Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung eines Magnetlagers. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Regelungssystem zur Regelung eines Magnetlagers.The invention relates to a method for controlling a magnetic bearing. Furthermore, the invention relates to a control system for controlling a magnetic bearing.
Sei Verwendung von Magnetlagern kann ein Absturz des sich drehenden Rotors einer Maschine, der mittels der Magnetlager gelagert ist, zu erheblichem Verschleiß an den üblicherweise verwendeten Fanglagern führen.The use of magnetic bearings can cause a crash of the rotating rotor of a machine that is mounted by means of the magnetic bearings, leading to considerable wear on the commonly used backup bearings.
Eine mögliche Ursache für einen Absturz des Rotors ist ein Defekt an der Messeinrichtung, die zur Regelung des Magnetlagers den Abstand des Rotors von der Messeinrichtung misst. Zum Beispiel kann durch einen Kabelbruch das Eingangssignal für die Regelung des Magnetlagers verloren gehen.A possible cause of a crash of the rotor is a defect in the measuring device, which measures the distance of the rotor from the measuring device for controlling the magnetic bearing. For example, the input signal for the control of the magnetic bearing can be lost by a cable break.
Häufig müssen zwei solche Messeinrichtungen in Differenzanordnung eingesetzt werden, um die thermische Drift der Messeinrichtungen oder Messfehler, z. B. infolge einer Aufweitung des Rotors durch Fliehkräfte, zu kompensieren.Often, two such measuring devices must be used in differential arrangement to the thermal drift of the measuring devices or measurement errors, eg. B. due to expansion of the rotor by centrifugal forces to compensate.
Die Berechnung der beiden Messsignale, welche von den Messeinrichtungen erzeugt werden, zu einem Einzelsignal erfolgt beim Stand der Technik bereits in einer Auswerteeinheit auf Analogseite. Anschließend erfolgt beim Stand der Technik eine Digitalisierung des Einzelsignals und die Weiterverarbeitung in einer Regeleinrichtung, die das Magnetlager regelt, d. h. genauer ausgedrückt, das vom Magnetlager erzeugte Magnetfeld entsprechend regelt. Anschließend erfolgt in der Regeleinrichtung eine Offset-Kompensation und eine Kompensation der Messsignalverstärkung, so dass das Lagesignal einen Wert von Null annimmt, wenn der Rotor sich genau in der Magnetlagermitte befindet. Das Lagesignal wird als Regelistgröße einem Lageregler der Regeleinrichtung zugeführt.The calculation of the two measurement signals, which are generated by the measuring devices, to form a single signal already takes place in the prior art in an evaluation unit on the analog side. Subsequently, in the prior art, a digitization of the individual signal and the further processing in a control device that controls the magnetic bearing, d. H. more precisely, the magnetic field generated by the magnetic bearing controls accordingly. Subsequently, in the control device, an offset compensation and a compensation of the measurement signal gain, so that the position signal assumes a value of zero, when the rotor is located exactly in the magnetic bearing center. The position signal is fed as Regelistgröße a position controller of the control device.
Fällt eines der beiden Messsignale, z. B. aufgrund eines Kabelbruchs aus, so ist das Ausgangssignal der Auswerteeinheit fehlerhaft und geht im Allgemeinen in die Begrenzung und der Rotor stürzt ab.If one of the two measurement signals, z. B. due to a cable break, the output of the evaluation unit is faulty and is generally in the limit and the rotor crashes.
Zum Stand der Technik wird verwiesen auf die DE 69 50 36 13 T2 , aus der ein aktives Magnetlager mit Positions-Selbsterfassung bekannt ist.Reference is made to the prior art on the DE 69 50 36 13 T2 , from which an active magnetic bearing with position self-detection is known.
Aus der JP 51 18 331 A1 ist ein Magnetlager und ein Verfahren zur Regelung eines Magnetlagers bekannt.From the JP 51 18 331 A1 a magnetic bearing and a method for controlling a magnetic bearing is known.
Aus der JP 59 18 71 13 A1 ist ebenfalls ein Magnetlager und ein Verfahren zur Regelung eines Magnetlagers bekannt.From the JP 59 18 71 13 A1 Also, a magnetic bearing and a method for controlling a magnetic bearing is known.
Aus der EP 0 989 315 A1 ist eine fehlertolerante magnetische Lagervorrichtung bekannt.From the EP 0 989 315 A1 a fault-tolerant magnetic bearing device is known.
Aus der US 5,578,880 A ist ein fehlertolerantes Regelungssystem für Magnetlager bekannt.From the US 5,578,880 A a fault tolerant magnetic bearing control system is known.
Es ist Aufgabe der Erfindung bei Ausfall einer Messeinrichtung zur Bestimmung der Lage des Rotors, ein Weiterschweben des Rotors im Magnetlager zu ermöglichen.It is an object of the invention in case of failure of a measuring device for determining the position of the rotor to allow a further floating of the rotor in the magnetic bearing.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren nach Anspruch 1.This object is achieved by a method according to claim 1.
Weiterhin wird diese Aufgabe gelöst durch ein Regelungssystem nach Anspruch 2.Furthermore, this object is achieved by a control system according to claim 2.
Es erweist sich als vorteilhaft, eine Maschine mit dem erfindungsgemäßen Regelungssystem auszubilden, wobei die Maschine ein Magnetlager und einen rotierbar angeordneten Rotor aufweist. Die Maschine kann dabei z. B. als Motor, insbesondere als Elektromotor, als Generator, Verdichter oder als Turbine ausgebildet sein.It proves to be advantageous to form a machine with the control system according to the invention, wherein the machine has a magnetic bearing and a rotatably arranged rotor. The machine can be z. B. as a motor, in particular as an electric motor, as a generator, compressor or turbine.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher erläutert. Dabei zeigen:An embodiment of the invention is illustrated in the drawing and will be explained in more detail below. Showing:
1 eine Maschine, die das erfindungsgemäße Regelungssystem aufweist in Form einer schematisierten Darstellung, 1 a machine having the control system according to the invention in the form of a schematic representation,
2 eine aus dem Stand der Technik bekannte Messsignalaufbereitung zur Erzeugung eines Lagesignals für die Regelung eines Magnetlagers in Form einer schematisierten Darstellung und 2 a known from the prior art measurement signal processing for generating a position signal for the control of a magnetic bearing in the form of a schematic representation and
3 eine erfindungsgemäße Messsignalaufbereitung zur Erzeugung eines Lagesignals für die Regelung eines Magnetlagers in Form einer schematisierten Darstellung. 3 a Messsignalaufbereitung invention for generating a position signal for the control of a magnetic bearing in the form of a schematic representation.
