電磁發射用直線感應電機位置檢測系統

何娜，王擎宇，芮萬智（海軍工程大學艦船綜合電力技術國防科技重點實驗室，湖北武漢 430033）

電磁發射用直線感應電機位置檢測系統

何娜，王擎宇，芮萬智
（海軍工程大學艦船綜合電力技術國防科技重點實驗室，湖北武漢 430033）

∶位置檢測系統對于電磁發射直線感應電機的正常運行是至關重要的。深入研究了適合于電磁發射特殊應用工況的電渦流傳感器的靜態與動態工作特性，并基于電磁發射直線感應電機定子由多段拼接而成的特點，設計了直線感應電機位置檢測系統的拓撲網絡。對位置檢測系統中參數設計方法、設計過程進行了詳盡推導，研制了實際位置檢測系統樣機，并在電磁發射平臺上進行了實驗測試，實驗結果驗證了所提出的設計理論與設計方法的正確性與有效性。

∶電磁發射；直線感應電機；位置檢測系統；傳感器

0 引言

電磁發射裝置是利用直線電機所產生的電磁力，按照預先設定的發射軌跡曲線，在有限沖程和較短時間（幾秒）內迅速將負載加速到設定速度（數百公里每小時）的一種新型推進設備。它的實質是將電磁能變換為發射載荷所用瞬時動能的一類能量變換裝置。基于電磁發射原理的航母艦載機彈射起飛裝置是現代航母的核心技術和標志性技術，對現代航母技術的發展具有劃時代的意義，美國最先進“福特”號航母已裝備艦載機電磁彈射裝置［1-3］。

直線感應電機為電磁發射裝置的核心執行機構，基于電磁發射裝置的特殊要求，電磁發射用直線感應電機有以下特點［4-7］∶1）為了實現直線感應電機的短行程瞬時加速，電磁發射用直線感應電機宜采用雙邊長初級短次級結構，其中電機次級即為加速負載的動子，電機初級即為定子；2）電磁發射用直線電機的初級較長（數十米），次級較短（米級），電機初級由若干相同的初級模塊沿長度方向拼接而成。

電磁發射系統可以看作是一個伺服系統，采用帶位置反饋的閉環控制。該系統對發射過程中動子位置、速度以及加速度都有很高的要求，因此，對于電磁發射系統而言，需要一套具有高可靠性以及較高分辨率的位置檢測系統［8］。

現有文獻報道中，對永磁直線電機的位置檢測方法取得了一定進展［9-10］，對于滿足電磁發射特殊要求的直線感應電機位置檢測技術的研究罕有報道。基于此，本文對電磁發射直線感應電機的位置檢測系統進行了深人研究。首先針對電磁發射特殊應用工況，選取了電渦流傳感器，并基于開發的靜態特性與動態特性測試平臺，對傳感器的靜態工作特性與動態工作特性進行了深人分析與測試；基于電磁發射用直線感應電機定子由多段拼接的特點，設計了位置檢測系統級聯網絡式拓撲方案，并對系統中參數的設計進行了詳細的理論推導，提出了參數嚴格的設計流程，最后研制了位置檢測系統樣機并進行了實驗測試。

1 位置檢測用傳感器工作特性研究

1.1 傳感器選型研究

目前用于電機位置檢測的傳感器主要有∶光電脈沖編碼器、直線光柵尺、感應同步器、旋轉變壓器以及電渦流傳感器等。其中光電編碼器、直線光柵尺等利用光學原理測量位置，其測量分辨率高，能夠準確反應電機的轉子位置，但它們對環境要求過高，容易受陽光、灰塵、油污等的影響，不適合在電磁發射環境下使用；感應同步器具有對環境要求低、工作可靠、抗干擾能力強、具有較高的分辨率和精度、使用壽命長等特點，但是它的定尺和滑尺之間一般需要保持0.25±0.05mm的氣隙，而電磁發射用直線電機的動子在高度時其橫向擺幅會超過此值，從而會導致定子與動子之間出現碰撞；旋轉變壓器是一種測量角度用的小型交流電動機，用來測量旋轉物體的轉軸角位移和角速度，適用于高溫、嚴寒、潮濕、高速、高震動等場合，但是它只能用于旋轉電機，而不適用于直線電機的位置檢測。

