JP2835942B2 - Magnetic bearing control device - Google Patents

Magnetic bearing control device

Info

Publication number
JP2835942B2
JP2835942B2 JP7303427A JP30342795A JP2835942B2 JP 2835942 B2 JP2835942 B2 JP 2835942B2 JP 7303427 A JP7303427 A JP 7303427A JP 30342795 A JP30342795 A JP 30342795A JP 2835942 B2 JP2835942 B2 JP 2835942B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
electromagnet
rotating body
observer
vss
displacement
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
JP7303427A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JPH09126237A (en
Inventor
健蔵 野波
宏奇 田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Seiko Seiki KK
Original Assignee
Seiko Seiki KK
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Seiko Seiki KK filed Critical Seiko Seiki KK
Priority to JP7303427A priority Critical patent/JP2835942B2/en
Publication of JPH09126237A publication Critical patent/JPH09126237A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP2835942B2 publication Critical patent/JP2835942B2/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Fee Related legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16CSHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C32/00Bearings not otherwise provided for
    • F16C32/04Bearings not otherwise provided for using magnetic or electric supporting means
    • F16C32/0406Magnetic bearings
    • F16C32/044Active magnetic bearings
    • F16C32/0444Details of devices to control the actuation of the electromagnets
    • F16C32/0451Details of controllers, i.e. the units determining the power to be supplied, e.g. comparing elements, feedback arrangements with P.I.D. control

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Magnetic Bearings And Hydrostatic Bearings (AREA)

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、磁気軸受の制御装
置に関し、特に非線形ロバスト制御理論の代表であるス
ライディングモード制御理論(Sliding Mod
e Control Theory)を適用し、しかも
制御対象である回転体の変位を変位センサで直接検出し
ない、いわゆる変位センサレスに係る磁気軸受の制御装
置に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a control device for a magnetic bearing, and more particularly, to a sliding mode control theory which is a representative of a nonlinear robust control theory.
e Control Theory), and a control device for a magnetic bearing related to a so-called displacement sensor-less system in which the displacement of a rotating body to be controlled is not directly detected by a displacement sensor.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、この種の磁気軸受の制御装置の方
式としては、以下のものが知られている。 (1)磁気軸受を形成する電磁石のコイルに流れる電流
のみを観測し、現代制御理論ベースの状態推定理論によ
り、回転体(ロータ)の変位を推定して回転体を目標位
置に制御する方式。 (2)PWM搬送波の変調による方式。 (3)ホール素子の磁束フィードバックと電流から回転
体の変位を推定する方式。
2. Description of the Related Art Heretofore, the following systems have been known as this type of magnetic bearing control system. (1) A method in which only the current flowing through the coil of the electromagnet forming the magnetic bearing is observed, and the displacement of the rotor (rotor) is estimated based on the state estimation theory based on modern control theory to control the rotor to a target position. (2) A method based on modulation of a PWM carrier. (3) A method for estimating the displacement of the rotating body from the magnetic flux feedback of the Hall element and the current.

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記のような
方式では、以下のような問題点がある。まず、状態推定
理論では、外乱を考慮しておらず、不確かさを考慮しな
いため、実用上、高速回転や負荷をかけることができな
かった。また、PWM方式は、数10KHzの高周波を
扱っているため、回路の実現上、問題がある。さらに、
ホール素子を用いた場合には、制作費用が嵩む上にその
設置場所等に制約が生じ、このためにセンサレスとはい
えない。さらにまた、パラメータ変動に対するロバスト
性能の向上や、非線形特性に対する頑強性の向上を図る
ことのできる変位センサレスに係る磁気軸受の制御装置
の出現が望まれていた。
However, the above-described system has the following problems. First, the state estimation theory does not consider disturbance and does not consider uncertainty, so that high-speed rotation and load could not be applied practically. In addition, the PWM method handles a high frequency of several tens KHz, and thus has a problem in realizing a circuit. further,
When a hall element is used, the production cost increases and the installation place is restricted, and therefore, it cannot be said that the sensor is sensorless. Furthermore, the emergence of a control device for a magnetic bearing without a displacement sensor capable of improving robust performance against parameter fluctuation and robustness against non-linear characteristics has been desired.

【0004】そこで、本発明の目的は、不釣り合い外乱
などの外乱の抑制の向上、パラメータ変動に対するロバ
スト性能の向上、および非線形特性に対する頑強性の向
上を図るようにした磁気軸受の制御装置を提供すること
にある。
Accordingly, an object of the present invention is to provide a magnetic bearing control device capable of improving suppression of disturbances such as unbalanced disturbances, improving robustness against parameter fluctuations, and improving robustness against nonlinear characteristics. Is to do.

【0005】[0005]

【課題を解決するための手段】請求項1記載の発明で
は、回転体を磁気的に支持する電磁石と、この電磁石を
駆動する電磁石駆動手段と、前記電磁石のコイルに流れ
る電流を検出する電流検出手段と、前記電磁石駆動手段
の入力と前記電流検出手段の検出電流とに基いて、前記
電磁石の設置位置の前記回転体の変位と、前記回転体の
任意の位置の変位を推定するVSS(Variable
Structure System、可変構造システ
ム)オブザーバと、このVSSオブザーバの推定した前
記電磁石の設置位置の前記回転体の変位を、基準値と比
較して両者の偏差を求める比較手段と、この比較手段の
求めた偏差および前記VSSオブザーバの推定した回転
体の任意の位置の変位に基いて、前記電磁石を調節する
信号として予め定めた線形的な利得と非線形的な利得を
求めて両者を加算するVSC(Variable St
ructure Control、可変構造制御)コン
トローラとを備え、このVSCコントローラの出力信号
を前記電磁石駆動手段に供給するようにし、前記目的を
達成する。
According to the present invention, an electromagnet for magnetically supporting a rotating body, electromagnet driving means for driving the electromagnet, and current detection for detecting a current flowing through a coil of the electromagnet are provided. Means for estimating a displacement of the rotating body at a position where the electromagnet is installed and a displacement of an arbitrary position of the rotating body based on an input of the electromagnet driving means and a detection current of the current detecting means.
Structure system, variable structure system) Observer, comparison means for comparing the displacement of the rotating body at the position of the electromagnet estimated by the VSS observer with a reference value to determine a deviation between the two, and the comparison means Based on the deviation and the displacement of an arbitrary position of the rotating body estimated by the VSS observer, a predetermined linear gain and a non-linear gain are obtained as signals for adjusting the electromagnet, and a VSC (Variable St) is obtained by adding the two.
The present invention achieves the above object by supplying an output signal of the VSC controller to the electromagnet driving means.

【0006】請求項2記載の発明では、回転体を磁気的
に支持する電磁石と、この電磁石を駆動する電磁石駆動
手段と、前記電磁石のコイルに流れる電流を検出する電
流検出手段と、前記電磁石駆動手段の入力と前記電流検
出手段の検出電流とに基いて、前記電磁石の設置位置の
前記回転体の変位と、前記回転体の任意の位置の変位
と、前記回転体に作用する外乱とをそれぞれ推定するV
SS(VariableStructure Syst
em)外乱型オブザーバと、このVSS外乱型オブザー
バの推定外乱に対して所定の係数を掛ける係数手段と、
前記VSS外乱型オブザーバの推定した前記電磁石の設
置位置の前記回転体の変位を、基準値と比較して両者の
偏差を求める比較手段と、この比較手段の求めた偏差お
よび前記VSS外乱型オブザーバの推定した回転体の任
意の位置の変位に基いて、前記電磁石を調節する信号と
して予め定めた線形的な利得と非線形的な利得を求めて
両者を加算するVSC(Variable Struc
ture Control)コントローラと、このVS
Cコントローラの求めた信号と前記係数手段からの出力
信号とを加算する加算手段とを備え、この加算手段の出
力信号を前記電磁石駆動手段に供給するようにし、前記
目的を達成する。
According to the second aspect of the present invention, an electromagnet which magnetically supports the rotating body, electromagnet driving means for driving the electromagnet, current detecting means for detecting a current flowing through a coil of the electromagnet, and the electromagnet driving Based on the input of the means and the detected current of the current detecting means, the displacement of the rotating body at the installation position of the electromagnet, the displacement of an arbitrary position of the rotating body, and the disturbance acting on the rotating body, respectively. V to be estimated
SS (Variable Structure System)
em) a disturbance type observer, and coefficient means for multiplying the estimated disturbance of the VSS disturbance type observer by a predetermined coefficient;
Comparing means for comparing the displacement of the rotating body at the installation position of the electromagnet estimated by the VSS disturbance type observer with a reference value to obtain a deviation between the two; and a deviation obtained by the comparison means and the VSS disturbance type observer. A VSC (Variable Struct) that obtains a predetermined linear gain and a non-linear gain as a signal for adjusting the electromagnet based on the estimated displacement of an arbitrary position of the rotating body and adds both of them.
cure control) and this VS
An adding means for adding a signal obtained by the C controller and an output signal from the coefficient means is provided, and an output signal of the adding means is supplied to the electromagnet driving means to achieve the object.

【0007】[0007]

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て、図1ないし図8を参照して詳細に説明する。なお、
本明細書において、状態ベクトルなどを表現する場合に
一般に文字の上にドットを付して使用するが、このドッ
トの代わりに記号『』を使用し、例えばxf ドットとい
う表記を『xf 』のように表現するものとする。また、
文字の上にバーを付す場合には、このバーの代わりに記
号「‘ ’」を使用してxd バーという表記を‘xd
のように表現するものとする。さらに、推定値であるこ
とを示す場合の記号としては、一般に使用されるハット
の記号の代わりに「“ ”」を使用し、xd の推定値は
“xd ”のように表現するものとする。また、数式の説
明において、運動方程式などを表現するために使用する
1回微分の記号には「′」を使用してq′のように表現
し、同2回微分の記号には「″」を使用してq″のよう
に表現するものとする。なお、図面の表現については、
特に断りがない限り、一般的な表示方法をとるものとす
る。図1は、本発明の第1の実施の形態である磁気軸受
の制御装置の制御系のブロック線図を表したものであ
る。図2は、この磁気軸受の概略構成を示したものであ
る。この第1の実施の形態の制御装置は、非線形ロバス
ト制御の代表としてスライディングモード制御理論を用
いて、サーボ型スライディングモード制御系を構成する
ものである。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to FIGS. In addition,
In this specification, when expressing a state vector or the like, a dot is generally attached to a character, and a symbol "" is used instead of the dot. For example, the notation " xf dot" is referred to as " xf ". It shall be expressed as follows. Also,
When placing a bar on a character, use the symbol "'" instead of this bar to replace the notation x d bar with' x d '.
It shall be expressed as follows. Further, as examples of symbols to indicate that an estimated value, typically "using the estimated values of x d instead of hat symbols used""" as "expressed as x d" I do. In the description of the mathematical formulas, the symbol of the first derivative used to express the equation of motion or the like is expressed as "q" using "'", and the symbol of the second derivative is expressed as "". Is expressed as q ″. The expression in the drawing is expressed as
Unless otherwise specified, a general display method is used. FIG. 1 is a block diagram of a control system of a control device for a magnetic bearing according to a first embodiment of the present invention. FIG. 2 shows a schematic configuration of the magnetic bearing. The control device according to the first embodiment constitutes a servo-type sliding mode control system using sliding mode control theory as a representative of nonlinear robust control.

