JP3546045B2 - 磁気軸受制御方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明はロータの安定な運転及びロータの不つりあい振動の抑制及び駆動電流の低減をはかる磁気軸受制御方法に関する
【０００２】
【従来の技術】
磁気軸受で支承されロータの各種の振動制御方式を図２〜図６に示す。尚、図６は、本件出願時点において未だ公開されていないものである。
【０００３】
図２〜図６は以下の如き従来例である。
図２……サーボフィードバック制御方式としてよく知られた従来例図である。
図３……ＡＢＳ（Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｂａｌａｎｃｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）制御方式であり、特開昭５２−９３８５２号に記載されたものである。ＡＢＳは、回転同期振動成分をカットすることからＮカットとも呼びうる。
図４……臨界減衰制御方式であり、特開昭５２−９３８５３号に記載されたものである。
図５……図４の方式を改良したものであってＮクロス方式と呼ばれるものであり、特開昭６１−２６２２２５号に記載されたものである。これは本件出願人によって提案された発明である。
図６……ＦＦ（Ｆｅｅｄ Ｆｏｒｗａｒｄ）制御方式であり、先願である特願平３−１２７１８４５号に記載された発明である。これは本件出願人によって提案された発明である。
【０００４】
以下、図２〜図６を個別に説明する。
図２……磁気軸受で支持された回転体（ロータ）は、その形状や外力等の影響で回転の中心位置（中立位置とも云う）からのずれを生ずるので、磁気軸受を制御して回転体位置を中心位置になるように制御する必要がある。図２で回転体１の左右上下に電磁石２Ｘ、２Ｙを設けておき、この電磁石２Ｘ、２Ｙへの励磁電流を制御することで回転体位置制御をはかる。そのために制御回路４Ｘ、４Ｙ及びパワーアンプ５Ｘ、５Ｙを設けている。制御回路４Ｘ、４ＹはＰＩＤ要素より成る制御回路である。制御回路４Ｘ、はＸ軸方向の変位センサ３Ｘからの検出変位量ｘを入力とし、制御回路４ＹはＹ軸方向の変位センサ３Ｙからの検出変位量ｙを入力とする。この変位量ｘ及びｙは回転中心からのずれを示す量であり、これを制御回路５Ｘ、５Ｙに入力する。制御回路５Ｘ、５Ｙは、ロータ１の中心位置からのずれに応じた制御電圧Ｐｘ、Ｐｙを出力し、これをパワーアンプ５Ｘ（左右の２つのコイル２Ｘに対応）、５Ｙ（上下の２つのコイル２Ｙに対応）に入力し、コイル２Ｘ、２Ｙに中心からのずれをなくすような励磁電流ｉｘ、ｉｙを流すことで、左右上下の中心位置からのロータのずれを補正する。
【０００５】
制御回路５Ｘ、５Ｙを構成するＰＩＤ要素とは、Ｐ（比例）、Ｉ（積分）、Ｄ（微分）を組み合わせたものである。この組合せの仕方によって、種々の制御特性を得る。
【０００６】
図２のサーボフィードバック制御方式は、ロータを中立位置に保持するための基本制御法である。然るに、ロータのあらゆる回転数にわたって中立位置の維持が可能かというとそうではない。高速回転での曲げ共振点への対応ができないためである。
【０００７】
ロータの回転数を上げてゆくと、剛体としての１次、２次の共振現象が現れる。更に回転数を上げてゆくとロータは剛体としての運動体から不つりあいを原因とする弾性体としての運動体の性質が現れる。この弾性体の性質を持つことによって曲げ１次、２次の共振現象が出現する。これらの共振現象が現れる回転数を共振周波数と呼ぶ。共振現象の出現する時点をを共振点と呼ぶ。剛体と弾性体との区別をなくし、剛体としての１次、２次の共振点を、単に１次、２次の共振点、（Ｎｃ１、Ｎｃ２）弾性体としての１次、２次の共振点を、単に３次、４次の共振点（Ｎｃ３、Ｎｃ４）と呼ぶこともある。かかる共振点と振幅との関係を図７に示す。
【０００８】
図２のサーボフィードバック制御方式は、チューニングすることで回転周波数全域で中立位置に保持する制御が可能となる。ここで、チューニングとは、ＰＩＤによる制御特性を調整することを云う。しかし、実際には、図２のサーボフィードバック制御方式では、せいぜい剛体としての１次、２次の共振点での振動に対して、中立位置への保持が可能となる程度である。曲げ１次、２次の共振点及びその前後にわたっての中立位置への保持は、サーボフィードバック制御方式だけでは困難である。
【０００９】
図３……図３は、図２にトラッキングフィルタ７を設けたこと、及びこの検出回転数ｘＮ、ｙＮを制御回路４Ｘ、４Ｙの入力側に負帰還するようにしたこと、に特徴がある。トラッキングフィルタ７は変位信号ｘ及びｙ、更に回転パルスを入力として回転同期成分ｘＮ、ｙＮ（これをＮ成分と呼ぶことが多い）を抽出する回路である。減算点９Ｘ、９Ｙは変位信号ｘ、ｙから回転同期成分ｘＮ、ｙＮに比例係数β（０か１かのいずれかの値）を乗算したβｘＮ、βｙＮを差し引き、この結果を制御回路４Ｘ、４Ｙへ入力する回路である。
【００１０】
図３の回路によれば、変位信号ｘ、ｙから係数器２０Ｘ、２０Ｙにより比例係数βを乗じた回転同期成分βｘＮ、βｙＮを差し引くことで、磁気軸受は回転同期の不つりあい振動には反応しないようになる。（振動絶縁）。よって、ばね定数ＫＮと減衰定数ＣＮは、回転同期成分に対してＫＮ＝０、ＣＮ＝０となる。このＡＢＳ制御をかける場合にはβ＝１、かけない場合にはβ＝０となる。β＝１としてＡＢＳ制御をかけると、その時の不つりあい振動の抑制のための電流が不要となる利点を持つ。このＡＢＳ制御は、共振点通過中はかけずに（β＝０）、共振点通過後にかける（β＝１）ことが特徴である。ＡＢＳ制御はオプションである。
【００１１】
図４……図４は、図２の制御装置に微分回路６Ｘ，６Ｙと回転同期トラッキングフィルタ７とを設けて曲げモードの共振点での共振振幅をも小さく押さえることを目的とする。検出された変位信号ｘ，ｙはＰＩＤ形の制御回路４Ｘ，４Ｙに入力されるとともに、微分回路６Ｘ，６Ｙへも入力される。微分回路６ＸはＫｘ＋Ｃ（ｄｘ／ｄｔ）を算出することにより変位ｘの速度に比例した量を算出し、この量からロータ１の回転数Ｎに同期した成分
【数１】
を回転同期トラッキングフィルタ７が検出する。ここでＫはばね定数、Ｃは減衰定数である。同様に変位信号ｙから微分回路６Ｙ、回転同期トラッキングフィルタ７は回転数Ｎに同期した成分
【数２】
を検出する。こうして変位と速度の回転同期成分ｘ０，ｙ０のみを抽出し、回転数同期の不つりあい振動のみの制御を行う。この構成によれば、変位成分の大きさに応じた制御によって軸受剛性の調整が可能（これは、ばね定数Ｋの大きさで調整する）で、また速度成分の大きさによって軸受変位の減衰の調整が可能（これは減衰定数Ｃの大きさで調整する）となり、曲げモード共振点の振幅を小さく抑えることができる。しかし、この方式では、微分回路を必要とする。しかし一般に、数学的微分を電子回路で実現するには高周波ノイズの発生を誘発し、制約を伴うので、完全なものは無限で、模擬的なもので代用するしか仕方がないのが実情である。
【００１２】
図５……図４の従来例では、速度検出に微分回路６Ｘ、６Ｙを用いたが、図５はこれを別の方法で検出するようにしたものである。図５はロータの不つりあい振動が前向きである場合の構成であり、ｘ方向の微分は−ｙ変位信号に比例し、ｙ方向振動の微分はｘ変位信号に比例することを利用したものである。即ち図４の微分回路６Ｘ，６Ｙの出力の代わりにこれらの変位−ｙＮ，ｘＮを用いたのが図５であり、各変位の速度の回転同期成分を回転同期トラッキングフィルタ７により取り出すことができる。これをクロスさせて係数器２１Ｘ、２１Ｙを介して制御回路４Ｘ、４Ｙの出力側の減算点、及び加算点に与える。
【００１３】
Ｎクロス制御は、微分回路が完全に実現でき、不つりあい振動に対して、減衰定数ＣＮを発生させたのと同等の効果を持つ。よって共振振幅を大幅に低減できることになる。従って、共振点通過中に使用されるオプション回路である。
【００１４】
図６……新しい振動制限法を実現する回路である。前述の従来例は、トラッキングフィルタを設けたことで変位信号に依存して電流制御をはかることからフィードバック制御と呼べるものである。図８はこの変位信号ｘ、ｙを使用するトラッキングフィルタを設けていないことから、ＦＦ制御法と呼ぶ。このＦＦ制御は、フィードフォワードで加振力を与え、その加振力が不つりあいと逆位相になるように与え、不つりあいとキャンセルすることによって振動を低減しようとするものである。図６で、２相発振器１０は、ロータ回転数Ωに対して回転パルスに同期した正弦波信号Ａｓｉｎ（Ωｔ＋φ）と余弦波信号Ａｃｏｓ（Ωｔ＋φ）を出力する。制御回路４Ｘの出力と余弦波信号Ａｃｏｓ（Ωｔ＋φ）に比例（係数器２２Ｘ、２２Ｙで与えられた比例係数γ）した量との加算を行い、これで電流制御を行い、制御回路４Ｙの出力と正弦波信号Ａｓｉｎ（Ωｔ＋φ）に比例（比例係数γ）した量との加算を行い、これで電流制御を行う。振幅Ａと位相φを適当に選べば共振点において不つりあいによるアンバランス力をキャンセルするように加振でき、共振振幅を小さく押え得る。この加振をＦＦ加振と呼ぶ。尚、図６の点線で示すように、制御回路４Ｘ、４Ｙの入力側に２相出力を与えてもよい。このＦＦ制御もオプションである。
以上の図２〜図６に示した従来例及び先願の使用目的と使用回転数と制御電流（励磁電流）との関係を図８に示す。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
特開昭５２−９３８５３号に示された微分回路を用いる臨界減衰装置においては、変位信号（ｘ、ｙ）から速度信号（ｄｘ／ｄｔ、ｄｙ／ｄｔ）を作るための微分回路が必要となり、回路が複雑になる。また、不つりあい振動による危険速度通過時には振動振幅が大きく、磁気軸受に流す電流の増大するという問題がある。また、特開昭６１−２６２２２５号のＮクロスの制御においても、本来のＰＩＤ制御回路に 共振振動の信号が流れるため、電流の増大という問題がある。これらの電流の増大はパワーアンプのダイナミックレンジを大きくすることを必要とし、これが実現困難になる。また、ＡＢＳを用いれば不つりあいによる回転数同期成分の振動がフィルタされ、電磁石コイルに流す電流をきわめて少なくすることができる。しかし、共振点を通過中に単独でＡＢＳ制御をすると、振動が大きくなってしまうので、危険速度通過後に動作させざるを得ない。よって共振点である危険速度通過中にはＡＢＳ制御は無力、ＰＩＤ制御回路のみとなり、大きな制御電流を必要としていた。
【００１６】
細かく述べるとＡＢＳ制御の効かせ方には、不つりあい振動の低減の以外のゆらぎなどの系の安定／不安定の問題を伴う。ＡＢＳの制御を効かせた時の振動応答の例を図９に示す。３次共振点付近でみるとＡＢＳのない時、あるいはＡＢＳ制御の弱い時には共振振幅曲線は安定している。しかし、ＡＢＳ制御を強くすると、３次共振点を通過後、振幅曲線が変動しており安定しない。即ち、共振点前後の付近においては、ＡＢＳ制御を強く効かせることは非常に危険である。従って、共振点を十分に通過した後、この例では３次と４次の共振点の間で、ＡＢＳ制御を効かせることが有効である。このように、現在の技術では、ＡＢＳは使用回転数範囲が共振領域を避けるように限定されている。
