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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein
Ungleichgewicht oder Unwuchtkorrekturvorrichtung für ein
Drehglied, wie zuin Beipsiel eine Drehachse, die durch ein
Magnetlager getragen wird und in einer Turbomaschine und
einer numerischen Steuermaschine verwendet wird.
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Umwuchtkorrektur einer Drehachse einer Turbomaschine und
einer numerischen Steuermaschine wird herkömmliherweise
mittels eines ausschließlichen Ausgleichselements bzw.
einer Ausgleichsvorrichtung durchgeführt, und zwar bevor
die Drehachse in einer solchen Maschine eingesetzt wird.
Ansonsten wird nach dem Einsetzen oder Einpassen einer
Drehachse in eine Maschine ein Versuchsgewicht an der
Drehachse befestigt. Die Achse wird dann mit einer
vorbestimmten Geschwindigkeit oder Drehzahl gedreht und eine
Vibration, die von einem Lager ausgeht, das die Drehachse
trägt, wird gemessen. Dieser Vorgang wird mehrere Male
wiederholt und ein Korrekturgewicht zum Korrigieren der
Unwucht wird berechnet durch einen ausschließlichen
Rechner. Dann wird die Drehachse gestoppt und das
Korrekturgewicht wird an der Achse befestigt.
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Bei solchen Korrekturvorgängen, wie oben beschrieben,
müssen die Korrekturgewichte jedoch eine Anzahl von Malen
an einer Drehachse befestigt und von dieser abgenommen
werden und die Drehachse muß wiederholt gedreht und
gestoppt werden. Infolgedessen ist ein großer Zeitaufwand
notwendig, um irgendeine Unwucht einer Drehachse zu
korrigieren.
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DE-A-3913053 zeigt ein magnetisch gesteuertes Lager
bestehend aus einem Drehkörper, einer Drehwelle und einem
Lager. Dieses magnetisch gesteuerte Lager weist die
Anordnung einer Anzahl von Elektromagnetpolen zusammen mit
einer Anzahl von Sensoren zur Bestimmung der Unwucht der
Drehwelle auf. Das magnetisch gesteuerte Lager weist
ferner Mittel auf zum Steuern der Magnetkraftgröße der
Magnetpole, und zwar entsprechend einer
Detektorausgangsgröße bzw. eines Detektorausgangssignals der Sensoren,
wobei das Lager in einer solchen Art und Weise gesteuert
wird, daß die Oszillationen und die Unwucht des sich
drehenden bzw. des Drehkörpers unterdrückt werden kann.
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GB-A-2129582 zeigt eine Magnetlagervorrichtung, die
folgendes aufweist: zwei radial gerichtete Magnetlager
zum Tragen eines Drehkörpers und einen statischen
Unwuchtkompensator zum Unterdrücken des Wirbelns, das durch
statische Unwucht bewirkt wird, und/oder einen
dynamischen Unwuchtkompensator zum Unterdrücken des Wirbelns,
das durch dynamische Unwucht bewirkt wird. Die
Vorrichtung weist eine Anzahl von Spulen auf zum Detektieren der
Position des Drehkörpers, und zwar in der Axial- sowie
der Radialrichtung, und zwar entsprechend der jeweiligen
elektromagnetischen Windungsspulen, die erregt sind, um
einen Drehkörper in einer vorbestimmten Position
magnetisch zu tragen.
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Es ist ein Ziel der Erfindung, eine effiziente
Unwuchtkorrekturvorrichtung zum Ausgleichen bzw. Ballancieren
eines Drehgliedes vorzusehen.
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Es ist ein weiteres Ziel der Erfindung, eine
Unwuchtkorrekturvorrichtung vorzusehen, die keine spezielle
Ausrüstung benötigt, um eine Unwucht eines Drehgliedes zu
korrigieren.
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Es ist noch ein weiteres Ziel der Erfindung, eine
Unwuchtkorrekturvorrichtung vorzusehen, die die
Zuverläßligkeit eines durch ein Magnetlager getragenen
Drehgliedes erhöhen kann, ohne dabei die Herstellungkosten zu
erhöhen.
