CN112923885B - 基于差分误差补偿的磁轴承转子位移测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供基于差分误差补偿的磁轴承转子位移测量方法，属于精密测量技术领域。本发明以差分信号为自变量建立误差补偿方程，对差分信号中的误差进行补偿，通过误差补偿方程推导出转子在控制坐标系下的转子位移方程，求解转子在控制坐标系下的实时位移，进而求解定转子的在差动方向上的相对位移。本发明提出的基于差分误差补偿的磁轴承转子位移测量方法在不增加硬件成本的基础上，能有效解决差动测量过程磁轴承定转子相对位移难测量的问题，为磁轴承的稳定控制提供了一个良好的输入量。

Description

基于差分误差补偿的磁轴承转子位移测量方法
技术领域
本发明涉及精密测量技术领域，具体涉及基于差分误差补偿的磁轴承转子位移测量方法。
背景技术
在主动电磁轴承系统中，当线圈中的电流为一定值时，定子对转子的电磁吸力随着定转子相对位移的减小而增大，因此定转子相对位移的测量精度是影响磁轴承稳定性的主要因素之一。在有位移传感器的电磁轴承中，差动测量因测量精度高而广泛应用于电磁轴承的转子位移测量中。若组成差动测量的两个位移传感器的位移特性为
u1,2＝K1,2d1,2-c1,2
式中u1,2为第1第2个位移传感器的输出信号；d1,2为第1第2个位移传感器的测量位移；K1,2,c1,2,为第1第2个位移传感器的位移特性常数。
则差分信号反应的仅是转子中心偏离检测中心的位移而不是定转子的相对位移，所以如果直接采用差分信号进行电磁轴承的控制，不仅无法准确计算出电磁力的大小，还会加大系统的控制难度，降低系统的稳定性。
因此，为了解决在差动测量下无法得到定转子相对位移的问题，本发明提出了一种基于差分误差补偿的磁轴承转子位移测量方法。
发明内容
本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供基于差分误差补偿的磁轴承转子位移测量方法，解决了在检测中心与控制中心不重合下定转子相对位移计算难的问题。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
基于差分误差补偿的磁轴承转子位移测量方法，包括以下步骤：
步骤(1)：将第一位移传感器和第二位移传感器成180°对称安装在定子凸极上，组成差动测量模型，确定两个位移传感器的位移特性常数K1、K2、C1、C2；确定两个位移传感器在转子未悬浮状态下的测量值Dd、Du，Dd即位移传感器与转子的最小距离，Du即位移传感器与转子的最大距离；确定转子直径D、定子内径DS；任取一个传感器作为基准传感器，即认为该传感器的位移特性是标准的，差分测量的误差来自于另一个传感器；
步骤(2)：根据实时得到的差分信号△VF计算位移传感器因位移特性不一致所引起的误差e，其误差方程为：
e＝K△VF-C
式中
Figure BDA0002906474410000021
步骤(3)：基于步骤(2)得到的误差方程建立差分信号的误差补偿方程，计算理想差分信号△VT：
△VT＝△VF(1-K)+C
步骤(4)：基于步骤(3)得到的理想差分信号△VT计算转子中心在控制坐标系下的位移X：
Figure BDA0002906474410000022
其中，k表示基准传感器的位移特性常数，当取第一传感器作为基准传感器时，k＝K1；当第二传感器作为基准传感器时，k＝K2；
步骤(5)：基于步骤(4)得到转子中心在控制坐标系下的位移X，计算差动测量方向定转子的相对位移S1,2：
Figure BDA0002906474410000023
代入得
Figure BDA0002906474410000024
步骤(6)：根据得到的差分信号△VF，重复步骤(5)即可得到差动方向上定转子的实时相对位移。
本发明中，所述步骤(3)中所述理想差分信号△VT是两个性能指标完全一样的位移传感器通过差动运算得到的差分信号。所述步骤(1)中所述的位移传感器的位移特性常数K1、K2、C1、C2为位移传感器本身固有特性参数。所述步骤(5)和(6)中所述的差动测量方向定转子的相对位移S1,2由所述差分信号△VF直接计算得到，所述定转子的相对位移S1,2与差分信号△VF成线性关系。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
采用本发明的方法能够直接通过差分信号快速、准确地计算出定转子在差动方向上的相对位移，有效解决了在检测中心与控制中心不重合下定转子相对位移计算难的问题。
附图说明
图1为本发明的算法原理框图。
图2为本发明中传感器差动测量安装示意图。
图3为算法仿真结果图。
图4为采用本发明的方法进行实际测试的结果图。
其中，1-第一传感器；2-定子；3-转子，4-第二传感器。
具体实施方式
为了更清楚地表达本发明，以下通过具体实施例对本发明作进一步说明。
为了解决在检测中心与控制中心不重合下定转子相对位移计算难的问题，本发明提供基于差分误差补偿的磁轴承转子位移测量方法，其算法原理框图见图1，具体包括以下步骤：
步骤(1)：将第一位移传感器1和第二传感器4成180°对称安装在定子2凸极上，组成差动测量模型，可参见图2，如对x轴方向的转子3位移进行差动测量，则在x轴方向安装位移传感器，如对y轴方向的转子3位移进行差动测量，则在y轴方向安装位移传感器。确定两个位移传感器的位移特性常数K1、K2、C1、C2，位移特性常数均为传感器本身属性，可以由厂商提供或测试得到；确定两个位移传感器在转子3未悬浮状态下的测量值Dd、Du，Dd即位移传感器与转子3的最小距离，Du即位移传感器与转子3的最大距离，安装后即可测量得到；确定转子直径D、定子内径DS，安装后即可测量得到；任取一个传感器作为基准传感器，即认为该传感器的位移特性是标准的，差分测量的误差来自于另一个传感器；
步骤(2)：根据实时得到的差分信号△VF计算位移传感器因位移特性不一致所引起的误差e，其误差方程为：
e＝K△VF-C
式中
Figure BDA0002906474410000041
步骤(3)：基于步骤(2)得到的误差方程建立差分信号的误差补偿方程，计算理想差分信号△VT：
△VT＝△VF(1-K)+C
步骤(4)：基于步骤(3)得到的理想差分信号△VT计算转子中心在控制坐标系下的位移X：
Figure BDA0002906474410000042
其中，k表示基准传感器的位移特性常数，当取第一传感器作为基准传感器时，k＝K1；当第二传感器作为基准传感器时，k＝K2；
步骤(5)：基于步骤(4)得到转子中心在控制坐标系下的位移X，计算差动测量方向定转子的相对位移S1,2：
Figure BDA0002906474410000043
代入得
Figure BDA0002906474410000044
步骤(6)：根据得到的差分信号△VF，重复步骤(5)即可得到差动方向上定转子的实时相对位移。
本发明中，所述步骤(3)中所述理想差分信号△VT是两个性能指标完全一样的位移传感器通过差动运算得到的差分信号。所述步骤(1)中所述的位移传感器的位移特性常数K1、K2、C1、C2为位移传感器本身固有特性参数。所述步骤(5)和(6)中所述的差动测量方向定转子的相对位移S1,2由所述差分信号△VF直接计算得到，所述定转子的相对位移S1,2与差分信号△VF成线性关系。
以下通过具体实施例进行进一步演示。
为方便说明，仅对y轴方向对转子位移进行差动测量。组成差动测量的第一传感器1与第二传感器4的位移特性分别为u1＝3.391*x-2.36，u2＝3.3351*x-2.609，则K1＝3.391、K2＝3.3351、C1＝2.36、C2＝2.609，转子3在未悬浮状态下传感器1与传感器2的测量值Dd与Du分别为2.649mm、1.968mm，转子直径为95mm，定子2内径为96mm。
在本具体实施例中，利用本发明的测试方法进行了仿真与实测实验两组试验。
1、采用本发明的算法进行软件仿真，算法的软件仿真结果如图3所示。仿真结果表明，采用本发明的方法能够直接通过差分信号快速、准确地计算出定转子在差动方向上的相对位移，有效解决了在检测中心与控制中心不重合下定转子相对位移计算难的问题。
2、采用本发明的方法进行实测，沿y轴正方向定转子的相对位移测量结果如图4所示。实验结果表明，采用本发明的方法能够直接通过差分信号快速、准确地计算出定转子在差动方向上的相对位移，有效解决了在检测中心与控制中心不重合下定转子相对位移计算难的问题。
上述说明是针对本发明较佳可行实施例的详细说明，但实施例并非用以限定本发明的专利申请范围，凡本发明所提示的技术精神下所完成的同等变化或修饰变更，均应属于本发明所涵盖专利范围。

