磁懸浮軸承具有無磨損、壽命長、無需潤滑和支承特性可控等優(yōu)點(diǎn),在諸多領(lǐng)域呈現(xiàn)了良好的應(yīng)用前景。為解決磁軸承現(xiàn)有位移傳感方法一些固有問題,本文提出一種基于探測(cè)線圈的磁軸承位移檢測(cè)方法,通過在磁軸承磁極上布置探測(cè)線圈實(shí)現(xiàn)定轉(zhuǎn)子相對(duì)位移測(cè)量。
由于具有位移負(fù)剛度特性,磁軸承必須通過閉環(huán)控制才能實(shí)現(xiàn)懸浮運(yùn)行。作為閉環(huán)控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié),轉(zhuǎn)子軸徑向位移的檢測(cè)具有十分重要的作用,位移檢測(cè)的精度及穩(wěn)定性在很大程度上會(huì)影響整個(gè)磁軸承系統(tǒng)性能。
磁軸承轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)主要有兩種方法:位移傳感器檢測(cè)和磁軸承自傳感技術(shù)。傳統(tǒng)的磁軸承系統(tǒng)通過位移傳感器來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)。但主要存在成本高結(jié)構(gòu)復(fù)雜和存在軸向不重合力等問題。目前最常用的兩種自傳感技術(shù),參數(shù)估計(jì)法和狀態(tài)觀測(cè)法,均處于實(shí)驗(yàn)室研究階段,與實(shí)際應(yīng)用還有一定的距離。
因此,為最大限度地提高位移測(cè)量的可靠性和精度,解決上述問題,本文提出了一種基于探測(cè)線圈實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子位移檢測(cè)的復(fù)合位移傳感方法。
磁軸承位移復(fù)合傳感耦合模型如圖 1 所示,探測(cè)線圈繞制于磁極齒部,并通入高頻激勵(lì),與控制繞組在磁路上相耦合。
圖1 復(fù)合傳感耦合方案圖
位移檢測(cè)基本原理為:當(dāng)轉(zhuǎn)子移動(dòng)時(shí)氣隙發(fā)生變化,磁路磁阻亦發(fā)生變化,進(jìn)而導(dǎo)致線圈電感值發(fā)生改變,則通入高頻信號(hào)的線圈電信號(hào)也會(huì)發(fā)生變化。因此通過測(cè)量與高頻激勵(lì)相關(guān)的信號(hào)變化即可計(jì)算出位移大小。
為從探測(cè)線圈信號(hào)中獲取位移信息,建立考慮磁軸承控制信號(hào)影響的總體模型,根據(jù)推導(dǎo)出的位移與探測(cè)線圈和控制線圈信號(hào)之間的關(guān)系,建立如圖2所示的差動(dòng)狀態(tài)下復(fù)合傳感等效電路。
圖2 差動(dòng)復(fù)合傳感等效電路
由于電橋兩端電壓u2在一定轉(zhuǎn)子位移范圍內(nèi)近似不變,則無論轉(zhuǎn)子向上或向下移動(dòng),輸出電壓都與其位移成近似線性關(guān)系。因此,只要檢測(cè)出輸出電壓中激勵(lì)頻率分量幅值得大小,便可以確定轉(zhuǎn)子的位移。
為了驗(yàn)證本文所提復(fù)合位移傳感原理及檢測(cè)方法,在 Simulink 中建立相應(yīng)的仿真模型,仿真結(jié)果如圖3所示,通過仿真驗(yàn)證了復(fù)合傳感方法的有效性及準(zhǔn)確性。
圖3 仿真計(jì)算位移與實(shí)際位移關(guān)系
圖4 試驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)
為進(jìn)一步驗(yàn)證復(fù)合傳感有效性,針對(duì)本文中所設(shè)計(jì)的位移檢測(cè)方案設(shè)計(jì)單自由度簡(jiǎn)化原理驗(yàn)證試驗(yàn)平臺(tái),平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖4所示。在所設(shè)計(jì)的試驗(yàn)平臺(tái)上,通過調(diào)節(jié)氣隙大小,記錄在轉(zhuǎn)子不同位置時(shí)輸出電壓幅值及噪聲,試驗(yàn)結(jié)果如圖5 和圖6 所示。
圖5 檢測(cè)電路輸出信號(hào)幅值與位移對(duì)比
圖6 不同位移下的輸出電壓噪聲
本文提出了一種基于探測(cè)線圈的新型磁軸承位移傳感方案,建立了位移傳感結(jié)構(gòu)的基本理論模型,并設(shè)計(jì)了位移檢測(cè)電路及算法。建立 Simulink 模型驗(yàn)證了所提方法的正確性,通過所搭建的驗(yàn)證平臺(tái)測(cè)量所提位移傳感器方法的靜態(tài)靈敏度及分辨率,結(jié)果顯示其靈敏度為1.2mV/mm,分辨率約為 7mm,表明所提方法能有效實(shí)現(xiàn)位移測(cè)量,并且充分利用了磁軸承本體磁路,增加了磁軸承緊湊性,又克服了自傳感位移檢測(cè)方法魯棒性差等問題。
李志, 蘇振中, 胡靖華, 李文印. 磁軸承復(fù)合位移傳感設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2021, 36(7): 1425-1433. Li Zhi, Su Zhenzhong, Hu Jinghua, Li Wenyin. Design and Experimental Research of Magnetic Bearing Compound Displacement Sensor. Transactions of China Electrotechnical Society, 2021, 36(7): 1425-1433.