CN101755138B - 使磁性轴承在无传感器的情况下运行的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于磁性轴承的传感器系统，其包括：两个致动器线圈(1，2)、两个脉冲式功率输出级(4，5)、一个用于对致动器线圈(1，2)中受到纹波电流妨碍的电流进行探测的电流传感器(3)以及一个传感器接口(6)，其中脉冲式功率输出级(3、4)提供已调制好脉冲宽度的输出电压，该输出电压的脉冲宽度按预定顺序每次被缩短或延长一个小的量值，并且脉冲式功率输出级(3、4)的脉冲宽度的调制是按照彼此固定的相位关系实现的。整个传感器系统实现了这样的目的，即提出一种用于具有脉冲式功率输出级的磁性轴承的传感器系统。本发明另外涉及一种磁性轴承、一种用于磁性轴承的调节装置以及一种在磁性轴承中探测位置的方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于磁性轴承的传感器系统，一种用于磁性轴承的调节装置和一种包括所述传感器系统的磁性轴承以及一种用于在磁性轴承中探测位置的方法。
背景技术
磁性轴承用于无接触地导引和支承活动部件，例如马达的转子或泵的叶轮。通过取消触碰的机械接触件，能够优化摩擦损失，减少磨损，并避免颗粒的产生。磁性轴承的基本构件是：
1.致动器系统，其由一个或多个电磁铁组成，
2.传感器系统，其探测待支承物体的当前位置以便能够将其
调整到规定位置，以及
3.电子元件，其用于探测信号、调节以及控制能通量
传感器系统通常是一个组件，其固定地连接在一起，并附加地安装到致动器系统上。为了优化磁性轴承的结构尺寸，值得追求的是使传感器系统只需很少的空间，或者能够完全舍弃传感器系统。通过利用致动器系统的致动器线圈阻抗随其位置而变化的效应，能够使反正必不可少的具有致动器线圈的致动器系统承担起位置传感器的功能。相应地技术方案已在专利文献中有了记载。为此，还需应用以下工作原理：
-借助于高频桥接电路确定致动器线圈的阻抗，并与基准电感
或者说与相同磁性轴承轴的另一致动器线圈进行比较(DE 42107411)；
-将正弦形交流电额外调制成通过致动器线圈的电流，并对由此导致的依赖于位置的电压进行探测和滤波(EP 0749538)。
当这两种工作原理与因损耗热量小并且结构尺寸小而常被用于此类应用中的脉冲式功率输出级结合在一起时均会有缺点。
发明内容
本发明的目的是提出一种在采用脉冲式功率输出级(getakteteLeistungsendstufe)的磁性轴承中使用的传感器系统。
根据本发明，这一目的通过一种针对用于磁性轴承的调节装置的传感器系统以及通过一种用于在磁性轴承中探测位置的方法而得以实现。在此，用于磁性轴承的传感器系统包括：两个致动器线圈、两个脉冲式功率输出级、一个用于对致动器线圈中受到纹波电流妨碍的电流进行探测的电流传感器以及一个传感器接口，其中，所述脉冲式功率输出级提供已调制好脉冲宽度的输出电压，所述输出电压的脉冲宽度按预定顺序分别被缩短或延长一个小的量值，而且所述脉冲式功率输出级的脉冲宽度的调制是按照彼此固定的相位关系实现的。此外，所述传感器系统的传感器接口的输出量是用于磁性轴承的调节装置的输入量。而且，所述磁性轴承包括所述传感器系统。此外，设置有用于在磁性轴承中探测位置的方法，其中所述磁性轴承包括：两个致动器线圈、两个脉冲式功率输出级和一个用于探测致动器线圈的纹波电流的电流传感器，所述方法包括如下步骤：
-在所述功率输出级上提供一已调制好脉冲宽度的输出电压，其中，所述脉冲宽度按预定顺序分别被少量地缩短或者延长，对所述脉冲式功率输出级的脉冲宽度的调制则以彼此固定的相位关系实现，以及
-通过所述电流传感器探测纹波电流的差值。
限定的脉冲宽度调制(Pulsbreitenmodulation)实现了在配备有脉冲式输出级的磁性轴承系统中简单地对位置进行探测。这种探测基本上与两个致动器线圈的周期性激励的平均占空系数无关。
优选提出，预定的顺序为，彼此连续的脉冲的脉冲宽度交替地分别被延长或缩短一个小的量值。彼此连续的脉冲的脉冲宽度可交替地缩短或延长，从而使已对脉冲宽度进行调制的激励具有双倍的时钟频率。不言而喻，脉冲式输出级的时长也可以不是双倍时钟频率，而是设计成其他的多倍时钟频率。尤其是，传感器系统的时长可以从上一级单元的时长，特别是从调节装置的系统时钟中导出。
