JP4344601B2 - Magnetic bearing low disturbance control device - Google Patents
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Description
この発明は、回転体(ロータ)を非接触で支持する磁気軸受が発生する擾乱を、磁気軸受のサーボ共振周波数域を含めた全周波数領域において低減する低擾乱化制御装置に関するものである。 The present invention relates to a low disturbance control device that reduces disturbance generated by a magnetic bearing that supports a rotating body (rotor) in a non-contact manner in all frequency ranges including a servo resonance frequency range of the magnetic bearing.
従来、磁気軸受の擾乱抑制装置として、同期妨害補償装置がある。この同期妨害補償装置は、ロータ半径方向位置x,yの検出手段と、二入力加算器から出力されるロータ半径方向位置x,yに基づいて、予め設定した半径方向位置にロータを保持するように軸受電磁石コイルに対して電流を供給する制御回路とを備えた通常の磁気軸受装置に対して、ロータ半径方向位置検出手段と制御回路との間に処理回路を配置した構成となっている。この処理回路は、アキシャル方向ロータ回転速度の周波数に中心を置く帯域消去フィルタとして作用し、ロータ半径方向位置x,yから回転同期成分を除去するため、回転同期周波数域における軸受剛性を著しく減少させる。これにより、ロータは慣性主軸周りに回転するため、ロータ回転時に磁気軸受装置が発生する力の振動、つまり擾乱を抑制することが可能となる(例えば、特許文献1参照)。 Conventionally, as a disturbance suppression device for a magnetic bearing, there is a synchronous interference compensation device. The synchronous disturbance compensating apparatus holds the rotor at a preset radial position based on the rotor radial position x, y detecting means and the rotor radial position x, y output from the two-input adder. In contrast to a normal magnetic bearing device having a control circuit for supplying current to the bearing electromagnet coil, a processing circuit is arranged between the rotor radial position detecting means and the control circuit. This processing circuit acts as a band elimination filter centered on the frequency of the axial direction rotor rotational speed, and removes the rotational synchronization component from the rotor radial position x, y, thereby significantly reducing the bearing rigidity in the rotational synchronization frequency range. . Thereby, since the rotor rotates around the inertial main shaft, vibration of the force generated by the magnetic bearing device when the rotor rotates, that is, disturbance can be suppressed (for example, refer to Patent Document 1).
また、従来、磁気軸受の共振周波数域通過を容易にする装置として、臨界周波数減衰装置がある。この臨界周波数減衰装置は、通常の磁気軸受装置に対して、進相網と並列にディジタル回路を配置した構成となっている。このディジタル回路は、アキシャル方向ロータ回転速度と等しい周波数に中心を置く周波数帯域において、ロータ半径方向位置x,yの位相または進相利得の選択的増幅を行う手段として作用し、回転同期周波数域における磁気軸受制御系の位相、即ち進相利得の増大を可能にする。これにより、回転同期周波数域において軸受剛性が増加し、特に、磁気軸受の共振周波数域においてはロータ振れ回り量を抑制して共振周波数域を容易に超えることが可能となる(例えば、特許文献2参照)。 Conventionally, there is a critical frequency attenuating device as a device for facilitating the passage of the magnetic bearing in the resonance frequency range. This critical frequency attenuating device has a configuration in which a digital circuit is arranged in parallel with a phase advance network with respect to a normal magnetic bearing device. This digital circuit acts as a means for selectively amplifying the phase or phase gain of the rotor radial position x, y in a frequency band centered at a frequency equal to the axial rotor rotational speed, It is possible to increase the phase of the magnetic bearing control system, that is, the phase advance gain. As a result, the bearing rigidity is increased in the rotation synchronization frequency range, and in particular, in the resonance frequency range of the magnetic bearing, it is possible to suppress the rotor swing amount and easily exceed the resonance frequency range (for example, Patent Document 2). reference).
