FR2581462A1 - Control circuit for a magnetic bearing - Google Patents
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Abstract
Description
CIRCUIT DE COMMANDE D'UN PALIER MAGNéTIQUE
La présente invention concerne en général les paliers magnétiques actifs ou équivalents, et, plus précisément, le circuit de commande de l'alimen tation de chacun des enroulements de deux électro-aimants antagonistes d'un tel palier, inclus dans le circuit d'asservissement de la position d'un arbre au moyen d'un tel palier.CONTROL CIRCUIT FOR A MAGNETIC BEARING
The present invention relates in general to active or equivalent magnetic bearings, and, more specifically, to the control circuit for the supply of each of the windings of two antagonistic electromagnets of such a bearing, included in the servo circuit the position of a shaft by means of such a bearing.
Dans les paliers magnétiques actifs, la position du rotor est maintenue au moyen d'un circuit d'asservissement qui, à partir d'un écart détecté de position, commande la valeur de la tension appliquée aux bornes des enroulements des électro-aimants de façon à exercer des forces qui corrigent cet écart.In active magnetic bearings, the position of the rotor is maintained by means of a servo circuit which, from a detected position deviation, controls the value of the voltage applied across the windings of the electromagnets so to exert forces that correct this gap.
Les forces exercées par les électro-aimants sont en première analyse proportionnelles au carré de l'intensité du courant circulant dans les enroulements, et il est habituel de disposer une boucle de contreréaction en courant. Toutefois, la force n'est proportionnelle au carré de l'intensité qu'après un retard transitoire dû aux courants induits par la variation du flux et moyennant une importante correction due à la variation des entrefers.The forces exerted by the electromagnets are at first analysis proportional to the square of the intensity of the current flowing in the windings, and it is usual to have a feedback loop in current. However, the force is proportional to the square of the intensity only after a transient delay due to the currents induced by the variation of the flow and with a significant correction due to the variation of the air gaps.
Pour pallier à cet inconvénient, selon le brevet français 2 417 797 ou son équivalent US - 4 308 490, on injecte à l'entrée du circuit un signal dépendant des variations de l'entrefer du palier pour des fréquences élevées. La variation du flux dans l'entrefer est, en pratique, représentative de ce signal et peut donc être utilisée à sa place.To overcome this drawback, according to French patent 2,417,797 or its equivalent US - 4,308,490, a signal is injected at the input of the circuit depending on variations in the air gap of the bearing for high frequencies. The variation of the flow in the air gap is, in practice, representative of this signal and can therefore be used in its place.
Cependant, un tel système nécessite la mise en place d'un certain nombre de filtres ou de réseaux-correcteurs et, en outre, requiert la présence d'un enroulement additionnel disposé autour de chaque enroulement des électro-aimants, ce qui complique sensiblement les circuits et les rend plus coûteux.However, such a system requires the installation of a certain number of filters or correction networks and, moreover, requires the presence of an additional winding arranged around each winding of the electromagnets, which considerably complicates the circuits and makes them more expensive.
La présente invention a pour objet de pallier à ces inconvénients.The object of the present invention is to overcome these drawbacks.
Selon l'invention, le circuit de commande de l'alimentation de chacun des enroulements de deux électro-aimants antagonistes d'un palier magnétique actif, qui est inclus dans le circuit d'asservissement de la position d'un arbre au moyen de ce palier, caiprend un générateur de courant et au moins un capteur électro-mécanique de force, le générateur engendrant un courant dont l'intensité est réglée en fonction du signal délivré par le capteur, lequel est disposé sur la partie fixe du palier.According to the invention, the circuit for controlling the supply of each of the windings of two opposing electromagnets of an active magnetic bearing, which is included in the circuit for controlling the position of a shaft by means of this bearing, caiprend a current generator and at least one electro-mechanical force sensor, the generator generating a current whose intensity is adjusted according to the signal delivered by the sensor, which is arranged on the fixed part of the bearing.
