FR2480959A1 - Magnetic suspension system for use in satellites - includes low power consumption control circuit providing correcting current to four positioning coils - Google Patents
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Abstract
Description
248095?248095?
La présente invention se rapporte aux dispositifs à suspension magnétique et elle concerne en particulier la commande de l'excitation des bobinages électriques qui contrôlent la génération d'un champ magnétique permettant de varier le flux magnétique total du dis- The present invention relates to magnetic suspension devices and it relates in particular to the control of the excitation of the electric windings which control the generation of a magnetic field making it possible to vary the total magnetic flux of the device.
positif à suspension magnétique.positive with magnetic suspension.
Un dispositif à suspension magnétique avec lequel l'invention est concernée est un dispositif comprenant un stator et un rotor disposés coaxialement l'un autour de l'autre sans aucun contact mécanique entre eux, le stator et le rotor s'étendant généralement dans un même plan.Le stator ou le rotor porte un aimant permanent dont le flux magnétique assure l'alignement axial du rotor par rapport au stator.Le stator porte également quatre bobinages électriques qui s'étendent chacun sur un segment de cercle, deux de ces bobinages étant centrés sur chaque axe de coordonnées dans le plan commun du stator et du rotor. Ces bobinages engendrent, de manière connue en soi,dans l'entrefer annulaire entre stator et rotor,des champs magnétiques qui servent à contrôler la position radiale du rotor par rapport au stator suivant les deux axes de coordonnées de leur plan commun.A cet effet,les bobinages opposés qui contrôlent la position radiale le long d'un axe sont habituellement connectés en série ou en parallèle dans une boucle de contrôle.Lorsque le rotor se trouve écarté de sa position radiale centrée suivant l'axe X par exemple,le signal d'erreur de position A magnetic suspension device with which the invention is concerned is a device comprising a stator and a rotor arranged coaxially around one another without any mechanical contact between them, the stator and the rotor generally extending in the same The stator or the rotor carries a permanent magnet whose magnetic flux ensures the axial alignment of the rotor with respect to the stator. The stator also carries four electrical windings which each extend on a segment of a circle, two of these windings being centered on each coordinate axis in the common plane of the stator and the rotor. These windings generate, in a manner known per se, in the annular gap between the stator and the rotor, magnetic fields which serve to control the radial position of the rotor relative to the stator along the two axes of coordinates of their common plane. , the opposite windings which control the radial position along an axis are usually connected in series or in parallel in a control loop. When the rotor is moved away from its radial position centered along the X axis for example, the signal position error
se trouve traité électroniquemEt en sorte de faire circu- is processed electronically and so circulates
ler dans les deux bobinages associés à l'axe X un courant dans un sens ou en sens opposé selon la polarité du signal d'erreur.Les champs magnétiques résultants sont alors tels que le flux magnétique de l'aimant permanent se trouve renforcé dans l'entrefer le plus large et se trouve affaibli dans l'entrefer le plus étroit. Le -otor est alors plus fortement attiré vers le stator là o l'entrefer est le plus large, ce qui a pour In the two windings associated with the X axis, a current in one direction or in opposite direction depending on the polarity of the error signal. The resulting magnetic fields are then such that the magnetic flux of the permanent magnet is reinforced in the widest air gap and is weakened in the narrowest air gap. The -otor is then more strongly attracted towards the stator where the air gap is the widest, which has for
effet de rétablir le rotor dans sa position centrée. effect of restoring the rotor to its centered position.
