數(shù)字控制器故障診斷.ppt

1、磁懸浮軸承,2010.12.16 樊曼,探索中的新技術(shù),一、磁懸浮軸承簡(jiǎn)介 二、電磁軸承工作原理及數(shù)學(xué)模型 三、控制器故障診斷 四、傳感器故障診斷 五、總結(jié)及展望 六、參考文獻(xiàn),一、磁懸浮軸承簡(jiǎn)介,1、高速切削或者特殊場(chǎng)合對(duì)軸承的要求 高速切削的好處及對(duì)軸承的要求： (1)隨切削速度的大幅度提高，進(jìn)給速度也相應(yīng)提高510倍。高速切削的材料去除率通常是常規(guī)的36倍，甚至更高。 (2)刀具和工件受熱影響小。切削產(chǎn)生的熱量大部分被高速流出的切屑所帶走，故工件和刀具熱變形小，有效地提高了加工精度。 (3)工件表面質(zhì)量好。由于高速時(shí)激振頻率遠(yuǎn)高于機(jī)床固有頻率，所以振動(dòng)較小。 要實(shí)現(xiàn)高速切削，必須解決很多

2、關(guān)鍵技術(shù)，最主要的就是高速切削主軸系統(tǒng)，而選擇合理的軸承形式對(duì)實(shí)現(xiàn)高速旋轉(zhuǎn)至關(guān)重要。,特殊場(chǎng)合對(duì)軸承的要求： (1)太空技術(shù)中，傳統(tǒng)采用油潤(rùn)滑或者脂潤(rùn)滑的軸承無法正常工作 (2)某些工作環(huán)境惡劣的場(chǎng)合下，不適宜經(jīng)常去更換軸承，需要找到一種工作穩(wěn)定，壽命特別長(zhǎng)的軸承,2、磁懸浮技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)及研究現(xiàn)狀 優(yōu)點(diǎn):(1)消除了轉(zhuǎn)動(dòng)部件與固定部件間的接觸摩擦，壽命理論上是無限的 (2)允許的轉(zhuǎn)子圓周速度大 (3)不需要潤(rùn)滑劑，更適合真空、各種超高溫和超低溫以及有害氣體等惡劣環(huán)境中使用 (4)摩擦阻力較小，節(jié)約能源 (5)電磁軸承具有靈活的剛度和阻尼調(diào)整能力，能安全越過轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速,應(yīng)用 (1)透平機(jī)械和離

3、心機(jī) (2)電主軸 (3)超高速精密機(jī)床,圖1-1 配有數(shù)控式磁軸承的銑床主軸，用于高速銑削，轉(zhuǎn)速40000r/min,切削功率40kw,3、磁懸浮軸承的分類 （1）按磁場(chǎng)力的來源來分，可以分為電磁鐵型、永久磁鐵型、電磁鐵和永久磁鐵混合型 （2）按磁場(chǎng)力是否可以人為控制來分，可以分為被動(dòng)型和主動(dòng)型 （3）按受控自由度來分，可以分為一軸、二軸直至五軸 （4）按利用的磁場(chǎng)力類型分為斥力型和吸力型,1、電磁軸承系統(tǒng)簡(jiǎn)述 一個(gè)轉(zhuǎn)子要實(shí)現(xiàn)完全的懸浮需在其五個(gè)自由度上施加控制力，即需要兩個(gè)徑向軸承和一個(gè)推力軸承。這樣的三個(gè)磁力軸承和轉(zhuǎn)子加上電子控制器就構(gòu)成了一個(gè)完整的電磁軸承系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱AMBS）,二、電磁

4、軸承工作原理及數(shù)學(xué)模型,圖2-1 轉(zhuǎn)子在一個(gè)平面內(nèi)的支撐框圖,圖2-2 電磁軸承系統(tǒng)的組成,在上面的完整的電磁軸承系統(tǒng)中，電磁鐵的作用是為保持轉(zhuǎn)子在預(yù)定位置上的穩(wěn)定懸浮提供電磁力。當(dāng)轉(zhuǎn)子中心發(fā)生偏移時(shí)，偏移量由位置信號(hào)傳感器拾取后送到調(diào)節(jié)電路及功率放大電路，輸出一個(gè)控制電壓或電流，調(diào)節(jié)電磁鐵的磁場(chǎng)力，使轉(zhuǎn)子回到正常位置。,2、磁力軸承的數(shù)學(xué)模型及電磁力計(jì)算,先作如下假設(shè)： （1）在電磁鐵定子、轉(zhuǎn)子和氣隙中磁場(chǎng)是分段均勻的。 （2）鐵心呈不飽和特性。 （3）除氣隙外，磁通全部流過鐵心，不考慮漏磁和磁滯的影響。,根據(jù)麥克斯韋吸引力公式，定子和轉(zhuǎn)子之間的吸引 力（即磁軸承的承載力）為 根據(jù)安培環(huán)路定

