寄生時(shí)柵式電動(dòng)機(jī)的感應(yīng)信號(hào)非接觸式提取方法*

劉世友 彭東林 付 敏 吳治嶧 王淑嫻 李 云

(①重慶理工大學(xué)機(jī)械檢測(cè)技術(shù)與裝備教育部工程研究中心，時(shí)柵傳感器及先進(jìn)檢測(cè)技術(shù)重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400054;②重慶大學(xué)機(jī)械傳動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400044;③湖南五凌電力有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410004)

準(zhǔn)確、可靠的轉(zhuǎn)子位置及速度檢測(cè)是實(shí)現(xiàn)伺服電動(dòng)機(jī)高性能控制的必要條件［1］。通常檢測(cè)轉(zhuǎn)子信息的方法有兩類:無(wú)傳感器技術(shù)和傳統(tǒng)的機(jī)械傳感器技術(shù)。無(wú)傳感器技術(shù)利用電動(dòng)機(jī)本身運(yùn)行的特性，通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型對(duì)電動(dòng)機(jī)位置進(jìn)行估測(cè)。但各類型的無(wú)傳感器技術(shù)都依賴于假定電動(dòng)機(jī)本身的參數(shù)始終不變，而實(shí)際上這些量在電動(dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中是變化的，其準(zhǔn)確性和精度都不可能達(dá)到很高，同時(shí)該方法僅適用于某些結(jié)構(gòu)上具備“凸極性”的電動(dòng)機(jī)，且不能在全速度范圍實(shí)現(xiàn)位置檢測(cè)，其應(yīng)用范圍很窄［2-3］。

傳統(tǒng)的方法多采用光電編碼器。該方法精確度很高［4］，但其顯著缺點(diǎn)是機(jī)械安裝工藝?yán)щy、一般需改變電動(dòng)機(jī)主軸的尺寸和結(jié)構(gòu);可靠性較差、易受電動(dòng)機(jī)軸頻繁抖動(dòng)干擾的影響，降低了系統(tǒng)的控制性能;此外，高精度光電編碼器價(jià)格昂貴、成本高、不易維護(hù)［5］。

因此，尋找一種既不破壞電動(dòng)機(jī)自身結(jié)構(gòu)，又能在電動(dòng)機(jī)內(nèi)部嵌入一種專門的位置傳感器，實(shí)現(xiàn)全速度范圍精密位移檢測(cè)的方法，是解決電動(dòng)機(jī)位置檢測(cè)的最佳方向。因時(shí)柵結(jié)構(gòu)與電動(dòng)機(jī)有著“孿生”的關(guān)系，所以將時(shí)柵位移傳感器植入到異步電動(dòng)機(jī)的原有結(jié)構(gòu)中，得到一種全新的“寄生時(shí)柵式電動(dòng)機(jī)”，從而獲取電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子位置及速度信息［6-8］。這樣有利于解決目前各種用于電動(dòng)機(jī)位置和速度檢測(cè)方法中存在的精度低、抗干擾能力差、適用性不強(qiáng)、成本高等問(wèn)題。

文獻(xiàn)［6 -7］中實(shí)現(xiàn)了將時(shí)柵激勵(lì)信號(hào)和電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)調(diào)制后穩(wěn)定有效地注入異步電動(dòng)機(jī)當(dāng)中。如何將轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的感應(yīng)信號(hào)提取至?xí)r柵控制器成為我們的亟需解決的問(wèn)題。轉(zhuǎn)子無(wú)法通過(guò)接線方式來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)提取，而電刷引線是解決此類問(wèn)題的常用方法。由于電刷的磨損，以及產(chǎn)生電火花的影響，其可靠性不高［8-9］。此方法可基本實(shí)現(xiàn)信號(hào)的輸出，但其本身的缺陷使得輸出的效果差、實(shí)現(xiàn)難度高。

本文以寄生時(shí)柵式電動(dòng)機(jī)為研究對(duì)象，建立了數(shù)學(xué)模型，找出了影響信號(hào)提取的各種因素，并對(duì)兩個(gè)關(guān)鍵因素進(jìn)行了仿真。結(jié)合分析設(shè)計(jì)出了非接觸式電磁耦合變壓器，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 寄生時(shí)柵式電動(dòng)機(jī)信號(hào)非接觸提取工作原理