【００１７】
従って、本発明の目的は、ＡＢＳ制御をかけたままでも安定して共振点通過を可能にする磁気軸受の制御方法を提供することにある。
【００１８】
更に、図８からわかるように、現状では共振点通過時に小さい電流で十分に振動を小さく抑える必要があるにもかかわらず、その実現ができていない。更に、ロータの振動制御にとって大切なことは、共振点通過回転数域などの振動を制御することが必要な回転数の時にはできるだけ小電流で振動を小さく抑えると共に、振動制御が必要でない回転数の時には徹底して電流を流さないことが必要である。 このように小電流で低振動を達成することが目標課題であり、省エネルギー運転は引いては機器の長寿命など他の多くの付帯的な利点を与え得る。
【００１９】
従って、本発明の他の目的は、回転数同期の不つりあい振動の共振振幅を下げると共に、磁気軸受の電磁石コイルに流す電流を少なくすることにより、磁気軸受の耐力を向上させた磁気軸受の制御方法を提供することにある。
【００２０】
更に本発明の目的は、徹底した省エネルギー運転を可能にする磁気軸受の制御方法を提供することにある。
【００２１】
更に本発明の目的は、回転数に応じて予め定めた制御方式を適性に採用可能にする磁気軸受の制御方法を提供することにある。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
本発明は磁気軸受によって支持されたロータの回転中心からのＸ軸方向の変位量ｘとＹ軸方向の変位量ｙを検出する変位検出手段、前記ロータの回転パルスを入力として前記ロータの回転数に同期した成分ｘＮ、ｙＮを前記変位量ｘ、ｙから取り出すためのフィルタ手段、前記成分ｘＮに比例係数βで比例した量と前記変位量ｘとの差分量を入力として第１のＡＢＳ用制御信号を出力する第１のＡＢＳ用制御手段、前記成分ｙＮに前記比例係数βで比例した量と前記変位量ｙとの差分量を入力として第２のＡＢＳ用制御信号を出力する第２のＡＢＳ用制御手段、前記第１のＡＢＳ用制御信号を増幅して前記磁気軸受の第１のコイルに流れる励磁電流を制御する第１の電力増幅手段、および前記第２のＡＢＳ用制御信号を増幅して前記磁気軸受の第２のコイルに流れる励磁電流を制御する第２の電力増幅手段が用いられるＡＢＳ制御方式を用い、このＡＢＳ制御方式に対して、
前記変位検出手段、前記フィルタ手段、前記変位量ｘを入力として第１のＮクロス用制御信号を出力する第１のＮクロス用制御手段、前記変位量ｙを入力として第２のＮクロス用制御信号を出力する第２のＮクロス用制御手段、前記成分ｙＮに比例係数αで比例した量と前記第１のＮクロス用制御信号との差分量を前記第１の電力増幅手段の入力とする手段、および前記成分ｘＮに前記比例係数αで比例した量と前記第２のＮクロス用制御信号との加算量を前記第２の電力増幅手段の入力とする手段が用いられるＮクロス制御方式；
前記変位検出手段、前記フィルタ手段、前記変位量ｘを入力として第１のＮストレート用制御信号を出力する第１のＮストレート用制御手段、前記変位量ｙを入力として第２のＮストレート用制御信号を出力する第２のＮストレート用制御手段、前記成分ｘＮに比例係数δで比例した量と前記第１のＮストレート用制御信号との加算量を前記第１の電力増幅手段の入力とする手段、および前記成分ｙＮに前記比例係数δで比例した量と前記第２のＮストレート用制御信号との加算量を前記第２の電力増幅手段の入力とする手段が用いられるＮストレート制御方式；および前記変位検出手段、前記変位量ｘを入力として第１のＦＦ用制御信号を出力する第１のＦＦ用制御手段、前記変位量ｙを入力として第２のＦＦ用制御信号を出力する第２のＦＦ用制御手段、前記ロータの回転数に同期した正弦波信号と余弦波信号を出力する手段、前記正弦波信号に比例係数γで比例した量と前記第１のＦＦ用制御信号との加算量を前記第１の電力増幅手段の入力とする手段または前記正弦波信号に比例係数γで比例した量を前記第１のＦＦ用制御手段へ入力する前記変位量ｘに加算する手段、および前記余弦波信号に前記比例係数γで比例した量と前記第２のＦＦ用制御信号との加算量を前記第２の電力増幅手段の入力とする手段または前記余弦波信号に前記比例係数γで比例した量を前記第２のＦＦ用制御手段へ入力する前記変位量ｙに加算する手段が用いられるＦＦ制御方式の各制御方式；の何れか一つまたは複数を組み合わせて用いるものとし、そしてその組み合わせ制御にあって、前記比例係数β、α、δ、γは前記ロータの回転数に対応させたスケジュールとして所定の値が予め設定されるものである磁気軸受制御方法を開示する。
【００３０】
【作用】
本発明によれば、ＡＢＳ制御をかけた状態でのＮクロス制御やＮストレート制御やＦＦ制御の任意の選択のもとで、共振振幅の減衰、共振点の安定した通過、そして電磁石に流す電流の減少化をはかれる。
【００３２】
【実施例】
（１）、Ｎストレート（図１０）
図１０は、本発明の制御方式を示す実施例である。
【００３３】
本実施例は、係数器２３（又はゲイン設定器）Ｘ、２３Ｙで与えられる比例係数δを乗算した回転同期成分ｘＮ、ｙＮを、制御回路４Ｘ、４Ｙの出力に加算した点が特徴である。
【００３４】
ばね定数ＫＮの強化が目的であり、それによって共振点をより高い方向にシフトする。共振点手前の回転数域で、より高い回転数へ共振点をシフトさせることにより、振動を低減できる。
【００３５】
この制御方式は、Ｎクロス制御方式と対比され、Ｎストレート制御方式と呼べるものである。Ｎストレート制御方式は共振点前の回転数範囲で働くようなオプションとして使用する。
【００３６】
比例係数δは、０≦δの範囲がよい。δ＝０では、加算すべき量がδｘＮ＝０、δｙＮ＝０となり、Ｎストレートをかけない例となる。δ＝大では加算すべき量が、ｘＮ、ｙＮのδ倍となり、Ｎストレートそのものとなる。０＜δの選択では、Ｎストレートの割合が変化する例となる。
【００３７】
一方、比例係数δは、δ＜０としてもよい。これは、共振点をより低い方へシフトさせ、共振回避により振動低減をはかる目的に使用する。
【００３８】
（２）、ＡＢＳ＋Ｎクロス（図１１）
図１１は、その実施例図である。この実施例の目的は、ＡＢＳ制御をかけたままで安定して共振点を通過させることである。トラッキングフィルタ７の出力ｘＮ、ｙＮを入力加算点９Ｘ、９Ｙ側に比例係数βを乗算して負帰還すると共に、比例係数αを乗算した量をクロスさせて制御回路４Ｘ、４Ｙの出力側に与えるようにしたものである。即ち、ＡＢＳ制御によってＰＩＤ制御回路においてはＫＮ＝０、ＣＮ＝０にすると共に、Ｎクロス制御によって別途に減衰定数ＣＮ（≠０）を与えて、共振振幅を磁気軸受の減衰のみによって制御しようとするものである。図１１の制御方式は、共振点通過中の共振振幅低減に利用される。但し、β＝１、α＝大で、完全なＡＢＳ制御とＮクロス制御との併合制御が可能となるが、０≦β≦１、０≦αでα、βを適当に選ぶことで、併合の強さを任意に選択可能である。このα、βの選択は、回転パルスを取り込んだＣＰＵ２０によって行う。
【００３９】
図１２は本実施例の回転同期トラッキングフィルタのチャンネルクロス制御とＡＢＳ制御を同時に使った場合の実験データである。横軸に回転数を縦軸に振動振幅を示している。同図でＯＮとは図１１の動作をさせた時（α＝大）、ＯＦＦとはチャンネルクロスを切った時（α＝０に相当）のものである。ＯＮにすることにより振動振幅は著しく低下し、ＯＦＦにすることにより振動振幅はもとの大きな振動に戻っていることが分かる。よって本実施例によれば、曲げモードの共振振幅も、適当な減衰が与えられることになり、小さい振幅で危険速度を通過させることが可能となる。
【００４０】
図１３は従来装置と比較したもので、横軸は共振時最大振幅で縦軸は制御電流である。同図から、メインのサーボ回路のみのＰＩＤ制御よりも、Ｎクロスの場合は振動振幅、制御電流ともに大幅に低減されるが、図１１の実施例（図中、本発明と記したもの）の場合はＮクロスの場合よりもさらに小さい電流でよいことが明らかである。ＦＦ制御に対比しても電流は大幅に低下していることがわかる。尚、この本発明でのデータはβ＝１、α＝大の設定値で得たものである。これ以下の小さい電流は原理的に望めない。
【００４１】
ところで、このような係数のとり方は共振振幅を小さく抑えるためのもので危険速度通過時のみに有効な手法である。危険速度をかなり通過した後は、このような方法は不要であり、ＡＢＳのみの制御が望まれる。よってβ≒１、α＝０の選択がよい。よって図１１のような構成をとれば、α、βの値を回転数範囲に応じて選択すれば全回転数域で制御電流極小の最も効率のよい制御が可能となる。
【００４２】
（３）、ＡＢＳ＋Ｎクロス＋ＦＦ（図１４）
図１４がこの実施例を示す図である。図１１の回路に、２相／同期発振器１０を付加してこの出力に比例係数γを乗算した値を制御回路４Ｘ、４Ｙの出力側に加算するようにしたことが特徴である。この回路は、ＡＢＳ制御とＮクロスとの併用をはかると同時に、ＦＦ制御を併用したものであり、共振点通過中の共振振幅のより一層の低減がはかれる。
【００４３】
このような構成で回転数毎にα、β、γの比例係数をスケジュールに従って作用させると全回転数域で十分に小さな制御電流で運転が可能である。このスケジュールの一例を図１５に示す。４次共振まで越えて運転する場合を想定してみよう。１次、２次共振点は未だ低速であるので必要に応じて共振点でＮクロス（α）を使い共振以外では通常のＰＩＤ制御にまかす。３次共振点では共振通過がかなり厳しくなると予想されるので、共振点付近ではＮクロス（α）とＡＢＳ（β）を併用する。そして３次と４次の共振点の間では、回転数はかなり高いので電流低減策が必要でＡＢＳ（β）を作用させる。次に４次共振点通過になってくると、Ｎクロス（α）＋ＡＢＳ（β）のみでは作用力不足と考えられ、さらに強化するためにＦＦ加振（γ）を投入する。そして４次共振点通過後は再びＡＢＳ（β）のみの作用に非共振時の電流低減を図る。
【００４４】
このように、回転数に応じてα、β、γの比例定数とスケジュールに従って変えることにより全回転数域で微小な電流による効率的な運転が可能である。比例係数α、β、γの設定については、運転前には計算等などにより各共振点が何回転に位置しているか解るので、このような回転数範囲を指定してα、β、γの効かせ方をスケジューリングすることは容易である。これらはＣＰＵ２０で簡単に実現できる。尚、α、β、γは、０≦α≦大、０≦β≦１、０≦γ≦大の範囲で設定可能である。０に近づけばその係数に伴う制御が弱くなり、上限に近づければ逆に強くなる。
【００４５】
（４）、ＡＢＳ＋Ｎストレート（図１６）