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Um das oben beschriebene Ziel zu erreichen, sieht die
vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zum Korrigieren
einer Unwucht eines Drehgliedes, das von einem
Magnetlagersystem getragen wird gemäß Anspruch 1 vor.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den
abhängigen Ansprüchen gezeigt.
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Wie oben beschrieben, berechnet der Befehlscomputer einen
Einflußfaktor auf der Basis von Ausgangsgrößen oder
Ausgangssignalen von dem Versetzungssensor, und zwar bevor
und nach dem ein Unwuchtkorrektursignal an das
Magnetlagersystem angelegt wird und bewirkt, daß die
Unwuchtkorrekturschaltung an das Magnetlagersystem ein
Unwuchtkorrektursignal anlegt, das auf der Basis des berechneten
Einflußfaktors bestimmt wird, um dadurch den
Massenausgleich bzw. Ballance des Drehgliedes zurückzugewinnen,
und zwar im wesentlichen in Echtzeit. Dies kann erreicht
werden, ohne Starten und Stoppen einer Maschine, die das
Drehglied antreibt und es können solche Arbeiten, wie das
Befestigen eines Probe- oder Versuchsgewichtes und das
Entfernen des Gewichtes von dem Drehglied eliminiert
werden.
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Diese und andere Ziele und Vorteile der Erfindung ergeben
sich deutlicher aus der folgenden Beschreibung von
Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung; in
der Zeichnung zeigt:
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Fig. 1 ein Blockdiagramm, das den Aufbau eines
Ausführungsbeispiels einer Unwuchtkorrekturvorrichtung
gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
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Fig.2A und 2B Blockdiagramme eines Magnetlasersystems für
eine Drehachse, das einer Störung ausgesetzt ist
infolge einer Unwucht der Drehachse;
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Fig. 3 ein Beipsiel einer Positionsbeziehung zwischen der
Drehachse, die durch die Magnetlager getragen wird
und der Versetzungssensoren, die um die Drehachse
herum plaziert sind;
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Fig. 4 ein Blockdiagramm, das den Aufbau einer
Unwuchtkorrekturinstruktionsschaltung zeigt, die in Fig.
gezeigt ist;
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Fig.5A. 5B und 5C Ergebnisse einer Korrektur, die durch
die Unwuchtkorrekturvorrichtung gemäß der
vorliegenden Erfindung ausgeführt wird; und
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Fig. 6 ein Blockdiagramm, das den Aufbau eines weiteren
Ausführungsbeispiels einer
Unwuchtkorrekturvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
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Einige bevorzugte Ausführungsbeispiele einer
Unwuchtkorrekturvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung werden
nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung
beschrieben.
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Fig. 1 ist ein Blockdiagramm, das den Aufbau eines
Ausführungsbeispiels einer Unwuchtkorrekturvorrichtung gemäß
der vorliegenden Erfindung zeigt. In der Figur ist eine
Drehachse 100 durch ein Magnetlagersystem getragen, das
eine Spule 109 eines Elektromagneten aufweist. Um eine
Versetzung der Drehachse 100 zu detektieren, ist ein
Versetzungssensor 101 vorgesehen. Ein weiterer Sensor 102
ist auch vorgesehen zum Detektieren einer
Bezugssinuswelle.
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Die Unwuchtskorrekturvorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung weist folgendes auf: einen Verstärker 103, der
mit dem Ausgang des Versetzungssensors 101 verbunden ist,
eine analoge Kompensierschaltung 104, die mit dem Ausgang
des Verstärkers 103 verbunden ist, eine
Unwuchtkorrekturstruktionsschaltung 105, die einen digitalen
Signalprozessor (DSP) aufweist, ein Befehlscomputer 106, der mit
der Unwuchtkorrekturinstruktionsschaltung 105 verbunden
ist und ein Addierer 107 zum Addieren der Ausgänge bzw.
