（电力电子与电力传动专业论文）磁轴承用位移传感器的研究.pdf

山东科技大学硕士学位论文 摘要 a b s t r a c t a c t i v em a g n e t i cb e a r i n g ( a m b ) i sat y p eo fn e ws u p p o r t i n ge q u i p m e n t s i n c e a m bh a ss o m ea d v a n t a g e sc o m p a r e dw i t hm e c h a n i c a lb e a r i n g s ，n of r i c t i o n ，w i t h o u t l u b r i c a t i o n ，n ow e a r ，l o n gs e r v i c el i f ea n ds oo n ，m o r ea n dm o r ea t t e n t i o ni s p a i do ni t i nt h es c i e n c ea n de n t e r p r i s ef i e l d i ti s at y p i c a lm e c h a t r o n i c s p r o d u c t ， w h i c hi n v o l v e se l e c t r o m a g n e t i c se l e c t r i c a le n g i n e e r i n g ， m e c h a n i c s r o t o r d y n a m i c s ，c o n t r o lt h e o r ya n dc o m p u t e rs c i e n c e t h ep r i n c i p a lw o r ko ft h i s d i s s e r t a t i o ni st h er e s e a r c ho ft h ed i s p l a c e m e n ts e n s o ro na m ba n dt h er e l a t i v e d e s i g no fe l e c t r om a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y f i r s to fa l l ，t h ea n a l y s i so ft h er e q u i r e m e n to ft h ed i s p l a c e m e n ts e n s o r a p p l i e di na m bi sm a d ei nt h ed i s s e r t a t i o nb a s e do nt h ew o r kp r i n c i p l ea n dt h e c o n f i g u r a t i o no fa m b t h e nr e s e a r c ho ns e v e r a lk i n d so fd i s p l a c e m e n ts e n s o r s a p p l i e di na m bi sd e v e l o p e d a n dt h ea p p l i c a t i o no ft h ee d d yc u r r e n td i s p l a c e m e n t s e n s o ri na m bi sr e s e a r c h e de s p e c i a l l y s o m ep r o b l e m si n c u r r e di nr e s e a r c hi s s t u d i e da n ds o m er e s o l v e n t sa r eg i v e n b a s e do nt h ep r i n c i p l ea n dc h a r a c t e r i s t i co fa m b ，s e l f s e n s i n ga m bi s i n t r o d u c e d ，w h i c hi san e wt y p eo fm e a s u r e m e n to nr o t o rd i s p l a c e m e n ti n a m b d e t a i l e dt h e o r e t i c a ld e d u c t i o ni sp r e s e n t e dw h i c he n s u r et h a tt h ed e s i g ni s f e a s i b l e t h e nas e to fc i r c u i t sr e l a t e dt ot h ed e s i g ni sp r o v i d e db a s e do nt h e t h e o r yo ft h es e l f s e n s in ga m b ，a n dr e l