Entwicklung einer neuen Self-Sensing-Methode basierend auf Echtzeitsignalanalyse mittels digitalem Signalprozessor

Abstract

Aktive Magnetlager ermöglichen die berührungsfreie Lagerung von Strukturen. Bei herkömmlichen Magnetlagern messen Positionssensoren die Abweichung des gelagerten Körpers von seiner Referenzposition. Ein Regler leitet aus dem Signal des Positionssensors ein Regelsignal ab, so dass der Körper in Schwebe gehalten wird. Als Positionssensoren werden meist Wirbelstromsensoren verwendet. Diese sind teuer und reduzieren durch die zusätzlich erforderlichen Komponenten (inklusive Verkabelung etc.) die Systemzuverlässigkeit. Ein weiteres Problem stellt die örtliche Trennung von Sensor und Elektromagnet dar (Dislocation), die zu Instabilitäten bei flexiblen Rotoren führen kann. Diese Nachteile lassen sich durch den Einsatz von Self-Sensing vermeiden. Beim Self-Sensing wird die Rotorposition direkt aus dem Laststrom und der treibenden Spannung im Elektromagneten ermittelt. Das Ziel der Diplomarbeit war es, neue Self-Sensing-Methoden zu entwickeln. Nach der Konzeption erfolgte eine Überprüfung der Funktionalität und der erzielbaren Genauigkeit mit Hilfe von MATLAB-Simulink-Simulationen. Dabei wurden verschiedene Einflüsse auf die Größe des Berechnungsfehlers anhand des Modells eines Lagermagneten untersucht. Die Methode mit den besten Ergebnissen wurde in ein Gesamtsimulationsmodell des institutseigenen Magnetlagerversuchsstandes integriert. Dabei wurde einerseits die Eignung der Self-Sensing-Methode zur Fehlerüberwachung integrierter Positionssensoren im Betrieb und andererseits der Self-Sensing Betrieb des Lagers ohne zusätzliche Positionssensoren untersucht. Die Ergebnisse der Simulationen wurden mit Hilfe eines Self-Sensing Versuchsstandes überprüft. Dazu wurden Messreihen bei unterschiedlichen Lastströmen und Pulsweiten aufgenommen. Hierzu wurden zum Einen die internen Sensoren der im FWF-Forschungsprojekt "A Sophisticated Concept for Supreme AMB Reliability" entwickelten Regler-Verstärker-Module (Hot Swap Controller Amplifier Module, HCA) und als Referenzsystem ein externes Messsystem verwendet.

Active magnetic bearings allow the levitation of structures without mechanical contact. In conventional magnetic bearings the controller generates and adds a control current to the bias current as the rotor deviates from its center position. Most applications use eddy current displacement sensors as position sensors. These displacement sensors are quite expensive and decreases the reliability because of the additional components (including cabling etc.). Another problem is the dislocation of the sensor and the electromagnet, which can lead to instability problems of the system. These disadvantages can be avoided by using a self-sensing- method. The concept of a self-sensing active magnetic bearing is to estimate the rotor position based on the airgap using the current and voltage signals of the electromagnetic coils. The aim of this diploma thesis was to design a new self-sensing-method. The functionality and accuracy of the different designed methods are checked by simulation. These simulations were carried out using MATLAB- Simulink. To evaluate the performance of the estimator, influences of imperfections were investigated. The developed self-sensing-method, which is working best, has been integrated within the simulation model of an active magnetic bearing test rig to investigate the performance of the test rig of the active magnetic bearing. Two different detection cases are simulated. First, self-sensing is used for error control of the position sensors, second the estimated position is used as position feedback for control. The results of the simulations are verified using a self- sensing test rig. Measurement series were recorded at different currents and pulse widths of the electromagnet. On the one hand internal sensors of the Hot Swap Controller Amplifier Module (HCA) developed in the project "A Sophisticated Concept for Supreme AMB Reliability" were used, on the other hand an external measurement system was used as a reference system.