また、従来、ロータの擾乱抑制装置として、磁気軸受制御装置がある。この磁気軸受制御装置は、同期妨害補償装置と等価なABS制御、及び臨界周波数減衰装置と等価なNクロス制御、FF制御の適用度を調整するゲインを、アキシャル方向ロータ回転速度に応じてCPUが設定する構成となっている。従って、アキシャル方向ロータ回転速度が磁気軸受の共振周波数域以外にある場合はABS制御のみを適用して、回転同期周波数域における軸受剛性を減少させて慣性主軸回りのロータ回転による低擾乱化を実現し、ロータ回転速度が磁気軸受の共振周波数域にある場合はNクロス制御、またはFF制御を適用することにより、回転同期周波数域における軸受剛性を増加させてロータ振れ回り量の抑制による共振周波数域の容易な通過を可能とすることができる(例えば、特許文献3参照)。 Conventionally, there is a magnetic bearing control device as a rotor disturbance suppressing device. In this magnetic bearing control device, the CPU adjusts the gain for adjusting the applicability of the ABS control equivalent to the synchronous disturbance compensation device, the N-cross control equivalent to the critical frequency attenuation device, and the FF control according to the axial direction rotor rotational speed. It is configured to set. Therefore, when the rotational speed of the rotor in the axial direction is outside the resonance frequency range of the magnetic bearing, only the ABS control is applied to reduce the bearing rigidity in the rotational synchronization frequency range, thereby realizing low disturbance due to the rotor rotation around the inertia spindle. When the rotor rotation speed is in the resonance frequency range of the magnetic bearing, the N cross control or FF control is applied to increase the bearing rigidity in the rotation synchronization frequency range, thereby reducing the rotor swing amount. Can be easily passed (see, for example, Patent Document 3).
上記特許文献1の制御方法では、ロータ回転同期周波数域のみ軸受剛性を極度に下げることで、ロータを慣性主軸回りに回転させて低擾乱化を図っている。この従来の制御方法で低擾乱化を実現するためには、回転同期周波数域における軸受剛性の低下量を所定量以上に設定する必要があるが、磁気軸受のサーボ共振周波数域において軸受剛性の低下量を大きくするとロータの安定浮上が損なわれるために、サーボ共振周波数域では十分な擾乱抑制が実現できないという問題があった。
In the control method of
また、上記特許文献2及び3の制御方法では、回転同期周波数域における軸受剛性を増加させてロータ振れ回り量の抑制による共振周波数域の容易な通過を可能とすることができ、特許文献3では、さらに、ロータ回転同期周波数域のみ軸受剛性を極度に下げることで、ロータを慣性主軸回りに回転させて低擾乱化を図ることができるが、サーボ共振周波数域では軸受剛性を増加させることによって、発生擾乱も増加してしまうという問題がある。
Further, in the control methods of
この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、磁気軸受装置が発生する擾乱を、磁気軸受のサーボ共振周波数域を含めた全周波数領域において低減する低擾乱化制御装置を提供することを目的としている。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and is a low disturbance control that reduces the disturbance generated by the magnetic bearing device in the entire frequency range including the servo resonance frequency range of the magnetic bearing. The object is to provide a device.
この発明に係る第1の磁気軸受の低擾乱化制御装置は、ロータを電磁力によって浮上させる複数の電磁石からなる磁気軸受の、ラジアル方向をX軸及びY軸、中心軸をZ軸とする固定座標系において、上記ロータの幾何中心軸が上記ラジアル方向に並進運動するラジアル方向並進変位及び上記ロータの幾何中心軸が上記固定座標系のアキシャル方向(Z軸方向)に並進運動するアキシャル方向並進変位の3自由度ロータ変位と、上記ロータの幾何中心軸が上記固定座標系のZ軸を含む平面内で回動するラジアル方向回転変位の2自由度ロータ変位からなる5自由度ロータ変位及びアキシャル方向ロータ回転角度に関係する情報(ロータ変位情報)を検出する変位検出手段と、
上記変位検出手段の出力を、上記5自由度ロータ変位に変換するロータ変位演算器と、 上記ロータ変位演算器の出力に基づいて、上記ロータを磁気軸受の所定の位置に制御するための軸受力となるラジアル方向及びアキシャル方向軸受力指令、上記ロータのラジアル方向回転変位を制御する軸受力となるラジアル方向軸受モーメント指令を出力する制御指令出力手段と、
上記ロータ変位演算器の出力に基づいて、上記電磁石各々と上記ロータとのギャップ長を出力するギャップ長演算器と、
上記ギャップ長演算器の出力及び上記制御指令出力手段の出力に基づいて、上記制御指令出力手段から出力されるラジアル方向及びアキシャル方向軸受力指令、及びラジアル方向軸受モーメント指令を実現するための上記電磁石各々に対する供給電流を分配して供給する電力分配器とを備えた軸受制御系、
上記ロータのアキシャル方向ロータ回転角度に基づいて、上記軸受制御系における制御指令出力手段が出力するラジアル方向軸受力指令を、上記ロータの幾何中心軸をZ軸、上記Z軸に垂直な方向をX軸及びY軸としてロータと共にZ軸まわりに回転する回転座標系表現に変換する回転座標変換器と、
上記回転座標変換器の出力のロータ回転同期成分を抽出するLPFと、
上記LPFの出力を積分して、ラジアル方向に並進させる回転座標系のラジアル方向並進変位を出力する積分器と、
上記ロータのアキシャル方向ロータ回転角度に基づいて、上記積分器が出力するラジアル方向並進変位を上記固定座標系表現に変換して上記ロータの重心位置が上記回転座標系原点に位置するように上記ロータの幾何中心軸をラジアル方向に並進させるラジアル方向並進変位指令を算出する固定座標変換器とを備えた並進変位指令制御系、
を備え、
上記固定座標系に変換したラジアル方向並進変位指令により、上記軸受制御系が上記電磁石を制御して上記ロータの浮上位置を所定位置に制御するものである。
