JP3319030B2 - 磁気軸受の制御装置およびそれを用いた回転機械 - Google Patents

磁気軸受の制御装置およびそれを用いた回転機械

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    • F16C2360/00—Engines or pumps
    • F16C2360/44—Centrifugal pumps

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、磁気浮上形ロータを支
持する磁気軸受の制御装置及びそれを用いた回転機械に
関する。
【０００２】
【従来の技術】本発明に係る磁気軸受は、ロータをはさ
んで互いに対向する電磁石の吸引力によってロータを空
中支持する能動形磁気軸受である。そして、ロータを安
定に支持するために変位センサによって常にロータの位
置を監視し、その変位信号に基づいて、ロータが安定に
支持されるように電磁力を制御するものである。このロ
ータの制御に用いられる補償回路は一般にＰＩＤ制御が
基本となっている。
【０００３】ここで、磁気軸受の１つであるラジアル軸
受の概念を図７に示す。ここで、１はロータ、２は変位
センサ、3a、3bは電磁石、４は変位センサの変換器、５
は補償回路、６は正負選別器、7a、7bはパワーアンプ
（電流増幅器）、８は補助軸受である。このような磁気
軸受の制御についての従来技術に関しては、「電磁力応
用機器のダイナミックス」（コロナ社 1990年７月25日
発行 頁159〜176）に詳述されている。また、特開平４
−８９１１号公報には磁気軸受を用いた場合に、高速回
転時の過大負荷を対策する装置が記載されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】上記従来のの磁気軸受
においては、軸受の剛性あるいは減衰性を確保するため
に、補償回路のゲインを大きくする必要がある。このこ
とは特に高周波領域で顕著であり、その場合ノイズの増
幅は避けられない。一方、パワーアンプの負荷は電磁石
すなわちインダクタンスであるため、インピーダンスが
増大する高周波領域では電流制御の能力が制限される。
パワーアンプに能力以上の電流指令が与えられると、パ
ワーアンプ能力が飽和しているために位相特性が劣化
し、系全体として磁気軸受の制御が困難になり、不安定
さが増す。したがってこれを避けるためには、ノイズ等
の高周波域の電流指令がパワーアンプに入力されるのを
防止することが必要である。
【０００５】高周波のノイズの原因の１つに変位センサ
が拾うランナウトがある。ここで、ランナウトとは狭義
にはロータの表面形状のゆがみに起因して変位センサの
信号に生ずるノイズを意味し、広義にはロータの変形モ
ードによる変位センサの信号に生ずる振れ回り信号をも
含んだものを言う。ここでは、前者をランナウトとよ
ぶ。ランナウトによるノイズは回転数に同期したもの、
およびその倍調波を含んでいる。機械が大口径、高速回
転になるにしたがって、このノイズ問題は顕著になり、
その対策が要求される。
【０００６】また、特開平４−８９１１号記載のものに
おいては、変位センサーの出力が設定値以上になると回
転軸を一方向に吸引する装置が記載されているが、この
従来例においては補助磁石による吸引が必要となり装置
が大型化するという不具合があった。
【０００７】本発明の目的は回転系の構成を複雑化する
ことなく、ランナウトに起因するノイズを除去してパワ
ーアンプの高周波域の負担を軽減する磁気軸受の制御回
路を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の磁気軸受の制御装置においては、磁気軸受
がロータに及ぼす力を基にロータの変位を推定する模擬
回路を設け、この模擬回路の出力と実際の変位信号を比
較することにより、ランナウトの推定を行う。さらに元
の変位信号からロータ回転の１周期前に推定されたラン