図１６がこの実施例を示す図である。ＡＢＳ制御に図１０のＮストレート制御を併用させた実施例である。この実施例によって、ＡＢＳ制御をかけた状態のもとで、共振点を高い方へシフトし、共振点との間の余裕度（マージン）を大きくできる利点を持つ。図１６の実施例は、共振点手前の回転数での振幅低減に活用する。勿論、δは、０≦δ≦大の他に、δ≦０もとりうる。δが負の場合、共振点通過後の回転数で、共振点をもっと小さい方へ押しやり、共振点とのマージンを大きくして振動を低減できる。
【００４６】
（５）、ＡＢＳ＋Ｎクロス＋Ｎストレート（図１７）
図１７がこの実施例を示す図である。ＡＢＳ制御をかけながら併せてＮクロス制御及びＮストレート制御をかけたものである。この実施例によって、電流の省略化及び振動振幅の減少をはかることができる。
【００４７】
（６）、ＡＢＳ＋ＦＦ（図１８）
図１８がこの実施例を示す図である。ＡＢＳ制御をかけながら、ＦＦ制御をはかったものである。
【００４８】
（７）、ＡＢＳ＋Ｎストレート＋ＦＦ（図２０）
図２０がこの実施例である。ＡＢＳ制御をかけながらＮストレート、ＦＦとを併用させたものである。
【００４９】
（８）、Ｎクロス＋Ｎストレート＋ＦＦ（又はいずれか２つの組合せ）（図１９）
図１９がこの実施例を示す図である。ＡＢＳ制御はかけないで、Ｎクロス、Ｎストレート、ＦＦとを併用させたものである。更にＮクロスとＮストレートの組合せ、ＮストレートとＦＦの組合せ、ＮクロスとＦＦの組合せもありうる。
【００５０】
（９）、ＡＢＳ＋Ｎクロス＋Ｎストレート＋ＦＦ（図１）
図１にその実施例を示す。この実施例は、ＡＢＳ、Ｎクロス、Ｎストレート、ＦＦを回転数によって任意自在に用いて低振動、低電流化をはかることを目的とする。即ち、ロータ振動制御にとって大切なことは、共振点通過回転数域などの振動を制御することが必要な回転数の時にはできるだけ小電流で振動を小さく押えることである。又、振動制御が必要でない回転数の時には徹底して電流を流さないことである。このように小電流で低振動を達成することが目標課題であり、省エネルギー運転は機器の長寿命など他の多くの附帯的な利点を与え得る。従って、ロータの回転数域ごとにどのようなオプション機能を働かせるかが重要となる。不つりあい振動に関して言えば、共振点通過中の回転数域では十分な制御で系に減衰を与え振動を押えなくてはならない。一方、共振点以外の回転数域では不つりあい振動に対して何も制御しないことが得策である。
【００５１】
コマが全く支えることなく自分で自立して回転する様と同一で、非共振点域では回転数成分で制御する必要はないと考えてよい。又、共振点に近くなりそれを避けたい様な場合には、回転同期成分のばね力を正に大きくして上に押しやったり、負に大きくして下に押しやったりする共振点マージンの拡大を図ることにより、共振振幅の増大を回避する制御も成立つはずである。図１の実施例は、このような共振点とのかね合いで回転数域に応じて制御することにより、回転数全域に亘って小駆動電流で、かつ低振動に押える磁気軸受制御を達成するものである。
【００５２】
磁気軸受形遠心圧縮機などロータ振動制御に図１を採用した場合を以下で説明する。この種のロータの運転範囲は曲げ１次（Ｎｃ３）と曲げ２次（Ｎｃ４）共振点の間にとられることが多い。
ロータの浮上特性：非回転のロータ浮上技術のみであるから、Ｘ方向およびＹ方向のメインＰＩＤ制御回路４がその任を担う。よって、浮上特性も含め剛体モード共振の比較的低周波数域の制御はＰＩＤ制御回路に重きをおき、高周波数域の曲げモード共振制御は後述のオプションにもたせるとする分担方式が新たな改善策として考えられる。そうすると、チューニング作業は大幅に軽減される。現状ではロータの浮上特性も、剛体モードの共振点である低周波数域制御も、曲げモード共振の高周波域の制御もいずれもメインのＰＩＤ制御回路４に負担させており、その分だけチューニングを難しくしている。ここでは、メインのＰＩＤ制御は低周波数域制御に重点をおくタイプを使う。高周波数域制御はβ、α、δ、γの各係数で律せられるオプション回路にまかせる制御法を採用したのが本実施例である。
図２１に本実施例でのオプション回路の投入計画を示す。はじめに、低周波数域の剛体モードの共振が現われる。これは通常ならメインのＰＩＤ制御回路４に依ればよい。必要なら、Ｎクロスなどの共振振幅低減のオプションを挿入すれば良い。ここまでの制御は比較的容易にチューニング可能である。
【００５３】
次に回転昇速させると、ロータの曲げ１次モードの危険速度（共振）が現われる。この時は、メインのＰＩＤ制御回路４では減衰作用力が不十分なのでオプションを投入した方がベターである。
【００５４】
仮に運転回転数域が曲げ１次（Ｎｃ３）共振点以下ならば、図２１に示すように、Ｎストレートを使い曲げ１次共振点を少し上に押しやれば低振動が得られる。それでも不十分で共振点通過が必要なら、Ｎストレートを使用うことなく、Ｎクロスを使って早めに共振点を通過させるやり方をとる。このようなオプションを使っている場合は、メインのＰＩＤ制御回路４は制御する必要がないので、ＡＢＳ（Ｎカット、β）を働かせておくと良い。通常、磁気軸受形遠心圧縮機では曲げ１次モードと曲げ２次モードの間に運転範囲が設定されるので、曲げ１次モード共振点通過後はＡＢＳオプション制御のみで十分である。ＡＢＳ機能で回転同期成分を抜き取る程度は深ければ深い程良く、（ｘ−ｘＮ，ｙ−ｙＮ）が理想であるが、（ｘ−βｘＮ，ｙ−βｙＮ）と０＜β≦１を調整し、抜きとり量を調整してもよい。 運転回転数がさらに高く、曲げ２次モードの共振点に接近している場合にあっても、曲げ１次モードのときと同様の考えで、オプション機能投入の計画を立てることが可能である。
【００５５】
このように曲げモード１次や２次共振点通過中に共振振幅を制御する場合にＮクロスによる減衰定数ＣＮの強化で不つりあい振動の低減を図ろうとしているため、メインのＰＩＤ制御回路４からの回転同期振動の制御は必要としない。よってＡＢＳ機能も効かせておくとよい。
【００５６】
又、Ｎストレート機能によって共振点をシフトさせる場合も同様にＮストレートによるばねＫＮを強化させてるため、メインのＰＩＤ制御回路４からの寄与は不用である。よってこの時もＡＢＳ機能を効かせておくとよい。
いずれの場合も、ＡＢＳ機能を完全にβ＝１に設定するのが理想であるが、切替えに伴う不安定などを防止するため０＜β＜１の間の適当な値に設定することも実際には必要になる。いずれもβを０→１へと徐々に変化させ都合の良い値をＡＢＳ機能値として設定すればよい。
【００５７】
もちろん、ＮクロスからＮストレートへ切り替える時など（α≠０，δ＝０）→（α＝０，δ≠０）の如く完全に理想的に変えるのではなく、両者について、αは大→小へ、δは小→大へと徐々にあるいは大小の度合を変える程度の方策が現実には望まれると思う。
【００５８】
これらのα、β、δ、γをどのような値に設定変更していくかは現実のロータの回転などによって試験的に調整していけば良い。
例えば、βの調整：電流波形をモニターして、電流が例えば１／３程度軽減 されるように選ぶ。
αの調整：共振振幅が例えば１／３程度に減じ得るところを選ぶ。
δの調整：共振点近くの回転数で、振幅が１／２程度に減じ得るよ うな値を選ぶ。
γの調整：共振振幅が例えば１／２程度に減じるような位相φとゲ インγを選ぶ。
あるいは、シミュレーション計算により予め係数設定値を予測しておくことも可能である。
【００５９】
共振点通過中にはＦＦ加振をさらにオプション的に追加させることも可能である。しかし、実際にはＦＦ加振によるアンバランスキャンセルに比べて、ＡＢＳ＋Ｎクロスの方が共振振幅を小にかつ電流も小にて共振点通過が可能なデータは図１３に示した通りであり、ＦＦ加振を使用しなくてもよい場合もありうる。尚、ロータに新たにアンバランスが付加した場合には、すでにＦＦ加振で調整したキャンセル方向の位相はマッチしなくなり、かえって振動を大きくする方向に加振する可能性もあり、ＦＦ加振機能の使い方には注意を要す。
【００６０】
以上、示したように本項（９）の実施例では、トラッキンクセフィルタ７の出力信号を活用するオプション機能として、ＡＢＳ機能の度合β、Ｎクロス機能の度合α、Ｎストレート機能の度合δ、ＦＦ加振機能の度合γなる係数を設ける。そして、これらの係数を回転数域に応じて、例えば共振点通過前、通過中、通過後などに応じて、変化させる戦略をスケジューリングによって制御することを特徴としている。このようにして全回転数域において常に小振動で小電流の最適な省エネルギーの磁気軸受制御が達成される。又、このオプション機能によってメインのＰＩＤ制御回路４の負担が軽減され、チューニングが楽になる。すなわち、ＰＩＤ制御回路４の位相進みをできるだけ大きくもたせ、高周波で高ゲインとなりことに起因するサーボフィードバック系の発振現象に悩まされることがなくなる。
【００６１】
このようなゲインスケジューリングによって、計画に従って係数器の係数を変化させていくことはコンピュータ（ＣＰＵ）２０を利用すれば簡単に実現できる。すなわち、図１に概念を示すように、ロータの回転数をＣＰＵ２０で認識させ、回転数に応じて、記憶しているスケジュールに従ってゲインを変化させれば良い訳である。各係数器としては、ポテンショメータやゲイン調整可能なアンプや、或はディジタル設定器もありうる。そしてそれらに応じてＣＰＵ２０は、機械的又は電子的に係数設定を行う。
ゲインスケジュールの実施例を図２２に示す。
【００６２】
図２２（ａ）は、ＡＢＳ機能（β）を併用しながら、曲げ１次や曲げ２次モードの共振通過中にはＮクロス（α）の減衰力で振動を低減させる計画である。
【００６３】
図２２（ｂ）は、剛体モードの共振点通過にＮクロス（α）を使う。そして曲げ１次モード共振点付近では、その手前でアンバランスキャンセルのＦＦ加振（γ）を投入し、いよいよ共振点通過時にＮクロス（α）を投入する。もちろんＡＢＳ機能（β）も併用しておく。このようにして曲げ１次モード共振点を通過し、曲げ２次モード共振まで行く。ここでは、曲げ２次モード共振点も上にシフトさせる戦略をとり、アンバランスキャンセルのＦＦ加振（γ）を投入しながら、かつばね定数の強化を図るためＮストレート（δ）を投入する例である。このように回転数域をきめ細かく区分し、その状況に応じた最適なオプション機能を併用かつ使い分けながらスケジューリングしていく例を示している。
【００６４】
このようにいろいろなスケジュールが成り立つ。このスケジュールをＣＰＵ２０のメモリに記憶させておき、その係数α、β、γ、δの度合を変化させれば容易に実現できる。
【００６５】
図１はＸ方向とＹ方向のチャンネルを基本とした実際回路構成に従って説明したものである。複素数表現を導入し、これをもつと概念的に説明したものが図２３である。
【００６６】
図１において、Ｘ方向、Ｙ方向の検出変位信号（ｘ，ｙ）からメインＰＩＤ制御回路４、パワーアンプ５、電磁石コイル２は同一仕様で作られるのが基本で対称の形をしている。よって、表現を簡単にするため、複素数ｚ＝ｘ＋ｉｙとおく。そして複素数の実数部にＸ方向チャンネル、虚数部にＹ方向チャンネルを相当させることによって回路図の表現も簡素化される。それが図２３である。
