的数量计算超高速直线电机的第二速度，并根据当前时刻的第二速度和上一时刻的第二速度计算下一时刻的第二速度；
也就是，可以根据当前时刻的第二速度和对应加速度(当前时刻的第二速度和上一时刻的第二速度之差)计算下一时刻的第二速度。
所述滤波器16用于对所述第一速度和下一时刻的第二速度进行滤波确定超高速直线电机的速度。
通过上述技术方案，可以利用互不相同的第一检测装置和第二检测装置分别对超高速直线电机的动子的位置进行检测，分别输出电压信号和一组脉冲信号，进而可以根据电压信号和一组脉冲信号分别计算第一速度和第二速度以及下一时刻的第二速度，并可以通过对第一速度和下一时刻的第二速度进行滤波确定超高速直线电机的速度。由此，通过将两种测速方式进行融合，可以实现全速域内超高速直线电机的速度的高精度、快速测量(即，可以确保在高加速度和超高速条件下的测量速度的可靠性、精度)。
其中，滤波器16例如可以包括高通滤波器和低通滤波器；控制器14例如可以为数字信号处理器(DSP)。
根据本发明一种实施例，所述控制器14根据当前时刻的电压信号和上一时刻的电压信号计算超高速直线电机的第一速度可以包括：
根据当前时刻的电压信号和上一时刻的电压信号分别计算当前时刻的磁场强度值和上一时刻的磁场强度值；
根据当前时刻的磁场强度值和上一时刻的磁场强度值分别确定当前时刻动子的位置和上一时刻动子的位置；
根据当前时刻动子的位置和上一时刻动子的位置以及当前时刻与上一时刻之间的时间间隔计算超高速直线电机的第一速度。
根据本发明一种实施例，所述控制器14根据所述一组脉冲信号中上升沿的数量和下降沿的数量计算超高速直线电机的第二速度可以包括：
Figure BDA0001661793180000071
其中，n表示第二速度，m1为上升沿或下降沿的数量，fc为脉冲频率。
根据本发明一种实施例，所述滤波器16可以通过下述等式对所述第一速度和下一时刻的第二速度进行滤波确定超高速直线电机的速度：
Figure BDA0001661793180000072
其中，n0表示超高速直线电机的速度，TS表示滤波器截止频率，
Figure BDA0001661793180000073
表示第一速度，
Figure BDA0001661793180000074
表示下一时刻的第二速度。
根据本发明一种实施例，所述控制器14包括数模转换器，用于对接收的所述电压信号进行模数转换(例如，将电压值转化为数字量)。
其中，数模转换器可以采用定时(10kHz)采集方式。
根据本发明一种实施例，所述第一检测装置10为线性霍尔传感器(线性霍尔传感器)，所述第二检测装置12为磁接近开关。
举例来讲，可以通过在数字信号处理器中设置脉冲计数器来捕获输入信号(例如，磁接近开关输出的一组脉冲信号，当磁体经过磁接近开关时，磁接近开关会输出高电平；当离开接近开关时，磁接近开关会输出低电平)的上升沿或下降沿，且采用中断触发方式。
并且，可以在数字信号处理器中设置定时器，通过定时器的中断来实现线性霍尔传感器采样数据的间隔时间。例如，在初始化过程中，定义定时器的中断时间正好与采样间隔时间相同，每次定时器中断发生时，启动一次线性霍尔传感器采样程序，采集到数据后进行后续计算过程。
在本发明实施例中，可以将线性霍尔传感器和磁接近开关沿着超高速直线电机的定子并排布置；并利用数字信号处理器(DSP)接收线性霍尔传感器和磁接近开关的反馈信号，经过数字处理、融合，从而得到超高速直线电机运行速度。
对于线性霍尔传感器测速，举例来讲，可以根据空间磁场强度与线性霍尔传感器的比例关系，计算出当前磁场强度值，确定磁场位置。并通过前后两次磁体位置信息之差，再除以时间，可以转换为运行速度。
举例来讲，由于基于磁接近开关计算的速度依赖于前后两个上升沿(或两个下降沿)，但是超高速直线电机在低速运行时，脉冲数较少，计算速度的频次较少，精度和更新率较差，而在高速运行时，脉冲数较多，计算速度频次较高，精度以及更新率较高。因此，基于磁接近开关的测速方式适合于超高速工况下的测速。而线性霍尔传感器的测速方式由于采用模拟方法，在全速域范围内均可以使用，在超高速段时的采样频率高一些。
通过采用滤波器进行滤波，在高速时基于磁接近开关的测速方法起作用，通过低通滤波器将线性霍尔传感器的测速观测值滤掉；在低速时使得线性霍尔传感器的测速方法起作用，通过高通滤波器将基于磁接近开关器的测速观测值滤掉。
图2为本发明实施例提供的一种用于超高速直线电机的组合测速方法的流程图。
如图2所示，本发明实施例提供了一种用于超高速直线电机的组合测速方法，其中，该方法可以包括：
