无接触电磁控制和执行系统的制作方法

1.本发明涉及电磁控制领域，尤其涉及无接触电磁控制和执行系统。


背景技术：

2.传统动
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静电信号信息传递系统一般是通过集电环（器）和电刷、有源光电、有源射频、有源超声波等方式进行信息传递，采用这些方法传递信息时均会存在一些问题；当采用集电器传递信息时，在体积和位置空间要求严格的环境下集电环—电刷系统安装使用有制约；且由于电刷和集电环之间的摩擦会在工作时产生电火花和电流断续现象，在可燃防爆环境、复杂化学环境和高精度传输环境中无法使用，使用场景受限；并且由于电刷和集电环是摩擦接触使用寿命是有限的，在一些大型设备和特殊环境设备上的更换非常困难，大大的增加了设备维护成本和运行成本。
3.当采用有源光电传递信息时，需要定期更换回传部分供电电池或者为其充电；且在空气通透性差的工作场合无法工作；需要对发光-光敏元件频繁维护，增大工作量。
4.若采用有源射频传递，需要定期更换回传部分供电电池或者为其充电；在复杂电磁环境或者需要电磁辐射洁净度高的场所无法使用；且有源射频电路结构复杂造价高。
5.若采用有源超声波传递：需要定期更换回传部分供电电池或者为其充电；且声污染较重的场所无法使用；传输信息时准确度低；综上所述，现有采用动-静电信号传递信息的系统中均存在以下问题：1、使用场景受限；2、信息在传递过程中易受外界环境影响，造成信息传递效率不高；3、大部分系统需要使用额外的供电，更换系统中的元器件，成本高、效率低。


技术实现要素：

6.本发明所要解决的技术问题是如何利用电磁场传递信息，尤其是对于信息传递环境要求较高的飞行器领域，提出无接触电磁控制和执行系统，包括固定控制和随动执行部分，固定控制部分是把控制信号加工处理后经主励磁线圈转变为电磁能量和电磁信号传递给随动执行系统内的接收线圈；随动执行系统是通过接收线圈把固定控制系统励磁线圈送来的电磁能量转化为电能为系统供电，并从电磁信号中分离出控制电压信号控制随动执行系统完成控制指令，本系统环境适应能力强，可在复杂环境中很好的传递信息。
7.本发明通过下述技术方案实现：无接触电磁控制和执行系统，包括固定控制单元和随动执行单元；所述固定控制单元用于将指令控制信号转化为控制电压信号，并在所述控制电压信号上叠加一个基准电压后，使叠加一个基准电压后的控制电压信号经固定控制单元的主励磁线圈转变为电磁能量和电磁信号，所述电磁能量和电磁信号用于传递给随动执行单元内的接收线圈；所述随动执行单元用于通过所述接收线圈将所述电磁能量转化为电能，电能用于为随动执行单元供电；所述随动执行单元还用于从电磁信号中将基准电压和控制电压信号
进行分离，使控制电压信号解码为指令控制信号，随动执行单元中的执行装置根据该指令控制信号完成对应的指令。
8.由于现有的信息传递中，采用光电传输、超声波或者电刷等方式时，受使用环境中出现的磁场干扰、声场干扰等因素影响较大，造成信息无法被完整准确的传递出去，本技术通过在控制电压信号叠加一个基准电压后进行调制，相当于叠加了磁场，经主励磁线圈转变为电磁能量和电磁信号传递给随动执行系统内的接收线圈；随动执行单元将电磁能量转化为电能为随动执行单元供电，并从电磁信号中分离出控制电压信号控制随动执行单元中执行装置完成控制指令，实现无接触的控制信号、电磁能量的传输，本发明产生的磁场场强稳定，磁场强，因此可以屏蔽外界的磁场干扰，基于稳定的场强，通过将控制电压信号加载在基准电压中，叠加磁场进行信号的传递，受环境的干扰较小，能完整准确的传递信息。
9.进一步地，所述固定控制单元包括计算机主控模块，所述随动执行单元包括电能转换模块和控制模块，所述计算机主控模块内置运行程序，并根据运行程序参照转速将指令控制信号转换为控制电压信号，并通过在控制电压信号上叠加一个基准电压，在主励磁线圈中根据叠加基准电压后的控制电压信号产生励磁磁场；接收线圈将主励磁线圈产生的励磁磁场转化为电压信号；所述电能转换模块将所述电压信号经过整流、稳压和蓄能后转变为供电源，为控制模块供电；所述控制模块从接收线圈输出端的电压取样端口获得电压信号，并将电压信号与控制模块内预置的基准电压进行比对、解码后，控制控制模块输出端输出指令控制信号。