ナウトを減算する遅延回路と減算器を設け、そのランナ
ウト分が除去された変位信号を新たに変位信号とする。
これにより、模擬回路の出力と比較される変位信号はこ
のランナウト分が除去された変位信号に新たに置き代わ
りる。そして、模擬回路の出力と新たな変位信号との比
較によって推定されたランナウトに１周期前の推定ラン
ナウト、すなわち遅延回路の出力が加算された信号が改
めて遅延回路に入力されるように構成されている。
【０００９】
【作用】前記の模擬回路はロータの伝達関数（コンプラ
イアンス）を忠実に模擬するように調整されており、磁
気軸受がロータに及ぼす力が情報として入力され、ロー
タの推定変位を出力する。一方、実際に機械に設置され
た変位センサの出力にはセンサターゲットの偏心、ある
いは加工荒さに起因するランナウトが含まれているが、
模擬回路の出力を減算することにより、ランナウト成分
が抽出される。
【００１０】この推定ランナウトは、遅延回路で１回転
周期だけ遅延されて変位センサの出力からランナウトを
除去するために利用される。その機構をより詳細に述べ
ると次のようになる。まず最初の１回転目は上述のよう
にランナウトを推定する。続く２回転目は推定された１
回転目のランナウトを元の変位センサの出力から減算
し、磁気軸受の補償回路に入力する。これと同時に、模
擬回路は新たにロータの変位を推定し、１回転目と同様
の比較を行い、新たな推定ランナウトを求める。しか
し、比較の基準となる変位センサの信号からは前回の推
定ランナウトが既に減算されているので、加算器で新し
く推定したランナウトに前回推定のランナウトを加算
し、２回転目の推定ランナウトとする。
【００１１】この手法を繰返し、ロータが回転するごと
に推定ランナウトを更新するとともに、補償回路にはラ
ンナウトを含まない変位信号を入力する。その結果、ラ
ンナウトにきいんするノイズを低減できる。
【００１２】
【実施例】図１に本発明の一実施例のブロック図を示
す。図１において、１はロータを表すブロック、９は磁
気軸受制御器を表すブロックであり、図７における補償
回路５、正負判別器６パワーアンプ７ａ，７ｂ及び電磁
石３ａ，３ｂの部分を含むものである。また、10は模擬
回路を表すブロックであり、11はランナウト補償用帰還
回路を表すブロックである。
【００１３】ロータのブロック１の入力としてはロータ
に作用する磁気軸受の力ｕが、出力としてはロータの変
位Ｘrが対応している。ブロック10、11がない場合、ロ
ータ１の変位Ｘrに途中でランナウトｅが加算され、ラ
ンナウト分が加算されたまま磁気軸受制御器９に入力さ
れる。磁気軸受制御器９は、入力信号に基づいてロータ
をしかるべき位置ｒに位置決めするように出力信号を決
定する。さらに具体的に述べると、ブロック９は従来の
技術で説明したところの補償回路５と正負選別器６、パ
ワーアンプ７、電磁石３の機能を備えた系であり、出力
信号は磁気軸受が発生する力である。ブロック10、11が
存在しない従来の制御系では磁気軸受制御器９は、ラン
ナウトを含んだ変位信号に応じてロータを制御するの
で、本来制御に不要な偏差分に起因して余分な力をロー
タに及ぼしている。
【００１４】次に、本発明の特徴であるブロック10、11
を動作させたときのランナウト除去について説明する。
ブロック10はロータ１の入出力特性を数学的に等価に模
擬した模擬回路であり、アナログ回路、ディジタル回路
の何れでも構成可能である。模擬回路10は状態推定器で
あり、磁気軸受制御器９の出力ｕを情報としてロータ１
の変位Ｘを忠実にトレースするものである。また、数学
的に等価（ただし、実際はある周波数帯域に限って）に
構成されているものである。したがって、完全浮上系の
磁気軸受システムのロータでは模擬回路が原点に極を持
ち、初期値誤差が拡大する。そこで、図１に示すように
ロータの変位信号Ｘとその推定信号Ｘｇとの差をフィー
ドバックして、初期誤差の収束を図っている。図５に示
