用于磁懸浮軸承位置控制的差動檢測電路設(shè)計

朱斌，仇國富

(南京理工大學 機械工程學院，江蘇 南京 210014)

0 引言

磁懸浮軸承是一種利用電磁力使轉(zhuǎn)軸懸浮的新型軸承，具有無接觸、無磨損、無需潤滑和密封、發(fā)熱少等優(yōu)點，因此，磁懸浮軸承可以用于需要長期運行的場合和高速旋轉(zhuǎn)機械[1]。

磁懸浮軸承通過傳感器實時測量轉(zhuǎn)軸位移并據(jù)此調(diào)整電磁力，實現(xiàn)對轉(zhuǎn)軸位置的精確控制。電渦流式傳感器具有靈敏度高、線性好、體積小等特點，而且能夠在惡劣環(huán)境下工作，故目前被廣泛用于磁懸浮軸承位置控制系統(tǒng)中的位移檢測[2]。

磁懸浮軸承是多自由度系統(tǒng)，因此需要多個位移傳感器。在實際應(yīng)用中，通常每一自由度采用1個電渦流位移傳感器。電渦流傳感器探頭實際就是由銅導(dǎo)線繞制的線圈，在交變電的作用下可等效為一個電感。由于工作時環(huán)境溫度的變化會使導(dǎo)線電阻發(fā)生變化，引起探頭線圈參數(shù)的溫漂，從而不可避免地產(chǎn)生位移測量的漂移誤差。要消除或減少這種位移測量誤差，需用具有高溫度穩(wěn)定性的導(dǎo)電材料來繞制探頭線圈，而這在目前還難以實現(xiàn)。此外，工作環(huán)境存在的各種干擾，也會影響電渦流傳感器探頭參數(shù)和測量電路的穩(wěn)定性。這些因素造成了轉(zhuǎn)子位置測量的誤差，對磁懸浮軸承轉(zhuǎn)子位置的控制精度有嚴重影響[3-4]。

本文為解決此問題，在磁懸浮軸承的每一個自由度采用2個電渦流位移傳感器，用差動測量的方法以減小溫漂和其他干擾對位移測量精度的影響。設(shè)計了相應(yīng)的位移差動檢測與控制電路，并在軸向磁懸浮軸承上做了對比實驗，與單一位移傳感器的測量、控制方式相比，磁懸浮軸承位置控制精度有顯著提高。

1 位移差動檢測原理

鑒于電渦流位移傳感器探頭參數(shù)的溫漂不可避免以及工作環(huán)境存在的各種干擾對位移測量的影響，本文采用差動測量的方法以減小溫漂和其他干擾的影響。以軸向磁懸浮軸承為例，其檢測原理如圖1所示。

圖1 磁懸浮軸承位置差動檢測與控制原理圖

將兩路性能一致的位移傳感器和測量電路按圖1所示方式對稱安裝。設(shè)懸浮軸處于預(yù)先設(shè)定的平衡懸浮位置時，2個位移傳感器與金屬板的間隙上、下相等，即上=下=0；當懸浮軸在負載作用下產(chǎn)生位移時(假設(shè)向下)，則上位移傳感器檢測到的間隙上增大，下位移傳感器檢測到的間隙下減少，即被測懸浮軸的位移反作用于2個位移傳感器。而環(huán)境溫度變化與干擾對2個傳感器的影響則是基本相同的。差動位移輸出信號再送入功率放大與控制電路，輸出與懸浮軸位移方向與大小相適應(yīng)的上下兩路調(diào)節(jié)電流以控制上下電磁線圈產(chǎn)生相應(yīng)的電磁力，促使懸浮軸回歸預(yù)設(shè)的平衡懸浮位置。

在上述條件下，2路位移傳感器和測量電路對位移信號的增益有k上-k下，對溫度與干擾信號的增益有k上k下。設(shè)懸浮軸在負載作用下產(chǎn)生位移，溫度與干擾信號為x，差動放大環(huán)節(jié)增益為K，則輸出的位移信號Y有：

Y=[(k上+k上x)- (k下+k下x)]K=

[(k上+k上x)- (-k上)+k下x)]K=

[(k上+k上)+k上x-k下x)]K

2k上K

可見，只要保證2路位移傳感器和測量電路性能盡量一致，則差動輸出信號Y正比于位移，且靈敏度提高一倍，而溫度與干擾信號的影響基本被抵消。這樣，就可以消除或減少位移測量的漂移誤差，從而提高磁懸浮軸承位置控制精度。

