JP3304042B2 - Rotating body control filter circuit - Google Patents

Rotating body control filter circuit

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JP3304042B2
JP3304042B2 JP23131996A JP23131996A JP3304042B2 JP 3304042 B2 JP3304042 B2 JP 3304042B2 JP 23131996 A JP23131996 A JP 23131996A JP 23131996 A JP23131996 A JP 23131996A JP 3304042 B2 JP3304042 B2 JP 3304042B2
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば高速回転機
に使用する磁気軸受を制御する場合に用いられる回転体
制御用フィルタ回路、制御回路または制御方式に関す
る。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a rotating body control filter circuit, a control circuit or a control system used for controlling a magnetic bearing used for a high-speed rotating machine, for example.

【0002】[0002]

【従来の技術】磁気軸受で支持される回転体の回転軸
は、一般に回転体の重心の運動(並進運動)と重心まわり
傾き運動(姿勢運動)の振れ回り現象を伴う。このような
振れ回り現象を抑制するために、位置や速度、傾き角等
の状態量を検出し、これをもとに電磁石に与える電流を
制御するようにしている。このような制御の手段とし
て、例えば、センサで検出された回転軸に直交するラジ
アル2軸、x、y軸関連の状態量を、制御の目的に適合
する伝達関数を持つ制御回路に通すことにより、所定の
出力信号を得る方法、あるいは、オブザーバと呼ばれる
状態量推定器を用いる方法などがある。その際に、制御
回路は従来、実数係数の伝達関数を基本として設計・構
築されていた。
2. Description of the Related Art In general, a rotating shaft of a rotating body supported by a magnetic bearing involves a whirling phenomenon of a motion of a center of gravity (translational motion) and a tilting motion (posture motion) around the center of gravity. In order to suppress such a whirling phenomenon, state quantities such as a position, a speed, and a tilt angle are detected, and a current applied to the electromagnet is controlled based on the detected state quantities. As a means of such control, for example, by passing state quantities related to two radial axes, x, and y axes orthogonal to the rotation axis detected by the sensor, through a control circuit having a transfer function suitable for the purpose of control. , A method of obtaining a predetermined output signal, or a method of using a state quantity estimator called an observer. At that time, the control circuit has conventionally been designed and constructed based on the transfer function of the real number coefficient.

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】上記のような従来の振
動抑制法では、絶対値が等しいか極めて近い相互に逆符
号の振動モードを分離することが困難であった。回転体
の柔軟モードにおいては、絶対値が極めて接近した逆の
符号の二つのモードが存在する場合が多い。その内で片
方のモードは何らかの原因で減衰が十分与えられている
ので、そのモードは触らないで欲しいが、残されたもう
一つのモードだけが不安定である場合には、不安定モー
ドだけを選択する必要がある。しかしながら、上記のよ
うな従来の方法では、そのモードだけを選択することが
できないので、両モードを同時に制御することになり、
触らなくてよいモードに悪影響が出ることがあった。
In the conventional vibration suppressing method as described above, it is difficult to separate vibration modes having opposite signs with equal or very close absolute values. In the flexible mode of the rotating body, there are often two modes of opposite signs whose absolute values are extremely close. Among them, one of the modes is given enough attenuation for some reason, so please do not touch that mode, but if only the other mode is unstable, only the unstable mode You have to choose. However, in the conventional method as described above, since only the mode cannot be selected, both modes are controlled simultaneously,
Modes that do not need to be touched could be adversely affected.

【0004】また、高速回転体の制御において、回転体
の回転速度付近の狭い帯域幅だけを通過または阻止する
ためのフィルタ回路には、静止座標から回転体座標へ座
標変換して回転速度をゼロに置換して急峻な特性を得る
のが従来の方法であった。そのためには、特公平2−421
25号公報に開示されているように、低域フィルタのほか
に回転体の回転角度に対応する正余弦関数を発生して構
成した座標変換回路を2組構成する必要があった。
In a control of a high-speed rotating body, a filter circuit for passing or blocking only a narrow bandwidth near the rotating speed of the rotating body includes a coordinate conversion from stationary coordinates to rotating body coordinates to reduce the rotating speed to zero. It has been a conventional method to obtain a steep characteristic by substituting the above. To that end, Tokuhei 2-421
As disclosed in Japanese Patent Publication No. 25-205, two sets of coordinate conversion circuits configured to generate a positive cosine function corresponding to the rotation angle of the rotating body need to be configured in addition to the low-pass filter.

【0005】また、上記の従来の方法では、位相をゲイ
ンと同様に周波数に無関係に任意の値に調整することは
不可能とされてきた。
In the above-mentioned conventional method, it has been impossible to adjust the phase to an arbitrary value irrespective of the frequency similarly to the gain.

【0006】本発明は、絶対値が等しいか極めて接近し
た逆の符号の二つのモードの分離を容易に可能にする回
転体の制御回路を提供し、また、ゲインと位相を周波数
に無関係に調整することができる制御回路を提供するこ
とを目的とするものである。
The present invention provides a control circuit for a rotating body that facilitates the separation of two modes of opposite sign that are equal or very close in absolute value, and adjusts gain and phase independently of frequency. It is an object of the present invention to provide a control circuit capable of performing such operations.

【0007】ところで、従来のローパスまたはハイパス
フィルタは信号の角周波数Ωに正負の区別がなく、周波
数の負の領域までも含めれば、原点すなわち周波数ゼロ
に対して対称のゲイン特性を持っていた。このことはゼ
ロを中心周波数とするバンドパスまたはバンド阻止フィ
ルタとして利用していたことになる。従って図16に示
すように折れ点角周波数(a,b)が高いほど帯域幅が
広くなったことになり、横座標を角周波数の対数目盛lo
gΩではなく、線形目盛りにしたときの急峻なゲイン特
性を得ることが困難であった。
Incidentally, the conventional low-pass or high-pass filter has no distinction between the positive and negative angular frequencies Ω of the signal, and has a gain characteristic symmetrical with respect to the origin, that is, zero frequency if the negative frequency range is included. This means that the filter is used as a bandpass or band rejection filter having zero as a center frequency. Therefore, as shown in FIG. 16, the higher the breakpoint angular frequency (a, b) is, the wider the bandwidth is, and the abscissa is represented by a logarithmic scale lo of the angular frequency.
It was difficult to obtain a steep gain characteristic when a linear scale was used instead of gΩ.

【0008】通常のボード線図のゲイン特性では、一
見、折れ線近似の傾斜(dB/dec)はどの周波数領域でも同
一であるが、折れ点が高い周波数ほど横座標の、対数で
はない周波数の変化(増分)がはるかに大きくなってしま
うことからも容易に理解されるであろう。例えば、折れ
点周波数が10と1000では、1decあたりの変化は、前者が
100−10=90、後者が10000−1000=9000であるから、同一
の傾斜でも線形目盛りでは前者が100倍の急峻な傾斜と
なる。
In the gain characteristic of a normal Bode diagram, the slope (dB / dec) of the broken line approximation is apparently the same in any frequency region. It will be easily understood from the fact that the (increment) becomes much larger. For example, at break frequencies of 10 and 1000, the change per dec
Since 100−10 = 90 and the latter is 10000−1000 = 9000, the former has a steep slope of 100 times on the linear scale even with the same slope.

【0009】回転体の制御においては、ラジアルの直交
2軸から制御するので、x軸関連の信号は実数、y軸関
連の信号はjを乗じた虚数を使った複素変数を利用する
場合が多い。複素係数を含む複素係数伝達関数はその場
合の極めて有効な手段である。このような複素系では周
波数の正負は峻別すべきものであり、系の特性根は必ず
しも共役根にはならない。
In the control of the rotating body, since the control is performed from two orthogonal radial axes, the x-axis related signal often uses a complex variable using an imaginary number multiplied by j for the y-axis related signal. . A complex coefficient transfer function including complex coefficients is a very effective means in that case. In such a complex system, the sign of the frequency should be distinguished sharply, and the characteristic root of the system is not necessarily a conjugate root.