10.进一步地，所述计算机主控模块包括：控制信号解码器模块、信号转换器模块、信号调制模块、基准电压发生器、叠加模块、功率调制模块；基准电压发生器用于产生基准电压；控制信号解码器模块用于将输入的指令控制信号按照编码模式进行解码输出第一控制信号；所述信号转换器模块根据第一控制信号的信号值对基准电压进行正比例调制，得到与第一控制信号成正比例的第二控制电压信号；所述信号调制模块根据基准电压的电压值对第二控制电压信号的信号值进行补偿修正，并根据从转速传感器采集到的转速值对补偿修正后的第二控制电压信号进行反比例调制，得到与转速成反比例的第三控制电压信号；所述叠加模块用于将第三控制电压信号与基准电压的电压值进行加法运算，得到第四控制电压信号；功率调制模块用于将第四控制电压信号的信号值与随动执行单元标定功率进行调制，得到主励磁发射线圈产生相应磁场所需的电压和电流。
11.进一步地，所述控制模块包括：接收解码模块、系统控制模块；接收解码模块用于通过将接收线圈接收到的控制电压信号与接收解码模块内的预置基准电压进行比对，经过加减运算后去除控制电压信号中的基准电压信号，解码转换后得到对应的指令控制信号；系统控制模块用于将指令控制信号与随动执行单元中执行装置的反馈信号进行
比较，根据比较结果精确控制执行装置的工作状态。
12.进一步地，所述固定控制单元还包括第一供电系统，所述第一供电系统包括稳压模块和电源管理模块；稳压模块用于对外部电源做稳压处理，为电源管理模块提供稳定电压；电源管理模块为控制信号解码器模块、信号转换器模块、信号调制模块、基准电压发生器、叠加模块和功率调制模块。
13.进一步地，所述电源管理模块包括升压部分和降压部分，所述升压部分用于为功率调制模块、 基准电压发生器提供高压供电；降压部分为控制信号解码器模块、信号转换器模块、信号调制模块和叠加模块提供低压供电。
14.进一步地，所述随动执行单元还包括第二供电系统，所述第二供电系统包括电池、整流稳压模块、供电管理模块；整流稳压模块用于将接收到的电压做整流稳压处理，为供电管理模块提供稳定电压；供电管理模块为随动执行单元的控制模块提供辅助电源；电池用于为供电管理模块提供辅助电源。
15.进一步地，所述供电管理模块包括升压单元、降压单元、电池管理单元，所述升压单元用于为系统控制模块提供高压供电；所述降压单元为接收解码模块提供低压供电；所述电池管理单元用于控制电池无间隙接入第二供电系统中并为第二供电系统供电；电池管理单元对电池进行定期的充放电保养。
16.进一步地，所述固定控制单元还包括监控回传信号接收线圈，所述随动执行单元还包括监控回传励磁线圈和监测传感器，控制模块通过从监测传感器采集监控信号，并将监控信号与预置的基准电压进行比对，将基准电压信号从监控信号中减去，输出监控回传信号，并通过监控回传励磁线圈将监控回传信号和基准电压信号传输给固定控制单元；计算机主控模块将监控回传信号进行解码后将基准电压叠加在监控回传信号上进行调制还原出监控信号后输出。
17.上述监控回传过程为了是将随动执行单元内诸如：温度、压力等需要监控的数据无接触化传递到固定控制单元，经固定控制单元解码后输出数据信号对系统内温度、压力等信息进行显示。监控信号的传递过程与控制电压信号的传递相比原理相同，过程相反。
18.本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：本发明的有益效果：通过本发明无接触电磁控制和执行系统，通过叠加磁强强度，将控制电压信号叠加基础电压进行调制，再从接收端将控制电压信号分离出来，实现信号的无接触传递，并且叠加的磁场不易受环境干扰，传递信息时更加更加高效；且供电系统中为系统提供高压和低压供电，一方面能减小电流减少发热，提高各模块的工作效率，另一方面低电压使系统中各个模块更安全的工作，另外为了实现无接触的控制，且本发明具有监控回传功能，能对随动执行单元内的监控数据进行监测。
附图说明
19.为了更清楚地说明本发明示例性实施方式的技术方案，下面将对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。在附图中：图1为本发明一种实施例中系统的整体框图；图2为本发明一种实施例中固定控住单元的电路框图；图3为本发明一种实施例中随动执行单元的电路框图；图4为本发明开关控制模式中主励磁线圈输入电压与转速的关系；图5为本发明开关控制模式中接收线圈输出电压与转速的关系；图6为本发明比例控制模式中主励磁线圈输入电压与转速的关系；图7为本发明比例控制模式中接收线圈输出电压与转速的关系。
