一种高精度磁悬浮电子轴承位移及转速传感器设计方法与流程

本发明涉及磁悬浮轴承状态检测与传感，具体涉及一种高精度磁悬浮电子轴承位移及转速传感器设计方法，主要应用于高速电机、精密机床、航空航天涡轮机等高端装备的磁悬浮轴承实时状态监测与闭环稳定控制。

背景技术：

1、磁悬浮电子轴承的稳定运行高度依赖控制系统对转子多自由度位移和实时转速的精确测量。在传统的传感器设计方案中，位移探头与转速探头通常在定子内部独立安装，或者在物理集成时缺乏严密的电磁隔离结构。由于磁悬浮系统内部电机运行及高频驱动控制会产生强交变磁场，不同检测组件之间极易发生电磁耦合干扰。同时，探头线圈材料在系统运行过程中受环境温度变化影响，存在热膨胀与磁导率漂移现象，这些物理层面的干扰和变化会在原始信号采集阶段引入非线性测量误差。

2、在信号解析与处理阶段，现有传感器对转速方波信号的处理多依赖单一的测频或测周期算法。转子在极低速启动阶段与高速跨越临界转速区间时，其输出信号的频率特征和噪声分布差异明显，单一算法无法同时满足宽速域两端的测量分辨率要求，导致系统在全速域工况下容易出现转速测量精度波动。此外，传统的多通道信号采集系统多采用软件中断机制来触发数据采样与锁存。在复杂的微控制器系统中，软件指令的响应和调度存在固有的时间开销与执行抖动，这会导致位移模拟信号的采样点与转速方波信号的计数值在时间轴上产生错位。这种多源信号之间的时间相位延迟一旦传递给后端的闭环控制系统，会直接影响磁悬浮轴承的动态响应性能和悬浮稳定性。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供一种高精度磁悬浮电子轴承位移及转速传感器设计方法，解决磁悬浮轴承系统内位移与转速信号检测过程中的电磁干扰耦合、全速域测量精度波动以及多源信号时间相位延迟问题。

2、为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

3、本发明提供一种高精度磁悬浮电子轴承位移及转速传感器设计方法，包括：将径向位移检测组件、轴向位移检测组件、转速检测组件及温度检测组件集成于定子基座内，相邻组件间设置绝缘屏蔽隔板；通过硬件电路系统的高频激励电路生成正弦交变激励信号，并注入上述径向与轴向位移检测组件的线圈；

4、上述各类位移检测组件的感应信号经信号采集调理电路转换为直流模拟信号，转速检测组件的脉冲信号经滞回比较电路转换为方波信号；所述直流模拟信号经模数转换单元处理后与温度数据同步输入数字处理单元，所述方波信号输入其内部的高速定时器模块；所述数字处理单元调用误差校准神经网络模块对采集的位移数据进行误差补偿，调用双算法切换机制解析所述方波信号，并利用自适应多级复合滤波模块滤波输出。

5、本发明的核心在于通过空间集成与绝缘屏蔽结构阻断组件间的电磁耦合路径；在数字处理端，引入神经网络模块补偿传感器感应信号的非线性误差，结合双算法切换与自适应复合滤波机制处理不同转速频段的信号特征，克服单一解析算法对位移与转速信号测量精度的局限。

6、优选的，所述径向位移检测组件、轴向位移检测组件的具体布置步骤包括：在所述定子基座的内圆周上对称布置4组径向位移检测组件形成两路对称的差分检测通道，并在轴向两端对称布置2组轴向位移检测组件；将所述转速检测组件独立布置于所述定子基座内部，且正对转子的端部圆周外侧表面；采用单层厚度为20μm且叠压系数不小于0.95的纳米晶带材叠压制备所述径向位移检测组件、轴向位移检测组件及转速检测组件内的铁芯，并在成型后进行整体绝缘封装。

