時(shí)柵激勵(lì)信號(hào)載波注入異步電機(jī)方案的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

(重慶理工大學(xué)機(jī)械檢測(cè)技術(shù)與裝備教育部工程研究中心、時(shí)柵傳感器及先進(jìn)檢測(cè)技術(shù)重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室1，重慶 400054；重慶大學(xué)機(jī)械傳動(dòng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2，重慶 400044)

0 引言

準(zhǔn)確、可靠的轉(zhuǎn)子位置和速度檢測(cè)是實(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)高性能控制的必要條件。為獲取轉(zhuǎn)子位置和速度信息，通常在電機(jī)轉(zhuǎn)軸上安裝光電碼盤、旋轉(zhuǎn)變壓器等軸角傳感器。然而旋轉(zhuǎn)變壓器體積較大，而光電碼盤不能耐受較大的強(qiáng)度振動(dòng)，工作環(huán)境受到一定限制[1]。時(shí)柵是一種利用“時(shí)間測(cè)量空間”的原理測(cè)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(shí)柵使用高頻時(shí)鐘脈沖，分辨力大大提高，且機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單，更能適應(yīng)各種惡劣環(huán)境(如高低溫、油、水汽、振動(dòng)、沖擊等)。磁場既是時(shí)間的函數(shù)，同時(shí)隨著繞圈匝數(shù)的不同、繞向的變化，又構(gòu)成空間的函數(shù)。正是磁場的這種兩面性，使它成為機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的主要媒介以及與時(shí)柵“時(shí)空轉(zhuǎn)換”的重要媒介[2-4]。

時(shí)柵中旋轉(zhuǎn)磁場的同步轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)高于電機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場的同步轉(zhuǎn)速，而其強(qiáng)度卻遠(yuǎn)小于電機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場的強(qiáng)度。由于時(shí)柵與電機(jī)在結(jié)構(gòu)和繞組上十分相近，兩者共同的特點(diǎn)是借助旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子作用來實(shí)現(xiàn)自身功能。所以，將時(shí)柵傳感器植入到電機(jī)中，可以形成一種全新的“寄生時(shí)柵式電機(jī)”，在不影響電機(jī)正常驅(qū)動(dòng)的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)位置和速度的檢測(cè)。這樣有利于解決目前各種用于電機(jī)位置和速度檢測(cè)方法存在的精度低、抗干擾能力差或適用性不強(qiáng)的缺點(diǎn)。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)位置和速度的有效檢測(cè)，首先要解決的是怎樣將時(shí)柵激勵(lì)信號(hào)加載到電機(jī)中去。本文將以異步電機(jī)為研究對(duì)象，著重分析時(shí)柵激勵(lì)信號(hào)加載方法的實(shí)現(xiàn)。

1 信號(hào)加載問題

信號(hào)加載是通過載波方式將時(shí)柵的高頻弱電激勵(lì)信號(hào)注入到電機(jī)的強(qiáng)電工作繞組中，以產(chǎn)生實(shí)現(xiàn)時(shí)柵“時(shí)空轉(zhuǎn)換”的旋轉(zhuǎn)磁場。采用低壓電力載波的互感器耦合法實(shí)現(xiàn)加載激勵(lì)信號(hào)時(shí)，互感器的繞組匝數(shù)和加載效果是矛盾的。即當(dāng)增加繞組匝數(shù)時(shí)加載效果較好，但由于電機(jī)驅(qū)動(dòng)電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于激勵(lì)信號(hào)電流，其對(duì)加載電路的反向沖擊大，致使外圍保護(hù)電路復(fù)雜；而減小繞組匝數(shù)又會(huì)導(dǎo)致電機(jī)中信號(hào)電流勵(lì)磁能力變?nèi)?。?dāng)通過對(duì)普通三相三繞組降壓變壓器的逆應(yīng)用加載時(shí)柵激勵(lì)信號(hào)時(shí)，由于普通變壓器是完全磁耦合的，一方面電機(jī)驅(qū)動(dòng)電流產(chǎn)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(duì)加載電路產(chǎn)生強(qiáng)的反向沖擊。以上兩種方法可基本實(shí)現(xiàn)信號(hào)的加載，但模型本身的缺陷使得加載的效果差，實(shí)現(xiàn)難度高。