具体实施方式
20.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
21.实施例1本实施例1无接触电磁控制和执行系统，包括固定控制单元和随动执行单元；所述固定控制单元用于将指令控制信号转化为控制电压信号，并在所述控制电压信号上叠加一个基准电压后，使叠加一个基准电压后的控制电压信号经固定控制单元的主励磁线圈转变为电磁能量和电磁信号，所述电磁能量和电磁信号用于传递给随动执行单元内的接收线圈；所述随动执行单元用于通过所述接收线圈将所述电磁能量转化为电能，电能用于为随动执行单元供电；所述随动执行单元还用于从电磁信号中将基准电压和控制电压信号进行分离，使控制电压信号解码为指令控制信号，随动执行单元中的执行装置根据该指令控制信号完成对应的指令。
22.具体地，如图1所示，所述固定控制单元包括计算机主控模块，所述随动执行单元包括电能转换模块和控制模块，所述计算机主控模块内置运行程序，并根据运行程序参照转速将指令控制信号转换为控制电压信号，并通过在控制电压信号上叠加一个基准电压，在主励磁线圈中根据叠加基准电压后的控制电压信号产生励磁磁场；接收线圈将主励磁线圈产生的励磁磁场转化为电压信号；所述电能转换模块将所述电压信号经过整流、稳压和蓄能后转变为供电源，为控制模块供电；所述控制模块从接收线圈输出端的电压取样端口获得电压信号，并将电压信号与控制模块内预置的基准电压进行比对、解码后，控制控制模块输出端输出指令控制信号。
23.实施例2在实施例1的基础上，本实施例2，无接触电磁控制和执行系统包括固定控制单元
和随动执行单元，其中，如图2所示，计算机主控模块包括：控制信号解码器模块、信号转换器模块、信号调制模块、基准电压发生器、叠加模块、功率调制模块；基准电压发生器用于产生基准电压；控制信号解码器模块用于将输入的指令控制信号按照编码模式进行解码输出第一控制信号；若指令控制信号有多个，则需要按照实际的操作需求对指令控制信号进行分离；所述信号转换器模块根据第一控制信号的信号值对基准电压进行正比例调制，得到与第一控制信号成正比例的第二控制电压信号；所述信号调制模块根据基准电压的电压值对第二控制电压信号的信号值进行补偿修正，并根据从转速传感器cw采集到的转速值对补偿修正后的第二控制电压信号进行反比例调制，得到与转速成反比例的第三控制电压信号；由于系统内执行装置的转速处于时时变化状态，为使接收线圈转化的电压信号与输入的控制信号同步变化，这时必须根据转速变化调制主励磁发射线圈功率（相当于调制了主励磁发射线圈所产生的磁场强度），消除转速变化对接收线圈电压信号的影响。信号调制模块根据转速值对补偿修正后的第二控制电压信号进行调制，调制输出的第三控制电压信号vav1-4与转速值呈反比例，也就是说转速升高vav1-4降低、转速降低vav1-4升高，从而使第三控制电压信号稳定、完整、正确的体现在第二控制电压信号的数值。并且此处选择反比例调制的原理是单位时间内导线切割磁力线次数越多导线两端电压越高，反之越低。执行装置与接收线圈同步转动，要求接收线圈电压在转速变化之中稳定就需要调整主励磁线圈（发射线圈）的电压。
24.叠加模块用于将第三控制电压信号与基准电压的电压值进行加法运算，得到第四控制电压信号；功率调制模块用于将第四控制电压信号的信号值与随动执行单元标定功率进行调制，得到主励磁发射线圈产生相应磁场所需的电压和电流；具体的，计算机主控模块中还可以包括分别与控制信号解码器模块、信号转换器模块、信号调制模块和基准电压发生器进行数据交换和存储的调参/数据存储模块；各模块的运行程序及参数的写入、储存数据的读出，将系统中各模块的运行情况数据进行保存，供故障分析、运行软件升级等。
25.如图3所示，在一种实施方式中，随动执行单元包括接收线圈、接收解码模块、系统控制模块和执行装置；其中：接收解码模块用于通过接收线圈接收到的第四控制电压信号与接收解码模块内的预置基准电压进行比对，经过加减运算后去除第四控制电压信号中的基准电压信号，解码转换后得到指令控制信号；系统控制模块用于将指令控制信号与执行装置的反馈信号进行比较，根据比较结果控制执行装置的工作状态；随动执行单元还可以包括分别与接收解码模块、系统控制模块和执行装置进行数据交换和存储的数据存储模块。