Ausgangssignale bzw. Ausgangsgrößen der analogen
Kompensierschaltung
104 und der
Unwuchtkorrekturinstruktionsschaltung 105. Der Ausgang des Addierers 107 ist mit
einem Treiber 108 verbunden. Die
Unwuchtskorrekturinstruktionsschaltung 105 umfaßt einen A/D-Konverter 105-1
und eine digitale Ausgleichs- oder Ballancierschaltung
105-2. Der Verstärker 103 kann ein Differentialverstärker
sein, der eine Differenz zwischen der Ausgangsgröße des
Versetzungssensors 101 und einem Bezugswert Ref, der
normalerweise gleich Null ist, ausgibt. Die analoge
Kompensierschaltung 104 dient zum Steuern eines Betriebs zum
Suspendieren bzw. Tragen der Drehachse 100.
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Bei der Unwuchtkorrekturvorrichtung legt die
Unwuchtkorrekturinstrukitonsschaltung 105 ein Probe- oder
Versuchskorrektursignal durch den Addierer 107 und den Treiber
108 an die Elektromagnetspule 109 an. Der
Versetzungssensor 101 detektiert eine Versetzung der Drehachse 100,
die durch das Versuchskorrektursignal bewirkt wird. Die
detektierte Versetzung wird durch den Verstärker 103 und
den A/D-Konverter 105-1 in die
Unwuchtkorrekturinstruktionsschaltung 105 zu dem Befehlscomputer 106 eingegeben.
Der Befehltscomputer 106 berechnet einen
Einflußkoeffizienten des Versuchskorrektursignals aus den
Ausgangsgrößen bzw. Ausgangssignalen des Versetzungsensors 101
und zwar vor und nach dem Anlegen des
Versuchskorrektursignals. Auf der Basis des berechneten Ergebnisses wird
ein neues Unwuchtkorrektursignal erhalten und durch die
digitale Ausgleichsschaltung 105-2 der
Unwuchtskorrekturinstruktionsschaltung 105, den Addierer 107 und den
Treiber 108 an die Elektromagnetspule 109 angelegt. Dies
dient zum Minimieren der Ausgangsgröße des
Versetzungssensors 101 und zum Korrigieren einer Massenunwucht bzw.
Unausgeglichenheit der Drehachse 100.
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Die Fig. 2A und 2B zeigen Blockdiagramme eines
Magnetlagersystems für eine Drehachse, wobei Störungen Fux und
Fuy infolge einer Restunwucht der Drehachse 100 bestehen.
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In der Figur bezeichnen dieselben Bezugszeichen, wie sie
in Fig. 1 verwendet werden, gleiche oder entsprechende
Teile.
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Das Magnetlagersystem wird so gesteuert, daß die
Versetzung der Drehachse 100 Null wird. Es ist schwierig, den
Schleifengewinn des Magnetlagers unendlich zu machen und
daher besitzt der Schleifenverstärkung (Schleifengewinn)
einen endlichen Wert. Infolge dieser Tatsache wird in
gleicher Weise wie bei dem Fall, daß die Drehachse 100
durch ein Gleitlager getragen wird, bewirkt, daß sie mit
einer Restunwucht vibriert. Es sei bemerkt, daß die
vorliegende Erfindung eine Vibration der Drehachse infolge
einer Restunwucht eliminiert durch Anlegen von
Steuersignalen Wx und Wy, und zwar synchron mit der Drehung der
Drechachse, d. h. rotationssynchronisierenden
Steuersignaien an einem Magnetlagersystem, um die Störungen Fux
und Fuy auszulöschen, die durch die Restunwucht bewirkt
werden.
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Eine Transfer- oder Übertragungsfunktion Gmr(S) aus den
rotationssynchronisierenden Steuersignale Wx und Wy an
die Ausgänge X und Y des Magnetlagersystems kann im
voraus erhalten werden. Wenn die Transferfunktion bekannt
ist, können rotationssynchronisierende Steuersignale zum
Korrigieren der Unwucht der Drehachse leicht aus dem
Ausgang bzw. der Ausgangsgröße des Lagersystems erhalten
werden in dem Fall, daß die rotationssynchonisierenden
Steuersignale Wx und Wy gleich Null sind, d. h. in dem
Fall, wo nur Störungen infolge der Unwucht existieren.