【0008】この制御系の制御対象は、図2に示すよう
に、磁気軸受を形成する電磁石2、3に磁気的に支持さ
れる回転体1である。この回転体1は弾性ロータとして
モデル化するために、軸方向にn個(ここでは13個)
に分割させ、分割位置「5」と「11」に電磁石2、3
を配置させている。そして、この磁気軸受では、回転体
1の半径方向の変位を検出する変位センサを特に配置せ
ず、回転体1の半径方向の変位は、後述のように、電磁
石2、3の各コイルiに流れる電流などを利用して推定
する。この制御系は、図1および図2に示すように、V
SS(Variable Structure Sys
tem)オブザーバ21、比較部22、積分部23、加
算部24、VSC(Variable Structu
re Control:可変構造制御)コントローラ2
5、加算部26、アンプ27、および電磁石2、3から
構成される。
As shown in FIG. 2, the control target of this control system is a rotating body 1 magnetically supported by electromagnets 2 and 3 forming a magnetic bearing. In order to model this rotating body 1 as an elastic rotor, n (13 in this case) are set in the axial direction.
And electromagnets 2 and 3 are placed at the division positions "5" and "11".
Is arranged. In this magnetic bearing, no displacement sensor for detecting the radial displacement of the rotating body 1 is particularly arranged, and the radial displacement of the rotating body 1 is applied to each coil i of the electromagnets 2 and 3 as described later. It is estimated using the flowing current. This control system, as shown in FIGS.
SS (Variable Structure Sys)
tem) Observer 21, comparison unit 22, integration unit 23, addition unit 24, VSC (Variable Structure)
re Control: Variable structure control) Controller 2
5, an adder 26, an amplifier 27, and electromagnets 2 and 3.

【0009】VSSオブザーバ21は、VSCコントロ
ーラ25からの出力信号uと電磁石2、3のコイルに流
れる電流iとに基づき、直接観測できない電磁石2、3
の設置位置「5」、「11」における回転体1の半径方
向におけるモード変位やその速度を所定の手順で推定す
るとともに、回転体1の分割位置「1」から「4」、
「6」から「10」、「12」、「13」における各モ
ード変位やその速度を所定の手順で推定し、その推定値
を“x2 ”とする(図1および図2参照)。比較部22
は、VSSオブザーバ21の推定した電磁石2、3の設
置位置「5」、「11」における回転体1の変位の推定
値“x1 ”を、この推定値に対応してあらかじめ設定さ
れている目標値Rと比較し、その各偏差を求める。積分
部23は、比較部22が求めた各偏差を積分して加算部
24に出力する。加算部24は、積分部23から出力さ
れる積分された各偏差と、VSSオブザーバ21の推定
した回転体1の分割位置「1」から「13」における各
モード変位やその速度の推定値“x2 ”との加算を行
う。
[0011] The VSS observer 21 determines the electromagnets 2 and 3 that cannot be directly observed based on the output signal u from the VSC controller 25 and the current i flowing through the coils of the electromagnets 2 and 3.
The mode displacement and the speed in the radial direction of the rotating body 1 at the installation positions “5” and “11” are estimated by a predetermined procedure, and the dividing positions “1” to “4” of the rotating body 1
Each mode displacement and its speed in “6” to “10”, “12”, and “13” are estimated by a predetermined procedure, and the estimated value is set to “x 2 ” (see FIGS. 1 and 2). Comparison section 22
Sets the estimated value “x 1 ” of the displacement of the rotating body 1 at the installation positions “5” and “11” of the electromagnets 2 and 3 estimated by the VSS observer 21 as a target set in advance corresponding to the estimated value. The value R is compared with the value R to determine each deviation. The integrator 23 integrates each deviation obtained by the comparator 22 and outputs the result to the adder 24. The addition unit 24 calculates the integrated deviations output from the integration unit 23 and the estimated values “x” of the respective mode displacements and speeds at the division positions “1” to “13” of the rotating body 1 estimated by the VSS observer 21. Addition to 2 ".

【0010】VSCコントローラ25は、線形処理部2
5A、非線形処理部25B、および加算部25Cから構
成される。線形処理部25Aは、加算器24の加算結果
に対してあらかじめ定めてある線形的(比例的)な利得
を与えるとともに、非線形処理部25Bはその加算結果
に対してあらかじめ定めてある非線形的な(比例的でな
い)利得を与える。加算部25Cは、線形処理部25A
で線形処理された値ulと、非線形処理部25Bで非線
形処理された値unlとを加算する。加算部26は、加
算部25Cの加算結果に外乱Eを加算させる。外乱E
は、電磁石2、3の駆動の変化などによるものである。
アンプ27は、加算器26からの信号に応じて電磁石
2、3を駆動させる。
The VSC controller 25 includes a linear processing unit 2
5A, a non-linear processing unit 25B, and an adding unit 25C. The linear processing unit 25A gives a predetermined linear (proportional) gain to the addition result of the adder 24, and the nonlinear processing unit 25B gives a predetermined nonlinear ( (Not proportional) gain. The adding unit 25C includes a linear processing unit 25A.
Is added to the value ul linearly processed by the above and the value unl nonlinearly processed by the non-linear processing unit 25B. The adding unit 26 adds the disturbance E to the addition result of the adding unit 25C. Disturbance E
Is caused by a change in driving of the electromagnets 2 and 3 and the like.
The amplifier 27 drives the electromagnets 2 and 3 according to a signal from the adder 26.

【0011】次に、このように構成される第1の実施の
形態の動作について説明する。いま、電磁石2、3のコ
イルに流れる電流iと、VSCコントローラ25からの
出力信号uとがVSSオブザーバ21に入力されると、
VSSオブザーバ21は、その電流iと制御入力である
信号uとに基づき、直接観測できない電磁石2、3の設
置位置「5」、「11」における回転体1の半径方向に
おけるモード変位やその速度を推定するとともに、回転
体1の分割位置「1」から「4」、「6」から「1
0」、「12」、「13」における各モード変位やその
速度を推定し、その推定値を“x2 ”とする(図1およ
び図2参照)。比較部22は、VSSオブザーバ21の
推定した電磁石2、3の設置位置「5」、「11」にお
ける回転体1の変位の推定値“x1 ”を、この推定値に
対応してあらかじめ設定されている目標値Rと比較し、
その各偏差を求める。この各偏差は、積分部23に入力
されて積分されたのち、加算部24に供給される。一
方、VSSオブザーバ21で推定された回転体1の分割
位置「1」から「13」における各モード変位やその速
度の推定値“x2 ”は、加算部24に供給される。
Next, the operation of the first embodiment configured as described above will be described. Now, when the current i flowing through the coils of the electromagnets 2 and 3 and the output signal u from the VSC controller 25 are input to the VSS observer 21,
The VSS observer 21 determines, based on the current i and the signal u as a control input, the mode displacement and the velocity of the rotating body 1 in the radial direction at the installation positions “5” and “11” of the electromagnets 2 and 3 which cannot be directly observed. In addition to the estimation, the dividing positions of the rotating body 1 are “1” to “4”, and “6” are “1”.
The mode displacements and their velocities at “0”, “12”, and “13” are estimated, and the estimated value is set to “x 2 ” (see FIGS. 1 and 2). The comparison unit 22 sets in advance the estimated value “x 1 ” of the displacement of the rotating body 1 at the installation positions “5” and “11” of the electromagnets 2 and 3 estimated by the VSS observer 21 in accordance with the estimated values. Compared to the target value R
Obtain each deviation. These deviations are input to the integration unit 23 and integrated, and then supplied to the addition unit 24. On the other hand, the estimated value “x 2 ” of each mode displacement and its speed at the division positions “1” to “13” of the rotating body 1 estimated by the VSS observer 21 is supplied to the addition unit 24.

【0012】加算部24では、積分部23から出力され
る積分された各偏差と、VSSオブザーバ24からの推
定値“x2 ”との加算を行う。加算部24の加算結果
は、VSCコントローラ25の線形処理部25Aと非線
形処理部25Bとにそれぞれ供給される。VSCコント
ローラ25の線形処理部25Aは、加算器24の加算結
果に対してあらかじめ定めてある線形的な利得を与える
とともに、非線形処理部25Bはその加算結果に対して
あらかじめ定めてある非線形的な利得を与える。このよ
うにして、線形処理部25Aで線形処理された値u
l と、非線形処理部25Bで非線形処理された値unl
は、加算部25Cで加算される。
The adder 24 adds each of the integrated deviations output from the integrator 23 and the estimated value “x 2 ” from the VSS observer 24. The addition result of the addition unit 24 is supplied to the linear processing unit 25A and the non-linear processing unit 25B of the VSC controller 25, respectively. The linear processing unit 25A of the VSC controller 25 gives a predetermined linear gain to the addition result of the adder 24, and the nonlinear processing unit 25B provides a predetermined nonlinear gain to the addition result. give. Thus, the value u linearly processed by the linear processing unit 25A
l and the value u nl subjected to the non-linear processing in the non-linear processing unit 25B are added in the adding unit 25C.

【0013】加算部25Cの出力は、次段の加算部26
に供給され、ここで外乱Eが加算されたのちアンプ27
に供給される。アンプ27は、加算部26からの信号に
応じて電磁石2、3を駆動させる。これにより、制御対
象である回転体1は、目標位置である磁気軸受の中央に
くるように制御される。
The output of the adder 25C is supplied to the adder 26 of the next stage.
, Where the disturbance E is added and the amplifier 27
Supplied to The amplifier 27 drives the electromagnets 2 and 3 according to a signal from the adding unit 26. Thereby, the rotating body 1 to be controlled is controlled so as to come to the center of the magnetic bearing which is the target position.

【0014】上記のVSSオブザーバ21の具体的な構
成は、図3に示すようなブロック図で示される。このV
SSオブザーバ21の基本原理については、一般に知ら
れているので、その詳細な説明を省略する。
The specific structure of the VSS observer 21 is shown in a block diagram as shown in FIG. This V
Since the basic principle of the SS observer 21 is generally known, a detailed description thereof will be omitted.

【0015】次に、第1の実施の形態である制御装置の
設計手順について、以下にその概要を説明する。 (1)制御対象のモデリングおよびその低次元化 これは、回転体1を弾性ロータとして取扱い、所定の条
件の下で状態方程式と出力方程式を導く作業である。な
お、低次元化モデルの構築に対しては、2つの剛性モー
ドを安定化させ、低次の弾性曲げモードの振動を制御す
るという立場で考える。 (2)VSSオブザーバの設計 この磁気軸受の制御系は、変位センサを使用せずに、回
転体1の半径方向の変位などを推定する出力フィードバ
ック系になっている。そのために、制御対象である回転
体1の観測できない状態量(回転体1の変位とその速度
など)を推定するために必要な設計である。 (3)サーボ系超平面の設計 この発明に適用されるスライディングモード制御は、状
態空間内に設計した超平面(切換面)と呼ばれる面を境
として、フィードバックゲインの切換えまたは制御入力
の切換えを行うことによって、状態を超平面に拘束して
理想とする制御特性を得る制御系のことである。従っ
て、超平面の設計が重要である。
Next, an outline of a design procedure of the control device according to the first embodiment will be described below. (1) Modeling of Controlled Object and Reduction of Its Dimension This is an operation of treating the rotating body 1 as an elastic rotor and deriving a state equation and an output equation under predetermined conditions. It should be noted that the construction of a reduced-order model is considered from the standpoint of stabilizing two rigid modes and controlling the vibration of a lower-order elastic bending mode. (2) Design of VSS Observer The control system of this magnetic bearing is an output feedback system for estimating the radial displacement of the rotating body 1 without using a displacement sensor. Therefore, the design is necessary for estimating an unobservable state quantity (such as the displacement of the rotating body 1 and its speed) of the rotating body 1 to be controlled. (3) Design of Servo System Hyperplane In the sliding mode control applied to the present invention, switching of a feedback gain or switching of a control input is performed on a surface called a hyperplane (switching surface) designed in a state space. This is a control system that obtains ideal control characteristics by restricting the state to a hyperplane. Therefore, the design of the hyperplane is important.