In 1 ist in Form einer schematisierten Darstellung eine Maschine 10 dargestellt, wobei der Übersichtlichkeit halber nur die zum Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente der Maschine 10 dargestellt sind. Die Maschine 10 weist einen Rotor 1 auf, der im Rahmen des Ausführungsbeispiels schematisiert in Form einer Welle dargestellt ist. Der Rotor 1 dreht sich dabei im Betrieb der Maschine 10 um seine Rotationsachse R. Der Rotor 1 weist dabei in der Regel neben der dargestellten Welle noch weitere Elemente auf, die z. B. im Falle einer Ausbildung der Maschine 10 als Elektromotor oder Generator in Form eines Jochs, das mit der Welle verbunden ist, ausgebildet sein können. Die weiteren Elemente sind jedoch der Übersichtlichkeit halber in 1 nicht dargestellt. Der Rotor 1 umfasst die rotierenden Teile der Maschine 10.In 1 is in the form of a schematic representation of a machine 10 shown, for the sake of clarity, only essential for understanding the invention elements of the machine 10 are shown. The machine 10 has a rotor 1 on, which is shown schematically in the form of a shaft in the embodiment. The rotor 1 rotates during operation of the machine 10 about its axis of rotation R. The rotor 1 In this case, in addition to the wave shown, usually further elements that z. B. in the case of training of the machine 10 as an electric motor or generator in the form of a yoke, which is connected to the shaft, may be formed. The other elements are, however, for clarity in 1 not shown. The rotor 1 includes the rotating parts of the machine 10 ,
Weiterhin weist die Maschine 10 zu Lagerung des Rotors 1 ein linksseitig angeordnetes Magnetlager 2 und weiteres rechtsseitig angeordnetes Magnetlager 3 auf. In 1 sind dabei der Übersichtlichkeit halber nur die Teile des Magnetlagers 2 und 3 dargestellt, die eine in der Darstellung gemäß 1 in senkrechte Richtung wirkende Kraft, d. h. eine in X-Richtung wirkende Kraft, auf den Rotor 1 ausüben und ihn in senkrechter Richtung in Schwebe halten. Die Teile des Magnetlagers 2 und 3, die eine in Z-Richtung wirkende Kraft auf den Rotor 1 ausüben und ihn in Z-Richtung in Schwebe halten sind entsprechend wie die Teile des Magnetlagers 2 und 3 ausgeführt, die den Rotor 1 in senkrechter Richtung in Schwebe halten. Die Magnetlager 2 und 3 sind mit einem Gehäuse 4 der Maschine 10 verbunden. Furthermore, the machine points 10 for storage of the rotor 1 a left side arranged magnetic bearing 2 and another magnetic bearing arranged on the right side 3 on. In 1 For the sake of clarity, only the parts of the magnetic bearing are included 2 and 3 shown in the illustration according to 1 acting in the vertical direction force, ie a force acting in the X direction, the rotor 1 exercise and keep it in a vertical position in suspension. The parts of the magnetic bearing 2 and 3 , which is a force acting in the Z direction on the rotor 1 exercise and levitate it in the Z direction are similar to the parts of the magnetic bearing 2 and 3 Running the rotor 1 levitate in a vertical direction. The magnetic bearings 2 and 3 are with a housing 4 the machine 10 connected.
Die Magnetlager 2 und 3 erzeugen ein Magnetfeld, das mittels einer erfindungsgemäßen Regeleinrichtung 6 derart geregelt wird, dass der Rotor 1 möglichst in der Mitte M des Magnetlagers schwebt, so dass die Rotationsachse R mit Mitte M des Magnetlagers zusammenfällt. Der Rotor 1 wird solchermaßen in einem Luftspalt 26 von den Magnetlagern 2 und 3 in Schwebe gehalten. Die Magnetlager weisen elektrische Spulen zur Erzeugung des Magnetfelds auf. Weiterhin weist die Maschine 10 zur Ermittlung der Lage in senkrechter Richtung des Rotors 1 Messeinrichtungen 4a, 4b, 5a und 5b auf. Die Messeinrichtungen liegen dabei im Rahmen des Ausführungsbeispiels in Form von Abstandssensoren vor, die jeweilig mit einer Elektronik versehen sind. Die erste Messeinrichtung 5a ist dabei im Rahmen des Ausführungsbeispiels oberhalb des Rotors 1 angeordnet und dient zur Ermittlung des Abstands xA von der ersten Messeinrichtung 5a zu der der ersten Messeinrichtung zugewandten Oberfläche des Rotors 1. Die erste Messeinrichtung 5a erzeugt hierzu ein den Abstand xA von der ersten Messeinrichtung 5a zu der der ersten Messeinrichtung zugewandten Oberfläche des Rotors 1 abbildendes erstes Abstandssignal uA, das in der Regel in Form eines Spannungssignals vorliegt. Die zweite Messeinrichtung 5b ist dabei im Rahmen des Ausführungsbeispiels unterhalb des Rotors 1 angeordnet und dient zur Ermittlung des Abstands xB von der zweiten Messeinrichtung 5b zu der der zweiten Messeinrichtung zugewandten Oberfläche des Rotors 1. Die zweite Messeinrichtung 5b erzeugt hierzu ein den Abstand xB von der zweiten Messeinrichtung 5b zu der der zweiten Messeinrichtung zugewandten Oberfläche des Rotors 1 abbildendes zweites Abstandssignal uB, das in der Regel in Form eines Spannungssignals vorliegt.The magnetic bearings 2 and 3 generate a magnetic field by means of a control device according to the invention 6 is controlled so that the rotor 1 preferably in the center M of the magnetic bearing floats, so that the axis of rotation R coincides with the center M of the magnetic bearing. The rotor 1 is thus in an air gap 26 from the magnetic bearings 2 and 3 held in suspension. The magnetic bearings have electrical coils for generating the magnetic field. Furthermore, the machine points 10 for determining the position in the vertical direction of the rotor 1 measuring equipment 4a . 4b . 5a and 5b on. The measuring devices are within the scope of the embodiment in the form of distance sensors, which are respectively provided with an electronics. The first measuring device 5a is in the context of the embodiment above the rotor 1 arranged and used to determine the distance x A from the first measuring device 5a to the first measuring device facing surface of the rotor 1 , The first measuring device 5a this generates a distance x A from the first measuring device 5a to the first measuring device facing surface of the rotor 1 imaging first distance signal u A , which is usually in the form of a voltage signal. The second measuring device 5b is in the context of the embodiment below the rotor 1 arranged and used to determine the distance x B of the second measuring device 5b to the second measuring device facing surface of the rotor 1 , The second measuring device 5b For this purpose, generates a distance x B from the second measuring device 5b to the second measuring device facing surface of the rotor 1 imaging second distance signal u B , which is usually in the form of a voltage signal.
