专利名称：高能效的致动器系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及根据权利要求1的前序部分的一种包括至少一个致动器和相关联控制链的致动器系统，其被设计用于至少两种操作模式，其中的至少一种操作模式可以被停用。
背景技术：
通常并且在这里也同样，“致动器”被理解为具有相关的能量调整器(典型地为放大器)的能量变换器，其将典型地由控制或调控系统供应的命令变量变换为例如用于机械系统的控制变量。一般地，这同样要求要向该致动器供应的辅助能量。“智能致动器”被理解为闭环系统，其预先确定考虑了任何干扰的具有所定义精度的所需控制信号。智能致动器使能受控制的或受调控的操作。除了致动任务之外，整合了用于自监控的诊断功能。在各种技术范围中(例如，在制造或运输领域中)，使用致动器例如以施加力(物质运输或混合、结构支撑或定位等)或者进行振动阻尼(例如，作为涡轮机转子的振动降低中的传统挤压膜阻尼器的替代品)。总体而言，致动器被用在诸如机械工程、加工工程或医药工程之类的实质上所有技术领域中。致动器可以例如根据操作原理被分类如电磁致动器、压电致动器、电致或磁致伸缩致动器、气动致动器、液压致动器等。图1为了图示说明而通过示例示意性地示出了在机电一体化系统1中嵌入的致动器2(然而，也可以提供几个致动器幻。经由连接3，致动器2向例如机械基础系统4提供控制变量，基于此，进一步在5处机械、电、和/或化学变量以及在6处外部干扰变量可以作用(act)。利用一个或几个传感器9在控制或调控链8中检测利用输出7所指示的反应 (reaction)，所述传感器一般包括换能器或转换器(transformer) 10、测量放大器11和信号处理单元12。对应的传感器或测量信号被经由连接13馈送到控制或调控系统14，该控制或调控系统14还包括用于设置值选择的输入15。该控制或调控系统14在16处将命令 (参考)值递送到制动器2，该致动器2包括信号处理单元17、能量调整器18、以及能量变换器和/或能量转换器19，并且能量在20处被供应到致动器2。电磁致动器的具体设计是例如主动磁轴承，其充当例如旋转轴的结构的无接触支撑。从EP 1 460 293 A2已知例如如上面给出的磁轴承形式的致动器，其被用于电动机/泵系统，具体地用于半导体制造中的气体抽取。为了降低由于噪声引起的不利振动，为磁轴承提供两种操作模式，即高性能模式和低功率模式。具体地，为每个绕组分配切换系统，以便取决于功率需求将具有高电压的电压源或者具有低电压的电压源连接至磁轴承的绕组。取决于所检测的电流改变速度，而实现切换。DE 10 2006 029 514 B3还描述了机动车辆中致动器的控制，其中，也提供了两种操作模式，即，用于正常操作的操作模式和第二操作模式，在诸如微控制器之类的其它组件不处于用于控制致动器的正常操作模式而例如实施自测试时，该第二工作模式具有重要性。上面叙述的两种系统没有提及降低能量消耗。用于旋转轴的径向支撑的主动磁轴承典型地包括控制器、用于确定要支撑的结构距参考位置的距离的传感器、功率放大器、电流传感器、以及轴承磁铁，所述轴承磁铁由轴承壳体中的带有被安装在磁极腿部上的线圈的铁磁定子元件、以及被安装在轴上的铁磁转子元件组成。与电动机的制造相似，该定子元件和该转子元件优选地每个由独立的薄铁磁金属片制成，每个薄铁磁金属片用于降低涡流。转子元件的金属片被圆形地设计为具有由期望的轴承负载预先确定的必要磁流量所需的板片厚度(web thickness)。轴承磁铁的定子元件同样主要由冲压的圆形独立金属片组成，所述金属片具有借助于夹钳设备被保持在一起的朝向内侧的突出(pronounced)磁极腿部。线圈位于独立的磁极腿部上，根据起重磁铁的原理通过所述线圈借助电流在转子部分上施加力。这在该示例中使能了转子结构的无接触支持。取代传统轴承中存在的轴承部分，在磁轴承中，由于包括磁滞损耗和涡流损耗的周期性磁化损耗而出现了制动转矩。借助于开关放大器的电磁铁控制使得能够将在电感中存储的能量被重新供应到中间电流。因此在电磁铁、供电线和插头连接中仅出现与负载电流成比例的欧姆损耗。通过所谓的混合磁轴承来使得能够降低支撑所需的能量量，所述混合磁轴承包括用于提供静态支承力的永磁轴承、和主动磁轴承。在该连接中通过在静态负载条件下相当低的线圈电流来节省能量。开关放大器中的损耗实质上包括传导损耗、切换损耗以及驱动器电路损耗。传导损耗与在相应的操作状态下导通的相应的功率半导体上的电压降成比例，并且与负载电流成比例。切换损耗取决于负载电流，并且与切换频率和中间电路电压直接成比例。在利用直接数字控制的已知开关放大器概念中，中间电路电压的额定值(rating) 以及切换频率的额定值与所需的最大控制动态范围(dynamics)协调地出现。在部分负载条件下，即在不需要主动磁轴承的完全控制动态范围时，例如在比最大转子速度小的速度处，将出现不必要的高损耗。总体而言，可以说通常的致动器被设计为针对最差情况的操作状态，例如，最大所需力、横动速率、功率、动态范围等。