DE3148944A1

DE3148944A1 - Vorrichtung zur magnetischen lagerung eines koerpers

Info

Publication number: DE3148944A1
Application number: DE19813148944
Authority: DE
Inventors: Günther Dipl.-Ing. 6906 Leimen Innerhofer
Original assignee: Teldix GmbH
Current assignee: Rockwell Collins Deutschland GmbH
Priority date: 1981-12-10
Filing date: 1981-12-10
Publication date: 1983-08-04

Description

Vorrichtung zur magnetischen Lagerung eines Körpers
Die Erfindungbetrifft eine Vorrichtung zur magnetischen Lagerung eines Körpers, enthaltend einen Regler, dessen Frequenzgang PID-Charakter mit Bandbreitenbegrenzung aufweist, insbesondere zur aktiven Stabilisierung translatorischer Freiheitsgrade, wobei der Regler Operationsverstärkermittel aufweist und das Eingangssignal über einen invertierenden Eingang den Operationsverstärkermitteln zugeführt wird und wobei der Ausgang der Operationsverstärkermittel über einen Rückführkreis, enthaltend mindestens einen Kondensator und einen parallel dazu geschalteten Widerstand, mit dem invertierenden Eingang verbunden ist.
Aus der DE-OS 25 44 249 ist eine solche Vorrichtung bekannt.
Mit derartigen auch als aktiv geregelte Magnetlager bezeichneten Vorrichtung können rotierende und nichtrotierende Körper berUhrungsfrei und stabil in vorgegebenen Positionen gehalten werden. Aufgrund der bekannten Vorteile gegenüber konventionellen, mechanischen Lagerungen werden solche Vorricltungen insbesondere bei Rotationskörpern für hohe Drehzahlen, wie zum Beispiel Krigselgeräten, Tubomolekularpum- pen, Werkzeugmaschinen- Spindeln oder Stabilisierungsschwungräder oder auch für schnel lfahrende Magnetschwebefahrzeuge vorgeschlagen. In den meisten Anwendungsfällen ist der erforderliche Leistungsbedarf von entscheidender Bedeutung. So muß insbesondere in der Raumfahrttechnik aufgrund begrenzter Energiequellen die Leistungsaufnahme einer derartigen Vorrichtung so qering als nur irqend möglich sein. Anderseits muß aber auch das dynamische Verhalten bei kleiner Energieaufnahme den vorgeqebenen Randbedingungen genügen. Weiterhin ist es von Bedeutung, daß der Materialaufwand und die Herstellungskosten in wirtschaftlich vertretbaren Grenzen bleiben.
- Allerdings weist die bekannte Vcrrichtung einer. hohen Anteil an elektronischen Bauteilen auf. Hierdurch wird in entscheidendem Maße die Zuverlässigkeit und Sicherheit der Magnetlager gemindert.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung zur magnetischen Lagerung zu schaffen, die mit möglichst wenigen Bauteilen und mit geringen Kosten hergestellt werden kann und eine hohe Zuverlässigkeit aufweist.
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, - daß die Operationsverstärkermittel aus nur einem Operationsverstärker bestehen, - daß der integrierende Anteil des Reglers aus einem Eingangswiderstand und dem im Rückführkreis angeordneten Kondensator gebildet wird, - daß der differenzierende Anteil des Reglers aus zwei in den Rückführkreis und in Reihe geschalteten Rückführ-Widerständen einem von einem Verzweigungspunkt zwischen den Rückführ-Widerständen nach Masse geschalteten Masse-Widerstand,einem in Reihe dazu geschalteten dritten Kondensator und aus dem ersten Kondensator gebildet wird.
- daß die erste zur Bandbreitenbegrenzung erforderliche Eckfrequenz durch den dritten Kondensator und den Masse-Widerstand bestimmt ist und - daß die zweite zur Bandbreitenbegrenzung erforderliche Eckfrequenz durch den zweiten Kondensator und die Rückführ-Widerstände bestimmt ist.
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird vor allem erreicht, daß der schaltungstechnische Aufwand auf ein Minimum reduziert wird, ohne daß hierdurch das dynamische Verhalten verschlechtert wird. Der Regler enthält einen integralen Anteil für hohe Steifigkeit im stationären oder quasistationären Zustand, sowie einen differentialen Anteil für die Stabiltät des Regelkreises. Der letztere Anteil ist erforderlich für eine positive Phasendrehung zwischen dem Stellungssignal und der auf den zu lagernden KörDer bewirkenden Kraft.
In vorteilhafter Weise wird eine genaue und driftarme Regelung dadurch erreicht, daß der Eingangswiderstand ein frequenzunabhängiger Widerstand ist.
