JP3182197B2 - Magnetic bearing device - Google Patents
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Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
本発明は、回転軸を電磁石固In the present invention, the rotating shaft is
定子の磁気吸引力の制御により非接触で支承する磁気軸Magnetic shaft supported in non-contact by controlling magnetic attraction force of quench
受装置に関する。Related to a receiving device.
【従来の技術】図２は従来の磁気軸受装置の制御系のブ
ロック図を示すものである。図２において、符号１はケ
ーシングであり、このケーシング１には励磁コイル３を
備えた電磁石固定子２が固定されている。一方、回転軸
４には回転子ヨーク５が固着されている。そして、回転
軸４に隣接して変位センサ６が配設されており、補償回
路７と電力増幅器８によって変位センサ６からの出力信
号に基づいてコイル３に電流を流し、回転子ヨーク５と
電磁石固定子２間に磁気吸引力を作用させるように構成
されている。2. Description of the Related Art FIG. 2 is a block diagram showing a control system of a conventional magnetic bearing device. In FIG. 2, reference numeral 1 denotes a casing, on which an electromagnet stator 2 having an exciting coil 3 is fixed. On the other hand, a rotor yoke 5 is fixed to the rotating shaft 4. A displacement sensor 6 is disposed adjacent to the rotating shaft 4. A current flows through the coil 3 based on an output signal from the displacement sensor 6 by a compensation circuit 7 and a power amplifier 8, and the rotor yoke 5 and the electromagnet It is configured to apply a magnetic attraction force between the stators 2.
【０００２】次にこの構成における磁気軸受装置の動作
について説明する。変位センサ６によって回転軸４の変
位を検出し、回転軸４の位置目標値と変位センサ６で検
出された変位信号との偏差をもとに補償回路７で補償信
号を生成する。その生成された信号によって電力増幅器
８を駆動し、ケーシング１に固定された電磁石固定子２
のコイル３に、電流を流し回転子ヨーク５と電磁石固定
子２間に磁気吸引力を作用させ、回転軸４を固定子の中
心付近に支承する。Next, the operation of the magnetic bearing device having this configuration will be described. The displacement of the rotation shaft 4 is detected by the displacement sensor 6, and a compensation signal is generated by the compensation circuit 7 based on the deviation between the target position value of the rotation shaft 4 and the displacement signal detected by the displacement sensor 6. The power amplifier 8 is driven by the generated signal, and the electromagnet stator 2 fixed to the casing 1 is driven.
A current is caused to flow through the coil 3 to apply a magnetic attraction between the rotor yoke 5 and the electromagnet stator 2 to support the rotating shaft 4 near the center of the stator.
【０００３】[0003]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前述し
た従来の磁気軸受装置においては、回転軸のいくつかの
曲げ固有モードのため、回転子がそれらの固有振動数で
振動、発振を起こすという問題があった。そのための対
策として、従来、局部周波数で位相を進めるフィルタ
や、あるいは局部周波数で利得を低下させるノッチフィ
ルタなどを用いている。しかし、これらのフィルタは回
転軸の固有振動数を測定し、それに合わせてフィルタを
作成しなければならない。さらに難しいことは、この回
転軸の固有振動数は回転とともに変化していき、また、
回転軸の温度によっても変化する。さらにまた、回転軸
を支持する軸受の剛性によっても変化する。上記のフィ
ルタなどは局部的な周波数に合わせてあるので、上記の
現象などによって固有振動数が変化すると、固有振動数
がこれらのフィルタの範囲外に出てしまい、振動、発振
などの問題を引き起こしてしまうことが多々ある。本発
明は上述の問題点に鑑みてなされたもので、その目的と
する処は、上記問題点を除去し、回転軸の固有振動数が
変化しても自動的に回路を修正し、固有振動数で積極的
に減衰力を与えるように制御し、振動、発振の問題を解
決することができる磁気軸受装置を提供することにあ
る。However, in the above-described conventional magnetic bearing device, there is a problem that the rotor vibrates and oscillates at those natural frequencies due to several bending eigenmodes of the rotating shaft. there were. As a countermeasure for this, a filter that advances the phase at the local frequency or a notch filter that lowers the gain at the local frequency has been used. However, these filters need to measure the natural frequency of the rotating shaft and create a filter accordingly. What is more difficult is that the natural frequency of this rotating shaft changes with rotation,
It also changes depending on the temperature of the rotating shaft. Furthermore, it varies depending on the rigidity of the bearing that supports the rotating shaft. Since the above filters are tuned to the local frequency, if the natural frequency changes due to the above phenomena, the natural frequency goes out of the range of these filters, causing problems such as vibration and oscillation. It often happens. SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above-described problems. An object of the present invention is to eliminate the above-mentioned problems and automatically correct the circuit even when the natural frequency of the rotating shaft changes, thereby realizing natural vibration. An object of the present invention is to provide a magnetic bearing device capable of positively controlling damping force by a number to solve problems of vibration and oscillation.