优选地提出，利用至少一个电流传感器来探测致动器线圈的纹波电流(Ripplestrom)的差值。
特别地，关于电流传感器的构造优选这样设计，即采用电流互感器形式的感应式传感器作为对致动器线圈中的纹波电流的差值进行探测的电流传感器。这种感应式传感器可由两个围绕一个铁芯但却彼此反向的线圈组成，其中每一线圈分别被分配给两个致动器线圈中的一个。受线圈中的电流的影响，会产生可探测到的剩磁，而剩磁的出现能够指示致动器线圈的电感的偏移。特别地，对于两个或多个致动器线圈的差值可以借助于一个唯一的、作为提供差值信号输出端的感应式电流传感器来探测。
针对电流传感器的结构，以下设计是对此方案的替换或补充：将具有电容器和电阻的电流互感器设计作为电流传感器，并将该电流互感器布线成一个谐振电路，该谐振电路被调整成对顺序预先确定的脉冲宽度进行调制的重复频率。构成共振回路的各个电容、电阻及电感是被动的结构元件，其在传感器系统或者调节装置中不会对其他部件产生干扰作用。
优选地提出，将电流传感器的信号在传感器接口中以数学方式相结合，并特别地输入一个整流器电路中，该整流器电路与预定的脉冲宽度调制的次序的时间曲线(Zeitverlauf)同步地工作。数学方式的结合包括求和及求差，即通过数学上的乘法，以一个与纹波电流的差值的周期具有相同周期的跃迁函数对纹波电流的差值的符号进行修正的整流(Gleichrichtung)，从而产生一个整流，该整流的平滑(Glaettung)-例如通过在时间上的整合-提供了一个基本上恒定的输出电压，而该输出电压-可能有正负号-又与两个致动器线圈的电感之差相一致，从而与两个致动器线圈之间的待探测目标的位置相一致。
优选地提出，在预定的脉冲宽度调制的次序与同步整流的脉冲之间存在一个能够尤其是能够借助移相器加以调节的时延。
优选地提出，要么在用于传感器信号的信号线路或者在用于同步整流之后的信号的信号线路中，要么同时在上述两个信号线路中投入用于信号放大和/或信号过滤的构件。信号放大或者信号过滤例如通过对比如偏离理想状态的电感偏离量等干扰因素进行抑制的方式对信号进行调制，尤其是例如探测电感对电流的依赖性，并通过计算对其进行抑制或者补偿。对信号的这种处理可在对两个致动器线圈的两个纹波电流的差值信号进行整流之后，在电流传感器和传感器接口之间的信号线路中或者在传感器接口中或者在这两种可能的组合中执行。
优选地提出，在调节装置中，将从纹波电流获得的位置信号与其他的信号以数学方式进行联系，以便获得用于对放大器的脉冲宽度进行控制的信号。在调节装置中的数学联系可包括用理论值对位置信号进行调整，以便通过例如计算的方法求得调节装置给出的位置值。调节装置适合以放大器的脉冲宽度作为调整参数，这是因为，传感器系统基本上不依赖于放大器的脉冲宽度，因而能够避免调节装置与传感器系统间的耦合。
针对调节装置的其他信号，优选地提出，其它信号为致动器线圈的当前电流值或其数学上的导数。
针对调节装置，优选地提出，为传感器系统和调节装置设置一个共同系统时钟发生器，因此调节装置的系统时钟与其上一级系统内的其它组件能够同步。上一级系统可以例如是逐段地支承在磁性轴承中的脉冲式马达。
传感器系统以及调节装置的前述设计方案尤其使在磁性轴承中探测位置的方法能够实施，其中所述方法包括的步骤为：在功率输出级上提供一已调制好脉冲宽度的输出电压，在此，脉冲宽度按预定的顺序每次各被少量地缩短或者延长，而对脉冲式功率输出级的脉冲宽度的调制则以彼此固定的相位关系实现；以及通过电流传感器探测纹波电流的差值。纹波电流的差值是用于磁性轴承的调节装置的输入量。
在各从属权利要求以及对一个优选实施例的描述中给出了本发明的其他优点及特征。
附图说明
下面将参照附图对本发明进行具体描述和解释。
图1以示意图的方式示出了根据本发明的传感器系统的一个实施例的各个元件的电路图，该传感器系统位于根据本发明的调节装置的一个实施例中，而该调节装置是用于示例性地实施根据本发明的方法的装置，
图2示出了根据本发明的磁性轴承的一个实施例的两个致动器线圈中的纹波电流在理论上的可预期曲线，其中，两个致动器线圈在被施加以相同激励(示图下部)时具有不同的电感(示图上部；L1＞L2)，
图3示出了两个致动器线圈的纹波电流在理论上的可预期曲线(示图上部)，这里，两个致动器线圈具有不同的电感，并各以不同的占空系数受到激励(示图中、下部)，