2 差動測量電路設(shè)計

本文設(shè)計的電渦流位移差動檢測電路由高頻正弦激勵電路、放大檢波電路和差動放大等電路組成，具體電路原理如圖2所示。

圖2 差動測量電路原理

圖2中，電渦流位移傳感器等效為一個理想電感與一個純電阻的串聯(lián)，R1、C1、R2、C2分別為與2個傳感器匹配的電阻與電容。在激勵信號頻率和位移測量范圍確定的條件下，電阻、電容與傳感器匹配得當，可以使電渦流位移傳感器獲得最佳的位移檢測靈敏度。本文用理論估算和實驗的方法來確定匹配電阻與電容的數(shù)值。

2.1 高頻正弦激勵信號電路

電渦流位移傳感器需要在穩(wěn)定的高頻、高壓正弦激勵信號激勵下，才能獲得較好的位移檢測靈敏度。激勵信號的頻率要根據(jù)電渦流傳感器探頭線圈參數(shù)和位移測量范圍而定，本文用理論計算和實驗的方法來確定合適的激勵信號頻率。

考慮到激勵信號的頻率穩(wěn)定性、高幅值要求以及電路實現(xiàn)的方便性，設(shè)計了由有源晶振、分頻、升壓與穩(wěn)幅電路、低通濾波器等單元組成的激勵信號發(fā)生電路，如圖3所示。

圖3 高頻正弦激勵信號發(fā)生電路原理框圖

電路中，用有源晶振和分頻電路來獲得穩(wěn)定的、頻率值適當?shù)摹⒄伎毡葹?0%的方波信號；用升壓與穩(wěn)幅電路來獲得幅值不變的高幅值方波信號；用適當?shù)牡屯V波器對高頻、高幅值方波信號進行處理，最終獲得比較理想的高幅值正弦激勵信號。

本文設(shè)計的激勵信號源可以提供1MHz、幅值達14V的正弦激勵信號。

2.2 放大檢波電路

放大檢波電路的作用是對電渦流傳感器輸出的高頻調(diào)幅信號的幅值進行交流放大，并將其轉(zhuǎn)換為與位移信號對應(yīng)的直流信號。所設(shè)計的放大檢波電路由交流放大、全波檢波、低通和差動電路組成，如圖4所示。

圖4 放大與檢波電路

選擇高速運放組成具有高輸入阻抗的有源全波檢波電路，以實現(xiàn)交流放大和全波檢波。考慮到磁懸浮軸承的懸浮軸位移變化的速度，電路的截止頻率設(shè)計為10kHz。

全波檢波可以從高頻調(diào)幅信號中獲得較大的有用成分，有利于提高檢測靈敏度，但檢波后的信號中含有較大的直流成分，容易使后級放大電路飽和。故用低通電路處理全波檢波的信號，獲得幅值隨位移變化的直流信號后，增加一級差動電路，其有兩路輸入，一路是含有較大的不變直流成分的低通輸出信號，另一路是由電阻R1、R2分壓獲得的恒定直流信號。該差動電路有兩方面的作用，一是抵消低通輸出中不變的直流成分，放大微小的、反映位移變化的直流信號，以擴大測量范圍、提高檢測靈敏度；二是用于調(diào)節(jié)和抵消傳感器安裝偏差的影響。

2.3 差動放大電路

使用具有動態(tài)校零功能的高精度運放構(gòu)成最后一級差動放大電路，以放大兩路位移傳感器的差值信號。當磁懸浮軸承的懸浮軸處于初始平衡位置時，兩路位移傳感器的輸出信號相同，差動放大的電路輸出為零；當懸浮軸偏離平衡位置時，差動放大電路輸出與位移變化量相應(yīng)的電壓信號。故此差動放大電路僅響應(yīng)信號，進一步提高了檢測靈敏度，且如第1節(jié)的分析，可以基本抵消溫度與干擾信號對懸浮軸位移測量的影響，獲得準確的位移信號[5]。

3 電路性能測試與分析

通過實驗方法對所設(shè)計的磁懸浮軸承轉(zhuǎn)軸位移差動檢測電路的性能進行測試，并與單傳感器檢測電路進行對比分析。每路檢測電路已經(jīng)通過調(diào)試使其基本一致，位移檢測靈敏度與線性度在位移標定臺上同時進行實驗測定；以軸向磁懸浮軸承為實驗平臺，將位移輸出送入同一功放與控制電路對轉(zhuǎn)軸位置進行控制，以對比轉(zhuǎn)軸位置控制精度。

3.1 靈敏度與線性度測試

測試裝置與原理如圖5所示。將電渦流探頭固定在千分尺標定臺上，組成差動和單一檢測電路；用螺旋進給裝置給出機械位移信號，位移的數(shù)值用分辨率為0.01m，量程為1 000m的電感測微儀測量顯示；測量電路輸出用4位半數(shù)字電壓表測量。初始時，調(diào)節(jié)測微儀探頭，使測量電路輸出0mV時，測微儀讀數(shù)為50m。

