JP3694043B2 - 能動磁気軸受のサーボ制御回路用補正回路網 - Google Patents
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Description
【産業上の利用分野】
本発明はアクティブ(能動)磁気軸受用のサーボ制御回路に実装するための補正回路網に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来技術においては、少くとも1つの電磁石巻線を備えた能動磁気軸受(AMB)のサーボ制御ループは、回転子の位置検出用の組立物、補正回路網および電磁石巻線に給電するための電力増幅器とを具備している。補正回路網からの出力信号は、電磁石巻線に印加される電流を制御し、その際用いられる必要な電流はそれぞれが電流閉ループを形成する電力増幅器およびAMBの空隙における磁束変化に比例する信号により付与されるものである。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
能動(アクティブ)磁気軸受(AMB)のサーボ制御系は補正回路網を利用するもので、この回路網は比例+積分+微分型の伝達関数を有する。伝達関数は特にサーボ制御系の共振周波数の近辺において、即ち高利得、大きなスチフネスおよび短い応答時間を用いて、最適のサーボ制御動作を得るように規定されている。したがって、この回路網は第1に、共振周波数の減衰が可能となるために所定の位相の進みが共振周波数において現われるように規定され、第2に、該能動磁気軸受(AMB)に対し高いスチフネスを得るために、積分動作の遮断周波数が上記共振周波数に出来るだけ接近するように規定されている。
【0004】
軸の振動振幅がサーボ制御系の共振周波数における移動質量の振動の最大振幅により規定され得る線型領域に残っている限り、このような補正は満足なものとなる。不幸にも、共振周波数およびサーボ制御系のスチフネスが大きくなればなる程、上記線型領域は益々小さくなり、第1に能動磁気軸受の負荷搬送領域及び磁性材料の飽和点における誘導に従属する電磁石からの最大の力に依存し、第2にその電源電圧およびその送出する最大電流の関数として増幅器の電力に依存するものであるこの制限を有している。
【0005】
線型領域の外側に、例えば、磁気軸受の負荷容量より大きな外乱力により発生される、もしくはサーボ制御系がスイッチオンの時に発生する、および補助軸受との接触を発生せしめる大きな振動の存在する場合には、電磁石力の飽和もしくは利得を減少せしめ、またサーボ制御系の共振周波数を減少せしめる増幅器電力の飽和が発生するが、しかしながらそれはまた補正回路網の微分動作により得られる進相を減少もしくは消滅させる効果を有する位相偏移を生ぜしめる。この位相偏移はサーボ制御系に不安定性を発生させるものであって、その結果は能動磁気軸受(AMB)に特に損害を与え得るものである(空気ドリル効果)。
【0006】
大振幅振動により生ずる不安定性に対する救済方法は、サーボ制御系のスチフネスと共振周波数を減少させ、過剰な位相の進みを与え、かつ位置信号に関しピークリミッタを利用して、上記振動の振幅の関数として比例動作の利得を適応させることにある。不幸にも、経験の示す所では、サーボ制御系の速度信号に関するいかなる作用にも独立して実行される場合の位置信号のこのような制限作用は、電力増幅器の飽和に帰因する位相遅れを避けることを実際上必ずしも満足させるものではない。
【0007】
したがって、本発明の目的は、実装することが簡単であり、かつ巨大な投資を必要としない回路網を提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明は非線型補正回路網を与えるもので、該回路網は付加的な位相の進みを伝送するが、サーボ制御系がその線型領域の外側に動作している間のみ動作状態にされるものである。
【0009】
更に特定的に、本発明は入力信号Ve を受信し、かつ出力信号Vs を送出する能動磁気軸受のサーボ制御回路用補正回路網を与えるもので、該補正回路網は、サーボ制御系の共振周波数の近辺における決定された周波数帯域にわたり入力信号Ve を微分するための微分手段を備え、該微分手段の動作は、所定の電圧しきい値Vthを超える入力信号によりその動作が制御されるピーク制限用手段の動作に依存するものであって、該出力信号Vs は上記しきい値電圧に達しない限り、入力信号Ve を再生することを特徴とする補正回路網を提供するものである。
【0010】
決定された周波数領域内において、その入力端において受信された信号の振幅の関数として可変的である位相進みを与えるのに用いられる非線型補正回路網に対して、サーボ制御系の定格共振周波数より低い共振周波数の大振幅振動は適切に減衰可能であり、したがってその結果としてアクティブ磁気軸受のサーボ制御回路における不安定性が回避される。