電渦流傳感器根據電渦流效應的原理，可以準確測量被測體（必須是金屬導體）與探頭端面之間靜態和動態的相對位移變化。電渦流傳感器具有體積小、靈敏度高、長期工作可靠性高、抗干擾能力強、不受水污、油污等介質干擾的特點，最重要的是電渦流傳感器可以用在非接觸型測量場合，而且其探測間隙（即被測體到傳感器之間的距離）也可以滿足電磁彈射用直線電機的工況要求［11-14］。電渦流傳感器衍生出很多系列，針對電磁發射位置檢測應用工況，為了簡化工程實現，本文選擇了一類特殊的電渦流傳感器∶電感式接近開關，此傳感器只輸出開關量，大大簡化了后續處理電路的實現。目前電感式接近開關種類較多，本文以圖爾克公司的電感式接近開關為例進行研究。

為了實現位置檢測系統，必須對位置傳感器的工作特性進行深人研究，主要包括其靜態工作特性與動態工作特性。

1.2 傳感器靜態工作特性研究

電感式接近開關屬于非線性器件，它的靜態工作特性很難用數學方法進行描述，故通常通過標準檢出體來進行標定。其靜態工作特性主要包括檢出特性、復位特性以及回差特性，根據電磁發射直線感應電機位置檢測系統特定工況，本文將傳統靜態工作特性進行實用化簡化研究。在電磁發射直線感應電機位置檢測系統中，需要傳感器單元與金屬齒槽編碼器單元互相配合以輸出反應齒槽數目的脈沖信號，此時編碼器中的金屬齒片即為傳感器的標準檢出體，定義編碼器的齒寬為W1，槽寬為W2，復位曲線與檢出曲線在x軸間距為Ws，齒高度為h，編碼器與傳感器探頭之間探測間隙為d，脈沖占空比為D。

圖1為傳感器特性曲線，不難看出在齒片沿x軸正方向以速度v勻速運動一個齒間距（W1+W2）的過程中，接近開關能夠探測到齒片存在的范圍是∶

未探測到齒片存在的范圍是∶

因此，輸出的位置脈沖信號的占空比為

圖1 標準檢出體的特性曲線Fig.1 Specialitycurvesofstandardtarget

本文所設計的位置檢測系統采取了正交編碼算法對位置脈沖信號進行處理，算法要求位置脈沖信號的占空比必須在［25％-75％］范圍內，最佳值是50％，故對傳感器工作特性研究轉換為各種工況下各參數對傳感器輸出位置信號占空比影響特性的研究。

為了深人對傳感器靜態特性進行研究，本文研制了專用靜態測試平臺如圖2所示。由于此類傳感器對標準檢出體的厚度有明確要求，故編碼器齒片的厚度參數為固定值，不對其變化規律進行研究；另外，為了對各種情況下測試結果進行有效的對比研究，必須保證編碼器的齒間距不變。

圖2 傳感器靜態測試平臺Fig.2 Thestatictestplatform

1）其他參數不變，W1對D的影響特性

其他參數保持不變，改變齒寬寬度W1，對傳感器輸出脈沖信號的占空比進行測試，結果如圖3所示，可見隨著編碼器的齒片寬度W1變大時，相應的占空比也呈增大趨勢，如果大到一定情況使Δx2=0時，則會出現占空比為100％情況。

2）其他參數不變，d對D的影響特性

其他參數保持不變，改變探測距離d，對傳感器輸出脈沖信號的占空比進行測試，結果如圖4所示，可見隨著探測距離增大，相應的占空比呈減小趨勢，如果超過一定值傳感器將檢測不到位置信號。

