FR2643692A1 - Appareillage d'auto-equilibrage du rotor d'une machine a paliers magnetiques - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un appareillage d'auto-équilibrage du rotor d'une machine à paliers magnétiques, de telle sorte que le rotor tourne autour de son axe d'inertie à la place de son axe géométrique. L'appareillage comprend une servo-boucle de commande comprenant des détecteurs 10, 12 du déplacement radial du rotor par rapport à son axe de rotation de façon à produire des signaux d'erreur de position radiale, un capteur 38 de vitesse de rotation du rotor 13, un circuit 18 d'excitation des paliers magnétiques 20, 22, et un premier et un second filtre adaptatif 34, 36 branchés entre les détecteurs 10, 12 et le circuit de commande 18 de façon à réagir aux signaux d'erreur de position pour produire des signaux agissant sur le circuit de commande, le gain de la boucle de commande étant ramené à zéro non seulement pour la fréquence fondamentale de la vitesse de rotation mais pour tous ses harmoniques.

Description

La présente invention concerne d'une façon géné-

rale des appareillages pour équilibrer le rotor d'un sys-

tème de suspension magnétique comportant un palier magné-

tique, et plus particulièrement un appareillage d'auto-

équilibrage du rotor de telle sorte qu'il tourne autour de

son axe d'inertie à la place de son axe géométrique.

Dans un système de suspension d'un élément rota-

tif tel que le rotor d'une machine électromagnétique, l'é-

quilibrage du rotor pose un problème puisqu'il est virtuel-

lement impossible d'usiner et monter un rotor dans des

paliers de telle sorte que l'axe d'inertie du rotor coïnci-

de exactement avec l'axe de rotation défini par les paliers.

La non-coïncidence résultante se traduit par des vibrations indésirables et une perte de puissance. Pour remédier à ce problème, de gros efforts ont été consacrés à l'équilibrage mécanique du rotor avec une haute précision et une grande sensibilité; cependant, il est virtuellement impossible de compenser des déformations thermiques ou imputables au vieillissement et en outre la compensation ne peut pas

toujours être faite pour toutes les vitesses de fonctionne-

ment. Avec le perfectionnement des paliers magnétiques pour la suspension d'un rotor, lecistence d'un déséquilibre dans le rotor fait en sorte que ce dernier ait tendance à tourner autour de son axe d'inertie à la place d'un axe désiré de rotation défini par les paliers. Lorsqu'une telle

condition existe, il est possible de la compenser en détec-

tant la position du rotor pour tout écart par rapport à sa

position axiale prédéterminée et par génération correspon-

dante de signaux d'excitation qui sont appliqués aux enrou-

lements du palier de façon à ramener l'axe de rotation dans

la position d'alignement correct.

Une technique connue pour compenser des perturba-

tions de synchronisme d'un rotor qui est supporté par un palier magnétique radial est décrite dans le brevet US 4 121 143, ayant pour titre " Device for compensating synchronous disturbances in the magnetic suspension of a rotor " ( Dispositif de compensation de perturbations de synchronisme dans la suspension magnétique d'un rotor), délivré à H. Habermann et al. le 17 Octobre 1978. Comme décrit dans ce brevet, un filtre à encoche de poursuite selon deux axes,-constitué par deux intégrateurs passe-bas et par deux résolveurs, est connecté dans une boucle de réaction à deux axes, qui est couplée dans les boucles de commande de positions selon les axes X et Y, faisant partie du système de commande de paliersmagnétiques. Le filtre à

encoche de poursuite réduit le gain de la boucle de comman-

de à la fréquence de rotation du rotor, en permettant ainsi au rotor de tourner autour de son axe d'inertie à la place de son axe géométrique. Cela réduit à son tour les forces de réaction et les vibrations transmises au stator, de sorte que l'énergie dissipée dans le système de commande est également réduite. Une limitation intrinsèque existe dans un tel système du fait que, puisque des résolveurs multiplient leurs entrées respectives par les facteurs sinus ut et cosinus w t, o C est proportionnelle.à la vitesse de rotation du rotor, et puisqu'ils produisent en conséquence une paire de signaux de sortie utilisés dans la boucle de réaction, la réduction du gain de boucle peut

seulement se produire à la fréquence fondamentale de rota-

tion J. En conséquence, des déséquilibres et des asymétries

qui correspondent à des harmoniques supérieures de la fré-

quence fondamentale de rotation transmettront encore des forces de vibration au stator et feront par conséquent en sorte que le système de commande dissipe obligatoirement de

l'énergie pour tenter de s'opposer auxdites forces.