Die Vorrichtung ist in geeigneter Weise zur Lagerung eines Rotors, insbesondere eines Schwungsrades, konzipiert. Das Schwungrad besitzt zur Lagerung eine in fünf Freiheitsgraden aktiv geregelte Magnetlagerung. Die drei translatorischen Freiheitsgrade der Achsen X, Y, Z werden mit je einem Regler geregelt, dieser ist eingangsseitig mit einem Sensor zur Erfassung der Lage des Schwungrades verbunden und ausgangsseitig über eine Leistungsstufe mit dem elektromagnetischen Stellglied.
Die Erfindung wird nachfolqend anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.
Es zeigen Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Regelkreises für einen translatorischen Freiheitsgrad eines magnetisch gelagerten Rotors.
Fig. 2 den Frequenzgang des PID-Reglers.
Fig. 3 eine realisierte Schaltung des PID-Reglers aus Fig. 2.
Die magnetische Lagerung für einen Rotor arbeitet nach dem Prinzip der Krafteinwirkung von stromdurchflossenen Leitern in einem Magnetfeld. Von einem Stator, in welchem radial am Umfang Krafterzeugerspulen angeordnet sind, werden beim elektrodynamischen Magnetlaqer anziehende oder abstoßende Kräfte auf den mit PermanEntmagneten beleqten Rotor ausgeübt.
Selbstverständlich kann der Rotor anstelle der Permanentmagnete auch ferromagnetische Teile aufweisen, welche den Krafterzeugerspulen in bekannter Weise zugeordnet sind. Diese Kräfte werden in Abhängigkeit von Sensorsignalen, welche den Abweichungen des Rotors von einer vorgegebenen Position entsprechen, über Regler frequenzabhängig geregelt. Der genaue Aufbau bzw. Anordnung der Spulen, Magnete und Sensoren ist nicht Gegenstand der vorliegenden Anmeldung und soll hier nicht näher beschrieben werden.
Wesentlich ist nur, daß die Spulen über den Umfang derart verteilt angeordnet sind, daß es möglich ist, auf den Rotor Kräfte in axialer Z-Richtung sowie in den zueinander senkrechten radialen X- und Y-Richtungen zu erzeugen. In Fig. 1 ist das Blockschaltbild des translatorischen Regelkreises in der radialen X-Richtung dargestellt und nachfolgend beschrieben, wobei Entsprechendes auch für die übrigen translatorischen Richtungen gilt. Hierbei ist mit Xs der Positionssollwert in X-Richtung, mit Xi der Istwert der Position, der beispielsweise durch eine Unwucht des Rotors eine Abweichung x zu dem Sollwert aufweist, bezeichnet. Weiterhin ist durch C die Lagersteifigkeit des Magnetlagers und mit Z/N (s) die Obertragungsfunktion des Reglers, wobei s als Laplaceoperator eingesetzt ist, mit Fx die Stellkraft des Magnetlagers und mit in die Masse des Rotors dargestellt.
Erfindungsgemäß enthält der Regler vorzugsweise zwei zur Bandbreitenbegrenzung benötigte Eckfrequenzen#3, #4, und weitere das Regelverhalten beeinflußende Eckfrequenzen #1, 21 22 so daß die Obertragunqsfunktion des Reglers lautet: Die Eckfrequenz # 1 bestimmt die Integralverstärkung des Regelkreises.
In Fig. 2 ist der Frequenzgang des PID-Reglers mit den Eckfrequenzen angegeben, aus welchen sich die wesentlichen Vorteile direkt ableiten lassen. Dieser Regler besitzt einen integralen Anteil zur Erzielung hoher Lagersteifigkeiten im stationären und quasi stationären Zustand, einen differentialen Anteil zur dynamischen Stabilisierung und eine Bandbreitenbegrenzung zur Reduzierung des Leistungsverbrauchs bei höheren Störfrequenzen.
Die Realisierung des Reglers wie in Fig. 3 dargestellt, erfolgt bevorzugt mittels eines Operationsverstärkers, welcher in der Rückführung mit einem komplexen Widerstandsnetzwerk beschaltet ist.
Die vorliegende Schaltung erhält ein Eingangssignal U1 von einem Sensor und besitzt im Eingang des Reglers einen frequenzunabhängigen Widerstand R1. In Verbindung mit dem Kondensator C1, der an der Ausgangsspannung liegt, wird der integrierende Anteil und # 1 festgelegt nach der Beziehung Die Widerstände R2, R3, R4 und die Kondensatoren C1, C2, legen den differenzierenden Anteil und somit die Eckfrequenzen #1, #2 fest nach der Beziehung wobei für A gilt: und für B gilt Der Widerstand R4 und der Kondensator C2 bestimmt die erste Eckfrequenz zur Bandbreitenbegrenzung nach der Beziehung und die Widerstände R2, R3 und der Kondensator C3 die zweite Eckfrequenz zur Bandbreitenbegrenzung, wobei der Wert für C3 in einfacher Weise experimentell ermittelt werden kann und auf den optimalen Frequenzgang abstimmbar ist.
FUr den Einsatz des oben beschriebenen Reglers wird angenommen, daß die erfindungsgemäße Vorrichtung weiterhin eine dem P ID-Regl er nachgeschaltete stromsteuernde Verstärkerstufe enthält, wobei der die Rückstellkraft KR bewirkende Strom dem Ausgangssignal U2 des Reglers entspricht.
L e e r s e i t e