【0011】
【作用】
好適な実施例において、微分手段は、第1のインピーダンス回路によりその入力信号が微分される増幅器の負帰還回路に接続された第2のインピーダンス回路を備え、該第2のインピーダンス回路は第1および第2のインピーダンス回路の作用が入力信号をして微分されるようにせしめる入力信号の所定のしきい値を規定するピーク制限手段に対し第1に並列に接続され、又第2に、ピーク制限回路が能動的でない状態を維持するように所定のしきい値が超えられない場合に、入力信号の微分が実行されず出力信号Vs が入力信号Ve に等しい状態を維持するように第1のインピーダンス回路に等しいインピーダンス回路に並列接続されるものである。
【0012】
演算増幅器に基づくこの第2のインピーダンス回路は、本発明の作用をして何等過重な費用を費すことなく簡単に実装させることを可能にするものである。
【0013】
該第1のインピーダンス回路は、コンデンサCに直列の第1の抵抗器rと第2の抵抗器R1 の並列接続を具備し、積rCと積R1 Cとはそれぞれ第1の時定数t1 と第2の時定数t2 とを規定するものである。
【0014】
該ピーク制限手段は、第3の抵抗器R2 と該回路の動作しきい値を決定する少くとも1つのダイオードDi との直列接続を具備し、積R2 Cは第3の時定数t3 を規定する。
【0015】
抵抗器−コンデンサ−ダイオード構造の使用は本発明の実装コストを顕著に制限する効果を有するが、一方それにも拘らずこのように実装された組立に関し最大の有効性と信頼度を与えるものである。
【0016】
第1の時定数t1 は第2の時定数t2 よりはるかに小であり、かつ第3の時定数t3 は第2の時定数t2 より小であり、第1の時定数t1 よりはるかに大であることが好ましい。
【0017】
本発明のその他の特徴と利点とは、非制限の表示により与えられ、かつ添付図面を参照して作成された以下の説明から一層明確になるものと思われる。
【0018】
【実施例】
以下、図面を用いて本発明を詳細に説明する。
図1は能動磁気軸受が大振幅の振動を受けている間に能動磁気軸受に対し減衰運動を保証するように設計された本発明に係る補正回路網の好適な実施例を示すものである。該回路網はインバータとして接続された単一演算増幅器10により構成され、第1のインピーダンス回路20を介して入力信号Veを受信するその反転入力端を有している。第2のインピーダンス回路30は、出力信号Vsを送る増幅器の出力と上記反転入力との間に負帰還を与える如く接続されている。組立は該入力信号Veを微分する手段を構成している。
【0019】
該第1のインピーダンス回路20は、コンデンサCと直列な第1の抵抗器rと第2の抵抗器R1 の並列接続を具備し、茲に積rCとR1 Cとは第1および第2の時定数t1 とt2 とをそれぞれ規定している。
【0020】
該第2のインピーダンス回路30は、インピーダンス回路20と等価のインピーダンス回路200と、第3の時定数t3 を規定する積R2 Cを有し、一組のダイオードDi と直列に接続された第3の抵抗器R2 により構成されるピーク制限手段300との並列接続を具備している。複数の直列ダイオード又は2個のツェナーダイオードにより構成可能な該1組のダイオードDi は、出力電圧Vs の増加によりダイオードを通電せしめる入力信号に対し、所定の電圧しきい値Vthを規定するのに用いられ、したがって抵抗器R2 をして負帰還インピーダンス回路200と並列に接続させるようにするものである。
【0021】
この補正回路網が大振幅で動作中に付加的な位相進みを与えるのを確実にするためには、上記特定の時定数はしたがって、次の関係
t1≪t3<t2
を満足する。この式の意味は、第1の時定数t1は第2の時定数t2より極めて小であり、第3の時定数t3は第2の時定数t2より小であり、かつ第1の時定数t1より極めて大であるということである。実際上、rの抵抗値は並列接続の抵抗器R1とR2により与えられるRの抵抗値より20ないし50倍小である。
【0022】
図1の補正回路の動作は図2と図3を参照してこゝに説明されるが、図2と図3とは上記回路の伝達関数に対する(それらの漸近線を含む)簡略化された利得と位相のボード線図である。
【0023】
そのしきい値がダイオードの接続される方法に依存して正および/または負になり得るダイオードの所定の導電しきい値の下では、ピーク制限回路は不能動的であり、かつ補正回路網の利得は第1のインピーダンス回路20のインピーダンスと第2のインピーダンス回路30のインピーダンスの間の比の負に等しくなり、この第2のインピーダンス回路30はこのような状態の下では、現在の場合第1のインピーダンス回路20のインピーダンスに等しい負帰還回路200のインピーダンスによってのみ構成される。これにより1の利得が発生し、線型条件下で先に実施され得たサーボ制御系のループの(利得又は位相の)調整を変更しない。その結果として、第1のインピーダンス回路20による入力信号の微分は、増幅器に関する負帰還として接続された微分回路200が実施する積分により補償される。演算増幅器回路の反転性により得られる180°の移相は、サーボ制御回路における利得1の別の反転増幅器を含むことにより単に消去され得るに過ぎない。
