CN116907402A - 一种磁悬浮转子系统位移传感器自校准方法 - Google Patents

一种磁悬浮转子系统位移传感器自校准方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种磁悬浮转子系统位移传感器自校准方法，涉及位移传感器校准技术领域，包括建立磁悬浮转子系统模型，控制转子在保护轴承上振荡明确位移传感器输出的上下限；建立零外力条件下磁轴承控制电流与转子偏离磁中心位移的模型，并通过该模型计算转子偏离磁中心的位移；通过调整磁悬浮转子系统的参考位移控制转子运动，并通过观测磁轴承线圈电流使转子悬浮至物理位移测量点，记录位移传感器的输出电压；将所述位移传感器的输出电压并与标称电压对比完成校准。本发明所述方法无需拆卸磁悬浮转子系统位移传感器及其相关组件就能够对磁悬浮转子系统位移传感器进行自校准，且不影响磁悬浮转子系统的性能。

Description

一种磁悬浮转子系统位移传感器自校准方法
技术领域
本发明涉及位移传感器校准技术领域，特别是一种磁悬浮转子系统位移传感器自校准方法。
背景技术
磁轴承相比如传统机械轴承具有无摩擦、无需润滑，主动振动可控等优点，目前被广泛应用于高速电机、鼓风机、控制力矩陀螺、分子泵等高速旋转装备中。磁悬浮转子系统依靠位移传感器进行转子的位移检测和反馈控制，因此位移传感器定期校准是磁悬浮转子系统安全运行的保障。磁悬浮装备结构复杂，位移传感器安装位置往往位于装备核心区域，对其进行离线校准常常面临磁悬浮转子系统位移传感器及其相关组件拆卸困难和耗时较长的问题。此外，位移传感器的拆卸和安装也会导致磁悬浮转子系统各组件间隙发生变化，进而影响磁悬浮转子控制系统的性能。因此，磁悬浮转子系统迫切需求位移传感器自校准方法。
发明内容
本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。
鉴于上述和/或现有的位移传感器自校准方法中存在的问题，提出了本发明。
因此，本发明所要解决的问题在于如何提供一种磁悬浮转子系统位移传感器自校准方法。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种磁悬浮转子系统位移传感器自校准方法，其包括，建立磁悬浮转子系统模型，控制转子在保护轴承上振荡明确位移传感器输出的上下限；建立零外力条件下磁轴承控制电流与转子偏离磁中心位移的模型，并通过该模型计算转子偏离磁中心的位移；通过调整磁悬浮转子系统的参考位移控制转子运动，并通过观测磁轴承线圈电流使转子悬浮至物理位移测量点，记录位移传感器的输出电压；将所述位移传感器的输出电压并与标称电压对比完成校准。
作为本发明所述磁悬浮转子系统位移传感器自校准方法的一种优选方案，其中：所述通过调整磁悬浮转子系统的参考位移控制转子运动包括，将参考电流和磁轴承线圈电流偏差作为输入的电流反馈PI控制器，用所述电流反馈PI控制器的输出调整参考位移；根据磁轴承线圈的控制电流和转子偏离磁中心位移的函数关系设定参考电流值；磁悬浮转子系统稳态后，转子将被悬浮至设定的参考电流对应的位移测量点处，完成对所述转子运动控制。
作为本发明所述磁悬浮转子系统位移传感器自校准方法的一种优选方案，其中：建立零外力条件下磁轴承控制电流与转子偏离磁中心位移的模型包括如下步骤，
建立典型的纯电磁磁轴承和永磁偏置磁轴承的等效力学模型，表示为：
简化上式后表示为：
其中F(i,δ m )是作用在转子上的磁轴承力；k m 为比例系数，I 0 为等效的偏置电流，δ m 为转子偏离磁中心的位移，δ 0 为单边磁间隙，i为磁轴承线圈控制电流，δ 0 >δ m ，I 0 >i m ；
当磁悬浮转子系统外扰为零时，系统稳态时磁轴承力F(i,δ m )=0，因此可以获得转子偏离磁中心位移与磁轴承控制电流的关系为
。
作为本发明所述磁悬浮转子系统位移传感器自校准方法的一种优选方案，其中：所述磁悬浮转子系统模型包括磁悬浮转子、位移传感器、电流传感器、电流反馈PI控制器、功率放大器和位移反馈控制器，所述电流反馈PI控制器的输入为所述参考电流和所述磁轴承线圈电流偏差。
