JP3497562B2 - 能動型磁気軸受のためのサーボ制御回路 - Google Patents
能動型磁気軸受のためのサーボ制御回路Info
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Description
の回転機、特にコンプレッサ、ターボエキスパンダーあ
るいは分子ポンプ(molecular drag pump) における使用
に好適な能動型磁気軸受(active magnetic bearing) の
ためのサーボ制御回路に関する。
巻線を備えている能動型磁気軸受(AMB)によるロー
タ位置のループサーボ制御(loop servo-controlling)
は、その軸に沿うロータ位置を検出するための位置検出
器と、比例・積分・微分(PID)型の調整器あるいは
補正回路網と、逆方向に作用する二つの電磁石に給電す
る二つの電力増幅器とを有している。調整器からの出力
信号は電磁石の巻線への給電を制御し、必要な電流が、
電流フィードバックに加えてAMBの空隙における磁束
変動に比例する信号からのフィードバックを有する電力
増幅器によって、供給される。それら自体のフィードバ
ックループを有する増幅器は、それぞれ、(調整器から
の出力信号により)(空隙内の磁束を制御するための)
電圧制御型の磁束供給源として動作する。
てAMBによりロータの位置をサーボ制御する目的は、
調整器からの出力信号に直接的に比例する電磁石からの
吸引力を得ることである(例えば、AMB巻線に対する
そのようなサーボ制御回路の要素を示している仏国特許
第FR2417797号を参照されたい)。予め定めら
れた軸に沿ったAMBを制御するために、電力増幅器が
同時に制御されているか、あるいは、交互に制御されて
いるかに依存して、当面の信号を処理するようにサーボ
制御回路中に二つの異なった種類のシステムを用いるこ
とが可能である。
ては、これは(低周波増幅器の動作との類似で)「A
級」動作と呼ばれ、そこでは空隙中の磁束は最大磁束の
50%に相当する残留値(rest value)を持っており、極
めて良好な動的性能に関連する極めて程度の高い直線性
を得ることが可能であるけれども、磁気回路中の高い損
失によりコスト面で不都合がある。これらの損失として
は、増幅器、ケーブルあるいはコイルに依るものだけで
はなく、また最終的なものとして、特に高速度におい
て、ロータ中の磁界の転換(commutation) に関連し、か
つ、磁束の残留値の二乗とともに変化する大きなロータ
損失を発生させることとなるAMBのロータ部材の回転
に依るものがある。
中の磁束の残留値がゼロあるいはゼロに近い状態の動
作、と同様に呼ぶことができる異なるモードで動作して
いる場合には、かなりロータ損失を軽減することが可能
である。しかしながら、指令からその結果としての力へ
直線的な変換を達成するためには、各電力増幅器の入力
に二次の(平方根)リニアライザを用いることが必須と
なる。加えて、多くの欠点が現れる。特に、始動力とし
て許容できる最大の力が小さいものとなり、非直線性が
指令/力の変換特性におけるゼロ交差に留まり、また、
全体的な動的動作特性が良好でなくなる。
両方における動作の利点を示す、すなわち、サーボ制御
システムを構成している種々の回路における損失とそれ
に要求される動的性能との間に良好な妥協点を見つける
ことが可能となるサーボ制御を提供することを、本発明
が求めることとなった理由である。
れた軸y−y’に沿って支持されたロータの位置をそれ
らの軸y−y’に沿うロータの両側に対向して配置さ
れ、かつ、それぞれ電磁巻線を配設された二つの能動型
磁気軸受素子によって制御するためのサーボ制御回路で
あって、その各々がそれぞれの電磁巻線を備え、サーボ
制御が軸y−y’に沿うロータの位置の検出器によって
導出される信号xdに基づいて行われるようになってお
り、そのサーボ制御回路はその検出器により導出された
信号に応答して巻線に印加される給電を指令し、かつ、
補正回路網と、各々がそれぞれの電流負帰還ループおよ
びそれぞれの磁束負帰還ループに関連している二つの電
力増幅回路とを有しているサーボ制御回路を用いて達成
され、特徴として、そのサーボ制御回路は、補正回路網
からの出力において、その補正回路網からの力指令(for
ce command) fcと予め定められた軸y−y’に沿う結
果としての力fとの間の比率が動的負荷に依存する力指
令f c の振幅とは無関係に一定に保たれ、それらの電力
増幅器の各々に対して基準信号φ1、φ2を導出するため
