Brevet FR2598191A1 — publié le 19871106

SYSTEME DE COMMANDE POUR PALIER DE TYPE MAGNETIQUE RESUME Un système de commande pour palier de type magnétique 5 consiste à exploiter, sous forme de contre-réaction, un signal relatif à la position de la pièce en suspension. grâce à un capteur de position, pour effectuer, par exemple, une compensation de phase, afin d'utiliser ce palier de façon dynamique. Pour transformer la force non 10 stabilisatrice, produite par le palier de type magnétique dans une gammne particulière de fréquences, en une force stabilisatrice, on élabore un premier signal, obtenu en filtrant, avec un premier filtre, qui doit avoir une gamme de fréquences de coupure incluant le domaine fréquentiel 15 prédéterminé qui correspond à la phase stable désirée, l'information fournie par le capteur de position: puis un second signal, obtenu en déphasant de 8S0' (polarité inversée) l'information issue du capteur de position en la filtrant avec un second filtre, qui doit avoir une bande 20 passante substantiellement identique au domaine fréquentiel prédéterminé de la phase stable; enfin, on additionne ces deux signaux et le signal résultant est renvoyé à un électro-aimant. l DOMAINE DE L'INVENTION La présente invention se rapporte à un système de commande pour palier de type magnétique permettant de guider des pièces tournantes à vitesses de rotation élevées, telles qu'un arbre de turbo-pompe, de compresseur, de turbine ou de machine-outil, ainsi que certaines pièces mobiles rencontrées, par exemple, dans les élargisseurs. DESCRIPTION DE L'ART ANTERIEUR Maintenir flottante une pièce en rotation ou une pièce O en translation implique de recourir à un 'palier de type magnétique utilisant un électroaimant. Les paliers de type magnétique présentent moins de pertes que les paliers à suspension hydraulique lubrifiante conventionnels, demeurent secs, dans une atmosphère propre et se révèlent quasi indispensables sous vide en particulier. Avec un palier de type magnétique, afin de positionner précisément la pièce flottante (rotation ou translation) une méthode consiste à mesurer la position de la pièce et utiliser le signal obtenu afin de déterminer la valeur du O courant qui circule dans l'électro-aimant et. par là-même, le module de la force magnétique produite. En se référant à la figure 7. qui montre le schéma synoptique illustrant la méthode ci-dessus, un capteur de position (11), du type à courant de Foucault, par exemple, 5 mesure une position (déplacement) de la pièce flottante. Un circuit" (12) de zain de contre-réaction de position multiplie proportionnellement la grandeur du signal obtenu par le capteur de position (11) afin que ce signal atteigne la valeur requise. Le circuit de commande (13) est un 0 circuit de traitement qui convertit le signal obtenu par le circuit (12) en un signal convenable, adapté à l'alimentation de l'électro-aimant (l4), et qui peut être. par exemple, un correcteur P.I.D. (Proportionnel, Intégrateur et Dérivateur), un correcteur de phase ou une combinaison de ces circuits. L'électro-aimant (1) comprend un enroulement bobiné autour d'un noyau de fer doux et produit une force magnétique qui permet la suspension de la pièce en- réponse à un courant fourni par le circuit de commande (13). On prend en considération le système de contre-réaction de position le plus simple pour commander le circuit (13), formé seulement d'un élément proportionnel (élément P). La fonction de transfert du système, reliant la force électromagnétique (F) de sortie de l'électro-aimant (14) et le 10 courant (I) d'entrée, est donnée par l'équation de retard du premier ordre qui dépend des résistance et inductance de l'enroulement et de son noyau. (1) F/I = K% / (1 + Tm.S) o KM est le gain de l'électro-aimant (14), Tm la constante 15 de temps de cet électro-aimant et S l'opérateur de Laplace. Il s'ensuit que la fonction de transfert de la force F. exercée sur la pièce en suspension, par rapport au déplacement D, mesuré par le système de contre-réaction de position, est la suivante: (2) F/D = KF.Kp.KM / (1 + Ti.S) o KF est le gain de la cellule proportionnelle