DE3923997C2

DE3923997C2 - Circuit arrangement for a control device of a magnetic bearing

Info

Publication number: DE3923997C2
Application number: DE3923997A
Authority: DE
Inventors: Shinji Wakui
Original assignee: Seiko Instruments Inc
Current assignee: Edwards Japan Ltd
Priority date: 1988-07-21
Filing date: 1989-07-20
Publication date: 1997-05-22
Anticipated expiration: 2009-07-21
Also published as: FR2634527B1; JPH0232733A; FR2634527A1; KR900002143A; JPH0787681B2; KR0166055B1; DE3923997A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung für eine Steuereinrichtung zur Steuerung der Verschiebung eines magnetisch gelagerten beweglichen Glieds entsprechend einem Stellsignal.The invention relates to a circuit arrangement for a control device to control the displacement of a magnetically mounted movable member according to a control signal.

Ein Magnetlager zur Ausübung magnetischer Anziehungskräfte mittels eines Elektromagnets wird im Hinblick auf die Regelungstheorie als instabiles System betrachtet, weil es einen Pol auf der reellen Achse der rechten Hälfte des komplexen Koordinatensystems aufweist. Diese Instabilität hängt von einem physikalischen Phänomen ab, das in dem Magnetlager auftritt und im folgenden erläutert werden soll. Wenn für das Magnetlager kein Regelkreis vorgesehen würde, würden die Elektromagnete das sich bewegende Glied aufgrund zu hoher magnetischer Anziehungskräfte fixieren, oder würden das sich bewegende Glied aufgrund einer zu schwachen Anziehungskraft nicht ausreichend festhalten.A magnetic bearing to exert magnetic attraction by means of an electromagnet with regard to the Control theory viewed as an unstable system because of it a pole on the real axis of the right half of the complex coordinate system. This instability depends on a physical phenomenon that occurs in the Magnetic bearing occurs and will be explained in the following. If no control loop were provided for the magnetic bearing, the electromagnets would be due to the moving link fix too high magnetic attraction forces, or would the moving link due to weak attraction do not hold on sufficiently.

Deshalb wird zum Stabilisieren des Magnetlagers ein Kompensator benötigt. Ein derartiger Kompensator kann dazu dienen, das gesamte System der Magnetlagerstruktur zu stabilisieren und eine zufriedenstellende Robustheit zu erzielen. Es ist jedoch komplizierte Justierarbeit erforderlich, um sowohl die Bedingungen hinsichtlich Stabilität der magnetischen Lagerung und der Robustheit zu erfüllen, um also eine Arbeitsweise zu erzielen, mit der Störungen mit ausreichender Freiheit unterdrückt werden können. Unter diesen Voraussetzungen wäre es jedoch äußerst schwierig, eine zusätzliche Signalsteuerung durchzuführen, um das sich bewegende Glied in Abhängigkeit von einem zugeführten Stellsignal zu verschieben oder zu positionieren.Therefore, a compensator is used to stabilize the magnetic bearing needed. Such a compensator can serve to stabilize the entire system of magnetic bearing structure and to achieve a satisfactory robustness. It is however, complicated adjustment work is required to both the conditions regarding the stability of the magnetic Storage and robustness to meet, so a way of working to achieve with the disturbances with sufficient freedom can be suppressed. Under these conditions however, it would be extremely difficult to add one Signal control to perform the moving Moving the link depending on a control signal supplied or to position.

Die erwähnten Verhältnisse können theoretisch wie folgt erläutert werden. Aus "Transactions of the Japan Society of Mechanic Engineers", Nov. 1967, Volume 33, No. 255, Seiten 1753-1759 ist bekannt, daß bei Einwirkung der Schwerkraft m auf ein magnetisch gelagertes Glied und bei Ausübung einer elektromagnetischen Anziehungskraft F auf das Glied in der entgegengesetzten Richtung die Bewegungsgleichung für das gelagerte Glied in Richtung von Z wie folgt lautet:The relationships mentioned can theoretically be explained as follows will. From "Transactions of the Japan Society of Mechanic Engineers", Nov. 1967, Volume 33, No. 255, pages 1753-1759 it is known that when acting gravity m on a magnetically mounted Limb and when exercising an electromagnetic attraction F on the limb in the opposite direction Equation of motion for the supported link in the direction of Z reads as follows:

Da mg = F(Z₀, I₀) bei einem Gleichgewichtszustand ist, kann die Beziehung (1) mit Hilfe von kleinen Verschiebungen z und i wie folgt ergänzt werden:Since mg = F (Z₀, I₀) is in a state of equilibrium, the relationship (1) using small shifts z and i can be added as follows:

wobei β = 2 g/Z₀, Km = Z₀/2 · (I₀ + I_A),
F = K_F · (I + I_A)/Z² und I_A: Remanenzkompensationwhere β = 2 g / Z₀, Km = Z₀ / 2 · (I₀ + I _A ),
F = K _F · (I + I _A ) / Z² and I _A : remanence compensation

