JP2010164185A - 磁気軸受制御装置と方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ロータの回転周波数と異なる外力が作用する場合でも、その外力の周波数を危険速度を通過させることができ、回転同期成分以外の周波数帯域の位相を進めることができ、回転体の加減速が早い場合でもトラッキングが外れることがなく、回転同期成分を抽出するＰＬＬ（フェーズロックドループ）が不要である磁気軸受制御装置と方法を提供する。
【解決手段】ロータ１１の変位ｘ，ｙに基づきロータを中立位置に保持するフィードバック制御器２２と、予め設定した周波数範囲（ωｆ±Δω）のロータの変位信号ｘ，ｙ又はフィードバック制御器の電流指令信号Ｉｘ，Ｉｙのみを抽出する広帯域フィルタ２４と、抽出したｘ軸の入力信号に所定のゲインｋをかけてｙ軸用電磁石１２ｙの電流指令信号Ｉｙに重畳させ、抽出したｙ軸の入力信号に所定のゲインｋをかけてｘ軸用電磁石１２ｘの電流指令信号Ｉｘに重畳させるクロス回路２８とを備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、高速回転する回転体（ロータ）を支持する磁気軸受の制御装置と制御方法に関する。

ターボ圧縮機、極低温回転機械、ターボチャージャ、フライホイール等の高速回転機械では、高速回転する回転体（ロータ）を支持する軸受として、磁気軸受が用いられる場合がある。
従来の油軸受と比較して磁気軸受の特徴の１つは動的軸受剛性の差であり、油軸受は剛支持であるのに対し、磁気軸受は軟支持である。そのため、磁気軸受におけるロータの振動モードは自由−自由モードに近くなり、例えば、弾性曲げモードの３次と４次危険速度の間が運転範囲となる。
従って、磁気軸受を用いた高速回転機械では、各危険速度（例えば１次〜３次）を安全に通過できる必要がある。

安定して危険速度を通過するため、減衰を付加する手段として、フィードバック制御、クロス制御、Ｎクロス制御等が、例えば、非特許文献１、特許文献１に開示されている。

「回転機械設計者のための磁気軸受ガイドブック」、ｐ９１〜９４、トラッキングロジック、Ｎクロス制御の説明、日本工業出版株式会社、平成１６年７月３０日発刊

特開昭６１−２６２２２５号公報、「電磁軸受制御装置」

図４は、従来のフィードバック制御の説明図である。この図において、１は軸心を回転中心として高速回転する回転体（ロータ）、２ｘはロータ１を挟んでｘ軸上に対向して配置された１対のｘ軸用電磁石、２ｙはロータ１を挟んでｙ軸上に対向して配置された１対のｙ軸用電磁石、３ｘは変位ｘに基づきｘ軸用電磁石２ｘの電流指令信号Ｉｘを制御するｘ軸制御器、３ｙは変位ｙに基づきｙ軸用電磁石２ｙの電流指令信号Ｉｙを制御するｙ軸制御器である。

ｘ軸制御器３ｘとｙ軸制御器３ｙは、互いに独立しており、それぞれ検出された変位ｘ、ｙが中立位置に位置するように、例えばＰＩＤ制御により電流指令信号Ｉｘ，Ｉｙをフィードバック制御する。
このフィードバック制御は、ロータを中立位置に保持するための基本的な制御手段であるが、高速回転での曲げ共振点への対応ができない問題点がある。すなわち、磁気軸受で減衰を付加させるためには制御器の位相を進めなければならないが、それにはフィードバック制御において微分回路（Ｐ制御）を用いる必要がある。ただし、微分回路を用いると、高周波のゲインが上昇し、発振しやすくなることが知られている。

