• 头条海工大科研人员提出磁轴承位移检测的新方法,结构简单、鲁棒性好
    2021-09-10 作者:李志 苏振中 等  |  来源:《电工技术学报》  |  点击率:
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    导语针对传统磁轴承位移传感器结构复杂、适装性差、存在检测位置与执行器错位,而位移自传感方法鲁棒性、实用性差等问题,舰船综合电力技术国防科技重点实验室(海军工程大学)的研究人员李志、苏振中、胡靖华、李文印,在2021年第7期《电工技术学报》上撰文,提出一种基于探测线圈的磁轴承位移检测方法,通过在磁轴承磁极上布置探测线圈可实现定转子相对位移测量。

    磁悬浮轴承是一种典型的机电一体化产品。由于磁轴承具有无磨损、寿命长、无需润滑和支承特性可控等优点,使得磁轴承在航空航天、真空洁净、飞轮储能系统、人工心脏泵、交通运输等领域呈现了良好的应用前景。

    由于具有位移负刚度特性,磁轴承必须通过闭环控制才能实现悬浮运行。作为闭环控制的关键环节,转子轴径向位移的检测具有十分重要的作用,位移检测的精度及稳定性在很大程度上会影响整个磁轴承系统性能。

    传统的磁轴承系统通过位移传感器来实现转子位置检测。常用的位移传感器主要有电涡流式、电感式、电容式、光电式等类型。然而,电容式和光电式虽然测量精度高,但无法适应磁轴承在大多数工业应用中的实际工作环境,除了实验室环境条件外很少应用。

    电涡流传感器精度高,对工作环境要求低,其研究和应用较多。于亚婷等通过有限元法研究和分析了圆柱线圈内径、外径、厚度等级对电涡流传感器线性范围和灵敏度的影响;北航庞喜浪等设计了一种数字化的电涡流传感器,但是其工作频段在MHz级,处理电路复杂,成本较高,高频涡流效应对材料比较敏感。

    电感式位移传感器适装性较好,价格相对较低,但精度和带宽较电涡流传感器略低,这方面的研究主要是通过有限元设计传感器结构、优化工作频率及提升系统带宽等,如李巍等设计了一种分装式差动变压器式电感传感器,该传感器一个自由度由分离装配的两部分组成,信号自动构成差动输出。与电涡流传感器类似,由于位移测点与力作用点错位,该传感器也无法测得磁轴承作用面处的位移。

    总的来说,实际应用较多的电涡流和电感位移传感器仍存在以下缺点:①需要单独的安装空间,造成系统结构复杂,成本增加;②传统磁轴承位移传感器一般安装在轴承磁极的侧面,传感器与轴承本体错位,使得传感器到轴承本体的柔性转子模态可能相位相反,进而造成系统不稳定。

    为解决上述问题,近些年磁轴承系统的自传感技术(或称无位移传感器技术)得到了较为广泛的研究。相较于传统磁轴承,采用自传感的磁轴承存在诸多优势。自传感技术简化了位移传感器检测中的辅助电路,从而大大降低系统构建的成本和复杂度。同时自传感磁轴承的位移检测与执行器在结构上一体化,轴承本体与位置检测同位,避免了磁轴承因为柔性转子模态变化带来的系统不稳定。

    对于自传感技术,主要有两种研究方法:参数估计法和状态观测法。参数估计法基本原理是检测磁轴承中控制线圈自感的变化以得到转子位移,其中又主要包括高频小信号注入法和脉宽调制(Pulse Width Modulation, PWM)非线性参数估计方法。高频小信号注入法在电机的无传感控制领域研究较多,但对于磁轴承控制系统,国内外对此研究较少。

    任双艳等分析了小信号注入法的检测原理,并对单自由度的磁轴承系统进行了仿真研究,且基于线性功率放大器实现,只能用于小功率场合,局限性较大。对于PWM非线性参数估计方法,由于磁轴承高频开关信号可以代替外部信号作为载波信号对位移信号进行调制,可通过检测控制电流中PWM纹波信号估计线圈电感值的大小。

    浙江大学唐明对传统的非线性参数估计模型进行优化,实现磁轴承在0~3000r/min内自传感稳定运行。浙江大学于洁等分析了涡流对电流纹波的影响,提出一种转子位移估计策略,可提高位移估算精度。由于此法非常依赖电流纹波幅值的大小,因此对于采用三电平PWM开关功率放大器的磁轴承来说,实用性较差。

    自传感中的状态观测法是根据电压控制型磁轴承系统建立状态空间模型,由两个差动电压及检测到的电流计算得出转子位移,但状态观测器对磁轴承的参数变化十分敏感,鲁棒性较差,不利于工业应用。综上所述,目前磁轴承自传感的研究均与实际应用有较大距离。

    针对以上问题,海军工程大学的研究人员设计了一种基于探测线圈检测的新型复合位移传感方法,其基本思路是:将探测线圈绕制在磁轴承铁心上,并通以高频激励电压,通过提取探测线圈中与高频激励相关的信息,解算位移的大小。

    由于该检测结构与磁轴承控制执行器相集成,且不依赖PWM电流纹波的大小,鲁棒性较好,因此可有效解决传统传感器位移检测中轴向不重合力问题和自传感实用性差等问题。

    海工大科研人员提出磁轴承位移检测的新方法,结构简单、鲁棒性好

    图1 复合传感耦合方案

    磁轴承位移复合传感耦合模型如图1所示,以八极磁轴承结构为例,探测线圈绕制于磁极齿部,并通入高频激励,与控制绕组在磁路上相耦合。位移检测基本原理为:当转子移动时气隙发生变化,磁路磁阻亦发生变化,进而导致线圈电感值发生改变,则通入高频信号的线圈电信号也会发生变化。因此通过测量与高频激励相关的信号变化即可计算出位移大小。

    海工大科研人员提出磁轴承位移检测的新方法,结构简单、鲁棒性好

    图2 试验平台机械部分

    海工大科研人员提出磁轴承位移检测的新方法,结构简单、鲁棒性好

    图3 试验平台电路部分

    仿真及实验结果显示其灵敏度为1.2mV/mm,分辨率约为7mm,表明所提方法能有效实现位移测量,并且充分利用了磁轴承本体磁路,增加了磁轴承紧凑型,又克服了自传感位移检测方法鲁棒性差等问题,为实现紧凑可靠的磁轴承位移测量奠定了基础。

    本文编自2021年第7期《电工技术学报》,论文标题为“磁轴承复合位移传感设计与实验研究”,作者为李志、苏振中 等。

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