一种多目标无源位置检测装置和方法

技术领域

本发明属于直线或环形电机位置检测技术领域，具体涉及一种多目标无源位置检测装置和方法。

背景技术

传统的直线电机或环形电机位置测量一般采用有源位置传感器，如光栅尺或磁栅尺，需要将读数头安装在移动构件上，测量装置体积大，检测不方便，采用无源的磁阻位移传感器可以减小测量装置的体积。

所述磁阻传感器是利用磁阻效应，将外部磁场的变化转化为电阻的变化，通过永磁体提供外部磁场，惠斯通电桥提供电阻变化与电压信号的转换，可以得到永磁体磁化方向和初始磁化方向的夹角与传感器输出电压的近似正弦函数关系。

磁阻位移传感器属于磁阻传感器中的一种类型的传感器。而现有的磁阻位移传感器，通过构造传感器阵列，使多个传感器的线性区域相连并有重叠的部分，在线性区域中对单个动子的位置进行计算。目前仅有单个动子的位置测量方案，对于多动子的直线电机或环形电机控制，需要一种能够观测多个动子位置信号的装置和方法。

发明内容

本发明的目的是为解决现有技术存在的上述问题，提供一种多目标无源位置检测装置和方法。

本发明的多目标无源位置检测方法，动子相对于定子的匀速移动过程中，途径的各个磁阻传感器依次输出一个周期正弦型电压信号，从而得到磁阻传感器电压输出关于动子位置的函数关系，该函数关系中有多个重叠的线性区域，给定电压区间范围可以将函数截取为由多个线性区域组成的锯齿波，通过算法判断每个动子分别处于哪个线性区域，即可根据线性区域中的线性关系求解每个动子的位置。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

一种多目标无源位置检测装置，包括位置检测模块及控制模块，位置检测模块包括检测板、多个永磁体及多个磁阻传感器；

直线电机或环形电机的多个动子上各固定装有一个永磁体，所述多个磁阻传感器平行于所述动子的移动轨迹等距安装于检测板上，多个磁阻传感器等距排布构成磁阻传感器矩阵，所述多个永磁体与磁阻传感器矩阵相邻设置，所述检测板上安装有控制模块，磁阻传感器与控制模块信号连接，对磁阻传感器输出电压进行放大及处理。

进一步的是，所述控制模块包括调理电路及单片机；所述磁阻传感器与调理电路及单片机依次信号连接。

一种多目标无源位置检测方法，所述方法包括以下步骤：

步骤一：归一化处理；使不同磁阻传感器波形的幅值和偏置相同；

步骤二：线性化处理；完成不同磁阻传感器信号归一化处理后，得到多个无偏置，峰峰值相同的正弦型输出波形；取所有相邻磁阻传感器输出符号相反，绝对值相同的输出电压正值的平均值和负值的平均值作为线性化区间上下界，该区间将多个正弦型输出波形截取为由多个线性区域组成的锯齿波，在每个线性区域内，动子位置与对应磁阻传感器输出电压信号近似为线性关系；

步骤三：动子数量判断；设线性化区间的范围为[-h,h]，线性化区间将n个磁阻传感器输出波形划分为n个线性区域，每个磁阻传感器对应一个线性区域，对于处于线性区域内的动子，其对应的磁阻传感器的输出电压在线性化区间[-h,h]内，而其前一个磁阻传感器的输出电压大于h，后一个磁阻传感器的输出电压小于-h，据此条件，判断动子的数量以及动子所处的线性区域对应哪个磁阻传感器；

步骤四：动子位置计算；每个线性区域内，磁阻传感器的输出电压与动子位置成线性关系，动子位置通过对应磁阻传感器的安装位置以及电压与位置的线性关系进行计算。

进一步的是，步骤一中，归一化处理的公式为：

式中，y[i]为第i个磁阻传感器归一化后的输出值；i为磁阻传感器的编号；多个磁阻传感器按动子移动的方向依次定义为第1个磁阻传感器至第n个磁阻传感器，第1个磁阻传感器与首个动子移动的起始位置相对应；max为标幺值；sinmax[i]第i个磁阻传感器输出的最大值；sinmin[i]为第i个磁阻传感器输出的最小值；sinmea[i]为第i个磁阻传感器输出的测量值；sinmea[i]-(sinmax[i]+sinmin[i])/2表示测量值减去第i个磁阻传感器的偏置量，得到无偏置的输出。

进一步的是，步骤四中，所述动子位置通过对应磁阻传感器的安装位置以及电压与位置的线性关系进行计算的公式为：

式中，x

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.现有的多动子直线或环形电机控制系统中需要使用位移传感器对多个动子的位置进行测量，传统的位置检测方式如光栅尺、磁栅尺，虽然测量精度高，但存在拖曳电缆的问题，拖曳电缆会限制动子运行的距离和路径，而且传统的位置检测方式只能检测一个移动的目标，降低工作效率。本发明打破了传统的检测方式，设计可以同时进行多个目标位置测量的检测装置，仅需安装在检测板上的磁阻传感器阵列、调理电路及单片机，以及安装有永磁体的动子，并通过磁阻传感器输出信号给调理电路及单片机即可完成多目标绝对位置检测。本发明中永磁体是运动部件，检测板是固定不动的部件，不存在拖曳电缆的问题。

