CN114136614B - 一种磁轴承系统及其转子位置评估方法、装置和存储介质 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种磁轴承系统的转子位置评估方法、装置、磁轴承系统和存储介质，该方法包括：获取一组位移传感器中每个位移传感器采集到的转子的当前位置参数；基于预设的参考位置参数，并结合每个当前位置参数，确定参考位置参数与每个当前位置参数的差值，得到N个差值；对N个差值中的每个差值进行处理，得到每个当前位置参数的估计值；根据每个估计值，确定一组位移传感器中是否有任意位移传感器出现故障；若确定有任意位移传感器出现故障，则发起有任意位移传感器出现故障的提醒消息。该方案，通过对磁轴承系统的位移传感器进行检测，以评估磁轴承系统的转子是否发生故障，实现对磁轴承系统转子稳定性与转子位移故障的防治。
Description
技术领域
本发明属于磁悬浮技术领域，具体涉及一种磁轴承系统的转子位置评估方法、装置、磁轴承系统和存储介质，尤其涉及一种对多重位移传感器接收位置信号分类的转子位置故障评估方法、装置、磁轴承系统和存储介质。
背景技术
在磁悬浮轴承系统(即磁轴承系统)中，转子在机组正常工作下稳定悬浮并高速旋转。转子位置是离心压缩机是否稳定、是否安全运行、是否发生故障的最直接体现之一，所以，对磁轴承系统转子稳定性与转子位移故障的防治研究是很有必要的。
上述内容仅用于辅助理解本发明的技术方案，并不代表承认上述内容是现有技术。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种磁轴承系统的转子位置评估方法、装置、磁轴承系统和存储介质，以解决如何对磁轴承系统转子稳定性与转子位移故障进行防治的问题，达到通过对磁轴承系统的位移传感器进行检测，以评估磁轴承系统的转子是否发生故障，实现对磁轴承系统转子稳定性与转子位移故障的防治的效果。
本发明提供一种磁轴承系统的转子位置评估方法中，所述磁轴承系统，具有一组位移传感器；所述一组位移传感器，由N个位移传感器在设定的差异位置构成，N为正整数；所述磁轴承系统的转子位置评估方法，包括：获取所述一组位移传感器中每个位移传感器采集到的所述转子的当前位置参数；基于预设的参考位置参数，并结合所述每个位移传感器检测到的所述转子的当前位置参数，确定所述参考位置参数与所述每个位移传感器检测到的所述转子的当前位置参数的差值，得到N个差值；将所述参考位置参数与所述N个差值中每个差值的差，作为所述每个位移传感器检测到的位移信号；并对所述每个位移传感器检测到的位移信号进行估计，得到所述每个位移传感器检测到的所述转子的当前位置参数的估计值；根据所述每个位移传感器检测到的所述转子的当前位置参数的估计值，确定所述一组位移传感器中是否有任意位移传感器出现故障；若确定所述一组位移传感器中有所述任意位移传感器出现故障，则发起所述一组位移传感器中有所述任意位移传感器出现故障的提醒消息。
在一些实施方式中，获取所述一组位移传感器中每个位移传感器采集到的所述转子的当前位置参数，包括：采用并行的方式，对所述一组位移传感器中每个位移传感器采集到的所述转子的当前位置参数进行获取。
在一些实施方式中，将所述参考位置参数与所述N个差值中每个差值的差，作为所述每个位移传感器检测到的位移信号；并对所述每个位移传感器检测到的位移信号进行估计，得到所述每个位移传感器检测到的所述转子的当前位置参数的估计值，包括：利用MUSIC算法，对所述每个位移传感器检测到的位移信号进行数字信号处理，得到所述每个位移传感器检测到的所述转子的当前位置参数的估计值。
在一些实施方式中，利用MUSIC算法，对所述每个位移传感器检测到的位移信号进行数字信号处理，得到所述每个位移传感器检测到的所述转子的当前位置参数的估计值，包括：利用MUSIC算法，得到所述一组位移传感器采集到的当前位置参数分类的位移信号空间谱函数：
采用所述一组位移传感器采集到的当前位置参数分类的位移信号空间谱函数进行计算，得到所述每个位移传感器检测到的所述转子的当前位置参数的估计值；其中，PMUSIC(θ)为当前位移信号的空间谱函数，θ为估计值，A(θ)为导向矩阵，
为噪声空间特征矩阵；若矩阵A满足A＝AH，则称矩阵A为厄米特(Hermitian)阵；若矩阵A满足AAH＝I＝AHA，则称矩阵A为酉矩阵；其中，矩阵A行列矢量间均为正交关系，且AH＝A-1。
在一些实施方式中，根据所述每个位移传感器检测到的所述转子的当前位置参数的估计值，确定所述一组位移传感器中是否有任意位移传感器出现故障，包括：确定所述每个位移传感器检测到的所述转子的当前位置参数的估计值，是否属于所述磁轴承系统在设定的健康状态下的健康数据；若在所述一组位移传感器检测到的所述转子的当前位置参数的估计值中，有任意位移传感器检测到的所述转子的当前位置参数的估计值不属于所述磁轴承系统在设定的健康状态下的健康数据，则确定所述任意位移传感器出现故障。