5、理，分段均勻的磁路有 因?yàn)?則,忽略漏磁，簡(jiǎn)化計(jì)算，整理后可得 整理后可得， 因此，吸引力的大小與線圈電流的平方成正比，與氣隙長(zhǎng)度的平方成正比。 由于各種誤差因素的存在，模型與實(shí)際情況之間存在差異，其中以鐵心磁阻的影響最大。,驗(yàn)算誤差： 若考慮鐵心的磁阻后，實(shí)際的磁路的長(zhǎng)度為： 一般空氣隙的長(zhǎng)度在方程中以的形式給 出 考慮鐵心磁路的長(zhǎng)度lm和相對(duì)磁導(dǎo)率 后的空氣隙長(zhǎng)度為,兩者的絕對(duì)誤差為： 相對(duì)誤差： 當(dāng)鐵磁材料為硅鋼片時(shí)， 建模的相對(duì)誤差為0.99%,1、主動(dòng)磁懸浮控制器 與傳統(tǒng)機(jī)械軸承不同，磁懸浮軸承需要一套電控系統(tǒng)來維持其工作，電控系統(tǒng)主要包括控制器、傳感器和驅(qū)動(dòng)器。其中控制器是電磁軸承

6、系統(tǒng)重要的環(huán)節(jié)，其性能與系統(tǒng)的穩(wěn)定性及各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)有密切關(guān)系。 控制器目前可以由模擬電路和數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)。,三、控制器故障診斷,2、模擬電路實(shí)現(xiàn)控制 存在的問題：電流的“逆流效應(yīng)” 當(dāng)控制電流的幅值超過偏磁電流時(shí)，其中一個(gè)鐵心中的磁通方向會(huì)改變，這時(shí)轉(zhuǎn)子就會(huì)發(fā)生被吸到磁極上的現(xiàn)象；若轉(zhuǎn)子沉底后，也無法自動(dòng)達(dá)到穩(wěn)定的懸浮位置。,解決辦法,圖3-1基本電壓-電流功率放大電路,三極管BG的單向?qū)щ娦苑乐沽穗娏鞯哪媪?，避免了轉(zhuǎn)子在運(yùn)行中被吸到磁極上的現(xiàn)象，并可確保轉(zhuǎn)子在靜止沉底狀態(tài)下，啟動(dòng)后自行達(dá)到穩(wěn)定的懸浮位置（當(dāng)然需要合適的控制電流）。,3、數(shù)字控制器 傳統(tǒng)的模擬控制器參數(shù)調(diào)整不方便，硬件結(jié)構(gòu)不易改

7、變，難以實(shí)現(xiàn)優(yōu)化控制。而數(shù)字控制器具有硬件集成度高，控制性能好，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制算法，改變控制參數(shù)方便，可在線地改變控制器參數(shù)等優(yōu)點(diǎn)，從而大大提高磁軸承系統(tǒng)的性能。 常用的做法是用DSP芯片為核心，做成一套磁懸浮系統(tǒng)。,數(shù)字控制器包括三部分： 微處理器 它是數(shù)字控制器的核心。數(shù)字控制器所有運(yùn)算都是在微處理器中完成的。 信號(hào)輸入電路 信號(hào)輸入通道是微處理器與測(cè)量元件之間的橋梁 信號(hào)輸出電路 信號(hào)輸出通道用于連接微處理器與執(zhí)行機(jī)構(gòu)。,圖3-2磁懸浮軸承數(shù)字控制器結(jié)構(gòu)框圖,(1)微處理器故障,問題：芯片損壞和程序跑飛 芯片損壞,這類故障指的是由于外界作用造成的芯片在物理上被破壞,或是內(nèi)部電路被燒毀,以

