（机械电子工程专业论文）磁力轴承集成位移检测传感器的分析与研究.pdf

摘要 与传统轴承相比，主动磁力轴承具有无磨损、无须润滑、高精度、无污染， 刚度、阻尼可控等优点，因此它的研究和应用在世界上许多国家受到重视。目前 在国外已经研制出了几类磁力轴承，并开始应用于实际生产。在我国，磁力轴承 的研究还处于实验室阶段，存在不少问题，其中一个重要的问题就是转子位移的 精确检测。 本文就这个问题进行了一些探索，提出了基于数字信号处理器d s p ( d i g i t a l s i g n a lp r o c e s s o r ) 的磁力轴承集成位移检测传感器，并对其进行了分析和研究。 首先，介绍传统的涡流位移传感器，分析其在磁力轴承转子位移检测方面存 在的不可克服的问题。为了解决这些问题，提出了集成位移传感器的解决方案， 给出集成传感器的结构框架，分析其检测转子位移的过程。 其次，运用对比分析的方法，具体比较传统涡流位移传感器和集成位移传感 器的温度特性、线性特性、动态特性和电磁兼容特性。理论分析和实验结果表明， 集成传感器能够解决传统传感器存在的问题，满足了磁力轴承转子位移精确检测 的要求。 虽后，进行了总结并展望了磁力轴承转子位移检测的发展前景。 关键词：磁力轴承，涡流效应，涡流位移传感器特性，数字信号处理器，集成位 移传感器。 a b s t r a c t c o m p a r i n gw i t ht h et r a d i t i o n a lb e a r i n g s ，a c t i v em a g n e t i cb e a r i n g sh a v et o t so f s t r o n g p o i n t s s u c ha s n o n a b r a s i o n ，n o n - l u b r i c a t e ，n o n - p o l l u t i n g ，h i g h p r e c i s i o n ， a d j u s t a b l er o t a t es p e e de t c ，s oi t sr e s e a r c ha n da p p l i c a t i o nw a sm o r ea n dm o r e p o p u l a ri nm a n yc o u n t r i e s ，n o w a d a y s ，s o m ek i n d so fm a g n e t i cb e a r i n g sh a v eb e e n p r a i s e di no u t s i d ec o u n t r y o u rr e s e a r c ho fm a g n e t i cb e a r i n g si sj u s to nl a b o r a t o r ya n d h a sm a n yd i f f i c u l tp r o b l e m sw h i c hn e e du st os o l v e a n dt h ep r e c i s i o nm e a s u r e m e n t o fr o t o r d i s p l a c e m e n t i s t h e o f l eo f m a j o r i s s u e s i no r d e rt or e s o l v et h e p r o b l e m ，i n t e g r a t e dd i s p l a c e m e n t s e n s o rb a s eo n d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) f o rm a g n e t i cb e a r i n g si sp u tf o r w a r d - f i r s t l y , i n t r o d u c e t r a d i t i o n a le 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 ra n di t s u n c o n q u e r e dp r o b l e m s a r ee m p h a s i sm e n t i o n e d t h e nd e s i g nt h ef a m eo ft h e i n t e g r a t e dd i s p l a c e m e n ts e n s o rs y s t e ma n dr e c o m m e n d i t sp r o c e s so fm e a s u r i n gr o t o r d i s p l a c e m e n t s e c o n d l y , c o m p a r a t i v e l ya n a l y z et h ec h a r a c t e r i s t i co ft r a d i t i o n a le d d yc u r r e n t d i s p l a c e m e ms e n s o ra n di n t e g r a t e dd i s p l a c