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

李 志 蘇振中 胡靖華 李文印

（艦船綜合電力技術(shù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（海軍工程大學(xué)） 武漢 430033）

針對(duì)傳統(tǒng)磁軸承位移傳感器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、適裝性差、存在檢測(cè)位置與執(zhí)行器錯(cuò)位，而位移自傳感方法魯棒性、實(shí)用性差等問題，該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)線圈可實(shí)現(xiàn)定轉(zhuǎn)子相對(duì)位移測(cè)量。首先，建立等效電路模型，并通過Simulink仿真，證明模型正確性；其次，提出差動(dòng)檢測(cè)方案，并通過半橋檢測(cè)電路將相對(duì)位移變化轉(zhuǎn)換為電橋輸出電壓變化，提高了位移檢測(cè)靈敏度與線性度；最后，在搭建的試驗(yàn)平臺(tái)上對(duì)該傳感器進(jìn)行靜態(tài)性能測(cè)試，當(dāng)定轉(zhuǎn)子相對(duì)位移在±0.3mm范圍內(nèi)變化時(shí)，位移檢測(cè)靈敏度為1.2mV/μm，位移檢測(cè)分辨率約為7μm，驗(yàn)證了基于探測(cè)線圈磁軸承定轉(zhuǎn)子相對(duì)位移檢測(cè)的可行性。該方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、魯棒性好，為實(shí)現(xiàn)緊湊可靠的磁軸承位移測(cè)量奠定了基礎(chǔ)。

磁軸承 位移測(cè)量 傳感器 探測(cè)線圈

0 引言

磁懸浮軸承是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品。由于磁軸承具有無磨損、壽命長(zhǎng)、無需潤(rùn)滑和支承特性可控等優(yōu)點(diǎn)，使得磁軸承在航空航天、真空潔凈、飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)、人工心臟泵、交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域呈現(xiàn)了良好的應(yīng)用前景[1-3]。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。

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)。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[4]。然而，電容式和光電式雖然測(cè)量精度高，但無法適應(yīng)磁軸承在大多數(shù)工業(yè)應(yīng)用中的實(shí)際工作環(huán)境，除了實(shí)驗(yàn)室環(huán)境條件外很少應(yīng)用[5]。電渦流傳感器精度高，對(duì)工作環(huán)境要求低，其研究和應(yīng)用較多。于亞婷等[6]通過有限元法研究和分析了圓柱線圈內(nèi)徑、外徑、厚度等級(jí)對(duì)電渦流傳感器線性范圍和靈敏度的影響；北航龐喜浪等[7]設(shè)計(jì)了一種數(shù)字化的電渦流傳感器，但是其工作頻段在MHz級(jí)，處理電路復(fù)雜，成本較高，高頻渦流效應(yīng)對(duì)材料比較敏感。電感式位移傳感器適裝性較好，價(jià)格相對(duì)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(shè)計(jì)傳感器結(jié)構(gòu)、優(yōu)化工作頻率及提升系統(tǒng)帶寬等，如李巍等[8]設(shè)計(jì)了一種分裝式差動(dòng)變壓器式電感傳感器，該傳感器一個(gè)自由度由分離裝配的兩部分組成，信號(hào)自動(dòng)構(gòu)成差動(dòng)輸出。與電渦流傳感器類似，由于位移測(cè)點(diǎn)與力作用點(diǎn)錯(cuò)位，該傳感器也無法測(cè)得磁軸承作用面處的位移。

總的來說，實(shí)際應(yīng)用較多的電渦流和電感位移傳感器仍存在以下缺點(diǎn)：①需要單獨(dú)的安裝空間，造成系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本增加；②傳統(tǒng)磁軸承位移傳感器一般安裝在軸承磁極的側(cè)面，傳感器與軸承本體錯(cuò)位，使得傳感器到軸承本體的柔性轉(zhuǎn)子模態(tài)可能相位相反，進(jìn)而造成系統(tǒng)不穩(wěn)定[9-10]。

