CN100437018C

CN100437018C - 集成化磁悬浮转子动态位移测量装置

Info

Publication number: CN100437018C
Application number: CNB2006101246023A
Authority: CN
Inventors: 王春麟; 胡业发; 王晓光; 周祖德; 江征风; 丁国平
Original assignee: Wuhan University of Technology WUT
Current assignee: Wuhan University of Technology WUT
Priority date: 2006-09-26
Filing date: 2006-09-26
Publication date: 2008-11-26
Anticipated expiration: 2026-09-26
Also published as: CN1928489A

Abstract

本发明涉及一种磁悬浮转子动态位移测量装置。集成化磁悬浮转子动态位移测量装置，它包括测量电路；其特征在于：所述测量电路的驱动模块的输入端与正弦波发生器的输出端相连接，驱动模块的输出端分别与至少4个的径向位移传感器和至少1个的轴向位移传感器的输入端相连接；所述测量电路为2个，第一测量电路、第二测量电路的正弦波发生器、驱动模块、全桥整流滤波模块、信号调理模块、采样保持器、多路模拟开关、A/D转换器、微处理器分别集成安装在第一测量电路板、第二测量电路板上。本发明具有测量精度高、可靠性好、抗干扰能力强、输出信号数字化、成本低的特点。

Description

集成化磁悬浮转子动态位移测量装置

技术领域

本发明涉及一种数字化测量仪器，具体涉及一种磁悬浮转子动态位移测量装置，特别适用于各种磁力轴承系统中测量磁悬浮转子的动态位移。

背景技术

磁力轴承是一种利用电磁原理将被支承件稳定悬浮在空间，使支承件和被支承件之间没有机械接触的新型高性能机电一体化轴承，它具有精度高、噪声低、发热少、功耗小等普通轴承不可比拟的优点。在磁力轴承系统中，磁悬浮转子的位移信号是控制磁力轴承稳定悬浮并能够高速旋转的重要依据，因此，位移测量数据的可靠性、稳定性和精确性直接影响到磁力轴承的整体性能。磁悬浮转子对位移测量装置的要求是：非接触、体积小、灵敏度高、线性度好并且性能稳定。

5自由度磁悬浮转子由1个轴向磁力轴承和2个径向磁力轴承组成支承系统，轴向磁力轴承至少需要安装1个转子轴向位移传感器，每个径向磁力轴承至少需要安装4个转子径向位移传感器(越多越好)，因此，5自由度磁悬浮转子至少需要9个位移传感器。

目前国内外的磁悬浮转子位移测量装置大都采用涡流传感器，涡流传感器具有结构简单、体积小、灵敏度高、线性度好、易于制作且成本低等优点，便于产业化推广。

但目前的位移测量装置都是采用9个独立的测量通道，位移传感器安装在磁力轴承定子内部，而测量电路安装在磁力轴承外面的控制箱中，通过电缆将传感器和测量电路相连接。这种结构和测量方法有如下弊端：位移传感器输出的微弱模拟信号在远距离传输过程中，容易串入各种干扰信号，使得测量信号误差增加，可靠性下降；各通道激励源的频率很难做到完全相同，在长线传输过程中会产生通道间的相互干扰；各通道的A/D转换器产生的测量误差不一致，增大了信号处理和控制的难度；9个独立的位移测量通道存在明显的硬件冗余；位移传感器安装在磁力轴承定子外壳上，增加了机械加工的难度和安装难度，再加上对连接电缆的严格要求，使得测量装置的体积、硬件成本和维修难度都明显增加。

发明内容

为了解决目前磁悬浮转子位移测量装置存在的弊端，本发明的目的在于提供一种测量精度高、可靠性好、成本低的集成化磁悬浮转子动态位移测量装置。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：集成化磁悬浮转子动态位移测量装置，它包括测量电路；测量电路包括径向位移传感器、轴向位移传感器、正弦波发生器、驱动模块、全桥整流滤波模块、信号调理模块、采样保持器、多路模拟开关、A/D转换器、微处理器；至少4个的径向位移传感器和至少1个的轴向位移传感器的输出端分别与至少5路的全桥整流滤波模块的输入端一对一相对应连接，至少5路的全桥整流滤波模块的输出端分别与至少5路的信号调理模块的输入端一对一相对应连接，至少5路的信号调理模块的输出端分别与至少5个的采样保持器的输入端一对一相对应连接，至少5个的采样保持器的输出端分别与至少含有5个的输入通道的多路模拟开关的输入端一对一相对应连接，多路模拟开关的输出端与A/D转换器的模拟输入端相连接，A/D转换器的输出端与微处理器的数据线相连接，微处理器通过串行口与控制器相联接；微处理器的控制线分别与A/D转换器、多路模拟开关、采样保持器的控制线相连接；