26.上述基准电压发生器产生的基准电压是一个补偿性电压，当第一控制信号为0或接收线圈无感生电流输出，此时基准电压作为随动执行单元的各个模块的电子设备持续供
电；当主励磁发射线圈和接收线圈温度升高时电磁转化率会下降，此时基础电压会升高输出补偿值修正第二控制电压信号的电压值，补偿因温度升高带来的压降；当主励磁发射线圈和接收线圈间隙发生变化使补偿修正后的第二控制电压信号和随动执行单元发射线圈接收到的经过功率调制后的第四控制电压信号不同步时基准电压会调整补偿，同时再次输出补偿值修正第二控制电压信号。
27.具体地，第一供电系统包括稳压模块和电源管理模块，实际使用时还可以根据需要设置外供电隔离模块和备用电池；外供电隔离模块用于隔离外部电源向固定控制单元供电时的电压波动；稳压模块用于对外部电源做稳压处理，为电源管理模块提供稳定电压；电源管理模块为控制信号解码器模块、信号转换器模块、信号调制模块、基准电压发生器、叠加模块和功率调制模块提供电源；备用电池用于为电源管理模块提供辅助电源，在外供电断路的情况下可使用备用电池供电；电源管理模块可以包括升压部分和降压部分，所述升压部分用于为功率调制模块、 基准电压发生器提供高压供电，减小电流使线圈不易发热；降压部分为控制信号解码器模块、信号转换器模块、信号调制模块、叠加模块和提供低压供电，使各模块工作更加安全；当使用备用时，电源管理模块还包括电池管理部分，用于控制备用电池无间隙接入第一供电系统中并为第一供电系统供电；电池管理部分可以对备用电池进行定期的充放电保养，提高电池性能和寿命。
28.具体地，第二供电系统包括电池、整流稳压模块、供电管理模块；实际使用时还可以根据需要设置外供电隔离模块，供电隔离模块用于隔离外部电源向随动执行单元供电时的电压波动；整流稳压模块用于将接收线圈接收到的电压信号做整流稳压处理，为供电管理模块提供稳定电压；供电管理模块为随动执行单元的接收解码模块、系统控制模块、数据储存模块提供辅助电源；电池用于为供电管理模块提供辅助电源，当接收线圈发电部分断路或电能供应不够的情况下系统可切换至电池供电或利用电池辅助供电；供电管理模块包括升压单元、降压单元、电池管理单元，所述升压单元用于为系统控制模块、执行装置提供高压供电，减小电流使执行装置工作效率更高；降压单元为接收解码模块和数据储存模块提供低压供电，使各模块工作更加安全；电池管理单元用于控制电池无间隙接入第二供电系统中并为第二供电系统供电；电池管理单元对电池进行定期的充放电保养，提高电池性能和寿命。
29.在一种实施方式中，所述固定控制单元还包括监控回传信号接收线圈，所述随动执行单元还包括监控回传励磁线圈和监测传感器，监控回传过程为了是将随动执行单元内诸如：温度、压力等需要监控的数据无接触化传递到固定控制单元，经固定控制单元解码后输出数据信号对系统内温度、压力等信息进行显示。监控信号的传递过程与控制电压信号的传递相比原理相同，过程相反。
30.具体地，系统控制模块从监测传感器采集到的监控信号，接收解码模块将监控信号与预置的基准电压进行比对，将基准电压信号从监控信号中减去，输出监控回传信号，并通过监控回传励磁线圈将监控回传信号和基准电压信号传输给固定控制单元，调参/数据存储模块根据监控回传信号接收线圈接收到的基准电压信号进行误差校准，得到校准后的基准电压信号；叠加模块将校准后的基准电压信号叠加到监控回传信号中，得到第一回传信号；信号调制模块将第一回传信号进行反比例调制，得到与转速成反比例的第二回传信
号；所述信号转换器模块根据校准后的基准电压信号对第二回传信号进行正比例调制，得到第三回传信号；所述控制信号解码器模块将第三回传信号进行解码还原出监控信号输出。
31.本发明工作模式有开关控制模式和比例控制模式两种，两种控制模式的不同点在于根据输入的指令控制信号不同，在控制信号解码器模块的解码方式不同，在开关控制模式下，输入的是矩形波信号，控制信号解码器模块根据矩形波解码出相应选择通道的电压值，例如，解码出的电压信号值为0-5v时，第一个信号输入通道打开，0-10v时，第二个信号输入通道打开，以此类推，而在比例控制模式下电压的变化时连续变化的过程，相对于基准电压连续上升或下降的过程，例如，当输入的指令控制信号为0-60