為解決上述問題，近些年磁軸承系統(tǒng)的自傳感技術(shù)（或稱無位移傳感器技術(shù)）得到了較為廣泛的研究。相較于傳統(tǒng)磁軸承，采用自傳感的磁軸承存在諸多優(yōu)勢(shì)[11]。自傳感技術(shù)簡(jiǎn)化了位移傳感器檢測(cè)中的輔助電路，從而大大降低系統(tǒng)構(gòu)建的成本和復(fù)雜度。同時(shí)自傳感磁軸承的位移檢測(cè)與執(zhí)行器在結(jié)構(gòu)上一體化[12]，軸承本體與位置檢測(cè)同位，避免了磁軸承因?yàn)槿嵝赞D(zhuǎn)子模態(tài)變化帶來的系統(tǒng)不穩(wěn)定。

對(duì)于自傳感技術(shù)，主要有兩種研究方法：參數(shù)估計(jì)法和狀態(tài)觀測(cè)法。參數(shù)估計(jì)法基本原理是檢測(cè)磁軸承中控制線圈自感的變化以得到轉(zhuǎn)子位移，其中又主要包括高頻小信號(hào)注入法和脈寬調(diào)制（Pulse Width Modulation, PWM）非線性參數(shù)估計(jì)方法。高頻小信號(hào)注入法在電機(jī)的無傳感控制領(lǐng)域研究較多[13-14]，但對(duì)于磁軸承控制系統(tǒng)，國(guó)內(nèi)外對(duì)此研究較少。任雙艷等[13]分析了小信號(hào)注入法的檢測(cè)原理，并對(duì)單自由度的磁軸承系統(tǒng)進(jìn)行了仿真研究，且基于線性功率放大器實(shí)現(xiàn)，只能用于小功率場(chǎng)合，局限性較大。對(duì)于PWM非線性參數(shù)估計(jì)方法，由于磁軸承高頻開關(guān)信號(hào)可以代替外部信號(hào)作為載波信號(hào)對(duì)位移信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，可通過檢測(cè)控制電流中PWM紋波信號(hào)估計(jì)線圈電感值的大小[16]。浙江大學(xué)唐明[17]對(duì)傳統(tǒng)的非線性參數(shù)估計(jì)模型進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)磁軸承在0~3 000r/min內(nèi)自傳感穩(wěn)定運(yùn)行。浙江大學(xué)于潔等[18]分析了渦流對(duì)電流紋波的影響，提出一種轉(zhuǎn)子位移估計(jì)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(duì)于采用三電平PWM開關(guān)功率放大器[19-20]的磁軸承來說，實(shí)用性較差。

自傳感中的狀態(tài)觀測(cè)法是根據(jù)電壓控制型磁軸承系統(tǒng)建立狀態(tài)空間模型，由兩個(gè)差動(dòng)電壓及檢測(cè)到的電流計(jì)算得出轉(zhuǎn)子位移，但狀態(tài)觀測(cè)器對(duì)磁軸承的參數(shù)變化十分敏感，魯棒性較差，不利于工業(yè)應(yīng)用[21]。綜上所述，目前磁軸承自傳感的研究均與實(shí)際應(yīng)用有較大距離。

針對(duì)以上問題，本文設(shè)計(jì)了一種基于探測(cè)線圈檢測(cè)的新型復(fù)合位移傳感方法，其基本思路是：將探測(cè)線圈繞制在磁軸承鐵心上，并通以高頻激勵(lì)電壓，通過提取探測(cè)線圈中與高頻激勵(lì)相關(guān)的信息，解算位移的大小。由于該檢測(cè)結(jié)構(gòu)與磁軸承控制執(zhí)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(tǒng)傳感器位移檢測(cè)中軸向不重合力問題和自傳感實(shí)用性差等問題。

1 復(fù)合位移傳感原理分析

磁軸承位移復(fù)合傳感耦合模型如圖1所示，以八極磁軸承結(jié)構(gòu)為例，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。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。

圖1 復(fù)合傳感耦合方案

為從探測(cè)線圈信號(hào)中獲取位移信息，需要建立考慮磁軸承控制信號(hào)影響的總體模型，進(jìn)而推導(dǎo)出位移與探測(cè)線圈和控制線圈信號(hào)之間的關(guān)系。

為簡(jiǎn)化分析，取磁軸承磁極結(jié)構(gòu)中一個(gè)獨(dú)立的磁路回路，即圖1中的虛線部分，進(jìn)行理論推導(dǎo)，模型簡(jiǎn)化如圖2所示。模型輸入為控制線圈電流c與兩端電壓c，探測(cè)線圈電流d及兩端電壓d，其中c為PWM開關(guān)功放產(chǎn)生的控制電壓。

