Integrated robust position sensor with Kalman filter applied in magnetic bearings
Final Report Abstract
Die aktive magnetische Lagerung stellt eine intelligente und verlustarme Möglichkeit zur Lagerung von Rotoren dar. Da ein magnetisch gelagerter Körper jedoch ein inhärent instabiles System ist, macht sich für eine stabile Lagerung zwingend die Messung und Rückführung der Rotorlage erforderlich. Hierfür werden berührungslose Wegaufnehmer genutzt, welche die Rotorlage an Messspuren erfassen, die einen gewissen axialen Versatz zu den Magnetlagerblechpaketen aufweisen. Diese Dislokation führt zu Problemen, da jede Welle radiale Eigenschwingungen auszuführen in der Lage ist und somit die gemessene Rotorlage beträchthch von der tatsächlichen Rotorlage abweichen kann. Als wesentliches Ergebnis des Forschungsprojektes wurde gezeigt, dass es möglich ist, die Rotorlage unmittelbar am Ort der Krafteinleitung zu erfassen. Hierzu wurden kapazitive Lagesensoren in die Pollücken radialer aktiver Magnetlager integriert. Die damit hergestellte Kollokation zwischen Lager- und Sensorebene führt zu deutlichen Verbesserungen der Stabilität des Systems, die sich in einer größeren Lagersteifigkeit und -dämpfung äußern. Der einfache und robuste Aufbau der Sensoren kann sich weiterhin positiv auf die Preisstruktur von Magnetlagern auswirken. Um den durch die räumliche Nähe der Sensoren zu den Steuerwicklungen gestiegenen Rauschpegel abzusenken und dadurch die Güte der Lageregelung zu erhöhen, wurden in einem weiteren Teilprojekt verschiedene Varianten von stochastischen Zustandsschätzern implementiert. Diese berechnen anhand eines Systemmodells sowie der verrauschten Sensorsignale eine optimale Schätzung der Zustandsgrößen der magnetisch gelagerten Welle. Wie sich gezeigt hat, ist die Online-Berechnung der Schätzalgorithmen für eine vollständig magnetisch gelagerte Welle in deutlich weniger als 100 µs möglich und somit praktikabel. Das dritte Teilprojekt hatte die optimale Kombination des integrierten kapazitiven Messsystems mit einer adäquaten Regelungsstrategie zum Ziel. Da der Zustandsschätzer neben der Rotorlage auch weitere Zustandsgrößen liefert, wurde eine optimale Zustandsrückführung gewählt. Es hat sich herausgestellt, dass diese Kombination von optimaler Zustandsschätzung und -regelung den bisher standardmäßig verwendeten PID-Lageregiern überlegen ist, sowohl was die erreichbare Regeldynamik anbelangt als auch die Energieaufnahme des Magnetlagers selbst. Diese konnte durch den Einsatz der optimalen Schätz- und Regelalgorithmen teilweise um bis zu 20 % gesenkt werden.
Publications
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W. Hofmann, R. Werner, Th. Schuhmann: "Neuer Ansatz zur Lagemessung - Aktive magnetische Rotorlagerung." Antriebstechnik 44, 2005, Nr. 11, S. 80 - 82.
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Th. Schuhmann, W. Hofmann, R. Werner: "Adaptive Linear and Extended KALMAN Ffiter apphed to AMB with Collocated Position Measuring." Proceedings of the International Symposium on Magnetic Bearings (ISMBlO), Martigny, 2006.
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Th. Schuhmann, W. Hofmann, E. Fleischer: "Potentials for Reducing the Power Requirement of Magnetic Suspension Systems by implementing a Linear Quadratic Gaussian Controller." Proceedings of the 12th European Conference on Power Electronics and Apphcations (EPE), Aalborg, 2007.
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Th. Schuhmann, W. Hofmann, E. Engelhardt: "Erhöhung der Energieeffizienz schnelldrehender elektrischer Antriebe durch den Einsatz aktiver magnetischer Lagerungen." Internationaler ETG-Kongress, Karlsruhe, 2007.
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Th. Schuhmann, W. Hofmann, R. Werner: "Aktives Magnetlager mit integrierten Lagesensoren und KALMAN-Filter." Tagungsband SPS/IPC/DRIVES Nürnberg, 2005, S. 558 - 566.
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Th. Schuhmann, W. Hofmann, R. Werner: "Integration eines kapazitiven Wegmesssystems in ein aktives Magnetlager." Tagungsband Sensoren und Messsysteme 2006, Freiburg i. Br., S. 69-72.
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Th. Schuhmann, W. Hofmann, R. Werner: ,3ensor Integration and State Estimation on Magnetically Levitated Rotors." Proceedings of International Symposium on Power Electronics, Electrical Drives, Automation and Motion (SPEEDAM), Taormina, 2006, S. Sll-11 - 11-16.