8、及由于使用時(shí)間過長(zhǎng),超過了芯片所規(guī)定的使用年限而造成的芯片老化失效。 程序跑飛, 它是指DSP 中的程序沒有按照預(yù)先編寫的順序運(yùn)行。實(shí)質(zhì)是DSP PC(程序計(jì)數(shù)器) 指向了一個(gè)不確定或者根本沒有存放用戶代碼的程序存儲(chǔ)空間。,解決辦法：設(shè)置軟件陷阱和運(yùn)用看門狗監(jiān)控電路(watchdog timer ,WDT) 電路框圖如下圖所示：,圖3-3 雙DSP數(shù)字控制器硬件體系結(jié)構(gòu),工作原理：正常工作時(shí),DSP1 對(duì)磁懸浮軸承進(jìn)行控制,DSP2 監(jiān)控DSP1 的狀態(tài)。一旦DSP1 發(fā)生故障,則無法提供脈沖信號(hào)1，雖然看門狗電路1 在短時(shí)間內(nèi)無法作出反應(yīng),但是DSP2 只要在一個(gè)控制周期內(nèi)沒有收到脈沖信號(hào)1

9、則認(rèn)為DSP1 發(fā)生故障。它將停止對(duì)DSP1 的監(jiān)控,轉(zhuǎn)而接收位移信號(hào),完成對(duì)磁懸浮軸承的控制。,(2)信號(hào)輸入通道故障,信號(hào)輸入通道可能發(fā)生的故障：一個(gè)五自由度的磁懸浮軸承需要5個(gè)獨(dú)立的信號(hào)輸入通道來傳輸來自轉(zhuǎn)子的5個(gè)方向的位移信號(hào)。若A/D轉(zhuǎn)換芯片發(fā)生故障，信號(hào)輸入通道的功能將完全喪失。,解決辦法：基于硬件冗余的故障診斷方法，僅需要5個(gè)備用通道就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)輸入通道故障的診斷及實(shí)時(shí)的處理。 它的硬件框圖如下圖所示：,圖3-4 信號(hào)輸入通道硬件結(jié)構(gòu)圖,工作原理：首先通過模擬開關(guān)將原信號(hào)輸入通道和備用輸入通道接通到3.3V基準(zhǔn)電壓信號(hào)。啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換，因?yàn)樗型ǖ啦蓸拥亩际枪潭ǖ男盘?hào)，因此轉(zhuǎn)

10、換得到的數(shù)字信號(hào)都將在一個(gè)定值附近小幅度的波動(dòng)。倘若某一個(gè)原信號(hào)輸入通道轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量偏離這個(gè)定值超過一定的范圍，就可以判斷這個(gè)通道出了問題。DSP在讀取轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)時(shí)，將放棄故障通道的結(jié)果，采用備用通道的轉(zhuǎn)換結(jié)果。,(3)信號(hào)輸出通道故障,信號(hào)輸出通道可能出現(xiàn)的故障和輸入通道可能出現(xiàn)的故障類似。磁懸浮軸承的控制需要數(shù)字控制器有5個(gè)獨(dú)立的信號(hào)輸出通道。 解決辦法：基于硬件冗余的故障診斷方法,圖3-5信號(hào)輸出通道硬件框圖,工作原理：控制器增加了一塊A/D芯片，用來將原信號(hào)輸出通道的模擬信號(hào)重新轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)回傳給DSP。若某一個(gè)信號(hào)輸出通道輸出的模擬信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)據(jù)無法還原為DSP先前發(fā)

11、送給D/A芯片的數(shù)據(jù)，則控制器認(rèn)為該通道發(fā)生了故障，并通過模擬開關(guān)輸出備用輸出通道的數(shù)據(jù)。,改善后的高可靠性系統(tǒng)框圖,可靠性評(píng)估,可靠性是指在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)、規(guī)定的條件下完成規(guī)定功能的成功概率。經(jīng)過老練后，設(shè)備的可靠度就符合失效率為常數(shù)的指數(shù)模型： 式中,為系統(tǒng)總失效率; t 為系統(tǒng)要求的工作時(shí)間; K 為環(huán)境系數(shù); N 為組成系統(tǒng)的元器件個(gè)數(shù);G 為元器件的平均失效率; tm 平均故障間隔時(shí)間。,取 N1=2（微處理器） N2=4（信號(hào)輸入通道） N3=6（信號(hào)輸出通道） K=1（按控制器所處環(huán)境為地面固定式）,其中，串聯(lián)系統(tǒng)的可靠性： 并聯(lián)系統(tǒng)的可靠性： 原系統(tǒng)的可靠性： RC(t)=exp