其特征在于：所述测量电路的驱动模块的输入端与正弦波发生器的输出端相连接，驱动模块的输出端分别与至少4个的径向位移传感器和至少1个的轴向位移传感器的输入端相连接；所述测量电路为2个，第一测量电路的正弦波发生器、驱动模块、全桥整流滤波模块、信号调理模块、采样保持器、多路模拟开关、A/D转换器、微处理器集成安装在第一测量电路板上，第二测量电路的正弦波发生器、驱动模块、全桥整流滤波模块、信号调理模块、采样保持器、多路模拟开关、A/D转换器、微处理器集成安装在第二测量电路板上，第一测量电路板、第二测量电路板分别安装在磁力轴承的定子内部；第一测量电路板上固定连接有与第一测量电路的径向位移传感器和轴向位移传感器数量相同的支撑架，第一测量电路的径向位移传感器和轴向位移传感器与第一测量电路板上的支撑架一对一相对应固定在支撑架上；第二测量电路板上固定连接有与第二测量电路的径向位移传感器和轴向位移传感器数量相同的支撑架，第二测量电路的径向位移传感器和轴向位移传感器与第二测量电路板上的支撑架一对一相对应固定在支撑架上；第一测量电路的径向位移传感器和轴向位移传感器位于第一个径向磁力轴承处，第二测量电路的径向位移传感器和轴向位移传感器位于第二个径向磁力轴承处；安装在支撑架上的径向位移传感器在同一平面上，径向位移传感器轴对称分布在磁悬浮转子两边；轴向位移传感器位于磁悬浮转子中部。

本发明的有益效果是：所述测量电路的驱动模块的输入端与正弦波发生器的输出端相连接，驱动模块的输出端分别与至少4个的径向位移传感器和至少1个的轴向位移传感器的输入端相连接；同一块电路板上的所有位移传感器都是由同一个信号源激励，并且信号源和位移传感器都在同一块电路板上，所以各测量通道相互之间不会因为信号源频率不同而产生干扰。将第一测量电路集成在第一测量电路板上，将第二测量电路集成在第二测量电路板上，第一测量电路板、第二测量电路板分别安装在磁力轴承的定子内部；位移传感器的输出近距离传输给微处理器，极大提高了位移信号在传送过程中的抗干扰能力。采用单信号源激励多通道位移传感器，消除了多信号源激励产生的通道间的相互干扰。对多通道传感器的位移信号同步采样，有利于获得完整的磁悬浮转子动态位移信息，提高了采样信号的实时性。多通道传感器共享A/D转换器，保证了磁悬浮转子动态位移信号测量误差的一致性，提高了测量精度和可靠性，减小了测量装置的体积和成本，便于产业化。将位移信号经微处理器处理后，以数字信号形式传送给磁悬浮转子的控制器，输出信号数字化，极大提高了位移信号在传送过程中的抗干扰能力和可靠性。

径向位移传感器的个数可以大于电磁线圈绕组的个数，并在360度范围内等角度等圆心距分布，有利于获得完整的磁悬浮转子动态位移信息。

支撑架的作用是：1、通过调整支撑架的高度，使安装在支撑架上面的位移传感器(包括径向传感器和轴向传感器)尽量位于电磁线圈绕组磁场的中心；2、通过调整支撑架的前后位置，使各径向位移传感器到的距离相等；3、能适应不同大小和结构的磁力轴承和磁悬浮转子。