の付加的な電気的手段を有している。
るわけではない回転機について、AMBのロータおよび
ステータの積層(lamination)中に生じる磁気的損失、ま
た、回転機のステータ巻線中および種々の接続ケーブル
中のジュール効果による損失を大きく低減することが可
能となる。その付加的な電気的手段は、次式を満足する
変換関数を持つ第1の直線化手段(linearization mean
s) を有している。すなわち、絶対値|fc |<4φ0
2 を持つ力指令に対して、 Y=1/4φ0 (1−φ0 ) また、|fc |>4φ0 2 に対して、 Y=(√fc −φ0 )/(1−φ0 ) ここで、φ0 は空隙における磁束の残留値である。
fとの間に直線的な関係(f/fc=1)が得られるこ
ととなる。好ましくは、第1の直線化手段は、各々が空
隙内の決定され、かつ、別個の磁束残留値φ0 に対応し
ている複数の直線化カーブ(linearization curve) を送
出する。
負荷を持つ異なった回転機についてサーボ制御を実現す
ることが可能となる。利点として、一つの直線化カーブ
から他のものへの切り換えは自動的に実行される。変形
実施例において、電力増幅器の電流負帰還ループは、A
MBの誘導/電流の非直線性を補償するための第2の直
線化手段を有している。
t of induction saturation)、すなわち、高レベルの誘
導の際に積層の透磁率が低減することに基づく誘導/電
流の非直線性を補償することが可能となる。そこで、サ
ーボ制御がより直線的なものとなり、このことは全ての
周波数において適用可能である。第1の実施例において
は、第1および第2の直線化手段はそれぞれダイオード
関数発生器を有している。
はゼロ付近において完全に直線的であるという利点を持
つ二つ、三つあるいは四つのスロープを含む発生器を用
いて、簡単に実現されることが可能であることから、特
に有効である。第2の実施例においては、第1および第
2の直線化手段の各々は、それらの直線化手段の変換関
数が値のテーブルの形態で蓄積されることとなる不揮発
性メモリを有している。
化手段のカーブに対してより精密な近似を与えるという
利点を持っている。本発明の他の特性および利点は、限
定的なものではない例示の手段によって与えられ、か
つ、添付した図面を参照する以下の記述からより明らか
となろう。
earing) 素子によって、ロータ31の位置が予め定めら
れた軸y−y’に沿って制御されることを可能とする本
発明によるサーボ制御回路のブロック図である。このブ
ロック図およびそれに続く図を分かり易くするために、
図中に現れる参照はディメンジョンを除いてあり、実際
の(raw) 信号(必要な場合には大文字で表示される)の
値はそれらのそれぞれの最大値によって除算されてい
る。そこで、通常±10ボルトの電圧変動を含むPID
調整器の出力における実際の力指令(force command) 信
号FC は、±1の変動を含む無次元(dimensionless) の
信号fc (対応する小文字で表示される)となる。
は、基準信号xc と軸y−y’に沿うロータ位置を検出
するための位置検出器5a、5bからの信号xd との間
の差を生成する減算器6によって、入力信号を取り入
れ、そして、その回路網は変換関数Yを持つリニアライ
ザ(linearizer)10に印加される力指令信号fc を出力
するように応答し、その出力は(1−φ0 )のゲインの
減衰器12に印加される。ここで、φ0 はfc がゼロに
等しい時に空隙内の磁束の残留値(rest value)に対応す
る。その減衰器からの出力cは、第1に、第1の合成回
路14の第1の入力に印加され、第2に、反転された
後、第2の合成回路16の第1の入力に印加され、それ
らの合成回路の各々はその第2の入力に信号φ0 を受け
入れている。合成回路14および16からの出力信号v
1 およびv2 は、それぞれ負のカットオフ回路18、2
0(この機能は増幅器により直接的に実行されてもよ
い)を経て、それぞれ電力増幅器22、24に印加さ
れ、それらの出力は能動型磁気軸受30の各電磁石のそ
れぞれの巻線26、28に結合されている。
の差は軸y−y’に沿ったAMBの合成力fを形成す
る。各増幅器はそれぞれの電流負帰還ループ32、34
に関連しており、それらは、それぞれの電流測定素子3
5、36から取り出される電流測定信号をそれらの入力
に再び注入する。同様に、それぞれの磁束負帰還ループ
38、40が空隙中の磁束の変動に比例する信号を各増
幅器の入力に再び注入しており、それらの信号はそれぞ