a t e dd e b u g g i n gm e t h o da n dp r o c e s si sg i v e n ， t h er e s u l ti s g o o d e l e c t r om a g n e t i ce o m p a t i b i l i t y ( e m c ) i si m p o r t a n tt ot h ed e s i g no fc i r c u i t e s p e c i a l l yt oa m b ，w h i c hi sat y p i c a lm e c h a t r o n i c sp r o d u c t ，a n di n v o l v e s1 0 to f c i r c u i t st or e a l i z ec o n t r o la n dd e t e c t i o n t h ed e s i g no fe m ci na m bi sp r e s e n t e d b a s e do nt h eb a s i ct h e o r ya n dc r i t e r i o no fe m ca c c o r d i n gt ot h er e a lc o n d i t i o n o fa m bj nt h i sd js s e r t a t j o n k e y w o r d s ：a m b ，d i s p l a c e m e n ts e n s o r ，s e l f s e n s i n g ，e m c 山东科技大学硕士学位沦文 1 绪论 1 1 电磁轴承位移传感器的研究情况和发展趋势 在电磁轴承系统中，传感器反馈的信号是多样的，位移、速度、电流、电磁力、磁 通量等物理量均可作为反馈控制的信号。目前磁力轴承多采用位移传感器。能够实现物 体位移无接触测量的方法很多，但目前国际范围内用于磁轴承的传感器主要有电涡流式 传感器、电感式传感器、电容式传感器、光电式传感器7 1 9 1 们。不同的传感器适应于 不同的环境和条件。 电涡流式位移传感器，是靠探头线圈和被测导体之问的高频电磁相互作用而工作的， 因而它对外磁场比较敏感，比如磁轴承产生的磁场就有可能影响电涡流传感器的工作， 所以涡流传感器的安装要离开磁轴承一定的距离，而且在磁轴承的结构上，应尽量减小 漏磁，并努力在空间布局上减小其对传感器的影响。现在进行磁悬浮轴承研究的单位大 都应用电涡流传感器，这种传感器的控制精度已经可以达到微米级，但是由于这种传感 器对外磁场敏感，机械安装时和轴承必须有一定的距离，因而测量到的值并不能直接反 映轴承位置转子的位移变化，而必须通过解耦计算才能间接得到转子的实际位置，另外， 电涡流传感器对被测材料的要求很高，被测材料的材质必须均匀，否则就会带来很大的 测量误差，直接影响到整个控制系统的控制精度，因而排除材料的影响也是电涡流传感 器在磁悬浮轴承应用当中需要考虑的一个重要问题。 电容式传感器是靠电容的两个极板之间的间隙变化而工作的，对外磁场不敏感，但 是由于受空间限制，电容极板面积一般很小，所以电容量小，阻抗很高，给测量电路带 来一定的困难，而且容易受分布电容的影响。 反射式光电传感器要求被测表面是一个平面，而且具有恒定的反射率。遮挡式光电 传感器没有这些缺点，能够很好的工作，而且具有很高灵敏度和线性度，但光电式传感 器对环境要求苛刻，如灰尘等污物会直接影响其灵敏度和工作点，而且随着时间的推移， 光电器件的灵敏度也会下降。 值得一提的是近几年来出现了无传感器磁悬浮轴承系统。d v i s c h e r ，h b l e u e r 等人 首先提出了无传感器磁悬浮轴承( s e n s o r l e s s a m b 或s e l f - s e n s i n g a m b ) 的概念，并且 首先实现了无传感器磁悬浮轴承系统的稳定悬浮h 1 1 2 。5 “5 2 。由于无传感器系统独特的 生奎型垫查兰堡主兰垡丝壅 堕堡 优势，现在对无传感器磁轴承系统的研究已经成为磁轴承研究当中的一个热点问题，瑞 士联邦工学院、美国v i r g i n i a 大学、韩国汉城大学等都在进行这方面的研究工作h 2 。1 3 1 4 1 5 。目前国内在无传感器磁轴承系统方面的研究工作还比较少，一般都是使用电涡流 传感器测量转子的位移信号。 相对于其他的传感器，在磁轴承系统当中采用无传感器测量方法可以大大减少元器 件的数量，使得整个系统更加简单，从而可以提高系统的稳定性和可靠性。另外采用无 传感器磁悬浮轴承系统可以减少对传感器安装位置的考虑，这样可以缩短转子的长度， 从而更有利于整个系统的控制。传感器器件的减少还可以大大的降低整个系统的成本， 这样就更有利于磁悬浮轴承的推广和应用。由于这些优点无传感器磁轴承系统受到了越 来越广泛的关注，对无传感器磁轴承系统的研究应用将是主动磁悬浮轴承位移传感器的 发展趋势。现在越来越多的磁悬浮轴承研究单位都开始研究无传感器磁悬浮轴承2 7 2 8 。 