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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein aktiv geregeltes sensorloses
elektromagnetisches Magnetlager gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs
und ein Verfahren zur Strommessung zur sensorlosen Positionsregelung
eines elektromagnetischen sensorlosen Magnetlagers gemäß dem Oberbegriff
des Nebenanspruchs.
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Eine
Ausgestaltung eines aktiv geregelten sensorlosen elektromagnetischen
Aktors ist ein sensorloses Magnetlager.
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Die
Dissertation ETH Nr. 12249 ”Zur
sensorlosen Magnetlagerung” von
Ladislav Kucera ETH Zürich,
Zürich
1997 offenbart ein sensorloses Magnetlager. Bei herkömmlichen
Magnetlagern mit Positionssensoren wird der Elektromagnet mit einem
Strom angesteuert. Der Elektromagnet übt eine anziehende Kraft für den schwebenden
Körper
aus. Dieser Anziehungskraft wirkt die Gewichtskraft des schwebenden Körpers entgegen.
Es entsteht in einem bestimmten Abstand ein Kräftegleichgewicht. Bei festgehaltenem Strom
steigt die Anziehungskraft, wenn sich der Körper dem Elektromagneten nähert, bzw.
verringert sich die Anziehungskraft, wenn sich der Körper vom Elektromagneten
wegbewegt. Das Magnetlager ist aufgrund der physikalischen Eigenschaft
instabil und muss deshalb geregelt werden. Die Informationen über das
Bewegungsverhalten des schwebenden Körpers bezieht der Regler von
einem Positionssensor. Der Regler steuert den Leistungsverstärker bzw. den
Strom im Elektromagneten so, dass sich ein stabiles Schweben einstellt.
Bei einem sensorlosen Magnetlager wird auf eine externe Sensorik
verzichtet. Da auch beim sensorlosen Magnetlager eine Regelung notwendig
ist, wird die dazu notwendige Positionsinformation durch die luftspaltabhängigen Eigenschaften
der Elektromagnete gewonnen. Es gibt zwei grundlegende Verfahren,
um einen sensorlosen Magnetlagerbetrieb zu ermöglichen, und zwar ein Verfahren
mit linearem Regler oder mit tels eines Modulationsverfahrens. Bei
dem Modulationsverfahren weist ein Elektromagnet im Aufbau die gleiche
Struktur wie ein induktiver Positionssensor auf, und lässt sich
auch als solche betreiben. Mit einer geeigneten spektralen Trennung,
bei welcher dem Kraftsteller der niederfrequente und der Sensorik
der hochfrequente Bereich zugeordnet wird, lassen sich diese beiden
Aufgaben gleichzeitig mit demselben physikalischen Element lösen. 1 zeigt
das Funktionsprinzip eines sensorlosen Magnetlagers, bei dem auf eine
externe Sensorik verzichtet wird.
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Aktiv
geregelte magnetische Lager oder auch andere Systeme mit elektromagnetischen
Aktoren erfordern eine Information über die aktuelle Position des
Rotors bzw. der beweglichen Teile, um daraus die erforderliche Magnetkraft
bzw. die Ströme
für die
Elektromagnete zu bestimmen. Im einfachsten Fall werden hierfür dedizierte
Wegsensoren wie beispielsweise kapazitiv, optisch oder mit Wirbelstromwirkung,
verwendet. Zur Einsparung von Kosten und Bauraum ist es jedoch in
vielen Anwendungen sinnvoll, die für die Krafterzeugung verwendeten
Spulen ebenfalls zur Positionssensorik zu verwenden. Eine Änderung
der Position bzw. des Luftspalts wirkt sich auf die Induktivität der Elektromagnete
aus. Dies kann als Messsignal ausgewertet werden.
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Die
Bestimmung der Induktivität
erfolgt beispielsweise durch Aufmodulieren einer hochfrequenten
Anregung auf den eigentlich kraftbestimmenden Strom. Oft wird der
Strom durch Pulsweitenmodulation (PWM) nach dem Schaltreglerprinzip
eingestellt, wobei es vorteilhaft ist, die über die Pulsweitenmodulation
bereits vorhandene hochfrequente Anregung auch zur Bestimmung der
Induktivität
auszunutzen.
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Problematisch
ist allerdings die ausreichend genaue Messung des hochfrequenten
Anteils auf den Strom, der einem relativ großen und variablen Gleichstrom-Anteil überlagert
ist. Für
einen digitalen Stromregler wird zudem eine Information über den Mittelwert
des fließenden
Stromes benötigt.
Herkömmlich erweise
muss ein Analog-Digitalwandler (ADC) einen weiten Strombereich,
und dies oft auch bipolar, in Ampere-Bereich abdecken, aber zusätzlich die
hochfrequenten Anteile in Milliampere-Bereich ausreichend genau
auflösen,
um daraus eine Induktivitätsbestimmung
zu ermöglichen.
