DE2905583A1

DE2905583A1 - Vorrichtung zur kompensation der verstaerkung einer schaltungsanordnung mit einer strom-gegenkopplungsschleife

Info

Publication number: DE2905583A1
Application number: DE19792905583
Authority: DE
Inventors: Maurice Brunet; Helmut Habermann
Original assignee: Societe Europeenne de Propulsion SEP SA
Current assignee: Societe Internationale de Mecanique Industrielle SA
Priority date: 1978-02-20
Filing date: 1979-02-14
Publication date: 1979-08-30
Also published as: GB2015203A; FR2417797A1; DE2905583C2; FR2417797B1; JPS60109613A; JPS6141001B2; JPS6137643B2; US4308490A; GB2015203B; JPS5585905A

Description

Anmelderin: Sbuttgart, d. 12.2.1979

δϋϋΪΕΪΐ: lUROPKENNE DE PROPULSION P 3666 S/Bn 3, avenue du General de Gaulle

F-92 800 Puteaux / Frankreich

Vertreter:

Kohler-Schwindling-Späth

Patentanwälte

Hohentwielstr. 41 ■ .

7000 Stuttgart - 1

Vorrichtung zur Kompensation der Verstärkung einer Schaltungsanordnung mit einer Strom-Gegenkopplungsschleife

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Kompensation der Verstärkung eir^r Schaltungsanordnung zur Regelung der Stellung eines Rot-.-rs mit HiJ fe wenigstens eines Wicklungen von

909835/0ß?0

BAD ORIGINAL

Elektromagneten aufweisenden elektromagnetischen Lagers aufgrund von Signalen, die von wenigstens einem auf die Stellung des Rotors ansprechenden Sensor geliefert werden, wobei die Schaltungsanordnung die Speisung der Wicklungen in Abhängigkeit von den von dem wenigstens einen Sensor gelieferten Signalen steuert und eine Verstärkeranordnung umfaßt, die eine Strom-Gegenkopplungsschleife aufweist.

Es ist bekannt, die Speisung der Erregerwicklungen eines elektromagnetischen Lagers mittels Regelschaltungen zu steuern, die eine Verstärkeranordnung enthalten, welche eine Strom-Gegenkopplungsschleife aufweist. Eine solche Vorrichtung ist in Fig. 1 dargestellt.

Bei der Anordnung nach Fig. 1 wird eine Steuerspannung U„ von Signalen x_d mittels Regelschaltungen 7 abgeleitet, welche Korrekturkreiee, wie beispielsweise Phasenschiebernetze umfassen· Die Signale x, werden in klassischer Weise von nicht dargestellten Sensoren geliefert, die auf die Stellung des Rotors ansprechen (s. z.B. FR-PS 21 Zf9 6kk)» Die S teuer spannung U wird über ein Linearisierungsglied 4 einer Verstärkeranordnung 1 zugeführt, deren Ausgang an die Wicklung 3 eines Elektromagneten des magnetischen Lagers angeschlossen ist. Dem Verstärker 1 ist eine Strom-Gegenkopplungsschleife 2 zugeordnet. Diese Strom-Gegenkopplungsschleife umfaßt ein Strommeßglied 21, bei dem es sich beispielsweise um eine Strommeßzange oder einen Widerstand handeln kann. Das von dem Strommeßglied 21 gelieferte Signal wird in den Eingang des Verstärkers 1 zurückgeführt.

Der Nachteil einer solchen Anordnung besteht darin, daß die Strom-Gegenkopplungsschleife 2 mit allen Fehlern behaftet ist, die auf den Luftspalt in dem geregelten elektromagnetischen Lager zurückzuführei>6ind, denn sie berücksichtigt nur den Strom,

90983B/0620 "^Λ

•-5"-

der die Wicklung 3 durchfließt. Demgemäß schwanke die Verstärkung des rückgekoppelten Verstärkers 1 als Funktion des Luftspaltes in dem geregelten elektromagnetischen Lager und infolgedessen auch die von den Elektromagneten ausgeübte Kraft. Dies bedeutet, daß die Steifigkeit des geregelten Lagers als Funktion der Größe des Luftspaltes des Lagers schwankt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die vorstehend behandelten Nachteile zu vermeiden und die Variationen in der Steifigkeit des geregelten Lagers zu reduzieren.

Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art nach der Erfindung dadurch gelöst, daß mit dem Eingang der Verstärkeranordnung eine zusätzliche Einrichtung zum Zuführen eines Signals gekoppelt ist, das von den durch die Luftspalte des geregelten elektromagnetischen Lagers bedingten, in einem begrenzten Frequenzbereich liegenden Schwankungen abhängig ist*

Bei einer ersten Ausfiihrungsform der Erfindung umfaßt die zusätzliche Einrichtung eine Hilfsspule mit verminderter Windungszahl,, die in der Nähe der Wicklungen der Elektromagnete des elektromagnetischen Lagers angeordnet ist und ein Signal liefert, das den Schwankungen des magnetischen Flusses im Luftspalt des elektromagnetischen Lagers proportional ist und einen Hilfsintegrationskreis, dem das von der Hilfsspule gelieferte Signal zugeführt wird und dessen Ausgang mit dem Eingang der Verstärkeranordnung der ßegelungs-Schaltungsanordnung verbunden ist* Außerdem umfaßt die Strom-Gegenkopplungsschleife einen zweiten Hilfsintegrationskreis·-

In diesem Fall weist der zweite Integrationskreis vorzugsweise einen Durchlaßbereich und eine Verstärkung auf, der bzw« die ebenso groß ist wie der Durchlaßbereich bzw. die Verstärkung

909835/^620

des ersten Hilfsintegrationskreises, Weiterhin können zweckmäßig die Zeitkonstanten des ersten und des zweiten Hilfsintegrationskreises größer sein als die Zeitkonstante des Hauptregelkreises.

Bei einer zweiten Ausführungsform der Erfindung umfaßt die zusätzliche Einrichtung ein Addierglied mit zwei Eingängen, denen einerseits ein von den Sensoren abgeleitetes Signal zugeführt wird, das für Variationen in der Stellung des Rotors charakteristisch ist, und andererseits ein für die mittlere Stellung des Rotors charakteristisches Signal, und weiterhin ein der Verstärkeranordnung mit ihrer Strom-Gegenkopplungsschleife vorangehendes Multiplizierglied, welches das Produkt aus dem nicht korrigierten Steuersignal für die Verstärkeranordnung und dem Ausgangssignal des Addiergliedes bildet.

Demgemäß macht es die Erfindung möglich, unter Anwendung einer klassischen Regeleinrichtung mit einer Strom-Gegenkopplungsschleife und den Arbeitsgliedern eines magnetischen Lagers Üblicher Qualität die Präzision des Regelsystems durch die Anwendung leicht zu realisierender Mittel zu erhöhen.

Dank der Anwendung elektrischer Hilfseinrichtungen, die mit einer klassischen Strom-Gegenkopplungsschleife zusammenwirken, erlaubt es die Erfindung insbesondere, Arbeitskräfte zu erzeugen, die unmittelbar der Steuerspannung proportional sind, ohne daß die Anwendung eines Hall-Detektors erforderlich ist. Zwar ist es möglich, durch Einsetzen einer nach dem Hall-Effekt arbeitenden Sonde in den Luftspalt der Elektromagneten des magnetischen Lagers ein Rückkopplungssignal zu erzeugen, das eine vollkommene Proportionalität zwischen den Arbeitskräften des Lagers und der Steuerspannung U gewährleistet, jedoch bereitet das Einsetzen einer aolchen Sonde in der Praxla bedeu-

35/0620

BAD ORIGINAL

r-

tende Schwierigkeiten und führt zu einem leicht verletzlichen System. Demgegenüber erlauben es die nach der Erfindung vorgesehenen Mittel durch Anwendung von elektrischen Hilfseinrichtungen, die sich außerhalb des Luftspaltes der Elektromagnete befinden und mit einer klassischen Strom-Gegenkopplungsschleife zusammenwirken, Variationen der Starrheit eines magnetischen Lagers zu vermeiden, die auf Variationen des Luftspaltes in dem Lager zurückzuführen sind.

