磁悬浮轴承位移传感器容错控制系统及控制方法
阅读说明：本技术 磁悬浮轴承位移传感器容错控制系统及控制方法 (Fault-tolerant control system and control method for displacement sensor of magnetic bearing ) 是由 苏振中 刘奇 姜豪 吴超 李志� 于 2021-08-25 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种磁悬浮轴承位移传感器容错控制系统及控制方法。该系统包括磁悬浮轴承转子装置、控制器和功率放大器、与所述磁悬浮轴承转子装置中的转子连接并且同步运动的推力盘、传感器组件、故障诊断模块以及容错控制模块。所述传感器组件包括径向位移传感器和复合位移传感器。本发明通过复用复合位移传感器,将其作为一个冗余位移传感器,节省了硬件成本,且容错控制算法易于实现；通过增设复合位移传感器以及传感器组件之间的功能复用,实现多重冗余,提高系统可靠性。对非差动的两个传感器的位移测量值进行坐标变换可得到径向两个自由度的位移值,由此实现传感器容错控制,提高系统可靠性。(The invention provides a fault-tolerant control system and a fault-tolerant control method for a displacement sensor of a magnetic bearing. The system comprises a magnetic suspension bearing rotor device, a controller, a power amplifier, a thrust disc, a sensor assembly, a fault diagnosis module and a fault-tolerant control module, wherein the thrust disc is connected with a rotor in the magnetic suspension bearing rotor device and moves synchronously. The sensor assembly includes a radial displacement sensor and a composite displacement sensor. According to the invention, the composite displacement sensor is reused and used as a redundant displacement sensor, so that the hardware cost is saved, and the fault-tolerant control algorithm is easy to realize; by additionally arranging the composite displacement sensor and the function multiplexing among the sensor components, multiple redundancy is realized, and the system reliability is improved. The displacement measurement values of the two non-differential sensors are subjected to coordinate transformation to obtain displacement values of two radial degrees of freedom, so that the fault-tolerant control of the sensors is realized, and the reliability of the system is improved.)
技术领域
本发明涉及传感器容错控制技术领域，尤其涉及一种磁悬浮轴承位移传感器容错控制系统及控制方法。
背景技术
磁悬浮轴承具有低损耗、无需润滑和无接触等优点，近年来得到了越来越广泛的应用。
磁悬浮轴承转子系统由转子、位移传感器、控制器、功率放大器和磁轴承本体组成。位移传感器将转子位移值传递给控制器，控制器计算得到控制电流信号后驱动功率放大器产生控制电流，控制电流通入电磁铁线圈产生的电磁力作用在转子上维持转子悬浮在预设位置。
在一般的主动磁轴承系统中为了实现系统的闭环反馈控制，必须在电磁轴承的每个自由度上至少装配一个位移传感器进行转子位移信号的实时检测。为了避免位移传感器故障引起的电磁轴承失效问题，提高系统的可靠性，已有的容错控制方法主要包括在各个自由度上配置冗余数量的传感器，或者通过自传感的方法从电磁轴承线圈电压和电流信号中提取转子位移估计信号。