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Herkömmlicherweise
werden teure hochauflösende
Analog-Digital-Wandler
verwendet. Alternativ wird herkömmlich
eine Hoch- bzw. Bandpassfilterung des hochfrequenten Anteils ausgeführt, wobei ein
zweiter Analog-Digital-Wandler verwendet wird. Dabei ist nachteiligerweise
der analoge Schaltungsaufwand sehr hoch und es muss eine Verzerrung
des Signals in Folge der Filterung berücksichtigt werden.
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Die
US 6,515,388 B1 offenbart
eine magnetische Schwebesteuerungsvorrichtung mit einem Paar von
Elektromagneten zum Halten eines schwebenden magnetischen Körpers im
schwebenden Zustand. Eine Signalquelle liefert zur Versorgung ein Spannungssignal
einer Frequenz auf einem Pegel derart, dass die Elektromagnete als
Positionssensor arbeiten, wobei ein Steuerungsspannungssignal zur Steuerung
der magnetischen Anziehung der Elektromagnete dem Spannungssignal überlagert
ist. Eine Schaltung liefert differenziell das Spannungssignal zu
dem Paar von Elektromagneten zur Erzeugung eines Positionssignals
auf dem schwebenden Körper aus
einem Additionssignal von jeweils von den Elektromagneten gelieferten
Strömen.
Eine Schaltung erfasst einen Steuerungsstrom der Elektromagnete von
einem Subtraktionssignal aus jeweils von den Elektromagneten gelieferten
Strömen.
Eine Steuerungseinrichtung erzeugt ein Steuerungsspannungssignal
der Elektromagnete von dem erfassten Positionssignal des schwebenden
Körpers
und, zusätzlich, korrigiert
das Positionssignal, das von dem erfassten Steuerungsstrom der Elektromagnete
erfasst wurde.
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Es
ist damit Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bei aktiv geregelten
elektromagnetischen sensorlosen Magnetlagern, eine Positionsinformation anhand
einer Induktivitätsbestimmung
mittels einer aufmodulierten Hochfrequenten Anregung auf einfache
Weise bereitzustellen.
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Die
Aufgabe wird durch ein sensorloses Magnetlager gemäß dem Hauptanspruch
und ein Verfahren gemäß dem Nebenanspruch
gelöst.
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Es
wird eine Differenz aus einem Stromsignal und einem Offset-Signal
erzeugt. Das Messsignal ist ein Signal mit einem relativ großen Gleichstrom-Anteil
und einem kleinen Wechselanteil. Der Gleichstrom-Anteil ist über den
Betriebsbereich variabel und verändert
sich lediglich langsam. Der Wechselanteil ist für die Positionsbestimmung relevant
und muss möglichst
genau und zeitlich hochauflösend
erfasst werden. Digitalisiert man das Signal direkt, benötigt man
einen sehr fein auflösenden
und dazu schnellen Wandler, beispielsweise einen 16 Bit Wandler,
der teuer ist, wobei in einem Betriebspunkt jeweils nur ein sehr
kleiner Bereich des Wandlers ausgenutzt wird. Die vorliegende Erfindung
ermöglicht
einen Analog-Digital-Wandler
mit geringeren Anforderungen.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen werden in Verbindung mit den Unteransprüchen beansprucht.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausgestaltung stellt der Regler ein variables konstantes
bzw. langsam veränderliches
Offsetsignal bereit.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der Regler ein digitaler
Regler und das Offset-Signal wird mittels eines Digital-Analogen Wandlers
eingestellt. Das Offset-Signal
wird über
einen im Verhältnis
zum eigentlichen Analog-Digialwandler
grob auflösenden
und langsamen Digital-Analog-Wandler
eingestellt. Das Gleichstrom-Signal auf dem Messsignal wird durch
einen vom digitalen Regler, über
einen Digital-Analog-Wandler einstellbaren Offset beseitigt.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist das Differenzsignal analog
und wird aus analogem Messsignal und analogem Offset-Signal erzeugt.
Der langsam veränderliche
und für
die Positionsmessung weniger relevante Gleichstromanteil wird noch
analog vor der eigentlichen Analog-Digital-Wandlung abgezogen und
so der Aussteuerbereich des Analog-Digital-Wandlers deutlich besser ausgenutzt.
Es wird also zunächst
noch analog ein variabler, konstanter bzw. langsam veränderlicher Offset
vom Messsignal abgezogen.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird das analoge Differenzsignal
mittels eines Analog-Digital-Wandlers digitalisiert bzw. gemessen
und für
den digitalen Regler bereitgestellt. Es wird zunächst vom Stromsignal über einen
Digital-Analogwandler ein variabler Offset analog subtrahiert und
danach lediglich noch die Differenz aus beiden Signalen mit dem
Analog-Digital-Wandler gemessen. Für diesen Analog-Digital-Wandler ist
eine deutlich kleinere Auflösung
als herkömmlicher
Weise erforderlich, zudem reicht lediglich ein Analog-Digital-Wandler
aus und der analoge Schaltungsaufwand sowie Verzerrungen sind klein.
