[发明专利]一种差动检测式自传感电磁轴承及其实现方法

权利要求书

1.一种差动检测式自传感电磁轴承，其特征在于主体结构包括开关功率放大器、电磁轴承本体、差动检测式转子位移估计电路、电流传感器和控制器，开关功率放大器的驱动输出端连接到电磁轴承本体，并与电磁轴承本体中的线圈负载对应连接；开关功率放大器的输出端经过电流传感器连接到差动检测式转子位移估计电路，开关功率放大器的输入端与控制器的输出端相连；差动检测式转子位移估计电路包含带通滤波电路、幅值提取电路和位移计算电路；带通滤波电路的输入端与电流传感器的输出端相连，输出端与幅值提取电路的输入端相连；幅值提取电路的输出端与位移计算电路的输入端相连，位移计算电路的输出端连接到控制器的输入端，开关功率放大器输出驱动电流至电磁轴承本体驱动其运转；差动检测式转子位移估计电路通过电流传感器接收来自开关功率放大器输出的驱动电流信号，对转子位移进行差动检测式估计，并同时接收电磁轴承本体同一自由度上对向磁极的控制电流信号；其中带通滤波电路接收来自电流传感器的控制电流信号，提取电流信号中的基频分量，并传送到幅值提取电路，幅值提取电路接收到自带通滤波电路的电流基频分量信号后提取基频分量的幅值信号，并传送到位移计算电路，位移计算电路接收到自幅值提取电路的电流基频分量幅值信号后计算得到转子位移估计值，并传送到控制器；控制器接收来自差动检测式转子位移估计电路的转子位移估计信号，并产生控制信号发送给开关功率放大器；开关功率放大器接收来自控制器的控制信号，每个通道输出一路线圈驱动电流连接到电磁轴承本体中每个电磁轴承每个自由度的一个线圈负载上，电磁轴承本体接收来自开关功率放大器的驱动电流后，驱动电磁轴承的线圈负载；实现电磁轴承本体中转子在一个自由度上的位移控制需要两路控制电流及一路转子位移估计信号，开关功率放大器接收来自控制器的四路差动控制信号u_c1、u_c2、u_c3和u_c4，并向电磁轴承本体的磁极线圈输出四路差动控制电流i₁、i₂、i₃和i₄，其中i₁和i₂为垂直自由度转子上侧和下侧磁极线圈的控制电流，i₃和i₄为水平自由度转子上侧和下侧磁极线圈的控制电流，其中i₁、i₂、i₃和i₄可分别表示为，

i₁＝I_b+i_cy，i₂＝I_b-i_cy (1)

i₃＝I_b+i_cx，i₄＝I_b-i_cx (2)

式中I_b为静态偏置电流，i_cy和i_cx分别为垂直和水平方向上的动态控制电流，在垂直和水平自由度上进行差动检测式转子位移估计的方法一致，以垂直自由度进行说明：

在进行电磁轴承控制时，控制器通常需要响应转子动不平衡引起的转子周期性位移，因此控制器输出的控制信号中会包含与转子转速一致的周期分量，使得控制电流中也包含同样频率的周期性电流，此时动态控制电流可以表示为，

i_cy＝I_ccos(ωt) (3)

式中I_c和ω分别为动态控制电流的幅值和角频率，t为时间；

在动态控制电流作用下，电磁轴承定子产生对转子的电磁力动态调整，引起转子位移，同时转子位移引起定子和转子间的气隙发生变化，使得磁极电感也会发生变化，在不考虑铁芯磁饱和、漏磁和涡流的前提下，L₁(t)和L₂(t)在工程上近似表示为，

式中，μ₀为空气的相对磁导率，N为线圈匝数，A_g分别为铁芯和气隙等效截面积，g₁和g₂分别为上、下磁极处定子与转子间的气隙长度，且满足关系式：

g₁+g₂＝2g₀ (5)

g₁-g₂＝-2y (6)

式中g₀为转子位于平衡位置处的气隙长度，y为转子沿Y轴方向的位移；由式(4)至式(6)可知，可以通过检测高频电流纹波的基频分量或高次谐波来检测电磁轴承磁极电感的变化，从而间接获取转子位移的变化，定义PWM信号的占空比α为：

式中T_on为一个开关周期T_s内PWM信号为高电平的持续时间；

驱动上侧和下侧磁极线圈的开关功率放大器在输出差动控制电流i₁和i₂时，其PWM占空比α₁和α₂可以近似为，

α₁＝0.5+α_ccos(ωt) (7.1)

α₂＝0.5-α_ccos(ωt) (7.2)

式中，α_c为PWM占空比的动态分量；

两电平电流型PWM开关功率放大器输出电压可表示为傅里叶级数的形式，

u(t)＝u_c(t)+u_h(t) (8.1)

u_c(t)＝(2α-1)V_s (8.2)

式中，V_s为功放直流母线电压，ω_s＝2π/T_s为功放的开关角频率，u_c(t)为功放的有效输出电压，其值跟随控制器输出的控制信号变化并驱动电磁轴承线圈产生控制电流，而u_h(t)包含功放输出电压方波中的基频分量和高次谐波；

在高频电压开关谐波的激励下，轴承线圈的阻抗为Z＝R+jωL，由于轴承线圈的电抗值jωL远大于其电阻值R，近似认为高频下线圈为纯电感负载，即Z＝jωL，根据欧姆定律可得到磁极线圈中高频电流纹波的傅里叶级数表达式为：

式中，n＝1对应基频分量，n≥2对应高次谐波；

各次电流谐波包含的电感信息是等效的，选取幅值最大的基频分量作为自传感的高频探询小信号，在式(9)中取n＝1，并将电感表达式(4)和PWM占空比的表达式代入，整理可得在转子上侧和下侧线圈中高频电流纹波的基频分量分别为：

则此时上侧、下侧线圈中高频电流纹波基频分量的幅值表示为：

将式(4)中L₁和L₂的表达式分别带入式(12)和式(13)，整理可得：

U₁(t)＝Kg₁cos(πα_ccos(ωt)) (14)

U₂(t)＝Kg₂cos(πα_ccos(ωt)) (15)

式中

由式(14)和式(15)可知，利用U₁(t)和U₂(t)可以分别获得对应磁极侧定子与转子间的气隙长度变化，进而得到转子的位移信息，同时利用U₁(t)和U₂(t)进行转子位移估计，

U₁(t)+U₂(t)＝2Kg₀cos(πα_ccos(ωt)) (17)

U₁(t)-U₂(t)＝-2Kxcos(πα_ccos(ωt)) (18)

则

转子位移的估计结果不再受到占空比动态变化的影响。