CN115085591A - 基于复合线圈的间隙自传感电磁悬浮系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了基于复合线圈的间隙自传感电磁悬浮系统及其控制方法，涉及电磁悬浮技术领域，包括悬浮电磁铁、信号驱动模块、间隙信号解调模块、悬浮控制器、斩波器和电流处理模块；本发明通过采用信号驱动模块为复合线圈施加交流激励，使系统能够结合复合线圈处检测到的电流信息求得悬浮间隙，不再需要引入间隙传感器，大大提高了系统可靠性，降低了系统成本。且在控制环节加入了检测电流的反馈环节，使系统能够依据检测到的电流信息与实时悬浮间隙值，求解保障系统稳定性所需的悬浮电磁铁绕组电流的调节量，有利于系统进行精确控制。

Description

基于复合线圈的间隙自传感电磁悬浮系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及电磁悬浮技术领域，具体而言，涉及基于复合线圈的间隙自传感电磁悬浮系统及其控制方法。

背景技术

电磁吸力悬浮系统的电磁力与电流平方成正比，与悬浮间隙平方成反比，因此电磁吸力悬浮系统是一个开环不稳定系统，通常需要间隙反馈构成闭环控制使系统达到稳定状态，比如：当间隙变大时，系统使电磁铁电流增大以增大悬浮力，物体可以上升至平衡位置；当间隙变小时，系统使电磁铁电流减小以减小悬浮力，物体可以下降至平衡位置。

目前常用的间隙传感器是电涡流传感器，其利用电涡流效应来实现悬浮间隙的无接触测量，当通以交变电流时，线圈的等效电感会随着被测面与线圈间距离的改变而改变，所以可以通过测量线圈的电感或品质因数来获取悬浮间隙值。电涡流传感器的不足在于系统的稳定运行在很大程度上依赖于电涡流传感器的检测性能，电涡流传感器对安装精度、被测面加工精度要求都比较高，同时由于电涡流传感器的引入，系统体积增大，不利于悬浮系统的轻便化，针对上述问题，现提出基于复合线圈的间隙自传感电磁悬浮系统及其控制方法。

发明内容

本发明的目的在于提供基于复合线圈的间隙自传感电磁悬浮系统及其控制方法，该系统不需要使用悬浮间隙传感器，提高了系统可靠性，降低了安装精度需求和系统成本，减小了系统体积。同时针对本发明中的一种基于电磁铁复合线圈的悬浮间隙自传感方法提出其控制方法，提升系统精确控制能力，系统的悬浮稳定性显著提高。

本发明的实施例通过以下技术方案实现：

提供了基于复合线圈的间隙自传感电磁悬浮系统，包括悬浮电磁铁、信号驱动模块、间隙信号解调模块、悬浮控制器、斩波器和电流处理模块：

所述悬浮电磁铁上缠绕有电磁铁线圈，所述斩波器输出电压在电磁铁线圈上产生绕组电流提供悬浮力；所述电磁铁线圈与被悬浮物相邻的部分包含至少一匝复合线圈，所述复合线圈用于检测悬浮间隙；

所述信号驱动模块用于向所述复合线圈施加交流激励产生检测电流，并向所述悬浮控制器提供预设标准信号；

所述电流处理模块用于提取实时绕组电流信息并提供给悬浮控制器，同时提取实时检测电流信息并提供给悬浮控制器和间隙信号解调模块；

所述间隙信号解调模块用于向悬浮控制器提供包含实时悬浮间隙信息的直流电压信号；

所述悬浮控制器用于结合预设标准信号、实时绕组电流信息、实时检测电流信息以及直流电压信号控制所述斩波器的PWM波以调节悬浮电磁铁的绕组电流，改变悬浮电磁铁的悬浮力大小。