【００６７】
例えば図１に示すようにＰＩＤ制御回路４の出力をＸ方向とＹ方向についてそれぞれ（ｘ’，ｙ’）とすると、
【数３】
複素数ｚ’＝ｘ’＋ｉｙ’とおくと
【数４】
となり、１チャンネルの表式になり、図２３のメイン制御回路のようになる。
【００６８】
このような複素数導入による簡素化はトラッキングフィルタ７出力部のクロス回路やストレート回路についても言える。今、図１でトラッキングフィルタの出力信号（ｘＮ，ｙＮ）に対して図２３の複素数対応を
【数５】
とする。そしてパワーアンプへの入力信号を（ＰＸ，ＰＹ）とすると、それに対して図２３の複素数対応を
【数６】
とする。そうすると図１では
【数７】
だから
【数８】
【００６９】
図２３の複素数対応から見ると、トラッキングフィルタ７出力に関するｚＮからＰＮへの伝達関数は
【数９】
とおかれているので、
【数１０】
である。よって式（数８）と式（数１０）を比らべれば解るように
【数１１】
よって
【数１２】
なる関係が成立する。図１のＡＢＳのβについても同様に処理できる訳で、結局Ｘ方向とＹ方向の２チャンネル表示の図１は、図２３のように複素数を導入して１チャンネルの表示に簡素化できることがわかる。
よって、図２３で説明すると、Ｎクロス機能を効かせた時はα≠０，δ＝０だからθ＝９０°に設定したことに相当する。
【００７０】
又、Ｎストレート機能を効かせた時にはα＝０，δ≠０だからθ＝０°に設定したことに相当する。
【００７１】
図１で２相発振器１０の場合も同様に、Ｘ方向およびＹ方向にｃｏｓ波およびｓｉｎ波が生成されるので、回転数Ω（ｒａｄ／ｓｅｃ）とすると
【数１３】
となり、図２３の複素数対応にはおいては２相発振器の出力は
【数１４】
と考えられ、 その振幅がＡ，位相がφされたものとして
【数１５】
の信号が発生され、Ａとφを調整することにより、未知のアンバランスをキャンセルするような位相中を探し得る。
【００７２】
このようにして、実際のＸおよびＹ方向表現の図１は、複素数Ｚ表現の導入によって図２３のように概念的に１チャンネルの表現に変換されることになる。
回転数を監視しながら、マニュアルでフィードバック系に組まれているトラッキングフィルタ７の出力のゲインＧと位相θとＦＦ加振の量を示すゲインＡと位相φを変化させることで実現できる。
【００７３】
又、図２３に概念を示すように、コンピュータ（ＣＰＵ）で回転数を監視し、予め決められたゲイン位相のスケジュールに於いて、ゲインＧとＡおよび位相θとφを可変にしていくことによって常に最適な省エネルギー制御（小振動かつ小電流）が実現可能となる。
【００７４】
（１０）、コンピュータによるα、β、γ、δの設定（図２４、２５）
図１、図１１等で示した ＣＰＵ２０によるα、β、γ、δの設定回路を図２４に示す。これは一種のコンピュータであり、共通バス２３にＣＰＵ２０、主メモリ２１、入力部２２、出力部２４を共通に接続した構成である。主メモリ２１は、ＣＰＵ２０を動作させる本来のＯＳ（オペレーティングシステム）等の他にスケジュールソフトを持つ。入力部２２は回転パルスを取り込む回路である。出力部２４は、ＣＰＵ２０で設定した係数（α、β、γ、δ）を出力する回路である。図２４の回路によれば、ＣＰＵ２０は、入力部２２からの回転パルスを次々に取り込み、スケジュールソフトを作動させて回転数に応じて定まる各係数α、β、γ、δをメモリ２１から読み出す。これを出力部２４を介して各係数の設定を行う。当然のことながら、図１０ではδのみの設定、図１１ではα、βの設定、図１ではα、β、γ、δの設定を行う。
【００７５】
図２５には、主メモリ２１内に設けたスケジュール制御テーブル２２を示す。このテーブル２２を回転数をアドレスとしてアクセスすることで必要な係数の読み出しを行う。尚、スケジュールソフトは主メモリ２１とは別に設けたＲＯＭに格納しておく例もある。
【００７６】
（１１）、コンピュータによる制御例（図２６）
図１０、図１１、図１等では、パワーアンプ５Ｘ、５Ｙの前段回路はディスクリートな回路の例であった。このディスクリートな回路に代わって、コンピュータのソフト処理で行うことも可能である。この実施例が図２６である。主メモリ２１には、スケジュールソフトの他に、ＰＩＤ制御回路４Ｘ、４Ｙの機能、トラッキングフィルタ７の機能、各係数（α、β、γ、δ）設定器の機能、各種の加算、減算機能を達成する制御ソフトを持っている。そして、外部からの回転パルスを入力部２２、変位を入力部２６を介して取り込み、ＣＰＵ２０がこの制御ソフト及びスケジュールソフトを働かせて図１又は図１０、図１１等で定まる処理を実行する。この結果を出力部２４を介してＰｘ、Ｐｙ指令として駆動部２５に与える。駆動部２５は、その指令から実際のＰｘ、Ｐｙを作り、これをパワーアンプ５Ｘ、５Ｙに与える。
【００７７】
この実施例によれば、完全ソフト化を達成できた。尚、スケジュールソフト、制御ソフトは、ＲＯＭ内に設けておく例もある。
【００７８】
（１２）、ＡＢＳ制御のもとでのｘＮ、ｙＮのフィードバック形（図２７〜図３０）
ＡＢＳ制御のかけ方を変形したものであり、回転同期トラッキングフィルタ７の出力信号ｘＮ、ｙＮをもとの変位信号ｘ、ｙから引くようにフィードバックする方法である。このフィードバックの量を示す比例定数をβ′とすると、先の図１等のβとの間には
【数１６】
の関係がある。よって、元信号ｘ、ｙから完全に回転同期成分ｘＮ、ｙＮを抜きとるためにはβ′＝無限大となる。よって抜きとり量を増やす強いＡＢＳにするにはβ′はより大きな値にすればよい。
【００７９】
このフィードバック形ＡＢＳでの実施例が図２７〜図３３であり、対応関係は以下の通りである。
図２７…図１
図２８…図１６
図２９…図１４
図３０…図１１
図３１…図１８
図３２…図１７
図３３…図２０
かかる各種のフィードバック形ＡＢＳの実施例にあっても、ＣＰＵ２０によるスケジュール処理や図２４や図２６による処理をしてもよいことは云うまでもない。尚、フィードバック形ＡＢＳに関する請求項では、β′の代わりにβを示したが、これは記載上の便宜のためであることを断わっておく。
【００８０】
【発明の効果】
本発明によれば、共振点通過時の前向き振動に対する減衰力が向上できるので、不つりあい振動に対して小さい共振振幅で通過でき、ロータのバランス精度が多少悪くても共振点の安全な通過が可能となるので、バランス作業が簡略化される効果があり、また回転中にロータに異物が付着するなどのために不つりあいが大きくなっても、共振点通過が小さい振動で通過できるので、電磁石コイルに流す電流を小さくでき、パワーアンプの耐力が向上するという効果がある。
【００８１】
更に、各比例係数α、β、γを回転数に応じて調整することで、回転数毎に最適制御（小電流、小振動）をはかることができる。このように常に小電流の運転が実現されることによってパワーアンプの電子回路の寿命が伸びる。磁気軸受にかかる力も軽減されるので、部品の寿命も伸びる。
【００８２】
又、Ｎストレートのδ機能を用いることにより、共振点を上にシフトさせることができ、高速回転まで運転範囲を引き伸ばすことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のＡＢＳ制御とＮクロス制御＋Ｎストレート制御とＦＦ制御との組合せ制御を行うための実施例図である。
【図２】従来のＰＩＤ制御を示す図である。
【図３】従来のＡＢＳ制御を示す図である。
【図４】従来の臨界制御を示す図である。
【図５】従来のＮクロス制御を示す図である。
【図６】先願のＦＦ制御を示す図である。
【図７】１次〜４次の共振点の説明図である。
【図８】従来及び先願での使用回転数範囲と制御電流との関係を示す図である。
【図９】ＡＢＳ制御による振動応答図である。
【図１０】本発明のＮストレート制御を行うための実施例図である。
【図１１】本発明のＡＢＳ制御とＮクロス制御との併用制御を行うための実施例図である。
【図１２】ＡＢＳ制御とＮクロス制御とのもとでの振動応答例図である。
【図１３】各種の制御による共振時の振動振幅と駆動電流との関係を示すテストデータを示す図である。
【図１４】本発明のＡＢＳ制御とＮクロス制御とＦＦ制御との併用制御を行うための実施例図である。
【図１５】図１４の実施例でのタイムスケジュール例を示す図である。
【図１６】本発明のＡＢＳ制御とＮストレート制御との併用制御を行うための実施例図である。
【図１７】本発明のＡＢＳ制御とＮクロス制御とＮストレート制御との併用制御を行うための実施例図である。
【図１８】本発明のＡＢＳ制御とＦＦ制御との併用制御を行うための実施例図である。
【図１９】本発明のＮクロスとＮストレート制御とＦＦ制御との併用制御を行うための実施例図である。
【図２０】本発明のＡＢＳ制御とＮストレート制御とＦＦ制御との併用制御を行うための実施例図である。
【図２１】図１の実施例でのスケジュール制御例を示す図である。
【図２２】図１の他のスケジュール制御例を示す図である。
【図２３】本発明の図１の実施例の等価回路を示す図である。
【図２４】本発明のコンピュータ制御の実施例図である。
【図２５】本発明のメモリテーブル例を示す図である。
【図２６】本発明のコンピュータ処理による制御系統図である。
【図２７】本発明のフィードバック形ＡＢＳ制御とＮクロス制御とＮストレート制御とＦＦ制御との組合せ制御を行うための実施例図である。
【図２８】本発明のフィードバック形ＡＢＳ制御とＮストレート制御との併用制御を行うための実施例図である。
【図２９】本発明のフィードバック形ＡＢＳ制御とＮクロス制御とＦＦ制御との併用制御を行うための実施例図である。
【図３０】本発明のフィードバック形ＡＢＳ制御とＮクロス制御との併用制御を行うための実施例図である。
【図３１】本発明のフィードバック形ＡＢＳ制御とＦＦ制御との併用制御を行うための実施例図である。
【図３２】本発明のＡＢＳ制御とＮクロス制御とＮストレート制御との併用制御を行うための実施例図である。
【図３３】本発明のＡＢＳ制御とＮストレート制御とＦＦ制御との併用制御を行うための実施例図である。
【符号の説明】
２Ｘ、２Ｙ 電磁コイル
４Ｘ、４Ｙ ＰＩＤ要素を使った制御回路
５Ｘ、５Ｙ パワーアンプ
７ トラッキングフィルタ
１０ ２相／同期発振器
２０ ＣＰＵ
【産業上の利用分野】
本発明はロータの安定な運転及びロータの不つりあい振動の抑制及び駆動電流の低減をはかる磁気軸受制御方法に関する
【０００２】
【従来の技術】
磁気軸受で支承されロータの各種の振動制御方式を図２〜図６に示す。尚、図６は、本件出願時点において未だ公開されていないものである。
【０００３】
図２〜図６は以下の如き従来例である。
図２……サーボフィードバック制御方式としてよく知られた従来例図である。