du circuit de gain de contre-réactlon (12) et Kp le gain de la cellule proportionnelle du circuit de commande (13). Afin d'obtenir une caractéristique en fréquence du rapport force/déplacement (F/D) du système à contre-réaction de position, on remplace l'opérateur de Laplace par S = J21f, o f est la fréquences (Hz) et j = {-l, dans l'équation (2). Le rapport force/déplacement (F/D) est une expression complexe de la forme: (3) F/D = KX(f) + J.Kl(f) La partie réelle du rapport force/déplacement (F/D) dans l'équation (3) bi-dessus traduit la rigidité en fonction de la fréquence f et la partie imaginaire de ce rapport l'atténuation en fonction de cette même fréquence f. 35 L'équation de retard du premier ordre, donné dans l'équation (2), a touJours une partie imaginaire négative et l'atténuation constitue une force non stabilisatrice pour la pièce flottante. La figure 8 représente l'évolution de la partie 5 imaginaire de l'équation (3) de la relation force/déplacement (F/D) en fonction de la fréquence f. La courbe en pointillé (A) qui apparait sur cette figure 8 correspond à l'équation (2) et montre l'état décrit cidessus. La fréquence caractéristique fe, déterminée par la pièce flottante et le système de contre-réaction de position, augmente de façon divergente et le système ne peut fonctionner à cause de l'atténuation à la fréquence caractéristique fe, en particulier si celle qui affecte la v pièce flottante est élevée, pour f = fc, conme le montre la figure 8. Aussi, dans le but d'obtenir l'effet d'atténuation dans la relation force/déplacement (F/D) du système de contreréaction de position, on inclut dans le circuit de commande (13) un élément dérivateur (élément D) ou un élément de compensation de position installé en parallèle avec l'élément proportionnel (élément P). Dans cette description, l'élément dérivateur est donné à titre d'exemple. Lorsque l'élément dérivateur (élément D) est ajouté au circuit de commande (13), le retard du premier ordre, donné par la formule suivante, est ajouté au circuit. (4) Elément dérivateur = KD.S / (1 + Tm.S) o Kg est le gain de l'élément dérivateur et Tu sa constante de temps. Le rapport force/déplacement (F/D) du système à contre-réaction de position comprenant seulement l'élément dérivateur est de la forme: (5) F/D = KF.Kg.KI.S / [(1 + TD.S)(1 - Tt.S)] Etant donné que le numérateur de la relation (5) est une équation du premier degré en S et le dénominateur de cette même relation une équation du second degré en S, la partie imaginaire de cette relation (5) a l'allure représentée par 2 5 9 8 1 9 1 la courbe en trait mixte (B) sur la figure 8. C'est-A-dire que la pièce flottante subit l'effet d'atténuation dans une gamme de basse fréquences et l'action non stabilisatrice se manifeste dans une gamme de hautes fréquences. Afin de 5 maintenir la position de la piècee flottante, le circuit de commande (13) doit comporter A la fois l' élément proportiontnel et 1 l'élément dérivateur. Le rapport force,,'déplacement (F/'D) du système de contre-réaction de position et du circuit de commande (13) est dolnné par la 10 relation: (6) F/D = KF. Kp + KD. S / (1 + T.S)]) KM / (1 + T.S) La courbe correspondant A cette relation F/,D est représentée sur la figure 8 par le trait plein (C) et a les caractéristiques décrites ci-dessus. Lorsque la fréquence 15 caractéristique fc, déterminée par la pièce flottante et le système de contre-réaction de position. se situe dans une gamme de fréquences basses présentant l'effet d'atténuation. la stabilisation peut être obtenue et le fonctionnement se dérouler en l'absence de vibration. Si l'on considère que le palier de type magnétique, ayant les caractéristiques décrites ci-dessus, est utilisé commle palier (16) de suspension d'une pièce tournante (15). représentée A la figure 9(a), le phénomène suivant intervient. La pièce en rotation possède un nombre illimité 25 de fréquences caractéristiques, comme le montrent les figures 9(b), 9(c), 9(d), 9(e) et 9(f). Les propriétés physiques du matériau constituant la pièce tournante (15) ellemême agissent sur la non-stabilisation lorsque la fréquence