【0010】例えば、1次のローパスフィルタa/(a+
s)ではaが折れ点角周波数であり、同時にゼロが中心
角周波数であると考えても良い。従って、複素系では中
心角周波数をゼロに限定せず、例えばωとすればa/
{a+(s-jω)}が対称点をωとする複素係数伝達関数
に変わる。同時にaはゼロからではなく、ωからの距離
または通過帯域の半分である。ωが高い値でも、これが
原点に戻された形となるので、前述の例ではωを1000、
aを10に選べばその折れ線の傾斜が対数目盛りで約100
倍の急峻さが得られ、もちろんωの反対側の(ω-a)も
折れ点となり、細い急峻なバンドパス特性が得られる
(図17)。また、ある特定の角周波数の間だけ位相を鋭
く±180°変えることは従来は不可能とされていた。
本発明は、上記のような知見に基づいてなされたもので
ある。
For example, a first-order low-pass filter a / (a +
In s), it may be considered that a is a corner angular frequency and zero is a central angular frequency. Therefore, in a complex system, the central angular frequency is not limited to zero, and if, for example, ω, a /
{A + (s-jω)} changes to a complex coefficient transfer function with the symmetry point as ω. At the same time, a is not from zero, but a distance from ω or half the passband. Even if ω is a high value, it will be returned to the origin, so in the above example, ω is 1000,
If a is selected as 10, the slope of the polygonal line is about 100 on a logarithmic scale.
Double steepness is obtained, and of course (ω-a) on the opposite side of ω also becomes a break point, and a narrow steep bandpass characteristic is obtained.
(FIG. 17). Further, it has been conventionally impossible to sharply change the phase by ± 180 ° only during a specific angular frequency.
The present invention has been made based on the above findings.

【0011】[0011]

【課題を解決するための手段】請求項1に記載の発明
は、回転体の回転軸(z軸)と直交するラジアル2軸
(x,y軸)を電磁力等で制御する系において、該x,y
軸関連の入力信号(そのラプラス変換量をそれぞれUx,
Uy)を一つの複素変数(=Ux+jUy)で表現し、
実数係数のローパスまたはハイパスフィルタの伝達関数
をF(s)、通過または阻止したい正負を問わない中心角
周波数をω、虚数単位をj、該伝達関数F(s)のラプラ
ス演算子sを(s−jω)に置き換えた複素係数伝達関数
(s−jω)とし、該入力が該複素係数伝達関数
(s−jω)を通過した該x,y軸関連の出力信号(その
ラプラス変換量をそれぞれVx,Vy)を一つの複素変数
(=Vx+jVy)で表現して得られる伝達表現式 (s−jω)= ( 1) において、(s−jω)の分母を該表現式の両辺に乗じ
た後の該伝達表現式の実数部と虚数部がそれぞれ等しく
なるように実数係数の伝達要素で接続したことを特徴と
する回転体制御用フィルタ回路である。
According to a first aspect of the present invention, there is provided a radial two-axis orthogonal to a rotation axis (z-axis) of a rotating body.
In a system for controlling (x, y axes) by an electromagnetic force or the like, the x, y
Axis-related input signals (the Laplace conversion amount is Ux,
Uy) is represented by one complex variable ( U = Ux + jUy),
The transfer function of a low-pass or high-pass filter with real coefficients is F (s), the central angular frequency irrespective of positive or negative to be passed or blocked is ω, the imaginary unit is j, and the Laplace operator s of the transfer function F (s) is (s the complex coefficient transfer function is replaced with -Jeiomega) and F (s-jω), the input U is complex-coefficient transfer function F
The x- and y-axis-related output signals (the Laplace transform amounts thereof are Vx and Vy, respectively) that have passed through (s-jω) are converted into one complex variable
In a transfer expression U · F (s−jω) = V (1) obtained by expressing ( V = Vx + jVy), the transfer after multiplying both sides of the expression by the denominator of F (s−jω). A rotating body control filter circuit, characterized in that the real number part and the imaginary part of the expression are connected by a transmission element of a real number coefficient so as to be equal to each other.

【0012】請求項2に記載の発明は、通過および阻止
したい正または負の中心角周波数をそれぞれω1および
ω2とし、かつω1≠ω2として、ω1を中心にその前後の
帯域幅(2a)を含めた成分を通過させるとともにω2を中
心にその前後の帯域幅(2b)を含めた成分を阻止するため
に、kを任意のゲインまたは係数、zを無次元の定数と
し、前記複素係数伝達関数が、k(s+b−jω2)/(s+a
−jω1)または、k(s+b−jω2)/{(s−jω1)2+2
za(s−jω1)+a2}の形で与えられることを特徴と
する請求項1に記載の回転体制御用フィルタ回路であ
る。
[0012] According to a second aspect of the invention, passage and blocking want positive or negative the center angular frequency and omega 1 and omega 2, respectively, and omega 1 as ≠ omega 2, before and after the bandwidth about the omega 1 In order to pass the component including (2a) and block the component including the bandwidth (2b) before and after ω 2 as a center, k is an arbitrary gain or coefficient, z is a dimensionless constant, The complex coefficient transfer function is k (s + b−jω 2 ) / (s + a
−jω 1 ) or k (s + b−jω 2 ) / {(s−jω 1 ) 2 +2
2. The filter circuit for controlling a rotating body according to claim 1, wherein the filter circuit is provided in a form of za (s−jω 1 ) + a 2 }.

【0013】請求項3に記載の発明は、前記請求項1に
記載の伝達関数F(s)の分子及び/又は分母に、kを任
意のゲインまたは係数とし、2aを該中心角周波数を中
心とする通過または阻止の帯域幅とするk(s2+2za
s+a2)で表される2次系を含み、sを(s−jω)に置
き換え、無次元数zを任意に選ぶことによって該フィル
タの周波数特性のゲイン特性における帯域幅の両端の折
れ点付近をより理想フィルタに近付けるようにしたこと
を特徴とする請求項1に記載の回転体制御用フィルタ回
路である。
According to a third aspect of the present invention, in the numerator and / or denominator of the transfer function F (s) according to the first aspect, k is an arbitrary gain or coefficient, and 2a is the center angular frequency. K (s 2 + 2za)
s + a 2 ), where s is replaced by (s−jω), and dimensionless number z is arbitrarily selected to obtain the vicinity of a break point at both ends of the bandwidth in the gain characteristic of the frequency characteristic of the filter. 2. The filter circuit for controlling a rotating body according to claim 1, wherein is set closer to an ideal filter.

【0014】請求項4に記載の発明は、請求項1ないし
3のいずれかに記載の回転体制御用フィルタ回路を複数
個組み合わせることによって、負の周波数領域をも含め
た全周波数帯域の中の特定の帯域を通過または阻止する
ようにしたことを特徴とする回転体制御用フィルタ回路
である。もちろん、ゲイン特性の通過または阻止だけで
はなく、位相特性も利用できる。
According to a fourth aspect of the present invention, a plurality of the rotating body control filter circuits according to any one of the first to third aspects are combined to specify a filter in the entire frequency band including the negative frequency range. And a filter circuit for controlling the rotating body, wherein the filter circuit passes or blocks the band. Of course, not only the passing or blocking of the gain characteristic, but also the phase characteristic can be used.

【0015】請求項5に記載の発明は、請求項1ないし
4のいずれかに記載の回転体制御用フィルタ回路におい
て、ω,ω1,ω2を定数とせずに変数として各瞬時値を
入れるようにしたことを特徴とするトラッキングフィル
タである。
According to a fifth aspect of the present invention, in the filter for controlling a rotating body according to any one of the first to fourth aspects, each instantaneous value is entered as a variable without using ω, ω 1 and ω 2 as constants. This is a tracking filter characterized by the following.

【0016】回転体の回転軸(z軸)と直交するラジアル
2軸(x,y軸)を電磁力等で制御する系において、入力
信号から正負を問わずに必要な角周波数成分または帯域
成分を抽出するフィルタ部分と、該抽出成分に対して必
要な位相角を与える部分から成り、両部分を通過した出
力を制御に必要な他の状態量を推定するために用いた
り、またはフィードバックすることによって該抽出成分
のモードを安定化するための回転体の制御回路であっ
て、該位相角を与える部分は、A、Bを実定数とするA
+jB≡Fcで表現される複素ゲイン回路であり、Fcの該
x、y軸部への入力(Ux,Uy)および出力(Vx,Vy)との間に
Vx=AUx-BUy, Vy=BUx+AUyとなるように接続し、
A、Bを任意に選ぶことによって任意の位相角だけ入力
周波数に無関係に該出力の位相の増減を可能とし、制御
または制御関連の信号を推定する際に必要な周波数領域
のみに任意の必要な位相角を与えるようにしてもよい。
In a system for controlling two radial axes (x, y axes) orthogonal to a rotation axis (z axis) of a rotating body by an electromagnetic force or the like, a necessary angular frequency component or band component is obtained from an input signal regardless of positive or negative. And a part for giving a necessary phase angle to the extracted component, and an output passed through both parts is used for estimating other state quantities necessary for control or is fed back. And a control circuit for the rotating body for stabilizing the mode of the extracted component, wherein the portion that gives the phase angle is A where A and B are real constants.
+ a complex gain circuit represented by jB≡ Fc, Fc of the
between input (Ux, Uy) and output (Vx, Vy)
Connect so that Vx = AUx-BUy, Vy = BUx + AUy,
By arbitrarily selecting A and B, the phase of the output can be increased or decreased by an arbitrary phase angle irrespective of the input frequency, and any necessary only in a frequency region necessary for estimating a control or control-related signal can be obtained. A phase angle may be given.