e m e n ts e n s o r t h et h e o r ya n d t h er e s u l to f e x p e r i m e n ti n d i c a t e t h a tt h ei n t e g r a t e dd i s p l a c e m e n ts e n s o rc a ns o l v et h ed i f f i c u l t p r o b l e m so ft r a d i t i o n a ld i s p l a c e m e n ts e n s o rp e r f e c t l ya n dc a ns a t i s f yt h er e q u e s to f a c t i v em a g n e t i cb e a r i n g s f i n a l l y , s u m m a r i z et h ew h o l et h e s i sa n dp r o s p e c tt h ef o r e g r o u n do fm e a s u r i n g m a g n e t i cb e a r i n g sr o t o rd i s p l a c e m e n t k e yw o r d s ：m a g n e t i cb e a r i n g s ，e d d yc u r r e n te f f e c t ， e 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 rc h a r a c t e r i s t i c ， d s p ( d i 西l a ls i g n a lp r o c e s s o o ， i n t e g r a t e dd i s p l a c e m e n t s e o s o r 1 1 武汉理丁大学硕士学位论文 1 1 磁力轴承发展 第1 章绪论 磁力轴承是利用磁力将转子无机械摩擦、无润滑的悬浮在空间的一种高性能 轴承，是集机械学、力学、检测理论、控制工程、电磁学、电子学和计算机科学 等学科于一体的典型的机电一体化产品。它具有高精度、无污染、刚度、阻尼可 控等诸多不可比拟的优点，被喻为2 1 世纪的轴承，应用前景十分广阔。 磁悬浮理论在1 0 0 多年前就已经出现了1 8 4 0 年英国剑桥大学的恩休( s e a m s h a w ) 教授从理论上证明了单靠永久磁铁是不能使物体在空间六个自由度上 都保持稳定悬浮的口1 。唯有采用抗磁性材料才能依靠选择恰当的永久磁铁结构与 相应的磁场分布而实现稳定悬浮pj 。然而，由于控制理论、控制元件、控制电路 等方面的问题没有解决，早期的磁悬浮研究主要侧重于无源( 被动) 悬浮 4 1 由 于无源悬浮刚度小、阻尼差，主要应用于仪器仪表，无法应用于大负载、高刚度 的主轴部件。 从7 0 年代末到8 0 年代初，随着现代控制理论的发展，电子元器件技术的日 臻完善，人们逐步开始将主动磁力轴承推广应用到工业设备中，相应的控制方法 也从单自由度控制( 古典控制理论) 发展到多自由度控制( 现代控制理论) 。1 9 7 7 年，法国s 2 m 公司开发出了世界上第一台转速为2 4 万转的高速机床电主轴。 1 9 8 1 年，s 2 m 公司在h a n o v e r 欧洲国际机床博览会上，首次向公众推出了b 2 0 5 0 0 主轴系统，并在3 5 0 0 0 r p m 下进行了钻、铣、削的现场演示，其高速、高 效、高精度、低功耗的优良性能引起了国际上的关注。 进入9 0 年代，随着计算机、微电子和控制理论的快速发展，磁力轴承的控 制方法和应用领域得到不断的发展。1 9 9 0 年g s c h w e i t z e r 教授在文献p j 中提出了 数字控制问题，1 9 9 4 年发表的文献1 6 j 探讨了高速磁悬浮转子数字控制问题，1 9 9 6 年在日本召丌的第五届国际磁力轴承学术研讨会上，将数控磁力轴承作为一个专 题柬研究n1 9 9 8 年瑞士联邦理工学院的r v u i l l e m i n 和b a e s c h l i m a n n 等人提 出了磁悬浮硬盘驱动器，对磁悬浮硬盘从结构到控制进行了研究j 。 国内的磁力轴承的发展和研究的起步较晚，1 9 8 2 年清华大学的张祖明、温 诗铸就小铜球的单自由度磁悬浮进行了理论分析和试验研究例。1 9 8 3 年上海微电 机研究所采用径向被动、轴向主动的混合型磁悬浮研制了我国第一台全悬浮磁力 轴承样机i l o j 。这些研究l b 于模型简单、刚度小、负载低，离工业应用还有很大 距离。1 9 8 8 年哈尔滨工业大学的陈易新、胡业发等提出了磁力轴承结构优化设 武汉理工人学硕士学位论文 计理论和方法，建立了主动磁力轴承机床主轴控制系统数学模型，这是国内首次 对主动磁力轴承全悬浮机床主轴从结构到控制进行的系统研究f l l 】( 1 2 1 。随后，清 华大学、西安交通大学、武汉理工大学、北京工业大学、南京航空航天大学、天 津大学、上海大学等相继投入人力和物力进行研究。国防科技大学、西南交通大 学用磁悬浮技术研究成功磁悬浮列车。 总之，随着科技的进步，磁力轴承的发展和应用的前景也越来越宽广。 