Weitere Einzelheiten, Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele. Die der Beschreibung und der Zeichnung zu entnehmenden Merkmale können bei anderen Ausführungsformen die Erfindung einzeln, für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination Anwendung finden. Es zeigen:

Fig. 1 das Schaltbild einer klassischen Schaltungsanordnung zur Regelung eines magnetischen Lagers mit einer Strom-Gegenkopplungsschleife,

Fig. 2. das Schaltbild einer Schaltungsanordnung zur Regelung eines elektromagnetischen Lagers mit einer Einrichtung zur Verstärkungskompensation gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 3 ein Diagramm, das die Steifigkeit eines durch eine Schaltungsanordnung nach Fig. 2 geregelten, elektromagnetischen Lagers als Funktion der Frequenz von Störungen wiedergibt, und

Fig, Zf das Schaltbild einer Schaltungsanordnung zur Regelung eines elektromagnetischen Lagers mit einer zweiten Ausführungsform einer Vorrichtung zur Verstärkungskompensation. ./.

909835/0620

Der in Fig· 2 dargestellte Regelkreis enthält außer den klassischen Elementen der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 eine elektrische Zusatzeinrichtung 5> die dazu dient, in einem bestimmten Frequenzband eine Kompensation der vom Verstärker 1 bewirkten Verstärkung zu bewirken, welche die Schwankungen des LuftSpaltes des geregelten Lagers berücksichtigt. Die Zusatzeinrichtung 5 umfaßt eine kleine Hilfsspule 51» die aus einigen Windungen besteht, welche die Wicklung 3 in solcher Weise umgeben, daß sie auf Änderungen des magnetischen Flusses im Luftspalt des geregelten Lagers ansprechen. Die Hilfsspule 51 ist mit einem Integrationskreis 52, 53 verbunden, der aus einem Widerstand 52 und einem Kondensator 53 besteht. Der Integrationskreis 52., 53 ist seinerseits mit einem Eingang des Verstärkers 1 verbunden, um in den Verstärker ein Signal zurückzuführen, das dem magnetischen Fluß im Luftspalt des Lagers proportional ist, also insbesondere dem tatsächlichen Wert des Luftspaltes des geregelten Lagers.

Übrigens ist ein Korrekturglied oder Tiefpaßfilter, das aus einem Widerstand 22 und einem Kondensator 23 besteht, in die Strom-Gegenkopplungsschleife 2 eingeschaltet, um den Integrationskreis 52, 53 in der Schleife 5 zu kompensieren. Das Integrationsglied 52, 53 hat die gleiche Verstärkung und den gleichen Durchlaßbereich wie das Korrekturglied 22, 23 in der Strom-Gegenkopplungsschleife 2. Weiterhin sind die Zeitkonstanten der beiden Kreise 52, 53 und 22, 23 gleich oder größer als die Zeitkonstante der Hauptregelschleife 7 der Schaltungsanordnung. Insbesondere kann die Zeitkonstante dieser Kreise das 1- bis 5-fache der Zeitkonstanten der Hauptschleife betragen.

In Fig. 3 veranschaulicht die Kurve c die Steifigkeit des durch die Schaltungsanordnung nach Fig· 2 geregelten Lagers als Funktion der Frequenz von Störungen.

./. 909835/0620

2905563 -/T-3

Die Kurve a in Fig· 3 veranschaulicht die Steifigkeit eines Lagers, das durch eine Schaltungsanordnung nach Fig. 1 geregelt wird, also durch eine Schaltungsanordnung, die nur eine klassische Strom-Gegenkopplungsschleife 2 aufweist.

Die Kurve b in Fig. 3 veranschaulicht die Steifigkeit eines Lagers, das durch eine Vorrichtung der in Fig. 2 dargestellten Art geregelt wird, wobei jedoch nur die Ruckkopplungsschleife 5 berücksichtigt ist, die auf Schwankungen des magnetischen Flusses anspricht.