【0017】また、回転体の回転軸と直交するラジアル
2軸を電磁力等で制御する系において、ラジアル2軸方
向の関連信号を入力とし、2軸方向の制御信号の構成に
必要な正又は負の角周波数成分を抽出するための回転体
制御用フィルタ回路であって、各軸の信号経路に積分器
を設け、それぞれに通過帯域幅の1/2のゲインを伴っ
た負のフィードバックを施すとともに、各積分器から該
軸間を交差するフィードバックを、第1軸から第2軸へ
のフィードバックは正、第2軸から第1軸へのフィード
バックは負となるように施し、該両フィードバック経路
には通過させたい中心角周波数をゲインとして挿入して
該角周波数成分を選択的に通過させるようにしてもよ
い。
Further, in a system for controlling two radial axes orthogonal to the rotation axis of the rotating body by electromagnetic force or the like, a related signal in the radial two-axis direction is input, and a positive or negative signal required for the configuration of the control signal in the two-axis direction is input. A rotating body control filter circuit for extracting a negative angular frequency component, wherein an integrator is provided in a signal path of each axis, and negative feedback with a gain of 1/2 of a pass band width is applied to each of the integrators. Feedback from each of the integrators so that the feedback from the first axis to the second axis is positive and the feedback from the second axis to the first axis is negative. The center angular frequency to be passed may be inserted as a gain to selectively pass the angular frequency component.

【0018】また、回転体の回転軸と直交するラジアル
2軸を電磁力等で制御する系において、ラジアル2軸方
向の関連信号を入力とし、2軸方向の制御信号の構成に
必要な正または負の角周波数成分を阻止または通過する
ための回転体制御用フィルタ回路であって、各軸の信号
経路にゲインを1とする直結経路とそれから分岐して並
列に1次のローパスフィルタを設けてその出力に該ロー
パスフィルタの折れ点角周波数から阻止帯域幅または通
過にあっては裾の帯域幅(外側折れ点角周波数の差)の
1/2を差し引いた値をゲインとして乗じて、該直結経
路に戻して減算結合し、該各ローパスフィルタの出力か
ら該軸間を交差して該ローパスフィルタへフィードバッ
クする経路を設け、その経路には阻止または通過したい
中心角周波数をゲインとして挿入し、該接続点では第1
軸から第2軸への経路は加算、第2軸から第1軸への経
路は減算となるように結合し、該中心角周波数を中心と
する帯域成分の信号を阻止または通過するようにしても
よい。
Further, in a system for controlling two radial axes orthogonal to the rotation axis of the rotating body by electromagnetic force or the like, a related signal in the radial two-axis direction is inputted, and a positive or negative signal required for forming a control signal in the two-axis direction is input. A rotary body control filter circuit for blocking or passing a negative angular frequency component, wherein a direct connection path having a gain of 1 is provided in a signal path of each axis, and a primary low-pass filter is provided in parallel with the direct connection path. The output is multiplied by a value obtained by subtracting half of the rejection bandwidth or the half of the tail band (difference in outer corner frequency) from the corner frequency of the low-pass filter, and the direct connection path. And a path that crosses the axes from the output of each low-pass filter and feeds back to the low-pass filter is provided. Insert as down, first at the connection point
The path from the axis to the second axis is added so that the path from the second axis to the first axis is subtracted, and the signal of the band component centered on the central angular frequency is blocked or passed. Is also good.

【0019】また、回転体の回転軸と直交するラジアル
2軸を電磁力等で制御する系において、ラジアル2軸方
向の関連信号を入力とし、2軸方向の制御信号の構成に
必要な正または負の角周波数成分ωを通過させ、他の
正または負の角周波数成分ωを阻止するための回転体
制御用フィルタ回路であって、各軸の信号経路にゲイン
を1とする直結経路とその各々から分岐して二つの並列
回路を設け、該二つの並列回路の一方には阻止帯域幅の
1/2の角周波数からその後部に接続される1次のロー
パスフィルタの折れ点角周波数である通過帯域幅の1/
2を差し引いた量をゲインとして与えて該ローパスフィ
ルタへの入力とし、他方の並列回路にはω−ωをゲ
インとして与え、その接続は該ローパスフィルタの入力
部へ交差して接続し、該接続点では第1軸から第2軸へ
の経路は加算、第2軸から第1への経路は減算となるよ
うに結合し、該ローパスフィルタの出力の一つは該直結
経路へ加算接続し、他の出力は該ローパスフィルタの該
入力部へ該軸間を交差フィードバックしてωをゲイン
として与え、該入力部での接続点では第1軸から第2軸
への経路は加算、第2軸から第1軸への経路は減算とな
るように結合し、ωを中心とする近傍の帯域幅を通過
させるとともにωを中心とする近傍の帯域幅を阻止す
るようにしてもよい。
Further, in a system for controlling two radial axes orthogonal to the rotation axis of the rotating body by electromagnetic force or the like, a related signal in the radial two-axis direction is input, and a positive or negative signal required for forming a control signal in the two-axis direction is input. passed through a negative angular frequency components omega 1, a rotating system patronized filter circuit for blocking other positive or negative angular frequency components omega 2, a direct path to a gain of 1 to the signal path of each axis Two parallel circuits are provided by branching from each of the two parallel circuits. One of the two parallel circuits has an angular frequency of 阻止 of the rejection bandwidth and a breakpoint angular frequency of a primary low-pass filter connected to the rear thereof. 1 / of a certain pass bandwidth
2 is given as a gain to be an input to the low-pass filter, and ω 1 −ω 2 is given to the other parallel circuit as a gain, and the connection is cross-connected to the input of the low-pass filter; At the connection point, the path from the first axis to the second axis is added so that the path from the second axis to the first is subtracted, and one of the outputs of the low-pass filter is added and connected to the directly connected path. The other output is cross-feedback between the axes to the input of the low-pass filter to give ω 1 as a gain. At the connection point at the input, the path from the first axis to the second axis is added, The path from the second axis to the first axis may be coupled in a subtractive manner to pass a bandwidth around ω 1 and block a bandwidth around ω 2. Good.

【0020】また、回転体の回転軸と直交するラジアル
2軸を電磁力等で制御する系において、ラジアル2軸方
向の関連信号を入力とし、2軸方向の制御信号を出力と
する制御回路であって、該入力信号から正負を問わずに
必要な角周波数成分または帯域を抽出し、ラジアル2軸
の各経路を分岐させ、その一方に第1の定数Aをゲイン
として与えて一方の経路に加算し、他方の経路に第2の
定数Bをゲインとして与えて該軸間を交差して一方の経
路に接続し、該接続点では第1軸から第2軸への経路は
加算、第2軸から第1軸への経路は減算となるように結
合してもよい。
Also, in a system for controlling two radial axes orthogonal to the rotation axis of the rotating body with an electromagnetic force or the like, a control circuit that inputs related signals in the two radial directions and outputs control signals in the two axial directions. A required angular frequency component or band is extracted from the input signal regardless of whether it is positive or negative, each path of the radial two axes is branched, and a first constant A is given as gain to one of the paths, and And the second path is given as a gain to the other path to cross the axes and connect to one path. At the connection point, the path from the first axis to the second axis is added, The path from the axis to the first axis may be combined in a subtractive manner.

【0021】また、請求項2において、複素係数伝達関
数が、k(s+b−jω)/(s+a−jω)で与えら
れ、角周波数ωとωを任意に選んだ場合に、bをゼ
ロまたは微小、aを発振しない程度に小さく設定するこ
とにより、該両角周波数間の帯域幅にわたって位相を鋭
く逆転させるようにしてもよい。
Further, in claim 2, the complex coefficient transfer function is given by k (s + b−jω 2 ) / (s + a−jω 1 ), and when the angular frequencies ω 1 and ω 2 are arbitrarily selected, b May be set to zero or very small, so that a does not oscillate, so that the phase is sharply reversed over the bandwidth between the two angular frequencies.

