CN101173851A

CN101173851A - 一种具有容错功能的磁轴承传感器控制系统

Info

Publication number: CN101173851A
Application number: CNA2007101767190A
Authority: CN
Inventors: 房建成; 韩辅君; 田希晖; 刘刚; 刘虎
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University
Priority date: 2007-11-01
Filing date: 2007-11-01
Publication date: 2008-05-07
Anticipated expiration: 2027-11-01
Also published as: CN100516768C

Abstract

一种具有容错功能的磁轴承传感器控制系统是一种磁轴承转子位置检测和控制装置，主要包括控制器、电涡流传感器、调理电路、A/D芯片和开关选择电路。该系统将电涡流传感器探头的输出经过调理电路后接入开关选择电路，经开关选择电路后接入AD芯片进行采样。本系统由控制器根据采样值正常与否决定开关选择电路的状态，进而决定是否采用当前电涡流传感器探头的输出，并由控制器根据开关状态信号进行采样值的选择和处理。从而在不增加传感器数量，不增加传感器体积和功耗的基础上实现传感器容错的目的。

Description

一种具有容错功能的磁轴承传感器控制系统

技术领域

本发明涉及一种具有容错功能的磁轴承传感器控制系统，用于对磁悬浮飞轮磁轴承转子的位置检测和控制。

背景技术

磁悬浮飞轮相对于传统的机械轴承飞轮具有无转速过零摩擦且可以进行振动主动控制的优点，所以广泛应用于航天器姿态执行机构。磁轴承用于支承飞轮转子，以消除机械摩擦，提高转子转速，从而可提高飞轮的控制精度，延长姿态控制系统的使用寿命。

磁悬浮轴承系统中，为了实现对磁轴承进行主动控制、转子的稳定悬浮和升速的目的，必须由位移传感器提供转子准确的位置。现有的磁轴承传感器多为电感式传感器和电涡流式传感器。

如果传感器一个或几个方向的输出不准确或出现故障，控制器就会接收到不准确或错误的位置信息，进而就会提供给磁轴承线圈不正确的电流，轻者造成磁轴承转子位置不准确或转子振动，重者会造成磁轴承转子失稳。因此，有必要研制一种具有容错功能的磁轴承传感器控制系统。

在中国专利“ZL200610011276.5”-公开了“径向/轴向六位集成一体化电涡流传感器”，如图1所示。在该专利中设计了一种高集成的传感器，将四路径向位移传感器和两路轴向位移传感器全部集成在一个传感器座内，每个方向(X、Y、Z)的两个传感器探头组成一对，同时探测该方向的位移信号。同方向的两个探头采用差动输出方式，减少了传感器体积，且差动方式能够提高位移传感器的温度以及时间稳定性。但其在电路设计和控制时没有考虑容错控制，即：当某方向的任意探头工作不正常或损坏时，该方向的差分输出信号就不正常，进而会导致磁轴承转子工作不正常或发生严重的失稳现象。

在美国专利申请“US2006/0055259A1”一公开的“Fault-tolerant magnetic bearingposition and control”中，采用一个方向设置6个传感器探头(3对)，如图2所示。该专利中对所有备份的传感器探头输出全部采样的方法实现传感器的容错控制，这种容错控制的缺点是大大增加了传感器的体积和功耗，增加了系统的资源使用量和运行时间。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术存在的不足，设计了一种具有容错功能的磁轴承传感器控制系统，该系统对传感器输出的采样值进行正常与否的判断，通过开关选择电路选择正常传感器输出的采样值进行运算，在某方向的一个传感器(或传感器探头)工作不正常时仍能够保证磁轴承转子的正常工作，具有容错功能，提高了磁轴承系统的可靠性。

本发明的技术解决方案：一种具有容错功能的磁轴承传感器控制系统，其特点在于包括：控制器、电涡流传感器、调理电路、开关选择电路、AD芯片，其中：

控制器：对AD芯片的采样结果进行控制处理，然后输出开关状态信号至开关选择电路，输出PWM信号至开关功放；

电涡流传感器：用于检测磁轴承转子的位置，根据转子位置输出相应的位移信号至调理电路；

调理电路：用于对输入的磁轴承转子位移信号进行滤波和放大处理后送至开关选择电路；

开关选择电路：根据控制器输出的开关状态信号对调理后的信号进行选择：若开关状态信号为高，输出该调理后的位移信号并送至AD芯片等待采样，若开关状态信号为低，输出为低电平；