caractéristique est inférieure à la vitesse de 30 rotation de la pièce et ont un effet atténuateur lorsque la fréquence caractéristique est supérieure A sa vitesse de rotation. En conséquence, il est nécessaire de fixer la fréquence caractéristique A une valeur inférieure à la vitesse de 35 rotation A l'intérieur de la bande de fréquences dans laquelle l'effet d'atténuation du rapport force/déplacement (F/D) du système de contre-réaction de position du palier de type magnétique est apporté. Toutefois, attendu que le nombre des fréquences caractéristiques de la pièce tournante 5 (15) est illimité, comme le montrent les figures 9(b), 9(c), 9(d), 9(e) et 9(f). il existe au moins une fréquence caractéristique dans la gamine de fréquences dans laquelle la non stabilisation du rapport force/déplacement (F/D) intervient. Ent conséquence, lorsque l'action non 10 stabilisatrice du système de contre- réaction de position du palier de type magnétique est prépondérante devant l'atténuation de la fréquence caractéristique par la pièce tournante (15) elle-même, l'action n'est pas stabilisée et la vibration de la pièce tournante augmente de façon 15 divergente, de sorte que cette pièce ne peut pas être mise en rotation. Jusqu'ici, comme cela est décrit ci-dessus, dans le but de maintenir la position de la piece flottante, on mesure cette position et le signal obtenu alors est réintroduit 20 pour produire une force t partir de l'électro-aimant. Toutefois, cette force est une force non stabilisatrice qui fait vibrer la pièce en sustpension. Ainsi, même si le traitement est assuré, dans le circuit de commande (13), par un correcteur P.I.D. ou un correcteur de phase, la force est 25 stabilisatrice (atténuation) dans la gamme de fréquences basses, tandis qu'il subsiste touJours une importante force non stabilisatrice dans une gamme de moyennes et de hautes fréquences. De ce fait, la pièce flottante, telle qu'une pièce tournante, ayant un nombre illimité de fréquences 30 caractéristiques, admet au moins une fréquence caractéristique dans la gamme de fréquences dans laquelle apparaît une force non stabilisatrice créant un régime vibratoire divergent du fait du palier de type magnétique. PRESENTATION SOMMAIRE DE L'INVENTION La présente invention vise essentiellement à proposer un système de commande pour un palier de type magnétique dans lequel la force non stabilisatrice produite par ce palier dans une gamme de fréquences donnée est convertie en une force stabilisatrice (force d'atténuation) pour éviter 5 que ne se produise une vibration divergente. permettant ainsi A la pièce flottante de demeurer en suspension d'une manière stable. PRESENTATION SOMMAIRE DES DESSINS Les figures 1 à 5 donnent une première représentation 10 de l'invention, à savoir: La figure 1 est le schéma synoptique de la configuration d'un système de commande pour un palier de type magnétique; La figure 2 est un schéma de l'implantation des premier 15 et second capteurs de position; Les figures 3(a) et 3(b) représentent les courbes respectives des signaux de sortie des premier et second capteurs; Les figures d(a) et 4(b) représentent les courbes 20 typiques respectives des caractéristiques gain/fréquence du premier et du second filtre; et La figure 5 est une courbe type de la caractéristique d'atténuation d'un palier de type magnétique. La figure 6 est un schéma synoptique de système de 25 commande pour palier de type magnétique et propose une seconde configuration de la présente invention. La figure 7 est le schéma synoptique d'une configuration d'un système de commande conventionnel pour palier de type magnétique. La figure 8 est une cou.rbe typique de la caractéristique d'atténuation d'un palier de type magnétique commandé par un système de commande conventionnel; et Les figures 9(a) à 9(f) montrent la pièce flottante et ses fréquences caractéristiques. -Voici, maintenant, la description détaillée de la présente invention. La figure 1 est un schéma synoptique montrant la configuration de la première mise en forme de la présente invention. Sur cette figure 1, les numéros i et 2 5 correspondent, respectivement, aux