CN1685382A - 地球仪 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及包括无接触并由磁力支架的地球仪球体(24)的地球仪。所述地球仪包括电磁铁的电控制设备(22)，它在输入侧与磁场传感器(20)，尤其是霍耳探针相连，并且通过接通和断开电磁铁或者通过根据磁场传感器的输出信号控制流经电磁铁的电流来控制地球仪球体的位置。设置接收磁场传感器输出信号的微计算机，以便控制球体的非振荡位置。微计算机包括用来检测开/关位置的至少一个存储器/计数器，和/或用于在至少一个规定时间周期期间检测流经电磁铁的电流或施加于电磁铁的电压。地球仪还包括开关/或控制装置，它根据由计算机检测到的开/关位置的变化过程和/或测量到的电流/电压，影响电磁铁的开关状态比和/或流经电磁铁的电流/施加到电磁铁的电压。

Description

地球仪
技术领域
本发明涉及对应于权利要求1的前序部分的、具有无接触的由磁力支持的地球仪球体的地球仪和一种控制磁悬浮在地球仪支架中的地球仪球体位置的方法。
背景技术
为接通和断开设置在地球仪支架上的电磁铁，在这样的地球仪中使用磁场传感器的信号。距离在此将被如下控制：地球仪球体表面上的永磁铁对地球仪球体在磁场中的悬空支持非常重要。永磁铁与地球仪支架上设置在地球仪球体上方的电磁铁相互作用。如果地球仪球体与支架相互靠近，则地球仪球体借助于与电磁铁相对的永磁铁，得出是否断开电磁铁。对于地球仪球体和地球仪支架的距离还存在一个确定的临界最小值，不应该小于这个距离，否则地球仪球体和支架相互吸引。霍耳传感器(Hallsensor)根据永磁铁的磁场识别地球仪球体的距离。在到达上面提到的临界限度之前，也就是说，在超过磁场的临界最大值和磁场传感器对应的输出信号之前，通过断开电磁铁而阻止地球仪球体和支架的吸引。
另一方面，必须注意以下问题：地球仪球体和支架的距离也不应太大，这是因为在这种情况下，必须增大通过电磁铁的平均电流，这会提高用电需求，并且因为另一方面，超过确定距离后球体也不再保持在磁场中，因此球体掉落。超过确定的临界最大距离后，接通电磁铁，其中临界最大距离的特征在于，不超过磁场传感器输出信号的确定极限值。因此，地球仪球体的正确距离通过由磁场传感器的输出信号控制的不断的接通和断开而被调节。这个设备以及方法毫无疑义的对包括其中系统处于振动或谐振的情况都有效。这样的自谐振出现在例如小于5Hz的振动中。测量已经证明，磁场传感器的输出信号在这种情况下不提供任何帮助，这是因为地球仪球体电磁铁的较大距离通常在霍耳传感器中被电磁铁的增强电磁场补偿。因此，现有技术中已知的地球仪对各种形式的自谐振和振动不提供足够的可靠性。
另有一个问题在于：通过上面提到的电磁铁的接通和断开，尽管球体被保持在一个相对稳定的位置上，但它不是必须强制运动到最节约能源的位置。例如确定刚好在地球仪球体被引向地球仪支架的临界点下面，支持地球仪球体的能量消耗最小。根据现有技术的地球仪不提供解决方案来保持地球仪球体处于最佳位置。原则上来说，模拟地通过流经电磁铁的电流来代替或补充接通/断开而控制或调节地球仪球体的位置也是可能的。
发明内容
因此，本发明的任务是实现一种地球仪和控制地球仪支架中球体的方法，它们有效地使得可能阻止振动和谐振，另外它们还使得地球仪球体可能以很小的能量消耗而稳定地保持在磁场中。这些任务是通过根据权利要求1的地球仪和根据权利要求7的方法来实现的。对此发明有利的改进是相应的从属权利要求的内容。
本发明考虑从申请人所获得的知识，即磁场传感器(一般为霍耳传感器)并没有输出令人满意的信号以避免振动和谐振。与此相反，申请人确认，在与谐振频率相比较短的测量周期(例如，1至100毫秒，最好为5-50毫秒)中检测振动时，球体的振动(例如由于谐振)反映在电磁铁开关状态比的变化中。因此，地球仪的控制使用在至少一个规定的时间间隔上从微计算机或微处理器检测的电磁铁开关状态比，以便由此导出用于电磁铁控制的校正信号。