2 9 3 0 ，3 1 ，3 2 3 3 3 4 ，3 5 3 6 1 1 2 电磁轴承用位移传感器研究的意义 位移传感器是主动磁悬浮轴承系统的重要组成部分之一，它用于检测悬浮转子的位 移信息，然后将信号传输给控制器，构成了系统的闭环回路，使得整个系统能够实现闭 环控制，提高了系统的稳定性。位移传感器检测到的信号直接传送到控制器，是控制器 进行控制调节的参考信号，因此该信号必须要准确可靠，如果没有一个准确的参考信号， 控制器的正确调节就无从谈起，磁悬浮也就无从谈起，因此可以说位移传感器工作性能 的好坏直接影响着转子工作位置的控制精度，在主动磁悬浮轴承研究过程中必须要重视 对磁轴承位移传感器的研究工作。 由于磁悬浮轴承的特殊的工作原理和工作环境的限制，用于检测转子位移信号的传 感器首先必须满足非接触测量的要求，另外还必须有较强的抗干扰能力，尤其是对于强 大电磁场的干扰，同时还要求传感器能够真实的反映转子中心的位移的变化，具有较高 的灵敏度、信噪比、线性度、温度稳定性以及精确的重复性。同时也要求有与转子的转 速相适应的频率响应范围。因此单纯利用市场现有的传感器来检测位移还是不够的，还 需要有针对性的研究工作。 目前电磁轴承系统主要应用的是电涡流式位移传感器，测量的都是转子表面的移动 情况，这只能间接的反映转子中心的位置，当转子转动时，由于转子的粗糙度和材质的 2 i u 东科拄大学硕+ 学位沦文绪论 不同也会带来很大的测量误差，所有这些问题的存在对于磁悬浮轴承的研究发展都会产 生很大的不利影响，因而为了促进磁悬浮轴承的研究工作，推动磁轴承研究的进展，需 要解决在研究当中出现的这些问题，需要对磁轴承用位移传感器进行必要的研究工作。 1 3 论文工作及内容安排 本课题柬源于国家8 6 3 计划项目“超高速磁悬浮轴承电主轴单元”，结合实验室研究 成果，参阅了大量的国内外文献，针对主动磁悬浮轴承系统当中位移传感器在使用过程 中的一些实际问题，主要做了以下一些工作： 1 首先重点介绍了电涡流传感器在主动磁悬浮轴承位移测量方面的应用隋况 及其在应用当中出现的一些问题，并给出了相应的解决方案，取得了一定的 效果。然后又简单分析了其他几种当前可咀应用于磁悬浮轴承位移测量的传 感器的应用情况。 2 着重介绍了无传感器磁轴承系统的工作原理，分析研究了当前国际上几种无 传感器磁轴承系统的研究方法，然后根据实验室的实际情况，提出了一种无 传感器磁轴承系统的设计方案，并对其进行了详尽的理论推导，确保方案的 可行性。根据该方案设计了相应的硬件电路，然后对箕进行了仿真实验，确 定了硬什电路参数，并进行，相关的实验。 3 针对实验室当前的磁悬浮轴承系统的工作情况和工作环境，根据电磁兼容理 论，对整个系统电路进行了相应的电磁兼容设计，提高了系统的抗干扰能力， 使得磁轴承能够更加稳定可靠的工作。 使得磁轴承能够更加稳定可靠的工作。 山东科技大学硕上学位沦文 电磁轴承常用的位移传感器 2 电磁轴承常用的位移传感器 位移信号传感器作为磁悬浮轴承系统的一个反馈回路，用来检测转子的位移信号， 并将该信号传送给控制器，作为控制器进行控制和调节的参考信号，位移传感器工作性 能的好坏将决定着整个控制系统能否正常工作。当前应用于磁轴承位移测量的主要有电 涡流传感器，差动变压器式位移传感器等几种非接触测量传感器。本章将主要对这几种 位移传感器的应用情况及其出现的问题进行讨论和分析。 2 1 电涡流传感器 电涡流传感器由于其良好的工作特性而在主动磁悬浮轴承位移测量当中得到了最广 泛的应用，本节将着重分析讨论电涡流传感器在主动磁悬浮轴承位移测量过程中的应用 情况。 2 1 1 电涡流传感器的工作原理 电涡流式位移传感器是根据涡流效应来工作的，当接通传感器系统电源时，在前置 器内会产生一个高频电流信号，该信号通过电缆送到探头的头部，在探头头部产生交流 磁场凰。如果在磁场研的范围内没有金属导体材料接近，则探头发射出去的交变磁场 的能量会全部释放：反之，如果有金属导体材料靠近探头头部，则交变磁场玩将在导体 的表面产生电涡流场。该电涡流场产生一个方向相反的交变磁场飓，由于上f 2 的反作用， 就会改变探头头部线圈高频电流的幅度和相位，即改变了线圈的有效阻抗，这种变化既 与电涡流效应有关，又与静磁学有关，即与金属导体的电导率、磁导率、几何形状、线 圈几何参数、激励电流频率以及线圈到金属导体的距离参数有关。假设金属导体的材质 是均匀的，其性能是线性和各向同性的，则线圈一金属导体系统的物理性质通常可由金 属导体的磁导率、电导率o 、尺寸因子r 、线圈与金属导体的距离占，线圈激励电流 强度，和频率。等参数来描述。传感器线圈受涡流影响时的阻抗可以用一个函数表示： z = 酞u ，o ，r ，6 ，ir ) 。 当被测物体和传感器探头被确定以后，影响传感器线圈阻抗z 的一些参数是不变的， 此时只有线圈与被测导体之间的距离巧的变化量与阻抗z 有关，如果我们通过检测电路 4 坐查型垫查堂堡主兰焦丝兰 皇堡塑至萱旦竺垡整生壁矍 测出阻抗z 的变化量，也就实现了对被测导体位移量的检测，这就是电涡流式位移传感 的基本工作原理“1 7 。2 1 1 。 