°
的角度信号时，控制信号解码器模块输出的为一个连续电压信号；而根据输入电压与基准电压的关系，在随动执行单元中将输入电压信号还原出来；两种控制模式下系统的工作过程相同：通过控制信号解码器模块将输入的指令控制信号进行信号分离出来后解码为第一控制信号x1；进一步将第一控制信号x1送入信号转换器模块将第一控制信号转换为对应的电压信号，并且第一控制信号被来自基准电压发生器的补偿基准电压信号调制生成第二控制电压信号va，进一步第二控制电压信号va被送入转速/电压调制模块根据转速信号值进行调制输出第三控制电压信号vav,进一步第三控制电压信号vav被送入叠加模块与基准电压发生器送来的基准电压信号vj叠加生成第四控制电压信号vsp，进一步根据第四控制电压信号vsp的值和随动执行单元的标定功率值共同调制出主励磁线圈产生相应磁场所需电压和电流，送入主励磁线圈ql中；进一步主励磁线圈产生以上步骤调制的磁场。
32.而随动执行单元，来自接收线圈qs的电压信号xc进入接收解码模块后与模块内预置基准电压进行比对，加减运算后分离出第一控制信号的信号值，再由模块内转换电路转换为对应的指令控制信号输出。系统控制模块将指令控制信号与执行装置的反馈信号fk进行比较，根据比较结果精确控制执行装置的工作状态。至此指令控制信号被完整的、无接触的传送到执行装置中，实现对执行装置的无接触控制。
33.具体的，如图4、图5所示，在开关控制模式下，线圈输入/输出电压与转速的关系，当输入电压不同时，在接收线圈得到的输出电压为输入电压与基准电压的差值，且得到的输出电压与基准电压均为稳定的一固定值，则开关控制模式工作原理为：固定控制单元：开关控制电压信号由控制电压信号输入端口送入固定控制单元，固定控制单元内置计算机，计算机内预置运行程序，运行程序按照上述过程对开关控制电压信号参照转速进行处理，在主励磁线圈端输出相应电压产生励磁磁场。
34.随动执行单元：接收线圈将主励磁线圈产生的磁场转化为电动势，经整流、稳压、蓄能后成为供电源，为随动执行单元的各个模块正常工作提供稳定、持续的电能。接收线圈输出端设有电压取样端口与系统控制模块相连，系统控制模块将电压信号与预置的基准电压进行比对解码控制相应输出端输出指令控制信号；调参接口：由于主励磁线圈与接收线圈之间间隙在安装时存在少量公差，可通过随动执行单元系统控制模块与监控回传系统的连接将实际基准电压回传至固定控制单元中，再由固定控制单元中的调参端口将实际基准电压输入到基准电压发生器中对基准电压由于公差产生的误差进行校准，调参接口的另一作用是控制模块单片机运行程序的写入。
35.如图6、图7所示，在比例控制模式下，线圈输入/输出电压与转速的关系，输入的为一个连续可变的电压信号，在接收线圈得到的输出电压也为一个连续可变的电压信号；比例控制模式工作原理：固定主控单元：比例控制电压信号是一个连续可调的电压信号，控制电压信号由控制电压信号输入端口送入固定控制单元，固定控制单元内置单片机，单片机内预置运行程序，运行程序对开关控制电压信号参照转速进行处理，在主励磁线圈端输出相应电压产生励磁磁场。
36.随动执行单元：接收线圈将主励磁线圈产生的磁场转化为电动势，经整流、稳压、蓄能后成为供电源，为随动执行单元的各个模块正常工作提供稳定、持续的电能。接收线圈输出端设有电压取样端口与系统控制模块相连，系统控制模块将电压信号与预置的基准电压进行比对解码控制相应输出端输出比例控制指令信号驱动比例执行装置，监控回传的功能是设置在运动执行部分内的子系统，主要作用是将运动部分内诸如：温度、压力等数据无接触化传递到固定控制单元，经固定控制单元解码后输出数据信号对运动部件内温度、压力等信息进行显示。其工作原理与比例控制模式相同，只是过程相反，信号由固随动执行单元传递至固定控制单元。调参接口：由于主励磁线圈与接收线圈之间间隙在安装时存在少量公差，可通过随动执行单元系统控制模块与监控回传系统的连接将实际基准电压回传至固定控制单元中，再由固定控制单元中的调参端口将实际基准电压输入到基准电压发生器中对基准电压由于公差产生的误差进行校准，调参接口的另一作用是控制模块单片机运行程序的写入。
37.以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。