圖2 加探測(cè)線圈的磁軸承電磁鐵模型

由圖2所示的磁路模型，根據(jù)磁路歐姆定律，線圈自感值為

式中，為磁路磁通量；為線圈電流；線圈匝數(shù)；m為磁路總磁阻。

假定磁阻均勻分布，磁阻為

式中，為鐵心磁路總長(zhǎng)度，包括定轉(zhuǎn)子鐵心磁路長(zhǎng)度；為氣隙大??；0、r分別為真空磁導(dǎo)率及鐵心相對(duì)磁導(dǎo)率；0、1分別為鐵心截面積及氣隙截面積。

忽略邊緣效應(yīng)情況下，有

則

同理，忽略鐵心磁阻的影響，控制線圈自感c，探測(cè)線圈自感d及兩線圈之間的互感分別為

式中，cd分別為控制線圈與探測(cè)線圈匝數(shù)；為互感系數(shù)。

忽略控制電流反饋回路及功放開關(guān)器件開通阻抗的影響，控制線圈兩端的功放輸出信號(hào)近似為電壓源信號(hào)，探測(cè)線圈兩端由外部激勵(lì)進(jìn)行供電，等效電路如圖3所示。圖3中c、c分別為控制線圈自感與內(nèi)阻，d、d分別為探測(cè)線圈等效自感與內(nèi)阻，為互感，cd為通過兩線圈的電流，cd為兩線圈兩端電壓，1為探測(cè)線圈回路限流電阻。

圖3 等效電路

根據(jù)圖3，有

可由式（6）得到如圖4所示的T型等效電路。

由式（6）可知，探測(cè)線圈與控制線圈通過互感相耦合，可以在探測(cè)線圈施加與控制線圈功放輸出頻率不同的外部激勵(lì)，根據(jù)信號(hào)頻率不同進(jìn)行信號(hào)解耦。

根據(jù)疊加定理，當(dāng)僅考慮探測(cè)線圈激勵(lì)dcos()單獨(dú)作用時(shí)，功放近似的電壓源c等效短路，這時(shí)探測(cè)線圈兩端阻抗電路如圖5所示，分析得到探測(cè)線圈兩端等效阻抗ed為

圖5 探測(cè)線圈兩端阻抗電路

化簡(jiǎn)可得

通常來講，有c<

設(shè)

則探測(cè)線圈兩端等效阻抗為

由以上分析可知，探測(cè)線圈兩端可等效為RL串聯(lián)電路。由式（10）及式（5）可以看出，氣隙與探測(cè)線圈兩端等效電感ed成非線性關(guān)系，氣隙變化會(huì)引起探測(cè)線圈兩端等效電感的變化，本文主要是根據(jù)此原理進(jìn)行轉(zhuǎn)子位移復(fù)合傳感設(shè)計(jì)。

由于氣隙與電感成非線性關(guān)系，為了增加線性度并減小誤差，同時(shí)提高靈敏度，采用如圖6所示的差動(dòng)復(fù)合傳感等效電路。差動(dòng)情況下，在定子同自由度對(duì)側(cè)繞制相同的探測(cè)線圈，兩探測(cè)線圈串聯(lián)，由外部激勵(lì)信號(hào)d進(jìn)行激勵(lì)。

圖6 差動(dòng)復(fù)合傳感等效電路

圖6中c1、c1、c2、c2分別為單自由度對(duì)側(cè)兩控制線圈自感與內(nèi)阻，d1、d1、d2、d2分別為相應(yīng)的探測(cè)線圈等效自感與內(nèi)阻，1、2為互感，c1c2為兩控制回路電流，d為通過探測(cè)線圈的電流，2為探測(cè)線圈電橋電路兩端輸入電壓，1為探測(cè)線圈回路限流電阻，為電橋電阻，c1、c2為控制線圈兩端電壓信號(hào)，d為激勵(lì)信號(hào)。

當(dāng)轉(zhuǎn)子在小范圍內(nèi)向下移動(dòng)=?時(shí)，上側(cè)氣隙增大，下側(cè)氣隙減小。取額定氣隙0，即位移為0時(shí)探測(cè)線圈等效自感為ed0，由式（5）及式（10）可以得出，兩探測(cè)線圈兩端等效電感分別為

