CN105823452A - 一种磁轴承用位移传感器位移信号调理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种磁轴承用位移传感器位移信号调理方法，通过磁轴承控制系统控制功放给AX、BX磁轴承线圈施加正弦电流，给AY、BY磁轴承线圈施加余弦电流，改变正弦电流和余弦电流的幅值和频率，从而实现磁轴承驱动转子沿机械保护轴承无间隙滑行，获得位移传感器的输出峰峰值，根据要求进行位移传感器输出调理。该方法操作简单，容易实现，给位移传感器信号调零调偏带来了极大的便利，并且提高了位移传感器信号调理的精度和效率。

Description

一种磁轴承用位移传感器位移信号调理方法
技术领域
本发明涉及一种磁轴承用位移传感器位移信号调理方法，可用于磁轴承控制系统调试和传感器故障的检测。
背景技术
随着磁悬浮电机技术的日趋成熟，其应用也越来越广泛，比如在航空航天领域的磁悬浮飞轮、磁悬浮控制力矩陀螺，在工业生产中的高能量密度电机，在清洁能源领域的磁悬浮空气压缩机、分子泵等。磁悬浮电机能够广泛应用主要是因为其具有高转速、无接触、无摩擦、使用寿命长等优点，关键技术是采用了磁轴承控制支承转子高速稳定运转。磁轴承控制系统的原理：当转子偏离磁中心位置时，位移传感器将检测到偏移位移量的大小转化为电信号输入到控制器，控制器对位移传感器的信号处理后通过放大器将控制电流施加到励磁线圈上，电磁线圈产生的磁场力控制转子回到磁中心。受电路调试误差、加工装配误差影响，磁悬浮电机各位移传感器输出范围不统一，无法按照固定比例调节输出范围。因此，需要将位移传感器的输出信号全部调理到控制系统AD的输入范围内。
目前，在进行传感器输出信号调节时，为使传感器输出达到最大边界，需要将转子相对机壳在保护轴承上旋转。通用方法一：将磁悬浮设备水平放置，手动旋转机壳，转子靠重力在保护轴承上滑行，接触点为保护轴承最下方点；方法二：将磁悬浮设备垂直放置，用电机驱动转子沿保护轴承滑行。磁悬浮电机因磁间隙和保护间隙均较大，转子偏离磁中心时，磁轴承对转子的偏置力很大，导致使用方法一时转子在某些位置不能到达最低点，而且电机整机重量大，操作极为不便。使用第二种方法时，大功率电机的启动电流很大，垂直放置的条件限制也大大限制了使用场合。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，利用磁轴承电磁激励，提供一种基于磁轴承的电磁激励驱动转子进行位移传感器信号调理的方法，该方法降低了位移传感器输出峰值检测难度，提高了位移传感器输出信号调理的精度和效率。
本发明的技术解决方案是：一种磁轴承用位移传感器位移信号调理方法，包括以下步骤：
(1)在磁轴承控制系统开环状态下，通过控制器采用PWM调宽，控制功放给AX、BX磁轴承线圈施加正弦电流，给AY、BY磁轴承线圈施加余弦电流，如下式所示：
IAX＝Imsinωt
IAY＝Imcosωt
IBX＝Imsinωt
IBY＝Imcosωt
其中，t为时间；IAX为控制功放给AX轴承线圈施加正弦激励电流，IAY为控制功放给AY轴承线圈施加余弦激励电流，IBX为控制功放给BX轴承线圈施加正弦激励电流，IBY为控制功放给BY轴承线圈施加余弦激励电流，Im为激励电流的幅值，ω为控制功放给轴承线圈施加电流的频率，IAX、IAY、IBX、IBY的大小和频率都可调。按照同一比例系数改变各脉冲的宽度，可调节正余弦电流的幅值Im；正余弦电流的频率ω由磁轴承控制系统程序给定。此处应特别注意A、B两端磁轴承必须同步驱动，否则位移传感器将检测不到最大位移边界。
(2)在X、Y方向激励电流共同驱动下，电机转子沿机械保护轴承内圆周无间隙滑行，所得开环状态下位移传感器的输出波形为连续周期信号，确定位移传感器输出信号US在一个周期内的最大值Vmax和最小值Vmin之差的值为峰峰值Upp，如下式所示：
Upp＝Vmax-Vmin；
(3)通过调理电路，将位移传感器输出信号调理到磁悬浮轴承控制系统AD输入范围0～3V。
将位移传感器输出US接入电压跟随器(隔离)，电压跟随器的输出Uf接入反相求和放大器输入端，再通过偏置电路加入偏置电压Ub，接入反相求和放大器的输入端，将位移传感器输出信号调理到0～3V范围内，反相求和放大器输出Ud接入低通滤波电路抑制高频干扰信号，最后输出调理后的信号Uout，如下式所示：
Ub＝krUr
Uout＝kfUs+kbUb
Uopp＝kfUpp