已有的传感器容错控制方法中冗余的传感器在正常情况下均处于备用状态，未能实现功能复用，性价比较低，自传感方法位移计算精度低，磁轴承稳定性差，亟需提出解决方案。
申请号为CN202010376226.7的发明专利公开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。该控制系统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。
但是，上述传感器容错控制系统存在因采用非对称的传感器布置方式而无法消除各自由度位移中的共模噪声的缺点，所增加的2个冗余的位移传感器在没有故障发生时没有起到额外作用，性价比较低。
有鉴于此，有必要设计一种改进的磁悬浮轴承位移传感器容错控制系统及控制方法，以解决上述问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种磁悬浮轴承位移传感器容错控制系统及控制方法。
为实现上述发明目的，本发明提供了一种磁悬浮轴承位移传感器容错控制系统，包括磁悬浮轴承转子装置、控制器和功率放大器，其还包括与所述磁悬浮轴承转子装置中的转子连接并且同步运动的推力盘、传感器组件、故障诊断模块以及容错控制模块；
所述传感器组件包括若干个用于测量转子位移数据的径向位移传感器和用于测量推力盘位移数据的复合位移传感器；所述复合位移传感器和所述径向位移传感器相互不共平面设置。
作为本发明的进一步改进，若干个所述径向位移传感器共平面设置，以所述磁悬浮轴承转子装置中转子圆心为原点、在垂直于转子中轴线的平面上建立平面直角坐标系，所述径向位移传感器包括设置于X轴正负方向上且相互对称设置的第一径向位移传感器、设置于Y轴正负方向上且相互对称设置的第二径向位移传感器，以及第三径向位移传感器。
作为本发明的进一步改进，所述第三径向位移传感器与转子圆心所形成的第一连接线与X轴或Y轴均不重合。
作为本发明的进一步改进，所述推力盘外圆边沿等间距设置有若干个凹槽，所述复合位移传感器设置于所述推力盘径向方向的外侧，用于测量其与推力盘之间的表面距离，能够同时得到转子径向位移信息与转子旋转位置角信息。
作为本发明的进一步改进，所述复合位移传感器与推力盘圆心之间所形成的第二连接线和所述第三径向位移传感器与转子圆心之间所形成的第一连接线异面设置，不平行也不相交；所述第二连接线与X轴和Y轴均不平行也不相交。
作为本发明的进一步改进，所述容错控制模块包括滤波模块和位移计算模块；所述滤波模块对复合位移传感器的测量值进行滤波处理，得到推力盘边沿非凹槽部分的有效位移；所述位移计算模块根据传感器故障形式得到各自由度位移计算值。
作为本发明的进一步改进，所述故障诊断模块对所述复合位移传感器、所述径向位移传感器的测量值进行综合采样分析，判断传感器是否发生故障。
作为本发明的进一步改进，所述磁悬浮轴承转子装置为永磁偏置混合磁轴承转子装置、纯电励磁磁轴承转子装置中的一种。
为实现上述发明目的，本发明还提供了一种磁悬浮轴承位移传感器容错控制方法，采用上述磁悬浮轴承位移传感器容错控制系统进行容错控制，包括如下步骤：
S1，启动磁悬浮轴承转子装置，转子与推力盘进行同步旋转作业，传感器组件实时进行位移数据测量，获得在正常情况下径向位移传感器测得的径向位移测量值与复合位移传感器测得的推力盘边沿非凹槽部分的有效位移测量值的关系；
S2，所述容错控制模块对复合位移传感器的位移测量值进行截取滤波，根据上述关系，对复合位移传感器实时采样测量值进行判断，以非凹槽部分的有效测量值的波动范围作为有效范围，若处在前述有效范围内，输出该值，否则将上一次采样测量值作为当前测量值输出，最后对上述截取后的位移值进行低通滤波处理，得到转子径向位移；
当各传感器均正常工作时，第一径向传感器测量值记为s1和s3、第二径向传感器测量值记为s2和s4、第三径向传感器测量值记为s5、与处理后的复合位移传感器测量值记为s6，上述测量值与X轴，Y轴方向位移值x,y的关系如下：
s1＝x；s2＝-y；s3＝-x；s4＝y；
S3，针对上述传感器故障形式进行分类，并进行上述分类故障形式对应的自由度位移计算；
S4，控制器根据上述容错控制模块得到的位移计算值得到控制电流信号，驱动功率放大模块得到控制电流，并通入磁悬浮轴承转子装置中的电磁线圈中，对转子进行控制。
作为本发明的进一步改进，步骤S3中的传感器故障形式分类及位移计算的具体过程为：
故障状态一，
第一径向传感器和第二径向传感器中的一个传感器故障，或非差动的两个传感器故障，第三径向传感器和复合位移传感器状态任意，以第一径向传感器S1、第二径向传感器S2故障为例，位移如下：
x＝-s3；y＝s4；
故障状态二，
