CN111220061A - 一种磁轴承位移传感器的故障诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种磁轴承位移传感器的故障诊断方法，该方法以两个传感器输出信号的差值为参考信号对控制器的输出信号进行滤波，得到控制器输出信号与两个传感器输出差值信号之间的相关系数，从而根据相关系数的极性准确判断出现故障的传感器。与现有技术相比，本发明方法可有效地识别出故障传感器，为提高主动磁悬浮轴承位移检测系统的可靠性提供一种新的实现方法。

Description

一种磁轴承位移传感器的故障诊断方法

技术领域

本发明涉及故障识别与诊断领域，尤其是涉及一种磁轴承位移传感器的故障诊断方法。

背景技术

线性系统的故障诊断已经有很多成熟的方法，从过去简单的检测滤波器、广义似然比、极大似然比发展到现在的基于观测器/滤波器方法、系统辨识、参数估计方法和一致空间法，但是研究的对象主要是线性定常系统模型，而实际应用中的许多系统都是非线性的。

实际生产对象本身的非线性或者外部非线性因素的影响使得基于线性系统故障诊断方法得不到好的效果。由于非线性系统建模不精确、系统参数时变、存在外扰和噪声等，使得对这类系统的控制和分析都比较困难，对它的故障诊断也一直是难点。目前在故障诊断领域里，对线性系统的故障诊断已经研究的比较完善，而非线性系统的诊断方面还存在很多问题，如检测的鲁棒性和敏感性问题，检测的快速性问题，渐变型故障的检测问题，另外设计的非线性诊断算法通常局限于某一类对象，算法推广性也差。

磁悬浮轴承系统是生产中常用到的轴承系统，磁悬浮轴承系统通常采用差动式位移传感器以提高位移检测的性能，差动式位移传感器在每个自由度上安装有两个位移传感器同时检测转子的位移。磁轴承位移传感器的探头被安装在转子附近，经常受到转子运行时带来的振动和高速气流的影响，最容易损坏，然而目前尚未有一种在传感器发生故障时可应用的有效的故障诊断方法。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种磁轴承位移传感器的故障诊断方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种磁轴承位移传感器的故障诊断方法，包括下列步骤：

(一)、获取磁悬浮轴承单自由度系统中两个差动式位移传感器的输出信号。

(二)、获取两个差动式位移传感器的输出信号的差值，并根据磁悬浮轴承单自由度系统结构判断差动式位移传感器输出信号与故障信号及干扰力的关系。

磁悬浮轴承单自由度系统结构中，控制器的输出电压u_c与传感器干扰信号u_cs及转子干扰力信号u_cf之间的关系式为：

u_c＝u_cs+u_cf

式中，C(s)为控制器，G(s)为转子模型，K_s1和K_s2分别为传感器1和传感器2的增益，f为转子干扰力，d₁、d₂分别为传感器1和传感器2上的故障信号。

(三)、根据步骤(二)获取的两个差动式位移传感器的输出信号的差值判断是否有传感器是否发生故障。

根据两个传感器的差值信号判断是否有传感器是否发生故障的具体内容为：

若两个传感器的差值信号V_d满足关系下式：

|V_d|≤V_tol

则认为两个传感器都没有发生故障，否则判定存在传感器出现故障。

(四)、若判断存在传感器发生故障，获取控制器的输出信号与传感器故障信号的比例系数，对发生故障的传感器进行识别。具体内容为：

利用两个差动式位移传感器的输出信号的差值信号V_d作为参考信号对控制器的输出电压u_c进行滤波，则传感器故障信号u_cs可表示为：

u_cs＝(-1)ⁿ(k₀V_d0+k_k0V_da)

其中：

式中，V_d0为两个差动式位移传感器的输出信号的差值信号V_d的直流分量，V_da为两个差动式位移传感器的输出信号的差值信号V_d的交流分量，k₀为传感器交流干扰频率，k_k0为传感器直流干扰频率；

根据传感器故障信号u_cs与V_d0、V_da的关系获取u_cs与V_d0、V_da的比例系数，若u_cs与V_d0、V_da的两个比例系数皆为负值，则表示传感器1发生故障，若u_cs与V_d0、V_da的比例系数皆为正值，则表示传感器2发生故障。