- 2 - Les inconvénients de ce dispositif connu, notamment lorsque des applications spatiales sont concernées, sent les suivants: a) les amplificateurs alimentant les bobinages doivent être agencés pour délivrer des courants de sortie bidirectionnels, ce qui exige une source d'énergie symétrique qui n'est habituellement pas disponible sur les satellites, ou un étage de sortie en pont qui résulte en un circuit relativement complexe; b) les amplificateurs utilisés sont des amplificateurs linéaires qui ont une dissipation appréciable(plusieurs dizaines de watts dans leurs étages de sortie) et un faible rendement de transfert d'énergie; c) tous les bobinages contrôlant un même axe sont excités simultanément, ce qui conduit à un gaspillage d'énergie lorsque le rotor a une forte excentricité par rapport au stator, par exemple pendant la mise en - 2 - The drawbacks of this known device, in particular when space applications are concerned, are as follows: a) the amplifiers supplying the windings must be arranged to deliver bidirectional output currents, which requires a symmetrical energy source which is usually not available on satellites, or a bridge output stage which results in a relatively complex circuit; b) the amplifiers used are linear amplifiers which have appreciable dissipation (several tens of watts in their output stages) and a low energy transfer efficiency; c) all the windings controlling the same axis are excited simultaneously, which leads to a waste of energy when the rotor has a high eccentricity with respect to the stator, for example during the setting in
marche du dispositif à suspension magnétique. operation of the magnetic suspension device.
Le problème que vise à résoudre l'invention est de proposer un procédé et un circuit de commande qui n'exigent qu'une consommation d'énergie relativement réduite et un circuit de commande qui est d'une The problem which the invention aims to solve is to propose a method and a control circuit which require only a relatively reduced energy consumption and a control circuit which is of a
construction simple.simple construction.
Suivant un premier aspect, l'invention propose un procédé pour commander l'excitation des bobinages électriques qui contrôlent un dispositif à suspension magnétique comprenant un stator et un rotor disposés coaxialement l'un autour de l'autre en formant entre eux un entrefer annulaire. Conformément à l'invention, ce procédé se caractérise en ce que, pour chaque axe, on détecte les positions relatives entre le stator et le rotor le long de l'axe pour engendrer un signal d'erreur représentant l'écart de position relative par rapport à une position de référence; on engendre un premier ou un second signal de commande selon que 3- According to a first aspect, the invention provides a method for controlling the excitation of the electrical windings which control a magnetic suspension device comprising a stator and a rotor arranged coaxially around one another, forming between them an annular air gap. According to the invention, this method is characterized in that, for each axis, the relative positions between the stator and the rotor are detected along the axis to generate an error signal representing the relative position deviation by relative to a reference position; a first or a second control signal is generated depending on whether 3-
le signal d'erreur est positif ou négatif;et on appli- the error signal is positive or negative; and we apply
que le premier signal de commande à un premier circuit électrique contenant le bobinage électrique enroulé à that the first control signal to a first electrical circuit containing the electric winding wound to
une première extrémité de l'axe et on applique le se- a first end of the axis and we apply the se-
cond signal de commande à un second circuit électrique contenant le bobinage électrique enroulé à l'autre extrémité de l'axe,en sorte que seul soit excité le bobinage situé du côté du dispositif o l'entrefer est cond command signal to a second electrical circuit containing the electrical winding wound at the other end of the axis, so that only the winding located on the side of the device where the air gap is
le plus étroit de manière à y réduire le flux magnétique. the narrowest so as to reduce the magnetic flux.
Suivant un second aspect, l'invention propose un circuit pour commander l'excitation des bobinages électriques qui contrôlent un dispositif à suspension magnétique comprenant un stator et un rotor disposés coaxialement l'un autour de l'autre en formant entre eux un entrefer annulaire. Conformément à l'invention, ce circuit se caractérise en ce que, pour chaque axe, il comprend: un dispositif répondant à un signal représentant la position radiale relative du rotor par rapport au stator pour engendrer un signal d'écart de position, un modulateur électrique connecté pour répondre audit signal d'écart de position et produire un premier train According to a second aspect, the invention provides a circuit for controlling the excitation of the electrical windings which control a magnetic suspension device comprising a stator and a rotor arranged coaxially around one another, forming between them an annular air gap. According to the invention, this circuit is characterized in that, for each axis, it comprises: a device responding to a signal representing the relative radial position of the rotor with respect to the stator to generate a position deviation signal, a modulator electric connected to respond to said position deviation signal and produce a first train
d'impulsions lorsque le signal d'écart de position indi- pulses when the position deviation signal indicates
que un écart de position dans un sens et pour produire un second train d'impulsions lorsque le signal d'écart de position indique un écart de position en sens opposé, la largeur des impulsions étant proportionnelle à l'amplitude du signal-d'écart de position,un premier dispositif de commutation connecté pour être commandé par le premier train d'impulsions afin d' exciter un premier bobinage situé à une extrémité de l'axe,et un second dispositif de commutation connecté pour être commandé par le second train d'impulsions afin d'exciter un second bobinage situé à l'autre position deviation in one direction and to produce a second train of pulses when the position deviation signal indicates a position deviation in the opposite direction, the width of the pulses being proportional to the amplitude of the deviation signal position, a first switching device connected to be controlled by the first train of pulses to drive a first winding located at one end of the axis, and a second switching device connected to be controlled by the second train of pulses to excite a second winding located at the other
extrémité dudit axe.end of said axis.