【0016】(4)VSCコントローラの設計 スライディングモード制御系(可変構造制御系)は、適
応的な可変ゲインを有する閉ループ系とみなせる。適応
的な可変ゲインからなる制御入力は、別の表現をすれ
ば、2つの制御入力からなると考えることができる。す
なわち、従来の線形制御入力と、これにスライディング
モード制御特有の新たに付加された切換を伴う非線形制
御入力からなっている。この非線形制御入力がある分だ
け、閉ループは適応性を有することになり、かつロバス
トになっているということができる。この非線形制御入
力により、状態を最短に超平面に到達させたり、超平面
上に状態を拘束し、原点に滑らせるモードを実現でき
る。従って、VSCコントローラの設計には、超平面を
行き過ぎないような非線形入力を確定する必要がある。
(4) Design of VSC Controller The sliding mode control system (variable structure control system) can be regarded as a closed loop system having an adaptive variable gain. In other words, a control input consisting of an adaptive variable gain can be considered to consist of two control inputs. That is, it is composed of a conventional linear control input and a non-linear control input with a newly added switching specific to the sliding mode control. Due to this non-linear control input, the closed loop will be adaptive and robust. With this non-linear control input, a mode can be realized in which the state reaches the hyperplane in the shortest time, or the state is constrained on the hyperplane and slides to the origin. Therefore, the design of the VSC controller requires that non-linear inputs be determined that do not overshoot the hyperplane.

【0017】(5)制御アルゴリズムの生成およびDS
Pへの実装 上記で設計されるVSSオブザーバやVSCコントロー
ラは、DSP(デジタルシグナルプロセッサ)により実
現されるため、その制御アルゴリズムを作成する。 (6)制御の実行 後述するように、図4に示すような制御装置に具体化す
ることにより、制御を実行させる。
(5) Generation of control algorithm and DS
Implementation on P Since the VSS observer and VSC controller designed as described above are realized by a DSP (Digital Signal Processor), a control algorithm is created. (6) Execution of Control As will be described later, control is executed by being embodied in a control device as shown in FIG.

【0018】次に、このような手順で設計された制御装
置の具体的な構成について、図4を参照して説明する。
この制御装置は5軸制御形磁気軸受であり、回転体1が
モータ(図示せず)の両側にあるラジアル軸受41、4
2と、回転体1の左端にあるスラスト軸受43によって
支持されている。ラジアル軸受41、42は直角2方向
で制御され、スラスト軸受43は軸方向のみ制御される
構造になっている。ラジアル軸受41、42は、電磁石
41A、42Aにより形成されている。
Next, a specific configuration of the control device designed in such a procedure will be described with reference to FIG.
This control device is a five-axis control type magnetic bearing, in which a rotating body 1 has radial bearings 41, 4 on both sides of a motor (not shown).
2 and a thrust bearing 43 at the left end of the rotating body 1. The radial bearings 41 and 42 are controlled in two perpendicular directions, and the thrust bearing 43 is controlled only in the axial direction. The radial bearings 41 and 42 are formed by electromagnets 41A and 42A.

【0019】また、この制御装置は、図1におけるVS
Sオブザーバ21、比較部22、積分部23、加算部2
4、VSCコントローラ25の機能をDSP(デジタル
シグナルプロセッサ)44により実現するものであり、
DSP44はホストコンピュータ45との間で高速のデ
ータ処理ができるように構成される。このDSP44の
入力側にはA−D変換器46が接続され、DSP44の
出力側にはD−A変換器47が接続されている。D−A
変換器47の出力とバイアス電流供給回路48の出力が
パワーアンプ49に供給され、パワーアンプ49は、ラ
ジアル軸受41、42の電磁石41A、42Aを駆動す
るように構成されている。また、電磁石41A、42A
の各コイルに流れる電流iがA−D変換器46に供給さ
れるように構成される。このような構成によれば、電磁
石41A、42Aの各コイルに流れる電流iがA−D変
換器46に供給されたのち、A−D変換されてDSP4
4に取り込まれと、DSP44は所定の演算により制御
入力を求める。この求められた制御入力uは、D−A変
換器47でD−A変換されてパワーアンプ49に供給さ
れ、パワーアンプ49はラジアル軸受41、42を構成
する電磁石41A、42Aを駆動させる。
Further, this control device is provided with the VS in FIG.
S observer 21, comparison unit 22, integration unit 23, addition unit 2
4. The function of the VSC controller 25 is realized by a DSP (digital signal processor) 44.
The DSP 44 is configured to perform high-speed data processing with the host computer 45. An A / D converter 46 is connected to an input side of the DSP 44, and a D / A converter 47 is connected to an output side of the DSP 44. DA
The output of the converter 47 and the output of the bias current supply circuit 48 are supplied to a power amplifier 49, and the power amplifier 49 is configured to drive the electromagnets 41A, 42A of the radial bearings 41, 42. Also, the electromagnets 41A and 42A
Is configured to be supplied to the AD converter 46. According to such a configuration, after the current i flowing through each coil of the electromagnets 41A and 42A is supplied to the A / D converter 46, it is A / D converted and the DSP 4
4, the DSP 44 obtains a control input by a predetermined calculation. The obtained control input u is DA-converted by the DA converter 47 and supplied to the power amplifier 49, which drives the electromagnets 41A, 42A constituting the radial bearings 41, 42.

【0020】次に、本発明の第2の実施の形態における
磁気軸受の制御装置について説明する。この制御装置
は、図5に示すように、制御対象の外乱Fを推定するV
SS外乱型オブザーバ31を設け、このVSS外乱型オ
ブザーバ31の推定した外乱(“F”)により制御対象
の外乱F(回転体1の負荷変動など)による影響を除去
する信号を作成する係数部32を設けるとともに、外乱
Eによる影響を除去する信号を作成する機能をVSCコ
ントローラ33に持たせるようにしたものである。な
お、他の構成については、第1の実施の形態と同様であ
るので、同一符号を付してその説明の詳述は省略する。
Next, a control device for a magnetic bearing according to a second embodiment of the present invention will be described. This control device, as shown in FIG.
An SS disturbance type observer 31 is provided, and a coefficient unit 32 for generating a signal for removing an influence of a disturbance F to be controlled (a load variation of the rotating body 1 or the like) by a disturbance (“F”) estimated by the VSS disturbance type observer 31. And the VSC controller 33 has a function of creating a signal for removing the influence of the disturbance E. Note that the other configuration is the same as that of the first embodiment, and thus the same reference numerals are given and the detailed description thereof is omitted.

【0021】VSS外乱型オブザーバ31は、VSCコ
ントローラ33からの出力信号uと電磁石2、3の各コ
イルに流れる電流iとに基づき、直接観測できない電磁
石2、3の設置位置「5」、「11」における回転体1
の半径方向におけるモード変位やその速度を所定の手順
で推定するとともに、回転体1の分割位置「1」から
「4」、「6」から「10」、「12」、「13」にお
ける各モード変位やその速度を所定の手順で推定する。
さらに、VSS外乱型オブザーバ31は、上記信号uと
電流iとに基づき、外乱を所定の手順で推定する。そし
て、その推定した変位や速度の推定値を“x2 ”とし、
その推定した外乱を“F”とする。
The VSS disturbance type observer 31 sets the positions “5” and “11” of the electromagnets 2 and 3 that cannot be directly observed based on the output signal u from the VSC controller 33 and the current i flowing through each coil of the electromagnets 2 and 3. Of rotating body 1
The mode displacement and the velocity in the radial direction of the rotating body 1 are estimated by a predetermined procedure, and each mode at the divided positions “1” to “4”, “6” to “10”, “12”, and “13” of the rotating body 1 is The displacement and its speed are estimated by a predetermined procedure.
Further, the VSS disturbance observer 31 estimates the disturbance in a predetermined procedure based on the signal u and the current i. Then, the estimated value of the estimated displacement or velocity is defined as “x 2 ”,
The estimated disturbance is “F”.

【0022】係数部32は、VSS外乱型オブザーバ3
1の推定した外乱“F”により制御対象の外乱Fによる
影響を除去する信号を作成するために、推定外乱に所定
の係数を掛ける。比較部22は、VSSオブザーバ21
の推定した電磁石2、3の設置位置「5」、「11」に
おける回転体1の変位やその速度の推定値“x1 ”を、
この推定値に対応してあらかじめ設定されている目標値
Rと比較し、その各偏差を求める。この各偏差は、積分
部23に入力されて積分されたのち、加算部24に供給
される。VSCコントローラ33は、線形処理部33
A、非線形処理部33B、加算部33C、および加算部
33Dから構成される。線形処理部33Aは、加算部2
4の加算結果に対してあらかじめ定めてある線形的な利
得を与えるとともに、非線形処理部33Bはその加算結
果に対してあらかじめ定めてある非線形的な利得を与え
る。加算部33Cは、線形処理部33Aで線形処理され
た値ul と、非線形処理部33Bで非線形処理された値
nlとを加算する。加算部33Dは、加算部33Cの出
力と係数部32の出力とを加算してその加算結果を出力
する。
The coefficient section 32 includes a VSS disturbance observer 3
The estimated disturbance is multiplied by a predetermined coefficient in order to generate a signal for eliminating the influence of the disturbance F of the control object by the estimated disturbance "F" of No. 1. The comparison unit 22 includes the VSS observer 21
The estimated value “x 1 ” of the displacement and speed of the rotating body 1 at the installation positions “5” and “11” of the electromagnets 2 and 3 estimated by
The respective deviations are obtained by comparing with a target value R set in advance corresponding to the estimated value. These deviations are input to the integration unit 23 and integrated, and then supplied to the addition unit 24. The VSC controller 33 includes a linear processing unit 33
A, a nonlinear processing unit 33B, an adding unit 33C, and an adding unit 33D. The linear processing unit 33A includes the adding unit 2
In addition to giving a predetermined linear gain to the addition result of No. 4, the nonlinear processing unit 33B gives a predetermined nonlinear gain to the addition result. The adding unit 33C adds the value u l that has been linearly processed by the linear processing unit 33A and the value u nl that has been non-linearly processed by the non-linear processing unit 33B. The addition unit 33D adds the output of the addition unit 33C and the output of the coefficient unit 32, and outputs the addition result.

【0023】次に、このように構成される第2の実施の
形態の動作について説明する。いま、電磁石2、3のコ
イルに流れる電流iと、VSCコントローラ33からの
出力信号uとがVSSオブザーバ31に入力されると、
VSSオブザーバ31は、その電流iと制御入力である
信号uとに基づき、直接観測できない電磁石2、3の設
置位置「5」、「11」における回転体1の半径方向に
おけるモード変位やその速度を推定するとともに、回転
体1の分割位置「1」から「4」、「6」から「1
0」、「12」、「13」における各モード変位やその
速度を推定する。さらに、VSS外乱型オブザーバ31
は、上記信号uと電流iとに基づき、外乱を所定の手順
で推定する。そして、その推定した変位や速度の推定値
を“x2 ”とし、その推定した外乱を“F”とする。
Next, the operation of the second embodiment configured as described above will be described. Now, when the current i flowing through the coils of the electromagnets 2 and 3 and the output signal u from the VSC controller 33 are input to the VSS observer 31,
The VSS observer 31 determines the mode displacement and the velocity of the rotating body 1 in the radial direction at the installation positions “5” and “11” of the electromagnets 2 and 3 which cannot be directly observed based on the current i and the signal u which is the control input. In addition to the estimation, the dividing positions of the rotating body 1 are “1” to “4”, and “6” are “1”.
Estimate each mode displacement and its speed at "0", "12", and "13". In addition, the VSS disturbance observer 31
Estimates the disturbance by a predetermined procedure based on the signal u and the current i. The estimated value of the estimated displacement or velocity is set to “x 2 ”, and the estimated disturbance is set to “F”.