2.本发明设计的硬件电路结构简单，仅需要磁阻传感器、相应的输出信号调理电路和单片机组成，测量逻辑简单，易于实现。

3.相较于基于霍尔式位移传感器的测量方式，本发明的检测装置及方法成本低，永磁体设计简单。

综上，本发明的多目标无源位置检测装置和方法涉及的是一种多动子直线或环形电机检测装置和方法，可用于多动子直线电机或环形电机的精确位置控制，在工业控制领域具有极高的应用价值。

附图说明

图1为本发明的一种多目标无源位置检测装置的整体结构俯视示意图，动子在直线电机的定子上移动；

图2为本发明的多目标无源位置检测装置的整体结构俯视示意图，动子在环形电机的定子上移动；

图3为本发明的多目标无源位置检测方法的流程图；

图4为本发明的多目标无源位置检测方法的线性化处理步骤及动子数量测量原理的说明示意图；

图5为本发明的多目标无源位置检测方法的动子位置测量原理的说明示意图；

图6为本发明的多目标无源位置检测方法的归一化处理步骤后动子位置与磁阻传感器输出电压的实验波形图；

图7为三个动子匀速运行时的位置检测实验波形图。

上述附图中涉及的部件名称及附图标记汇总如下：

动子1、永磁体2、定子3、磁阻传感器4、调理电路5、单片机6、检测板7。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

具体实施方式一：如附图1、附图2所示，本实施方式披露了一种多目标无源位置检测装置，包括位置检测模块及控制模块，位置检测模块包括检测板7、多个永磁体2及多个磁阻传感器4；

直线电机或环形电机的多个动子1上各固定装有一个永磁体2(所述多个动子1在直线电机或环形电机的定子3上移动)，所述多个磁阻传感器4平行于所述动子1的移动轨迹等距安装于检测板7上，多个磁阻传感器4等距排布构成磁阻传感器矩阵，所述多个永磁体2与磁阻传感器矩阵相邻设置，所述检测板7上安装有控制模块，磁阻传感器4与控制模块信号连接，对磁阻传感器4输出电压进行放大及处理。

进一步的是，所述控制模块包括调理电路5及单片机6；所述磁阻传感器4与调理电路5及单片机6依次信号连接(调理电路5对磁阻传感器4输出电压进行放大，并输出给单片机6进行后续处理)。

具体实施方式二：如附图1-附图7所示，本实施方式披露了一种基于具体实施方式一或二所述的装置实现多目标无源位置检测方法，所述方法包括以下步骤：

步骤一：归一化处理；使不同磁阻传感器4波形的幅值和偏置相同(由于不同磁阻传感器4性能不可能完全一样，各自输出电压关于动子位置的波形的峰峰值和偏置各不相同，需要对输出的数字信号进行归一化处理，使不同磁阻传感器4波形的幅值和偏置相同，便于后续永磁体2数量判断和位置计算)；

步骤二：线性化处理；完成不同磁阻传感器4信号归一化处理后，得到多个无偏置，峰峰值相同的正弦型输出波形；取所有相邻磁阻传感器4输出符号相反，绝对值相同的输出电压正值的平均值和负值的平均值作为线性化区间上下界，该区间将多个正弦型输出波形截取为由多个线性区域组成的锯齿波，在每个线性区域内，动子位置与对应磁阻传感器4输出电压信号近似为线性关系；

步骤三：动子数量判断；设线性化区间的范围为[-h,h]，线性化区间将n个磁阻传感器4输出波形划分为n个线性区域，每个磁阻传感器4对应一个线性区域，对于处于线性区域内的动子1，其对应的磁阻传感器4的输出电压在线性化区间[-h,h]内，而其前一个磁阻传感器4的输出电压大于h，后一个磁阻传感器4的输出电压小于-h，据此条件，判断动子1的数量以及动子1所处的线性区域对应哪个磁阻传感器4；

步骤四：动子位置计算；每个线性区域内，磁阻传感器4的输出电压与动子位置成线性关系，动子位置通过对应磁阻传感器4的安装位置以及电压与位置的线性关系进行计算。

进一步的是，步骤一中，归一化处理的公式为：

式中，y[i]为第i个磁阻传感器4归一化后的输出值；i为磁阻传感器4的编号；多个磁阻传感器4按动子1移动的方向依次定义为第1个磁阻传感器4至第n个磁阻传感器4，第1个磁阻传感器4与首个动子1移动的起始位置相对应；max为标幺值；sinmax[i]第i个磁阻传感器4输出的最大值；sinmin[i]为第i个磁阻传感器4输出的最小值；sinmea[i]为第i个磁阻传感器输出的测量值；sinmea[i]-(sinmax[i]+sinmin[i])/2表示测量值减去第i个磁阻传感器4的偏置量，得到无偏置的输出。

