CN112186976B - 一种无轴承磁悬浮电机转子径向位置检测装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无轴承磁悬浮电机检测装置及控制技术领域，包括磁悬浮电机转子径向位置检测阵列传感器、电机dsp控制器、定子和转子，所述磁悬浮电机转子径向位置检测阵列传感器包括第一电涡流位移传感器、第二和第三电涡流位移传感器，所述第一电涡流位移传感器、第二和第三电涡流位移传感器在同一径向平面内对称布置，所述阵列传感器的中心处贯穿转子轴心，控制方法包括：一、利用阵列传感器得到悬浮位移分量；二、通过比较得到位移偏差信号并将位移偏差信号传递给dsp；三、dsp输出控制指令，改变该方向分量上的悬浮力；四、进行“巡检式”控制，使转子悬浮于中心位置附近。本发明达到无轴承磁悬浮电机径向位移的高速、高精度控制。

Description

一种无轴承磁悬浮电机转子径向位置检测装置及控制方法

技术领域

本发明涉及无轴承磁悬浮电机检测装置及控制技术领域，尤其涉及一种无轴承磁悬浮电机转子径向位置检测装置及控制方法，具体而言，涉及一种基于阵列式电涡流位移传感器的无轴承磁悬浮电机转子径向位置检测装置及位置闭环控制方法。

背景技术

无轴承磁悬浮电机是一种能够同时实现转矩控制与悬浮控制的新型电机，单绕组结构中，其定子槽内只有一套绕组，绕组内每相电流包含旋转电流与悬浮电流两个分量，分别用于产生旋转力矩与悬浮力。相比于传统的磁悬浮轴承电机和双绕组磁悬浮电机具有结构紧凑、功率密度大、易于制作等特点。转子径向位置闭环控制系统是无轴承磁悬浮电机的重要组成部分，其主要包括转子径向位置检测和基于悬浮力的转子位置主动控制部分。转子径向位置检测装置实时检测转子径向偏心位置作为反馈量，主动控制器根据位置偏心误差计算得到控制指令，传输至功率放大器后，产生悬浮控制电流，提供相应方向和大小的主动悬浮力，实现转子径向位置的实时、精确闭环控制。

单绕组磁悬浮电机转子径向位置包含X、Y两个向量，通常采用非接触式电涡流位移传感器进行检测，受转子被检测面形状(非平面及偏心)、质量(粗糙度)及环境(温度、电磁干扰)影响，同方向采用单个传感器的检测精度很差。为提高检测精度，现有技术中采用四个电涡流位移传感器位于同一平面相隔90°的阵列式布置，径向平面内X、Y方向的位移分别通过两个相对的传感器组成差动式结构，消除共模干扰，提高了检测的精度，参阅图1。但实际测试中发现，传感器位置检测误差受正交方向位移(探头中心轴线与转子中心轴线的偏心距)大小影响非常大，并且由于采用四个传感器相隔90°布置，相互间容易产生电磁干扰，影响测量的精度，导致转子径向位置检测精度极差。同时，当偏心越大时误差越大，通过X、Y向量进行位置解算，采用数值补偿的方法时，解算时间较长，难以满足电机高速旋转下，径向位置实时控制的要求。

传统的单绕组磁悬浮电机转子径向位置主动控制系统根据转子位置偏心误差，实时控制绕组电流大小及相位，根据阵列式传感器解算出来的转子径向位置，将悬浮力固定在当前位置与目标位置连线上，同时控制其大小，使转子最终稳定在目标(中心)位置上。但调节过程中受转子自身重力的影响，其运动轨迹不断变化，导致闭环控制过程中，绕组控制电流的大小和相位同时快速变化，控制难度增大，再加上受位移检测精度差、位置补偿算法复杂、耗时久的制约，单绕组磁悬浮电机转子径向悬浮位置闭环控制效果很不理想。