premier et second capteurs servant A la mesure de la position (déplacement) de la pièce flottante, qui peuvent être, par exemple, du type à courant de Foucault. Les premier et second capteurs de position (1) et (2) sont diamétralement opposées par rapport 10 à la pièce flottante, comme cela ressort de la figure 2. Sur cette figure 2, la pièce tournante (3) est représentée A titre d'exemple d'une pièce flottante, laquelle n'est pas limitativement tournante. Sur la figure 1, le numéro 4 correspond à un premier 15 filtre traitant le signal provenant du premier capteur de position (1), le numéro 5 correspond au second filtre traitant le signal provenant du second capteur de position (2), le numéro 6 correspond à un sommateur qui additionne les signaux filtrés par les premier et second filtres, le 20 numéro 7 correspond à un circuit de gain à contre-réaction de position, qui multiplie proportionnellement le signal de sortie du sommateur (6) à l'amplitude requise, et le numéro 8 correspond au circuit de commande qui convertit le signal du circuit de gain à contre-réaction de position (7) en un 25 signal convenable pour alimenter l'électro-aimant 9. Le circuit de commande (8) peut être, par exemple, un correcteur P.I.D. (Proportionnel, Intégrateur et Dérivateur), un correcteur de phase ou une combinaison des deux. L'électro-aimant (9) renferme un bobinage enroulée 30 autour d'un noyau ferromagnétique et produit une force électromagnétique permettant de maintenir- une pièce en suspension en réponse à un courant fourni au circuit de commande (8). Lorsqu'on a un signal a à l'entrée du premier filtre 35 (IL) provenant du premier capteur de position (1) et un 2 5 9 8 1 9 1 signal b à l'entrée du second filtre (5) provenant du second capteur de position (2). le signal a à une amplitude opposée à l'amplitude du signal (b) par rapport à la pièce flottante, c'est-à-dire en opposition de phase par rapport 5 au signal b. comme cela est indiqué sur les figures 3(a) et 3(b). En conséquence, lorsque le signal a est, par exemple, égal à +5, le signal b est égal à -5. Les figures &(") et a(b) montrent, respectivement, les caractéristiques de gain des premier et second filtres (4) 10 et (5). Conmme cela est indiqué à 1l figure LL(a), le premier filtre (4) est un filtre coupe- bande (dont le gain est égal à zéro) dans une bande de fréquences prédéterminée, à l'intérieur de laquelle la pièce flottante doit être stabilisée, c'est-à-dire dans une gamme de fréquences 15 comprise entre fc et fca, tandis que, inversement, le second filtre (5) est un filtre Lasse-bande (dont le gain est égal à 1) dans la gammne de fréquences comprise entre fc et fcó, comme cela est indiqué à la figure 4(b). Le signal a du premier capteur de position (1) et le 20 signal b du second capteur de position (2) sont envoyés, à travers les premier et second filtres (4) et (5)., respectivement, au sommateur (6), oil ils sont additionnés l'un à l'autre. Plus précisément, le signal a émanant du premier capteur de position (1) est reçu comme un premier 25 signal c par l'additionneur (6) après avoir été filtré par le premier filtre (a) et le signal b émanant du second capteur de position (2), comme un second signal d aEprs avoir été filtré par le second filtre (5), de sorte que les deux signaux c et d s'additionnent l'un & l'autre. Le signal 30 résultant est envoyaé à travers le circuit de gain de contreréaction de position (7) au circuit de commande (8). Lorsque le rapport force,/déplacement (F/D), tel qu'il est exprimé dans l'équation (3), du palier de type magnétique dans la bande fournie par le premier capteur de 35 position (1) pour la gammne de fréquences comprise entre f 2 5 9 8 1 9 1 i I et f devient (7-1) F/D = O Le rapport force/déplacement (F/D) en dehors de cette gamine de fréquences est: (7-2) F/D =KR(f) + J.K1 (f) Attendu que la po ari té du signai b issu Ilu second capteur de position (2) est opposée à la polarité du signal a, le rapport force/déplacementt (F/D), dans la gamtie de fréquences comprise entre fa et fez est: (8-1) F/D = - t (85-2) FO'D = O Pour finir. ces valeurs s'additionnent et