与上述方法相匹配，本发明另一方面提供一种磁轴承系统的转子位置评估装置中，所述磁轴承系统，具有一组位移传感器；所述一组位移传感器，由N个位移传感器在设定的差异位置构成，N为正整数；所述磁轴承系统的转子位置评估装置，包括：获取单元，被配置为获取所述一组位移传感器中每个位移传感器采集到的所述转子的当前位置参数；控制单元，被配置为基于预设的参考位置参数，并结合所述每个位移传感器检测到的所述转子的当前位置参数，确定所述参考位置参数与所述每个位移传感器检测到的所述转子的当前位置参数的差值，得到N个差值；所述控制单元，还被配置为将所述参考位置参数与所述N个差值中每个差值的差，作为所述每个位移传感器检测到的位移信号；并对所述每个位移传感器检测到的位移信号进行估计，得到所述每个位移传感器检测到的所述转子的当前位置参数的估计值；所述控制单元，还被配置为根据所述每个位移传感器检测到的所述转子的当前位置参数的估计值，确定所述一组位移传感器中是否有任意位移传感器出现故障；所述控制单元，还被配置为若确定所述一组位移传感器中有所述任意位移传感器出现故障，则发起所述一组位移传感器中有所述任意位移传感器出现故障的提醒消息。
在一些实施方式中，所述获取单元，获取所述一组位移传感器中每个位移传感器采集到的所述转子的当前位置参数，包括：采用并行的方式，对所述一组位移传感器中每个位移传感器采集到的所述转子的当前位置参数进行获取。
在一些实施方式中，所述控制单元，将所述参考位置参数与所述N个差值中每个差值的差，作为所述每个位移传感器检测到的位移信号；并对所述每个位移传感器检测到的位移信号进行估计，得到所述每个位移传感器检测到的所述转子的当前位置参数的估计值，包括：利用MUSIC算法，对所述每个位移传感器检测到的位移信号进行数字信号处理，得到所述每个位移传感器检测到的所述转子的当前位置参数的估计值。
在一些实施方式中，所述控制单元，利用MUSIC算法，对所述每个位移传感器检测到的位移信号进行数字信号处理，得到所述每个位移传感器检测到的所述转子的当前位置参数的估计值，包括：利用MUSIC算法，得到所述一组位移传感器采集到的当前位置参数分类的位移信号空间谱函数：
采用所述一组位移传感器采集到的当前位置参数分类的位移信号空间谱函数进行计算，得到所述每个位移传感器检测到的所述转子的当前位置参数的估计值；其中，PMUSIC(θ)为当前位移信号的空间谱函数，θ为估计值，A(θ)为导向矩阵，
为噪声空间特征矩阵；若矩阵A满足A＝AH，则称矩阵A为厄米特(Hermitian)阵；若矩阵A满足AAH＝I＝AHA，则称矩阵A为酉矩阵；其中，矩阵A行列矢量间均为正交关系，且AH＝A-1。
在一些实施方式中，所述控制单元，根据所述每个位移传感器检测到的所述转子的当前位置参数的估计值，确定所述一组位移传感器中是否有任意位移传感器出现故障，包括：确定所述每个位移传感器检测到的所述转子的当前位置参数的估计值，是否属于所述磁轴承系统在设定的健康状态下的健康数据；若在所述一组位移传感器检测到的所述转子的当前位置参数的估计值中，有任意位移传感器检测到的所述转子的当前位置参数的估计值不属于所述磁轴承系统在设定的健康状态下的健康数据，则确定所述任意位移传感器出现故障。
与上述装置相匹配，本发明再一方面提供一种磁轴承系统，包括：以上所述的磁轴承系统的转子位置评估装置。
与上述方法相匹配，本发明再一方面提供一种存储介质，所述存储介质包括存储的程序，其中，在所述程序运行时控制所述存储介质所在设备执行以上所述的磁轴承系统的转子位置评估方法。
与上述方法相匹配，本发明再一方面提供一种处理器，所述处理器用于运行程序，其中，所述程序运行时执行以上所述的磁轴承系统的转子位置评估方法。
由此，本发明的方案，通过对磁轴承系统的位移传感器信号进行并行采样，得到位移信号；估计每个位移信号到达设定的参考位置点的方向角和个数等参数，得到估计参数；通过判断该估计参数是否为磁轴承系统在健康状态下的健康参数，检测位移传感器是否正常工作，进而评估磁轴承系统的转子是否发生故障；从而，通过对磁轴承系统的位移传感器进行检测，以评估磁轴承系统的转子是否发生故障，实现对磁轴承系统转子稳定性与转子位移故障的防治。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明的磁轴承系统的转子位置评估方法的一实施例的流程示意图；
图2为本发明的方法中对所述N个差值中的每个差值进行数字信号处理的一实施例的流程示意图；
图3为本发明的方法中确定所述一组位移传感器中是否有任意位移传感器出现故障的一实施例的流程示意图；
图4为本发明的磁轴承系统的转子位置评估装置的一实施例的结构示意图；
图5为磁轴承转子位置故障评估控制系统的一实施例的结构示意图；
图6为位移传感器获取转子位置信号的一实施例的位置示意图一；
图7为位移传感器获取转子位置信号的一实施例的位置示意图二。
结合附图，本发明实施例中附图标记如下：
102-获取单元；104-控制单元。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
根据本发明的实施例，提供了一种磁轴承系统的转子位置评估方法，如图1所示本发明的方法的一实施例的流程示意图。所述磁轴承系统，具有一组位移传感器。所述一组位移传感器，由N个位移传感器在设定的差异位置构成，N为正整数。也就是说，在磁悬浮轴承系统中由多个位移传感器在差异位置构成一个位移传感器组。
所述磁轴承系统的转子位置评估方法，包括：步骤S110至步骤S150。