【０００４】[0004]
【課題を解決するための手段】本発明は、回転軸に取り
付けた回転子ヨークと、この回転子ヨークから微小間隔
の距離を置いてケーシングに取り付けられた電磁石固定
子と、前記回転軸とケーシング間の相対変位を測定する
変位センサと、この変位センサからの出力信号をもとに
前記回転子ヨークと前記電磁石固定子間に作用する磁気
吸引力を制御する補償回路と電力増幅器とを有する磁気
軸受装置において、伝達関数測定器、パルス発生器、適
応ディジタルフィルタ、回転センサ、ハイパス回路及び
同定誤差検出回路等よりなるシステム同定回路を持ち、
このシステム同定回路より出力される回転軸系の固有振
動数成分の擬似信号と、上記変位センサ信号とを加算し
た信号に基づき、前記磁気吸引力を制御する補償回路と
電力増幅器とを有する磁気軸受装置にある。According to the present invention, there is provided a rotor yoke mounted on a rotary shaft, an electromagnet stator mounted on a casing at a small distance from the rotor yoke, and the rotary shaft and the casing. A magnetic sensor having a displacement sensor for measuring a relative displacement between the rotor, a compensation circuit for controlling magnetic attraction acting between the rotor yoke and the electromagnet stator based on an output signal from the displacement sensor, and a power amplifier. In the bearing device, it has a transfer function measuring device, a pulse generator, an adaptive digital filter, a rotation sensor, a system identification circuit including a high-pass circuit and an identification error detection circuit,
A magnetic bearing having a compensation circuit for controlling the magnetic attraction force and a power amplifier based on a signal obtained by adding the pseudo signal of the natural frequency component of the rotating shaft system output from the system identification circuit and the displacement sensor signal. In the device.
【０００５】[0005]
【作用】本発明によって、パルス発生器と変位センサか
らの信号によって回転軸系の伝達関数を求め、この伝達
関数を適応ディジタルフィルタで模擬し、これに補償回
路又は電力増幅器の出力信号を加えることにより、回転
軸系の固有振動数成分の擬似信号を発生させ、さらにハ
イパスフィルタで低域を除いた信号を、変位センサ信号
に加算し、この加算信号をもとに、補償回路と電力増幅
器とによって励磁電流を制御するものである。According to the present invention, the transfer function of the rotating shaft system is obtained from the signals from the pulse generator and the displacement sensor, the transfer function is simulated by an adaptive digital filter, and the output signal of the compensation circuit or the power amplifier is added thereto. Generates a pseudo signal of the natural frequency component of the rotation axis system, further adds a signal obtained by removing a low frequency band with a high-pass filter to the displacement sensor signal, and based on the added signal, a compensation circuit, a power amplifier, This controls the exciting current.
【０００６】本発明は上記のように構成されるので、回
転軸の固有振動数が変化しても、適応ディジタルフィル
タが追随して、逐次、あるいは随時その回路特性を変更
し、問題となる回転軸の曲げ固有モードの周波数成分を
有する擬似信号を加算して、この周波数成分を付加して
高めることにより従って位相も進むため、この周波数成
分において減衰力が付加でき、どのような回転状態でも
回転軸の固有振動数で振動、発振を起こさずに安定に回
転軸を制御することができる。Since the present invention is configured as described above, even if the natural frequency of the rotating shaft changes, the adaptive digital filter follows and changes the circuit characteristics successively or as needed, resulting in a problematic rotation. The frequency component of the bending bending eigenmode
Pseudo signal having by adding it by thus the phase also proceeds to increase <br/> by adding this frequency component, the frequency components
A damping force can be added per minute, and the rotating shaft can be stably controlled without causing vibration and oscillation at the natural frequency of the rotating shaft in any rotating state.