忽略探測(cè)線圈等效電阻的影響，則電橋電路輸出電壓

由于電橋兩端電壓2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)頻率分量幅值的大小，便可以確定轉(zhuǎn)子的位移。

2 檢測(cè)電路設(shè)計(jì)與信號(hào)處理

復(fù)合傳感中的探測(cè)線圈由正弦波激勵(lì)電路驅(qū)動(dòng)，其激勵(lì)信號(hào)經(jīng)傳感器輸出后為同頻的調(diào)制信號(hào)。為了獲得轉(zhuǎn)子位移變化的信息，必須對(duì)傳感器輸出的調(diào)制信號(hào)進(jìn)行解調(diào)、濾波等處理，最終才能得到能反映轉(zhuǎn)子位移變化的直流信號(hào)，復(fù)合傳感測(cè)量電路的整體方案如圖7所示。

正弦波發(fā)生電路選用AD698SQ芯片，該器件通過簡(jiǎn)單的外圍元件就可產(chǎn)生頻率和幅值在一定范圍的正弦波?？赏ㄟ^選擇合適的電路元件產(chǎn)生所需的正弦信號(hào)。

圖7 測(cè)量方案

相較于傳統(tǒng)的電感式位移傳感器的輸出信號(hào)，本文所設(shè)計(jì)的傳感方法中，由于探測(cè)線圈與控制線圈共用磁路回路，根據(jù)變壓器原理，控制信號(hào)任何變化都會(huì)體現(xiàn)在探測(cè)線圈兩端電壓中，導(dǎo)致輸出信號(hào)中會(huì)產(chǎn)生與激勵(lì)頻率無關(guān)的噪聲信號(hào)，因此需要采用高性能信號(hào)檢測(cè)方法。由式（13）可得，轉(zhuǎn)子位移與輸出的正弦電壓幅值有關(guān)。常用的傅里葉變換（Fast Fourier Trans formation, FFT）幅值計(jì)算方法存在柵欄效應(yīng)，幅度求解精度低，因此本文采用正交鎖相放大的方法對(duì)信號(hào)進(jìn)行檢波處理。

正交鎖相放大相當(dāng)于一個(gè)高值的帶通濾波器，基本原理為：對(duì)于待測(cè)信號(hào)sin()，其中sin()為信號(hào)中待測(cè)頻率分量，為信號(hào)中與待測(cè)頻率無關(guān)的分量，建立一個(gè)與信號(hào)中待測(cè)頻率相同的標(biāo)準(zhǔn)正弦信號(hào)ref1sin()為參考信號(hào)，將ref1與相乘，即

化簡(jiǎn)可得

式中，0.5cos為直流信號(hào)，其他部分為高頻交流信號(hào)，因此可通過低通濾波器對(duì)計(jì)算后的結(jié)果濾波得到0.5cos。理論上知道參考信號(hào)與待測(cè)信號(hào)之間的相位差即可計(jì)算得出待測(cè)信號(hào)中與參考信號(hào)同頻分量幅值。但實(shí)際復(fù)合傳感位移檢測(cè)中，由于探測(cè)線圈兩端等效阻抗隨轉(zhuǎn)子位移變化，則輸出信號(hào)相位也為變化量，難以實(shí)時(shí)確定兩信號(hào)之間的相位差。因此可選取另一參考信號(hào)為ref2= cos()，按照相同方法可計(jì)算得出0.5sin，再通過進(jìn)一步計(jì)算得到待測(cè)信號(hào)中特定頻率分量的幅值。

正交鎖相幅值檢測(cè)方法原理如圖8所示。

圖8 鎖相放大原理

圖8中

則待測(cè)信號(hào)中特定頻率幅值

由于在正交鎖相檢波方法中用到了較多的乘法器、濾波器及開方器，位移檢測(cè)需要除法器，因此本文采用數(shù)字實(shí)現(xiàn)方法，具有更好的穩(wěn)定性。