De préférence, le générateur de courant est constitué par une source de tension continue équipée d'un hacheur dont la commande permet de faire varier l'intensité du courant dans les enroulements de 11 électro-aimant, une boucle de réaction étant prévue pour réguler le courant.Preferably, the current generator consists of a DC voltage source equipped with a chopper whose control makes it possible to vary the intensity of the current in the windings of the electromagnet, a feedback loop being provided to regulate the current.
De préférence encore, le capteur est constitué par une jauge extensan trique.More preferably, the sensor is constituted by an extensi tric gauge.
Selon un autre de ses aspects, l'invention concerne un circuit d'asservissement de la position d'un arbre au moyen d'un palier magnétique actif comprenant deux électro-aimants antagonistes. Ce circuit comprend un capteur électro-magnétique de force disposé en regard de l'arbre, à l'extrémité de chaque électro-aimant, et les signaux issus des capteurs sont soustraits l'un de l'autre de manière à déterminer un signal représentatif de la mesure algébrique de la force globale exercée sur l'arbre par les électro-aimants.According to another of its aspects, the invention relates to a circuit for controlling the position of a shaft by means of an active magnetic bearing comprising two opposing electromagnets. This circuit includes an electromagnetic force sensor placed opposite the shaft, at the end of each electromagnet, and the signals from the sensors are subtracted from each other so as to determine a representative signal. of the algebraic measure of the overall force exerted on the shaft by the electromagnets.
L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, avantages et caractéristiques de celle-ci apparaitront plus clairement à la lecture de la description qui suit donnée à titre non limitatif pour illustrer l'inven- tion, et à laquelle une planche de dessins est annexée.The invention will be better understood and other objects, advantages and characteristics thereof will appear more clearly on reading the following description given without limitation to illustrate the invention, and to which a plate of drawings is attached.
La Figure 1 représente schématiquement le circuit de commande conforme à l'invention, mis en oeuvre dans une boucle d'asservissement d'un d'un palier magnétique,
La Figure 2 représente schématiquement une variante du circuit de la Figure 1,
La Figure 3 représente schématiquement une boucle d'asservissement mettant en oeuvre le circuit illustré Figure 1,
La Figure 4 représente une variante correspondant au circuit illustré
Figure 2.FIG. 1 schematically represents the control circuit according to the invention, implemented in a control loop of one of a magnetic bearing,
Figure 2 schematically represents a variant of the circuit of Figure 1,
FIG. 3 diagrammatically represents a control loop implementing the circuit illustrated in FIG. 1,
Figure 4 shows a variant corresponding to the illustrated circuit
Figure 2.
En référence maintenant à la Figure 1, on a représenté schématiquement le circuit de commande d'un palier magnétique actif agissant sur un arbre 14. Dans l'exemple représenté, le palier magnétique est constitué de deux électro-aimants 1,1' disposés face à face, et on a disposé un capteur de force, respectivement 3 et 3', sur les pôles, en regard de l'arbre 14.Referring now to Figure 1, there is shown schematically the control circuit of an active magnetic bearing acting on a shaft 14. In the example shown, the magnetic bearing consists of two electromagnets 1,1 'arranged face opposite, and a force sensor, respectively 3 and 3 ′, has been placed on the poles, facing the shaft 14.
Ce capteur peut être, par exemple, une jauge piézo-électrique, une jauge magnéto-strictive ou une jauge extensométrique. I1 faut noter ici que si le capteur utilisé n'engendre aucun signal en absence de variation de position de l'arbre, il est nécessaire d'ajouter au signal émis par le capteur un signal correspondant à la force requise au repos du fait du poids de l'arbre. Ceci n'est pas le cas lorsque l'on utilise une jauge extensométrique. This sensor can be, for example, a piezoelectric gauge, a magneto-restrictive gauge or a strain gauge. It should be noted here that if the sensor used does not generate any signal in the absence of a variation in the position of the shaft, it is necessary to add to the signal emitted by the sensor a signal corresponding to the force required at rest due to the weight of the tree. This is not the case when using a strain gauge.