附图说明

图1是本发明的磁悬浮转子及其磁力轴承支承系统和测量电路板的结构示意图。

图2是图1的左视图。

图3是本发明的第一测量电路原理方框图。

图4是本发明的第二测量电路原理方框图。

在图1中：0是磁悬浮转子，1是磁悬浮转子的轴向推力盘，2-1和2-2分别是轴向磁力轴承的第一电磁线圈绕组和第二电磁线圈绕组，2-1和2-2分别安装在磁悬浮转子推力盘1的两边。3-1、3-2、3-3、3-4(3-4在图1中被磁悬浮转子0挡住看不见)分别是第一个径向磁力轴承的4个电磁线圈绕组(即第三电磁线圈绕组、第四电磁线圈绕组、第五电磁线圈绕组、第六电磁线圈绕组)，4-1、4-2、4-3、4-4(4-4被磁悬浮转子0挡住看不见)分别是4个径向位移传感器(即第一径向位移传感器、第二径向位移传感器、第三径向位移传感器、第四径向位移传感器)，4-5是第一轴向位移传感器，5-1、5-2、5-3、5-4(5-4被磁悬浮转子0挡住看不见)、5-5分别是4-1、4-2、4-3、4-4、4-5的支撑架(即第一支撑架5-1、第二支撑架5-2、第三支撑架5-3、第四支撑架5-4、第五支撑架5-5)，第一支撑架5-1、第二支撑架5-2、第三支撑架5-3、第四支撑架5-4、第五支撑架5-5分别安装在第一测量电路板6-1上，图3所示的第一测量电路全部安装在测量电路板6-1上(其中包括1个轴向位移传感器)，第一测量电路板6-1安装在磁力轴承的定子内部；上述部件组成第一个径向磁力轴承。

3-5、3-6、3-7、3-8(3-8在图1中被磁悬浮转子0挡住看不见)分别是第二个径向磁力轴承的4个电磁线圈绕组(即第七电磁线圈绕组、第八电磁线圈绕组、第九电磁线圈绕组、第十电磁线圈绕组)，4-6、4-7、4-8、4-9(4-9被磁悬浮转子0挡住看不见)分别是4个径向位移传感器(即第五径向位移传感器、第六径向位移传感器、第七径向位移传感器、第八径向位移传感器)，4-0是第二轴向位移传感器；5-6、5-7、5-8、5-9(5-9被磁悬浮转子0挡住看不见)、5-0分别是4-6、4-7、4-8、4-9、4-0的支撑架(第六支撑架5-6、第七支撑架5-7、第八支撑架5-8、第九支撑架5-9、第十支撑架5-0)，第六支撑架5-6、第七支撑架5-7、第八支撑架5-8、第九支撑架5-9、第十支撑架5-0分别安装在第二测量电路板6-2上，第二测量电路如图4所示，第二测量电路全部安装在第二测量电路板6-2上，第二测量电路板6-2安装在磁力轴承的定子内部；上述部件组成第二个径向磁力轴承(其中包括1个轴向位移传感器)。

两个径向磁力轴承的结构完全相同，每个径向磁力轴承的电磁线圈绕组和位移传感器在空间是等距分布，各传感器在360度范围内等角度等圆心距分布；例如采用4个电磁线圈绕组和4个径向位移传感器，则4个径向位移传感器相互之间相距90度，如图2所示。

径向磁力轴承位移传感器的个数可以大于电磁线圈绕组的个数。

图3中：7-1、7-2、7-3、7-4、7-5分别是第一全桥整流滤波模块、第二全桥整流滤波模块、第三全桥整流滤波模块、第四全桥整流滤波模块、第五全桥整流滤波模块，8-1、8-2、8-3、8-4、8-5分别是第一信号调理模块、第二信号调理模块、第三信号调理模块、第四信号调理模块、第五信号调理模块，9-1、9-2、9-3、9-4、9-5分别是第一采样保持器、第二采样保持器、第三采样保持器、第四采样保持器、第五采样保持器，10是第一多路模拟开关，11是第一A/D转换器，12是第一微处理器，13是第一驱动模块，14是第一正弦波发生器，图中箭头表示信号的流向。