图4示出了图1所示示意图中的一些确定功能的点上的信号曲线，其中L1＞L2，以及
图5示出了图1所示示意图中的一些确定功能的点上的信号曲线，其中L1＜L2。
具体实施方式
在图1中示例性地示出了根据本发明的传感器系统或者说根据本发明的用于根据本发明的磁性轴承的调节装置的图解结构。
其工作原理的基础在于，磁性轴承的两个致动器线圈1、2的电感会根据被支承物体的位置而变化。在利用来自脉冲式功率输出级4、5并已调制好脉冲宽度的信号对各致动器线圈1、2进行控制时，会使各致动器线圈1、2中的纹波电流的曲线(Verlauf)同样发生改变。
在图2中示出了两个致动器线圈1、2的纹波电流的理论曲线，其中，致动器线圈1的电感L1大于致动器线圈2的电感L2。由于在磁性轴承中运行时，致动器线圈1、2的激励的占空系数不相同，所以对各纹波电流的简单计算并不能用来估算电感。
因此将彼此连续的脉冲的占空系数交替地提高或减小一个小的恒定量值(高频振动(Dither))，从而使平均占空系数保持不变。结果，流过两个致动器线圈1、2中每一个线圈的纹波电流具有振幅调制，该振幅调制既不依赖于流过两个致动器线圈1、2的平均电流，也不依赖于平均占空系数。
在图3中示出了两个致动器线圈1、2的已调制好脉冲宽度的激励的理论曲线以及各纹波电流的由此导致的曲线。尽管两个致动器线圈1、2的激励的占空系数以及电流水平均不同，但作为占空系数调制的结果总能获得纹波电流的振幅调制。为计算纹波电流的调制，在致动器线圈1、2的接入线路中安装有用于探测两者电流差值的电流传感器3。在最简化的情况下，该电流传感器可由一个感应式电流互感器组成。从电流互感器3获得的差值信号(Diff，图1)在传感器接口6中用来求值。这种求值包括一个单级或多级放大，一个与从系统时钟CLK导出的时钟信号DCLK同步的整流，以及单级或多级过滤。导出的时钟信号DCLK具有恰好等于由时钟发生器11提供的系统时钟CLK的一半频率，并通过移相器连接。移相器12顾及了这一实际情况，即由此导致的纹波电流相对于激励在占空系数上必然有延迟。
传感器接口6的输出信号携带有关于被支承在带有致动器线圈1、2的磁性轴承中的物体的即时位置的信息。随后的调节装置将对两个致动器线圈的纹波电流的差值信号(必要时先对信号加以处理)与理论位置进行比较，并且在调节装置7中将按照公知的方式对位置的偏离加以处理。从位置的偏离值和(必要时)致动器线圈1、2的电流的瞬时值以及其他参数(例如磁性轴承中支承在致动器线圈1、2之间的转子的转速)等，调节装置7为脉冲式功率输出级4、5的占空系数确定出一个平均值。出于简化示图的目的，没有示出相应的信号线路。然后，在两个求和点8、9中利用高频振动信号对这一占空系数进行调制。该高频振动信号是在高频振动发生器10中获得的，它源自系统时钟CLK，精确地具有系统时钟CLK的一半频率，并在必要时有相位延迟。功率输出级4、5同样由系统时钟触发，并与系统时钟保持固定的相位关系。为了避免在系统中出现干扰，包含在一个系统中的多个致动器系统应由同一系统时钟来控制。
在图4和图5中分别示出了在致动器线圈1、2的电感L1、L2彼此取不同数值时所导致的信号曲线。按从下至上的次序绘出的曲线分别是：
在第一致动器线圈1上的激励电压，
在第二致动器线圈2上的激励电压，
感应式电流传感器3的输出信号，该电流传感器3用于探测两个致动器线圈1、2的差值电流，
系统时钟CLK，
为此种情况在相位上优化设置并导出的时钟信号DCLK，
探测到的限流差值信号Diff在经过同步整流Vrect后的曲线，以及
未被放大的位置信号。
由于致动器线圈1、2的电感L1、L2不同，结果是：对于0伏的偏置电压，未被放大的位置信号在图4与图5中分别具有负极与正极性。将具有不同电感L1、L2的致动器线圈1、2简单地彼此换位，据此得以绘出两张示意图。结果(图4和图5各自的上部)分别接近直流电压信号，该直流电压信号具有符号并指示出了被支承的转子相对于致动器线圈1、2的安装位置。
为对脉冲宽度进行调制，在前述实施例中设计使直接彼此连续的脉冲分别具有缩短或者增大的脉冲宽度，从而使调制具有致动器线圈1、2的激励的2倍周期。不言而喻，也可以设计3个或者更多个不同的脉冲宽度，从而使调制能够是激励的更多倍。