在部分负载范围中，这导致高能量固有消耗，这是因为控制、功率控制和致动器典型地利用对于最差情况所需的恒定参数来工作，所述恒定参数诸如数字控制的采样速率、功率开关放大器或功率变换器(逆变器)的切换频率、中间电路电压等等。对于具有不同操作状态的应用，以及在诸如结构的主动磁支撑之类的所有应用中，其中，当经过临界转子速度时，需要非常高的支承力，然而在大多数操作模式中，需要大大降低的支承力，结果将是偏离最差情况操作点的致动器的不必要的高功率损耗。因此，通过致动器连同控制的专门设计，期望使得能够大量降低部分负载范围中的功率损耗，并且以此使能对于致动器应用的生态且经济的解决方案。除了基于已经被使用了超过30年的P(I)D位置控制器的控制之外，很长时间，现在已经使得使用以下可能性选择性地修改轴承刚度以及借助于主动磁轴承进行阻尼和/ 或将力施加在转子上，以便改进运行特性。支承力的大量降低以及因此支撑所需的能量需求的大量降低源自转子关于其惯性主轴的支撑。从陷波滤波器的典型应用(参见，Knospe,C. R.，"Reducing unbalance response with magnetic bearings，，，Int. Rep. , Center for Magnetic Bearings, University of Virginia, VA, 1992)开始，已经开发了多种用于不平衡补偿的自适应方法。在例如 Herzog, R.等的"Unbalance compensation using generalized notch filters in the multivariable feedback of magnetic bearings，，；IEEE Transactions on control systems technology, vol.4, No. 5，1996年9月中，提出了利用“一般化陷波滤波器”的概念，其使用两级调制方法，所述两级调制方法通过引入取决于速度的因子而被适配于不平衡励磁的可变频率。为了控制混合磁轴承而提出的“Adaptive Vibration Control" (AVC) (参见 Betschon, F. , "Design Principles of Integrated Magnetic Bearings，，， Dissertation, ETH Zurich, 2000, pp 78-86 ；99-102)使得能够相对于停用 AVC 将线圈电流降低高达90%。这进一步示出对于最优AVC功能，相对于转子速度，传感器信号的数字化速率、控制采样速率、以及切换频率要被选择为高出至少因子6倍。显著的是理想化结构在空闲期间的开关放大器损耗和铁损耗之和已经达到在平均转子速度处出现的总能量消耗的92%。关于在现有技术中使用的功率放大器，模拟放大器一般具有尤其在部分负载范围中具有高功率损耗的缺点对于感应负载而言，将在该感应负载中存储的能量重新馈送到中间电路是不可能的，这导致功率损耗的进一步增加；以及数字控制器的直接数字控制是不可能的，这要求附加组件并且可能导致更差的信号质量。G类放大器要么具有不同的固定的中间电路电压(包括缺点高开销以及因此用于实现通常所需的多个中间电路电压电平的高成本)，要么具有可变的中间电路电压(由此中间电路电压电平取决于输入信号电平，具有以下缺点信号增加速度以及因此动态范围受限于中间电路电压的转变速率)。如果D类放大器具有不同的固定的中间电路电压，则该缺点也导致在D类放大器形式下的开关放大器的情况。在音频放大器中，通过修改中间电路电压来控制音量，其具有以下缺点不可获得中间电路电压控制的高控制动态范围(尽管在用于音量控制的应用中不以此为目的)。还提出了作为模拟放大器和数字放大器的组合的混合放大器，参见例如ERTL，H.， J. KOLAR禾口F. ZACH，“A New Ikff Class-D Supported Linear Power Amplifier Employing a Self-Adjusting Ripple Cancellation Scheme，，，Proc. of the 29th International Conference on Power Electronics and Intelligent Motion (PCIM), Nuremberg, Germany, 1996年5月21-23日。混合放大器(H类放大器)的基本思想在于如图2中所示，作为“主”的线性放大器21在输出端22给出输出电压(或输出电流Ilin_)，作为“从” 的开关放大器23为负载M供应必需的输出电流Iswit。h。整体上，电流
Itotal I linear+1 switch