す例は、ロータを１自由度の質点としてモデル化した場
合であり、その模擬回路の構成とフィードバック制御系
を示している。このような回路の構成はオブザーバ理論
として広く応用されており、ロータの曲げ振動をも含む
多自由度系であっても同様な模擬回路を構成することが
できる。
【００１５】ブロック11は推定ランナウトを処理する部
分で、その処理機構の例を図２に示す。まず最初、模擬
回路10は磁気軸受制御器９の出力ｕを情報としてロータ
１の変位を推定する。そして、実際の変位センサ信号Ｘ
s1と模擬回路で推定した推定変位とを減算器２１で比較
して、第１回目の推定ランナウトｅg1（＝δ1）を演算
する。推定ランナウトｅg1は、ロータにエンコーダを取
り付けること等により、ロータの回転角毎の値が求めら
れメモリに保存される。メモリに保存された推定ランナ
ウトｅg1はロータの次の１回転時にその回転角に対応し
た各量が掃き出され、変位センサ信号Ｘs2からその保存
されたｅg1を減算器２３で減算することにより、ランナ
ウトが除去された信号Ｘ2が求められる。信号Ｘ2を磁気
軸受制御器９の入力信号とし、磁気軸受制御器９がラン
ナウト成分について制御するのを防止する。
【００１６】また、上述の処理を行う一方で、さらに次
の１回転のために２回目のランナウト推定を行う。第２
回目の推定では、模擬回路10の出力とランナウトが除去
された変位センサ信号Ｘ2との比較結果δ2に、前回の推
定ランナウトｅg1を加算器２２において加算する。そし
て、第２回目の推定ランナウトｅg2を求める。この推定
ランナウトもまた前回と同様にメモリに保存され、次の
回転のときに掃き出される。
【００１７】このような処理を繰り返すことにより、磁
気軸受制御器９には図６に示すように常時ランナウトが
除去された信号のみが入力される。
【００１８】以上説明したように、ブロック11は信号を
一時的に保存しながら１周期遅れで掃き出すとともに、
保存する信号に対して保存する１周期前の信号を加算す
る働きを有している。このような回路構成の例を図３に
示す。図３において、13はある時間だけ出力を遅らせる
遅延回路であり、この場合、遅延時間Ｌはロータの１回
転の時間、すなわち回転周期に対応する。ところで入力
信号をそのままこの遅延回路に入力すると、オペアンプ
のオフセット電圧のように時間的に変化しない偏差につ
いてもランナウトと見なして除去してしまい、磁気軸受
制御器９の重力補償の劣化を招く。そこで、図３では遅
延回路13の入力部の前に低域遮断フィルタ（ω／ｓの帰
還回路）を設け、変動成分だけを除去するようにしてい
る。また、模擬回路10の次元数の制限のために非常に高
い周波数領域では推定機構が満足に動作しない場合に
は、必要に応じて低域遮断フィルタに高域遮断機能を付
加すればよい。
【００１９】図３の(b)に示した例はランナウト補償用
帰還回路１１の他の例である。危険速度通過時にはロー
タ系の不釣り合いによってロータの振動が増大する。こ
の時、上述したランナウト除去機構を作動させると不釣
り合い振動までも変位センサのランナウトとして誤認し
てしまい、ロータの振動を押さえられなくなることも考
えられる。これを避けるためには、遅延回路13の遅延時
間をロータの回転周期をある整数で割った時間、例えば
半周期にして、回転数成分のランナウトの除去量を減ら
すという手段が有効である。また、他の手段としては危
険速度を通過する場合、その前にランナウト推定機構を
一時停止させ、危険速度を通過する間メモリに記憶され
た推定ランナウトのデータのみを使用する方法もある。
【００２０】この後者の方法の応用として、ランナウト
推定のデータ採取はマスターの磁気軸受制御装置に限
り、量産品の磁気軸受制御装置個々に対してはそのマス
ターのデータを記憶させて使用し、ランナウトの減算処
理のみを行うようにすると制御性は若干低下するがコス
トの低減が可能となる。
【００２１】ランナウトの除去の対象を回転数成分のみ
