基于格雷編碼的高速直線電機(jī)動(dòng)子定位系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于格雷編碼的高速直線電機(jī)動(dòng)子定位系統(tǒng)。其信號(hào)感應(yīng)部分包括外殼、底座，底座置于外殼內(nèi)并與外殼固定連接，外殼、底座沿動(dòng)子運(yùn)動(dòng)方向延伸；底座上以層疊方式固定有接收線圈、發(fā)射線圈，外殼上裝有保護(hù)線圈的絕緣蓋板；動(dòng)子上固定有導(dǎo)磁體，導(dǎo)磁體與接收線圈和發(fā)射線圈正面對(duì)應(yīng)，并與絕緣蓋板不接觸，導(dǎo)磁體通過與不同形狀的接收線圈之間的對(duì)應(yīng)位置所產(chǎn)生的不同電壓而對(duì)應(yīng)位置編碼，形成絕對(duì)地址和精確地址；控制部分的核心是單片機(jī)。本發(fā)明將電磁場(chǎng)發(fā)射部分和接收部分一體安裝在固定位置上，運(yùn)動(dòng)部分(動(dòng)子)僅安裝導(dǎo)磁體，無電源，系統(tǒng)定位精度適中，抗干擾能力強(qiáng)，適應(yīng)惡劣環(huán)境，安裝簡(jiǎn)單，可靠性高。
【專利說明】
基于格雷編碼的高速直線電機(jī)動(dòng)子定位系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及基于格雷編碼的長(zhǎng)位移定位系統(tǒng)，具體是一種基于格雷編碼的高速直 線電機(jī)動(dòng)子定位系統(tǒng)?？蛇m用于冶金、選礦、水泥、發(fā)電、運(yùn)輸?shù)刃袠I(yè)的軌道式天車、行車、起 重機(jī)等自動(dòng)控制定位，尤其適用于電磁彈射用高速直線電機(jī)定子定位。
【背景技術(shù)】
[0002] 在冶金、選礦、水泥、發(fā)電、運(yùn)輸?shù)刃袠I(yè)中，大量使用軌道式天車、行車、起重機(jī)，其 實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制必須有可靠的長(zhǎng)位移定位系統(tǒng)。對(duì)這類設(shè)備定位的要求是:一、一維定位，范 圍在幾百米范圍；二、精度要求不高，在數(shù)厘米范圍即可;三、可靠性要求極高，抗電磁干擾， 適應(yīng)惡劣環(huán)境。電磁彈射用高速直線電機(jī)動(dòng)子定位系統(tǒng)除滿足上述要求外，還應(yīng)滿足下列 要求:一、定位速度高;二、動(dòng)子上無發(fā)射源。
[0003] 目前應(yīng)用較多的位置檢測(cè)的方法有：
[0004] 1)行程開關(guān):安裝在軌道旁邊，當(dāng)行車走過來時(shí)就會(huì)碰到機(jī)械開關(guān)，從而產(chǎn)生一個(gè) 開關(guān)量送到PLC，說明該機(jī)械已到位置。
[0005] 2)旋轉(zhuǎn)編碼器:通過安裝在車輪上的旋轉(zhuǎn)編碼器檢測(cè)機(jī)車的位置。
[0006] 上述方法主要缺點(diǎn)是:接觸式測(cè)量，具有機(jī)械動(dòng)作部件，可靠性低，定位不精確，維 護(hù)工作量大。
[0007] 3)激光:利用激光傳輸時(shí)間來測(cè)量距離的基本原理即通過測(cè)量激光往返目標(biāo)所需 時(shí)間來確定目標(biāo)距離，是一種連續(xù)非接觸位置檢測(cè)。
[0008] 4)紅外:采用高頻調(diào)制的編碼紅外光進(jìn)行識(shí)別定位，是一種連續(xù)非接觸位置檢測(cè)。
[0009] 上述方法主要缺點(diǎn)是:抗干擾能力差，不能適應(yīng)惡劣環(huán)境。
[0010]專利CN2801283、CN2510504描述了一種定位裝置及其方法，其特點(diǎn)是設(shè)置一條以 格雷編碼交叉的母線，采用電磁感應(yīng)原理來進(jìn)行位置檢測(cè)和數(shù)據(jù)通信。是一種連續(xù)非接觸 絕對(duì)定位的工作方式。優(yōu)點(diǎn)是寬容度比較大，可以用在直線或環(huán)形位移檢測(cè)，定位精度適 中，抗干擾能力強(qiáng)，適應(yīng)惡劣環(huán)境，安裝簡(jiǎn)單，可靠性高，最為適合要求。