电涡流传感器在被测导体中产生的电涡流的路径的包络，沿用h r l o o s 的定义方 法盯1 ，称为涡流环。涡流环完全可以被看作是一个等效电感线圈。因此传感器检测电感 线圈与被测导体之间的相互作用就可以认为是传感器电感检测线圈和涡流环线圈之间的 相互作用。用三，表示检测线圈的电感，r l 表示检测电感线圈的电阻，同样涡流环线圈也 有等效电感和等效电阻，分别用工2 和飓表示，这样三1 和工2 之间的相互作用关系就可以 用互感系数m 来表示，如图2 1 所示。 图2 1电涡流传感器等效电路模型 f i g 2 1 t h ec i r c u i tm o d e lo ft h ee d d yc u r r e n ts e n s o r c r + 严- 翌- 一，唑埘 ( 2 1 ) i j c o m l l + 忸2 + # o l 2 f 2 = 0 解方程组( 2 1 ) ，可以得到传感器检测线圈受被测导体影响后的等效阻抗为： z = 蜀+ 器】+ ， ，一i 黔 c z - z ， 由式( 2 2 ) 可知等效电阻为： 肌r + 器 旺s ， 等效电感为： 。一器 c z 4 ， 5 生查型垫查兰堕主兰篁鲨塞 皇壁塑苎堂旦堕垡壁竺壁堂 系数m 的函数。当传感器与被测导体之间的距离减小时，等效损耗电阻随互感系数的增 大而增大，这一变化与被测导体是不是磁性材料有关；而等效电感则不同，它受到两种 效应的影响，式( 2 4 ) 中第一项和被测体材料无关，仅和探头线圈的自身电感有关，而 第二项则和被测导体的材料有关，也就是与静磁效应有关，当被测材料是软磁材料时， 该项以静磁效应为主，因此，当传感器接近被测体时，传感器等效电感量减小；如果被 测体材料为非铁磁材料或硬磁材料时，传感器的等效电感量则增大。因此，电涡流传感 器的输出特性与被测物体的材料有关，被测物体材料不同，传感器的灵敏度、线性度等 参数也将随之变化。 如果控制磁导率口、电导率盯、结构参数，、激励电流，、激励频率6 9 恒定不变，那 么阻抗z 就成为距离艿的单值函数，由麦克斯韦公式可以求得此函数为一线性函数，其 曲线为“s ”形曲线，在一定范围内，可以近似为一线性函数。电涡流传感器输出特性曲 线如图2 2 所示。 我们一般选择电涡流传感器的工作区间在如图2 2 所示的线性范围以内，这样可以保 证位置与输出信号之间的线性关系，有利于整个系统的调节和控制。一般的电涡流传感 器都有一定线性工作范围，在此范围内传感器的各项技术指标均达到最好，尤其是在线 性中点附近，因此我们一般这样确定传感器的安装位置，使得磁轴承转子在轴承的正中 心位置时传感器工作在线性中点，这样就可以更大限度的利用传感器线性中点处工作性 能可靠的特点。 x ( m m ) 图2 2 传感器输出特性曲线 f i g 2 2 t h ec h a r a c t e r i s t i co ft h eo u t p u to ft h es e n s o r 2 1 2 电涡流传感器在磁悬浮轴承位移测量中的应用 由于电涡流传感器是利用电涡流效应工作的，传感器要通过产生的高频交变磁场探 测探头与被测导体之间的距离，因此必须要考虑传感器周围的工作环境。为此，我们首 先需要了解磁轴承系统当中的转子一轴承结构及整个系统的工作原理，以确定传感器在 6 生变型垫奎堂堡主兰垡丝苎 整个系统当中所处的位黄和所起到的作用 系统中的正确应用。 电磁轴承常用的位移传感器 2 1 2 1 主动磁轴承系统的组成 这样就更有利于电涡流传感器在磁悬浮轴承 主动磁悬浮轴承系统是一个复杂的机电一体化系统，它集机械学、电子学、转子动 力学、计算机科学、控制理论、电磁学、检测技术为一体，主要包括控制器、功率放大 器、电磁铁和传感器。 图2 3 系统结构不意图 f i g 2 3 t h eb l o c kd i a g r a mo fm a g n e t i cb e a r i n g 图2 _ 3 为系统结构示意图，其中各个变量定义如下： g 一轴承的理想气隙；即转子在中心位置时，转子表面与磁轴承内表面之间的单 边问隙。 置一位移传感器的测量值，尤的原点为传感器的探头处，方向朝下为砥，理想气 隙、转子位移量和传感器的测量值三者的关系为：五= c o + 只 y 一轴心的偏移量； 一轴的质量； k 一位移传感器输出电压值； 7 些查型垫查堂堡圭兰垡丝茎皇壁塑至堂里堕笪鳖生壁墨 昨一控制器电压给定值；决定轴的最终稳定平衡点位置。 p 一误差值； 址一控制器输出电压； 一功放偏置电压； 五一偏置电流； ，一控制电流； 兵、羁一上下蕊个电磁铁产生的电磁力。 一个性能良好的主动磁悬浮轴承系统是由控制器、功率放大器、传感器、电磁铁和 磁性材料等相互配合的结果，每一个部分都起着非常重要的作用t 4 1 。 控制器主要是根据传感器检测到的转子位移信号和系统的给定信号，采用一定的算 法对采集到的数据进行相应的处理，产生控制信号。现在我们研究的主动磁悬浮轴承系 统分别采用了模拟p i d 控制器和数字p 1 d 控制器，实现了对转子的稳定的悬浮，其中我 们的数字控制器是用美国t i 公司的d s p 处理芯片t m s 3 2 0 v c 3 3 来建立的，实现了高精 度的稳定悬浮t 5 1 。 