Wenn der variable Zustand dargestellt wird durch x = [Z, ]^T, lautet die Zustandsgleichung wie folgt:If the variable state is represented by x = [Z,] ^T , the state equation is as follows:

Deshalb lautet die Übertragungsfunktion P(s) des Objekts wie folgtTherefore the transfer function is P (s) of the object as follows

Aus der Übertragungsfunktion (4) ist ersichtlich, daß das Magnetlager ein instabiles System mit einem Pol bei s = auf der reellen Achse der rechten Hälfte der komplexen Koordinatenebene ist.From the transfer function (4) it can be seen that the Magnetic bearing an unstable system with one pole s = on the real axis of the right half of the complex Coordinate plane is.

Fig. 2 zeigt einen bekannten Closed Loop-Regelkreis für das Magnetlager. Eine Verschiebung des gelagerten Glieds wird durch einen Detektor erfaßt. Ein davon abgeleitetes Signal wird einem Integralkompensator zur Verbesserung der Arbeitsweise zugeführt. Ein Phasenvorschub-Kompensator verarbeitet das Signal, um den Pol s = des instabilen Objekts auf der stabilen Seite zu halten. Ein elektrischer Leistungsverstärker wird angetrieben, um einen Elektromagnet zur Steuerung des Objekts 15 zu aktivieren, so daß das abgestützte Objekt innerhalb eines Spaltabstands gehaltert wird. Fig. 2 shows a known closed-loop control circuit for the magnetic bearing. A shift in the supported member is detected by a detector. A signal derived therefrom is fed to an integral compensator to improve the functioning. A phase feed compensator processes the signal to keep the pole s = of the unstable object on the stable side. An electrical power amplifier is driven to activate an electromagnet to control the object 15 so that the supported object is held within a gap distance.

Die Empfindlichkeit S(s) und die komplementäre Empfindlichkeit T(s) werden eingeführt, um die Arbeitsweise des Regelsystems wie folgt zu beschreiben:The sensitivity S (s) and the complementary sensitivity T (s) are introduced to the operation of the control system to be described as follows:

S(s) = (1 + P(S) C(s))^-1 S (s) = (1 + P (S) C (s)) ^-1

T(s) = 1 - S(s) (5)T (s) = 1 - S (s) (5)

C(s): Übertragungsfunktion des gesamten KompensatorsC (s): transfer function of the entire compensator

Die Gleichung (5) gibt die Stabilität und die Robustheit an. Fig. 3 zeigt ein Beispiel der Arbeitscharakteristik. Um einen Ausgleich zwischen der Stabilität und der Robustheit zu erhalten, ist es wünschenswert, eine Überschneidungsfrequenz ohne Änderung der Form von S(j ω) und T(j ω) einzustellen. Wie sich jedoch aus einer Auswertung der Gleichung (5) ergibt, ist kein Parameter des Kompensators vorhanden, der zur Einstellung nur der Überschneidungsfrequenz dient. Die Einstellung eines Kompensator-Parameters würde eine Änderung der Form von S(j ω) und T(j ω) sowie der Überschneidungsfrequenz dazwischen verursachen. Anders ausgedrückt besagt dies, daß für einen Abgleich zwischen der Stabilität und der Robustheit mehrere Parameter des Kompensators gleichzeitig eingestellt werden müssen. Bei einer derartigen Situation ist es sehr schwierig, ein gewisses Niveau des Stabilisierungsvermögens gegenüber Eingaben von Stellsginalen zur Verschiebung des gelagerten Glieds entsprechend der Signaleingabe zu erzielen. Equation (5) indicates stability and robustness. Fig. 3 shows an example of the working characteristic. In order to balance stability and robustness, it is desirable to set a crossover frequency without changing the shape of S (j ω) and T (j ω). However, as can be seen from an evaluation of equation (5), there is no parameter of the compensator that is used to set only the crossover frequency. Setting a compensator parameter would cause the shape of S (j ω) and T (j ω) to change, as well as the crossover frequency between them. In other words, this means that several parameters of the compensator must be set simultaneously for a balance between the stability and the robustness. In such a situation, it is very difficult to achieve a certain level of stabilization capacity in relation to input signals from actuating signals for displacing the supported member in accordance with the signal input.

