一种基于电涡流型传感器的磁力轴承控制系统的制作方法

1.本实用新型涉及磁悬浮轴承控制系统领域，特别是将电涡流型传感器应用于磁悬浮轴承控制系统。


背景技术：

2.磁悬浮轴承是利用电磁力将转子悬浮于空间，使电机定子和转子之间实现无接触支承的一种新型高性能轴承，具有允许转速高、摩擦功耗小、无需润滑和寿命长等优点，是高速电机轴承的理想选择。与传统机械轴承提供的支承力不同，磁悬浮轴承提供的支承力是通过线圈中的时变电流产生不接触的可控电磁力，磁悬浮轴承在工作过程中可以通过控制系统实时调整电磁力的大小，从而为支承元件提供实时变化的支承力。同时，磁悬浮轴承是机电一体化产品，需要依靠控制环节才能改变电磁力实现其支承作用，这个特点使得磁悬浮轴承的支承特性同时具有主动特性和被动特性，只有对磁悬浮轴承的支承特性有全面了解，才能提供维持转子处于平衡位置的变化电磁力，使磁悬浮轴承支承特性符合转子动态特性要求，实现平稳支承转子的目标。
3.中低速磁浮列车在运行时，车体与轨道之间没有任何机械接触，并且在室外环境当中，环境比较恶劣，温度波动范围大，因此悬浮间隙传感器必须是非接触的，能够适应多种复杂环境。与其他非接触测量方式相比，电涡流传感器是通过检测线圈与被测导体之间的电涡流效应来进行非接触测量间隙的，不受复杂外界环境的影响，比较适合几毫米到几十毫米的测量范围。因此，磁浮列车间隙检测一般采用电涡流型传感器。