作为本发明所述磁悬浮转子系统位移传感器自校准方法的一种优选方案，其中：控制转子在保护轴承上振荡明确位移传感器输出的上下限包括，在磁悬浮转子系统开环状态下给磁轴承线圈施加正弦的控制电流；不断增大电流幅值，当控制力幅值大于最大位移负刚度力时，转子就会在保护轴承上来回振荡；根据位移传感器的输出的电压，即可确定位移传感器输出的上下限。
一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序是实现磁悬浮转子系统位移传感器自校准方法的步骤。
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现磁悬浮转子系统位移传感器自校准方法的步骤。
本发明有益效果为：
（1）本发明能够对磁悬浮转子系统位移传感器进行自校准，无需拆卸磁悬浮转子系统位移传感器及其相关组件，不影响磁悬浮转子系统的性能；
（2）本发明利用磁悬浮装备自身的磁悬浮转子系统实现标准位移的产生和测量，无需安装额外的传感器，能够解决部分磁悬浮装备因结构紧凑无法安装测量仪器的难题；
（3）本发明设计了电流反馈控制器，能够通过设定参考电流值产生期望的标准位移，操作简单，提升了位移传感器校准的效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
图1为磁悬浮转子系统结构示意图。
图2为径向磁悬浮转子系统组件位置关系图。
图3为轴向磁悬浮转子系统组件位置关系图。
图4为转子在保护轴承上振荡时位移传感器输出电压图。
图5为基于电流跟随控制的转子位移控制系统框图。
图6为本发明的流程图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
实施例1
参照图1~图6，为本发明第一个实施例，该实施例提供了一种磁悬浮转子系统位移传感器自校准方法，磁悬浮转子系统位移传感器自校准方法包括如下步骤：
S1、建立磁悬浮转子系统模型，控制转子在保护轴承上振荡明确位移传感器输出的上下限。
如图1所示，所述磁悬浮转子系统模型包括磁悬浮转子、位移传感器、电流传感器、电流反馈PI控制器、功率放大器、位移反馈控制器、磁轴承和保护轴承，所述电流反馈PI控制器的输入为所述参考电流和所述磁轴承线圈电流偏差。图1中，OXYZ为广义坐标系，OamXamYamZam、ObmXbmYbmZbm为磁轴承坐标系，OasXasYasZas、ObsXbsYbsZbs为传感器坐标系。磁悬浮转子系统的工作原理是，首先设定转子的参考位移作为转子的稳定悬浮位置，位移传感器检测转子的位移并输入至控制器中，控制器根据控制算法计算出控制量作用于功率放大器实现对线圈电流的控制，线圈电流直接影响磁轴承的控制力实现对转子位移的调节，稳态时转子稳定悬浮至参考位移处。图1中的保护轴承是机械轴承，其内径略大于保护轴承安装位置处的转子直径，图2和图3分别展示了径向和轴向保护轴承、转子、磁轴承以及位移传感器的位置关系。其中，转子与保护轴承之间的间隙δ m 被作单边保护间隙；磁轴承内径略大于其安装位置处的转子直径，转子与磁轴承之间的间隙δ 0 被称作单边磁间隙；保护间隙小于磁间隙以防止转子触碰到磁轴承进而起到保护作用。
控制转子在保护轴承上振荡明确位移传感器输出的上下限包括，在磁悬浮转子系统开环状态下给磁轴承线圈施加正弦的控制电流；不断增大电流幅值，当控制力幅值大于最大位移负刚度力时，转子就会在保护轴承上来回振荡，位移传感器输出电压的形式如图4所示；根据位移传感器的输出的电压，即可确定位移传感器输出的上下限，此步骤的目的是避免调整转子悬浮位置时转子触碰到保护轴承引发磁悬浮转子系统失稳。
位移传感器校准的核心在于使转子产生标准位移，然后量测位移传感器输出电压，最后与标称传感器输出电压值进行对比即可完成校准。位移传感器的离线校准常常采用基于螺旋测微仪的静态标定台使转子产生标准位移，本发明所提的位移传感器自校准方法则是利用磁悬浮转子闭环系统控制转子产生标准位移，本发明方法的流程如图6所示。
S2、建立零外力条件下磁轴承控制电流与转子偏离磁中心位移的模型，并通过该模型计算转子偏离磁中心的位移。
其中，建立零外力条件下磁轴承控制电流与转子偏离磁中心位移的模型包括如下步骤，