A first disturbance control device for a magnetic bearing according to a first aspect of the present invention is a fixed magnetic bearing comprising a plurality of electromagnets that levitate a rotor by electromagnetic force, with a radial direction as an X axis and a Y axis, and a central axis as a Z axis. In the coordinate system, a radial translational displacement in which the geometric center axis of the rotor translates in the radial direction, and an axial translational displacement in which the geometric center axis of the rotor translates in the axial direction (Z-axis direction) of the fixed coordinate system. 5-degree-of-freedom rotor displacement and axial direction consisting of a 3-degree-of-freedom rotor displacement and a 2-degree-of-freedom rotor displacement in which the geometric center axis of the rotor rotates in a plane including the Z-axis of the fixed coordinate system Displacement detecting means for detecting information related to the rotor rotation angle (rotor displacement information);
A rotor displacement calculator for converting the output of the displacement detector into the 5-degree-of-freedom rotor displacement; and a bearing force for controlling the rotor to a predetermined position of the magnetic bearing based on the output of the rotor displacement calculator. A control command output means for outputting a radial direction and axial direction bearing force command, and a radial direction bearing moment command serving as a bearing force for controlling the radial rotational displacement of the rotor;
Based on the output of the rotor displacement calculator, a gap length calculator that outputs the gap length between each of the electromagnets and the rotor ;
The electromagnet for realizing the radial direction and axial direction bearing force command and the radial direction bearing moment command output from the control command output means based on the output of the gap length calculator and the output of the control command output means. A bearing control system including a power distributor that distributes and supplies a supply current to each ;
Based on the rotor rotational angle in the axial direction of the rotor, the radial bearing force command output by the control command output means in the bearing control system is expressed as follows: the geometric center axis of the rotor is the Z axis, and the direction perpendicular to the Z axis is X A rotary coordinate converter for converting into a rotary coordinate system representation that rotates about the Z axis with the rotor as an axis and a Y axis;
LPF for extracting the rotor rotation synchronization component of the output of the rotary coordinate converter;
An integrator that integrates the output of the LPF and outputs a radial translational displacement of a rotating coordinate system that translates in the radial direction;
Based on the axial rotor rotation angle of the rotor, the radial translation displacement output from the integrator is converted into the fixed coordinate system representation so that the center of gravity of the rotor is located at the origin of the rotary coordinate system. translational displacement command control system that includes a fixed coordinate converter for calculating a radial translational displacement command for translating the geometric center axis of the radial direction,
With
The bearing control system controls the electromagnet to control the flying position of the rotor to a predetermined position by a radial translational displacement command converted to the fixed coordinate system.