功率放大器就是将控制器输出的控制信号放大为相应的电流信号驱动磁轴承线圈产 生磁力，以实现对转子的悬浮。我们现在分别使用了分立开关功放和集成开关功放，集 成功放采用a p e x 公司生产的s a 6 01 3 1 。 位移传感器作为整个磁悬浮轴承系统的反馈回路，用于检测转子的位移信号，并将 该信号传送给控制器作为产生控制信号的参考信号，因此位移传感器性能的好坏对整个 主动磁悬浮轴承系统性能的好坏起着至关重要的作用。 _ _ 。 一 即 y 一 6 籼 厂1 厂、 x 昨h圉哑弹凶 图2 4 轴承一转子结构示意图 f i g 2 4 t h eb l o c kd i a g r a mo fb e a r i n g - r o t o rs y s t e m 8 坐查型垫查兰堡主堂竺笙苎 皇壁塑堡萱旦塑篁堡堡墨塑 我们现在研究的转子认为是剐体，需要考虑六个自由度的运动情况，其中的转子转 动方向的自由度由电机控制，其余的五个自由度都需要轴承进行控制，这样才能实现对 转子在空间的稳定悬浮。如图2 4 所示为轴承一转子系统结构示意图，其中：一辅助 轴承；一前端径向磁轴承线圈；一轴向轴承；一驱动电机；一后端径向轴承线 圈；一径向位移传感器；一轴向位移传感器；一转予。 2 1 2 2 电涡流位移传感器的应用 电涡流位移传感器在磁轴承系统当中是为了测量转子的位移，而磁轴承需要对转子 的五个自由度进行控制，则测量位移的传感器也至少需要五个，分别测量五个自由度上 的位移信号。如图2 4 所示为电涡流位移传感器的安装位置，其中处的传感器用来测 量转子的径向位移，总共有四个，在转子的前端和后端各有两个，分别按9 0 。的夹角安 装，另外还要考虑到传感器探头之间的相互影响，传感器的探头要有适当的间距。为 轴向位移传感器，用于测量转子的轴向位移。 由于磁轴承在正常工作时会在磁轴承线圈附近产生强大的磁场，因此我们就需要考 虑磁场对传感器的影响，电涡流位移传感器由于是靠磁场来工作的，因此，为了使得电 涡流传感器能够正常的工作，就需要考虑传感器的安装位置。一般径向测量的传感器安 装在磁轴承线圈的外测，和磁轴承线圈之间间隔一定的距离，避免强磁场的影响，另外， 电涡流传感器还要求探头与周围金属有一定的间距以保证传感器的正常工作。因此在磁 轴承系统当中我们将电涡流位移传感器安装在如图2 4 所示的位置，轴向传感器测量的 是转子的轴向位移，而径向位移传感器测量的并不是轴承处的转子位移，需要一定的计 算才能得到在轴承处的转子位移。 如图2 5 所示为转子径向偏移示意图：其中 a b c d 为水平线，a e f g 为转轴，a ，d 两点为 径向传感器的安装位置，b ，c 两点为径向磁轴 承的安装位置，显而易见，在a ，d 两处测得的 转轴的位移信号反映的不是b ，c 两处的转轴的 位移。我们可以通过一个简单的计算就可以得到 b ，c 两磁轴承位置的转轴的准确的位置。通过 g abcd 图2 5 转子径向偏移示意图 f i g 2 5 t h er a d i a le x c u r s i o no ft h er o t o r 径向电涡流位移传感器的测量得到a ，d 两处的位移信号，通过计算就可以知道如图所 9 坐查型垫查堂堡圭兰鱼丝苎皇堡塑墨堂旦塑竺鳖堡壁墨 示线段d g 的长度，另外线段a b ，b c ，c d 的长度都是己知量，根据几何当中的相似 三角形的定理可以得到： 生里里；c f ( 2 5 ) a b + b c + c dd g 求解这个方程就可以得到线段c f 的长度，同理也可以得到线段b e 的长度，因而也 就得到了b ，c 两磁轴承处的转轴的准确的位置。因此传感器不放在磁轴承当中仍然可 以使系统得到磁轴承处的准确的转轴位移，这在数字控制中比较容易实现，计算比较简 单，实时性好，一般不会影响系统的控制速度。另外，由于在我们的机械系统当中转轴 的径向间隙相对于转轴的长度非常的小，所以转轴与水平线的夹角不可能很大，因而a ， d 两处测得的位移和b ，c 两处的实际的转轴位移偏差很小，对系统的控制影响不会太 大，我们现在采用的模拟系统就是忽略了这种偏差，转轴已经可以稳定的悬浮，但是如 果要实现对转子悬浮位置的更加精确的控制，就要使用数字控制，采用上面的算法，这 样完全可以克服这种位移测量方法带来的偏差。 2 1 3 电涡流传感器在应用中出现的问题 在实际的研究当中发现，用于主动磁悬浮轴承位移测量的电涡流位移传感器存在一 些问题需要考虑：被测体尺寸的影响，被测体表面加工状况的影响，被测转子材 质对测量的影响，温度变化对传感器测量的影响。鉴于这些问题都将对测量结果产生 影响，以至于影响到整个系统的稳定可靠的工作，因此需要对这些问题进行讨论。 2 1 3 1 被测体尺寸的影响 电涡流位移传感器的探头产生的磁场的范围是一定的，被测体表面形成的涡流场也 是一定的，所以，当被测面为平面时，以正对探头中心的点为中心，被测体直径应当大 于探头头部直径的1 5 倍以上；当被测体为圆轴而且探头中心线与轴心线正交时，一般 要求被测轴直径为探头头部直径的3 倍以上，否则灵敏度就会下降。