电磁发射用直线感应电机位置检测系统

何娜，王擎宇，芮万智（海军工程大学舰船综合电力技术国防科技重点实验室，湖北武汉 430033）

电磁发射用直线感应电机位置检测系统

何娜，王擎宇，芮万智
（海军工程大学舰船综合电力技术国防科技重点实验室，湖北武汉 430033）

∶位置检测系统对于电磁发射直线感应电机的正常运行是至关重要的。深入研究了适合于电磁发射特殊应用工况的电涡流传感器的静态与动态工作特性，并基于电磁发射直线感应电机定子由多段拼接而成的特点，设计了直线感应电机位置检测系统的拓扑网络。对位置检测系统中参数设计方法、设计过程进行了详尽推导，研制了实际位置检测系统样机，并在电磁发射平台上进行了实验测试，实验结果验证了所提出的设计理论与设计方法的正确性与有效性。

∶电磁发射；直线感应电机；位置检测系统；传感器

0 引言

电磁发射装置是利用直线电机所产生的电磁力，按照预先设定的发射轨迹曲线，在有限冲程和较短时间（几秒）内迅速将负载加速到设定速度（数百公里每小时）的一种新型推进设备。它的实质是将电磁能变换为发射载荷所用瞬时动能的一类能量变换装置。基于电磁发射原理的航母舰载机弹射起飞装置是现代航母的核心技术和标志性技术，对现代航母技术的发展具有划时代的意义，美国最先进“福特”号航母已装备舰载机电磁弹射装置［1-3］。

直线感应电机为电磁发射装置的核心执行机构，基于电磁发射装置的特殊要求，电磁发射用直线感应电机有以下特点［4-7］∶1）为了实现直线感应电机的短行程瞬时加速，电磁发射用直线感应电机宜采用双边长初级短次级结构，其中电机次级即为加速负载的动子，电机初级即为定子；2）电磁发射用直线电机的初级较长（数十米），次级较短（米级），电机初级由若干相同的初级模块沿长度方向拼接而成。

电磁发射系统可以看作是一个伺服系统，采用带位置反馈的闭环控制。该系统对发射过程中动子位置、速度以及加速度都有很高的要求，因此，对于电磁发射系统而言，需要一套具有高可靠性以及较高分辨率的位置检测系统［8］。

现有文献报道中，对永磁直线电机的位置检测方法取得了一定进展［9-10］，对于满足电磁发射特殊要求的直线感应电机位置检测技术的研究罕有报道。基于此，本文对电磁发射直线感应电机的位置检测系统进行了深人研究。首先针对电磁发射特殊应用工况，选取了电涡流传感器，并基于开发的静态特性与动态特性测试平台，对传感器的静态工作特性与动态工作特性进行了深人分析与测试；基于电磁发射用直线感应电机定子由多段拼接的特点，设计了位置检测系统级联网络式拓扑方案，并对系统中参数的设计进行了详细的理论推导，提出了参数严格的设计流程，最后研制了位置检测系统样机并进行了实验测试。

1 位置检测用传感器工作特性研究

1.1 传感器选型研究

目前用于电机位置检测的传感器主要有∶光电脉冲编码器、直线光栅尺、感应同步器、旋转变压器以及电涡流传感器等。其中光电编码器、直线光栅尺等利用光学原理测量位置，其测量分辨率高，能够准确反应电机的转子位置，但它们对环境要求过高，容易受阳光、灰尘、油污等的影响，不适合在电磁发射环境下使用；感应同步器具有对环境要求低、工作可靠、抗干扰能力强、具有较高的分辨率和精度、使用寿命长等特点，但是它的定尺和滑尺之间一般需要保持0.25±0.05mm的气隙，而电磁发射用直线电机的动子在高度时其横向摆幅会超过此值，从而会导致定子与动子之间出现碰撞；旋转变压器是一种测量角度用的小型交流电动机，用来测量旋转物体的转轴角位移和角速度，适用于高温、严寒、潮湿、高速、高震动等场合，但是它只能用于旋转电机，而不适用于直线电机的位置检测。

