DE3120691A1 - Magnetic bearing - Google Patents
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Abstract
Description
Magnetlager Magnetic bearings
Die Erfindung betrifft ein Magnetlager, enthaltend einen magnetisch gelagerten Rotor, wobei die lagerung des Rotors wenigstens ein radiales, aktiv geregeltes Magnetlager mit Spulen, ein weiteres Magnetlager, eine Sensiereinrichtung zur Erfassung der radialen Stellung des Rotors und eine mit der Sensiereinrichtung und den elektromagnetischen Spulen verbundene Regelschaltung aufweist, mit welcher der Rotor in einer vorbestimmten radialen Lage gehalten wird sowie eine Einrichtung zur Beseitigung drehzahlsynchroner Störeinflüsse.The invention relates to a magnetic bearing containing a magnetic mounted rotor, the bearing of the rotor at least one radial, actively controlled Magnetic bearing with coils, another magnetic bearing, a sensing device for detection the radial position of the rotor and one with the sensing device and the electromagnetic Has coils connected control circuit, with which the rotor in a predetermined radial position is held and a device for eliminating speed synchronous Interference.
Ein Magnetlager dieser Art ist aus der DE-CS 26 58 668 bekannt. Dieses Magnetlager weist ein Sperrfilter auf, welches Störungen der Rotorbewegung, die ein ständiges Nachregeln des Rotors in die Mittellage mittels der Regelschaltung nötig machen würde, ausfiltert. Diese Störungen sind insbesondere Unwucht des Rotors, und Symmetriefehler von Läufer-oder Statorelementen. Das Sperrfilter beinhaltet zwei Addierschaltungen, welche an ersten Eingängen mit Signalen von zwei Radialsensoren versorgt werden und deren Ausgänge an einen Steuerkreis zur Ansteuerung der elektromagnetischen Spulen geschaltet sind. Die zweiten Eingänge der Addierschaltungen werden mit Signalen einer Gegenkopplungsschaltung ver- sorgt. Die Gegenkopplungsschaltung besteht aus einem ersten Koordinatenwandler, welcher eine Umformung eines durch feste Achsen gebildeten Bezugssystems in ein bewegliches Bezugssystem bewirkt. Ferner weist die Gegenkipplungsschaltung zwei Integrationsschaltungen auf, die mit einem zweiten Koordinatenwandler, welcher das bewegliche Bezugssystem in das feste Bezugssystem wieder zurückführt, verbunden sind. Zweck dieser Schaltung ist die Erfassung von Störsignalen, die periodisch mit der Drehfrequenz des Rotors auftreten und gleichzeitig eine Aus filterung dieser Signale aus den Ansteuerungssignalen der elektromagnetischen Spulen.A magnetic bearing of this type is known from DE-CS 26 58 668. This Magnetic bearings have a blocking filter, which prevents disturbances in the movement of the rotor constant readjustment of the rotor in the central position by means of the control circuit would make necessary, filters out. These disturbances are in particular the imbalance of the rotor, and symmetry errors of rotor or stator elements. The blocking filter includes two adding circuits, which at first inputs with signals from two radial sensors are supplied and their outputs to a control circuit for controlling the electromagnetic Coils are switched. The second inputs of the adder circuits are provided with signals a negative feedback circuit cares. The negative feedback circuit consists of a first coordinate converter, which transforms a Fixed axes formed reference system caused in a movable reference system. Further the negative feedback circuit has two integration circuits with one second coordinate converter, which converts the moving frame of reference into the fixed frame of reference leads back, are connected. The purpose of this circuit is to capture Interference signals that occur periodically with the rotational frequency of the rotor and simultaneously A filtering off of these signals from the control signals of the electromagnetic Wash.