【0024】VSSオブザーバ31の推定した電磁石
2、3の設置位置「5」、「11」における回転体1の
変位やその速度の推定値“x1 ”が比較部22に供給さ
れると、比較部22は、その推定値に対応してあらかじ
め設定されている目標値Rと比較し、その各偏差を求め
る。この各偏差は、積分部23に入力されて積分された
のち、加算部24に供給される。また、VSSオブザー
バ31で推定された回転体1の分割位置「1」から「1
3」における各変位やその速度の推定値“x2 ”は、加
算部24に供給される。
When the estimated value “x 1 ” of the displacement and speed of the rotating body 1 at the installation positions “5” and “11” of the electromagnets 2 and 3 estimated by the VSS observer 31 is supplied to the comparing unit 22, The unit 22 compares each of the deviations with a target value R set in advance corresponding to the estimated value. These deviations are input to the integration unit 23 and integrated, and then supplied to the addition unit 24. Further, from the division position “1” of the rotating body 1 estimated by the VSS observer 31 to “1”
The estimated value “x 2 ” of each displacement and its speed in “3” is supplied to the adding unit 24.

【0025】加算部24では、積分部23から出力され
る積分された各偏差と、VSSオブザーバ24からの推
定値“x2 ”との加算を行う。加算部24の加算結果
は、VSCコントローラ25の線形処理部25Aと非線
形処理部25Bとにそれぞれ供給される。VSCコント
ローラ33の線形処理部33Aは、加算部24の加算結
果に対してあらかじめ定めてある線形的な利得を与える
とともに、非線形処理部33Bはその加算結果に対して
あらかじめ定めてある非線形的な利得を与える。このよ
うにして、線形処理部33Aで線形処理された値u
l と、非線形処理部33Bで非線形処理された値unl
は、加算部33Cで加算される。
The adder 24 adds the integrated deviations output from the integrator 23 and the estimated value “x 2 ” from the VSS observer 24. The addition result of the addition unit 24 is supplied to the linear processing unit 25A and the non-linear processing unit 25B of the VSC controller 25, respectively. The linear processing unit 33A of the VSC controller 33 gives a predetermined linear gain to the addition result of the addition unit 24, and the nonlinear processing unit 33B provides a predetermined nonlinear gain to the addition result. give. Thus, the value u linearly processed by the linear processing unit 33A
l and the value u nl subjected to the non-linear processing in the non-linear processing unit 33B are added in the adding unit 33C.

【0026】一方、係数部32は、VSS外乱型オブザ
ーバ31で推定された外乱“F”に基づき、制御対象の
外乱Fによる影響を除去する信号を作成するために、推
定した外乱に所定の係数を掛ける。係数部32の出力
と、加算部33Cの出力とは、加算部33Dに供給さ
れ、ここで両者が加算される。加算部33Dの出力は、
制御対象の制御入力uとして加算部26を経由してアン
プ27に供給される。アンプ27は、加算部26からの
信号に応じて電磁石2、3を駆動させる。これにより、
制御対象である回転体1は、目標位置である磁気軸受の
中央にくるように制御される。
On the other hand, based on the disturbance "F" estimated by the VSS disturbance type observer 31, a coefficient unit 32 generates a signal for removing the influence of the disturbance F of the control object by a predetermined coefficient. Multiply. The output of the coefficient unit 32 and the output of the adding unit 33C are supplied to an adding unit 33D, where the two are added. The output of the adder 33D is
The control input u to be controlled is supplied to the amplifier 27 via the adder 26. The amplifier 27 drives the electromagnets 2 and 3 according to a signal from the adding unit 26. This allows
The rotating body 1 to be controlled is controlled so as to come to the center of the magnetic bearing at the target position.

【0027】次に、第2の実施の形態の設計手順を説明
するが、第1の実施の形態の設計手順と基本的に同様で
ある。従って、設計の手順について以下のように(1)
から(6)に略記する。そして、そのうち、(1)制御
対象のモデリングおよびその低次元化、(2)VSS外
乱型オブザーバの設計、および(4)VSCコントロー
ラの設計について、下記のように詳述する。 (1)制御対象のモデリングおよびその低次元化 (2)VSS外乱型オブザーバの設計 (3)サーボ系超平面の設計 (4)VSCコントローラの設計 (5)制御アルゴリズムの生成およびDSPへの実装 (6)制御の実行
Next, the design procedure of the second embodiment will be described, which is basically the same as the design procedure of the first embodiment. Therefore, the design procedure is as follows (1)
To (6). Among them, (1) modeling of a control target and reduction of the dimension thereof, (2) design of a VSS disturbance observer, and (4) design of a VSC controller will be described in detail as follows. (1) Modeling of controlled object and reduction of its dimension (2) Design of VSS disturbance observer (3) Design of servo system hyperplane (4) Design of VSC controller (5) Generation of control algorithm and implementation on DSP ( 6) Execution of control

【0028】次に、制御対象のモデリングおよびその低
次元化の設計について、以下に詳述する。第2の実施の
形態に適用される磁気軸受スピンドルのロータは実際に
は複雑な形状をしており、また、連続体であるので無限
の振動モードを有しているためモデル化が困難である。
ここでは、簡単のためX方向のみを扱う。連続体として
の弾性ロータは図6のように簡単化し、これに対して有
限要素法を適用するために、異なる軸に対して全スパン
長さを12の要素に分割して13のディスクに集中質量
を負荷している。
Next, the modeling of the controlled object and the design for reducing the dimension thereof will be described in detail below. The rotor of the magnetic bearing spindle applied to the second embodiment has a complicated shape in fact, and has an infinite vibration mode since it is a continuum, so that modeling is difficult. .
Here, only the X direction is handled for simplicity. The elastic rotor as a continuum is simplified as shown in FIG. 6 and the whole span length is divided into 12 elements for different axes and concentrated on 13 disks in order to apply the finite element method. Loading mass.

【0029】(a)弾性ロータのモデリング 図6によりフリーフリーの弾性ロータにおける運動方程
式は次式のように表される。 Mq″+Kq′=0・・・(1) ここで、q=[x1 ,θ1 ,x2 ,θ2 ,・・・x13
θ13T である。Xj 、θj ( j=1,・・・,13)
は、それぞれのロータの質量の変位と角度を表す。特
に、x5 とx11は図6で示すように電磁石の設置場所を
示す。また、M∈R26*26 は慣性マトリックス、K∈R
26*26 は剛性マトリックスであり、記号「*」は掛け算
を示す記号「×」の代用であって、以下同様であり、図
面についても同様である。
(A) Modeling of Elastic Rotor Referring to FIG. 6, the equation of motion in the free-free elastic rotor is represented by the following equation. Mq ″ + Kq ′ = 0 (1) where q = [x 1 , θ 1 , x 2 , θ 2 ,... X 13 ,
θ 13 ] T. X j , θ j (j = 1,..., 13)
Represents the displacement and angle of the mass of each rotor. In particular, x 5 and x 11 shows the location of the electromagnet, as shown in Figure 6. M∈R 26 * 26 is the inertia matrix, K 、 R
26 * 26 is a rigidity matrix, and the symbol “*” is a substitute for the symbol “x” indicating multiplication. The same applies to the following, and the same applies to the drawings.

【0030】電磁力の吸引力は厳密には複雑な式となる
が、実用的には簡略化した次式で十分である。 P′=A/μ0 ・B2 =A/μ0 [N(i0 +i)/(1/ μ+2(x0 +x)/ μ0)] 2 ・・・(2) ただし、P′: 吸引力,μ0 :透磁率,A:対向面積,
N:コイル巻数, x0: ギャップ長、i0:定常電流であ
る。式(2)をi,xについてテーラ展開し、i0≫i,
0 ≫xの仮定のもとで線形項のみを取り出すと、吸引
力は次式となる。 P′1 ≒p0 +kx x−ki i ・・
・(3) ただし、p0 =μ0 AN20 2 /4x0 2 ,kx =2
0 /x0 ,ki =2p0 /i0 である。ここで、p0
は定常吸引力である。一方で、対向に置く電磁力の吸引
力は次式となる。 P′2 ≒p0 −kx x+ki i・・・(4)
Strictly speaking, the attractive force of the electromagnetic force is a complicated expression.
However, the following simplified expression is sufficient for practical use. P '= A / μ0 ・ BTwo = A / μ0 [N (i0 + I) / (1 / μ + 2 (x0 + X) / μ0)] Two ... (2) where P ': suction force, μ0 : Magnetic permeability, A: facing area,
N: number of coil turns, x0: Gap length, i0: Steady current
You. Equation (2) is tailored with respect to i and x, and i0≫i,
x0 Extracting only the linear term under the assumption of ≫x,
The force is: P '1 ≒ p0 + Kxx−kii ...
・ (3) where p0 = Μ0 ANTwo i0 Two / 4x0 Two , Kx= 2
p0 / X0 , Ki= 2p0 / I0 It is. Where p0 
Is the steady suction force. On the other hand, suction of electromagnetic force placed opposite
The force is: P 'Two ≒ p0 -Kxx + kii ... (4)

【0031】一般に、この線形化は1対の向かい合う電
磁石で実現することが多く、その場合は電磁石の吸引力
は次式となる。 P=P′1 −P′2 =2kx x−2ki i・・・(5) 図6のモデルの場合、式(1)の弾性ロータが式(5)
の吸引力によって制御され拘束されるので次式が得られ
る。 Mq″+Kq=Fp+D・・・(6) ただし、F、P、P5 、P11、は、図9の(A)に示す
ものとする。ここで、Fは電磁石の設置場所を示す行列
で、D∈R26*1は不釣り合い力やその他の外乱・負荷力
を表す。式(6)をバイアス吸引力と制御吸引力に分け
て整理すれば、次式となる。 Mq″+Cq′+K0 q=F0 i+D・・・(7) ただし、i、K0 、F0 、Ki は、図9の(B)に示す
ものとする。
Generally, this linearization is often realized by a pair of facing electromagnets, in which case the attractive force of the electromagnets is given by: P = P ′ 1 −P ′ 2 = 2 k × x−2 k i i (5) In the case of the model of FIG. 6, the elastic rotor of Expression (1) is obtained by Expression (5).
Is controlled and constrained by the attraction force, the following equation is obtained. Mq ″ + Kq = Fp + D (6) where F, P, P 5 , and P 11 are as shown in FIG. 9A, where F is a matrix indicating the installation location of the electromagnet. , D∈R 26 * 1 represents the unbalance force and other disturbance / load forces.If the equation (6) is rearranged into a bias suction force and a control suction force, the following equation is obtained: Mq ″ + Cq ′ + K 0 q = F 0 i + D (7) where i, K 0 , F 0 , and Ki are as shown in FIG. 9B.

【0032】いまモード解析の方法を適用し、正規化さ
れたモード行列Ψ∈R26*26 を用いて、 q=Ψξ・・・(8) とすれば、式(7)は次のモード座標系での変位ベクト
ルξ∈R26*1により次式となる。 ξ″+Λξ′+Ω2 ξ=f0 i+d′・・・(9) ただし、I=ΨT MΨ、Ω2 =ΨT 0 Ψ、Λ=2ξΩ
=ΨT CΨ、f0 =ΨT0 、d′=ΨT D=Πdであ
る。
Now, applying the method of modal analysis and using the normalized mode matrix Ψ∈R 26 * 26 , q = Ψξ (8), the equation (7) becomes The following equation is obtained from the displacement vector ξ∈R 26 * 1 in the system. ξ "+ Λξ '+ Ω 2 ξ = f 0 i + d' ··· (9) However, I = Ψ T MΨ, Ω 2 = Ψ T K 0 Ψ, Λ = 2ξΩ
= Ψ T CΨ, is f 0 = Ψ T F 0, d '= Ψ T D = Πd.

