CN107968540A - 磁悬浮无刷直流电机用轴向位移与转子位置集成传感器 - Google Patents

磁悬浮无刷直流电机用轴向位移与转子位置集成传感器 Download PDF

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陈少华
祝连庆
李红
孙广开
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Abstract

本发明公开了磁悬浮无刷直流电机用轴向位移与转子位置集成传感器，由电涡流位移传感器探头、传感器信号调理电路以及光耦隔离电路组成。电涡流位移传感器探头镶嵌在传感器座中，并固定在转子轴伸端的电机机壳上，传感器信号调理电路和光耦隔离电路集成在磁悬浮电机的控制系统中，与传感器探头分离，便于维护，减小了干扰。本发明将通过电涡流传感器来检测转子轴向位移，同时检测电机转子位置，代替了常用的霍尔元件，简化了磁悬浮电机结构，减小了磁悬浮电机的体积，提高了控制系统的稳定性，节约成本，便于维护，为磁悬浮电机转子轴向位移和转子位置检测提供了一种新的方法，有利于磁悬浮电机高精度控制。

Description

磁悬浮无刷直流电机用轴向位移与转子位置集成传感器
技术领域
本发明涉及集成传感器技术领域，具体为磁悬浮无刷直流电机用轴向位移与转子位置集成传感器。
背景技术
磁悬浮电机的高速转子采用磁轴承支撑，具有高转速、无摩擦、不需要润滑和维护、寿命长、可靠性高等优点，在尖端科学仪器、高技术产业工艺装备、国防领域等具有非常广阔的应用前景。转子轴向位移检测是确定磁悬浮电机转子悬浮位置，决定磁轴承控制力方向的关键；电机转子位置传感器在电机中起着检测转子磁极位置、为逻辑开关电路提供正确换相信息的作用，即将转子磁极的位置信号转化为电信号，然后去控制定子绕组换相，使得电机电枢绕组中的电流随着转子位置的变化按照一定次序换相，通过气隙形成旋转磁场，驱动转子不断的旋转。转子轴向位移检测和电机转子位置的检测对于电机转子悬浮、电机启动、高精度控制至关重要。
目前，用于检测转子轴向位移信号的传感器采用非接触式单探头涡流传感器，被检测面得平滑度、环境温度等影响着传感器的精度。由于受电机转子加工工艺的影响，被检测面圆心存在不规则凹槽，使得涡流传感器探头只能远离被检测面圆心位置放置，严重影响了传感器的检测精度。目前用于检测电机转子位置的传感器主要有：旋转变压器、光电编码盘(增量式和绝对式)、霍尔传感器。这些结构中除旋转变压器和绝对式光电编码盘包含了转子的初始位置信息，可以用作初始定位外，其它装置都不能初始定位。采用霍尔元件影响了电机的稳定性。光电码盘由于其自身的工作原理及物理特性，必须保持码盘表面的清洁，振荡等外界冲击也容易造成光电码盘的损坏。位置传感器的安装和使用，一般会增加电机的成本，并影响电机控制系统的可靠性和工作寿命，传感器装入电机内部会增加电机的体积，极大的限制了位置传感器的应用领域。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了磁悬浮无刷直流电机用轴向位移与转子位置集成传感器，解决了现有电机转子轴向位移传感器和转子位置传感器精确度低，安装复杂，稳定性差等问题，设计一种磁悬浮无刷直流电机用轴向位移与转子位置集成传感器，结构简单，维护方便，显著减小了电机的体积、极大提高了电机轴向位移和电机转子位置检测精度的问题。
(二)技术方案