?480959? 480959
4- L'invention est exposée dans ce qui suit avec référence aux dessins cijoints sur lesquels: la figure 1 est un schéma simplifié du circuit de commande selon l'invention; la figure 2 montre les formes d'ondes des signaux; la figure 3 est un schéma plus détaillé du circuit 4- The invention is set out in the following with reference to the accompanying drawings in which: FIG. 1 is a simplified diagram of the control circuit according to the invention; Figure 2 shows the waveforms of the signals; Figure 3 is a more detailed diagram of the circuit
de la figure 1.of figure 1.
Le principe sur lequel est basée l'invention consiste à n'exciter pour chaque axe que le seul bobinage qui est situé à proximité du point o l'entrefer entre The principle on which the invention is based consists in exciting for each axis only the single winding which is located near the point where the air gap between
le rotor et le stator est le plus étroit. Les expé- the rotor and stator is the narrowest. The experiments
riences ont en effet montré que c'est ce bobinage- riences have indeed shown that it is this winding-
là qui produit la force de correction la plus grande. there which produces the greatest correction force.
On se réfère à la figure 1 sur laquelle Xl et X2 désignent les deux bobinages qui contrôlent la position radiale du rotor d'un dispositif à suspension magnétique Reference is made to FIG. 1 in which Xl and X2 denote the two windings which control the radial position of the rotor of a magnetic suspension device
suivant un axe X ou Y. Le signal d'entrée E du dispo- along an X or Y axis. The input signal E of the device
sitif suivant l'invention est le signal de correction de position du rotor. Ce signal est engendré de manière connue en soi à partir d'un ensemble de senseurs capacitifs ou inductifs fixés sur le dispositif à suspension magnétique par un régulateur proportionnel, intégral, différentiel (connu en soi) suivi d'un préamplificateur. Le signal decorrection E est donc, suivant l'invention, sitive according to the invention is the rotor position correction signal. This signal is generated in a manner known per se from a set of capacitive or inductive sensors fixed on the magnetic suspension device by a proportional, integral, differential regulator (known per se) followed by a preamplifier. The correction signal E is therefore, according to the invention,
appliqué à un circuit de commande qui comprend un modu- applied to a control circuit which includes a module
lateur 10 commandant deux dispositifs de commutation ,30. Ceux-ci sont connectés chacun dans un circuit reader 10 controlling two switching devices, 30. These are each connected in a circuit
électrique distinct contenant un bobinage: le dis- separate electric containing a winding: the
positif de commutation 20 débite du courant dans le bobinage Xl et le dispositif de commutation 30 débite un courant dans le bobinage X2. Les dispositifs de positive switching 20 supplies current to the winding X1 and the switching device 30 supplies current to the winding X2. The devices
commutation 20 et 30 sont avantageusement des transis- switching 20 and 30 are advantageously transis-
tors V^MOS (métal-oxyde-semiconducteur vertical). tors V ^ MOS (metal-oxide-vertical semiconductor).