この発明に係る第2の磁気軸受の低擾乱化制御装置は、ロータを電磁力によって浮上させる複数の電磁石からなる磁気軸受の、ラジアル方向をX軸及びY軸、中心軸をZ軸とする固定座標系において、上記ロータの幾何中心軸が上記ラジアル方向に並進運動するラジアル方向並進変位及び上記ロータの幾何中心軸が上記固定座標系のアキシャル方向(Z軸方向)に並進運動するアキシャル方向並進変位の3自由度ロータ変位と、上記ロータの幾何中心軸が上記固定座標系のZ軸を含む平面内で回動するラジアル方向回転変位の2自由度ロータ変位からなる5自由度ロータ変位及びアキシャル方向ロータ回転角度に関係する情報(ロータ変位情報)を検出する変位検出手段と、
上記変位検出手段の出力を、上記5自由度ロータ変位に変換するロータ変位演算器と、
上記ロータ変位演算器の出力に基づいて、上記ロータを磁気軸受の所定の位置に制御するための軸受力となるラジアル方向及びアキシャル方向軸受力指令、上記ロータのラジアル方向回転変位を制御する軸受力となるラジアル方向軸受モーメント指令を出力する制御指令出力手段と、
上記ロータ変位演算器の出力に基づいて、上記電磁石各々と上記ロータとのギャップ長を出力するギャップ長演算器と、
上記ギャップ長演算器の出力及び上記制御指令出力手段の出力に基づいて、上記制御指令出力手段から出力されるラジアル方向及びアキシャル方向軸受力指令、及びラジアル方向軸受モーメント指令を実現するための上記電磁石各々に対する供給電流を分配して供給する電力分配器とを備えた軸受制御系、
上記ロータのアキシャル方向ロータ回転角度に基づいて、上記軸受制御系における制御指令出力手段が出力するラジアル方向軸受モーメント指令を、上記ロータの幾何中心軸をZ軸、上記Z軸に垂直な方向をX軸及びY軸としてロータと共にZ軸周りに回転する回転座標系表現に変換する回転座標変換器と、
上記回転座標変換器の出力のロータ回転同期成分を抽出するLPFと、
上記LPFの出力を積分してラジアル方向に回転させる回転座標系のラジアル方向回転変位を出力する積分器と、
上記ロータのアキシャル方向ロータ回転角度に基づいて、上記積分器から出力されるラジアル方向回転変位を上記固定座標系表現に変換して上記ロータの慣性主軸が上記磁気軸受けの中心軸と平行になるように上記ロータの幾何中心軸を上記固定座標系のZ軸を含む平面内で回動させるラジアル方向回転変位指令を算出する固定座標変換器とを備えた回転変位指令制御系、
を備え、
上記固定座標系に変換したラジアル方向回転変位指令により、上記軸受制御系が上記電磁石を制御して上記ロータの浮上位置を所定位置に制御するものである。
A second disturbance control device for a magnetic bearing according to the present invention is a magnetic bearing composed of a plurality of electromagnets that levitates a rotor by electromagnetic force, with a radial direction as an X axis and a Y axis, and a central axis as a Z axis. In the coordinate system, a radial translational displacement in which the geometric center axis of the rotor translates in the radial direction, and an axial translational displacement in which the geometric center axis of the rotor translates in the axial direction (Z-axis direction) of the fixed coordinate system. 5-degree-of-freedom rotor displacement and axial direction consisting of a 3-degree-of-freedom rotor displacement and a 2-degree-of-freedom rotor displacement in which the geometric center axis of the rotor rotates in a plane including the Z-axis of the fixed coordinate system Displacement detecting means for detecting information related to the rotor rotation angle (rotor displacement information);
A rotor displacement calculator for converting the output of the displacement detection means into the 5-degree-of-freedom rotor displacement;
Based on the output of the rotor displacement calculator, a radial and axial direction bearing force command that becomes a bearing force for controlling the rotor to a predetermined position of the magnetic bearing, and a bearing force for controlling the radial rotational displacement of the rotor Control command output means for outputting a radial bearing moment command,
Based on the output of the rotor displacement calculator, a gap length calculator that outputs the gap length between each of the electromagnets and the rotor ;
The electromagnet for realizing the radial direction and axial direction bearing force command and the radial direction bearing moment command output from the control command output means based on the output of the gap length calculator and the output of the control command output means. A bearing control system including a power distributor that distributes and supplies a supply current to each ;
Based on the rotor rotational angle in the axial direction of the rotor, the radial bearing moment command output by the control command output means in the bearing control system is expressed as follows: the geometric center axis of the rotor is the Z axis, and the direction perpendicular to the Z axis is X A rotary coordinate converter that converts the rotary coordinate system to rotate around the Z axis together with the rotor as an axis and a Y axis;
LPF for extracting the rotor rotation synchronization component of the output of the rotary coordinate converter;
An integrator for outputting a radial rotational displacement of the rotating coordinate system that rotates in the radial direction by integrating the output of the LPF,
Based on the rotor rotational angle in the axial direction of the rotor, the radial rotational displacement output from the integrator is converted into the fixed coordinate system representation so that the inertial main shaft of the rotor is parallel to the central axis of the magnetic bearing. A rotational displacement command control system comprising: a fixed coordinate converter that calculates a radial rotational displacement command for rotating the geometric center axis of the rotor in a plane including the Z axis of the fixed coordinate system;
With
The bearing control system controls the electromagnet to control the flying position of the rotor to a predetermined position by a radial rotational displacement command converted into the fixed coordinate system.
