一种双线圈结构的纯电磁轴承径向位移自检测装置

本申请属于轴承径向检测领域，具体涉及一种双线圈结构的纯电磁轴承径向位移自检测装置。

背景技术：

1、磁悬浮轴承在提高机械效率，降低噪声污染等方面有着机械轴承无可比拟的优势。相比于传统的机械轴承，磁悬浮轴承无需润滑，适用范围广，轴承的刚度和阻尼可调，更适于高速环境。但磁悬浮轴承系统是开环不稳定的，需要时刻为控制器提供转子的位置信息，以进行稳定控制。传统分立式物理传感器的安装，会造成整个机电设备体积的增加，影响转子的动态特性，且价格昂贵，易受到高温，老化，短路，断路等不定因素的影响，降低系统的可靠性，而位移自传感技术可以大幅度提高系统可靠性。

2、位移自传感技术是利用磁轴承线圈的电流或电压通过软件算法解算出转子的位置信息。主动纯电磁磁轴承位移自传感可以分为状态估计法，频率调制法和幅值调制法。状态估计法对参数的变化比较敏感，鲁棒性差。频率调制法估算出的位移反馈信号相位滞后严重，自传感系统的带宽低，当输入或反馈的信号中存在高频分量时，滞环功率放大器产生的窄脉冲会对驱动电路产生干扰，易造成输出电流失真，严重影响功放的效率和可靠性。幅值调制法可采取高频信号注入或开关纹波检测的方法实现，高频激励信号频率的选择受到功放带宽的限制，使得自传感系统动态特性差。开关纹波解调法由于控制电流的pwm占空比引入了非线性，易使转子位移失真，造成控制系统不稳定。通常采用对pwm驱动电压和电流分别采样的方式，再利用硬件或软件除法运算，消除非线性的影响，但系统结构复杂，硬件成本高。

技术实现思路

1、本申请旨在解决现有技术的不足，提出一种双线圈结构的纯电磁轴承径向位移自检测装置，利用双线圈结构中的偏置线圈pwm占空比恒定的特性，有效解决了位置检测的非线性问题。利用带通滤波器精确提取开关纹波信号，并进行硬件调理和软件算法，得到可靠的位移信号，用于转子悬浮的闭环控制，为实现自传感提供可行方案。

2、为实现上述目的，本申请提供了如下方案：

3、一种双线圈结构的纯电磁轴承径向位移自检测装置，包括：数字控制系统、双线圈磁轴承组件和纹波检测调理电路模块；

4、所述数字控制系统与所述双线圈磁轴承组件连接；

5、所述双线圈磁轴承组件和所述纹波检测调理电路模块连接。

6、优选的，所述数字控制系统包括：位置控制器、电流控制器、第一开关功率放大器、第二开关功率放大器和第一低通滤波器；

7、所述位置控制器与所述电流控制器连接；

8、所述电流控制器还分别与所述第一开关功率放大器和所述第二开关功率放大器连接，所述电流控制器用于输出偏置pwm信号至所述第一开关功率放大器，所述电流控制器还用于输出控制pwm信号至所述第二开关功率放大器；

9、所述第一开关功率放大器和所述第二开关功率放大器与所述双线圈磁轴承组件连接，所述第一开关功率放大器用于基于所述偏置pwm信号输出第一电流信号至所述双线圈磁轴承组件，所述第二开关功率放大器用于基于所述控制pwm信号输出第二电流信号至所述双线圈磁轴承组件；

10、所述第二开关功率放大器还与所述第一低通滤波器连接；

11、所述第一低通滤波器还与所述位置控制器连接。

12、优选的，所述双线圈磁轴承组件包括：若干控制线圈、若干偏置线圈和转子；

13、所述控制线圈用于产生差动变化磁场，控制所述转子悬浮；

14、所述偏置线圈用于将所述第一电流信号中的电流纹波构成差分信号形式，得到差分波纹信号。

15、优选的，所述纹波检测调理电路模块包括：带通滤波电路、精密全波检波电路、差分放大与调理电路和第二低通滤波器；

16、所述带通滤波装置用于接收所述差分纹波信号，并提取所述差分纹波信号中纹波信号的基频分量；

17、所述精密全波检波装置用于接收所述基频分量，并滤除所述基频分量中的高频干扰信号，得到检波输出信号；

18、所述差分放大与调理电路用于接收所述检波输出信号，并将所述检波输出信号调理成adc输入信号；

19、所述第二低通滤波器用于接收所述adc输入信号，并滤除所述adc输入信号中的高频干扰，得到位移信号。

20、优选的，所述带通滤波电路由两级无限增益多路反馈型带通滤波器构成，将带通中心频率f0设计在偏置电流一阶纹波频率点处，提取所述基频分量i1，所述差分纹波信号受转子位移信号s(t)调制，公式如下：