図３……ＡＢＳ（Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｂａｌａｎｃｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）制御方式であり、特開昭５２−９３８５２号に記載されたものである。ＡＢＳは、回転同期振動成分をカットすることからＮカットとも呼びうる。
図４……臨界減衰制御方式であり、特開昭５２−９３８５３号に記載されたものである。
図５……図４の方式を改良したものであってＮクロス方式と呼ばれるものであり、特開昭６１−２６２２２５号に記載されたものである。これは本件出願人によって提案された発明である。
図６……ＦＦ（Ｆｅｅｄ Ｆｏｒｗａｒｄ）制御方式であり、先願である特願平３−１２７１８４５号に記載された発明である。これは本件出願人によって提案された発明である。
【０００４】
以下、図２〜図６を個別に説明する。
図２……磁気軸受で支持された回転体（ロータ）は、その形状や外力等の影響で回転の中心位置（中立位置とも云う）からのずれを生ずるので、磁気軸受を制御して回転体位置を中心位置になるように制御する必要がある。図２で回転体１の左右上下に電磁石２Ｘ、２Ｙを設けておき、この電磁石２Ｘ、２Ｙへの励磁電流を制御することで回転体位置制御をはかる。そのために制御回路４Ｘ、４Ｙ及びパワーアンプ５Ｘ、５Ｙを設けている。制御回路４Ｘ、４ＹはＰＩＤ要素より成る制御回路である。制御回路４Ｘ、はＸ軸方向の変位センサ３Ｘからの検出変位量ｘを入力とし、制御回路４ＹはＹ軸方向の変位センサ３Ｙからの検出変位量ｙを入力とする。この変位量ｘ及びｙは回転中心からのずれを示す量であり、これを制御回路５Ｘ、５Ｙに入力する。制御回路５Ｘ、５Ｙは、ロータ１の中心位置からのずれに応じた制御電圧Ｐｘ、Ｐｙを出力し、これをパワーアンプ５Ｘ（左右の２つのコイル２Ｘに対応）、５Ｙ（上下の２つのコイル２Ｙに対応）に入力し、コイル２Ｘ、２Ｙに中心からのずれをなくすような励磁電流ｉｘ、ｉｙを流すことで、左右上下の中心位置からのロータのずれを補正する。
【０００５】
制御回路５Ｘ、５Ｙを構成するＰＩＤ要素とは、Ｐ（比例）、Ｉ（積分）、Ｄ（微分）を組み合わせたものである。この組合せの仕方によって、種々の制御特性を得る。
【０００６】
図２のサーボフィードバック制御方式は、ロータを中立位置に保持するための基本制御法である。然るに、ロータのあらゆる回転数にわたって中立位置の維持が可能かというとそうではない。高速回転での曲げ共振点への対応ができないためである。
【０００７】
ロータの回転数を上げてゆくと、剛体としての１次、２次の共振現象が現れる。更に回転数を上げてゆくとロータは剛体としての運動体から不つりあいを原因とする弾性体としての運動体の性質が現れる。この弾性体の性質を持つことによって曲げ１次、２次の共振現象が出現する。これらの共振現象が現れる回転数を共振周波数と呼ぶ。共振現象の出現する時点をを共振点と呼ぶ。剛体と弾性体との区別をなくし、剛体としての１次、２次の共振点を、単に１次、２次の共振点、（Ｎｃ１、Ｎｃ２）弾性体としての１次、２次の共振点を、単に３次、４次の共振点（Ｎｃ３、Ｎｃ４）と呼ぶこともある。かかる共振点と振幅との関係を図７に示す。
【０００８】
図２のサーボフィードバック制御方式は、チューニングすることで回転周波数全域で中立位置に保持する制御が可能となる。ここで、チューニングとは、ＰＩＤによる制御特性を調整することを云う。しかし、実際には、図２のサーボフィードバック制御方式では、せいぜい剛体としての１次、２次の共振点での振動に対して、中立位置への保持が可能となる程度である。曲げ１次、２次の共振点及びその前後にわたっての中立位置への保持は、サーボフィードバック制御方式だけでは困難である。
【０００９】
図３……図３は、図２にトラッキングフィルタ７を設けたこと、及びこの検出回転数ｘＮ、ｙＮを制御回路４Ｘ、４Ｙの入力側に負帰還するようにしたこと、に特徴がある。トラッキングフィルタ７は変位信号ｘ及びｙ、更に回転パルスを入力として回転同期成分ｘＮ、ｙＮ（これをＮ成分と呼ぶことが多い）を抽出する回路である。減算点９Ｘ、９Ｙは変位信号ｘ、ｙから回転同期成分ｘＮ、ｙＮに比例係数β（０か１かのいずれかの値）を乗算したβｘＮ、βｙＮを差し引き、この結果を制御回路４Ｘ、４Ｙへ入力する回路である。
【００１０】
図３の回路によれば、変位信号ｘ、ｙから係数器２０Ｘ、２０Ｙにより比例係数βを乗じた回転同期成分βｘＮ、βｙＮを差し引くことで、磁気軸受は回転同期の不つりあい振動には反応しないようになる。（振動絶縁）。よって、ばね定数ＫＮと減衰定数ＣＮは、回転同期成分に対してＫＮ＝０、ＣＮ＝０となる。このＡＢＳ制御をかける場合にはβ＝１、かけない場合にはβ＝０となる。β＝１としてＡＢＳ制御をかけると、その時の不つりあい振動の抑制のための電流が不要となる利点を持つ。このＡＢＳ制御は、共振点通過中はかけずに（β＝０）、共振点通過後にかける（β＝１）ことが特徴である。ＡＢＳ制御はオプションである。
【００１１】
図４……図４は、図２の制御装置に微分回路６Ｘ，６Ｙと回転同期トラッキングフィルタ７とを設けて曲げモードの共振点での共振振幅をも小さく押さえることを目的とする。検出された変位信号ｘ，ｙはＰＩＤ形の制御回路４Ｘ，４Ｙに入力されるとともに、微分回路６Ｘ，６Ｙへも入力される。微分回路６ＸはＫｘ＋Ｃ（ｄｘ／ｄｔ）を算出することにより変位ｘの速度に比例した量を算出し、この量からロータ１の回転数Ｎに同期した成分
【数１】
【数２】
【００１２】
図５……図４の従来例では、速度検出に微分回路６Ｘ、６Ｙを用いたが、図５はこれを別の方法で検出するようにしたものである。図５はロータの不つりあい振動が前向きである場合の構成であり、ｘ方向の微分は−ｙ変位信号に比例し、ｙ方向振動の微分はｘ変位信号に比例することを利用したものである。即ち図４の微分回路６Ｘ，６Ｙの出力の代わりにこれらの変位−ｙＮ，ｘＮを用いたのが図５であり、各変位の速度の回転同期成分を回転同期トラッキングフィルタ７により取り出すことができる。これをクロスさせて係数器２１Ｘ、２１Ｙを介して制御回路４Ｘ、４Ｙの出力側の減算点、及び加算点に与える。
【００１３】
Ｎクロス制御は、微分回路が完全に実現でき、不つりあい振動に対して、減衰定数ＣＮを発生させたのと同等の効果を持つ。よって共振振幅を大幅に低減できることになる。従って、共振点通過中に使用されるオプション回路である。
【００１４】
図６……新しい振動制限法を実現する回路である。前述の従来例は、トラッキングフィルタを設けたことで変位信号に依存して電流制御をはかることからフィードバック制御と呼べるものである。図８はこの変位信号ｘ、ｙを使用するトラッキングフィルタを設けていないことから、ＦＦ制御法と呼ぶ。このＦＦ制御は、フィードフォワードで加振力を与え、その加振力が不つりあいと逆位相になるように与え、不つりあいとキャンセルすることによって振動を低減しようとするものである。図６で、２相発振器１０は、ロータ回転数Ωに対して回転パルスに同期した正弦波信号Ａｓｉｎ（Ωｔ＋φ）と余弦波信号Ａｃｏｓ（Ωｔ＋φ）を出力する。制御回路４Ｘの出力と余弦波信号Ａｃｏｓ（Ωｔ＋φ）に比例（係数器２２Ｘ、２２Ｙで与えられた比例係数γ）した量との加算を行い、これで電流制御を行い、制御回路４Ｙの出力と正弦波信号Ａｓｉｎ（Ωｔ＋φ）に比例（比例係数γ）した量との加算を行い、これで電流制御を行う。振幅Ａと位相φを適当に選べば共振点において不つりあいによるアンバランス力をキャンセルするように加振でき、共振振幅を小さく押え得る。この加振をＦＦ加振と呼ぶ。尚、図６の点線で示すように、制御回路４Ｘ、４Ｙの入力側に２相出力を与えてもよい。このＦＦ制御もオプションである。
以上の図２〜図６に示した従来例及び先願の使用目的と使用回転数と制御電流（励磁電流）との関係を図８に示す。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
特開昭５２−９３８５３号に示された微分回路を用いる臨界減衰装置においては、変位信号（ｘ、ｙ）から速度信号（ｄｘ／ｄｔ、ｄｙ／ｄｔ）を作るための微分回路が必要となり、回路が複雑になる。また、不つりあい振動による危険速度通過時には振動振幅が大きく、磁気軸受に流す電流の増大するという問題がある。また、特開昭６１−２６２２２５号のＮクロスの制御においても、本来のＰＩＤ制御回路に 共振振動の信号が流れるため、電流の増大という問題がある。これらの電流の増大はパワーアンプのダイナミックレンジを大きくすることを必要とし、これが実現困難になる。また、ＡＢＳを用いれば不つりあいによる回転数同期成分の振動がフィルタされ、電磁石コイルに流す電流をきわめて少なくすることができる。しかし、共振点を通過中に単独でＡＢＳ制御をすると、振動が大きくなってしまうので、危険速度通過後に動作させざるを得ない。よって共振点である危険速度通過中にはＡＢＳ制御は無力、ＰＩＤ制御回路のみとなり、大きな制御電流を必要としていた。
【００１６】
細かく述べるとＡＢＳ制御の効かせ方には、不つりあい振動の低減の以外のゆらぎなどの系の安定／不安定の問題を伴う。ＡＢＳの制御を効かせた時の振動応答の例を図９に示す。３次共振点付近でみるとＡＢＳのない時、あるいはＡＢＳ制御の弱い時には共振振幅曲線は安定している。しかし、ＡＢＳ制御を強くすると、３次共振点を通過後、振幅曲線が変動しており安定しない。即ち、共振点前後の付近においては、ＡＢＳ制御を強く効かせることは非常に危険である。従って、共振点を十分に通過した後、この例では３次と４次の共振点の間で、ＡＢＳ制御を効かせることが有効である。このように、現在の技術では、ＡＢＳは使用回転数範囲が共振領域を避けるように限定されている。
【００１７】
従って、本発明の目的は、ＡＢＳ制御をかけたままでも安定して共振点通過を可能にする磁気軸受の制御方法を提供することにある。
【００１８】
更に、図８からわかるように、現状では共振点通過時に小さい電流で十分に振動を小さく抑える必要があるにもかかわらず、その実現ができていない。更に、ロータの振動制御にとって大切なことは、共振点通過回転数域などの振動を制御することが必要な回転数の時にはできるだけ小電流で振動を小さく抑えると共に、振動制御が必要でない回転数の時には徹底して電流を流さないことが必要である。 このように小電流で低振動を達成することが目標課題であり、省エネルギー運転は引いては機器の長寿命など他の多くの付帯的な利点を与え得る。
【００１９】
従って、本発明の他の目的は、回転数同期の不つりあい振動の共振振幅を下げると共に、磁気軸受の電磁石コイルに流す電流を少なくすることにより、磁気軸受の耐力を向上させた磁気軸受の制御方法を提供することにある。
【００２０】
更に本発明の目的は、徹底した省エネルギー運転を可能にする磁気軸受の制御方法を提供することにある。
【００２１】
更に本発明の目的は、回転数に応じて予め定めた制御方式を適性に採用可能にする磁気軸受の制御方法を提供することにある。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