1 2 主动磁力轴承的组成 主动磁力轴承是利用可控电磁力将转轴悬浮起来，它主要由转子、电磁铁、 传感器、控制器和功率放大器等组成m l 。其组成结构和原理如图1 - 1 所示。 参考 差动 检测 图1 1 磁力轴承组成 图1 1 是一个负反馈环节的系统。其工作过程如下：首先给系统通以理论 计算的参考信号，使转子悬浮在平衡位置，当转子受到外界干扰而偏离平衡位置 时，位移传感器就检测到转子的偏移量，经过处理后，把偏移信号负反馈给控制 器，控制器经过一定的控制算法产生控制信号，然后通过功率放大器产生控制电 流给定子电磁铁，电磁铁产生相应的磁力维持转予的平衡和稳定。 1 3 磁力轴承的位移检测系统 图1 1 中，传感探头和调理电路构成磁力轴承的转子位移检测系统，它检测 的转子位移信号是控制系统准确控制的依据，因此在整个系统中占有重要的依 据。 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 1 磁力轴承系统对位移检测的要求 磁力轴承是个复杂的系统，其在转子位移检测方面有如下要求0 3 1 1 “】： 1 ) 非接触式。磁力轴承的位移传感器检测的是轴承转子表面与定子表面之 划动动态气隙的大小，因此必须使用非接触式的传感器。 2 ) 高精度。为了提高磁力轴承的性能和承载能力并减小悬浮所需的电磁力， 轴承和旋转轴之间的气隙应尽可能小，一般在几十分之一毫米到零点几毫米之 间。如此小的间隙，对旋转轴偏心位移的测量精度自然要求很高。在实际应用当 中，要保证磁力轴承的优点，必须高精度地测量旋转轴的位移，并严格控制旋转 轴的偏心度，否则，将会严重降低磁力轴承的性能，甚至造成不稳定和破坏性后 果。 3 ) 受好的温度稳定性。由于磁悬浮转子的工作特性，其工作过程中有部分 电能转化为热量：其高转速的工作特性也会引起空气的涡流，引起温升。磁悬浮 转子的工作温度的高低影响着其位移检测系统中的传感器的温度特性，传感器的 温度特性影响着位移检测的精度，位移检测精度直接影响着磁悬浮转子的控制精 度。因此，传感器要有良好的温度稳定性。 4 ) 极高的灵敏度、线性度和分辨率。由于磁力轴承定子和转子之间气隙变 化很小为了达到精确测量和控制，就需要传感器有极高的灵敏度、线性度和分 辨率，这样转子位霍的微小变化都能精确检测到。 5 ) 良好的动态响应。磁力轴承的工作转速非常高，对其控制要有实时性， 作为控制依据的转子位移检测也要有实时性，这就要求传感器必须有足够快的动 态响应。 6 ) 抗干扰能力强。磁力轴承转子的悬浮是由定子电磁铁通过改变磁力来控 制的，因此在系统工作时必然会引起周围磁场的变化，对于位移传感器来说，电 磁干扰不可避免，这就要求传感器要有较高的抗干扰能力，尽量消除电磁干扰的 影响。 另外，对于磁力轴承产业化来说，位移检测传感器还要体积小，成本低，结构和 制作工艺简单。 1 3 2 磁力轴承位移检测的研究现状 从圈内、外的资料来看，可用于磁悬浮转r 位移检测的传感器主要有电容 式、光栅式、光纤式、电感式、霍尔效应式、激光式、光电式、磁敏电阻式等等。 这些传感器各有其特点。f 面从一砦常用传感器的原理来分析，看它们在磁悬浮 武汉理丁大学硕士学位论文 转子位移检测的应用前景。 电容式位移传感器“。电容传感器的测量原理是利用两个极板之间电容量 的变化与极板间距的变化有一定的数学关系，如果一个极板固定，一个极板可动， 则可根据电容量的变化计算出可动极板相对于固定极板的位移。电容传感器具有 灵敏度高、分辨率高、动态响应好、体积小等优点：但其缺点也很明显，由于电 容量小，易受外界因素的影响，在磁力轴承位移测量中，电容的动极板是旋转轴， 这给电极的引出带来不方便并会降低可靠性，这限制了它在磁悬浮转子位移检测 上的应用。 光纤式位移传感器m 】。光纤位移传感器从测量原理上分为传光型和功能型两 种，测量旋转轴的位移和振动采用传光反射方法，其原理是：发射光纤和接收光 卜口卜 征i j ： i 块 图1 - 2 光纤式传感器的原理图 纤并排对准物体，发射光纤发出的光经物体反射后被接收光纤接收，接收光强随 物体与光纤端面的距离不同而变化，如果光纤端面固定不动，则可根据接收光强 的变化计算物体的位移。如图1 2 所示，光纤传感器具有灵敏度高、抗电磁干扰 能力强等优点。在磁力轴承系统中，轴在旋转过程中产生的偏移和振动，有可能 使接收光纤收不到光信号，同时光纤传感器需要安装光源及光学器件，使测量系 统变得复杂，成本增加，所以在磁力轴承系统中很少应用。 霍尔效应式位移传感器1 1 7 1 1 ”i 。将霍尔元件( 半导体材料) 置于磁场中，如图 1 3 所示，两端通阻电流，当电流方向与磁场方向不一致时，电荷在运动过程中 受磁力的影响积聚于两端，因而在平行于电流和磁场方向的两个端面间产生电动 w 豳1 - 3 霍尔传感器效果图 圈1 - 4 霍尔传感器电路原理图 缸剃两 一 。0 小礤n 卜 雌当；一 参一 | 擞净 卜 收 燃妒卜一 武汉理t 大学硕士学位论文 势，这一现象称为霍尔效应。利用霍尔效应制作的位移传感器就是霍尔式位移传 感器。 电感式位移传感器分为变磁阻式、差动变压器式和电涡流式三类m 1 。 1 ) 变磁阻式传感器 变磁阻式传感器由线圈、铁芯和衔铁三部分组成，结构如图1 5 所示，其测 量位移的原理分为变气隙厚度6 和变气隙面积s 两种。 