S200，利用第一检测装置检测超高速直线电机的动子的位置，并输出表示超高速直线电机的动子的位置的电压信号；
S202，利用第二检测装置检测超高速直线电机的动子的位置，并输出表示超高速直线电机的动子的位置的一组脉冲信号，所述第一检测装置和所述第二检测装置沿超高速直线电机的定子并排布置；
S204，利用控制器接收所述电压信号和所述一组脉冲信号，根据当前时刻的电压信号和上一时刻的电压信号计算超高速直线电机的第一速度，根据所述一组脉冲信号中预定时间间隔内上升沿的数量或下降沿的数量计算超高速直线电机的第二速度，并根据当前时刻的第二速度和上一时刻的第二速度计算下一时刻的第二速度；
S206，利用滤波器对所述第一速度和下一时刻的第二速度进行滤波确定超高速直线电机的速度。
通过上述技术方案，可以利用互不相同的第一检测装置和第二检测装置分别对超高速直线电机的动子的位置进行检测，分别输出电压信号和一组脉冲信号，进而可以根据电压信号和一组脉冲信号分别计算第一速度和第二速度以及下一时刻的第二速度，并可以通过对第一速度和下一时刻的第二速度进行滤波确定超高速直线电机的速度。由此，通过将两种测速方式进行融合，可以实现全速域内超高速直线电机的速度的高精度、快速测量。
根据本发明一种实施例，S204中根据当前时刻的电压信号和上一时刻的电压信号计算超高速直线电机的第一速度可以包括：
根据当前时刻的电压信号和上一时刻的电压信号分别计算当前时刻的磁场强度值和上一时刻的磁场强度值；
根据当前时刻的磁场强度值和上一时刻的磁场强度值分别确定当前时刻动子的位置和上一时刻动子的位置；
根据当前时刻动子的位置和上一时刻动子的位置以及当前时刻与上一时刻之间的时间间隔计算超高速直线电机的第一速度。
根据本发明一种实施例，S204中根据所述一组脉冲信号中上升沿的数量和下降沿的数量计算超高速直线电机的第二速度可以包括：
Figure BDA0001661793180000101
其中，n表示第二速度，m1为上升沿或下降沿的数量，fc为脉冲频率。
根据本发明一种实施例，可以通过下述等式对所述第一速度和下一时刻的第二速度进行滤波确定超高速直线电机的速度：
Figure BDA0001661793180000102
其中，n0表示超高速直线电机的速度，TS表示滤波器截止频率，
Figure BDA0001661793180000103
表示第一速度，
Figure BDA0001661793180000104
表示下一时刻的第二速度。
上述图2描述的方法与前述图1描述的系统相对应，具体示例说明可以参见前述关于图1描述的系统的说明，在此不再赘述。
如上针对一种实施例描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施例中使用，和/或与其它实施例中的特征相结合或替代其它实施例中的特征使用。
应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、整件、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、整件、步骤、组件或其组合的存在或附加。
本发明以上的系统和方法可以由硬件实现，也可以由硬件结合软件实现。本发明涉及这样的计算机可读程序，当该程序被逻辑部件所执行时，能够使该逻辑部件实现上文所述的装置或构成部件，或使该逻辑部件实现上文所述的各种方法或步骤。本发明还涉及用于存储以上程序的存储介质，如硬盘、磁盘、光盘、DVD、flash存储器等。
这些实施例的许多特征和优点根据该详细描述是清楚的，因此所附权利要求旨在覆盖这些实施例的落入其真实精神和范围内的所有这些特征和优点。此外，由于本领域的技术人员容易想到很多修改和改变，因此不是要将本发明的实施例限于所例示和描述的精确结构和操作，而是可以涵盖落入其范围内的所有合适修改和等同物。
本发明未详细说明部分为本领域技术人员公知技术。

Claims (8)

1.一种用于超高速直线电机的组合测速系统，其特征在于，该系统包括第一检测装置、第二检测装置、控制器和滤波器，所述第一检测装置和所述第二检测装置沿超高速直线电机的定子并排布置，其中：
所述第一检测装置用于检测超高速直线电机的动子的位置，并输出表示超高速直线电机的动子的位置的电压信号；
所述第二检测装置用于检测超高速直线电机的动子的位置，并输出表示超高速直线电机的动子的位置的一组脉冲信号；