Un objet principal de la présente invention est par conséquent d'apporter un perfectionnement à la commande d'un système de suspension magnétique pour un rotor qui est

supporté par un palier électromagnétique radial.

Un autre objet de l'invention est d'apporter un perfectionnement à l'autoéquilibrage d'un rotor dans un

système à paliers magnétiques.

Encore un autre objet de l'invention consiste à apporter un perfectionnement à un système d'auto-équilibra- ge du rotor suspendu magnétiquement afin de permettre au rotor de tourner autour de son axe d'inertie à la place de

son axe géométrique.

Et encore un autre objet de l'invention consiste à apporter un perfectionnement à l'auto-équilibrage d'un

système à paliers magnétiques, qui opère de façon à élimi-

ner des vibrations externes et à réduire la consommation -

d'énergie. En bref, les objets définis ci-dessus et d'autres sont réalisés par l'inclusion d'un éliminateur de bruit adaptatif dans les boucles de commande de positions selon

les axes X et Y d'un palier magnétique utilisé pour posi-

tionner un rotor, chacun des éliminateurs de bruit adapta-

tifs recevant une impulsion de synchronisation'de rotor qui est engendrée par un dispositif qui capte la vitesse de rotation du rotor. Le signal de sortie de l'éliminateur de bruit est réglé automatiquement par l'inclusion dtun filtre adaptatif faisant intervenir un algorithme de carré moyen minimal pour ramener le gain de la boucle de commande à zéro non seulement pour la fréquence fondamentale de la

vitesse de rotation mais pour toutes ses fréquences harmo-

niques.

D'autres caractéristiques et avantages de l'inven-

tion seront mis en évidence dans la suite de la description

donnée à titre d'exemple non limitatif, en référence aux dessins annexés dans lesquels: la figure i est un schéma électrique à blocs représentant

un circuit connu de l'art antérieur pour effectuer un auto-

équilibrage d'un rotor; la figure 2 est un schéma électrique à blocs représentant la réalisation préférée de l'invention; et la figure 3 est un schéma électrique à blocs représentant

un des filtres adaptatifs indiqués sur la figure 2.

En référence maintenant aux dessins, on va d'abord considérer la figure 1 qui représente un circuit du type décrit dans le brevet des Etats Unis n 4 121 143 pour compenser des perturbations de synchronisme dans le système de suspension magnétique d'un rotor qui est supporté par

un palier magnétique radial.

Comme indiqué sur la figure 1, les références numériques 10 et 12 désignent des détecteurs de positions

d'un rotor suspendu magnétiquement 13 selon un axe horizon-

tal X et un axe vertical Y mutuellement orthogonaux. Les signaux de sortie des détecteurs 10 et 12 qui représentent des positions selon l'axe X et l'axe Y sont appliqués à des entrées correspondantes respectives de deux additionneurs de

signaux 14 et 16 qui reçoivent en outre des signaux d'en-

trée provenant des sorties X1et Y1 du second résolveur R2 faisant partie d'une paire de résolveurs de signaux R1 et R2. Les résolveurs sont des dispositifs bien connus dans

l'art antérieur pour convertir un signal de vecteur tour-

nant, par exemple, en deux signaux composants respective-

ment horizontal et vertical. Les signaux de sortie des additionneurs 14 et 16, qui comprennent les signaux de différences Xset Ys, sont appliqués aux entrées du premier

résolveur R1 et également à l'entrée d'un circuit de com-

mande 18. Le circuit de commande opère de manière à exciter des ensembles de paliers magnétiques 20 et 22 correspondant aux axes X et Y et exerçant des forces d'attraction sur le

rotor 13.