在步骤S110处，获取所述一组位移传感器中每个位移传感器采集到的所述转子的当前位置参数。转子的当前位置参数，如磁轴承转子的实时位置x。
在一些实施方式中，步骤S110中获取所述一组位移传感器中每个位移传感器采集到的所述转子的当前位置参数，包括：采用并行的方式，对所述一组位移传感器中每个位移传感器采集到的所述转子的当前位置参数进行获取。
在本发明的方案中，可通过对位移传感器信号并行采样的方式，准确估计每个位移信号到达所参考位置点的方向角和个数等参数，并判断其是否为机组健康状态下的数据。
其中，并行采样，即传感器同时采样，具体是将代表信息的信号(位移传感器信号)以成组的方式在两条或两条以上的并行信道上同时传输，节省传输时间，速度快。
在步骤S120处，基于预设的参考位置参数，并结合所述每个位移传感器检测到的所述转子的当前位置参数，确定所述参考位置参数与所述每个位移传感器检测到的所述转子的当前位置参数的差值，得到N个差值。参考位置参数，如磁轴承转子的参考位置xref。
在步骤S130处，将所述参考位置参数与所述N个差值中每个差值的差，作为所述每个位移传感器检测到的位移信号；并对所述每个位移传感器检测到的位移信号进行估计，得到所述每个位移传感器检测到的所述转子的当前位置参数的估计值。
参见图5所示的例子，输入到位置控制器为“差值e”，根据e进而在主反馈回路中对位移进行控制。在参数估计过程，是对位移信号(由于xref已知，此时可以用xref-e得到位移信号)进行谱分析等处理，进行角度估计，进而判断是否异常。估计过程不是对“差值”分析，而是对“位移信号”进行分析。
位移传感器信号实际为位移传感器直接捕获到的信号，得到该信号可直接可直接进行谱分析等处理，但由于谱分析等信号处理需要在数字信号处理芯片DSP(即图5中的位置控制器)中进行。因此，在参数估计过程，可以用xref-e得到位移信号，进行谱分析等处理。
在一些实施方式中，步骤S130中将所述参考位置参数与所述N个差值中每个差值的差，作为所述每个位移传感器检测到的位移信号；并对所述每个位移传感器检测到的位移信号进行估计，得到所述每个位移传感器检测到的所述转子的当前位置参数的估计值，包括：利用MUSIC算法，对所述每个位移传感器检测到的位移信号进行数字信号处理，得到所述每个位移传感器检测到的所述转子的当前位置参数的估计值。
具体地，本发明的方案提出的使用一种多重位移传感器接收位置信号分类的方法中，利用MUSIC算法对位移传感器获取的信号进行数字信号处理，包括：使用接收到的位置数据(即磁轴承转子的参考位置xref与磁轴承转子实时位置x)协方差矩阵空间的正交特性，把随机位移传感器所输出结果的协方差矩阵进行谱分解(即特征分解)，获得和噪声分量之间相互正交的噪声空间以及和位移信号分量所对应的位置信号空间，然后使用噪声和位移信号空间的相互正交性能，进而估计磁轴承转子位置信号的参数值，判断其是否为机组健康状态下的数据。MUSIC算法是一种基于矩阵特征空间分解的方法。
在一些实施方式中，利用MUSIC算法，对所述每个位移传感器检测到的位移信号进行数字信号处理，得到所述每个位移传感器检测到的所述转子的当前位置参数的估计值的具体过程，参见以下示例性说明。
下面结合图2所示本发明的方法中对所述N个差值中的每个差值进行数字信号处理的一实施例流程示意图，进一步说明对所述N个差值中的每个差值进行数字信号处理的具体过程，包括：步骤S210和步骤S220。
步骤S210，利用MUSIC算法，得到所述一组位移传感器采集到的当前位置参数分类的位移信号空间谱函数：
步骤S220，采用所述一组位移传感器采集到的当前位置参数分类的位移信号空间谱函数进行计算，得到所述每个位移传感器检测到的所述转子的当前位置参数的估计值。
其中，PMUSIC(θ)为当前位移信号的空间谱函数，θ为估计值，A(θ)为导向矩阵，
为噪声空间特征矩阵；若矩阵A满足A＝AH，则称矩阵A为厄米特(Hermitian)阵；若矩阵A满足AAH＝I＝AHA，则称矩阵A为酉矩阵；其中，矩阵A行列矢量间均为正交关系，且AH＝A-1。
图6为位移传感器获取转子位置信号的一实施例的位置示意图一。图7为位移传感器获取转子位置信号的一实施例的位置示意图二。下面结合图6和图7所示的例子，对本发明的方案的具体实现过程进行示例性说明。
如图6所示，两个“丰”代表位移传感器，点M代表磁轴承转子上一点。
如图7所示，将位移传感器接收的位移信号部分放大，底部圆形表示一个位移传感器，点M为磁轴承系统转子上的一点。记一个位移传感器的位置为ξ1，另一个位移传感器的坐标为原点O，此时方位角为OM的连线在xy平面上的投影与法线之间的夹角θ，可得两个位移传感器之间接收位移信号的路程之差τi为：
OM的连线即为入射信号，入射信号在xy平面上的投影与传感器阵列的法线方向(即x轴正方向)夹角(即方位角)为θ。
磁轴承系统开始工作后，位移传感器进行接收位置信号，记位移传感器的个数为P，位移传感器之间的距离为
记仰俯角为θi，i＝1、2、…、N，N为正整数，θi∈[0°,360°)；c表示信号传播的速度(如光速)，λ表示信号波长。
位移传感器接收到的正弦位置信号Si(t-τ)可以写成：
其中，m(t)即mi(t)是位置信号的幅度函数(实包络)，