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：磁悬浮无刷直流电机用轴向位移与转子位置集成传感器，包括传感器底座、外置传感器信号调理电路、光耦隔离电路和数字控制器，所述传感器底座的一侧均通过胶体分别固定连接有第一电涡流位移传感器探头、第二电涡流位移传感器探头、第三电涡流位移传感器探头和第四电涡流位移传感器探头，并且传感器底座的轴心处贯穿有电机转子轴，所述电机转子轴的外表面固定连接有被检测面板。
所述第一电涡流位移传感器探头、第二电涡流位移传感器探头、第三电涡流位移传感器探头和第四电涡流位移传感器探头上均设置有前置放大器，并且前置放大器包括晶体振荡器、AGC网络、传感器探头线圈谐振电路、倍压检波电路和滤波调整功放输出电路。
所述数字控制器的输出端分别于磁轴承驱动电路和功率放大电路的输入端连接，所述功率放大电路的输出端与三相逆变桥的输入端连接，并且三相逆变桥的输出端与磁悬浮电机的输入端连接，所述磁悬浮电机的输出端依次通过传感器探头、信号调整电路、光电耦合电路和电平转换电路与数字控制器的输入端连接。
优选的，所述第一电涡流位移传感器探头和第三电涡流位移传感器探头在同一圆周上相隔180°对称放置，并且第二电涡流位移传感器探头和第四电涡流位移传感器探头于第三电涡流位移传感器探头两侧和第三电涡流位移传感器探头相隔60°对称放置。
优选的，所述被检测面板的圆心与电机转子轴的轴心重合，并且被检测面板成光滑圆面，所述被检测面板与电机转子轴的轴线夹角在85°--88°之间。
优选的，所述晶体振荡器的输出端与AGC网络的输入端连接，并且AGC网络的输出端与传感器探头线圈谐振电路的输入端连接，所述传感器探头线圈谐振电路的输出端与倍压检波电路的输入端连接，并且倍压检波电路倍压检波电路滤波调整功放输出电路的输入端连接。
优选的，所述磁轴承驱动电路和三相逆变桥的输入端均与三相交流功率电的输出端电性连接。
优选的，所述第一电涡流位移传感器探头、第二电涡流位移传感器探头、第三电涡流位移传感器探头和第四电涡流位移传感器探头的圆周中心均与被检测面板的圆心重合，并且第一电涡流位移传感器探头、第二电涡流位移传感器探头、第三电涡流位移传感器探头和第四电涡流位移传感器探头的距离均与被检测面板0.4mm--1.4mm范围内。
(三)有益效果
本发明提供了磁悬浮无刷直流电机用轴向位移与转子位置集成传感器。具备以下有益效果：该磁悬浮无刷直流电机用轴向位移与转子位置集成传感器，通过第一电涡流位移传感器探头、第二电涡流位移传感器探头、第三电涡流位移传感器探头和第四电涡流位移传感器探头的布置，可实现转子轴向位移和电机转子位置的检测，极大地节省了磁悬浮电机的空间，延长了磁悬浮电机的工作寿命，减小了外界环境转子位置检测信号的影响，提高了磁悬浮电机的控制精度，增强了系统运行的可靠性。
附图说明
图1为本发明传感器底座的结构示意图；
图2为本发明立体结构示意图；
图3为本发明集成传感器检测磁悬浮高速电机用位置检测示意图；
图4为本发明经集成传感器检测的位置信号及调理后波形示意图；
图5为本发明前置放大器的组成示意图；
图6为本发明系统结构原理框图；
图中，1传感器底座、2外置传感器信号调理电路、3光耦隔离电路、4数字控制器、5第一电涡流位移传感器探头、6第二电涡流位移传感器探头、7第三电涡流位移传感器探头、8第四电涡流位移传感器探头、9电机转子轴、10被检测面板、11前置放大器、111晶体振荡器、112AGC网络、113传感器探头线圈谐振电路、114倍压检波电路、115滤波调整功放输出电路、12磁轴承驱动电路、13功率放大电路、14磁悬浮电机、15三相逆变桥、16传感器探头、17信号调整电路、18光电耦合电路、19电平转换电路。