采用NI公司的DAQmx采集卡對(duì)待測(cè)信號(hào)進(jìn)行采樣，并在Labview中實(shí)現(xiàn)位移檢測(cè)算法，如圖9所示。由于正交鎖相算法需要兩個(gè)正交的與輸出信號(hào)同頻的標(biāo)準(zhǔn)正弦信號(hào)作為參考信號(hào)，而本次試驗(yàn)所設(shè)計(jì)的正弦激勵(lì)電路的激勵(lì)信號(hào)與待測(cè)信號(hào)同頻，因此可將其采樣作為一路參考信號(hào)，另一個(gè)正交的參考信號(hào)可由激勵(lì)信號(hào)經(jīng)希爾伯特變換得出，最終可將計(jì)算得出的位移信號(hào)實(shí)時(shí)地反饋到控制器中。

圖9 算法設(shè)計(jì)示意圖

3 仿真與試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 仿真分析

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中建立包括磁軸承功放、控制線圈與探測(cè)線圈結(jié)構(gòu)解析模型及信號(hào)處理模塊的仿真模型，模型結(jié)構(gòu)及其內(nèi)部關(guān)系如圖10所示。

圖10 仿真模型結(jié)構(gòu)

控制繞組的供電采用三電平功放，其仿真參數(shù)如下：直流側(cè)母線電壓為220V，參考電流為1A，負(fù)載為RL電路，=0.83mH，=0.3Ω時(shí)，功放輸出PWM波形特性如圖11所示。

由式（5）可得，氣隙的變換會(huì)影響電路中元件參數(shù)和的改變，Simulink中變壓器模型不能直接反映氣隙與電感之間的關(guān)系，因此結(jié)合控制線圈和探測(cè)線圈電氣量之間的相互約束關(guān)系，根據(jù)圖6所示電路搭建包括控制線圈與探測(cè)線圈的解析模型。

圖11 功放運(yùn)行特性

仿真模型參數(shù)見表1。

表1 仿真模型參數(shù)

Tab.1 Simulation model parameters

圖12 仿真計(jì)算位移與實(shí)際位移關(guān)系

圖12為氣隙成線性變化時(shí)通過測(cè)量輸出電壓幅值計(jì)算得出的轉(zhuǎn)子位移。氣隙變化為-0.3~0.3mm，變化率為15mm/s，控制電流大小為1.2A。從圖12中可以看出，所建立的仿真模型計(jì)算出的位移可以有效反映出轉(zhuǎn)子位移的大小。

3.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

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13及圖14所示。本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)一對(duì)U型鐵心作為磁軸承定子部分，環(huán)形鐵心作為轉(zhuǎn)子部分，鐵心采用硅鋼片疊壓。單自由度移動(dòng)平臺(tái)可通過搖桿調(diào)節(jié)中間移動(dòng)部分的位置，將定子鐵心固定于機(jī)座上，轉(zhuǎn)子固定于平臺(tái)移動(dòng)部分，可由搖桿改變定轉(zhuǎn)子間氣隙大小并通過千分表實(shí)時(shí)讀取當(dāng)前轉(zhuǎn)子位移值。定子鐵心上繞制控制線圈繞組，由上位機(jī)控制PWM功放驅(qū)動(dòng)板產(chǎn)生控制信號(hào)，在同一鐵心磁極上按與控制線圈相同方式繞制探測(cè)線圈，探測(cè)線圈由外部電路產(chǎn)生的激勵(lì)信號(hào)驅(qū)動(dòng)，經(jīng)過檢測(cè)橋式電路的高頻差分輸出電壓，可依據(jù)式（13）計(jì)算得出位移。

圖13 試驗(yàn)平臺(tái)機(jī)械部分

圖14 試驗(yàn)平臺(tái)電路部分

表2為本次試驗(yàn)的試驗(yàn)參數(shù)，其中繞組參數(shù)為阻抗分析儀在6.5kHz激勵(lì)頻率下測(cè)出的測(cè)量值。

表2 試驗(yàn)參數(shù)

Tab.2 Test parameters

試驗(yàn)時(shí)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15和圖16所示。

圖15 檢測(cè)電路輸出信號(hào)幅值與位移關(guān)系對(duì)比

由圖15可以看出，試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果吻合度較好，且輸出信號(hào)幅值與位移之間線性度較好。根據(jù)所測(cè)量結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，靈敏度約為1.2mV/μm。圖示結(jié)果中誤差主要來源是機(jī)械裝置，由人工調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子的相對(duì)位移，會(huì)產(chǎn)生一定的位移調(diào)節(jié)誤差。圖16為不同位移下的檢測(cè)信號(hào)幅值噪聲，噪聲幅值（峰-峰值）約為8mV，因此位移檢測(cè)分辨率約為7μm。

4 結(jié)論

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/μm，分辨率約為7μm，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，增加了磁軸承緊湊型，又克服了自傳感位移檢測(cè)方法魯棒性差等問題。

[1]Schweitzer G, Maslen E H. Magnetic bearing: theory, design, and application to rotating machinery[M]. Berlin Heidelberg: Springer-Verlag, 2009: 15-17.

