團(tuán)隊(duì)介紹

• 李志，博士研究生，研究方向?yàn)榇泡S承技術(shù)、電機(jī)狀態(tài)感知。
• 蘇振中，副研究員，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)榇艖腋〖夹g(shù)、電力集成技術(shù)。
• 胡靖華，助理研究員，博士，研究方向?yàn)殡姍C(jī)狀態(tài)感知與故障監(jiān)測(cè)技術(shù)。
• 李文印，講師，博士，研究方向?yàn)殡姍C(jī)狀態(tài)感知與傳感器分析設(shè)計(jì)與測(cè)試。

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。

研究背景

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。

論文方法及創(chuàng)新點(diǎn)

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

總結(jié)與展望

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。

引用本文

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.