Bei Fehlen einer Korrektur, die dem Wert des Luftspaltes in dem geregelten Lager Rechnung trägt, hängt die Begelverstärkung von der Größe des Luftspaltes ab. Demgemäß kann der Augenblickswert der Arbeitskraft F durch die folgende Formel wiedergegeben werden:

F = K U_c ( ££ )² (1) ,

in der U die Steuerspannung für den Verstärker 1, £ der Mittelwert des Luftspaltes des Lagers, £ der Augenblickswert des Luftspaltes des Lagers und K eine Proportionalitätskonstante bedeuten·

Bei Frequenzen, die unterhalb der Grenzfrequenz fc,. des Hauptregelkreises liegen, ist die klassische Strom-Gegenkopplungsschleife 2 ausreichend, um die Regelverstärkung als Funktion der Frequenz der Störungen annähernd konstant zu halten (s· Kurve a in Fig. 3)· Wenn jedoch die Frequenz von Störungen die Grenzfrequenz fc^ überschreiten, nimmt die Steifigkeit ab, und es wird die Betriebssicherheit des Systems durch die Größe des Luftspaltes ungünstig beeinflußt.

Die Rückkopplungsschleife 5> welche Schwankungen der Größe des Luftspaltes berücksichtigt, indem sie auf die Ableitung φ des

909835/0620

magnetischen Flusses anspricht, wird bei Frequenzen wirksam, die größer sind als die Grenzfrequenz fcp des Integrationskreises 52, 53 (s. Kurve b in Fig· 3)· Die Grenzfrequenzen fCj und fCp können einander dicht benachbart und sogar gleich sein. Allgemein ist die Grenzfrequenz fc₂ niedriger als die Grenzfrequenz fc.· Beispielsweise kann fc, einen Wert von 5 Hz und fco einen Wert von 1 Hz haben. Wenn in dieser Weise" die Strom-Gegenkopplungsschleife 2 und die auf das Magnetfeld ansprechende Gegenkopplungsschleife 5 beide gleichzeitig wirksam sind, wie bei der Vorrichtung nach Fig. 2, weist die resultierende Kurve c der Steifigkeit des Lagers als Funktion der Frequenz der Störungen auf ein Minimum reduzierte Schwankungen auf, insbesondere in dem Arbeitsbereich, bei relativ hohen, jenseits von fc und fc£ liegenden Frequenzen·

Fig. ^- gibt das Schaltbild einer anderen Ausfuhrungsform der Erfindung wieder· Bei dieser Ausführungsform der Erfindung sind die zusätzlJdien elektrischen Einrichtungen, die den Schwankungen des Luftspaltes Rechnung tragen sollen, vor dem Verstärker 1 angeordnet und bilden keine Rückkopplungsschleife, sondern sprechen auf Signale an, die von den Sensoren geliefert werden, welche die Stellung des Rotors überwachen· In dem Maße, wie diese Detektoren in unmittelbarer Nahe der geregelten Lager angeordnet sind, sind die Signale x,, die von den Signalen abgeleitet sind, welche die auf die Stellung des Rotors ansprechenden Sensoren liefern, für die Schwankungen in der Rotorstellung charakteristisch und demgemäß auch mit guter Genauigkeit für die Schwankungen des Luftspaltes in dem geregelten Lager. Wie das Schaltbild nach Fig. i\ zeigt, wird dieses Signal x_d dem ersten Eingang eines Additionsgliedes 61 zugeführt, während ein Signal, das für den Mittelwert £. _Q des Luftspaltes des geregelten Lagers charakteristisch ist, dem zweiten Eingang des Additionsgliedes 61 zugeführt wird. Das Ausgangssignal des Additionsgliedes 6i, das die Form E = £. _Q + x_d hat, wird einem

909835/0629

Eingang eines Multiplikationsgliedes 62 zugeführt. Der zweite Eingang des Multiplikationsgliedes 62 empfängt die Steuerspannung U_c, die in einer klassischen Schaltungsanordnung ? aus den Signalen gebildet wird, die von einem oder mehreren Detektoren 8 zugeführt werden· Der Ausgang des Multiplikationsgliedes 62 ist mit dem Eingang eines Linearisierungsgliedes k verbunden, dessen Ausgangssignal der Quadratwurzel des Eingangssignales proportional ist. Der übrige Teil der Schaltungsanordnung entspricht genau der Schaltungsanordnung nach Fig.

