DE3202866C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Regelkreis, der einen Sensor zur Erfassung des Abstandes eines beweglichen Teiles von einem festen Teil, eine die Signale des Sensors verarbeitende Steuerschaltung, eine der Steuerschaltung nachgeschaltete Verstärkungsstufe und ein elektromagnetisches Stellglied enthält, welches entsprechend den Signalen des Sensors eine Kraft auf das bewegliche Teil derart ausübt, daß dieses sich auf eine vorgegebene Position einstellt.

Aus der DE OS 28 04 865 ist eine Vorrichtung zum Stabilisieren einer frei beweglichen Masse bekannt. Diese Vorrichtung weist eine kreisrunde Platte auf, die an ihrem äußeren Umfang Polbleche trägt, denen in radialer Richtung gesehen, auf einem feststehenden Teil angeordnete Magnetspulen mit Eisenkernen, gegenüberstehen. Weiterhin sind Radialsensoren vorgesehen, die radiale Auslenkungen, die durch Schwingungen verursacht werden, registrieren und in Abhängigkeit von der radialen Auslenkung Sensorsignale erzeugen, die mittels einer Steuerschaltung einen Strom an die Magnetspulen zum Kompensieren der Schwingungen liefern. Außerdem ist ein Lager zur vertikalen Fixierung der Platte vorgesehen, welches ebenfalls als elektromagnetisches Lager ausgebildet sein kann. Dieses Lager wird durch ein Luftlager unterstützt, wobei das Luftlager die statischen Tragekräfte erzeugt und das elektromagnetische Lager zur Schwingungskompensation dient.

Bekanntlich erzeugen Sensoren oder Fühler eine der Meßgröße, beispielsweise dem Abstand der Platte zu dem feststehenden Teil, proportionale Spannung. Diese Spannung wird wiederum in einen proportionalen Strom umgewandelt, welcher eine Magnetkraft bewirkt. Zwischen Strom und erzeugter Kraft besteht jedoch bei konstantem Luftspalt bzw. Abstand ein nichtlinearer Zusammenhang derart, daß die Kraft quadratisch vom Strom abhängig ist. Bei Auslenkungen oder Abstandsänderungen zwischen Platte und feststehenden Teil besteht außerdem ein weiterer nichtlinearer Zusammenhang zwischen Kraft und Abstand, wobei die Kraft sich umgekehrt quadratisch zum Luftspalt ändert. Diese nichtlinearen Zusammenhänge führen bei der bekannten Regelung dazu, daß sich die Steifheit des Lagers mit dem Luftspalt verändert und, falls die Platte aus einer radialen Endlage in die Sollage, beispielsweise bei Inbetriebnahme der Lagerung, gebracht werden soll, sehr hohe Abzugskräfte, die eine hohe Steifigkeit in der Sollage verursachen, nötig sind.

Bekannterweise führen ferner nichtlineare Komponenten eines Regelkreises zu Schwingungsverhalten.

Es ist weiterhin aus der DE OS 30 13 984 eine Vorrichtung bekannt, die zur Dosierung von Betriebsstoffen ein Drosselventil betätigt. Diese Vorrichtung enthält einen Magneten in der Art eines Topfmagneten mit einer ringförmigen Spule und einem topfförmigen, aus Weicheisen bestehenden Gehäuse.

Dieses Gehäuse weist zwei radial nach innen gerichtete gegenüberliegende Pole auf. Diesen Polen ist ein stabförmiger Anker zugeordnet, der in der Radialebene der Pole liegt, mit Stirnflächen, die kreisbogenförmig verlaufen und mit den entsprechend ausgebildeten Polen des Gehäuses in Überdeckungsstellung einen parallelen Luftspalt bilden. Zur Erzeugung einer Rückstellkraft ist ferner eine Spiralfeder vorgesehen, die sich in dem Gehäuse abstützt und mit dem Anker verbunden ist. Durch die beschriebene Ausbildung der Pole von Anker und Gehäuse läßt sich ein linearer Zusammenhang zwischen Spulenstrom und erzeugter Kraft bzw. durch die lineare Kennlinie der Rückstellfeder ein linearer Zusammenhang zwischen Spulenstrom und Verdrehwinkel des Ankers erzeugen. Dadurch wird eine Rückmeldung des ausgeführten Verdrehwinkels bei einem bestimmten Spulenstrom überflüssig.