AD芯片：根据控制器决定的工作模式，对开关选择电路输出的信号进行采样，并将采样结果送至控制器。

所述的控制器的控制处理过程为：对于X方向，首先设置全部的开关状态信号为低，读取AD芯片的采样值，然后通过判断X正向或X负向两个探头对应的采样值是否超出了设定的范围，若没有超出设定范围，则控制器对该方向的两采样值做差后进行位置算法的运算，并输出PWM信号；若超出了设定的范围，则控制器输出相应的开关状态信号，使得不正常探头对应的采样通道接入低电平用于保护AD芯片，并在运算时只取正常探头对应的采样值作相应处理后进行位置算法的运算；对于Y方向和Z方向也按上述办法处理。

所述的电涡流传感器采用同方向的两个探头呈180度放置，每个探头根据转子位置直接输出位移信号，该位移信号经调理电路调至AD芯片的允许电压范围内，使得稳定悬浮时传感器输出位移信号的电压值对应AD芯片的基准电压值，即将位移信号调理至以基准电压为中心变化。

所述的控制器由DSP和FPGA组成，其中：FPGA完成AD芯片对磁轴承位移信号的采样控制，并将采样结果送至DSP，DSP对采样值进行相应的处理和判断，并由FPGA输出相应的开关状态信号至开关选择电路，同时DSP只采用正常的采样值作相应处理，然后运行位置算法并将运算结果送至FPGA，由FPGA输出PWM信号至开关功放。

本发明的原理；为实现磁悬浮飞轮转子的稳定悬浮，需要在定子的上端和下端分别安装位移传感器用来检测转子上下端位移，其安装位置如图3所示，其中：探头P1、P2、P3、P4分别检测上端的X正向、上端的X负向、上端的Y正向、上端的Y负向位移；探头P1’、P2’、P3’、P4’分别检测下端的X正向、下端的X负向、下端的Y正向、下端的Y负向位移；探头P5、P6检测轴正向(Z+)；探头P5’、P6’检测轴负向(Z-)，各个探头独立输出，内部不做差分。现以上端X方向和下端X方向为例说明本发明实现容错控制的过程：控制器1首先将上端X方向和下端X方向的4个探头P1、P2、P1’、P2’对应的开关状态信号设置为“0000”，即对4个探头输出的位置信号进行采样，然后分别将P1与P2对应的采样值求和、P1’与P2’对应的采样值求和，并对探头P1、P2、P1’、P2’输出的采样值求取变化率的绝对值，分别设为：k_x1、k_x2、k_x3和k_x4。现假设AD芯片5的基准电压对应的采样值为2047，由于每个探头的输出经调理电路后均以基准电压为中心变化，即采样值以2047为中心进行变化，且径向同一方向的两探头成180度放置，检测转子位置具有互补性(对于轴向，P5和P5’，P6和P6’分别放置在轴向的正负端，同样具有互补性)，故P1与P2对应的采样值之和为基准电压2倍时的采样值：4095；P1’与P2’对应的采样值之和同样也为4095。由于采样本身的误差和调理电路的误差，正常时同一方向的两路采样值之和会围绕4095波动，设阈值1为采样值之和的波动范围：3690---4500。同时，由于对各个探头的输出进行采样的周期相同，且P1与P2、P1’与P2’的采样值具有互补性，故正常工作时：k_x1＝k_x2＝k_x3＝k_x4。由于采样误差和干扰因素的影响，k_x1和k_x2会围绕0.5*(k_x3+k_x4)波动，k_x3和k_x4会围绕0.5*(k_x1+k_x2)波动，设阈值2为k_x3、k_x4之和的波动范围：0.3*(kx₃+k_x4)---0.7*(kx₃+k_x4)，阈值3为k_x1、k_x2之和的波动范围：0.3*(kx₁+k_x2)---0.7*(kx₁+k_x2)。控制器1读取上端X方向两路采样值，若该两路采样值之和没有超出阈值1设定的范围，则认为该方向两个探头的输出正常，控制器1取该方向的两个采样值做差后进行位置算法的运算；若上端X方向的两个采样值之和超出了阈值1设定的范围，则认为该方向的两探头中有一个工作不正常，此时通过k_x1和k_x2判断出是哪一个工作不正常：若k_x2超出了阈值2设定的范围，则控制器1将上端X方向和下端X方向4个探头的开关状态信号设置为“0100”，即舍弃了上端X方向第二个探头的采样值，只取上端X方向第一个探头输出的采样值。由于只采用上端X方向第一个探头输出的采样值，相对于采用两个正常探头做差分时采样值的变化幅度降低一半，且该探头检测X正向(与正常时采用两采样值做差后的方向相同)，故对该探头输出的采样值减去2047后乘以2即可达到两探头正常时相同的效果，然后进行位置算法的运算；若k_x1超出了阈值2设定的范围，则控制器1将上端X方向和下端X方向4个探头的开关状态信号设置为“1000”，即舍弃了上端X方向第一个探头的采样值，只取上端X方向第二个探头输出的采样值。由于只采用第二个探头输出的采样值，相对于采用两个正常探头做差分时位移信号采样值的变化幅度降低一半，且该探头检测X负向(与两探头正常时采样值做差后的方向相反)，故对该探头输出的采样值减去2047后乘以-2即可达到两探头正常时相同的效果，然后进行位置算法的运算。同理，若下端X方向kx₃超出了阈值3设定的范围，则按上述相同方法处理，并将开关状态信号设置为“0010”；若下端X方向kx₄超出了阈值3设定的范围，则按上述相同方法处理，并将开关状态信号设置为“0001”。