Es ist ersichtlich, daß hierzu ein großer Aufwand nötig ist und dadurch die Störanfälligkeit der gesamten Schaltung relativ groß wird. Da die auszufilternden Störungen periodisch auftreten und relativ konstante vorbekannte Größen sind, ist eine ständige Abfrage dieser Größen überflüssig. Außerdem verursachen Filterschaltungen bekanntlich Phasendrehungen im Regelkreis, welche wiederum kompensiert werden müssen.It can be seen that this requires a great deal of effort and thereby the susceptibility of the entire circuit to failure is relatively high. Since the to be filtered out Disturbances occur periodically and are relatively constant previously known quantities a constant query of these parameters is superfluous. In addition, cause filter circuits As is known, phase rotations in the control loop, which in turn have to be compensated.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine magnetische Lagerung für einen Rotor zu- schaffen, bei der eine einfache und zuverlässige Kompensation von Sensorsignalen, die auf über die Sensoren aufgenommene Geometriefehler zurückzuführen sind, vorgenommen wird.The object of the invention is to provide a magnetic storage for a To create a rotor in which a simple and reliable compensation of sensor signals, which can be traced back to geometry errors recorded by the sensors will.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Regelschaltung einen Speicher mit n Speicherplätzen aufweist, die Winkelbereichen 360°/n des Rotorumfangs zugeordnet sind und in denen Signale gespeichert sind, die den in diesen Bereichen vorhandenen Abweichungen von der Geometrie des Rotors bzw. eines auf dem Rotor angeordneten Sensorrings entsprechen, daß eine Abtasteinrichtung vorgesehen ist, die den der momentanen Rotorstellung entsprechenden Speicherplatz jeweils abtastet und daß eine Kompensationsschaltung vorgesehen ist, die aus dem jeweiligen Signal der Abtasteinrichtung ein Korrek- tursignal erzeugt und dieses einem von der Sensiereinrichtung abgeleiteten Signal jeweils überlagert.This object is achieved according to the invention in that the control circuit has a memory with n storage locations, the angular ranges 360 ° / n of the rotor circumference are assigned and in which signals are stored that correspond to those in these areas existing deviations from the geometry of the rotor or one arranged on the rotor Sensor ring correspond to the fact that a scanning device is provided which the the current rotor position corresponding memory space scans and that a Compensation circuit is provided from the respective signal of the scanning device a correct generated door signal and this one from the sensing device derived signal superimposed.
Die durch die Herstellung bedingten Abweichungen der Kreisgeometrie des Rotors oder eines auf dem Rotor angeordneten Sensorrings werden mittels der Sensiereinrichtung erfaßt und in einem Speicher unter Zuordnung zu dem Stellungswinkel des Rotors abgespeichert. Dies geschieht rotorspezifisch und wird vor Inbetriebnahme der Magnetlagerung vorgenommen, die abgespeicherten Werte bleiben über die gesamte Betriebsdauer erhalten.The deviations in the circular geometry caused by the manufacture of the rotor or a sensor ring arranged on the rotor are by means of the Sensing device detected and in a memory with assignment to the position angle of the rotor. This happens rotor-specific and is done before commissioning the magnetic bearing made, the stored values remain over the entire Maintain operating life.
Der Speicher ist in vorteilhafter Weise ein Digitalspeicher, insbesondere ein PRON (Programmierbarer Festwertspeicher), dessen Speicherplätze mittels eines Multiplexers zyklisch abgefragt werden. Am Ausgang des Speichers ist ein Digital-Analog-Wandler vorgesehen, welcher die abgespeicherten Signale in einen den Störungen entsprechenden Signalverlauf umformt.The memory is advantageously a digital memory, in particular a PRON (programmable read-only memory), whose memory locations are Multiplexer can be queried cyclically. There is a digital-to-analog converter at the output of the memory provided, which converts the stored signals into a corresponding to the disturbances Reshaped signal curve.
Um den Multiplexer mit der gewünschten Frequenz anzusteuern und um eine Synchronisation zwischen der Ansteuerfrequenz des Multiplexers und der Drehfrequenz des Rotors herzustellen, wird die Ansteuerfrequenz vorteilhafterweise mittels eines Frequenzvervielfachers aus der Drehfrequenz gebildet.To control the multiplexer with the desired frequency and around a synchronization between the control frequency of the multiplexer and the rotational frequency Manufacture of the rotor, the control frequency is advantageously by means of a Frequency multiplier formed from the rotational frequency.
