专利名称：一种磁悬浮系统动态测试系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种磁悬浮系统动态测试系统，用于对磁悬浮机电设备中的磁悬浮系统的指定被测模块在闭环状态下进行动态特性测试，特别适用于获取磁悬浮电机、磁悬浮控制力矩陀螺等磁悬浮机电设备中磁悬浮系统的指定被测模块的动态特性。
背景技术：
磁悬浮轴承支承相对于传统机械轴承支承具有无接触、无润滑、无磨损、振动小、 功耗低、允许转子高速旋转及可主动控制等特点，在机床、透平机械、离心机、鼓风机和航空航天等领域有广阔的应用前景。磁悬浮控制系统结构复杂，包括位移传感器、电流传感器、 控制器、功率放大器、磁轴承、转子等部分。为了设计在工作频率范围内性能优良的磁悬浮控制器，需要对磁悬浮系统的各个模块进行动态特性测试，得到各个模块在不同频率处的频率响应。现有动态特性测试工具主要是动态信号分析仪，动态信号分析仪是硬件和分析软件构成，能从表示物理量的电信号中分析其特性参数，它可从时域、频域和幅值域分析被测信号，广泛应用于振动、冲击等测量与分析领域，但这种方案需要增加专门的测试设备， 而且无法测试磁悬浮控制系统的内部过程变量，FFT变换需要大量运算，对硬件要求较高， 进行闭环测试时，引出信号经过的环节较多，混入大量线路噪声，并有转换延时，造成测试结果不准确。
发明内容
本发明的技术解决问题是克服现有磁悬浮动态测试技术的不足，提供一种磁悬浮系统动态特性测试系统。本发明的技术解决方案是一种磁悬浮系统动态特性在线测试系统，主要包括激励单元、节点选择单元、跟踪带通滤波单元、自适应辨识单元和频率特性提取单元，其中节点选择单元根据磁悬浮系统被测模块的位置选择激励输入节点、被测模块前输出节点和被测模块后输出节点，激励单元构造出两个正余弦正交信号，将正弦信号叠加到激励输入节点，将正余弦信号送入自适应辨识单元中。跟踪带通滤波单元构造出通带中心频率实时跟踪激励信号频率且通带宽度可调的带通滤波器，从被测模块前输出节点和被测模块后输出节点引出信号经过跟踪带通滤波单元进行滤波处理后输送到自适应辨识单元，自适应辨识单元用激励单元构造的正余弦信号分别对两个滤波后的输出节点引出信号进行鲁棒自适应拟合并得到权重系数阵U频率特性提取单元根据W” W2实时计算得到被测模块在当前频率处幅度和相位，整个扫频频率段的幅度和相位信息组合成被测模块的幅频特性曲线和相频特性曲线。所述的跟踪带通滤波单元由滤波器系数计算模块和滤波处理模块组成。滤波器系数计算模块根据激励单元输出的当前信号频率和设定的通带宽度计算得到带通滤波器系数；滤波处理模块采用计算得到的带通滤波器系数对节点选择单元所选通的两个节点输出信号进行实时滤波处理。
所述的自适应辨识单元利用激励模块输出的正弦信号及与其正交的余弦信号对滤波后的两个节点弓I出信号进行鲁棒自适应拟合，自适应步长依据拟合误差实时调整。所述的频率特性提取单元由幅度提取模块、相位提取模块、幅频特性提取模块和相频特性提取模块组成。幅度提取模块根据自适应辨识模块的拟合权重系数阵W” W2计算被测模块在当前频率处的幅度响应，相位提取模块根据自适应辨识单元的拟合权重系数阵 W1^ff2计算被测模块在当前频率处的相位响应，幅频特性提取模块和相频特性提取模块把整个测试频率段的幅度响应和相位响应组合成被测模块的幅频特性曲线和相频特性曲线，得到被测模块的动态特性。本发明的原理是在磁悬浮控制系统被测模块前叠加正弦扫频信号，则整个闭环控制系统的各个环节都会叠加有与扫频信号同频的信号。用跟踪带通滤波器滤除与被测模块的输入信号和输出信号非同频的信号，然后把正弦扫频信号和与其同频但相位超前90 度的余弦信号的相应组合W1 = (Wxl，Wyl)和^ = (Wx2，Wy2)分别拟合被测模块前后的两个引出信号，其中Wp W2使用鲁棒自适应方法迭代得到。因为两个拟合信号正交，所以，以正弦扫描信号为横轴、以相位超前其90度的余弦信号为纵轴的坐标系构成二维笛卡儿直角坐标系，而拟合系数阵W1= (Wxl，Wyl)即为输入信号在该坐标系上的坐标值，拟合系数阵W2 = (Wx2，Wy2)即为输出信号在此坐标系上的坐标值。按照频率响应定义，从原点(0，0)出发引向点(wxl，wyl)构成的矢量设为再，从原点(0，0)出发引向点(wx2，wy2)构成的矢量设为/{，则
