一种微米级磁悬浮轴承位移传感检测系统及方法

1.一种微米级磁悬浮轴承位移传感检测方法，其特征在于：包括DSP处理器、电涡流传感器驱动及检测系统和电涡流传感器信号调理系统；所述电涡流传感器驱动及检测系统用于驱动电涡流传感器，并检测被测转子的位移信号；所述电涡流传感器信号调理系统将电涡流传感器驱动及检测系统检测的转子位移信号处理后输入DSP处理器；具体包括以下步骤：步骤S1：采用微米级磁悬浮轴承位移传感检测系统，采集当前k时刻磁悬浮轴承转子的位移数据 ；步骤S2：确定磁悬浮轴承中的开关功率放大器输出的纹波电流与转子位移间的关系；首先将磁悬浮轴承中电磁铁线圈等效为电阻与电感，等效电感用于描述线圈电流变化在本线圈中或在另一线圈中引起感应电动势效应的电路参数，等效电感感应所得的感应电动势与开关功率放大器的纹波电流 相关，开关功率放大器输出总电流为 ， ，其中 为总电流中有效输出的直流量， 为开关功率放大器输出的纹波电流，因此施加在磁悬浮轴承线圈上的电压为 ， 为等效电阻， 为等效电感， 为虚数单位；其中等效电感为： ， 表示真空中的磁导率， 表示磁悬浮轴承中电磁铁线圈匝数， 表示磁悬浮轴承中电磁铁线圈中铁芯横截面积；由此得到纹波电流 与转子位移 间的计算公式如下： ，其中， 为开关功率放大器的开关角频率；步骤S3：建立磁悬浮轴承自传感位移估计算法；步骤S31：由DSP处理器采集到开关功率放大器输出的离散化的总电流 ；步骤S32：对离散化的总电流 进行初步处理；步骤S33：设计基于多分辨率滤波器组双正交样条小波函数，用于提取开关功率放大器输出的离散化的总电流 中的高频纹波电流 ；步骤S34：对包含位移信息的纹波电流 ，进行取绝对值处理，再进入低通滤波器滤除高频分量，由此可得到所需转子位移信号；步骤S35：由纹波电流 与转子位移 间的计算公式解调出转子位移数据；步骤S4：采用磁悬浮轴承自传感位移估计算法估计转子位移数据，并与微米级位移检测系统采集的转子位移数据进行融合，得到融合校正后的转子位移数据；步骤S5：采用Smith延时补偿算法补偿自传感位移估计算法带来的延时；步骤S6：采用积分滑膜变结构控制算法抵抗磁悬浮轴承位移控制系统参数摄动与外界干扰，提高磁悬浮轴承自传感位移估计算法的鲁棒性。 2.根据权利要求1所述的一种微米级磁悬浮轴承位移传感检测方法，其特征在于：所述电涡流传感器驱动及检测系统，包括电涡流传感器的驱动电路、检波电路和第一偏置及放大电路；所述驱动电路的输出端与电涡流传感器线圈相连接，用于产生交变信号驱动电涡流传感器的线圈产生交变磁场，以使得在被测转子上感应出电涡流形成涡流效应；所述检波电路用于提取电涡流传感器的线圈输出的交流信号的峰值，并将交流信号转化为直流信号；所述检波电路的输出端与第一偏置及放大电路相连接；所述第一偏置及放大电路用于将检波电路输出的直流信号，经偏置及放大处理后转换到与被测转子位移成比例的直流电压，第一偏置及放大电路的输出端与电涡流传感器信号调理系统相连接。 3.根据权利要求2所述的一种微米级磁悬浮轴承位移传感检测方法，其特征在于：所述驱动电路由电源VCC1、电压调节电路与电容三点式振荡电路构成，其中电源VCC1为电压调节电路的输入，同时电源VCC1又为电涡流传感器探头供电；电压调节电路为电容三点式振荡电路基极提供电压；电容三点式振荡电路利用三极管T1对振荡信号进行放大，由此产生高频率的稳定的振荡信号，以给电涡流传感器探头提供激励信号以产生电涡流现象，同时振荡电路的输出叠加在电压调节电路的输出上，以此实现对电涡流传感器的驱动；所述电容三点式振荡电路由电涡流传感器探头等效电感L1与串联的两个电容C1、C2构成谐振腔，另外将三极管T1的发射极连接至电容C1与电感L1的连接处，三极管集电极连接至电容C1与C2连接处，三极管T1的基极连接电压调节电路的输出端。 