[2]張維煜, 朱熀秋, 袁野. 磁懸浮軸承應(yīng)用發(fā)展及關(guān)鍵技術(shù)綜述[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2015, 30(12): 12-20. Zhang Weiyuan, Zhu Huangqiu, Yuan Ye. Study on key technologies and applications of magnetic bearings[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2015, 30(12): 12-20.

[3]姜豪, 蘇振中, 王東. 運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上磁軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)建模[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2019, 34(23): 4880-4889. Jiang Hao, Su Zhenzhong, Wang Dong. Dynamic modeling of magnetic bearing-rotor system on moving platform[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2019, 34(23): 4880-4889.

[4]汪希平, 崔衛(wèi)東. 電磁軸承用非接觸式位移傳感器的研究[J]. 上海大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 1998(1): 3-5. Wang Xiping, Cui Weidong. Research on non-contact displacement sensors for magnetic bearings[J]. Journal of Shanghai University(Natural Science), 1998(1): 3-5.

[5]陸陳. 軸向磁懸浮軸承位移檢測(cè)技術(shù)研究[D]. 南京: 南京理工大學(xué), 2011.

[6]于亞婷, 杜平安, 廖雅琴. 線圈形狀及幾何參數(shù)對(duì)電渦流傳感器性能的影響[J]. 儀器儀表學(xué)報(bào), 2007, 28(6): 1045-1050. Yu Yating, Du Pingan, Liao Yaqin. Study on effect of coil shape and geometric parameters on performance of eddy current sensor[J]. Chinese Journal of Scientific Instrument, 2007, 28(6): 1045-1050.

[7]龐喜浪, 劉剛, 文通. 用于磁軸承位移檢測(cè)的數(shù)字式電渦流位移傳感器設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究[J]. 傳感技術(shù)學(xué)報(bào), 2011, 24(3): 360-364. Pang Xilang, Liu Gang, Wen Tong. Design and experiment study of digital eddy current displacement sensor used for displacement detection of magnetic bearing[J]. Chinese Journal of Sensors and Actuators, 2011, 24(3): 360-364.

[8]李巍, 李勇, 陸永平. 應(yīng)用于電磁軸承的分裝式位置傳感器[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2008, 23(9): 76-79, 85. Li Wei, Li Yong, Lu Yongping. A structure separable position sensor used in electromagnetic bearings[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2008, 23(9): 76-79, 85.

[9]Siva Srinivasa R, Tiwaria R, Kannababub C. Application of activemgnetic bearings in flexible rotordynamic systems – a state-of the-art review[J]. Mechanical Systems and Signal Processing, 2018, 106: 537-572.

[10]劉程子, 湛江, 楊艷, 等. 主動(dòng)磁懸浮軸承–柔性轉(zhuǎn)子的研究和發(fā)展綜述[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2020, 40(14): 4602-4614, 4739. Liu Chengzi, Zhan Jiang, Yang Yan, et al. Review of research status and development of flexible rotor-magnetic bearing[J]. Proceedings of the CSEE, 2020, 40(14): 4602-4614, 4739.

[11]Ranfta E O, van Schoorb G, du Randa C P. Self-sensing for electromagnetic actuators[J]. Sensors and Actuators A, 2011, 172(2): 400-419.

[12]祝文公, 自傳感軸向磁軸承的設(shè)計(jì)與研究[D]. 杭州: 浙江工業(yè)大學(xué), 2016.

[13]郭磊, 楊中平, 林飛. 帶誤差補(bǔ)償?shù)母哳l信號(hào)注入永磁同步電機(jī)無傳感器控制策略[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2019, 34(21): 4458-4466. Guo Lei, Yang Zhongpin, Lin Fei. A sensorless control strategy for high frequency signal injection permanent magnet synchronous motor with error compensation[J]. Transactions of China Electrote-chnical Society, 2019, 34(21): 4458-4466.