被供应给该负载Μ。因此，混合放大器组合了低功率损耗和高输出信号质量的优点。线性放大器21可以被看作有源滤波器，其尽可能好地补偿开关放大器的电流波动部分(“电流纹波”)和调制噪声。然而，缺少直接控制的可能性构成了混合放大器的缺点。在WASSERMANN，J.禾口 SPRINGER，H. 〃 A Linear Power Amplifier with Current Injection(LACI) for Magnetic Bearings” (SCHWEITZER, G.，R. SIEGffART 禾口R. HERZOG(编辑):Proc. of Fourth Int. Symp. on Magnetic Bearings，pp 371-376， Zurich，Switzerland,1994 年 8 月 23-26 日.Int.Center for Magnetic Bearings，Swiss Federal Institute of Technology (ETH) Zurich, Hochschulverlag, ETH Zurich)中提出了混合放大器的替代概念。这里，取决于操作条件(静态、准静态、或高动态)的逻辑控制要么激活模拟放大器部分(具有低中间电路电压)，要么激活开关放大器部分(具有高中间电路电压)。该概念使能了用于基本负载的高输出信号质量；然而，无论何时需要高力增加速度，信号质量都由于开关放大器的自动接通而劣化。因此，尽管存在依据现有技术的用于获得具有较低功率损耗的致动器系统的许多和多种多样的提议，仍继续需要高能效的致动器系统，由此进一步希望高控制动态范围、以及在加速时对应信号管理还连同对应信号质量。
发明内容
现在，本发明目的是提出一种上面给定类型的致动器系统，其通过高能效和/或低能量消耗和低功率损耗而区分，由此同样能够获得高控制动态范围。为了解决所提出的目的，本发明提供了如权利要求1给定的致动器系统。在从属权利要求中限定了有利实施例和进一步发展。在所提出的致动器系统中，控制链被设计用于两种或多种操作模式，其中的至少一种操作模式可以取决于需要而被停用和/或激活，一种操作模式是高效率操作模式，其中确保了具有尽可能低的功率损耗以及具有高度效率的操作模式，其中影响变量和参数被最优地适配于每种操作条件。另一操作模式优选地是高功率操作模式，无论何时要求高功率都激活该模式。在正常操作期间，当不需要这种高功率或最大功率时，该高功率操作模式被得当地停用。为了对于每种操作模式使能被最优化的适当操作，为每种操作模式提供其自身的相关致动器同样是有利的。取决于致动器系统，该致动器被以本身已知的方式(例如利用压力汽缸)设计为压电变换器等。然而，利用具体优点，可以将本发明与电磁铁联合应用 (具体地用于磁轴承(优选地混合磁轴承))；例如，磁轴承可以分配给储能转子(所谓的 “飞轮”)。储能转子可以包括由碳纤维材料(使能尤其高的速度)制成的主体。以此方式， 例如可以获得以20，000到40，000转每分(以及更高)运行的转子，由此首先在转子的旋转速度中存储了动能。另一优点是当控制链被布置来控制、搜索并保持具体地针对最优能效的相应最优操作点时。在该实施例中，例如在操作点由于温度改变等而偏移时，控制链找到新操作点， 然后再次将操作稳定化在最小的能量开销处。相应地，具体有利的实施例的区别在于控制链包括调整在下游连接的控制器的设置值的最优化控制器，由此致动器及其能量调整器的能量消耗将变得最小。具体地，在飞轮转子的情况下(但在其它应用下同样)，如果针对任何故障提供优选地具有高功率控制的至少一个冗余的可连接致动器，则对于安全因素而言是更合适的。优选地，控制链中的至少一个元件被一式两份地设计以便获得两种操作模式；然而，可能有利的是一式两份或一式多份地提供控制链中的所有元件从而确保相应操作模式下的最优化操作模式。具体地，如果控制链被设计为检测要求激活非活动操作模式的操
6作情况，也是有利的。优选地，为致动器控制提供开关放大器全桥。本致动器系统还可以在优选实施例中看到，所述致动器系统包括至少一个部分致动器，其在所述致动器系统的所有操作模式下在每种情况下工作于最优(尤其最高能效的)操作模式，从而确保尽可能高的效率程度和/或尽可能低的功率损耗。可具体想到下面的实施例和/或因变量和参数-致动器的简单或多种构造；例如，致动器可能包括用于生成力的两类控制元件， 即一方面，用于例如主动磁或混合轴承中的标准操作的具有低力和最小损耗的高效率致动器元件；另一方面，用于在需要时(例如，在启动转子时，在吸收外部扰动力(例如，地震)时，或者在应急运行期间)生成大力的高功率致动器元件。-借助于高效的开关放大器/DC斩波器变换器组合，以尽可能低的功率损耗控制致动器，具体地利用眷被适配于相应的操作条件下所需的动态范围的(最小)中间电路电压、以及在需要的情况下实施的到最大中间电路电压的立即切换；眷用于可变中间电路电压的DC/DC变换器的并且被适配于相应的操作条件的可变(最小需要的)切换频率；·(感应)负载的能量重新馈送；以及/或者 用于尽可能低的切换损耗的、被适配于相应的操作条件的可变(最小需要的) 晶体管切换频率。