Regelung von magnetgelagerten Rotoren für den Einsatz in Turbomolekularpumpen

Abstract

Aktive Magnetlager werden häufig für die Lagerung rotierender Wellen eingesetzt, falls ein reibungs- und verschleißfreier Betrieb gefordert wird. Das Wegfallen nötiger Schmierstoffe begünstigt den Einsatz aktiver Magnetlager in der Beschichtungs- und Halbleitertechnik. Für diesen Einsatzzweck werden Magnetlager oftmals zur Stabilisierung von Rotoren in Turbomolekularpumpen zur Erzeugung von Vakuum eingesetzt. Diese Arbeit beschäftigt sich daher mit der Entwicklung und Analyse von Regelungsmethoden zur Stabilisierung solcher Rotoren. Die Zielsetzung liegt dabei nicht ausschließlich in der Entwicklung der bestmöglichen Regelung, sondern auch in der Berücksichtigung der Implementierbarkeit für den industriellen Einsatz. Aus diesem Grund muss neben einer guten Performance auch eine schnelle Berechnung in einem digitalen Signalprozessor garantiert sein. Der erste Teil dieser Arbeit beschreibt die nötigen Grundlagen magnetgelagerter Rotoren. Mithilfe dieser grundlegenden Kenntnisse wird im nächsten Abschnitt die Modellierung eines Magnetlagersystems durchgeführt. Dabei wird zu Beginn ein elastisch gelagerter Rotor behandelt und dieser im Anschluss um eine magnetische Lagerung erweitert. Das Hauptaugenmerk dieser Arbeit liegt auf der Auslegung einer Regelung für magnetgelagerte Turbomolekularpumpen. Zu Beginn werden die Nachteile einer rein dezentralen Regelung in diesem Anwendungsbereich beschrieben. Als erster Versuch zur Entwicklung einer stabilisierenden Regelung wird die LQG-Methode verwendet. Diese Methode zieht in Kombination mit der Stabilisierung der flexiblen Eigenschaften des Rotors jedoch Probleme mit sich. Daher wird für die Regelung im gesamten Betriebsbereich eine entkoppelte Regelung, basierend auf der inversen Dynamik des Magnetlagersystems, verwendet. Mit dieser Methode werden zwei verschiedene Rotoren von Turbomolekularpumpen stabilisiert. Der wichtigste Unterschied für die Auslegung der Regelung beider Rotoren liegt in den unterschiedlichen Resonanzfrequenzen aufgrund der Turbinenschaufeln. Im Gegensatz zum zweiten Rotor liegen beim ersten Rotor die Resonanzfrequenzen weit oberhalb der Bandbreite der Regelung. Die Performance und die Robustheit der entwickelten Regelung wird für die Anwendung an beiden Turbomolekularpumpen mit Simulationsergebnissen und experimentellen Ergebnissen verifiziert. Die Positionsregelung alleine garantiert noch kein ausreichend gutes Laufverhalten des Rotors im gesamten Betriebsbereich. Aufgrund der mit steigender Drehzahl höher werdenden Unwuchtvibrationen ist eine Unwuchtkompensation nötig. Für den höheren Drehzahlbereich wird eine sogenannte Force-Free Regelung eingesetzt, welche die Aufgabe besitzt, den Unwuchtanteil des Sollstroms zu minimieren. Aufgrund der Verschlechterung des dynamischen Verhaltens der Force-Free Regelung für sinkende Drehzahlen, wird für diesen Drehzahlbereich eine Vibrationsregelung verwendet. Diese Vibrationsregelung besitzt im Gegensatz zur Force-Free Regelung die Aufgabe der Minimierung der Unwuchtvibration und benötigt daher vergleichsweise hohe synchrone Ströme. Beide Kompensationsmethoden benötigen zur Berechnung entweder die aktuelle Drehzahl, oder den aktuellen Drehwinkel. Um das Magnetlager auch bei einer fehlerhaften Kommunikation zwischen Magnetlager und Motorregelung betreiben zu können, wird zusätzlich zu der Unwuchtkompensation ein Unwuchtbeobachter entwickelt. Die Robustheit und die Performance der entwickelten Unwuchtkompensation und des Unwuchtbeobachters werden mittels Simulations- und experimentellen Ergebnissen nachgewiesen.

Magnetic bearings are used in applications where an almost frictionless or wearless operation is required. In this context, active magnetic bearings (AMBs) are used with increased regularity. In many applications, like the semiconductor industry or the coating industry, lubricants should be avoided. Therefore, active magnetic bearings are often used in the application field of turbo molecular pumps. Thus, this thesis deals with the development and the evaluation of control structures for magnetically stabilized rotors of turbo molecular pumps. The purpose of the closed loop system lies not only in an optimal controller. Further, it should also be possible to run the developed control structure on a cost effective industrial hardware. Therefore, a short processing time of the implemented control structure is additionally required. The first part of the thesis describes the basic equations to understand the physical background of magnetically stabilized rotors. The active magnetic bearing system is modelled based on this equation. To understand the characteristics of a high speed running rotor, the rotor is first stabilized with elastic mechanical bearings. Afterwards the elastic mechanical bearings are exchanged with active magnetic bearings. The main focus of this thesis is the development of a control structure for the application field of turbo molecular pumps. First disadvantages of the decentralized control strategies in this application field are given. The first approach of controller design is the usage of a linear quadratic Gaussian controller for the rigid body part in combination with stabilizing filters for the flexible modes. However, this combination shows problems in the high speed range. Therefore, a decoupling approach is used in a next step. This control strategy is based on the inverse dynamic of the system. Using this decoupling method two different rotors of turbo molecular pumps are stabilized. The main difference of this two rotors lies in the frequency range of the resonance frequencies caused by the blade wheel. The performance and the robustness of the developed control strategy are verified using simulation and experimental results. At higher speeds, vibrations caused by mass unbalance are a common problem in magnetic bearing applications. Thus, a so called unbalance compensation is necessary in some operating ranges. For the high speed range a Force-Free controller is used. The task of this structure is the minimization of the unbalance part of the current signal. The dynamic performance decreases with a decreasing angular velocity. To overcome that problem a vibration controller is used in the low speed range. In contrast to the force free controller, the vibration controller has the task to minimize the unbalance part of the position signal. Thus, the vibration controller requires high currents, which could lead to a saturation of the actuators. Both unbalance compensation structures require the actual angular velocity, or the actual rotor angle for calculation. In order to run the magnetic levitation independent of the motor controller, the unbalance controllers are extended with an unbalance observer. This unbalance observer has the task to estimate the actual angular velocity and the actual rotor angle. The robustness and performance of the developed unbalance controller in combination with the unbalance observer are verified using simulation and experimental results.