21、

22、其中，us是母线电压，α是偏置pwm信号占空比，ωs是所述pwm信号的开关角频率，μ0是真空磁导率，n是线圈匝数，a是磁极面积，是纹波信号的初始相位。

23、优选的，所述精密全波检波电路由jfet双极型运算放大器和肖特基二极管构成，可对所述基频分量实现绝对值运算。

24、优选的，所述差分放大与调理电路包括：增益可调型运算放大器、增益调节电阻、第一运算放大器和第二运算放大器；

25、所述增益可调型运算放大器的增益调节端子与所述增益调节电阻连接，

26、所述增益可调型运算放大器的基准引脚通过所述第一运算放大器接入电路中的低阻抗点；

27、所述第二运算放大器用于将所述检波输出信号调理成adc输入信号，公式如下：

28、

29、其中，ra为反馈电阻，ri、rb为输入电阻，ka为增益可调型运算放大器的增益常数，rw为滑动变阻器标称阻值，rw23为滑动变阻器2、3引脚间的电阻，vref+为正偏置参考电压，vref-为负偏置参考电压。

30、优选的，所述第二低通滤波器采用压控电压源型二阶低通滤波器，所述第二低通滤波器可滤除所述adc输入信号中的高频干扰，得到所述位移信号，所述纹波检测调理电路模块的最终输出uot与所述位移信号的关系为：

31、

32、其中，us是母线电压，α是偏置pwm信号占空比，ωs是所述pwm信号的开关角频率，μ0是真空磁导率，n是线圈匝数，a是磁极面积，是纹波信号的初始相位，ra为反馈电阻，ri、rb为输入电阻，ka为增益可调型运算放大器的增益常数，rw为滑动变阻器标称阻值，rw23为滑动变阻器2、3引脚间的电阻，vref+为正偏置参考电压，vref-为负偏置参考电压，ks为电流互感器模块的输出增益，kpf为两级带通滤波器的最终输出增益。

33、与现有技术相比，本申请的有益效果为：

34、本申请利用双线圈结构的优势解决了转子位移与pwm开关纹波幅值的非线性问题，通过硬件电路准确提取电流纹波信号，并实现了硬件解调与信号调理，实现了转子位移的自传感技术，节约了磁轴承控制系统硬件的成本，有利于缩小系统体积，实现更精简的控制系统。

技术特征：

1.一种双线圈结构的纯电磁轴承径向位移自检测装置，其特征在于，包括：数字控制系统、双线圈磁轴承组件和纹波检测调理电路模块；

2.根据权利要求1所述一种双线圈结构的纯电磁轴承径向位移自检测装置，其特征在于，所述数字控制系统包括：位置控制器、电流控制器、第一开关功率放大器、第二开关功率放大器和第一低通滤波器；

3.根据权利要求2所述一种双线圈结构的纯电磁轴承径向位移自检测装置，其特征在于，所述双线圈磁轴承组件包括：若干控制线圈、若干偏置线圈和转子；

4.根据权利要求3所述一种双线圈结构的纯电磁轴承径向位移自检测装置，其特征在于，所述纹波检测调理电路模块包括：带通滤波电路、精密全波检波电路、差分放大与调理电路和第二低通滤波器；

5.根据权利要求4所述一种双线圈结构的纯电磁轴承径向位移自检测装置，其特征在于，所述带通滤波电路由两级无限增益多路反馈型带通滤波器构成，将带通中心频率f0设计在偏置电流一阶纹波频率点处，提取所述基频分量i1，所述差分纹波信号受转子位移信号s(t)调制，公式如下：

6.根据权利要求4所述一种双线圈结构的纯电磁轴承径向位移自检测装置，其特征在于，所述精密全波检波电路由jfet双极型运算放大器和肖特基二极管构成，可对所述基频分量实现绝对值运算。

7.根据权利要求4所述一种双线圈结构的纯电磁轴承径向位移自检测装置，其特征在于，所述差分放大与调理电路包括：增益可调型运算放大器、增益调节电阻、第一运算放大器和第二运算放大器；

8.根据权利要求4所述一种双线圈结构的纯电磁轴承径向位移自检测装置，其特征在于，所述第二低通滤波器采用压控电压源型二阶低通滤波器，所述第二低通滤波器可滤除所述adc输入信号中的高频干扰，得到所述位移信号，所述纹波检测调理电路模块的最终输出uot与所述位移信号的关系为：

技术总结
本申请公开了一种双线圈结构的纯电磁轴承径向位移自检测装置，包括：数字控制系统、双线圈磁轴承组件和纹波检测调理电路模块；所述数字控制系统与所述双线圈磁轴承组件连接；所述双线圈磁轴承组件和所述纹波检测调理电路模块连接。本申请利用双线圈结构的优势解决了转子位移与PWM开关纹波幅值的非线性问题，通过硬件电路准确提取电流纹波信号，并实现了硬件解调与信号调理，实现了转子位移的自传感技术，节约了磁轴承控制系统硬件的成本，有利于缩小系统体积，实现更精简的控制系统。

技术研发人员：周金祥,刘俊,王灿,韩雪,郑世强
受保护的技术使用者：北京航空航天大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12