应用于磁悬浮高速鼓风机的容错控制系统及方法技术方案

本发明专利技术涉及一种应用于磁悬浮高速鼓风机的容错控制系统及方法，其系统包括DSP控制电路，电机信息接口电路，电机传感器电路，通讯接口电路以及电源电路。该系统利用磁场定向控制FOC对磁悬浮高速鼓风机进行控制，利用电机传感器电路检测电机相电流、母线电压以及转子位置和速度，并反馈给DSP控制电路用于FOC控制；本发明专利技术还应用随机加权平方根容积卡尔曼滤波器对电机转子位置及转速进行观测，当电机传感器电路出现故障，无法正常向FOC控制算法反馈转子位置和速度信息时，系统可以使用随机加权平方根容积卡尔曼滤波器的观测结果进行替代，可以满足容错控制的需求。

【技术实现步骤摘要】
应用于磁悬浮高速鼓风机的容错控制系统及方法
本专利技术涉及机电领域，尤其是一种应用于磁悬浮高速鼓风机的容错控制系统及方法。
技术介绍
磁悬浮高速鼓风机作为一种输送气体的机械设备，依靠汽缸内偏置的转子偏心运转，并使转子槽中的叶片之间的容积变化将空气吸入、压缩、吐出，广泛应用于污水处理、冶炼高炉、洗煤厂、矿山浮选、化工造气、真空等领域。磁悬浮高速鼓风机的电动机一般采用永磁同步电机，并使用FOC控制算法进行驱动。这种控制方式输出转矩平稳、调速范围宽、动态性能好、电压利用率高，但是需要转子的位置和速度信息作为反馈，因此需要角位置传感器采集电机转子位置的信息。由于鼓风机多应用于工业物料运输、污水处理等环境较为恶劣的领域，角位置传感器的性能可能会受到一定影响，甚至可能会发生损坏，影响鼓风机的正常运行。因此需要一种满足容错控制需求的控制系统来控制磁悬浮高速鼓风机。
技术实现思路
本专利技术的技术解决问题：克服角位置传感器在恶劣环境下发生故障时，会导致磁悬浮高速鼓风机的电机失控问题，提出一种应用于磁悬浮高速鼓风机的容错控制系统及方法，利用随机加权平方根容积卡尔曼滤波器作为转子位置和速度备用观测手段的容错控制系统，能够对磁悬浮高速鼓风机使用的永磁同步电机进行FOC控制。该系统同时使用角位置传感器和随机加权平方根容积卡尔曼滤波器对电机转子位置和速度进行观测，当角位置传感器发生故障，无法将转子的位置和速度信息反馈给FOC控制系统时，系统会使用随机加权平方根容积卡尔曼滤波器观测到的信息作为替代进行反馈，满足容错控制的需求。此控制系统特别适用于工作环境相对恶劣的磁悬浮高速鼓风机的使用环境，另外也可用于其他磁悬浮高速电机的控制。本专利技术的技术解决方案是，一种应用于磁悬浮高速鼓风机的强鲁棒性容错控制系统，包括：DSP控制电路(1)：与电机信息接口电路(2)、通讯接口电路(4)以及电源电路(5)进行连接；DSP控制电路(1)在运行过程中通过通讯接口电路(4)与上位机进行通讯，接收控制指令并传输磁悬浮高速鼓风机当前电机运行状态；DSP控制电路(1)能通过电机信号接口电路(2)接收磁悬浮高速鼓风机的相电流、母线电压以及转子位置和速度信息，根据这些信息执行相应的FOC控制算法，并向逆变器输出SVPWM控制信号从而驱动磁悬浮高速鼓风机的电机；DSP控制电路同时也会利用从电机信号接口电路(2)获得的相电流和母线电压信息，通过随机加权平方根容积卡尔曼滤波器对电机转子位置和速度进行观测，并与从电机信号接口电路(2)获得的转子位置和转速信息进行比较，当判断电机传感器电路无法输出正确的转子位置与速度信息时，会使用随机加权平方根容积卡尔曼滤波器的观测结果进行替代，以满足容错控制的需求；电机信息接口电路(2)：包括并行的电流接口电路、电压接口电路、角位置传感器接口电路，各部分电路独立运行，与DSP控制电路(1)相连接；电机传感器电路(3)：将观测到的电机信息通过电机信息接口电路(2)传递给DSP控制电路(1)进行处理；通讯接口电路(4)：与DSP控制电路(1)的DSP控制器相连接；电源电路(5)：为各部分电路供电。进一步的，容错控制系统运行时，电机信息接口电路(2)将电机传感器电路输出的电机母线电压信号，相电流信号以及转子位置及转速信号输入给DSP控制电路(1)中的DSP控制器进行处理。进一步的，电机传感器电路(3)包括电流传感器电路、电压传感器电路以及角位置传感器电路，各部分电路独立运行，分别观测电机母线电压、相电流以及转子位置与速度。进一步的，通讯接口电路(4)包括并行的RS485接口和CAN接口，各部分电路独立运行，与DSP控制电路(1)的DSP控制器相连接，电机控制系统正常运行时，通过配置使用RS485接口或CAN接口与PC上位机相连接；或者，RS485接口和CAN接口作为总线系统与其他主机相连接，将上位机或主站的指令实时传输至DSP控制电路(1)的DSP控制器中，并将电机状态信息实时上传。