CN113659876A - 一种驱动组件和磁悬浮设备 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种驱动组件和磁悬浮设备，所述驱动组件包括直流输入单元、开关电路、电磁线圈、检测单元和数字控制器。由此，通过直流输入单元输出直流电压，经开关电路对直流电压进行处理确定工作电压，使得电磁线圈在工作电压下产生磁场，并驱动磁悬浮组件工作。当磁悬浮组件位置发生变化时，检测单元检测磁悬浮组件的位置变化状态，并根据位置变化状态输出检测信号，再通过数字控制器根据检测信号确定控制信号，以驱动开关电路调整工作电压，进而调整磁悬浮组件工作条件的磁场强度，使磁悬浮组件工作在新的稳定状态，提高磁悬浮电子设备的使用性能。

Description

一种驱动组件和磁悬浮设备

技术领域

本发明涉及磁悬浮技术领域，具体涉及一种驱动组件和磁悬浮设备。

背景技术

磁悬浮技术又称EML技术(electromagnetic levitation)或EMS技术(electromagnetic suspension)，是一种利用磁力克服重力使物体悬浮的一种技术。

随着磁悬浮技术的发展和成熟，越来越多的磁悬浮电子设备出现在日常生活中，但磁悬浮电子设备中的悬浮部件只能处于特定的位置下才能稳定使用，当悬浮部件被人为移动后，原有的磁力无法继续维持悬浮部件的稳定工作状态，使用性能仍有待提高。

发明内容

有鉴于此,本发明实施例提供一种驱动组件和磁悬浮设备，以提高磁悬浮电子设备的使用性能。

第一方面，本发明实施例提供一种驱动组件，所述驱动组件包括：

直流输入单元，用于输出直流电压；

开关电路，连接所述直流输入单元，用于对所述直流电压进行处理，以确定工作电压；

电磁线圈，连接所述开关电路，用于在所述工作电压下产生磁场，以驱动磁悬浮组件工作；

检测单元，用于检测所述磁悬浮组件的位置变化状态，并根据所述位置变化状态输出检测信号；

数字控制器，连接所述检测单元和开关电路，用于根据所述检测信号确定控制信号，所述控制信号用于驱动所述开关电路调整所述工作电压。

进一步地，所述控制信号为脉冲宽度控制信号。

进一步地，所述控制信号为连续输出的脉冲宽度控制信号。

进一步地，所述开关电路采用半桥式电路和全桥式电路。

进一步地，所述开关电路包括第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管；

其中，所述第二开关管的第一端与第一开关管的第一端连接，所述第二开关管的第二端与第三开关管的第一端连接，所述第三开关管的第二端与第四开关管的第二端连接，所述第四开关管的第一端与第一开关管的第二端连接；

所述直流输入单元连接在所述第一开关管的第一端与第四开关管的第二端之间；

所述电磁线圈连接在所述第一开关管的第二端与第二开关管的第二端之间；

所述数字控制器分别与第一开关管的第三端、第二开关管的第三端、第三开关管的第三端以及第四开关管的第三端连接。

进一步地，所述第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管采用MOS管。

进一步地，所述检测单元采用霍尔传感器。

进一步地，所述检测单元具体用于检测所述磁悬浮组件所处磁场的磁场强度，并根据所述磁场强度确定所述磁悬浮组件的位置变化状态。

进一步地，所述第一开关管和第三开关管受控同时导通，所述第二开关管和第四开关管受控同时导通，所述第一开关管和所述第三开关管受控导通时所述第二开关管和第四开关管受控关断。