为激励信号经过被测模块前后的幅值变化，即为被测模块在当前频率f处的幅
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度响应，=为激励信号经过被测模块前后的相角变化，即为被测模块在当前频
率f处的相位响应。整个测试频率段的幅度响应和相位响应随频率的变化就形成被测模块的幅频特性曲线和相频特性曲线，继而得到被测模块的动态特性。本发明与现有技术相比的优点在于(1)本发明集成在磁悬浮控制系统中，增加了磁悬浮控制系统内部的可测试模块和可测试点，而且不需增加额外检测设备，节约了成本。(2)本发明采用跟踪带通滤波单元对引出节点信号进行滤波预处理，自适应辨识单元利用鲁棒自适应方法实现对被测信号的拟合，确保自适应算法的稳定性，相对于传统的FFT频域谱分析方法辨识结果噪声低。(3)本发明可以在磁悬浮系统闭环工作情况下对其内部模块进行动态特性测试， 节点选择模块可以选择被测试模块和测试引出节点，灵活方便，操作性强。
图1为本发明的结构组成框图；图2为本发明的磁悬浮系统的流程图；图3为本发明的激励模块实现流程图；图4为本发明的节点选择模块结构图；图5为本发明的跟踪带通滤波器实现流程图；图6为本发明的自适应辨识模块实现流程图7为本发明的频率特性提取模块的提取原理图；图8为本发明的频率特性提取模块的结构图；图9本发明的试验对象——磁悬浮高速电机及磁悬浮控制系统的结构图；图10为本发明在磁悬浮高速电机上进行动态测试实验的结果，其中图IOa为被测模块的幅频特性曲线，图IOb为被测模块的相频特性曲线。
具体实施例方式如图1所示，本发明主要包括激励单元1、节点选择单元2、跟踪带通滤波单元3、自适应辨识单元4和频率特性提取单元5。节点选择单元2根据磁悬浮系统中被测模块的位置确定激励输入节点、被测模块前输出节点和被测模块后输出节点。激励单元1构造出两个正交的正余弦信号，其中正弦信号作为激励信号叠加到激励输入节点，正弦、余弦信号用作自适应辨识单元的拟合信号。跟踪带通滤波单元3构造一个通带中心频率实时跟踪激励信号频率且通带宽度可调的带通滤波器，从被测模块前输出节点和被测模块后输出节点引出的信号经过跟踪带通滤波单元3进行滤波处理，滤除直流偏置量和高频噪声，提高拟合精度，处理后的信号输送到自适应辨识单元4，自适应辨识单元4使用激励单元1构造的正余弦信号分别对滤波处理后的两个输出节点信号进行鲁棒自适应拟合，得到拟合权重系数矩阵Wi、W2，鲁棒方法可以在保证稳定性的情况下分别控制收敛速度和收敛精度。频率特性提取单元5根据W1I2实时计算激励信号经过被测模块前后的幅值变化和相位变化，即为被测模块在当前所施加激励频率处的幅度响应和相位响应，整个测试频率段的幅度和相位响应随频率变化的信息组合成被测模块的幅频特性曲线和相频特性曲线，进而得到其动态特性。如图2所示，为本发明所述的磁悬浮系统6的结构图，当转子受外界扰动时，转子就偏离了参考位置，位移传感器检测磁悬浮转子的位置信号与参考位置量做差送入控制器中，控制器按相应控制算法计算得到的控制量与电流传感器检测的磁轴承线圈电流值做差，差值经过比例环节K后得到最终的输出控制量。该控制量送入功率放大器，供给磁轴承线圈中的电流。磁轴承线圈产生电磁力施加于磁悬浮转子，使位置偏移的磁悬浮转子重新回到参考位置附近。如图3所示，为本发明所述的激励单元1的实现流程图，激励单元1集成在磁悬