Wie aus 1 ersichtlich, sind dabei die erste Messeinrichtung 5a und die zweite Messeinrichtung 5b in Bezug auf den Rotor 1 zueinander gegenüberliegend angeordnet. Die Messeinrichtungen 4a und 4b sind entsprechend aufgebaut und angeordnet.How out 1 can be seen, are the first measuring device 5a and the second measuring device 5b in relation to the rotor 1 arranged opposite each other. The measuring equipment 4a and 4b are constructed and arranged accordingly.
Es sei darauf hingewiesen, dass im Folgenden die Erfindung nur anhand des Magnetlagers 3 in Bezug auf die Regelung des Magnetlagers in senkrechte Richtung beschrieben wird. Das entsprechende Regelungssystem zur Regelung der Magnetlager in Z-Richtung ist entsprechend wie das Regelungssystem zur Regelung des Magnetlagers 3 in senkrechter Richtung aufgebaut. Das Regelungssystem zur Regelung des Magnetlagers 2 ist entsprechend wie das Regelungssystem zur Regelung der Magnetlagers 3 aufgebaut.It should be noted that in the following the invention only based on the magnetic bearing 3 in relation to the control of the magnetic bearing in the vertical direction is described. The corresponding control system for controlling the magnetic bearings in the Z direction is similar to the control system for controlling the magnetic bearing 3 built in the vertical direction. The control system for controlling the magnetic bearing 2 is the same as the control system for controlling the magnetic bearing 3 built up.
Erfindungsgemäß wird dabei der Regeleinrichtung 6 das erste und das zweite Abstandssignal uA und uB auf getrennten Kanälen zugeführt und in der Regeleinrichtung 6 digitalisiert. Die Regeleinrichtung 6 weist eine erfindungsgemäße Messsignalaufbereitungseinheit 7 auf, die aus dem ersten und zweiten Abstandssignal uA und uB die Verschiebung xist des Rotors 1 aus der Mitte des Magnetlagers ermittelt und ausgangsseitig ausgibt. Hierzu wird im Rahmen der Beschreibung zur 3, in der die erfindungsgemäße Messsignalaufbereitungseinheit detaillierter darstellt ist, noch näher eingegangen. Im Weiteren wird mittels eines Subtrahierers 21 die Differenz von einer vorgegebenen Sollverschiebung xsoll und der ermittelten Verschiebung xist ermittelt und als Eingangsgröße einem Regler 8 zugeführt. Da in der Regel erwünscht ist, dass der Rotor 1 in der geometrischen Mitte M des Magnetlagers 3 schwebt, wird der Wert der Sollverschiebung im Allgemeinen zu Null gesetzt. Der Regler 8 ist dabei als ein so genannter PID-Regler (Proportional-Integral-Differential) ausgebildet und erzeugt ausgangsseitig einen Stromsollwert Isoll, der eingangsseitig einem Stromrichter 9 zugeführt wird. Entsprechend dem vorgegebenen Stromsollwert Isoll erzeugt der Stromrichter 9 Ausgangsströme I1 und I2 zur Ansteuerung des Magnetlagers 3, wobei der Strom I1 dem unteren Teil des Magnetlagers 3 und der Strom I2 dem oberen Teil des Magnetlagers 3 zugeführt wird. Schwebt z. B. der Rotor 1 zu tief, dann wird der Strom I2 erhöht und entsprechend der Strom I1 verkleinert.According to the invention is the control device 6 the first and the second distance signal u A and u B supplied on separate channels and in the control device 6 digitized. The control device 6 has a Messsignalaufbereitungseinheit invention 7 on which the shift is from the first and second distance signal u A u and B x of the rotor 1 determined from the center of the magnetic bearing and output on the output side. For this purpose, in the description of the 3 in which the Messsignalaufbereitungseinheit invention is shown in more detail, discussed in more detail. In the following, by means of a subtractor 21 the difference between a predetermined nominal displacement x soll and the determined displacement x is determined and as an input variable to a controller 8th fed. As a rule, it is desirable that the rotor 1 in the geometric center M of the magnetic bearing 3 Float, the value of the desired displacement is generally set to zero. The regulator 8th is designed as a so-called PID controller (proportional-integral-differential) and generates on the output side a current setpoint I soll , the input side of a power converter 9 is supplied. The power converter generates according to the predetermined current setpoint I soll 9 Output currents I 1 and I 2 for driving the magnetic bearing 3 , wherein the current I 1 the lower part of the magnetic bearing 3 and the current I 2 the upper part of the magnetic bearing 3 is supplied. Floats z. B. the rotor 1 too low, then the current I 2 is increased and correspondingly the current I 1 is reduced.
