一种磁悬浮磁极阵列直线位移尺的位置检测系统及方法与流程

本发明涉及磁悬浮输送系统，尤其涉及一种磁悬浮磁极阵列直线位移尺的位置检测系统及方法。

背景技术：

1、磁悬浮技术作为一种先进的运动传输技术，具有无磨损、超洁净、精密可靠、高效节能等独特优势，在工业传输、交通运输、半导体制造等领域得到了广泛应用。磁悬浮输送系统中，磁悬浮电机作为整个伺服系统的主要执行元件，不需要经过任何机械转换装置直接输出直线力矩，极大提高了系统响应时间，减少了运行过程中的噪声和损耗，然而，磁悬浮电机的稳定运行需要依赖于高精度的位置识别技术，以实现对动子位置的准确监测与控制。

2、在磁悬浮电机的运行过程中，动子位置的精确检测是实现电机稳定控制的关键，动子位置的准确识别不仅关系到电机的运行效率，还直接影响到整个系统的安全性和可靠性，因此，开发一种高效精确的位置检测方法对于磁悬浮电机的应用具有重要意义。

3、例如利用光栅尺技术执行位置检测方案，光栅尺是一种基于光学干涉和衍射原理的高精度位置检测装置，它通常由一块固定光栅和一块移动光栅组成，两者之间存在微小的间隙，当移动光栅相对于固定光栅发生位移时，由于光的干涉和衍射效应，会产生明暗相间的莫尔条纹，这些条纹的移动和变化通过光电转换器件转换成电信号，进而实现对位移量的精确测量，但光栅尺制造精度要求高，且易受外界环境影响，安装要求极高，价格昂贵，同时难以承受强烈的冲击和震动。

4、在现有技术中，磁悬浮电机的位置检测方法主要包括光电编码器、电磁感应等多种技术，光电编码器虽然具有较高的精度，但其结构复杂、成本较高，且对环境条件较为敏感，容易受到灰尘、油污等因素的影响，电磁感应方法虽然成本较低，但精度和稳定性往往难以满足高精度控制的需求。

5、针对相关技术中的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

技术实现思路

1、本发明为了解决上述问题，提出了一种磁悬浮磁极阵列直线位移尺的位置检测系统及方法，实现在当外部永磁体磁场发生周期性变化时，实现高精度、抗干扰性强的位置检测。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、第一方面，本发明提供一种磁悬浮磁极阵列直线位移尺的位置检测系统，该位置检测系统包括：

4、正余弦信号获取单元，用于利用角度传感器获取动磁极阵列相对运动时磁场变化产生的正余弦差分信号；

5、寄存器上电配置单元，用于基于命令帧结构对芯片的寄存器进行配置，并利用配置完成的芯片对角度传感器输出的正余弦差分信号进行动态纠偏，基于动态闭环跟踪细分电路灵活转换正余弦信号；