En fonction du décentrage de l'arbre 14, un régulateur 8 délivre un signal de référence de la force à appliquer à l'arbre pour le recentrer au moyen des électro-aimants 1 et 1'. Ce signal est appliqué à un répartiteur 13 qui dirige tout ou partie e ce signal vers les dispositifs de commande des électro-aimants 1 et 1' après comparaison avec les signaux issus des capteurs 3 et 3' en 61 et 62.Depending on the off-center of the shaft 14, a regulator 8 delivers a reference signal of the force to be applied to the shaft in order to center it by means of the electromagnets 1 and 1 '. This signal is applied to a distributor 13 which directs all or part of this signal to the control devices of the electromagnets 1 and 1 'after comparison with the signals from the sensors 3 and 3' at 61 and 62.
A titre d'exemple, on peut réaliser cette répartition des signaux au moyen d'éléments unidirectionnels tels que les diodes 91 et 92 comme représenté à la Figure 3. I1 est également possible d'alimenter simultanément les deux électro-aimants, c'est-à-dire en appliquant à l'arbre 14 deux forces antagonistes, ce qui donne généralement plus de souplesse à ce type d'asservissement.By way of example, this distribution of the signals can be carried out by means of unidirectional elements such as the diodes 91 and 92 as shown in FIG. 3. It is also possible to supply the two electromagnets simultaneously, that is to say that is, by applying two opposing forces to the shaft 14, which generally gives more flexibility to this type of control.
De toute évidence, il peut être nécessaire que les signaux issus des cap teurs 3 et 3' soient modifiés au mayen d'un circuit non représenté sur cette Figure et appliquant une fonction de transfert déterminée.Obviously, it may be necessary that the signals from the sensors 3 and 3 'be modified using a circuit not shown in this Figure and applying a determined transfer function.
Chacun des générateurs de courant 4 et 4' est de préférence, constitué par une source de tension continue élevée, équipée d'un hâchèur dont la commande permet de faire varier très rapidement l'intensité du courant circulant dans l'enroulement de l'électro-aimant correspondant, malgré les tensions élevées éventuellement nécessaires et dues à l'inductance de l'enroulement de l'électro-aimant. Un tel générateur de courant permet de disposer d'une réserve importante de tension et de courant nécessaire dans certains cas.Each of the current generators 4 and 4 ′ is preferably constituted by a high DC voltage source, equipped with a chopper whose control makes it possible to vary very quickly the intensity of the current flowing in the winding of the electro -magnet corresponding, despite the high voltages possibly necessary and due to the inductance of the winding of the electromagnet. Such a current generator makes it possible to have a large reserve of voltage and current necessary in certain cases.
Le circuit de commande représenté schématiquement Figure 2, diffère de celui illustré Figure 1 par le fait qu'on obtient une mesure totale des forces exercées sur l'arbre 14 par les deux électro-aimants antagonistes 1 et 1', en opposant dans le soustracteur 10 les signaux délivrés par les capteurs 3 et 3'. On obtient alors une valeur algébrique qui donne donc le module et la direction de la force.The control circuit shown diagrammatically in FIG. 2 differs from that illustrated in FIG. 1 by the fact that a total measurement of the forces exerted on the shaft 14 by the two opposing electromagnets 1 and 1 ′ is obtained, by opposing in the subtractor 10 the signals delivered by the sensors 3 and 3 '. We then obtain an algebraic value which therefore gives the modulus and the direction of the force.
Cette force mesurée est comçarée dans le carparateur 61 avec la référence de force fournie par le régulateur 8 en fonction du décentrage de l'arbre 14. Le signal d' écart est appliqué au répartiteur 13 pour commander les générateurs de courant 4 et 4' qui alimentent les électro-aimants I et 11. This measured force is combined in the carparator 61 with the force reference provided by the regulator 8 as a function of the off-center of the shaft 14. The difference signal is applied to the distributor 13 to control the current generators 4 and 4 'which supply electromagnets I and 11.
came précédemment, il est possible de remplacer le répartiteur 13 par des diodes 91 et 92 corne représenté à la Figure 4.cam previously, it is possible to replace the distributor 13 by diodes 91 and 92 horn shown in Figure 4.