作为优选地，所述复合线圈匝数小于所述电磁铁线圈整体匝数。

作为优选地，所述电流处理模块包括电流传感器，所述电流传感器用于提取实时检测电流信息和实时绕组电流信息叠加的复合电流信息。

作为优选地，所述电流处理模块还包括滤波电路，所述滤波电路用于分离实时检测电流信息和实时绕组电流信息。

作为优选地，所述间隙信号解调模块包括检波电路，所述检波电路用于将实时检测电流信息转换为包含实时悬浮间隙信息的直流电压信号。

基于复合线圈的间隙自传感电磁悬浮系统控制方法，包括以下步骤：

步骤1：获取实时悬浮间隙，得到实时悬浮间隙与目标间隙之间的悬浮间隙变化量；

步骤2：结合实时检测电流信息，计算调节至目标间隙所需的绕组电流变化量；

步骤3：调节悬浮电磁铁的绕组电流，使实时悬浮间隙达到目标间隙。

作为优选地，所述步骤1中的实时悬浮间隙通过检测电流信息与悬浮间隙的相关性求得。

作为优选地，所述步骤2中，还包括以下步骤：

步骤21：求解所述悬浮间隙变化量的多阶微分，依据实时检测电流信息与预设标准信号，求解检测电流的相位；

步骤22：结合悬浮间隙变化量及其多阶微分结果与检测电流相位，基于稳定悬浮算法求得调节至目标间隙所需的绕组电流变化量。

作为优选地，所述稳定悬浮算法如下式所示：

其中

为悬浮间隙变化量，

为悬浮间隙变化量的一阶微分，

为悬浮间隙变化量的二阶微分，

为间隙变化量的反馈增益，

为速度变化量的反馈增益，

为加速度变化量的反馈增益，

为检测电流相位，

为检测电流的反馈函数，由

、

、

、

决定。

本发明实施例的技术方案至少具有如下优点和有益效果：

本发明通过采用信号驱动模块为复合线圈施加交流激励，使系统能够结合复合线圈处检测到的电流信息求得悬浮间隙，不再需要引入间隙传感器，大大提高了系统可靠性，降低了系统成本。且在控制环节加入了检测电流的反馈环节，使系统能够依据检测到的电流信息与实时悬浮间隙值，求解保障系统稳定性所需的悬浮电磁铁绕组电流的调节量，有利于系统进行精确控制。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1为本发明提供的基于复合线圈的间隙自传感电磁悬浮系统的结构示意图；

图2为本发明提供的基于复合线圈的间隙自传感电磁悬浮系统的电流传感器加载示意图；

图3为本发明提供的基于复合线圈的间隙自传感电磁悬浮系统的电流信号传递过程框图；

图4为本发明提供的基于复合线圈的间隙自传感电磁悬浮系统的悬浮控制器内部处理流程图；

图5为本发明提供的基于复合线圈的间隙自传感电磁悬浮系统控制方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

如图1所示，提供基于复合线圈的间隙自传感电磁悬浮系统，包括悬浮电磁铁、信号驱动模块、间隙信号解调模块、悬浮控制器、斩波器和电流处理模块：

所述悬浮电磁铁上缠绕有电磁铁线圈，所述斩波器输出电压在电磁铁线圈上产生绕组电流提供悬浮力；所述电磁铁线圈与被悬浮物相邻的部分包含至少一匝复合线圈，所述复合线圈用于检测悬浮间隙；

所述信号驱动模块用于向所述复合线圈施加交流激励产生检测电流，并向所述悬浮控制器提供预设标准信号；

所述电流处理模块用于提取实时绕组电流信息并提供给悬浮控制器，同时提取实时检测电流信息并提供给悬浮控制器和间隙信号解调模块；

所述间隙信号解调模块用于向悬浮控制器提供包含实时悬浮间隙信息的直流电压信号；

所述悬浮控制器用于结合预设标准信号、实时绕组电流信息、实时检测电流信息以及直流电压信号控制所述斩波器的PWM波以调节悬浮电磁铁的绕组电流，改变悬浮电磁铁的悬浮力大小。

复合线圈的匝数、匝间距、相对位置以及形状等参数通过以下步骤确定：构建电磁场仿真模型后对模型进行参量化；以提升复合线圈在信号驱动模块给定的激励频率下电感变化率为目标，对复合线圈的匝数、匝间距、相对位置以及形状等参数进行优化设计；

构建电磁场仿真模型时，将激励频率作为参量，以提升复合线圈电感变化率，降低电阻变化率为目标，对信号驱动模块给复合线圈施加的激励频率进行优化设计，同时为了便于后续解调，信号驱动模块给复合线圈施加的激励频率应比斩波器控制频率大10倍以上；