【0022】[0022]

【発明の実施の形態】図1は、この発明の第1の実施の
形態のフィルタ回路を示す図である。これは、例えば、
被支持体である回転体と、この回転体をその回転軸と直
交するx,y2軸において制御する電磁石と、それぞれ
の軸方向への変位を測る変位センサと、電磁石に駆動信
号を送るパワーアンプとを備えた磁気軸受装置におい
て、変位センサからの2軸の変位信号=(Ux,Uy)を
入力とし、2軸方向の制御信号=(Vx,Vy)をパワー
アンプに出力する制御回路の一部を構成するフィルタ回
路として用いられる。この回路は、以下の1次の実数係
数のローパスフィルタの伝達関数F1(s)を基に作成さ
れている。 F1(s)≡1/(s+σ) (2)
FIG. 1 is a diagram showing a filter circuit according to a first embodiment of the present invention. This is, for example,
A rotating body that is a supported body, an electromagnet that controls the rotating body in x and y axes orthogonal to the rotation axis, a displacement sensor that measures displacement in each axis direction, and a power amplifier that sends a drive signal to the electromagnet And the two-axis displacement signal U 2 = (U x , U y ) from the displacement sensor is input, and the control signal V 2 = (V x , V y ) in the two-axis direction is supplied to the power amplifier. It is used as a filter circuit that constitutes a part of the output control circuit. This circuit is created based on the following transfer function F 1 (s) of a low-pass filter of the first order real number coefficient. F 1 (s) ≡1 / (s + σ) (2)

【0023】この伝達関数F1(s)のラプラス演算子s
を(s−jω)に置き換えた複素係数伝達関数を(s−
jω)とすると、入力が該複素係数伝達関数(s−j
ω)を通過した該x,y軸関連の出力信号(そのラプラス
変換量をそれぞれVx,Vy)を一つの複素変数(=V
x+jVy)で表現して得られる伝達表現式 (s−jω)= (3) は、 (Ux+jUy)/ (s+σ−jω)=Vx+jVy (4) となる。上式の両辺に(s+σ−jω)を掛けて展開し、
実数部及び虚数部を対応させると、 Ux−σVx−ωVy=sVx (5) Uy−σVy+ωVx=sVy (6)
The Laplace operator s of this transfer function F 1 (s)
Is replaced by (s−jω), and the complex coefficient transfer function is represented by F (s−
jω), the input U is the complex coefficient transfer function F (s−j)
ω), the output signals related to the x and y axes (the Laplace transform amounts thereof are Vx and Vy, respectively) are converted into one complex variable ( V = V
The transfer expression U · F (s−jω) = V (3) obtained by expressing the (x + jVy) is expressed as (U x + jU y ) / (s + σ−jω) = V x + jV y (4). Multiply both sides of the above equation by (s + σ−jω) and expand
When the real part and the imaginary part are associated with each other, U x −σV x −ωV y = sV x (5) U y −σV y + ωV x = sV y (6)

【0024】これを実体化すると図1に示すようなフィ
ルタ回路となる。すなわち、x,y各軸の信号経路に積
分器1/sが設けられ、それぞれに通過帯域幅の1/2で
あるσをゲインとする負のフィードバックが施された1
次のローパスフィルタを構成している。そして、各積分
器からx,y軸間を交差するフィードバックを、x軸か
らy軸へのフィードバックは正、y軸からx軸へのフィ
ードバックは負となるように施す。これらのフィードバ
ック経路には、通過させたい角周波数ω(正でも負でも
良い)をゲインとして挿入しており、これにより該角周
波数成分を選択的に通過させている。
When this is materialized, a filter circuit as shown in FIG. 1 is obtained. That is, an integrator 1 / s is provided in a signal path of each of the x and y axes, and negative feedback is performed on each of the integrators 1 / s with a gain of σ which is の of the pass band width.
The following low-pass filter is configured. Then, feedback is performed from each integrator so as to cross the x and y axes so that the feedback from the x axis to the y axis is positive and the feedback from the y axis to the x axis is negative. In these feedback paths, an angular frequency ω (which may be positive or negative) to be passed is inserted as a gain, whereby the angular frequency component is selectively passed.

【0025】この実施の形態において、ω=3750[rad/
s],σ=7.5[rad/s]とした場合のボード線図を図2に
示す。これにより、正負を問わない中心角周波数を含む
帯域を選択性の急峻な特性で通過させるという効果が示
されている。
In this embodiment, ω = 3750 [rad /
s] and σ = 7.5 [rad / s] are shown in FIG. This shows an effect that a band including the center angular frequency regardless of positive or negative is passed with a sharp characteristic of selectivity.

【0026】なお、図1の構成のフィルタに相当するこ
れまでのバイカッドのフィルタでは、 V={2zωs/(s2+2zωs+ω2)}U (7) で与えられる。zはフィルタの急峻度を与える無次元数
で、減衰比とか選択度の逆数に相当するものである。
(7)式は実数系で,x,yの2軸に個別に設けるべきも
のである。その具体的なブロック線図を示したのが図1
8である。積分器が各軸二個で合計4個を必要とする。
さらに、zを固定すると、減衰の傾斜はボード線図では
一定であるが、横軸を線形のスケールにすると高周波領
域では急峻度が落ち、等価的にバンド幅が増大する。
Incidentally, in the conventional biquad filter corresponding to the filter having the configuration shown in FIG. 1, V = {2zωs / (s 2 + 2zωs + ω 2 )} U (7) z is a dimensionless number that gives the steepness of the filter, and corresponds to an attenuation ratio or a reciprocal of selectivity.
Equation (7) is a real number system and should be provided separately for the two axes x and y. FIG. 1 shows a specific block diagram thereof.
8 Integrators require a total of four for each two axes.
Further, when z is fixed, the slope of attenuation is constant in the Bode diagram, but when the horizontal axis is set to a linear scale, the steepness decreases in a high frequency region, and the bandwidth increases equivalently.

【0027】そのため、トラッキングフィルタのような
利用ではωの増大に応じてzを小さくする操作が必要と
なる。また、ωが変数となるので、図のωは乗算器にす
る必要があり、それを4個必要とするので、コストまた
は計算時間が増大する。もちろん(7)式にはωの正負分
別の機能はない。それに対して図1の複素フィルタでは
バンド幅はσのまま不変であり、簡潔で単純明快であり
ハードウェアが約半数ですむし、デジタル制御では計算
時間が短くてすむ利点がある。
For this reason, in a use such as a tracking filter, an operation for reducing z in accordance with an increase in ω is required. In addition, since ω is a variable, ω in the figure needs to be a multiplier, and four of them are required, which increases cost or calculation time. Of course, equation (7) does not have a function of discriminating positive and negative ω. On the other hand, the complex filter of FIG. 1 has the advantage that the bandwidth remains unchanged at σ, is simple and clear, and requires about half the hardware, and the digital control requires a short calculation time.

【0028】図3(a)はこの発明の第2の実施の形態を
示すもので、特定の周波数信号のみを阻止するいわゆる
ノッチフィルタである。このノッチフィルタの元になる
実係数伝達関数は、 F2(s)≡k(s+b)/(s+a),a>b>0 (8) である。複素係数伝達関数はこの分母子のsを(s−j
ω)に置き換えた 2(s−jω)である。これの具体的な
接続の方法は、後述する 3においてω1=ω2=ωと置
いた特別の場合なので省略する。
FIG. 3 (a) shows a second embodiment of the present invention, which is a so-called notch filter for blocking only a specific frequency signal. The real coefficient transfer function that is the basis of this notch filter is: F 2 (s) ≡k (s + b) / (s + a), a>b> 0 (8) The complex coefficient transfer function calculates s of this denominator and (s−j
ω) is replaced by F 2 (s−jω). The specific connection method is omitted because it is a special case where ω 1 = ω 2 = ω in F 3 described later.

【0029】これを実体化すると図3(a)に示すような
フィルタ回路となる。すなわち、各軸の信号経路には、
ゲインをkとする直結経路が設けられ、また、それから
分岐して並列にローパスフィルタ(LPF)が設けら
れ、その出力側には、該ローパスフィルタの折れ点角周
波数aから阻止帯域幅の1/2であるbを差し引いた値
(a−b)をゲインとして乗じて該直結経路に戻して減算
結合する経路と、該各ローパスフィルタの出力から該軸
間を交差して該ローパスフィルタへフィードバックする
交差経路とが設けられている。ローパスフィルタは、図
3(b)に示すように積分器とゲインaのフィードバック
とからなっている。この交差経路には、阻止したい角周
波数をゲインとして挿入しており、その接続点ではx軸
からy軸への経路は加算、y軸からx軸への経路は減算
となるように結合している。これにより、結果として該
角周波数成分の信号が相殺されて通過が阻止されるよう
になっている。このフィルタ回路は、角周波数の正又は
負の一方のみの通過を阻止し、残された信号に適当な位
相を与えるなどして安定な作動が保たれるように補償す
ることができる。なお、b>a>0とすれば通過フィル
タとなり、k=a/bにすれば通過特性の裾の底部が0
dBとなる。阻止または通過帯域外近傍はゲインの変化
が殆どない位相変化だけなので(図4参照)、この特徴
を制御に活用することもできる。
When this is materialized, a filter circuit as shown in FIG. That is, in the signal path of each axis,
A direct connection path having a gain of k is provided, and a low-pass filter (LPF) is provided in parallel with a branch therefrom. On the output side, 1/1 of the rejection bandwidth is obtained from the corner frequency a of the low-pass filter. Value obtained by subtracting b that is 2
There are provided a path for multiplying (ab) as a gain and returning to the direct connection path for subtraction coupling, and a crossing path for crossing the axes from the output of each low-pass filter and feeding back to the low-pass filter. . The low-pass filter includes an integrator and a feedback of a gain a, as shown in FIG. In this crossing path, the angular frequency to be blocked is inserted as a gain, and at the connection point, the path from the x-axis to the y-axis is added, and the path from the y-axis to the x-axis is subtracted. I have. Thereby, as a result, the signal of the angular frequency component is canceled and the passage is prevented. This filter circuit can prevent the passage of only one of the positive and negative angular frequencies, and can compensate for maintaining a stable operation by giving an appropriate phase to the remaining signal. If b>a> 0, the filter becomes a pass filter. If k = a / b, the bottom of the bottom of the pass characteristic becomes 0.
dB. Since there is only a phase change with little change in gain near the stop or outside the pass band (see FIG. 4), this feature can be utilized for control.