に限りたいときはランナウト補償用帰還回路１１を図４
の(b)、(c)で示した例のように遅延回路１３とトラッキ
ングフィルタ１５，２０とを組み合わせて構成すること
が望ましい。ここで、トラッキングフィルタとはロータ
の回転数に同期して働くフィルタ機構で入力信号の回転
数成分のみを抽出するもので、このトラッキングフィル
タの伝達関数は、例えば図４の(a)でしめされるもので
あり、これらを図４の（ｂ），（ｃ）の１５に用いる。
これにより、変位信号のスペクトルから回転周波数成分
の除去を効率的に行える。
【００２２】以上の説明においては回転機械の種類につ
いては特に言及しなかったが、例えば気体圧縮機等が考
えられる。多段型の気体圧縮機では軸の両端部近くを２
個の軸受で支承し、その軸受間に対応する位置の軸に複
数段の羽根車が取り付けられるのが一般的な構造であ
る。この構造においては、スラスト力を圧縮機で圧縮し
た気体の圧力でバランスさせており、ラジアル荷重をラ
ジアル磁気軸受で支承する。このような場合に本発明が
適用可能であある。また、他の形の流体機械やモータ等
の回転電気機械にも適用できることは言うまでもない。
【００２３】
【発明の効果】本発明によれば磁気軸受の変位センサ信
号からランナウト成分を除去するので、電磁石を駆動す
るパワーアンプの負担が減り、高周波帯域で生ずる飽和
に対し余裕を生じ、制御系の信頼性を向上することがで
きる。また、ランナウトに起因して悪化していた位置決
め精度を向上することができる。
【００２４】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一例を示すブロック図。
【図２】ランナウトの推定と除去の推移を表す図。
【図３】ランナウト補償用帰還回路の例を表す図。
【図４】ランナウトの除去を回転数成分にのみ限った場
合のランナウト補償回路の例を表す図。
【図５】模擬回路の例を表す図。
【図６】ランナウトを除去する前後のセンサ信号のスペ
クトルの例を表す図。
【図７】ラジアル軸受制御系の概念図。
【符号の説明】
１・・・ロータ、２・・・変位センサ、3a、3b・・・電
磁石、４・・・センサ変換器、５・・・補償回路、６・
・・正負選別器、7a、7b・・・パワーアンプ、８・・・
補助軸受、９・・・磁気軸受制御器、10・・・模擬回
路、11・・・ランナウト補償用帰還回路、12・・・推定
ランナウト記憶装置、13・・・遅延回路、14・・・係数
ω付き積分器、15・・・トラッキングフィルタ、16・・
・積分器、17・・・ロータの質量関する係数、18・・・
模擬回路の変位に対応するフィードバック係数、19・・
・模擬回路の速度に対応するフィードバック係数。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 福島 康雄 茨城県土浦市神立町603番地 株式会社 日立製作所 土浦工場内 (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) F16C 32/04

Claims (9)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】ロータを回転支承する磁気力を利用した磁
    気軸受の制御装置であって、該制御装置は前記ロータの
    位置を検出する変位検出手段から出力される変位信号に
    基づいて前記ロータを所定の位置に保持するように前記
    磁気軸受の電磁石に印加する電流量を決定する補償回路
    と該補償回路の出力信号に基づいて前記電磁石の電流を
    制御する電流増幅器とを備える磁気軸受制御器と、前記
    補償回路の出力信号から前記ロータの位置を推定する模
    擬回路と、前記変位検出手段から出力される変位信号か
    ら前記模擬回路の出力信号を減算する第１の減算器と、
    前記変位検出手段から出力される変位信号から前記第１
    の減算器の出力信号を減算する第２の減算器とを設け、