【０００７】[0007]
【実施例】以下、本発明に係る磁気軸受装置の制御系の
実施例を添付図面を参照して説明する。図１は本発明の
一実施例を示し、図１において、符号１はケーシングで
あり、このケーシング１には励磁コイル３を備えた電磁
石固定子２が固定されている。一方、回転軸４には回転
子ヨーク５が固着されている。そして、回転軸４に隣接
して変位センサ６が配設されており、回転軸４の変位を
変位センサ６で測定するようになっている。同様に、回
転軸４に隣接して回転センサ９が配設されており、回転
軸４の回転数を測定するようになっている。磁気軸受装
置はシステム同定回路１０を備え、このシステム同定回
路１０は伝達関数設定部１１と擬似信号発生部１４とか
ら構成されている。そして、変位センサ６からの検出信
号は伝達関数設定部の伝達関数測定器１２に入力される
とともに加算器２１に入力されるようになっている。ま
た、伝達関数設定部１１はパルス発生器１３を備え、パ
ルス発生器１３からのパルスは加算器２３に入力されて
電力増幅器８に入力される。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS An embodiment of a control system of a magnetic bearing device according to the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 shows an embodiment of the present invention. In FIG. 1, reference numeral 1 denotes a casing, on which an electromagnet stator 2 having an exciting coil 3 is fixed. On the other hand, a rotor yoke 5 is fixed to the rotating shaft 4. Further, a displacement sensor 6 is provided adjacent to the rotating shaft 4, and the displacement of the rotating shaft 4 is measured by the displacement sensor 6. Similarly, a rotation sensor 9 is provided adjacent to the rotation shaft 4 to measure the number of rotations of the rotation shaft 4. The magnetic bearing device includes a system identification circuit 10, which includes a transfer function setting unit 11 and a pseudo signal generation unit 14. The detection signal from the displacement sensor 6 is input to the transfer function measuring device 12 of the transfer function setting section and to the adder 21. The transfer function setting unit 11 includes a pulse generator 13, and a pulse from the pulse generator 13 is input to the adder 23 and input to the power amplifier 8.
【０００８】一方、擬似信号発生部１４は適応ディジタ
ルフィルタ１５とハイパス回路１６とを備え、前記伝達
関数測定器１２で測定された伝達関数は適応ディジタル
フィルタ１５に入力され、この適応ディジタルフィルタ
１５は、この伝達関数を模擬する。この適応ディジタル
フィルタ１５には、補償回路７又は図示しないが電力増
幅器８の出力信号が入力されて、回転軸の固有の伝達関
数に従った回転軸系の固有振動数成分の擬似信号を出力
する。On the other hand, the pseudo signal generator 14 has an adaptive digital filter 15 and a high-pass circuit 16, and the transfer function measured by the transfer function measuring device 12 is input to the adaptive digital filter 15, and the adaptive digital filter 15 Simulate this transfer function. The adaptive digital filter 15 receives the output signal of the compensation circuit 7 or the power amplifier 8 (not shown) and outputs a pseudo signal of the natural frequency component of the rotating shaft system according to the unique transfer function of the rotating shaft. .
【０００９】ここで、ハイパス回路は回転軸系の固有振
動数成分の擬似信号を通過させるためのフィルタであ
り、適応ディジタルフィルタ１５の出力側または入力側
に配置され、ハイパス回路により不要の低域の成分は除
去される。従って、加算器２１には、変位センサの変位
信号に、補償回路７又は電力増幅器８の出力信号を入力
することにより、擬似信号発生部１４で作られた回転軸
の固有振動数成分の擬似信号が入力され、加算される。Here, the high-pass circuit is a filter for passing a pseudo signal of the natural frequency component of the rotating shaft system, and is disposed on the output side or the input side of the adaptive digital filter 15, and unnecessary low-frequency components are provided by the high-pass circuit. Are removed. Accordingly, the adder 21, the displacement signal of the displacement sensor, the compensation circuit 7 or by inputting the output signal of the power amplifier 8, the pseudo signal in the natural frequency component of the rotation shaft made of the pseudo signal generator 14 Is input and added.