信号驱动模块与复合线圈的连接图如图2所示，通过信号驱动模块给复合线圈额外施加一定特征的激励，使系统能够直接结合复合线圈处的实时检测电流信息求得悬浮间隙，故此处复合线圈既是悬浮系统的执行器，也是用于检测悬浮间隙的传感器，不需再额外引入间隙传感器，降低了系统的制造成本。

更为具体地，所述复合线圈匝数远小于所述电磁铁线圈整体匝数。

由此可知，电磁铁线圈的阻抗与复合线圈的阻抗满足以下要求：

电磁铁线圈阻抗为：

复合线圈阻抗为：

且：

其中，

为电磁铁线圈的电阻，

为电磁铁线圈的电感，

为复合线圈的电阻，

为复合线圈的电感，

为复数单位，

为激励角频率。

更为具体地，所述电流处理模块包括电流传感器，所述电流传感器用于提取实时检测电流信息和实时绕组电流信息叠加的复合电流信息。图1中，

为检测电流信息，

为绕组电流信息。

更为具体地，所述电流处理模块还包括滤波电路，所述滤波电路用于分离实时检测电流信息和实时绕组电流信息。

如图3所示，滤波电路利用低频带通滤波原理分离出实时绕组电流信息并提供给悬浮控制器，利用高频带通滤波原理分离出实时检测电流信息并提供给悬浮控制器与间隙信号解调模块。

更为具体地，所述间隙信号解调模块包括检波电路，所述检波电路用于将实时检测电流信息转换为包含实时悬浮间隙信息的直流电压信号。

经由间隙信号解调模块处理前的实时检测电流信息为交流信号，处理后转变为包含实时悬浮间隙信息的直流电压信号。

如图5所示，基于复合线圈的间隙自传感电磁悬浮系统控制方法，包括以下步骤：

步骤1：获取实时悬浮间隙，得到实时悬浮间隙与目标间隙之间的悬浮间隙变化量；

步骤2：结合实时检测电流信息，计算调节至目标间隙所需的绕组电流变化量；

步骤3：调节悬浮电磁铁的绕组电流，使实时悬浮间隙达到目标间隙。

更为具体地，所述步骤1中的实时悬浮间隙通过检测电流信息与悬浮间隙的相关性求得。

检测电流

,其中

为信号驱动模块施加的激励，

又

与

串联谐振，有

其中，

为复合线圈与电涡流的互感系数，与悬浮间隙成反相关；

为电涡流的 等效电阻；

为电涡流的等效电感；

为检测回路等效阻抗；

为检测回路等效电抗；

为复合线圈串联谐振电容，

为检测回路等效电阻。

当无被悬浮物时，互感系数最小，

、

、

绝对值均最小，检测电流最大，间隙 信号解调模块输出的直流电压幅值最大。当被悬浮物靠近即悬浮间隙变小时，互感系数变 大，

、

、

绝对值均变大，检测电流变小，间隙信号解调模块输出的直流电压幅值变 小。悬浮控制器利用直流电压信号，依据直流电压幅值与悬浮间隙值之间的一一对应关系 即可完成对悬浮间隙的检测。

更为具体地，所述步骤2中，还包括以下步骤：

步骤21：求解所述悬浮间隙变化量的多阶微分，依据实时检测电流信息与预设标准信号，求解检测电流的相位；

步骤22：结合悬浮间隙变化量及其多阶微分结果与检测电流相位，基于稳定悬浮算法求得调节至目标间隙所需的绕组电流变化量。

由于检测电流为高频交流信号，若忽略检测电流产生的悬浮力设计悬浮控制器会导致被悬浮物高频抖动，不利于系统稳定，故在悬浮控制器中引入如步骤21和步骤22的检测电流反馈机制，以保障系统的稳定性，悬浮控制器内部处理流程如图4所示；

所述步骤21中，先利用间隙解调模块输出的直流电压完成悬浮间隙的检测，根据目标间隙得到悬浮间隙的变化量，再计算悬浮间隙变化量的一阶微分

，记为

；计算悬浮间隙变化量的二阶微分

，记为

；预设标准信号是与信号驱动模块施加的激励信号同源、频率一致的标准正弦信号，利用鉴相器与实时检测电流信息得到实时检测电流相位

。

更为具体地，所述稳定悬浮算法如下式所示：

其中

为悬浮间隙变化量，

为悬浮间隙变化量的一阶微分，

为悬浮间隙变化量的二阶微分，

为间隙变化量的反馈增益，

为速度变化量的反馈增益，

为加速度变化量的反馈增益，

为检测电流相位，

为检测电流的反馈函数，由

、

、

、

决定。

根据系统稳定性需求，引入电流反馈控制过程，动态调整增益值的大小，以达到提高系统稳定性的目的：根据计算的目标电流与电流处理模块反馈的绕组电流的差值

调整斩波器PWM占空比，达到控制电磁铁绕组电流的目的：当差值

变大时，增大占空比使绕组电流变大，当差值

变小时，减小占空比使绕组电流变小。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (9)