《磁悬浮轴承的控制方法和装置》(公告号为CN106090012B)公开了一种磁悬浮轴承的控制方法和装置。其中，该方法包括：获取轴承转子的位移振动偏差幅值；比较位移振动偏差幅值与预设幅值的大小，得到比较结果；根据比较结果，调整磁悬浮轴承的偏置电流。该方法和装置解决的是磁力轴承中偏置电流始终是一个定值，很可能会造成由于振幅过大而导致系统失稳的现象；转子平稳低速运行时，采用初始固定的偏置电流，系统在长时间运行过程中就会产生比较大的功耗的问题，本发明解决了现有技术中磁悬浮轴承系统稳定性差的技术问题，并未具体解决无轴承磁悬浮电机在实际应用时因为位移传感器相互之间电磁干扰造成的位移测量误差大，精度不够高的问题。

针对现有技术中无轴承磁悬浮电机在高速旋转时转子的径向位置检测及闭环控制精度不高的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

发明内容

本发明的主要目的在于，针对上述缺陷，提出一种无轴承磁悬浮电机转子径向位置检测装置及其控制方法，解决现有技术中无轴承磁悬浮电机在高速旋转时径向位置控制精度不高的问题。

本发明提供一种无轴承磁悬浮电机转子径向位置检测装置，包括磁悬浮电机转子径向位置检测阵列传感器、电机dsp控制器、定子绕组和转子，所述磁悬浮电机转子径向位置检测阵列传感器包括第一电涡流位移传感器、第二电涡流位移传感器和第三电涡流位移传感器，所述第一电涡流位移传感器、第二电涡流位移传感器和第三电涡流位移传感器在同一径向平面内对称布置，所述阵列传感器的中心处贯穿转子穿转子轴的轴心。

进一步，所述阵列传感器内设置位移检测模块、比较器模块，所述位移检测模块根据所述阵列传感器与转子之间的悬浮距离输出电信号；所述比较器模块用于将第一电涡流位移传感器、第二电涡流位移传感器和第三电涡流位移传感器采集电信号分别与零位参考信号进行比较，所述比较模块得到的位移偏差信号通过电机dsp控制器采集后输出控制指令，使转子悬浮于中心位置。

进一步，所述第一电涡流位移传感器、第二电涡流位移传感器、第三电涡流位移传感器上均设置有前置器，所述前置器均包括位移检测模块、位移比较器模块。

进一步，所述比较模块得到的位移偏差信号通过电机dsp控制器采集后输出控制指令，用于控制调节定子绕组中相应的电流信号从而改变该方向分量上的悬浮力，使转子悬浮于中心位置。

进一步，所述第一电涡流位移传感器、第二电涡流位移传感器、第三电涡流位移传感器在同一圆周上相隔120°放置。

进一步，与上述装置相匹配，本发明同时提供一种单绕组磁悬浮电机转子径向位置闭环的控制方法，包括以上所述的转子径向位置检测、比较和控制装置。

进一步，利用上述转子径向位置检测装置分别得到转子在第一电涡流位移传感器、第二电涡流位移传感器、第三电涡流位移传感器所在方向上的悬浮位移分量及通过比较器得到其与目标中心位置的误差。

进一步，为使转子处于中心位置，应使得阵列传感器的三个电涡流位移传感器输出的悬浮位移大小一致，且均等于转子处于中心位置时各传感器校验的参考信号大小。

进一步，为得到转子处于中心位置时，各传感器校验参考信号大小，可通过相应的套筒式工装将转子固定在中心位置处，调节传感器偏移量得到。所设计的套筒工装，外径等于定子内径，套筒内径等于转子外径，套筒壁厚等于气隙厚度。

进一步，一种无轴承磁悬浮电机转子径向位置闭环的控制方法，包括如下步骤：一、利用磁悬浮电机转子径向位置检测阵列传感器得到磁悬浮位移分量；二、通过比较其与目标中心位置的误差即得到位移偏差信号并将位移偏差信号传递给电机dsp控制器；三、电机dsp控制器输出控制指令，通过逆变电路控制电流，改变该方向分量上的悬浮力；四、进行“巡检式”控制，使转子悬浮于中心位置附近。