4.根据权利要求2所述的一种微米级磁悬浮轴承位移传感检测方法，其特征在于：检波电路由第一检波二极管D1、电容C3、电阻R1、电阻R2、第二检波二极管D2构成，第一检波二极管D1阳极与电容三点式振荡电路输出端相连接，阴极与电容C3及电阻R1的一端连接，电容C3的另一端接入驱动电路中的电源VCC1正极，电阻R1的另一端与电阻R2的一端连接，电阻R2的另一端与第二检波二极管D2的阳极连接，第二检波二极管D2的阴极接地；其中，驱动电路中的电源VCC1、第一检波二极管D1与电容C3构成充电回路，电阻R1与电阻R2以及第二检波二极管D2构成放电回路。 5.根据权利要求1所述的一种微米级磁悬浮轴承位移传感检测方法，其特征在于：所述电涡流传感器信号调理系统包括：差分电路、可调偏置电源VCC2、电压跟随电路、第二偏置及放大电路、低通滤波电路和限幅电路；所述差分电路用以将安装在磁悬浮轴承电机定子两侧对称位置的电涡流传感器输出信号中相同的非线性干扰成分剔除，差分电路的输出与第二偏置及放大电路相连接；所述电压跟随电路用以隔离-7.5V~+7.5V的可调偏置电源VCC2对信号调理系统的影响，电压跟随电路的输入为偏置电压，电压跟随电路通过滑动变阻器调整可调偏置电源VCC2输出偏置电压的大小，电压跟随电路的输出与第二偏置及放大电路相连接；所述第二偏置及放大电路用于将电压跟随电路的输出与差分电路的输出信号叠加进而放大，第二偏置及放大电路的输出与低通滤波电路相连接；所述低通滤波电路用于滤除第二偏置及放大电路输出信号的高频成分，避免高频信号干扰，低通滤波电路输出与限幅电路相连接；所述限幅电路用于将低通滤波电路的输出进行限幅，将低通滤波电路输出电压信号限制到3.3V与GND之间，限幅电路与DSP处理器的ADC采集I/O口相连接。 6.根据权利要求1所述的一种微米级磁悬浮轴承位移传感检测方法，其特征在于：所述步骤S33的具体方法为：步骤S331：基于典型滤波器组工作原理得到经过典型滤波器组后的离散域下纹波电流 与开关放大器输出总电流 的关系： ，其中， , 和 , 分别为考虑抗混叠条件及双正交条件设计的分解滤波器和重构滤波器； 表示离散域下纹波电流， 表示离散域下开关放大器输出总电流，z为离散域下复频域变量，-z用于考察滤波器在负频率下的行为；步骤S332：根据提取磁悬浮轴承纹波电流高频分量的对称性、保真性的需求，构造二次样条函数的频域表达式 ；步骤S333：考虑抗混叠条件及双正交条件设计两个分解滤波器 , 与重构滤波器 , ；由分解滤波器 , 与重构滤波器 , 得到双正交样条小波函数；步骤S334：基于典型滤波器组构建尺度函数及小波函数，对离散磁悬浮轴承开关功率放大器输出总电流 进行小波分解；步骤S335：采用多分辨率分析滤波器组对小波分解后的离散磁悬浮轴承开关功率放大器输出总电流数据进行分解、提取和重构，得到包含位移信息的纹波电流 。 7.根据权利要求6所述的一种微米级磁悬浮轴承位移传感检测方法，其特征在于：所述步骤S333的具体方法为：为了消除式中 给 引起的混叠现象，则要求 ；引入抗混叠条件 ；于是得分解滤波器 ： ；化简得： ；进行离散域变换得： ；根据抗混叠条件设计出 , , ，如下公式所示： ， ， ；由分解滤波器 , 与重构滤波器 , 得到双正交样条小波函数。 