圖3 齒片寬度對占空比影響特性曲線Fig.3 Theinfluenceoftoothwidthondutyfactor

圖4 探測距離對占空比影響特性曲線Fig.4 Theinfluenceofdetectionrangeondutyfactor

3）其他參數不變，h對D的影響特性

其他參數保持不變，改變齒片高度，對傳感器輸出脈沖信號占空比進行測試時發現，當滿足傳感器對標準檢出體高度的基本要求后，高度再增大對占空比基本沒有影響。

1.3 傳感器動態工作特性研究

本文研制了專用高速動態測試平臺對傳感器的動態特性進行分析測試，如圖5所示。

圖5 傳感器高速動態測試平臺Fig.5 Thedynamictestplatformwithhighspeed

對于動態特性研究主要包括以下兩個方面∶

1）在其他參數都不變情況下，編碼器運動速度（對應動子速度）對位置輸出脈沖信號占空比D的影響特性。

測試結果如圖6所示，可見隨著動子速度的增加，位置輸出脈沖的占空比呈現增大的趨勢。必須值得特別注意的是，圖6結論只在傳感器可靠探測距離范圍內是成立的。

圖6 運動速度對占空比影響特性曲線Fig.6 Theinfluenceofvelocityondutyfactor

2）其他參數都不變情況下，編碼器運動速度與探測距離共同對輸出脈沖信號占空比影響特性。

在電磁發射直線感應電機的動子高速前進、后退運動過程中，會同時伴隨著動子左右的偏擺，從而導致傳感器探測距離的變化，故此時就必須考慮在動子速度與探測距離同時變化情況下，位置輸出脈沖信號占空比的變化特性。測試結果如圖7所示，可以看出，動子速度、探測距離以及脈沖信號占空比之間呈現復雜的耦合特性。

圖7 動子速度、探測距離對占空比綜合影響特性曲線Fig.7 Theintegratedinfluenceofvelocityand detectionrangeondutyfactor

2 分段直線感應電機位置檢測系統設計

位置檢測系統主要包括位置傳感器單元、編碼器單元以及位置控制器單元，基于電磁發射直線感應電機實際結構形式，本文將傳感器單元布置在電機定子上，編碼器單元布置在動子上，為了對動子的位置進行準確可靠檢測，任意時刻必須保證編碼器至少與1個傳感器單元相耦合。由圖8可知，直線電機定子是由多段拼接而成的，如果每2段布置1個傳感器單元，則編碼器的長度需增大至2段電機的長度，給編碼器的制造帶來了較大難度，如果每段定子上布置2個傳感器單元，則編碼器總長度可以減少為1/2段電機的長度，但此時后續處理電路將復雜一倍，故綜合各個因素進行折中考慮，最后本文提出的級聯式位置檢測系統方案如圖9所示，即每段定子上布置1個傳感器單元，編碼器長度為1段直線電機定子長度，對于各個位置傳感器單元輸出的位置脈沖信號采取級聯的傳輸方式。

圖8 電磁發射用直線感應電動機示意圖Fig.8 Theschematicdiagramoflinearinductionmotorappliedinelectromagneticemission

圖9 位置檢測系統拓撲結構Fig.9 Thetopologyofpositionmeasurementsystem

本文采取正交編碼算法對兩路位置脈沖信號進行處理，故每個傳感器單元內部需要平行布置兩個傳感器以輸出兩路正交信號，如圖10所示。

圖10 正交編碼脈沖Fig.10 Quadratureencoderpulses

正交編碼算法可以同時檢測出動子運動的位置與方向信息，并且可以提高位置檢測的精度。正交編碼算法狀態機如圖11所示，即當正交編碼狀態機沿著01→00→10→11→01每變化一次時，脈沖計數進行加1，而當狀態機沿著相反方向即01→11→10 →00→01變化時，每變化一次脈沖計數減1。如果狀態機在01和10或00和11之間變化時，則脈沖計數保持不變。

圖11 正交編碼狀態機Fig.11 Quadratureencoderstatemachine

3 位置檢測系統參數設計

在設計完位置檢測系統方案之后，接下來需要深人研究系統中各個參數的設計方法，主要有編碼器的相關參數設計，包括齒片寬度W1、齒間距WL= W1+W2以及齒片個數N，對于編碼器齒片的厚度與高度參數，因為傳感器對標準檢出體有明確要求，故不再贅述；還有傳感器單元的參數設計，包括兩個傳感器之間的距離L1以及探頭與邊緣金屬結構體的距離L2等參數；以及編碼器與傳感器單元之間的額定探測距離參數d。

