数字控制器故障诊断.ppt

1、磁悬浮轴承,2010.12.16 樊曼,探索中的新技术,一、磁悬浮轴承简介 二、电磁轴承工作原理及数学模型 三、控制器故障诊断 四、传感器故障诊断 五、总结及展望 六、参考文献,一、磁悬浮轴承简介,1、高速切削或者特殊场合对轴承的要求 高速切削的好处及对轴承的要求： (1)随切削速度的大幅度提高，进给速度也相应提高510倍。高速切削的材料去除率通常是常规的36倍，甚至更高。 (2)刀具和工件受热影响小。切削产生的热量大部分被高速流出的切屑所带走，故工件和刀具热变形小，有效地提高了加工精度。 (3)工件表面质量好。由于高速时激振频率远高于机床固有频率，所以振动较小。 要实现高速切削，必须解决很多

2、关键技术，最主要的就是高速切削主轴系统，而选择合理的轴承形式对实现高速旋转至关重要。,特殊场合对轴承的要求： (1)太空技术中，传统采用油润滑或者脂润滑的轴承无法正常工作 (2)某些工作环境恶劣的场合下，不适宜经常去更换轴承，需要找到一种工作稳定，寿命特别长的轴承,2、磁悬浮技术的优点及研究现状 优点:(1)消除了转动部件与固定部件间的接触摩擦，寿命理论上是无限的 (2)允许的转子圆周速度大 (3)不需要润滑剂，更适合真空、各种超高温和超低温以及有害气体等恶劣环境中使用 (4)摩擦阻力较小，节约能源 (5)电磁轴承具有灵活的刚度和阻尼调整能力，能安全越过转子的临界转速,应用 (1)透平机械和离

3、心机 (2)电主轴 (3)超高速精密机床,图1-1 配有数控式磁轴承的铣床主轴，用于高速铣削，转速40000r/min,切削功率40kw,3、磁悬浮轴承的分类 （1）按磁场力的来源来分，可以分为电磁铁型、永久磁铁型、电磁铁和永久磁铁混合型 （2）按磁场力是否可以人为控制来分，可以分为被动型和主动型 （3）按受控自由度来分，可以分为一轴、二轴直至五轴 （4）按利用的磁场力类型分为斥力型和吸力型,1、电磁轴承系统简述 一个转子要实现完全的悬浮需在其五个自由度上施加控制力，即需要两个径向轴承和一个推力轴承。这样的三个磁力轴承和转子加上电子控制器就构成了一个完整的电磁轴承系统（简称AMBS）,二、电磁

4、轴承工作原理及数学模型,图2-1 转子在一个平面内的支撑框图,图2-2 电磁轴承系统的组成,在上面的完整的电磁轴承系统中，电磁铁的作用是为保持转子在预定位置上的稳定悬浮提供电磁力。当转子中心发生偏移时，偏移量由位置信号传感器拾取后送到调节电路及功率放大电路，输出一个控制电压或电流，调节电磁铁的磁场力，使转子回到正常位置。,2、磁力轴承的数学模型及电磁力计算,先作如下假设： （1）在电磁铁定子、转子和气隙中磁场是分段均匀的。 （2）铁心呈不饱和特性。 （3）除气隙外，磁通全部流过铁心，不考虑漏磁和磁滞的影响。,根据麦克斯韦吸引力公式，定子和转子之间的吸引 力（即磁轴承的承载力）为 根据安培环路定

5、理，分段均匀的磁路有 因为 则,忽略漏磁，简化计算，整理后可得 整理后可得， 因此，吸引力的大小与线圈电流的平方成正比，与气隙长度的平方成正比。 由于各种误差因素的存在，模型与实际情况之间存在差异，其中以铁心磁阻的影响最大。,验算误差： 若考虑铁心的磁阻后，实际的磁路的长度为： 一般空气隙的长度在方程中以的形式给 出 考虑铁心磁路的长度lm和相对磁导率 后的空气隙长度为,两者的绝对误差为： 相对误差： 当铁磁材料为硅钢片时， 建模的相对误差为0.99%,1、主动磁悬浮控制器 与传统机械轴承不同，磁悬浮轴承需要一套电控系统来维持其工作，电控系统主要包括控制器、传感器和驱动器。其中控制器是电磁轴承

