《Actuators》：Confidence-Fusion-Based Fault-Tolerant Displacement Measurement Method for Bearingless Induction Motor
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无轴承异步电机（Bearingless Induction Motor, BIM）依赖于精确的位移反馈来维持稳定的磁悬浮，但传感器故障、性能退化和噪声会扭曲反馈信号并在支路切换过程中诱发瞬态过程。本文研究人员提出了一种基于置信度融合的容错位移测量方法，用于无轴
无轴承异步电机（Bearingless Induction Motor, BIM）依赖于精确的位移反馈来维持稳定的磁悬浮，但传感器故障、性能退化和噪声会扭曲反馈信号并在支路切换过程中诱发瞬态过程。本文研究人员提出了一种基于置信度融合的容错位移测量方法，用于无轴承异步电机（BIM）的悬浮反馈链路。研究人员开发了一种四通道非对称冗余传感器配置，并从采样差分项和几何一致性残差构建了通道状态评估函数。采用带有一阶平滑的递减Sigmoid映射生成连续的置信度系数以表征通道健康状态。结合主通道的离散故障标志，对四个重构支路AB、BC、AC和CD进行自适应加权，得到重构位移，并通过平滑反馈接入机制连接到原始悬浮控制器。研究人员利用MATLAB/Simulink闭环悬浮模型，在无故障运行、主通道A突发故障、主通道A和B同时及顺序故障、突发和渐近退化、恒定偏置、间歇性信号丢失以及主通道B噪声干扰等工况下对方法进行了评估。结果表明，该方法能够识别异常主通道，根据传感器状况重新分配重构权重，并在双主通道失效时通过CD支路维持备用路径。在通道B退化情况下，置信度系数跟踪退化程度并支持后续从AB到AC支路的转移；而在噪声干扰下，故障标志保持未激活状态，避免了不必要的支路切换。该方法在不改变主悬浮控制器的情况下提高了反馈连续性。
**研究背景**
无轴承异步电机（Bearingless Induction Motor, BIM）依靠精确的转子位移反馈实现稳定的磁悬浮悬浮，但位移传感器故障、性能退化及噪声干扰会扭曲反馈信号，导致支路切换时产生瞬态扰动。现有基于小波变换、自适应广义回归神经网络（AGRNN）等方法虽能诊断故障并重构位移，但多针对硬切换或依赖训练数据，无法连续表征通道从健康到退化的演变过程，也难以抑制重构支路切换导致的反馈不连续性。因此，研究人员提出一种基于置信度融合的容错位移测量方法，旨在不改变原悬浮控制器结构的前提下，提升反馈链路的可靠性与平滑性。论文发表在《Actuators》。
**主要技术方法**
研究人员构建了四通道非对称冗余位移传感器配置（主通道A、B与冗余通道C、D，其中C与x轴负方向夹角45°）。通过采样差分项和几何一致性残差构造通道状态评估函数，采用递减Sigmoid映射结合一阶平滑生成连续置信度系数（范围0.01~1），表征传感器健康状态。结合主通道A、B的离散故障标志，对AB、BC、AC、CD四个候选重构支路进行自适应加权融合，并通过一阶平滑反馈接入机制将重构位移输入原悬浮控制器。所有评估基于MATLAB/Simulink闭环悬浮仿真平台。
**研究结果**
4.2.1 无故障条件
仿真表明，FTC模块接入后，位移响应与原始方案一致，置信度系数保持接近1，AB支路权重占主导，无虚假切换。
4.2.2 通道A突发故障
在t=0.4 s时通道A完全失效，置信度系数CA迅速降至0.01，故障标志fA激活；AB支路被抑制，BC支路迅速接管。相比经典硬切换，所提方法将最大重构误差降低约29.2%（从5.39×10