Le rotor 13 est accouplé mécaniquement avec les deux résolveurs R1 et R2 et les fait tourner à l'unisson à

une fréquence angulaire O, X étant égal à 21rf et f repré-

sentant la fréquence de rotation. Les signaux de sortie X et Y du résolveur R sont respectivement appliqués à deux filtres passe-bas de façon à produire à la sortie des signaux X1 et Y1 qui sont appliqués aux deux entrées du second résolveur R2. En service, le résolveur R1 produit des signaux de sortie X et Y correspondant aux expressions suivantes: X = Xscos wt + Yssin Wt Y = -X sin ot + Y coscit s s Puisque les axes X et Y sont perpendiculaires à l'axe de rotation du rotor, tout déséquilibre produit des signaux d'erreurs dispersés ayant une fréquence égale à la vitesse de rotation du moteur. La conversion effectuée par le résolveur R1 rend effectivement le déséquilibre fixe par

rapport au rotor.

Ensuite les signaux X et Y filtrés sortant du résolveur R1 sont appliqués au second résolveur R2, qui produit une conversion inverse de celle du résolveur R1 et qui applique aux additionneurs 14 et 16 des signaux X1 et Y1 correspondant aux expressions suivantes: - X1 = -X'cosL t + Y'sinw t

Y1 = -X'sincit + Y'cosOt.

En conséquence, on obtient un effet qui se manifeste comme

si on superposait aux signaux X et Y des signaux de compen-

sation représentant un déséquilibre fictif compensant le

déséquilibre réel.

Bien que le circuit indiqué sur la figure 1 repré-

sente les résolveurs R1 et R2 comme étant agencés comme des dispositifs de conversion qui sont mécaniquement accouplés au rotor 24 et entraînés par lui à la vitesse W, il est à noter que, lorsque cela est avantageux, les résolveurs peuvent être constitués par des circuits électriques de conversin qui reçoivent un troisième signal électrique

d'entrée C t qui est engendré, par exemple, par un tachymè-

tre électrique accouplé à l'arbre du rotor. Un système de

ce genre est décrit dans le brevet des Etats Unis 4 121 143.

Dans l'un ou l'autre cas, la combinaison des deux résolveurs R1 et R2 avec les filtres d'intégration 26 et 28 constitue un filtre à encoche de poursuite selon deux axes qui est connecté dans les boucles de commande de palier magnétique selon X et Y et qui opère de façon à réduire le gain de la boucle de commande à la fréquence de rotation X du rotor 24, en permettant au rotor de tourner autour de son axe

d'inertie. Pour une meilleure compréhension du type d'auto-

équilibrage qui est obtenu sur la figure 1, on pourra se

référer au brevet des Etats Unis 4 121 143 mentionné ci-

dessus.

On peut maintenir prendre en considération la

réalisation préférée de la présente invention qui est re-

présentée sur la figure 2 et dans laquelle le filtre à encoche de poursuite, constitué par les deux résolveurs R1 et R2, et les filtres passe-bas 26 et 28 de la figure 1

sont maintenant remplacés par une paire de circuits élimi-

nateurs de bruit 30 et 32 de type adaptatif, qui intervien-

nent soit dans le domaine de temps, soit dans le domaine de

fréquence et qui règlent automatiquement leur caractéristi-

que de fonctionnement pour réduire au minimum, dans la mesure autorisée par les signaux d'entrée, les amplitudes

des signaux i et Y1 appliqués au circuit de commande 18.

Le principe de l'élimination de bruit adaptative et ses

moyens de mise en oeuvre sont connus et décrits, par exem-

ple, dans une publication ayant pour titre " Adaptive Noise cancelling: Principles and applications " de B.Widrow et aL qui est parue dans Proceedings of the IEEE, volume 63,

n' 12, Décembre 1975, pages 1692-1716 et qui est-spécifi-

quement citée ici à titre de référence.