Selbstverständlich kann die Ansteuerfrequenz auch mittels eines Frequenzgenerators, welcher z.B. über einen drehzahlabhängigen Impuls des Rotors getriggert wird, gebildet werden.Of course, the control frequency can also be achieved by means of a frequency generator, which is triggered e.g. via a speed-dependent impulse of the rotor will.
Eine andere vorteilhafte Weiterbildung besteht darin, die Synchronisation zwischen Drehfrequenz und Ansteuerfrequenz des Multiplexers mittels eines phasenempfindlichen Gleichrichters herzustellen. Hierzu bildet der phasenempfindliche Gleichrichter eine der Phasenverschiebung zwischen Dreh- und Ansteuerfrequenz proportionale Spannung, die in einem nach- folgenden Integrationsglied aufintegriert und anschließend in eine der integrierten Spannung proportionale Frequenz umgesetzt wird, welche die Ansteuerfrequenz des Multiplexers darstellt. Hierdurch wird in einfacher Weise eine präzise Kopplung von Ansteuer- und Drehfrequenz und somit eine genaue Zuordnung der gespeicherten Signale zu der momentanen Rotorstellung erreicht.Another advantageous development is the synchronization between the rotational frequency and the control frequency of the multiplexer by means of a phase-sensitive Manufacture rectifier. The phase-sensitive rectifier forms this a voltage proportional to the phase shift between the rotational frequency and the control frequency, which in a subsequent following integration link integrated and then converted into a frequency proportional to the integrated voltage which represents the control frequency of the multiplexer. This means that in simple way a precise coupling of control and rotation frequency and thus a precise assignment of the stored signals to the current rotor position is achieved.
In einer weiteren günstigen Ausbildung der Erfindung wird mittels einer Summierschaltung das Korrektursignal zu dem Signal der Sensiereinrichtung, also dem Signal, welches sowohl die von den Störungen erzeugten Störsignale infolge Unrundheit u. ä., als auch die Regelabweichungen des Rotors beinhaltet, so addiert, daß das Ausgangssignal der Summierschaltung lediglich ein Korrektursignal für die Regelabweichungen darstellt. Wird das abgespeicherte Signal drehzahlabhängig erfaßt, z.B. bei der Nenndrehzahl des Rotors, dann kann in vorteil hafter Weise auch eine eventuell auftretende Unwucht oder ein Mittenversatz des Rotors unter Berücksichtigung des Magnetlager-Frequenzgangs kompensiert werden, d .h., auch diese Störungen beeinflussen somit nicht die Regelung, sondern werden ausgefiltert.In a further advantageous embodiment of the invention is means a summing circuit, the correction signal for the signal of the sensing device, thus the signal which both the interference signals generated by the interference as a result Out-of-roundness and the like, as well as the control deviations of the rotor, so added, that the output signal of the summing circuit is only a correction signal for the Represents control deviations. If the stored signal is recorded as a function of the speed, e.g. at the nominal speed of the rotor, then an Possible imbalance or a center offset of the rotor taking into account of the magnetic bearing frequency response can be compensated, i.e. also influence these disturbances thus not the regulation, but are filtered out.
Es ist auch denkbar, für verschiedene Drehzahlen, wie auch z.B. die der Resonanzfrequenz des Rotors entsprechende Drehzahl oder mehreren Nenndrehzahlen mehrere Speicher vorzusehen, wobei je nach der augenblicklichen Drehzahl der entsprechende Speicher über eine Auswahlschaltung abgefragt wird und damit eine drehzahlunabhangige Kompensation aller den Rotor betreffenden Störsignalen gebildet wird.It is also conceivable for different speeds, such as the speed corresponding to the resonance frequency of the rotor or several nominal speeds to provide several memories, depending on the current speed of the corresponding Memory is queried via a selection circuit and thus a speed-independent Compensation of all disturbance signals affecting the rotor is formed.
Ein Ausführungsbeispiel ist in der Zeichnung dargestellt.An exemplary embodiment is shown in the drawing.