[0011] 但CN2801283、CN2510504具有以下缺點(diǎn)：一、母線本身結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高昂，不適合 普及生產(chǎn)。二、母線本身是以絕緣材料和導(dǎo)體構(gòu)成，由于原理的限制，無法加金屬防護(hù)罩，影 響了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性和壽命。
[0012] CN203011333U防護(hù)式格雷母線定位系統(tǒng)采用電壓信號(hào)代替相位信號(hào)，利用工頻電 源發(fā)射電磁場(chǎng)，在一定程度上解決了上述問題，但依然存在以下問題:一、有源的發(fā)射裝置 無法裝在高速直線電機(jī)的動(dòng)子上；二、工頻信號(hào)調(diào)理后存在延時(shí)，不能滿足快速定位的需 要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0013] 本發(fā)明旨在解決現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問題，而提供一種基于格雷編碼的高速直線 電機(jī)動(dòng)子定位系統(tǒng)。其將電磁場(chǎng)發(fā)射部分和接收部分一體安裝在固定位置上，運(yùn)動(dòng)部分(動(dòng) 子)僅安裝導(dǎo)磁體，無電源，系統(tǒng)定位精度適中，抗干擾能力強(qiáng)，適應(yīng)惡劣環(huán)境，安裝簡(jiǎn)單，可 靠性高。
[0014] 本發(fā)明解決其技術(shù)問題采用的技術(shù)方案是：
[0015] -種基于格雷編碼的高速直線電機(jī)動(dòng)子定位系統(tǒng)，包括:信號(hào)感應(yīng)部分，控制部 分；
[0016] 信號(hào)感應(yīng)部分包括外殼、底座，外殼為槽鋼，底座為長(zhǎng)條形木塊，底座置于外殼內(nèi) 并與外殼固定連接，外殼、底座沿動(dòng)子運(yùn)動(dòng)方向延伸;底座上以層疊方式固定有線圈，線圈 包括接收線圈、發(fā)射線圈，接收線圈包括絕對(duì)地址線圈、精確地址線圈、參考接收線圈，外殼 上裝有保護(hù)線圈的絕緣蓋板;動(dòng)子上固定有導(dǎo)磁體，導(dǎo)磁體與接收線圈和發(fā)射線圈正面對(duì) 應(yīng)，并與絕緣蓋板不接觸，導(dǎo)磁體通過與不同形狀的接收線圈之間的對(duì)應(yīng)位置所產(chǎn)生的不 同電壓而對(duì)應(yīng)位置編碼，形成絕對(duì)地址和精確地址；
[0017] 控制部分包括單片機(jī)、正弦波發(fā)生器、驅(qū)動(dòng)放大電路、信號(hào)調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換電路 以及信號(hào)輸出及顯示電路，單片機(jī)的輸入管腳與信號(hào)感應(yīng)部分的接收線圈通過信號(hào)調(diào)理電 路和A/D轉(zhuǎn)換電路連接，接收多路模擬量輸入;單片機(jī)的一個(gè)輸出管腳輸出方波信號(hào)，經(jīng)變 換后，輸出正弦波電流，連接信號(hào)感應(yīng)部分的發(fā)射線圈。
[0018] 采用上述技術(shù)方案的本發(fā)明，與現(xiàn)有技術(shù)相比，其有益效果是：
[0019] 應(yīng)用電磁感應(yīng)原理，將電磁場(chǎng)發(fā)射部分和接收部分一體安裝在固定位置上，運(yùn)動(dòng) 部分僅安裝導(dǎo)磁體，無電源;并采用使電磁干擾信號(hào)抵消的電路、線圈、算法設(shè)計(jì)，使本發(fā)明 的長(zhǎng)位移檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)潔、牢固，現(xiàn)場(chǎng)部分無電子部件，可適應(yīng)高溫、劇烈振動(dòng)的環(huán) 境，抗干擾能力強(qiáng)，定位精度適中。安裝簡(jiǎn)單，可靠性高，適用于冶金、選礦、水泥、發(fā)電、運(yùn)輸 等行業(yè)的軌道式天車、行車、起重機(jī)等的自動(dòng)控制定位，特別適合電磁彈射用高速直線電機(jī) 動(dòng)子定位。