建立典型的纯电磁磁轴承和永磁偏置磁轴承的等效力学模型，表示为：
简化上式后表示为：
其中F(i,δ m )是作用在转子上的磁轴承力；k m 为比例系数，I 0 为等效的偏置电流，δ m 为转子偏离磁中心的位移，δ 0 为单边磁间隙，i为磁轴承线圈控制电流，δ 0 >δ m ，I 0 >i m ；
当磁悬浮转子系统外扰为零时，系统稳态时磁轴承力F(i,δ m )=0，因此可以获得转子偏离磁中心位移与磁轴承控制电流的关系为
该式表明，在外力为零时，磁悬浮转子闭环系统转子偏离磁中心的物理位移始终与控制电流成线性关系，其系数不受转子位移和控制电流大小影响。由于磁轴承线圈电流容易被测量，因此可利用磁轴承线圈电流计算转子的物理位移。
S3、通过调整磁悬浮转子系统的参考位移控制转子运动，并通过观测磁轴承线圈电流使转子悬浮至物理位移测量点，记录位移传感器的输出电压；
其中，所述通过调整磁悬浮转子系统的参考位移控制转子运动包括，
将参考电流和磁轴承线圈电流偏差作为输入的电流反馈PI控制器，用所述电流反馈PI控制器的输出调整参考位移；
根据磁轴承线圈的控制电流和转子偏离磁中心位移的函数关系设定参考电流值；
磁悬浮转子系统稳态后，转子将被悬浮至设定的参考电流对应的位移测量点处，完成对所述转子运动控制。
S4、将所述位移传感器的输出电压并与标称电压对比完成校准。
需要注意的是，虽然在调整转子悬浮位移时，可以手动调节参考位移直至磁轴承线圈控制电流与选取的电流值一致，但是此方法耗时长效率低。本发明方法提出如图5所示的控制策略。磁悬浮转子系统的详细工作原理是，位移传感器检测到转子位移x并经过信号采集和模数转换为数字量x ad，与参考位移x ref做差后得到e x传输至位移反馈控制器中，经控制率运算后输出控制信号u c并经过功率放大器控制磁轴承线圈电流i，进而使磁轴承输出控制力f i，并与磁轴承位移负刚度力f h，以及外部扰动力f d控形成合力f作用到转子上共同控制转子的运动。本发明所提控制策略是在磁悬浮转子闭环控制系统的基础上向引入参考电流，设计电流反馈PI控制器，并利用电流反馈控制器的计算结果调整系统的参考位移。该控制策略只需在参考电流处给定选取的电流值i ref，电流反馈控制器根据参考电流i ref和采样的电流i ad 的差值计算出控制器输出Ref_PI，并赋值给参考位移x ref，闭环磁悬浮转子系统稳态时就会使磁轴承线圈电流稳定至参考电流处，此时转子也会稳定悬浮至该参考电流所对应的位移处。该控制策略能有效代替手动反复调节参考位移的过程，提高磁悬浮转子系统位移传感器的校准效率。此外，该控制策略可通过设置选择开关switch参数为1时使系统进入电流跟随控制策略，此时在完成位移传感器的校准后，设置选择开关switch参数为0时系统变为原磁悬浮转子系统，系统的参考位移x ref变为原系统手动输入的参考位移值Ref_mannual，不影响原系统的稳定性和控制性能。
本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术，此处不做赘述。
需要说明的是，功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备（可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等）执行本发明各个实施例方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器（ROM，Read-Only Memory）、随机存取存储器（RAM，Random Access Memory）、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备（如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统）使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，“计算机可读介质”可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。