本発明は磁気軸受によって支持されたロータの回転中心からのＸ軸方向の変位量ｘとＹ軸方向の変位量ｙを検出する変位検出手段、前記ロータの回転パルスを入力として前記ロータの回転数に同期した成分ｘＮ、ｙＮを前記変位量ｘ、ｙから取り出すためのフィルタ手段、前記成分ｘＮに比例係数βで比例した量と前記変位量ｘとの差分量を入力として第１のＡＢＳ用制御信号を出力する第１のＡＢＳ用制御手段、前記成分ｙＮに前記比例係数βで比例した量と前記変位量ｙとの差分量を入力として第２のＡＢＳ用制御信号を出力する第２のＡＢＳ用制御手段、前記第１のＡＢＳ用制御信号を増幅して前記磁気軸受の第１のコイルに流れる励磁電流を制御する第１の電力増幅手段、および前記第２のＡＢＳ用制御信号を増幅して前記磁気軸受の第２のコイルに流れる励磁電流を制御する第２の電力増幅手段が用いられるＡＢＳ制御方式を用い、このＡＢＳ制御方式に対して、
前記変位検出手段、前記フィルタ手段、前記変位量ｘを入力として第１のＮクロス用制御信号を出力する第１のＮクロス用制御手段、前記変位量ｙを入力として第２のＮクロス用制御信号を出力する第２のＮクロス用制御手段、前記成分ｙＮに比例係数αで比例した量と前記第１のＮクロス用制御信号との差分量を前記第１の電力増幅手段の入力とする手段、および前記成分ｘＮに前記比例係数αで比例した量と前記第２のＮクロス用制御信号との加算量を前記第２の電力増幅手段の入力とする手段が用いられるＮクロス制御方式；
前記変位検出手段、前記フィルタ手段、前記変位量ｘを入力として第１のＮストレート用制御信号を出力する第１のＮストレート用制御手段、前記変位量ｙを入力として第２のＮストレート用制御信号を出力する第２のＮストレート用制御手段、前記成分ｘＮに比例係数δで比例した量と前記第１のＮストレート用制御信号との加算量を前記第１の電力増幅手段の入力とする手段、および前記成分ｙＮに前記比例係数δで比例した量と前記第２のＮストレート用制御信号との加算量を前記第２の電力増幅手段の入力とする手段が用いられるＮストレート制御方式；および前記変位検出手段、前記変位量ｘを入力として第１のＦＦ用制御信号を出力する第１のＦＦ用制御手段、前記変位量ｙを入力として第２のＦＦ用制御信号を出力する第２のＦＦ用制御手段、前記ロータの回転数に同期した正弦波信号と余弦波信号を出力する手段、前記正弦波信号に比例係数γで比例した量と前記第１のＦＦ用制御信号との加算量を前記第１の電力増幅手段の入力とする手段または前記正弦波信号に比例係数γで比例した量を前記第１のＦＦ用制御手段へ入力する前記変位量ｘに加算する手段、および前記余弦波信号に前記比例係数γで比例した量と前記第２のＦＦ用制御信号との加算量を前記第２の電力増幅手段の入力とする手段または前記余弦波信号に前記比例係数γで比例した量を前記第２のＦＦ用制御手段へ入力する前記変位量ｙに加算する手段が用いられるＦＦ制御方式の各制御方式；の何れか一つまたは複数を組み合わせて用いるものとし、そしてその組み合わせ制御にあって、前記比例係数β、α、δ、γは前記ロータの回転数に対応させたスケジュールとして所定の値が予め設定されるものである磁気軸受制御方法を開示する。
【００３０】
【作用】
本発明によれば、ＡＢＳ制御をかけた状態でのＮクロス制御やＮストレート制御やＦＦ制御の任意の選択のもとで、共振振幅の減衰、共振点の安定した通過、そして電磁石に流す電流の減少化をはかれる。
【００３２】
【実施例】
（１）、Ｎストレート（図１０）
図１０は、本発明の制御方式を示す実施例である。
【００３３】
本実施例は、係数器２３（又はゲイン設定器）Ｘ、２３Ｙで与えられる比例係数δを乗算した回転同期成分ｘＮ、ｙＮを、制御回路４Ｘ、４Ｙの出力に加算した点が特徴である。
【００３４】
ばね定数ＫＮの強化が目的であり、それによって共振点をより高い方向にシフトする。共振点手前の回転数域で、より高い回転数へ共振点をシフトさせることにより、振動を低減できる。
【００３５】
この制御方式は、Ｎクロス制御方式と対比され、Ｎストレート制御方式と呼べるものである。Ｎストレート制御方式は共振点前の回転数範囲で働くようなオプションとして使用する。
【００３６】
比例係数δは、０≦δの範囲がよい。δ＝０では、加算すべき量がδｘＮ＝０、δｙＮ＝０となり、Ｎストレートをかけない例となる。δ＝大では加算すべき量が、ｘＮ、ｙＮのδ倍となり、Ｎストレートそのものとなる。０＜δの選択では、Ｎストレートの割合が変化する例となる。
【００３７】
一方、比例係数δは、δ＜０としてもよい。これは、共振点をより低い方へシフトさせ、共振回避により振動低減をはかる目的に使用する。
【００３８】
（２）、ＡＢＳ＋Ｎクロス（図１１）
図１１は、その実施例図である。この実施例の目的は、ＡＢＳ制御をかけたままで安定して共振点を通過させることである。トラッキングフィルタ７の出力ｘＮ、ｙＮを入力加算点９Ｘ、９Ｙ側に比例係数βを乗算して負帰還すると共に、比例係数αを乗算した量をクロスさせて制御回路４Ｘ、４Ｙの出力側に与えるようにしたものである。即ち、ＡＢＳ制御によってＰＩＤ制御回路においてはＫＮ＝０、ＣＮ＝０にすると共に、Ｎクロス制御によって別途に減衰定数ＣＮ（≠０）を与えて、共振振幅を磁気軸受の減衰のみによって制御しようとするものである。図１１の制御方式は、共振点通過中の共振振幅低減に利用される。但し、β＝１、α＝大で、完全なＡＢＳ制御とＮクロス制御との併合制御が可能となるが、０≦β≦１、０≦αでα、βを適当に選ぶことで、併合の強さを任意に選択可能である。このα、βの選択は、回転パルスを取り込んだＣＰＵ２０によって行う。
【００３９】
図１２は本実施例の回転同期トラッキングフィルタのチャンネルクロス制御とＡＢＳ制御を同時に使った場合の実験データである。横軸に回転数を縦軸に振動振幅を示している。同図でＯＮとは図１１の動作をさせた時（α＝大）、ＯＦＦとはチャンネルクロスを切った時（α＝０に相当）のものである。ＯＮにすることにより振動振幅は著しく低下し、ＯＦＦにすることにより振動振幅はもとの大きな振動に戻っていることが分かる。よって本実施例によれば、曲げモードの共振振幅も、適当な減衰が与えられることになり、小さい振幅で危険速度を通過させることが可能となる。
【００４０】
図１３は従来装置と比較したもので、横軸は共振時最大振幅で縦軸は制御電流である。同図から、メインのサーボ回路のみのＰＩＤ制御よりも、Ｎクロスの場合は振動振幅、制御電流ともに大幅に低減されるが、図１１の実施例（図中、本発明と記したもの）の場合はＮクロスの場合よりもさらに小さい電流でよいことが明らかである。ＦＦ制御に対比しても電流は大幅に低下していることがわかる。尚、この本発明でのデータはβ＝１、α＝大の設定値で得たものである。これ以下の小さい電流は原理的に望めない。
【００４１】
ところで、このような係数のとり方は共振振幅を小さく抑えるためのもので危険速度通過時のみに有効な手法である。危険速度をかなり通過した後は、このような方法は不要であり、ＡＢＳのみの制御が望まれる。よってβ≒１、α＝０の選択がよい。よって図１１のような構成をとれば、α、βの値を回転数範囲に応じて選択すれば全回転数域で制御電流極小の最も効率のよい制御が可能となる。
【００４２】
（３）、ＡＢＳ＋Ｎクロス＋ＦＦ（図１４）
図１４がこの実施例を示す図である。図１１の回路に、２相／同期発振器１０を付加してこの出力に比例係数γを乗算した値を制御回路４Ｘ、４Ｙの出力側に加算するようにしたことが特徴である。この回路は、ＡＢＳ制御とＮクロスとの併用をはかると同時に、ＦＦ制御を併用したものであり、共振点通過中の共振振幅のより一層の低減がはかれる。
【００４３】
このような構成で回転数毎にα、β、γの比例係数をスケジュールに従って作用させると全回転数域で十分に小さな制御電流で運転が可能である。このスケジュールの一例を図１５に示す。４次共振まで越えて運転する場合を想定してみよう。１次、２次共振点は未だ低速であるので必要に応じて共振点でＮクロス（α）を使い共振以外では通常のＰＩＤ制御にまかす。３次共振点では共振通過がかなり厳しくなると予想されるので、共振点付近ではＮクロス（α）とＡＢＳ（β）を併用する。そして３次と４次の共振点の間では、回転数はかなり高いので電流低減策が必要でＡＢＳ（β）を作用させる。次に４次共振点通過になってくると、Ｎクロス（α）＋ＡＢＳ（β）のみでは作用力不足と考えられ、さらに強化するためにＦＦ加振（γ）を投入する。そして４次共振点通過後は再びＡＢＳ（β）のみの作用に非共振時の電流低減を図る。
【００４４】
このように、回転数に応じてα、β、γの比例定数とスケジュールに従って変えることにより全回転数域で微小な電流による効率的な運転が可能である。比例係数α、β、γの設定については、運転前には計算等などにより各共振点が何回転に位置しているか解るので、このような回転数範囲を指定してα、β、γの効かせ方をスケジューリングすることは容易である。これらはＣＰＵ２０で簡単に実現できる。尚、α、β、γは、０≦α≦大、０≦β≦１、０≦γ≦大の範囲で設定可能である。０に近づけばその係数に伴う制御が弱くなり、上限に近づければ逆に強くなる。
【００４５】
（４）、ＡＢＳ＋Ｎストレート（図１６）
図１６がこの実施例を示す図である。ＡＢＳ制御に図１０のＮストレート制御を併用させた実施例である。この実施例によって、ＡＢＳ制御をかけた状態のもとで、共振点を高い方へシフトし、共振点との間の余裕度（マージン）を大きくできる利点を持つ。図１６の実施例は、共振点手前の回転数での振幅低減に活用する。勿論、δは、０≦δ≦大の他に、δ≦０もとりうる。δが負の場合、共振点通過後の回転数で、共振点をもっと小さい方へ押しやり、共振点とのマージンを大きくして振動を低減できる。
【００４６】
（５）、ＡＢＳ＋Ｎクロス＋Ｎストレート（図１７）
図１７がこの実施例を示す図である。ＡＢＳ制御をかけながら併せてＮクロス制御及びＮストレート制御をかけたものである。この実施例によって、電流の省略化及び振動振幅の減少をはかることができる。
【００４７】
（６）、ＡＢＳ＋ＦＦ（図１８）
図１８がこの実施例を示す図である。ＡＢＳ制御をかけながら、ＦＦ制御をはかったものである。
【００４８】
（７）、ＡＢＳ＋Ｎストレート＋ＦＦ（図２０）
図２０がこの実施例である。ＡＢＳ制御をかけながらＮストレート、ＦＦとを併用させたものである。
【００４９】
（８）、Ｎクロス＋Ｎストレート＋ＦＦ（又はいずれか２つの組合せ）（図１９）
図１９がこの実施例を示す図である。ＡＢＳ制御はかけないで、Ｎクロス、Ｎストレート、ＦＦとを併用させたものである。更にＮクロスとＮストレートの組合せ、ＮストレートとＦＦの組合せ、ＮクロスとＦＦの組合せもありうる。
【００５０】
（９）、ＡＢＳ＋Ｎクロス＋Ｎストレート＋ＦＦ（図１）