进一步的是，步骤四中，所述动子位置通过对应磁阻传感器4的安装位置以及电压与位置的线性关系进行计算的公式为：

式中，x

本发明的多目标无源位置检测方法包括归一化处理、线性化处理、动子数量判断和动子位置计算四个步骤。前两个步骤是前置工作，负责对每个磁阻传感器4输出电压关于动子位置的波形进行处理，后两个步骤进行动子数量判断和位置计算。

实施例1：

附图1、附图2中，永磁体2固定安装在直线电机或环形电机的动子1上，动子1数目可为多个(附图1、附图2中，动子1的数目均为3个)。动子1可在定子3上运动，定子3可为直线或弧线，本实施例以直线为例；调理电路5对磁阻传感器4输出的微弱电信号进行放大，并经单片机6对信号进行采集并进行数据处理。

附图3中，将本发明的多目标无源位置检测方法分为四个步骤，可以简单归纳为归一化处理，线性化处理，动子数量判断和动子位置计算。

附图4中，两个永磁体2左右并列设置，n个磁阻传感器4以阵列形式排列，归一化处理后的电压输出U关于永磁体位置X的波形，电压U的单位为mV，永磁体位置X的单位为mm。永磁体2到磁阻传感器4的垂直距离为ΔS，相邻两个磁阻传感器4之间保持固定的间距ΔL，线性化区间[-h,h]。具体实施时，首先对磁阻传感器4输出关于动子位置的函数进行归一化处理，磁阻传感器4的输出将通过归一化公式给出：

式中，i为磁阻传感器4的编号，多个磁阻传感器4按动子1移动的方向依次定义为第1个磁阻传感器4至第n个磁阻传感器4，第1个磁阻传感器4与首个动子1移动的起始位置相对应；max为标幺值；sinmax[i]第i个磁阻传感器4输出的最大值；sinmin[i]为第i个磁阻传感器4输出的最小值；sinmea[i]为第i个磁阻传感器输出的测量值；sinmea[i]-(sinmax[i]+sinmin[i])/2表示测量值减去第i个磁阻传感器4的偏置量，得到无偏置的输出。

y[i]为第i个磁阻传感器4归一化后的输出值(譬如附图4中，y[3]为第3个磁阻传感器4归一化后的输出值，y[18]为第18个磁阻传感器4归一化后的输出值)，n个归一化后的输出值将构成附图4中n个幅值相同，无偏置的近似正弦波形。选择相邻磁阻传感器4输出符号相反，绝对值相同时的输出电压，如附图4中M，N点对应的输出电压，取所有的输出电压正值的平均值和负值的平均值作为区间上下界，该区间将多个正弦型输出波形截取为由多个线性区域组成的锯齿波。在每个线性区域内，动子位置与对应磁阻传感器4输出电压信号可以近似为线性关系。在计算每个动子位置之前，需要先对动子1数量进行判断，在附图4中，n个磁阻传感器4对应n个线性区域，对于每个在线性区域的动子1，其对应的磁阻传感器4的输出电压在[-h,h]范围内，而其前一个磁阻传感器4的输出电压大于h，后一个磁阻传感器4的输出电压小于-h，可以根据此条件判断：1)动子1的数量，2)动子1所处的线性区域对应第几个磁阻传感器4。

附图5中，位于第m个位置的第m个磁阻传感器，其对应线性区域CE，CE和其对应的直角边构成的直角三角形CDE；第k个动子1在该线性化区间上的输出电压G点和其对应位置F点构成的直角三角形CFG，第m个磁阻传感器的安装位置L

第k个动子位置可以表示为：

以附图4中的两个动子1为例，两个动子1位于附图4中所示位置时，算法读取到第2个磁阻传感器输出电压y[2]大于h，第3个磁阻传感器输出电压y[3]位于-h到h之间，可以判断位于左侧的动子1位于线性区间3；第17个磁阻传感器4输出电压y[17]大于h，第18个磁阻传感器4输出电压y[18]位于-h到h之间，可以判断位于右侧的动子1上的永磁体在线性区间18，由此确定动子数量为2，分别处于线性区间3和线性区间18，根据动子位置计算公式可以求得位于左侧的动子位置和位于右侧的动子位置分别为

附图6给出了实验时测得的标幺后位置传感器输出电压与动子位置的波形图，正弦波偏置与峰峰值基本相同，且可以划分n个线性区域。

附图7为3个动子1匀速通过检测板7时输出的位置波形图，3个动子1分别是动子一1-1、动子二1-2和动子三1-3；动子一1-1进入前默认输出位置为0，t

本实施例的多目标无源位置检测方法(也即多动子位置检测方法)利用相邻磁阻传感器输出规律，实现了多动子1的数量和位置检测，算法简单，易于操作，在工业上具有较大应用价值。

本发明的工作原理是：多个动子1在定子3上移动时，动子1上的永磁体2为磁阻传感器提供外部磁场，磁阻传感器利用磁阻效应，将该磁场转化为电阻的变化量，并通过惠斯通电桥将该变化量转化为电压输出，当磁阻传感器处于饱和工作状态时(本发明所用磁阻传感器外部磁场场强大于80高斯)，有以下关系式成立：

ΔU＝U

式中，ΔU为磁阻传感器的输出电压；U

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的装体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同条件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。