図５は、従来のクロス制御の説明図である。この図において、４はバンドパスフィルタ、５ｘ，５ｙはゲインである。以下、このクロス制御を「単純クロス制御」と呼ぶ。
単純クロス制御では、減衰を付加したい周波数帯域の変位信号ｘ，ｙをバンドパスフィルタ４で抽出し、Ｘ軸、Ｙ軸を連成させた制御を行う。すなわち、この図において、バンドパスフィルタ４は、予め設定した周波数範囲（例えば、ロータ１の回転周波数ωに相当する周波数）の変位信号ｘ，ｙのみを抽出し、その他の信号変位ｘ，ｙをカットする。また単純クロス制御では、抽出した変位信号ｘにゲインｋをかけたｋ・ｘを電流指令信号Ｉｙに重畳させ、抽出した変位信号ｙにゲインｋをかけたｋ・ｙを電流指令信号Ｉｘに重畳させるものである。

磁気軸受ではＸ軸、Ｙ軸の変位信号ｘ，ｙは位相差が９０°であるので、変位信号ｘ，ｙに比例した電流指令信号をそれぞれＹ軸、Ｘ軸にクロスさせて流せば、位相を９０°進めたことと等価となる。従って、単純クロス制御では、微分回路を用いないため、高周波のゲイン上昇をもたらさない利点がある。

しかし、単純クロス制御では、バンドパスフィルタを用いるためＦｏｒｗａｒｄ成分は安定化されるが、Ｂａｃｋｗａｒｄ成分は不安定化する問題点がある。ここでＦｏｒｗａｒｄ成分とは、ロータより前回りの信号であり、例えば不釣合い信号が該当する。また、Ｂａｃｋｗａｒｄ成分とは、ロータより後回りの信号であり、例えばコリオリの力が該当する。回転体の制御では、Ｂａｃｋｗａｒｄ成分が大きくなると、不安定になるので、Ｂａｃｋｗａｒｄ成分は通さないようにする必要がある。

図６は、従来のＮクロス制御の説明図である。この図において、６はトラッキングフィルタ、７はＰＬＬ（フェーズロックドループ）である。ＰＬＬ７は、ロータ１の回転パルス信号Ｎからロータ１の回転周波数に同期する同期周波数ω_Ｎを抽出する。トラッキングフィルタ６は、回転座標系への座標変換、急峻なローパスフィルタ、静止座標系への座標変換を行い、変位信号ｘ，ｙから回転同期成分を抽出する。
Ｎクロス制御は回転パルス信号Ｎを使用してトラッキングフィルタ６により、変位信号ｘ，ｙから回転同期成分を抽出し、Ｘ軸、Ｙ軸を連成させるものである。

トラッキングフィルタ６は、角周波数が同期周波数ω_Ｎのときのゲインが１の狭帯域のバンドパスフィルタに相当する。従って、Ｎクロス制御は、Ｆｏｒｗａｒｄ成分のみ安定化し、Ｂａｃｋｗａｒｄの安定性に影響をもたらさないという利点がある。

しかし、Ｎクロス制御には、以下の問題点があった。
（１） トラッキングフィルタ６において、急峻なローパスフィルタを用いるため、バンド幅１Ｈｚ程度の回転同期成分のみ減衰が増加し、帯域を外れた周波数の減衰を増加させることはできない。そのため、例えば、誘導モータの径方向の電磁力など、回転同期成分以外の周波数が不釣合い外力と同様の振動を引き起こす場合、回転同期成分以外の外力に対し減衰を付加することはできない。
すなわち、高速回転する回転体（ロータ）を支持する磁気軸受では、ロータの回転周波数ωと異なる外力が作用する場合があり、従来のＮクロス制御ではこれを低減ないし相殺することができなかった。
例えば、誘導モータでは、回転磁界に対しロータはやや低い周波数で回転する。すなわち滑りが生じるのが誘導モータの特徴である。危険速度を通過する際、従来の回転信号を取り込むＮクロス制御では不釣合い力を相殺することはできるが、誘導モータの励磁力を相殺することはできず、誘導モータの回転磁界の周波数が危険速度を通過できないという問題点があった。
（２） 回転同期成分以外の周波数帯域の位相を進めることができない。
（３） 回転同期成分を抽出するＰＬＬ７が必要であるため、入力信号、演算量が増加する。
（４） 回転体１の加減速が早い場合にトラッキングが外れることがある。