図１にその実施例を示す。この実施例は、ＡＢＳ、Ｎクロス、Ｎストレート、ＦＦを回転数によって任意自在に用いて低振動、低電流化をはかることを目的とする。即ち、ロータ振動制御にとって大切なことは、共振点通過回転数域などの振動を制御することが必要な回転数の時にはできるだけ小電流で振動を小さく押えることである。又、振動制御が必要でない回転数の時には徹底して電流を流さないことである。このように小電流で低振動を達成することが目標課題であり、省エネルギー運転は機器の長寿命など他の多くの附帯的な利点を与え得る。従って、ロータの回転数域ごとにどのようなオプション機能を働かせるかが重要となる。不つりあい振動に関して言えば、共振点通過中の回転数域では十分な制御で系に減衰を与え振動を押えなくてはならない。一方、共振点以外の回転数域では不つりあい振動に対して何も制御しないことが得策である。
【００５１】
コマが全く支えることなく自分で自立して回転する様と同一で、非共振点域では回転数成分で制御する必要はないと考えてよい。又、共振点に近くなりそれを避けたい様な場合には、回転同期成分のばね力を正に大きくして上に押しやったり、負に大きくして下に押しやったりする共振点マージンの拡大を図ることにより、共振振幅の増大を回避する制御も成立つはずである。図１の実施例は、このような共振点とのかね合いで回転数域に応じて制御することにより、回転数全域に亘って小駆動電流で、かつ低振動に押える磁気軸受制御を達成するものである。
【００５２】
磁気軸受形遠心圧縮機などロータ振動制御に図１を採用した場合を以下で説明する。この種のロータの運転範囲は曲げ１次（Ｎｃ３）と曲げ２次（Ｎｃ４）共振点の間にとられることが多い。
ロータの浮上特性：非回転のロータ浮上技術のみであるから、Ｘ方向およびＹ方向のメインＰＩＤ制御回路４がその任を担う。よって、浮上特性も含め剛体モード共振の比較的低周波数域の制御はＰＩＤ制御回路に重きをおき、高周波数域の曲げモード共振制御は後述のオプションにもたせるとする分担方式が新たな改善策として考えられる。そうすると、チューニング作業は大幅に軽減される。現状ではロータの浮上特性も、剛体モードの共振点である低周波数域制御も、曲げモード共振の高周波域の制御もいずれもメインのＰＩＤ制御回路４に負担させており、その分だけチューニングを難しくしている。ここでは、メインのＰＩＤ制御は低周波数域制御に重点をおくタイプを使う。高周波数域制御はβ、α、δ、γの各係数で律せられるオプション回路にまかせる制御法を採用したのが本実施例である。
図２１に本実施例でのオプション回路の投入計画を示す。はじめに、低周波数域の剛体モードの共振が現われる。これは通常ならメインのＰＩＤ制御回路４に依ればよい。必要なら、Ｎクロスなどの共振振幅低減のオプションを挿入すれば良い。ここまでの制御は比較的容易にチューニング可能である。
【００５３】
次に回転昇速させると、ロータの曲げ１次モードの危険速度（共振）が現われる。この時は、メインのＰＩＤ制御回路４では減衰作用力が不十分なのでオプションを投入した方がベターである。
【００５４】
仮に運転回転数域が曲げ１次（Ｎｃ３）共振点以下ならば、図２１に示すように、Ｎストレートを使い曲げ１次共振点を少し上に押しやれば低振動が得られる。それでも不十分で共振点通過が必要なら、Ｎストレートを使用うことなく、Ｎクロスを使って早めに共振点を通過させるやり方をとる。このようなオプションを使っている場合は、メインのＰＩＤ制御回路４は制御する必要がないので、ＡＢＳ（Ｎカット、β）を働かせておくと良い。通常、磁気軸受形遠心圧縮機では曲げ１次モードと曲げ２次モードの間に運転範囲が設定されるので、曲げ１次モード共振点通過後はＡＢＳオプション制御のみで十分である。ＡＢＳ機能で回転同期成分を抜き取る程度は深ければ深い程良く、（ｘ−ｘＮ，ｙ−ｙＮ）が理想であるが、（ｘ−βｘＮ，ｙ−βｙＮ）と０＜β≦１を調整し、抜きとり量を調整してもよい。 運転回転数がさらに高く、曲げ２次モードの共振点に接近している場合にあっても、曲げ１次モードのときと同様の考えで、オプション機能投入の計画を立てることが可能である。
【００５５】
このように曲げモード１次や２次共振点通過中に共振振幅を制御する場合にＮクロスによる減衰定数ＣＮの強化で不つりあい振動の低減を図ろうとしているため、メインのＰＩＤ制御回路４からの回転同期振動の制御は必要としない。よってＡＢＳ機能も効かせておくとよい。
【００５６】
又、Ｎストレート機能によって共振点をシフトさせる場合も同様にＮストレートによるばねＫＮを強化させてるため、メインのＰＩＤ制御回路４からの寄与は不用である。よってこの時もＡＢＳ機能を効かせておくとよい。
いずれの場合も、ＡＢＳ機能を完全にβ＝１に設定するのが理想であるが、切替えに伴う不安定などを防止するため０＜β＜１の間の適当な値に設定することも実際には必要になる。いずれもβを０→１へと徐々に変化させ都合の良い値をＡＢＳ機能値として設定すればよい。
【００５７】
もちろん、ＮクロスからＮストレートへ切り替える時など（α≠０，δ＝０）→（α＝０，δ≠０）の如く完全に理想的に変えるのではなく、両者について、αは大→小へ、δは小→大へと徐々にあるいは大小の度合を変える程度の方策が現実には望まれると思う。
【００５８】
これらのα、β、δ、γをどのような値に設定変更していくかは現実のロータの回転などによって試験的に調整していけば良い。
例えば、βの調整：電流波形をモニターして、電流が例えば１／３程度軽減 されるように選ぶ。
αの調整：共振振幅が例えば１／３程度に減じ得るところを選ぶ。
δの調整：共振点近くの回転数で、振幅が１／２程度に減じ得るよ うな値を選ぶ。
γの調整：共振振幅が例えば１／２程度に減じるような位相φとゲ インγを選ぶ。
あるいは、シミュレーション計算により予め係数設定値を予測しておくことも可能である。
【００５９】
共振点通過中にはＦＦ加振をさらにオプション的に追加させることも可能である。しかし、実際にはＦＦ加振によるアンバランスキャンセルに比べて、ＡＢＳ＋Ｎクロスの方が共振振幅を小にかつ電流も小にて共振点通過が可能なデータは図１３に示した通りであり、ＦＦ加振を使用しなくてもよい場合もありうる。尚、ロータに新たにアンバランスが付加した場合には、すでにＦＦ加振で調整したキャンセル方向の位相はマッチしなくなり、かえって振動を大きくする方向に加振する可能性もあり、ＦＦ加振機能の使い方には注意を要す。
【００６０】
以上、示したように本項（９）の実施例では、トラッキンクセフィルタ７の出力信号を活用するオプション機能として、ＡＢＳ機能の度合β、Ｎクロス機能の度合α、Ｎストレート機能の度合δ、ＦＦ加振機能の度合γなる係数を設ける。そして、これらの係数を回転数域に応じて、例えば共振点通過前、通過中、通過後などに応じて、変化させる戦略をスケジューリングによって制御することを特徴としている。このようにして全回転数域において常に小振動で小電流の最適な省エネルギーの磁気軸受制御が達成される。又、このオプション機能によってメインのＰＩＤ制御回路４の負担が軽減され、チューニングが楽になる。すなわち、ＰＩＤ制御回路４の位相進みをできるだけ大きくもたせ、高周波で高ゲインとなりことに起因するサーボフィードバック系の発振現象に悩まされることがなくなる。
【００６１】
このようなゲインスケジューリングによって、計画に従って係数器の係数を変化させていくことはコンピュータ（ＣＰＵ）２０を利用すれば簡単に実現できる。すなわち、図１に概念を示すように、ロータの回転数をＣＰＵ２０で認識させ、回転数に応じて、記憶しているスケジュールに従ってゲインを変化させれば良い訳である。各係数器としては、ポテンショメータやゲイン調整可能なアンプや、或はディジタル設定器もありうる。そしてそれらに応じてＣＰＵ２０は、機械的又は電子的に係数設定を行う。
ゲインスケジュールの実施例を図２２に示す。
【００６２】
図２２（ａ）は、ＡＢＳ機能（β）を併用しながら、曲げ１次や曲げ２次モードの共振通過中にはＮクロス（α）の減衰力で振動を低減させる計画である。
【００６３】
図２２（ｂ）は、剛体モードの共振点通過にＮクロス（α）を使う。そして曲げ１次モード共振点付近では、その手前でアンバランスキャンセルのＦＦ加振（γ）を投入し、いよいよ共振点通過時にＮクロス（α）を投入する。もちろんＡＢＳ機能（β）も併用しておく。このようにして曲げ１次モード共振点を通過し、曲げ２次モード共振まで行く。ここでは、曲げ２次モード共振点も上にシフトさせる戦略をとり、アンバランスキャンセルのＦＦ加振（γ）を投入しながら、かつばね定数の強化を図るためＮストレート（δ）を投入する例である。このように回転数域をきめ細かく区分し、その状況に応じた最適なオプション機能を併用かつ使い分けながらスケジューリングしていく例を示している。
【００６４】
このようにいろいろなスケジュールが成り立つ。このスケジュールをＣＰＵ２０のメモリに記憶させておき、その係数α、β、γ、δの度合を変化させれば容易に実現できる。
【００６５】
図１はＸ方向とＹ方向のチャンネルを基本とした実際回路構成に従って説明したものである。複素数表現を導入し、これをもつと概念的に説明したものが図２３である。
【００６６】
図１において、Ｘ方向、Ｙ方向の検出変位信号（ｘ，ｙ）からメインＰＩＤ制御回路４、パワーアンプ５、電磁石コイル２は同一仕様で作られるのが基本で対称の形をしている。よって、表現を簡単にするため、複素数ｚ＝ｘ＋ｉｙとおく。そして複素数の実数部にＸ方向チャンネル、虚数部にＹ方向チャンネルを相当させることによって回路図の表現も簡素化される。それが図２３である。
【００６７】
例えば図１に示すようにＰＩＤ制御回路４の出力をＸ方向とＹ方向についてそれぞれ（ｘ’，ｙ’）とすると、
【数３】
【数４】
【００６８】
このような複素数導入による簡素化はトラッキングフィルタ７出力部のクロス回路やストレート回路についても言える。今、図１でトラッキングフィルタの出力信号（ｘＮ，ｙＮ）に対して図２３の複素数対応を
【数５】
【数６】
【数７】
【数８】
図２３の複素数対応から見ると、トラッキングフィルタ７出力に関するｚＮからＰＮへの伝達関数は
【数９】
【数１０】
【数１１】
【数１２】
よって、図２３で説明すると、Ｎクロス機能を効かせた時はα≠０，δ＝０だからθ＝９０°に設定したことに相当する。
【００７０】
又、Ｎストレート機能を効かせた時にはα＝０，δ≠０だからθ＝０°に設定したことに相当する。
【００７１】
図１で２相発振器１０の場合も同様に、Ｘ方向およびＹ方向にｃｏｓ波およびｓｉｎ波が生成されるので、回転数Ω（ｒａｄ／ｓｅｃ）とすると
【数１３】
【数１４】
【数１５】
【００７２】
このようにして、実際のＸおよびＹ方向表現の図１は、複素数Ｚ表現の導入によって図２３のように概念的に１チャンネルの表現に変換されることになる。
回転数を監視しながら、マニュアルでフィードバック系に組まれているトラッキングフィルタ７の出力のゲインＧと位相θとＦＦ加振の量を示すゲインＡと位相φを変化させることで実現できる。
【００７３】
又、図２３に概念を示すように、コンピュータ（ＣＰＵ）で回転数を監視し、予め決められたゲイン位相のスケジュールに於いて、ゲインＧとＡおよび位相θとφを可変にしていくことによって常に最適な省エネルギー制御（小振動かつ小電流）が実現可能となる。