Auf diese Weise kann die volle Auflösung des Analog-Digital-Wandlers
für das
hochfrequente Signal zur Induktivitätsmessung vorgesehen werden.
Die Differenz aus Messsignal und dem Offset-Signal wird noch analog
gebildet und ist dann das Eingangssignal für den eigentlichen Analog-Digital-Konverter,
der jetzt nur noch einen deutlich kleineren Signalbereich fein auflösen muss.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist eine Einrichtung zum Ermitteln
des Gleichstromanteils anhand des Offset-Signalwertes bereitgestellt.
Durch die Kenntnis des Offset-Wertes lässt sich der Mittelwert bzw.
der Gleichstromanteil des Stromes ermitteln.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der Digital-Analog-Wandler
ein 8 Bit Wandler. Dies ist ein einfacher Typ.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der Analog-Digital-Wandler
ein 10 oder 12 Bit Wandler. Das heißt ein 10 oder 12 Bit Wandler
ist ausreichend, sodass der Aufwand gegenüber einen herkömmlichen
16 Bit Wandler wirksam verringert ist.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der Aktor ein sensorloses
Magnetlager mit einem Rotor. Das heißt die vorliegende Erfindung eignet
sich insbesondere für
eine Anwendung bei sensorlosen Magnetlagern, wobei die Positionsinformation
aus dem Stromsignal rekonstruiert wird.
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Die
Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen
in Verbindung mit den Figuren näher
beschrieben. Es zeigen:
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1 ein
herkömmliches
Ausführungsbeispiel
eines sensorlosen Magnetlagers;
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2 ein
erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel
eines sensorlosen Magnetlagers;
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1 zeigt
ein herkömmliches
Ausführungsbeispiel
eines sensorlosen Magnetlagers. Ein Elektromagnet 2 bewirkt
eine Rotation und eine Positionierung eines Rotors 11.
An dem Elektromagneten 2 ist eine Spannung angelegt. Die
Spannung wird mittels eines Reglers 3 und eines Leistungsverstärkers bereitgestellt.
Bezugszeichen 1 kennzeichnet eine Einrichtung zum Messen
eines elektrischen Stromes mit einem Gleichstromanteil für die Kraftwirkung
des Elektromagneten 2 und mit einem Wechselstromanteil
für das
mittels des Reglers 3 erfolgenden Positionsregeln des Aktors,
der den Rotor 11 aufweist. Anhand des von der Einrichtung 1 bereitgestellten Messsignals
regelt der Regler 3 den Leistungsverstärker 13 der wiederum
die für
den Elektromagneten 2 erforderliche Spannung bereitstellt.
Es wird insbesondere das Modulationsverfahren angewendet. Dabei
weißt
der Elektromagnet 2 im Aufbau die gleiche Struktur wie
ein induktiver Positionssensor auf und wird auch als solcher betrieben.
Mit einer geeigneten spektralen Trennung, bei der dem Kraftsteller
der niederfrequente und der Sensorik der Hochfrequente Bereich zugeordnet
wird, lassen sich beide Aufgaben gleichzeitig mit demselben physikalischen
Element lösen.
Zwischen der Messeinrichtung 1 und dem Regler 3 ist
herkömmlicher
Weise ein hochauflösender
Analog-Digital-Wandler 9 (ADC) bereitgestellt.
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2 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
eines sensorlosen Magnetlagers gemäß der vorliegenden Erfindung.
Dabei ist der Regler 3 ein digitaler Regler. Der digitale
Regler 3 stellt ein dem Gleichstromanteil entsprechendes
Offset-Signal bereit. Dieses Offset-Signal wird durch einen Digital-Analog-Wandler DAC 7 in
ein analoges Signal umgewandelt. Mittels einer Einrichtung 5 zum
Erzeugen eines analogen Differenzsignals aus dem analogen Messsignal
und dem den Gleichstromanteil entsprechenden Offsetsignal, wird
ein analoges Differenzsignal erzeugt. Dieses wird einem Analog-Digital-Wandler 9 zugeführt der
wiederum den digitalen Regler 3 den für die Sensorik erforderlichen
hochfrequenten Bereich zuführt. Im
Weiteren entspricht 2 der 1. Dieselben Bezugszeichen
betreffen dieselben Elemente der Vorrichtung. Der Digital-Analog-Wandler
DAC 7 kann beispielsweise ein 8 Bit Wandler sein. Der Analog-Digital-Wandler
ADC 9 kann beispielsweise ein 10 oder 12 Bit Wandler sein.
Die Information für
den Regler 3 wird erfindungsgemäß nicht direkt digitalisiert.
Es wird zunächst
noch analog ein variabler konstanter bzw. langsam veränderlicher
Offset vom Messsignal abgezogen. Auf diese Weise verringert sich
der Aufwand für
den Analog-Digital-Wandler ADC 9.