れの検出回路42および44から取り出される。負のカ
ットオフ回路18および20は、空隙の磁束φ1 、φ2
が、合成回路14、16により出力される基準値にかか
わらず、常に正であり、そこでは、負の基準値はゼロ磁
束を生じることとなることを保証するように作用する。
いレベル)における積層の透磁率の低減によって生じる
誘導/電流非直線性を補償するために、各増幅器の電流
負帰還ループ32、34内において、対応する電流測定
素子35、36と対応する増幅器入力との間にそれぞれ
の第2のリニアライザ46、48を含むことが可能であ
る。そのようなリニアライザの変換関数はAMBの磁束
−電流カーブを再現し、それによって、誘導の飽和効果
を補償することが可能にされている。サーボ制御がより
直線的なものとなり、そこで、理解し、調整することが
容易となる。
指令fcと結果の力fとの間に直線的な関係が存在す
る、すなわち、f/fc=1となることを保証するよう
に、決定されている。通常、電力増幅器の負帰還におい
て電流あるいは電圧の飽和がなければ、基準の磁束値φ
と空隙中の磁束とは一致する。これは、次の関係: f1 =F1/Fmax=(Φ1/Φmax)2=φ1 2 f2 =F2/Fmax=(Φ2/Φmax)2=φ2 2 f =(F1−F2)/Fmax=φ1 2−φ2 2 f =(fcY(1−φ0)+φ0)2−(−fcY(1−φ0)+φ 0 ) 2 =4fcYφ0(1−φ0) を導く。条件f/fc=1を満たすためには、リニアラ
イザのゲインは、 Ycons=1/4φ0(1−φ0) でなければならない。そこで、リニアライザのカーブ
は、次式 fc *=fc/4φ0(1−φ0) を満足する。この直線的な範囲の外側において、すなわ
ち、増幅器に対する基準磁束が負となる場合、すなわ
ち、fc>4φ0 2に対して(第1象限において)、リニ
アライザのカーブ(第1象限における)は、次式 fc *=(√fc−φ0)/(1−φ0) を満足する。スロープの変化なしに、直線的な範囲から
非直線的な範囲への変化が生じることが観察できる点
で、興味深い。fc=4φ0 2においては、そのスロープ
は dfc */dfc=1/4φ0(1−φ0) により与えられる。
決定された異なる磁束残留値(fluxrest value) φ0 に
対するリニアライザの変換関数Yを示している。第1の
ケース(点線図示)においては、システムは直線的な範
囲内にあり、かつ、リニアライザのカーブはスロープ1
の直線である。他方、φ0 =0.2の場合には、リニア
ライザのカーブは、最初のうちは、fc =0.16まで
スロープdfc * /dfc =1.5625の直線であ
り、そして、そのfc の値以上において、カーブは式f
c * =(√fc −0.2)/0.8を持つこととなる。
四象限全てにおけるサーボ制御の特性カーブを示してい
る図3に見られるように、力指令信号の関数としてのA
MBの予め定められた軸y−y’に沿う力に対するカー
ブは、φ0の値にかかわらず、スロープ1の直線とな
る。カーブ1はリニアライザのカーブ(例えば、φ0 =
0.3に対して)であり、カーブ2は力指令信号fc の
関数としての第2電磁石の力f2 を表しており、カーブ
3は力指令信号fc の関数としての第1電磁石の力f1
を表しており、そして、カーブ4はAMBの軸に沿う結
果としての力fである。
的動作特性が示されており、そこには、AMBによって
導出される力に応答するAMB内の磁束および電圧が示
されている。AMBによって導出される結果的な力f
は、静的な、すなわち、予荷重(preload) の力f0 =F
0 /Fmax と、角周波数ω=2π/T(ここで、Tは角
周波数の周期である)における摂動力fp =Fp /F
pmaxとに分割する、すなわち、 f(t)=f0 +fp sinωt とすることができる。飽和がなければ、AMBにおける
電流と磁束とは比例し、そこで、 i(t)=I(t)/Imax =Φ/Φmax =φ(t) となる。電磁石の端子間の電圧は、 U1,2 (t)=LdI1,2 /dt 正規化すれば、 u(t)=(Imax /Umax )Ldφ(t)/dt のように記述される。ここで、Imax およびUmax は、
電力増幅器が受入れ可能な最大電流および電圧である。
i(t)およびu(t)は無次元(dimensionless) であ
るので、飽和された増幅器の状態は1より大きい絶対値
に対応することとなる。
かとなる。すなわち、セクションA:絶対値におけるf
(t)<4φ0 2に対して、
て、
て、
8sinωtおよびφ0 =0.3の場合に、適用してい