Im Rahmen des Ausführungsbeispiels wird dabei vom Stromrichter 9 in Abhängigkeit von dem Sollstrom Isoll der Ausgangsstrom I1 erhöht und gleichzeitig der Ausgangsstrom I2 erniedrigt oder der Ausgangsstrom I1 erniedrigt und gleichzeitig der Ausgangsstrom I2 erhöht, so dass der Rotor 1 möglichst in der geometrischen Mitte M des Magnetlagers 3 schwebt.In the context of the embodiment is doing by the power converter 9 in dependence on the desired current I soll the output current I 1 increases and simultaneously the output current I 2 is lowered or the output current I 1 is lowered and at the same time the output current I 2 increases, so that the rotor 1 preferably in the geometric center M of the magnetic bearing 3 floats.
In 2 ist im Rahmen einer schematisierten blockförmigen Darstellung eine aus dem Stand der Technik bekannte Messsignalaufbereitung zur Ermittlung der Verschiebung xist aus dem ersten und dem zweiten Abstandssignal uA und uB dargestellt. In 2 sind dabei der Übersichtlichkeit halber linksseitig nur die erste Messeinrichtung 5a, die zweite Messeinrichtung 5b und der Rotor 1 dargestellt. Der Rotor 1 und damit dessen Rotationsachse R ist dabei um eine Verschiebung x aus der geometrischen Mitte M in Richtung X verschoben. In 2 ist der Rotor 1, wenn er nicht verschoben ist, d. h. die Rotationsachse R mit der geometrischen Mitte M des Magnetlagers zusammenfällt, gestrichelt dargestellt.In 2 is in the context of a schematic block-shaped representation of a known from the prior art Meßsignalaufbereitung to determine the displacement x is shown from the first and the second distance signal u A and u B. In 2 For the sake of clarity, only the first measuring device is on the left side 5a , the second measuring device 5b and the rotor 1 shown. The rotor 1 and thus its axis of rotation R is displaced by a displacement x from the geometric center M in the direction X. In 2 is the rotor 1 , If it is not shifted, ie the axis of rotation R coincides with the geometric center M of the magnetic bearing, shown in dashed lines.
Von der ersten Messeinrichtung 5a wird der Abstand xA von der ersten Messeinrichtung 5a zu der der ersten Messeinrichtung 5a zugewandten Oberfläche des Rotors 1 gemessen und ein den Abstand xA abbildendes erstes Abstandssignal uA erzeugt. Das erste Abstandssignal uA liegt dabei im Rahmen des Ausführungsbeispiels in Form eines Spannungssignals vor dessen Spannung den Wert uA = αA·xA + u0A = αA·(XA0 – x) + u0A aufweist,
wobei αA die Verstärkung der ersten Messeinrichtung 5a ist und u0A ein Spannungsoffset ist, welcher von der ersten Messeinrichtung erzeugt wird und x die Verschiebung des Rotors 1 aus der geometrischen Mitte M des Magnetlagers ist. Der Abstand xA0 stellt dabei den Abstand der ersten Messeinrichtung 5a zum Rotor 1 dar, wenn dieser gerade in der geometrischen Mitte M des Magnetlagers angeordnet ist, also die Verschiebung x = 0 ist.From the first measuring device 5a the distance x A from the first measuring device 5a to that of the first measuring device 5a facing surface of the rotor 1 measured and generates a distance x A mapping first distance signal u A. The first distance signal u A is within the scope of the embodiment in the form of a voltage signal before the voltage of the value u A = α A x A + u 0A = α A · (X A0 - x) + u 0A having,
where α A is the gain of the first measuring device 5a and u 0A is a voltage offset generated by the first measuring device and x is the displacement of the rotor 1 from the geometric center M of the magnetic bearing. The distance x A0 represents the distance of the first measuring device 5a to the rotor 1 when it is located in the geometric center M of the magnetic bearing, ie the displacement x = 0.
Das zweite Abstandssignal uB liegt dabei im Rahmen des Ausführungsbeispiels in Form eines Spannungssignals vor dessen Spannung den Wert uB = αB·xB + u0B = αB·(xB0 + x) + u0B aufweist,
wobei αB die Verstärkung der zweiten Messeinrichtung 5b ist und u0B ein Spannungsoffset, welcher von der zweiten Messeinrichtung erzeugt wird, ist und x die Verschiebung des Rotors 1 aus der geometrischen Mitte M des Magnetlagers ist. Der Abstand xB0 stellt dabei den Abstand der zweiten Messeinrichtung 5b zum Rotor 1 dar, wenn dieser gerade in der geometrischen Mitte M des Magnetlagers angeordnet ist, also die Verschiebung x = 0 ist.The second distance signal u B is in the context of the embodiment in the form of a voltage signal before the voltage of the value u B = α B x B + u 0B = α B x (x B0 + x) + u 0B having,
where α B is the gain of the second measuring device 5b and u 0B is a voltage offset generated by the second measuring device, and x is the displacement of the rotor 1 from the geometric center M of the magnetic bearing. The distance x B0 thereby represents the distance of the second measuring device 5b to the rotor 1 when it is located in the geometric center M of the magnetic bearing, ie the displacement x = 0.
Die Abstände xA0, xB0 der Messeinrichtungen 5a, 5b sind in der Regel individuell verschieden, d. h. xA0 ≠ xB0. Ursächlich verantwortlich hierfür sind Montagetoleranzen der Messeinrichtungen, die einige Zehntel Millimeter betragen können. Fanglagerspalte von typischen Maschinen liegen in ähnlicher Größenordnung.The distances x A0 , x B0 of the measuring devices 5a . 5b are usually individually different, ie x A0 ≠ x B0 . The reason for this is the mounting tolerances of the measuring equipment, which can amount to a few tenths of a millimeter. Fixture column of typical machines are of similar magnitude.