Ein Magnetlager, welches mit der nachfolgend beschriebenen Regelschaltung betrieben werden kann, ist z.B. in der DE-OS 28 47 930 beschrieben. Dieses Magnetlager besitzt für die radiale Sensierung der Rotorstellung vier um jeweils 900 versetzt angeordnete Lagesensoren, wobei für den Betrieb mit der erfindungsgemäßen Regelschaltung je ein Sensor pro radialer Achse ausreicht. Es ist weiterhin auch möglich, die axiale Lageregelung eines Magnetlagers mit dieser Regelschaltung zu versehen, dieses wäre analog zu der radialen Regelung auszuführen, es erubrigen sich daher nähere Erläuterungen.A magnetic bearing with the control circuit described below can be operated, is described in DE-OS 28 47 930, for example. This magnetic bearing owns for the radial sensing of the rotor position four to each 900 offset position sensors, whereby for operation with the inventive Control circuit, one sensor per radial axis is sufficient. It continues to be too possible to control the axial position of a magnetic bearing with this control circuit provided that this would have to be carried out analogously to the radial regulation, there is no need therefore more detailed explanations.
Im folgenden wird der Aufbau der Regelschaltung beschrieben.The structure of the control circuit is described below.
Zwei radiale, um 900 versetzt angeordnete Lagesensoren 1, 2 sind über Widerstände 3, 4 jeweils mit den Eingängen 25, 26 der Summierglieder 5, 6 verbunden. Diese summierglieder 5, 6 weisen je eine Rückkopplung mit je einem Widerstand 7, ò auf. Die Ausgänge der Summierglieder sind mit elektromagnetischen Spulen 9, 10, die Korrekturkräfte auf den Rotor ausüben, verbunden. Weiterhin ist ein Drehzahlsensor 11 vorgesehen, welcher eine der Drehzahl des Rotors entsprechende Frequenz liefert. Diese wird an den ersten Eingang eines phasenempfindlichen Gleichrichters 12 geschaltet. Der Ausgang des phasenempfindlichen Gleichrichters ist mit einem integrierglied 13 verbunden, das Ausgangssignal dieses Integriergliedes wird einem Spannungs-Frequenzumformer 14 zugeführt, wobei dessen Ausgangssignal einem Multiplexer 16 und einem Frequenzteiler 15 zugeführt wird. Der Ausgang des Frequenzteilers 15 ist an den zweiten Eingang des phasenempfindlichen Gleichrichters 12 geschaltet. Der Ausgang des Multiplexers 16 ist mittels Leitungen 21 an einen Speicher 17 angeschaltet, wobei die Anzahl der Leitungen 21 der Anzahl der Speicherplätze entspricht. Die Speichersignale werden über Leitungen 22 einem Digital-Analog-Wandler 18 zugeführt und dessen Ausgangssignal über Verbindung 19 und Widerstand 23 an den Eingang 25 der Summierschaltung 6 geführt.Two radial position sensors 1, 2, offset by 900, are above Resistors 3, 4 are each connected to the inputs 25, 26 of the summing elements 5, 6. These summing elements 5, 6 each have a feedback with one resistor 7 each, ò on. The outputs of the summing elements are connected to electromagnetic coils 9, 10, the corrective forces exert on the rotor, connected. There is also a speed sensor 11 is provided, which supplies a frequency corresponding to the speed of the rotor. This is connected to the first input of a phase-sensitive rectifier 12. The output of the phase sensitive rectifier is with an integrating element 13 connected, the output signal of this integrator is a voltage-frequency converter 14 supplied, the output signal of which is a multiplexer 16 and a frequency divider 15 is supplied. The output of the frequency divider 15 is connected to the second input of the phase-sensitive rectifier 12 switched. The output of the multiplexer 16 is connected to a memory 17 by means of lines 21, the number of lines 21 corresponds to the number of storage locations. The memory signals are A digital-to-analog converter 18 is fed via lines 22 and its output signal Via connection 19 and resistor 23 to input 25 of summing circuit 6.
Ein weiteres Ausgangssignal des Digital-Analog-Wandlers 18 wird über Leitung 20 und Widerstand 24 dem Eingang 26 der Sumrnier,,ch:l.ltl.lng- 5 zugeführt.Another output signal of the digital-to-analog converter 18 will via line 20 and resistor 24 to input 26 of Sumrnier ,, ch: l.ltl.lng- 5 supplied.