至于例如磁轴承(具体地主动磁轴承)中的机械构造和材料选择，以下手段是有利的-至少在高效率致动器中，具有最小涡流和周期性磁化损耗的电磁铁的铁芯材料是优选的；此外，用于降低周期性磁化损耗的单极磁布置是有利的。-还优选地提供具有用于提供静态支承力的永磁磁铁和用于提供动态力的电磁铁的混合磁轴承。此外，有利的是提供以下部件的被适配于电流操作状态的操作频率_(多个)数字控制器，-模拟/数字变换器，以及-以下部件的功率半导体控制信号的切换频率和脉冲形式 功率开关放大器，以及/或者眷(用于(多种)可变中间电流电压的)直流变换器。 同样有利的是在高效率/高功率操作模式之间的切换、以及/或者使开关放大器中间电路电压为用于最大系统动态范围的最大值。有利地，所有组成部分被优化达到对于所有操作条件确保最大能效的效果、以及在操作中可变的参数被自动地适配于损耗最小化的效果。与之前概念相比，发现本发明的主要优点在于致动器系统的实质上较低的能量消耗，其被降低至致动器系统的每种操作模式下的最小值。
下面将基于具体有利的实施例更详细地描述本发明，但本发明将不限于此。更具体地，在附图中图1以框图形式示意性地示出了具有上面已经解释的嵌入致动器的一般机电一体化系统；图2示出了用于上面还描述了的混合放大器的切换示例；图3以框图形式示出了本发明的具有组合的高效率/高功率能量调整器的实施例，该能量调整器可关于中间电路电压切换；图4以更详细的开关配置示出了根据图3的该系统的控制器和组合能量调整器；图5示出了组合能量调整器的实施例，与图4相比已经通过提供并列系统而改进了所述组合能量调整器；图6以与图3相似的示意性框图形式示出了根据本发明的致动器系统的另一实施例，其具有能量调整器和能量变换器的副本以便获得高效率系统和/或高性能(功率)系统；图7示出了与图4和5相似的、与图6相对应的致动器系统的更具体开关配置；图8与图7相比示出了进一步发展，其中控制链的未被激活的(或可能有缺陷的) 元件的能量供应在高性能能量调整器中被切断；图9通过根据图8的实施例的进一步发展示出了具有冗余的附加系统从而使得在包括高效率能量调整器和高性能能量调整器的系统故障情况下能够切换至附加的冗余系统的实施例；图10以根据图6的实施例的修改以框图形式示出了进一步发展，由此现在也在控制链内一式两份地配置实际控制器；图11示出了用于混合磁轴承的无冗余高性能系统的一般致动器系统的图；图12以图形式示出了根据本发明的在被应用于储能飞轮时的致动器系统的实施例，所述储能飞轮处于借助于主动混合磁轴承支撑的飞轮存储设备的形式；图13以框图形式示出了最优化控制电路的实施例，所述最优化控制电路可以特别有利地用于本发明中；图14示出了图示在不同操作点处例如混合磁支撑转子的必要的保持力的图，可以利用根据图13的最优化控制电路来确定所述不同操作点；以及。图15以流程图形式示出了与根据图10的致动器系统相联系的、用于例如将根据本发明的致动器系统从高效率操作模式切换至高性能操作模式或者组合的高效率和高性能操作模式的过程。
具体实施例方式上面已经解释了图1和2，并且不需要再次描述图1和2。在图3中，以与图1相似的表示形式，示出了基础系统25，这里利用已经内置的传感器，经由(与图1中的实际值连接13相似的)实际值连接13从该基础系统25向差值生成器沈供应真实值，设置值15被供应到差值生成器沈的另一输入端。然后，差值信号被供应到控制器27。所述控制器27和差值生成器沈因此形成根据图1的控制系统14。在控制器27下游布置组合的高效率/高性能(功率)能量调整器观，其输出被施加到能量调整器四；两个组件28和四因此(除了在图3中未更具体地示出的信号处理之外)形成根据图1的表示中的致动器2。在根据图3的实施例中，(参见图4)在最大中间电路电压Uzm和最优化中间电路电压Uzv之间提供高动态切换，以便能够在由能量调整器部件观提供的两种操作模式之间切换。在图4中更具体地示出了所述切换和不同的中间电路电压^和Uzv。具体地，在图4中，图示了组件27 (控制器)和观(能量调整器或致动器)。可以认识到，控制器27包括用于模拟信号的输入端30、以及用于数字信号的输入端/输出端31。 在控制器27中，模拟信号经由模拟通道32和AD变换器33供应给控制器模块34。所述控制器模块34还包括数字输入端/输出端35，其经由驱动器电路和/或缓存器级36连接，从输入端31向该驱动器电路和/或缓存器级36供应数字信号。此外，与控制器27相联系， 示意性地示出了干线(mains)滤波器37、AC/DC变换器38、监视电路(“看门狗”)39、定时信号电路40、以及通信模块41，控制器27可以经由通信模块41与主计算机(未更具体地示出，参见连接4 通信。组合能量调整器28包括线路滤波器43以及整流器和软启动单元44，在该整流器和软启动单元44的输出端供应最大中间电路电压在需要的情况下，借助于向其分配了用于接通和切断的栅极驱动器45的晶体管Tzm，来传递该最大中间电路电压UZM。