12、(-12x10-6) 改進(jìn)后的系統(tǒng)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),圖3-7磁懸浮軸承數(shù)字控制器可靠度曲線對(duì)比圖,實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：（1）雙DSP結(jié)構(gòu)的數(shù)字控制器被復(fù)位瞬間的波形,（2）轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時(shí)切斷某一輸入通道瞬間的波形,（3）轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時(shí)輸出通道切換的波形 （a）被切斷原輸出通道的信號(hào) （b）控制器最終的輸出信號(hào),四、傳感器故障診斷,主動(dòng)磁懸浮軸承在工作時(shí)需要用位移傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)

13、轉(zhuǎn)子的位置。大多數(shù)主動(dòng)磁懸浮軸承都采用渦流位移傳感器。在主動(dòng)磁懸浮軸承中, 渦流位移傳感器的傳感頭與轉(zhuǎn)子的間隙一般小于1 mm, 傳感頭在工作過程中要經(jīng)受振動(dòng)、高速氣流等考驗(yàn), 工作環(huán)境比較惡劣, 是整個(gè)傳感器中最容易出現(xiàn)故障的環(huán)節(jié)。主動(dòng)磁懸浮軸承系統(tǒng)常常采用差動(dòng)式位移傳感器以提高位移檢測(cè)的性能,從傳感器功能的角度把故障分為完全失效性故障和部分失效性故障。完全失效性故障是指?jìng)鞲衅鲝氐资? 其傳感功能完全消失, 例如傳感器線圈斷裂、短路等。這種故障會(huì)直接導(dǎo)致系統(tǒng)無法工作。部分失效性故障是指?jìng)鞲衅魅匀豢梢詸z測(cè)轉(zhuǎn)子的位移變化, 但是其性能下降。如傳感頭位置松動(dòng)、傳感器線圈老化等。這種故障會(huì)影響系統(tǒng)

14、的性能, 而不會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)完全無法工作。,檢測(cè)故障的原理,根據(jù)差分電路的特點(diǎn) 假設(shè)Ks1=Ks2=Ks,則Vd=Ks(d1-d2),此特征可以用來檢測(cè)傳感器的故障: 只要Vd不為零, 就表明某個(gè)傳感器有故障。實(shí)際應(yīng)用中兩個(gè)傳感器的特性不可能完全一致, 因此定義一個(gè)允許的誤差容限Vtol, 如果兩個(gè)傳感器的差值信號(hào)滿足如下關(guān)系式,故障傳感器識(shí)別,兩個(gè)傳感器中任一個(gè)發(fā)生故障都會(huì)導(dǎo)致Vd 發(fā)生變化, 因此通過Vd 盡管可以發(fā)現(xiàn)傳感器有故障但卻法確定哪個(gè)傳感器有故障, 必須通過檢測(cè)其他信號(hào)來識(shí)別故障傳感器。,基于傅里葉變換法的故障位移傳感器識(shí)別 控制器的輸出信號(hào)和傳感器干擾信號(hào)及轉(zhuǎn)子干擾力之間的關(guān)系為：

15、 控制器的輸出信號(hào)包含兩部分，一部分和傳感器故障有關(guān)，一部分和轉(zhuǎn)子所受干擾力有關(guān)。令 當(dāng)傳感器1失效時(shí)有,當(dāng)傳感器2失效時(shí)有： 綜合后可得 其中n=1,2分別對(duì)應(yīng)傳感器1故障和傳感器2故障。,從上式 可知: 如果傳感器1 發(fā)生故障, 則ucs和Vd直接的比例系數(shù)為負(fù)值，二者之間的相位差為180；如果傳感器2發(fā)生故障，則ucs和Vd的比例系數(shù)為正值，二者之間的相位差為0。因此可以通過ucs和Vd的相位關(guān)系就可以確定發(fā)生故障的傳感器。,（1）傳感器1發(fā)生故障,結(jié)果分析,（2）傳感器2發(fā)生故障,五、總結(jié)及展望,磁懸浮軸承的控制器以及傳感器對(duì)軸承的穩(wěn)定性有較大的影響。磁懸浮軸承是一項(xiàng)新興的技術(shù)，其優(yōu)點(diǎn)引起了人們極為強(qiáng)烈的關(guān)注。但是，到目前為止，國(guó)內(nèi)外還沒有特別成熟的產(chǎn)品出現(xiàn)，這就需要我們?nèi)ゲ粩嗟呐Γ瑥浹a(bǔ)磁懸浮技術(shù)的空白。,六、參考文獻(xiàn),1G.施韋策，H.布魯勒，A.特拉克斯勒著，虞烈，袁崇軍譯.主動(dòng)磁力軸承基礎(chǔ)