[0020] 進(jìn)一步的，本發(fā)明的優(yōu)選方案是：
[0021] 所述的接收線圈和發(fā)射線圈為單匝線圈，發(fā)射線圈設(shè)置1個(gè)，其形狀為矩形，其長(zhǎng) 度等于檢測(cè)范圍；接收線圈中的絕對(duì)地址線圈、精確地址線圈分別設(shè)置10個(gè)和4個(gè)，參考接 收線圈設(shè)置一個(gè)，其與發(fā)射線圈形狀相同；絕對(duì)地址線圈形狀為方波形，其下邊是一條直 線，上邊按位置格雷編碼的規(guī)律上下變化，以形成9位的位置格雷編碼絕對(duì)地址;精確地址 線圈其形狀為方波形，每個(gè)線圈的方波相位相差90°;接收線圈和發(fā)射線圈的首端分別接輸 入輸出端子，尾端接地。
[0022] 所述的單片機(jī)為MSP430F149，MSP430F149的通用輸入輸出端口作為數(shù)據(jù)輸入輸出 端口，12位A/D轉(zhuǎn)換由A/D轉(zhuǎn)換電路中的專用的高速芯片完成，其中MSP430F149的P1、P2口并 行為結(jié)果數(shù)據(jù)輸出端口。
【附圖說明】
[0023] 圖1是本發(fā)明實(shí)施例的定位原理示意圖；
[0024] 圖2是發(fā)射線圈、參考線圈、絕對(duì)地址線圈和精確地址線圈形狀示意圖；
[0025]圖3為信號(hào)感應(yīng)部分結(jié)構(gòu)示意圖；
[0026]圖4控制部分結(jié)構(gòu)原理示意圖；
[0027]圖中：I-外殼;2_底座;3_線圈;4_導(dǎo)磁體;5_絕緣蓋板。
【具體實(shí)施方式】
[0028] 以下結(jié)合附圖及實(shí)施例詳述本發(fā)明，但本實(shí)施例不對(duì)本發(fā)明構(gòu)成任何限制。
[0029] 本實(shí)施例給出的這種基于格雷編碼的高速直線電機(jī)動(dòng)子定位系統(tǒng)，由信號(hào)感應(yīng)部 分(見圖3)和控制部分(見圖4)兩部分組成。
[0030] 信號(hào)感應(yīng)部分的外殼1采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的低碳鋼槽鋼，底座2采用長(zhǎng)條形木塊，底座2 置于外殼1內(nèi)并與外殼1固定連接，外殼1、底座2長(zhǎng)度方向?yàn)閯?dòng)子運(yùn)動(dòng)方向，其長(zhǎng)度依定位長(zhǎng) 度而定。
[0031] 在整個(gè)位置檢測(cè)范圍內(nèi)導(dǎo)磁體4絕對(duì)地址采用絕對(duì)編碼來表示。絕對(duì)編碼由機(jī)械 位置決定，每個(gè)位置是唯一的。通過不同的線圈形狀和位置形成不同的電壓對(duì)應(yīng)位置編碼。
[0032] 底座1上以層疊方式固定有1個(gè)發(fā)射線圈、1個(gè)參考接收線圈、4個(gè)絕對(duì)地址線圈和4 個(gè)精確地址線圈，各個(gè)線圈的形狀如圖2所示。
[0033]圖2中(a)是發(fā)射線圈、參考接收線圈。圖2中（b)是形成4位格雷碼編碼電壓的線圈 形狀，也就是絕對(duì)地址線圈，可表示16個(gè)絕對(duì)地址位置。如果絕對(duì)地址線圈的節(jié)距取200mm， 則系統(tǒng)的測(cè)量范圍為3.2m。增加絕對(duì)地址線圈的個(gè)數(shù)即可增加測(cè)量范圍。圖2中（c)是形成 精確地址的兩組線圈形狀，也就是精確地址線圈。
[0034]外殼1上裝有保護(hù)線圈的絕緣蓋板5,絕緣蓋板5采用電工板;動(dòng)子上固定有導(dǎo)磁體 4,導(dǎo)磁體4以導(dǎo)磁不導(dǎo)電的材料為佳，如鐵氧體導(dǎo)磁材料;導(dǎo)磁體4與接收線圈和發(fā)射線圈 正面對(duì)應(yīng)，并與絕緣蓋板5不接觸，導(dǎo)磁體4通過與不同形狀的接收線圈之間的對(duì)應(yīng)位置所 產(chǎn)生的不同電壓而對(duì)應(yīng)位置編碼，形成絕對(duì)地址和精確地址。