【0033】(b)アクチュエータのモデリング 磁気軸受電磁石コイルへの入力電圧とコイル電流の間に
はインダクタンスを周波数、ギャップに依存しないと仮
定して、一般に次式が成立する。 V′1 =(d/dt)・(L1(i0 +i))+R(i0 +i)+e・・・(10 ) ここで、V′1 : コイル入力電圧、L1 :コイルのイン
ダクタンス、R: コイル抵抗、i: コイル電流、e: 外
乱である。コイルのインダクタンスは、次式となる。 L1 =N2 A((l0 / μ) +2( x0 +x)/μ0-1≒ μ02 A/2 (x0 +x)・・・(11) 従って、式(10)右辺第1項は次のようになる。 (d/dt)(L1(i0 +i))=(∂/∂L1 )(L1 (i0 +i))・dL 1 /dt+(∂/∂(i0 +i))(L1 (i0 +i))・di/dt≒−μ02 A/2(x0 +x)2 ・(i0 +i)ν+L1 ・di/dt・・・・・(1 2) ここで、ν=dx/dtである。
(B) Modeling of Actuator Between the input voltage to the magnetic bearing electromagnet coil and the coil current
Assumes that inductance is independent of frequency and gap.
In general, the following equation holds. V '1 = (D / dt) · (L1(i0 + I)) + R (i0 + I) + e (10) where V ′1 : Coil input voltage, L1 : Coil in
Ductance, R: Coil resistance, i: Coil current, e: Outside
It is a rebellion. The inductance of the coil is given by the following equation. L1 = NTwo A ((l0 / μ) +2 (x0 + X) / μ0 )-1≒ μ0 NTwo A / 2 (x0 + X) (11) Accordingly, the first term on the right side of Expression (10) is as follows. (D / dt) (L1(i0 + I)) = (∂ / ∂L1 ) (L1 (I0 + I)) dL 1 / Dt + (∂ / ∂ (i0 + I)) (L1 (I0 + I)) · di / dt ≒ −μ0 NTwo A / 2 (x0 + X)Two ・ (I0 + I) ν + L1 Di / dt (12) where ν = dx / dt.

【0034】その結果、式(10)は次式となる。 V′1 ≒−μ02 A/2(x0 +x)・(i0 +i)ν+L1 ・di/dt +R(i0 +i)+e・・・(13) i0 ≫i,x0 ≫xなる仮定をおいて、式(13)は次
のようになる。 V′1 ≒−kv ν+L1 ・di/dt+R(i0 +i)+e・・(14a) ここで、kv =(μ02 A/2x0 2 )i0 である。
As a result, equation (10) becomes the following equation. V ′ 1 ≒ −μ 0 N 2 A / 2 (x 0 + x) · (i 0 + i) ν + L 1 · di / dt + R (i 0 + i) + e (13) i 0 {i, x 0 } Assuming x, equation (13) becomes as follows. V '1 ≒ -k v ν + L 1 · di / dt + R (i 0 + i) + e ·· (14a) where, k v = (μ 0 N 2 A / 2x 0 2) i is 0.

【0035】一方で、対向に置く電磁石に対して次式が
成立する。 V′2 ≒kv ν−L2 ・di/dt+R(i0 −i)−e・・・(14b) ここで、L2 ≒μ02 A/2(x0 −x)である。そ
の結果、1対の向かい合う電磁力の電圧は次式となる。 V=V′1 −V′2 ≒−2kv ν+(L1 +L2 )・di/dt+2Ri+2e ≒−2kv ν+2L・di/dt+2Ri+2e・・・(15) ここで、L1 ≒L2 ≒L≒μ02 A/2x0 である。
On the other hand, the following equation is established for the electromagnet placed opposite. V ′ 2 ≒ k v ν−L 2 · di / dt + R (i 0 −i) −e (14b) where L 2 ≒ μ 0 N 2 A / 2 (x 0 −x). As a result, the voltage of the pair of opposing electromagnetic forces is: V = V ′ 1 −V ′ 2 ≒ −2k v ν + (L 1 + L 2 ) ・ di / dt + 2Ri + 2e ≒ −2k v ν + 2L · di / dt + 2Ri + 2e (15) where L 1 ≒ L 2 ≒ L ≒ μ 0 N 2 A / 2 × 0 .

【0036】(c)磁気軸受のモデリング 式(9),(15)から、磁気軸受の状態方程式は次式
となる。 『xf 』=Af f +Bf u+Df ・・・(16a) ここで、xf 、u、Af 、Bf 、Df 、E1 、Ei 、E
u 、Eは、図10に示すものとする。センサレスの磁気
軸受装置の出力方程式は、次のようになる。 y=Cf f =[i511T ・・・(16b) ここで、Cf は、図11の(A)に示すものとする。
(C) Modeling of magnetic bearing From equations (9) and (15), the state equation of the magnetic bearing is as follows. "X f" = A at f x f + B f u + D f ··· (16a) where, x f, u, A f , B f, D f, E 1, E i, E
u and E are as shown in FIG. The output equation of the sensorless magnetic bearing device is as follows. y = C f x f = [ i 5 i 11] T ··· (16b) where, C f is that shown in FIG. 11 (A).

【0037】両端フリーの弾性ロータは、一般に無数の
振動モードを有している。弾性ロータ・磁気軸受系は本
来不安定系であるため、まず安定化制御が必要となる。
この場合、厳密に言えば、不安定モードはパラレルとコ
ニカルの2つの剛性モードのみで、弾性モードは減衰性
が悪いが、本質的に安定なモードである。そこで、低次
元化モデルの作成にあたっては2つの剛性モードの安定
化と、何次までの弾性モードを制振するかという立場で
考えることになる。低次元化モデルはモード座標系にお
いて、高次振動モードを切り捨てることによって作成さ
れる。ここで、r次モードまでを含む低次元化モデルの
状態方程式を記述すると、式(16)は次式となる。 『xr 』=Ar r +Br u+Dr ・・・・(17a) y=Cr r =[i511T ・・・(17b) ここで、xr 、Ar 、Br 、Cr 、Dr 、は、図11の
(B)に示すものとする。
An elastic rotor free of both ends generally has countless vibration modes. Since the elastic rotor / magnetic bearing system is inherently unstable, it is necessary to first perform stabilization control.
In this case, strictly speaking, the unstable mode is only two rigid modes, parallel and conical, and the elastic mode is an inherently stable mode, although the damping property is poor. Therefore, when creating a reduced-order model, it is necessary to consider the stabilization of the two rigid modes and the order of the elastic mode to be damped. The reduced-order model is created by discarding higher-order vibration modes in the mode coordinate system. Here, if the state equation of the reduced-order model including up to the r-th mode is described, the equation (16) becomes the following equation. "X r" = A r x r + at B r u + D r ···· ( 17a) y = C r x r = [i 5 i 11] T ··· (17b) where, x r, A r, B r , C r , and D r are as shown in FIG.

【0038】次に、上述で求めた低次元化モデルを用い
て、VSS外乱型オブザーバの設計の方法について説明
する。上記のプラントの力学的解析は、全てのシステム
状態変数が知られているという仮定に基づいている。し
かし、このシステムでは、2つの電磁石(アクチュエー
タ)の電流のみが直接計測できるので、状態オブザーバ
は、システム状態推定を用いなければならない。更に、
式(15)の不釣り合い外乱Df1は、計測するのが困難
である。この不釣り合い外乱を直接補正する目的で、外
乱の信号を発生させるために、外乱の推定を利用しなけ
ればならない。離散時間VSSオブザーバは、このセク
ションでは、システムの状態ベクトルと不釣り合い外乱
を同時に推定するものとして記述する。この磁気軸受け
装置では、ロータに働く正弦方向の力がマッチングの状
態を満足させない不釣り合いな振動を一般に引き起こ
す。それ故、ここでは不釣り合いな力(外乱w1 )を次
のように考える。 w1 =asinω0t・・・(21) この不釣合力を状態量とみなすとその状態方程式は、状
態ベクトルを(w)とすれば、次式となる。 『w』=AW w・・・(22a) d=Lw・・・・・(22b) ここで、w、AW 、Lは、図12の(A)に示すとおり
である。
Next, a method of designing a VSS disturbance observer using the reduced-order model obtained above will be described. The above mechanical analysis of the plant is based on the assumption that all system state variables are known. However, in this system, only the currents of the two electromagnets (actuators) can be directly measured, so the state observer must use system state estimation. Furthermore,
It is difficult to measure the unbalanced disturbance D f1 in Expression (15). In order to directly correct this unbalanced disturbance, disturbance estimation must be used to generate a disturbance signal. The discrete-time VSS observer is described in this section as estimating the state vector of the system and the unbalanced disturbance simultaneously. In this magnetic bearing device, the sinusoidal force acting on the rotor generally causes unbalanced vibration that does not satisfy the matching state. Therefore, here, an unbalanced force (disturbance w 1 ) is considered as follows. w 1 = asinω 0 t (21) If this unbalanced force is regarded as a state quantity, the state equation is as follows when the state vector is (w). “W” = A W w (22a) d = Lw (22b) Here, w, A W , and L are as shown in FIG.

【0039】次に、式(21)、(22)より拡大系を
作る。拡大系の状態方程式、出力方程式は、次式とな
る。 『xd 』=Ad x d +Bd u+Dd ・・・(23a) yd =Cd d ・・・(23b) ここで、xd 、Ad 、Bd 、Cd 、Dd は、図12の
(B)に示すとおりである。また、Ar 、Br 、Cr
r は、上述の(17)式に示すとおりである。式(2
3)の等価離散時間系は、次のようになる。 xd ( k+1)=Φd d ( k)+Γd1u(k)+Γd2(k)(24a) yd =Cd d (k)・・・(24b) ここで、Φd 、Γd1、Γd2は、図12の(C)に示すと
おりである。
Next, an enlargement system is created from equations (21) and (22). The state equation and output equation of the expanded system are as follows. In "x d" = A d x d + B d u + D d ··· (23a) y d = C d x d ··· (23b) where, x d, A d, B d, C d, D d is , As shown in FIG. Also, A r , B r , C r ,
Dr is as shown in the above equation (17). Equation (2
The equivalent discrete time system of 3) is as follows. x d (k + 1) = Φ d x d (k) + Γ d1 u (k) + Γ d2 (k) (24a) y d = C d x d (k) (24b) where Φ d , Γ d1, gamma d2 is as shown in FIG. 12 (C).

【0040】マッチング条件を満たす外乱に対して、以
下の仮定を設ける。 Γd2(k)=Γd1h(k)・・・(25) ここで、‖h(k)‖≦η、η>0、h(k)は外乱の
最大推定値である。(Cd 、Φd )は可観測であるの
で、ある行列GO が存在する。すなわち、 ΦO =Φd −GO d ・・・(26) ここで、GO =(R+Cd PCd T ) -1d PΦd T ・・・(27) また、Pは次のリカッティ方程式の解である。 Φd PΦd T −Φd PCd T (R+Cd PCd T ) -1d T T Φd T +Q=P ・・・(28) ただし、Q≧0、R>0である。
The following assumption is made for a disturbance satisfying the matching condition. Γ d2 (k) = Γ d1 h (k) (25) Here, {h (k)} ≦ η, η> 0, and h (k) is the maximum estimated value of the disturbance. Since (C d , Φ d ) is observable, there exists a certain matrix G O. That is, Φ O = Φ d −G O C d (26) where G O = (R + C d PC d T ) −1 C dd T (27) This is the solution of the Riccati equation. Φ d PΦ d T -Φ d PC d T (R + C d PC d T) -1 C d T P T Φ d T + Q = P ··· (28) provided that Q ≧ 0, R> 0.