图1 - 5 变磁阻式传感器原理图| 璺ll 6 电感与气隙之间的关系 ( 1 ) 变气隙厚度6 线圈铁芯和衔铁之间的气隙厚度为8 ，当铁芯固定不动，衔铁上下移动时， 气隙厚度6 会发生相应变化，从而引起线圈电感l 的大小发生变化，5 的微小变 化会使l 发生很大的变化，所以检测灵敏度很高，但是线性度比较差，图卜6 是传感器的6 一l 关系曲线。实际测量电路采用两个结构完全相同的铁芯线圈组 成差动电感式传感器进行位移测量。变气隙厚度6 的差动电感式位移传感器具有 灵敏度高、抗干扰能力强等优点，适用于小量程、高精度的位移测量。但差动方 式要求两个传感器的结构和电气参数相同，安装位置也要对称，否则会降低测量 精度，另外，差动电感式位移传感器的体积不易做的很小。 ( 2 ) 变气隙面积s 在图卜5 中，当铁芯固定不动，衔铁左右移动时，气隙面积s 会发生变化， 从而使线圈电感l 也发生相应变化。变气隙面积s 测量位移的方法线性度好。 但灵敏度低，这是因为气隙磁阴远大于铁芯和衔铁的磁阻，所以当气隙厚度6 不 变时，气隙面积s 变化引起的线圈电感l 的变化不明显。 将差动电感式传感器用于磁力轴承的径向位移测量时，因为旋转轴的自由度 多，测量面又不是平面，所以气隙的面积和厚度会同时发生变化，使位移信号的 处理变得复杂。 2 ) 羞动变压器式传感器【1 ” 差动变压器式位移传感器的工作原理如图卜7 所示。当在初级线圈l 1 加上 t 定频率的交流激励电压u 。时，两个采用反极性差动连接方式的次级线圈l 2 和l 3 ：将产生相位相反的感应电动势，输出端电压为两者之差。 武汉理工大学硕士学位论文 o j 、 眈“ 1 j ， b 1 图卜7 羞动变压器式传感器工作原理图 差动变压器已经用于磁力轴承系统的轴向位移测量，当轴位于平衡点时，差动电 压为零，当轴产生轴向位移时，差动电压不为零，并且与位移之间具有较好的线 性关系。差动变压器因结构原因，用于磁力轴承的径向位移测量时，将使传感器 的制作变得很复杂。 3 ) 电涡流式位移传感器i ”i i 驯 电涡流位移传感器是目前为止在磁力轴承系统中应用最多的传感器，与其它 位移传感器相比，它除了具有灵敏度高、线性测量范围大的优点外，还具有成本 低、体积小、制作简单的特点。金属导体置于变化着的磁场中，导体肉就会产生 环形的感应电流，称为涡流，这种效应就是涡流效应。电涡流传感器就是在涡流 效应的基础上建立起来的。电涡流位移传感器基本原理如图1 8 所示， l 斟i - 8电涡流位移传感器原理醋 距离电感线圈x 处有一金属板导体，在电感线圈l 中通以高频正弦激励电流， 根据电磁感应原理，在l 周围会产生交变磁场h 1 ，根据集肤效应h l 在金属板 表面会产生电涡流，电涡流又会产生与h 1 变化方向相反的交变磁场h 2 反作用 f 二线圈l 余属板越靠近l ，其表碰产生的电涡流越大，交变磁场h 2 也越大， 武汉理工大学硕士学位论文 h 2 对h l 的反作用也越大，反之，h 2 对h 1 的反作用越小。这样就可以改变线 圈的阻抗。线圈阻抗的变化是由金属导体的电阻率p ，磁导率u ，线圈与金属 的距离x 以及线圈激励电流的角频率。所决定的。或者说线圈阻抗z 是这些参 数的函数，即z = f ( o ，u ，x ，u ) ，控制其中大部分的参数不变，只改变 其中一个参数，这样阻抗z 就是这个参数的单值函数。若被测材料的情况不变， 阻抗z 就是距离x 的单值函数，然后将z 的变化转变为电量，就可以做成涡流 式位移传感器。 另外，在磁力轴承转子检测方面还有一些薪的理论方法，比如力传感器、 欠传感器”、无传感器自检测理论 2 3 1 等等。但这些方法由于种种原因，在国内 尚处于理论研究阶段，还没有实际的应用。 1 4 论文工作的提出 在磁悬浮转子位移检测的方面，国内、外应用比较成熟的就是运用电涡流位 移传感器。但是现有的磁力轴承系统用的电涡流位移传感器都是分立的个体，在 多自由度位移检测方面存在如下问题： 1 ) 由于安装误差，无法保证测量径向轴承转子的传感器位于理想状态，即4 个传感器位于同一个水平圆上，分布在4 个等分点，两两相临成9 0 0 角。且无法 保证传感器位于一个标准的圆上，使得4 个传感器的圆心与磁力轴承的几何中心 产生偏心，传感器不能精确检测到转子位移，增加了磁力轴承精确控制的难度， 甚至使整个系统的实现成为不可能。 2 ) 传感器的零漂及增益误差。微型磁悬浮转子测量的精度要求尽量减少系 统误差但是，通常的传统模拟传感器系统的零漂及增益误差却不可避免。 3 ) 传感器的温度不稳定性。温漂一直是影响涡流传感器性能的一个重要凼 素。国内相关厂一家生产的涡流传感器甚至没有提到产品温度特性指标。因而面 临如何改善传感器的温度特性问题。 4 ) 传感器信号处理模块的振荡源部分至关重要，如何提高振荡源频率和幅 值的稳定性问题。另外就是每个传感器分别采用一个振源，势必造成因为器件参 数不一致而导致的振荡频率不一致问题，而振荡频率不一致就导致测量误差。 5 ) 传感器与电磁铁和功率放大器之间有电磁干扰。由于涡流传感器是通过 磁场的变化来工作的，而磁力轴承工作时所带来的磁场变化必然会影响到传感器 的精确测量。 6 ) 传感器测量探头与信号调理电路分开，在测量信号的远距离传输过程中 容易受到干扰，影响系统的精度。 7 ) 多传感器个体参数的不一致眭影响位移测量的真实性。 