8.根据权利要求7所述的一种微米级磁悬浮轴承位移传感检测方法，其特征在于：所述步骤S4的具体方法为：步骤S41：根据磁悬浮轴承自传感位移估计算法的数学模型、磁悬浮轴承系统物理模型及传感器特性，初始化基于卡尔曼滤波器的包含微米级磁悬浮轴承位移传感检测系统及自传感位移估计的位移信号融合校正参数；步骤S42：建立k时刻先验状态估计 ：由上一个时刻融合校正后转子位移状态 及上一个时刻纹波电流 ，得到当前时刻转子位移的先验状态估计值 ；步骤S43：计算当前时刻转子位移先验状态估计的误差协方差矩阵 ；步骤S44：获取微米级位移检测系统采集的位移数据 并估计测量误差 ，整合为测量向量 ；步骤S45：计算卡尔曼滤波增益，融合测量向量 与先验状态估计值 ，得到当前融合的磁悬浮轴承位移数据 ；由此实现对电涡流传感器所得位移数据与自传感位移估计值的融合校正，得到当前时刻的磁悬浮轴承位移数据；步骤S46：更新时间 ，更新后验状态估计协方差矩阵 。 9.根据权利要求8所述的一种微米级磁悬浮轴承位移传感检测方法，其特征在于：所述步骤S5采用Smith延时补偿算法补偿自传感位移估计算法带来的延时，如下公式所示： ,其中， 为考虑自传感位移估计算法延时的磁悬浮轴承位移控制系统传递函数， 为针对自传感位移估计算法延时的Smith延时补偿传递函数， 为对磁悬浮轴承位移控制进行Smith延时补偿的磁悬浮轴承位移控制系统传递函数， 为 的输出变量， 为 的输入变量，其中，s为拉普拉斯变量；其中， 带有延时 ，即 ， 为实际磁悬浮轴承位移控制系统传递函数， 为磁悬浮轴承位移控制系统自传感位移估计算法延时；为抵消系统延时因子，根据磁悬浮轴承位移控制系统响应估计系统传递函数，由此设计Smith延时补偿传递函数 ，其中 与 为对实际磁悬浮轴承位移控制系统进行预估的系统参数；同时为实现消除延时影响，需要对预估系统传递函数与实际系统传递函数的误差量进行PI控制，即 ，其中 为比例环节系数， 为积分环节系数。 10.根据权利要求9所述的一种微米级磁悬浮轴承位移传感检测方法，其特征在于：所述步骤S6的具体方法为：步骤S61：简化纹波电流与转子位移间的计算公式；根据步骤S2所述纹波电流与转子位移间的计算公式，忽略 项，则将纹波电流与转子位移间的计算公式简化为： ；进而得到纹波电流与转子位移间的计算公式为： ；步骤S62：设计磁悬浮轴承位移控制系统的积分滑膜变结构控制系统的切换函数；设定磁悬浮轴承位移控制系统转子的参考位置为 ，选取磁悬浮轴承转子的位置 及位置的变化率 作为磁悬浮轴承位移控制系统的状态变量，则磁悬浮轴承位移控制系统转子位移误差 ，即磁悬浮轴承转子期望位移和实际位置的误差，对其求导得到误差变化率为 ，即转子位移变化率和期望转子位移变化率的误差；进而设计出积分滑膜变结构控制系统的切换函数 ，如下公式所示： ，其中，c为大于0的比例项系数， 为大于0的积分项系数；步骤S63：设计适用于磁悬浮轴承位移控制系统的积分滑膜变结构控制系统的控制律 ；由于磁悬浮轴承位移控制系统的输入为开关功率放大器的纹波电流 ，因此磁悬浮轴承位移控制系统的控制律 ；通过指数趋近律设计积分滑模变结构控制系统的控制律，指数趋近律如下公式所示： ，其中， 为切换函数 的指数趋近律， 为大于0的等速趋近律系数， 为符号函数， 为大于0的切换函数项系数；另外取 ，于是纹波电流与转子位移间的计算公式为： ；将转子位移 的计算公式带入 ，并取 ，则得到磁悬浮轴承位移控制系统的积分滑膜变结构控制的控制律 ，如下公式所示： 。