进一步地，所述控制信号包括第一信号和第二信号，所述第一信号用于控制所述第一开关管和第三开关管，所述第二信号用于控制所述第二开关管和第四开关管。

第二方面，本发明实施例提供一种磁悬浮设备，所述磁悬浮设备包括：

磁悬浮组件，包括永磁体和悬浮部件；以及

如上任一项所述的驱动组件，用于驱动所述磁悬浮组件，以使得所述悬浮部件处于悬浮状态。

本发明实施例的技术方案通过直流输入单元输出直流电压，经开关电路对直流电压进行处理确定工作电压，使得电磁线圈在工作电压下产生磁场，并驱动磁悬浮组件工作。当磁悬浮组件位置发生变化时，通过检测单元检测磁悬浮组件的位置变化状态，并根据位置变化状态输出检测信号，再通过数字控制器根据检测信号确定控制信号，以驱动开关电路调整工作电压，进而调整磁悬浮组件工作条件的磁场强度，使磁悬浮组件工作在新的稳定状态，提高磁悬浮电子设备的使用性能。同时，由于采用数字控制器和开关电路对电磁线圈的工作电压进行调整，反馈控制环路结构简单，使用灵活，集成度和调整准确度高，且电路整体产生的功率损耗低。

附图说明

通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：

图1是本发明实施例的驱动组件的示意图；

图2是本发明实施例的磁悬浮设备的示意图；

图3是本发明实施例的开关电路的连接示意图；

图4是本发明实施例的电磁线圈工作电压的调整示意图。

图中，1、直流输入单元；2、开关电路；3、电磁线圈；4、检测单元；5、数字控制器；6、磁悬浮组件；61、永磁体；62、悬浮部件。

具体实施方式

以下基于实施例对本发明进行描述，但是本发明并不仅仅限于这些实施例。在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。为了避免混淆本发明的实质，公知的方法、过程、流程、元件和电路并没有详细叙述。

此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。

同时，应当理解，在以下的描述中，“电路”是指由至少一个元件或子电路通过电气连接或电磁连接构成的导电回路。当称元件或电路“连接到”另一元件或称元件/电路“连接在”两个节点之间时，它可以是直接耦接或连接到另一元件或者可以存在中间元件，元件之间的连接可以是物理上的、逻辑上的、或者其结合。相反，当称元件“直接耦接到”或“直接连接到”另一元件时，意味着两者不存在中间元件。

除非上下文明确要求，否则在说明书的“包括”、“包含”等类似词语应当解释为包含的含义而不是排他或穷举的含义；也就是说，是“包括但不限于”的含义。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

图1是本发明实施例的驱动组件的示意图。如图1所示，本实施例的驱动组件包括直流输入单元1、开关电路2、电磁线圈3、检测单元4和数字控制器5。其中，直流输入单元1用于输出直流电压。开关电路2连接直流输入单元1，用于对直流输入单元1输出的直流电压进行处理，以确定工作电压。电磁线圈3连接开关电路2，用于在开关电路2确定的工作电压下产生磁场，以驱动磁悬浮组件6工作。检测单元4用于检测磁悬浮组件6的位置变化状态，并根据磁悬浮组件6的位置变化状态输出检测信号。数字控制器5连接检测单元4和开关电路2，接收检测单元4传输的检测信号，根据检测信号确定控制信号，并将控制信号输出至开关电路2，控制信号用于驱动开关电路2调整输出的工作电压。

使用时，当磁悬浮组件位于初始位置时，直流输入单元输出直流电压，开关电路对直流电压进行处理，使得电磁线圈工作在稳定的工作电压，进而使得磁悬浮组件处于稳定的工作状态。当磁悬浮组件位置偏离初始位置时，检测单元根据磁悬浮组件的位置变化状态输出检测信号，数字控制器根据检测信号确定并输出控制信号至开关电路，使得开关电路输出新的工作电压，进而使得磁悬浮组件能够在新的位置处于新的稳定工作状态，有利于提高磁悬浮电子设备的使用性能，避免位置移动造成的不稳定和使用性能变差的问题。

同时，相比于现有技术中基于模拟控制器和线性电路进行控制的方式，本实施例中由于采用数字控制器和开关电路对电磁线圈的工作电压进行调整，反馈控制环路结构简单，使用灵活，集成度和调整准确度高，且电路整体产生的功率损耗低。