En référence à la Figure 3 représentant schématiquement une boucle d'asservissement mettant en oeuvre des circuits de commande de l'alimentation conformes à l'invention, les capteurs de force sont représentés sous les références 31 et 32. Cette boucle se compose, en pratique, de deux sous-systèmes. Le premier sous-système est bien connu dans l'Art
Antérieur. Il conporte un circuit 6 de détection de la position de l'arbre qui délivre un signal qui est appliqué à un comparateur 7 pour déterminer l'écart entre la position réelle et la position de référence.Referring to Figure 3 schematically showing a control loop implementing power control circuits according to the invention, the force sensors are shown under references 31 and 32. This loop consists, in practice , of two subsystems. The first subsystem is well known in the art
Prior. It includes a circuit 6 for detecting the position of the shaft which delivers a signal which is applied to a comparator 7 to determine the difference between the actual position and the reference position.
Le signal correspondant à cet écart est appliqué à un circuit de régulation 8 à action proportionnelle, intégrale et dérivée dont le but est de donneur au palier une raideur importante en fonctionnement statique, ainsi qu'une réponse très rapide en fonctionnement à fréquence élevée des variations de position de l'arbre, et une stabilité correcte en boucle fermée,
Le second sous-ensemble comporte lui-même deux branches de manière à traiter séparément la partie négative et la partie positive du signal issu du circuit de régulation 8 et, par suite, à alimenter respectivement l'un ou l'autre des électro-aimants opposés d'un axe de régulation. Ce traitement séparé est illustré symboliquement par les diodes 91 et 92 respectivement disposées en série dans chacune des branches.The signal corresponding to this difference is applied to a regulation circuit 8 with proportional, integral and derived action, the aim of which is to give the bearing a significant stiffness in static operation, as well as a very rapid response in operation at high frequency of variations. position of the shaft, and correct stability in closed loop,
The second sub-assembly itself comprises two branches so as to separately process the negative part and the positive part of the signal from the regulation circuit 8 and, consequently, to supply respectively one or the other of the electromagnets opposite of a regulation axis. This separate processing is symbolically illustrated by the diodes 91 and 92 respectively arranged in series in each of the branches.
Chaque branche carprend d'abord un comparateur 61, 62 auquel sont appliqués, d'une part le signal de référence issu du circuit de régulation 8 et, d'autre part, le signal engendré par le capteur de force 31, 32 levez tuellement après amplification ou modification (fonction de transfert) en 71,72. Le signal issu du comparateur 61, 62 est donc un signal représente tatif de l'écart entre la force de référence et la force réelle.Ce signal est appliqué à un circuit de régulation à action proportionnelle intégrale et dérivée 21,22 de manière à déterminer le signal utile pour la branche.La force magnétique résultant des électro-aimants 11, 12 étant proportionnelle au carré de l'intensité du courant circulant dans les enroulements correspondants, il est préférable d'utiliser un générateur de courant constitué par une source de tension élevée pourvue d'un hâcheur avec une boucle de contre-réaction en courant, représentée schématiquement en 41,42, et commandé par l'intermédiaire d'un circuit 51, 52 assurant la fonction racine carrée, la fonction inverse (l'élévation au carré réalisée par l'électro-aimant lui-même) étant symboliquement effectuée en 81, 82, pour que la boucle de force soit fermée. Sous la référence 9 est symboliquement représentée la force d'inertie et d'aocélération de l'arbre.Each branch first comprises a comparator 61, 62 to which are applied, on the one hand the reference signal coming from the regulation circuit 8 and, on the other hand, the signal generated by the force sensor 31, 32 lift up afterwards amplification or modification (transfer function) in 71.72. The signal from the comparator 61, 62 is therefore a signal representing the difference between the reference force and the real force. This signal is applied to a regulation circuit with proportional integral and derivative action 21,22 so as to determine the useful signal for the branch. The magnetic force resulting from the electromagnets 11, 12 being proportional to the square of the intensity of the current flowing in the corresponding windings, it is preferable to use a current generator constituted by a voltage source high equipped with a chopper with a current feedback loop, shown schematically in 41,42, and controlled by a circuit 51, 52 ensuring the square root function, the inverse function (the elevation at square produced by the electromagnet itself) being symbolically performed at 81, 82, so that the force loop is closed. Under the reference 9 is symbolically represented the force of inertia and aoceleration of the shaft.