Aus der DE OS 24 33 775 ist ebenfalls eine spezielle Ausbildung des Ankers und der Polschuhe eines Elektromagneten bekannt, die eine bestimmte Strom-Verstellweg- Charakteristik erzeugen kann. Dieses wird dadurch erreicht, daß die Flächendeckung der sich gegenüberliegenden Pole von Anker und Elektromagneten und der Luftspalt sich in Abhängigkeit vom Hub des elektromagnetischen Systems entsprechend der gewünschten Charakteristik verändern.

Die genannten Elektromagnete bzw. Stellglieder, bei denen durch konstruktive Auslegung ein bestimmtes Strom-Stellweg- Verhältnis erzeugt wird, weisen den Nachteil auf, daß eine universelle Einsetzbarkeit nicht möglich ist und eine Anpassung an vorgegebene Systeme einen veränderten konstruktiven Aufbau erfordert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Regelkreis für ein elektromagnetisches Stellglied so abzuändern, daß aus dem nichtlinearen Zusammenhang zwischen dem Abstand und der Rückstellkraft des Elektromagneten ein linearer Zusammenhang mit einfachen Mitteln hergestellt wird.

Diese Aufgabe wird durch das im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebene Merkmal gelöst.

Die einzelnen Komponenten des Regelkreises weisen ein bestimmtes Übertragungsverhalten auf. Dieses Übertragungsverhalten wird bei der Regelung dadurch berücksichtigt, daß in bevorzugter Weise der Übertragungsfaktor K_s des Sensors, der die erfaßte Position des beweglichen Teils in eine proportionale Spannung umsetzt, nach der Beziehung

K₁=X₀ · K_s

bei der Bestimmung der Übertragungskonstante K₁ berücksichtigt wird.

Die Übertragungskonstante K₂ beinhaltet als spezifische Konstante des Stellgliedes die Kraft F₀, die bei einem bestimmten Strom i₀ und einer bestimmten Position X₀ des beweglichen Teils erzeugt wird, die gewünschte Lagersteifigkeit C=F/X, den Übertragungsfaktor K_E der Stromendstufe und den Übertragungsfaktor K_s des Sensors und berechnet sich nach der Beziehung

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung enthält das Funktionsnetzwerk Operationsverstärker mit aufgeschaltetem Widerstandsnetzwerk und Schaltdioden, wobei die Schaltdioden derart bemessen und geschaltet sind, daß sie mit wachsender Ausgangsspannung nacheinander durchlässig werden und unterschiedliche Zweige des Widerstandsnetzwerks wirksam machen.

Eine bevorzugte Verwendung der Erfindung ist in einem magnetisch gelagerten Schwungrad vorgesehen das der Stabilisierung von Satelliten dient. Solche Schwungräder werden in der Regel um 5 Achsen mittels Elektromagneten gelagert, wobei ein linearer Zusammenhang zwischen Stellkraft und Verstellung bzw. Position des Rotors notwendig ist, um eine stabile Regelung durchführen zu können.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Es zeigt

Fig. 1 in einem Diagramm den Strom-Kraft-Zusammenhang bei variablem Luftspalt,

Fig. 2 den Regelkreis einer linearisierten Regelung eines elektromagnetischen Stellgliedes,

Fig. 3 in einem Diagramm die Sollfunktion des Netzwerkes,

Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel eines Linearisierungsnetzwerks mit einem Operationsverstärker.