图2是本发明实施例的磁悬浮设备的示意图。如图2所示，本实施例的磁悬浮设备包括磁悬浮组件6和驱动组件。其中，磁悬浮组件6包括永磁体61和悬浮部件62。驱动组件包括直流输入单元1、开关电路2、电磁线圈3、检测单元4和数字控制器5。同时，直流输入单元1、开关电路2、电池线圈、检测单元4和数字控制器5的连接方式在前面已经进行了介绍，此处不再赘述。

下面，以磁悬浮灯使用过程为例进行说明，上述悬浮部件为灯体。其中，灯体可以位于驱动组件下方，也可以位于驱动组件上方，本实施例中并不对此进行限制。在灯体处于稳定位置时，由于电磁线圈中通过有电流，永磁体与电磁线圈中的铁芯之间产生相互吸引的作用力，所述作用力与灯体本身的重力相互抵消，使得灯体能够呈现稳定的悬浮状态。当灯体位置发生移动时，永磁体的位置也发生相应变化，检测单元检测到灯体位置发生偏移并根据灯体的位置变化状态生成检测信号，数字控制器根据检测单元反馈的检测信号输出控制信号，以使得开关电路在控制信号作用下输出与灯体当前位置相对应的工作电压，进而通过工作电压调整通过电磁线圈上的电流大小和方向，进而调整驱动组件对灯体产生的作用力，使灯体处于新的稳定的工作状态。

可选地，本实施例电磁线圈处于当前工作电压可以只用于使得灯体处于平衡状态，以便于提高磁悬浮组件使用过程中的控制精度，进一步提高磁悬浮设备的使用性能。

进一步地，本实施例中的驱动组件中也配置有永磁体。当电磁线圈中没有电流通过时，驱动组件中的永磁体与磁悬浮组件中的永磁体之间产生相互作用力，使得灯体与驱动组件吸附，进而避免灯体在不使用时掉落损坏。

本实施例的技术方案通过直流输入单元、检测单元、数字控制器和开关电路的配合使用，使得磁悬浮设备的磁悬浮组件能够在位置发生变化时由扰动状态快速进入新的稳定的工作状态，避免位置扰动对磁悬浮设备使用的影响，进而提高磁悬浮设备的使用性能。

可选地，本实施例中的检测单元放置于磁悬浮组件工作时所在的磁场中。在磁悬浮组件处于工作状态时，检测单元具体用于检测磁悬浮组件所处磁场的磁场强度，并根据磁悬浮组件所处磁场的磁场强度确定所述磁悬浮组件的位置变化状态，进而根据检测到的位置变化状态调整磁悬浮组件的工作电压。具体地，磁悬浮组件的位置变化状态可以根据磁悬浮组件靠近或远离驱动组件/驱动组件中的电磁线圈进行表征。当磁悬浮组件远离驱动组件时，检测单元检测到磁悬浮组件所处磁场的磁场强度变弱；当磁悬浮组件靠近驱动组件时，检测单元检测到磁悬浮组件所处磁场的磁场强度变强。由此，通过检测单元实现磁悬浮组件的位置变化状态的检测，检测方式简便易行，有利于节省磁悬浮设备的使用成本，扩大使用范围。

进一步地，本实施例中的检测单元采用霍尔传感器。霍尔传感器是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器。霍尔传感器上产生的霍尔电压会随着霍尔传感器所在磁场的磁场强度的变化而变化。磁场强度越强，霍尔传感器输出的霍尔电压越高；磁场强度越低，霍尔传感器输出的霍尔电压越低。由此，通过霍尔传感器检测磁悬浮组件的位置变化状态，并根据磁悬浮组件的具体位置变化状态输出对应的检测信号，以便于后续工作电压的调整。