与现有技术相比，本发明方法以两个传感器输出信号的差值为参考信号对控制器的输出信号进行滤波，得到控制器输出信号与两个传感器输出差值信号之间的相关系数，从而根据相关系数的极性准确判断出现故障的传感器，可有效地识别出故障传感器，为提高主动磁悬浮轴承位移检测系统的可靠性提供一种新的实现方法。

附图说明

图1为差动位移传感器的主动磁悬浮轴承系统结构框图；

图2为LMS自适应滤波框图；

图3为本发明方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

本发明针对传感器的功能受损性故障提供了一种磁轴承位移传感器的故障诊断方法，该方法包括下列步骤：

步骤一、获取磁悬浮轴承单自由度系统中两个差动式位移传感器的输出信号。

步骤二、获取两个差动式位移传感器的输出信号的差值，并根据磁悬浮轴承单自由度系统结构判断差动式位移传感器输出信号与故障信号及干扰力的关系。

图1为采用差动式电涡流位移传感器的主动磁悬浮轴承单自由度系统结构框图。图中，C(s)为控制器；K_i为磁悬浮轴承的电流刚度系数；G(s)为转子模型；K_s1和K_s2分别为传感器1和传感器2的增益；r为参考输入；f为转子所受的干扰力；d₁、d₂分别为施加在传感器1和传感器2上的干扰信号，分别用来模拟传感器1和传感器2的故障；V₁、V₂分别为传感器1和传感器2的输出信号；u_c为控制器的输出信号。根据图1的系统框图可以推导出控制器的输出电压和传感器干扰信号及转子干扰力f之间的关系。令u_cs为传感器的故障信号，u_cf为转子干扰力信号，假设两个传感器的特性完全一致，即有：

K_S1＝K_S2＝K_S

则有：

式中，

由上两个式子可知，控制器的输出信号包含两部分：一部分和传感器的故障信号有关；一部分和转子的干扰力有关，即u_c＝u_cs+u_cf。

传感器故障的形式多种多样。本系统中的传感器主要有两大类故障形式，分别为非完全型故障和完全型故障。其中非完全型故障主要包括漂移偏差故障和固定偏差故障，主要是由偏置电流或偏置电压以及工作传感器发生温漂造成；而完全型故障主要包括开路故障和短路故障，主要是由于传感器信号线断路以及传感器硬件电路中芯片管脚未连接上或信号线短接造成的。根据公式可以推导出两个传感器输出信号的差值V₁-V₂。

步骤三、根据两个传感器的差值信号判断传感器是否发生故障。

假设两个传感器的特性完全一致，即有K_s1＝K_s2＝K_s，则V₁-V₂＝＝K_s(d₁-d₂)，当两个传感器的特性完全相同时，两个位移传感器输出信号的差值仅与传感器障信号有关，可利用这个特征来检测传感器的故障，即只要两个传感器的输出信号的差值信号V_d不为零，就表示某个传感器有故障。实际应用中两个传感器的特性不可能完全一致，因此定义一个允许的误差阈值V_tol，如果两个传感器的差值信号满足关系下式：

|V_d|≤V_tol

则认为传感器没有发生故障，否则判定传感器出现故障。

步骤四、若判断有传感器发生故障，则对发生故障的传感器进行识别。

两个传感器中任一个传感器发生故障都会导致两个传感器的差值信号V_d发生变化，因此通过V_d尽管可以发现传感器有故障但却无法确定哪个传感器有故障，必须通过检测其他信号来识别故障传感器。本发明通过分析各信号之间的关系来对出现故障的传感器进行识别。

当传感器1失效，即只有干扰信号d₁时，则有：

d₂＝0，V_d＝K_sd₁

将上式代入控制器的输出电压和传感器干扰信号及转子干扰力之间的关系式，可得：

当传感器2失效，即只有干扰信号d₂时，则有：

d₁＝0，V_d＝-K_sd₂

将上式代入控制器的输出电压和传感器干扰信号及转子干扰力之间的关系式，可得：

将传感器1失效情况下、传感器2失效情况下得到的关系式可写为：

其中，n＝1表示传感器1出现故障；n＝2表示传感器2出现故障。

传感器的故障包含直流干扰和交流干扰两种可能性，因此V_d中可能同时包含有交、直流信号，即：

V_d＝Vd₀+Vd_a

其中，V_d0表示直流分量，V_da表示交流分量。由上式可知，u_cs和V_d之间的关系是频率的函数，因此可将u_cs进一步表示为：

u_cs＝(-1)ⁿ(k₀V_d0+k_k0V_da)