この発明に係る第1の磁気軸受の低擾乱化制御装置によれば、ロータの重心位置を上記回転座標系Z軸上に位置するようにしているので、ロータ静不釣合いに起因する擾乱力を低減することができる。 According to the first disturbance control device for a magnetic bearing according to the present invention, since the position of the center of gravity of the rotor is positioned on the rotational coordinate system Z-axis, the disturbance force caused by the rotor unbalance is reduced. Can be reduced.
この発明に係る第2の磁気軸受の低擾乱化制御装置によれば、ロータ慣性主軸を磁気軸受中心軸と平行になるようにしているので、ロータ動不釣合いに起因する擾乱モーメントを低減することができる。 According to the second disturbance control device for a magnetic bearing according to the present invention, since the rotor inertia main shaft is made parallel to the magnetic bearing central axis, the disturbance moment caused by rotor dynamic imbalance is reduced. Can do.
実施の形態1.
図1は、磁気軸受装置の構成要素であるロータ、電磁石、及び変位検出手段の配置例を示す構成図であり、(a)は正面図、(b)は平面図である。
FIG. 1 is a configuration diagram showing an arrangement example of a rotor, an electromagnet, and a displacement detection means that are components of a magnetic bearing device, where (a) is a front view and (b) is a plan view.
図1に示したように、この実施の形態1における磁気軸受装置は、ロータ1、ロータ1を電磁力によって所定位置に浮上させる電磁石2からなる磁気軸受、ロータ1の磁気軸受中心からの変位を検出する変位検出手段3を備えており、X軸、Y軸、及びZ軸は磁気軸受(図示していないステータに対して固定されている)に固定された固定座標系の座標軸で、Z軸は磁気軸受中心軸(アキシャル方向)、X軸、Y軸は磁気軸受中心軸に垂直で、互いに直交するラジアル軸であり、固定座標系原点はロータ1の幾何中心位置となっている。
As shown in FIG. 1, the magnetic bearing device according to the first embodiment includes a
また、ロータ1の3自由度並進変位X,Y,Z及びラジアル方向2自由度回転変位θx、θyを制御する磁気軸受装置において、円柱状のロータ1の周囲に10個の電磁石2a〜2j及び10個の変位検出手段3a〜3jを配置している。
Further, in the magnetic bearing device for controlling the three-degree-of-freedom translational displacements X, Y, Z and the radial two-degree-of-freedom rotational displacements θx, θy of the
ロータ1には、ロータ1の幾何中心軸が固定座標系原点からラジアル方向に並進運動するラジアル方向並進変位X,Y、ロータ1の幾何中心軸が固定座標のアキシャル方向(Z軸方向)に並進運動するアキシャル方向並進変位Z、及びロータ1の幾何中心軸が固定座標系のZ軸を含む平面内で回動するラジアル方向回転変位θx、θyといったロータ変位が生じる。
In the
この構成の磁気軸受装置では、変位検出手段3a〜3hから出力される、ロータ変位に関する情報(以下、ロータ変位情報という)によって、ロータ1のラジアル方向並進変位X,Y及びラジアル方向回転変位θx、θyを算出することができ、変位検出手段3i〜3jから出力されるロータ変位情報によってロータ1のアキシャル方向並進変位Zを算出することができる(すなわち、5自由度ロータ変位X,Y,Z、θx、θyを算出することができる)。また、電磁石2a〜2hが発生する電磁力によって、ロータ1に作用するラジアル方向軸受力及びラジアル方向軸受モーメントを制御することができ、電磁石2i〜2jが発生する電磁力によってロータ1に作用するアキシャル方向軸受力を制御することができる。
In the magnetic bearing device having this configuration, the radial translational displacements X and Y of the
図2は、傾斜磁極リング状ロータ1の周囲に6個の電磁石2a〜2f及び6個の変位検出手段3a〜3fを配置した磁気軸受装置の正面図(a)及びA−A断面図(b)であり、変位検出手段3a〜3fから出力されるロータ変位情報によって5自由度ロータ変位X,Y,Z、θx、θyを算出することができ、また、電磁石2a〜2fが発生する電磁力によってロータに作用するラジアル方向軸受力、アキシャル方向軸受力及びラジアル方向軸受モーメントを制御することができる。
2A and 2B are a front view and a cross-sectional view taken along line AA of a magnetic bearing device in which six
図3は、この発明に係る低擾乱化制御装置における実施の形態1を説明するためのブロック図、図4は、実施の形態1を説明するためのロータ半径方向断面図である。 FIG. 3 is a block diagram for explaining the first embodiment of the low disturbance control device according to the present invention, and FIG. 4 is a rotor radial cross-sectional view for explaining the first embodiment.