计算机可读介质的更具体的示例（非穷尽性列表）包括以下：具有一个或多个布线的电连接部（电子装置）、便携式计算机盘盒（磁装置）、随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、可擦除可编辑只读存储器（EPROM或闪速存储器）、光纤装置以及便携式光盘只读存储器（CDROM）。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得程序，然后将其存储在计算机存储器中。
应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列（PGA），现场可编程门阵列（FPGA）等。应说明的是，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，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
应说明的是，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，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种磁悬浮转子系统位移传感器自校准方法，其特征在于：包括，
建立磁悬浮转子系统模型，控制转子在保护轴承上振荡明确位移传感器输出的上下限；
建立零外力条件下磁轴承控制电流与转子偏离磁中心位移的模型，并通过该模型计算转子偏离磁中心的位移；
通过调整磁悬浮转子系统的参考位移控制转子运动，并通过观测磁轴承线圈电流使转子悬浮至物理位移测量点，记录位移传感器的输出电压；
将所述位移传感器的输出电压并与标称电压对比完成校准。
2.如权利要求1所述的磁悬浮转子系统位移传感器自校准方法，其特征在于：所述通过调整磁悬浮转子系统的参考位移控制转子运动包括，
将参考电流和磁轴承线圈电流偏差作为输入的电流反馈PI控制器，用所述电流反馈PI控制器的输出调整参考位移；
根据磁轴承线圈的控制电流和转子偏离磁中心位移的函数关系设定参考电流值；
磁悬浮转子系统稳态后，转子将被悬浮至设定的参考电流对应的位移测量点处，完成对所述转子运动控制。
3.如权利要求1或2所述的磁悬浮转子系统位移传感器自校准方法，其特征在于：建立零外力条件下磁轴承控制电流与转子偏离磁中心位移的模型包括如下步骤，
建立典型的纯电磁磁轴承和永磁偏置磁轴承的等效力学模型，表示为：
简化上式后表示为：
其中F(i, δ m )是作用在转子上的磁轴承力；k m 为比例系数，I 0 为等效的偏置电流，δ m 为转子偏离磁中心的位移，δ 0 为单边磁间隙，i为磁轴承线圈控制电流，δ 0 >δ m ，I 0 >i m ；
当磁悬浮转子系统外扰为零时，系统稳态时磁轴承力F(i, δ m )=0，因此可以获得转子偏离磁中心位移与磁轴承控制电流的关系为
。
4.如权利要求3所述的磁悬浮转子系统位移传感器自校准方法，其特征在于：所述磁悬浮转子系统模型包括磁悬浮转子、位移传感器、电流传感器、电流反馈PI控制器、功率放大器和位移反馈控制器，所述电流反馈PI控制器的输入为所述参考电流和所述磁轴承线圈电流偏差。
5.如权利要求4所述的磁悬浮转子系统位移传感器自校准方法，其特征在于：控制转子在保护轴承上振荡明确位移传感器输出的上下限包括，
在磁悬浮转子系统开环状态下给磁轴承线圈施加正弦的控制电流；
不断增大电流幅值，当控制力幅值大于最大位移负刚度力时，转子就会在保护轴承上来回振荡；
根据位移传感器的输出的电压，即可确定位移传感器输出的上下限。
6.一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至5中任一项所述的磁悬浮转子系统位移传感器自校准方法的步骤。
7.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至5中任一项所述的磁悬浮转子系统位移传感器自校准方法的步骤。
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