時柵激勵信號載波注入異步電機方案的設計與實現

(重慶理工大學機械檢測技術與裝備教育部工程研究中心、時柵傳感器及先進檢測技術重慶市重點實驗室1，重慶 400054；重慶大學機械傳動國家重點實驗室2，重慶 400044)

0 引言

準確、可靠的轉子位置和速度檢測是實現伺服電機高性能控制的必要條件。為獲取轉子位置和速度信息，通常在電機轉軸上安裝光電碼盤、旋轉變壓器等軸角傳感器。然而旋轉變壓器體積較大，而光電碼盤不能耐受較大的強度振動，工作環境受到一定限制[1]。時柵是一種利用“時間測量空間”的原理測量位移的新型智能位移傳感器。與常用的軸角傳感器相比，時柵使用高頻時鐘脈沖，分辨力大大提高，且機械結構簡單，更能適應各種惡劣環境(如高低溫、油、水汽、振動、沖擊等)。磁場既是時間的函數，同時隨著繞圈匝數的不同、繞向的變化，又構成空間的函數。正是磁場的這種兩面性，使它成為機電能量轉換的主要媒介以及與時柵“時空轉換”的重要媒介[2-4]。

時柵中旋轉磁場的同步轉速遠高于電機旋轉磁場的同步轉速，而其強度卻遠小于電機旋轉磁場的強度。由于時柵與電機在結構和繞組上十分相近，兩者共同的特點是借助旋轉磁場與轉子作用來實現自身功能。所以，將時柵傳感器植入到電機中，可以形成一種全新的“寄生時柵式電機”，在不影響電機正常驅動的同時，實現對電機位置和速度的檢測。這樣有利于解決目前各種用于電機位置和速度檢測方法存在的精度低、抗干擾能力差或適用性不強的缺點。為了實現對電機位置和速度的有效檢測，首先要解決的是怎樣將時柵激勵信號加載到電機中去。本文將以異步電機為研究對象，著重分析時柵激勵信號加載方法的實現。

1 信號加載問題

信號加載是通過載波方式將時柵的高頻弱電激勵信號注入到電機的強電工作繞組中，以產生實現時柵“時空轉換”的旋轉磁場。采用低壓電力載波的互感器耦合法實現加載激勵信號時，互感器的繞組匝數和加載效果是矛盾的。即當增加繞組匝數時加載效果較好，但由于電機驅動電流遠遠大于激勵信號電流，其對加載電路的反向沖擊大，致使外圍保護電路復雜；而減小繞組匝數又會導致電機中信號電流勵磁能力變弱。當通過對普通三相三繞組降壓變壓器的逆應用加載時柵激勵信號時，由于普通變壓器是完全磁耦合的，一方面電機驅動電流產生的主磁通要求大鐵芯作為磁路，另一方面較大的主磁通又對加載電路產生強的反向沖擊。以上兩種方法可基本實現信號的加載，但模型本身的缺陷使得加載的效果差，實現難度高。

如果把一臺兩繞組普通變壓器的一次和二次繞組串聯起來，把一次繞組作為串聯繞組W1，二次繞組作為公共繞組W2，串聯繞組加上公共繞組作為新的一次主繞組，公共繞組兼作新的二次繞組，就構成了一臺降壓自耦變壓器。自耦變壓器本身不僅有“電磁感應”耦合，而且還有“電”的直接聯系的特點[5]。通過引入第三繞組W3，可利用“電磁感應”耦合的特點實現時柵激勵信號電流(頻率為ω1)在電機驅動電流(頻率為ω2)上的加載；利用“電”直接傳導，可為電機的大驅動電流提供直接通路，從而實現時柵激勵信號在異步電機中的加載。

2 自耦變壓器加載法

2.1 系統模型原理

圖1 信號加載模型原理圖

2.2 基本方程

三繞組變壓器的主磁通由三個繞組的磁動勢共同激勵所產生。在保持各繞組歸算前后的磁動勢、功率和損耗不變的條件下，可將串聯繞組W1與第三繞組W3的各個物理量歸算到公共繞組W2上[5-6]。根據歸算前后磁動勢不變的原則，可得：

(1)

則歸算后的磁動勢方程為：

(2)

(3)

(4)

鐵芯繞組的激磁方程為：

(5)

2.3 T型等效電路

在分析自耦變壓器的信號加載問題時，為方便分析模型，給出了一個既能正確反映變壓器內部電磁關系,又便于工程計算的T型等效電路，代替實際中的變壓器[5]。根據磁動勢平衡方程式、電動勢平衡方程式和激磁方程式，可以得出三繞組自耦變壓器的T型等效電路，如圖2所示。

圖2 T型等效電路圖

3 模型仿真

Ansoft Maxwell作為世界著名的商用低頻電磁場有限元軟件之一，在各個工程電磁領域都得到了廣泛的應用[7]。利用Maxwell Circuit Editor建立外部工作電路，將電機的驅動信號設定為110 V/50 Hz，時柵的激勵信號設定為10 V/1.5 kHz，各相間相位差120°。串聯繞組與公共繞組構成的主繞組為星型聯結，公共繞組兩端接有異步電機繞組等效阻抗，同時三相第三繞組的順次連接構成三角形聯結方式。

圖和加載波形仿真圖

由于各繞組內電阻的分壓，根據電路的基爾霍夫第二定律,有：

(6)

(7)

(8)

4 試驗與結論

測試結果表明，采用本方法時柵激勵信號能很好地注入到電機驅動信號中，通過信號的分離，可以在電機正常運轉的同時實現時柵傳感器測量電機轉子位置信息的功能。相比于使用同等級三相普通變壓器和互感器的加載方法，該方法既減小了對TDA7297功放與濾波模塊的沖擊，又保證了信號質量。三相自耦變壓器的“電”直接連接特點使用鐵量相對減少，同時自耦接入的第四繞組和三相整流橋SQL1010可為數顯箱直接供電，取代了原有供電變壓器。自耦變壓器加載模型對于電力載波通信有很好的借鑒作用。

5 結束語

利用三相自耦變壓器不僅有“電磁感應”耦合而且有“電”的直接連接的特點，解決了時柵激勵信號在異步電機中的加載問題，使異步電機的氣隙中形成了能夠實現時柵“時空轉換”的旋轉磁場，并為后序的轉子上的動測頭信號的提取提供了條件。利用三相自耦變壓器、模型異步電機和數顯箱等設備搭建的實驗平臺，將時柵植入異步電機的進一步試驗和改進工作正在進行中。

[1] 吳忠,呂緒明.基于磁編碼器的伺服電機速度及位置觀測器設計[J].中國電機工程學報,2011,31(9):82-87.

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