Beim bekannten Stand der Technik ist ein beträchtlicher Zeitaufwand erforderlich, um zwischen Stabilität und Robustheit in dem gesamten System aufgrund der komplizierten Arbeitsweise abzugleichen. Obwohl bei bekannten Systemen stabile magnetische Lagerbedingungen in gewisser Hinsicht erzielt werden können, verbleibt der Nachteil, daß das Stabilisationsvermögen bei Stellsignal-Eingaben nicht gleichzeitig auf einem gewissen Niveau gehalten werden kann.The known prior art requires a considerable amount of time required to distinguish between stability and robustness in the entire system due to the complicated way it works adjust. Although stable magnetic in known systems Storage conditions can be achieved in some ways The disadvantage remains that the stabilization capacity Control signal inputs are not simultaneously at a certain level can be held.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, eine Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art unter möglichst weitgehender Vermeidung der genannten Schwierigkeiten derart zu verbessern, daß zu einem stabilen und zuverlässigen Regelkreis eine derartige Kompensatorschaltung hinzugefügt werden kann, die erneut das Stabilisationsvermögen bei einem Stellsignal liefert, um dadurch die Verschiebung des magnetisch gelagerten Glieds entsprechend dem Stellsignal zu steuern.It is therefore an object of the invention to provide a circuit arrangement of the type mentioned above with the greatest possible avoidance to improve the difficulties mentioned, that such a stable and reliable control loop Compensator circuit can be added that again provides the stabilization capacity for a control signal, thereby shifting the magnetically mounted member to control according to the control signal.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.This object is achieved by the subject of Claim 1 solved. Appropriate configurations and advantageous developments of the invention are the subject of Subclaims.

Bei einer derartigen Schaltungsanordnung wird ein Vorwärts-Kompensator hinzugefügt, um das gewünschte Stabilisationsvermögen bei einem Stellsignal zu bewirken. Deshalb können einerseits stabile und robuste Bedingungen für das Magnetlager unter Verwendung der bekannten Rückkopplungsschaltung erfolgen, während andererseits die Verschiebung eines gelagerten Glieds in effizienter Weise entsprechend einer Stellsignal-Eingabe gesteuert werden kann. Die hinzugefügte Vorwärts-Kompensatorschaltung dient zur Signalzufuhr, um die Frequenzcharakteristik des bekannten Regelkreises in eine gewünschte Frequenzcharakteristik umzuwandeln, um den bei dem bekannten Regelkreis auftretenden Roll-Off-Effekt bei relativ niedrigen Frequenzen zu vermeiden.With such a circuit arrangement, a forward compensator added to the desired stabilization ability to cause an actuating signal. Therefore can on the one hand, stable and robust conditions for the magnetic bearing using the known feedback circuit, while on the other hand the displacement of a supported link controlled in an efficient manner according to a control signal input can be. The added forward compensator circuit is used for signal supply to the frequency characteristic of the known control loop in a desired frequency characteristic convert to that in the known control loop occurring roll-off effect at relatively low frequencies to avoid.

Anhand der Zeichnung soll die Erfindung beispielsweise näher erläutert werden. Es zeigt With the aid of the drawing, the invention is intended to be more specific, for example are explained. It shows

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung für ein Magnetlager, Fig. 1 is a block diagram of a circuit arrangement according to the invention for a magnetic bearing,

Fig. 2 ein Blockschaltbild eines bekannten Regelkreises für ein Magnetlager, Fig. 2 is a block diagram of a known control circuit for a magnetic bearing,

Fig. 3 eine graphische Darstellung der S-T-Charakteristik, Fig. 3 is a graphical representation of the ST-characteristic,

Fig. 4 eine graphische Darstellung der Frequenz-Antwort bei einem Stellsignal, wenn der Wert β einen Fehler aufweist, Fig. 4 is a graph has an error of the frequency response at a control signal when the value of β,

Fig. 5 eine graphische Darstellung der Antwort-Wellenform bei einem Schrittsignal, wenn der Wert β einen Fehler aufweist,5 is a graph having Fig. The response waveform at a step signal when the value of β a fault,

Fig. 6A eine graphische Darstellung der Frequenz-Antwort bei einem Stellsignal beim bekannten Stand der Technik, Fig. 6A is a graph of frequency response, at a control signal in the known state of the art

Fig. 6B eine graphische Darstellung des gemessenen Ergebnisses der Frequenzanordnung bei einem Stellsignal gemäß der Erfindung, Fig. 6B is a graph showing the measured result of the frequency arrangement at a control signal according to the invention,

Fig. 7A eine graphische Darstellung von Meßergebnissen der Antwort bei einer Schritt-Signaleingabe beim bekannten Stand der Technik, FIG. 7A is a graph of measurement results of the response at a step signal input in the known prior art,

Fig. 7B eine graphische Darstellung der Meßergebnisse der Antwort bei einer Schritt-Signaleingabe gemäß der Erfindung, FIG. 7B is a graph showing the measurement results of the response at a step signal input in accordance with the invention,

Fig. 8 eine schematische Darstellung eines Positionierungstischs als Ausführungsbeispiel für die Anwendung einer Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung, Fig. 8 is a schematic representation of a positioning table as an embodiment for the application of a circuit arrangement according to the invention,