非接觸式信號(hào)傳輸系統(tǒng)原理如圖1 所示。調(diào)制后的時(shí)柵信號(hào)和電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)加載于異步電動(dòng)機(jī)三相繞組中，電動(dòng)機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)掃描位于轉(zhuǎn)子處的動(dòng)測(cè)頭線圈產(chǎn)生感應(yīng)信號(hào)。經(jīng)過(guò)濾波后，得到反映時(shí)柵位置和速度的信號(hào)，然后輸入到非接觸式高頻耦合變壓器的原邊線圈。再將副邊線圈電磁耦合信號(hào)提取至?xí)r柵控制器，經(jīng)處理后得到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的位置和速度信息。

在上述過(guò)程中，非接觸式高頻耦合變壓器是實(shí)現(xiàn)信號(hào)提取的關(guān)鍵，其原理如圖2 所示。

在轉(zhuǎn)軸上布置兩個(gè)并排的線圈，使其軸線一致，一個(gè)固定在轉(zhuǎn)軸上隨轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，另一個(gè)固連在基座上。若在其中一個(gè)線圈中通以交變電流，其產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)將通過(guò)另一線圈，從而產(chǎn)生交變感應(yīng)電勢(shì)，如此便實(shí)現(xiàn)了信號(hào)非接觸式提取。由于線圈為圓形，一個(gè)線圈相對(duì)另一線圈同軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，穿過(guò)副邊磁力線不會(huì)發(fā)生變化，從而其互感不會(huì)變化，這樣保證了旋轉(zhuǎn)時(shí)信號(hào)提取不受轉(zhuǎn)速的影響。

2 非接觸式高頻耦合變壓器模型分析

由于非接觸式高頻耦合變壓器原、副邊線圈之間有較大氣隙存在，使漏磁較大，耦合系數(shù)較小，電信號(hào)傳輸能力和效率較低，因此不能按照常規(guī)變壓器模型對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析，必須建立合適的模型。本文利用互感模型來(lái)分析非接觸式高頻耦合變壓器原、副邊線圈之間的耦合能力，這種模型能簡(jiǎn)單且準(zhǔn)確地反映信號(hào)的傳輸關(guān)系。

圖3 中，ω 為輸入信號(hào)頻率;M 為互感系數(shù);I1、I2分別為原、副邊電流;C1、C2分別為原、副邊補(bǔ)償電容;L1、L2分別為原、副邊自感系數(shù)。

由圖3 得輸出電壓U2為

由式(1)可知，增大輸出電壓U2，需增大副邊線圈感應(yīng)電壓jωMI1。通過(guò)選擇副邊側(cè)補(bǔ)償電容C2，使ω2L2C2=1，減小式(1)分母項(xiàng)模值，從而增大U2，則由式(1)得:

輸出功率:

為便于分析，假定非接觸式高頻耦合變壓器原、副邊線圈所用的磁芯相同，線圈的匝數(shù)及繞制方法相同。用圖4 所示等效磁路進(jìn)行分析。

圖4 中，Φm是主磁通;φs是漏磁通;Φ 是初級(jí)線圈產(chǎn)生的總磁通;Rs是耦合變壓器的漏磁阻;Rg是氣隙磁阻;Rc是磁芯本身的磁阻;E 為電路本身的磁動(dòng)勢(shì)。通過(guò)磁路分析可得耦合系數(shù)K 為:

由磁路的KVL 可得:

磁芯確定后其本身的磁阻也隨之確定，因此影響互感與原副邊自感比值的本質(zhì)因素為Rs與Rg。減小Rg或增大Rs都能增大耦合系數(shù)K。根據(jù)磁阻定義，Rg與氣隙長(zhǎng)度成正比，與氣隙磁路面積成反比。由式(5)可以看出，影響耦合系數(shù)K 的主要因素包括磁芯的材料(決定其本身磁阻RC)、相對(duì)位置以及氣隙大小(決定其漏磁阻Rs與氣隙磁阻Rg)。結(jié)合式(1)、(2)、(3)、(5)得出，提高U2、K、P2途徑主要有:減小氣隙長(zhǎng)度;增大原邊線圈輸入電流頻率、幅值;選擇具有較小鐵芯損耗、較高的電阻率和飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度的高頻導(dǎo)磁鐵芯;增大磁路面積。