Un filtre adaptatif diffère d'un filtre fixe par

le fait qu'il règle automatiquement sa propre réponse impul-

sionnelle. Ce résultat est obtenu par l'intermédiaire d'un algorithme qui répond à un signal d'erreur dépendant, entre autres choses, du propre signal de sortie du filtre. Avec

l'algorithme correct, le filtre peut opérer dans des condi-

tions variables et il peut se égler lui-même de façon con-

tinue, en fonction de la nature de l'application, afin de

réduire au minimum un signal d'erreur à la sortie.

Dans un système d'élimination de bruit, par exem-

pie, l'objectif est de produire, pour un signal d'entrée donné représentant une référence de bruit, un système

dont le signal de sortie s'adapte le mieux, en correspon-

dance au principe du carré minimal, au signal d'entrée.

Cet objectif est atteint en renvoyant le signal de sortie au filtre adaptatif sous la forme d'un signal d'erreur et en effectuant le réglage du filtre par l'intermédiaire d'un algorithme adaptatif de carré moyen minimal (LMS), tel que celui décrit dans la publication de Widrow et al., afin de

réduire au minimum la puissance totale de sortie du systè-

me. En conséquence, dans un système adaptatif d'élimination de bruit, le signal de sortie du système sert à l'entrée

de signal d'erreur dans le processus adaptatif.

Dans la réalisation de l'invention représentée sur la figure 2, les éliminateurs adaptatifs de bruit 30 et 32 sont composés d'une paire defiltres adaptatifs 34 et 36, recevant chacun deux signaux d'entrée, notamment un signal de référence commun comprenant une impulsion de

synchronisation de rotor provenant du générateur d'impul-

sions 38 et le signal de différence respectif provenant de deux additionneurs de signaux 40 et 42. Une entrée aux additionneurs 40 et 42 comprend les signaux primaires X et Y provenant des détecteurs 10, 12 de positions du rotor selon les axes X et Y tandis que la seconde entrée, ou entrée soustractive, des additionneurs comprend les signaux respectifs Xa et Ya provenant des filtres adaptatifs 34 et 36. Le générateur d'impulsions 38 comprend un capteur

magnétique, optique ou capadtif qui est accouplé, par exem-

ple, avec l'arbre du rotor 13 et qui produit un train

d'impulsions temporelles discrètes ou bien un train d'im-

pulsions temporelles continues, avec un spectre de fréquen-

ces qui contient la fréquence fondamentale de rotation du

rotor et tous ses harmoniques.

Les filtres adaptatifs 34 et 36 des éliminateurs de bruit 30 et 32 se règlent d'eux-mêmes pour ramener zéro les amplitudes des signaux X1 ou Y1, pour la fréquence fondamentale de rotation et tous ses harmoniques, en assurant l'annulation du gain de la boucle de commande. Un autoéquilibrage, avec réduction résultante des vibrations et de la dissipation d'énergie, se produira par conséquent non seulement à la fréquence fondamentale mais également à tous ses harmoniques, au lieu de se produire seulement à la fréquence fondamentale comme décrit dans l'art antérieur précité.

Un exemple d'illustration d'un des filtres adapta-

tifs, par exemple le filtre 34, est représenté sur la figu-

re 3; cependant il est à noter que le filtre adaptatif 36

a une configuration identique. Le filtre adaptatif 34 re-

présenté est agencé sous la forme d'un filtre à ligne à retard à prises, composé de n sections de ligne à retard 441' 442, 443, '' 44n. La première section 441 reçoit le

signal de référence engendré par le générateur 38 d'impul-

sions de synchronisation de rotor représenté sur la figure 2. Les signaux de sortie de chacune des sections de filtre

441.... 44n sont respectivement pondérés par des coeffi-

cients de pondération réglables, ou des facteurs de multi-

plication réglables, WO W1.... Wn, désignés par lesaréfé-

rences numériques 461, 462, 463. 46, en réponse au signai X1 qui est le signal de sortie de l'additionneur 40 représenté sur la figure 2. Les signaux de sortie pondérés de la ligne à retard sont additionnés dans un additionneur de signaux 48 et constituent le signal X qui est appliqué à a

l'entrée de soustraction de l'additionneur de signaux-40.