本发明与现有磁轴承用传感器和控制系统相比，优点在于：

(1)采用直接对同方向的两个探头输出分别采样，正常时采用同方向两个采样值的差值进行位置算法的运算，具有差分信号的性质，能够提高线性度和温度稳定性；同方向的两个探头中有一个工作不正常时，只取正常探头的采样值进行位置算法的运算，使得磁轴承传感器和控制系统具有容错功能，大大提高了系统的可靠性。

(2)采用同一方向仅设置一对传感器探头，通过控制系统采用开关算法判断故障探头并进而实现容错功能，具有降低了传感器系统的体积和功耗，减少了控制系统的资源使用的优点。

附图说明

图1为现有中国专利“ZL200610011276.5”径向/轴向六位集成一体化电涡流传感器示意图；

图2为现有美国专利“US2006/0055259A1”采用硬件冗余实现容错功能的传感器示意图；

图3为磁悬浮系统中位移传感器安装位置示意图；

图4为本发明的控制系统框图；

图5为本发明的控制器控制示意图；

图6为本发明的开关选择电路与AD芯片接口电路图；

图7为本发明的开关状态算法流程图。

具体实施方式

如图4所示，本发明的控制系统包括：控制器1、电涡流传感器2、调理电路3、开关选择电路4、AD芯片5。电涡流传感器2产生转子位移信号，将该信号送至调理电路3，调理电路3将位移信号进行放大和滤波处理，并将位移信号调理至围绕AD芯片5的基准电压为中心变化。控制器1完成AD芯片5的采样控制，根据开关状态算法完成每个方向两个采样值的正常与否的判断，进而生成该方向的开关状态信号，并通过位置算法的运算生成PWM信号。

如图5所示，本发明的控制器1由DSP11和FPGA12组成。其中，DSP11通过开关状态算法完成采样值的正常与否的判断，生成开关状态信号送至FPGA12，并根据开关状态，选用正常的采样值完成位置算法的运算(本实施例中位置算法采用PID算法)，将运算后的结果送至FPGA12用于生成PWM；FPGA12完成AD芯片5的采样时序控制，将采样值送至DSP11，根据DSP11送来的运算结果完成PWM的调制，同时根据DSP11产生的开关状态信号驱动开关选择电路3，以决定开关选择电路3的输出是采样值还是低电平。

如图6所示，给出了本发明的开关选择电路4与AD芯片5的接口电路图。本实施例中AD芯片5采用AD7938，其基准电压为2.5V，基准电压对应的采样值为2047。开关选择电路3采用CD4053。磁轴承转子系统上端或下端分别需要对6路信号进行采样，而AD7938可以实现8通道位移信号的采样，CD4053可以实现3路的模拟开关量的选择，故对于整个磁轴承转子系统(上、下端的X、Y、Z方向)需要2片AD7938进行采样和4片CD4053进行开关选择。下面仅以上端为例说明工作原理：CD4053的控制信号端CAX+、CAX-、CAY+、CAY-、CAZ+和CAZ-接至FPGA12，由DSP经开关状态算法决定各个控制信号端的状态并传至FPGA12。当以上控制信号端为低时，CD4053的输出分别为传感器信号经调理后的输出值：PAX+、PAX-、PAY+、PAY-、PAZ+和PAZ-，并接入AD芯片5等待采样。当其中某路信号为高时，例如CAX+为高，则接入AD芯片5的该路信号为低电平。AD芯片5的控制信号端和数据位端直接连接至FPGA12，由FPGA12进行AD芯片采样时序的控制和采样值的读取。