6、系统重要的环节，其性能与系统的稳定性及各项技术指标有密切关系。 控制器目前可以由模拟电路和数字电路实现。,三、控制器故障诊断,2、模拟电路实现控制 存在的问题：电流的“逆流效应” 当控制电流的幅值超过偏磁电流时，其中一个铁心中的磁通方向会改变，这时转子就会发生被吸到磁极上的现象；若转子沉底后，也无法自动达到稳定的悬浮位置。,解决办法,图3-1基本电压-电流功率放大电路,三极管BG的单向导电性防止了电流的逆流，避免了转子在运行中被吸到磁极上的现象，并可确保转子在静止沉底状态下，启动后自行达到稳定的悬浮位置（当然需要合适的控制电流）。,3、数字控制器 传统的模拟控制器参数调整不方便，硬件结构不易改

7、变，难以实现优化控制。而数字控制器具有硬件集成度高，控制性能好，可实现复杂控制算法，改变控制参数方便，可在线地改变控制器参数等优点，从而大大提高磁轴承系统的性能。 常用的做法是用DSP芯片为核心，做成一套磁悬浮系统。,数字控制器包括三部分： 微处理器 它是数字控制器的核心。数字控制器所有运算都是在微处理器中完成的。 信号输入电路 信号输入通道是微处理器与测量元件之间的桥梁 信号输出电路 信号输出通道用于连接微处理器与执行机构。,图3-2磁悬浮轴承数字控制器结构框图,(1)微处理器故障,问题：芯片损坏和程序跑飞 芯片损坏,这类故障指的是由于外界作用造成的芯片在物理上被破坏,或是内部电路被烧毁,以

8、及由于使用时间过长,超过了芯片所规定的使用年限而造成的芯片老化失效。 程序跑飞, 它是指DSP 中的程序没有按照预先编写的顺序运行。实质是DSP PC(程序计数器) 指向了一个不确定或者根本没有存放用户代码的程序存储空间。,解决办法：设置软件陷阱和运用看门狗监控电路(watchdog timer ,WDT) 电路框图如下图所示：,图3-3 双DSP数字控制器硬件体系结构,工作原理：正常工作时,DSP1 对磁悬浮轴承进行控制,DSP2 监控DSP1 的状态。一旦DSP1 发生故障,则无法提供脉冲信号1，虽然看门狗电路1 在短时间内无法作出反应,但是DSP2 只要在一个控制周期内没有收到脉冲信号1

9、则认为DSP1 发生故障。它将停止对DSP1 的监控,转而接收位移信号,完成对磁悬浮轴承的控制。,(2)信号输入通道故障,信号输入通道可能发生的故障：一个五自由度的磁悬浮轴承需要5个独立的信号输入通道来传输来自转子的5个方向的位移信号。若A/D转换芯片发生故障，信号输入通道的功能将完全丧失。,解决办法：基于硬件冗余的故障诊断方法，仅需要5个备用通道就可以实现对信号输入通道故障的诊断及实时的处理。 它的硬件框图如下图所示：,图3-4 信号输入通道硬件结构图,工作原理：首先通过模拟开关将原信号输入通道和备用输入通道接通到3.3V基准电压信号。启动A/D转换，因为所有通道采样的都是固定的信号，因此转

10、换得到的数字信号都将在一个定值附近小幅度的波动。倘若某一个原信号输入通道转换后的数字量偏离这个定值超过一定的范围，就可以判断这个通道出了问题。DSP在读取转换数据时，将放弃故障通道的结果，采用备用通道的转换结果。,(3)信号输出通道故障,信号输出通道可能出现的故障和输入通道可能出现的故障类似。磁悬浮轴承的控制需要数字控制器有5个独立的信号输出通道。 解决办法：基于硬件冗余的故障诊断方法,图3-5信号输出通道硬件框图,工作原理：控制器增加了一块A/D芯片，用来将原信号输出通道的模拟信号重新转换成数字信号回传给DSP。若某一个信号输出通道输出的模拟信号经A/D转换后得到的数据无法还原为DSP先前发

