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A. Schulz:
"Schaltverstärker für Magnetlager mit direkter Prozessoransteuerung";
Supervisor: H. Springer, J. Wassermann; Inst. für Maschinendynamik und Messtechnik, 2001; final examination: 2002.

Im Zuge dieser Diplomarbeit wurde ein Schaltverstärker für Magnetlager-Aktuatoren entworfen
und gebaut, der durch sein rein digitales Konzept eine bessere Ausgangssignalqualität, eine
höherer Aktualisierungsrate und höhere Störimmunität bietet, als bisher auf diesem Gebiet
eingesetzte Verstärker. Der Verstärker kann für Betriebsspannungen bis 200 Volt und einem
maximalen Laststrom von 8 Ampere eingesetzt werden.
Mit diesem neuen Konzept wird die Stellgröße des als digitaler Regler eingesetzten digitalen
Signalprozessors (DSP) über Daten-, Adreß- und Steuerbus zum Schaltverstärker übertragen.
Diese Information wird mit Hilfe eines Noise shapers mit Oversampling und Dither für jeden
Leistungstransistorzweig der Vollbrückenschaltung separat in ein pulsweitenmoduliertes Signal
mit drei Spannungspegel konvertiert. Diese Signale werden über Lichtwellenleiter (LWL)
galvanisch getrennt der Leistungseinheit zugeführt, wo sie, nach einer Konvertierung auf die
erforderlichen Pegel, zur Ansteuerung der in Vollbrückenkonfiguration arbeitenden Leistungstransistoren
dienen. Die Transistor-Vollbrücke ist über einen in Serie liegenden Stromsensor
jeweils mit einem der Magnetlager-Aktuatoren verbunden.
Die Ankopplung des Verstärkers an den digitalen Regler über ein Bussystem bewirkt eine
wesentlich höhere Genauigkeit und Robustheit des Ausgangsstroms gegenüber äußeren
Einflüssen als bei den zur Zeit bei Magnetlagersystemen mit digitalen Reglern eingesetzten
Verfahren, wo Digital/Analog-Wandler zunächst die Stellgrößeninformation des Reglers in ein
Spannungssignal konvertieren und daraufhin der als Analog-Digital-Wandler wirkende
Schaltverstärker dieses Signal wieder in ein digitales Pulsweitensignal umsetzt, was jeweils
Rauschen, Quantisierungsfehler und andere Fehler mit sich bringt.
Die Verbindung von Ansteuereinheit und Leistungseinheit über LWL erlaubt eine problemlose
lokale und elektrische Trennung der beiden Einheiten. Das ermöglicht die Positionierung der
Leistungsstufe direkt beim Magnetlager und die Ansteuerung beim digitalen Regler. Die Länge
der LWL-Verbindung hat keinen Einfluß auf die Signalqualität.
Die geringe Distanz zwischen Leistungsteil und Aktuator bedingt nur sehr kurze Leitungen,
wodurch die über diese Leitungen abgestrahlten elektromagnetischen Störungen stark reduziert
sind. Zusätzlich wird durch die Distanz zwischen Aktuator und digitalem Regler samt
Signalkonvertierungseinheit (Analog/Digital-Wandler) eine weitere Erhöhung der Robustheit des
Systems erzielt.
Anhand von Meßergebnissen werden Funktionalität und Qualität demonstriert.