Fig. 9 eine Schnittansicht bei Anwendung der Erfindung für die Spindel einer Schleifmaschine, Fig. 9 is a sectional view of the application of the invention for the spindle of a grinding machine,

Fig. 10 eine graphische Darstellung der Frequenz-Antwort auf ein Stellsignal bei einer bekannten Regeleinrichtung im Vergleich zu einer Regeleinrichtung gemäß der Erfindung, Fig. 10 is a graphical representation of the frequency response to a control signal at a known control device in comparison to a control device according to the invention,

Fig. 11A eine graphische Darstellung der Zeit-Antwort bei f = f₁ in Fig. 10 bei der bekannten Regeleinrichtung, FIG. 11A is a graphical representation of time response at f = f₁ in Fig. 10, in the known regulating device,

Fig. 11B eine graphische Darstellung der Zeit-Antwort bei f = f₂ in Fig. 10 bei der bekannten Regeleinrichtung, FIG. 11B is a graphical representation of time response at f = f₂ in FIG. 10, in the known regulating device,

Fig. 11C eine graphische Darstellung der Zeit-Antwort bei f = f₁ in Fig. 10 bei einer Regeleinrichtung gemäß der Erfindung, Fig. 11C is a graphical representation of time response at f = f₁ in Fig. 10, wherein a control device according to the invention

Fig. 11D eine graphische Darstellung der Zeit-Antwort bei f = f₂ in Fig. 10 bei der Regeleinrichtung gemäß der Erfindung; und Fig. 11D is a graphical representation of the time response at f = f₂ in Fig. 10 in the control device according to the invention; and

Fig. 12 ein Schaltbild eines Ausführungsbeispiels der Vorwärts-Kompensatorschaltung für eine Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung. Fig. 12 is a circuit diagram of an embodiment of the forward compensator circuit for a circuit arrangement according to the invention.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ein Regelkreis vorgesehen, der einen Verschiebungs-Sensor 6, einen Verschiebungs-Detektor 1, einen Integralkompensator 2, einen Phasenvorschub-Kompensator 3 und einen elektrischen Leistungsverstärker 4 aufweist, um die Magnetlagerstruktur mit Hilfe eines Regelkreises (Servosystem) anzusteuern. Zu dieser Closed-Loop-Schaltung ist ein Vorwärts-Kompensator 13 zugefügt, der ein Tiefpaßfilter 8, ein Hochpaßfilter 9, einen Verstärkungsregler 10, einen Differenzverstärker 11 und ein kompensierendes Filter 12 enthält. Die Übertragungsfunktionen der einzelnen Elemente sind derart eingestellt, daß sich eine gewünschte Frequenzcharakteristik von einem Signaleingabe-Anschluß 14 zu einem verschiebbar gelagerten Glied 15 ergibt. Ferner wird durch den Vorwärts-Kompensator 13 der stabile Lagerzustand des magnetisch gelagerten Glieds 15 nicht beeinträchtigt.In the exemplary embodiment of the invention shown in FIG. 1, a control circuit is provided which has a displacement sensor 6 , a displacement detector 1 , an integral compensator 2 , a phase feed compensator 3 and an electrical power amplifier 4 in order to use a magnetic bearing structure Control circuit (servo system). A forward compensator 13 is added to this closed-loop circuit, which contains a low-pass filter 8 , a high-pass filter 9 , a gain controller 10 , a differential amplifier 11 and a compensating filter 12 . The transfer functions of the individual elements are set in such a way that a desired frequency characteristic results from a signal input connection 14 to a displaceably mounted member 15 . Furthermore, the stable bearing state of the magnetically mounted member 15 is not impaired by the forward compensator 13 .

Im folgenden sollen Übertragungsfunktionen für die betreffenden Übertragungselemente angegeben werden, welche den Vorwärts-Kompensator 13 bilden. Das Tiefpaßfilter 8 erhält die Übertragungsfunktion G_LPF(s), welche die von einem Konstrukteur gewünschte optimale Frequenzcharakteristik hat und gegeben ist durchTransfer functions for the relevant transfer elements which form the forward compensator 13 are to be specified below. The low-pass filter 8 receives the transfer function G _LPF (s), which has the optimal frequency characteristic desired by a designer and is given by

wobei ω₁ ein Band und a₁ einen Dämpfungsfaktor bestimmt.where ω₁ a band and a₁ determines a damping factor.