Vor Inbetriebnahme eines mit dieser Regelschaltung aufgebauten Magnetlagersist es erforderlich, in dem Speicher 17 alle Störsignale, die von den Sensoren 1, 2 während des Betriebs erfaßt werden können und deren Folgefrequenz der Umlauffrequenz des Rotors entspricht, abzuspeichern. Dies geschieht dadurch, daß der Speicher 17 m Speicherplätze aufweist, wobei z.3. die Abweichungen von der Rundheit des Rotors so erfaßt werden, daß die Abweichung innerhalb eines Abschnittes des Rotorumfangs mit der Größe 360°/m in Form eines Spannungssignals mit einer der Abweichung entsprechenden Spannungsgröße abgespeichert wird. Bei entsprechender Anzahl von Speicherplätzen m kann somit eine beliebig genaue Auflösung der Störsignale erreicht werden. Es können jedoch nicht nur Abweichungen von der Rundheit des Rotors, sondern auch Unwucht, Mittenversatz, Geometriefehler und ähnliche Fehler erfaßt und abgespeichert werden. Nachfolgend wird die Verarbeitung der abgespeicherten Werte Während des Betriebs des Lagers beschrieben. Die von dem Sensor 11 gelieferte, der Rotordrehzahl entsprechende Frequenz f1 weist eine bestimmte Phasenlage auf,, die im Normalfall der Shasenlage einer von dem Frequenzteiler 15 gebildeten Frequenz f3 entspricht. in diesem Fall behält der Integrator 13 eine bestimmte Ausgangsspannung, wobei dieser so eingestellt ist, daß die mit der Ausgangsspannung gebildete Frequenz 2 der mit dem Faktor m multiplizierten Frequenz f1 des Sensors 11 entspricht. Der Faktor m entspricht hierbei der Anzahl der Speicherplätze des Speichers 17. Die Frequenz f2 wird dem Multiplexer 16 und dem Teiler 15 zugeführt, welcher eine Division mit dem Faktor m durchführt und somit im Normalfall eine in der Phasenlage der Frequenz f1 gleiche Frequenz f3 bildet. Durch eine Beschleunigung oder Verzögerung des Rotors ändert sich jedoch die aus der Rotordrehzahl gebildete Frequenz f1. Dadurch entsteht eine Phasenverschieoung zwi- schen f1 und f3' die am Ausgang des phasenempfindlichen Gleichrichters 12 eine Spannung zur Folge hat, wobei diese wiederum über das Integrationsglied 13 eine Änderung der dem Spannungs-Frequenz-Umformer 14 zugeführten Spannung bewirkt. Damit erreicht man eine Anpassung der Frequenz f2 an die Rotordrehzahl und gleichzeitig über den Frequenzteiler 15 eine Korrektur der Phasenlage der Frequenz f3' so daß die Phasenverschicbung Zwischen f1 und f3 wicder zu Null wird.Before starting up a magnetic bearing constructed with this control circuit it is necessary to store all interference signals in the memory 17 which are received by the sensors 1, 2 can be detected during operation and their repetition frequency of the rotational frequency of the rotor corresponds to save. This is done in that the memory 17 m has memory locations, z.3. the deviations from the roundness of the rotor can be detected so that the deviation is within a portion of the rotor circumference with a magnitude of 360 ° / m in the form of a voltage signal with one corresponding to the deviation Voltage size is saved. With the appropriate number of storage locations An arbitrarily precise resolution of the interfering signals can thus be achieved. It However, not only deviations from the roundness of the rotor, but also imbalance, Center offset, geometry errors and similar errors can be detected and stored. The following describes the processing of the stored values during operation of the camp. The one supplied by the sensor 11, corresponding to the rotor speed Frequency f1 has a certain phase position, which is normally the shasen position corresponds to a frequency f3 formed by the frequency divider 15. in this case the integrator 13 maintains a certain output voltage, which is set in this way is that the frequency 2 formed with the output voltage corresponds to the factor m multiplied frequency f1 of the sensor 11 corresponds. The factor m corresponds here the number of storage locations in the memory 17. The frequency f2 is assigned to the multiplexer 16 and supplied to the divider 15, which divides by the factor m and thus in the normal case a frequency which is the same in the phase position of the frequency f1 f3 forms. However, this changes due to an acceleration or deceleration of the rotor the frequency f1 formed from the rotor speed. This creates a phase shift between between f1 and f3 'those at the output of the phase-sensitive rectifier 12 results in a voltage, this in turn via the integration element 13 causes a change in the voltage supplied to the voltage-frequency converter 14. This achieves an adaptation of the frequency f2 to the rotor speed and at the same time A correction of the phase position of the frequency f3 'via the frequency divider 15 so that the phase shift between f1 and f3 becomes zero again.