电涡流传感器根据电涡流效应的原理，可以准确测量被测体（必须是金属导体）与探头端面之间静态和动态的相对位移变化。电涡流传感器具有体积小、灵敏度高、长期工作可靠性高、抗干扰能力强、不受水污、油污等介质干扰的特点，最重要的是电涡流传感器可以用在非接触型测量场合，而且其探测间隙（即被测体到传感器之间的距离）也可以满足电磁弹射用直线电机的工况要求［11-14］。电涡流传感器衍生出很多系列，针对电磁发射位置检测应用工况，为了简化工程实现，本文选择了一类特殊的电涡流传感器∶电感式接近开关，此传感器只输出开关量，大大简化了后续处理电路的实现。目前电感式接近开关种类较多，本文以图尔克公司的电感式接近开关为例进行研究。

为了实现位置检测系统，必须对位置传感器的工作特性进行深人研究，主要包括其静态工作特性与动态工作特性。

1.2 传感器静态工作特性研究

电感式接近开关属于非线性器件，它的静态工作特性很难用数学方法进行描述，故通常通过标准检出体来进行标定。其静态工作特性主要包括检出特性、复位特性以及回差特性，根据电磁发射直线感应电机位置检测系统特定工况，本文将传统静态工作特性进行实用化简化研究。在电磁发射直线感应电机位置检测系统中，需要传感器单元与金属齿槽编码器单元互相配合以输出反应齿槽数目的脉冲信号，此时编码器中的金属齿片即为传感器的标准检出体，定义编码器的齿宽为W1，槽宽为W2，复位曲线与检出曲线在x轴间距为Ws，齿高度为h，编码器与传感器探头之间探测间隙为d，脉冲占空比为D。

图1为传感器特性曲线，不难看出在齿片沿x轴正方向以速度v匀速运动一个齿间距（W1+W2）的过程中，接近开关能够探测到齿片存在的范围是∶

未探测到齿片存在的范围是∶

因此，输出的位置脉冲信号的占空比为

图1 标准检出体的特性曲线Fig.1 Specialitycurvesofstandardtarget

本文所设计的位置检测系统采取了正交编码算法对位置脉冲信号进行处理，算法要求位置脉冲信号的占空比必须在［25％-75％］范围内，最佳值是50％，故对传感器工作特性研究转换为各种工况下各参数对传感器输出位置信号占空比影响特性的研究。

为了深人对传感器静态特性进行研究，本文研制了专用静态测试平台如图2所示。由于此类传感器对标准检出体的厚度有明确要求，故编码器齿片的厚度参数为固定值，不对其变化规律进行研究；另外，为了对各种情况下测试结果进行有效的对比研究，必须保证编码器的齿间距不变。

图2 传感器静态测试平台Fig.2 Thestatictestplatform

1）其他参数不变，W1对D的影响特性

其他参数保持不变，改变齿宽宽度W1，对传感器输出脉冲信号的占空比进行测试，结果如图3所示，可见随着编码器的齿片宽度W1变大时，相应的占空比也呈增大趋势，如果大到一定情况使Δx2=0时，则会出现占空比为100％情况。

2）其他参数不变，d对D的影响特性

其他参数保持不变，改变探测距离d，对传感器输出脉冲信号的占空比进行测试，结果如图4所示，可见随着探测距离增大，相应的占空比呈减小趋势，如果超过一定值传感器将检测不到位置信号。