Die Verstärkungen αA, αB und die Spannungsoffsets u0A, u0B der beiden Messeinrichtungen 5a und 5b werden für die folgenden Überlegungen idealisiert als identisch angenommen, d. h. es gilt αA = αB = α und u0A = u0B = u. Die Verstärkungen und Spannungsoffsets der Messeinrichtungen sind dabei, z. B. aus den Herstellerangaben der Messeinrichtungen, bekannt.The gains α A , α B and the voltage offsets u 0A , u 0B of the two measuring devices 5a and 5b are ideally assumed to be identical for the following considerations, ie α A = α B = α and u 0A = u 0B = u. The gains and voltage offsets of the measuring devices are doing, z. B. from the manufacturer's specifications of the measuring devices, known.
Das erste Abstandssignal uA und das zweite Abstandssignal uB werden dann beim Stand der Technik von einer Elektronikeinheit 11 voneinander analog subtrahiert und solchermaßen das Ausgangssignal s = 2·α·x + d erzeugt,
wobei die Konstante d = α·(xB0 – xA0) ist.The first distance signal u A and the second distance signal u B are then in the prior art of an electronic unit 11 subtracted from each other analog and thus the output signal s = 2 · α · x + d generated,
where the constant d = α · (x B0 - x A0 ) is.
Anschließend wird das Signal s digitalisiert und die Konstante d mittels eines Subtrahierers 12 von dem Signal s subtrahiert. Anschließend wird das Ausgangssignal des Subtrahierers 12 mittels eines Dividierers 13 durch einen Faktor von 2·α dividiert. Der Subtrahierer 12 und der Dividierer 13 sind dabei Bestandteile einer Messsignalaufbereitungseinheit 7', die in der Regel Bestandteil einer Regeleinrichtung zur Regelung des Magnetlagers ist. Am Ausgang des Dividierers 13 ergibt sich die ermittelte Verschiebung xist, die im Idealfall mit der tatsächlichen Verschiebung x übereinstimmt. Die ermittelte Verschiebung xist wird als Regelistgröße zur Regelung des Magnetlagers im Weiteren von der Regeleinrichtung verwendet, was in 2 nicht mehr dargestellt ist.Subsequently, the signal s is digitized and the constant d by means of a subtractor 12 subtracted from the signal s. Subsequently, the output signal of the subtractor 12 by means of a divider 13 divided by a factor of 2 · α. The subtractor 12 and the divider 13 are components of a measuring signal conditioning unit 7 ' , which is usually part of a control device for controlling the magnetic bearing. At the exit of the divider 13 the determined displacement x is , which ideally coincides with the actual displacement x. The determined displacement x is used as Regelistgröße for controlling the magnetic bearing in the further by the control device, which in 2 is no longer shown.
Nachteilig bei einer solchen Messsignalaufbereitung zur Ermittlung der Verschiebung x des Rotors 1 aus der geometrischen Mitte des Magnetlagers ist, dass bei Ausfall oder einer Störung des ersten oder des zweiten Abstandssignals, z. B. infolge eines Kabelbruchs oder eines technischen Fehlers in einer der beiden Messeinrichtungen, die ermittelte Verschiebung xist fehlerhaft ist und folglich das Magnetlager ausfällt und ein Weiterbetrieb der Maschine nicht mehr möglich ist. Der Rotor stürzt dann ab und wird von dem normalerweise an der Maschine angeordneten Fanglagern aufgefangen, die hierdurch jedoch stark verschlissen werden. Insbesondere, wenn der Rotor in einen so genannten Backward Whirl gelangt, kann die Maschine sogar stark beschädigt oder zerstört werden können.A disadvantage of such a measurement signal processing for determining the displacement x of the rotor 1 from the geometric center of the magnetic bearing is that in case of failure or malfunction of the first or the second distance signal, z. B. due to a cable break or a technical error in one of the two measuring devices, the determined displacement x is faulty and consequently the magnetic bearing fails and further operation of the machine is no longer possible. The rotor then crashes and is caught by the usually arranged on the machine bearings, which are thereby greatly worn. In particular, if the rotor gets into a so-called backward whirl, the machine can even be severely damaged or destroyed.
In 3 ist im Rahmen einer schematisierten blockförmigen Darstellung eine erfindungsgemäße Messsignalaufbereitung zur Ermittlung der Verschiebung xist aus dem ersten und dem zweiten Abstandssignal uA und uB dargestellt.In 3 is a measurement signal conditioning according to the invention for determining the displacement x is shown from the first and the second distance signal u A and u B in the context of a schematic block-shaped representation.
Die linksseitig in 3 dargestellte Anordnung zur Erzeugung des ersten Abstandssignals uA und des zweiten Abstandssignals uB stimmt mit der zuvor in 2 beschriebenen Anordnung überein, so dass an dieser Stelle auf die Beschreibung zu 2 verwiesen wird. Das erste Abstandssignal uA weist dabei einen Wert von uA = αA·xA + u0A = αA·(xA0 - x) + u0A = – αA·x + dA, auf, wobei die Konstante dA = αA·xA0 + u0A ist, wobei αA die Verstärkung der ersten Messeinrichtung 5a ist und u0A ein Spannungsoffset ist, welcher von der ersten Messeinrichtung erzeugt wird und x die Verschiebung des Rotors 1 aus der geometrischen Mitte M des Magnetlagers ist. Der Abstand xA0 stellt dabei den Abstand der ersten Messeinrichtung 5a zum Rotor 1 dar, wenn dieser gerade in der geometrischen Mitte M des Magnetlagers angeordnet ist, also die Verschiebung x = 0 ist. The left side in 3 illustrated arrangement for generating the first distance signal u A and the second distance signal u B agrees with the previously in 2 described arrangement, so that at this point to the description 2 is referenced. The first distance signal u A has a value of u A = α A x A + u 0 A = α A x (x A0 -x ) + u 0 A = -α A x + d A on, where the constant d A = α A x A0 + u 0A where α A is the gain of the first measuring device 5a and u 0A is a voltage offset generated by the first measuring device and x is the displacement of the rotor 1 from the geometric center M of the magnetic bearing. The distance x A0 represents the distance of the first measuring device 5a to the rotor 1 when it is located in the geometric center M of the magnetic bearing, ie the displacement x = 0.