【0024】
ピーク制限回路300の所定の動作しきい値を超えると、抵抗器R2 は負帰還インピーダンス回路200と並列に接続され、その時補正回路の利得は、現在第1のインピーダンス回路20の不変のインピーダンスに対し、新しい値を有する第2のインピーダンス回路30のインピーダンスの比の関数として変化する。これは入力信号Ve に関する利得と位相における出力信号Vs を修正する結果になる。
【0025】
このような動作モードにおいて(Ve>Vth)、(当然実信号の歪みと奇数次高調波の出現を全然考慮しない)簡単な計算は次の補正回路網の伝達関数を決定することを可能にする:
および問題の種々の時定数に関し上記した拘束を考慮すれば:
之から周波数に対し利得と位相がいかに変化するかを決定することは容易である。
【0026】
利得の変化(図2参照)
低い周波数(第2の時定数t 2 により規定される遮断周波数以下の周波数)において、回路網の利得は一定であり、実質的に比R2/R1に等しく、この比は1より小である。高い周波数(第3の時定数t 3 により規定される遮断周波数より大きい周波数)において、利得はまた一定であるが、1に等しい。結果的に、中間周波数において、利得は周波数に対してR2/R1から1まで増加する。
【0027】
位相の変化(図3参照)
上述の如く、インバータである演算増幅器による反転は無視されるが、この反転は付加的な180°の移相を生ずる。
【0028】
低周波および高周波において、移相は0である。対照的に、中間の周波数においては、その最大値が第2および第3の時定数のそれぞれの値に依存する位相進みが観察可能であり、該第3の時定数に関して云えば、補正回路が付与し得る最大位相進みを制限するものである。
【0029】
大振幅の振動、例えばVthより大きく、上記2つの遮断周波数の間にある共振周波数を有する振幅の振動は、したがってその位相進みが増加されている間に減衰されるサーボ制御系の利得のこの組合せにより減衰されることになる。したがって振動の振幅は、補正回路網をその線型動作領域に導入するように減少することになり、その線型動作領域において振幅はサーボ制御回路により知られる如く「透明」(Gnet =1およびφnet =0°)になる。
【0030】
図4と図5とは、中間周波数と2つの相異なる最大振幅の正弦波入力信号に対する図1の補正回路網の入力信号Ve と出力信号Vs の波形のシミュレーションを夫々示している。一つの場合はピーク制限回路が動作するようになるしきい値より大きい振幅の場合であり、もう一つの場合は上記しきい値より振幅の小さい場合である。図4において、入力信号と出力信号(−Vs )とが重ね合わせられ、かつ2つの曲線間に移相が存在しないことが知られる。対照的に、図5においては、出力信号(−Vs )が振幅が減衰され、入力信号に対し位相進みを示し、かつこれは動作状態に入ったピーク制限回路の結果である。
【0031】
圧縮機に対する磁気的接合部(abutment) に本発明の補正回路網を実装することは、このような回路網の実用上の大きな利点を評価することを極めて容易にするものである。以下の数値を仮定するものとしよう:
懸吊質量 M=100kg
10gの加速に必要な力 Fm =10,000N
サーボ制御系の共振周波数 fo =200Hz
【0032】
最大の力による線型動作領域に関する制限は次式により与えられる:
x1 =Fm /(2πfo )2M、即ちx1 =0.0633mm
増幅器の飽和に基づく線型動作領域に関する制限は次式により与えられる:
x1 =Fm ′/(2πfo M)
磁気軸受の空隙e=1mm、および力F=UI/(2πfo e)を与える増幅器の最大電圧・電流積UI=10,000VAと仮定すると、即ちF=7958Nとなり、これは磁気軸受の最大力より小であり、之から
x1 =0.0633(7958/10,000)=0.05mm
が導き出される。
【0033】
磁気軸受の空隙は線型領域の範囲よりはるかに大きいので、上記0.05mmより大きな振幅のいかなる振動も増幅器の過負荷状態になることに導かれ、したがってサーボ制御系の共振周波数は上記サーボ制御系に不安定性を発生せしめる。本発明により付与される単純にして優雅な解決策は、このように大きな振動に対してサーボ制御回路の安定性を確実に保証するために必要のある位相の進みを挿入することを可能にすることである。能動磁気懸吊を有する種々の回転機、すなわち分子吸引ポンプ、ターボエキスパンダ等々に関する試験は、大きな外乱力によりひき起こされた補助軸受に関する無秩序な回転の開始後においても最大回転速度の回転子は、本発明の回路網を用いて装着された、サーボ制御システムにより適切な位置に、かつ補助軸受との継続した接触なしで瞬間的に戻されることを示す。