进一步，为使转子悬浮于中心位置附近，可对三个电涡流位移传感器探头方向的悬浮位移进行“巡检式”控制，即将一个大的控制周期分成三段：第一段采集第一电涡流位移传感器探头方向的位移信号，将其与零位参考信号进行比较，得到位置误差，同时调节定子绕组中悬浮电流分量，将悬浮力固定于第一电涡流位移传感器探头所在向量方向上，根据位置误差大小控制悬浮力大小使第一电涡流位移传感器探头方向位置误差减小；第二段采集第二电涡流位移传感器探头方向的位移信号，将其与零位参考信号比较后，闭环控制悬浮力使第二电涡流位移传感器探头方向位置误差减小；同理，第三段通过采集第三电涡流位移传感器探头方向位移信号，闭环控制使第三电涡流位移传感器探头方向位置误差减小。如此在一个大的控制周期内实现了转子在三个方向上偏心位移的减小。

进一步，为使转子悬浮于中心位置附近，控制系统在每个大的控制周期内均进行如上三段式控制，直至转子在三个电涡流位移传感器探头方向上的位移均等于初始零位参考信号，即转子悬浮于中心位置。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

一、本发明的方案通过使用一种由三个电涡流位移传感器阵列组成的无轴承磁悬浮电机转子径向位置检测装置，结合相对应的位置控制方法，达到对磁悬浮系统转子径向位移的高精度控制。

二、本发明的方案较采用四个及多个电涡流位移传感器沿径向圆周的对称布置，降低了磁悬浮电机的制造成本，增大了各位移传感器间隔距离，有效减小了电涡流位移传感器各通道之间的干扰。

三、本发明的方案由于悬浮力磁场定向布置，所设计的由三个电涡流位移传感器组成的检测装置，不仅降低了旋转磁场与悬浮力磁场的解耦难度，又可辅助永磁体实现位置辅助控制，提高效率，减小损耗，同时增加位置控制系统调节过程中的阻尼，提高了控制稳定性及精度。

四、本发明方案通过采取所述的控制方法，无需根据阵列式传感器检测信号进行转子径向位置的解算，而且不需要复杂的位移补偿算法即可实现，控制过程快，占用系统处理器空间少，位置控制精度高。

由此，本发明的方案通过使用第一电涡流位移传感器、第二电涡流位移传感器、第三电涡流位移传感器的布置与所述的控制方法，可实现对转子径向位置进行精确控制，在一定程度上弥补了现有技术中磁悬浮电机转子位置的精确控制的缺陷，增强了系统运行的可靠性；从结构上对现有的磁悬浮电机转子径向位置检测装置进行了优化，提供了一种成本低、解耦难度小、易于精确输出、集成化程度高的新型磁轴承转子位置检测装置；从系统层面上对无轴承磁悬浮电机转子径向位置检测及控制进行了整体优化，结构上提供了一种成本低、检测精度高的检测装置，控制上提供了一种能实现快速控制、精确控制的控制方法，在无轴承磁悬浮电机等领域具有广泛应用前景。

附图说明

图1是传统的基于阵列式电涡流位移传感器的磁悬浮电机转子径向位置检测装置示意图；

图2是根据本发明实施例的一种基于阵列式电涡流位移传感器的磁悬浮电机转子径向位置检测装置示意图；

图3是根据本发明实施例的一种基于电涡流的悬浮位移检测模块原理；

图4是根据本发明实施例一种可选的位移比较器电路结构；

图5是根据本发明实施例的一种基于阵列式电涡流传感器的无轴承磁悬浮电机转子径向位置控制方式流程图；

图6是根据本发明实施例的一种可选的基于阵列式电涡流传感器的单绕组无轴承磁悬浮电机转子径向位置检测及控制方式流程图；

其中，1、第一电涡流位移传感器；2、第二电涡流位移传感器；3、第三电涡流位移传感器；4、轴；5、传感器；51、前置探头；52、位移检测装置；53、比较器；54、控制器；55、驱动器；56、定子绕组；57、转子。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例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创造型劳动的前提所获得所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当的情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出那些步骤和单元，而是可包括没有清楚地列出的或者对于这些过程、方法，产品或设备固有的其他步骤或单元。