第一径向传感器和第二径向传感器中差动的两个传感器故障，或三个传感器故障，第三径向传感器和复合位移传感器中至少一个正常，以第一径向传感器S1、第二径向传感器S2、第一径向传感器S3、第三径向传感器S5故障为例，位移如下：
y＝s4；
故障状态三，
第一径向传感器和第二径向传感器均故障，第三径向传感器和复合位移传感器正常，位移如下：
本发明的有益效果是：
1、本发明提供的磁悬浮轴承位移传感器容错控制系统，通过复用复合位移传感器，将其作为一个冗余位移传感器，节省了硬件成本，且容错控制算法易于实现；通过增设复合位移传感器以及传感器组件之间的功能复用，实现多重冗余，提高系统可靠性。其传感器组件之间的功能复用机理在于：对非差动的两个传感器的位移测量值进行坐标变换可得到径向两个自由度的位移值，由此实现传感器容错控制，提高系统可靠性。
2、本发明提供的磁悬浮轴承位移传感器容错控制系统，采用由径向位移传感器和复合位移传感器组成的传感器组件，通过设置第一/第二/第三径向位移传感器三者之间对称或者非对称的传感器排布方式，使得径向位移传感器能够得到多自由度的位移测量值，并与复合位移传感器的有效测量值进行综合，能够实现不同传感器故障形式下的容错控制和位移计算，保证了传感器故障前后均能够拥有高的测量精度。
3、本发明提供的磁悬浮轴承位移传感器容错控制方法，通过容错控制模块根据传感器故障形式对正常传感器测量采样值进行计算，得到各自由度位移计算值并由此计算控制电流信号，提高故障后系统可靠性。
4、本发明提供的磁悬浮轴承位移传感器容错控制系统，推力盘上的凹槽结构会使复合位移传感器位移采样值不能直接反应转子的实际位移，本发明通过对复合传感器位移采样值进行数据处理，得到其中有效位移信息，准确计算各自由度位移值。数据处理的机理是：推力盘其中有一个凹槽的深度或宽度与其他凹槽不同，作为指示转子位置角的凹槽，由此得到的测量波形在推力盘位移与叠加了凹槽深度的类似方波的波形，根据转子转角所对凹槽深度对传感器正对凹槽处的测量数据进行补偿就能够得到较为准确的推力盘位移；复合位移传感器测量到的有效位移值能够精确反应转子位移的机理在于转子位移变化速度较慢，通过复合传感器位移测量值的突变能够判断出所对位置为推力盘外表面或凹槽，结合前期试验得到的不同转子位置角处的凹槽的精确深度的数据修正能反应精确的推力盘位移，而推力盘与径向传感器所在平面距离很近，其位移就精确反应了径向传感器处的转子位移。
附图说明
图1为本发明提供的磁悬浮轴承位移传感器容错控制系统的框架图。
图2为本发明提供的磁悬浮轴承位移传感器容错控制系统的结构图。
图3为本发明提供的传感器组件的排布图(图3中a为正视图，图3中b为侧视图)。
附图标记
1-第一径向传感器S1；2-第一径向传感器S3；3-第二径向传感器S2；4-第二径向传感器S4；5-第三径向传感器S5；6-复合传感器S6。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。
在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
另外，还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
请参阅图1-2所示，本发明提供了一种磁悬浮轴承位移传感器容错控制系统，包括磁悬浮轴承转子装置、控制器和功率放大器、与所述磁悬浮轴承转子装置中的转子连接并且同步运动的推力盘、传感器组件、故障诊断模块以及容错控制模块。
在本实施方式中，所述磁悬浮轴承转子装置包括一个轴向磁轴承、两个径向磁轴承和转子。其中，所述磁悬浮轴承转子装置可以为永磁偏置混合磁轴承转子装置、纯电励磁磁轴承转子装置中的一种。
请参阅图2-3所示，所述传感器组件包括若干个用于测量转子位移数据的径向位移传感器和用于测量推力盘位移数据的复合位移传感器；所述复合位移传感器和所述径向位移传感器相互不共平面设置。
在本实施方式中，若干个所述径向位移传感器共平面设置，以所述磁悬浮轴承转子装置中转子圆心为原点、在垂直于转子中轴线的平面上建立平面直角坐标系，所述径向位移传感器包括设置于X轴正负方向上且相互对称设置的第一径向位移传感器、设置于Y轴正负方向上且相互对称设置的第二径向位移传感器，以及第三径向位移传感器。所述第三径向位移传感器与转子圆心形成的第一连接线分别与X轴和Y轴呈预定角度的夹角设置，所述夹角的角度均大于0°且小于90°，即，第一连接线与X轴或Y轴均不重合。
在本实施方式中，所述推力盘外圆边沿等间距设置有若干个凹槽，所述复合位移传感器设置于所述推力盘径向方向的外侧，用于测量其与推力盘之间的表面距离，能够同时得到推力盘径向位移信息与转子旋转位置角信息。所述复合位移传感器与推力盘圆心之间所形成的第二连接线和所述第三径向位移传感器与转子圆心之间所形成的第一连接线之间的夹角大于0°且小于90°；所述第一连接线和第二连接线异面设置，不相交且不平行；所述第二连接线与X轴和Y轴之间的夹角均大于0°且小于90°，即，所述第二连接线分别与X轴和Y轴不相交且不平行设置。