Die Übertragungsfunktion G_HPF(s) wird für die Reihenschaltung des Hochpaßfilters 9 und des Verstärkungsreglers 10 in folgender Weise bestimmt:The transfer function G _HPF (s) is determined for the series connection of the high-pass filter 9 and the gain controller 10 in the following way:

G_HPF(s) hat als Nenner ein quadratisches Polynom mit Koeffizienten, die identisch zu denjenigen des quadratischen Polynoms in dem Nenner von G_LPF(s) in Gleichung (6) sind. Entsprechend den Gleichungen (6) und (7) wird die Übertragungsfunktion G_DIF(s) für den Kompensator 13 von dem Signaleingabe-Anschluß 14 zu dem Ausgangsanschluß des Differenzverstärkers 11 wie folgt bestimmt:G _HPF (s) has a quadratic polynomial with coefficients that are identical to those of the quadratic polynomial in the denominator of G _LPF (s) in equation (6). According to equations (6) and (7), the transfer function G _DIF (s) for the compensator 13 from the signal input terminal 14 to the output terminal of the differential amplifier 11 is determined as follows:

wobei 1/K_1nK_mn die Verstärkung des Differenzverstärkers 11 beinhaltet.where 1 / K _1n K _mn includes the gain of the differential amplifier 11 .

Das Filter 12 dient zur Kompensation von Verzerrungen der Frequenzantwort von dem Wert des Stellsignals, welche durch Fehler bei der Formgebung für das gesteuerte Objekt verursacht wurden. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird die Übertragungsfunktion des Filters 12 auf 1 eingestellt.The filter 12 is used to compensate for distortions in the frequency response from the value of the actuating signal, which were caused by errors in the shaping of the controlled object. In this embodiment, the transfer function of the filter 12 is set to 1.

Wenn die Übertragungsfunktionen in der beschriebenen Weise für die betreffenden Übertragungselemente des Kompensators 13 eingestellt sind und die folgenden Beziehungen:If the transfer functions are set in the manner described for the relevant transfer elements of the compensator 13 and the following relationships:

β_n = β, K_1n = K₁, K_mn = K_m (9)β _n = β, K _1n = K₁, K _mn = K _m (9)

erfüllt sind, wird die Übertragungsfunktion G_zh(s) von der Stellsignal-Eingabe r an dem Anschluß 14 für die Verschiebung des gelagerten Glieds 15 in folgender Weise eingestellt:are fulfilled, the transfer function G _zh (s) is set by the control signal input r at the connection 14 for the displacement of the mounted member 15 in the following manner:

Deshalb kann die Übertragungsfunktion G_zr(S) identisch zu der Übertragungsfunktion G_LPF(S) eingestellt werden, welche als die optimale Charakteristik entsprechend der gewünschten Spezifikation des Konstrukteurs gegeben ist. Im allgemeinen wäre es sehr schwierig, provisorisch ein derartiges Modell aufzustellen, welches die Bedingungen zum Zeitpunkt des Entwurfs der Schaltung erfüllt.Therefore, the transfer function G _zr (S) can be set identically to the transfer function G _LPF (S), which is given as the optimal characteristic according to the desired specification of the designer. In general, it would be very difficult to provisionally set up such a model that meets the conditions at the time the circuit is designed.

Wenn β_n ≠ β, K_IN ≠ K_I und K_mn ≠K_m, ist die Übertragungsfunktion G_zr(S) gegeben durch:If β _n ≠ β, K _IN ≠ K _I and K _mn ≠ K _m , the transfer function G _zr (S) is given by:

wobei K_LOOP = K_sK_pK_IK_m. Durch die Einstellung von β_n auf β, K_IN auf K_I und K_mn auf K_m, kann die durch die allgemeine Gleichung (11) dargestellte Übertragungsfunktion G_zr(S) zu derjenigen modifiziert werden, die durch die spezielle Gleichung (10) wiedergegeben wird.where K _LOOP = K _s K _p K _I K _m . By setting β _n to β, K _IN to K _I and K _mn to K _m , the transfer function G _zr (S) represented by the general equation (11) can be modified to that by the special equation (10) is played.

Der Parameter 1/K_INK_mn bezieht sich auf die Verstärkung des Differenzverstärkers 11 und kann deshalb ohne Schwierigkeit abgestimmt werden. Ferner kann der Parameter 1/β_n ebenfalls ohne Schwierigkeit mittels Regulierung des Verstärkungsreglers 10 abgestimmt werden, der danach mit dem Hochpaßfilter 9 verbunden wird. Derartige Einstell- oder Abstimmvorgänge sind schematisch in den Fig. 4 und 5 dargestellt. Falls K_IN = K_I, K_mn = K_m und β_n = β, ergibt sich die Frequenzantwort in Fig. 4, und die Antwort für ein Schrittsignal ist in Fig. 5 dargestellt. In den Figuren zeigt β ± 20 eine Größe der Abweichung von ± 20% von dem Wert β₀ an. Deshalb wird während der Überwachung der Charakteristikkurven in Fig. 4 und 5 die Verstärkung des Verstärkungsreglers 10 abgestimmt, damit die Frequenzcharakteristik zu derjenigen konvergiert, welche durch die Gleichung (6) bestimmt wird.The parameter 1 / K _IN K _mn relates to the gain of the differential amplifier 11 and can therefore be adjusted without difficulty. Furthermore, the parameter 1 / β _{n can} also be adjusted without difficulty by regulating the gain controller 10 , which is then connected to the high-pass filter 9 . Such setting or tuning processes are shown schematically in FIGS. 4 and 5. If K _IN = K _I , K _mn = K _m and β _n = β, the frequency response results in FIG. 4 and the response for a step signal is shown in FIG. 5. In the figures, β ± 20 indicates a magnitude of the deviation of ± 20% from the value β₀. Therefore, while monitoring the characteristic curves in FIGS. 4 and 5, the gain of the gain controller 10 is adjusted so that the frequency characteristic converges to that determined by the equation (6).