如以下描述的那样，本发明的基本思想使得可能抑制振动，特别是谐振，以及可能将地球仪球体调整到相对于地球仪支架的理想距离。
本发明的实现与微计算机是否具有用电磁铁开关的接通/断开信号向其加负载的输入端、或者电磁铁是否由微计算机控制(在这种情况下，在微计算机中显然可以获得开关状态)无关。
在为了抑制谐振的本发明第一实施例中，接通/断开状态比最好在短的周期(尤其是100微秒至500毫秒，最好是1-50毫秒)中获得，并保存在寄存器中。紧接着，下个周期内的接通/断开状态比被测量和储存。由至少两次这样的测量计算出比例的改变，并且这个改变作为输出控制和校正信号的基础被用于电磁铁的控制。例如，如果变化是正的，也就是说相继的周期内的接通/断开状态比增加，则意味着球体远离地球仪支架，因此为了球体重新返回原位置，提高电磁场。在此情况下，可以输出例如正校正信号，也就是说，接通/断开时间比被过量地提高，以便比实际对应于霍耳传感器所输出的值更强地减速球体。通过这种方式，非常有效地消除了谐振振荡。另一方面，如果在至少两个相继的周期内确定接通/断开状态比为负的变化，也就是说球体向上运动，则导通时间被过量地降低，即比对应于霍耳传感器的相应输出信号更强地被降低，以便也避免振动的起振。在这些关系中，显然也可能监视多个(例如5到50个)周期上的改变，或者使用二阶导数，即时间相继周期的这种变化的变化作为输出校正信号的输出基础。在此情况下，最好如果校正信号变化的二阶导数是正的，也就是说，如果确定接能/断开比的正变化增加，或者如果确定接通/断开比的减小的正变化，则输出增强的校正或控制信号。
微计算机最好具有相应数量的寄存器和/或计数器，以及时钟，通过时钟可实现对电磁铁接通/断开状态比的时钟检测，然后由此在确定的时间周期上累计，构成接通/断开状态比。可以以例如10到100微秒的时间间隔进行检测，而比例构成可以考虑10到1000次个检测时钟的检测。
另外，通过本发明能够使地球仪的电能消耗最小，其中在较长时间周期(例如500微秒到几秒)上对电磁铁的接通/断开状态时间比进行检测和平均，并且这个平均值与接通/断开比的参考标准值(表示地球仪球体和支架的理想距离)相比较。这个理想的参考比对应通过电磁铁的确定的理想平均电流，这个电流使地球仪球体的相应理想距离略低于吸引点之下。实际比朝着参考比变化，所以地球仪球体一般趋向从能源观点看的理想位置。这与具有电磁铁相应的小的加热的小的能量消耗相关。
显然，如果本发明的技术元件是技术上有意义的，那么单个或多个元件可能是存在的。还应该明白，电磁铁的电控制装置和微处理器可以被构造在不同元件中或构造在一个集成单元中。优选地，微处理器包括用于电磁铁的全部控制装置，并且只有预先在A/D转换器中被转换的、电磁场传感器的数字输出信号作为输入端口。
显然，基本电路也可被模拟设计，在此情况下，检测流过电磁铁的电流的时间变化过程或电磁铁上的电压，并由此导出用于控制电磁铁的控制或校正信号。在这种情况下，通过接通/断开状态比以及通过流经电磁铁的电流来实现控制。
其中，一般的位置可以只通过对电磁铁的电流控制/电压控制或通过对接通/断开时间以及流经电磁铁的电流强度的联合控制来实现。在此，例如接通/断开状态的基本控制和用于避免振动或达到最优距离的校正控制是通过电流强度实现的。
所有目前已知的或未来的传感器都可用作电磁场传感器，其中最好是与方向有关的电磁场识别。目前，霍耳传感器是最通常的电磁场传感器。
以下在示意性附图中描述本发明。
附图说明
图1具有悬浮球体的地球仪的示意性侧示图。
图2在地球仪球体谐振振动情况下接通/断开状态比的时间变化过程图。
图3根据本发明抑制谐振并优化距离控制的本发明的电路图。
具体实施方式