在本实施方式中，所述容错控制模块包括滤波模块和位移计算模块；所述滤波模块对复合位移传感器的测量值进行滤波处理，得到推力盘边沿非凹槽部分的有效位移；所述位移计算模块根据传感器故障形式得到各自由度位移计算值。
具体来讲，推力盘上设置有若干条凹槽结构，其中有一个凹槽的深度或宽度与其他凹槽不同，作为指示转子位置角的凹槽，由此得到的测量波形为推力盘位移与叠加了凹槽深度的类似方波的波形，根据转子转角所对凹槽深度对传感器正对凹槽处的测量数据进行补偿就能够得到较为准确的推力盘位移。
所述故障诊断模块对所述复合位移传感器、所述径向位移传感器的测量值进行综合采样分析，判断传感器是否发生故障。
所述控制器根据所述容错控制模块输出位移值计算控制电流信号。
所述功率放大模块在所述控制电流信号的驱动下产生控制电流，控制转子的运动。
实施例1
本发明实施例1提供了一种采用上述磁悬浮轴承位移传感器容错控制系统进行容错控制的方法，首先根据正常情况下径向位移传感器测得的转子在不同位置的测量值，以及其对应的复合位移传感器有效测量采样值，建立起转子位移与复合位移传感器有效采样值的对应关系；然后，在故障发生后，根据上述对应关系以及正常传感器位移测量值对复合位移传感器进行滤波处理得到有效采样值，最后根据不同的故障形式计算各自由度位移并通过控制器产生控制电流信号，控制电流信号驱动功率放大模块产生控制电流，控制电流通过磁轴承电磁线圈产生电磁力对转子进行控制。
具体包括如下步骤：
S1，启动磁悬浮轴承转子装置，转子与推力盘进行同步旋转作业，传感器组件实时进行位移数据测量，获得在正常情况下径向位移传感器测得的径向位移测量值与复合位移传感器测得的推力盘边沿非凹槽部分的有效位移测量值的关系。
S2，所述容错控制模块对复合位移传感器的位移测量值进行截取滤波，根据上述关系，对复合位移传感器实时采样测量值进行判断，以非凹槽部分的有效测量值的波动范围作为有效范围(根据正常传感器测得转子位移变化范围得到对应的复合位移传感器测量输出电压采样值的有效范围，该有效范围指复合位移传感器探头正对推力盘非凹槽部分时的测量值范围)，若处在前述有效范围内，输出该值，否则将上一次采样测量值作为当前测量值输出，最后对上述截取后的位移值进行低通滤波处理，得到转子径向位移；
当各传感器均正常工作时，第一径向传感器测量值记为s1和s3、第二径向传感器测量值记为s2和s4、第三径向传感器测量值记为s5、与处理后的复合位移传感器测量值记为s6，上述测量值与X轴，Y轴方向位移值x,y的关系如下：
s1＝x；s2＝-y；s3＝-x；s4＝y；
S3，针对上述传感器故障形式进行分类，并进行上述分类故障形式对应的自由度位移计算：
注：本实施例中，将第一径向传感器标记为第一径向传感器S1和第一径向传感器S3；将第二径向传感器标记为第二径向传感器S2和S4；将第三径向传感器标记为第三径向传感器S5；将复合传感器标记为复合传感器S6。
故障状态一，
第一径向传感器和第二径向传感器中的一个传感器故障，或非差动的两个传感器故障，第三径向传感器和复合位移传感器状态任意，以第一径向传感器S1、第二径向传感器S2故障为例，位移如下：
x＝-s3；y＝s4；
故障状态二，
第一径向传感器和第二径向传感器中差动的两个传感器故障，或三个传感器故障，第三径向传感器和复合位移传感器中至少一个正常，以第一径向传感器S1、第二径向传感器S2、第一径向传感器S3、第三径向传感器S5故障为例，位移如下：
y＝s4；
故障状态三，
第一径向传感器和第二径向传感器均故障，第三径向传感器和复合位移传感器正常，位移如下：
S4，控制器模块根据上述容错控制模块得到的位移计算值得到控制电流信号，驱动功率放大模块得到控制电流，并通入磁悬浮轴承转子装置中的电磁线圈中，对转子进行控制。
综上所述，本发明提供了一种磁悬浮轴承位移传感器容错控制系统及控制方法。该系统包括磁悬浮轴承转子装置、控制器和功率放大器、与所述磁悬浮轴承转子装置中的转子连接并且同步运动的推力盘、传感器组件、故障诊断模块以及容错控制模块。所述传感器组件包括若干个用于测量转子位移数据的径向位移传感器和用于测量推力盘位移数据的复合位移传感器；所述复合位移传感器和所述径向位移传感器相互不共平面设置。本发明通过复用复合位移传感器，将其作为一个冗余位移传感器，节省了硬件成本，且容错控制算法易于实现；通过增设复合位移传感器以及传感器组件之间的功能复用，实现多重冗余，提高系统可靠性。对非差动的两个传感器的位移测量值进行坐标变换可得到径向两个自由度的位移值，由此实现传感器容错控制，提高系统可靠性。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。
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