如图7所示，给出了本发明的开关状态算法流程图。当DSP11接收到FPGA12发出的采样结束中断申请后响应中断。在中断程序中：首先读取采样值和开关状态值，并根据上、下端X方向(或Y方向或Z方向)的采样值求取变化率的绝对值：k_x1、k_x2、k_x3和k_x4，然后再根据不同的状态值进行相应的操作。以上端传感器X方向的两路采样值为例进行说明：(1)、当DSP11响应FPGA12发出的中断申请后，若该两路状态值为“00”时，则对两个采样值求和。若采样值之和在阈值1决定的范围内，则认为该两路传感器探头输出正常，DSP11对两路采样值做差后进行PID运算；若两个采样值之和连续10次超出了阈值1决定的范围，则认为X方向的两个传感器中有一个输出不正常。若第一路采样值的变化率在阈值2决定的范围内，而第二路连续10次超出了阈值2的范围，则认为第二路传感器探头输出不正常，DSP11则将该两路的开关状态值置为“01”后返回。若第二路采样值的变化率在阈值2决定的范围内，而第一路连续10次超出了阈值2的范围，则认为第一路传感器探头输出不正常，DSP11则将该两路的开关状态值置为“01”后返回。(2)、DSP11响应FPGA12发出的中断申请后，若该两路的状态值为“01”，则DSP11读取上端X方向第一路的采样值减去2047后乘以2，然后进行PID运算。(3)、DSP11响应FPGA12发出的中断申请后，若该两路的状态值为“10”，DSP11取X方向第二路的采样值减去2047后乘以-2，然后进行PID运算。

本发明涉及一种具有容错功能的磁轴承传感器控制系统，在传感器上端或下端某方向的一个探头输出不正常时，仍能保证系统正常工作。本发明的示意图中给出的均为转子在外侧、用于外转子型的磁轴承传感器容错控制，该发明同样适用于内转子型的磁轴承传感器容错控制。

Claims

1.一种具有容错功能的磁轴承传感器控制系统，其特征在于：包括：控制器(1)、电涡流传感器(2)、调理电路(3)、开关选择电路(4)、AD芯片(5)，其中：

控制器(1)：对AD芯片(5)的采样结果进行控制处理，然后输出开关状态信号至开关选择电路(4)，输出PWM信号至开关功放；

电涡流传感器(2)：用于检测磁轴承转子的位置，根据转子位置输出相应的位移信号至调理电路(3)；

调理电路(3)：用于对输入的磁轴承转子位移信号进行滤波和放大处理后送至开关选择电路(4)；

开关选择电路(4)：根据控制器(1)输出的开关状态信号对调理后的信号进行选择：若开关状态信号为高，输出该调理后的位移信号并送至AD芯片(5)等待采样，若开关状态信号为低，输出为低电平；

AD芯片(5)：根据控制器(1)决定的工作模式，对开关选择电路(4)输出的信号进行采样，并将采样结果送至控制器(1)。

2.根据权利要求1所述的磁轴承传感器控制系统，其实现容错方法的特征在于：所述的控制器(1)的控制处理过程为：对于X方向，首先设置全部的开关状态信号为低，读取AD芯片(5)的采样值，然后通过判断X正向或X负向两个探头对应的采样值是否超出了设定的范围，若没有超出设定范围，则控制器(1)对该方向的两采样值做差后进行位置算法的运算，并输出PWM信号；若超出了设定的范围，则控制器(1)输出相应的开关状态信号，使得不正常探头对应的采样通道接入低电平用于保护AD芯片(5)，并在运算时只取正常探头对应的采样值作相应处理后进行位置算法的运算；对于Y方向和Z方向也按上述办法处理。

3.根据权利1所述的一种具有容错功能的磁轴承传感器控制系统，其特征在于：所述的电涡流传感器(2)采用同方向的两个探头呈180度放置，每个探头根据转子位置直接输出位移信号，该位移信号经调理电路(3)调至AD芯片(5)的允许电压范围内，使得稳定悬浮时传感器输出位移信号的电压值对应AD芯片(5)的基准电压值，即将位移信号调理至以基准电压为中心变化。

4.根据权利1所述的一种具有容错功能的磁轴承传感器控制系统，其特征在于：所述的控制器(1)由DSP(11)和FPGA(12)组成，其中：FPGA(12)完成AD芯片(5)对磁轴承位移信号的采样控制，并将采样结果送至DSP(11)，DSP(11)对采样值进行相应的处理和判断，并由FPGA(12)输出相应的开关状态信号至开关选择电路(4)，同时DSP(11)只采用正常的采样值作相应处理，然后运行位置算法并将运算结果送至FPGA(12)，由FPGA(12)输出PWM信号至开关功放。