另外被测体的厚度 也会影响测量结果，在被测体中电涡流场作用的深度出电路振荡频率、导电材料和导磁 率决定，深度b ，可按下式求得： 吩s n s x j 击 旺s ， 其中6 一电导率，f 一磁导率，卜频率( 通常为1 m h z 左右) 。 山东科技大学硕士学位沦文电磁轴承常用的位移传感器 因此如果被测体太薄，将会造成电涡流作用不够，使灵敏度下降，一般厚度大于 o 1 m m 以上的钢等强导磁材料灵敏度不会受到厚度的影响 1 6 1 。 我们现在研究的磁悬浮轴承样机当中的转子都已经充分考虑了尺寸问题，转子的直 径都超过了传感器探头直径的3 倍。被测体厚度也都在l o m m 以上。 2 1 3 2 被测体表面加工状况的影响 被测体表面的加工状况对电涡流传感器的测量结果有较大的影响，不规则的被测体 表面会给实际的测量值造成附加误差，特别是在磁悬浮轴承系统当中的位移测量，对转 子位移的控制有很大的影响，这个误差将会和实际的位置信号叠加在一起，在电气上很 难分离，因此被测表面应该是光洁的，不应该存在刻痕、洞眼、凸台、凹槽等缺陷。通 常，对于震动测量被测表面粗糙度要求在0 4 o 8pm ，我们现在研究的主动磁悬浮轴承 当中的转子都在高精度磨床上进行了磨削加工，光洁度达到了0 1um 。 2 1 3 3 被测转子材质的影响 由电涡流位移传感器的工作原理可以知道，被测体的磁导率和电导率都是影响传感 器测量结果的主要因素，因此要保证测量的准确可靠，就要求被测物体的材质是均匀的。 当前我们的磁悬浮轴承系统当中的被测物体就是被悬浮的转子，由于转子是采用不同的 钢材做成的，很难保证材质的均匀，因此就需要在转子上的传感器检测位置处裹上一层 材质均匀的导磁材料，我们选用的是优质的4 5 # 钢，这层材料的厚度为1 0 m m ，完全可 以满足电涡流传感器的测量要求。 2 1 3 4 温度变化对传感器的影响 磁悬浮轴承系统是依靠磁力作用将转子悬浮起来的，线圈产生相应的电磁力控制转 子的悬浮位置，当转子高速旋转时，会产生很大的热量，使转子一轴承系统的温度显著 升高，这样电涡流传感器就会受到温升的影响，环境温度的升高将会导致传感器测量结 果出现偏差，使磁悬浮轴承的控制系统输出错误的控制信号，因此要使磁悬浮轴承能够 正常的工作，就需要考虑电涡流传感器的温漂问题。 当前我们分别采用了北京清华、上海瑞视和湖南天瑞生产的电涡流传感器，发现这 几个厂家的传感器都有不同程度的温漂现象，发热严重时传感器输出偏差能够达到 1 1 山东科技大学硕士学位沦文电磁轴承常用的位移传感器 o 0 5 m m ，这对于要实现高精度悬浮控制的磁轴承系统是绝对不允许的，因此需要对其进 行一定的补救措施。 首先从传感器的角度考虑，出现温漂是不可避免的，尤其是在温差较大的情况下， 因为根据电涡流的工作原理可以知道，传感器的探头线圈在温度发生变化时，其内阻要 发生相应的变化，因此也就会影响到输出值。这样我们就需要添加一个温度传感器测量 系统的温度，然后对传感器的输出进行校正，就是在传感器探头附近安装一个温度传感 器，根据温度传感器的输出值对位移传感器的输出进行修正。 另外一个补救的方法就是要考虑如何降低转子一轴承系统的发热，目前的转子一轴 承系统的设计还存在一定的问题，导致转子在高速旋转时产生过大的热量，这不仅会影 响传感器的正常使用，而且还会降低磁轴承系统的工作性能。因此就需要改进对转子一 轴承系统的参数设计，减少不必要的涡流损耗。 2 1 3 5 动态响应 由于磁悬浮轴承主要用于高速旋转物体的支撑，因此用于测量的位移传感器必须要 有足够的响应带宽。当前的磁轴承系统的理想转速是6 0 0 0 0 转分钟，因此电涡流位移传 感器的响应带宽至少要大于1 k h z ，现在采用的几种电涡流位移传感器均已经达到了 5 k h z 的响应带宽，完全满足系统的要求。在系统当中设计的滤波电路也考虑到了这一 点，均采用低通滤波，截至频率都在5 k h z ，保证传感器能够及时的响应转子位移的变 化情况。 2 2 其他几种位移传感器 当前在主动磁悬浮轴承位移测量方面应用的传感器除了比较通用的电涡流位移传感 器还有差动变压器式位移传感器、电容式位移传感器、光电位移传感器几种，本节将简 单介绍这几种传感器的应用情况。 2 2 1 差动变压器式位移传感器 差动变压器式位移传感器是一种将机械位移转换为电信号的电磁感应互感式位移传 感器，这种传感器是根据变压器的基本原理制成的，而且次级绕组都用差动形式连接， 所以又叫差动变压器t 2 1 l 。 1 2 山东科技大学硕士学位沦文电磁轴承常用的位移传感器 如图2 6 所示为磁轴承用差动变压器式位移传感器的机械结构及其各个绕组的接线 方式示意图，图中仅画出了一个自由度方向的差动变压器式位移传感器，其中矾。为差 动变压器的初级激励信号输入端，u 0 。为差动变压器的次级输出端。