图1显示了带有地球仪支架12的地球仪10，支架12包括底座14和设置在上面的垂直弓形的立架16。在立架16的自由端设置有电磁铁18、霍尔传感器20和电控制装置22。电控制装置也可以置于地球仪支架的另一位置(例如底座14处)，例如与开关相连。在电磁铁作用下地球仪球体24被悬空支持，地球仪球体24在其面向电磁铁18的表面上具有永磁铁26。在下侧，地球仪球体24具有第二永磁铁28，但是，第二永磁铁只负责，如果地球仪球体24掉下，则由设置在地球仪支架12的底座14上的第三永磁铁30支持，因此地球仪球体不滚离底座14和可能被损坏。通过霍尔传感器20检测，什么时候地球仪球体24的永磁铁26到达电磁铁18范围内。在这种情况下，包括电磁铁18和霍耳传感器20的支持控制装置和带有微处理器或微计算机的电控制装置22被激活。霍耳检测器持续提供输出信号给电控制装置22，输出信号表示永磁铁26和电磁铁18之间的距离。如果永磁铁26靠近电磁铁18，因此如果地球仪球体靠近电磁铁18，则电控制装置22断开电磁铁。因此，地球仪球体向下落下，直至霍耳传感器20的输出信号低于确定的第二阈值，这向电控制装置22指示，电磁铁必须被再次接通。然后，地球仪球体再次被向上吸引，直到它又到达第一阈值的范围，在那里电磁铁又再次被断开。电磁铁的接通/断开的频率最好为几千赫兹，例如5-10kHz。如果地球仪球体例如在导入设备活动区域的过程中或者例如由于风或其它原因而出现垂直振动，则接通/断开时间比在振动周期t1(例如100毫秒左右)中变化，就像在图2中显示的那样。图2显示了接通/断开状态比随时间的变化。在地球仪球体谐振振动过程中产生了电磁铁接通/断开状态比的正弦形变化过程。
如以下那样获得该曲线。对确定的例如大约5到15毫秒的短时间周期(近似于图2中两个叉之间的距离)，在一个寄存器或多个独立寄存器中累加微处理器的每个检测时钟内的接通或断开状态。如果微处理器例如每25微秒检测一次电磁铁的接通/断开状态，则在10毫秒内得到40次测量。在这40次测量中，例如在多个独立的寄存器中计数接通和断开状态，然后将接通和断开状态相比或在一个寄存器中加法地共同计数接通和断开状态，因此最后形成包含有关接通和断开状态比信息的负或正值。在这种振动过程中，如图2所示，通过上面描述的方式所获得的接通/断开状态比改变，其中可以使用比例的改变或甚至二阶导数(即比例改变的增加和减小)作为输出校正值的基础。通过在传统控制程序中使用这种时间变化或二阶导数，能够克服振动，例如通过临近振动结束时接通/断开时间的相反变化，也就是图2曲线上下翻转区域内，这些振动区域也对应球体自己的起振和振动分离。通过使用电磁铁非常有效的接通/断开比，可以由传统的控制和调节算法有效地防止振动的起振。
也可以以同样的方式在更长的时间周期(例如1-10秒)上检测和平均接通/断开时间比R，并与参考值比较，参考值可以说对于地球仪球体的最优位置刚好位于吸引点之下，在吸引点地球仪球体被吸引向电磁场18。在地球仪球体的这个最优垂直高度，消耗最少的能量。因此，通过传统的控制算法能够使接通/断开时间的实际比朝着作为参考值而存储的理想值变化。
带有控制装置和地球仪的其它电气组件的电路在图3被描述。微处理器32用于控制。图1显示的霍耳传感器20传递输出信号给模数转换器34，AD转换器的数字输出信号36被提供给微处理器或微计算机32。微处理器32根据霍耳传感器20的输出信号通过控制线38控制电磁铁18的接通和断开时间，接通和开关时间通过电气开关40(例如晶体管)被传递。然后，晶体管控制位于电磁铁18的谐振回路中的线圈42。
另外，微处理器还包括没有标出的时钟和至少一个寄存器或计数器，在寄存器或计数器中，以每个时钟周期(例如以25微秒的间隔)检测控制线38上的开关状态。因此，微处理器在一定数量的时钟以后，例如10毫秒以后得到一定数量的测量，例如40次测量，这些测量基于所得到的开关状态表示电磁铁接通/断开比的值。这个值被微处理器使用，以便消除振动和通过已知的方式将地球仪球体保持在最佳距离。

