無傳感器磁力軸承轉(zhuǎn)子位移檢測原理的研究

游珍珍

(湖南科技學院 電子工程系，湖南 永州 425100)

無傳感器磁力軸承轉(zhuǎn)子位移檢測原理的研究

游珍珍

(湖南科技學院 電子工程系，湖南 永州 425100)

提出一種新型的無傳感器磁懸浮軸承的控制技術(shù)，即不需要位置傳感器就能檢測到轉(zhuǎn)子的位移信號。主要研究這種無位置傳感器轉(zhuǎn)子位移檢測的方法。在不需要任何附加的控制器的情況下，在功放的輸入端注入一高頻信號，轉(zhuǎn)子位置信息就通過包含高頻分量的線圈電壓或電流獲取。這種位移檢測方法的有效性在仿真結(jié)果中得到了驗證。

無位置傳感器；磁懸浮軸承；位置檢測

0 引 言

主動磁懸浮軸承具有高于其它任何軸承的獨一無二的性能，但是這種優(yōu)勢是以復(fù)雜和昂貴的控制系統(tǒng)換來的。因而降低其成本成為磁懸浮軸承的一個發(fā)展趨勢，而避免使用位置傳感器這種方法的可行性已經(jīng)得到很多專家的證實。除此之外，無位置傳感器還可以提高系統(tǒng)的動態(tài)性能，使磁懸浮的軸向尺寸變小。無傳感器軸承系統(tǒng)中轉(zhuǎn)子位移信息通過測量回路內(nèi)部信號來間接的獲取[1]。

本文我們提出了一種無傳感器磁懸浮軸承的控制技術(shù)。本文提出的方法不同于很多已經(jīng)存在的研究方法，系統(tǒng)既沒有位置傳感器，也不需要加額外的控制器。這種無位置傳感器特別適合在高速場合運行[2]。

1 系統(tǒng)的工作原理

主動磁力軸承的概念來自于基本的電磁線圈，如圖 1所示。

圖1中，X為轉(zhuǎn)子位移，1f，2f為轉(zhuǎn)子所受的磁力，I為偏置電流，i為控制電流。

各軸承線圈的電感分別被定義為：

其中，21,VV為軸承線圈的終端電壓。

圖1 單自由度磁軸承系統(tǒng)

其電磁力則分別為：

動態(tài)磁力軸承在工作點[I+i,I-i,x]=[I,I,0]的線性化模型，把非線性機械動態(tài)方程簡化為線性方程，式中m為轉(zhuǎn)子質(zhì)量[3]。

本文以單自由度無傳感器磁力軸承為研究對象，轉(zhuǎn)子位移自檢測原理如圖2所示。自檢測系統(tǒng)主要由帶通電路、一級放大電路、差動相減電路、解調(diào)電路、低通濾波電路等部分組成。

磁軸承線圈含有阻抗和感抗，其兩端的電壓除了作用在電阻上的直流分量外，還有在電感上高頻信號的交流分量。

帶通濾波器用來提取含有轉(zhuǎn)子位移的中心頻率 ω0成分，濾

除直流電壓和 2ω0以上的交流電壓[4]。最后通過低通濾波器

濾除交流信號就可獲得與轉(zhuǎn)子的位移成比例的直流電壓[5]。

圖2 磁軸承轉(zhuǎn)子位移自檢測系統(tǒng)的原理

2 轉(zhuǎn)子位移自檢測原理

2.1 轉(zhuǎn)子位移檢測原理分析

由于主動磁力軸承系統(tǒng)為開環(huán)不穩(wěn)定系統(tǒng)，故必須對轉(zhuǎn)子位移進行檢測，以實現(xiàn)閉環(huán)控制[6]。

式2和式3在工作點附近可以線性化為式（8）。

利用式（7）和式（9），狀態(tài)空間模型描述如式（10）和式（11）所示。

在電流可測量的情況下系統(tǒng)是可觀測的。根據(jù)式10和式11可獲得位移x的狀態(tài)。然而由于機械非理想性產(chǎn)生的干擾是不能忽略的[7]。因此，在實際系統(tǒng)中如果存在干擾，即使所有的參數(shù)值我們都知道，穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)的估計誤差也總是存在。為了克服上述問題，提出了諸如脈寬調(diào)制信號頻率成分和注入測試信號的方法。

2.2 仿真結(jié)果分析

前面分析了采用線性功放的無傳感器位移檢測電路的原理，此電路只是對單自由度的轉(zhuǎn)子位移進行檢測，輸出的電壓信號可以根據(jù)需要進行調(diào)節(jié)范圍。用PSPICE進行單自由度磁力軸承的位移檢測電路仿真，在測試小信號輸入端用信號發(fā)生器輸入頻率10KHz幅值5V的正弦信號，并調(diào)節(jié)檢測測試電路輸入端的偏置電位器，就可以得到頻率 10KHz幅值1.5A的偏置測試電流。初始氣隙為x=0.4mm，匝數(shù)為N=130，磁極的面積為S=299.26mm2，位移偏移量為-0.4mm至0.4mm時，仿真結(jié)果如圖3所示。圖3是轉(zhuǎn)子在最大位移x= -0.4mm和x=0.4mm處的輸出電壓。