Les coefficients de pondération W0 à Wn sont mis à jour de façon adaptative conformément à l'équation de différence vectorielle suivante: r(k+l) = W(k) + p.Xl(k).D(k) o W(k) = et U(k)= sWn(k)J lD(kJ n *n(k sont des vecteurs, et o Xl(k) est l'entrée d'adaptation scalaire tandis que p est un facteur scalaire contrôlant la vitesse d'adaptation du filtre. La configuration de la figure 3 définit par conséquent un moyen de réalisation d'un filtre adaptatif LMS; cependant il est à noter que des spécialistes de ce domaine peuvent facilement faire

appel à d'autres moyens pour obtenir le même résultat.

Bien entendu l'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation cidessus décrits et représentés, à partir desquels on pourra prévoir d'autres modes et d'autres formes de réalisation, sans pour cela. sortir du

cadre de l'invention.

Claims (9)

REVENDICATIONS

1. Servo-boucle de commande pour l'auto-équilibrage d'un rotor supporté par un ensemble de paliers magnétiques comprenant deux paliers magnétiques qui, lorsqu'ils sont excités, exercent des forces d'attraction sur le rotor

selon des premier et second axes mutuellement perpendicu-

laires, caractérisée en.ce qu'elle comprend: - un premier et un second moyen (10, 12) pour détecter un déplacement radial du rotor en éloignement de son axe de rotation le long desdits premier et second axes (X, Y) et pour produire respectivement des premier et second signaux d'erreur de position radiale; - un moyen de génération (38) d'un signal représentant la vitesse de rotation du rotor (13); - un circuit de commande (1B) pour exciter sélectivement les deux paliers magnétiques (20, 22) en réponse à un premier et un second signal de sortie; et - des premier et second filtres adaptatifs (34, 36) couplés entre lesdits premier et second moyens de détection (10,

12) et ledit circuit de commande (18) et réagissant respec-

tivement auxdits premier et second signaux d'erreur de posi-

tion radiale et audit signal représentant la vitesse de rotation du rotor pour produire lesdits premier et second signaux de sortie; - de telle sorte que le gain de la boucle de commande soit ramené à zéro non seulement pour la fréquence fondamentale de la vitesse de rotation mais pour tous les harmoniques de cette fréquence, en obligeant ainsi le rotor à tourner

autour de son axe d'inertie à la place de son axe géométri-

que.

2. Servo-boucle de commande selon la revendication 1, caractérisée en ce que lesdits premier et second filtres adaptatifs (34, 36) comprennent chacun une paire d'entrées et une sortie et en ce qu'il est prévu additionnellement: - un premier additionneur de signaux (40) comportant une première et une seconde entrée ainsi qu'une sortie, sa première entrée recevant ledit premier signal d'erreur de position radiale, sa seconde entrée étant reliée à la sortie du premier filtre adaptatif (34) et sa sortie étant reliée audit circuit de commande (18) ainsi qu'à une des deux entrées du premier filtre adaptatif (34), et - un second additionneur de signaux (42) comportant une première et une seconde entrée ainsi qu'une sortie, sa première entrée recevant ledit second signal d'erreur de

position radiale, sa seconde entrée étant reliée à la sor-

tie du second filtre adaptatif (36) et sa sortie étant reliée audit circuit de commande (18) ainsi qu'à une des

deux entrées du second filtre adaptatif (36).

3. Servo-boucle de commande selon la revendication 2, caractérisée en ce que l'autre des deux entrées desdits premier et second filtres adaptatifs (34, 36) reçoit ledit

signal représentant la vitesse de rotation du rotor (13).