参阅图2-6，一种无轴承磁悬浮电机转子径向位置检测装置，包括：第一电涡流位移传感器、第二电涡流位移传感器探头、第三电涡流位移传感器探头及内置的悬浮位移检测及比较单元。

具体地，所述第一电涡流位移传感器、第二电涡流位移传感器、第三电涡流位移传感器上均包含前置器。第一电涡流位移传感器、第二电涡流位移传感器、第三电涡流位移传感器在转子径向同一圆周上相隔120°放置，各电涡流位移传感器探头轴线均与转子位于中心位置时其对应转子表面的法线方向重合。

具体地，所述悬浮位移比较单元包括悬浮位移检测模块与比较器。

具体地，所述悬浮位移检测模块用于将悬浮位移转化成电信号输出。

具体地，所述比较器可以用于将所述的电信号与设定值进行比较，得到各电涡流位移传感器探头所在探头方向上的位移误差。

可选地，所述第一电涡流位移传感器、第二电涡流位移传感器、第三电涡流位移传感器与电机转子表面的距离在0-1.5mm范围之内。

优选地，各电涡流传感器安装及位置调零时，通过适当的方式将转子固定在中心位置上，调节各电涡流位移传感器探头与转子间的距离L₁，L₂，L₃，使得初始位置L₁₀＝L₂₀＝L₃₀＝L₀；同时各探头位移检测单元输出电信号相等，即为参考电信号。

可选地，采用套筒式工装将转子固定在中心位置上，套筒外径等于定子内径，套筒内径等于转子外径，套筒厚度等于气隙厚度。

在一个可选具体实施例子中，磁悬浮电机转子高速旋转时，由于存在不平衡的扰动，第一电涡流位移传感器探头(探头1)、第二电涡流位移传感器探头(探头2)、第三电涡流位移传感器探头(探头3)到转子表面的距离L₁，L₂，L₃不断变化，且不等于L₀。

进一步，根据电涡流位移传感器检测距离的原理，通过悬浮位移的位移检测模块，将三个电涡流位移传感器探头检测到的悬浮位移分别转化成相应的电信号进行输出。

与上述的磁悬浮电机转子径向位置检测装置相匹配，本发明另一方面提供了一种磁悬浮电机转子径向位置的控制方法。

一种无轴承磁悬浮电机转子径向位置控制系统的方法，其工作方式如下：

通过前置探头51(共三个，沿转子57径向圆周间隔120°对称布置)及位移检测装置52分别获取在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所在向量上的转子悬浮位移信号，采用位移比较单元中的比较器53得到各方向电信号与零位参考信号的偏差，为使得阵列传感器中三个电涡流位移传感器输出的悬浮位移相等且与参考零位大小一致，即使得转子处于中心位置。在一个大控制周期内，径向位置控制系统(电机dsp控制器)采用“巡检式”工作方式。首先，检测1方向转子的位置偏移，将其输出电信号与参考电信号比较，得到偏差信号，控制器54控制驱动器55，改变定子绕组56中的悬浮电流分量，将悬浮力向量固定于1方向，根据偏差信号大小控制悬浮力大小，从而减小探头1方向位置偏移；然后，检测2方向的位置偏移并进行闭环控制，减小该方向位置偏移的大小；同理，最后检测并控制3方向的位置偏移，并使其减小。

进一步，每个控制周期内均对三个方向的位移偏差进行相应的位移偏移控制，使所在方向位移偏差逐步减小，直至最终三个方向的位移L₁＝L₂＝L₃＝L₀，即转子处于平衡位置附近。

另一种可选的控制方法实施例，控制方法步骤如下：

步骤601，无轴承磁悬浮电机系统运行，电机转子偏离径向中心位置；

步骤602，通过径向悬浮位移检测装置的位移检测模块获取转子在1方向上代表悬浮位移的电信号L₁；通过比较器得到L₁与L₀的偏差大小ΔL₁＝L₁-L₀，L₀为零位参考值；控制器54调整定子绕组56悬浮电流，将悬浮力固定在L₁方向，悬浮力大小随偏差变化，使得ΔL₁减小；