Zur Stabilisierung von Satelliten, insbesondere solchen, die sich auf einer geostationären Umlaufbahn befinden, werden bevorzugt schnell drehende Schwungräder verwendet. Diese Schwungräder, welche durch den Kreiseleffekt eine Stabilisierung um zwei Achsen und durch Drehzahlvariation Reaktionsmomente um die dritte Achse bewirken, sollen hohe Laufzeiten von einigen Jahren erreichen. Eine reibungsfreie Lagerung, wie sie durch eine magnetische Lagerung erreicht wird, weist hierbei erhebliche Vorteile gegenüber konventionellen Lagern auf und arbeitet wartungs- und verschleißfrei über Zeiträume, die wesentlich über der Lebensdauer beispielsweise eines kugelgelagerten Schwungrades liegen.

Bei einem magnetisch gelagerten Schwungrad wird normalerweise der Rotor in 3 translatorischen Freiheitsgraden nämlich der Drallachse Z und den radialen Achsen X und Y, sowie in zwei rotatorischen Freiheitsgraden um die X- und Y-Achse stabilisiert. Die Stabilisierung geschieht mit aktiv geregelten Elektromagnetlagern. Die Führungsgröße der Magnetlagerregelkreise ist die Rotorposition. Die Positionssignale aller Achsen werden über jeweilige Reglerschaltungen den elektromagnetischen Stellgliedern zugeführt, die Rückstellkräfte bzw. -momente auf den Rotor in den jeweiligen Achsen ausüben. Zum Antrieb des Rotors ist üblicherweise ein kollektorloser Gleichstrommotor vorgesehen. Der Aufbau eines solchen Magnetlagers ist nicht Gegenstand der Erfindung und soll hier nicht näher beschrieben werden; die konstruktive Gestaltung eines Magnetlagers ist beispielsweise aus der DE OS 26 44 380 ersichtlich.

Ein elektromagnetisches Stellglied, wie es zur Stabilisierung eines Rotors angewendet wird, besteht aus einem Weicheisenkörper, einer darauf angeordneten Spule und einem Anker, wobei der Weicheisenkörper mit der Spule auf dem Stator und der Anker auf dem Rotor angeordnet ist. Bekanntlich besteht zwischen dem Spulenstrom und der Magnetkraft ein nichtlinearer Zusammenhang, d. h. die Magnetkraft ist quadratisch abhängig vom Spulenstrom.

In Fig. 1 ist der Zusammenhang zwischen Magnetkraft F und Spulenstrom i dargestellt; bei einem bestimmten Luftspalt X₀ besteht ein Kraft-Strom Zusammenhang gemäß Kennlinie 1). Hierbei wird jedoch vorausgesetzt, daß der Luftspalt X₀ zwischen Magnetkörper und Anker konstant sei. Normalerweise ändert sich jedoch der Luftspalt z. B. durch Unwuchten, äußere Einflüsse u. ä. Da die Magnetkraft außerdem umgekehrt quadratisch vom Luftspalt abhängt, ergeben sich weitere Kennlinien oder eine Kennlinienschar, wobei in der Fig. 1 lediglich zwei weitere Kennlinien 2), 3), die sich bei einem Luftspalt der Breite X₀+X₁ bzw. X₀+X₂ ergeben, dargestellt sind.

Der genaue Zusammenhang zwischen Magnetkraft F, Spulenstrom i und Luftspalt x ist durch die Beziehung

dargestellt, wobei der erste Term F₀ · x₀²/i₀ die Stellgliedkonstante K darstellt, die durch die Eisen- und Wicklungsdaten gegeben ist und bei der F₀ diejenige Magnetkraft ist, die der Elektromagnet beim Strom i₀ und dem Luftspalt X₀ ausübt. Wird der Elektromagnet in einem Regelkreis als Stellglied verwendet, so würde dieser Regelkreis aufgrund der nichtlinearen Beziehung keine stabile Regelung ermöglichen. Eine stabile Regelung ist nur dann erreichbar, wenn eine lineare Beziehung C=F/x zwischen der Magnetkraft F und dem Luftspalt x besteht. Diese lineare Beziehung wird durch ein Linearisierungsnetzwerk hergestellt, welches in den Regelkreis geschaltet ist.