是位置信号的频率，δ(t)是位置信号的相位函数。
可推出第q个位移传感器输出的位置信号xq(t)为：
其中，uqi是第i个位置信号在第q个位移传感器上的增益，nq(t)是在t时刻第q个位移传感器接收的噪声，τqi是第q个位移传感器接收到第i个信号时相对位置参考点的时间延迟。
τi表示两个位移传感器之间接收位移信号的路程之差；τ表示第i个信号到达传感器时相对于参考的时延。例如：传感器间距为d，以第一个传感器为参考传感器(传感器0)，则传感器1相对于参考传感器的时延为：
则传感器2相对于参考传感器的时延为：
用矩阵形式可表示为：
X(t)＝A(θ)S(t)+N(t)t＝1,2,…,T。
其中，A(θ)为导向矩阵，S(t)为位移传感器接收到的正弦位置信号的矩阵，N(t)是位移传感器接收到的噪声的矩阵。
位移传感器的协方差矩阵R为：
若矩阵A满足AAH＝I＝AHA，则称矩阵A为酉矩阵。其中，矩阵A行列矢量间均为正交关系，且AH＝A-1。
将正弦位置信号S(t)的协方差表示为一个非奇异对角矩阵R’(t)＝E[S(t)S(t)H]，可见，空间中的正弦位置信号S(t)之间是互不相干的，正弦位置信号S(t)与传感器的输出信号之间也是互不相干的。
位移传感器的协方差矩阵R可以将特征值分解成位置信号空间US和噪声空间UN：
其中，Us为m个较大特征值λ1,λ2,…,λm所对应的位置信号空间，UN为(Q-m)个较小特征值λm+1,λm+2,…,λQ所对应的噪声空间。
R＝RH是非奇异的正定厄米特(Hermitian)阵。可利用酉变换使其对角化，
由Q个不同正实数组成它的相似对角阵，与其对应的Q个特征向量相互线性独立。
根据位置信号空间Us与噪声空间UN相互正交，可得：
A(θ)R'(t)A(θ)H·UN＝0
即：
由位移传感器接收到的噪声矩阵N(t)有：
因导向矩阵A(θ)中各个列向量与噪声空间UN相互正交：
A(θi)H·UN＝0 i＝1,2,…,Q
得到位移传感器组的协方差矩阵R最大似然估计
表示形式：
L表示接收位移数据的采样拍数。
可分解为位置信号空间特征矩阵
和噪声空间特征矩阵
通过最小化搜索：
θMUSIC即为通过MUSIC算法计算得到的角度估计值θ。
得到多重位移传感器(位移传感器组)接收位置信号分类的位移信号空间谱函数：
MUSIC算法是基于位移信号的导向矢量构成的空间和噪声子空间相互正交的思想。若位移信号的导向矢量和噪声子空间同时存在，那么它们的数量积在理想状态下为零。但在实际的环境中，当导向矢量空间的某一列和位移信号方向矢量是一致的，那么它们的数量积应该是无限小。MUSIC算法正是利用这一点来构成以下空间谱搜索函数，即PMUSIC(θ)。
夹角θ变化时，按照位移信号空间谱函数进行计算，搜寻谱峰进而得到位移信号角度估计的数值。判断夹角θ是否为机组健康状态下的数据，进而评估磁轴承机组是否发生故障。
在本发明的方案中，通过判断参数值是否为机组健康状态下的数据，自动检测位移传感器是否正常工作，自动评估磁轴承转子系统是否发生故障，提高了磁轴承控制系统的可靠性能，减少售后维护中需要人为检测的情况，方便了后期的维护。
在步骤S140处，根据所述每个位移传感器检测到的所述转子的当前位置参数的估计值，确定所述一组位移传感器中是否有任意位移传感器出现故障。
在一些实施方式中，步骤S140中根据所述每个位移传感器检测到的所述转子的当前位置参数的估计值，确定所述一组位移传感器中是否有任意位移传感器出现故障的具体过程，参见以下示例性说明。
下面结合图3所示本发明的方法中确定所述一组位移传感器中是否有任意位移传感器出现故障的一实施例流程示意图，进一步说明步骤S140中确定所述一组位移传感器中是否有任意位移传感器出现故障的具体过程，包括：步骤S310至步骤S320。
步骤S310，确定所述每个位移传感器检测到的所述转子的当前位置参数的估计值，是否属于所述磁轴承系统在设定的健康状态下的健康数据。
步骤S320，若在所述一组位移传感器检测到的所述转子的当前位置参数的估计值中，有任意位移传感器检测到的所述转子的当前位置参数的估计值不属于所述磁轴承系统在设定的健康状态下的健康数据，则确定所述任意位移传感器出现故障。
参见图5所示的例子，通过对位移传感器信号进行信号处理得到θ，判断此θ是否为机组健康状态下的数据，以对磁轴承转子进行评估，进而达到评估磁轴承机组是否发生故障的效果。其中，对位移传感器信号进行处理，具体是利用MUSIC算法对位移传感器获取的信号进行数字信号处理。
本发明的方案，通过实现磁轴承转子位置信号参数值的估计，通过判断参数值是否为机组健康状态下的数据，自动检测位移传感器是否正常工作，自动评估磁轴承转子系统是否发生故障，提高了磁轴承控制系统的可靠性能。
在步骤S150处，若确定所述一组位移传感器中有所述任意位移传感器出现故障，则发起所述一组位移传感器中有所述任意位移传感器出现故障的提醒消息。