図3に示したように、低擾乱化制御装置は、ロータ1の幾何中心軸を磁気軸受の所定の位置に制御するための軸受力となる軸受力指令Fx,Fy,Fz及びロータ1のラジアル方向回転変位を制御する軸受力となるラジアル方向軸受モーメント指令Nx,Nyを出力する軸受制御系10及び軸受制御系10に対して軸受力指令Fx,Fyからロータ1のラジアル方向並進変位指令を算出して出力する並進変位指令制御系20を備える。
As shown in FIG. 3, the low disturbance control device includes bearing force commands Fx, Fy, Fz which are bearing forces for controlling the geometric central axis of the
軸受制御系10は、ロータ1、ロータ1を電磁力によって浮上させる電磁石2及びロータ1の変位を検出する変位検出手段3からなる構成要素11、n個の変位検出手段(変位センサ)3から出力されるロータ変位情報S1,S2・・・Snに基づいて、ロータ1の3自由度並進変位X,Y,Z及びラジアル方向2自由度回転変位θx、θyからなる5自由度ロータ変位を算出するロータ変位演算器12、5自由度ロータ変位X,Y,Z,θx,θyに基づいて、磁気軸受を構成するn個の電磁石2の各々におけるギャップ長G1,G2,・・・Gnを算出するギャップ長演算器13、ロータ変位の偏差(5自由度ロータ変位X,Y,Z,θx,θyとラジアル方向並進変位指令Xc、Yc、アキシャル方向並進変位指令Zc、ラジアル方向回転変位指令θxc、θycとの偏差)に基づいて軸受力指令Fx,Fy,Fz及びラジアル方向軸受モーメント指令Nx,Nyを算出する、制御指令出力手段としてのPID制御器15、軸受力指令Fx,Fy,Fz、軸受モーメント指令Nx,Ny及び軸受電磁石ギャップ長G1,G2,・・・Gnに基づいて、電磁石2の各々に対して供給電流I1,I2,・・・,Inを分配して供給する電力分配器14を備える。図にはX軸方向並進運動に対するPID制御器15x及びY軸方向並進運動に対するPID制御器15yのみを図示している。
The bearing
また、並進変位指令制御系20は、軸受制御系10において出力されたラジアル方向軸受力指令Fx,Fyを、アキシャル方向ロータ回転角度θzを用いてロータに固定された回転座標系表現Fxr,Fyrに変換する回転座標変換器21、ラジアル方向軸受力指令の回転座標系表現Fxr,Fyrに対して、通過低周波数帯域を大略1Hz程度の狭帯域とすることで、ラジアル方向軸受力指令のロータ回転同期成分のみを抽出するLPF(ローパス・フィルタ)22、LPF22の出力を積分し、ロータ1のラジアル方向並進変位指令の回転座標系表現Xcr,Ycrを出力する積分器23、積分器23の出力であるラジアル方向並進変位指令の回転座標系表現Xcr,Ycrを、アキシャル方向ロータ回転角度θzを用いて固定座標系表現Xc,Ycに変換する固定座標変換器24を備えている。
Further, the translational displacement
図4は、ロータ半径方向断面を示す断面図であり、図4(a)は並進変位指令制御系を適用した直後、図4(b)は並進変位指令制御系を適用後十分時間が経過した後の状態を示している。図4において、ロータ1の回転軸に垂直で互いに直交し、かつ、ロータに対して固定された回転座標系の座標軸をXr,Yrとし、この回転座標系の原点は上記固定座標系原点と一致している。また、ロータの重心位置をG、変位検出手段で検出したロータ変位情報により決定するロータの幾何中心位置をS、ロータの静不釣合いに起因する振れ回り力を30、回転座標変換器21から出力されるラジアル方向軸受力指令の回転座標系表現Fxr,Fyrを要素とするベクトルを31、ラジアル方向並進変位指令の回転座標系表現Xcr,Ycrを要素とするベクトルを32としている。
FIG. 4 is a cross-sectional view showing a cross section in the radial direction of the rotor. FIG. 4 (a) is just after applying the translational displacement command control system, and FIG. 4 (b) is enough time after applying the translational displacement command control system. The later state is shown. In FIG. 4, the coordinate axes of the rotational coordinate system perpendicular to the rotational axis of the
次に、動作について説明する。軸受制御系10において、ロータ変位を検出する電磁石/ロータ/変位検出手段からなる構成要素11から出力されるロータ変位情報Si(i=1、2、…、n)は、ロータ変位演算器12によってロータの3自由度並進変位X、Y、Z及びラジアル方向2自由度回転変位θx、θyからなる5自由度のロータ変位に変換される。この5自由度ロータ変位はフィードバックされ、5自由度ロータ変位とラジアル方向並進変位指令Xc、Yc、アキシャル方向並進変位指令Zc、ラジアル方向回転変位指令θxc、θycとの偏差信号をPID制御器15に入力する。PID制御器15では入力された偏差信号に基づいて、磁気軸受に対する軸受力指令Fx、Fy、Fz及びラジアル方向軸受モーメント指令Nx、Nyを算出して出力する。ギャップ長演算器13では、ロータ変位演算器12から出力される5自由度ロータ変位に基づいて、磁気軸受を構成するn個の電磁石の各々におけるギャップ長G1、G2、…、Gnを算出して出力する。電力分配器14では、ギャップ長演算器13から出力される軸受電磁石ギャップ長Gi(i=1、2、…、n)において、PID制御器15から出力される軸受力指令Fx、Fy、Fz及びラジアル方向軸受モーメント指令Nx、Nyを実現するために、n個の電磁石の各々に対する供給電流I1、I2、…、Inを分配して供給する。