本発明は、上述した問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、ロータの回転周波数と異なる外力が作用する場合でも、その外力の周波数を危険速度を通過させることができ、回転同期成分以外の周波数帯域の位相を進めることができ、回転体の加減速が早い場合でもトラッキングが外れることがなく、回転同期成分を抽出するＰＬＬ（フェーズロックドループ）が不要である磁気軸受制御装置と方法を提供することにある。

本発明によれば、高速回転するロータの軸心に直交するｘ‐ｙ平面内に、ロータを挟んでｘ軸上に対向して配置された１対のｘ軸用電磁石と、前記ロータを挟んでｙ軸上に対向して配置された１対のｙ軸用電磁石とを有する磁気軸受の制御装置であって、
ロータの変位に基づきロータを中立位置に保持するフィードバック制御器と、
予め設定した周波数範囲のロータの変位信号又は前記フィードバック制御器の電流指令信号のみを抽出する広帯域フィルタと、
抽出したｘ軸の信号に所定のゲインをかけて前記ｙ軸用電磁石の電流指令信号Ｉｙに重畳させ、抽出したｙ軸の信号に所定のゲインをかけて前記ｘ軸用電磁石の電流指令信号Ｉｘに重畳させるクロス回路と、を備えたことを特徴とする磁気軸受制御装置が提供される。

本発明の好ましい実施形態によれば、前記広帯域フィルタは、予め設定した周波数範囲において所定の周波数間隔以内で複数の減衰周波数を出力するマルチ周波数発生器と、
前記複数の減衰周波数に基づき各減衰周波数に一致するロータの変位信号又は前記フィードバック制御器の電流指令信号のみを抽出するトラッキングフィルタとからなる。

また、前記フィードバック制御器は、ロータのｘ方向変位に基づき前記ｘ軸用電磁石の電流指令信号Ｉｘをフィードバック制御するｘ軸制御器と、
ロータのｙ方向変位に基づき前記ｙ軸用電磁石の電流指令信号Ｉｙをフィードバック制御するｙ軸制御器とを有する。

また本発明によれば、高速回転するロータの軸心に直交するｘ‐ｙ平面内に、ロータを挟んでｘ軸上に対向して配置された１対のｘ軸用電磁石と、前記ロータを挟んでｙ軸上に対向して配置された１対のｙ軸用電磁石とを有する磁気軸受の制御方法であって、
ロータの変位に基づきロータを中立位置に保持するようにフィードバック制御し、
予め設定した周波数範囲のロータの変位信号又は前記フィードバック制御器の電流指令信号のみを抽出し、
抽出したｘ軸の信号に所定のゲインをかけて前記ｙ軸用電磁石の電流指令信号Ｉｙに重畳させ、抽出したｙ軸の信号に所定のゲインをかけて前記ｘ軸用電磁石の電流指令信号Ｉｘに重畳させる、ことを特徴とする磁気軸受制御方法が提供される。

本発明の好ましい実施形態によれば、前記入力信号の抽出において、予め設定した周波数範囲において所定の周波数間隔以内で複数の減衰周波数を出力し、
前記複数の減衰周波数に基づき各減衰周波数に一致するロータの変位信号又は前記フィードバック制御器の電流指令信号のみを抽出する。

上記本発明の装置および方法によれば、広帯域フィルタにより、予め設定した周波数範囲のロータの変位信号又はフィードバック制御器の電流指令信号のみを抽出し、クロス回路によりＸ軸とＹ軸を連成させるので、減衰を付加させる周波数帯域を任意に拡大することができる。従って、誘導モータなどの電磁力など、回転同期成分以外の周波数の不釣合い外力に対しても容易に減衰を付加できる。

また、この構成により、複数の周波数帯域の減衰を増加させることが可能である。

また、好ましい実施形態によれば、前記広帯域フィルタは、トラッキングフィルタを用いるので、Ｆｏｒｗａｒｄ成分は安定化されるが、Ｂａｃｋｗａｒｄ成分は不安定化されず影響を受けない。
また、ＰＬＬ（フェーズロックドループ）を用いないので、回転パルス信号を必要としない。
また、ＰＬＬのように複雑な演算を必要としないため、Ｎクロス制御と比較して演算量を低減できる。
また、高速での加減速を実施しても、ＰＬＬ（フェーズロックドループ）を用いないので、トラッキングが外れることはない。