步骤603，通过径向悬浮位移检测装置的位移检测模块获取转子在2方向上代表悬浮位移的电信号L₂；通过比较器得到L₂与L₀的偏差大小ΔL₂＝L₂-L₀，L₀为零位参考值；控制器54调整定子绕组56悬浮电流，将悬浮力固定在L2方向，悬浮力大小随偏差变化，使得ΔL₂减小；

步骤604，通过径向悬浮位移检测装置的位移检测模块获取转子在3方向上代表悬浮位移的电信号L₃；通过比较器得到L₃与L₀的偏差大小ΔL₃＝L₃-L₀，L₀为零位参考值；控制器54调整定子绕组56悬浮电流，将悬浮力固定在L3方向，悬浮力大小随偏差变化，使得ΔL₃减小；

步骤605，判断ΔL₁＝ΔL₂＝ΔL₃是否满足，如不满足继续转入步骤402执行，如满足则L1＝L2＝L₃＝L₀，即此时转子处于中心位置。

步骤606，无轴承磁悬浮系统在转子径向位置中心处稳定运行。

其中，L₀是转子在中心位置正常工作时，第一电涡流位移传感器1、第二电涡流位移传感器2、第三电涡流位移传感器3输出的零位参考位移信号，在一个可选的实施例中，L₀可以通过转子初始零位的调节和测试进行确定。

优选地，由于定子悬浮电流控制的悬浮力方向相对固定，磁场定向布置，可辅助永磁体实现位置控制，降低损耗，提高效率，同时增加位置控制、调节过程中的阻尼，提高控制系统稳定性及控制精度。

以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述的较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (3)

1.一种无轴承磁悬浮电机转子径向位置检测装置，其特征在于：包括磁悬浮电机转子径向位置检测阵列传感器、电机dsp控制器、定子绕组(56)和转子(57)，所述磁悬浮电机转子径向位置检测阵列传感器包括第一电涡流位移传感器(1)、第二电涡流位移传感器(2)和第三电涡流位移传感器(3)，所述第一电涡流位移传感器(1)、第二电涡流位移传感器(2)和第三电涡流位移传感器(3)在同一径向平面内同一圆周上相隔120°放置，所述阵列传感器的中心处贯穿转子(57)轴(4)的轴心，所述阵列传感器内设置位移检测模块、比较器模块，所述位移检测模块根据所述阵列传感器与转子(57)之间的悬浮距离输出电信号；所述比较器模块得到的位移偏差信号通过电机dsp控制器采集后输出控制指令，进行“巡检式”控制，使转子悬浮于中心位置，所述“巡检式”控制为将一个大的控制周期分成三段，完成三段检测控制后再立刻从一开始重新进行检测控制，如此不断进行重复并形成闭环，所述三段检测控制分别为：第一段，使用第一电涡流位移传感器(1)采集位移电信号，将其与零位参考信号进行比较，得到位移偏差信号并将位移偏差信号传递给电机dsp控制器，所述电机dsp控制器输出控制指令，使第一电涡流位移传感器(1)方向位移误差减小；第二段，使用第二电涡流位移传感器(2)采集位移信号，将其与零位参考信号进行比较，得到位移偏差信号并将位移偏差信号传递给电机dsp控制器，所述电机dsp控制器输出控制指令，使第二电涡流位移传感器(2)方向位移误差减小；使用第三电涡流位移传感器(3)采集位移信号，将其与零位参考信号进行比较，得到位移偏差信号并将位移偏差信号传递给电机dsp控制器，所述电机dsp控制器输出控制指令，使第三电涡流位移传感器(3)方向位移误差减小。

2.如权利要求1所述的一种无轴承磁悬浮电机转子径向位置检测装置，其特征在于：所述第一电涡流位移传感器(1)、第二电涡流位移传感器(2)、第三电涡流位移传感器(3)上均设置有前置器，所述前置器均包括位移检测模块、位移比较器模块。

3.如权利要求1所述的一种无轴承磁悬浮电机转子径向位置检测装置，其特征在于：所述比较器模块得到的位移偏差信号通过电机dsp控制器采集后输出控制指令，用于控制调节定子绕组中相应的电流信号从而改变该方向分量上的悬浮力，使转子悬浮于中心位置。

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