Wenn jedoch die Transferfunktion Gmr(s) bei einer
Drehfrequenz (der Frequenz einer Bezugssinuswelle) gemessen
wird, während der Drehung der Drehachse mit einem
Servoanalysierer ist ein Fehler unabdingbar infolge des
Auftretens einer Vibration der Drehachse infolge Unwucht.
Demgemäß werden gemäß der vorliegenden Erfindung die
rotationssynchronisierenden Steuersignale zu der
Ausgangsgröße
bzw. dem Ausgangssignal der analog
kompensierenden Schaltung 104 addiert, und zwar durch den
Addierer 107 und sodann wird eine Änderung in der
Ausgangsgröße bzw. dem Ausgangssignal des Versetzungssensors 101
detektiert durch die Unwuchtkorrekturvorrichtung. Auf der
Basis der detektierten Veränderung wird die
Transferfunktion Gmr(s) bei der Drehfrequenz geschätzt. Somit
können die rotationssynchronisierenden Steuersignale Wx
und Wy zum Korrigieren einer Unwucht der Drechachse zum
Reduzieren einer Restunwucht davon erhalten werden unter
Verwendung einer geschätzten Transferfunktion und zu dem
Ausgangssignal bzw. der Ausgangsgröße der analog
kompensierenden Schaltung 104 hinzuaddiert werden durch den
Addierer 107, um dadurch die Drehachse herzustellen bzw.
festzulegen.
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Vorgänge zum Ausgleichen der Drehachse in Echtzeit werden
in den folgenden Schritten durchgeführt, und zwar
hauptsächlich unter der Steuerung des Befehlscomputers 106:
SCHRITT 1
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Von den Ausgängen bzw. Ausgangsgrößen (oder axialen
Vibrationen) x&sub1;(t), x&sub2;(t), y&sub1;(t) und Y&sub2;(t) von vier
Versetzungssensoren SX&sub1;, SX&sub2;, SY&sub1; und SY&sub2; (Fig. 3), die für
zwei Magnetlager vorgesehen sind, die die Drehachse 100
tragen, werden die Amplituden X&sub1;θ, X&sub2;θ, Y&sub1;θ und Y&sub2;θ und
die Phasen θx1θ, θxsθ, θy1θ und θy2θ der
Versetzungssensorausgangsgrößen oder -signale bezüglich eines
Bezugsimpulses (ein drehungssynchronisierendes Signal)
erhalten. Die Phase der Axialvibration bezüglich eines
Drehimpulses kann relativ leicht erhalten werden als eine
digitale Größe durch die Verwendung der Bezugssinuswelle und
eines Programmzählers.
SCHRITT 2
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Die Amplitude W&sub1;θ und Phase θ, eines ersten
Versuchskorrektursignals, das an die Magnetlager angelegt werden
soll, wird wie folgt berechnet:
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W&sub1;θ = (X&sub1;θ + Y&sub1;θ)/2
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Θ&sub1;θ = (Θx1θ + Θy1θ + π/2)/2
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Dann werden erste drehungsynchronisierende Steuersignale
Wx1 und Wy1. die in den folgenden Gleichungen gegeben
sind, an die Magnetlager angelegt und die Ausgänge bzw.
Ausgangsgrößen x&sub1;&sub1;(t), x&sub2;&sub1;(t), y&sub1;&sub1;(t) und y&sub2;&sub1;(t) der
Versetzungssensoren Sx&sub1;, Sx&sub2;, SY&sub1; und SY&sub2; werden gemessen:
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Wx1 = -W&sub1;θ cos(jωT + Θ&sub1;)
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Wy1 = -W&sub1;θ cos(jωT + Θ&sub1; - π/2)
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wobei T eine Abtastperiode der
Unwuchtkorrekturinstruktionsschaltung 105 ist und j ist gleich 0, 1, ... (jωT ≤
2π).