图5为磁轴承转子位置故障评估控制系统的一实施例的结构示意图，具体是本发明提出的一种对位移传感器组接收位置信号分类的磁悬浮轴承控制系统的一实施例的结构示意图。如图5所示，磁轴承转子位置故障评估控制系统，包括：比较器、位置控制器、功放模块(如功率放大器)、电磁铁和位移传感器。位移传感器获取磁轴承转子的实时位置x，并输入至比较器的反相输入端。磁轴承转子的参考位置xref，输入至比较器的同相输入端。比较器的输出端，输出磁轴承转子的参考位置xref与磁轴承转子实时位置x的差值e。位置控制器，基于输出磁轴承转子的参考位置xref与磁轴承转子实时位置x的差值e，输出电压值u。该电压值u，经功率放大器转后得到电流值i。该电流值i经电磁铁后输出电磁力F。该电磁力F能够驱动磁轴承转子悬浮。
在图5所示的例子中，位置控制器，还基于输出磁轴承转子的参考位置xref与磁轴承转子实时位置x的差值e，进行参数估计，如通过DSP控制系统运算，得到的转子角度估计值θ。判断转子角度估计值θ是否在正常值范围内，若是，则继续基于输出磁轴承转子的参考位置xref与磁轴承转子实时位置x的差值e，进行参数估计。否则，报告磁轴承转子实时位置x异常。
本发明的方案，提出了一种对多重位移传感器接收位置信号分类的转子位置故障评估方法，通过高速、高效、精确的方法来处理转子的位移信号，通过对磁悬浮轴承转子系统故障综合评估，确定其系统的安全级别，实时掌握可能发生的故障与事故的危害程度，实时判断磁轴承系统的危险性，有利于提高磁轴承系统控制的安全性。
采用本实施例的技术方案，通过对磁轴承系统的位移传感器信号进行并行采样，得到位移信号。估计每个位移信号到达设定的参考位置点的方向角和个数等参数，得到估计参数。通过判断该估计参数是否为磁轴承系统在健康状态下的健康参数，检测位移传感器是否正常工作，进而评估磁轴承系统的转子是否发生故障。从而，通过对磁轴承系统的位移传感器进行检测，以评估磁轴承系统的转子是否发生故障，实现对磁轴承系统转子稳定性与转子位移故障的防治。
根据本发明的实施例，还提供了对应于磁轴承系统的转子位置评估方法的一种磁轴承系统的转子位置评估装置。参见图4所示本发明的装置的一实施例的结构示意图。所述磁轴承系统，具有一组位移传感器。所述一组位移传感器，由N个位移传感器在设定的差异位置构成，N为正整数。也就是说，在磁悬浮轴承系统中由多个位移传感器在差异位置构成一个位移传感器组。
所述磁轴承系统的转子位置评估装置，包括：获取单元102和控制单元104。
其中，获取单元102，被配置为获取所述一组位移传感器中每个位移传感器采集到的所述转子的当前位置参数。转子的当前位置参数，如磁轴承转子的实时位置x。该获取单元102的具体功能及处理参见步骤S110。
在一些实施方式中，所述获取单元102，获取所述一组位移传感器中每个位移传感器采集到的所述转子的当前位置参数，包括：所述获取单元102，具体还被配置为采用并行的方式，对所述一组位移传感器中每个位移传感器采集到的所述转子的当前位置参数进行获取。
在本发明的方案中，可通过对位移传感器信号并行采样的方式，准确估计每个位移信号到达所参考位置点的方向角和个数等参数，并判断其是否为机组健康状态下的数据。
控制单元104，被配置为基于预设的参考位置参数，并结合所述每个位移传感器检测到的所述转子的当前位置参数，确定所述参考位置参数与所述每个位移传感器检测到的所述转子的当前位置参数的差值，得到N个差值。参考位置参数，如磁轴承转子的参考位置xref。该控制单元104的具体功能及处理参见步骤S120。
所述控制单元104，还被配置为将所述参考位置参数与所述N个差值中每个差值的差，作为所述每个位移传感器检测到的位移信号；并对所述每个位移传感器检测到的位移信号进行估计，得到所述每个位移传感器检测到的所述转子的当前位置参数的估计值。
在一些实施方式中，所述控制单元104，将所述参考位置参数与所述N个差值中每个差值的差，作为所述每个位移传感器检测到的位移信号；并对所述每个位移传感器检测到的位移信号进行估计，得到所述每个位移传感器检测到的所述转子的当前位置参数的估计值，包括：所述控制单元104，具体还被配置为利用MUSIC算法，对所述每个位移传感器检测到的位移信号进行数字信号处理，得到所述每个位移传感器检测到的所述转子的当前位置参数的估计值。
具体地，本发明的方案提出的使用一种多重位移传感器接收位置信号分类的装置中，利用MUSIC算法对位移传感器获取的信号进行数字信号处理，包括：使用接收到的位置数据(即磁轴承转子的参考位置xref与磁轴承转子实时位置x)协方差矩阵空间的正交特性，把随机位移传感器所输出结果的协方差矩阵进行谱分解(即特征分解)，获得和噪声分量之间相互正交的噪声空间以及和位移信号分量所对应的位置信号空间，然后使用噪声和位移信号空间的相互正交性能，进而估计磁轴承转子位置信号的参数值，判断其是否为机组健康状态下的数据。MUSIC算法是一种基于矩阵特征空间分解的装置。
在一些实施方式中，所述控制单元104，利用MUSIC算法，对所述每个位移传感器检测到的位移信号进行数字信号处理，得到所述每个位移传感器检测到的所述转子的当前位置参数的估计值，包括：
所述控制单元104，具体还被配置为利用MUSIC算法，得到所述一组位移传感器采集到的当前位置参数分类的位移信号空间谱函数：
所述控制单元104，具体还被配置为采用所述一组位移传感器采集到的当前位置参数分类的位移信号空间谱函数进行计算，得到所述每个位移传感器检测到的所述转子的当前位置参数的估计值。
其中，PMUSIC(θ)为当前位移信号的空间谱函数，θ为估计值，A(θ)为导向矩阵，