本発明の第１実施形態の磁気軸受制御装置を備えた磁気軸受の構成図である。 本発明の第２実施形態の磁気軸受制御装置を備えた磁気軸受の構成図である。 本発明の実施例を示す周波数−応答曲線である。 従来のフィードバック制御の説明図である。 従来のクロス制御の説明図である。 従来のＮクロス制御の説明図である。

以下、本発明の好ましい実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。

図１は、本発明の第１実施形態の磁気軸受制御装置を備えた磁気軸受の構成図である。
この図において、１１は軸心Ｚを回転中心として高速回転する回転体（ロータ）、１２ｘはロータ１１を挟んでｘ軸上に対向して配置されたｘ軸用電磁石、１２ｙはロータ１１を挟んでｙ軸上に対向して配置されたｙ軸用電磁石である。

本発明において、磁気軸受１０は、高速回転するロータ１１の軸心Ｚに直交するｘ‐ｙ平面内に、ロータ１１を挟んでｘ軸上に対向して配置された１対のｘ軸用電磁石１２ｘと、ロータ１１を挟んでｙ軸上に対向して配置された１対のｙ軸用電磁石１２ｙとを有する。

なお、磁気軸受１０は１つに限定されず、ロータ１１の軸心Ｚに沿って、２箇所、又は３箇所以上設けてもよい。

図１において、本発明の磁気軸受制御装置２０は、ロータ１１のｘ方向変位ｘ、ロータ１１のｙ方向変位ｙ、減衰を付加させたい所望の周波数範囲ωｆ±Δωを受信し、ｘ軸用電磁石１２ｘの電流指令信号Ｉｘとｙ軸用電磁石１２ｙの電流指令信号Ｉｙを制御するようになっている。

この図において、本発明の磁気軸受制御装置２０は、フィードバック制御器２２、広帯域フィルタ２４、およびクロス回路２８を備える。

この例において、フィードバック制御器２２は、ｘ軸制御器２３ｘとｙ軸制御器２３ｙからなる。
ｘ軸制御器２３ｘは、ロータ１１のｘ方向変位ｘに基づきｘ軸用電磁石１２ｘの電流指令信号Ｉｘをフィードバック制御する。また、ｙ軸制御器２３ｙは、ロータ１１のｙ方向変位ｙに基づきｙ軸用電磁石１２ｙの電流指令信号Ｉｙをフィードバック制御する。
この構成により、フィードバック制御器２２により、ロータ１１の変位ｘ，ｙに基づきロータ１１を中立位置に保持することができる。

この例において、広帯域フィルタ２４は、マルチ周波数発生器２５とトラッキングフィルタ２６からなる。

マルチ周波数発生器２５は、予め設定した所望の周波数範囲（ωｆ±Δω）内において所定の周波数間隔以内で複数の減衰周波数を出力する。この所定の周波数間隔は、トラッキングフィルタ２６における急峻なバンド幅（例えば１Ｈｚ程度）より狭く設定するのがよい。

トラッキングフィルタ２６は、マルチ周波数発生器２５からの複数の減衰周波数に基づき、各減衰周波数に一致するロータの変位信号（ロータのｘ方向変位ｘとｙ方向変位ｙ）のみを抽出する。

上述した広帯域フィルタ２４により、予め設定した周波数範囲に一致する入力信号（この例ではロータの変位信号ｘ、ｙ）のみを抽出することができる。
なお、広帯域フィルタ２４はこの例に限定されず、予め設定した周波数範囲に一致する入力信号のみを抽出できる限りで、別の構成であってもよい。
例えば、トラッキングフィルタ２６を構成する急峻なローパスフィルタを、予め設定した周波数範囲に一致する広帯域のローパスフィルタに置き換え、マルチ周波数発生器２５を省略してもよい。

