无传感器磁力轴承转子位移检测原理的研究

游珍珍

(湖南科技学院 电子工程系，湖南 永州 425100)

无传感器磁力轴承转子位移检测原理的研究

游珍珍

(湖南科技学院 电子工程系，湖南 永州 425100)

提出一种新型的无传感器磁悬浮轴承的控制技术，即不需要位置传感器就能检测到转子的位移信号。主要研究这种无位置传感器转子位移检测的方法。在不需要任何附加的控制器的情况下，在功放的输入端注入一高频信号，转子位置信息就通过包含高频分量的线圈电压或电流获取。这种位移检测方法的有效性在仿真结果中得到了验证。

无位置传感器；磁悬浮轴承；位置检测

0 引 言

主动磁悬浮轴承具有高于其它任何轴承的独一无二的性能，但是这种优势是以复杂和昂贵的控制系统换来的。因而降低其成本成为磁悬浮轴承的一个发展趋势，而避免使用位置传感器这种方法的可行性已经得到很多专家的证实。除此之外，无位置传感器还可以提高系统的动态性能，使磁悬浮的轴向尺寸变小。无传感器轴承系统中转子位移信息通过测量回路内部信号来间接的获取[1]。

本文我们提出了一种无传感器磁悬浮轴承的控制技术。本文提出的方法不同于很多已经存在的研究方法，系统既没有位置传感器，也不需要加额外的控制器。这种无位置传感器特别适合在高速场合运行[2]。

1 系统的工作原理

主动磁力轴承的概念来自于基本的电磁线圈，如图 1所示。

图1中，X为转子位移，1f，2f为转子所受的磁力，I为偏置电流，i为控制电流。

各轴承线圈的电感分别被定义为：

其中，21,VV为轴承线圈的终端电压。

图1 单自由度磁轴承系统

其电磁力则分别为：

动态磁力轴承在工作点[I+i,I-i,x]=[I,I,0]的线性化模型，把非线性机械动态方程简化为线性方程，式中m为转子质量[3]。

本文以单自由度无传感器磁力轴承为研究对象，转子位移自检测原理如图2所示。自检测系统主要由带通电路、一级放大电路、差动相减电路、解调电路、低通滤波电路等部分组成。

磁轴承线圈含有阻抗和感抗，其两端的电压除了作用在电阻上的直流分量外，还有在电感上高频信号的交流分量。

带通滤波器用来提取含有转子位移的中心频率 ω0成分，滤

除直流电压和 2ω0以上的交流电压[4]。最后通过低通滤波器

滤除交流信号就可获得与转子的位移成比例的直流电压[5]。

图2 磁轴承转子位移自检测系统的原理

2 转子位移自检测原理

2.1 转子位移检测原理分析

由于主动磁力轴承系统为开环不稳定系统，故必须对转子位移进行检测，以实现闭环控制[6]。

式2和式3在工作点附近可以线性化为式（8）。

利用式（7）和式（9），状态空间模型描述如式（10）和式（11）所示。

在电流可测量的情况下系统是可观测的。根据式10和式11可获得位移x的状态。然而由于机械非理想性产生的干扰是不能忽略的[7]。因此，在实际系统中如果存在干扰，即使所有的参数值我们都知道，稳态系统的估计误差也总是存在。为了克服上述问题，提出了诸如脉宽调制信号频率成分和注入测试信号的方法。

2.2 仿真结果分析

前面分析了采用线性功放的无传感器位移检测电路的原理，此电路只是对单自由度的转子位移进行检测，输出的电压信号可以根据需要进行调节范围。用PSPICE进行单自由度磁力轴承的位移检测电路仿真，在测试小信号输入端用信号发生器输入频率10KHz幅值5V的正弦信号，并调节检测测试电路输入端的偏置电位器，就可以得到频率 10KHz幅值1.5A的偏置测试电流。初始气隙为x=0.4mm，匝数为N=130，磁极的面积为S=299.26mm2，位移偏移量为-0.4mm至0.4mm时，仿真结果如图3所示。图3是转子在最大位移x= -0.4mm和x=0.4mm处的输出电压。

从图3的仿真结果可以证实此方法是可行的，位移检测电路的输出电压是双极性的，电压范围在-5V至+5V之间变化。从图中可以看出，转子在两个最大值时的输出电压近似相等，可得输出电压和转子的位移基本上是成线性关系的。实验室中一般采用开关功放，其频率一般在20KHz以上，而本文采用的高频测试信号也较高，和开关功放的频率相近，会影响电路的测试。故改用连续的线性功放，这也就说明此方法适合于小功率的场合[8]。

图3 转子在最大位移处的输出电压

3 结 论

本文主要讨论了无传感器磁力轴承的转子位移检测不需要专门的位置传感器，而是通过检测线圈上的电压来得到与转子位移成比例的电压信号。线圈既作为产生磁悬浮力的执行器，又作为间接检测转子位移信号的传感器，通过在线性功放输入端注入一高频小信号作为测试信号，线圈中将相应产生一高频小电流，则气隙变化引起的线圈电感变化会导致电感两端高频电压的变化，使得该高频电压的幅值被调制，它反映了气隙的变化规律。将线圈端产生的电压经过谐振电路，再进行精密半波整流和低通滤波后可以得到一平滑的与转子位移成正比的直流电压，PID控制器再将此电压转换为控制信号经过线性功放后驱动电磁线圈，以达到转子位移的闭环控制，这样就可以使磁力轴承转子的轴向尺寸变小，系统的动态性能得到了提高，从而提高了系统的可靠性，降低了总体成本[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.

[2]施伟策,布鲁勒等,虞烈等译.主动磁轴承基础性能及应用[M].北京:新时代出版社, 1997.

[3]李希南,王凤翔.无轴承磁悬浮电机系统中的非接触传感器[J].微特电机,2005, (3):74-77.

[4]王军,徐龙祥.磁悬浮轴承转子位移自检测系统研究[J].传感器技术,2005,24(3):27-29.

[5]苏义鑫,王娟,胡业发.磁悬浮轴承的变参数PID控制[J].武汉理工大学学报(信息与管理工程版),2004, 26(2):35-37.

[6]吴大正,杨林耀,张永瑞.信号与线性系统[M].北京:高等教育出版社,2002.

[7]Lichuan Li, Tadahiko Shinshi, Akira Shimokohbe. State feedback control for active magnetic bearings based on current change rate alone[J].IEEE transaction magnetics, 2004,40(6):3512-3517.

[8]Yang Jing,Wu Buzhou, Yu Lie. Design method of AMB controller based on the current distribution[J].Hangkong Xuebao,2003,24(4):370-372.

[9]刘雪东,刘泉,胡业发.磁悬浮轴承转子位置无传感器自动检测的研究[J].武汉理工大学学报, 2003, 25(1):62-64.

(责任编校:刘志壮)

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，硕士，主要研究方向为控制理论与控制工程。