3 非接觸式高頻耦合變壓器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由非接觸式高頻耦合變壓器原理(圖5a)可知，只要保持左、右邊線圈A、B 的相對(duì)位置，就可實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)部分與靜止部分之間信號(hào)的非接觸信號(hào)提取。根據(jù)時(shí)柵定、轉(zhuǎn)子之間的信號(hào)傳遞形式可將其原、副邊線圈的排列分為沿旋轉(zhuǎn)軸軸向排列和沿旋轉(zhuǎn)軸徑向排列，其結(jié)構(gòu)如圖5b、5c 所示。

由于原、副邊線圈徑向排列產(chǎn)生的Rs較大，加工、安裝方面也存在一定的困難，因此選擇軸向排列。

線圈軸向排列確定后，磁路的走向也就定了下來(lái)。依據(jù)試驗(yàn)用電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子主軸與端蓋的尺寸和之前的理論分析，選用了具有較小鐵芯損耗、較高電阻率和飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度的高頻導(dǎo)磁錳鋅鐵氧體罐形鐵芯(GU72)。

為防止原、副邊線圈發(fā)生抖動(dòng)，用非磁性且非導(dǎo)電的塑鋼材料制作成線圈支架，可保持線圈形狀并且避免線圈與鐵芯接觸導(dǎo)電。變壓器的表面包裹有銅膜可以屏蔽外部電磁干擾。實(shí)物結(jié)構(gòu)如圖6 所示。

4 仿真分析

由非接觸式高頻耦合變壓器的原理可知:影響其信號(hào)傳輸效果最主要的是輸入電流的頻率和氣隙的大小。因此對(duì)這兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行仿真分析。為了分析方便，在仿真時(shí)將磁芯設(shè)為線性導(dǎo)磁材料，相對(duì)磁導(dǎo)率為2 300，電導(dǎo)率為100 s/m，負(fù)載固定為20 Ω，不考慮渦流損耗。

4.1 輸入電流頻率與輸出感應(yīng)信號(hào)的關(guān)系

在變壓器氣隙為0.5 mm，原邊電流為0.1 A 時(shí)，從圖7 中可以看出，隨著頻率的增加，輸出電壓的幅值逐漸增加，當(dāng)頻率增至1 500 Hz 繼續(xù)增加時(shí)，幅值增加并不明顯。由此可知，1 500 Hz 的頻率可大大提高輸出電壓的幅值。

4.2 氣隙與輸出感應(yīng)信號(hào)的關(guān)系

當(dāng)頻率固定為1 500 Hz，對(duì)不同氣隙進(jìn)行仿真，得出輸出波形和氣隙的關(guān)系如圖8 所示。從圖8 中可以看出，氣隙在1.5 mm 以內(nèi)時(shí)，隨著氣隙的增加，輸出電壓幅值下降快，當(dāng)氣隙增至1.5 mm后，幅值的變化很小。因此在滿足實(shí)際的生產(chǎn)工藝和定位安裝的要求下，減小氣隙，可有效提高輸出信號(hào)的質(zhì)量。

5 實(shí)驗(yàn)

依據(jù)仿真分析與實(shí)際的生產(chǎn)工藝和定位安裝的要求，將時(shí)柵激勵(lì)信號(hào)和電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率分別設(shè)為1 500 Hz、50 Hz，非接觸式電磁耦合變壓器的氣隙為0.5 mm，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖9。

由圖9 可以看出，電刷引線方式提取的信號(hào)波動(dòng)明顯，非接觸式提取方式提取信號(hào)的質(zhì)量明顯優(yōu)于電刷引線方式的。

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)所建模型的理論分析，找出了影響寄生時(shí)柵式電動(dòng)機(jī)的非接觸式高頻耦合變壓器U2、K、P2的因素，通過(guò)仿真，確定了影響提取信號(hào)質(zhì)量的兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)為變壓器的氣隙和輸入信號(hào)頻率的最優(yōu)值。

結(jié)合上述因素與實(shí)驗(yàn)電動(dòng)機(jī)具體情況設(shè)計(jì)出了非接觸式高頻耦合變壓器。最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了非接觸式高頻耦合變壓器能很好地實(shí)現(xiàn)時(shí)柵感應(yīng)信號(hào)非接觸提取。相比較常規(guī)的電刷引線的方法，避免了摩擦接觸引起的信號(hào)波動(dòng)、磨損和發(fā)熱，并且可以依據(jù)電動(dòng)機(jī)的尺寸，設(shè)計(jì)相應(yīng)的非接觸式高頻耦合變壓器，降低了信號(hào)提取的實(shí)現(xiàn)難度。

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