Das zweite Abstandssignal uB weist entsprechend einen Wert von uB = αB·xB + u0B = αB·(xB0 + x) + u0B = αB·x + dB, auf, wobei die Konstante dB = αB·xB0 + u0B ist,
wobei αB die Verstärkung der zweiten Messeinrichtung 5b ist und u0B ein Spannungsoffset, welcher von der zweiten Messeinrichtung erzeugt wird, ist und x die Verschiebung des Rotors 1 aus der geometrischen Mitte M des Magnetlagers ist. Der Abstand x stellt dabei den Abstand der zweiten Messeinrichtung 5b zum Rotor 1 dar, wenn dieser gerade in der geometrischen Mitte M des Magnetlagers angeordnet ist, also die Verschiebung x = 0 ist.The second distance signal u B correspondingly has a value of u B = α B · x B + B · u 0B = α (x B0 + x) = α + u 0B B · x + B d, on, where the constant d B = α B x B0 + u 0B is
where α B is the gain of the second measuring device 5b and u 0B is a voltage offset generated by the second measuring device, and x is the displacement of the rotor 1 from the geometric center M of the magnetic bearing. The distance x represents the distance of the second measuring device 5b to the rotor 1 when it is located in the geometric center M of the magnetic bearing, ie the displacement x = 0.
Die Verstärkungen und Spannungsoffsets der Messeinrichtungen sind dabei, z. B. aus den Herstellerangaben der Messeinrichtungen, bekannt, oder werden messtechnisch bestimmt.The gains and voltage offsets of the measuring devices are doing, z. B. from the manufacturer's specifications of the measuring devices, known or are determined by measurement.
Die im Rahmen des Ausführungsbeispiels zu diesem Zeitpunkt noch analogen ersten und zweiten Abstandssignale uA und uB werden im Rahmen des Ausführungsbeispiels in der Regeleinrichtung 6 (siehe 1) digitalisiert und anschließend von der erfindungsgemäßen Messsignalaufbereitungseinheit 7, die im Rahmen des Ausführungsbeispiels Bestandteil der Regeleinrichtung 6 ist, weiterverarbeitet. Die erfindungsgemäße Messsignalaufbereitungseinheit 7 ist in 3 detaillierter dargestellt.The first and second distance signals u A and u B that are still analogous in the exemplary embodiment at this point in time are used in the control device within the scope of the exemplary embodiment 6 (please refer 1 ) and subsequently digitized by the measurement signal conditioning unit according to the invention 7 in the context of the embodiment part of the control device 6 is, further processed. The measuring signal conditioning unit according to the invention 7 is in 3 shown in more detail.
Zunächst wird mittels eines Subtrahierers 24 und eines Dividierers 15 aus dem ersten Abstandssignal uA eine erste Verschiebung x1 des Rotors 1 aus der geometrischen Mitte M des Magnetlagers 3 heraus ermittelt. Hierzu wird vom ersten Abstandssignal uA die Konstante dA mittels des Subtrahierers 24 subtrahiert und anschließend das Ausgangssignal des Subtrahierers 24 mittels des Dividierers 15 durch die Verstärkung –αA der ersten Messeinrichtung 5a dividiert und solchermaßen am Ausgang des Dividierers 15 die erste Verschiebung x1 des Rotors 1 aus der geometrischen Mitte M des Magnetlagers 3 heraus ermittelt.First, by means of a subtractor 24 and a divider 15 from the first distance signal u A a first displacement x 1 of the rotor 1 from the geometric center M of the magnetic bearing 3 detected out. For this purpose, the first distance signal u A is the constant d A by means of the subtractor 24 subtracts and then the output of the subtractor 24 by means of the divider 15 by the gain -α A of the first measuring device 5a divided and thus at the output of the divider 15 the first displacement x 1 of the rotor 1 from the geometric center M of the magnetic bearing 3 detected out.
Parallel hierzu wird mittels eines Subtrahierers 25 und eines Dividierers 16 aus dem zweiten Abstandssignal uB eine zweite Verschiebung x2 des Rotors 1 aus der geometrischen Mitte M des Magnetlagers 3 heraus ermittelt. Hierzu wird vom zweiten Abstandssignal uB die Konstante dB mittels des Subtrahierers 25 subtrahiert und anschließend das Ausgangssignal des Subtrahierers 25 mittels des Dividierers 16 durch die Verstärkung αB der zweiten Messeinrichtung 5b dividiert und solchermaßen am Ausgang des Dividierers 16 die zweite Verschiebung x2 des Rotors 1 aus der geometrischen Mitte M des Magnetlagers 3 heraus ermittelt.Parallel to this is by means of a subtractor 25 and a divider 16 from the second distance signal u B a second shift x 2 of the rotor 1 from the geometric center M of the magnetic bearing 3 detected out. For this purpose, the second distance signal u B, the constant d B by means of the subtractor 25 subtracts and then the output of the subtractor 25 by means of the divider 16 by the gain α B of the second measuring device 5b divided and thus at the output of the divider 16 the second displacement x 2 of the rotor 1 from the geometric center M of the magnetic bearing 3 detected out.
Im Idealfall, d. h. wenn die Signale der beiden Messeinrichtungen durch Subraktion und Division optimal korrigiert wurden, gilt: x = x1 = x2 Ideally, ie if the signals of the two measuring devices have been optimally corrected by means of a substraction and division, the following applies: x = x 1 = x 2
Anschließend wird der Mittelwert aus der ersten Verschiebung x1 und der zweiten Verschiebung x2 ermittelt, indem die erste und die zweite Verschiebung mittels eines Addierers 17 addiert werden und anschließend das Ausgangssignal des Addierers 17 mittels eines Dividierers 18 durch einen Faktor von 2 dividiert wird.Subsequently, the mean value of the first shift x 1 and the second shift x 2 is determined by the first and the second shift by means of an adder 17 are added and then the output of the adder 17 by means of a divider 18 divided by a factor of 2.