Pour tenir compte du poids de l'arbre dans le palier, notamment lorsque l'on utilise comme capteur une jauge non extensanétrique, on peut ajouter aux comparateurs 61,62 un signal représentatif de ce poids.To take account of the weight of the shaft in the bearing, in particular when a non-extensometric gauge is used as the sensor, a signal representative of this weight can be added to the comparators 61,62.
La Figure 4 représente schématiquement une boucle d'asservissement réalisée conformément au schéma de la Figure 2. Les mêmes références désignent les mêmes éléments que sur les autres figures. Dans le cas présent, le répartiteur 13 a été remplacé par les diodes 91 et 92.Figure 4 shows schematically a control loop produced in accordance with the diagram of Figure 2. The same references designate the same elements as in the other figures. In the present case, the distributor 13 has been replaced by diodes 91 and 92.
Le capteur extensométrique indique non seulement la force d'attraction de l'électro-aimant sur l'arbre, mais également les forces d'inertie dues aux vibrations. On peut réduire considérablement l'importance de ces dernières dans la mesure de la force, en plaçant les capteurs le plus possible vers l'extrémité de l'électro-aimant en regard de 11 arbre. The strain gauge not only indicates the force of attraction of the electromagnet on the shaft, but also the forces of inertia due to vibrations. The importance of the latter can be considerably reduced in measuring the force, by placing the sensors as close as possible towards the end of the electromagnet opposite the shaft.
En opposant les signaux des capteurs placés sur les électro-aimants antagonistes, on élimine les erreurs dues aux vibrations synchrones des deux électro-aimants, ainsi d'ailleurs que les effets de température. Le signal obtenu en 10 (Figures 2 et 4),différence des indications des deux capteurs, donne une mesure algébrique de la force, c'est-a-dire en module et en direction et c'est ce signal qui doit être appliqué au ccwparateur 61 (Figures 2 et 4).By opposing the signals from the sensors placed on the opposing electromagnets, errors due to synchronous vibrations of the two electromagnets are eliminated, as well as temperature effects. The signal obtained in 10 (Figures 2 and 4), unlike the indications of the two sensors, gives an algebraic measure of the force, that is to say in modulus and in direction and it is this signal which must be applied to the comparator 61 (Figures 2 and 4).
Bien que seul un mode de réalisation de l'invention ait été décrit, il est évident que toute modification apportée par l'Homme de l'Art dans le même esprit ne sortirait pas du cadre de la présente invention. Although only one embodiment of the invention has been described, it is obvious that any modification made by those skilled in the art in the same spirit would not depart from the scope of the present invention.
Claims (5)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR8506710A FR2581462B1 (en) | 1985-05-03 | 1985-05-03 | CONTROL CIRCUIT FOR A MAGNETIC BEARING |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR8506710A FR2581462B1 (en) | 1985-05-03 | 1985-05-03 | CONTROL CIRCUIT FOR A MAGNETIC BEARING |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| FR2581462A1 true FR2581462A1 (en) | 1986-11-07 |
| FR2581462B1 FR2581462B1 (en) | 1989-02-10 |
Family
ID=9318910
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| FR8506710A Expired FR2581462B1 (en) | 1985-05-03 | 1985-05-03 | CONTROL CIRCUIT FOR A MAGNETIC BEARING |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| FR (1) | FR2581462B1 (en) |
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- 1985-05-03 FR FR8506710A patent/FR2581462B1/en not_active Expired
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Also Published As
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|---|---|
| FR2581462B1 (en) | 1989-02-10 |
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