以上，借助于一个实施例对本发明进行了详细的说明和解释，在该实施例中，传感器接口6的输出量是调节装置7的输入量。显而易见，传感器系统的输出量同样也可被用于其他目的。
参考标号
1第一致动器线圈1
2第二致动器线圈2
3电流传感器
4脉冲式功率输出级1
5脉冲式功率输出级2
6具有同相整流、放大及滤波功能的传感器接口
7调节装置
8相加位置1
9相加位置2
10高频振动发生器
11钟发生器
12移相器
Claims (15)
1.一种用于磁性轴承的传感器系统，包括：两个致动器线圈（1，2）、两个脉冲式功率输出级（4、5）、一个用于对致动器线圈（1，2）中受到纹波电流妨碍的电流进行探测的电流传感器（3）以及一个传感器接口（6），
其特征在于，所述脉冲式功率输出级（4、5）提供已调制好脉冲宽度的输出电压，所述输出电压的脉冲宽度按预定顺序分别被缩短或延长一个小的量值，而且所述脉冲式功率输出级（4、5）的脉冲宽度的调制是按照所述脉冲式功率输出级（4、5）之间固定的相位关系实现的。
2.根据权利要求1所述的传感器系统，其特征在于，所述预定顺序的实质是彼此连续的脉冲的脉冲宽度交替地分别被延长或缩短一个小的量值。
3.根据权利要求1或2所述的传感器系统，其特征在于，所述致动器线圈（1，2）的纹波电流的差值通过至少一个所述电流传感器（3）探测。
4.根据权利要求3所述的传感器系统，其特征在于，采用电流互感器形式的感应式传感器作为探测致动器线圈（1，2）中纹波电流的差值的所述电流传感器（3）。
5.根据权利要求3所述的传感器系统，其特征在于，具有电容器和电阻的电流互感器被设计为所述电流传感器（3），所述电流互感器被连接成一个谐振电路，所述谐振电路被调整到对脉冲宽度按预定顺序进行的调制所遵从的重复频率上。
6.根据权利要求1或2所述的传感器系统，其特征在于，将所述电流传感器（3）的信号在所述传感器接口（6）中以数学的方式相结合，并输出到整流器电路中，所述整流器电路与预定的脉冲宽度调制顺序的时间曲线相同步地工作。
7.根据权利要求6所述的传感器系统，其特征在于，在预定的脉冲宽度调制顺序与同步进行的整流的时钟脉冲之间存在着时延，所述时延能够通过移相器（12）加以调节。
8.根据权利要求6所述的传感器系统，其特征在于，要么在用于所述传感器信号的信号线路中或者在用于同步整流之后的信号的信号线路中放入用于信号放大和/或信号过滤的构件，要么同时在上述两个信号线路中都放入用于信号放大和/或信号过滤的构件。
9.根据权利要求1或2所述的传感器系统，其特征在于，所述传感器接口（6）的输出量是调节装置（7）的输入量，在调节装置（7）中，将从所述纹波电流中获得的位置信号与其他的信号以数学方式相结合，以便获得用于控制所述功率输出级（4、5）的脉冲宽度的信号。
10.一种用于磁性轴承的调节装置，其特征在于，根据权利要求1至8中任一项所述的传感器系统的传感器接口（6）的输出量是所述调节装置（7）的输入量。
11.一种用于磁性轴承的调节装置，其特征在于，根据权利要求1或2所述的传感器系统的传感器接口（6）的输出量是所述调节装置（7）的输入量，在所述调节装置（7）中，将从所述纹波电流中获得的位置信号与其他的信号以数学方式相结合，以便获得用于控制所述功率输出级（4、5）的脉冲宽度的信号。
12.根据权利要求10所述的调节装置，其特征在于，将从至少两个所述致动器线圈（1、2）的纹波电流中获得的位置信号与其他的信号以数学方式相结合，以便获得用于控制功率输出级（4、5）的脉冲宽度的信号。
13.根据权利要求12所述的调节装置，其特征在于，所述其他信号是所述致动器线圈（1、2）的即时电流值或者所述即时电流值的数学导数。
14.一种磁性轴承，包括根据权利要求1至9中任一项所述的传感器系统。
15.一种用于在磁性轴承中探测位置的方法，其中所述磁性轴承包括：两个致动器线圈、两个脉冲式功率输出级和一个用于探测致动器线圈的纹波电流的电流传感器，所述方法包括如下步骤：
-在所述功率输出级上提供一已调制好脉冲宽度的输出电压，其中，所述脉冲宽度按预定顺序分别被少量地缩短或者延长，对所述脉冲式功率输出级的脉冲宽度的调制则以所述脉冲式功率输出级之间固定的相位关系实现，以及
-通过所述电流传感器探测纹波电流的差值。
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