Claims

Patentansprüche 1.) Vorrichtung zur magnetischen Lagerung eines Körpers enthaltend einen Regler, dessen Frequenzganq PID-Charakter mit Bandbreitenbegrenzung aufweist, insbesondere zur aktiven Stabilisierung translatorischer Freiheitsgrade, wobei der Regler Operationsverstärkermittel aufweist und das Eingangssignal über einen invertierenden Eingang der Operationsverstarkermittel zugeführt wird und wobei der Ausgang der Operationsverstärkermittel über einen Rückführkreis enthaltend mindestens einen Kondensator und einen parallel dazu geschalteten Widerstand, mit dem invertierenden Eingang verbunden ist, dadurch gekennzeichnet - daß die Operationsverstärkermittel aus nur einem Operationsverstärker bestehen, - daß der integrierende Anteil des Reglers aus einem Eingangswiderstand(R1) und dem im Rückführkreis angeordneten ersten Kondensator (C1) gebildet wird, - daß der differenzierende Anteil des Reglers aus zwei in den Rückführkreis und in Reihe geschalteten Rückführwiderständen (R2, R3), einem von einem Verzweigungspunkt zwischen den Rückführwiderständen (R2, R3) nach Masse geschalteten Massewiderstand (R4), einem in Reihe dazu geschalteten dritten Kondensator (C2) und aus dem ersten Kondensator (C1) gebildet wird.

- daß die erste zur Bandbreitenbegrenzung erforderliche Eckfrequenz ( # 3) durch den dritten Kondensator (C2) und den Massewiderstand (R4) bestimmt ist und - daß die zweite zur Bandbreitenbegrenzung erforderliche Eckfrequenz ( # 4) durch den zweiten Kondensator (C3) und die Rückführwiderstände (R2, R3) bestimmt ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingangswiderstand ein frequenzunabhängiger Widerstand ist zur Vermeidung einer Reglerdrift.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch die Verwendung in einem Magnetlager mit 3 translatorischen Freiheisgraden, wobei für jeden Freiheitsgrad ein Regler vorgesehen ist.