SCHRITT 3
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Die Amplitude W&sub2;θ und Phase θ&sub2; des zweiten
Versuchskorrektursignals, das an die Magnetlager angelegt werden
soll, wird wie folgt berechnet:
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W&sub2;θ = (X&sub2;θ + Y&sub2;θ)/2
-
Θ&sub2;θ = (Θx2θ + Θy2θ + π/2)/2
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Dann werden zweite rotationssynchronisierende
Steuersignale Wx2 und Wy2, die in den folgenden Gleichungen
gegeben sind, an die Magnetlager angelegt und die
Ausgangsgrößen x&sub1;&sub2;(t), x&sub2;&sub2;(t), y&sub1;&sub2;(t) und y&sub2;&sub2;(t) der
Versetzungssensoren SX&sub1; SX&sub2;, SY&sub1; und SY&sub2; werden gemessen:
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Wx2 = -W&sub2;θ cos(jωT + Θ&sub2;)
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Wy2 = -W&sub2;θ cos(jωT + Θ&sub2; - π/2)
SCHRITT 4
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Die Ausgangsgrößen bzw. Ausgangssignale der
Versetzungssensoren, d. h. die Versetzungssignale, die in den
Schritten 2 und 3 gemessen wurden, werden zum Berechnen
der Amplituden Xij und Yij und der Phasen θxij und θyij
davon verwendet, wobei i (= 1, 2) und j (= 1, 2) die
Position des Sensors bzw. die Position des Magnetlasers
anzeigen.
SCHRITT 5
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Eine Einflußkoeffizientenmatrix A, d. h. eine
Transferfunktion zwischen dem drehungssynchronisierenden
Steuersignal und dem Ausgang bzw. der Ausgangsgröße des
Versetzungssensors wird erhalten. Ein Element aij (i = 1, 2,
3 und 4, j = 1 und 2) wird wie folgt ausgedrückt:
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a&sub1;&sub1; = {X&sub1;&sub1;exp(iΘx11) - X&sub1;θexp(iΘx1θ)}/W&sub1;θexp(iΘ&sub1;θ)
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a&sub1;&sub2; = {X&sub1;&sub1;exp(iΘx11) - X&sub1;θexp(iΘx1θ)}/W&sub1;θexp(iΘ&sub2;θ)
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a&sub2;&sub1; = {X&sub2;&sub1;exp(iΘx11) - X&sub2;θexp(iΘx1θ)}/W&sub1;θexp(iΘ&sub1;θ)
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a&sub2;&sub2; = {X&sub2;&sub1;exp(iΘx21) - X&sub2;θexp(iΘx2θ)}/W&sub2;θexp(iΘ&sub2;θ)
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a&sub3;&sub1; = {Y&sub1;&sub1;exp(iΘx11) - Y&sub1;θexp(iΘy1θ)}/W&sub1;θexp(iΘ&sub1;θ)
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a&sub3;&sub2; = {Y&sub2;&sub1;exp(iΘy11) - Y&sub2;θexp(iΘy1θ)}/W&sub1;θexp(iΘ&sub2;θ)
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a&sub4;&sub1; = {Y&sub1;&sub1;exp(iΘy11) - Y&sub1;θexp(iΘy1θ)}/W&sub2;θexp(iΘ&sub1;θ)
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a&sub4;&sub2; = {Y&sub2;&sub1;exp(iΘy21) - Y&sub2;θexp(iΘy2θ)}/W&sub2;θexp(iΘ&sub2;θ)
SCHRITT 6
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Unter Verwendung der oben erhaltenen Daten werden
Korrektursignale berechnet, so daß ein Restvibrationsvektor
E minimiert werden kann. Unter der Annahme, daß X und W
einen Versetzungsvektor anzeigen, der in dem Schritt 1
gemessen wurde bzw. einen Korrekturvektor, dann gilt:
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Durch Einführen einer Gewichtskoeffizientenmatrix C kann
die folgende Gleichung aus einem Zustand, der E*CE
minimiert erhalten werden:
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W = -(A*CA)&supmin;¹A*CA
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Um dadurch ein Korrektursignal zu erhalten, wobei A* und
E* konjugierte Transpositions- bzw. transponierte
Matrizen von A und E sind.