【0041】これから、式(24)に対する正定対称な
行列Q1 とF1 が存在するとして、次式を仮定する。 F1 d=Γd1 T 1 ・・・(29) ここで、P1 は次のようなリアプノフ方程式の唯一正対
称解である。 ΦO T 1 ΦO +Q1 =P1 、 Q1 ≧0 ・・・(30) 今回は、式(24)のシステムの出入力数は同じである
ので、F1 =I2 を得ることができる。オブザーバの出
力から系の状態への誤差は、次式のように与えられる。 ‘xd ’(k)=“xd ”(k)−xd (k)・・・(31)
From the following, it is assumed that the positive definite symmetric matrices Q 1 and F 1 with respect to the equation (24) exist, and the following equation is assumed. F 1 C d = Γ d1 T P 1 (29) where P 1 is the only positive symmetric solution of the following Lyapunov equation. Φ O T P 1 Φ O + Q 1 = P 1 , Q 1 ≧ 0 (30) In this case, since the number of inputs and outputs of the system of equation (24) is the same, it is necessary to obtain F 1 = I 2. Can be. The error from the output of the observer to the state of the system is given by the following equation. 'x d ' (k) = “x d ” (k) −x d (k) (31)

【0042】この時、ロバスト性を高めたVSS外乱オ
ブザーバは、次式のように表される。 “xd ”(k+1)=ΦO “xd ”(k)+G0 ‘yd ’(k)+M(yd ( k))+Γd1u(k)・・・(32) また、(32)式中のM(yd (k))、xd 、右辺第
3項のyd (k)は、図19の(D)に示すとおりであ
る。ここでは、ρは、以下のように決定され、且つγ>
0は、正の数である。γの効果により、本当のスライデ
ィング状態と超平面交差に近接したモーションとの間で
の妥協がもたらされる。式(24)、(25)、(3
2)を合わせると、オブザーバの出力と状態との誤差
は、次の式に従う。 “xd ”(k+1)=ΦO “xd ”(k)+M(‘yd ’(k))−Γd1h( k)・・・(32A) ρをρ≧ηに従って選択すると、エラーは、指数関数的
に減少させることができる。このようにして求めた(3
2)式をブロック線図に表すと、図7に示すようにな
る。
At this time, the VSS disturbance observer having improved robustness is expressed by the following equation. "X d" (k + 1 ) = Φ O "x d" (k) + G 0 'y d' also (k) + M (y d (k)) + Γ d1 u (k) ··· (32), (32 )), M (y d (k)), x d , and y d (k) of the third term on the right side are as shown in (D) of FIG. Here, ρ is determined as follows, and γ>
0 is a positive number. The effect of gamma results in a compromise between true sliding conditions and motion near hyperplane intersection. Equations (24), (25), (3
When 2) is combined, the error between the output of the observer and the state follows the following equation. “X d ” (k + 1) = Φ O “x d ” (k) + M (′ y d ′ (k)) − Γ d1 h (k) (32A) If ρ is selected according to ρ ≧ η, an error occurs. Can be reduced exponentially. (3)
FIG. 7 shows the equation (2) in a block diagram.

【0043】次に、上記のように設計したVSS外乱オ
ブザーバにより推定した状態量と外乱を用いて、離散時
間スライディングモードコントローラの設計について、
その手順を説明する。ここでは、1型のサーボ系を設計
することが必要であり、目標値と観測量の差の積分値z
(ベクトル量)は新たな状態変数として、次式で与えら
れる。 z=r−“x”・・・(33) ここで、r=[r511T 、“x”=[“x5 ”“x
11”]T である。なお、rは目標値入力である。これと
元の低次元化の運動方程式(上記の式(17))から得
られる拡大状態方程式を次式とする。 『xi 』=Ai i +Bi u+Di +Gr・・・(34a) y=Ci i =[i511T ・・・(34b) ここで、xi 、z、r、Ai 、Bi 、Di 、G、E2
i は、図13の(A)に示すとおりである。
Next, the discrete time sliding mode controller is designed using the state quantity and the disturbance estimated by the VSS disturbance observer designed as described above.
The procedure will be described. Here, it is necessary to design a type 1 servo system, and the integral value z of the difference between the target value and the amount of observation is required.
(Vector quantity) is given by the following equation as a new state variable. z = r- "x" ··· ( 33) where, r = [r 5 r 11 ] T, "x" = [ "x 5""x
11 "is a T. Incidentally, r is a target value input. Enlargement state equation derived from this and the original dimension reduction of motion equation (Equation (17)) and the following equation." X i "= A i x i + B i u + D i + Gr ··· (34a) y = C i x i = [i 5 i 11] T ··· (34b) where, x i, z, r, A i, B i , D i , G, E 2 ,
C i is as shown in FIG.

【0044】式(34)から等価離散時間系は、次のよ
うになる。 xi (k+1)=Φxi (k) +Γ1 u (k) +Γ2 r (k) +Ξ1(k) +Ξ2(k ) ・・・(35a) y (k) =Ci i (k) ・・・(35b) ここで、Φ、Γ1 、Γ2 、u (t) は、図13の(B)
に示すとおりである。また、式(34)中の外乱は、図
13の(C)に示すようになる。ここで、 Ξ2 (k)=Di2 (k) =Γ1 h(k)・・・(36A) Ξ1 (k)=Di1(k) である。
From equation (34), the equivalent discrete-time system is as follows. x i (k + 1) = Φx i (k) + Γ 1 u (k) + Γ 2 r (k) + Ξ 1 (k) + Ξ 2 (k) ··· (35a) y (k) = C i x i (k (35b) Here, Φ, Γ 1 , Γ 2 , and u (t) are represented by (B) in FIG.
As shown in FIG. Further, the disturbance in the equation (34) is as shown in FIG. Here, Ξ 2 (k) = D i2 (k) = Γ 1 h (k) (36A) Ξ 1 (k) = D i1 (k).

【0045】切り換え関数σ(k)は、次のように定義
される。 σ(k)=Sxi (k)・・・(37) Sはσ(k)=0を満足する状態空間の超平面上におい
て式(35)のシステムの状態を安定にするように設計
する。まず、この超平面上にあるサンプル時刻において
Sxi (k)が一定値をとる超平面上に到達したとき、
引続くサンプル時刻において状態を超平面上に留める等
価入力を求めてみる。σ(k)=Sxi (k)とすると
き、σ(k)=σ(k+1) for k>k1 ・・・
(38)を満たす等価入力は、次式となる。 ueq(k)=−(SΓ)-1[S(Φ−I)xi (k)+SΓ2 r(k)]−h (k)・・・(39) ここで、Ξ1 (k)は、図13の(D)に示すとおりで
ある。
The switching function σ (k) is defined as follows. σ (k) = Sx i (k) (37) S is designed to stabilize the state of the system of equation (35) on the hyperplane of the state space satisfying σ (k) = 0. . First, at a sample time on this hyperplane, when Sx i (k) reaches a hyperplane having a constant value,
Let's try to find an equivalent input that keeps the state on the hyperplane at successive sample times. When σ (k) = Sx i (k), σ (k) = σ (k + 1) for k> k 1.
The equivalent input that satisfies (38) is as follows. u eq (k) = − (SΓ) −1 [S (Φ−I) x i (k) + SΓ 2 r (k)] − h (k) (39) where Ξ 1 (k) Is as shown in FIG.

【0046】また、行列(SΓ1-1は正則行列と仮定
する。このとき、システムの運動方程式は、次のように
与えられる。 xi (k+1)=[Φ−Γ1 (SΓ1-1S(Φ−I)]xi (k)+[I− Γ1 (SΓ1-1S]Γ2 r(k)・・・(40a) σ(k)=Sxi (k)=0・・・(40b) これから、スイッチングマトリックスSは、このシステ
ムが安定となるように選ばなくてはならない。ここで
は、この設計法にシステムのゼロ点を利用する方法を用
いる。ここで、安定度を指定したシステムΦは次式で示
される。 Φe =Φ+eI 、e≧0・・・(41) また、Sは次式により求まる。 ST =(R2 +Γ1 T PΓ1-1Γ1 T PΦe ・・・(42) ただし、Pは次のリカッティ方程式の解である。 P−Φe T PΦe +Φe T PΓ1 (R2 +Γ1 T PΓ1-1Γ1 T PΦe − Q2 =0・・・(43) ここで、Q2 ≧0,R2 >0である。
It is assumed that the matrix (SΓ 1 ) -1 is a regular matrix. At this time, the equation of motion of the system is given as follows. x i (k + 1) = [Φ−Γ 1 (SΓ 1 ) −1 S (Φ−I)] x i (k) + [I−Γ 1 (SΓ 1 ) −1 S] Γ 2 r (k) · ·· (40a) σ (k) = Sx it (k) = 0 ··· (40b) therefrom, switching matrix S is should be chosen so the system becomes stable. Here, a method utilizing the zero point of the system is used for this design method. Here, the system Φ specifying the stability is expressed by the following equation. Φ e = Φ + eI, e ≧ 0 (41) Further, S is obtained by the following equation. S T = (R 2 + Γ 1 T PΓ 1) -1 Γ 1 T PΦ e ··· (42) However, P is a solution of the following Rikatti equation. P−Φ e Te + Φ e T1 (R 2 + Γ 1 T1 ) −1 Γ 1 Te −Q 2 = 0... (43) where Q 2 ≧ 0, R 2 > 0.

【0047】超平面の設計後、次に重要なことは、スラ
イディングモードの存在を保証することである。VSS
は可変フィードバックゲインを持つ閉ループ系として考
えることができる。今、リアプノフ関数を次式のように
考える。 V(t)=0・5σ(t)2 ・・・(44) 式(44)を離散化して、その微分は次式のようにてな
る。 V(k+1)=σ(k)T (σ(k+1)−σ(k))/Δ・・・(45)
After designing the hyperplane, the next important thing is to guarantee the existence of the sliding mode. VSS
Can be considered as a closed loop system with a variable feedback gain. Now, consider the Lyapunov function as follows. V (t) = 0 · 5σ (t) 2 (44) Equation (44) is discretized, and its derivative is given by the following equation. V (k + 1) = σ (k) T (σ (k + 1) −σ (k)) / Δ (45)

【0048】一方、次の新たなリアプノフ関数を設け
る。 V(k+1)=−σ(k)T 1 σ(k)・・・(46) ここで、G1 =diag[g1 , ・・・, gm ]、 g1
0、( i=1,・・・,m)である。式(45),(4
6)から、次式が得られる。 σ(k)T [G1 σ(k)+(σ(k+1)−σ(k))/Δ]=0・・・(4 7) この結果、次式が得られる。σ(k+1)−σ(k)=
−ΔG1 σ(k)=−Jσ(k)・・・(48)ここ
で、J=diag[Δg1 ,・・・,Δgm ]=diag[j
1 ,・・・,jm ]、0<ji <1(i=1,・・・,
m)である。
On the other hand, the following new Lyapunov function is provided. V (k + 1) = - σ (k) T G 1 σ (k) ··· (46) wherein, G 1 = diag [g 1 , ···, g m], g 1>
0, (i = 1,..., M). Equations (45), (4
From 6), the following equation is obtained. σ (k) T [G 1 σ (k) + (σ (k + 1) −σ (k)) / Δ] = 0 (47) As a result, the following equation is obtained. σ (k + 1) −σ (k) =
−ΔG 1 σ (k) = − Jσ (k) (48) where J = diag [Δg 1 ,..., Δg m ] = diag [j
1 ,..., J m ], 0 <j i <1 (i = 1,.
m).