另一方面， 可以经由开关晶体管Tzv和二极管Dzvk来传递降低的、可变的、最优化的中间电路电压Uzvo 在节点47，作为中间电路电压Uz，要么在能量调整器观的高效率操作模式的情况下，在晶体管Tzv和二极管Dzvk上施加最优化的中间电路电压Uzv,而阻断晶体管Tzm ；要么在高性能操作模式的情况下，导通晶体管Tzm，而阻断晶体管Tzvk，从而在节点47处施加最大中间电路电压Uzmo在高效率情况下，在最优化的中间电路电压Uzv被施加到随后的全桥48和/或49 时，借助于(取决于电流方向)与晶体管T1和T3以及/或者T2和T4并联连接的续流二极管，可以从负载重新供应能量(图4中未示出)，由此在具有栅极驱动器46的导通晶体管 Tzve的情况下，电流增加与在中间电路电压Uzv下大致相同(然而是负的)，由此能量从感应负载重新供应到电容器Czv。在晶体管Tzvk未被激活的情况下，如上所述，经由与晶体管T1和T3以及/或者T2 和T4并联连接的续流二极管，并且在此情况下经由与电容器Czm中的晶体管Tzm并联连接的二极管，能量被重新供应。对于全桥电路而言，根据图4，可获得两个被基本相同地设计的全桥48、49，全桥 48和49的下游分别存在输出滤波器50和51。在每个全桥48、49中，在桥式电路中存在并联连接的每个具有续流二极管的晶体管I\、T2、T3和T4,相关的栅极驱动器52被提供用来切换晶体管T1-T415各个能量变换器(图3中的四)中的每个将被连接到或者连接到输出滤波器50、51。根据图4的电路被设计用于4象限操作；对于2象限操作而言，该电路要被相应地简化，并联连接到晶体管T1和T4的晶体管T2和T3以及续流二极管被省略。在操作期间，在30处读入模拟实际值，其中这些模拟实际值可以涉及例如位置、 电流、温度等参数。所述实际值来自传感器(图1中的9)，并且经由模拟通道32在经由A/ D变换器33进行的模拟信号处理、滤波下供应到控制器34。数字实际值在31进入控制器 27，并且这些数字实际值可以例如来自光学旋转角度编码器。控制器模块34中的控制算法可用作软件，由此控制器模块34不仅可以由数字信号处理器构造，而且还可以由微控制器和FPGA单元构造。在根据图3和4的本控制链中，元件53被一式两份地设计，借助于元件53来施加中间电路电压Uzm或υζγ，即，一个时间利用分支Tzm而另一时间利用分支Tzv和Dzvk，由此正常操作模式是具有优化中间电路电压Uzv的高效率操作模式，其中开关晶体管Tzvk导通而Tzm 截止。通过栅极驱动器45来实现晶体管的动态接通和切断。将与输出滤波器50、51连接或与输出滤波器50、51连接的能量变换器四可以例如是磁轴承的轴承磁铁。经由连接42到主计算机的可选通信可以服务于控制、显示和/或监视的目的。根据图5的实施例实际上与根据图4的实施例相对应，其提供有几个(例如两个) 并列的能量调整器系统；就此而论，可以提供两个组合能量调整器观之一用于转子或否则轴的径向支撑，而另一组合能量调整器观’用于转子或否则轴的轴向支撑。由于能量调整器 28,28'与根据图4的能量调整器基本相同地构造，因此无需再次对它们进行描述。同样情况也适用于控制器27。应指出，中间电路电压可能被不同地选择用于能量调整器观、28’， 由此依赖于主动能量调整器(轴承磁铁)来选择最优中间电路电压。在图5中，恰恰如图4中所示，具有控制链的元件(即开关部分)的双重配置的区域被另外地图示为元件53。在根据图6和7的实施例中，控制链中的其它元件(图1中的8)被一式两份地设计，从而连接分离的系统，即联合控制器27下游的高效率系统M以及高性能系统Μ’。与上面关于图4已经描述的高效率系统相似，高效率系统M包括能量调整器观，其具有可变中间电路55，具有全桥电路48、49 (具有晶体管T1至T4)，并且具有输出滤波器50、51，如图 4中所示。在高性能系统54’中，其自己的恒定中间电路55’被分配给实际能量调整器观’， 以便在该高效率系统54’中提供恒定的最大中间电路电压UZM。参考标号四和29’继而指定能量调整器，例如轴承磁铁，并且最终在图6中也示出了基础系统25。此外，从控制器27 开始，示意性地提供连接56和56’，用于激活和停用相应系统，即高效率系统M和高性能系统M’，以及提供用于可变中间电路阳的控制的连接57。在图7中，示出了(与根据图5的电路设计相似的)与图6相对应的更具体的电路设计。在高效率能量调整器M的区域中，图示了可变中间电路55、另一全桥48和49、以及输出滤波器50和51，由此参考图4获得更具体的说明。高性能系统54’包括恒定中间电路55’，(当设想不存在开关晶体管Tzm或Tzv、TzvR时)类似于源自图4的可变中间电路 55，并且提供另外的对应全桥连接48’、49’以及输出滤波器50’、51’。高性能能量调整器 29’连接到这些输出滤波器50’或51’，而高效率能量调整器四连接到高效率系统M的输出滤波器50或51 (参见图6)。同样应用于这里，即，(例如对于每个全桥)中间电路电压