4. Servo-boucle de commande selon la revendication 2, caractérisée en ce que ledit moyen de génération d'un signal représentant la vitesse de rotation du rotor (13) comprend un générateur d'impulsions (38) et en ce que ledit signal représentant la vitesse de rotation comprend un

signal à impulsions.

5. Servo-boucle de commande selon la revendication 2, caractérisée en ce que ladite sortie desdits premier et second additionneurs de signaux (40, 42) comprend une sortie de signal de différence entre les signaux appliqués

auxdites première et seconde entrées.

6. Servo-boucle de commande de position pour l'auto-

équilibrage d'un rotor supporté par un ensemble de paliers magnétiques comprenant une paire de paliers magnétiques (20, 22) qui, lorsqu'ils sont excités, exercent des forces d'attraction sur le rotor selon des premier et second axes mutuellement orthogonaux et perpendiculaires à l'axe de rotation du moteur, caractérisée en ce qu'elle comprend-: - un premier et un second détecteur de position (10, 12) pour détecter un déplacement radial du rotor en éloignement dudit axe de rotation selon lesdits premier et second axes (X, Y) et pour engendrer respectivement des premier et second signaux d'erreur de position radiale,

- un moyen (38) accouplé avec ledit rotor (13) pour pro-

duire un signal représentant sa vitesse de rotation, - un circuit de commande (18) pour exciter sélectivement ladite paire de paliers magnétiques (20, 22) en réponse auxdits premier et second signaux de sortie, et - des premier et second circuits adaptatifs de suppression de bruit (30, 32) couplés entre lesdits premier et second moyens de détection (10, 12) et ledit circuit de commande (18) et réagissant auxdits premier et second signaux d'erreur de position radiale et.audit signal représentant la vitesse de rotation du rotor (13) pour produire lesdits premier et second signaux de sortie, - de telle sorte que le gain de signal de la boucle de commande soit ramené à zéro non seulement pour la fréquence fondamentale de la vitesse de rotation du rotor (13) mais également pour tous ses harmoniques, en faisant ainsi en sorte que le rotor (13) tourne autour de son axe d'inertie

à la place de son axe géométrique.

7. Boucle de commande selon la revendication 6,

caractérisée en ce que chaque circuit adaptatif de suppres-

sion de bruit (30, 32) comprend: - un filtre adaptatif (34; 36) comprenant une entrée de signal de référence, une entrée de signal de réaction et une sortie, et - un additionneur de signaux (40; 42) comportant deux entrées et une sortie, - en ce que l'entrée de réaction du filtre adaptatif (34; 36) est reliée à la sortie de l'additionneur de signaux

(40; 42), l'entrée de signal de référence du filtre adap-

tatif recoit ledit signal représentant la vitesse de rota-

tion du rotor (13), et la sortie du filtre adaptatif est reliée à une entrée dudit additionneur tandis que l'autre entrée dudit additionneur reçoit un desdits premier et

second signaux d'erreur de position radiale.

8. Boucle de commande selon la revendication 7, caractérisée en ce que le filtre adaptatif fait intervenir

un algorithme adaptatif de carré moyen minimal.

9. BOucle de commande selon la revendication 7, ca-

ractérisée en ce que le filtre adaptatif opère de façon à produire un signal de sortie comprenant le carré moyen

minimal du signal appliqué à son entrée de réaction.

O10. BOucle de commande selon la revendication 7, ca-

ractérise en ce que ledit filtre adaptatif comprend une ligne à retard à prises reliée à ladite entrée de signal de référence et produisant une pluralité de signaux de sortie aux prises, des moyens répondant à un des signaux de dif:rences qui sont appliqués à ladite entrée de signaux de réaction pour pondérer de façon adaptative lesdits signaux de sortie afin d'engendrer une pluralité de signaux de

sortie pondérés, et un additionneur de signaux pour addi-

tionner lesdits signaux de sortie pondérés afin de produire un signal composite de sortie qui est appliqué à ladite

sortie du filtre.