1.基于复合线圈的间隙自传感电磁悬浮系统，其特征在于，包括悬浮电磁铁、信号驱动模块、间隙信号解调模块、悬浮控制器、斩波器和电流处理模块：

所述悬浮电磁铁上缠绕有电磁铁线圈，所述斩波器输出电压在电磁铁线圈上产生绕组电流提供悬浮力；所述电磁铁线圈与被悬浮物相邻的部分包含至少一匝复合线圈，所述复合线圈用于检测悬浮间隙；

所述信号驱动模块用于向所述复合线圈施加交流激励产生检测电流，并向所述悬浮控制器提供预设标准信号；

所述电流处理模块用于提取实时绕组电流信息并提供给悬浮控制器，同时提取实时检测电流信息并提供给悬浮控制器和间隙信号解调模块；

所述间隙信号解调模块用于向悬浮控制器提供包含实时悬浮间隙信息的直流电压信号；

所述悬浮控制器用于结合预设标准信号、实时绕组电流信息、实时检测电流信息以及直流电压信号控制所述斩波器的PWM波以调节悬浮电磁铁的绕组电流，改变悬浮电磁铁的悬浮力大小。

2.根据权利要求1所述的基于复合线圈的间隙自传感电磁悬浮系统，其特征在于，所述复合线圈匝数小于所述电磁铁线圈整体匝数。

3.根据权利要求1所述的基于复合线圈的间隙自传感电磁悬浮系统，其特征在于，所述电流处理模块包括电流传感器，所述电流传感器用于提取实时检测电流信息和实时绕组电流信息叠加的复合电流信息。

4.根据权利要求3所述的基于复合线圈的间隙自传感电磁悬浮系统，其特征在于，所述电流处理模块还包括滤波电路，所述滤波电路用于分离实时检测电流信息和实时绕组电流信息。

5.根据权利要求1所述的基于复合线圈的间隙自传感电磁悬浮系统，其特征在于，所述间隙信号解调模块包括检波电路，所述检波电路用于将实时检测电流信息转换为包含实时悬浮间隙信息的直流电压信号。

6.基于复合线圈的间隙自传感电磁悬浮系统控制方法，其应用于权利要求1-5任意一项所述的基于复合线圈的间隙自传感电磁悬浮系统，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：获取实时悬浮间隙，得到实时悬浮间隙与目标间隙之间的悬浮间隙变化量；

步骤2：结合实时检测电流信息，计算调节至目标间隙所需的绕组电流变化量；

步骤3：调节悬浮电磁铁的绕组电流，使实时悬浮间隙达到目标间隙。

7.根据权利要求6所述的基于复合线圈的间隙自传感电磁悬浮系统控制方法，其特征在于，所述步骤1中的实时悬浮间隙通过检测电流信息与悬浮间隙的相关性求得。

8.根据权利要求6所述的基于复合线圈的间隙自传感电磁悬浮系统控制方法，其特征在于，所述步骤2中，还包括以下步骤：

步骤21：求解所述悬浮间隙变化量的多阶微分，依据实时检测电流信息与预设标准信号，求解检测电流的相位；

步骤22：结合悬浮间隙变化量及其多阶微分结果与检测电流相位，基于稳定悬浮算法求得调节至目标间隙所需的绕组电流变化量。

9.根据权利要求8所述的基于复合线圈的间隙自传感电磁悬浮系统控制方法，其特征在于，所述稳定悬浮算法如下式所示：

其中

为悬浮间隙变化量，

为悬浮间隙变化量的一阶微分，

为悬浮间隙变化量的二阶微分，

为间隙变化量的反馈增益，

为速度变化量的反馈增益，

为加速度变化量的反馈增益，

为检测电流相位，

为检测电流的反馈函数，由

、

、

、

决定。

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