【００１０】次に、前述のように構成された磁気軸受装
置の動作を説明する。伝達関数設定部１１中のパルス発
生器１３で発生したパルスは第３の加算器２３に入力さ
れ、電力増幅器８を経由してケーシング１に固定された
電磁石固定子２に巻かれたコイル３に電流を流し、電磁
石固定子２から回転軸４に電磁力による外乱を与え、そ
の時の回転軸４の変位を変位センサ６で測定する。そし
て、ここで、パルス発生器１３によって発生されるパル
スは、システム同定用のパルス又は、ホワイトノイズあ
るいはチャープ信号であり、回転軸系の伝達関数の測定
のためのものである。変位センサ６の出力は伝達関数測
定器１２に入力され、回転軸系の伝達関数が伝達関数測
定器１２によって測定され、その測定された伝達関数は
適応ディジタルフィルタ１５に入力される。適応ディジ
タルフィルタ１５は伝達関数測定器１２よりの回転軸系
の伝達関数に基づいて、回転軸系の曲げ固有振動数成分
の擬似信号を発生する。ハイパス回路は曲げ固有振動数
成分の擬似信号を通過させ、不要な低域を除去する。Next, the operation of the magnetic bearing device configured as described above will be described. The pulse generated by the pulse generator 13 in the transfer function setting unit 11 is input to the third adder 23, and is applied to the coil 3 wound around the electromagnet stator 2 fixed to the casing 1 via the power amplifier 8. An electric current is applied to cause a disturbance by the electromagnetic force from the electromagnet stator 2 to the rotating shaft 4, and the displacement of the rotating shaft 4 at that time is measured by the displacement sensor 6. Here, the pulse generated by the pulse generator 13 is a pulse for system identification or a white noise or a chirp signal, and is for measuring a transfer function of the rotating shaft system. The output of the displacement sensor 6 is input to the transfer function measuring device 12, the transfer function of the rotating shaft system is measured by the transfer function measuring device 12, and the measured transfer function is input to the adaptive digital filter 15. The adaptive digital filter 15 generates a pseudo signal of the bending natural frequency component of the rotating shaft system based on the transfer function of the rotating shaft system from the transfer function measuring device 12. The high-pass circuit allows a pseudo signal of the bending natural frequency component to pass therethrough and removes unnecessary low frequencies.
【００１１】この出力信号は、加算器２１により変位信
号に加算される。一方、適応デジタルフィルタの出力
を、変位センサの信号から減算したあとの信号は同定誤
差検出回路１７に入力され、これによって変位信号と擬
似信号との誤差が小さくなるように、適応ディジタルフ
ィルタ１５が逐次修正される。また、加算器２１で加算
された誤差信号は加算器２２に入力され、ここで回転軸
４の位置目標値から減算され、この減算された信号が補
償回路７に入力され、この補償回路７からの出力によっ
て電力増幅器８が動作し、コイル３に電流を流し、電磁
石固定子２と回転子ヨーク５間に生じる電磁吸引力によ
って回転軸４の位置を制御する。The output signal is added to the displacement signal by the adder 21. On the other hand, the output of the adaptive digital filter, the signal after subtracting from the signals of the displacement sensor are input to the identifying error detection circuit 17, whereby the displacement signal and the pseudo
The adaptive digital filter 15 is sequentially corrected so that the error with the similar signal is reduced. The error signal added by the adder 21 is input to the adder 22, where it is subtracted from the position target value of the rotating shaft 4, and the subtracted signal is input to the compensating circuit 7, which outputs The power amplifier 8 is operated by the output of (1), a current flows through the coil 3, and the position of the rotating shaft 4 is controlled by the electromagnetic attraction generated between the electromagnet stator 2 and the rotor yoke 5.
