竺志大,唐 率,曾 勵,寇海江,戴 敏,楊 堅,張 帆

(揚州大學機械工程學院,江蘇 揚州 225127)

氣磁懸浮電機是一種新型電機,以氣磁軸承代替?zhèn)鹘y(tǒng)軸承,實現轉子系統(tǒng)在懸浮過程中的旋轉運動,具有速度快、可調性好等優(yōu)點,可廣泛應用于航空航天、汽車工業(yè)等領域．電機位姿檢測是電機研究的熱點[1-2],一般分為接觸型和非接觸型兩類,接觸式檢測的典型結構由滑軌支架和旋轉編碼器組成,檢測原理簡單,檢測精度較高,但會產生摩擦阻力并限制偏轉范圍;非接觸檢測的典型方法是利用光學類傳感器采集轉子表面特征,分析轉子位姿信息,但其算法復雜,檢測精度較低[3-4]．因此,研究電機的精準偏轉位置已成為亟待解決的問題[5-7]．劉文韜[8]和朱忠捷[9]采用一種新型光電檢測裝置對球形電機進行了位姿檢測,檢測結果滿足位姿檢測精度要求,誤差控制在0.9%左右．本文擬分析氣磁懸浮電機結構和硅光電池檢測裝置的工作原理,驗證檢測方式的可行性,改進電機位姿光電檢測方法,以期為氣磁懸浮電機研究奠定基礎．

1 氣磁懸浮電機結構與工作原理

圖1為氣磁懸浮電機結構示意圖．氣磁懸浮電機主要包括徑向氣磁軸承、軸向氣磁軸承、電機及光電檢測裝置等．氣磁軸承將電磁軸承與氣體軸承相結合,以氣體軸承為主要承載,電磁軸承為輔助調節(jié),充分發(fā)揮兩種軸承的優(yōu)勢．圖2為氣磁軸承工作原理．軸向氣磁軸承與徑向氣磁軸承工作原理相同,氣體軸承部分由外界壓縮氣體通過調壓閥、過濾器等進入軸承氣體腔室,由于多孔質材料(考慮導磁性,采用鐵氧體燒結材料)本身相當于無數個小節(jié)流器,氣體經過節(jié)流器產生一定的壓力降進入軸承與轉子之間,然后向外流動到軸承邊界降為大氣壓,軸承與轉子之間形成一層具有承載能力的氣膜,將轉子懸浮支承;電磁軸承由電磁線圈產生的電磁力控制,電磁力大小由傳感器實時位置檢測反饋,通過差動控制調節(jié)電流大小,以此實現反饋調節(jié)控制．

圖1 電機結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of the motor structure

圖2 氣磁軸承工作原理Fig.2 Working principle diagram of gas magnetic bearing

2 檢測原理

2.1 硅光電池

硅光電池具有光生伏特效應,光照下會產生電動勢,當外接電流時,會有短路電流經過,短路電流Iis=k·Φ=k·E·S,其中k為比例系數,與硅光電池靈敏性有關;Φ為電池光通量;E為光照度;S為受光面積．假設硅光電池初始受光面積飽和,當轉子發(fā)生偏轉位移時,會導致光斑面積減小,E隨距離變化而產生的變化可忽略不計,若面積與偏轉位移量l為唯一確定關系,則可推出位移量．

2.2 檢測裝置

光電檢測裝置分為軸向檢測裝置和徑向檢測裝置,如圖3所示．檢測裝置包括環(huán)形光帶和硅光電池陣列．環(huán)形光源由均布發(fā)光二極管和環(huán)形透鏡組成,可模擬平行光,安裝在轉子結構上;硅光電池陣列由多個硅光電池串聯(lián)而成,布置在定子中,轉子帶動環(huán)形光源發(fā)生偏轉,導致不同區(qū)域硅光電池陣列光斑面積發(fā)生變化．軸向與徑向光電檢測裝置的工作原理一致．軸向檢測裝置硅光電池陣列軸向分區(qū),與環(huán)形光源軸向長度一致,通過計算光斑面積,判斷轉子在z軸方向的偏移量;徑向檢測裝置硅光電池陣列徑向分區(qū),與環(huán)形光源內外徑之差一致,計算各區(qū)光斑面積,確定轉子在x軸和y軸方向的偏移量．圖3(c)為徑向硅光電池陣列圖．假設硅光電池是單位為1的正方形,在內、外徑分別為r和R的圓環(huán)上布置N個相同的硅光電池,光斑面積SG與圓環(huán)面積SH的誤差ε=1-SG/SH=1-N[R2-(R2-1)2]-1π-1=1-N(2R-1)-1π-1,其中N/(2R-1)≤3,誤差小于0.2%．