或^可以非常不同。在根据图6和7的实施例中的控制器27配备有对应的高效率和高性能算法以便操作高效率系统M以及高性能系统Μ’。控制器27可以为高效率系统M提供最优化控制，如下面将基于图13和14具体说明的。这也应用于至今为止说明的实施例。根据图8的实施例实质上对应于根据图7的实施例，区别在于在恒定中间电路55， 中提供了开关晶体管T/，使得能够切断用于高效率系统54’的控制链的未激活和/或有缺陷元件的能量供应。以类似方式，对于高效率系统54，也提供借助于晶体管Tx进行的控制链的未激活和/或有缺陷元件的切断。在每个可变或恒定中间电路55和55’的输出侧上分别提供这些晶体管Tx、Tx‘，并且继而分别经由栅极驱动器46和46’控制这些晶体管Τχ、
T χ 。在图9中，从根据图8的实施例开始，其对应于在图9的上部中图示的主要系统 60，另外示出了包括其自己的控制器27a及其自己的冗余高性能能量调整器Ma的冗余控制系统61。冗余系统61经由连接62与主要系统60通信，由此在主要系统60中出现任何错误或任何混乱的情况下，控制可以被切换至冗余系统61。借助于从现有技术已知的技术来实现系统60、61的本地错误检测以及相互错误检测。冗余系统61的高性能系统能量调整器5 可以被与主要系统的高性能能量调整器54’相同地构造。在根据图10的实施例中，与根据图6的实施例相比，还另外提供了实际控制器的副本，参见控制器27 (在高性能系统M中)以及27’(在高性能系统M’中)。此外，一式两份地提供能量调整器观、28’以及能量变换器四、29’。另外，在高性能系统M’中，在控制器27’的上游连接辨别与激活/停用单元63，在实际值(连接1 距设置值25存在大偏差(参见差值生成器26)的情况下，所述辨别与激活/停用单元63例如另外地激活了高性能系统M’的控制链，由此高效率系统M继续被激活。所述辨别与激活/停用单元63可以例如借助于窗口比较器而实现。在图11中，在用于转子的无接触磁性支撑的电磁致动器(混合磁轴承)的基础上，示出了本高能效致动器系统的示例应用。主动磁轴承(AMB-active magnetic bearing)的应用基于电磁铁的原理。借助于线圈，生成磁通，在由被要支撑的结构(这里是转子)的气隙分开的铁磁定子和铁磁元件之间施加吸引力。除了能量变换器四、29’，必要的装配件组包括控制器27、传感器9(典型地， 距离和电流，也参见图11中的示例传感器连接线64)、以及能量调整器(功率放大器)28、 28，。根据图11，在数字控制器27的上游连接传感器信号调节单元65以及A/D变换器 66。此外，利用块67来示意性地指示诸如旋转角度、温度、以及错误辨别和停用之类的参数的检测。此外，在控制器27中，利用块69指示自适应振动控制(AVC)；利用块70指示用于自适应控制器采样速率的组件；利用块71指示自适应中间电路电压控制；以及利用块72 指示至主计算机的通信。能量调整器观和观’继而分别包含可变中间电路55和恒定中间电路阳’，以及另外的能量调整器观中的自适应PWM(脉冲宽度调制)模块73和高性能能量调整器沘，中的PWM模块73’。本致动器系统使得具有比具有传统磁轴承系统实质上更高的能效以及具有最小周期性磁化损耗的磁性支撑成为可能。在该连接中，致动器具体地(如下面基于图12将图示的)包括级联的混合磁轴承系统，该级联的混合磁轴承系统包括以下三者的组合用于生成静态支承力的永磁轴承；用于动态力的操作调平的具有最小能量消耗的高效率AMB ； 用于启动、吸收大偏转和/或应急操作的高性能AMB。在正常操作中，仅使用高效率AMB或系统。只要控制检测到由此生成的支承力不足以防止转子的任何不可允许的偏差，将自动地接通在正常操作期间停用的高性能AMB或系统。同时，为了获得最大可能支承力，高效率
11AMB的功率开关放大器的中间电路电压Uz被从实际操作状态开始增加至最大值UZM。只要高效率AMB的必要支承力再次足够，高性能AMB将自动地被切断至待机模式。借助于完全自适应的数字控制器27来实现对级联的混合磁轴承系统的控制，并且所述控制包括以下核心问题主动振动控制(模块69)、用于数字控制器27的尽可能低的能量消耗的自适应控制器采样速率(模块70)、为了栅极驱动器和功率半导体中尽可能低的损耗的用于控制功率开关放大器的自适应脉冲宽度调制频率(模块73)、取决于高效率AMB 28J9的电流操作模式的用于功率开关放大器的最小损耗和高性能AMB 28’和四’ 的自动接通的自适应中间电路电压控制(模块71)。冗余高性能AMB系统(图9和12中的61)的控制实质上对应于高性能AMB 54’ 的控制；然而，另外，在组合的高效率AMB/高性能AMB系统故障的情况下实现接通。作为最小数量的组件以及最大信号质量和相对强壮的外部干扰信号输入的结果， 为了尽可能低的能量消耗，可以通过使用3电平PWM(参见模块73、73’)来提供对功率晶体管的直接数字控制。该3电平PWM尤其针对低切换损耗而设计，统一地将切换损耗划分至所有的全桥晶体管T1-T4以及放大器输出信号中的低高频干扰信号部分。