可选地，本实施例中的开关电路可以采用全桥式电路和半桥式电路。由此，通过采用不同结构的开关电路为电磁线圈产生目标工作电压，进而在磁悬浮组件使用过程中能够及时根据位置变化状态调整工作电压，提高磁悬浮设备的使用性能。同时，通过提供不同形式的开关电路，使开关电路的选择更加灵活，使用更方便。

进一步地，如图3所示，本实施例中的开关电路采用全桥式电路。开关电路包括第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3和第四开关管Q4。其中，第二开关管Q2的第一端与第一开关管Q1的第一端连接，第二开关管Q2的第二端与第三开关管Q3的第一端连接，第三开关管Q3的第二端与第四开关管Q4的第二端连接，第四开关管Q4的第一端与第一开关管Q1的第二端连接。直流输入单元连接在第一开关管Q1的第一端与第四开关管Q4的第二端之间。电磁线圈连接在第一开关管Q1的第二端与第二开关管Q2的第二端之间。数字控制器分别与第一开关管Q1的第三端、第二开关管Q2的第三端、第三开关管Q3的第三端以及第四开关管Q4的第三端连接。

具体地，本实施例中的第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管采用N沟道类型的MOS管,各开关管的第一端为漏极，第二端为源极，第三端为栅极。应理解，本实施例并不对MOS管的沟道类型进行限制，其也可以采用P沟道类型的MOS管。由此，本实施例通过采用MOS管来设计开关电路，降低了损耗。

可选地，本实施例中数字控制器输出的控制信号为脉冲宽度控制信号(也即PWM波信号)。进一步地，本实施例中数字控制器输出的控制信号为连续输出的脉冲宽度控制信号。数字控制器输出连续的脉冲宽度控制信号驱动开关电路，其中，第一开关管和第三开关管受控同时导通，第二开关管和第四开关管受控同时导通。同时，第一开关管和第三开关管受控导通时第二开关管和第四开关管受控关断。

进一步地，本实施例中的控制信号包括第一信号和第二信号。其中，第一信号用于控制第一开关管和第三开关管，第二信号用于控制所述第二开关管和第四开关管。

进一步地，本实施例中的直流输入单元输出12V的直流电压。数字控制器输出的第一控制信号直接作用于第一开关管Q1的第三端和第三开关管Q3的第三端(也即栅极)，数字控制器输出的第二控制信号直接作用于第二开关管Q2的第三端和第四开关管Q4的第三端(也即栅极)。由此，本实施例通过数字控制器输出的第一控制信号控制第一开关管和第三开关管的导通和关断时间，通过数字控制器输出的第二控制信号合理控制第二开关管和第四开关管的导通和关断时间，进而通过第一开关管和第三开关管(或者第二开关管或第四开关管)的导通和关断状态中的能量变化调整通过电磁线圈上的电流大小和方向，使得磁悬浮组件能够在位置发生变化后尽快达到新的稳定工作状态。

图4是本发明实施例的电磁线圈工作电压的调整示意图。如图4所示，T1阶段对应磁悬浮组件使用过程中的初始稳定状态，T2阶段对应磁悬浮组件使用过程中位置发生变化时对应的调节过程，T3阶段对应磁悬浮组件位置发生变化后进入的新的稳定工作状态。其中，在T1阶段，磁悬浮组件在初始位置，通过电磁线圈在对应工作电压下产生磁场，使得磁悬浮组件处于稳定工作状态，当前通过电磁线圈的初始电流为I1。在T2阶段开始时刻，磁悬浮组件的位置因外力作用发生变化，检测单元基于磁悬浮组件的位置变化状态输出对应的检测信号，数字控制器根据检测信号输出对应的PWM控制信号，以控制开关电路来调节电磁线圈两端的电压和通过电磁线圈的电流，直至进入T2阶段结束时刻，通过电磁线圈的电流发生变化并再次处于稳定进入T3阶段。在T3阶段，电磁线圈的工作电压由原来的工作电压变化为新的工作电压，通过电磁线圈的电流也由初始电流I1变化为调整电流I2。在新的工作电压下，磁悬浮组件在变化后的位置处进入新的稳定工作状态。