【0049】一方、式(37)と(35)から、次式が
得られる。 σ(k+1)−σ(k)=Sxi (k+1)−Sxi (k)=SΦxi (k) +SΓ1 u(k)+SΞ2 (k)+SΓ2 r(k)−Sxi (k)・・・(49 ) そして、式(49)を式(48)に代入すると、その結
果、次式が得られる。 −Jσ(k)=SΦxi (k)+SΓ1 u(k)+SΞ2 (k)+SΓ2 r( k)−Sxi (k)・・・(50) 式(36A)と式(50)により、次の制御法則を得る
ことが出来る。 u(k)=−(SΓ1-1[S(Φ−I)xi (k)+SΓ2 r(k)]−h (k)−(SΓ1-1JSxi (k)・・・(51) 式50と39を比較すると、次の式46を得られる。 u(k)=ueq(k)−(SΓ1-1JSxi (k)・・・(52)
On the other hand, from equations (37) and (35), the following equation is obtained. σ (k + 1) -σ ( k) = Sx i (k + 1) -Sx i (k) = SΦx i (k) + SΓ 1 u (k) + SΞ 2 (k) + SΓ 2 r (k) -Sx i (k) (49) When the equation (49) is substituted into the equation (48), the following equation is obtained. -Jσ (k) = SΦx i ( k) + SΓ 1 u (k) + SΞ 2 (k) + SΓ 2 r (k) -Sx i (k) ··· (50) equation (36A) by equation (50) , The following control law can be obtained. u (k) = - (SΓ 1) -1 [S (Φ-I) x i (k) + SΓ 2 r (k)] - h (k) - (SΓ 1) -1 JSx i (k) ·· (51) Comparing Equations 50 and 39 gives Equation 46 below. u (k) = u eq ( k) - (SΓ 1) -1 JSx i (k) ··· (52)

【0050】式(50)における不定のマッチング成分
h(k)の現実値は、一般に不明であるが、既知の範囲
(bounds)により境界が示される。表記を簡単に
するために、h(k)の範囲を次の(53)式から得ら
れるものと仮定する。 Hmin ≦h(k)≦Hmax ・・・(53) もし、式(54)のように選択すると、式(25)に於
ける仮定が式(53)の特殊なケースであることがあき
らかである。 Hmax =−Hmin =η・Define H1 =Hmin +Hmax /2 、H2 =Hmin −Hmax /2・・・(54) 成分h(k)は、以下のように表される。 h(k)=H1 +H2 sgn(σ(k))・・・(5
5) 式(55)式(51)を代入すると、最終的な制御法則
が次のように表される。 u(k)=u1 (k)+u2 (k)・・・(56) ここで、u1 (k)=−(SΓ1-1[S(Φ−I)x
i (k)+SΓ2 r(k)]−H1 −H2 sgn(σ
(k))(SΓ1-1JSxi (k)であり、u
2(k)=−(SΓ1-1SΞ1 (k)である。
The actual value of the undefined matching component h (k) in equation (50) is generally unknown, but is indicated by a known range (bounds). To simplify the notation, it is assumed that the range of h (k) is obtained from the following equation (53). H min ≤ h (k) ≤ H max (53) If the selection is made as in equation (54), it is clear that the assumption in equation (25) is a special case of equation (53). It is. H max = −H min = η · Define H 1 = H min + H max / 2, H 2 = H min −H max / 2 (54) The component h (k) is expressed as follows. . h (k) = H 1 + H 2 sgn (σ (k)) (5)
5) Equation (55) By substituting equation (51), the final control law is expressed as follows. u (k) = u 1 ( k) + u 2 (k) ··· (56) where, u 1 (k) = - (SΓ 1) -1 [S (Φ-I) x
i (k) + SΓ 2 r (k)] - H 1 -H 2 sgn (σ
(K)) (SΓ 1) is -1 JSx i (k), u
2 (k) = - a (SΓ 1) -1 SΞ 1 ( k).

【0051】装置、離散時間VSS外乱オブザーバ、お
よび離散時間スライディングモードコントローラを含む
閉ループシステムは、ユニットサークル内で、安定した
固有値を得る。図8は、VSSオブザーバに基づいて提
案されたスライディングモード制御システムの全体のブ
ロックダイアグラムである。
A closed loop system including the device, the discrete time VSS disturbance observer, and the discrete time sliding mode controller obtains a stable eigenvalue within the unit circle. FIG. 8 is an overall block diagram of a proposed sliding mode control system based on the VSS observer.

【0052】このような手順で設計される制御装置は、
第1の実施の形態の場合と同様に、図4の制御装置によ
り実現できる。ただし、図5に示すVSS外乱型オブザ
ーバ31やVSCコントローラ33などの機能が、図1
に示すVSSオブザーバ21やVSCコントローラ25
とは異なるので、VSS外乱型オブザーバ31やVSC
コントローラ33の機能を満たすプログラムによりDS
P(デジタルシグナルプロセッサ)44を動作させる必
要がある。
The control device designed by such a procedure is as follows.
As in the case of the first embodiment, it can be realized by the control device of FIG. However, the functions of the VSS disturbance observer 31 and the VSC controller 33 shown in FIG.
VSS observer 21 and VSC controller 25 shown in
Is different from the VSS disturbance observer 31 or VSC
DS by program that satisfies the function of controller 33
It is necessary to operate a P (digital signal processor) 44.

【0053】次に、本発明にかかるVSSオブザーバと
従来の線形オブザーバの場合における同一条件でのイン
パルス外乱に対する応答性のシミュレーションの結果を
図14および図15に示す。図14はVSSオブザーバ
の結果であり、同図(A)は時間(Time)と変位
(Displacemennt)の関係を示し、同図
(B)は時間と電流(Current)の関係を示す。
図15は従来の線形オブザーバの結果である。図から明
らかなように、本発明にかかるVSSオブザーバを用い
るスライディングモード制御の場合には、外乱に対して
時間とともに、短時間で減衰して零に収束することがわ
かる。また、外乱に対する振幅は、VSSオブザーバを
用いるスライディングモード制御の場合には、従来の線
型オブザーバに比べて1/100程度に小さくできる。
Next, FIGS. 14 and 15 show simulation results of the response to the impulse disturbance under the same conditions in the case of the VSS observer according to the present invention and the conventional linear observer. 14A and 14B show the results of the VSS observer. FIG. 14A shows the relationship between time (Time) and displacement (Displacement), and FIG. 14B shows the relationship between time and current (Current).
FIG. 15 shows the result of a conventional linear observer. As is clear from the figure, in the case of the sliding mode control using the VSS observer according to the present invention, the disturbance attenuates in a short time with time and converges to zero. In the case of the sliding mode control using the VSS observer, the amplitude with respect to the disturbance can be reduced to about 1/100 as compared with the conventional linear observer.

【0054】以上述べた実施の形態によれば、以下の効
果を奏することができる。 (1)従来技術に比べて、不釣り合い力に対する制御性
能が向上する。 (2)パラメータ変動に対するロバスト性能が向上す
る。 (3)非線形特性に対してロバストになる。 (4)デジタル制御により実現するときには、実装が容
易となる。 (5)従来技術に比べて、同一制御入力に対する公称制
御特性(ノミナル性能)が優れている。
According to the above-described embodiment, the following effects can be obtained. (1) The control performance against the unbalance force is improved as compared with the related art. (2) Robust performance against parameter fluctuation is improved. (3) Robust against nonlinear characteristics. (4) When implemented by digital control, implementation is easy. (5) Nominal control characteristics (nominal performance) for the same control input are superior to the prior art.

【0055】[0055]

【発明の効果】以上説明したように請求項1記載の発明
では、スライディングモード制御理論を用いて、VSS
オブザーバにより回転体の直接観測できない変位を電磁
石のコイルに流れる電流と制御入力から推定し、その推
定した変位に基いて、VSCコントローラが電磁石を調
節する信号として予め定めた線形的な利得利得と非線形
的な利得を求めて両者を加算し、この加算信号を制御入
力とするようにした。また、請求項2の発明では、スラ
イディングモード制御理論を用いて、VSS外乱型オブ
ザーバが、電磁石のコイルに流れる電流と制御入力に基
づき、回転体の直接観測できない変位、および回転体に
作用する外乱を推定する。そして、この推定外乱に対し
て所定の係数を掛ける一方、上記の推定変位に基いて、
VSCコントローラが電磁石を調節する信号として予め
定めた線形的な利得利得と非線形的な利得を求めて両者
を加算し、この加算信号と上記の係数が掛けられた推定
外乱とを加算して、この加算信号を制御入力とするよう
にした。
As described above, according to the first aspect of the present invention, the VSS mode is established using the sliding mode control theory.
The observer estimates the displacement of the rotating body that cannot be directly observed from the current flowing through the coil of the electromagnet and the control input, and based on the estimated displacement, the VSC controller provides a predetermined linear gain and nonlinear signal as a signal for adjusting the electromagnet. The two gains are added together to obtain a specific gain, and the added signal is used as a control input. According to the second aspect of the present invention, based on the sliding mode control theory, the VSS disturbance type observer uses the current flowing through the coil of the electromagnet and the control input to displace the rotating body that cannot be directly observed, and to disturb the rotating body. Is estimated. Then, while multiplying the estimated disturbance by a predetermined coefficient, based on the estimated displacement,
The VSC controller obtains a predetermined linear gain and a non-linear gain as a signal for adjusting the electromagnet, adds both of them, and adds this added signal to the estimated disturbance multiplied by the above coefficient, and The addition signal is used as a control input.

【0056】従って、請求項1及び請求項2の発明によ
れば、以下のような各効果が得られる。 (1)不釣り合い外乱に対して振れ回り運動を抑制で
き、不釣り合い外乱に強いといえる。 (2)例えば目標位置に精度良く追従するというよう
に、パラメータ変動に対するロバスト性能が優れてい
る。 (3)非線形特性に対して頑強である。
Therefore, according to the first and second aspects of the present invention, the following effects can be obtained. (1) The whirling motion can be suppressed with respect to the unbalanced disturbance, and it can be said that it is strong against the unbalanced disturbance. (2) Robust performance against parameter fluctuation is excellent, for example, following a target position with high accuracy. (3) Robust to nonlinear characteristics.

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

【図1】本発明の第1の実施の形態である磁気軸受の制
御装置のブロック図である。
FIG. 1 is a block diagram of a control device for a magnetic bearing according to a first embodiment of the present invention.

【図2】同磁気軸受の概略構成を示す図である。FIG. 2 is a view showing a schematic configuration of the magnetic bearing.

【図3】図1で示すVSSオブザーバの構成を示すブロ
ック図である。
FIG. 3 is a block diagram illustrating a configuration of a VSS observer illustrated in FIG. 1;

【図4】第1の実施の形態である磁気軸受の制御装置の
具体的な構成を示す構成図である。
FIG. 4 is a configuration diagram showing a specific configuration of a control device for a magnetic bearing according to the first embodiment.

【図5】本発明の第2の実施の形態である磁気軸受の制
御装置のブロック図である。
FIG. 5 is a block diagram of a control device for a magnetic bearing according to a second embodiment of the present invention.