る。この場合、力は上述した三つのセクションの全てに
おいて変化することとなる。図5は、図1のサーボ制御
回路の付加的な電気的手段10、12、14、16、1
8、20(図1中に点線図示のブロック内に含まれる)
の実施例を示しており、これらが本発明の特徴点であ
る。この実施例においては、リニアライザ10は、ダイ
オードD1 乃至D6 とともに、抵抗R0 乃至R4 および
Ra 乃至Rd の回路網からなる負帰還ループと関連する
第1の演算増幅器OP1 により通常の方法で構成された
ダイオード関数発生器として、単純に実現されている。
低入力電圧において、全てのダイオードはオフにされて
おり、増幅器のゲインは一定に決定される。電圧が増大
すると、ダイオードが順に導通し、それによって増幅器
のゲインに決められた低下が生じる。出願人の行った実
験によれば、図2の理論的なカーブは四つのスロープを
持つ発生器により良好に近似することができることが示
された。リニアライザ10からの出力信号は第2の演算
増幅器OP2 の反転入力に印加され、その非反転入力は
磁束の残留値に比例する或る決められた電位に設定され
ている。合成回路16の機能を実行する演算増幅器OP
2 は、リニアライザの電圧出力VS に比例する電圧と磁
束の残留値に比例する電圧との間の差に等しい決められ
た出力電圧V2 を導出する。電圧V2 は第3の演算増幅
器OP3 の反転入力に結合され、それは、合成回路14
の機能を実行し、その非反転入力に磁束の残留値に比例
する決められた電圧を受入れ、そして、その決められた
電圧とリニアライザからの出力電圧VS に比例する電圧
との合計に等しい決定された電圧V1 をその出力に導出
する。それらの信号V1 およびV2 が電力増幅器に対す
る指令信号を(電力増幅器は負の電流を発生しないの
で、クリップした後に)構成することとなる。当業者で
あれば、AMBの特性に基づいて上述した種々の構成要
素に対する値を容易に決定することは可能である。
ライザ46および48の実際的な実施例を提供するため
に、完全に適していることが観察された。そこで、出願
人は、三つのスロープの発生器が得られるべき磁束/電
流カーブを極めて良好に再現することができるというこ
とを、実験的に決定した。しかしながら、2−スロープ
の発生器もまた適しているかも知れない。当然に、本発
明は上述の実施例に限定されるものではなく、また、上
述したリニアライザは、代わりに、ディジタル計算を実
行するためのプロセッサを利用する図6の実施例により
示されているように、ディジタル形式で実現されること
もできる。
アルゴリズムを生成することによって位置調整を提供
し、電力増幅器に対する指令基準Cを計算し、そして、
摂動の振幅の関数として変化する磁束残留基準を導出す
るように、同時に作用する。アナログ/ディジタル変換
器52および54は、それぞれ、アナログ位置データx
d およびアナログ基準データxc をディジタル形式、有
効なものとしては12ビット、に変換し、それによっ
て、プロセッサ50に増幅器指令基準Cを同様に12ビ
ットで(第1のディジタル/アナログ変換器56による
変換の後に)発生させるように、作用する。基準値Cを
計算するために用いられるアルゴリズムは、摂動のレベ
ルの関数として自動的かつ予め定められた態様で変化す
る磁束残留値φ0 に依存している先に定義された数式を
満足する。すなわち、 |fc |<4φ0 2のとき、 C=fc /4φ0 4φ0 2<fc <1のとき、 C=√|fc |−φ0 −1<fc <−4φ0 2のとき、 C=φ0 −√|fc | である。
り、例えば8ビットで導出され、そして、第1および第
2の合成回路14および16に対応するアナログ信号を
供給する第2のディジタル/アナログ変換器58に印加
される。φ0 の各値は特定の直線化カーブを定義してお
り、これらのカーブのうちの適切なものが、摂動の振幅
の関数として予め定められた態様でその磁束残留値を定
義するプロセッサ50によって、自動的に考慮に入れら
れる。そのような解決法によって、理論的なカーブは、
上述のアナログ構成によって可能となるものより、より
精確に再現されることが可能となる。
るために、単一の軸y−y’に沿う制御を行うサーボ制
御回路にのみ注目したが、本発明は、他の軸上に配設さ
れた他の組の電磁石に対して、例えば、ロータに対する
放射状の平面に位置する互いに垂直な二つの軸x−x’
およびy−y’上に配設された二組の電磁石に対しても
同様に適用されるものである。
に繋がれるわけではない回転機について、AMBのロー