图3 齿片宽度对占空比影响特性曲线Fig.3 Theinfluenceoftoothwidthondutyfactor

图4 探测距离对占空比影响特性曲线Fig.4 Theinfluenceofdetectionrangeondutyfactor

3）其他参数不变，h对D的影响特性

其他参数保持不变，改变齿片高度，对传感器输出脉冲信号占空比进行测试时发现，当满足传感器对标准检出体高度的基本要求后，高度再增大对占空比基本没有影响。

1.3 传感器动态工作特性研究

本文研制了专用高速动态测试平台对传感器的动态特性进行分析测试，如图5所示。

图5 传感器高速动态测试平台Fig.5 Thedynamictestplatformwithhighspeed

对于动态特性研究主要包括以下两个方面∶

1）在其他参数都不变情况下，编码器运动速度（对应动子速度）对位置输出脉冲信号占空比D的影响特性。

测试结果如图6所示，可见随着动子速度的增加，位置输出脉冲的占空比呈现增大的趋势。必须值得特别注意的是，图6结论只在传感器可靠探测距离范围内是成立的。

图6 运动速度对占空比影响特性曲线Fig.6 Theinfluenceofvelocityondutyfactor

2）其他参数都不变情况下，编码器运动速度与探测距离共同对输出脉冲信号占空比影响特性。

在电磁发射直线感应电机的动子高速前进、后退运动过程中，会同时伴随着动子左右的偏摆，从而导致传感器探测距离的变化，故此时就必须考虑在动子速度与探测距离同时变化情况下，位置输出脉冲信号占空比的变化特性。测试结果如图7所示，可以看出，动子速度、探测距离以及脉冲信号占空比之间呈现复杂的耦合特性。

图7 动子速度、探测距离对占空比综合影响特性曲线Fig.7 Theintegratedinfluenceofvelocityand detectionrangeondutyfactor

2 分段直线感应电机位置检测系统设计

位置检测系统主要包括位置传感器单元、编码器单元以及位置控制器单元，基于电磁发射直线感应电机实际结构形式，本文将传感器单元布置在电机定子上，编码器单元布置在动子上，为了对动子的位置进行准确可靠检测，任意时刻必须保证编码器至少与1个传感器单元相耦合。由图8可知，直线电机定子是由多段拼接而成的，如果每2段布置1个传感器单元，则编码器的长度需增大至2段电机的长度，给编码器的制造带来了较大难度，如果每段定子上布置2个传感器单元，则编码器总长度可以减少为1/2段电机的长度，但此时后续处理电路将复杂一倍，故综合各个因素进行折中考虑，最后本文提出的级联式位置检测系统方案如图9所示，即每段定子上布置1个传感器单元，编码器长度为1段直线电机定子长度，对于各个位置传感器单元输出的位置脉冲信号采取级联的传输方式。

图8 电磁发射用直线感应电动机示意图Fig.8 Theschematicdiagramoflinearinductionmotorappliedinelectromagneticemission

图9 位置检测系统拓扑结构Fig.9 Thetopologyofpositionmeasurementsystem

本文采取正交编码算法对两路位置脉冲信号进行处理，故每个传感器单元内部需要平行布置两个传感器以输出两路正交信号，如图10所示。

图10 正交编码脉冲Fig.10 Quadratureencoderpulses

正交编码算法可以同时检测出动子运动的位置与方向信息，并且可以提高位置检测的精度。正交编码算法状态机如图11所示，即当正交编码状态机沿着01→00→10→11→01每变化一次时，脉冲计数进行加1，而当状态机沿着相反方向即01→11→10 →00→01变化时，每变化一次脉冲计数减1。如果状态机在01和10或00和11之间变化时，则脉冲计数保持不变。

图11 正交编码状态机Fig.11 Quadratureencoderstatemachine

3 位置检测系统参数设计

在设计完位置检测系统方案之后，接下来需要深人研究系统中各个参数的设计方法，主要有编码器的相关参数设计，包括齿片宽度W1、齿间距WL= W1+W2以及齿片个数N，对于编码器齿片的厚度与高度参数，因为传感器对标准检出体有明确要求，故不再赘述；还有传感器单元的参数设计，包括两个传感器之间的距离L1以及探头与边缘金属结构体的距离L2等参数；以及编码器与传感器单元之间的额定探测距离参数d。