Falls das erste und das zweite Abstandssignal ua und uB ordnungsgemäß sind, d. h. z. B. kein Kabelbruch vorliegt und keine Störung der ersten oder der zweiten Messeinrichtung vorliegt, ergibt sich am Ausgang des Dividierers 18 die gesuchte Verschiebung x des Rotors aus der geometrischen Mitte des Magnetlagers heraus. Falls jedoch das erste Abstandssignal uA oder das zweite Abstandssignal uB fehlerhaft ist, z. B. infolge eines Kabelbruchs oder einer fehlerhaften ersten oder zweiten Messeinrichtung, stimmt das Signal am Ausgang des Dividierers 18 nicht mehr mit der tatsächlichen Verschiebung x des Rotors 1 überein.If the first and second distance signals u a and u B are correct, ie, for example, there is no cable break and there is no interference with the first or the second measuring device, this results at the output of the divider 18 the desired displacement x of the rotor out of the geometric center of the magnetic bearing out. However, if the first distance signal u A or the second distance signal u B is faulty, z. B. due to a cable break or a faulty first or second measuring device, the signal is correct at the output of the divider 18 no longer with the actual displacement x of the rotor 1 match.
Erfindungsgemäß wird deshalb das Ausgangssignal des Dividierers 18 einer Auswahleinheit 23 als Eingangsgröße zugeführt. Die Auswahleinheit 23 wird dabei von einer Grenzwertüberwachungseinheit 14 angesteuert, was durch einen Pfeil 19 in 3 dargestellt ist. Der Grenzwertüberwachungseinheit 14 werden als Eingangsgrößen das erste Abstandssignal uA und das zweite Abstandssignal uB zugeführt. Die Grenzwertüberwachungseinheit 14 ermittelt anhand einer Grenzwertüberwachung, ob das erste oder das zweite Abstandssignal ordnungsgemäß oder fehlerhaft ist. Im Falle eines Drahtbruchs des Kabels, das die erste Messeinrichtung 5a mit der Regeleinrichtung 6 verbindet, äußert sich der Fehler darin, dass das erste Abstandssignal uA am Eingang der Regeleinrichtung 6 und insbesondere am Eingang der Messsignalaufbereitungseinheit 7 z. B. einen Wert von Null annimmt, so dass ein innerhalb der Grenzwertüberwachungseinheit 14 voreingestellter Grenzwert unterschritten wird und die Grenzwertüberwachungseinheit 14 somit erkennt, dass das erste Abstandssignal uA fehlerhaft ist. Der Grenzwert wird dabei im Rahmen des Ausführungsbeispiels z. B. vorzugshalber so gewählt, dass dieser kleiner ist als der Spannungsoffset u0.Therefore, according to the invention, the output signal of the divider 18 a selection unit 23 supplied as input. The selection unit 23 is from a limit monitoring unit 14 driven by an arrow 19 in 3 is shown. The limit monitoring unit 14 the first distance signal u A and the second distance signal u B are supplied as input variables. The limit monitoring unit 14 determines, based on a limit value monitoring, whether the first or the second distance signal is correct or faulty. In case of wire breakage of the cable, this is the first measuring device 5a with the control device 6 connects, the error is expressed in that the first distance signal u A at the input of the control device 6 and in particular at the input of the measuring signal conditioning unit 7 z. B. assumes a value of zero, so that within the limit value monitoring unit 14 falls below the preset limit value and the limit value monitoring unit 14 thus recognizes that the first distance signal u A is faulty. The limit is in the context of the embodiment z. B. preferably chosen so that it is smaller than the voltage offset u 0 .
Am Ausgang des Dividierers 18 ergibt sich in diesem Fall somit eine fehlerhaft ermittelte Verschiebung x. Die zweite Verschiebung x2, welches aus dem noch ordnungsgemäß vorhandenen zweiten Abstandssignal uB ermittelt wird, ist aber noch immer ordnungsgemäß.At the exit of the divider 18 In this case, therefore, an erroneously determined displacement x results. The second shift x 2 , which is determined from the still properly present second distance signal u B , but is still correct.
Falls das erste und das zweite Abstandssignal uA und uB von der Grenzwertüberwachungseinheit 14 als ordnungsgemäß erkannt werden, wird der am Ausgang des Dividierers 18 berechnete Mittelwert aus der ersten und der zweiten Verschiebung als Regelistgröße zur Regelung des Magnetlagers verwendet, wobei falls das erste Abstandssignal uA als fehlerhaft erkannt wird, die zweite Verschiebung x2 zur Regelung des Magnetlagers als Regelistgröße verwendet wird, wobei falls das zweite Abstandssignal uB als fehlerhaft erkannt wird, die erste Verschiebung x1 zur Regelung des Magnetlagers als Regelistgröße verwendet wird. Die Regelistgröße liegt dabei in Form der solchermaßen ermittelten Verschiebung xist vor, die gemäß 1 als Regelistgröße innerhalb der Regeleinrichtung 6 zur Regelung des Magnetlagers 3 verwendet wird.If the first and the second distance signal u A and u B from the limit value monitoring unit 14 be recognized as being correct, that is at the output of the divider 18 calculated mean value of the first and the second displacement used as Regelistgröße for controlling the magnetic bearing, wherein if the first distance signal u A is detected as faulty, the second displacement x 2 is used to control the magnetic bearing as Regelistgröße, wherein if the second distance signal u B is detected as defective, the first displacement x 1 is used to control the magnetic bearing as Regelistgröße. The Regelistgröße lies in the form of the thus determined displacement x is before, the according to 1 as Regelistgröße within the control device 6 for controlling the magnetic bearing 3 is used.