[0035]控制部分參見圖4,控制部分的核心是單片機(jī)，單片機(jī)采用以16位處理器為核心的 MSP430F149單片機(jī)。MSP430F149的P5口的8個(gè)輸入管腳為模擬量輸入端口，通過12位A/D轉(zhuǎn) 換、采樣保持和多路開關(guān)電路、信號(hào)調(diào)理和放大電路與信號(hào)感應(yīng)部分的接收線圈電連接，接 收多路模擬量輸入;MSP430F149的一個(gè)輸出管腳連接正弦波發(fā)生器，向正弦波發(fā)生器輸出 方波信號(hào)，正弦波發(fā)生器輸出正弦波驅(qū)動(dòng)電流至驅(qū)動(dòng)放大電路，驅(qū)動(dòng)放大電路連接信號(hào)感 應(yīng)部分的發(fā)射線圈。
[0036] MSP430F149的P1、P2口并行數(shù)據(jù)輸出端口，以提高系統(tǒng)的反應(yīng)速度。
[0037] 定位系統(tǒng)基本原理：
[0038]參見圖1，共有如圖所示形狀的四個(gè)單匝線圈。圖中1號(hào)線圈作為發(fā)射線圈，2號(hào)線 圈作為接收線圈，3、4號(hào)線圈是絕對(duì)地址線圈兼做精確地址線圈。四個(gè)線圈長(zhǎng)度為L(zhǎng)，寬為D， 〇A、AB長(zhǎng)度為1/2L，定義為一個(gè)節(jié)距1^。線圈的首端各接輸入輸出端子，尾端共地。當(dāng)1號(hào)線 圈通以電流^寸，根據(jù)畢奧一一薩瓦定律，在空間任意點(diǎn)產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量
[0040] 式中，R為線元至被研究點(diǎn)的距離，妒為線元指向被研究點(diǎn)方向上的單位矢量，μ〇是 真空磁導(dǎo)率，為431X10-7H/rn
[0041] 在線圈圍成的平面上以及距該平面垂直距離較小的點(diǎn)構(gòu)成的空間范圍內(nèi)，B矢量 方向近似垂直于平面。L?D，按無限長(zhǎng)平行導(dǎo)線近似，B矢量數(shù)值沿X軸方向無變化。則在線 圈圍成的平面上以及距該平面垂直距離較小的點(diǎn)構(gòu)成的空間范圍內(nèi)，B矢量數(shù)值
[0043]則穿過線圈2的磁通
[0047] 其d為線圈導(dǎo)線直徑。
[0048]當(dāng)1號(hào)線圈通以頻率為f的正弦交流電流Ii時(shí) [0049] 2號(hào)線圈輸出電壓有效值
[00511當(dāng)存在電磁干擾時(shí)，線圈2輸出電壓有效值2Vo =疒o+Vs，其中Vs是電磁干擾產(chǎn)生的 差模干擾電壓。
[0052] 3、4號(hào)線圈由于節(jié)距等于1/2L，故此時(shí)輸出電壓均為Vo
[0053] 設(shè)有一導(dǎo)磁體，尺寸為lXDiXHl小于D/2，1 = 1/4L。其位置在線圈圍成的平面上 以及距該平面垂直距離較小的點(diǎn)構(gòu)成的空間范圍，即"正對(duì)"2號(hào)線圈時(shí)，由于導(dǎo)磁體4的相 對(duì)磁導(dǎo)率遠(yuǎn)大于1，部分磁路的磁阻降低，φ增加 Δ Φη，則2號(hào)線圈輸出電壓有一個(gè)增量Vm。 根據(jù)公式(2)，導(dǎo)磁體4內(nèi)部磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度近似均勻分布，△ 〇^與線圈"正對(duì)"導(dǎo)磁體4的 表面面積成正比，如圖1中（b)、（c)所示，當(dāng)導(dǎo)磁體4的質(zhì)心沿X軸方向移動(dòng)時(shí)，2、3、4號(hào)線圈 輸出電壓分別是
[0054] u〇(x) = 2Vo+Vm (3)
[0057] 如圖1中（b)、（c)、（d)所示。設(shè)一閾值電壓VN = Vo+l/2Vm，當(dāng)Uca(x)彡VN時(shí)，3號(hào)線圈 輸出定為1，Uoi (X) < Vn3號(hào)線圈輸出定為0，則可判斷導(dǎo)磁體4質(zhì)心的粗略位置，0表示導(dǎo)磁體 4質(zhì)心位于0A范圍，1表示位于AB范圍，叫絕對(duì)地址。
[0058] 還可通過解析u〇(x)、u〇i(x)、u〇2(x)得出導(dǎo)磁體4質(zhì)心的精確位置，例如當(dāng)

[0063] 導(dǎo)磁體4質(zhì)心的精確位置x，叫精確地址。同理可解出
：時(shí)的精確位置。 這樣在1^長(zhǎng)范圍內(nèi)，可得到精確結(jié)果?？赏ㄟ^再設(shè)一組與3、4號(hào)線圈平移一個(gè)1^距離的線圈 組，得到整個(gè)L長(zhǎng)范圍的結(jié)果。特別值得指出的是，X與Vo無關(guān)，其實(shí)質(zhì)是該電路及其對(duì)應(yīng)的 位置算法通過使干擾信號(hào)互相抵消的方式有效地消除了電磁干擾。
