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，即不需要位置傳感器就能檢測到轉子的位移信號。主要研究這種無位置傳感器轉子位移檢測的方法。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。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為轉子位移，1f，2f為轉子所受的磁力，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子的位移成比例的直流電壓[5]。

圖2 磁軸承轉子位移自檢測系統(tǒng)的原理

2 轉子位移自檢測原理

2.1 轉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，仿真結果如圖3所示。圖3是轉子在最大位移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，可得輸出電壓和轉子的位移基本上是成線性關系的。實驗室中一般采用開關功放，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 轉子在最大位移處的輸出電壓

3 結 論

本文主要討論了無傳感器磁力軸承的轉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子位移成正比的直流電壓，PID控制器再將此電壓轉換為控制信號經(jīng)過線性功放后驅動電磁線圈，以達到轉子位移的閉環(huán)控制，這樣就可以使磁力軸承轉子的軸向尺寸變小，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.

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

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(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。