利用传感器构建磁悬浮轴承位移检测系统
摘要：位移信号传感器作为磁悬浮轴承系统的一个反馈回路，用来检测转子的位移信号，并将该信号传送给控制器，作为控制器进行控制和调节的参考信号， 位移传感器工作性能的好坏将决定着整个控制系统能否正常工作。本文将根据磁悬浮轴承系统的特点，利用几种已学传感器讨论并构建磁轴承位移检测系统。
0 引言
磁悬浮轴承是利用磁力作用将转子悬浮于空间、使转子与定子之间实现无摩擦支承的一种新型高性能轴承。磁悬浮轴承明显的特点在于没有机械接触，不需要传力介质，而且其支承力可控。由此而具有传统轴承无法比拟的优越性能：由于没有机械摩擦和磨损，所以降低了工作能耗和噪声，延长了使用寿命；动力损失小，便于应用在高速运转场合；由于不需要润滑和密封系统，排除了污染，可应用于真空超净，腐蚀性介质以及极端温度和压力等特殊工作环境。在航空航天，交通运输等多个工业领域有着广泛的应用前景。
位移传感器是磁悬浮轴承系统的重要组成部分，其类型、结构以及安装位置都直接影响检测信号的精度和磁悬浮轴承的性能。磁悬浮轴承对传感器的要求有：能实现非接触测量；能真实反映出转子中心的位移变化；具有很高的灵敏度、信噪比、线性度、温度稳定性、抗干扰能力及精确的重复性，同时还要有一定的频率响应范围。目前,磁悬浮轴承系统中所采用位置检测传感器主要有涡流传感器和电感传感器。
1 涡流传感器
1.1 涡流传感器工作原理
涡流传感器作为磁悬浮转子系统的位移检测部分，具有结构简单、适用性强，不受油污等介质的影响等优点。根据电磁感应原理，当导体处于交变磁场内，由于通过导体的磁通量发生变化，导体内部会产生响应的感生电流，这种电流在趋肤效应的基础上一般都集中在导体表面并自行闭合，通常称为电涡流。涡流传感器是基于导体的电涡流效应制成的。涡流位移传感器原理图如图1所示。图1中,C为并联谐振电容；L为传感器线圈；φ1为传感器线圈产生的交变磁场；φ2为导体内电涡流产生的交变磁场；d为线圈与被测导体之间的距离；h为导体内
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电涡流的深度；M为线圈与被测导体之间的互感。当线圈通上高频正弦交变电流时(例如1 MHz)，线圈端部周围的空间会产生交变磁场φ1，在探头头部附近没有测量体时，φ1发散出去。当被测导体靠近传感器时，由于电磁感应，导体内会感生出漩涡状流动的电涡流。被测导体表面的电涡流场产生一个方向与φ1相反的交变磁场φ2，φ2反作用于探头且总是抵抗φ1的存在，因而会使线圈L中电流的幅度和相位改变，即改变了线圈的等效电感L值或者等效阻抗Z值，使LC谐振电路失谐,影响输入端电信号的变化。另外，从传感器探头的品质因素Q值来看，由于存在着电涡流损耗和磁能损耗，故传感器的Q值也会变化，即被测导体的位移量变化也可以等价为探头Q值的变化。所以对位移的检测就转换为对传感器Q值、等效电感L值或者等效阻抗Z的变化的分析测量。
传感器线圈与被测导体间的互感效应可以用等效电路的形式进行分析。导体内部电涡流效应用一个线圈来等效，它和探头线圈互感形成一个回路，其等效电路如图2所示。图2中, R1为传感器线圈等效电阻；L1为传感器等效电感；I1为传感器线圈中的电流；R2为被测导体等效电阻；L2为被测导体内涡流效应等效电感；I2为被测导体内等效电流；U为高频正弦激励信号源；M为线圈与导体之间的互感。线圈与被测导体的等效电路中，线圈与金属导体之间可以定义一个互感系数M，互感系数随着间距的缩短而增大。R1和L1为线圈的电阻和电感。R2，L2为金属导体电阻及电感，U为激励电压。传感器的等效阻抗Z与被测间隙d有关，这就是电涡流阻抗测量法的依据。