[0064] 以上所述僅為本發(fā)明較佳可行的實(shí)施例而已，并非因此局限本發(fā)明的權(quán)利范圍， 凡運(yùn)用本發(fā)明說明書內(nèi)容所作的等效變化，均包含于本發(fā)明的權(quán)利范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于格雷編碼的高速直線電機(jī)動(dòng)子定位系統(tǒng)，包括信號(hào)感應(yīng)部分、控制部分，其 特征在于： 信號(hào)感應(yīng)部分包括外殼（1)、底座(2)，外殼（1)為槽鋼，底座(2)為長(zhǎng)條形木塊，底座(2) 置于外殼（1)內(nèi)并與外殼（1)固定連接，外殼（1)、底座(2)沿動(dòng)子運(yùn)動(dòng)方向延伸;底座（1)上 以層疊方式固定有線圈（3)，線圈（3)包括接收線圈、發(fā)射線圈，接收線圈包括絕對(duì)地址線 圈、精確地址線圈、參考接收線圈，外殼（1)上裝有保護(hù)線圈（3)的絕緣蓋板(5);動(dòng)子上固定 有導(dǎo)磁體(4)，導(dǎo)磁體(4)與接收線圈和發(fā)射線圈正面對(duì)應(yīng)，并與絕緣蓋板(5)不接觸，導(dǎo)磁 體(4)通過與不同形狀的接收線圈之間的對(duì)應(yīng)位置所產(chǎn)生的不同電壓而對(duì)應(yīng)位置編碼，形 成絕對(duì)地址和精確地址； 控制部分包括單片機(jī)、正弦波發(fā)生器、驅(qū)動(dòng)放大電路、信號(hào)調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換電路以及 信號(hào)輸出及顯示電路，單片機(jī)的輸入管腳與信號(hào)感應(yīng)部分的接收線圈通過信號(hào)調(diào)理電路和 A/D轉(zhuǎn)換電路連接，接收多路模擬量輸入;單片機(jī)的一個(gè)輸出管腳輸出方波信號(hào)，經(jīng)變換后， 輸出正弦波電流，連接信號(hào)感應(yīng)部分的發(fā)射線圈。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于格雷編碼的高速直線電機(jī)動(dòng)子定位系統(tǒng)，其特征在于:所 述的接收線圈和發(fā)射線圈為單匝線圈，發(fā)射線圈設(shè)置1個(gè)，其形狀為矩形，其長(zhǎng)度等于檢測(cè) 范圍；接收線圈中的絕對(duì)地址線圈、精確地址線圈分別設(shè)置10個(gè)和4個(gè)，參考接收線圈設(shè)置 一個(gè)，其與發(fā)射線圈形狀相同；絕對(duì)地址線圈形狀為方波形，其下邊是一條直線，上邊按位 置格雷編碼的規(guī)律上下變化，以形成9位的位置格雷編碼絕對(duì)地址;精確地址線圈其形狀為 方波形，每個(gè)線圈的方波相位相差90°;接收線圈和發(fā)射線圈的首端分別接輸入輸出端子， 尾端接地。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于格雷編碼的高速直線電機(jī)動(dòng)子定位系統(tǒng)，其特征在于:所 述的單片機(jī)為MSP430F149，MSP430F149的通用輸入輸出端口作為數(shù)據(jù)輸入輸出端口，12位 A/D轉(zhuǎn)換由A/D轉(zhuǎn)換電路中的專用的高速芯片完成，其中MSP430F149的P1、P2 口并行為結(jié)果 數(shù)據(jù)輸出端口。
【文檔編號(hào)】G05B19/042GK106094650SQ201610628808
【公開日】2016年11月9日
【申請(qǐng)日】2016年8月3日 公開號(hào)201610628808.3, CN 106094650 A, CN 106094650A, CN 201610628808, CN-A-106094650, CN106094650 A, CN106094650A, CN201610628808, CN201610628808.3
【發(fā)明人】郝成, 楊志剛, 屈濱, 孟凡偉, 羅振中, 劉旭, 呂晶, 王建民
【申請(qǐng)人】華北理工大學(xué)