【００１２】尚、図１において、図中のＳー１は、変位
センサ６で検出した変位信号スペクトルを示し、Ｓ−２
は擬似信号のスペクトルを示している。ピークは回転軸
系の固有振動数成分を示している。Ｓ−３は、これらが
加算されたスペクトルであり、各、固有振動数成分にお
いて、ゲインが局部的に高められることを示している。In FIG. 1, S-1 in FIG. 1 indicates a displacement signal spectrum detected by the displacement sensor 6, and S-2
Indicates the spectrum of the pseudo signal. The peak indicates the natural frequency component of the rotating shaft system. S-3 is a spectrum which they are added, each at the natural frequency component, the gain is shown that is locally increased.
【００１３】[0013]
【発明の効果】以上に説明したように、本発明は回転軸
の伝達関数を適応ディジタルフィルタで模擬し、且つ低
周波成分を除去し、高域の曲げ固有モードの成分を加算
して回転軸の変位信号に加えるものである。即ち、回転
軸系の固有振動数成分でのゲインが局部的に高くなり、
従って、位相も局部的に進み、それぞれの固有振動数に
おいて減衰力が大きくなる。従って、従来回転軸の曲げ
固有モードによる振動、発振の原因となった、高域成分
の減衰力が増え、回転軸の制御を安定に行うことのでき
る磁気軸受装置が実現された。本装置は適応ディジタル
フィルタで、回転軸系の伝達関数を模擬することから、
従来の局部的な位相進み回路等は不要となり、各種形
状、容量の異なる磁気軸受装置に対してもパラメータの
変更のみで対応できるので極めて汎用性が高い。又、回
転数、温度の変動による系の伝達関数の変動に対しても
同定誤差の検出により自動的な対応が可能な磁気軸受装
置が実現された。As described above, according to the present invention, the transfer function of the rotating shaft is simulated by the adaptive digital filter, the low-frequency component is removed, and the component of the high-frequency bending eigenmode is added to the rotating shaft. Is added to the displacement signal. That is, the gain in the natural frequency component of the rotating shaft system locally increases,
Therefore, the phase also advances locally, and the damping force increases at each natural frequency. Therefore, a magnetic bearing device has been realized in which the damping force of the high-frequency component, which has caused vibration and oscillation due to the bending eigenmode of the rotating shaft in the related art, is increased and the rotating shaft can be controlled stably. This device is an adaptive digital filter that simulates the transfer function of the rotating shaft system.
Conventional local phase lead circuits and the like are not required, and magnetic bearing devices having various shapes and capacities can be dealt with only by changing parameters, so that the versatility is extremely high. Further, a magnetic bearing device capable of automatically responding to a change in the transfer function of the system due to a change in rotation speed and temperature by detecting an identification error has been realized.
【図１】本発明の一実施例の磁気軸受装置の制御系のブ
ロック図である。FIG. 1 is a block diagram of a control system of a magnetic bearing device according to one embodiment of the present invention.
【図２】従来の磁気軸受装置の制御系のブロック図であ
る。FIG. 2 is a block diagram of a control system of a conventional magnetic bearing device.