3.1 参数之间耦合关系研究

本文所研究的位置传感器基于涡流感应的工作原理，故在实际应用中必须满足特定的参数要求，如图12所示，参数L4表示传感器与金属之间间隔距离要求，如果为检出体，则必须使L4小于额定探测距离，这样才能保证可靠测量，而如果为非检出体，则必须使L4大于额定探测距离，从而避免出现干扰位置脉冲；参数L1为相邻传感器探头之间间隔距离，为了避免相邻传感器探头之间相互干扰，必须使L1大于规定值；L2、L3为传感器探头距离边缘金属件的间隔距离，为了避免传感器探头受到不必要的干扰，这两个距离也必须大于相应规定值。

实际系统实现过程中，对于探测距离参数d的设计与选择，需要考虑以下两个方面的限制因素∶

1）为了保证装置可靠运行，探测距离必须小于额定探测距离，而且越小越好；

2）考虑实际系统运行过程中，动子存在左右偏摆问题，所以此探测距离不能太小，否则会发生动子与传感器单元碰撞现象。

图12 传感器安装特性要求Fig.12 Theequipmentrequirementsforsensors

故在设计探测距离时，需要根据实际系统中动子偏摆量以及传感器探头特性参数进行折中选择。

由于直线电机每段定子上布置1个传感器单元，而且任何时刻必须保证编码器与1个传感器单元相耦合，故编码器总长度BL设计成一段定子长度，编码器齿间距WL与编码器齿片个数N之间存在如下关系式∶

对于齿间距WL的设计，必须同时考虑以下几个因素∶

1）直线电机位置控制精度的要求∶本文所设计的位置检测系统的分辨率为∶

故齿间距越小位置检测的分辨率越高，由此使得位置控制精度也越高；

2）动子运动最高速度要求∶动子运动最高速度Vmax与传感器最高响应频率fmax以及齿间距之间关系如下所示∶

可以看出，在传感器最高响应频率固定的情况下，探测距离越大则动子允许的最高运动速度越高；故对编码器齿间距WL实际设计时，需要综合上面两个因素进行折中考虑，另外，此齿间距参数设计时还必须保证编码器齿片个数N为整数。

在齿间距WL以及探测距离d设计完成后，根据本文所研究的传感器探头工作特性，编码器齿片宽度W1可以确定下来，其主要设计依据是保证额定探测距离下，所输出位置脉冲信号的占空比为50％。