浮控制系统中，为对数递增型扫频信号，激励单元1的扫频时间T_chirp、起始频率Freq_
start、终止频率Freq_end、激励幅值Amp、磁悬浮控制周期T_ctrAMB均可在线修改。在具
体实施时，设定上述参数初始值，对数递增型增长频率的递乘步长FrecLstepjmilt为
权利要求
1.一种磁悬浮系统动态测试系统，其特征在于主要包括激励单元(1)、节点选择单元 O)、跟踪带通滤波单元(3)、自适应辨识单元(4)和频率特性提取单元(5)，其中节点选择单元( 根据磁悬浮系统被测模块的位置选择激励输入节点、被测模块前输出节点和被测模块后输出节点，激励单元(1)构造出两个正余弦正交信号，将正弦信号叠加到激励输入节点，将正余弦信号送入自适应辨识单元中。跟踪带通滤波单元(3)构造出通带中心频率实时跟踪激励信号频率且通带宽度可调的带通滤波器，从被测模块前输出节点和被测模块后输出节点引出信号经过跟踪带通滤波单元C3)进行滤波处理后输送到自适应辨识单元G)，自适应辨识单元(4)用激励单元(1)构造的正余弦信号分别对两个滤波后的输出节点引出信号进行鲁棒自适应拟合并得到权重系数阵W1I2，频率特性提取单元(5)根据 W1^W2实时计算得到被测模块在当前频率处幅度和相位，整个扫频频率段的幅度和相位信息组合成被测模块的幅频特性曲线和相频特性曲线。
2.根据权利要求1所述的一种磁悬浮系统动态测试系统，其特征在于所述的跟踪带通滤波单元(3)由滤波器系数计算模块(31)和滤波处理模块(3 组成。滤波器系数计算模块(31)根据激励单元(1)输出的当前信号频率和设定的通带宽度计算得到带通滤波器的表达式；滤波处理模块(3 采用滤波器系数计算模块(31)计算得到的带通滤波器系数对节点选择单元( 所选通的两个节点输出信号进行实时滤波处理。
3.根据权利要求1所述的一种磁悬浮系统动态测试系统，其特征在于所述的自适应辨识单元(4)利用激励模块(1)输出的正弦信号及与其正交的余弦信号对滤波后的两个节点引出信号进行鲁棒自适应拟合，其中，自适应步长使用鲁棒方法根据拟合误差可以实时调整。
4.根据权利要求1所述的一种磁悬浮系统动态测试系统，其特征在于所述的频率特性提取单元(5)由幅度提取模块(51)、相位提取模块(52)、幅频特性提取模块(5 和相频特性提取模块(54)组成，幅度提取模块(51)根据自适应辨识模块的拟合权重系数阵 W1^ W2计算被测模块在当前频率处的幅度响应，将计算结果输送到幅频特性提取模块(53) 中，幅频特性提取模块(5 把整个测试频率段的幅度响应随频率的变化组合成被测模块的幅频特性曲线，相位提取模块(52)根据自适应辨识单元⑷的拟合权重系数阵WpW2计算被测模块在当前频率处的相位响应，将计算结果输送到相频特性提取模块(54)中，相频特性提取模块(54)把整个测试频率段的相位响应随频率的变化组合成被测模块的相频特性曲线，继而得到被测模块的动态特性。
全文摘要
一种磁悬浮系统动态测试系统，主要包括激励单元、节点选择单元、跟踪带通滤波单元、自适应辨识单元和频率特性提取单元。激励单元产生扫频激励信号；节点选择单元选择激励输入节点把扫频激励信号叠加到控制系统中，同时根据被测模块选择两个测试信号引出节点；跟踪带通滤波单元对引出信号进行滤波处理；自适应辨识单元用扫频激励信号对处理后的节点引出信号进行鲁棒自适应拟合；频率特性提取单元根据拟合结果得到被测试模块频率特性曲线。本发明集成在磁悬浮控制系统中，增加了可观测点，可以对磁悬浮控制系统中的某个模块进行开环或闭环动态测试，而且不需增加任何设备，节约了成本，提高了测试效率。
文档编号G05B23/02GK102298114SQ201110130500
公开日2011年12月28日 申请日期2011年5月19日 优先权日2011年5月19日
发明者任昌健, 姜寅啸, 孙津济, 房建成, 曹国恩, 王英广 申请人:北京航空航天大学