7、上述布置结构形成的差分检测通道具备抑制共模干扰信号的作用。铁芯采用规定厚度和叠压系数的纳米晶带材，利用其高磁导率和低高频损耗特性，降低高频交变激励引发的涡流损耗发热。

8、在本发明的一个优选实施例中，构建包含石英晶振、lc并联谐振网络以及稳压限流模块的所述高频激励电路，利用所述稳压限流模块将所述正弦交变激励信号的输出幅值波动限制在正负0.5%的设定阈值内；构建包含前置放大器、带通滤波器、整流电路以及低通滤波器的所述信号采集调理电路，所述感应信号为多路对称的差分感应信号，利用所述前置放大器对输入的多路对称的差分感应信号执行线性放大与差分运算处理。

9、上述硬件电路中，稳压限流模块用于控制激励源幅值一致性，降低激励源波动造成的测量基准误差；前置放大器通过差分运算处理将差分感应信号转换为单端信号，提升后续模数转换环节的信噪比。

10、优选的，设定所述误差校准神经网络模块的输入数据维度为二维，具体包括模数转换单元输出的表征原始电感差值的数字电压信号，以及由系统设置的温度检测组件输出的温度数据；所述数字处理单元调用最大最小值归一化算法将二维输入数据统一映射至负一与正一之间的数值区间后输入隐藏层；利用线性整流函数对所述误差校准神经网络模块的隐藏层节点进行激活处理，采用线性激活函数对输出层节点处理并输出真实位移量。

11、由于磁悬浮探头线圈的电感特性存在温度漂移，本方案将温度数据与电压信号组合为二维输入变量，利用神经网络构建温度-电感-位移映射关系，在算法端直接补偿热膨胀和磁导率温漂引起的误差。

12、在本发明的一个优选实施例中，所述误差校准神经网络模块在部署前执行离线训练，步骤包括：将所述数字电压信号与所述温度数据的组合设为训练样本，将激光干涉仪测量的基准位移数据设为训练标签；采用均方误差作为损失函数，利用梯度下降优化算法反向传播并迭代更新各层级的权重系数与偏置参数，直至所述均方误差下降至10-14次方的量级水平时停止训练，并将最终参数固化至内部非易失性存储器中。

13、离线训练过程引入激光干涉仪数据作为基准，通过多维拟合固化模型参数。传感器在线运行时仅需调用固化参数执行前向推理，控制实时算力开销。

14、优选的，在所述数字处理单元内部预设频率切换阈值，所述频率切换阈值的取值由所述数字处理单元的系统时钟频率与预设转速检测误差要求共同确定；所述双算法切换机制的解析步骤为：

15、当所述方波信号的频率低于所述频率切换阈值时，测量相邻方波脉冲的时间周期，获取信号频率；当所述方波信号的频率大于或等于所述频率切换阈值时，在固定时间窗口内结合统计的方波脉冲数量与其对应的时间戳，获取信号频率；最后依据获取的信号频率与预设于转子端部的导磁齿槽数量的比例关系换算转子的实时转速数据。

16、上述解析步骤针对低频段与高频段分别采用测周期和测频率的统计方法，依据频率切换阈值进行分支处理，解决单一测频算法在不同转速范围两端的测量误差问题。

17、在本发明的一个优选实施例中，在所述自适应多级复合滤波模块内部设定转速下限阈值与转速上限阈值，所述转速下限阈值为转子一阶临界转速的80%，所述转速上限阈值为转子一阶临界转速的120%；当实时转速数据小于或等于所述转速下限阈值时，激活包含中值滤波模块与滑动平均滤波模块串联的低速复合滤波通道；

18、当实时转速数据大于或等于所述转速上限阈值时，激活包含一阶滞后滤波模块与卡尔曼滤波模块组合的高速复合滤波通道；当实时转速数据处于所述两项阈值之间的数值过渡区间时，依据转速位置计算动态权重系数，并对低速复合滤波通道与高速复合滤波通道的输出值进行线性加权融合。