【0030】図5は、この発明の第3の実施の形態を示
すもので、第1と第2の実施の形態を複合させたもの
で、機能的には、上の2つのフィルタ回路を直列させた
場合と同等に働く。すなわち、2軸方向の制御信号の構
成に必要な正または負の角周波数成分ω1を通過させ、
他の正または負の角周波数成分ω2を阻止するためのフ
ィルタ回路である。
FIG. 5 shows a third embodiment of the present invention, in which the first and second embodiments are combined. Functionally, the above two filter circuits are connected in series. Works the same as if you let it. That is, passed through a positive or negative angular frequency components omega 1 required to configure two axial directions of the control signal,
A filter circuit for blocking other positive or negative angular frequency components omega 2.

【0031】これは、分母子がともに1次の場合の伝達
関数 F3≡k(s+b)/(s+a) (9) から、分母子のsをそれぞれ、(s−jω1)、(s−jω
2)で置き換えて得られる複素係数伝達関数 3≡k(s+b−jω2)/(s+a−jω1) (10) で表現される。まず、分子の低次元化をはかって 3=k{s+a−jω1−a+b+j(ω1−ω2)}/(s+a−jω1) =k+k[{b−a+j(ω1−ω2)}/(s+a−jω1)] (11) となる。従って、入力にkを乗じて素通りするものと、
第2項の複素定数を含む1次遅れ要素またはローパスフ
ィルタに分解できる。ここでは第2項のみの構成法を述
べる。
From the transfer function F 3 ≡k (s + b) / (s + a) (9) when the denominator and the denominator are both of the first order, the s of the denominator and the denominator are (s−jω 1 ) and (s−jω 1 ), respectively. jω
The complex coefficient transfer function F 3 ≡k (s + b−jω 2 ) / (s + a−jω 1 ) obtained by replacing with ( 2 ) is expressed by (10). First, measure the dimension reduction of the molecule F 3 = k {s + a -jω 1 -a + b + j (ω 1 -ω 2)} / (s + a-jω 1) = k + k [{b-a + j (ω 1 -ω 2) } / (S + a−jω 1 )] (11). Therefore, multiplying the input by k and passing it through,
It can be decomposed into a first-order lag element including the complex constant of the second term or a low-pass filter. Here, the configuration method of only the second term will be described.

【0032】第2項からkを除いた[{b−a+j(ω1
ω2)}/(s+a−jω1)]に入力 2=( 2x+j 2y)
を乗じたものが出力 2 2x+j 2yであるとすれ
ば、分母を両辺に乗じた後の複素数等式の実数部と虚数
部がそれぞれ等しいから、 U2x(b−a)−U2y(ω1−ω2)=V2x(s+a)+V2yω1 (12) U2x(ω1−ω2)+U2y(b−a)=V2y(s+a)−V2xω1 (13) が得られ、(12)式から、 V2x=[U2x(b−a)−U2y(ω1−ω2)−V2yω1]/(s+a) (14) 同様に(13)式から V2y=[U2x(ω1−ω2)+U2y(b−a)+V2xω1]/(s+a) (15) が得られる。(10)式の分母の共役を分母子に乗じて分
母を実数化するのは構成要素を増大し、系の次数を上
げ、デジタル制御においては計算時間を増大するので望
ましくない。(14)、(15)式の通りの接続は、図5
の素通り以外の部分に示される。
[{B−a + j (ω 1
ω 2 )} / (s + a−jω 1 )] and input U 2 = ( U 2 x + j U 2 y)
Is multiplied by the output V 2 = V 2 x + j V 2 y, the real part and the imaginary part of the complex equation after multiplying both sides by the denominator are equal, so that U 2 x (b−a ) −U 2 y (ω 1 −ω 2 ) = V 2 x (s + a) + V 21 (12) U 2 x (ω 1 −ω 2 ) + U 2 y (ba) = V 2 y (s + a) ) −V 21 (13) is obtained, and from equation (12), V 2 x = [U 2 x (ba) −U 2 y (ω 1 −ω 2 ) −V 21 ] / (s + a) (14) Similarly (13) V 2 y = [ U 2 x (ω 1 -ω 2) + U 2 y (b-a) + V 2 xω 1] from equation / (s + a) (15 ) is obtained Can be Multiplying the denominator by the conjugate of the denominator in equation (10) to make the denominator a real number is not desirable because it increases the number of components, increases the order of the system, and increases the calculation time in digital control. The connections according to equations (14) and (15) are shown in FIG.
Is shown in the part other than the passage.

【0033】x,y各軸の信号経路には、ゲインを1と
する直結経路とその各々から分岐して二つの並列回路が
設けられている。この並列回路の一方は、阻止帯域幅の
1/2からその後部に接続されるローパスフィルタLP
Fの折れ点角周波数aを差し引いた量(b−a)をゲイン
として与えており、これをローパスフィルタLPFへの
入力としている。他方には(ω1−ω2)をゲインとして与
えてローパスフィルタLPFの入力部へ交差して接続し
ている。この接続は、第1軸から第2軸への経路は加
算、第2軸から第1への経路は減算となるように結合し
ている。
A signal path for each of the x and y axes is provided with a direct connection path having a gain of 1 and two parallel circuits branched from each of the paths. One of the parallel circuits includes a low-pass filter LP connected to a half of the stop band and a rear part thereof.
An amount (ba) obtained by subtracting the corner frequency a of F is given as a gain, and this is input to the low-pass filter LPF. On the other hand, (ω 1 −ω 2 ) is given as a gain and connected to the input of the low-pass filter LPF crosswise. The connection is such that the path from the first axis to the second axis is added and the path from the second axis to the first is subtracted.

【0034】図3(b)と同じローパスフィルタLPFと
ω1の交差フィードバックを含む回路はバンドパスフィ
ルタを構成し、図1で説明したものと同じもので、同図
において、σをaに、ωをω1に置き換えたものであ
る。すなわち、各軸の信号経路に積分器が設けられ、そ
れぞれに通過帯域幅の1/2であるaを伴った負のフィ
ードバックを施されている。そして、各積分器からx,
y軸間を交差するフィードバックを、x軸からy軸への
フィードバックは正、y軸からx軸へのフィードバック
は負となるように施すとともに、これらのフィードバッ
ク経路には、通過させたい角周波数ω1をゲインとして
挿入している。全体としてのバンドパスフィルタの出力
は、直結経路へ加算接続されている。
A circuit including the same low-pass filter LPF and the cross feedback of ω 1 as in FIG. 3B constitutes a band-pass filter, and is the same as that described in FIG. 1. In FIG. ω is replaced by ω 1 . That is, an integrator is provided in the signal path of each axis, and each of them is provided with negative feedback accompanied by a which is の of the pass bandwidth. Then, from each integrator, x,
The feedback crossing the y-axis is performed so that the feedback from the x-axis to the y-axis is positive, and the feedback from the y-axis to the x-axis is negative. 1 is inserted as gain. The output of the bandpass filter as a whole is summed and connected to a direct connection path.

【0035】この例は、特にω1≒ω2の場合に有効であ
る。つまりω1のモードだけを選び出して直ぐ近くのω2
モードには触れたくないような場合である。a=b=10[r
ad/s],ω1=5000[rad/s],ω2=5100[rad/s]の場合の
ボード線図が図6である。このように接近した周波数で
しかもかなりの帯域幅を取っているにもかかわらず、通
過と阻止のゲイン差が約40[dB]となっており、このフィ
ルタ回路の有効性を示している。
This example is particularly effective when ω 1 ≒ ω 2 . In other words, only the mode of ω 1 is selected and ω 2
This is the case when you do not want to touch the mode. a = b = 10 [r
ad / s], ω 1 = 5000 [rad / s] and ω 2 = 5100 [rad / s] are Bode diagrams in FIG. In spite of such close frequencies and considerable bandwidth, the gain difference between passing and blocking is about 40 [dB], demonstrating the effectiveness of this filter circuit.