传感器单元中两个传感器探头之间距离L1是非常重要的，其设计时必须考虑以下两个因素∶

1）此距离必须大于传感器本身所要求的特定值；

2）要保证输出两路脉冲信号呈正交关系，则此间隔距离必须满足以下关系∶

式中n≥1为整数。实际应用中，在满足第一个限制因素基础上，为了尽量缩小位置检测单元的体积，应选取n为较小值。

对于参数L2、L3的设计，设计时限制因素主要是需要满足传感器本身要求特性，并综合考虑工程实现时制造以及成本等因素，在此不再赘述。

3.2 参数设计方法

基于上述各个参数设计依据详细推导的基础上，整个位置检测系统参数设计流程如下所示∶

1）根据传感器本身工作特性以及电磁发射直线感应电机动子运动的机械特性，设计探测距离参数d；

2）根据位置检测分辨率要求以及动子运行最高速度要求，设计编码器齿间距参数WL；

3）根据编码器总长度BL以及齿间距参数WL，求取编码器中齿片个数N，若直接求出的N不是整数，则微调参数WL以保证N为整数；

4）根据齿间距参数WL与探测距离参数d，结合传感器工作特性，设计齿片宽度参数W1以满足每路位置信号占空比50％的要求；

5）根据齿间距参数WL与传感器探头之间无干扰距离要求，设计传感器单元内部两个传感器间隔距离参数L1，使两路位置脉冲信号呈现正交特性；

6）根据传感器本身安装特性要求，在保证一定安全预量基础上，设计参数L2、L3，即保证传感器探头正常可靠工作，又保证工程制造安装的可实现性。

4 实验验证

基于本文所设计的位置检测系统方案以及所提出的参数设计方法，研制了一套实际位置检测装置，参数如表1所示。

基于所研制的位置检测装置，在实际电磁发射系统样机上进行了实验测试，系统中直线电机定子由10段拼接而成。图13为Nicolet数据采集系统所采集的两路正交位置脉冲信号波形；图14为动子给定位置与实际位置对比实验波形，可以看出动子可以很好的跟踪给定位置指令，从而验证了位置检测系统的工作性能；图15、图16为直线电机三相电流波形，可以看出，基于本文所设计的位置检测系统，电磁发射直线感应电机工作正常，性能优良，可以较好的完成发射任务。

表1 位置检测系统设计参数Table1 Theparametersofpositionmeasurementsystem

图13 位置脉冲信号Fig.13 Thepositionpulsesignals

图14 动子给定位置与实际位置Fig.14 Thereferenceandpractical positionsofshuttle

图15 直线电机三相电流实验波形Fig.15 Thethree-phasecurrent experimentcurves

图16 图15的局部放大图Fig.16 ThepartialenlargementofFig.15

5 结论

针对电磁发射用直线感应电机长定子、短动子以及定子由多段拼装而成的特点，设计了直线感应电机级联式位置检测系统，该系统中编码器单元固定在电机动子上，而每段电机定子上安装一个传感器单元，所有传感器单元输出的位置信号采取级联的处理方式，并将级联后的位置脉冲信号采取正交编码算法进行处理，即可以同时得到动子运动的位置与方向信息，又可以成倍提高位置检测系统分辨率；推导并归纳了电磁发射用直线感应电机位置检测系统参数设计方法与设计步骤，最后通过实际实验结果证明了本文所设计位置检测系统具有高效、准确以及工程可实施性强等优点。

∶

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（编辑∶张诗阁）

Positionmeasurementsystemforlinearinductionmotorappliedin electromagneticemissionsystem

HENa，WANGQing-yu，RUIWan-zhi
（NationalKeyLaboratoryForVesselIntegratedPowerSystemTechnology，NavalUniversityofEngineering，Wuhan430033，China）

∶Positionmeasurementsystemisveryimportantforlinearinductionmotornormaloperationinelectromagneticemission.Thestaticanddynamicoperatingcharacteristicsofeddycurrentsensorwhich wassuitableforelectromagneticemissionspecialapplicationcaseswerestudieddeeply.Thestatorofthe linearinductionmotorwasconstitutedbymanysections.Basedonthespecialty，anovelpositionmeasurementsystemwasproposed.Andthen，thedesignmethodandderivationprocessofthemeasurement systemparameterswasanalyzedbasedonthestudyonsensorscharacteristicsandsystemtopology.Finally，apracticalprototypeofpositionmeasurementwasdeveloped.Experimentswereprocessedonpractical electromagneticemissionsystem.Experimentresultsverifythevalidityandcorrectnessofthedesigntheoryanddesignmethodproposed.

∶electromagneticemission；linearinductionmotor；positionmeasurement；sensor

∶TM711；TN713

∶A

∶1007-449X（2015）11-0010-07

∶2015-03-27

∶国家自然科学基金（51507182）

∶何 娜（1979—），女，博士，副教授，研究方向为电力电子与直线电机位置检测技术；

王擎宇（1986—），男，博士研究生，研究方向为直线电机控制技术；

芮万智（1984—），男，博士，讲师，研究方向为网络通信技术。

∶何 娜

DOI∶10.15938/j.emc.2015.11.002