武汉理：r 大学硕十学伉论文 8 ) 由于采用分立的传感器，使得磁力轴承的体积无法降下来，影响其在诸 如硬盘、光盘等小型系统中的应用。 9 ) 传感器的价格太高，影响其产业化推广。 针对以上问题，并根据实际情况，本文也使用电涡流位移检测传感器，但本 文提出了一种解决方案，即采用基于数字信号处理器( d i g i t a ls i g n a p r o c e s s o r ) d s p 芯片的集成位移传感器，做成一体化的转子位移检测系统。 集成位移传感器就是在设计电路时引入高速d s p 芯片，采用软、硬件结合的 方法来激励探头和处理传感器的信号。这样做的好处是： 1 ) 各个传感器都采用d s p 产生的时钟来激励，所以传感器的激励频率是一样 的。 2 ) 由于d s p 检测系统采用了数字温度补偿措施，大大提高了传感器的温度稳定 性。 3 ) 在d s p 软件设计时，采用数字滤波技术，基本解决传感器与轴承线圈和控制 器电磁干扰问题。 4 ) 利用d s p 快速的特点，实时采集传感器的零位漂移并进行补偿。 5 ) 在软件设计时，用查表和分段线性化的方法进行线性补偿，可扩展传感器的 线性量程。 6 ) 用软件方法引入串联超前校正，既提高了传感器系统的动态特性，又简化了 系统，增强了可靠性。 另外，传感器的结构和电路集成可缩短测量信号的传输线路，也就减小了传 输干扰。 以上这些都是传统模拟传感器几乎无法达到的优点。 1 5 论文的课题支撑 本文得到以下科研项目和人员的支撑： 国家自然科学基金资助项目“磁悬浮硬盘转子精度控制理论与技术的研究”， 项目编号：5 0 3 7 5 1 1 3 ，2 0 0 4 年一2 0 0 6 年。 教育部重点科技研究项目“微型磁悬浮转予机电耦合动力学研究”项目编 号：重点0 3 1 2 1 ，2 0 0 3 年一2 0 0 5 年。 同时，本文也是在湖北省重点实验室武汉理工大学数字制造实验室相关 研究人员任磁力轴承方面长期研究的基础上完成的。 武汉理上大学硕士学位论文 1 6 论文的内容安排 本文分八章： 第l 章绪论。 介绍磁力轴承的发展历史，磁力轴承转子位移检测的国内、外的研究应用现 状，当前磁力轴承转子位移检测存在的问题并针对这些问题提出基于d s p 的磁力 轴承集成位移检测传感器的解决方案。 第2 章涡流位移传感器的基本原理。 第3 章集成化的涡流位移传感器。 介绍位移传感器的机械结构和集成电路，着重讲述基于d s p 芯片的磁力轴承 集成位移传感器，通过与传统涡流位移传感器的比较，突出了集成传感器的优良 特性，包括激振频率的一致性，温度的稳定性，线性量程的扩展，动态特性的改 善，抗电磁干扰能力的提高。 第4 章传感器温度特性分析。 分析涡流位移传感器温度稳定性的影响因素，指出稳定传感器温度特性的措 施：提供高稳定的振源；工艺上提高传感器的温度稳定性；利用集成传感器进行 主动温度补偿。 第5 章传感器线性特性分析。 分析涡流位移传感器的线性特性，找到提高传感器线性特性的方法；选择外 径小、厚度薄的线圈可提高传感器的灵敏度和线性度：利用d s p 的线性补偿， 可以扩展传感器的线性范围。 第6 章传感器动态特性分析。 分析涡流位移传感器的动态特性，找到提高传感器动态特性的方法：应用 d s p ，在编程中加入软件串联超前校正模块，既不用增加硬件电路，又提高了传 感器的动态响应。 第7 章传感器电磁兼容设计。 介绍电磁兼容的一些基本理论，分析主动磁力轴承系统的电磁兼容原则和方 法，在此基础上对磁力轴承集成位移传感器进行了电磁兼容设计，分别从元器件 的选择，印刷电路板的设计，地线设计，屏蔽设计和滤波设计进行了综合考虑。 第8 章总结与展望。 总结全文，展望磁力轴承转子位移检测的发展趋势。 武汉理t 大学硕士学位论文 2 1 引言 第2 章涡流位移传感器原理 涡流位移传感器具有无接触、灵敏度高、结构简单、成本低、体积小、不受 油污等介质的影响、频响宽等优点，因此在国内、外的磁悬浮转子位移实时检测 系统中得到广泛地应用。本章就用来分析涡流传感器的原理和它的基本转换电 路。 2 。2 基本原理 2 2 1 原理及等效电路 金属导体置于变化着的磁场中，导体内就会产生环形的感应电流，称为涡 流，这种效应就是涡流效应。电涡流传感器就是在涡流效应的基础上建立起 来的。电涡流位移传感器基本原理如图21 所示。 涡流式传感器与被测盒属的等效电路 图2 - 1涡流传感器原理及等效电路 b ) 如图2 - l a 中，距离电感线圈x 处有一金属板导体，在电感线圈l 中通以高 频汇弦激励电流根据电磁感应原理，在l 周围会产生交变磁场h ，根据集肤 效应，h 在会属板表面会产生电涡流，电涡流又会产生与h ，变化方向相反的交 变磁场h ：反作用于线圈l ，金属板越靠近l ，其表面产生的电涡流越大，交变磁 场h ，也越大，f i ，对i i 的反作用也越大。反之，h ：对h 的反作用越小。由于磁 武汉理i 大学硕士学位论文 场h ：的作用，涡流要消耗一部分能量，从而馒产生磁场的线圈l 阻抗发生变化。 2 2 2 线圈阻抗分析 可以看出，线圈与金属导体之间存在着磁性关系。若把导体形象地看作一个 短路线圈，其问的关系可用图2 1 b 所示的电路来表示。线圈与金属导体之间可 以定义一个互感系数m ，它将随着间距x 的减少而增大。