クロス回路２８は、トラッキングフィルタ２６で抽出したｘ軸の信号（ｘ方向変位ｘ）にゲイン２７ｙにより所定のゲインｋをかけてｙ軸用電磁石２３ｙの電流指令信号Ｉｙに重畳させ、抽出したｙ軸の信号（ｙ方向変位ｙ）にゲイン２７ｘにより所定のゲインｋをかけてｘ軸用電磁石２３ｘの電流指令信号Ｉｘに重畳させるようになっている。

なお、広帯域フィルタ２４に入力する予め設定する周波数範囲（ωｆ±Δω）は、１種類に限定されず、複数であってもよい。例えば、１次〜３次の危険速度に相当する周波数を入力することができる。
またこの周波数範囲は、例えばロータの危険速度に相当する周波数と誘導モータの回転磁界（誘導モータの励磁力）を含むように設定してもよい。

図２は、本発明の第２実施形態の磁気軸受制御装置を備えた磁気軸受の構成図である。
この例において、トラッキングフィルタ２６は、マルチ周波数発生器２５からの複数の減衰周波数に基づき、各減衰周波数に一致するフィードバック制御器の電流指令信号Ｉｘ，Ｉｙのみを抽出する。
その他の構成は、図１と同様である。
この構成により、ゲイン２７ｘ，２７Ｙのゲインｋは、フィードバック制御器２２による電流指令信号Ｉｘ，Ｉｙと、クロス回路２８から重曹する電流指令信号との比率を意味するので、ゲインｋの設定が容易となる。

上述した装置を用い、本発明の方法によれば、
（Ａ） ロータ１１の変位に基づきロータ１１を中立位置に保持するようにフィードバック制御し、
（Ｂ） 予め設定した周波数範囲のロータ１１の変位信号ｘ，ｙ又はフィードバック制御器２３ｘ，２３ｙの電流指令信号Ｉｘ，Ｉｙのみを抽出し、
（Ｃ） 抽出したｘ軸の信号に所定のゲインｋをかけてｙ軸用電磁石１２ｙの電流指令信号Ｉｙに重畳させ、抽出したｙ軸の信号に所定のゲインｋをかけてｘ軸用電磁石１２ｘの電流指令信号Ｉｘに重畳させる。

また、入力信号の抽出（Ｂ）は、
（Ｂ１） 予め設定した周波数範囲において所定の周波数間隔以内で複数の減衰周波数を出力し、
（Ｂ２） 複数の減衰周波数に基づき各減衰周波数に一致するロータ１１の変位信号又はフィードバック制御器２３ｘ，２３ｙの電流指令信号Ｉｘ，Ｉｙのみを抽出する。

図３は、本発明の実施例を示す周波数−応答曲線である。この図において、横軸はロータの回転周波数、縦軸はロータの応答振幅である。また、図中の■はロータの回転同期、□はモータ励磁を示している。
この図において、縦の一点鎖線はロータ危険速度、図中の矢印Ａは本発明における予め設定した周波数範囲を示している。

この図から、ロータの回転同期周波数に対し、モータ励磁周波数は、常に高い周波数となることがわかる。すなわち、誘導モータでは、回転磁界に対しロータはやや低い周波数で回転し、その間に滑りが生じる。
また、本発明の磁気軸受制御装置２０により、予め設定した周波数範囲Ａにおいて、回転同期が小さくなっており、モータ励磁の応答は小さくなっていないことがわかる。

上述したように、本発明の装置および方法によれば、広帯域フィルタ２４により、予め設定した周波数範囲のロータ１１の変位信号又はフィードバック制御器２３ｘ，２３ｙの電流指令信号Ｉｘ，Ｉｙのみを抽出し、クロス回路２８によりＸ軸とＹ軸を連成させるので、減衰を付加させる周波数帯域を任意に拡大することができる。従って、誘導モータなどの電磁力など、回転同期成分以外の周波数の不釣合い外力に対しても容易に減衰を付加できる。

