[发明专利]一种差动检测式自传感电磁轴承及其实现方法

说明书

本发明属于电磁轴承技术领域，涉及一种差动检测式自传感电磁轴承及其实现方法，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；通过利用电磁轴承转子两侧对向磁极线圈中差动控制电流的互补特性，抵消控制电流动态变化对电流纹波特性的影响，能显著提高控制电流动态变化时转子位移的估计精度，进而改善自传感电磁轴承系统的动态性能。

技术领域：

本发明属于电磁轴承技术领域，涉及一种具有良好动态性能的差动检测式自传感电磁轴承及其实现方法，适用于机电系统中需要使用电磁轴承但希望大幅降低成本或避免外置位移传感器安装以节省空间的场合。

背景技术：

主动电磁轴承具有无摩擦、无需润滑、无污染、转速高等优点，近年来在航空航天、飞轮储能、涡轮透平机械、高速机床等领域发展很快。在有传感器主动电磁轴承系统中，为了实现系统的闭环反馈控制，必须在转子的各个自由度分别装配独立的位移传感器进行转子位置信号的实时检测。位移传感器的昂贵价格使得系统的成本难以降低，也增加了装配、维护的成本。此外，安装位移传感器所需的空间要求制约了电磁轴承尺寸的优化，传感器和执行器的位置不同也使得控制更为复杂。

自传感电磁轴承是近年来为解决上述问题而提出的新型电磁轴承，通过利用电磁轴承的电磁线圈的电感大小随转子位置改变而变化的特性，可以使得电磁线圈在产生电磁力的同时实现转子位移估计的功能，从而避免独立位置传感器的使用，实现主动电磁轴承的自传感运行。目前，一种常用的电磁轴承自传感实现方法是高频小信号注入法，但通常需要增加额外的硬件结构来保证注入信号的精度；另一种常用方法是利用开关功率放大器驱动电磁轴承线圈时，线圈电流中本身就包含的高频电流纹波来作为实现转子位移估计的小信号，即电流纹波解调法，虽然第二种方法不再涉及小信号的注入问题，在实现上更为便利，但高频电流纹波的特性会随线圈电流的动态变化而改变，进而对转子位移估计产生干扰，影响了该类型自传感电磁轴承的动态性能。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，设计提供一种差动检测式自传感电磁轴承及其实现方法，针对使用“电流纹波解调法”实现的自传感电磁轴承中控制电流动态变化会干扰转子位移估计结果的问题，通过利用电磁轴承转子两侧对向磁极线圈中差动控制电流的互补特性，抵消控制电流动态变化对电流纹波特性的影响，进而显著提高动态控制电流下转子位移的估计精度。

为了实现上述目的，本发明所述差动检测式自传感电磁轴承的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。