從圖3的仿真結(jié)果可以證實此方法是可行的，位移檢測電路的輸出電壓是雙極性的，電壓范圍在-5V至+5V之間變化。從圖中可以看出，轉(zhuǎn)子在兩個最大值時的輸出電壓近似相等，可得輸出電壓和轉(zhuǎn)子的位移基本上是成線性關(guān)系的。實驗室中一般采用開關(guān)功放，其頻率一般在20KHz以上，而本文采用的高頻測試信號也較高，和開關(guān)功放的頻率相近，會影響電路的測試。故改用連續(xù)的線性功放，這也就說明此方法適合于小功率的場合[8]。

圖3 轉(zhuǎn)子在最大位移處的輸出電壓

3 結(jié) 論

本文主要討論了無傳感器磁力軸承的轉(zhuǎn)子位移檢測不需要專門的位置傳感器，而是通過檢測線圈上的電壓來得到與轉(zhuǎn)子位移成比例的電壓信號。線圈既作為產(chǎn)生磁懸浮力的執(zhí)行器，又作為間接檢測轉(zhuǎn)子位移信號的傳感器，通過在線性功放輸入端注入一高頻小信號作為測試信號，線圈中將相應(yīng)產(chǎn)生一高頻小電流，則氣隙變化引起的線圈電感變化會導致電感兩端高頻電壓的變化，使得該高頻電壓的幅值被調(diào)制，它反映了氣隙的變化規(guī)律。將線圈端產(chǎn)生的電壓經(jīng)過諧振電路，再進行精密半波整流和低通濾波后可以得到一平滑的與轉(zhuǎn)子位移成正比的直流電壓，PID控制器再將此電壓轉(zhuǎn)換為控制信號經(jīng)過線性功放后驅(qū)動電磁線圈，以達到轉(zhuǎn)子位移的閉環(huán)控制，這樣就可以使磁力軸承轉(zhuǎn)子的軸向尺寸變小，系統(tǒng)的動態(tài)性能得到了提高，從而提高了系統(tǒng)的可靠性，降低了總體成本[9]。

[1]Jung-Sik Yim,Jang-Hwan Kim,Seung-Ki Sul.Sensorless position control of active magnetic bearings based on high frequency signal injection method [C].Conference Proceedings-IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition - APEC, v 1, 2003, p 83-88.

[2]施偉策,布魯勒等,虞烈等譯.主動磁軸承基礎(chǔ)性能及應(yīng)用[M].北京:新時代出版社, 1997.

[3]李希南,王鳳翔.無軸承磁懸浮電機系統(tǒng)中的非接觸傳感器[J].微特電機,2005, (3):74-77.

[4]王軍,徐龍祥.磁懸浮軸承轉(zhuǎn)子位移自檢測系統(tǒng)研究[J].傳感器技術(shù),2005,24(3):27-29.

[5]蘇義鑫,王娟,胡業(yè)發(fā).磁懸浮軸承的變參數(shù)PID控制[J].武漢理工大學學報(信息與管理工程版),2004, 26(2):35-37.

[6]吳大正,楊林耀,張永瑞.信號與線性系統(tǒng)[M].北京:高等教育出版社,2002.

[7]Lichuan Li, Tadahiko Shinshi, Akira Shimokohbe. State feedback control for active magnetic bearings based on current change rate alone[J].IEEE transaction magnetics, 2004,40(6):3512-3517.

[8]Yang Jing,Wu Buzhou, Yu Lie. Design method of AMB controller based on the current distribution[J].Hangkong Xuebao,2003,24(4):370-372.

[9]劉雪東,劉泉,胡業(yè)發(fā).磁懸浮軸承轉(zhuǎn)子位置無傳感器自動檢測的研究[J].武漢理工大學學報, 2003, 25(1):62-64.

(責任編校:劉志壯)

Study on the princip le of self-sensing rotor disp lacement of self-sensing magnetic bearing

YOU Zhen-zhen
(Hunan University of Science and engineering, Yongzhou 425100, China)

This paper presents a novel self-sensing control technique for magnetic bearings, namely it can detect displacement signal w ithout position sensor. We mainly research the rotor position estimation method of self-sensing magnetic bearings. The position information of rotor can be extracted from the coil currents or voltage, which contain the high frequency components due to the injected high frequency voltage w ithout any additional hardware. The effectiveness of the position estimation has been verified by simulation results.

Self-sensing; Magnetic bearings; Position estimation

TP212

A

1673-2219（2010）08-0030-03

2010－04－13

游珍珍（1983－），女，湖南省永州人，助教，碩士，主要研究方向為控制理論與控制工程。