进一步的，电源电路输入电压为48V，分别通过HZD05B-48S05、AMS1117-3.3和AMS1117-2.5转换获得5V、3.3V和2.5V的电压，用于为其他部分电路供电。根据本专利技术的另一方面，所述应用于磁悬浮高速鼓风机的容错控制系统在控制磁悬浮高速鼓风机时的实现过程如下：(1)系统上电后，电源电路(5)工作，为DSP控制电路(1)、电机信息接口电路(2)、电机传感器电路(3)，通讯接口电路(4)进行供电。(2)通讯接口电路(4)接收上位机传输的额定转速等控制参数信息，并将其传输给DSP控制电路(1)。DSP控制电路(1)运行FOC控制算法，输出SVPWM信号控制逆变器输出控制电机的三相驱动电流。(3)电机传感器电路(3)观测电机母线电压、相电流以及转子位置及转速，并通过电机信息接口电路(2)传输给DSP控制电路，作为FOC控制算法闭环控制的反馈信息，以及随机加权平方根容积卡尔曼滤波器的输入变量。(4)DSP控制电路(1)中的DSP控制器运行随机加权平方根容积卡尔曼滤波器，并通过电机传感器电路(2)输出的信息，对转子位置进行实时观测，同时将电机传感器电路(3)观测得到的转子位置和转速与随机加权平方根容积卡尔曼滤波器的观测结果进行比较。如果角位置传感器无法输出转子位置和速度信息，或者传输的度信息与随机加权平方根容积卡尔曼滤波观测的结果相差超过10％且电流频繁出现波动、电机工作效率异常降低时，则判断电机传感器电路中的角位置传感器无法正常输出当前转子位置及速度信息，改为使用随机加权平方根容积卡尔曼滤波器观测的结果作为FOC控制算法的反馈。同时DSP控制电路(1)通过通信接口电路(4)向上位机传输故障信息。本专利技术与现有技术相比的优点在于：本专利技术同时采用角位置传感器和随机加权平方根容积卡尔曼滤波器对磁悬浮高速鼓风机的转子位置和速度进行观测。(1)本专利技术采用DSP作为控制核心，具备基于CAN协议的现场总线，可以和上位机以及磁轴承控制系统进行通信，能够实时根据控制系统的需求进行电机控制。(2)本专利技术同时采用角位置传感器和随机加权平方根容积卡尔曼滤波器对转子位置和速度进行观测。当角位置传感器发生故障，无法反馈准确的转子位置信息时，系统会将随机加权平方根容积卡尔曼滤波器的观测结果反馈给FOC控制系统，增强了系统的稳定性，满足容错控制的需求。附图说明图1为本专利技术的系统结构组成框图；图2为本专利技术的转子位置观测方法流程框图；图3为本专利技术所涉及的随机加权平方根容积卡尔曼滤波器算法框图；图4为本专利技术的DSP控制电路；图5为本专利技术的电机信息接口电路；图6为本专利技术的电机传感器电路；图7为本专利技术的通讯接口电路；图8为本专利技术的电源电路。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅为本专利技术的一部分实本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于磁悬浮高速鼓风机的容错控制系统，其特征在于，包括以下部分：/nDSP控制电路(1)：与电机信息接口电路(2)、通讯接口电路(4)以及电源电路(5)进行连接；DSP控制电路(1)在运行过程中通过通讯接口电路(4)与上位机进行通讯，接收控制指令并传输磁悬浮高速鼓风机当前电机运行状态；DSP控制电路(1)能通过电机信号接口电路(2)接收磁悬浮高速鼓风机的相电流、母线电压以及转子位置和速度信息，根据这些信息执行相应的FOC控制算法，并向逆变器输出SVPWM控制信号从而驱动磁悬浮高速鼓风机的电机；DSP控制电路同时也会利用从电机信号接口电路(2)获得的相电流和母线电压信息，通过随机加权平方根容积卡尔曼滤波器对电机转子位置和速度进行观测，并与从电机信号接口电路(2)获得的转子位置和转速信息进行比较，当判断电机传感器电路无法输出正确的转子位置与速度信息时，会使用随机加权平方根容积卡尔曼滤波器的观测结果进行替代，以满足容错控制的需求；/n电机信息接口电路(2)：包括并行的电流接口电路、电压接口电路、角位置传感器接口电路，各部分电路独立运行，与DSP控制电路(1)相连接；/n电机传感器电路(3)：将观测到的电机信息通过电机信息接口电路(2)传递给DSP控制电路(1)进行处理；/n通讯接口电路(4)：与DSP控制电路(1)的DSP控制器相连接；/n电源电路(5)：为各部分电路供电。/n...