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供磁悬浮无刷直流电机用轴向位移与转子位置集成传感器，如图1-6所示，包括传感器底座1、外置传感器信号调理电路2、光耦隔离电路3和数字控制器4，传感器底座1的一侧均通过胶体分别固定连接有第一电涡流位移传感器探头5、第二电涡流位移传感器探头6、第三电涡流位移传感器探头7和第四电涡流位移传感器探头8，并且传感器底座1的轴心处贯穿有电机转子轴9，电机转子轴9的外表面固定连接有被检测面板10，被检测面板10的圆心与电机转子轴9的轴心重合，并且被检测面板10成光滑圆面，被检测面板10与电机转子轴9的轴线夹角在85°--88°之间，第一电涡流位移传感器探头5和第三电涡流位移传感器探头7在同一圆周上相隔180°对称放置，并且第二电涡流位移传感器探头6和第四电涡流位移传感器探头8于第三电涡流位移传感器探头7两侧和第三电涡流位移传感器探头7相隔60°对称放置，第一电涡流位移传感器探头5、第二电涡流位移传感器探头6、第三电涡流位移传感器探头7和第四电涡流位移传感器探头8的圆周中心均与被检测面板10的圆心重合，并且第一电涡流位移传感器探头5、第二电涡流位移传感器探头6、第三电涡流位移传感器探头7和第四电涡流位移传感器探头8的距离均与被检测面板100.4mm--1.4mm范围内。
电机转子旋转时，由于被检测面板10倾斜并且光滑，第一电涡流位移传感器探头5、第二电涡流位移传感器探头6、第三电涡流位移传感器探头7和第四电涡流位移传感器探头8到被检测的距离不断变化，根据电涡流传感器检测距离的原理，第一电涡流位移传感器探头5、第二电涡流位移传感器探头6和第四电涡流位移传感器探头8输出三路幅值相同的正弦波信号，由于第一电涡流位移传感器探头5、第二电涡流位移传感器探头6和第四电涡流位移传感器探头8相隔120°对称放置，三路正弦波信号相位也相差120°，经过外置传感器信号调理电路2调整为三路相位依次相差120°的方波信号送至光耦隔离电路3滤除干扰信号；根据无刷直流电机驱动原理，相反电动势过零点后30°为电机最佳换相时刻，调整传感器底座1安装角度，保证三路传感器信号分别滞后对应的三路相反电动势信号30°，三路传感器信号上升沿就是触发换相的最佳时刻，为逻辑开关电路提供正确换相信息的作用；即将电机转子轴9磁极的位置信号转化为电信号，然后去控制定子绕组换相，使得电机电枢绕组中的电流随着转子位置的变化安装一定次序换相，通过气隙形成旋转磁场，驱动转子连续不断的旋转。
第一电涡流位移传感器探头5、第二电涡流位移传感器探头6、第三电涡流位移传感器探头7和第四电涡流位移传感器探头8上均设置有前置放大器11，并且前置放大器11包括晶体振荡器111、AGC网络112、传感器探头线圈谐振电路113、倍压检波电路114和滤波调整功放输出电路115，晶体振荡器111的输出端与AGC网络112的输入端连接，并且AGC网络112的输出端与传感器探头线圈谐振电路113的输入端连接，传感器探头线圈谐振电路113的输出端与倍压检波电路114的输入端连接，并且倍压检波电路114倍压检波电路114滤波调整功放输出电路115的输入端连接，晶体振荡器111输出信号经AGC网络112与传感器探头线圈谐振电路113的输入端相接，用于对传感器探头线圈谐振电路113提供一个稳频、稳幅的激励信号，传感器探头线圈谐振电路113检测到的位移信号经倍压检波、滤波调整和功放处理后可得到转子位移的检测信号。