3.1 參數之間耦合關系研究

本文所研究的位置傳感器基于渦流感應的工作原理，故在實際應用中必須滿足特定的參數要求，如圖12所示，參數L4表示傳感器與金屬之間間隔距離要求，如果為檢出體，則必須使L4小于額定探測距離，這樣才能保證可靠測量，而如果為非檢出體，則必須使L4大于額定探測距離，從而避免出現干擾位置脈沖；參數L1為相鄰傳感器探頭之間間隔距離，為了避免相鄰傳感器探頭之間相互干擾，必須使L1大于規定值；L2、L3為傳感器探頭距離邊緣金屬件的間隔距離，為了避免傳感器探頭受到不必要的干擾，這兩個距離也必須大于相應規定值。

實際系統實現過程中，對于探測距離參數d的設計與選擇，需要考慮以下兩個方面的限制因素∶

1）為了保證裝置可靠運行，探測距離必須小于額定探測距離，而且越小越好；

2）考慮實際系統運行過程中，動子存在左右偏擺問題，所以此探測距離不能太小，否則會發生動子與傳感器單元碰撞現象。

圖12 傳感器安裝特性要求Fig.12 Theequipmentrequirementsforsensors

故在設計探測距離時，需要根據實際系統中動子偏擺量以及傳感器探頭特性參數進行折中選擇。

由于直線電機每段定子上布置1個傳感器單元，而且任何時刻必須保證編碼器與1個傳感器單元相耦合，故編碼器總長度BL設計成一段定子長度，編碼器齒間距WL與編碼器齒片個數N之間存在如下關系式∶

對于齒間距WL的設計，必須同時考慮以下幾個因素∶

1）直線電機位置控制精度的要求∶本文所設計的位置檢測系統的分辨率為∶

故齒間距越小位置檢測的分辨率越高，由此使得位置控制精度也越高；

2）動子運動最高速度要求∶動子運動最高速度Vmax與傳感器最高響應頻率fmax以及齒間距之間關系如下所示∶

可以看出，在傳感器最高響應頻率固定的情況下，探測距離越大則動子允許的最高運動速度越高；故對編碼器齒間距WL實際設計時，需要綜合上面兩個因素進行折中考慮，另外，此齒間距參數設計時還必須保證編碼器齒片個數N為整數。

在齒間距WL以及探測距離d設計完成后，根據本文所研究的傳感器探頭工作特性，編碼器齒片寬度W1可以確定下來，其主要設計依據是保證額定探測距離下，所輸出位置脈沖信號的占空比為50％。