タおよびステータの積層中に生じる磁気的損失、また、
回転機のステータ巻線中および種々の接続ケーブル中の
ジュール効果による損失を大きく低減することが可能と
なる。
ルの誘導の際に積層の透磁率が低減することに基づく誘
導/電流の非直線性を補償することが可能となり、サー
ボ制御がより直線的なものとなり、かつ、全ての周波数
において適用可能である。
ータの位置を制御するための本発明によるサーボ制御回
路のブロック図である。
段の変換関数を示す特性図である。
限における特性カーブを示す特性図である。
カーブを示す特性図である。
施例を示す回路図である。
おり、AMB素子によって予め定められた軸に沿うロー
タの位置を制御するためのサーボ制御回路のブロック図
である。
Claims (6)
- 【請求項1】 予め定められた軸y−y’に沿って支持
されたロータ(31)の位置を、該軸y−y’に沿って
該ロータの両側に対向して配置され、かつ、各々がそれ
ぞれの電磁石巻線(26、28)を持っている二つの能
動型磁気軸受素子によって、制御するサーボ制御回路で
あり、サーボ制御は該軸y−y’に沿う該ロータの位置
の検出器(5a、5b)によって導出された信号xdお
よび基準信号xcに基づいて実行され、該サーボ制御回
路が、上記検出器(5a、5b)により導出される信号
に応答して前記巻線に印加される給電を指令し、かつ、
補正回路網(8)と各々が電流負帰還ループ(32、3
4)のそれぞれおよび磁束負帰還ループ(38、40)
のそれぞれに関連している二つの電力増幅器(22、2
4)とを有しているサーボ制御回路であって、 前記補正回路網(8)の出力において、該補正回路網
(8)からの力指令fcと前記予め定められた軸y−
y’に沿う結果として生じる力fとの間の比率が、動的
負荷に依存する前記力指令fcの振幅に無関係に一定に
保たれるように、前記電力増幅器(22、24)の各々
に対する基準信号φ1、φ2を導出する付加的な電気的手
段(10、12、14、16、18、20)を有し、か
つ前記付加的な電気的手段が、次式、 絶対値|f c |<4φ 0 2 を持つ力指令に対して、 Y=1/4φ 0 (1−φ 0 ) また、|f c |>4φ 0 2 に対して、 Y=(√f c −φ 0 )/(1−φ 0 ) ここで、φ 0 は空隙における磁束の残留値である、 を満足する変換関数を持つ第1の直線化手段(10)を
有する ことを特徴とするサーボ制御回路。 - 【請求項2】 前記第1の直線化手段(10)が、空隙
における磁束の定められた別個の残留値φ0 にそれぞれ
対応する複数の直線化カーブを導出することを特徴とす
る請求項1に記載のサーボ制御回路。 - 【請求項3】 種々の直線化カーブがディジタル計算を
実行するプロセッサ(50)によって得られ、該プロセ
ッサはまた基準データxc および位置データxd に基づ
いて補正パラメータを計算し、そして、一つの直線化カ
ーブから他のものへの切り換えが外乱の予め定められた
振幅の関数として自動的に実行されるようになっている
ことを特徴とする請求項2に記載のサーボ制御回路。 - 【請求項4】 各前記電力増幅器(22、24)の前記
電流負帰還ループ(32、34)が、高レベルの誘導に
おける積層の透磁率の低減によって生じる誘導/電流の
非直線性を補償するための第2の直線化手段(46、4
8)を有していることを特徴とする請求項1に記載のサ
ーボ制御回路。 - 【請求項5】 第1および第2の直線化手段(10、4
6、48)の各々がダイオード関数発生器を有している
ことを特徴とする請求項1あるいは請求項4に記載のサ
ーボ制御回路。 - 【請求項6】 第1および第2の直線化手段(10、4
6、48)の各々が、該直線化手段の変換関数が値のテ
ーブルの形態で蓄積されている不揮発性メモリを有して
いることを特徴とする請求項1あるいは請求項4に記載
のサーボ制御回路。
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1993
- 1993-06-23 FR FR9307612A patent/FR2706955A1/fr active Granted
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1994
- 1994-06-21 JP JP13853694A patent/JP3497562B2/ja not_active Expired - Lifetime
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