【図6】磁気軸受スピンドルのモデルを示す図である。FIG. 6 is a diagram showing a model of a magnetic bearing spindle.

【図7】図5で示すVSS外乱型オブザーバの構成を示
すブロック図である。
FIG. 7 is a block diagram illustrating a configuration of a VSS disturbance observer illustrated in FIG. 5;

【図8】離散時間スライディングモードコントローラの
設計手順により得られたスライディングモード制御系の
ブロック図である。
FIG. 8 is a block diagram of a sliding mode control system obtained by a design procedure of a discrete time sliding mode controller.

【図9】同設計手順を説明するために必要な数式などを
描いた図である。
FIG. 9 is a diagram depicting mathematical formulas and the like necessary for explaining the design procedure.

【図10】同設計手順を説明するために必要な数式など
を描いた図である。
FIG. 10 is a diagram illustrating mathematical formulas and the like necessary for explaining the design procedure.

【図11】同設計手順を説明するために必要な数式など
を描いた図である。
FIG. 11 is a diagram illustrating mathematical formulas and the like necessary for explaining the design procedure.

【図12】同設計手順を説明するために必要な数式など
を描いた図である。
FIG. 12 is a diagram illustrating mathematical formulas and the like necessary for explaining the design procedure.

【図13】同設計手順を説明するために必要な数式など
を描いた図である。
FIG. 13 is a diagram illustrating mathematical formulas and the like necessary for explaining the design procedure.

【図14】本発明にかかるVSSオブザーバのインパル
ス外乱に対する応答性のシミュレーションの結果を示す
図である。
FIG. 14 is a diagram illustrating a simulation result of the response of the VSS observer to an impulse disturbance according to the present invention.

【図15】従来の線形オブザーバのインパルス外乱に対
する応答性のシミュレーションのの結果を示す図であ
る。
FIG. 15 is a diagram showing the result of a simulation of the response of a conventional linear observer to an impulse disturbance.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 回転体(ロータ) 2、3 電磁石 21 VSSオブザーバ 22 比較部 23 積分部 24 加算部 25 、33 VSCコントローラ 25A 、33A 線形処理部 25B、33B 非線形処理部 25C 、33C、33D 加算部 26 加算部 27 アンプ 31 VSS外乱型オブザーバ 32 係数部 41、42 ラジアル軸受 41A、42A 電磁石 43 スラスト軸受43 44 DSP(デジタルシグナルプロセッサ) 45 ホストコンピュータ 46 A−D変換器 47 D−A変換器 48 バイアス電流供給回路 49 パワーアンプ Reference Signs List 1 rotating body (rotor) 2, 3 electromagnet 21 VSS observer 22 comparing unit 23 integrating unit 24 adding unit 25, 33 VSC controller 25A, 33A linear processing unit 25B, 33B nonlinear processing unit 25C, 33C, 33D adding unit 26 adding unit 27 Amplifier 31 VSS disturbance type observer 32 Coefficient part 41, 42 Radial bearing 41A, 42A Electromagnet 43 Thrust bearing 43 44 DSP (digital signal processor) 45 Host computer 46 A / D converter 47 D / A converter 48 Bias current supply circuit 49 Power Amplifier

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) F16C 32/04 G05B 13/00──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (58) Field surveyed (Int.Cl. 6 , DB name) F16C 32/04 G05B 13/00

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 回転体を磁気的に支持する電磁石と、 この電磁石を駆動する電磁石駆動手段と、 前記電磁石のコイルに流れる電流を検出する電流検出手
段と、 前記電磁石駆動手段の入力と前記電流検出手段の検出電
流とに基いて、前記電磁石の設置位置の前記回転体の変
位と、前記回転体の任意の位置の変位を推定するVSS
(Variable Structure Syste
m、可変構造システム)オブザーバと、 このVSSオブザーバの推定した前記電磁石の設置位置
の前記回転体の変位を、基準値と比較して両者の偏差を
求める比較手段と、 この比較手段の求めた偏差および前記VSSオブザーバ
の推定した回転体の任意の位置の変位に基いて、前記電
磁石を調節する信号として予め定めた線形的な利得と非
線形的な利得を求めて両者を加算するVSC(Vari
able Structure Control、可変
構造制御)コントローラとを備え、 このVSCコントローラの出力信号を前記電磁石駆動手
段に供給するようにしたことを特徴とする磁気軸受の制
御装置。
1. An electromagnet that magnetically supports a rotating body, an electromagnet driving unit that drives the electromagnet, a current detection unit that detects a current flowing through a coil of the electromagnet, an input of the electromagnet driving unit, and the current VSS for estimating a displacement of the rotating body at an installation position of the electromagnet and a displacement of an arbitrary position of the rotating body based on a detection current of a detection unit.
(Variable Structure System
m, a variable structure system) an observer, a comparison means for comparing the displacement of the rotating body at the installation position of the electromagnet estimated by the VSS observer with a reference value to obtain a deviation between the two, and a deviation obtained by the comparison means And a VSC (Vari) for obtaining a predetermined linear gain and a non-linear gain as a signal for adjusting the electromagnet based on the displacement of an arbitrary position of the rotating body estimated by the VSS observer, and adding the two.
and a controller for controlling the magnetic bearing, wherein an output signal of the VSC controller is supplied to the electromagnet driving means.
【請求項2】 回転体を磁気的に支持する電磁石と、 この電磁石を駆動する電磁石駆動手段と、 前記電磁石のコイルに流れる電流を検出する電流検出手
段と、 前記電磁石駆動手段の入力と前記電流検出手段の検出電
流とに基いて、前記電磁石の設置位置の前記回転体の変
位と、前記回転体の任意の位置の変位と、前記回転体に
作用する外乱とをそれぞれ推定するVSS(Varia
ble Structure System)外乱型オ
ブザーバと、 このVSS外乱型オブザーバの推定外乱に対して所定の
係数を掛ける係数手段と、 前記VSS外乱型オブザーバの推定した前記電磁石の設
置位置の前記回転体の変位を、基準値と比較して両者の
偏差を求める比較手段と、 この比較手段の求めた偏差および前記VSS外乱型オブ
ザーバの推定した回転体の任意の位置の変位に基いて、
前記電磁石を調節する信号として予め定めた線形的な利
得と非線形的な利得を求めて両者を加算するVSC(V
ariableStructure Control)
コントローラと、 このVSCコントローラの求めた信号と前記係数手段か
らの出力信号とを加算する加算手段とを備え、 この加算手段の出力信号を前記電磁石駆動手段に供給す
るようにしたことを特徴とする磁気軸受の制御装置。
2. An electromagnet for magnetically supporting a rotating body, electromagnet driving means for driving the electromagnet, current detection means for detecting a current flowing through a coil of the electromagnet, an input of the electromagnet driving means and the current A VSS (Varia) for estimating a displacement of the rotating body at the installation position of the electromagnet, a displacement of an arbitrary position of the rotating body, and a disturbance acting on the rotating body, based on a detection current of the detecting means.
ble Structure System) a disturbance type observer, a coefficient means for multiplying the estimated disturbance of the VSS disturbance type observer by a predetermined coefficient, and a displacement of the rotating body at the estimated position of the electromagnet estimated by the VSS disturbance type observer, Comparing means for obtaining a deviation between the two by comparing with a reference value; based on the deviation obtained by the comparing means and the displacement of an arbitrary position of the rotating body estimated by the VSS disturbance observer,
As a signal for adjusting the electromagnet, a predetermined linear gain and a non-linear gain are obtained, and VSC (V
ARRIABLESTRUCTURE CONTROL)
A controller, and adding means for adding a signal obtained by the VSC controller and an output signal from the coefficient means, wherein an output signal of the adding means is supplied to the electromagnet driving means. Control device for magnetic bearings.
JP7303427A 1995-10-27 1995-10-27 Magnetic bearing control device Expired - Fee Related JP2835942B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP7303427A JP2835942B2 (en) 1995-10-27 1995-10-27 Magnetic bearing control device

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP7303427A JP2835942B2 (en) 1995-10-27 1995-10-27 Magnetic bearing control device

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPH09126237A JPH09126237A (en) 1997-05-13
JP2835942B2 true JP2835942B2 (en) 1998-12-14

Family

ID=17920885

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP7303427A Expired - Fee Related JP2835942B2 (en) 1995-10-27 1995-10-27 Magnetic bearing control device

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2835942B2 (en)

Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4521846B2 (en) * 2000-08-18 2010-08-11 健蔵 野波 Electromagnetic suction type magnetic bearing and its nonlinear control method
JP5445887B2 (en) * 2006-08-18 2014-03-19 国立大学法人 千葉大学 Magnetic bearing device
JP5673086B2 (en) * 2010-12-27 2015-02-18 株式会社明電舎 Motor control device
JP5673087B2 (en) * 2010-12-27 2015-02-18 株式会社明電舎 Motor control device
JP6321949B2 (en) * 2013-11-29 2018-05-09 エドワーズ株式会社 Magnetic bearing device and vacuum pump
CN110657159B (en) * 2019-09-24 2021-02-19 东北大学 Magnetic suspension bearing stability control method
CN117703927B (en) * 2024-02-05 2024-04-16 贵州中航华强科技有限公司 Magnetic suspension bearing control system

Also Published As

Publication number Publication date
JPH09126237A (en) 1997-05-13

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Wang et al. Adaptive terminal sliding mode control for magnetic levitation systems with enhanced disturbance compensation
Yang et al. Robust output feedback control of a class of nonlinear systems using a disturbance observer
Wang et al. Neural network learning adaptive robust control of an industrial linear motor-driven stage with disturbance rejection ability
Chen et al. A nonlinear disturbance observer for multivariable systems and its application to magnetic bearing systems
Yang et al. A novel robust nonlinear motion controller with disturbance observer
Lee et al. Chattering suppression methods in sliding mode control systems
Chen et al. Adaptive robust precision motion control of linear motors with integrated compensation of nonlinearities and bearing flexible modes
Sun et al. Disturbance rejection based on iterative learning control with extended state observer for a four-degree-of-freedom hybrid magnetic bearing system
EP0463934B1 (en) Time delay controlled processes
Huang et al. Iterative learning control of inhomogeneous distributed parameter systems—Frequency domain design and analysis
Dong et al. Adaptive control of an active magnetic bearing with external disturbance
Nevaranta et al. Adaptive MIMO pole placement control for commissioning of a rotor system with active magnetic bearings
Fei et al. Adaptive nonsingular terminal sliding mode control of MEMS gyroscope based on backstepping design
He et al. Boundary output feedback control of a flexible string system with input saturation
Tian et al. Inter-sample output predictor based sampled-data ADRC supporting high precision control of VCM servo systems
JP2835942B2 (en) Magnetic bearing control device
JP2835943B2 (en) Magnetic bearing control device
Hackl et al. Funnel control in mechatronics: An overview
Chang et al. Integration of predictive control and interconnected structure for autotuning velocity controller
Yeh et al. Closed-loop identification of multi-axis active magnetic bearing systems based on decentralized and decoupling control
Ruderman Motion control with optimal nonlinear damping: from theory to experiment
Alahakoon Digital motion control techniques for electrical drives
Nguyen et al. Active disturbance rejection control-based anti-coupling method for conical magnetic bearings
Ghazali et al. Adaptive Discrete Sliding Mode Control for a Non-minimum Phase Electro-Hydraulic Actuator System
Amrr et al. Advanced robust control design for the support of fast rotating shaft using active magnetic bearings

Legal Events

Date Code Title Description
S533 Written request for registration of change of name

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313533

R350 Written notification of registration of transfer

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20071009

Year of fee payment: 9

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20081009

Year of fee payment: 10

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20091009

Year of fee payment: 11

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees