阅读说明：本技术 主动径向磁轴承用位移传感器容错控制系统及控制方法 (Displacement sensor fault-tolerant control system and method for active radial magnetic bearing ) 是由 刘程子 王加伟 杨艳 刘泽远 于 2020-05-07 设计创作，主要内容包括：本发明揭示了一种主动径向磁轴承用位移传感器容错控制系统及控制方法,与主动径向磁悬浮轴承相适配,系统包括位移反馈部分、故障诊断电路、容错控制模块以及反馈执行部分；位移反馈部分以非对称的形式固定设置于主动径向磁悬浮轴承转子外围,位移反馈部分的输出分别与故障诊断电路及容错控制模块二者的输入电性连接,故障诊断电路的输出与容错控制模块的输入电性连接,容错控制模块的输出与反馈执行部分的输入电性连接,反馈执行部分的输出与主动径向磁悬浮轴承中的电磁线圈电性连接。本发明大幅减少了位移传感器的数量,增加了可进行容错控制的故障种类,保证了位移反馈部分能够在故障前后具有相同的灵敏度和测量精度。(The invention discloses a displacement sensor fault-tolerant control system and a control method for an active radial magnetic bearing, which are matched with an active radial magnetic suspension bearing, wherein the system comprises a displacement feedback part, a fault diagnosis circuit, a fault-tolerant control module and a feedback execution part; the displacement feedback part is fixedly arranged on the periphery of the rotor of the active radial magnetic suspension bearing in an asymmetrical mode, the output of the displacement feedback part is respectively and electrically connected with the input of the fault diagnosis circuit and the input of the fault-tolerant control module, the output of the fault diagnosis circuit is electrically connected with the input of the fault-tolerant control module, the output of the fault-tolerant control module is electrically connected with the input of the feedback execution part, and the output of the feedback execution part is electrically connected with an electromagnetic coil in the active radial magnetic suspension bearing. The invention greatly reduces the number of displacement sensors, increases the fault types capable of carrying out fault-tolerant control, and ensures that the displacement feedback part has the same sensitivity and measurement precision before and after the fault.)

主动径向磁轴承用位移传感器容错控制系统及控制方法

技术领域

本发明为一种控制系统及其相对应的控制方法，具体涉及一种针对主动径向磁悬浮轴承的轴承内位移传感器容错控制系统及基于该系统的位移传感器容错控制方法，属于磁悬浮轴承技术领域。

背景技术

磁悬浮轴承(Magnetic Bearing) 是一种利用磁力作用将转子悬浮于空中、使转子与定子互不接触的新型轴承。其基本的工作原理是通过位移传感检测转子的位移，将位移信息传输到控制器，控制器进行计算并输出控制信号，通过功率放大器对控制信号进行放大成电磁线圈的控制电流，从而产生相应的电磁力保证转子的稳定悬浮。与传统轴承相比，磁悬浮轴承能够在没有物理接触的情况下实现转子的悬浮转动，而且还能够有效抑制转子的振动。近年来，磁悬浮轴承凭借其自身特点，被广泛应用在高速机床、航空航天和医疗器械等运行环境特殊的场景中。

尽管磁悬浮轴承在应用层面的优点众多，但阻碍其被广泛应用的一个显著障碍是这类轴承极易发生故障。一旦磁悬浮轴承系统中的位移传感器出现故障，会使得整个磁悬浮轴承系统失去位移反馈。具体而言，当位移传感器发生故障时，会导致转子在零转速时无法正常悬浮或者在高转速时失控，严重时还可能会导致安全事故的出现。因此，也有部分业内人士开始构思、设计出一些具有位移传感器容错控制能力的磁悬浮轴承系统。

出于减小设备体积、降低制造成本的考虑，同时也为了克服位移传感器容易发生故障的缺陷，目前，一种基于电磁线圈电流特性的位移自传感技术被应用于磁悬浮轴承系统的反馈控制中。位移自传感技术可以通过电磁线圈注入高频信号，提取线圈两端与转子位置有关的电压信号、实现位置自传感，也可以通过分析线圈中电流纹波特性获得脉宽不变的位移估计信号。但是通过实际应用，技术人员发现，位移自传感技术需要用到较多的滤波器电路，这会引起额外的相移、影响系统的稳定性。另外这种位移自传感技术的测量精度低、鲁棒性差，易受参数变化影响，在高频时位移估计误差较大，难以实现稳定反馈，因此这一技术很难从根本上提升磁悬浮轴承系统的可靠性。

综上所述，如何寻找、设计出一种全新的、针对主动径向磁悬浮轴承的位移传感器容错控制系统及基于该系统的位移传感器容错控制方法，克服上述现有技术所存在的诸多缺陷，也就成为了本领域内技术人员所期望解决的一项技术问题。

发明内容

鉴于现有技术存在上述缺陷，本发明的目的是提出一种针对主动径向磁悬浮轴承的轴承内位移传感器容错控制系统及基于该系统的位移传感器容错控制方法，具体如下。

一种主动径向磁轴承用位移传感器容错控制系统，与主动径向磁悬浮轴承相适配，包括位移反馈部分、故障诊断电路、容错控制模块以及反馈执行部分；

所述位移反馈部分以非对称的形式固定设置于所述主动径向磁悬浮轴承转子外围，所述位移反馈部分的信号输出分别与所述故障诊断电路及所述容错控制模块二者的信号输入电性连接，所述故障诊断电路的信号输出与所述容错控制模块的信号输入电性连接，所述容错控制模块的信号输出与所述反馈执行部分的信号输入电性连接，所述反馈执行部分的信号输出与所述主动径向磁悬浮轴承中的电磁线圈电性连接。

优选地，所述位移反馈部分包括主位移传感组件及冗余位移传感组件；

所述主位移传感组件包括第一位移传感器及第二位移传感器，以所述主动径向磁悬浮轴承中转子的中心点为原点、在垂直于所述主动径向磁悬浮轴承中转子的中轴线的平面上建立平面直角坐标系，所述第一位移传感器固定设置于X轴的正方向上，所述第二位移传感器固定设置于Y轴的正方向上；

所述冗余位移传感组件包括第一冗余位移传感器及第二冗余位移传感器，所述第一冗余位移传感器固定设置于X轴与Y轴之间且所述第一冗余位移传感器的中心轴线穿过所建立的平面直角坐标系的原点，所述第一冗余位移传感器的中心轴线与X轴间的夹角为，0°<<90°，所述第二冗余位移传感器固定设置于X轴的负方向或Y轴的负方向上。

优选地，所述第一冗余位移传感器的中心轴线与X轴间的夹角为45°，所述第二冗余位移传感器固定设置于X轴的负方向上。

优选地，所述第一位移传感器、所述第二位移传感器、所述第一冗余位移传感器及所述第二冗余位移传感器四者均为电涡流位移传感器。

优选地，所述第一位移传感器、所述第二位移传感器、所述第一冗余位移传感器及所述第二冗余位移传感器四者的信号输出分别与所述故障诊断电路及所述容错控制模块二者的信号输入电性连接。

优选地，所述容错控制模块内设置有坐标矩阵记录及选取单元，所述第一位移传感器、所述第二位移传感器、所述第一冗余位移传感器及所述第二冗余位移传感器四者的信号输出与所述坐标矩阵记录及选取单元的信号输入电性连接，所述坐标矩阵记录及选取单元的信号输入还电性连接有所述故障诊断电路的信号输出，所述坐标矩阵记录及选取单元的信号输出与所述反馈执行部分的信号输入电性连接。

优选地，所述反馈执行部分包括PID控制器及功率放大器，所述PID控制器的信号输入与所述容错控制模块的信号输出电性连接，所述PID控制器的信号输出与所述功率放大器的信号输入电性连接，所述功率放大器的信号输出与所述主动径向磁悬浮轴承中的电磁线圈的输入电性连接。