技术实现要素：

4.针对上述内容，本实用新型将新型间隙传感器应用于磁悬浮轴承控制系统，具体技术方案如下：
5.一种基于电涡流型传感器的磁力轴承控制系统，它的组成包括：电涡流型传感器(1)，电磁铁(2)，转子(3)，功率放大器(4)，控制器(5)。电涡流型传感器(1)检测到转子(3)相对于参考位置的偏移，由控制器(5)发出一个控制信号，通过功率放大器(4)转变为控制电流，控制电流在电磁铁(2)中形成相应的电磁场，使得转子(3)始终保持在设定位置上；电涡流型传感器(1)是高频反射式电涡流型传感器。
6.所述的高频反射式电涡流型传感器由前置器和探头组成，检测线圈安置在探头中，与电容并联，形成lc并联谐振电路。
7.所述的前置器的组成：同步解调模块，a/d转换模块和数据处理模块。
8.所述的检测线圈采用面积较大的矩形线圈，匝数为3匝。
9.本实用新型的技术效果：传感器的互换性是指传感器的组件、部件或传感器整体互相替换而保持其性能不变的能力，对于电涡流型传感器而言，就是指检测线圈和前置器可以相互互换使用，电涡流型传感器已经实现探头与前置器的互换性。根据线圈厚度对电涡流传感器性能的影响，得出线圈越薄线性范围越大，在近距离处传感器灵敏度和线性度
最高；根据线圈形状及几何参数对电涡流传感器性能的影响，得出电涡流传感器圆柱线圈的截面面积和线圈匝数对传感器性能有直接影响；根据平面电涡流线圈的结构参数设计，提出增加外径，减小内径的方法，可以有效地提高平面电涡流线圈的灵敏度。除调整静态特性外，检测线圈结构设计还用来解决其它问题：如差动式的线圈结构用于减少线圈的温度漂移，抑制线圈引入的共模噪声等。
附图说明
10.图1为主动式磁悬浮轴承控制系统示意图。
11.图2为高频反射式电涡流传感器原理。
12.图3为电涡流传感器基本组成图。
13.图4为电涡流型传感器等效电路图。
14.图5为差动驱动电路。
15.图6为信号调理电路。
16.图中：1为电涡流型传感器，2为电磁铁，3为转子，4为功率放大器，5为控制器。
具体实施方式
17.下面结合附图，对本实用新型具体实施方式做进一步的说明。
18.1.整体技术方案
19.一种基于电涡流型传感器的磁力轴承控制系统，它的组成：电涡流型传感器(1)，电磁铁(2)，转子(3)，功率放大器(4)，控制器(5)。电涡流型传感器(1)检测到转子(3)相对于参考位置的偏移，由控制器(5)发出一个控制信号，通过功率放大器(4)转变为控制电流，控制电流在电磁铁(2)中形成相应的电磁场，使得转子(3)始终保持在设定位置上；电涡流型传感器(1)是高频反射式电涡流型传感器。如图1、2所示。
20.所述的高频反射式电涡流型传感器由前置器和探头组成，检测线圈安置在探头中，与电容并联，形成lc并联谐振电路。如图3所示。
21.所述的前置器的组成：同步解调模块，a/d转换模块和数据处理模块。如图3所示。
22.所述的检测线圈采用面积较大的矩形线圈，匝数为3匝。
23.作为一个典型的机电一体化产品，主动式电磁轴承其各个组件的性能综合决定了整个系统的性能。图1展示了一种简单的主动式电磁轴承的结构。典型的主动式电磁轴承系统由位移传感器、控制器、执行器(由功率放大器和电磁铁组成)、转子组成。控制器接受来自位移传感器的关于转子的位移信号，与预期悬浮的位置相比，产生相应的控制信号传递到功率放大器，功率放大器驱动电磁铁产生可控的电磁力，使转子悬浮到预期的位置。
24.2.控制器
25.主动式电磁轴承的核心是控制器，高速运动转子的动态行为依赖于控制器的实时控制。控制器的输入来自各类传感器，主要为转子的运动状态信号，如位移、转速等；输出的控制信号控制后级的功率放大器，往电磁铁中注入相应的电流，使转子受控悬浮。
26.随着微处理器、数模转换器、模数转换器等集成电路的快速发展，数字控制器已经成为构建磁悬浮轴承系统的主流选择。
27.数字控制器可以非常灵活地实现多种控制算法，比如非线性控制、不平衡控制算
法等。通过实现复杂的控制算法，磁轴承系统可以获得很多优异的特性，比如减小轴承振动获得高精度定位，抑制模态振动帮助挠性转子跨临界，降低振动带来的功率损耗等。
28.为了满足现代化磁悬浮轴承系统的控制需求，常选用多个处理器构建数字控制器。不同的处理器分别完成特定的子任务。dsp是一种专用于实时数字信号处理的微处理器，其采用哈佛架构及单指令多数据流的特殊指令集，内置专门的硬件乘法器，浮点运算性能强于通用处理器，特别适合运行各类控制算法，在磁悬浮轴承系统中有着广泛的应用。但是dsp的外设扩展能力有限，不能适应多自由度磁悬浮轴承的数据输入和输出需求，因此还常常用可编程逻辑器件fpga或cpld来辅助构建控制器。fpga是一种可编程的集成电路，通过硬件描述语言verilog hdl描述逻辑电路，利用综合、布局布线、时序仿真工具完成设计与验证。