３ コイル ４ 回転軸 ５ 回転子ヨーク ６ 変位センサ ７ 補償回路 ８ 電力増幅器 ９ 回転センサ １０ システム同定回路 １２ 伝達関数測定器 １３ パルス発生器 １５ 適応ディジタルフィルタ １６ ハイパス回路 １７ 同定誤差検出回路 ２１，２２，２３ 加算器 Reference Signs List 3 coil 4 rotating shaft 5 rotor yoke 6 displacement sensor 7 compensation circuit 8 power amplifier 9 rotation sensor 10 system identification circuit 12 transfer function measuring device 13 pulse generator 15 adaptive digital filter 16 high-pass circuit 17 identification error detection circuit 21, 22, 23 Adder
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) F16C 32/04 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on front page (58) Field surveyed (Int.Cl. 7 , DB name) F16C 32/04
Claims (3)
の回転子ヨークから微小間隔の距離を置いてケーシング
に取り付けられた電磁石固定子と、前記回転軸とケーシ
ング間の相対変位を測定する変位センサと、この変位セ
ンサからの変位信号をもとに前記回転子ヨークと前記電
磁石固定子間に作用する磁気吸引力を制御する補償回路
と電力増幅器とを有する磁気軸受装置において、回転軸
系の伝達関数を測定する伝達関数測定器と、該伝達関数
測定器で測定された伝達関数が入力されることによって
前記回転軸系の曲げ固有振動数成分の擬似信号を発生す
る適応デジタルフィルタと、ハイパス回路を経て不要な
低域成分を除去した前記擬似信号を前記変位センサの変
位信号に加算する加算器とを備え、前記回転軸系の曲げ
固有振動数成分の加算により該固有振動数成分でのゲイ
ンが高くなり、これにより位相が局部的に進み、それぞ
れの固有振動数成分において減衰力を大きくするように
したことを特徴とする磁気軸受装置。1. A rotor yoke attached to a rotating shaft, an electromagnet stator attached to a casing at a small distance from the rotor yoke, and a displacement for measuring a relative displacement between the rotating shaft and the casing. a magnetic bearing device comprising a sensor, a compensation circuit and a power amplifier for controlling the magnetic attractive force acting displacement signal from the displacement sensor between the based rotor yoke and said electromagnet stator, the rotary shaft
Transfer function measuring device for measuring a transfer function of a system, and the transfer function
By inputting the transfer function measured by the measuring instrument
Generating a pseudo signal of a bending natural frequency component of the rotating shaft system.
Through an adaptive digital filter and a high-pass circuit
The pseudo signal from which the low-frequency component has been removed is transformed by the displacement sensor.
And an adder for adding the rotation signal to the rotation signal.
By adding the natural frequency components, the gay
The phase is locally advanced,
To increase the damping force at these natural frequency components
A magnetic bearing device comprising:
より発生したパルスに基づいて電磁石固定子の励磁コイ
ルに電流を流し、該電磁石固定子から前記回転軸に電磁
力による外乱を与え、前記変位センサで検出された変位
信号出力を前記伝達関数測定器に入力することにより行
われることを特徴とする請求項１記載の磁気軸受装置。 Measurement of claim 2 wherein said transfer function, to a pulse generator
Excitation coil of the electromagnet stator based on the generated pulse
Current to the rotating shaft from the electromagnetic stator to the rotating shaft.
The displacement detected by the displacement sensor is given by disturbance due to force.
Inputting the signal output to the transfer function measuring device
Magnetic bearing device according to claim 1, wherein the dividing.
デジタルフィルタの出力信号を減算した後の信号を同定
誤差検出回路に入力して、これによって前記変位信号を
擬似信号との誤差が小さくなるように適応デジタルフィ
ルタが逐次修正されることを特徴とする請求項１記載の
磁気軸受装置。Wherein said adaptive before SL output signal of the displacement sensor
Identify signal after subtracting digital filter output signal
Input to an error detection circuit, whereby the displacement signal is
Adaptive digital filter so that the error with the pseudo signal is small.
The magnetic bearing device according to claim 1, wherein the filter is sequentially corrected .
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP09172492A JP3182197B2 (en) | 1992-03-16 | 1992-03-16 | Magnetic bearing device |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP09172492A JP3182197B2 (en) | 1992-03-16 | 1992-03-16 | Magnetic bearing device |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0719243A JPH0719243A (en) | 1995-01-20 |
| JP3182197B2 true JP3182197B2 (en) | 2001-07-03 |
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ID=14034456
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| JP09172492A Expired - Fee Related JP3182197B2 (en) | 1992-03-16 | 1992-03-16 | Magnetic bearing device |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3182197B2 (en) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP4287213B2 (en) * | 2002-09-03 | 2009-07-01 | エドワーズ株式会社 | Magnetic bearing device having vibration suppressing function, magnetic bearing device having vibration estimating function, and pump device equipped with the magnetic bearing device |
-
1992
- 1992-03-16 JP JP09172492A patent/JP3182197B2/en not_active Expired - Fee Related
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|---|---|
| JPH0719243A (en) | 1995-01-20 |
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