Die in der Kompensatorschaltung 13 enthaltenen betreffenden Elemente haben die Übertragungsfunktionen, welche durch die Gleichungen (6), (7) bzw. (8) gegeben sind. Zur Erzielung dieser Übertragungsfunktionen in unterschiedlicher Weise können unterschiedliche Schaltungen vorgesehen werden. Fig. 12 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Kompensatorschaltung für eine Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird das Tiefpaßfilter 8 in Fig. 1 durch eine Schaltung 33 gebildet, das Hochpaßfilter 9 durch eine Schaltung 34, der Verstärkungsregler 10 durch eine Schaltung 35 und der Differenzverstärker 11 durch eine Schaltung 36. Hinsichtlich des kompensierenden Filters 12 ist jedoch zu bemerken, daß dessen Schaltungsstruktur nicht in einzigartiger Weise bestimmt werden kann und deshalb als Block dargestellt ist, weil das Filter 12 zur Feineinstellung der Verzerrung des Frequenzgangs dient, welche durch die Abweichung von dem idealen Modell des Objekts entsprechend Gleichung (4) verursacht wurde. Durch eine derartige Schaltungskonstruktion kann der Kompensator 13 für eine Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung realisiert werden.The relevant elements contained in the compensator circuit 13 have the transfer functions which are given by equations (6), (7) and (8). Different circuits can be provided to achieve these transfer functions in different ways. Fig. 12 shows an embodiment of the invention shows a compensator circuit for a circuit arrangement according to. In this exemplary embodiment, the low-pass filter 8 in FIG. 1 is formed by a circuit 33 , the high-pass filter 9 by a circuit 34 , the gain controller 10 by a circuit 35 and the differential amplifier 11 by a circuit 36 . Regarding the compensating filter 12 , however, it should be noted that its circuit structure cannot be uniquely determined and is therefore shown as a block because the filter 12 serves to fine-tune the distortion of the frequency response, which is due to the deviation from the ideal model of the object Equation (4) was caused. With such a circuit construction, the compensator 13 can be realized for a circuit arrangement according to the invention.

Im folgenden soll die Arbeitsweise in Verbindung mit graphischen Darstellungen näher erläutert werden. Das folgende Ausführungsbeispiel betrifft ein Magnetlager für ein bewegliches Glied mit einem Gewicht von 7,8 kg, wobei auf jeder Seite eine Spaltbreite von 300 Mikrometer vorgesehen ist. Fig. 6A zeigt den Frequenzgang im Falle der bekannten Regeleinrichtung und Fig. 6B den Frequenzgang bei einer Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung. Wie aus Fig. 6B ersichtlich ist, ergibt sich in diesem Fall eine flache Charakteristik mit einem breiteren Frequenzband und ein verbessertes Ansprechvermögen auf das Eingangs-Stellsignal. Fig. 6A und 6B zeigen eine Verzerrung des Frequenzgangs bei etwa 80 Hz, welche durch mechanische Resonanz verursacht wird. Obwohl die Verzerrung aufgrund der mechanischen Resonanz bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel nicht vermieden wird, kann eine vorteilhafte Kompensationsfunktion vorgesehen werden, um diese Verzerrung mit Hilfe des Filters 12 zu unterdrücken.In the following, the mode of operation in connection with graphic representations will be explained in more detail. The following exemplary embodiment relates to a magnetic bearing for a movable member with a weight of 7.8 kg, a gap width of 300 micrometers being provided on each side. FIG. 6A shows the frequency response in the case of the known control device and FIG. 6B shows the frequency response in a circuit arrangement according to the invention. In this case, as can be seen from Fig. 6B, there is a flat characteristic with a wider frequency band and an improved response to the input control signal. FIGS. 6A and 6B show a distortion of the frequency response at about 80 Hz, which is caused by mechanical resonance. Although the distortion due to the mechanical resonance is not avoided in the exemplary embodiment described, an advantageous compensation function can be provided in order to suppress this distortion with the aid of the filter 12 .