ただし図3では、簡単のためにアキシャル方向並進運動及びラジアル方向回転運動のフィードバック・ループは図示していない。
Next, the operation will be described. In the
However, in FIG. 3, for the sake of simplicity, the feedback loop for the axial translational motion and the radial rotational motion is not shown.
このような軸受制御系10の動作により、ロータ浮上位置がラジアル方向並進変位指令Xc、Yc、アキシャル方向並進変位指令Zc、ラジアル方向回転変位指令θxc、θyc(5自由度のロータ変位指令)と一致するように制御することが可能となる。
By such operation of the bearing
しかしながら、従来の磁気軸受制御装置では、5自由度のロータ変位指令を常に零値としており、従ってアキシャル方向ロータ回転速度が軸受制御系10の位置制御帯域よりも低い場合のロータ半径方向断面図は、理想的には図4(a)に示す通りとなる。すなわち、回転座標系Xr−Yrから見た場合、ロータ幾何中心位置Sは回転座標系の原点に位置し、ロータ重心位置Gはロータ幾何中心位置Sからロータ静不釣合いに対応する距離を隔てた点に位置する。その結果、ロータ重心位置Gには静不釣合いに起因する振れ回り力(遠心力)30が作用し、振れ回り力30の作用下でロータ浮上位置、すなわちロータ幾何中心位置Sを回転座標系原点に保持するために、ラジアル方向軸受力指令の回転座標系表現Fxr、Fyrを要素とするベクトル31は振れ回り力30と逆極性ベクトルとなる。このとき、ロータに作用するラジアル方向軸受力の反作用がステータに作用し、これが磁気軸受装置のハウジングに伝達する力の振動、すなわち、擾乱の主要因となる。
However, in the conventional magnetic bearing control device, the rotor displacement command of 5 degrees of freedom is always set to zero, and therefore the rotor radial cross-sectional view when the axial direction rotor rotational speed is lower than the position control band of the bearing
そこで、この実施の形態1の低擾乱化制御装置では、並進変位指令制御系20を設け、並進変位指令制御系20において、ラジアル方向軸受力指令Fx、Fy及びアキシャル方向ロータ回転角度θzに基づいて、ロータ重心位置Gが回転座標系原点に位置するようにラジアル方向並進変位指令Xc、Ycを制御している。
Therefore, in the low disturbance control device according to the first embodiment, the translation displacement
PID制御器15から出力されるラジアル方向軸受力指令Fx、Fy及びアキシャル方向ロータ回転角度θzは並進変位指令制御系20の回転座標変換器21に入力され、回転座標変換器21ではラジアル方向軸受力指令の回転座標系表現Fxr、Fyrを次式(1)、(2)により算出する。
The radial direction bearing force commands Fx and Fy and the axial direction rotor rotation angle θz output from the PID controller 15 are input to the rotational coordinate
このラジアル方向軸受力指令の回転座標系表現Fxr、Fyrは、通過低周波数帯域を大略1Hz程度の狭帯域に設定したLPF22に入力され、ここでラジアル方向軸受力指令のロータ回転同期成分のみが抽出される。LPF22の出力は、図4(a)においてベクトル31で表され、これが積分器23において積分された結果、ベクトル32で表されるラジアル方向並進変位指令の回転座標系表現Xcr、Ycrが積分器23から出力される。固定座標変換器24では、積分器23の出力であるラジアル方向並進変位指令の回転座標系表現Xcr、Ycrを、アキシャル方向ロータ回転角度θzを用いて次式(3)、(4)のように固定座標系表現のラジアル方向並進変位指令Xc、Ycに変換し、軸受制御系10に対して出力する。