Der Regelkreis nach Fig. 2 weist ein solches Linearisierungsnetzwerk 2 auf. Ein Sensor 5 erfaßt die Abweichung ±x von der Sollposition eines Ankers bzw. eines Rotors in einem bestimmten Freiheitsgrad. Diese wird unter Berücksichtigung einer bestimmten Übertragungskonstanten K_s der Sensorschaltung 1 in eine ihr proportionale Spannung U₁ umgeformt. Diese Spannung wird dem Linearisierungsnetzwerk 2 zugeführt, welches eine Spannung U₂ erzeugt, die eine Funktion der Eingangsspannung U₁ darstellt. Die Spannung U₂ steuert eine Stromendstufe 3, die mit der Übertragungskonstanten K_E einen ihr proportionalen Spulenstrom i erzeugt. Der Spulenstrom i bewirkt eine Magnetkraft F, mittels der der Anker in die Sollposition geführt wird. Abweichungen von der Sollposition werden durch Störgrößen F_s wie beispielsweise Unwuchten, äußere Schwingungs- oder Stoßeinwirkungen oder den Schwerkrafteinfluß verursacht.

Die Stromfunktion, die durch das Linearisierungsnetzwerk zu bilden ist und die den quadratischen Zusammenhang zwischen Spulenstrom i und Magnetkraft F und den größer werdenden Strom bei Vergrößerung des Luftspaltes berücksichtigt, lautet:

wobei K die Stellgliedkonstante darstellt. Unter Einbeziehung der Übertragungskonstanten K_s des Sensors, die nach der Beziehung

gebildet ist, und der Übertragungskonstanten K_E der Endstufe

ergibt sich eine Übertragungsfunktion des Netzwerkes 2

Der Verlauf der Spannung U₂=f (U₁) ist in einem Diagramm, Fig. 3, Kurve A, dargestellt.

Wird die Stellgliedkonstante K in Formel (5) ersetzt durch den ersten Term von Gleichung (1), dann ergibt sich eine Übertragungsfunktion mit der Beziehung

in welcher der erste Klammerausdruck den Korrekturterm für die Luftspaltänderung des Stellgliedes, der zweite Klammerausdruck den Verstärkungsfaktor und die Stellgliedkonstante und der dritte Klammerausdruck den Term zur Linearisierung der Magnetkraft F in Abhängigkeit vom Spulenstrom i - darstellt.

Eine schaltungstechnische Ausführung des Linearisierungsnetzwerkes zeigt Fig. 4; diese besteht aus einem Operationsverstärker 6, dessen invertierendem Eingang über einen Eingangswiderstand R₁ die Eingangsspannung U₁ zugeführt wird. Weiterhin sind Rückführwiderstände R₂, R₃, R₄ zugeordnet, wobei die Widerstände R₃, R₄ über Dioden D₁, D₂ zugeschaltet werden. Weitere Widerstände R₅ und R₆ bilden mit den Widerständen R₃, R₄ Spannungsteiler für die Versorgungsspannungen +Uv, -Uv. Das Widerstandsnetzwerk ist zur Verstärkung positiver und negativer Eingangsspannungen vorgesehen und symmetrisch ausgeführt.