傳感器單元中兩個傳感器探頭之間距離L1是非常重要的，其設計時必須考慮以下兩個因素∶

1）此距離必須大于傳感器本身所要求的特定值；

2）要保證輸出兩路脈沖信號呈正交關系，則此間隔距離必須滿足以下關系∶

式中n≥1為整數。實際應用中，在滿足第一個限制因素基礎上，為了盡量縮小位置檢測單元的體積，應選取n為較小值。

對于參數L2、L3的設計，設計時限制因素主要是需要滿足傳感器本身要求特性，并綜合考慮工程實現時制造以及成本等因素，在此不再贅述。

3.2 參數設計方法

基于上述各個參數設計依據詳細推導的基礎上，整個位置檢測系統參數設計流程如下所示∶

1）根據傳感器本身工作特性以及電磁發射直線感應電機動子運動的機械特性，設計探測距離參數d；

2）根據位置檢測分辨率要求以及動子運行最高速度要求，設計編碼器齒間距參數WL；

3）根據編碼器總長度BL以及齒間距參數WL，求取編碼器中齒片個數N，若直接求出的N不是整數，則微調參數WL以保證N為整數；

4）根據齒間距參數WL與探測距離參數d，結合傳感器工作特性，設計齒片寬度參數W1以滿足每路位置信號占空比50％的要求；

5）根據齒間距參數WL與傳感器探頭之間無干擾距離要求，設計傳感器單元內部兩個傳感器間隔距離參數L1，使兩路位置脈沖信號呈現正交特性；

6）根據傳感器本身安裝特性要求，在保證一定安全預量基礎上，設計參數L2、L3，即保證傳感器探頭正常可靠工作，又保證工程制造安裝的可實現性。

4 實驗驗證

基于本文所設計的位置檢測系統方案以及所提出的參數設計方法，研制了一套實際位置檢測裝置，參數如表1所示。

基于所研制的位置檢測裝置，在實際電磁發射系統樣機上進行了實驗測試，系統中直線電機定子由10段拼接而成。圖13為Nicolet數據采集系統所采集的兩路正交位置脈沖信號波形；圖14為動子給定位置與實際位置對比實驗波形，可以看出動子可以很好的跟蹤給定位置指令，從而驗證了位置檢測系統的工作性能；圖15、圖16為直線電機三相電流波形，可以看出，基于本文所設計的位置檢測系統，電磁發射直線感應電機工作正常，性能優良，可以較好的完成發射任務。

表1 位置檢測系統設計參數Table1 Theparametersofpositionmeasurementsystem

圖13 位置脈沖信號Fig.13 Thepositionpulsesignals

圖14 動子給定位置與實際位置Fig.14 Thereferenceandpractical positionsofshuttle

圖15 直線電機三相電流實驗波形Fig.15 Thethree-phasecurrent experimentcurves

圖16 圖15的局部放大圖Fig.16 ThepartialenlargementofFig.15

5 結論

針對電磁發射用直線感應電機長定子、短動子以及定子由多段拼裝而成的特點，設計了直線感應電機級聯式位置檢測系統，該系統中編碼器單元固定在電機動子上，而每段電機定子上安裝一個傳感器單元，所有傳感器單元輸出的位置信號采取級聯的處理方式，并將級聯后的位置脈沖信號采取正交編碼算法進行處理，即可以同時得到動子運動的位置與方向信息，又可以成倍提高位置檢測系統分辨率；推導并歸納了電磁發射用直線感應電機位置檢測系統參數設計方法與設計步驟，最后通過實際實驗結果證明了本文所設計位置檢測系統具有高效、準確以及工程可實施性強等優點。

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（編輯∶張詩閣）

Positionmeasurementsystemforlinearinductionmotorappliedin electromagneticemissionsystem

HENa，WANGQing-yu，RUIWan-zhi
（NationalKeyLaboratoryForVesselIntegratedPowerSystemTechnology，NavalUniversityofEngineering，Wuhan430033，China）

∶Positionmeasurementsystemisveryimportantforlinearinductionmotornormaloperationinelectromagneticemission.Thestaticanddynamicoperatingcharacteristicsofeddycurrentsensorwhich wassuitableforelectromagneticemissionspecialapplicationcaseswerestudieddeeply.Thestatorofthe linearinductionmotorwasconstitutedbymanysections.Basedonthespecialty，anovelpositionmeasurementsystemwasproposed.Andthen，thedesignmethodandderivationprocessofthemeasurement systemparameterswasanalyzedbasedonthestudyonsensorscharacteristicsandsystemtopology.Finally，apracticalprototypeofpositionmeasurementwasdeveloped.Experimentswereprocessedonpractical electromagneticemissionsystem.Experimentresultsverifythevalidityandcorrectnessofthedesigntheoryanddesignmethodproposed.

∶electromagneticemission；linearinductionmotor；positionmeasurement；sensor

∶TM711；TN713

∶A

∶1007-449X（2015）11-0010-07

∶2015-03-27

∶國家自然科學基金（51507182）

∶何 娜（1979—），女，博士，副教授，研究方向為電力電子與直線電機位置檢測技術；

王擎宇（1986—），男，博士研究生，研究方向為直線電機控制技術；

芮萬智（1984—），男，博士，講師，研究方向為網絡通信技術。

∶何 娜

DOI∶10.15938/j.emc.2015.11.002