图1 涡流传感器探头测量原理示意图 图2 传感器测量等效电路图
1.2 涡流传感器的工作环境
涡流传感器作为磁悬浮转子的位移检测组件，测量对象为转子与定子之间的间隙变化，如图3所示磁悬浮转子系统，它主要由机械系统、位移检测系统、控
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制器以及功率放大器几大部分组成。主动磁悬浮轴承定子是可控电磁铁，受功率放大器输出控制，以调整转子的吸力大小，转子为被控对象，系统运行时，处于悬浮状态的转子受到外界干扰偏离平衡，转子与涡流探头之间的间隙出现变化，传感器产生偏移信号，反馈到控制部分与输入的参考信号比较后调节控制信号，功率放大器根据控制信号调节电磁铁的电流，改变磁力，使转子恢复平衡。
涡流传感器在转子表面产生的感应磁场很弱，且安装于磁力轴承附近，磁力轴承的工作磁场势必对其产生干扰，导致转子空间位置的测量产生偏差，由磁悬浮转子系统的工作原理可知:当转子开始工作时,由传感器检测转子的空间位置，再根据位置变化产生控制电流。在传感器探头位置，存在剩磁和由磁浮轴承工作电流形成的气隙磁场，变化磁场(暂时成为Δφ)都受到工作电流的变化ΔI影响，Δφ同时影响探头的电流与电涡流的大小，使得等效电路中的Z和L2包含了外界磁场变化的干扰ΔZ、ΔL，使最后经过传感器产生的位置信号与实际位置信号产生了偏差，导致控制电流产生相应偏差。控制电流的产生是由位置偏差而带来的，转子空间位置的测量偏差会影响磁悬浮转子控制精度。
图3 磁悬浮转子位移检测系统
1.3 涡流传感器在磁悬浮人工心脏血泵电机中的应用
在一台磁悬浮人工心脏血泵电机系统中，我们采用如图4所示的电机转子位置测试系统。该磁悬浮系统的电机是由两套绕组组成，一套是工作绕组(未在图中画出)，驱动电机转子旋转，带动叶轮，从而驱动血液流动；另一套绕组称为悬浮绕组，由悬浮绕组功率驱动级供电，是用来给转子施加电磁力，矫正电机转子的位置。电机在运行中，正常情况下，转子应稳定地悬浮于定子中，此时，传感器的输出为目标输出；当受到某种干扰时，电机转子将偏离惯性旋转轴，转子和传感器间的距离发生改变,涡流传感器将转子偏移信号传送到DSP，DSP经过
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运算，发出悬浮绕组电流调节信号，调节作用于转轴上的电磁力，从而使转子回到平衡位置。
图5为该磁悬浮电机系统的三种典型转子位置的放大示意图。定、转子之间的间隙在实际应用中是很小的。在一个平面内，互相垂直的方向上安放两个传感器即可以唯一确定转子的位置。在本系统中转子和叶轮作为整体，而泵体沿转轴方向很短，两个互相垂直安放的传感器其输出完全可以反映转子的位移信息。图5a中的位置为转子理想稳定悬浮区。图6为该稳定悬浮时传感器的检测输出。从图可以看出，传感器的输出稳定且明显，说明转子是稳定悬浮的。图6转子在图5a中位置时的传感器输出图5b中位置为转子在仅β方向上的位置变化。由图7传感器的输出看出，仅β方向上的输出是增长稳定，此时传感器工作在线性区。说明传感器能准确检测到转子悬浮位置。图5c中所对应的转子位置的输出，是转子位置又一典型情况，如图8所示。由图8可以看出，转子的位移在α，β方向上都有偏离时，传感器同时检测到转子的位置，传感器的输出明显。
因此，涡流传感器对转子在定子中的位置都能给出准确的检测信号。涡流传感器能为磁悬浮电机系统的稳定运行提供准确的转子位置信号。
图4 磁悬浮人工心脏血泵电机系统框图
图5 悬浮转子的三种典型位置
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