【技术特征摘要】
1.一种用于磁悬浮高速鼓风机的容错控制系统，其特征在于，包括以下部分：
DSP控制电路(1)：与电机信息接口电路(2)、通讯接口电路(4)以及电源电路(5)进行连接；DSP控制电路(1)在运行过程中通过通讯接口电路(4)与上位机进行通讯，接收控制指令并传输磁悬浮高速鼓风机当前电机运行状态；DSP控制电路(1)能通过电机信号接口电路(2)接收磁悬浮高速鼓风机的相电流、母线电压以及转子位置和速度信息，根据这些信息执行相应的FOC控制算法，并向逆变器输出SVPWM控制信号从而驱动磁悬浮高速鼓风机的电机；DSP控制电路同时也会利用从电机信号接口电路(2)获得的相电流和母线电压信息，通过随机加权平方根容积卡尔曼滤波器对电机转子位置和速度进行观测，并与从电机信号接口电路(2)获得的转子位置和转速信息进行比较，当判断电机传感器电路无法输出正确的转子位置与速度信息时，会使用随机加权平方根容积卡尔曼滤波器的观测结果进行替代，以满足容错控制的需求；
电机信息接口电路(2)：包括并行的电流接口电路、电压接口电路、角位置传感器接口电路，各部分电路独立运行，与DSP控制电路(1)相连接；
电机传感器电路(3)：将观测到的电机信息通过电机信息接口电路(2)传递给DSP控制电路(1)进行处理；
通讯接口电路(4)：与DSP控制电路(1)的DSP控制器相连接；
电源电路(5)：为各部分电路供电。


2.根据权利要求1所述的一种用于磁悬浮高速鼓风机的容错控制系统，其特征在于：
容错控制系统运行时，电机信息接口电路(2)将电机传感器电路输出的电机母线电压信号，相电流信号以及转子位置及转速信号输入给DSP控制电路(1)中的DSP控制器进行处理。


3.根据权利要求1所述的一种用于磁悬浮高速鼓风机的容错控制系统，其特征在于：
电机传感器电路(3)包括电流传感器电路、电压传感器电路以及角位置传感器电路，各部分电路独立运行，分别观测电机母线电压、相电流以及转子位置与速度。


4.根据权利要求1所述的一种用于磁悬浮高速鼓风机的容错控制系统，其特征在于：
通讯接口电路(4)包括并行的RS485接口和CAN接口，各部分...

【专利技术属性】
技术研发人员：毛琨，郭傲，郑世强，王坤，乐韵，周冲，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京;11