6、通信协议主站解析单元，用于利用主站接收从站的传输数据并进行解析，根据解析结果获取传输数据的信息状态；

7、磁悬浮动子位置计算单元，用于根据信息状态生成有效标志位，并结合主站解析的细分角度数据与有效标志位输出磁悬浮动子位置。

8、优选的，正余弦信号获取单元包括：

9、角度传感器信息采集模块，用于利用角度传感器采集磁场变化信息，并根据外部磁场与内建磁场的角度信息，判断角度传感器内部电阻变化；

10、磁场变化信息获取模块，用于通过惠斯通电桥将角度传感器内部电阻变化转换为电压差输出，利用电压差的变化趋势与大小确定磁场变化信息；

11、正余弦波形产生模块，用于在感应磁极阵列垂直于角度传感器运动时，利用角度传感器产生正余弦信号。

12、优选的，寄存器上电配置单元包括：

13、命令帧结构组成模块，用于获取预设通信协议传输的控制数据，并利用控制数据组成适用于芯片读写操作的数据命令帧结构；

14、上电通讯配置模块，用于利用数据命令帧结构配置芯片在上电时的寄存器数据，实现通过通讯协议接口传输位置信息，完成芯片通讯；

15、正余弦信号计算模块，用于将芯片与补偿技术结合对正余弦信号进行转换，并利用内部细分电路将补偿后的正余弦信号进行角度计算。

16、优选的，获取预设通信协议传输的控制数据，并利用控制数据组成适用于芯片读写操作的数据命令帧结构包括：

17、发送初始位等待上帧任务的结束，并在上帧任务结束后向从机设备发送工作准备信号，同时发送预设电平信号作为起始位与控制选择位；

18、利用主机设备向从机设备分配器件地址位，基于器件地址位表示从机设备，并根据芯片目的寄存器地址决定寄存器地址位；

19、将控制选择位、地址位与寄存器地址位融合后进行计算，并基于计算结果得到校验数据确定校验位；

20、根据寄存器内部数据定义读写控制位，并利用起始位信号告知从机设备执行数据读取或写入操作；

21、在执行数据读取或写入操作时利用寄存器配置数据位写入寄存器地址数据，并利用校验位验证数据的准确性后发送预设电平信号完成命令帧结构的组成。

22、优选的，将芯片与补偿技术结合对正余弦信号进行转换，并利用内部细分电路将补偿后的正余弦信号进行角度计算包括：

23、将正余弦信号传输至芯片内，芯片利用数字量动态补偿技术与细分技术分别将正余弦信号转换为波形数据与细分角度数据；

24、利用芯片内模数转换器将正余弦信号转化为数字量信号，并将数字量信号传输至芯片内部控制器；

25、基于芯片内部控制器测量正余弦信号的电压、幅值与相位，并利用寄存器数据计算正余弦信号对应的补偿值；

26、通过数模转换器调节编程电路对正余弦信号实施补偿，并利用细分硬件电路将补偿后的正余弦信号进行细分，完成细分计算得到位置数据。

27、优选的，基于芯片内部控制器测量正余弦信号的电压、幅值与相位，并利用寄存器数据计算正余弦信号对应的补偿值包括：

28、对正余弦信号对应的数字量信号进行处理重构，并利用芯片内部控制器将重构后的正余弦信号转换为电压值；

29、基于频谱分析仪测量正余弦信号的振幅，将振幅结果与合成器结合获取信号幅度，并利用矢量合成原理对信号幅度进行频域分析获取幅值结果；

30、利用幅值结果与余弦定理获取正余弦信号的相位信息，并基于利用寄存器数据获取正余弦信号的期望幅值与相位作为补偿计算标准；

31、计算实际幅值与相位值与期望幅值与相位值之间的差值，得到幅值补偿值与相位补偿值，并将幅值与相位补偿值写入至寄存器。

32、优选的，通信协议主站解析单元包括：

33、主站编写模块，用于利用预设通讯协议编写主站解析功能；

34、数据传输模块，用于利用主站产生时钟线，并利用时钟线传输芯片电平脉冲数据，并在传输过程中利用数据线将传输位置反馈至主站；

35、信息状态获取模块，用于利用主站解析数据线反馈的数据，基于解析结果获取包含周期计数器、单圈细分角度值和错误标志位的信息状态数据。

36、优选的，磁悬浮动子位置计算单元包括：

37、有效位判断分析模块，用于分析错误标志位的电平信息，并根据电平信息判断从机的状态验证数据的有效性获取错误位数据；

38、有效位判断生成模块，用于将位置数据与错误位数据结合进行数据有效性判断，输出有效性判断标志信号；

39、磁悬浮动子位置计算模块，用于根据标志信号与单圈细分角度值结合计算并输出磁悬浮动子位置信息，基于位置输出变化趋势确定运动方向。

40、优选的，磁悬浮动子位置信息的计算公式为：

41、 finepos= multiturn* maxsubdivision-angle+ dynamicsingleturnangle；

42、式中， multiturn表示过磁极圈数， maxsubdivision-angle表示角度细分最大值， dynamicsingleturnangle表示动态单圈细分角度值。

43、第二方面，本发明还提供了一种磁悬浮磁极阵列直线位移尺的位置检测方法，该方法包括：

44、s1、利用角度传感器获取动磁极阵列相对运动时磁场变化产生的正余弦差分信号；

45、s2、基于命令帧结构对芯片的寄存器进行配置，并利用配置完成的芯片对角度传感器输出的正余弦差分信号进行动态纠偏，基于动态闭环跟踪细分电路灵活转换正余弦信号；

46、s3、利用主站接收从站的传输数据并进行解析，根据解析结果获取传输数据的信息状态；

47、s4、根据信息状态生成有效标志位，并结合主站解析的细分角度数据与有效标志位输出磁悬浮动子位置。

48、本发明的有益效果为：

49、1、本发明提出一种磁悬浮磁极阵列直线位移尺的检测系统，在通过优化角度传感器的放置方式和信号处理算法，实现对电机动子位置的高速与精确检测，进而利用角度传感器能够感应动子永磁体的磁场变化，通过对输出数据的处理计算位置信息，具有低成本、精度高、抗干扰能力强的优点。

50、2、本发明基于角度传感器，在当外部永磁体磁场发生周期性变化时，角度传感器输出周期性变化的正余弦电压数据，反馈相关位置信息，从而实现高精度、抗干扰性强的位置检测，使得具有响应快、结构简单、成本较低和便于维护等优点。