    該第２の減算器の出力信号を変位信号として前記補償回
    路の入力信号および前記第１の減算器の被減算信号とし
    たことを特徴とする磁気軸受の制御装置。
  2. 【請求項２】前記第１の減算器の出力と前記第２の減算
    器の入力との間にランナウト補償用帰還回路を設けた請
    求項１に記載の磁気軸受の制御装置。
  3. 【請求項３】前記ランナウト補償用帰還回路は低域遮断
    フィルタと入力信号をロータの回転周期の整数分の１周
    期だけ遅延させる遅延回路とを有しており、該低域遮断
    フィルタは前記遅延回路の入力部に設けられ、前記第１
    の減算器の出力信号を前記ランナウト補償用帰還回路に
    入力し、このランナウト補償用帰還回路の出力を前記第
    ２の減算器に入力し、前記遅延回路の出力信号を前記ラ
    ンナウト補償用帰還回路の入力に正帰還した請求項２に
    記載の磁気軸受の制御装置。
  4. 【請求項４】前記ランナウト補償用帰還回路は低域遮断
    フィルタと入力信号をロータの回転周期の整数分の１周
    期だけ遅延させる遅延回路とを有しており、該低域遮断
    フィルタは前記ランナウト補償用帰還回路の入力部に設
    けられ、前記第１の減算器の出力信号を前記遅延回路に
    入力し、前記遅延回路の出力を前記第２の減算器に入力
    し、前記遅延回路の出力信号を前記第１の減算器の出力
    に正帰還した請求項２に記載の磁気軸受の制御装置。
  5. 【請求項５】前記遅延回路の遅延時間をロータの回転周
    期にした請求項３または４に記載の磁気軸受の制御装
    置。
  6. 【請求項６】前記ランナウト補償用帰還回路に前記第２
    の減算器に入力される減算信号を実質的に回転数同期成
    分のみに制限する回転数同期成分抽出フィルタを設けた
    請求項３または４に記載の磁気軸受の制御装置。
  7. 【請求項７】前記模擬回路が推定したロータの位置と変
    位検出手段の出力とを前記第１の減算器で比較し、その
    比較結果を前記模擬回路に帰還するようにした請求項２
    に記載の磁気軸受の制御装置。
  8. 【請求項８】ロータを回転支承する磁気力を利用した磁
    気軸受の制御装置であって、該制御装置は前記ロータの
    位置を検出する変位検出手段から出力される変位信号に
    基づいて前記ロータを所定の位置に保持するように前記
    磁気軸受の電磁石に印加する電流量を決定する補償回路
    と該補償回路の出力信号に基づいて前記電磁石の電流を
    制御する電流増幅器とを備える磁気軸受制御器と、前記
    補償回路の出力信号から前記ロータの位置を推定する模
    擬回路と、前記変位検出手段から出力される変位信号か
    ら前記模擬回路の出力信号を減算する第１の減算器と、
    前記第１の減算器の出力を入力するランナウト補償用帰
    還回路と、前記変位検出手段から出力される変位信号か
    ら前記ランナウト補償用帰還回路の出力信号を減算する
    第２の減算器とを設け、該第２の減算器の出力信号を変
    位信号として前記補償回路の入力信号および前記第１の
    減算器の被減算信号とし、前記ランナウト補償用帰還回
    路は前記遅延回路の出力を記憶する記憶手段を備え、少
    なくとも連続する２周期の間前記記憶手段に記憶した記
    憶信号を前記遅延回路の出力の代わりに使用することを
    特徴とする磁気軸受の制御装置。
  9. 【請求項９】ロータと、該ロータを回転支持する磁気軸
    受と、該磁気軸受及び前記ロータを内蔵するステータを
    含むケーシングとを備えた回転機械において、 請求項１ないし８の何れか１項に記載の磁気軸受の制御
    装置を用いたことを特徴とする回転機械。
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