leur sonme dans la gammne de fréquences comprise entre f.4 et fc. est (9-1) F/D = - KAi (f) - J.K1 (f) En dehors de cette gamnle de fréquences, leur somme est égale à: 2O 25 30 35 (9-2) F/D = KA(f) + J.KI(f) En conséquence, la caractéristique d'atténuation du palier de type magnétique correspond à ce qui est représenté en trait plein (D) à la figure 5, -'est-à-dire que la force représentée par la courbe en pointillé (E) de la figure 5 dans le gamme de fréquences compris entre fc4 et fez se transforme en une force stabilisatrice. De ce fait, la fréquence caractéristique dans cette gamme de fréquences est stabilisée et prévient l'apparition de vibrations divergentes. De plus, la bande atténuée fc4 - fc2 du premier filtre (14) coupe-bande et la bande passante fc - f2. du second filtre (5) passe-bande n'ont nul besoin d'être identiques au sens strict et ces gammes de fréquences peuvent être légèrement décalées par suite d'un glissement après réglage aux limites de la largeur die la gamme. Les gains des premier et second filtres (4) et (5) peuvent être différents l'un de l ' autre. Dans la première représentation, une partie du signal a du premier capteur de position ( 1) dans la gamme de fréquences, qui produit la force non stabilisatrice est 5 coupée par le premier filtre (IL) et une partie du signal b du second capteur de position (2), dans cette bande de fréquences, déphasée de 180' par rapport au signal a qui produit la force stabilisatrice traverse le second filtre (5). L'un et l'autre sigtnaux des premnier et second filtres 10 (a) et (5) sont additionnés et réintroduits et, en conséquence, la forcee produite par le palier de type magnétique est transformée en une force stabilisatrice. Selon cette configuration, la position de la pièce flottante est mesurée, respectivement, par les premier et 15 second capteurs de position dans deux sens opposées et les signaux mesurés traversent les premier et second filtres (4) et (5), respectivement coupe--batnde et passe-bande, ces signaux filtrés étant additionnés et réintroduits. Il en résulte que le système de commande du palier de type 20 magnétique, qui convertit la force non stabilisatrice produite par ce palier en une force stabilisatrice, prévient l'apparit ion de vibrations diver3entes de la pièce flottante, dont la suspension est alors stable. La figure 6 est unt schémla synoptique qui montre une 25 seconde configuration de la présente invention, dans laquelle les éléments que l'on a déjA rencontrés A la figure 1 conservent les mêmes num4ros. Dans cette figure 6, le numéro 10 correspond à un circuit d'inversion de polarit_, qui inverse la polarité 30 d'un signal. Le signal du premier capteur de position (1) est divisé en deux signaux. Le premier de ces deux signaux a passe, tel quel, à travers le premier filtre (!L), tandis que le second, dont on inverse la polarité grèce au circuit d'inversion de 35 polarité (10), devient le signal b et passe à travers le 2 598191 second filtre (5). Dans ce cas, les signaux a et b envoyés, respectivement, aux premier et second filtres (4) et (5) ont une amplitude opposée par rapport au mouvement de la 5 pièce flottante, ainsi que le montrent les figures 3(a) et 3(b), c'est à dire que leurs phases sont opposées de 180'. Etant donné que la réalisation de la seconde partie de cette configuration après les premier et second filtres (4) et (5) est identique à ce qu'elle était dans la première 10 proposition présentée à la figure 1, il est évident que cette seconde réalisation donne les mnmes résultats que la première. Pluz précisément, étant donné qu'une partie du signal dans la gamme de fréquences qui produit la force non 15 stabilisatrice est coupée par le premier filtre. (), tandis qu'une partie de l'autre signal, de signe opposé, dans la gamme de fréquences qui produit une force stabilisatrice., traverse le second filtre (5), et que l'addition de ces deux signaux est envoyée en contre-réaction. la force produite 20 par le palier de type magnétique est transformée en une force stabilisatrice. Selon cette seconde configuration, le signal issu du capteur de position (1) est divisé