-5--5-
Le modulateur 10 comprend essentiellement quatre com- The modulator 10 essentially comprises four components.
parateurs 1,2,4 et 5 et deux circuits-ET 3 et 6. Le signal E est appliqué aux entrées positives 11,13 des comparateurs 1 et 2 et aux entrées négatives 16, 18 des comparateurs 4 et 5. Les autres entrées 12, 14, 15 et 17 des comparateurs reçoivent un signal de forme d'onde triangulaire. Les signaux A et B produits par les comparateurs 1 et 2 sont combinés dans le circuit-ET 3 à la sortie duquel apparaît un parateurs 1,2,4 and 5 and two AND circuits 3 and 6. The signal E is applied to the positive inputs 11,13 of comparators 1 and 2 and to the negative inputs 16, 18 of comparators 4 and 5. The other inputs 12 , 14, 15 and 17 of the comparators receive a triangular waveform signal. Signals A and B produced by comparators 1 and 2 are combined in AND circuit 3 at the output of which appears a
train d'impulsions Si lorsque le signal E est positif. pulse train If when signal E is positive.
Les signaux C et D produits par les comparateurs 4 et sont combinés dans le circuit-ET 6 à la sortie duquel apparaît un train d'impulsions S2 lorsque le signal E est négatif. La largeur des impulsions SI et S2 est proportionnelle à l'amplitude du signal de correction E, c'est-à-dire à l'écart de position du rotor par rapport à sa position centrée. La figure 2 montre les formes d'ondes des signaux. La figure 3 esr un schéma plus détaillé du circuit de commande The signals C and D produced by the comparators 4 and are combined in the AND circuit 6 at the output of which a train of pulses S2 appears when the signal E is negative. The width of the pulses S1 and S2 is proportional to the amplitude of the correction signal E, that is to say the deviation of the position of the rotor from its centered position. Figure 2 shows the waveforms of the signals. Figure 3 is a more detailed diagram of the control circuit
selon l'invention.according to the invention.
Les impulsions de commande SI et S2 attaquent respec- The control pulses SI and S2 attack respec-
tivement la base des commutateurs 20 et 30. Un seul bobinage est ainsi excité chaque fois selon la polarité du signal de correction E, c'est-àdire selon le sens the base of switches 20 and 30. A single coil is thus excited each time according to the polarity of the correction signal E, that is to say according to the direction
de l'écart de position du rotor suivant l'axe considéré. the rotor position deviation along the axis considered.
Grâce au fait qu'un seul bobinage à la fois se trouve excité suivant l'invention, il est possible d'utiliser pour les bobinages une seule source d'alimentation (par exemple +28 V) sans circuit complexe. De plus, le rendement du dispositif en force par watt est Thanks to the fact that only one winding at a time is excited according to the invention, it is possible to use for the windings a single power source (for example +28 V) without complex circuit. In addition, the yield of the device in force per watt is
supérieur à celui des circuits antérieurs connus. higher than that of known prior circuits.
En outre, le circuit travaille en mode commutation, ce qui conduit à une dissipation d'énergie minimum In addition, the circuit works in switching mode, which leads to minimum energy dissipation
(typiquement quelques dizaines de watts seulement). (typically a few tens of watts only).
- 6- Enfin, la simplicité du circuit contribue à favoriser - 6- Finally, the simplicity of the circuit helps to encourage
la fiabilité du système.the reliability of the system.
-7 --7 -
Claims (4)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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FR8008751A FR2480959A1 (en) | 1980-04-18 | 1980-04-18 | Magnetic suspension system for use in satellites - includes low power consumption control circuit providing correcting current to four positioning coils |
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FR8008751A FR2480959A1 (en) | 1980-04-18 | 1980-04-18 | Magnetic suspension system for use in satellites - includes low power consumption control circuit providing correcting current to four positioning coils |
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Publication Number | Publication Date |
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FR2480959A1 true FR2480959A1 (en) | 1981-10-23 |
FR2480959B1 FR2480959B1 (en) | 1983-08-05 |
Family
ID=9241085
Family Applications (1)
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Country Status (1)
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