【0034】
図6は外乱が短い期間の間、能動磁気的懸吊をオフ状態に切換えることによりトリガーされた分子吸引ポンプに関するこのような試験の一つの結果を示している。磁気軸受の半径方向の検出器により測定される如きポンプ回転子の運動のスペクトル解析を構成する図面において(上記解析は0.28ミリ秒毎に繰返される)、外乱入力前と外乱入力中の両方の場合において回転周波数fo=420ヘルツにおける振幅が観察され得る。これは回転子の慣性軸のまわりの回転中の回転子の不平衡に基づくものである。
【0035】
磁気懸吊体がスイッチオフされている間、回転子は補助軸受に接触し、補助軸受の周波数においてうるさいガタガタいうラットル音(rattle) の発生が確立され、この場合の周波数は、補助軸受の遊びに相当する振幅を示す250Hzであって、回転子はそれ自身の周波数foで回転を継続する。最後に、磁気懸吊部が再び復帰に切換えられると、回転子は即時に正規の位置に戻され、同時にラットル音は消滅する。
【0036】
云うまでもなく、本発明の範囲を超えることなく、かつ能動磁気軸受もしくはその増幅器の過負荷される場合の減衰運動のために、上記補正回路網の別の実装も実施され得るものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る補正回路網の実施例の一例を示す。
【図2】図1の伝達関数に関する簡略化された利得のボード線図である。
【図3】図1の伝達関数に関する簡略化された位相のボード線図である。
【図4】入力信号の振幅に依存する2つの個別の構成を有する本発明の補正回路網における入出力信号の波形図である(0〜30ms,1V〜−1Vの振幅)。
【図5】入力信号の振幅に依存する2つの個別の構成を有する本発明の補正回路網における入出力信号の波形図である(0〜30ms,3V〜−3Vの振幅)。
【図6】ポンプの回転子の運動に関し実施されたスペクトル解析の1例を示す。
【符号の説明】
10…演算増幅器
20…第1のインピーダンス回路
30…第2のインピーダンス回路
200…インピーダンス回路
300…ピーク制限手段
Ve …入力信号
Vs …出力信号
Claims (6)
- 入力信号Veを受信し、かつ出力信号Vsを与える能動磁気軸受のサーボ制御回路用の補正回路網であって、該補正回路網はサーボ制御の共振周波数の近傍の、決定された周波数帯域にわたり、入力信号Veを微分するための微分手段(20,30)を具備し、該微分手段の動作はその動作が所定の電圧しきい値Vthを超える入力信号により制御されるピーク制限手段(300)の動作に依存するものであり、該しきい値電圧に達しない限り該出力信号Vsは該入力信号Veを再生することを特徴とする補正回路網。
- 前記微分手段は、その入力信号が第1のインピーダンス回路(20)により微分される増幅器(10)の負帰還回路に接続される第2のインピーダンス回路(30)を具備し、該第2のインピーダンス回路は、該第1および第2のインピーダンス回路(20,30)の作用が該入力信号をして微分させるようにする該入力信号の所定のしきい値を規定するピーク制限手段(300)に対し、第1に並列に接続され、および第2に、前記のピーク制限回路が非能動状態を維持するように所定のしきい値を超えない場合に、入力信号の微分が実行されずに出力信号Vsが入力信号Veに等しい状態を維持するように、該第1のインピーダンス回路(20)に等しいインピーダンス回路(200)に並列に接続されている、請求項1記載の補正回路網。
- 該第1のインピーダンス回路(20)はコンデンサCと直列な第1の抵抗器rと第2の抵抗器R1との並列接続を具備し、積rCとR1Cとはそれぞれ第1の時定数t1と第2の時定数t2とを規定するものである、請求項2記載の補正回路網。
- 前記ピーク制限手段(300)は、第3の抵抗器R2と前記ピーク制限回路の前記の動作しきい値を決定する少くとも1つのダイオードDiとの直列接続を具備し、積R2Cが第3の時定数t3を規定する、請求項2記載の補正回路網。
- 前記ピーク制限手段(300)は、第3の抵抗器R2と前記ピーク制限回路の前記の動作しきい値を決定する少くとも1つのダイオードDiとの直列接続を具備し、積R2Cが第3の時定数t3を規定する、請求項3記載の補正回路網。
- 前記第1の時定数t1は、前記第2の時定数t2より小であり、かつ前記第3の時定数t3は該第2の時定数t2より小であり、および該第1の時定数t1より大であり、前記第1の抵抗器rの抵抗値は並列接続の前記第2および第3の抵抗器R 1 とR 2 により与えられる等価抵抗の値Rの1/20ないし1/50である、請求項5記載の補正回路網。
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