29.fpga适合于构建并行化的高速数据采集和实时控制系统，可实现多自由度位移信号采集，功率放大器控制，数据预处理，数字滤波等功能。
30.3.功率放大器
31.主动式磁轴承系统中，功率放大器接收控制器输出的控制信号，并将其转换为电磁铁线圈所需要的电流，从而建立强磁场使受控转子悬浮。
32.为了追求更高的效率和更小的体积，集成开关功率放大器功放在磁悬浮轴承系统中得到了普遍的应用。开关功放所用功率器件工作在开关状态，相比线性功放损耗大大降低，效率较高。但是开关功放的电流纹波要远高于线性功放，高电流纹波会导致转子高频振动，并产生较高涡流损耗使定、转子发热。因此降低开关功放的电流纹波是磁轴承功放设计的要点。
33.开关功放技术发展多年，所用的控制方式主要包括采样保持控制、电流滞环控制、脉冲宽度调制等。
34.采样保持控制由固定时钟驱动，在时钟的上升沿对电流信号和控制信号进行比较，并决定该周期内的管开关状态。此种控制方法实现简单，但功率管仅在每个周期起始开关，电流纹波大，失真严重。
35.电流滞环控制给定一电流滞环宽度，功率管在电流达到滞环宽度上下限时开关，保证电流在滞环宽度内波动。此种方法由于管开关时间不固定，无法避开开关噪声干扰，噪声会影响位移传感器的采样结果，进而影响磁轴承控制效果。
36.脉冲宽度调制是通过比较实际电流信号和控制信号，产生不同占空比的脉冲控制管的开关。常用的调制方式有两电平和三电平，前者线圈的电流仅有增或减两种状态，后者增加了续流状态，使得线圈中电流纹波大大降低。
37.脉冲宽度调制的三电平开关功率放大器由于其低纹波的特性得到了广泛的研究与应用。
38.4.电涡流传感器
39.本文研究的间隙传感器属于高频反射式电涡流传感器，如图2所示，由稳定频率的高频信号源激励检测线圈，高频电磁场φ1作用在被测导体表面，趋肤效应使得φ1不能穿过导体，仅作用在导体的表层，涡流磁场φ2跟φ1方向相反，导致等效电感变小，且与间隙x为一一对应关系。随着x的变化，检测线圈输出电量发生变化，经信号处理后得到传感器的输出。
40.电涡流传感器一般由前置器和探头组成，如图3所示。检测线圈安置在探头中，与电容并联，形成lc并联谐振电路。空载时，在检测线圈中加以高频信号(f≥1mhz)，通过调整谐振电容容值，使探头空载时工作在谐振点附近。
41.在实际应用中涡流检测中线圈和导体的关系可以用弱耦合变压器来等效。被测体看作是短路线圈，与探头检测线圈磁性相连。检测线圈看作变压器原边，被测体中涡流电路看成副边，传感器的等效电路如图4所示。
42.图中r2为被测体电阻，l2为被测体电感，m为线圈与被测体之间互感(k为耦合系数)，u为激励电压。以图中所示电流为正方向，根据基尔霍夫定律得到方程：
[0043][0044]
解上式得到i1和i2为：
[0045][0046]
由此得到线圈受到被测体影响后的等效阻抗为：
[0047][0048]
从而得到线圈的等效电阻和等效电感分别为：
[0049][0050][0051]
得到线圈简化模型的品质因数q为：
[0052][0053]
上式中，为空载时线圈的品质因数；
[0054]
为导体中产生的涡流环的阻抗。
[0055]
传感器的驱动电路和探头电路是分离开的，需要通过引线将驱动信号引入。当引线较长时，其分布电感、电容、电阻会影响传感器激励线圈的谐振。同时从外界引入高达数mhz的信号，本身信号的质量就会变差，对走线时经过的部件也会产生影响。
[0056]
一个解决办法就是，将驱动电路和探头电路整合到一起，这对驱动电路的集成度提出了较高的要求。原始设计的电压源采用推挽式驱动电路，分立器件占用了大量的空间，且晶体管的管压降实际降低了施加到激励线圈上的电压。采用高性能的集成运放来替代原始的分立器件设计将有助于降低空间占用，且没有了晶体管基极到发射极的管压降损失，有更多的电压可以被施加到激励线圈上。
[0057]
集成式的横向磁通传感器仍然采用差动激励，其简化电路见图5。
[0058]
传感器感应线圈上的电压信号经过检波后，需要经过低通滤波才能够消除检波时残留的高频分量，并进行后续的差分，偏置处理，才有最终满足要求的位移信号输出。
[0059]
选择无限增益多路反馈二阶低通滤波器，电路如图6所示。根据截止频率为10khz，分别取r1＝r2＝11kω、r3＝6.2kω、c1＝1nf、c2＝3.9nf。得到滤波器的传递函数为
[0060][0061]
理论上，该传感器的动态响应特性主要由峰值检波环节和二阶低通滤波环节来决定。其传递函数就是g1(s)和g2(s)的乘积，可记为
[0062][0063]
根据g(s)对应的幅频和相频特性曲线，传感器的带宽约为9.54hz，足以满足数万转每分钟的磁悬浮轴承位移检测需求。