基于载波电流的无轴承电机无位移传感器研究

赵筱赫,张锐,宋海洋（.河南机电高等专科学校电气工程系,河南新乡453000；.中国平煤神马集团,河南平顶山467000）

基于载波电流的无轴承电机无位移传感器研究

赵筱赫1,张锐1,宋海洋2
（1.河南机电高等专科学校电气工程系,河南新乡453000；2.中国平煤神马集团,河南平顶山467000）

针对位移传感器的使用限制了悬浮传动系统微型化的发展,提出一种无需位移传感器的转子位移估算方案.高频载波电压加在电机电枢绕组上,载波电流随转子位置的变化而改变,通过对载波地电流信号的检测,确定转子位置.整个系统不需位置传感器,有效缩短电机的轴向长度,降低成本.分析了载波电流对电机运行的影响,综合各方面的影响,选取载波频率,并建立转子位置的数学模型.结果表明：基于载波电流的转子位置无传感测量能够有效检测转子位置.

无轴承电机；无传感；载波信号

磁悬浮传动系统具有无损耗、无摩擦、免润滑、超密封、寿命长等特点,被广泛应用于半导体业、制药业、化学工业等对传动系统有特殊要求的行业[1-3].无轴承电机集转子驱动与悬浮于一体.转子在磁力的作用下呈悬浮状态,与定子无机械接触.然而,无轴承电机上的磁悬浮一般需要位移传感器来检测转子位移.位移传感器的引入增大了电机轴向长度,使轴向刚度降低,同时传感器造价昂贵,影响无轴承电机在工业领域中的推广使用[4].为克服这些缺陷,本文设计一种基于载波电流的无传感转子位置检测系统.

1 动作原理

图1为典型的无轴承电机两个绕组的示意图.两组极对数相差为1的绕组嵌在定子槽内：四极绕组4a与4b,产生电机转矩；二极绕组2a与2b,控制径向悬浮[5-7].转子位置的变化会引起电机绕组与悬浮控制绕组之间互感的改变,需要建立互感的数学模型.

图1二极无轴承电机绕组Fig.1 motorwindingsof two-phasenon-bearing

图2 显示当转子中心偏离轨道中心时放大的气隙示意图.

图2 转子偏移Fig.2 Rotordisplaced

实际气隙长度用g（φ）表示.

φ表示转子中心偏移角度,g0表示正常气隙长度,x、y分别表示转子位移的坐标分量.由于转子偏心距离很小,则有

为了得到4a与2a绕组之间的互感,假设只有2a绕组中有电流时,MMF2a表示转子磁势,气隙磁通φ)全部在转子周围,根据高斯定理,总量应等于0.

令4a、4b、2a、2b绕组的端电压分别为：V4a,V4b,V2a,V2b.忽略绕组阻抗,电压和电流方程可以用4×4逆矩阵来表示

L4-c和L2-c分别表示四极绕组和二极绕组的自感.将式（1）式（2）代入式（3）,可以得到二极绕组的电流I2a,I2b方程

在四极绕组电压上叠加一个载波电压Vc.将V4a=Vc和V4b=V2a=V2b=0代入式（4）得

由式（5）可知,由载波电压产生的电流I2a,I2b分别与转子位移的x,y分量成比例.电流与转子x轴方向偏移成比例,其频率为载波频率,这样解调信号与转子在x轴方向位移成比例[8].同样,转子在y轴方向位移相应的由电流I2b得到.在一个无轴承电机的运行中,电压V4a,V4b,V2a,V2b并不为0,所以2a,2b绕组载波电流有两个分量：悬浮磁力电流和电机驱动力电流.理想情况下,载波信号的频率与这些电流成分相比越高越好,这样载波电流成分就可以单独测量.

图3 典型电机结构Fig.3 structure ofa prototypemachine

2 载波频率的选定

图3为典型的电机结构,主轴底端由一个机械轴承支撑,这样,悬浮力可以对其进行二自由度调整.需要位移传感器检测转子的径向位移.

图4所示的测量互感是转子位移的函数.两套绕组的互感与转子位移成比例.当转子在沿x轴方向上有一个位移时,把5 kHz的电流I4a加在四极绕组之上,这样,可测到2a的开路电压V2a.互感M4a2a表示为

图4 转子位移与互感的线性关系Fig.4 linear relation between 4a and 2a windings

由图4可知,两绕组间的互感与转子径向位移成比例,比例系数记为称为悬浮力系数.由于硅钢片磁导率及其在高频下的磁损耗都与载波频率有关,所以该系数决于载波频率.图5为绕组4a与2a之间电压比率系数的频率特性.可以看出当频率很高时,会变小.所以,应该把载波频率设置得越小越好.结合上文分析,设置载波频率为5 kHz.

图5 电压比率的频率特性Fig.5 Frequency characteristic ofvoltage ratio

3 磁场悬浮实验

3.1 静止磁场中的悬浮实验

图6 静止磁场中传感器输出与计算位移Fig.6 Sensoroutputand estimated displacementin staticmagnetic field

3.2 旋转磁场中的悬浮实验

如图7所示,电机绕组通入交流电流,在转速为1 500 r/m时,传感器输出与电流估算器的位移计算值.计算位移ˆ作为位移反馈信号.计算结果与传感器有很好的一致.由于辅助轴承与转子之间的气隙长度为200μm,所以可以确定转轴径向已完全悬浮.这样无传感的计算位移在电机控制精度范围内,满足控制要求.

图7 旋转磁场中的传感器输出与计算位移Fig.7 Sensoroutputand estimated displacementin rotatingmagnetic field

4 结论

本文研究的基于基于载波电流的转子位移计算方法,在无轴承电机控制中可以替代位移传感器使用,能够满足控制精度的要求,使试验样机稳定悬浮.有效减小了无轴承电机的转轴长度,降低成本,增加轴向刚度,改善其运行性能,对无轴承电机的发展具有重大意义.

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（责任编辑：卢奇）

Performances of bearingless and sensorlessmotor drive based on carrier injection

Zhao Xiaohe1,Zhang Rui1,Song Haiyang2
（1.Henan Mechanicaland Electrical Engineering College,Xinxiang453000,China；2.China Pingmei ShenmaGroup,Pingdingshan 467000,China）

A self-sensing non-bearingmotor is considered as an effective solution to reduce costand shorten a shaft length.A novel estimation method of a rotor displacement is proposed.Based on the detection of currents induced by mutual inductances,a high-frequency carrier voltage is superimposed on amotormain terminal voltage.The induced carrier-frequency current component is distinguished from the suspension-winding current.The carrier signal is selected.It is shown that a successfulmagnetic suspension is realized with the proposed method.

non-bearingmotors；non-sensor；carrier injection

TM352

A

1008-7516（2013）02-0075-05

10.3969/j.issn.1008-7516.2013.02.018

2013-03-13

赵筱赫（1983-）,女,河南平顶山人,硕士,助教.主要从事磁悬浮电机传动系统的设计与实现研究.