其中，Uopp为调理后输出信号的峰峰值，Ur为参考电压(根据调理要求选择)，kr为偏置电压比例系数，kf、kb为反相求和放大器的比例系数，kr、kf、kb的值通过调节电阻改变。
所述步骤(3)中的Ur为参考电压，通过比例放大后作为偏置电压Ub，传感器输出电压US在比例放大和偏置电压作用下使输出信号调理到0～3V范围内，根据所需偏置电压Ub和设置的偏置电压比例系数kr可以确定参考电压Ur的大小；参考电压的设置使传感器输出信号调理更加灵活。
所述步骤(3)中的kr为偏置电压比例系数，kf、kb为反相求和放大器的比例系数，kr、kf、kb的值通过调节电阻改变；kr、kb设定为1，kf的取值范围为0.6～0.7，确保调理后输出信号的峰峰值不超过3V，可有效避免传感器输出信号波动造成控制系统AD损坏。
所述步骤(2)中按照同一比例系数改变各脉冲的宽度，能够调节正余弦电流的幅值Im，使其值范围为0.9A～2.5A，当Im低于0.9A时电流过小，磁轴承产生的电磁力不足以驱动转子沿保护轴承无间隙滑行；当Im高于2.5A时电流过大，容易造成功率放大器损坏。
本发明的原理是：受电路调试误差、加工装配误差影响，磁悬浮电机各传感器输出范围不统一，无法按照固定比例调节输出范围。位移传感器信号调理的作用，就是使传感器输出范围全部落在控制系统AD输入范围0～3V内。通过磁轴承电磁激励驱动转子沿机械保护轴承圆周无间隙滑行，得到周期、连续的位移传感器输出信号，可得磁悬浮电机在运行时所有可能产生的位移传感器输出值，转子轴A、B两端同时驱动，可获得转子在最大位移边界时位移传感器的输出峰峰值。设计调理电路，通过放大、调偏、滤波，将位移传感器输出信号调理到0～3V范围内。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明首次提出了一种磁轴承用位移传感器位移信号调理方法，该方法操作简单，易于实现，无条件限制，可适用于大多数场合，调理电路可灵活调节输出范围，提高了位移传感器信号调理的精度和效率。
(2)本发明所采用的方法无需增加任何辅助设备，利用磁轴承控制系统就可实现驱动转子沿机械保护轴承无间隙滑行，从而可得位移传感器的连续整周期输出信号。
附图说明
图1为磁轴承控制系统示意图；
图2为本发明的流程图；
图3为磁轴承电磁激励驱动转子结构示意图；
图4为位移传感器调理电路图。
具体实施方式
如图所示，本发明的具体方法如下：
(1)如图1、2所示，本发明中电磁激励驱动转子需要在控制系统开环状态下，对转子轴A、B两端磁轴承线圈的X轴、Y轴方向同步施加正余弦电流，驱动转子沿机械保护轴承无间隙滑行，所加电流由磁轴承控制系统PWM调宽控制功放产生，给AX、BX磁轴承线圈施加正弦电流，给AY、BY磁轴承线圈施加余弦电流，施加电流如下式所示：
IAX＝Imsinωt
IAY＝Imcosωt
IBX＝Imsinωt
IBY＝Imcosωt
其中，IAX为控制功放给AX轴承线圈施加正弦激励电流，IAY为控制功放给AY轴承线圈施加余弦激励电流，IBX为控制功放给BX轴承线圈施加正弦激励电流，IBY为控制功放给BY轴承线圈施加余弦激励电流，Im为激励电流的幅值，ω为控制功放给轴承线圈施加电流的频率，IAX、IAY、IBX、IBY的大小和频率都可调。按照同一比例系数改变各脉冲的宽度，调节正余弦电流的幅值Im；正余弦电流的频率ω由磁轴承控制系统程序给定。此处应特别注意A、B两端磁轴承必须同步驱动，否则位移传感器将检测不到最大位移边界。
(2)如图3所示，在X、Y方向激励电流共同驱动下，电机转子沿机械保护轴承内圆周无间隙滑行，所得开环状态下位移传感器的输出波形为连续周期信号，确定位移传感器输出信号US在一个周期内的最大值Vmax和最小值Vmin之差的值为峰峰值Upp，如下式所示：
Upp＝Vmax-Vmin
(3)如图4所示，本发明所设计的位移传感器输出信号调理电路原理：根据位移传感器的输出信号峰峰值Upp选定合适的比例放大系数，使调整后信号的峰峰值在0～3V范围内，再引入偏置电压，使输出信号偏移至控制系统AD输入0～3V范围内，实现信号调理。
在位移传感器输出信号调理电路中，先将位移传感器输出US接入电压跟随器(隔离)，电压跟随器的输出Uf接入反相求和放大器输入端，再通过偏置电路加入偏置电压Ub，接入反相求和放大器的输入端，将位移传感器输出信号调理到0～3V范围内，反相求和放大器输出Ud接入低通滤波电路抑制高频干扰信号，最后输出调理后的信号Uout，如下式所示：
