时栅激励信号载波注入异步电机方案的设计与实现

(重庆理工大学机械检测技术与装备教育部工程研究中心、时栅传感器及先进检测技术重庆市重点实验室1，重庆 400054；重庆大学机械传动国家重点实验室2，重庆 400044)

0 引言

准确、可靠的转子位置和速度检测是实现伺服电机高性能控制的必要条件。为获取转子位置和速度信息，通常在电机转轴上安装光电码盘、旋转变压器等轴角传感器。然而旋转变压器体积较大，而光电码盘不能耐受较大的强度振动，工作环境受到一定限制[1]。时栅是一种利用“时间测量空间”的原理测量位移的新型智能位移传感器。与常用的轴角传感器相比，时栅使用高频时钟脉冲，分辨力大大提高，且机械结构简单，更能适应各种恶劣环境(如高低温、油、水汽、振动、冲击等)。磁场既是时间的函数，同时随着绕圈匝数的不同、绕向的变化，又构成空间的函数。正是磁场的这种两面性，使它成为机电能量转换的主要媒介以及与时栅“时空转换”的重要媒介[2-4]。

时栅中旋转磁场的同步转速远高于电机旋转磁场的同步转速，而其强度却远小于电机旋转磁场的强度。由于时栅与电机在结构和绕组上十分相近，两者共同的特点是借助旋转磁场与转子作用来实现自身功能。所以，将时栅传感器植入到电机中，可以形成一种全新的“寄生时栅式电机”，在不影响电机正常驱动的同时，实现对电机位置和速度的检测。这样有利于解决目前各种用于电机位置和速度检测方法存在的精度低、抗干扰能力差或适用性不强的缺点。为了实现对电机位置和速度的有效检测，首先要解决的是怎样将时栅激励信号加载到电机中去。本文将以异步电机为研究对象，着重分析时栅激励信号加载方法的实现。

1 信号加载问题

信号加载是通过载波方式将时栅的高频弱电激励信号注入到电机的强电工作绕组中，以产生实现时栅“时空转换”的旋转磁场。采用低压电力载波的互感器耦合法实现加载激励信号时，互感器的绕组匝数和加载效果是矛盾的。即当增加绕组匝数时加载效果较好，但由于电机驱动电流远远大于激励信号电流，其对加载电路的反向冲击大，致使外围保护电路复杂；而减小绕组匝数又会导致电机中信号电流励磁能力变弱。当通过对普通三相三绕组降压变压器的逆应用加载时栅激励信号时，由于普通变压器是完全磁耦合的，一方面电机驱动电流产生的主磁通要求大铁芯作为磁路，另一方面较大的主磁通又对加载电路产生强的反向冲击。以上两种方法可基本实现信号的加载，但模型本身的缺陷使得加载的效果差，实现难度高。

如果把一台两绕组普通变压器的一次和二次绕组串联起来，把一次绕组作为串联绕组W1，二次绕组作为公共绕组W2，串联绕组加上公共绕组作为新的一次主绕组，公共绕组兼作新的二次绕组，就构成了一台降压自耦变压器。自耦变压器本身不仅有“电磁感应”耦合，而且还有“电”的直接联系的特点[5]。通过引入第三绕组W3，可利用“电磁感应”耦合的特点实现时栅激励信号电流(频率为ω1)在电机驱动电流(频率为ω2)上的加载；利用“电”直接传导，可为电机的大驱动电流提供直接通路，从而实现时栅激励信号在异步电机中的加载。

2 自耦变压器加载法

2.1 系统模型原理

图1 信号加载模型原理图

2.2 基本方程

三绕组变压器的主磁通由三个绕组的磁动势共同激励所产生。在保持各绕组归算前后的磁动势、功率和损耗不变的条件下，可将串联绕组W1与第三绕组W3的各个物理量归算到公共绕组W2上[5-6]。根据归算前后磁动势不变的原则，可得：

(1)

则归算后的磁动势方程为：

(2)

(3)

(4)

铁芯绕组的激磁方程为：

(5)

2.3 T型等效电路

在分析自耦变压器的信号加载问题时，为方便分析模型，给出了一个既能正确反映变压器内部电磁关系,又便于工程计算的T型等效电路，代替实际中的变压器[5]。根据磁动势平衡方程式、电动势平衡方程式和激磁方程式，可以得出三绕组自耦变压器的T型等效电路，如图2所示。

图2 T型等效电路图

3 模型仿真

Ansoft Maxwell作为世界著名的商用低频电磁场有限元软件之一，在各个工程电磁领域都得到了广泛的应用[7]。利用Maxwell Circuit Editor建立外部工作电路，将电机的驱动信号设定为110 V/50 Hz，时栅的激励信号设定为10 V/1.5 kHz，各相间相位差120°。串联绕组与公共绕组构成的主绕组为星型联结，公共绕组两端接有异步电机绕组等效阻抗，同时三相第三绕组的顺次连接构成三角形联结方式。

图和加载波形仿真图

由于各绕组内电阻的分压，根据电路的基尔霍夫第二定律,有：

(6)

(7)

(8)

4 试验与结论

测试结果表明，采用本方法时栅激励信号能很好地注入到电机驱动信号中，通过信号的分离，可以在电机正常运转的同时实现时栅传感器测量电机转子位置信息的功能。相比于使用同等级三相普通变压器和互感器的加载方法，该方法既减小了对TDA7297功放与滤波模块的冲击，又保证了信号质量。三相自耦变压器的“电”直接连接特点使用铁量相对减少，同时自耦接入的第四绕组和三相整流桥SQL1010可为数显箱直接供电，取代了原有供电变压器。自耦变压器加载模型对于电力载波通信有很好的借鉴作用。

5 结束语

利用三相自耦变压器不仅有“电磁感应”耦合而且有“电”的直接连接的特点，解决了时栅激励信号在异步电机中的加载问题，使异步电机的气隙中形成了能够实现时栅“时空转换”的旋转磁场，并为后序的转子上的动测头信号的提取提供了条件。利用三相自耦变压器、模型异步电机和数显箱等设备搭建的实验平台，将时栅植入异步电机的进一步试验和改进工作正在进行中。

[1] 吴忠,吕绪明.基于磁编码器的伺服电机速度及位置观测器设计[J].中国电机工程学报,2011,31(9):82-87.

[2] 彭东林,张兴红,刘小康,等.场式时栅位移传感器研究[J].仪器仪表学报,2003,24(3):338-342.

[3] 彭东林.时栅位移传感器与新型机床动态检测系统[M].北京:科学出版社,2010:64-72.

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[5] 汤蕴缪.电机学[M].4版.北京:机械工业出版社,2011:43-51.

[6] 瓦修京斯基C B.变压器的理论与计算[M].崔立君,杜恩田，译.北京:机械工业出版社,1983:215-221.

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