为噪声空间特征矩阵；若矩阵A满足A＝AH，则称矩阵A为厄米特(Hermitian)阵；若矩阵A满足AAH＝I＝AHA，则称矩阵A为酉矩阵；其中，矩阵A行列矢量间均为正交关系，且AH＝A-1。该控制单元104的具体功能及处理还参见步骤S220。
图6为位移传感器获取转子位置信号的一实施例的位置示意图一。图7为位移传感器获取转子位置信号的一实施例的位置示意图二。下面结合图6和图7所示的例子，对本发明的方案的具体实现过程进行示例性说明。
如图6所示，两个“丰”代表位移传感器，点M代表磁轴承转子上一点。
如图7所示，将位移传感器接收的位移信号部分放大，底部圆形表示一个位移传感器，点M为磁轴承系统转子上的一点。记一个位移传感器的位置为ξ1，另一个位移传感器的坐标为原点O，此时方位角为OM的连线在xy平面上的投影与法线之间的夹角θ，可得两个位移传感器之间接收位移信号的路程之差τi为：
磁轴承系统开始工作后，位移传感器进行接收位置信号，记位移传感器的个数为P，位移传感器之间的距离为
记仰俯角为θi，i＝1、2、…、N，N为正整数，θi∈[0°,360°)。
位移传感器接收到的正弦位置信号Si(t-τ)可以写成：
其中，m(t)即mi(t)是位置信号的幅度函数(实包络)，
是位置信号的频率，δ(t)是位置信号的相位函数。
可推出第q个位移传感器输出的位置信号xq(t)为：
其中，uqi是第i个位置信号在第q个位移传感器上的增益，nq(t)是在t时刻第q个位移传感器接收的噪声，τqi是第q个位移传感器接收到第i个信号时相对位置参考点的时间延迟。
用矩阵形式可表示为：
X(t)＝A(θ)S(t)+N(t) t＝1,2,…,T。
其中，A(θ)为导向矩阵，S(t)为位移传感器接收到的正弦位置信号的矩阵，N(t)是位移传感器接收到的噪声的矩阵。
位移传感器的协方差矩阵R为：
位移传感器的协方差矩阵R可以将特征值分解成位置信号空间US和噪声空间UN：
其中，Us为m个较大特征值λ1,λ2,…,λm所对应的位置信号空间，UN为(Q-m)个较小特征值λm+1,λm+2,…,λQ所对应的噪声空间。
根据位置信号空间Us与噪声空间UN相互正交，可得：
A(θ)R'(t)A(θ)H·UN＝0
即：
因导向矩阵A(θ)中各个列向量与噪声空间UN相互正交：
A(θi)H·UN＝0 i＝1,2,…,Q
得到位移传感器组的协方差矩阵R最大似然估计
表示形式：
可分解为位置信号空间特征矩阵
和噪声空间特征矩阵
通过最小化搜索：
得到多重位移传感器(位移传感器组)接收位置信号分类的位移信号空间谱函数：
夹角θ变化时，按照位移信号空间谱函数进行计算，搜寻谱峰进而得到位移信号角度估计的数值。判断夹角θ是否为机组健康状态下的数据，进而评估磁轴承机组是否发生故障。
在本发明的方案中，通过判断参数值是否为机组健康状态下的数据，自动检测位移传感器是否正常工作，自动评估磁轴承转子系统是否发生故障，提高了磁轴承控制系统的可靠性能，减少售后维护中需要人为检测的情况，方便了后期的维护。
本发明的方案中，仅以一种对多重位移传感器组接收位置信号分类的磁悬浮轴承控制系统为例，同样适用于其他传类型传感器(如温度传感器等)接收信号的情况。
所述控制单元104，还被配置为根据所述每个位移传感器检测到的所述转子的当前位置参数的估计值，确定所述一组位移传感器中是否有任意位移传感器出现故障。
在一些实施方式中，所述控制单元104，根据所述每个位移传感器检测到的所述转子的当前位置参数的估计值，确定所述一组位移传感器中是否有任意位移传感器出现故障，包括：
所述控制单元104，具体还被配置为确定所述每个位移传感器检测到的所述转子的当前位置参数的估计值，是否属于所述磁轴承系统在设定的健康状态下的健康数据。该控制单元104的具体功能及处理还参见步骤S310。
所述控制单元104，具体还被配置为若在所述一组位移传感器检测到的所述转子的当前位置参数的估计值中，有任意位移传感器检测到的所述转子的当前位置参数的估计值不属于所述磁轴承系统在设定的健康状态下的健康数据，则确定所述任意位移传感器出现故障。该控制单元104的具体功能及处理还参见步骤S320。
参见图5所示的例子，通过对位移传感器信号进行信号处理得到θ，判断此θ是否为机组健康状态下的数据，以对磁轴承转子进行评估，进而达到评估磁轴承机组是否发生故障的效果。其中，对位移传感器信号进行处理，具体是利用MUSIC算法对位移传感器获取的信号进行数字信号处理。
本发明的方案，通过实现磁轴承转子位置信号参数值的估计，通过判断参数值是否为机组健康状态下的数据，自动检测位移传感器是否正常工作，自动评估磁轴承转子系统是否发生故障，提高了磁轴承控制系统的可靠性能。
所述控制单元104，还被配置为若确定所述一组位移传感器中有所述任意位移传感器出现故障，则发起所述一组位移传感器中有所述任意位移传感器出现故障的提醒消息。