圖5 靈敏度與線性度測試原理圖

表1給出了一組典型測量數(shù)據(jù)，輸出1為差動檢測電路輸出，輸出2為單一傳感器檢測電路輸出。

表1 位移與輸出電壓

用最小二乘法對此數(shù)據(jù)進行擬合處理，可得單一傳感器檢測電路的檢測靈敏度為：20mV/m，線性度約為0.5%；差動檢測電路的檢測靈敏度為：38mV/μm，線性度<0.3%。

可見，差動檢測電路的檢測靈敏度約為單一傳感器檢測電路2倍，而線性度也更優(yōu)。

3.2 穩(wěn)定性測試

在傳感器探頭與被測金屬板間隙不變的情況下，長時間通電觀察檢測電路的輸出電壓的變化量的大小，可以了解檢測電路的輸出穩(wěn)定性。

實驗在2h內(nèi)每隔30min記錄傳感器的輸出電壓，表2是穩(wěn)定性測試的一組典型測量數(shù)據(jù)，輸出1為差動檢測電路輸出，輸出2為單一傳感器檢測電路輸出。

表2 測量時間間隔與輸出電壓

由表2數(shù)據(jù)可知，差動檢測電路在各時間點的輸出與時間平均值的最大漂移為3.8mV，各時間點輸出的最大差值7mV，折算為位移測量的漂移誤差<0.18μm。在同樣條件下，單一傳感器檢測電路在各時間點的輸出與時間平均值的最大漂移為9.6mV，各時間點輸出的最大差值18mV，折算為位移測量的漂移誤差<0.9μm。

可見，差動檢測電路的位移測量的漂移誤差大大小于單一傳感器檢測電路的漂移誤差。

3.3 轉(zhuǎn)軸位置控制精度測試

以軸向磁懸浮軸承為實驗平臺，分別用差動檢測電路和單一傳感器檢測電路檢測懸浮軸位移，并送入功放與控制電路，對轉(zhuǎn)軸位置進行控制使其懸浮。長時間觀察軸實際懸浮位置與設(shè)定懸浮位置的變化情況，并在多次施加變化的負載干擾后，觀察軸實際懸浮位置與設(shè)定懸浮位置的變化情況，以對比、判定轉(zhuǎn)軸位置控制精度。

鑒于此項實驗的復(fù)雜性，本文此處直接給出測試結(jié)果。

在單一傳感器檢測電路情況下，懸浮位置與設(shè)定懸浮位置的最大誤差為1.63m；在交變負載干擾后，懸浮軸回復(fù)的位置與初始位置的最大誤差為1.69m。

在差動檢測電路情況下，懸浮位置與設(shè)定懸浮位置的最大誤差為0.83m；在交變負載干擾后，懸浮軸回復(fù)的位置與初始位置的最大誤差為0.28m。

可見，差動檢測電路的轉(zhuǎn)軸位置控制精度明顯優(yōu)于單一傳感器檢測電路。

4 結(jié)語

實驗證明，在同等條件下，本文設(shè)計的磁懸浮軸承位

移差動檢測電路無論是位移檢測靈敏度和穩(wěn)定性，還是轉(zhuǎn)軸位置控制精度都遠優(yōu)于單一傳感器檢測電路。雖然需要以增加一個傳感器和相應(yīng)的測量電路為代價，會增加一定成本，但對于所獲得的性能提升是完全值得的。

從實驗數(shù)據(jù)看，差動測量方法雖減小了位移測量的漂移誤差，但尚未達到很理想的效果。分析原因，主要是由于電路元件參數(shù)存在差異，調(diào)試時也未能使兩路傳感器與測量電路在性能上達到十分一致。因此，進一步改進的方向是在電路性能一致性方面。

參考文獻:

[1] 曾勵，陳飛，宋愛平. 動力磁懸浮軸承的研究現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù)[J]. 中國機械工程，2001，12(11)：1320-1322.

[2] 王柏雄,王雪,陳非凡. 工程測試技術(shù)[M]. 北京:清華大學出版社,2006.

[3] 孫云. 磁懸浮軸承控制系統(tǒng)研究[D]. 南京：南京理工大學, 2014.

[4] 李貴娥, 麻紅昭, 沈家旗,等. 電渦流檢測技術(shù)及影響因素分析[J]. 傳感技術(shù)學報, 2009, 22(11):1665-1669.

[5] 叢華, 安鋼, 張又明,等. 差動式電渦流位移傳感器[J]. 裝甲兵工程學院學報, 1997(2):28-31.