Bei kleinen Eingangsspannungen sperren alle Dioden, und die Verstärkung V₁ wird durch die Widerstände R₁ und R₂ bestimmt. Die Dioden D₁, D₂ werden durch die Spannungsteiler R₅, R₃ bzw. R₆, R₄ so vorgespannt, daß sie nacheinander leitend werden, wenn die Ausgangsspannung U₂ des Operationsverstärkers 6 die in der Fig. 3 eingezeichneten Werte U₂₁ bzw. U₂₂ annimmt. R₃ bzw. R₃ und R₄ liegen dann parallel zu R₂ und erniedrigen die Verstärkung. Da die Durchgangsspannung einer Diode in Wirklichkeit eine Übergangskennlinie besitzt, werden die Knickpunkte U₂₁/U₁₁, U₂₂/U₁₂ verschliffen, wodurch eine genauere Anpassung der Istkurve B an die Sollkurve A erreicht wird. Die verwendete Schaltung hat gegenüber anderen Logarithmier-Schaltungen den Vorteil, daß man ihre Ströme so hoch wählen kann, daß der Einfluß des Diodensperrstromes klein bleibt. Selbstverständlich zeigt der nicht dargestellte negative Zweig der Istkurve B im Diagramm 3 den gleichen Verlauf bzw. die gleichen Knickpunkte, wodurch eine Regelung des Stellgliedes in beide von der Sollposition abweichende Richtungen erreicht wird. Die Verstärkungen der einzelnen Teilstücke der Istkurve V₁, V₂, V₃ errechnen sich nach den Beziehungen

Es ist ersichtlich, daß sich durch die beliebig vorwählbare Verstärkung in den einzelnen Teilstücken beliebige Kräfte erzeugen lassen und beispielsweise durch die Verstärkungen V₁, V₂ und V₃ die Abzugskraft des Ankers oder des Rotors aus seiner Endlage sich vorherbestimmten läßt, ohne daß die Steifigkeit des Systems dadurch festgelegt wird. Weiterhin kann zu jedem beliebigen Luftspalt, also auch bei einer Nullpunktverschiebung bzw. einer Änderung der Sollposition, eine optimale Linearisierung der Kennlinie erreicht werden.

Claims (4)

1. Regelkreis, der einen Sensor zur Erfassung des Abstandes eines beweglichen Teiles von einem festen Teil, eine die Signale des Sensors verarbeitende Steuerschaltung, eine der Steuerschaltung nachgeschaltete Verstärkerstufe und ein elektromagnetisches Stellglied enthält, welches entsprechend den Signalen des Sensors eine Kraft auf das bewegliche Teil derart ausübt, daß diese sich auf eine vorgegebene Position einstellt, dadurch gekennzeichnet, daß zur Linearisierung der Abhängigkeit der Rückstellkraft vom Abstand die Steuerschaltung ein Funktionsnetzwerk (2) enthält, dessen Ausgangssignal U₂ nach der Beziehung aus dem vom Sensor (5) erzeugten Signal U₁ gebildet ist, wobei K₁ und K₂ Übertragungskonstanten darstellen.

2. Regelkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragungskonstante K₁ nach der Beziehung K₁=X₀ · K_sund die Übertragungskonstante K₂ nach der Beziehung gebildet ist, wobei X₀ eine bestimmte Position des beweglichen Teils bei einer konstanten, von dem elektromagnetischen Stellglied (4) erzeugten Kraft F₀, die durch einen konstanten Steuerstrom i₀ hervorgerufen wird, C=F/x die gewünschte Beziehung zwischen Kraft F und Abstand X, K_s eine sensorspezifische Konstante der Schaltung (1) und K_E eine verstärkerspezifische Konstante der nachgeschalteten Verstärkerstufe (3) darstellt.

3. Regelkreis nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Funktionsnetzwerk (2) einen Operationsverstärker (6) mit aufgeschaltetem Widerstandsnetzwerk (R₁ bis R₆) und Schaltdioden (D₁, D₂) aufweist, wobei die Schaltdioden (D₁, D₂) so bemessen und geschaltet sind, daß sie mit wachsender Ausgangsspannung (U₂) nacheinander durchlässig werden und unterschiedliche Widerstandsnetzwerkzweige wirksam machen.

4. Verwendung eines Regelkreises nach einem der vorherigen Ansprüche, zur Regelung translatorischer und/oder rotatorischer Freiheitsgrade der Schwungmasse in einem magnetisch gelagerten Schwungrad, welches zur Stabilisierung von Satelliten verwendet ist.