图5为磁轴承转子位置故障评估控制系统的一实施例的结构示意图，具体是本发明提出的一种对位移传感器组接收位置信号分类的磁悬浮轴承控制系统的一实施例的结构示意图。如图5所示，磁轴承转子位置故障评估控制系统，包括：比较器、位置控制器、功放模块(如功率放大器)、电磁铁和位移传感器。位移传感器获取磁轴承转子的实时位置x，并输入至比较器的反相输入端。磁轴承转子的参考位置xref，输入至比较器的同相输入端。比较器的输出端，输出磁轴承转子的参考位置xref与磁轴承转子实时位置x的差值e。位置控制器，基于输出磁轴承转子的参考位置xref与磁轴承转子实时位置x的差值e，输出电压值u。该电压值u，经功率放大器转后得到电流值i。该电流值i经电磁铁后输出电磁力F。该电磁力F能够驱动磁轴承转子悬浮。
在图5所示的例子中，位置控制器，还基于输出磁轴承转子的参考位置xref与磁轴承转子实时位置x的差值e，进行参数估计，如通过DSP控制系统运算，得到的转子角度估计值θ。判断转子角度估计值θ是否在正常值范围内，若是，则继续基于输出磁轴承转子的参考位置xref与磁轴承转子实时位置x的差值e，进行参数估计。否则，报告磁轴承转子实时位置x异常。
本发明的方案，提出了一种对多重位移传感器接收位置信号分类的转子位置故障评估装置，通过高速、高效、精确的装置来处理转子的位移信号，通过对磁悬浮轴承转子系统故障综合评估，确定其系统的安全级别，实时掌握可能发生的故障与事故的危害程度，实时判断磁轴承系统的危险性，有利于提高磁轴承系统控制的安全性。
由于本实施例的装置所实现的处理及功能基本相应于前述方法的实施例、原理和实例，故本实施例的描述中未详尽之处，可以参见前述实施例中的相关说明，在此不做赘述。
采用本发明的技术方案，通过对磁轴承系统的位移传感器信号进行并行采样，得到位移信号；估计每个位移信号到达设定的参考位置点的方向角和个数等参数，得到估计参数；通过判断该估计参数是否为磁轴承系统在健康状态下的健康参数，检测位移传感器是否正常工作，进而评估磁轴承系统的转子是否发生故障，提高了磁轴承控制系统的可靠性能。
根据本发明的实施例，还提供了对应于磁轴承系统的转子位置评估装置的一种磁轴承系统。该磁轴承系统可以包括：以上所述的磁轴承系统的转子位置评估装置。
由于本实施例的磁轴承系统所实现的处理及功能基本相应于前述装置的实施例、原理和实例，故本实施例的描述中未详尽之处，可以参见前述实施例中的相关说明，在此不做赘述。
采用本发明的技术方案，通过对磁轴承系统的位移传感器信号进行并行采样，得到位移信号；估计每个位移信号到达设定的参考位置点的方向角和个数等参数，得到估计参数；通过判断该估计参数是否为磁轴承系统在健康状态下的健康参数，检测位移传感器是否正常工作，进而评估磁轴承系统的转子是否发生故障，能够减少售后维护中需要人为检测的情况，方便了后期的维护。
根据本发明的实施例，还提供了对应于磁轴承系统的转子位置评估方法的一种存储介质，所述存储介质包括存储的程序，其中，在所述程序运行时控制所述存储介质所在设备执行以上所述的磁轴承系统的转子位置评估方法。
由于本实施例的存储介质所实现的处理及功能基本相应于前述方法的实施例、原理和实例，故本实施例的描述中未详尽之处，可以参见前述实施例中的相关说明，在此不做赘述。
采用本发明的技术方案，通过对磁轴承系统的位移传感器信号进行并行采样，得到位移信号；估计每个位移信号到达设定的参考位置点的方向角和个数等参数，得到估计参数；通过判断该估计参数是否为磁轴承系统在健康状态下的健康参数，检测位移传感器是否正常工作，进而评估磁轴承系统的转子是否发生故障，能够实时判断磁轴承系统的危险性，有利于提高磁轴承系统的安全性。
根据本发明的实施例，还提供了对应于磁轴承系统的转子位置评估方法的一种处理器，所述处理器用于运行程序，其中，所述程序运行时执行以上所述的磁轴承系统的转子位置评估方法。
由于本实施例的处理器所实现的处理及功能基本相应于前述方法的实施例、原理和实例，故本实施例的描述中未详尽之处，可以参见前述实施例中的相关说明，在此不做赘述。
采用本发明的技术方案，通过对磁轴承系统的位移传感器信号进行并行采样，得到位移信号；估计每个位移信号到达设定的参考位置点的方向角和个数等参数，得到估计参数；通过判断该估计参数是否为磁轴承系统在健康状态下的健康参数，检测位移传感器是否正常工作，进而评估磁轴承系统的转子是否发生故障，能够实时掌握可能发生的故障与事故的危害程度，有利于提升磁轴承系统的可靠性。
综上，本领域技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各有利方式可以自由地组合、叠加。
以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。
Claims (10)
1.一种磁轴承系统的转子位置评估方法，其特征在于，所述磁轴承系统，具有一组位移传感器；所述一组位移传感器，由N个位移传感器在设定的差异位置构成，N为正整数；
所述磁轴承系统的转子位置评估方法，包括：
获取所述一组位移传感器中每个位移传感器采集到的所述转子的当前位置参数；
基于预设的参考位置参数，并结合所述每个位移传感器检测到的所述转子的当前位置参数，确定所述参考位置参数与所述每个位移传感器检测到的所述转子的当前位置参数的差值，得到N个差值；
将所述参考位置参数与所述N个差值中每个差值的差，作为所述每个位移传感器检测到的位移信号；并对所述每个位移传感器检测到的位移信号进行估计，得到所述每个位移传感器检测到的所述转子的当前位置参数的估计值；