根据基尔霍夫定律，可 列出方程 r j r l ，l + ，鸣，l j o j m l 2 【，1( 2 1 ) 一i 洲1 i r l j2 + j 证z 1 2 - 0 解上面的联立方程组可得到，从而求出受金属影响后空心线圈的等效阻抗为 “等十+ 高小m 卜瑞矧 等效电阻、电感分别为 尺= r l + r 2 2 m2 ( r 2 2 + 山2 2 2 ) 工= ，一上：2 ，2 ( 月2 2 + 珊2 2 2 ) ( 2 1 3 ) 等效电阻r 总是比原有的电阻r 来的大，这是因为涡流损耗、磁滞损耗都 将使阻抗的实数部分增加。显然，金属导体材科的导电性能和线圈离导体的距离 将直接影响实数部分的大小。 在等效电感l 中，第一项l ，与磁效应有关。若会属导体为非磁性材料，l 就 是空心线圈的电感。当金属导体是磁性材料时，l ，将增大，而且随着x 的变化而 变化。第二项与涡流效应有关，涡流引起的反磁场h ，将使电感减小，x 越小， 电感减小的程度就越大。 由式( 2 - 3 ) 也可以得到线圈的品质因数q 为 q 珐 1 _ 等阶等1 协a ， 式中0 ，无涡流影响时线圈的q 值，o ，2 池- 俾； z ：金属导体中产生涡流的圆环部分的阻抗，z ：= r ：2 + ( 乩：) 2 。 武汉理丁大学硕士学位论文 2 2 3 涡流传感器位移检测的依据 由2 2 2 分析可知，被测参数变化，既能引起线圈阻抗z 的变化，也能引 起线圈电感的l 和线圈品质因数q 值的变化。所以涡流传感器所用的转换电路可 以选用z 、l 、q 中的任一参数，并将其转换成电量，即可达到测量的目的。这样， 金属导体的电阻率p 、磁导率“、线圈与金属导体的距离x 以及线圈激励电流的 角频率m 等参数，都将通过涡流效应和磁效应与线圈阻抗发生联系。或者说，线 圈阻抗z 是这些参数的函数，可写成 z ，f ( p ，x ，c c ) ) 若能控制其中大部分参数恒定不变，只改变其中一个参数，这样阻抗就能成为这 个参数的单值函数。若被测材料的情况不变，阻抗z 就成为距离x 的单值函数， 便可做成涡流式位移传感器。 2 2 4 涡流传感器参数分析 1 ) 线圈轴上磁感应强度 对涡流位移传感器工作起重大影响的因素是会属导体内的磁场分布，它对灵 敏度和线性范围起着决定性的作用。对传感器来说，总是希望其灵敏度要高，线 性范围大。欲使线性范围大，就要求磁场轴向分布范围大，欲使灵敏度高，就要 求被测体在轴向移动时涡流损耗功率的变化大，亦即轴向磁感应强度变化梯度 大。 圆环形单匝载流导线在轴上产生的磁感应强度( 见图2 2 ) 。根据毕奥沙伐 一拉普拉斯定律可得 譬南， 式中。一空气磁导率，卢。= 轨x 1 0 _ 7 t 一激励电流强度； r 一导线线圈半径； x 一轴l 点距导线圆环的蹈离。 刿2 - 2 单匝导线在轴上产生的磁场 武汉理工人学硕士学他论文 整个载流扁平线圈产生的磁场是由若干导线圆环的磁场叠加而成，在轴上距离线 圈端面x 处所产生的磁感应强度为 小器卜- n 案磊圳n 孵】沼6 ) 式中 n 一线圈匝数： r 、r ，、b 一线圈内、外径和厚度。 2 ) 涡流分布 导体中涡流的分布是不均匀的，涡流区内各处的涡流密度也是不同的。如图 2 3 所示，在轴向，涡流只存在于金属导体的表面薄层内，在径向，也只有一个 有限的范围内存在涡流，所以实际上存在一个涡流区。 酗2 - 3 导体内涡流的分布 涡流的径向分布范围随线圈外径r ，大小而变，并与线圈外径有固定的比例 关系，线圈外径确定后，涡流范围也就确定下来了。在线圈外径处，涡流密度最 大；在r o 4r ，以内，基本上没有涡流；在r = 1 8r ，处，涡流密度将衰减到最 大值的5 。 由于趋肤效应，轴向涡流只是分布在导体表面的薄层内，而且涡流密度的轴 向分布是按指数规律衰减的，可用下式表示 j ：一j oe x p c z 6 )( 2 7 ) 式中，一金属导体中距离表面为z 处的涡流密度； j 。一金属导体表面上的涡流密度： z 一金属导体中某点距表面的距离： 6 一趋肤深度。 这啭6 又称为涡流的贯穿深度，它是涡流密度等于，。e 处至导体表面的距 离，它的数值为 武汉理丁大学硕士学付论文 6 = 扫而磊而 式中f 一激励频率； p 一导体的电阻率； 弘，一导体的现对磁导率。 2 3 基本转换电路 ( 2 8 ) 电涡流位移传感器常用的测量转换电路有调幅法和调频法两种m 1 。 调幅法是采用一个幅度和频率高度稳定的振荡器去激励传感器，其测量原理 见图2 - 4 。 金属扳 图2 4 调幅法涡流位移传感器原理 振源为稳频稳幅的高频正弦振荡器，电容c 与涡流传感器电感l 构成并联谐 振回路，r 是限流电阻，防止因电流过大产生磁饱和导致传感器灵敏度下降。下 面分三种情况讨论： ( 1 ) 金属板与传感器的距离为无穷大，这时涡流为零，电感l 最大，并且l c 处于并联谐振状态，其两端电压u 也为最大。 ( 2 ) 金属板与传感器完全接触，这时涡流最大，其对l 的影响也最大，l 取 最小值，l c 严重失谐其两端电压u 也为最小值。 ab 睁；2 - 5 电托与付移之间的芙系曲线 ( 3 ) 金属板与传感器的距离介与零和无穷大之 间，这时l c 两端电压u 与距离x 的关系如图25 所示。