- 頭條海工大科研人員提出磁軸承位移檢測的新方法，結構簡單、魯棒性好2021-09-10 作者：李志 蘇振中 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語針對傳統磁軸承位移傳感器結構復雜、適裝性差、存在檢測位置與執行器錯位，而位移自傳感方法魯棒性、實用性差等問題，艦船綜合電力技術國防科技重點實驗室（海軍工程大學）的研究人員李志、蘇振中、胡靖華、李文印，在2021年第7期《電工技術學報》上撰文，提出一種基于探測線圈的磁軸承位移檢測方法，通過在磁軸承磁極上布置探測線圈可實現定轉子相對位移測量。
磁懸浮軸承是一種典型的機電一體化產品。由于磁軸承具有無磨損、壽命長、無需潤滑和支承特性可控等優點，使得磁軸承在航空航天、真空潔凈、飛輪儲能系統、人工心臟泵、交通運輸等領域呈現了良好的應用前景。
由于具有位移負剛度特性，磁軸承必須通過閉環控制才能實現懸浮運行。作為閉環控制的關鍵環節，轉子軸徑向位移的檢測具有十分重要的作用，位移檢測的精度及穩定性在很大程度上會影響整個磁軸承系統性能。
傳統的磁軸承系統通過位移傳感器來實現轉子位置檢測。常用的位移傳感器主要有電渦流式、電感式、電容式、光電式等類型。然而，電容式和光電式雖然測量精度高，但無法適應磁軸承在大多數工業應用中的實際工作環境，除了實驗室環境條件外很少應用。
電渦流傳感器精度高，對工作環境要求低，其研究和應用較多。于亞婷等通過有限元法研究和分析了圓柱線圈內徑、外徑、厚度等級對電渦流傳感器線性范圍和靈敏度的影響；北航龐喜浪等設計了一種數字化的電渦流傳感器，但是其工作頻段在MHz級，處理電路復雜，成本較高，高頻渦流效應對材料比較敏感。
電感式位移傳感器適裝性較好，價格相對較低，但精度和帶寬較電渦流傳感器略低，這方面的研究主要是通過有限元設計傳感器結構、優化工作頻率及提升系統帶寬等，如李巍等設計了一種分裝式差動變壓器式電感傳感器，該傳感器一個自由度由分離裝配的兩部分組成，信號自動構成差動輸出。與電渦流傳感器類似，由于位移測點與力作用點錯位，該傳感器也無法測得磁軸承作用面處的位移。
總的來說，實際應用較多的電渦流和電感位移傳感器仍存在以下缺點：①需要單獨的安裝空間，造成系統結構復雜，成本增加；②傳統磁軸承位移傳感器一般安裝在軸承磁極的側面，傳感器與軸承本體錯位，使得傳感器到軸承本體的柔性轉子模態可能相位相反，進而造成系統不穩定。
為解決上述問題，近些年磁軸承系統的自傳感技術（或稱無位移傳感器技術）得到了較為廣泛的研究。相較于傳統磁軸承，采用自傳感的磁軸承存在諸多優勢。自傳感技術簡化了位移傳感器檢測中的輔助電路，從而大大降低系統構建的成本和復雜度。同時自傳感磁軸承的位移檢測與執行器在結構上一體化，軸承本體與位置檢測同位，避免了磁軸承因為柔性轉子模態變化帶來的系統不穩定。
對于自傳感技術，主要有兩種研究方法：參數估計法和狀態觀測法。參數估計法基本原理是檢測磁軸承中控制線圈自感的變化以得到轉子位移，其中又主要包括高頻小信號注入法和脈寬調制（Pulse Width Modulation, PWM）非線性參數估計方法。高頻小信號注入法在電機的無傳感控制領域研究較多，但對于磁軸承控制系統，國內外對此研究較少。
任雙艷等分析了小信號注入法的檢測原理，并對單自由度的磁軸承系統進行了仿真研究，且基于線性功率放大器實現，只能用于小功率場合，局限性較大。對于PWM非線性參數估計方法，由于磁軸承高頻開關信號可以代替外部信號作為載波信號對位移信號進行調制，可通過檢測控制電流中PWM紋波信號估計線圈電感值的大小。
浙江大學唐明對傳統的非線性參數估計模型進行優化，實現磁軸承在0~3000r/min內自傳感穩定運行。浙江大學于潔等分析了渦流對電流紋波的影響，提出一種轉子位移估計策略，可提高位移估算精度。由于此法非常依賴電流紋波幅值的大小，因此對于采用三電平PWM開關功率放大器的磁軸承來說，實用性較差。
自傳感中的狀態觀測法是根據電壓控制型磁軸承系統建立狀態空間模型，由兩個差動電壓及檢測到的電流計算得出轉子位移，但狀態觀測器對磁軸承的參數變化十分敏感，魯棒性較差，不利于工業應用。綜上所述，目前磁軸承自傳感的研究均與實際應用有較大距離。
針對以上問題，海軍工程大學的研究人員設計了一種基于探測線圈檢測的新型復合位移傳感方法，其基本思路是：將探測線圈繞制在磁軸承鐵心上，并通以高頻激勵電壓，通過提取探測線圈中與高頻激勵相關的信息，解算位移的大小。
由于該檢測結構與磁軸承控制執行器相集成，且不依賴PWM電流紋波的大小，魯棒性較好，因此可有效解決傳統傳感器位移檢測中軸向不重合力問題和自傳感實用性差等問題。
圖1 復合傳感耦合方案
磁軸承位移復合傳感耦合模型如圖1所示，以八極磁軸承結構為例，探測線圈繞制于磁極齒部，并通入高頻激勵，與控制繞組在磁路上相耦合。位移檢測基本原理為：當轉子移動時氣隙發生變化，磁路磁阻亦發生變化，進而導致線圈電感值發生改變，則通入高頻信號的線圈電信號也會發生變化。因此通過測量與高頻激勵相關的信號變化即可計算出位移大小。
圖2 試驗平臺機械部分
圖3 試驗平臺電路部分
仿真及實驗結果顯示其靈敏度為1.2mV/mm，分辨率約為7mm，表明所提方法能有效實現位移測量，并且充分利用了磁軸承本體磁路，增加了磁軸承緊湊型，又克服了自傳感位移檢測方法魯棒性差等問題，為實現緊湊可靠的磁軸承位移測量奠定了基礎。
本文編自2021年第7期《電工技術學報》，論文標題為“磁軸承復合位移傳感設計與實驗研究”，作者為李志、蘇振中 等。