一种主动径向磁轴承用位移传感器容错控制方法，基于如上所述的主动径向磁轴承用位移传感器容错控制系统，包括如下步骤：

S1、依据位移反馈部分的运行情况，对位移传感器的工作状态进行分类；

S2、依据S1中的分类结果，将各工作状态下主动径向磁悬浮轴承中转子在X、Y方向上的位移量与位移反馈部分输出值之间的矩阵形式表达式统一表示为

，

其中，为2×4阶的坐标变换矩阵，表示主动径向磁悬浮轴承中转子在X方向上的位移量，表示主动径向磁悬浮轴承中转子在Y方向上的位移量，表示第一位移传感器的位移检测结果，表示第二位移传感器的位移检测结果，表示第一冗余位移传感器的位移检测结果，表示第二冗余位移传感器的位移检测结果，容错控制模块对式中的坐标变换矩阵进行记录及选取；

S3、启动系统，所述位移反馈部分进行信号采集及输出，当所述位移反馈部分内出现故障时，故障诊断电路输出故障信号，所述容错控制模块依据位移传感器的故障信号确定位移传感器的工作状态，选取配置相应的坐标变换矩阵进行输出；

S4、反馈执行部分接收到所述容错控制模块的输出信号后，对信号进行PID控制调节并输出控制信号，控制信号由功率放大器功率放大，最终输出至主动径向磁悬浮轴承中的电磁线圈。

优选地，在S1中，将位移传感器的工作状态分为如下五类：

状态一，第一位移传感器及第二位移传感器正常运作，此时主动径向磁悬浮轴承中转子在X、Y方向上的位移量与所述第一位移传感器、所述第二位移传感器的位移检测结果之间的关系为

，

矩阵形式表达式为

；

状态二，第一位移传感器发生故障、启用第二冗余位移传感器，第二位移传感器正常运作，此时主动径向磁悬浮轴承中转子在X、Y方向上的位移量与所述第二位移传感器、所述第二冗余位移传感器的位移检测结果之间的关系为

，

矩阵形式表达式为

；

状态三，第一位移传感器、第二冗余位移传感器同时发生故障，第二位移传感器、第一冗余位移传感器正常运作，此时主动径向磁悬浮轴承中转子在X、Y方向上的位移量与所述第二位移传感器、所述第一冗余位移传感器的位移检测结果之间的关系为

，

矩阵形式表达式为

；

状态四，第二位移传感器发生故障、启用第一冗余位移传感器，第一位移传感器正常运作，此时主动径向磁悬浮轴承中转子在X、Y方向上的位移量与所述第一位移传感器、所述第一冗余位移传感器的位移检测结果之间的关系为

，

矩阵形式表达式为

；

状态五，第一位移传感器、第二位移传感器同时发生故障，第一冗余位移传感器、第二冗余位移传感器正常运作，此时主动径向磁悬浮轴承中转子在X、Y方向上的位移量与所述第一冗余位移传感器、所述第二冗余位移传感器的位移检测结果之间的关系为