由图可知，当a x b 时，u - x 曲线近似为线 性关系，测量灵敏度最高，当x b 时u - x 曲线为非线性关系，测量灵敏度明显下降。所以涡 流位移传感器的测量范围应该是a x b 的，具体范 围可 h 实验确定。 武汉理t 大学硕士学位论文 调频法的测量原理见图2 - 6 ，传感器的电感l 作为振荡器的一部分接入电 路中，当被测物体与传感器的距离x 产生了x 的位移时，电感l 产生了 士f 幽2 - 6 调频法涡流位移传感器j 取理 l 的变化，因为l 接在振荡器的振荡回路中，所以l 的变化使振荡器的振荡 频率f 也发生了a f 的变化，根据频率f 的变化可以测得位移x 的变化。 调频法和调幅法各有优缺点。调频法的优点是直接输出频率信号，具有很强 的抗干扰能力，并且易于和计算机接口；缺点是在测量范围内频率的变化量太小 导致分辨率下降，另外，由于振荡器的频率在1 m h z 左右，采用一般的d s p 测量 频率速度太慢，测量周期误差又太大，所以在磁力轴承系统中，一般不采用调频 法。调幅法的抗干扰能力虽然比不上调频法，而且也不易于和计算机接口，但在 信号采集方面完全可以满足控制系统的要求，所以在磁力轴承系统中广泛采用调 幅法。 武汉理_ l = 大学硕士学位论文 第3 章集成化的涡流位移检测传感器系统 3 1 前言 在磁力轴承系统中，集成传感器包括机械结构部分和基于数字信号处理器 ( d i g i t a ls i g n a p r o c e s s o r ) d s p 芯片的集成电路部分。特别地基于d s p 的 集成电路，有很多优良特性，如温度补偿、线性扩展、提高动态特性、抗电磁干 扰等方面都有着一般涡流传感器无法比拟的优点，这也是本文的工作重点。下面 就分别介绍这两个部分。 3 2 传感器的机械结构 3 2 1 多自由度位移检测系统 磁力轴承系统一般由两个径向轴承和一个轴向轴承支承。其轴承和转子的结 构如图3 1 所示 l? ”厂，l 9 ；避心一广 i 2 r 、一一7 1 胯 瓣 谲守 一、毒一一+ 一一；一 d ! j 圜越套啦、。 图3 1 轴承一转子结构示意图 其中，一前端径向轴承0 一轴向轴承一驱动电机一后端径向轴承一径向 位移传感器 一轴向位移传感器0 转子。 现在需要考虑转子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磁力轴承进行控制，这样才能实现转子在空 间的稳定悬浮。一般采用9 个传感器测屡5 个自由度的位移，图3 2 是9 个传 感器布置不意图”】。图32 中每个径向磁力轴承上安放4 个传感器，采用差动 测最方式，这样可消除y 、z 力向1 的传感器偏置耦台l ，其中1 号和3 号、5 武汉理j 二大学硕士学位论文 号和7 号分别相对安装在z 方向，2 号和4 号、6 号和8 号分别相对安装在y 方 向( 4 号和8 号因位置关系看不见) 。1 、3 、5 、7 和2 、4 、6 、8 号传感器分别测 量z 和y 方向上的位移，9 号传感器测量x 方向上的位移。 曰 1 j y 1 1 j s i 七， 口 1 3i i 田 1 r 7 1 一3 图3 2 多自由度系统的传感器布置图 3 2 2 传感器的安装 在9 传感器测量方案中，轴向传感器的安装较为简单，在保证传感器的检测 面与轴的截面平行的情况下，再根据轴的轴向平衡位置校准传感器量程的中点位 置。径向传感器的安装比较麻烦，为了保证传感器的对称性，通常是加工两个圆 环，在每个环上钻4 个相隔9 0 度的i l ，将8 个传感器分别装入孔中。只要圆环 的加工精度高，就可保证环上4 个传感器的几何中心对称于环心，然后再将圆坏 装入磁力轴承中，最后按轴向传感器的校准方法对径向传感器进行量程中点位置 的校准。 3 3 基于d s p 的传感器集成电路 3 3 1 传感器集成电路的提出 传统电涡流位移传感器电路的框图如图3 - - 3 所示 武汉理丁大学硕士学位论文 图3 3 传统电涡流位移传感器电路的框图 它包含了很多的硬件电路，特别是非线性补偿电路和动态调整电路。由于算法比 较复杂，由硬件电路实现存在结构复杂、不易调整的缺点，很容易影响传感器的 最终输出。 另外，在磁力轴承应用于一些小型的系统，如计算机硬盘、光盘的时候，还 有一些新的问题是需要注意的： ( 1 ) 传感器的温度不稳定性。涡流传感器的温度稳定性差是它的最大缺点， 增加温度补偿电路既使系统变复杂又不能从根本上解决温漂问题。 ( 2 ) 多个传感器激振频率不一致。由于每个传感器分别采用一个振源，势 必造成因为器件参数不一致而导致的振荡频率不一致问题，而振荡频率不一致就 导致测量误差。 ( 3 ) 传感器线性扩展问题。 ( 4 ) 动态特性改善的问题。当磁力轴承应用于高速系统时，传感器要有足 够的响应带宽。 ( 5 ) 传感器的电磁干扰问题。由于涡流传感器和磁力轴承是利用电磁效应 工作的，所以它们之间必然会产生电磁干扰。 ( 6 ) 传感器的零漂问题。 针对以上问题，为了提高传感器的性能、集成度和可靠性，本文提出了一 种基于d s p 的涡流位移传感器的集成电路设计。 3 3 2d s p 芯片的选型 d s p 是数字信号处理器( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 的英文缩写。