初级线圈同极性串 联，次级线圈反极性串联，中间阴影部分代表转子作为差动变压器式传感器的铁芯，这 图2 6 磁轴承径向差动变压器式位移传感器示意图 f i g 2 6 t h ed i a g r a mo ft h ed i f f e r e n t i a lt r a n s f o r m e ro n r a d i a lm a g n e t i cb e a t i n g t 样当初级输入一个高频激励信号时，次级输出端就会根据转子的位置输出一个相应的电 压信号，然后再对检测电路进行调节，使得当转子在中心位置时输出信号为零，当转子 偏离中心位置时则输出相应的电压信号，再利用检波电路检测转子的偏移方向。 采用差动变压器式位移传感器虽然可以降低系统误差“叩，但是采用这种方案实现的 转子位移测量可能要对转子产生一定的磁力干扰，影响轴承线圈对转子的控制。另外这 也将使得整个磁轴承系统更加复杂，系统的稳定性和抗干扰能力更无法得到保证。 2 2 2 电容式位移传感器 根据磁悬浮轴承的工作原理及整个转子轴承系统的结构，转子位移的测量可以采用 电容式位移传感器，由于结构的限制，采用变极距式电容传感器比较合适。被测物体转 子可以作为电容传感器的一个极板，另一个极板在定子上，这样当转子的位移变化时将 引起极板间距的变化，从而导致电容的变化，由此就可以测量出转子的位置变化，即得 1 3 山东科技大学坝士学位沦文电磁轴承常h j 的位移传感器 到了转子的位移信号，这就是电容式位移传感器的工作原理。 电容式位移传感器对外部磁场不敏感，但是由于受空间的限制，电容极板面积一般 很小，所以电容量小，阻抗很高，这就给测量电路带来了一定的困难，而且还容易受到 分布电容的影响。另外，非接触转子上的静电荷也可能会引起干扰，电容式传感器对灰 尘很敏感，因为灰尘会改变空气气隙中的介电常数。由于这些原因，电容传感器在磁悬 浮轴承位移测量方面受到了极大的限制。 2 2 3 光位移传感器 光位移传感器最简单的原理是，利用被测物体对光源的遮盖作用，在光源的对面设 图2 7 光位移传感器示意图 f i g 2 7 t h ed i a g r a mo fp h o t o e l e c t r i cs e n s o r 置一个光敏传感器，如图2 7 所示，将所产生的光强差别转换成电信号以测量物体的位 置。通过选用恰当的光源、光传感器，就可以获得近乎线性的位移信号“1 。在单自由 度混合磁悬浮轴承系统当中已经成功的应用了这种测量方法。 另外一种就是利用被测物体的反射光，传感器所接收的光线的百分比随着物体的运 动而改变。对于这类系统，光敏二极管、光敏三极管、光敏电阻和光电池均可以用作传 感器，光源的波长应当调整到与传感器相适应，通过对光源的光进行调制和信号解调， 可以使得这种系统对外来，匕的干扰几乎为零。 然而，光位移传感器在许多应用场合并不适用，尤其是在磁悬浮轴承系统的转子位 移测量方面。光电式位移传感器对环境要求苛刻，如灰尘等污物会直接影响其灵敏度和 工作点，其分辨率受到衍射效应的限制，而且随着时间的推移，光电传感器的灵敏度也 会下降，所有这些都会对磁轴承系统的研究带来负面的影响，因此仅在实验室的研究当 1 4 山东科技大学硕士学位沦文 电磁轴承常用的位移传感器 中使用。 2 3 小结 本章首先简单的介绍了电涡流传感器的工作原理，然后又介绍了主动磁悬浮轴承的 转子一轴承系统的结构，对磁轴承系统的各个部分进行了简要的介绍和分析，在此基础 上分析讨论了电涡流位移传感器在主动磁悬浮轴承位移测量方面的应用情况。然后根据 传感器的工作原理及磁悬浮轴承的工作环境，分析了在研究应用过程中出现的一些问题， 并分别给出了合理的解决方案，为磁轴承系统用位移传感器的研究工作打下了基础，并 为磁悬浮轴承的研究和设计提供了一定的参考依据。然后又简单的介绍了差动变压器式 位移传感器、电容式位移传感器和光电传感器在磁悬浮轴承位移测量方面的应用情况， 并指出了其中存在的一些问题。 1 5 山东科技大学硕士学位论文 无传感器磁轴承系统的理论基础 3 无传感器磁轴承系统的理论基础 由于主动磁悬浮轴承的工作的特殊性以及各种位移传感器在检测磁轴承转子位移过 程中存在的一些问题，最近出现了无传感器磁悬浮轴承系统，本章将着重研究无传感器 磁悬浮轴承系统。目前对于无传感器磁悬浮轴承的研究主要分为两种方法，其中一种方 法称为状态估计法，这种方法认为主动磁悬浮轴承系统是一个线性时不变系统，将转子 的位移作为线性时不变反馈控制的一个估计的参数，根据这个系统设计一个l u e n b e r g e r 观测器，从而得到转子的位移信息，由于磁轴承线圈是非线性的，因此这种方法受到了 极大的限制；另外一种方法就是基于纹波的检测方法。本论文主要研究的是基于纹波实 现的无传感器磁悬浮轴承系统。 3 1 无传感器磁轴承系统的工作原理 无传感器磁轴承系统是基于主动磁悬浮轴承的工作原理而建立的，因此需要首先了 解主动磁悬浮轴承的工作原理和电磁铁的机械结构。 由主动磁悬浮轴承系统组成结构可以知道，整个系统主要由控制器、功率放大器、 电磁铁、转子和传感器组成，控制器根据给定信号和传感器的反馈信号进行相应的运算 得到控制信号，功率放大器将控制信号放大，用于驱动电磁铁工作，电磁铁产生的磁力 用于控制转子的位置，传感器用来检测转子的位移信号，其作为整个系统的反馈回路， 构成了闭环控制。