Die Fig. 7A und 7B zeigen Versuchsergebnisse bei der Zufuhr von schrittförmigen Eingangs-Stellsignalen. Fig. 7A betrifft die bekannte Einrichtung und läßt das Auftreten von Überschwingen und einer verhältnismäßig großen Zeitdauer für die Stabilisation erkennen. Die dem Anmeldungsgegenstand entsprechende Fig. 7B zeigt dagegen, daß kein Überschwingen auftritt und daß verhältnismäßig schnell ein stationärer Zustand erreicht wird. FIGS. 7A and 7B show test results in the supply of step-shaped input control signals. FIG. 7A relates to the known means and allows the occurrence of overshoot and a relatively large amount of time for the stabilization recognize. The application of the subject corresponding to Fig. 7B shows, however, that no overshoot occurs, and that relatively quickly, a steady state is achieved.

Die besonderen Vorteile der Erfindung sollen in Verbindung mit speziellen industriellen Anwendungszwecken näher erläutert werden. Fig. 8 zeigt ein erstes Anwendungsbeispiel auf einem Positionierungstisch 17, der durch zwei Elektromagnete 16a und 16b magnetisch gelagert und positioniert wird, und auf dem ein Chip 18 angeordnet ist. Für derartige Positionierungstische 17 wird normalerweise ein großer Spaltabstand vorgesehen, um benötigte Verschiebungen zu ermöglichen. Deshalb ist es nicht ohne weiteres möglich, einen sehr starren Zustand vorzusehen, weshalb normalerweise ein weniger starrer Zustand realisiert wird. Im letzteren Falle erfolgt bei einem Eingangs- Stellsignal eine verhältnismäßig langsame Verschiebung des Tischs. Bei Verwendung einer Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung kann dagegen erreicht werden, daß der Tisch 17 ohne Überschwingen und mit hoher Geschwindigkeit in eine gewünschte Lage bewegt werden kann.The special advantages of the invention will be explained in connection with special industrial applications. Fig. 8 shows a first application example on a positioning table 17 , which is magnetically supported and positioned by two electromagnets 16 a and 16 b, and on which a chip 18 is arranged. A large gap distance is normally provided for such positioning tables 17 in order to enable the necessary displacements. Therefore, it is not readily possible to provide a very rigid state, which is why a less rigid state is usually realized. In the latter case, the table is moved relatively slowly with an input control signal. When using a circuit arrangement according to the invention, on the other hand, it can be achieved that the table 17 can be moved into a desired position without overshoot and at high speed.

Fig. 9 zeigt ein zweites Anwendungsbeispiel der Erfindung auf eine Schleifmaschine mit einem Motor 23, mit radialen und axialen Verschiebungssensoren 24, 25, mit Elektromagneten 19a und 19b, sowie mit einem axialen Elektromagnet 19c. Eine derartige Schleifmaschine mit einer Spindel 20 und einem Schleifwerkzeug 22 ermöglicht die Durchführung von Vibrationsarbeit, wobei ein sinusförmiges Eingangssignal als Verschiebungs- Stellsignal zugeführt wird, um Bewegungen der magnetisch gelagerten Spindel 20 in axialer Richtung zu verursachen und dadurch die Bearbeitungsenergie zu verringern. Praktische Erprobungen durch Abnehmer haben ergeben, daß durch Verursachung einer Vibration mit einer Amplitude von 0,05 bis 13 mm und 2 KHz Frequenz in axialer Richtung der Spindel 20 die Schneidenergie bis zu 50% verringert werden kann. Dabei sind die Amplitude der Sinuswelle und deren Schwingungsfrequenz Parameter zur Einstellung der Bearbeitungsbedingungen. Bei der bekannten Steuereinrichtung, wobei lediglich eine Closed-Loop-Schaltung vorgesehen ist, können aufgrund der Resonanzeigenschaften des Closed-Loop-Systems und des Abroll-(Roll-Off)-Effekts bei verhältnismäßig niedrigen Frequenzen die Stellsignal-Parameter nicht frei eingestellt werden. Da beim Gegenstand der Erfindung eine zusätzliche Kompensatorschaltung vorgesehen wird, um das gewünschte Ansprechvermögen auf Stellsignale zu erhalten, kann dabei der erwähnte Nachteil vermieden werden. Entsprechende Zusammenhänge sollen in Verbindung mit den Fig. 10 und 11 näher erläutert werden. Fig. 9 shows a second application example of the invention on a grinding machine with a motor 23 , with radial and axial displacement sensors 24 , 25 , with electromagnets 19 a and 19 b, and with an axial electromagnet 19 c. Such a grinding machine with a spindle 20 and a grinding tool 22 enables vibration work to be carried out, a sinusoidal input signal being supplied as a displacement actuating signal in order to cause movements of the magnetically mounted spindle 20 in the axial direction and thereby to reduce the machining energy. Practical trials by customers have shown that cutting energy can be reduced by up to 50% by causing a vibration with an amplitude of 0.05 to 13 mm and a frequency of 2 kHz in the axial direction of the spindle 20 . The amplitude of the sine wave and its oscillation frequency are parameters for setting the machining conditions. In the known control device, where only a closed-loop circuit is provided, the control signal parameters cannot be freely set due to the resonance properties of the closed-loop system and the roll-off effect at relatively low frequencies. Since the subject matter of the invention provides an additional compensator circuit in order to obtain the desired response to control signals, the disadvantage mentioned can be avoided. Corresponding relationships are to be explained in more detail in connection with FIGS. 10 and 11.