从8 0 年 代到现仵，d s p 技术发展得很快，美国德州仪器( t e x a sir l s t r u m e n t s 简称t i ) 武汉理l 大学硕士学位论文 公司、模拟器件( a n m o gd e v i c e s ，简称a d ) 公司、m o t o r o l a 公司等儿家公司占 有较大的市场份额，它们的产品也是市场的主导产品。其中，尤以t i 公司的 t m s 3 2 0 系列芯片应用最为广泛，包括2 0 0 0 系列、5 0 0 0 系列、6 0 0 0 系列，分别 应用于电机控制、通信、图像处理等领域；还有8 0 0 0 系列，为多处理器芯片。 由于t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 在实际应用中已经很成熟，且其在磁力轴承转子位移检 测方面完全能够满足要求，所以我们采用的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 芯片。另外我们的磁 力轴承系统的控制部分采用的也是t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ，因而这种设计方案可以使检 测与控制部分共用芯片，从而使整个磁力轴承系统进一步集成。 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 介绍： ( 1 ) 增强的h a v a r d 结构。 普通的微处理器内部大多采用v o u n e u m a n n 结构，其片内只有一块存储器 空间。取指令和取操作数都是通过一条总线分时进行的。当高速运算时，不但不 能同时取指令和取操作数，而且还会造成传输通道上的瓶颈现象。而 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 内部采用的是程序空问和数据空间分开的h a v a r d 结构，包括改进 的h a v a r d 结构，它允许同时取指令( 来自程序存储器) 和取操作数( 来自数据存储 器) ，以及在程序空间和数据空间之间相互传递数据。这样的结构，减少了访问 冲突，增加器件的灵活性，使处理能力提高，以实现高速运行。 ( 2 ) 多总线。 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 芯片内部采用多总线结构，这样可以保证在一个机器周期内 可以多次访问程序空间和数据空间。对d s p 来说，内部总线是个十分重要的资源， 总线越多，可以完成的功能就越复杂。在t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 内部有6 组总线，可以 在一个机器周期内完成从程序存储器取一条指令从数据存储器读一个操作数和 向数据存储器写一个操作数，大大提高了d s p 的效率。 ( 3 ) 流水作业。 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 采用四级流水线结构。执行一条指令，需要通过取指、译码、 取操作数和执行等四个阶段。当采用流水线结构，在程序运行过程中宫的几个阶 段是重叠的。这样，在执行本条指令的同时，还依次完成了后面3 条指令的耿操 作数、译码和取指，将指令周期降低到最小值，同样提高了d s p 指令的效率。 ( 4 ) 多处理单元。 i m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 有多个处理单元，如算术逻辑单元( a l u ) 、辅助运算单元 ( a r a u ) 、累加器( a c c ) ，以及硬件乘法器等。它们可以在一个指令周期内同时进 行运算。例如当执行一次乘法和累加的同时，辅助寄存器单元己经完成了下一 个地址的寻址工作，为下一次乘法和累加作好了充分的准备。因此，d s p 在进行 连续的乘法累加运算时，每一次乘法累加运算都是单周期的。d s p 的这种多处理 武汉理_ t 大学硕士学位论文 器单元结构，特别适用于信号处理中的乘法累加运算。 ( 5 ) 运算精度高。 早期的d s p 字长为8 位，后来逐步提高到1 6 位、2 4 位、3 2 位。本文所用到 的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 芯片字长1 6 位，完个能满足磁轴承系统的高精度要求。 ( 6 ) 硬件配置强。 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 的接口功能很强，片内具有串行口、主机接口( h p o 、d m a 控制器、软件控制的等待状态产生器、锁相环时钟产生器等等，还在片内集成多 种外设，使系统结构更简单，设计更方便，并能够减小系统体积。 3 3 - 3 基于d s p 传感器集成电路的结构框图 55 九 啪崎 路 l 。f 2 4 0 7 、；i , o p a 一 模 拟 开 关 0 一 i 谐振回路j 勺j 蒜 i f 射极跟随卜+ | 检波电路l - 图3 4 基于d s p 传感器集成电路的结构框图 图3 4 集成传感器和图3 3 传统传感器电路相比，只保留了线圈谐振回路 和检波电路，而非线性补偿、温度补偿、动态特性调整和滤波等模块全都集成在 d