圖3 光電檢測裝置Fig.3 Photoelectric detection device

2.3 位姿檢測算法

研究氣磁懸浮電機轉子系統(tǒng)的徑向偏轉位移,首先對環(huán)形硅光電池進行分區(qū),根據各區(qū)光斑面積排序,確定轉子系統(tǒng)的偏移區(qū)域;然后計算各區(qū)面積,確定控制不同區(qū)域的電流大小,以此進行反饋控制．

2.3.1 偏移方向判斷

由轉子偏移控制器中的位置傳感器提供轉子位置信息[10-12],同時引入區(qū)域系數K,便于實現電流控制．硅光電池區(qū)域分布情況如圖4所示．定子固定的硅光環(huán)分為四個區(qū)域,每個區(qū)域及坐標軸四個方向各對應一個區(qū)域系數,用于反饋氣磁軸承的電流參數．

圖4 硅光電池區(qū)域分布圖Fig.4 Regional distribution of silicon photovoltaic cells

當轉子系統(tǒng)未發(fā)生偏轉時,硅光電池環(huán)處于飽和狀態(tài),各硅光電池陣列均為滿載,輸出最大電流,隨后進行控制器處理,使磁懸浮軸承各極電流處于零偏置電流I0;當轉子發(fā)生偏轉位移時,各硅光電池陣列光斑面積勢必減少,而不同偏轉位移及方向會導致不同區(qū)域的光斑面積變化不同,因此可通過比較光斑面積大小判定轉子系統(tǒng)的位移方向．

光照強度不變,當轉子系統(tǒng)向區(qū)域4發(fā)生偏轉e時,區(qū)域4的通光量始終大于區(qū)域2,各區(qū)光斑面積如圖5所示,其中S1～S4為環(huán)形光斑面積．由圖5可知,S1和S3明顯大于S4和S2,結合公式S=Φ/E,知S4在偏移過程中始終大于S2,由此可確定偏轉方向．

圖5 光斑面積示意圖Fig.5 Schematic diagram of the spot area

表1為轉子偏轉的8種情況．當轉子沿x,y軸方向發(fā)生偏轉時,以偏移方向為對稱軸,兩區(qū)面積相等,比較沿軸偏移方向兩區(qū)面積即可確定偏轉方向;當轉子向某一象限發(fā)生偏轉時,必然有兩個區(qū)域光斑面積較大,通過電流大小比較剩下兩個區(qū)域光斑面積即可確定偏轉方向,具體操作流程如圖6所示．

表1 偏轉區(qū)域表Tab.1 Deflection area table

2.3.2 位移計算

3 位姿檢測試驗

3.1 試驗平臺搭建

為了驗證光電檢測技術的可行性,以額定轉速為3 000 r·min-1的Y80M1-2電機進行試驗(根據國際標準,振幅不超過50 μm)．將環(huán)形硅光電池固定在轉子輸出軸并嵌入凹槽,采用環(huán)形透鏡實現光射平行,將發(fā)光二極管固定在外設架上,確保整個試驗裝置處于黑暗狀態(tài),位姿檢測試驗平臺如圖7所示．

圖7 位姿檢測試驗平臺Fig.7 Pose detection test platform

試驗選用BPW硅光電池,光源為光譜較長的白光LED．基于DSP(digital signal processor)技術設計檢測裝置硬件模塊,利用TM320F28335數字信號處理器,對信號進行調理、去噪、模數轉換等一系列處理,將處理后的數字信號輸入DSP,運用MATLAB編譯位姿計算程序,對數字信號運算后進行數模轉換并反饋,以此控制氣磁軸承,試驗將采集的模型信號作為輸出．試驗主要參數:光譜響應度為430～1 100 nm,響應度為0.32 A·W-1,響應時間為100 ns,暗電流為30 nA,電容為25 pF,工作溫度為-40～100 ℃．

3.2 試驗結果分析

考慮到轉子自身重力的影響,試驗采集轉子沿負y軸方向和區(qū)域4的偏轉量,結果如圖8所示．由圖8可知,轉子沿y軸負方向的偏轉幅值較小,在區(qū)域4的偏轉呈上下波動,振幅均在-50～50 μm之間,符合國際標準．因此,本文提出的基于光學測量技術的氣磁懸浮電機位姿檢測方法能夠準確檢測電子轉子系統(tǒng)偏轉量,對氣磁電機中的偏轉信號檢測具有一定的參考價值,為后續(xù)的理論和實踐奠定了基礎．

圖8 轉子偏轉幅值Fig.8 Rotor deflection amplitude