[14]薛嘩, 魏佳丹, 周波. 三級(jí)式同步電機(jī)低速階段無位置傳感器起動(dòng)控制高頻信號(hào)注入法的對(duì)比[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2018, 33(12): 2703-2712. Xue Hua, Wei Jiadan, Zhou Bo. Comparative investigation on sensorless control of three-stage synchronous motor based on high-frequency injection method at low speed[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2018, 33(12): 2703-2712.

[15]任雙艷, 邊春元, 劉杰. 自檢測(cè)磁軸承系統(tǒng)轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)方法的研究[J]. 機(jī)械科學(xué)與技術(shù), 2008, 27(6): 815-818. Ren Shuangyan, Bian Xiyuan, Liu Jie. Study on estimation of rotor position of self sensing active magnetic bearings[J]. Mechanicl Science and Technology for Aerospace Engineering, 2008, 27(6): 815-818.

[16]Matsuda K, Okada Y. Self-sensing magnetic bearing using the principle of differential transformer[C]// Proceeding of 5th International Symposium on Magnetic Bearings, Japan, 1996, 63(609): 1441-1447

[17]唐明. 徑向四自由度主動(dòng)電磁軸承系統(tǒng)的自傳感運(yùn)行研究[D]. 杭州: 浙江大學(xué), 2013.

[18]于潔, 祝長(zhǎng)生, 余忠磊. 考慮渦流的自傳感主動(dòng)電磁軸承轉(zhuǎn)子位置估計(jì)策略[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2018, 33(9): 1946-1956. Yu Jie, Zhu Changsheng, Yu Zhonglei. Rotor position estimation strategy for self-sensing active magnetic bearing considering eddy currents[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2018, 33(9): 1946-1956.

[19]余忠磊, 祝長(zhǎng)生. 二電平電流型開關(guān)功率放大器穩(wěn)定性分析[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2019, 34(2): 306-315. Yu Zhonglei, Zhu Changshen. Analysis on the stability of two-level current mode switching power amplifiers[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2019, 34(2): 306-315.

[20]張亮, 房建成. 電磁軸承脈寬調(diào)制型開關(guān)功放的實(shí)現(xiàn)及電流紋波分析[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2007, 22(3): 13-20. Zhang Liang, Fang Jiancheng. Analysis of current ripple and implementation of pulse width modulation switching power amplifiers for active magnetic bearing[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2007, 22(3): 13-20.

[21]Kucera L. Robustness of self-sensing magnetic bearing[C]//Proceeding of MAG’97 Industrial Conference and Exhibition on Magnetic Bearings, Zurich, Switzerland, 1997: 261-270.

Design and Experimental Research of Magnetic Bearing Compound Displacement Sensor

Li Zhi Su Zhenzhong Hu Jinghua Li Wenyin

（National Key Laboratory of Science and Technology on Vessel Integrated Power System Naval University of Engineering Wuhan 430033 China）

In order to solve the problems of traditional magnetic bearing displacement sensor with complex structure, poor adaptability, misplacement between detection position and actuator, and poor robustness and practicability of self-sensing method, this paper presents a novel approach for radial displacement detection in magnetic bearing system based on the detection coil. By arranging detection coils around teeth of a magnetic bearing, relative displacement along radial direction between stator and rotor can be achieved. Theory model of the proposed method is built and verified through Simulink simulation. A differential detection scheme is present to improve sensitivity and linearity, and displacement is achieved by detecting the output voltage of the half-bridge detection circuit. Static performance of the proposed method is tested on a platform. And, when the displacement is in the range of -0.3mm to 0.3mm, sensitivity and resolution are 1.2mV/μm and 7μm, respectively, showing the feasibility of displacement detection of the proposed method. The method is simple and robust, and lays a foundation for the realization of compact and reliable magnetic bearing displacement detection.

Magnetic bearing, displacement measurement, sensor, detection coil

TM722.7

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.201050

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51707201, 51690181, 51825703）。

2020-08-19

2020-10-22

李 志 男，1998年生，碩士研究生，研究方向?yàn)榇泡S承技術(shù)。E-mail：673551353@qq.com

蘇振中 男，1989年生，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)。E-mail：suayst@163.com（通信作者）

（編輯 郭麗軍）