11、送给D/A芯片的数据，则控制器认为该通道发生了故障，并通过模拟开关输出备用输出通道的数据。,改善后的高可靠性系统框图,可靠性评估,可靠性是指在规定的时间内、规定的条件下完成规定功能的成功概率。经过老练后，设备的可靠度就符合失效率为常数的指数模型： 式中,为系统总失效率; t 为系统要求的工作时间; K 为环境系数; N 为组成系统的元器件个数;G 为元器件的平均失效率; tm 平均故障间隔时间。,取 N1=2（微处理器） N2=4（信号输入通道） N3=6（信号输出通道） K=1（按控制器所处环境为地面固定式）,其中，串联系统的可靠性： 并联系统的可靠性： 原系统的可靠性： RC(t)=exp

12、(-12x10-6) 改进后的系统可靠性：Rc(t)=8exp(-12x10-6 t)-4exp(-14x10-6t)-4exp(-16x10-6t)-2exp(-18x10-6t)+2exp(-20 x10-6t)+2exp(-22x10-6t)-exp(-24x10-6t),图3-7磁悬浮轴承数字控制器可靠度曲线对比图,实验结果分析：（1）双DSP结构的数字控制器被复位瞬间的波形,（2）转子高速旋转时切断某一输入通道瞬间的波形,（3）转子高速旋转时输出通道切换的波形 （a）被切断原输出通道的信号 （b）控制器最终的输出信号,四、传感器故障诊断,主动磁悬浮轴承在工作时需要用位移传感器实时检测

13、转子的位置。大多数主动磁悬浮轴承都采用涡流位移传感器。在主动磁悬浮轴承中, 涡流位移传感器的传感头与转子的间隙一般小于1 mm, 传感头在工作过程中要经受振动、高速气流等考验, 工作环境比较恶劣, 是整个传感器中最容易出现故障的环节。主动磁悬浮轴承系统常常采用差动式位移传感器以提高位移检测的性能,从传感器功能的角度把故障分为完全失效性故障和部分失效性故障。完全失效性故障是指传感器彻底失效, 其传感功能完全消失, 例如传感器线圈断裂、短路等。这种故障会直接导致系统无法工作。部分失效性故障是指传感器仍然可以检测转子的位移变化, 但是其性能下降。如传感头位置松动、传感器线圈老化等。这种故障会影响系统

14、的性能, 而不会导致系统完全无法工作。,检测故障的原理,根据差分电路的特点 假设Ks1=Ks2=Ks,则Vd=Ks(d1-d2),此特征可以用来检测传感器的故障: 只要Vd不为零, 就表明某个传感器有故障。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容限Vtol, 如果两个传感器的差值信号满足如下关系式,故障传感器识别,两个传感器中任一个发生故障都会导致Vd 发生变化, 因此通过Vd 尽管可以发现传感器有故障但却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。,基于傅里叶变换法的故障位移传感器识别 控制器的输出信号和传感器干扰信号及转子干扰力之间的关系为：

15、 控制器的输出信号包含两部分，一部分和传感器故障有关，一部分和转子所受干扰力有关。令 当传感器1失效时有,当传感器2失效时有： 综合后可得 其中n=1,2分别对应传感器1故障和传感器2故障。,从上式 可知: 如果传感器1 发生故障, 则ucs和Vd直接的比例系数为负值，二者之间的相位差为180；如果传感器2发生故障，则ucs和Vd的比例系数为正值，二者之间的相位差为0。因此可以通过ucs和Vd的相位关系就可以确定发生故障的传感器。,（1）传感器1发生故障,结果分析,（2）传感器2发生故障,五、总结及展望,磁悬浮轴承的控制器以及传感器对轴承的稳定性有较大的影响。磁悬浮轴承是一项新兴的技术，其优点引起了人们极为强烈的关注。但是，到目前为止，国内外还没有特别成熟的产品出现，这就需要我们去不断的努力，弥补磁悬浮技术的空白。,六、参考文献,1G.施韦策，H.布鲁勒，A.特拉克斯勒著，虞烈，袁崇军译.主动磁力轴承基础