19、转子在临界转速前后的振动特性和噪声分布不同。分段复合滤波架构中，低速段侧重消除脉冲干扰，高速段侧重状态预测与高频噪声抑制，处于过渡段时的线性加权处理确保数据输出具备连续性。

20、优选的，在所述数字处理单元内部设置有时钟同步解析模块，所述时钟同步解析模块内设全局硬件定时器；所述全局硬件定时器依据设定的系统控制周期产生同步触发脉冲，并直接分配至模数转换单元与所述高速定时器模块；当所述同步触发脉冲到达时，强制所述模数转换单元启动对位移电压信号的采样与锁存操作，并同步强制所述高速定时器模块并行锁存由最新方波边缘触发的高精度时间戳与当前的方波脉冲计数值。

21、全局硬件定时器产生的同步脉冲替代了常规的软件中断触发方式，消除指令执行过程的等待抖动。位移数据采样点与转速数据计算点在时间轴上的强制对齐，为后续控制系统提供同步状态反馈。

22、在本发明的一个优选实施例中，采用内部双绞线结构且外部金属编织屏蔽网进行单端接地处理的多层屏蔽线缆组件传输上述各检测组件原始检测信号；将所述径向位移检测组件、轴向位移检测组件、转速检测组件固定于非导磁材料制成的安装支架上，并在所述安装支架的外部封装坡莫合金材料制成的合金屏蔽罩；在所述硬件电路系统的电路板与所述定子基座的安装界面处设置高分子减震绝缘垫层。

23、方案通过双绞线结构及单端接地屏蔽网抑制共模和地环路干扰；利用坡莫合金的磁导率特性屏蔽外部电机低频交变磁场；高分子减震绝缘垫层用于阻隔机械振动向内部电路板的传递。

24、优选的，所述传感器设计方法还包含全量程性能标定步骤：利用微动台驱动标定靶材多点步进移动，通过基准测量仪器测量物理位移量作为标定基准数据；数据采集与分析模块同步获取数字处理单元输出的测量位移数据，记录双向行程的测量数据并利用最小二乘法对上述多组数据进行线性拟合；控制标准伺服电机连接转子执行加速与减速运行，同步记录标准转速数据与所述转速检测组件解析的测量转速数据，比对两组转速数据在瞬态工况下的时间相位差以及稳态工况下的数值偏差。

25、上述全量程性能标定步骤通过静态步移和动态加减速测试，验证位移与转速测量的静态线性度和动态响应指标，确保软硬件结合后的测量系统符合工程应用指标。

26、本发明提供了一种高精度磁悬浮电子轴承位移及转速传感器设计方法。具备以下有益效果：

27、1、本发明通过将多组位移检测组件与转速检测组件集成于定子基座内，配合绝缘屏蔽隔板、坡莫合金屏蔽罩以及差分检测通道的硬件结构设计，阻断了不同检测模块间的电磁耦合路径及外部电机交变磁场的干扰。结合稳压限流模块对高频激励信号幅值的控制，从物理结构与硬件源头保障了原始传感信号的稳定性，降低了复杂电磁环境对测量基准的影响。

28、2、本发明在数据处理环节引入误差校准神经网络模块与双算法切换机制，将温度参量与数字电压信号作为联合输入，利用算法模型补偿探头线圈材料的热膨胀与磁导率温漂产生的非线性误差。针对转子的不同运行工况，依据预设阈值切换测频与测周期运算，并配合分段式多级复合滤波通道，解决了单一解析算法在极低速与跨越临界转速区间的测量误差问题，保证全速域范围内数据的准确性与连续性。

29、3、本发明利用时钟同步解析模块内的全局硬件定时器产生同步触发脉冲，直接强制模数转换单元与高速定时器模块并行执行位移电压采样与方波脉冲锁存操作。该纯硬件同步机制替代了传统的软件中断触发方式，消除了指令执行等待引发的时钟抖动，实现了位移数据与转速数据在时间轴上的严格对齐，为磁悬浮控制系统提供无时间相位延迟的同步状态反馈。