图4中：4-6、4-7、4-8、4-9是4个径向位移传感器(即第五径向位移传感器、第六径向位移传感器、第七径向位移传感器、第八径向位移传感器)，4-0是第二轴向位移传感器；7-6、7-7、7-8、7-9、7-0分别是第六全桥整流滤波模块、第七全桥整流滤波模块、第八全桥整流滤波模块、第九全桥整流滤波模块、第十全桥整流滤波模块，8-6、8-7、8-8、8-9、8-0分别是第六信号调理模块、第七信号调理模块、第八信号调理模块、第九信号调理模块、第十信号调理模块，9-6、9-7、9-8、9-9、9-0分别是第六采样保持器、第七采样保持器、第八采样保持器、第九采样保持器、第十采样保持器，15是第二多路模拟开关，16是第二A/D转换器，17是第二微处理器，18是第二驱动模块，19是第二正弦波发生器，图中箭头表示信号的流向。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。

集成化磁悬浮转子动态位移测量装置，它包括第一测量电路板、第二测量电路板、支撑架、径向位移传感器和轴向位移传感器。

为了提高位移测量信号的实时性和测量精度，在本发明中，第一微处理器12、第二微处理器17选用高速DSP芯片TMS320VC5402PGE100，该芯片时钟周期达10ns；第一A/D转换器11、第二A/D转换器16选用高速高精度芯片ADS5520，该芯片采样速率高达125MSPS；分辨率达12位；第一多路模拟开关10、第二多路模拟开关15选用高速芯片ISL43681IR，该芯片为8选1；采样保持器选用高速芯片HTS-0025，信号调理模块选用高精度运算放大器OPA335；全桥整流滤波模块选用开关二极管1SS400T1和钽电容；正弦波发生器选用高频精密函数波形发生器MAX038，驱动模块选用高频功率运算放大器OPA552。

一、下面以第一个径向磁力轴承为例，并结合图1、图2和图3进行说明。

第一测量电路包括径向位移传感器、轴向位移传感器、正弦波发生器、驱动模块、全桥整流滤波模块、信号调理模块、采样保持器、多路模拟开关、A/D转换器、微处理器，4个径向位移传感器(第一径向位移传感器4-1、第二径向位移传感器4-2、第三径向位移传感器4-3、第四径向位移传感器4-4、)和1个轴向位移传感器(第一轴向位移传感器4-5)的输出端分别与5路全桥整流滤波模块(第一全桥整流滤波模块7-1、第二全桥整流滤波模块7-2、第三全桥整流滤波模块7-3、第四全桥整流滤波模块7-4、第五全桥整流滤波模块7-5)的输入端一对一相对应连接，5路全桥整流滤波模块的输出端分别与5路信号调理模块(第一信号调理模块8-1、第二信号调理模块8-2、第三信号调理模块8-3、第四信号调理模块8-4、第五信号调理模块8-5)的输入端一对一相对应连接，5路信号调理模块的输出端分别与5个采样保持器(第一采样保持器9-1、第二采样保持器9-2、第三采样保持器9-3、第四采样保持器9-4、第五采样保持器9-5)的输入端一对一相对应连接，5个采样保持器的输出端分别与含有8个输入通道的第一多路模拟开关10的任意5个输入端一对一相对应连接，第一多路模拟开关10的输出端与第一A/D转换器11的模拟输入端相连接，第一A/D转换器的输出端与第一微处理器12的数据线相连接，第一微处理器12通过串行口与控制器相联接；第一驱动模块13的输入端与第一正弦波发生器14的输出端相连接，第一驱动模块13的输出端与第一径向位移传感器4-1、第二径向位移传感器42、第三径向位移传感器4-3、第四径向位移传感器4-4、第一轴向位移传感器4-5的输入端相连接，第一微处理器12的控制线分别与第一A/D转换器11、第一多路模拟开关10、第一采样保持器9-1、第二采样保持器9-2、第三采样保持器9-3、第四采样保持器9-4、第五采样保持器9-5的控制线相连接。