-5 μm降至3.81×10
-5 μm），切换瞬态峰值显著减小。
4.2.3 通道A和B同时故障
两主通道同时失效后，CA和CB均降至低值，fA和fB激活，AB支路被抑制，CD支路迅速成为主导，维持位移反馈。硬切换同样选择CD支路，但所提方法通过置信度加权实现平滑过渡。
4.2.4 通道A和B顺序故障
A于0.4 s故障，B于0.7 s故障。第一阶段AB→BC，第二阶段BC→CD。所提方法将两阶段切换峰值误差分别降低29.5%和85.6%，RMSE和MAE仅增加约1%以内。
4.2.5 通道B突发退化
B在0.4 s发生性能突降，CB降至约0.12，fB激活；AB和BC支路被抑制，AC支路接管。置信度系数有效反映非完全失效的退化程度。
4.2.6 通道B渐近退化
B性能随时间缓慢下降，CB在约0.545 s时才低于阈值并触发fB，AB→AC切换发生在该时刻，表明方法能跟踪渐进退化且避免过早切换。
4.2.7 通道B噪声干扰
在标称噪声水平下，CB保持高位波动，fB始终未激活，AB支路持续主导。多噪声水平（0.075~0.375 μm）的50次独立仿真中，误触发率为0%，重构误差随噪声增大而增大但统计稳定。
4.2.8 附加实际故障条件
恒定偏置故障（1 μm）在2.9 ms内检测并切换至AC支路，误触发率0%；间歇性信号丢失（三次10 ms丢失）在首次丢失后约3.0 ms完成AB→AC切换，后续丢失的最大误差从8.57 μm降至0.08 μm以下。
**讨论与结论**
所提方法通过连续置信度系数替代二元故障判定，能够表征突发故障、渐进退化及噪声变化；自适应加权融合实现支路平滑转移，避免硬切换瞬态；一阶平滑反馈接入机制降低转移影响。局部参数灵敏度测试表明在±20%扰动内保持正确检测。在安装角偏差±5°内仍能维持连续重构，误差随偏差增大而单调增加。闭环延迟容限分析（0~0.2 ms）与极点分析显示内部一阶环节均稳定，且闭环控制在延迟范围内保持良好性能。计算负担评估显示该方法平均每采样周期执行约8.70 μs，占用10 kHz采样周期的8.70%，适合嵌入式实现。
**结论部分翻译**
本文为无轴承异步电机的悬浮反馈链路提出了一种基于置信度融合的容错位移测量方法。该方法结合了通道状态评估、基于递减Sigmoid的置信度生成、四个候选重构支路的自适应加权融合以及平滑反馈接入，且在不改变原悬浮控制器主体结构的情况下实现。主要结论如下：首先，所提出的置信度评估方法能够连续表征位移传感器通道的健康状态。与纯粹的二元故障决策相比，生成的置信度系数不仅能反映突发故障，还能反映渐进退化和噪声引起的可靠性变化。其次，加权重构机制支持在AB、BC、AC和CD支路间自适应转移。仿真结果表明，该方法能够在通道A突发故障、通道A和B同时及顺序故障、通道B退化、偏置、信号丢失和噪声干扰工况下保持可用的位移反馈。第三，平滑反馈接入阶段降低了重构支路转移对悬浮反馈环的瞬态影响。与经典硬切换相比，所提方法保持了相当的故障后重构精度，同时降低了支路转移期间的重构误差瞬态峰值。此外，统计噪声测试、安装角误差分析、延迟容限分析和计算负载基准进一步在考虑仿真条件下支持了所提方法的可行性。应指出若干局限性：重构关系依赖于标称传感器几何、信号极性和校准一致性；置信图、故障决策等参数仍需初步整定；当前基于MATLAB/Simulink仿真验证，多通道故障、零点漂移等尚未系统评估；计算负载结果来自桌面仿真而非目标硬件最差执行时间测量。未来将开展实际平台实验验证、参数系统选取、传感器校准误差联合分析及实时数字信号处理器（DSP）或现场可编程门阵列（FPGA）上的代码生成实现。