Claims (4)

1.基于差分误差补偿的磁轴承转子位移测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤(1)：将第一位移传感器和第二位移传感器成180°对称安装在定子凸极上，组成差动测量模型，确定两个位移传感器的位移特性常数K1、K2、C1、C2；确定两个位移传感器在转子未悬浮状态下的测量值Dd、Du，Dd即位移传感器与转子的最小距离，Du即位移传感器与转子的最大距离；确定转子直径D、定子内径DS；任取一个传感器作为基准传感器，即认为该传感器的位移特性是标准的，差分测量的误差来自于另一个传感器；
步骤(2)：根据实时得到的差分信号△VF计算位移传感器因位移特性不一致所引起的误差e，其误差方程为：
e＝K△VF-C
式中
Figure FDA0002906474400000011
步骤(3)：基于步骤(2)得到的误差方程建立差分信号的误差补偿方程，计算理想差分信号△VT：
△VT＝△VF(1-K)+C
步骤(4)：基于步骤(3)得到的理想差分信号△VT计算转子中心在控制坐标系下的位移X：
Figure FDA0002906474400000012
其中，k表示基准传感器的位移特性常数，当取第一传感器作为基准传感器时，k＝K1；当第二传感器作为基准传感器时，k＝K2；
步骤(5)：基于步骤(4)得到转子中心在控制坐标系下的位移X，计算差动测量方向定转子的相对位移S1,2：
Figure FDA0002906474400000013
代入得
Figure FDA0002906474400000014
步骤(6)：根据得到的差分信号△VF，重复步骤(5)即可得到差动方向上定转子的实时相对位移。
2.根据权利要求1所述的基于差分误差补偿的磁轴承转子位移测量方法，其特征在于，所述步骤(3)中所述理想差分信号△VT是两个性能指标完全一样的位移传感器通过差动运算得到的差分信号。
3.根据权利要求1所述的基于差分误差补偿的磁轴承转子位移测量方法，其特征在于，所述步骤(1)中所述的位移传感器的位移特性常数K1、K2、C1、C2为位移传感器本身固有特性参数。
4.根据权利要求1所述的基于差分误差补偿的磁轴承转子位移测量方法，其特征在于，所述步骤(5)中所述的差动测量方向定转子的相对位移S1,2由所述差分信号△VF直接计算得到，所述定转子的相对位移S1,2与差分信号△VF成线性关系。
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