本系统就是使用电磁力对转 子进行悬浮，实现无接触的支撑，因此，电磁 ，7 一 、 铁就成了磁轴承的关键部件。如图3 1 所示为、心，7 7 八磁极磁悬浮径向轴承结构示意图，其中的阴 j 乍二：、爹。锄，：! j 影部分代表的是转子，虚线表示各个磁极上的、i 。铲 1 掣、i ， 磁路，由图可知，每个磁极的磁路都要经过轴7 ，一。，、广j 承铁芯、转子和间隙，因此就可以利用这个关。，、二二b 一，、 系建立一个关于问隙和线圈电感之间的函数， 、 。 为了简化起见，下面将以图3 2 所示的模型进 图3 , 1 径向磁轴承示意图 行分析讨论。 。 。 坐查型垫查堂婴主堂堡堡苎 歪堡壁堡蹩塾墨墨竺塑堡丝茔型 图3 2 为带有两个线圈的磁悬浮轴承的简化模型，其中左右两个线圈分别代表在转 子两侧相对位置的两个线圈，s b s 2 分别表示转子与两侧线圈之间的间隙，如果设转子在 中间位置时与轴承的理想间隙为o ，转子偏移量为y ，则s j = c o - - y ，= c o + y 。假设忽 略线圈的漏磁、磁损和磁饱和( 假设磁性材料是线性的) ，由于铁的磁导率p 与空气磁导 率相比要大得多，磁力线离开磁铁时几乎是垂直的，只要交变磁场的波长比起磁场的几 何尺寸大得多，则对于恒定场或交变场都可以采用静态场所用的计算方法。图3 2 中4 1 f 。+ 2 o o o o 图3 2 线圈的简化模型 f i g 3 2 t h es i m p l i f i e dm o d e lo fc o i l s 2 s 2 o o o n 1 2 o 为气隙截面积，设4 斥为铁芯的横截面积，假设整个回路的4 i 为定值，则可得到： 氟= b 斥1 彳扣l2 b n a l ( 3 1 ) 屯= b 扛2 a 盘2 置岛2 4 2 ( 3 2 ) 其中马l 身；2 分别为两个铁芯内的磁通密度，b l l ，b f 2 分别为两处问隙处的磁通密度 由于存在：a 扣1 = 爿1 ，a 斥2 = 爿2 ，则： b 自1 = b = 玩 ( 3 3 ) b 2 = b ，2 = b 2 对于线圈1 ，根据磁路环路定律，可以得到 p 1 d s = f 脚日捌+ 厶h = n i l 1 7 ( 3 4 ) ( 3 5 ) 山东科技大学硕士学位论文 无传感器磁轴承系统的理论基础 其中n i ，为线圈1 中的磁动势，f 缸，衄1 分别是线圈1 的铁芯和气隙中的磁场强度， 由于存在 故式( 3 5 ) 可以变换为： 求解式( 3 7 ) 即可得到： b = p o _ “，h ，。，旦+ 2 s 。堕：，l 。 肛o ，_ o 弘【亦l + 2 s i 同理可得线圈2 中得磁通密度为： 致铂i 索l + 2 s 2 ( 3 6 ) ( 3 7 ) ( 3 8 ) ( 3 9 ) 只要铁芯的磁通密度远低于饱和磁通密度，等式( 3 8 ) 、( 3 9 ) 就是很好的近似。 根据电磁学原理可以知道，电感上是由单匝线圈所产生的所谓绕组磁通与产生该磁 通的电流，之间的比例因子，因此可得： 三：盟：一n b a ( 3 1 0 ) 将式( 3 8 ) 中的磁通密度口1 和气隙横截面积爿l 带入式( 3 1 0 ) ，线圈1 的磁路电感 三1 可由下式近似计算： 2 刚1 1 i 同理也可以得到线圈2 的电感三2 ( 3 1 1 ) ( 3 1 2 ) 由于铁芯中心 1 ，铁芯中的磁化强度经常被略去，这时式( 3 1 1 ) 和式( 3 1 2 ) 可以简化为： 山东科技大学硕士学位论文 无传感器磁轴承系统的理论基础 小咖。“去) 妒n 2 叫击) 在忽略漏磁、磁损、磁饱和以及铁芯中的磁场强度的情况下，式( 3 1 3 ) 、式( 3 1 4 ) 即表示了线圈电感量三和间隙j 之间的函数关系，从式( 3 1 3 ) 、( 3 1 4 ) 可以看出，当线 圈的匝数、铁芯材料固定，磁极面积一定时，线圈的电感和气隙近似成反比关系。这样 就为无传感器磁悬浮轴承的研究提供了一个研究的方法，即对轴承线圈电感的测量，如 果能够测量出轴承线圈的电感量，根据式( 3 1 3 ) 或者式( 3 1 4 ) 中电感l 与间隙s 之间 的函数关系即可得出间隙的大小。由于电磁铁是均匀的分布在转子的四周的，因此通过 对转子各个方向的间隙的测量就可以得到转子在径向的位移信号。 3 2 位移信号的产生 由以上分析可知，需要测量线圈的电感以产生相应的位移信息。对于电感量三的检 测有很多种方法，一般有伏安法，电桥法和谐振法。在磁悬浮轴承系统当中，由于p w m 开关功放的广泛的应用，高频谐波信号比较丰富，因此在测量当中采用了谐振法。本节 主要研究在主动磁悬浮轴承当中无传感器位移信号的产生。 当前在无传感器磁轴承系统的研究过程当中 种方法就是基于p w m 开关功放的谐波分析，另 外一种就是在电磁铁当中耦合一个高频的信号 作为激励。本节将分别研究采用p w m 信号和耦 合高频信号两种方法。 3 2 1 采用p w