Claims (11)

1.具有非接触和磁悬浮地球仪球体(24)的地球仪，所述地球仪球体的位置通过设置在所述球体上的永磁铁(26)保持自由悬浮，所述永磁铁和一个地球仪支架(12)相连、设置在所述球体上方的电磁铁(18)相互作用，所述地球仪具有用于所述电磁铁的电控制装置(22)，所述电控制装置在输入侧与磁场传感器(20)、尤其是霍耳探针相连接，并通过电磁铁的接通和断开或者通过根据磁场传感器的输出信号控制流过电磁铁的电流来控制所述地球仪球体的位置，其特征在于，设置微计算机(32)，向其输入所述磁场传感器的输出信号，所述微计算机包括用于检测接通和/或断开状态的至少一个存储器/计数器以及/或者用于在至少一个规定的时间周期内检测流经所述电磁铁的电流或所述电磁铁上的电压的装置，所述地球仪包括开关或控制设备，其根据由所述微计算机所检测到的接通/断开状态和/或被测得的电压/电流影响所述电磁铁的接通/断开状态比和/或流经所述电磁铁的电流/所述电磁铁上的电压。
2.根据权利要求1的地球仪，其特征在于，所述微计算机(32)包括至少一个在至少10毫秒、最好500毫秒到5秒的较长时间周期内检测接通/断开状态的存储器和用于存储接通/断开状态参考比的参考值存储器，所述地球仪具有控制装置和/或开关设备，通过它可以影响所述电磁铁接通/断开状态的实际比趋向于所述参考值。
3.根据权利要求1或2的地球仪，其特征在于，存储器/计数器在例如1到100毫秒、最好5到50毫秒的较短时间周期内检测接通和断开状态，并且设置比较电路或减法电路，用于获得接通/断开比相对先前测量的变化，并且所述地球仪具有控制装置和/或开关设备，借助于它可影响所述电磁铁接通/断开状态的实际比，以便增强/减少变化。
4.根据前述权利要求中任一项的地球仪，其特征在于，设置用于将所述磁场传感器(20)的输出信号数字化为所述微计算机(32)的输入信号的模数转换器(34)。
5.根据前述权利要求中任一项的地球仪，其特征在于，所述控制装置(22)包括开关，以便当所述磁场传感器的输出信号小于预定值时，断开所述电磁铁。
6.根据前述权利要求中任一项的地球仪，其特征在于，所述控制装置(22)包括开关，以便当所述磁场传感器的输出信号超过给定值时，接通所述电磁铁。
7.控制自由悬浮在地球仪支架(12)中的地球仪球体(24)的位置的方法，使用与所述球体相连设置的永磁铁(26)，所述永磁铁与和所述地球仪支架相连、设置在球体上方的电磁铁(18)相互影响，具有用于所述电磁铁的电控制装置(22)，所述电控制装置在输入侧与磁场传感器(20)、特别是霍耳探针相连接，以便检测所述永磁铁和所述电磁铁的距离，并且通过所述电磁铁的接通和断开或者通过根据所述磁场传感器的输出信号控制流经所述电磁铁的电流/所述电磁铁上的电压来控制所述地球仪球体的位置，其特征在于，检测所述电磁铁的接通和/或断开状态或者通过所述电磁铁的电流/所述电磁铁上的电压，并由接通/断开状态比的值以及电压或电流变化过程或其变化导出控制所述电磁铁的控制和/或校正信号。
8.根据权利要求7的方法，其特征在于，比较所述电磁铁的接通/断开时间的实际比与额定比的参考值，并由此导出用于所述电磁铁的校正信号和/或控制信号。
9.根据权利要求7或8的方法，其特征在于，使用对比例的至少两次相继测量的变化来导出用于所述电磁铁的校正信号和/或控制信号。
10.根据权利要求7到9中任一项的方法，其特征在于，如果所述磁场传感器的输出信号低于第一阈值，则断开所述电磁铁。
11.根据权利要求7到9中任一项的方法，其特征在于，如果磁场传感器的输出信号超过阈值时，则接通所述电磁铁。
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