SCHRITT 7
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Die Ausgangsgrößen (oder Axialvibrationen) x&sub1;(t), x&sub2;(t),
y&sub1;(t) und y&sub2;(t) der vier Versetzungssensoren SX&sub1; SX&sub2;, SY&sub1;
nd SY&sub2;, die in den zwei Magnetlagern vorgesehen sind,
werden jeweils zu den folgenden Werten hinzuaddiert, um
die Vibration der Drehachse zu reduzieren;
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-Wcos(jωT + Θ&sub1;)
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-W&sub1;cos(jωT + Θ&sub1; - π/2)
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-W&sub2;cos(jωT + Θ&sub2;)
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-W&sub2;cos(jωT + Θ&sub2; - π/2)
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Fig. 4 ist ein Blockdiagramm, das den Aufbau der
Unwuchtkorrekturinstruktionschaltung 105 zeigt. Wie in
dieser Figur gezeigt ist, ist die
Unwuchkorrekturinstruktionsschaltung 105 über einen paralellen I/O-Port
oder Anschluß 205 mit dem Befehlscomputer 106 verbunden
und weist folgendes auf: einen Digitalsignalprozessor
(DSP) 200 zum Berechnen der oben beschriebenen
Operationen im Schritt 7, ein Programmspeicher 204 zum
Speichern von Programmen für die Operationen und einen A/D-
Wandler 201 zum Umwandeln bzw. Konvertieren von
Achsenvibrationsdaten
(der Ausgangsgröße des Versetzungssensors
10 und durch den Verstärker 103 verstärkt) in eine
digitale Menge, einen Datenspeicher 203 zum Speichern der
digitalisierten Achsenvibrationsdaten und einen D/A-
Wandler 202 zum Umwandeln eines Operationsergebnisses in
eine auszugebende analoge Größe.
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Die Fig. 5A, 5B und 5C zeigen beispielhaft Ergebnisse
einer Unwuchtkorrektur der Drehachse, die durch eine
Unwuchtkorrekturvorrichtung durchgeführt wurde, die, wie
oben beschrieben, aufgebaut ist. In diesen Figuren zeigen
drei orthogonale Achsen die Amplitude der Vibration, die
Frequenz der Vibration bzw. Zeit in einer
dreidimensionalen Art und Weise an. Fig. 5A zeigt einen Fall mit
einer Drehgeschwindigkeit bzw. Drehzahl von 10 000
pm/min; Fig. 5B zeigt einen Fall mit einer
Drehgeschwindigkeit von 15 000 upm/min; und Fig. 5C zeigt einen
Fall mit einer Drehgeschwindigkeit von 21 000 upm/min. In
diesen Figuren zeigen AN und AUS Zeitpunkte an, wenn die
Unwuchtkorrekturinstruktionsschaltung 105 an- und
ausgeschaltet wird. Wie aus den Fig. 5A bis 5C zu sehen ist,
verringert sich die Vibrationsamplitude der Drehachse,
wenn die Unwuchtkorrekturinstruktionsschaltung 105
angeschaltet wird und erhöht sich, wenn die Schaltung 105
ausgeschaltet wird. Dies bedeutet, daß die
Unwuchtkorrekturvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung
ermöglicht, einen Ausgleich der Rotationsachse in
Echtzeit zu erreichen.
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Fig. 6 ist ein Blockdiagramm eines weiteren
Ausführungsbeispiels einer Unwuchtkorrekturvorrichtung gemäß der
vorliegenden Erfindung. Wie aus dieser Figur zu sehen
ist, sind die analogen Kompensierächaltung 104 und der
A/D-Konverter 105-1, die in Fig. 1 gezeigt sind,
weggelassen und die Unwuchtkorrekturinstruktionsschaltung 105
umfaßt eine digitale Kompensierschaltung 105-3, die
zwischen dem Verstärker 103 und dem Addierer 107 plaziert
ist und gemeinsam mit dem Befehlcomputer 106
kommuniziert. Dieses Ausführungsbeispiel kann mit Signalen
digital fertig werden und die Suspensions- oder
Treibsteuerung der Drehachse 100 und die Ballance oder
Ausgleichswiedergewinnung davon kann durch eine DSP-Platte
bewirkt werden, die in der digitalen Ausgleichsschaltung
105-2 und der digitalen Kompensierschaltung 105-3
beinhaltet ist.