【００７４】
（１０）、コンピュータによるα、β、γ、δの設定（図２４、２５）
図１、図１１等で示した ＣＰＵ２０によるα、β、γ、δの設定回路を図２４に示す。これは一種のコンピュータであり、共通バス２３にＣＰＵ２０、主メモリ２１、入力部２２、出力部２４を共通に接続した構成である。主メモリ２１は、ＣＰＵ２０を動作させる本来のＯＳ（オペレーティングシステム）等の他にスケジュールソフトを持つ。入力部２２は回転パルスを取り込む回路である。出力部２４は、ＣＰＵ２０で設定した係数（α、β、γ、δ）を出力する回路である。図２４の回路によれば、ＣＰＵ２０は、入力部２２からの回転パルスを次々に取り込み、スケジュールソフトを作動させて回転数に応じて定まる各係数α、β、γ、δをメモリ２１から読み出す。これを出力部２４を介して各係数の設定を行う。当然のことながら、図１０ではδのみの設定、図１１ではα、βの設定、図１ではα、β、γ、δの設定を行う。
【００７５】
図２５には、主メモリ２１内に設けたスケジュール制御テーブル２２を示す。このテーブル２２を回転数をアドレスとしてアクセスすることで必要な係数の読み出しを行う。尚、スケジュールソフトは主メモリ２１とは別に設けたＲＯＭに格納しておく例もある。
【００７６】
（１１）、コンピュータによる制御例（図２６）
図１０、図１１、図１等では、パワーアンプ５Ｘ、５Ｙの前段回路はディスクリートな回路の例であった。このディスクリートな回路に代わって、コンピュータのソフト処理で行うことも可能である。この実施例が図２６である。主メモリ２１には、スケジュールソフトの他に、ＰＩＤ制御回路４Ｘ、４Ｙの機能、トラッキングフィルタ７の機能、各係数（α、β、γ、δ）設定器の機能、各種の加算、減算機能を達成する制御ソフトを持っている。そして、外部からの回転パルスを入力部２２、変位を入力部２６を介して取り込み、ＣＰＵ２０がこの制御ソフト及びスケジュールソフトを働かせて図１又は図１０、図１１等で定まる処理を実行する。この結果を出力部２４を介してＰｘ、Ｐｙ指令として駆動部２５に与える。駆動部２５は、その指令から実際のＰｘ、Ｐｙを作り、これをパワーアンプ５Ｘ、５Ｙに与える。
【００７７】
この実施例によれば、完全ソフト化を達成できた。尚、スケジュールソフト、制御ソフトは、ＲＯＭ内に設けておく例もある。
【００７８】
（１２）、ＡＢＳ制御のもとでのｘＮ、ｙＮのフィードバック形（図２７〜図３０）
ＡＢＳ制御のかけ方を変形したものであり、回転同期トラッキングフィルタ７の出力信号ｘＮ、ｙＮをもとの変位信号ｘ、ｙから引くようにフィードバックする方法である。このフィードバックの量を示す比例定数をβ′とすると、先の図１等のβとの間には
【数１６】
【００７９】
このフィードバック形ＡＢＳでの実施例が図２７〜図３３であり、対応関係は以下の通りである。
図２７…図１
図２８…図１６
図２９…図１４
図３０…図１１
図３１…図１８
図３２…図１７
図３３…図２０
かかる各種のフィードバック形ＡＢＳの実施例にあっても、ＣＰＵ２０によるスケジュール処理や図２４や図２６による処理をしてもよいことは云うまでもない。尚、フィードバック形ＡＢＳに関する請求項では、β′の代わりにβを示したが、これは記載上の便宜のためであることを断わっておく。
【００８０】
【発明の効果】
本発明によれば、共振点通過時の前向き振動に対する減衰力が向上できるので、不つりあい振動に対して小さい共振振幅で通過でき、ロータのバランス精度が多少悪くても共振点の安全な通過が可能となるので、バランス作業が簡略化される効果があり、また回転中にロータに異物が付着するなどのために不つりあいが大きくなっても、共振点通過が小さい振動で通過できるので、電磁石コイルに流す電流を小さくでき、パワーアンプの耐力が向上するという効果がある。
【００８１】
更に、各比例係数α、β、γを回転数に応じて調整することで、回転数毎に最適制御（小電流、小振動）をはかることができる。このように常に小電流の運転が実現されることによってパワーアンプの電子回路の寿命が伸びる。磁気軸受にかかる力も軽減されるので、部品の寿命も伸びる。
【００８２】
又、Ｎストレートのδ機能を用いることにより、共振点を上にシフトさせることができ、高速回転まで運転範囲を引き伸ばすことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のＡＢＳ制御とＮクロス制御＋Ｎストレート制御とＦＦ制御との組合せ制御を行うための実施例図である。
【図２】従来のＰＩＤ制御を示す図である。
【図３】従来のＡＢＳ制御を示す図である。
【図４】従来の臨界制御を示す図である。
【図５】従来のＮクロス制御を示す図である。
【図６】先願のＦＦ制御を示す図である。
【図７】１次〜４次の共振点の説明図である。
【図８】従来及び先願での使用回転数範囲と制御電流との関係を示す図である。
【図９】ＡＢＳ制御による振動応答図である。
【図１０】本発明のＮストレート制御を行うための実施例図である。
【図１１】本発明のＡＢＳ制御とＮクロス制御との併用制御を行うための実施例図である。
【図１２】ＡＢＳ制御とＮクロス制御とのもとでの振動応答例図である。
【図１３】各種の制御による共振時の振動振幅と駆動電流との関係を示すテストデータを示す図である。
【図１４】本発明のＡＢＳ制御とＮクロス制御とＦＦ制御との併用制御を行うための実施例図である。
【図１５】図１４の実施例でのタイムスケジュール例を示す図である。
【図１６】本発明のＡＢＳ制御とＮストレート制御との併用制御を行うための実施例図である。
【図１７】本発明のＡＢＳ制御とＮクロス制御とＮストレート制御との併用制御を行うための実施例図である。
【図１８】本発明のＡＢＳ制御とＦＦ制御との併用制御を行うための実施例図である。
【図１９】本発明のＮクロスとＮストレート制御とＦＦ制御との併用制御を行うための実施例図である。
【図２０】本発明のＡＢＳ制御とＮストレート制御とＦＦ制御との併用制御を行うための実施例図である。
【図２１】図１の実施例でのスケジュール制御例を示す図である。
【図２２】図１の他のスケジュール制御例を示す図である。
【図２３】本発明の図１の実施例の等価回路を示す図である。
【図２４】本発明のコンピュータ制御の実施例図である。
【図２５】本発明のメモリテーブル例を示す図である。
【図２６】本発明のコンピュータ処理による制御系統図である。
【図２７】本発明のフィードバック形ＡＢＳ制御とＮクロス制御とＮストレート制御とＦＦ制御との組合せ制御を行うための実施例図である。
【図２８】本発明のフィードバック形ＡＢＳ制御とＮストレート制御との併用制御を行うための実施例図である。
【図２９】本発明のフィードバック形ＡＢＳ制御とＮクロス制御とＦＦ制御との併用制御を行うための実施例図である。
【図３０】本発明のフィードバック形ＡＢＳ制御とＮクロス制御との併用制御を行うための実施例図である。
【図３１】本発明のフィードバック形ＡＢＳ制御とＦＦ制御との併用制御を行うための実施例図である。
【図３２】本発明のＡＢＳ制御とＮクロス制御とＮストレート制御との併用制御を行うための実施例図である。
【図３３】本発明のＡＢＳ制御とＮストレート制御とＦＦ制御との併用制御を行うための実施例図である。
【符号の説明】
２Ｘ、２Ｙ 電磁コイル
４Ｘ、４Ｙ ＰＩＤ要素を使った制御回路
５Ｘ、５Ｙ パワーアンプ
７ トラッキングフィルタ
１０ ２相／同期発振器
２０ ＣＰＵ
Claims (1)
- 磁気軸受によって支持されたロータの回転中心からのＸ軸方向の変位量ｘとＹ軸方向の変位量ｙを検出する変位検出手段、前記ロータの回転パルスを入力として前記ロータの回転数に同期した成分ｘＮ、ｙＮを前記変位量ｘ、ｙから取り出すためのフィルタ手段、前記成分ｘＮに比例係数βで比例した量と前記変位量ｘとの差分量を入力として第１のＡＢＳ用制御信号を出力する第１のＡＢＳ用制御手段、前記成分ｙＮに前記比例係数βで比例した量と前記変位量ｙとの差分量を入力として第２のＡＢＳ用制御信号を出力する第２のＡＢＳ用制御手段、前記第１のＡＢＳ用制御信号を増幅して前記磁気軸受の第１のコイルに流れる励磁電流を制御する第１の電力増幅手段、および前記第２のＡＢＳ用制御信号を増幅して前記磁気軸受の第２のコイルに流れる励磁電流を制御する第２の電力増幅手段が用いられるＡＢＳ制御方式を用い、このＡＢＳ制御方式に対して、
前記変位検出手段、前記フィルタ手段、前記変位量ｘを入力として第１のＮクロス用制御信号を出力する第１のＮクロス用制御手段、前記変位量ｙを入力として第２のＮクロス用制御信号を出力する第２のＮクロス用制御手段、前記成分ｙＮに比例係数αで比例した量と前記第１のＮクロス用制御信号との差分量を前記第１の電力増幅手段の入力とする手段、および前記成分ｘＮに前記比例係数αで比例した量と前記第２のＮクロス用制御信号との加算量を前記第２の電力増幅手段の入力とする手段が用いられるＮクロス制御方式；
前記変位検出手段、前記フィルタ手段、前記変位量ｘを入力として第１のＮストレート用制御信号を出力する第１のＮストレート用制御手段、前記変位量ｙを入力として第２のＮストレート用制御信号を出力する第２のＮストレート用制御手段、前記成分ｘＮに比例係数δで比例した量と前記第１のＮストレート用制御信号との加算量を前記第１の電力増幅手段の入力とする手段、および前記成分ｙＮに前記比例係数δで比例した量と前記第２のＮストレート用制御信号との加算量を前記第２の電力増幅手段の入力とする手段が用いられるＮストレート制御方式；および
前記変位検出手段、前記変位量ｘを入力として第１のＦＦ用制御信号を出力する第１のＦＦ用制御手段、前記変位量ｙを入力として第２のＦＦ用制御信号を出力する第２のＦＦ用制御手段、前記ロータの回転数に同期した正弦波信号と余弦波信号を出力する手段、前記正弦波信号に比例係数γで比例した量と前記第１のＦＦ用制御信号との加算量を前記第１の電力増幅手段の入力とする手段または前記正弦波信号に比例係数γで比例した量を前記第１のＦＦ用制御手段へ入力する前記変位量ｘに加算する手段、および前記余弦波信号に前記比例係数γで比例した量と前記第２のＦＦ用制御信号との加算量を前記第２の電力増幅手段の入力とする手段または前記余弦波信号に前記比例係数γで比例した量を前記第２のＦＦ用制御手段へ入力する前記変位量ｙに加算する手段が用いられるＦＦ制御方式の各制御方式；
の何れか一つまたは複数を組み合わせて用いるものとし、そしてその組み合わせ制御にあって、前記比例係数β、α、δ、γは前記ロータの回転数に対応させたスケジュールとして所定の値が予め設定されるものである磁気軸受制御方法。
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| JP4-295258 | 1992-11-04 | ||
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