其中，k₀为传感器交流干扰频率，k_k0为传感器直流干扰频率。

如果传感器1发生故障，则u_cs和V_d0、V_da的比例系数都是负值；如果传感器2发生故障，则u_cs和V_d0、V_da的比例系数都是正值。因此通过分析u_cs和V_d0、V_da的比例系数即可识别发生故障的传感器。

本发明采用数字相关滤波对各信号进行分析来确定比例系数。数字相关滤波是基于原始信号和参考信号之间的相关原理从原始信号中准确地提取出和参考信号相关的信号。

该滤波器通过最小均方算法(Least Mean Square，LMS)调整参考信号的加权因子w来调整补偿信号，使得误差信号的方差最小，随着算法的执行，加权因子w逐渐收敛于k，此时补偿信号y就是原始信号s中和参考信号r相关的成分。如果用V_d0和V_da作为参考信号对u_c进行相关滤波，获取滤波器滤波后的系数，即可分析出u_cs、V_d0、V_da的比例系数。原理框图如图2所示。μ为算法的收敛因子；W_1,i、W_2,i分别为当前时刻V_da和V_d0的权值；W_1,i+1、W_2,i+1分别为下一时刻V_da和V_d0的权值；y_i为当前时刻的补偿信号；e_i为当前时刻原始信号和补偿信号的误差。滤波器稳定之后，由W₁＝k₀，W₂＝k_k0可知，如果w₁和w₂为负，则说明传感器1有故障；如果w₁和w₂为正，则说明传感器2有故障。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的工作人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种磁轴承位移传感器的故障诊断方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

1)获取磁悬浮轴承单自由度系统中两个差动式位移传感器的输出信号；

2)获取两个差动式位移传感器的输出信号的差值，并根据磁悬浮轴承单自由度系统结构判断差动式位移传感器输出信号与故障信号及干扰力的关系；

3)根据步骤2)获取的两个差动式位移传感器的输出信号的差值判断是否有传感器是否发生故障；

4)若判断存在传感器发生故障，获取控制器的输出信号与传感器故障信号的比例系数，对发生故障的传感器进行识别。

2.根据权利要求1所述的一种磁轴承位移传感器的故障诊断方法，其特征在于，步骤2)中，磁悬浮轴承单自由度系统结构中，控制器的输出电压u_c与传感器干扰信号u_cs及转子干扰力信号u_cf之间的关系式为：

u_c＝u_cs+u_cf

式中，C(s)为控制器，G(s)为转子模型，K_s1和K_s2分别为传感器1和传感器2的增益，f为转子干扰力，d₁、d₂分别为传感器1和传感器2上的故障信号。

3.根据权利要求2所述的一种磁轴承位移传感器的故障诊断方法，其特征在于，步骤3)中，根据两个传感器的差值信号判断是否有传感器是否发生故障的具体内容为：

若两个传感器的差值信号V_d满足关系下式：

|V_d|≤V_tol

则认为两个传感器都没有发生故障，否则判定存在传感器出现故障。

4.根据权利要求3所述的一种磁轴承位移传感器的故障诊断方法，其特征在于，步骤4)中，对发生故障的传感器进行识别的具体内容为：

利用两个差动式位移传感器的输出信号的差值信号V_d作为参考信号对控制器的输出电压uc进行滤波，则传感器故障信号u_cs可表示为：

u_cs＝(-1)ⁿ(k₀V_d0+k_k0V_da)

其中：

式中，V_d0为两个差动式位移传感器的输出信号的差值信号V_d的直流分量，V_da为两个差动式位移传感器的输出信号的差值信号V_d的交流分量，k₀为传感器交流干扰频率，k_k0为传感器直流干扰频率；

根据传感器故障信号u_cs与V_d0、V_da的关系获取u_cs与V_d0、V_da的比例系数，若u_cs与V_d0、V_da的两个比例系数皆为负值，则表示传感器1发生故障，若u_cs与V_d0、V_da的比例系数皆为正值，则表示传感器2发生故障。

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