，

矩阵形式表达式为

。

优选地，在S3中，所述容错控制模块依据位移传感器的故障信号确定位移传感器的工作状态，选取配置相应的坐标变换矩阵进行输出，包括如下步骤：

当检测到第一位移传感器及第二位移传感器正常运作时，选取状态一对应的坐标矩阵，此时

；

当检测到只有第一位移传感器发生故障时，选取状态二对应的坐标矩阵，此时

；

当检测到第一位移传感器、第二冗余位移传感器同时发生故障时，选取状态三对应的坐标矩阵，此时

；

当检测到只有第二位移传感器发生故障时，选取状态四对应的坐标矩阵，此时

；

当检测到第一位移传感器、第二位移传感器同时发生故障时，选取状态五对应的坐标矩阵，此时

。

本发明的优点主要体现在以下几个方面：

本发明所提出的一种位移传感器容错控制系统，在以往主动径向磁悬浮轴承内常见的位移传感器的基础上增加了两个冗余位移传感器、构成了冗余结构。根据位移传感器的故障诊断结果，当位移传感器发生故障时，启动冗余位移传感器以代替发生故障的位移传感器。结合本发明的位移传感器容错控制方法，可以在位移传感器发生故障时通过坐标矩阵选取算法重新选择与故障相对应的坐标矩阵，进而实现对系统内位移传感器的容错控制，从而确保主动径向磁悬浮轴承系统的可靠性及稳定性。

本发明所提出的位移传感器容错控制方法不仅限于四自由度主动径向磁悬浮轴承系统，同样也适用于不同极对数的主动径向磁悬浮轴承系统当中。在方法的应用过程中，首先通过分析位移传感器可能会发生的故障类型，根据每种故障信息采用不同的坐标矩阵变换公式，最终保证在故障状态下控制器也能够获得转子的位移信息，从而使得主动磁悬浮轴承在正常状态和故障状态下都能够得到稳定、有效的控制。与现有技术相比，本发明大幅减少了位移传感器的数量，增加了可以进行容错控制的故障种类，同时也保证了主动径向磁悬浮轴承中的位移反馈部分能够在故障前后具有相同的灵敏度和测量精度。

此外，本发明还为磁悬浮轴承系统提供了新的设计思路、为同领域内的其他相关问题提供了参考，可以以此为依据进行拓展延伸，具有十分广阔的应用前景。

以下便结合实施例附图，对本发明的

具体实施方式

作进一步的详述，以使本发明技术方案更易于理解、掌握。

附图说明

图1为本发明的系统整体结构示意图；

图2为本发明中位移反馈部分的安装结构示意图；

其中：1、第一位移传感器；2、第二位移传感器；3、第一冗余位移传感器；4、第二冗余位移传感器。

具体实施方式

本发明揭示了一种针对主动径向磁悬浮轴承的位移传感器容错控制系统及基于该系统的位移传感器容错控制方法，具体如下。

如图1~图2所示，一种主动径向磁轴承用位移传感器容错控制系统，与主动径向磁悬浮轴承相适配，包括位移反馈部分、故障诊断电路、容错控制模块以及反馈执行部分。

所述位移反馈部分以非对称的形式固定设置于所述主动径向磁悬浮轴承转子外围，所述位移反馈部分的信号输出分别与所述故障诊断电路及所述容错控制模块二者的信号输入电性连接，所述故障诊断电路的信号输出与所述容错控制模块的信号输入电性连接，所述容错控制模块的信号输出与所述反馈执行部分的信号输入电性连接，所述反馈执行部分的信号输出与所述主动径向磁悬浮轴承中的电磁线圈电性连接。

所述位移反馈部分包括主位移传感组件及冗余位移传感组件。

所述主位移传感组件包括第一位移传感器1及第二位移传感器2，以所述主动径向磁悬浮轴承中转子的中心点为原点、在垂直于所述主动径向磁悬浮轴承中转子的中轴线的平面上建立平面直角坐标系，所述第一位移传感器1固定设置于X轴的正方向上、用于检测所述主动径向磁悬浮轴承中转子在X轴方向自由度上的位移，所述第二位移传感器2固定设置于Y轴的正方向上、用于检测所述主动径向磁悬浮轴承中转子在Y轴方向自由度上的位移。

所述冗余位移传感组件包括第一冗余位移传感器3及第二冗余位移传感器4，所述第一冗余位移传感器3固定设置于X轴与Y轴之间且所述第一冗余位移传感器3的中心轴线穿过所建立的平面直角坐标系的原点，所述第一冗余位移传感器3的中心轴线与X轴间的夹角为， 0°<<90°。