第一测量电路的正弦波发生器、驱动模块、全桥整流滤波模块、信号调理模块、采样保持器、多路模拟开关、A/D转换器、微处理器集成安装在第一测量电路板上。

第一测量电路板安装在磁力轴承的定子内部，第一测量电路板上固定连接有与位移传感器数量相同的支撑架(第一支撑架5-1、第二支撑架5-2、第三支撑架5-3、第四支撑架5-4、第五支撑架5-5)；第一测量电路的径向位移传感器和轴向位移传感器位于第一个径向磁力轴承处，安装在支撑架上的径向位移传感器在同一平面上，径向位移传感器2个一组，轴对称安装在磁悬浮转子两边，测量磁悬浮转子的径向位移，各径向位移传感器在360度范围内等角度等圆心距分布；例如采用4个电磁线圈绕组和4个径向位移传感器，则4个径向位移传感器相互之间相距90度，如图2所示。径向位移传感器的个数可以等于也可以大于电磁线圈绕组的个数。轴向位移传感器位于磁悬浮转子中部；轴向位移传感器测量磁悬浮转子中部的推力盘(也可测量安装在磁悬浮转子上的其它目标盘)的轴向位移。径向位移传感器也可以采用4个以上(如5个、6个、7个、8个、9个或10个，但最好为4的整倍数)，第一测量电路板上也可以安装1个以上的轴向位移传感器(如2个、3个、4个或5个，但不宜过多)。

在图3中，工作原理如下：第一正弦波发生器14产生的高频振荡信号，通过第一驱动模块13变换为有足够驱动能力的信号，同时激励第一径向位移传感4-1、第二径向位移传感4-2、第三径向位移传感4-3、第四径向位移传感4-4、第一轴向位移传感器4-5。因为所有位移传感器都是由同一个信号源激励，并且信号源和位移传感器都在同一块电路板上，各测量通道相互之间不会因为信号源频率不同而产生干扰，因此提高了测量精度和可靠性。5个位移传感器测量的磁悬浮转子位移信号分别经第一全桥整流滤波模块7-1、第二全桥整流滤波模块7-2、第三全桥整流滤波模块7-3、第四全桥整流滤波模块7-4、第五全桥整流滤波模块7-5整流滤波后输入到第一信号调理模块8-1、第二信号调理模块8-2、第三信号调理模块8-3、第四信号调理模块8-4、第五信号调理模块8-5的输入端，第一信号调理模块8-1、第二信号调理模块8-2、第三信号调理模块8-3、第四信号调理模块8-4、第五信号调理模块8-5将信号放大后分别输入到第一采样保持器9-1、第二采样保持器9-2、第三采样保持器9-3、第四采样保持器9-4、第五采样保持器9-5的输入端，在微处理器12的控制下，经第一采样保持器9-1、第二采样保持器9-2、第三采样保持器9-3、第四采样保持器9-4、第五采样保持器9-5采样并保持的位移测量信号，输入到第一多路模拟开关10的输入端，第一微处理器12通过控制第一多路模拟开关10，巡回选通各路位移信号，并通过控制第一A/D转换器11获得位移信号。由于位移传传感器和测量模块在同一块电路板上且距离很近，所以既省去了昂贵的电缆又避免了干扰信号的串入。本发明具有测量精度高、成本低、可靠性好的特点。

第一微处理器12的采样过程是：先通过控制线同时使各采样保持器处于保持状态，确保位移采样信号的同时性，然后依次选通第一多路模拟开关10，将各路位移采样信号依次读入并进行处理，然后将经过处理的位移信号以数字信号的形式，通过串行口传送给控制器。因为传送的是数字信号，所以具有很强的抗干扰能力，虽然传送距离较远，仍然能保证信号的可靠性。