数字控制器4的输出端分别于磁轴承驱动电路12和功率放大电路13的输入端连接，功率放大电路13的输出端与三相逆变桥15的输入端连接，并且三相逆变桥15的输出端与磁悬浮电机14的输入端连接，磁悬浮电机14的输出端依次通过传感器探头16、信号调整电路17、光电耦合电路18和电平转换电路19与数字控制器4的输入端连接，磁轴承驱动电路12和三相逆变桥15的输入端均与三相交流功率电的输出端电性连接，三相逆变桥15和磁轴承驱动电路12共用三相交流功率电；磁悬浮电机14用轴向位移与第一电涡流位移传感器探头5和第三电涡流位移传感器探头7输出二路信号，经信号调整电路17、光电耦合电路18和电平转换电路19后，作为转子轴向位移信号送入DSP28335中，经DSP28335运算后，输出电机转子轴向位移控制信号，经磁轴承驱动电路12完成转子轴向位移控制；第一电涡流位移传感器探头5、第二电涡流位移传感器探头6和第三电涡流位移传感器探头7输出三路相位依次相差120°与电机转速同频的正弦波信号，经信号调理芯片74HC14反向调整，将三路正弦波调理为三路方波信号送至光耦隔离电路3；光耦隔离电路3首先将三路方波信号经过光耦隔离芯片A2630滤除干扰信号，然后经过电平转换芯片SN74ALVC164245后作为电机转子位置信号送至DSP28335中，经DSP28335运算后，输出六路电机逆变电路驱动信号，经功率放大电路13，驱动六路逆变电路控制定子绕组换相，使得电机电枢绕组中的电流随着转子位置的变化按照一定次序换相，通过气隙形成旋转磁场，驱动转子连续不断的旋转，完成电机的驱动。
如图3所示，集成传感器检测磁悬浮高速电机用位置检测示意图由三路转子位置第一电涡流位移传感器探头5、第二电涡流位移传感器探头6和第四电涡流位移传感器探头8、被检测面板10和电机转子轴9组成；其中位置第四电涡流位移传感器探头8与第二电涡流位移传感器探头6位置对称，第一电涡流位移传感器探头5距离被检测面板10的距离为d1，第二电涡流位移传感器探头6距离被检测面板10的距离为d2，被检测面板10与电机转子轴9线夹角为ψ；根据电涡流传感器检测距离的原理，磁悬浮无刷直流电机用轴向位移与电机转子轴9位置集成传感器探头输出值与被检测距离可描述成线性关系；当电机转子旋转时，传感器探头16输出量为幅值恒定，与电机转速同频的正弦量；取对称第一电涡流位移传感器探头5和第三电涡流位移传感器探头7输出二路信号，分别经过传感器探头线圈谐振电路113、倍压检波电路114和滤波调整功放输出电路115后用于检测电机转子轴9向位移；取第一电涡流位移传感器探头5、第二电涡流位移传感器探头6和第四电涡流位移传感器探头8输出三路信号，分别经过传感器探头线圈谐振电路113、倍压检波电路114和滤波调整功放输出电路115用于检测电机转子轴9位置。
如图4所示，磁悬浮无刷直流电机用轴向位移与电机转子轴9位置集成第一电涡流位移传感器探头5、第二电涡流位移传感器探头6和第四电涡流位移传感器探头8输出三路正弦波信号，幅值恒定，每路信号幅值大小分别与到被检测面板10的距离d1、d2成正比，由于三路探头第一电涡流位移传感器探头5、第二电涡流位移传感器探头6和第四电涡流位移传感器探头8安装分别相差120°，则三路正弦信号相位也依次相差120°，且与电机转速同频；三路正弦波信号经过信号调理芯片74HC14和光耦芯片A2630调整为三路相位相差120°的方波信号。
