摘 要

基于磁阻电机的磁悬浮导轨可以实现空间五自由度主动悬浮，而间隙测量传感器可实时测量间隙信号并将其反馈给控制器，是高刚度主动悬浮的关键。本文针对磁悬浮运动平台中的磁悬浮导轨间隙测量信号的去噪问题展开研究。

本文对比了常用于测量间隙的电涡流传感器，电容式传感器以及光电式传感器等，确定了具有响应速度快，抗干扰性强的电涡流位移传感器作为间隙测量传感器。

设计了一种磁悬浮导轨间隙测量方案：固定在悬浮运动平台上上的8个电涡流传感器测量电磁铁与导轨之间的间隙信号，发送给speedgoat高性能实时目标机(控制器)，然后经过控制器内置的ADC转换为数字量后借助MATLAB/Simulink平台编写程序进行去噪。

分析了电涡流位移传感器的误差及噪声特点，针对磁悬浮导轨的间隙测量信号含有大量非稳态噪声的问题，运用小波阈值去噪的方法，对间隙测量信号进行去噪。通过设计仿真实验，分析、对比了小波基的选择，小波消失矩的设置，小波分解层数，阈值获取方式以及阈值量化方式等因素对信号去噪效果的影响。重点对7种改进的阈值量化方式进行仿真和对比，同时与传统的软、硬阈值量化方式形成对比，确定了对间隙测量信号的相对具有较大优势的去噪方案：采用sym8小波，将信号分解为10层，使用通用阈值，并采用文中介绍的第7种改进阈值量化方式ThresholdFun7函数进行阈值量化，最终进行小波重构，获得去噪信号。使用这种去噪方案，去噪后的信号信噪比可达30dB以上，均方根误差通常不超过0.1，具有良好的去噪效果。

关键词：小波阈值去噪；阈值量化方式；磁浮导轨间隙测量；电涡流位移传感器

Abstract

The magnetic levitation guideway based on the reluctance motor can be suspended actively with five degrees of freedom, and the gap sensor can measure the gap signal in real time and feed it back to the controller, which is the key to the active suspension with high rigidity. In this dissertation, the problem of denoising the gap measurement signal of the maglev guideway in the maglev platform is studied.

In this dissertation, the eddy current sensor, capacitance sensor and photoelectric sensor which are commonly used to measure the gap displacement are compared, and the eddy current displacement sensor with fast response speed and strong anti-interference is determined as the gap sensor.

The error and noise characteristics of eddy current displacement sensor are analyzed. Aiming at the problem that the gap measurement signal of maglev guideway contains a lot of unsteady noise, the wavelet threshold denoising method is used to denoise the gap measurement signal. Through the design of simulation experiments, the dissertation analyzes and compares the influence of the selection of wavelet basis, the setting of wavelet vanishing moment, the number of signal decomposition layers, the way of threshold acquisition and the way of threshold quantization on the effect of signal denoising. This dissertation focuses on the simulation and comparison of seven improved threshold quantization methods, and at the same time, compared with the traditional soft and hard threshold quantization methods, determines the relatively superior de-noising scheme for gap measurement signal: firstly, the signal is decomposed into 10 layers by using Sym8 wavelet. Then the general threshold is calculated, and the threshold is quantified by the ‘ThresholdFun7’ function introduced in this dissertation. Finally, wavelet reconstruction is carried out to obtain the denoising signal. Using this denoising scheme, the SNR after denoising can be more than 30dB, and the RMSE is usually less than 0.02, which has a good denoising effect.

Key words: wavelet threshold denoising; threshold quantization; maglev guide clearance;

eddy current displacement sensor

目录

第1章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 间隙测量位移传感器 1

1.3 研究目的及要求 2

1.4 电涡流传感器去噪国内外研究现状 3

1.5 研究内容与论文组织结构 4

1.5.1 论文研究内容 4

1.5.2 论文章节及内容 4

第2章 磁悬浮导轨间隙测量方案 6

2.1 磁悬浮导轨直线运动控制系统 6

2.2 间隙测量方案 7

2.2.1 传感器安装位置 7

2.2.2 电涡流位移传感器 8

2.2.3 speedgoat高性能实时目标机(控制器) 9

第3章 基于小波阈值去噪的位移信号去噪研究 12

3.1 电涡流传感器误差及噪声分析 12

3.2 小波变换 13

3.3 小波阈值去噪 17

3.3.1 小波分解 18

3.3.2 小波系数的阈值处理 21

3.3.3 小波重构 23

第4章 改进小波阈值去噪的位移信号去噪 24

4.1 软阈值与硬阈值 24

4.2 改进阈值量化处理方式一 25

4.3 改进阈值量化处理方式二 26

4.4 改进阈值量化处理方式三 27

4.5 改进阈值量化处理方式四 29

4.6 改进阈值量化处理方式五 29

4.7 改进阈值量化处理方式六 30

4.8 改进阈值量化处理方式七 32

第5章 仿真实验与结果分析 33

5.1 仿真信号设置 33

5.2 小波基选择 35

5.3 sym小波消失矩 37

5.4 分解层数比较 38

5.5 阈值获取方式 39

5.6 改进阈值量化方式 42

第6章 结论与展望 49

6.1 结论 49

6.2 进一步研究工作与展望 49

参考文献 51

附录A 程序源代码 53

附录A1 WaveletTest7.m 53

附录A2 WaveletTest8Rep1.m 63

致谢 68

第1章 绪论

1.1 引言

对于精密运动平台，同时实现大行程快速步进和精密定位功能非常困难，近年来磁悬浮技术的发展给这一问题带来了新的思路^{[1, 2]}。国外的精密平台定位技术已经比较成熟，但我国在这方面的研究还有很大的发展空间。国内运用磁悬浮技术实现对精密运动平台直线运动的定位已经开展了一些研究。对于磁悬浮导轨(如图1.1)及磁悬浮直线运动平台，除了需要设计合理的机械结构外，非常依赖先进的控制系统^[3]。为实现足够精准平稳的直线运动，通常需要多达8个装在运动平台内侧的高精度位移传感器，实时获取精确的间隙位移数据，进而反馈给控制系统实现运动平台沿Y、Z轴的微动以及绕X、Y、Z轴的微小转动，保证运动平台工作平面的调平及运动时的精准度等。本课题主要研究位移传感器的间隙测量信号的去噪问题。