Wenn z. B., wie oben beschrieben, von der Grenzwertüberwachungseinheit 14 das erste Abstandssignal uA als fehlerhaft erkannt wird, wird ein entsprechendes Signal an die Auswahleinheit 23 geschickt, die dann den Schalter 22 von der Stellung I nach unten auf die Stellung III umschaltet, was durch einen Pfeil 21 angedeutet ist. Die ermittelte Verschiebung xist, die als Regelistgröße verwendet wird, nimmt dann den Wert der ermittelten zweiten Verschiebung x2 an. Entsprechend wird der Schalter 22 auf die Position II geschalten, wenn das zweite Abstandssignal uB von der Grenzwertüberwachungseinheit 14 als fehlerhaft erkannt wird, so dass infolge die erste Verschiebung x1 als Regelistgröße verwendet wird. Es sei an dieser Stelle angemerkt, dass der Schalter 22 im Rahmen des Ausführungsbeispiels als Softwareschalter realisiert ist, der eine Signalumschaltung der entsprechenden Signale innerhalb der Software der Regeleinrichtung 6 durchführt.If z. B., as described above, from the limit monitoring unit 14 the first distance signal u A is detected as defective, a corresponding signal is sent to the selection unit 23 sent, then the switch 22 from position I down to position III, which is indicated by an arrow 21 is indicated. The determined displacement x is , which is used as Regelistgröße, then assumes the value of the determined second displacement x 2 . Accordingly, the switch 22 switched to position II when the second distance signal u B from the limit value monitoring unit 14 is recognized as defective, so that as a result of the first shift x 1 is used as Regelistgröße. It should be noted at this point that the switch 22 is realized in the embodiment as a software switch, the signal switching of the corresponding signals within the software of the control device 6 performs.
Wenn die Verschiebung xist nur anhand eines der beiden Abstandssignale ermittelt wird, ist die ermittelte Verschiebung xist ungenauer, als wenn die Verschiebung xist aus beiden Abstandssignalen uA und uB ermittelt wird, z. B. dann, wenn eine Fliehkraftaufweitung des Rotorradius auf Grund der Rotordrehung stattgefunden hat. Eine Fliehkraftaufweitung des Rotorradius um den Wert ΔrF äußert sich dadurch, dass sich die Abstände des in Magnetlagermitte befindlichen Rotors von der Messeinrichtung von ihren Werten xA0 und xB0 bei Stillstand auf die Werte xA0 + ΔrF und xB0 + ΔrF bei Drehung ändern. Für die Verschiebungen x1 und x2 nach Subraktion und Division ergibt sich dann x1 = x + ΔrF und x2 = x – ΔrF. Ist kein Signal fehlerhaft, ergibt sich nach Mittelwertbildung xist = x, d. h. der Einfluss der Fliehkraftaufweitung wird kompensiert. Ist hingegen ein Sensor fehlerhaft, so ergibt sich xist = x + ΔrF bzw. xist = x – ΔrF, d. h. der Rotor wird um einen kleinen Wert verspringen. Die Genauigkeit reicht aber aus, um zumindest für einen kurzen Zeitraum den Weiterbetrieb des Magnetlagers zu ermöglichen, bis z. B. der Rotor 1, infolge einer bei einem erkannten Fehler eines Abstandssignals eingeleiteten Abschaltung der Maschine, ausgelaufen oder bis zum Stillstand abgebremst wurde. In vielen Fällen kann jedoch auch, insbesondere wenn eine kleinere dauerhafte Verschiebung des Rotors aus der geometrischen Mitte des Magnetlagers toleriert werden kann, ein längerer Weiterbetrieb des Magnetlagers und damit ein längerer Weiterbetrieb der Maschine erfolgen.If the displacement x is determined only on the basis of one of the two distance signals, the determined displacement x is inaccurate, as if the displacement x is determined from both distance signals u A and u B , z. B., when a centrifugal expansion of the rotor radius has taken place due to the rotor rotation. A centrifugal expansion of the rotor radius by the value Δr F manifests itself in that the distances of the rotor located in magnetic bearing center of the measuring device of their values x A0 and x B0 at standstill on the values x A0 + Δr F and x B0 + Δr F at Change rotation. For the displacements x 1 and x 2 after subtraction and division then x 1 = x + Δr F and x 2 = x - Δr F. If no signal is faulty, is given by averaging x = x, ie the influence of the centrifugal expansion is compensated. If, on the other hand, a sensor is faulty, the result is x ist = x + Δr F or x ist = x - Δr F , ie the rotor will jump by a small value. However, the accuracy is sufficient to allow at least for a short period, the continued operation of the magnetic bearing until z. B. the rotor 1 , has expired or been decelerated to a standstill as a result of a shutdown of the machine initiated upon a detected error of a distance signal. In many cases, however, especially if a smaller permanent displacement of the rotor from the geometric center of the magnetic bearing can be tolerated, a prolonged continued operation of the magnetic bearing and thus prolonged operation of the machine can be done.
Es sei an dieser Stelle angemerkt, dass die Grenzwertüberwachungseinheit 14 aber auch gegebenenfalls mehrere Grenzwerte auf Über- oder Unterschreitung überwachen kann, so dass die verschiedensten Fehlerfälle von der Grenzwertüberwachungseinheit erkannt werden können und die Auswahleinheit 23 entsprechend angesteuert wird. Als Alternative zur Ansteuerung durch eine Grenzwertüberwachungseinheit kann die Auswahleinheit auch durch ein Bereitschaftssignal der Messeinrichtung angesteuert werden, das anzeigt, ob der Messwert gültig ist.It should be noted at this point that the limit monitoring unit 14 but may also monitor several limit values for overshoot or undershoot, so that the most diverse error cases can be detected by the limit value monitoring unit and the selection unit 23 is controlled accordingly. As an alternative to triggering by a limit value monitoring unit, the selection unit can also be controlled by a ready signal of the measuring device, which indicates whether the measured value is valid.