Mittels dem bisher beschriebenen Aufbau wird eine kontinuierliche Anpassung der Ansteuerfrequenz des Multiplexers 16 an die Rotordrehzahl und damit eine exakte Zuordnung der Speicherplätze bzw. der abgespeicherten Werte an die momentane Rotorstellung möglich.By means of the structure described so far, a continuous Adaptation of the control frequency of the multiplexer 16 to the rotor speed and thus an exact assignment of the memory locations or the saved values to the current one Rotor position possible.
Der Multiplexer steuert nun mit der Frequenz 2 die einzelnen Speicherplätze des Speichers 17 an und bewirkt dadurch die serielle Auslesung und Übertragung der Speicherdaten bzw.The multiplexer now controls the individual memory locations with frequency 2 of the memory 17 and thereby causes the serial reading and transmission of the Storage data or
-inhalte an den Digital-Analog-Wandler, welcher zwei kasgangssignale bildet, die dem reziproken Wert der von den Lagesensoren 1 und 2 erfaßten Störsignalen entspricht. Das erste Ausgamgssignal wird über die Litung 19 auf das von dem Sensor 1 gelieferte Sensorsignal geschaltet, dadurch werden die vem Sensor 1 erfaßten Störsignale kompensiert und die elek-tromagnetischen Spulen nur vom Korrektursignal der Regelabweichung angesteuert. Das zweite Ausgangssignal ist lediglich zu dem ersten um 900 phasenverschoben und wird über Leitung 20 dem Sensorsignal des zu dem Sensor 1 um 900 radial versetzt angeordneten Sensor 2 zugeschaltet, so daß auch hier eine Kompensation der Störsignale bewirkt wird. Über die Widerstände 3 und 24 bzw. 4 und 23 wird eine Gewichtung der auf die Summierglieder 5, 6 einwirkenden Signale vorgenommen, um z.B. bei Störungen infolge fehlerhafter Speicherinhalte oder unrichtiger Frequenzumsetzung einen iagnetlagerausfall zu vermeiden. Die Widerstände 24 und 23 sind z.B. um den Faktor 10 größer gewählt als die Widerßtände 3 und 4, womit die Kompensationssignale gegenüber den Sensorsignalen um diesen Faktor abgeschwächt sind. Damit entsteht auch bei Störungen der Regeleinrichtung kein Ausfall des Gesamtsystems.-Contents to the digital-to-analog converter, which has two output signals forms the reciprocal value of the interference signals detected by the position sensors 1 and 2 is equivalent to. The first output signal is transmitted via the communication 19 to that of the sensor 1 supplied sensor signal switched, thereby the vem sensor 1 detected interfering signals compensated and the electromagnetic coils only from the correction signal of the control deviation controlled. The second output signal is only 900 out of phase with the first and the sensor signal to the sensor 1 is offset by 900 radially via line 20 arranged sensor 2 switched on, so that here too a compensation of the interfering signals is effected. The resistors 3 and 24 or 4 and 23 are used to weight the made on the summing members 5, 6 acting signals, e.g. in the event of malfunctions A magnetic bearing failure as a result of incorrect memory contents or incorrect frequency conversion to avoid. The resistors 24 and 23 are e.g. by a factor of 10 greater chosen as the resistors 3 and 4, whereby the compensation signals compared to the Sensor signals are weakened by this factor. This also arises in the event of malfunctions the control device no failure of the entire system.
L e e r s e i t eL e r s e i t e
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