关于上面描述的开关放大器全桥48、49和48，、49，，在用于控制高效率AMB和高性能AMB的电磁铁的功率放大器中追求的目标是不同的。高效率AMB的功率放大器具有高效率，这是因为中间电路电压Uzv适配于增加在相应的操作模式下所需速度的力、以及脉冲宽度频率适配于旋转速度，尤其在部分负载操作范围中。例如，在降低的转子速度处和/或在增加速度的降低的力处的切换损耗可能由此被实质性的降低。针对传输损耗、切换损耗、栅极容量以及反向恢复损耗的最优化，得当地选择功率半导体。关于高性能AMB28’、29’的功率放大器，关注点主要在于安全的连接断开能力，而不管任何可能的栅极驱动器或功率半导体的故障。在该情况下，在几微秒内断开连接是有利的，从而避免要支撑的转子的任何失稳定化。功率损耗具有次重要性，这是因为在正常操作期间不接通高性能AMB。高性能AMB的中间电路不具有任何电压控制。在用于4象限操作的高能效致动器控制的可能实施例的图4和图5的基础上讨论的示例具有独立全桥的高动态的可切换中间电路电压Uz，所述全桥例如可以包括对于任何突然需求的最大动态范围采用最大值Uzm的电压、并且包括对于相应的操作状态而被最优化的可控制电压Uzv。然而，例如，经由耦合电感而并联连接或者用于驱动不同的致动器(例如，高效率/高性能致动器，参见图7到9)，还可以使用若干开关放大器全桥。通过利用关于晶体管Tzv的装配件组形成的DC/DC变换器生成可变中间电路电压Uzv。就此而论，功率开关晶体管以及栅极驱动器电路可以被可选地适配为所述桥的必要功率需求。图12图示了本高效能致动器系统的特别有利的应用，即用于飞轮存储设备中的支撑。在图12中，左上侧的框60对应于根据图11的(不带致动器四、29’)的混合的高效率/高性能AMB(闭环控制和控制)。此外，如上面已经基于图9描述的，提供冗余的高性能AMB 61 (闭环控制和驱动)，由此这里还图示了用于传感器信号处理的模块65、A/D变换器模块66、用于错误检测和停用的模块68、以及在控制器27内的AVC模块69和用于AMB 间通信的模块72。此外，如所图示的，高性能放大器28’被提供为能量调整器。图12中的连接80、81、64、82和83以此顺序指示高效率电磁铁的控制、高性能电磁铁的控制、距离传感器信号的传输、以及此外冗余的高性能电磁铁的控制、和冗余的距离传感器信号的传输。(在图11中也指示了对应的控制连接80、81)。在图12的右手侧，图示了包括转子86的上述飞轮储能器85，该转子86被磁性地支撑并且包括机械应急轴承(在图12中未更具体地示出)。提供具有根据以上原理的永磁支撑和主动电磁支撑的混合磁支撑以便支撑转子86。在图12中在87、87’处指示混合轴承 (例如，径向稳定的、轴向不稳定的、主动稳定化的)。永磁支撑被设计为使得转子86的轴承在特定操作点(位置)处在其六个自由度中的某些自由度方面具有稳定平衡、而在其余自由度方面具有亚稳定的或不稳定的平衡。此外，在图12中，图示了两个轴向高性能轴承88、88’以及两个径向高性能轴承 89,89',就像用于冗余的磁支撑的电源的电动机/发电机90和发电机91、此外的功率变换器92和应急功率变换器93 —样。转子86 (即飞轮)是具有基本上传统构造的环形外部转子，由此可以使用例如碳 /Kevlar/玻璃纤维材料作为材料。转子86的主体优选地由具有高撕裂强度的碳纤维材料构成，其在这里希望的高速度00，000-40，OOOrpm及更高)中特别重要。支撑对于高效能飞轮存储设备特别重要，并且无接触磁轴承(特别是AMB)已经被证明是用于作为目标的高速度的最优技术。这里描述的高效能致动器系统以特别有利的方式适合于此。基本上，利用飞轮存储器可获得的储能时间除了取决于上述的由于周期性磁化损耗引起的轴承损耗之外，还取决于由于旋转引起的大气摩擦损耗(取决于空气压力并取决于外形(form))和电动机/发电机90的制动转矩。为了以优选地无空气摩擦的方式执行快速旋转，转子86有利地被容纳在密封容器94中，所述密封容器94有利地被排空。而且， 为了安全因素，在任何扰动的情况下，该容器94关于高速度是有利的。具体地，在用于飞轮储能器的本高效能致动器系统的该应用中(但是也在其它情况下)，已经被参考多次并且在图13中示意性地示出的最优化控制电路100是特别有利的。 利用该控制电路100，提供控制链来控制、确定并保持(特别是关于最优能效的)相应的最优操作点。相应地，在根据图13的控制电路100中，经由输入端101输入例如关于能量消耗的最优值，并且要被最优化的变量(例如能量消耗)经由连接102从控制路径103供应到差值生成器104 ；最优化控制器105连接到所述差值生成器以便经由连接15将每个最优化设置值供应到在开头提及的差值生成器26 (参见图3)。如所描述的，控制器27确定必要校正变量(然而现在取决于要被最优化的变量(例如能量消耗))，并且将其供应到控制路径103，该控制路径103实质上包括根据图3的组合的能量调整器观、能量变换器四和基础系统25。总之，这导致了级联的控制电路105-27。