Fig. 10 betrifft die Frequenzanordnung auf ein Stellsignal, wobei die gestrichelte Kurve die bekannte Steuereinrichtung und die ausgezogene Kurve die Steuereinrichtung gemäß der Erfindung betrifft. Fig. 11A und 11C zeigen die Antwort in Abhängigkeit von der Zeit bei der Frequenz f = f₁ bei der bekannten Einrichtung bzw. der Einrichtung gemäß der Erfindung, woraus in beiden Fällen ein guter Nachlauf zu dem Eingangssignal ersichtlich ist. Fig. 11B und 11D zeigen die zeitliche Antwort bei einer Frequenz von f = f₂ für die bekannte Einrichtung bzw. für die Einrichtung gemäß der Erfindung, woraus ersichtlich ist, daß die Antwortamplitude bei der bekannten Einrichtung verringert ist. Bei der Einrichtung gemäß der Erfindung werden gute Nachlaufeigenschaften zu dem Eingangssignal erzielt. Ferner kann bei dem erwähnten Anwendungsbeispiel auf eine Werkzeugmaschine erreicht werden, daß mit der Einrichtung gemäß der Erfindung ein Werkzeug 22 bei hoher Geschwindigkeit mit hoher Genauigkeit angetrieben werden kann, um eine spanabhebende Mikrobearbeitung eines Werkstücks 21 durchzuführen. Fig. 10 relates to the frequency arrangement to an actuating signal, wherein the dotted curve, the known control device and the solid curve in accordance with the invention relates to the control device. FIG. 11A and 11C show the response as a function of time at the frequency f = f₁ in the known device or the device according to the invention, resulting in both cases a good follow-up to the input signal is visible. FIGS. 11B and 11D show the time response at a frequency of f = f₂ for the known device or for the device according to the invention, from which it is seen that the amplitude response is reduced in the known device. In the device according to the invention, good tracking properties to the input signal are achieved. Furthermore, in the application example to a machine tool mentioned, it can be achieved that with the device according to the invention, a tool 22 can be driven at high speed with high accuracy in order to carry out machining micromachining of a workpiece 21 .

Durch die Erfindung können deshalb in der Praxis wesentliche Vorteile erzielt werden, ohne daß dadurch die Zuverlässigkeit der Arbeitsweise behindert wird, die durch die bekannte Steuereinrichtung beim Verlauf gewährleistet wird.The invention can therefore be essential in practice Benefits are achieved without sacrificing reliability the operation is hindered by the known control device is guaranteed in the course.

Claims

1. Circuit arrangement for a control device for controlling the displacement of a magnetically mounted movable member in accordance with an actuating signal

a) a feedback circuit ( 1 , 2 , 3 , 4 ) for detecting the displacement of the moving member ( 17 ; 20 ) for carrying out a control, thereby achieving stability and robustness of the magnetic bearing, as well as with
b) a forward compensator circuit ( 13 ) with an input connection ( 14 ) for supplying the control signal, a low-pass filter ( 8 ) connected to the input connection, a high-pass filter ( 9 ) connected to the input connection, a compensating filter ( 12 ) for compensation the output signal of the low-pass filter ( 8 ), a gain controller ( 10 ) for regulating the gain of the output signal of the high-pass filter ( 9 ), a differential amplifier ( 11 ) for differential processing of the output signals of the low-pass filter ( 8 ) and the high-pass filter ( 9 ), the Output of the differential amplifier ( 11 ) is connected to an input of the electrical power amplifier ( 4 ) and thus interacts with the feedback circuit ( 1, 2, 3, 4 ), whereby the forward compensator circuit ( 13 ) with the feedback circuit ( 1, 2, 3 , 4 ) interacts without disturbing the stability and robustness of the magnetic bearing to di e to control displacement of the movable member in accordance with an actuating signal.

2. Circuit arrangement according to claim 1, characterized in that the feedback circuit has a closed-loop circuit with a displacement detector ( 1 ), an integral compensator ( 2 ), a phase feed compensator ( 3 ) and an electrical power amplifier ( 4 ) to achieve the magnetic bearing .

3. Circuit arrangement according to claim 1, characterized in
that the low-pass filter ( 8 ) has a transfer function with a polynomial denominator, which is preset according to the desired response characteristic for the control signal, and
that the high-pass filter ( 9 ) has another transfer function that contains a polynomial denominator with coefficients that are identical to those of the polynomial denominator of the transfer function of the low-pass filter ( 8 ).