根据所述每个位移传感器检测到的所述转子的当前位置参数的估计值，确定所述一组位移传感器中是否有任意位移传感器出现故障；通过对磁轴承系统的位移传感器信号进行并行采样，得到位移信号；估计每个位移信号到达设定的参考位置点的方向角和个数，得到估计参数；通过判断该估计参数是否为磁轴承系统在健康状态下的健康参数，检测位移传感器是否正常工作，进而评估磁轴承系统的转子是否发生故障；
若确定所述一组位移传感器中有所述任意位移传感器出现故障，则发起所述一组位移传感器中有所述任意位移传感器出现故障的提醒消息。
2.根据权利要求1所述的磁轴承系统的转子位置评估方法，其特征在于，获取所述一组位移传感器中每个位移传感器采集到的所述转子的当前位置参数，包括：
采用并行的方式，对所述一组位移传感器中每个位移传感器采集到的所述转子的当前位置参数进行获取。
3.根据权利要求1或2所述的磁轴承系统的转子位置评估方法，其特征在于，将所述参考位置参数与所述N个差值中每个差值的差，作为所述每个位移传感器检测到的位移信号；并对所述每个位移传感器检测到的位移信号进行估计，得到所述每个位移传感器检测到的所述转子的当前位置参数的估计值，包括：
利用MUSIC算法，对所述每个位移传感器检测到的位移信号进行数字信号处理，得到所述每个位移传感器检测到的所述转子的当前位置参数的估计值。
4.根据权利要求1或2所述的磁轴承系统的转子位置评估方法，其特征在于，根据所述每个位移传感器检测到的所述转子的当前位置参数的估计值，确定所述一组位移传感器中是否有任意位移传感器出现故障，包括：
确定所述每个位移传感器检测到的所述转子的当前位置参数的估计值，是否属于所述磁轴承系统在设定的健康状态下的健康数据；
若在所述一组位移传感器检测到的所述转子的当前位置参数的估计值中，有任意位移传感器检测到的所述转子的当前位置参数的估计值不属于所述磁轴承系统在设定的健康状态下的健康数据，则确定所述任意位移传感器出现故障。
5.一种磁轴承系统的转子位置评估装置，其特征在于，所述磁轴承系统，具有一组位移传感器；所述一组位移传感器，由N个位移传感器在设定的差异位置构成，N为正整数；
所述磁轴承系统的转子位置评估装置，包括：
获取单元，被配置为获取所述一组位移传感器中每个位移传感器采集到的所述转子的当前位置参数；
控制单元，被配置为基于预设的参考位置参数，并结合所述每个位移传感器检测到的所述转子的当前位置参数，确定所述参考位置参数与所述每个位移传感器检测到的所述转子的当前位置参数的差值，得到N个差值；
所述控制单元，还被配置为将所述参考位置参数与所述N个差值中每个差值的差，作为所述每个位移传感器检测到的位移信号；并对所述每个位移传感器检测到的位移信号进行估计，得到所述每个位移传感器检测到的所述转子的当前位置参数的估计值；
所述控制单元，还被配置为根据所述每个位移传感器检测到的所述转子的当前位置参数的估计值，确定所述一组位移传感器中是否有任意位移传感器出现故障；通过对磁轴承系统的位移传感器信号进行并行采样，得到位移信号；估计每个位移信号到达设定的参考位置点的方向角和个数，得到估计参数；通过判断该估计参数是否为磁轴承系统在健康状态下的健康参数，检测位移传感器是否正常工作，进而评估磁轴承系统的转子是否发生故障；
所述控制单元，还被配置为若确定所述一组位移传感器中有所述任意位移传感器出现故障，则发起所述一组位移传感器中有所述任意位移传感器出现故障的提醒消息。
6.根据权利要求5所述的磁轴承系统的转子位置评估装置，其特征在于，所述获取单元，获取所述一组位移传感器中每个位移传感器采集到的所述转子的当前位置参数，包括：
采用并行的方式，对所述一组位移传感器中每个位移传感器采集到的所述转子的当前位置参数进行获取。
7.根据权利要求5或6所述的磁轴承系统的转子位置评估装置，其特征在于，所述控制单元，将所述参考位置参数与所述N个差值中每个差值的差，作为所述每个位移传感器检测到的位移信号；并对所述每个位移传感器检测到的位移信号进行估计，得到所述每个位移传感器检测到的所述转子的当前位置参数的估计值，包括：
利用MUSIC算法，对所述每个位移传感器检测到的位移信号进行数字信号处理，得到所述每个位移传感器检测到的所述转子的当前位置参数的估计值。
8.根据权利要求5或6所述的磁轴承系统的转子位置评估装置，其特征在于，所述控制单元，根据所述每个位移传感器检测到的所述转子的当前位置参数的估计值，确定所述一组位移传感器中是否有任意位移传感器出现故障，包括：
确定所述每个位移传感器检测到的所述转子的当前位置参数的估计值，是否属于所述磁轴承系统在设定的健康状态下的健康数据；
若在所述一组位移传感器检测到的所述转子的当前位置参数的估计值中，有任意位移传感器检测到的所述转子的当前位置参数的估计值不属于所述磁轴承系统在设定的健康状态下的健康数据，则确定所述任意位移传感器出现故障。
9.一种磁轴承系统，其特征在于，包括：如权利要求5至8中任一项所述的磁轴承系统的转子位置评估装置。
10.一种存储介质，其特征在于，所述存储介质包括存储的程序，其中，在所述程序运行时控制所述存储介质所在设备执行权利要求1至4中任一项所述的磁轴承系统的转子位置评估方法。
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