en deux signaux. L'un d'eux, le signal a, traverse le premier filtre (4), dont la 25 bande de coupure correspond A la gamme de fréquences dans laquelle on désire obtenir la stabilisation. L'autre, le signal b. de polarité inverse, traverse le second filtre (5), dont la bande passante correspond A la bande de coupure précitée. Les deux signaux issus, respectivement, des 30 filtres (4) et (5), c'est-A-dire, les signaux c et d, sont additionnés et renvoyés au palier de type magnétique pour convertir les signaux en forces au moyen de l'électroaimant. On obtient, ainsi, un système de commande pour le palier de type magnétique qui transforme la force non 35 stabilisatrice produite par ce palier dans la gamme de 2 5 9 8 1 9 1 fréquences donnée en une force stabilisatriee (force d'atténuation) et peut prévenir l'apparition de vibrations divergentes, assurant A la pièce flottante une suspension stable. Par ailleurs, la présente invention n'est pas limitée aux deu; configurations présentées ci-dessus. Dans le second cas, par exemple, alors que le second signal est inverse immédiatemient après que le signel issu du capteur de position (l) est divisé etn deux signau:-, ce signal peut être 10 inversée A la sortie du seeond filtre (5), c'est--I-dire Juste avant le sotlnateur (6). De plus, alors q-ue la stabilisation est obtenue dans une gailllle de fréquences comlprise entre fan et fcó darns les deux cas, la 3tabilisation peut être oL3tenue dans diverses gammes de 15 fréquenees ou dans toutes les ganImes de fréquences supérieures fc4 suivant les car.-ctéristiques de la pièce flottante et du palier de type magr-itique. Il va de soi que diverses modifications peuvent être apportées sans se départir de l'essence de la présente 20 invention. 1la REVENDICATIONS 1 - Un système de commande pour palier de type magnétique dans lequel un signal, issu d'un capteur de position relatif à une pièce flottante, est renvoyé pour 5 effectuer une commande, telle qu'une correction de position, de façon à, ce que le palier de type magnétique soit utilisé de manière dynamique, caractérisé par le fait qu'un premier signal obtenu en filtrant le signal issu du capteur de position.à travers un premier filtre dont la gamme de 10 fréquences,de coupule correspond à une gammne de fréquences prédéterminée, dans laquelle on doit parvenir à la stabilisation, et un second signal, obtenu en filtrant, après inversion de sa polarité, le signal issu du capteur de position & travers un second filtre dont la bande passante 15 est substantiellement identique A la gammne de fréquences prédéterminée, sont additionnés l'un A l'autre, le signal résultant étant renvoyée A un électro-aimant. 2 - Un système de commande pour palier de type magnétique selon la revendication 1, caractérisé en ce que 20 ledit premier aignal est obtenu en faisant passer un signal issu d'un premier capteur de position disposé pour mesurer une po:ition d'un côte d'une pièce flottante à travers ledit premier filtre et ledit second signal est obt-enu en faisant passer un signal issu d'un second capteur de position 25 mesurant une position du côté opposé de la pièce flottante à travers ledit second filtre. 3 - Un système de commande pour palier de type magnétique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le signal issu du capteur de position relatif à la pièce 30 flottante est divisé en deux signaux et on obtient ledit premier signal en faisant passer l'un de ces deux signaux à travers ledit premier filtre et ledit second signal, après inversion de la polarité de l'autre de ces deux signaux, en faisant passer ce signal de polarité inversée à travers ledit second filtre. - Un système de commande pour palier de type magnétique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le signal issu du capteur de position relatif à la pièce flottante est divisé en deux signaux et on obtient ledit 5 premier signal en faisant passer l'un de ces deux signaux à travers ledit premier filtre et ledit second signal en faisant passer l'autre de ces deux signaux à travers ledit second filtre et en inversant ensuite la polarité de ce 10 second signal.