Ub＝krUr
Uout＝kfUs+kbUb
Uopp＝kfUpp
其中，Uopp为调理后输出信号的峰峰值，Ur为参考电压(根据调理要求选择)，kr为偏置电压比例系数，kf、kb为反相求和放大器的比例系数，kr、kf、kb的值可通过调节电阻改变。
理想状态时位移传感器输出峰峰值Upp为4V，输出电压最大值Vmax为7V，输出电压最小值Vmin为3V，选取放大器比例系数kf为0.7，调理后输出信号峰峰值Uopp为2.8V，传感器输出电压US经反相比例放大后输出范围为﹣4.9V～﹣2.1V，需将输出电压整体偏置+5V，取kb的值为1，偏置电压Ub为﹣5V，偏置电压比例放大系数kr为1，参考电压Ur为﹣5V，可得信号调理电路输出电压Uout在0.1V～2.9V范围内。通过设定调理电路参数，传感器输出信号调理结果在控制系统AD输入0～3V范围内，实现了传感器的信号调理。
本发明可以作为一种通用的磁轴承电磁激励驱动转子进行位移传感器信号调理的方法，调理电路可较精确的实现比例调节输出信号，操作简单，容易实现，提高了位移传感器信号调理的精度和效率。
本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。

Claims (4)

1.一种磁轴承用位移传感器位移信号调理方法，其特征在于：通过如下步骤实现：
(1)在磁轴承控制系统开环状态下，通过控制器采用PWM调宽，控制功率放大器分别给转子A、B两端X轴方向磁轴承线圈AX、BX施加正弦电流，给转子A、B两端Y方向磁轴承线圈AY、BY施加余弦电流，如下式所示：
IAX＝Imsinωt
IAY＝Imcosωt
IBX＝Imsinωt
IBY＝Imcosωt
其中，t为时间；IAX为控制功放给AX轴承线圈施加正弦激励电流，IAY为控制功放给AY轴承线圈施加余弦激励电流，IBX为控制功放给BX轴承线圈施加正弦激励电流，IBY为控制功放给BY轴承线圈施加余弦激励电流，Im为激励电流的幅值，ω为控制功放给轴承线圈施加电流的频率，IAX、IAY、IBX、IBY的大小和频率都可调；按照同一比例系数改变各脉冲的宽度，能够调节正余弦电流的幅值Im；正余弦电流的频率ω由磁轴承控制系统程序给定，A、B两端磁轴承需要同步驱动，否则位移传感器将检测不到最大位移边界；
(2)在X、Y方向激励电流共同驱动下，电机转子沿机械保护轴承内圆周无间隙滑行，所得开环状态下位移传感器的输出波形为连续周期信号，确定位移传感器输出信号US在一个周期内的最大值Vmax和最小值Vmin之差的值为峰峰值Upp，如下式所示：
Upp＝Vmax-Vmin；
(3)将位移传感器输出US接入电压跟随器，电压跟随器的输出Uf接入反相求和放大器输入端，再通过偏置电路加入偏置电压Ub，接入反相求和放大器的输入端，将位移传感器输出信号调理到0～3V范围内，反相求和放大器输出Ud接入低通滤波电路抑制高频干扰信号，最后输出调理后的信号Uout，如下式所示：
Ub＝krUr
Uout＝kfUs+kbUb
Uopp＝kfUpp
其中，Uopp为调理后输出信号的峰峰值，Ur为参考电压(根据调理要求选择)，kr为偏置电压比例系数，kf、kb为反相求和放大器的比例系数，kr、kf、kb的值可通过调节电阻改变。
2.根据权利要求1所述的一种磁轴承用位移传感器位移信号调理方法，其特征在于：所述步骤(3)中的Ur为参考电压，通过比例放大后作为偏置电压Ub，传感器输出电压US在比例放大和偏置电压作用下使输出信号调理到0～3V范围内，根据所需偏置电压Ub和设置的偏置电压比例系数kr可以确定参考电压Ur的大小；参考电压的设置使传感器输出信号调理更加灵活。
3.根据权利要求1所述的一种磁轴承用位移传感器位移信号调理方法，其特征在于：所述步骤(3)中的kr为偏置电压比例系数，kf、kb为反相求和放大器的比例系数，kr、kf、kb的值通过调节电阻改变；kr、kb设定为1，kf的取值范围为0.6～0.7，确保调理后输出信号的峰峰值不超过3V，可有效避免传感器输出信号波动造成控制系统AD损坏。
4.根据权利要求1所述的一种磁轴承用位移传感器位移信号调理方法，其特征在于：所述步骤(2)中按照同一比例系数改变各脉冲的宽度，能够调节正余弦电流的幅值Im，使其值范围为0.9A～2.5A。
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