设定最优非对称安装角度能够实现第一冗余位移传感器3在X轴、Y轴方向上同时测得最大的位移量，使磁悬浮轴承系统在主传感器发生故障时仍具有较高的控制能力。根据，可以得到当=45°时，可以测得X轴、Y轴方向的最大位移量相等，性能最优。因此在本实施例中，所述第一冗余位移传感器3的中心轴线与X轴间的夹角为45°。

所述第二冗余位移传感器4可以固定设置于X轴的负方向或Y轴的负方向上，在本实施例中，所述第二冗余位移传感器4固定设置于X轴的负方向上。

此外，在本实施例中，所述第一位移传感器1、所述第二位移传感器2、所述第一冗余位移传感器3及所述第二冗余位移传感器4四者均为电涡流位移传感器。所述第一位移传感器1、所述第二位移传感器2、所述第一冗余位移传感器3及所述第二冗余位移传感器4四者的信号输出分别与所述故障诊断电路及所述容错控制模块二者的信号输入电性连接。

所述容错控制模块内设置有坐标矩阵记录及选取单元，所述第一位移传感器1、所述第二位移传感器2、所述第一冗余位移传感器3及所述第二冗余位移传感器4四者的信号输出与所述坐标矩阵记录及选取单元的信号输入电性连接，所述坐标矩阵记录及选取单元的信号输入还电性连接有所述故障诊断电路的信号输出，所述坐标矩阵记录及选取单元的信号输出与所述反馈执行部分的信号输入电性连接。

所述反馈执行部分包括PID（比例-积分-微分）控制器及功率放大器，所述PID控制器的信号输入与所述容错控制模块的信号输出电性连接，所述PID控制器的信号输出与所述功率放大器的信号输入电性连接，所述功率放大器的信号输出与所述主动径向磁悬浮轴承中的电磁线圈的输入电性连接。

一种主动径向磁轴承用位移传感器容错控制方法，基于如上所述的主动径向磁轴承用位移传感器容错控制系统，该方法能够实现离线控制，算法简单并且对控制器的处理能力要求较低，响应速度较快提高了容错控制的可靠性。

方法包括如下步骤：

S1、依据位移反馈部分的运行情况，对位移传感器的工作状态进行分类。

S2、依据S1中的分类结果，将各工作状态下主动径向磁悬浮轴承中转子在X、Y方向上的位移量与位移反馈部分的位移检测结果之间的矩阵形式表达式统一表示为

，

其中，为2×4阶的坐标变换矩阵，表示主动径向磁悬浮轴承中转子在X方向上的位移量，表示主动径向磁悬浮轴承中转子在Y方向上的位移量，表示第一位移传感器1的位移检测结果，表示第二位移传感器2的位移检测结果，表示第一冗余位移传感器3的位移检测结果，表示第二冗余位移传感器4的位移检测结果，容错控制模块对式中的坐标变换矩阵进行记录并完成后续选取操作。

S3、启动系统，所述位移反馈部分进行信号采集及输出，当所述位移反馈部分内出现故障时，故障诊断电路输出故障信号，所述容错控制模块依据位移传感器的故障信号确定位移传感器的工作状态、并选取配置相应的坐标变换矩阵进行输出。

S4、反馈执行部分接收到所述容错控制模块的输出信号后，对信号进行功率放大，最终输出至主动径向磁悬浮轴承中的电磁线圈。

需要补充说明的是，在S1中，将位移传感器的工作状态分为如下五类：

状态一，第一位移传感器1及第二位移传感器2正常运作，此时主动径向磁悬浮轴承中转子在X、Y方向上的位移量与所述第一位移传感器1、所述第二位移传感器2的位移检测结果之间的关系为

，

矩阵形式表达式为

。

状态二，第一位移传感器1发生故障、启用第二冗余位移传感器4，第二位移传感器2正常运作，此时主动径向磁悬浮轴承中转子在X、Y方向上的位移量与所述第二位移传感器2、所述第二冗余位移传感器4位移检测结果之间的关系为