【0036】図7は、図5の回路において、ある角周波
数帯域だけの位相角を180度遅らせ、他の角周波数領
域の位相には影響を与えないことを目的とした例であ
る。ω1=10000〔rad/s],ω2=40000〔rad/
s],b=0,a=1〔rad/s]の場合であり、aを発振し
ない程度に小さく設定することにより、該両角周波数間
の帯域幅にわたって位相を鋭く逆転させている。ただ
し、ゲイン特性は完全なフラットにはなっていない。ω
1とω2を逆にすればその間の位相は逆に180度進むこ
とになり、ゲインの傾斜も逆になる。
FIG. 7 shows an example in which in the circuit of FIG. 5, the phase angle of only a certain angular frequency band is delayed by 180 degrees and the phase of other angular frequency regions is not affected. ω 1 = 10000 [rad / s], ω 2 = 40000 [rad / s
s], b = 0, a = 1 [rad / s], and a is sharply reversed over the bandwidth between the two angular frequencies by setting a so small that a does not oscillate. However, the gain characteristics are not completely flat. ω
If 1 and ω 2 are reversed, the phase between them will be reversed by 180 degrees, and the slope of the gain will also be reversed.

【0037】次に、伝達関数が実数係数で次式のような
2次のローパスフィルタを急峻なゲイン特性のバンドパ
スフィルタにする例を述べる。 F4≡ka2/(s2+2zas+a2) (16) このフィルタのzは通常減衰比と呼ばれるもので、z<
1にセットして折れ点付近のコブを細く高くして共振特
性を持たせるのが普通である。しかしこのような利用法
では、コブの高周波側はある程度急峻な特性となるが、
低周波側は底が浅い欠点があるので、(16)式の分子に
sを乗ずるのが一般的であるがコブの形状設計が複雑で
あった(図19参照)。
Next, an example will be described in which a transfer function is a real number coefficient and a second-order low-pass filter represented by the following equation is used as a band-pass filter having a steep gain characteristic. F 4 ≡ka 2 / (s 2 + 2zas + a 2 ) (16) z of this filter is usually called an attenuation ratio, and z <
Normally, it is set to 1 to make the bump near the break point thinner and higher to give resonance characteristics. However, in such a usage, the high-frequency side of the bump has a somewhat steep characteristic,
Since the low-frequency side has a disadvantage that the bottom is shallow, it is common to multiply the numerator of equation (16) by s, but the shape design of the bump was complicated (see FIG. 19).

【0038】本発明では2次のフィルタのままでも急峻
な特性が得られ、かつ帯域幅のみならずコブの形状も自
由に選べ、しかも通過帯域の正負も自由に選べるもので
ある。正負を問わない任意の中央角周波数ωを基準に取
り直すために、(16)式のsを(s−jω)に置き換える
と、入力との関係は複素数を含む分母を両辺に乗
じて、 ka2 ={(s−jω)2+2za(s−jω)+a2} ={(s2+2zas+a2−ω2)−j2(ωs+zaω)}(Vx+jVy) (17 ) この等式の実数部および虚数部が相等しいから、 {ka2Ux−2(ωs+zaω)Vy}/(s2+2zas+a2−ω2)=Vx (18 ) {ka2Uy+2(ωs+zaω)Vx}/(s2+2zas+a2−ω2)=Vy (19 ) (18),(19)式の分母子をω2で割り、実体化した回路
が図8に示されている。ただし、kは省略した。
In the present invention, steep characteristics can be obtained even with the secondary filter, and not only the bandwidth but also the shape of the bump can be freely selected, and the sign of the pass band can be freely selected. If s in equation (16) is replaced with (s-jω) in order to take the center angular frequency ω irrespective of positive or negative as a reference, the relationship with inputs U and V is obtained by multiplying both sides by a denominator including complex numbers. , Ka 2 U = {(s−jω) 2 + 2za (s−jω) + a 2 } V = {(s 2 + 2zas + a 2 −ω 2 ) −j 2 (ωs + zaω)} (Vx + jVy) (17) The real number of this equation {Ka 2 Ux−2 (ωs + zaω) Vy} / (s 2 + 2zas + a 2 −ω 2 ) = Vx (18) {ka 2 Uy + 2 (ωs + zaω) Vx} / (s 2 + 2zas + a 2) −ω 2 ) = Vy (19) FIG. 8 shows a circuit in which the denominator and the denominator of the equations (18) and (19) are subdivided by ω 2 and are materialized. However, k is omitted.

【0039】x,yの両軸ともに2次系の回路であり、
両者間にクロスすることで極めて高度な機能、性能を有
している。数値例は、a=250[rad/s],ω=5000[rad/
s]の場合のzをz=0.5,0.707,1.0にした三つのボー
ド線図が図9である。ただし、横座標は角周波数の線形
目盛りとした。帯域幅は2aで与えることが可能で、z
を適当に選ぶことが、帯域幅の角の部分を改良するのに
役立っている。帯域幅が小さいほどゲイン特性は急峻に
なる。
Both x and y axes are secondary circuits.
It has extremely advanced functions and performance by crossing between them. Numerical examples are a = 250 [rad / s], ω = 5000 [rad /
FIG. 9 shows three Bode diagrams in which z = 0.5, 0.707, and 1.0 in the case of [s]. However, the abscissa was a linear scale of angular frequency. The bandwidth can be given by 2a, z
The proper choice of helps to improve the corners of the bandwidth. The gain characteristic becomes steeper as the bandwidth is smaller.

【0040】図10は、この発明の更に別の実施の形態
を示すもので、センサ出力の入力信号から正負を問わず
に必要な角周波数成分または帯域を抽出し、該成分また
は帯域に対して必要な位相角を与えてフィードバックす
ることによって該成分または帯域を安定化したり、制御
に必要な他の情報を推定するために利用することができ
る制御装置のブロック線図である。
FIG. 10 shows still another embodiment of the present invention, in which a required angular frequency component or band is extracted from an input signal of a sensor output irrespective of whether it is positive or negative. FIG. 3 is a block diagram of a control device that can be used to stabilize the component or band by giving a necessary phase angle and feeding it back, or to estimate other information required for control.

【0041】これは、被支持体である回転体1と、この
回転体をその回転軸と直交するx,y2軸において制御
する電磁石2a,2bと、それぞれの軸方向への変位を
測る変位センサ3a,3bと、電磁石に駆動信号を送る
パワーアンプ4a〜4d(図12参照)とを備えた磁気軸
受装置において、変位センサからの2軸の変位信号
(Ux,Uy)を入力とし、2軸方向の制御信号=(Vx
y)をパワーアンプに出力する制御回路として用いられ
る。電磁石2a,2bは吸引しかできないので、軸を挟
んで対向して1対が設けられ、これには互いに符号を逆
とした制御信号が供給される。
This comprises a rotating body 1, which is a supported body, electromagnets 2a, 2b for controlling the rotating body in x, y2 axes orthogonal to the rotation axis thereof, and displacement sensors for measuring displacements in respective axial directions. In a magnetic bearing device including 3a, 3b and power amplifiers 4a to 4d (see FIG. 12) for sending a drive signal to the electromagnet, a two-axis displacement signal U =
(U x , U y ) is input and the control signal V = (V x ,
V y ) to a power amplifier. Since the electromagnets 2a and 2b can only be attracted, a pair is provided to face each other across the shaft, and control signals with opposite signs are supplied to them.

【0042】図中、5a,5b,・・・は、それぞれ図
1ないし図3で説明した通過又は阻止又は併用フィルタ
であり、それぞれ異なった周波数を通過させ、又は近傍
の邪魔な周波数成分を除去するものである。複素ゲイン
回路6a,6b・・・は、通過フィルタ5a,5b・・
・のそれぞれと接続されており、図11に示すように、
ラジアル2軸の各軸を分岐させ、一方に定数Aをゲイン
として与え、他方の経路に定数Bをゲインとして与えて
該軸間を交差して該Aの後部で接続している。この接続
点では、x軸からy軸への経路は加算とし、y軸からx
軸への経路は減算となるように結合している。
In the figures, reference numerals 5a, 5b,... Denote the passing or blocking or combination filters described with reference to FIGS. 1 to 3, respectively, for passing different frequencies or removing nearby disturbing frequency components. Is what you do. The complex gain circuits 6a, 6b,...
. Are connected to each other, as shown in FIG.
Each of the two radial axes is branched, and a constant A is given as a gain to one of the two axes, and a constant B is given to the other path as a gain. At this connection point, the path from the x-axis to the y-axis is added, and the path from the y-axis to x
The paths to the axes are connected in a subtractive manner.

【0043】このような複素ゲイン回路6a,6b・・
・においては、A,Bを任意に選ぶことによって任意の
位相角 tan-1〔B/A〕だけ入力周波数に無関係に出力
の位相の増減を可能とする。この時のゲインは、(A2
2)1/2である。上記構成の制御回路の具体例を、磁気
軸受の制御を例にとり、その安定化のための閉ループ系
の構成の一例を図12及び図13に示す。
Such complex gain circuits 6a, 6b,...
In (2), the phase of the output can be increased or decreased by an arbitrary phase angle tan -1 [B / A] regardless of the input frequency by arbitrarily selecting A and B. The gain at this time is (A 2 +
B 2 ) 1/2 . Taking a specific example of the control circuit having the above-described configuration for controlling a magnetic bearing as an example, FIGS. 12 and 13 show an example of a configuration of a closed loop system for stabilizing the control.

