Integrated robust position sensor with Kalman filter applied in magnetic bearings

• Applicant: Professor Dr.-Ing. Wilfried Hofmann, since 1/2008
• Subject Area: Automation, Mechatronics, Control Systems, Intelligent Technical Systems, Robotics
• Term: from 2003 to 2008
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 5414577

Die aktive Magnetlagerung von Rotoren ist strukturinstabil und erfordert einen Regelkreis, bei dem das Lagesignal zurückgeführt wird. Das Lagesignal kann mit Hilfe einer aufwendigen Messanordnung bestehend aus Sensorring und Messspur bereitgestellt werden. Ziel des Vorhabens ist es, diesen Aufwand entscheidend zu senken und bisher bekannte funktionelle Nachteile, wie Nichtkollokation von Mess- und Einwirkungsstelle, die sich aus konstruktiven Zwängen ergeben, zu vermeiden. Zunächst wird ein einfacher Lagesensor auf kapazitiver Basis untersucht. Dieser wird in Form von Kupferfolien direkt in den Luftspalt des Lagers integriert. Es ist zu erwarten, dass die Qualität des Lagesignals infolge funktioneller Einschränkungen nicht an die externer - bereits eingebauter - kapazitiver Sensoren heranreicht. Durch Modifikationen in der Auswerteschaltung und Berücksichtigung von Störeffekten (z.B. Wirbelströme in den Folien) soll das Wegsignal verbessert werden. In einem zweiten Schritt wird ein digitales Kalmanfilter zur Schätzung der Systemzustände entwickelt, das auf Mess- und Systemrauschen abgestimmt wird und zur optimalen Filterung der Störsignale dient. Die dadurch verbesserte Messqualität soll zur Erhöhung von Genauigkeit und Robustheit der Lagerung von rotierenden Wellen auf der Basis einer klassischen Kaskadenregelung beitragen. Als Sonderfall soll ein reduziertes Kalmanfilter entworfen und erprobt werden, bei dem die Lage der Welle allein aus der vorgegebenen Spannung und dem Steuerstrom geschätzt werden kann. Zur direkten Beeinflussung der Pollagen und des Störverhaltens gegenüber Rauschsignalen wird in einem dritten Schritt der stochastische Zustandsschätzer mit einer Zustandsregelung (LQG-Linear Quadrature Gaussian) kombiniert. Maßnahmen zur Erhöhung der Robustheit gegenüber Parameteränderungen sollen abschließend näher studiert werden, indem ein abgerüstetes adaptives Kalmanfilter zum Einsatz kommt.

• DFG Programme: Research Grants
• Ehemaliger Antragsteller: Dr.-Ing. Bertram Frei, from 10/2007 until 12/2007