，

矩阵形式表达式为

。

状态三，第一位移传感器1、第二冗余位移传感器4同时发生故障，第二位移传感器2、第一冗余位移传感器3正常运作，此时主动径向磁悬浮轴承中转子在X、Y方向上的位移量与所述第二位移传感器2、所述第一冗余位移传感器3位移检测结果之间的关系为

，

矩阵形式表达式为

。

状态四，第二位移传感器2发生故障、启用第一冗余位移传感器3，第一位移传感器1正常运作，此时主动径向磁悬浮轴承中转子在X、Y方向上的位移量与所述第一位移传感器1、所述第一冗余位移传感器3位移检测结果之间的关系为

，

矩阵形式表达式为

。

状态五，第一位移传感器1、第二位移传感器2同时发生故障，第一冗余位移传感器3、第二冗余位移传感器4正常运作，此时主动径向磁悬浮轴承中转子在X、Y方向上的位移量与所述第一冗余位移传感器3、所述第二冗余位移传感器4位移检测结果之间的关系为

，

矩阵形式表达式为

。

在S3中，所述容错控制模块依据位移传感器的故障信号确定位移传感器的工作状态、并选取配置相应的坐标变换矩阵进行输出，包括如下步骤：

当检测到第一位移传感器1及第二位移传感器2正常运作时，选取状态一对应的坐标矩阵，此时

。

当检测到只有第一位移传感器1发生故障时，选取状态二对应的坐标矩阵，此时

。

当检测到第一位移传感器1、第二冗余位移传感器4同时发生故障时，选取状态三对应的坐标矩阵，此时

。

当检测到只有第二位移传感器2发生故障时，选取状态四对应的坐标矩阵，此时

。

当检测到第一位移传感器1、第二位移传感器2同时发生故障时，选取状态五对应的坐标矩阵，此时

。

本发明所提出的一种位移传感器容错控制系统，在以往主动径向磁悬浮轴承内常见的位移传感器的基础上增加了两个冗余位移传感器、构成了冗余结构。根据位移传感器的故障诊断结果，当位移传感器发生故障时，启动冗余位移传感器以代替发生故障的位移传感器。结合本发明的位移传感器容错控制方法，可以在位移传感器发生故障时通过坐标矩阵选取算法重新选择与故障相对应的坐标矩阵，进而实现对系统内位移传感器的容错控制，从而确保主动径向磁悬浮轴承系统的可靠性及稳定性。

相较于目前已有的一些针对主动径向磁悬浮轴承系统的容错控制方案，本发明的方案大幅减少了位移传感器的数量、降低了系统的整体造价。加之在本发明的技术方案中，位移反馈部分由主位移传感组件及冗余位移传感组件两部分构成，可实现五种位移传感器运行状态下的容错控制，可进行容错控制的故障种类有所增加。最为重要的一点是，在本系统的应用过程中，当主位移传感组件内的两个位移传感器同时出现故障时，本系统仍然能够执行正常的容错控制流程，这一点则是现有技术中其他容错控制方法所无法实现的。

本发明所提出的位移传感器容错控制方法不仅限于四自由度主动径向磁悬浮轴承系统，同样也适用于不同极对数的主动径向磁悬浮轴承系统当中。在方法的应用过程中，首先通过分析位移传感器可能会发生的故障类型，根据每种故障信息采用不同的坐标矩阵变换公式，最终保证在故障状态下控制器也能够获得转子的位移信息，从而使得主动磁悬浮轴承在正常状态和故障状态下都能够得到稳定、有效的控制，也保证了主动径向磁悬浮轴承中的位移反馈部分能够在故障前后具有相同的灵敏度和测量精度。

此外，本发明还为磁悬浮轴承系统提供了新的设计思路、为同领域内的其他相关问题提供了参考，可以以此为依据进行拓展延伸，具有十分广阔的应用前景。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神和基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

最后，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。