【0044】図12において、通過フィルタ5a,5b
はそれぞれ周波数(例では+ωと−ω)を選択して通過さ
せる。複素ゲイン回路6a,6bは、A1=0,B1=+
+,A2=0,B2=−k-に設定され、従って、周波数
ωのものは90度の位相変化とk+のゲインを、周波数
−ωのものは−90度の位相変化とkのゲインを受け
る。図13は、図12の例の制御対象の動特性を1/
(s2+ω2)と表現した複素表現ブロック線図である。
In FIG. 12, pass filters 5a and 5b
Respectively select and pass frequencies (+ ω and −ω in the example). The complex gain circuits 6a and 6b have A 1 = 0 and B 1 = +
k + , A 2 = 0, B 2 = −k , so that the frequency ω has a 90 ° phase change and the k + gain, and the frequency −ω has a −90 ° phase change. receive a gain of k over. FIG. 13 shows the dynamic characteristic of the control target in the example of FIG.
FIG. 3 is a complex expression block diagram expressed as (s 2 + ω 2 ).

【0045】複素ゲイン回路6a,6bの作用は進みで
も遅れでも任意である。動特性のいらないゲインなの
で、位相を進めても、比B/Aを保ちつつ両者を大にし
なければ、ゲインが増大することはない。このような周
波数(帯域)の選択経路を必要に応じて複数個設けて安定
化に必要なゲイン、位相を与えればよい。
The operation of the complex gain circuits 6a and 6b can be arbitrarily determined whether the operation is advanced or delayed. Since the gain does not require dynamic characteristics, even if the phase is advanced, the gain does not increase unless both are increased while maintaining the ratio B / A. A plurality of such frequency (band) selection paths may be provided as necessary to provide a gain and a phase necessary for stabilization.

【0046】図14は、制御の対象が、図13と同じ動
特性とするが制御力を出す例えば電磁石が大きな時定数
Tを有する1次遅れがある場合で、この遅れの伝達関数
を1/(1+Ts)とし、+jωモードは何らかの影響で
十分に減衰が与えられているが、−jωモードだけが減
衰不足となっている場合である。従って、この場合に
は、−jωモード成分のみを選択し、一定の複素ゲイン
を与えてフィードバックすれば良い。
FIG. 14 shows a case where the object to be controlled has the same dynamic characteristic as that of FIG. 13 but has a first-order lag with a large time constant T, for example, where the electromagnet that generates a control force has a transfer function of 1 / l. (1 + Ts), where the + jω mode is sufficiently attenuated by some influence, but only the −jω mode is underdamped. Therefore, in this case, only the −jω mode component is selected, and a constant complex gain
What is necessary is just to give k and feed back.

【0047】このフィードバックを含めた全系の運動方
程式をラプラス変換したものはを未知の複素数として s2+ω2/〔(1+Ts)(s+σ+jω)〕 (20) この系の特性方程式は F(s)=(s2+ω2)(1+Ts)(s+σ+jω)〕−=0 (21) s=−jω近傍でテーラー展開すると、近似的に F(s)|s=-jω=−2jωσ(1−jωT)(s+jω)− (22) となるから近傍における解は s=−jω+/{−2jωσ(1−jωT)} (23)
The Laplace transform of the motion equation of the whole system including the feedback is as follows: k is an unknown complex number, and s 2 + ω 2 = k / [(1 + Ts) (s + σ + jω)] (20) The characteristic equation of this system is F (s) = (s 2 + ω 2 ) (1 + Ts) (s + σ + jω)] − k = 0 (21) When Taylor expansion is performed near s = −jω, approximately F (s) | s = −j ω = −2jωσ Since (1−jωT) (s + jω) −k (22), the solution in the vicinity is s = −jω + k / {− 2jωσ (1-jωT)} (23)

【0048】右辺第2項は減衰項であるから負の実数で
あることが望ましい。したがって、 =j(1−jωT)k (24) とおけば、 s=−jω− k/2ωσ (25) ただし、kは正の実数で通常のフィードバックゲインに
対応する。結局(20)式は、 s2+ω2=jk(1−jωT)/〔(1+Ts)(s+σ+jω)〕 (26) となる。ここにおいては、1次遅れの影響を除去するた
めに分子に(1−jωT)が新たに追加されている。セン
サ出力をx+jyとし、選択フィルタを除いた分子の具
体的な接続は、 (x+jy)jk(1−jωT)=k〔−y+xωT+j(x+yωT)〕(27) であるから図14のような接続となる。このような構成
により、この制御回路では、選択フィルタにより±ωの
内、−ωのみを通過させて電磁石の遅れをも補償してダ
ンピングを与えることができる。
Since the second term on the right side is an attenuation term, it is desirable to be a negative real number. Therefore, if k = j (1−jωT) k (24), then s = −jω−k / 2ωσ (25) where k is a positive real number and corresponds to a normal feedback gain. Eventually, the expression (20) is as follows: s 2 + ω 2 = jk (1−jωT) / [(1 + Ts) (s + σ + jω)] (26) Here, (1-jωT) is newly added to the numerator in order to remove the influence of the first-order lag. The specific connection of the numerator, excluding the selection filter, is given by (x + ji) jk (1-jωT) = k [-y + xωT + j (x + yωT)] (27) Become. With such a configuration, in this control circuit, only -ω out of ± ω can be passed by the selection filter to compensate for the delay of the electromagnet and to provide damping.

【0049】図15は、この発明をトラッキングフィル
タに適用した例を示す。トラッキングフィルタは、例え
ば回転同期成分を抽出して回転速度を含むそれに近い振
動成分を除去したり、または回転速度付近のみの軸受剛
性を増大するために利用されている。本発明のトラッキ
ングフィルタは、図1で説明した通過フィルタにおい
て、交差フィードバックされているωが定数ではなく変
数となったものである。つまり、センサ3a,3bから
の信号、又は回転速度検出専用のセンサから発生する回
転速度相当の電圧信号が変数として積分器の出力に乗算
される。また、積分器の出力からフィードバックされて
いるσは通過帯域幅の1/2で、ローパスフィルタの動作
と同時に、選択通路の発振防止の役割をも果たしてい
る。σは、回転速度相当の電圧発生の誤差をも含む程度
の大きさに押さえると、回転同期信号以外のノイズなど
の不要な信号は小さくなる。
FIG. 15 shows an example in which the present invention is applied to a tracking filter. The tracking filter is used, for example, to extract a rotation synchronization component to remove a vibration component close to the rotation speed component, or to increase the bearing stiffness only near the rotation speed. In the tracking filter of the present invention, in the pass filter described with reference to FIG. 1, the cross feedback ω is not a constant but a variable. That is, the output of the integrator is multiplied by a signal from the sensors 3a and 3b or a voltage signal corresponding to the rotation speed generated from a sensor dedicated to rotation speed detection as a variable. Further, σ, which is fed back from the output of the integrator, is 帯 域 of the pass band width, and at the same time as the operation of the low-pass filter, plays a role of preventing oscillation of the selection path. If σ is suppressed to a level that also includes an error in voltage generation corresponding to the rotation speed, unnecessary signals such as noise other than the rotation synchronization signal are reduced.

【0050】[0050]

【発明の効果】この発明の回転体制御用フィルタ回路に
よれば、回転体の柔軟モードにおいて存在する絶対値が
等しいか極めて接近した逆の符号の2つの振動モードを
分離することが可能であり、一方のモードのみを選択し
て、その状態量を推定したり所定の制御則を施したりす
ることができる。従って、比較的簡単な装置やソフトウ
エアで、回転体の作動条件に適合した制御を行なうこと
ができ、磁気軸受などで支持される回転体の安定な動作
を可能とする。また、この発明の回転体制御回路では、
従来方法では不可能とされてきたゲインと位相を周波数
に無関係に同時に調整することが可能となり、これによ
って、回転体の作動条件に適合した制御を行なうことが
できる。
According to the filter circuit for controlling a rotating body of the present invention, it is possible to separate two vibration modes having opposite signs of equal or extremely close absolute values existing in the flexible mode of the rotating body. By selecting only one mode, the state quantity can be estimated or a predetermined control rule can be applied. Therefore, control suitable for the operating conditions of the rotating body can be performed with relatively simple devices and software, and stable operation of the rotating body supported by a magnetic bearing or the like is enabled. Further, in the rotating body control circuit of the present invention,
It is possible to simultaneously adjust the gain and the phase, which have been impossible with the conventional method, independently of the frequency, whereby control suitable for the operating conditions of the rotating body can be performed.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】この発明の第1の実施の形態を示すブロック線
図である。
FIG. 1 is a block diagram showing a first embodiment of the present invention.