また、この構成により、複数の周波数帯域の減衰を増加させることが可能である。

また、好ましい実施形態によれば、広帯域フィルタ２４は、マルチ周波数発生器２５とトラッキングフィルタ２６とからなり、トラッキングフィルタ２６を用いるので、Ｆｏｒｗａｒｄ成分は安定化されるが、Ｂａｃｋｗａｒｄ成分は不安定化されず影響を受けない。
また、ＰＬＬ（フェーズロックドループ）を用いないので、回転パルス信号を必要としない。
また、ＰＬＬのように複雑な演算を必要としないため、Ｎクロス制御と比較して演算量を低減できる。
また、高速での加減速を実施しても、ＰＬＬを用いないので、トラッキングが外れることはない。

なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。

１０ 磁気軸受、１１ 回転体（ロータ）、
１２ｘ ｘ軸用電磁石、１２ｙ ｙ軸用電磁石、
２０ 磁気軸受制御装置、２２ フィードバック制御器、
２３ｘ ｘ軸制御器、２３ｙ ｙ軸制御器、
２４ 広帯域フィルタ、２５ マルチ周波数発生器、
２６ トラッキングフィルタ、２７ｘ， ２７ｙ ゲイン、
２８ クロス回路

Claims (5)

1. 高速回転するロータの軸心に直交するｘ‐ｙ平面内に、ロータを挟んでｘ軸上に対向して配置された１対のｘ軸用電磁石と、前記ロータを挟んでｙ軸上に対向して配置された１対のｙ軸用電磁石とを有する磁気軸受の制御装置であって、
   ロータの変位に基づきロータを中立位置に保持するフィードバック制御器と、
   予め設定した周波数範囲のロータの変位信号又は前記フィードバック制御器の電流指令信号のみを抽出する広帯域フィルタと、
   抽出したｘ軸の信号に所定のゲインをかけて前記ｙ軸用電磁石の電流指令信号Ｉｙに重畳させ、抽出したｙ軸の信号に所定のゲインをかけて前記ｘ軸用電磁石の電流指令信号Ｉｘに重畳させるクロス回路と、を備えたことを特徴とする磁気軸受制御装置。
2. 前記広帯域フィルタは、予め設定した周波数範囲において所定の周波数間隔以内で複数の減衰周波数を出力するマルチ周波数発生器と、
   前記複数の減衰周波数に基づき各減衰周波数に一致するロータの変位信号又は前記フィードバック制御器の電流指令信号のみを抽出するトラッキングフィルタとからなる、ことを特徴とする請求項１に記載の磁気軸受制御装置。
3. 前記フィードバック制御器は、ロータのｘ方向変位に基づき前記ｘ軸用電磁石の電流指令信号Ｉｘをフィードバック制御するｘ軸制御器と、
   ロータのｙ方向変位に基づき前記ｙ軸用電磁石の電流指令信号Ｉｙをフィードバック制御するｙ軸制御器とを有する、ことを特徴とする請求項１に記載の磁気軸受制御装置。
4. 高速回転するロータの軸心に直交するｘ‐ｙ平面内に、ロータを挟んでｘ軸上に対向して配置された１対のｘ軸用電磁石と、前記ロータを挟んでｙ軸上に対向して配置された１対のｙ軸用電磁石とを有する磁気軸受の制御方法であって、
   ロータの変位に基づきロータを中立位置に保持するようにフィードバック制御し、
   予め設定した周波数範囲のロータの変位信号又は前記フィードバック制御器の電流指令信号のみを抽出し、
   抽出したｘ軸の信号に所定のゲインをかけて前記ｙ軸用電磁石の電流指令信号Ｉｙに重畳させ、抽出したｙ軸の信号に所定のゲインをかけて前記ｘ軸用電磁石の電流指令信号Ｉｘに重畳させる、ことを特徴とする磁気軸受制御方法。
5. 前記入力信号の抽出において、予め設定した周波数範囲において所定の周波数間隔以内で複数の減衰周波数を出力し、
   前記複数の減衰周波数に基づき各減衰周波数に一致するロータの変位信号又は前記フィードバック制御器の電流指令信号のみを抽出する、ことを特徴とする請求項４に記載の磁気軸受制御方法。

Images