一种磁悬浮机电设备位移反馈自动标定系统

技术领域

本发明涉及一种磁悬浮机电设备位移反馈自动标定系统，用于磁悬浮旋转机械中位移信号的自动化标定，使位移反馈信号可以约束在目标范围内。

背景技术

磁悬浮机电设备利用磁悬浮轴承技术，使转子与轴承无接触，具有几乎无摩擦、无需润滑、低噪声和可主动控制等优点，作为一种新型的轴承技术，已经广泛应用在鼓风机、压缩机、储能飞轮和分子泵等高速旋转机械中。

磁悬浮系统具有开环不稳定特性，需要传感器为控制器提供转子的位移信号进行闭环控制，随着计算机技术的飞速发展，数字控制成为现代工业控制的主流，因此要利用控制器进行数字控制，需要把传感器提供的模拟电压信号转换为数字信号，此过程也叫做AD转换。传感器提供的模拟电压信号往往超出控制器AD模块所能接收的范围，即使在控制器AD所允许范围内，两个边界位置中心的模拟量也不是AD接收模拟信号范围的中心，为了控制上的方便，常常需要把两个边界位置中心的的模拟量与AD接收模拟信号范围的中心对应起来，这种使传感器信号在AD的接收范围和与AD接收模拟信号范围中心对应起来的过程叫传感器的信号调理。工程上需要利用调理电路把传感器提供的模拟信号进行调偏和调幅处理，使得处理后的传感器信号既在允许的AD范围内，又以AD接收模拟信号范围的中点为输入中心。

在传感器信号调理过程中，现在常用的方法是在调理电路的调偏和调幅部分分别接入滑动变阻器，然后把调理输出信号接入示波器，依靠人工调节调偏和调幅的滑动变阻器，使传感器的输出信号在目标范围，这种方法虽然简单，但是效率低下且标定精度低，不适合大批量产品生产。

本发明采用数字电位器代替传统的滑动变阻器，为调理电路的调偏和调幅部分提供电阻，通过运行在控制器中的自动标定算法来对所需阻值进行精确计算，在系统上电后，无限人工干预，自动进行传感器信号标定，相比于传统的标定方法，具有智能化、自动化和高精度的特点。

发明内容

本发明针对传统位移标定系统存在的问题，提出一种转子位移自动标定系统，具体内容有如下2个方面：

1、以控制器、数字电位器和运算放大器为核心构成自动标定系统的硬件部分，利用运行在控制器中的自动标定算法对数字电位器的阻值进行精确计算，系统上电后，无需人工干预，自动完成数字电位器的电阻匹配工作。

2、运行在控制器中的自动标定算法，通过确定数字电位器初始化参数、推算传感器原始信号和计算数字电位器电阻阻值，完成数字电位器电阻阻值的计算。

附图说明

包含在说明书中并且构成说明书的一部分的附图与说明书一起示出了本申请的示例性实施例、特征和方面，并且用于解释本申请的原理。

图1为磁悬浮机电设备位移反馈自动标定系统示意图；

图2为以数字电位器和运算放大器为核心的调理电路；

图3为自动标定算法逻辑；

具体实施方式

下面通过一个具体的例子说明本发明专利的具体实施方式

1、如图1所示，本实施例所用的一种机电设备位移反馈自动标定系统，包括自动标定软件算法、控制器、数字电位器、位移调理电路、功放、磁轴承线圈、电机转子和位移传感器。

2、以数字电位器相和运算放大器为核心构成自动标定系统的调理电路部分，如图2所示，控制器与数字电位器通过SPI或者I2C的串行通信方式进行通信，控制器通过算法对数字电位器传输配置指令，数字电位器根据配置指令，提供相应的电阻。

3、自动标定软件算法运行在控制器内部，负责算法的逻辑和功能的实现，包括确定数字电位器初始化参数、推算传感器原始信号和计算数字电位器电阻阻值。算法的时序逻辑如图3所示，系统上电后，第一步对数字电位器的两个参数进行初始化，这两个参数一个是提供调偏电阻的数字电位器参数D1，另一个是提供调幅电阻的数字电位器参数D2；第二步通过控制器给出激励控制量，使转子在依次在3个自由度进行平动振荡，例如先进行轴向Z方向，再进行径向X方向，最后振荡Y方向，每个自由度的计算的过程类似，因此以X自由度为例进行说明。在X自由度振荡过程中，通过AD采样此自由度最大值和最小值。第三步，利用AD采样的最大值和初始化的两个参数反推出此时传感器原始信号的最大值，利用AD采样的最小值和初始化的两个参数反推出此时传感器原始信号的最小值；第四步，把数字电位器的调偏参数D1和调幅参数D2作为变量，利用得到的传感器原始信号的最大值和期望标定的最大值组成方程1，传感器原始信号的最小值和期望标定的最小值组成方程2，方程1与方程2组成方程组，解此方程组，可计算出数字电位器调偏参数D1和调幅参数D2；第四步，控制器把计算出的配置参数通信给数字电位器，完成整个系统位移信号反馈的标定。

4、具体实施自动标定软件算法和所采用的电路相关，本实施例以图2的电路为例进行说明。选择数字电位器初始化参数，要使传感器原始信号(需要覆盖整个原始信号范围)在经过数字电位器初始化参数的调理电路后，落在控制器AD允许的目标范围内，本例采取的目标范围是[0.5V，2.5V]，即目标是通过初始化配置D1和D2，使得经过调理后的位移信号在目标范围内[0.5V，2.5V]，具体内容如下：根据图2计算，有

则TL084的管脚7输出为

本施例采用的数字电位器型号为AD5263，根据AD5263芯片手册，有

则

为了使Vout为正值，

可得D2＝246。

5、在自动标定算法中推算传感器原始信号，根据具体实施方式4中选定的初始化数字电位器参数D1和D2，以及本例中选定的R5和R6的电阻阻值，在结合此时控制器采集进来的经过电路后两个极限位置的信号，可以推算出两个极限位置传感器的原始信号，具体内容如下：

控制器在某一自由度对转子施加振荡激励，控制器AD模块采集振荡过程中经过调理电路后的位移信号最小值和最大值，根据本例中所采用的电路，控制器AD模块采集到经过调理电路后的位移信号最小值对应传感器原始信号的最小值，采集到经过调理电路后的位移信号最大值对应传感器原始信号的最大值，把初始化的电位器参数D1和D2，以及R5和R6的阻值带入式(3)可得到如下方程组

其中S_o_1是传感器原始信号最小值，S_o_2是传感器原始信号最大值，V

6、在自动标定算法中计算数字电位器电阻值，根据具体实施方式5中计算出的极限位置的传感器原始信号S_o_1和S_o_2，结合调理输出目标Vout的范围，可以解算出数字电位器的最终配置参数D1和D2，具体内容如下：

本实施例的调理输出目标Vout的范围是[0.5V，2.5V]，按照本例的电路，传感器原始信号的最小值对应着目标范围的下限0.5V，原始信号的最大值对应着目标范围的上限2.5V。根据(3)可得如下方程组

其中S_o_1是实施方式5中解算出的原始信号最小值，S_o_2是实施方式5中解算出的原始信号最大值，R