【図2】図1の実施の形態の回路の特性を表すグラフで
ある。
FIG. 2 is a graph showing characteristics of the circuit according to the embodiment of FIG. 1;

【図3】この発明の第2の実施の形態を示すブロック線
図である。
FIG. 3 is a block diagram showing a second embodiment of the present invention.

【図4】図3の実施の形態の回路の特性を表すグラフで
ある。
FIG. 4 is a graph showing characteristics of the circuit according to the embodiment of FIG. 3;

【図5】この発明の第3の実施の形態を示すブロック線
図である。
FIG. 5 is a block diagram showing a third embodiment of the present invention.

【図6】図5の実施の形態の回路の特性を表すグラフで
ある。
FIG. 6 is a graph showing characteristics of the circuit according to the embodiment of FIG. 5;

【図7】図5の実施の形態の回路において定数を変更し
た他の実施例の特性を表すグラフである。
FIG. 7 is a graph showing characteristics of another example in which constants are changed in the circuit of the embodiment of FIG. 5;

【図8】この発明の第4の実施の形態を示すブロック線
図である。
FIG. 8 is a block diagram showing a fourth embodiment of the present invention.

【図9】図8の実施の形態の回路の特性を表すグラフで
ある。
FIG. 9 is a graph showing characteristics of the circuit according to the embodiment of FIG. 8;

【図10】この発明の実施例の回転体の制御回路を用い
た制御装置のブロック線図である。
FIG. 10 is a block diagram of a control device using a control circuit for a rotating body according to an embodiment of the present invention.

【図11】この発明の他の実施の形態の複素ゲイン実現
のブロック線図である。
FIG. 11 is a block diagram for realizing a complex gain according to another embodiment of the present invention.

【図12】この発明の他の実施例の回転体の制御回路を
用いた制御装置のブロック線図である。
FIG. 12 is a block diagram of a control device using a control circuit for a rotating body according to another embodiment of the present invention.

【図13】図12の制御回路の伝達関数を示すブロック
線図である。
FIG. 13 is a block diagram showing a transfer function of the control circuit of FIG.

【図14】この発明の他の実施例の回転体の制御回路を
用いた制御装置のブロック線図である。
FIG. 14 is a block diagram of a control device using a control circuit for a rotating body according to another embodiment of the present invention.

【図15】この発明のトラッキングフィルタのブロック
線図である。
FIG. 15 is a block diagram of a tracking filter of the present invention.

【図16】従来のフィルタ回路の特性を示すグラフであ
る。
FIG. 16 is a graph showing characteristics of a conventional filter circuit.

【図17】本発明のフィルタ回路の特性を説明する図で
ある。
FIG. 17 is a diagram illustrating characteristics of the filter circuit of the present invention.

【図18】従来のフィルタ回路を示す図である。FIG. 18 is a diagram showing a conventional filter circuit.

【図19】従来の2次フィルタ回路の特性を示すグラフ
である。
FIG. 19 is a graph showing characteristics of a conventional secondary filter circuit.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 回転体 2a,2b 電磁石 3a,3b 変位センサ 4a,4b,4c,4d パワーアンプ 5a,5b フィルタ 6a,6b 複素ゲイン回路 1 Rotating body 2a, 2b Electromagnet 3a, 3b Displacement sensor 4a, 4b, 4c, 4d Power amplifier 5a, 5b Filter 6a, 6b Complex gain circuit

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G05B 13/02 F16C 32/04 G05B 11/36 501 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (58) Field surveyed (Int.Cl. 7 , DB name) G05B 13/02 F16C 32/04 G05B 11/36 501

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 回転体の回転軸(z軸)と直交するラジア
ル2軸(x,y軸)を電磁力等で制御する系において、 該x,y軸関連の入力信号(そのラプラス変換量をそれ
ぞれUx,Uy)を一つの複素変数(=Ux+jUy)で
表現し、実数係数のローパスまたはハイパスフィルタの
伝達関数をF(s)、通過または阻止したい正負を問わな
い中心角周波数をω、虚数単位をj、該伝達関数F(s)
のラプラス演算子sを(s−jω)に置き換えた複素係数
伝達関数を(s−jω)とし、該入力が該複素係数伝
達関数(s−jω)を通過した該x,y軸関連の出力信
号(そのラプラス変換量をそれぞれVx,Vy)を一つの
複素変数(=Vx+jVy)で表現して得られる伝達表
現式(s−jω)= において、 (s−jω)の分母を該表現式の両辺に乗じた後の該伝
達表現式の実数部と虚数部がそれぞれ等しくなるように
実数係数の伝達要素で接続したことを特徴とする回転体
制御用フィルタ回路。
In a system for controlling two radial axes (x, y axes) orthogonal to a rotation axis (z axis) of a rotating body by an electromagnetic force or the like, an input signal related to the x, y axes (a Laplace conversion amount thereof) is provided. Are represented by one complex variable ( U = Ux + jUy), F (s) is a transfer function of a low-pass or high-pass filter of real coefficients, and ω is a center angular frequency regardless of positive or negative to be passed or blocked. The imaginary unit is j, the transfer function F (s)
The complex coefficient transfer function obtained by replacing the Laplace operator s with (s−jω) is F (s−jω), and the input U passes through the complex coefficient transfer function F (s−jω). In a transfer expression U · F (s−jω) = V obtained by expressing a related output signal (the Laplace transform amounts thereof are Vx and Vy, respectively) by one complex variable ( V = Vx + jVy), F (s− (jω) is multiplied by both sides of the expression, and the transmission expression is connected by a transmission element of a real coefficient such that a real part and an imaginary part of the transmission expression are equal to each other.
【請求項2】 通過および阻止したい正または負の中心
角周波数をそれぞれωおよびωとし、かつω≠ω
として、ωを中心にその前後の帯域幅(2a)を含めた
成分を通過させるとともにωを中心にその前後の帯域
幅(2b)を含めた成分を阻止するために、kを任意のゲイ
ンまたは係数、zを任意の無次元数として、 前記複素係数伝達関数が、 k(s+b−jω)/(s+a−jω)または、 k(s+b−jω)/{(s−jω)+2za(s−jω)+a} の形で与えられることを特徴とする請求項1に記載の回
転体制御用フィルタ回路。
2. The positive or negative central angular frequencies to be passed and blocked are ω 1 and ω 2 , respectively, and ω 1 ≠ ω
As k = 2, k is arbitrarily set to pass components including the bandwidth (2a) before and after ω 1 and to block components including the bandwidth (2b) before and after ω 2. And the complex coefficient transfer function is k (s + b−jω 2 ) / (s + a−jω 1 ) or k (s + b−jω 2 ) / {(s−jω 1) 2 + 2za (s- jω 1) + a 2 rotation regime patronized filter circuit according to claim 1, characterized in that given in the form of a}.
【請求項3】 前記請求項1における伝達関数F(s)の
分子及び/又は分母に、kを任意のゲインまたは係数と
し、2aを該中心角周波数を中心とする通過または阻止
の帯域幅とするk(s+2zas+a)で表される2
次系を含み、 sを(s−jω)に置き換え、無次元数zを任意に選ぶこ
とによって該フィルタの周波数特性のゲイン特性におけ
る帯域幅の両端の折れ点付近をより理想フィルタに近付
けるようにしたことを特徴とする請求項1に記載の回転
体制御用フィルタ回路。
3. The numerator and / or denominator of the transfer function F (s) according to claim 1, wherein k is an arbitrary gain or coefficient, and 2a is a passing or blocking bandwidth centered on the central angular frequency. 2 represented by k (s 2 + 2zas + a 2 )
Substituting s into (s-jω) and arbitrarily selecting a dimensionless number z so that the vicinity of the break point at both ends of the bandwidth in the gain characteristic of the frequency characteristic of the filter becomes closer to the ideal filter. The rotating body control filter circuit according to claim 1, wherein:
【請求項4】 請求項1ないし3のいずれかに記載の回
転体制御用フィルタ回路を複数個組み合わせることによ
って、負の周波数領域をも含めた全周波数帯域の中の特
定の帯域を通過または阻止するようにしたことを特徴と
する回転体制御用フィルタ回路。
4. A combination of a plurality of rotator control filter circuits according to any one of claims 1 to 3 to pass or block a specific band in the entire frequency band including a negative frequency region. A filter circuit for controlling a rotating body, characterized in that:
【請求項5】 請求項1ないし4のいずれかに記載の回
転体制御用フィルタ回路において、ω,ω,ωを定
数とせずに変数として各瞬時値を入れるようにしたこと
を特徴とするトラッキングフィルタ。
5. The rotary body control filter circuit according to claim 1, wherein ω, ω 1 , ω 2 are not constants but each instantaneous value is input as a variable. Tracking filter.
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