Demgemäß weist die Schaltungsanordnung nach Fig. if eine zusätzliche elektrische Einrichtung 6 auf, die aus dem Additionsglied 61 und dem Multiplikationsglied 62 besteht und die es gestattet, die Verstärkung der Regelschleife in Abhängigkeit von den Schwankungen des Luftspaltes des geregelten Lagers ständig zu beeinflussen, da das Steuersignal, das dem Eingang des Verstärkers 1 zugeführt wird, selbständig gegenüber der St euer spannung 2_C korrigiert wird, die in klassischer Weise gewonnen wird. Die Sensoren zur Überwachung der Lage des Rotors, wie der in Fig· k angedeutete Sensor 8, können insbesondere elektromagnetische Sensoren sein.

Es versteht sich, daß die vorstehenden Ausführungsbeispiele nur zur Erläuterung der Erfindung dienen und keine den Umfang der Erfindung beschränkende Bedeutung haben· Vielmehr ist der Fachmann in der Lage, die behandelten Ausführungsbeispiele in vielfältiger Weise abzuwandeln und zu ergänzen, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen·

909835/0620

Claims

2805583

Patentansprüche

1. Vorrichtung zur Kompensation der Verstärku&g-JHiner Schaltungsanordnung zur Regelung der ο bellung eines Rotors mit Hilfe wenigstens eines Wicklungen von Elektromagneten aufweisenden elektromagnetischen Lagers aufgrund von Signalen, die von wenigstens einem auf die Stellung des Rotors ansprechenden Sensor geliefert werden, wobei die Schaltungsanordnung die Speisung der Wicklungen in Abhängigkeit von den von dem iⁿ/enigstens einen Sensor gelieferten Signalen steuert und eine Verstärkeranordnung umfaßt, die eine Strom-Gegenkopplungsschleife aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Eingang der Verstärkeranordnung (1) eine zusätzliche Einrichtung zum Zuführen eines Signals gekoppelt ist, das von den durch die Lui'tspalte des geregelten elektromagnetischen Lagers bedingten, in einem begrenzten Frequenzbereich, liegenden Schwankungen abhängig ist«,

2. Vorrichtung nach Anspruch I₁ dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Einrichtung eine Hilfsspule (51) wit verminderter Windungszahl, die in der Nähe der Wicklungen (5) der Elektromagnete des elektromagnetischen Lagers angeordnet ist und ein Signal liefert, das den Schwankungen des magnetischen Flusses im Luftspalt des elektromagnetischen Lagers proportional ist, und einen ersten Hilfsintegrationskreis (52, 53)₉ dem das von der Hilfsspule (51) gelieferte Signal zugeführt wird und dessen Ausgang mit dem Eingang der Verstärkeranordnung (1) der Regelungs-Schaltungsanordnung verbunden ist, umfaßt und daß die Strom-Gegenkopplungsschleife (2) einen zweiten Hilf sint egrationskr eis (22, 2l';>) en thält»

3· Vorrichtung nach Ansprucn 2, dadurch gekennzeichnet, daß der aeite Hilfsintegrationskreis (22.^ 2~j>) einen Durchlaß Der eich

909835/0620

BAD ORIGINAL

29Ü5583

-* 2 —

und eine Verstärkung aufweist, der bzw. die ebenso groß ist wie der Durchlaßbereich bzw. die Verstärkung des ersten Hilfsintegrationskreises (52, 53).

k· Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitkonstante des ersten und des zweiten Hilfsintegrationskreises (2.2._t 23 bzw. 52, 53) größer sind als die Zeitkonstante des Hauptregelkreises.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Einrichtung ein Additionsglied (61) mit zwei Eingängen, denen einerseits ein von den Sensoren abgeleitetes Signal zugeführt wird, das für Variationen in der Stellung des Rotors charakteristisch ist, und andererseits ein für die mittlere Stellung des fiotors charakteristisches Signal, und ein der Verstärkeranordnung mit ihrer Strom-Gegenkopplungsschleife vorangehendes Multiplikationsglied (62) umfaßt, welches das Produkt aus dem nicht korrigierten Steuersignal für die Verstärkeranordnung und dem Ausgangssignal des Additionsgliedea (61) bildet.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das für die Variationen in der Stellung des Rotors charakteristische Signal von einem elektromagnetischen Sensor (8) abgeleitet ist.

909835/Qfiifl

ORIGINAL INSPECTED