所述控制器用于接收所述电压信号和所述一组脉冲信号，根据当前时刻的电压信号和上一时刻的电压信号计算超高速直线电机的第一速度，根据所述一组脉冲信号中预定时间间隔内上升沿的数量或下降沿的数量计算超高速直线电机的第二速度，并根据当前时刻的第二速度和上一时刻的第二速度计算下一时刻的第二速度；
所述滤波器用于对所述第一速度和下一时刻的第二速度进行滤波确定超高速直线电机的速度；
其中，所述控制器根据当前时刻的电压信号和上一时刻的电压信号计算超高速直线电机的第一速度包括：
根据当前时刻的电压信号和上一时刻的电压信号分别计算当前时刻的磁场强度值和上一时刻的磁场强度值；
根据当前时刻的磁场强度值和上一时刻的磁场强度值分别确定当前时刻动子的位置和上一时刻动子的位置；
根据当前时刻动子的位置和上一时刻动子的位置以及当前时刻与上一时刻之间的时间间隔计算超高速直线电机的第一速度。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述控制器根据所述一组脉冲信号中上升沿的数量和下降沿的数量计算超高速直线电机的第二速度包括：
Figure FDA0003259139760000021
其中，n表示第二速度，m1为上升沿或下降沿的数量，fc为脉冲频率。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述滤波器通过下述等式对所述第一速度和下一时刻的第二速度进行滤波确定超高速直线电机的速度：
Figure FDA0003259139760000022
其中，n0表示超高速直线电机的速度，TS表示滤波器截止频率，
Figure FDA0003259139760000023
表示第一速度，
Figure FDA0003259139760000024
表示下一时刻的第二速度。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的系统，其特征在于，所述控制器包括数模转换器，用于对接收的所述电压信号进行模数转换。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述第一检测装置为线性霍尔传感器，所述第二检测装置为磁接近开关。
6.一种用于超高速直线电机的组合测速方法，其特征在于，该方法包括：
利用第一检测装置检测超高速直线电机的动子的位置，并输出表示超高速直线电机的动子的位置的电压信号；
利用第二检测装置检测超高速直线电机的动子的位置，并输出表示超高速直线电机的动子的位置的一组脉冲信号，所述第一检测装置和所述第二检测装置沿超高速直线电机的定子并排布置；
利用控制器接收所述电压信号和所述一组脉冲信号，根据当前时刻的电压信号和上一时刻的电压信号计算超高速直线电机的第一速度，根据所述一组脉冲信号中预定时间间隔内上升沿的数量或下降沿的数量计算超高速直线电机的第二速度，并根据当前时刻的第二速度和上一时刻的第二速度计算下一时刻的第二速度；
利用滤波器对所述第一速度和下一时刻的第二速度进行滤波确定超高速直线电机的速度；
其中，根据当前时刻的电压信号和上一时刻的电压信号计算超高速直线电机的第一速度包括：
根据当前时刻的电压信号和上一时刻的电压信号分别计算当前时刻的磁场强度值和上一时刻的磁场强度值；
根据当前时刻的磁场强度值和上一时刻的磁场强度值分别确定当前时刻动子的位置和上一时刻动子的位置；
根据当前时刻动子的位置和上一时刻动子的位置以及当前时刻与上一时刻之间的时间间隔计算超高速直线电机的第一速度。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，根据所述一组脉冲信号中上升沿的数量和下降沿的数量计算超高速直线电机的第二速度包括：
Figure FDA0003259139760000041
其中，n表示第二速度，m1为上升沿或下降沿的数量，fc为脉冲频率。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，通过下述等式对所述第一速度和下一时刻的第二速度进行滤波确定超高速直线电机的速度：
Figure FDA0003259139760000042
其中，n0表示超高速直线电机的速度，TS表示滤波器截止频率，
Figure FDA0003259139760000043
表示第一速度，
Figure FDA0003259139760000044
表示下一时刻的第二速度。
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