磁懸浮軸承是一種典型的機電一體化產(chǎn)品。由于磁軸承具有無磨損、壽命長、無需潤滑和支承特性可控等優(yōu)點，使得磁軸承在航空航天、真空潔凈、飛輪儲能系統(tǒng)、人工心臟泵、交通運輸?shù)阮I域呈現(xiàn)了良好的應用前景。

  由于具有位移負剛度特性，磁軸承必須通過閉環(huán)控制才能實現(xiàn)懸浮運行。作為閉環(huán)控制的關鍵環(huán)節(jié)，轉(zhuǎn)子軸徑向位移的檢測具有十分重要的作用，位移檢測的精度及穩(wěn)定性在很大程度上會影響整個磁軸承系統(tǒng)性能。

  傳統(tǒng)的磁軸承系統(tǒng)通過位移傳感器來實現(xiàn)轉(zhuǎn)子位置檢測。常用的位移傳感器主要有電渦流式、電感式、電容式、光電式等類型。然而，電容式和光電式雖然測量精度高，但無法適應磁軸承在大多數(shù)工業(yè)應用中的實際工作環(huán)境，除了實驗室環(huán)境條件外很少應用。

  電渦流傳感器精度高，對工作環(huán)境要求低，其研究和應用較多。于亞婷等通過有限元法研究和分析了圓柱線圈內(nèi)徑、外徑、厚度等級對電渦流傳感器線性范圍和靈敏度的影響；北航龐喜浪等設計了一種數(shù)字化的電渦流傳感器，但是其工作頻段在MHz級，處理電路復雜，成本較高，高頻渦流效應對材料比較敏感。

  電感式位移傳感器適裝性較好，價格相對較低，但精度和帶寬較電渦流傳感器略低，這方面的研究主要是通過有限元設計傳感器結構、優(yōu)化工作頻率及提升系統(tǒng)帶寬等，如李巍等設計了一種分裝式差動變壓器式電感傳感器，該傳感器一個自由度由分離裝配的兩部分組成，信號自動構成差動輸出。與電渦流傳感器類似，由于位移測點與力作用點錯位，該傳感器也無法測得磁軸承作用面處的位移。

  總的來說，實際應用較多的電渦流和電感位移傳感器仍存在以下缺點：①需要單獨的安裝空間，造成系統(tǒng)結構復雜，成本增加；②傳統(tǒng)磁軸承位移傳感器一般安裝在軸承磁極的側面，傳感器與軸承本體錯位，使得傳感器到軸承本體的柔性轉(zhuǎn)子模態(tài)可能相位相反，進而造成系統(tǒng)不穩(wěn)定。

  為解決上述問題，近些年磁軸承系統(tǒng)的自傳感技術（或稱無位移傳感器技術）得到了較為廣泛的研究。相較于傳統(tǒng)磁軸承，采用自傳感的磁軸承存在諸多優(yōu)勢。自傳感技術簡化了位移傳感器檢測中的輔助電路，從而大大降低系統(tǒng)構建的成本和復雜度。同時自傳感磁軸承的位移檢測與執(zhí)行器在結構上一體化，軸承本體與位置檢測同位，避免了磁軸承因為柔性轉(zhuǎn)子模態(tài)變化帶來的系統(tǒng)不穩(wěn)定。

  對于自傳感技術，主要有兩種研究方法：參數(shù)估計法和狀態(tài)觀測法。參數(shù)估計法基本原理是檢測磁軸承中控制線圈自感的變化以得到轉(zhuǎn)子位移，其中又主要包括高頻小信號注入法和脈寬調(diào)制（Pulse Width Modulation, PWM）非線性參數(shù)估計方法。高頻小信號注入法在電機的無傳感控制領域研究較多，但對于磁軸承控制系統(tǒng)，國內(nèi)外對此研究較少。

　　任雙艷等分析了小信號注入法的檢測原理，并對單自由度的磁軸承系統(tǒng)進行了仿真研究，且基于線性功率放大器實現(xiàn)，只能用于小功率場合，局限性較大。對于PWM非線性參數(shù)估計方法，由于磁軸承高頻開關信號可以代替外部信號作為載波信號對位移信號進行調(diào)制，可通過檢測控制電流中PWM紋波信號估計線圈電感值的大小。

　　浙江大學唐明對傳統(tǒng)的非線性參數(shù)估計模型進行優(yōu)化，實現(xiàn)磁軸承在0~3000r/min內(nèi)自傳感穩(wěn)定運行。浙江大學于潔等分析了渦流對電流紋波的影響，提出一種轉(zhuǎn)子位移估計策略，可提高位移估算精度。由于此法非常依賴電流紋波幅值的大小，因此對于采用三電平PWM開關功率放大器的磁軸承來說，實用性較差。

　　自傳感中的狀態(tài)觀測法是根據(jù)電壓控制型磁軸承系統(tǒng)建立狀態(tài)空間模型，由兩個差動電壓及檢測到的電流計算得出轉(zhuǎn)子位移，但狀態(tài)觀測器對磁軸承的參數(shù)變化十分敏感，魯棒性較差，不利于工業(yè)應用。綜上所述，目前磁軸承自傳感的研究均與實際應用有較大距離。

　　針對以上問題，海軍工程大學的研究人員設計了一種基于探測線圈檢測的新型復合位移傳感方法，其基本思路是：將探測線圈繞制在磁軸承鐵芯上，并通以高頻激勵電壓，通過提取探測線圈中與高頻激勵相關的信息，解算位移的大小。

　　由于該檢測結構與磁軸承控制執(zhí)行器相集成，且不依賴PWM電流紋波的大小，魯棒性較好，因此可有效解決傳統(tǒng)傳感器位移檢測中軸向不重合力問題和自傳感實用性差等問題。

　　磁軸承位移復合傳感耦合模型如圖1所示，以八極磁軸承結構為例，探測線圈繞制于磁極齒部，并通入高頻激勵，與控制繞組在磁路上相耦合。位移檢測基本原理為：當轉(zhuǎn)子移動時氣隙發(fā)生變化，磁路磁阻亦發(fā)生變化，進而導致線圈電感值發(fā)生改變，則通入高頻信號的線圈電信號也會發(fā)生變化。因此通過測量與高頻激勵相關的信號變化即可計算出位移大小。

　　仿真及實驗結果顯示其靈敏度為1.2mV/mm，分辨率約為7mm，表明所提方法能有效實現(xiàn)位移測量，并且充分利用了磁軸承本體磁路，增加了磁軸承緊湊型，又克服了自傳感位移檢測方法魯棒性差等問題，為實現(xiàn)緊湊可靠的磁軸承位移測量奠定了基礎。