发明中的被检测面板10与传感器探头16中的通电线圈之间通过涡流互感效应进行距离检测，被检测面板10的表面平整度和倾斜角度直接影响传感器的灵敏度、精度等性能，安装角度要保证三路传感器信号滞后三路电机反电动势30°；另外，温度的浮动也将影响轴向位移传感器的信号输出，可通过信号求和取平均的办法来减小温漂带来的影响；为提高传感器的稳定性，被检测面材料最好为既导电又导磁的材料；如40Cr、或45#钢等。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.磁悬浮无刷直流电机用轴向位移与转子位置集成传感器，包括传感器底座(1)、外置传感器信号调理电路(2)、光耦隔离电路(3)和数字控制器(4)，其特征在于：所述传感器底座(1)的一侧均通过胶体分别固定连接有第一电涡流位移传感器探头(5)、第二电涡流位移传感器探头(6)、第三电涡流位移传感器探头(7)和第四电涡流位移传感器探头(8)，并且传感器底座(1)的轴心处贯穿有电机转子轴(9)，所述电机转子轴(9)的外表面固定连接有被检测面板(10)；
所述第一电涡流位移传感器探头(5)、第二电涡流位移传感器探头(6)、第三电涡流位移传感器探头(7)和第四电涡流位移传感器探头(8)上均设置有前置放大器(11)，并且前置放大器(11)包括晶体振荡器(111)、AGC网络(112)、传感器探头线圈谐振电路(113)、倍压检波电路(114)和滤波调整功放输出电路(115)；
所述数字控制器(4)的输出端分别于磁轴承驱动电路(12)和功率放大电路(13)的输入端连接，所述功率放大电路(13)的输出端与三相逆变桥(15)的输入端连接，并且三相逆变桥(15)的输出端与磁悬浮电机(14)的输入端连接，所述磁悬浮电机(14)的输出端依次通过传感器探头(16)、信号调整电路(17)、光电耦合电路(18)和电平转换电路(19)与数字控制器(4)的输入端连接。
2.根据权利要求1所述的磁悬浮无刷直流电机用轴向位移与转子位置集成传感器，其特征在于：所述第一电涡流位移传感器探头(5)和第三电涡流位移传感器探头(7)在同一圆周上相隔180°对称放置，并且第二电涡流位移传感器探头(6)和第四电涡流位移传感器探头(8)于第三电涡流位移传感器探头(7)两侧和第三电涡流位移传感器探头(7)相隔60°对称放置。
3.根据权利要求1所述的磁悬浮无刷直流电机用轴向位移与转子位置集成传感器，其特征在于：所述被检测面板(10)的圆心与电机转子轴(9)的轴心重合，并且被检测面板(10)成光滑圆面，所述被检测面板(10)与电机转子轴(9)的轴线夹角在85°--88°之间。
4.根据权利要求1所述的磁悬浮无刷直流电机用轴向位移与转子位置集成传感器，其特征在于：所述晶体振荡器(111)的输出端与AGC网络(112)的输入端连接，并且AGC网络(112)的输出端与传感器探头线圈谐振电路(113)的输入端连接，所述传感器探头线圈谐振电路(113)的输出端与倍压检波电路(114)的输入端连接，并且倍压检波电路(114)倍压检波电路(114)滤波调整功放输出电路(115)的输入端连接。
5.根据权利要求1所述的磁悬浮无刷直流电机用轴向位移与转子位置集成传感器，其特征在于：所述磁轴承驱动电路(12)和三相逆变桥(15)的输入端均与三相交流功率电的输出端电性连接。
6.根据权利要求1所述的磁悬浮无刷直流电机用轴向位移与转子位置集成传感器，其特征在于：所述第一电涡流位移传感器探头(5)、第二电涡流位移传感器探头(6)、第三电涡流位移传感器探头(7)和第四电涡流位移传感器探头(8)的圆周中心均与被检测面板(10)的圆心重合，并且第一电涡流位移传感器探头(5)、第二电涡流位移传感器探头(6)、第三电涡流位移传感器探头(7)和第四电涡流位移传感器探头(8)的距离均与被检测面板(10)0.4mm--1.4mm范围内。
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