二、下面以第二个径向磁力轴承为例，并结合图1和图4进行说明。

第二测量电路包括径向位移传感器、轴向位移传感器、正弦波发生器、驱动模块、全桥整流滤波模块、信号调理模块、采样保持器、多路模拟开关、A/D转换器、微处理器，4个径向位移传感器(第五径向位移传感器4-6、第六径向位移传感器4-7、第七径向位移传感器4-8、第八径向位移传感器4-9、)和1个轴向位移传感器(第二轴向位移传感器4-0)的输出端分别与5路全桥整流滤波模块(第六全桥整流滤波模块7-6、第七全桥整流滤波模块7-7、第八全桥整流滤波模块7-8、第九全桥整流滤波模块7-9、第十全桥整流滤波模块7-0)的输入端一对一相对应连接，5路全桥整流滤波模块的输出端分别与5路信号调理模块(第六信号调理模块8-6、第七信号调理模块8-7、第八信号调理模块8-8、第九信号调理模块8-9、第十信号调理模块8-0)的输入端一对一相对应连接，5路信号调理模块的输出端分别与5个采样保持器(第六采样保持器9-6、第七采样保持器9-7、第八采样保持器9-8、第九采样保持器9-9、第十采样保持器9-0)的输入端一对一相对应连接，5个采样保持器的输出端分别与含有8个输入通道的第二多路模拟开关15的任意5个输入端一对一相对应连接，第二多路模拟开关15的输出端与第二A/D转换器16的模拟输入端相连接，第二A/D转换器的输出端与第二微处理器17的数据线相连接，第二微处理器17通过串行口与控制器相联接；第二驱动模块18的输入端与第二正弦波发生器19的输出端相连接，第二驱动模块18的输出端与第五径向位移传感器4-6、第六径向位移传感器4-7、第七径向位移传感器4-8、第八径向位移传感器4-9、第二轴向位移传感器4-0的输入端相连接，第二微处理器17的控制线分别与第二A/D转换器16、第二多路模拟开关15、第六采样保持器9-6、第七采样保持器9-7、第八采样保持器9-8、第九采样保持器9-9、第十采样保持器9-0的控制线相连接。

第二测量电路的正弦波发生器、驱动模块、全桥整流滤波模块、信号调理模块、采样保持器、多路模拟开关、A/D转换器、微处理器集成安装在第二测量电路板上。

第二测量电路板安装在磁力轴承的定子内部，第二测量电路板上固定连接有与位移传感器数量相同的支撑架(第六支撑架5-6、第七支撑架5-7、第八支撑架5-8、第九支撑架5-9、第十支撑架5-0)；第二测量电路的径向位移传感器和轴向位移传感器位于第二个径向磁力轴承处，安装在支撑架上的径向位移传感器在同一平面上，径向位移传感器2个一组，轴对称安装在磁悬浮转子两边，测量磁悬浮转子的径向位移，各径向位移传感器在360度范围内等角度等圆心距分布；例如采用4个电磁线圈绕组和4个径向位移传感器，则4个径向位移传感器相互之间相距90度。径向位移传感器的个数可以等于也可以大于电磁线圈绕组的个数。第二轴向位移传感器位于磁悬浮转子中部；第二轴向位移传感器测量磁悬浮转子中部的推力盘(也可测量安装在磁悬浮转子上的其它目标盘)的轴向位移。径向位移传感器也可以采用4个以上(如5个、6个、7个、8个、9个或10个，但最好为4的整倍数)；如果第一测量电路板上已安装了1个或1个以上的轴向位移传感器，第二测量电路板上也可以不安装轴向位移传感器；第二测量电路板上和第一测量电路板上的轴向位移传感器个数最好相同。

在本实施方式中，采用2个轴向位移传感器可以相互补偿，克服温度的影响，提高测量精度。

Claims

1.集成化磁悬浮转子动态位移测量装置，它包括测量电路；测量电路包括径向位移传感器、轴向位移传感器、正弦波发生器、驱动模块、全桥整流滤波模块、信号调理模块、采样保持器、多路模拟开关、A/D转换器、微处理器；至少4个的径向位移传感器和至少1个的轴向位移传感器的输出端分别与至少5路的全桥整流滤波模块的输入端一对一相对应连接，至少5路的全桥整流滤波模块的输出端分别与至少5路的信号调理模块的输入端一对一相对应连接，至少5路的信号调理模块的输出端分别与至少5个的采样保持器的输入端一对一相对应连接，至少5个的采样保持器的输出端分别与至少含有5个的输入通道的多路模拟开关的输入端一对一相对应连接，多路模拟开关的输出端与A/D转换器的模拟输入端相连接，A/D转换器的输出端与微处理器的数据线相连接，微处理器通过串行口与控制器相联接；微处理器的控制线分别与A/D转换器、多路模拟开关、采样保持器的控制线相连接；

2.根据权利要求1所述的集成化磁悬浮转子动态位移测量装置，其特征在于：径向位移传感器2个一组，径向位移传感器在360度范围内等角度等圆心距分布。