利用该最优化控制电路10，能量调整器观的能量消耗的时间平均值可以达到关于某一实际值的最小值，由此以此方式能量调整器观的输出值的时间平均值呈现某一值； 要以此方式作为目标的实际值不是从一开始以及/或者在操作期间是恒定的，并且不是直接已知的，而是可以取决于不同的影响变量(诸如时间、温度以及老化)。这可以从例如根据图14的图中看出，在图14的图中，利用分别具有对应的两个操作点Al和A2的两个一般化保持特性线Ll和L2图示了必要保持力F(以kN为单位)相对于实际值Δ s(以mm为单位)的关系。在静态情况下，必要保持力F在位置偏差As = O 处具有零点。由于各种影响，操作点可以从Al偏移至A2，由此从保持特性线Ll偏移至特性线L2，例如作为取决于温度的漂移的结果。在根据图13的最优化控制电路100的帮助下，借助于“最优化跟踪”，控制器找到新的操作点A2 (例如在Δ s = 0. 5mm处)以便再次利用
最小能量将转子86等稳定化。图15最后示出了作为控制过程的示例的流程图，由此在开始步骤110和初始化步骤111之后，系统初始地进入等待循环112。作为定时器中断113的结果，根据块 (field) 114，控制周期开始。结果，根据块115，实际值(参见图3中的连接13)被读入并且根据块116被供应至控制器，由此也读入设置值(根据图3中的连接15)。在形成差值之后，在块117中检查命令变量或控制变量位于预定间隔之内还是之外，所述预定间隔是在118处依据高能效致动器系统而确定的。如果控制变量(或命令变量)在该间隔之内， 依据块119，首先将高性能致动器29’的命令变量设置至零(并且因此高性能致动器四’被停用)，并且根据块120，确定用于高效率致动器四的命令变量。随后，在121处到达控制周期的结束，并且根据块122，该流程返回等待环112。然而，如果在根据块117的询问中控制变量或命令变量位于给定间隔之外，则根据块123，首先高效率致动器四的命令变量或控制变量被设置至根据该给定间隔的最大或最小值，以便利用该受限的控制变量来控制高能效致动器(能量变换器四)。然而，随后，在依据块124为高性能能量变换器29’定义了控制变量之后，高性能能量变换器29’被另外地控制。随后，再次到达控制循环的结束121。
权利要求
1.一种致动器系统O)，包括至少一个致动器09二9’)及相关联的控制链(8)，该控制链(8)被设计用于至少两种操作模式，其中的至少一种操作模式可以被停用，其特征在于 操作模式之一是高效率操作模式。
2.如权利要求1所述的致动器系统，其特征在于另一操作模式是高功率操作模式。
3.如权利要求2所述的致动器系统，其特征在于该高功率操作模式可以被停用。
4.如权利要求1至3中任一项所述的致动器系统，其特征在于对于每种操作模式提供相关联的致动器。
5.如权利要求1至4任一项所述的致动器系统，其特征在于每个致动器09二9’)用电磁铁形成。
6.如权利要求5所述的致动器系统，其特征在于电磁铁属于磁轴承，优选地属于混合磁轴承。
7.如权利要求1至6任一项所述的致动器系统，其特征在于控制链(8； 100)被适配为控制、搜索并保持优选地关于最优能效的相应最优操作点。
8.如权利要求7所述的致动器系统，其特征在于控制链(8； 100)包括最优化控制器 (105)，其设置在下游连接的控制器(XT)的设置值，由此致动器09)或能量调整器08)的能量消耗将变得最小。
9.如权利要求1至8任一项所述的致动器系统，其特征在于提供优选地具有高功率控制的至少一个冗余的可连接致动器(61)。
10.如权利要求6至9任一项所述的致动器系统，其特征在于所述磁轴承支撑储能转子(86)。
11.如权利要求1至10任一项所述的致动器系统，其特征在于控制链中的至少一个元件(5 被一式两份地提供以便获得两种操作模式。
12.如权利要求11所述的致动器系统，其特征在于至少一式两份地提供控制链中的基本上所有元件(27，27' ,28,28' ,29,29')。
13.如权利要求1至12任一项所述的致动器系统，其特征在于控制链被适配为检测 (63)要求激活未激活的操作模式的操作情况。
14.如权利要求1至13任一项所述的致动器系统，其特征在于提供开关放大器全桥 (48，49)用于驱动所述致动器。
15.如权利要求1至13任一项所述的致动器系统，其特征在于提供混合放大器或纯模拟放大器(48，49)用于控制所述致动器。
全文摘要
本发明涉及致动器系统(2)，其包括至少一个最终控制元件(29，29’)及相关联的控制链(8)，该控制链(8)被设计用于至少两种操作模式，其中的至少一种操作模式可以被停用，其中所述操作模式之一是高效率操作模式。
文档编号F16F15/315GK102460318SQ201080028539
公开日2012年5月16日 申请日期2010年4月23日 优先权日2009年4月24日
发明者A.舒尔茨, J.沃瑟曼, M.纽曼, M.韦斯 申请人:A.舒尔茨, J.沃瑟曼, M.纽曼