本发明实施例的技术方案通过直流输入单元输出直流电压，经开关电路对直流电压进行处理确定工作电压，使得电磁线圈在工作电压下产生磁场，并驱动磁悬浮组件工作。当磁悬浮组件位置发生变化时，通过检测单元检测磁悬浮组件的位置变化状态，并根据位置变化状态输出检测信号，再通过数字控制器根据检测信号确定控制信号，以驱动开关电路调整工作电压，进而调整磁悬浮组件工作条件的磁场强度，使磁悬浮组件工作在新的稳定状态，提高磁悬浮电子设备的使用性能。同时，由于采用数字控制器和开关电路对电磁线圈的工作电压进行调整，反馈控制环路结构简单，使用灵活，集成度和调整准确度高，且电路整体产生的功率损耗低。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域技术人员而言，本发明可以有各种改动和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种驱动组件，其特征在于，所述驱动组件包括：

直流输入单元，用于输出直流电压；

开关电路，连接所述直流输入单元，用于对所述直流电压进行处理，以确定工作电压；

电磁线圈，连接所述开关电路，用于在所述工作电压下产生磁场，以驱动磁悬浮组件工作；

检测单元，用于检测所述磁悬浮组件的位置变化状态，并根据所述位置变化状态输出检测信号；

数字控制器，连接所述检测单元和开关电路，用于根据所述检测信号确定控制信号，所述控制信号用于驱动所述开关电路调整所述工作电压。

2.根据权利要求1所述的驱动组件，其特征在于，所述控制信号为脉冲宽度控制信号。

3.根据权利要求1或2所述的驱动组件，其特征在于，所述控制信号为连续输出的脉冲宽度控制信号。

4.根据权利要求1所述的驱动组件，其特征在于，所述开关电路采用半桥式电路和全桥式电路。

5.根据权利要求1或4所述的驱动组件，其特征在于，所述开关电路包括第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管；

其中，所述第二开关管的第一端与第一开关管的第一端连接，所述第二开关管的第二端与第三开关管的第一端连接，所述第三开关管的第二端与第四开关管的第二端连接，所述第四开关管的第一端与第一开关管的第二端连接；

所述直流输入单元连接在所述第一开关管的第一端与第四开关管的第二端之间；

所述电磁线圈连接在所述第一开关管的第二端与第二开关管的第二端之间；

所述数字控制器分别与第一开关管的第三端、第二开关管的第三端、第三开关管的第三端以及第四开关管的第三端连接。

6.根据权利要求5所述的驱动组件，其特征在于，所述第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管采用MOS管。

7.根据权利要求1所述的驱动组件，其特征在于，所述检测单元采用霍尔传感器。

8.根据权利要求1或7所述的驱动组件，其特征在于，所述检测单元具体用于检测所述磁悬浮组件所处磁场的磁场强度，并根据所述磁场强度确定所述磁悬浮组件的位置变化状态。

9.根据权利要求5或6所述的驱动组件，其特征在于，所述第一开关管和第三开关管受控同时导通，所述第二开关管和第四开关管受控同时导通，所述第一开关管和所述第三开关管受控导通时所述第二开关管和第四开关管受控关断。

10.根据权利要求9所述的驱动组件，其特征在于，所述控制信号包括第一信号和第二信号，所述第一信号用于控制所述第一开关管和第三开关管，所述第二信号用于控制所述第二开关管和第四开关管。

11.一种磁悬浮设备，其特征在于，所述磁悬浮设备包括：

磁悬浮组件，包括永磁体和悬浮部件；以及

如上权利要求1-10中任一项所述的驱动组件，用于驱动所述磁悬浮组件，以使得所述悬浮部件处于悬浮状态。

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