如果把一臺(tái)兩繞組普通變壓器的一次和二次繞組串聯(lián)起來，把一次繞組作為串聯(lián)繞組W1，二次繞組作為公共繞組W2，串聯(lián)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(gòu)成了一臺(tái)降壓自耦變壓器。自耦變壓器本身不僅有“電磁感應(yīng)”耦合，而且還有“電”的直接聯(lián)系的特點(diǎn)[5]。通過引入第三繞組W3，可利用“電磁感應(yīng)”耦合的特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)時(shí)柵激勵(lì)信號(hào)電流(頻率為ω1)在電機(jī)驅(qū)動(dòng)電流(頻率為ω2)上的加載；利用“電”直接傳導(dǎo)，可為電機(jī)的大驅(qū)動(dòng)電流提供直接通路，從而實(shí)現(xiàn)時(shí)柵激勵(lì)信號(hào)在異步電機(jī)中的加載。

2 自耦變壓器加載法

2.1 系統(tǒng)模型原理

圖1 信號(hào)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(gè)繞組的磁動(dòng)勢(shì)共同激勵(lì)所產(chǎn)生。在保持各繞組歸算前后的磁動(dòng)勢(shì)、功率和損耗不變的條件下，可將串聯(lián)繞組W1與第三繞組W3的各個(gè)物理量歸算到公共繞組W2上[5-6]。根據(jù)歸算前后磁動(dòng)勢(shì)不變的原則，可得：

(1)

則歸算后的磁動(dòng)勢(shì)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(hào)加載問題時(shí)，為方便分析模型，給出了一個(gè)既能正確反映變壓器內(nèi)部電磁關(guān)系,又便于工程計(jì)算的T型等效電路，代替實(shí)際中的變壓器[5]。根據(jù)磁動(dòng)勢(shì)平衡方程式、電動(dòng)勢(shì)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(gè)工程電磁領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用[7]。利用Maxwell Circuit Editor建立外部工作電路，將電機(jī)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)設(shè)定為110 V/50 Hz，時(shí)柵的激勵(lì)信號(hào)設(shè)定為10 V/1.5 kHz，各相間相位差120°。串聯(lián)繞組與公共繞組構(gòu)成的主繞組為星型聯(lián)結(jié)，公共繞組兩端接有異步電機(jī)繞組等效阻抗，同時(shí)三相第三繞組的順次連接構(gòu)成三角形聯(lián)結(jié)方式。

圖和加載波形仿真圖

由于各繞組內(nèi)電阻的分壓，根據(jù)電路的基爾霍夫第二定律,有：

(6)

(7)

(8)

4 試驗(yàn)與結(jié)論

測(cè)試結(jié)果表明，采用本方法時(shí)柵激勵(lì)信號(hào)能很好地注入到電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)中，通過信號(hào)的分離，可以在電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)時(shí)柵傳感器測(cè)量電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信息的功能。相比于使用同等級(jí)三相普通變壓器和互感器的加載方法，該方法既減小了對(duì)TDA7297功放與濾波模塊的沖擊，又保證了信號(hào)質(zhì)量。三相自耦變壓器的“電”直接連接特點(diǎn)使用鐵量相對(duì)減少，同時(shí)自耦接入的第四繞組和三相整流橋SQL1010可為數(shù)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(duì)于電力載波通信有很好的借鑒作用。

5 結(jié)束語

利用三相自耦變壓器不僅有“電磁感應(yīng)”耦合而且有“電”的直接連接的特點(diǎn)，解決了時(shí)柵激勵(lì)信號(hào)在異步電機(jī)中的加載問題，使異步電機(jī)的氣隙中形成了能夠?qū)崿F(xiàn)時(shí)柵“時(shí)空轉(zhuǎn)換”的旋轉(zhuǎn)磁場，并為后序的轉(zhuǎn)子上的動(dòng)測(cè)頭信號(hào)的提取提供了條件。利用三相自耦變壓器、模型異步電機(jī)和數(shù)顯箱等設(shè)備搭建的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，將時(shí)柵植入異步電機(jī)的進(jìn)一步試驗(yàn)和改進(jìn)工作正在進(jìn)行中。

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