The rotational coordinate system representations Fxr and Fyr of the radial bearing force command are input to the LPF 22 in which the low pass frequency band is set to a narrow band of about 1 Hz. Here, only the rotor rotation synchronization component of the radial bearing force command is extracted. Is done. The output of the LPF 22 is represented by a
こうして求められたラジアル方向並進変位指令Xc、Ycに追従するように軸受制御系10がロータ浮上位置を制御することにより、ロータ幾何中心位置Sは回転座標系上をベクトル32に従って移動し、定常状態では図4(b)に示すようにロータ重心位置Gが回転座標系原点に位置するようになる。これにより、ロータ静不釣合いに起因する振れ回り力30及びラジアル方向軸受力指令の回転座標系表現31は共に零ベクトルに収束し、従って、ロータ1に作用するラジアル方向軸受力及びステータに作用するラジアル方向軸受力反作用が共に低減した結果、ロータ静不釣合いに起因する擾乱力のレベルが低下する。
The bearing
このように、この実施の形態1による低擾乱化制御装置により、特にアキシャル方向ロータ回転速度が軸受制御系10の位置制御帯域内にある場合において、ロータ重心位置Gが磁気軸受回転軸上に位置するようになり、ロータ静不釣合いに起因する擾乱力を低減することができる。
As described above, the low disturbance control device according to the first embodiment allows the rotor center-of-gravity position G to be positioned on the magnetic bearing rotating shaft, particularly when the axial direction rotor rotational speed is within the position control band of the bearing
また、並進変位指令制御系20におけるLPF22によって、ロータ回転同期成分以外の周波数域に属する信号成分を容易に除去することができる。
Further, the LPF 22 in the translational displacement
実施の形態2.
図5は、この発明に係る低擾乱化制御装置における実施の形態2を説明するためのブロック図、図6は、実施の形態2を説明するためのロータ半径方向断面図であり、図5及び図6において、図3及び図4と同一の符号を付したものは、同一部分または相当部分を示す。
FIG. 5 is a block diagram for explaining the second embodiment of the low disturbance control device according to the present invention, and FIG. 6 is a rotor radial direction sectional view for explaining the second embodiment. 6, the same reference numerals as those in FIGS. 3 and 4 denote the same or corresponding parts.
図6(a)、(c)及び(e)は、アキシャル方向ロータ回転速度を磁気軸受のサーボ共振周波数域以上まで上昇させた場合において、固定座標変換器/位相変換器25における進相量を各々零値、最適値及び過大値として並進変位指令制御系を適用した直後を示し、図6(b)、(d)及び(f)は、各々図6(a)、(c)及び(e)において並進変位指令制御系を適用後十分時間が経過した後を示している。
6 (a), 6 (c) and 6 (e) show the amount of phase advance in the fixed coordinate converter /
図5に示したように、この実施の形態2の低擾乱化制御装置は、位置制御ループにおけるPI制御器16、速度制御ループにおいてゲインKDを施すP制御器17、ロータ変位に基づいてロータ速度を算出する微分器18、積分器23の出力であるXcr’、Ycr’を固定座標系表現に変換し、かつ、軸受制御系の位相特性を考慮してアキシャル方向ロータ回転速度に応じて所定の位相量を進めた信号を軸受制御系10のラジアル方向並進変位指令Xc、Ycとして出力する固定座標変換器/位相変換器25を備えている。
As shown in FIG. 5, lower perturbation of the control device of the second embodiment, PI controller 16 in the position control loop,
図6において、固定座標変換器/位相変換器25でアキシャル方向ロータ回転速度に応じて進める所定の位相量をα、ロータ回転方向を33、ロータ幾何中心位置Sの移動方向ベクトルを34とする。
In FIG. 6, a predetermined phase amount advanced according to the axial direction rotor rotational speed by the fixed coordinate converter /
次に、動作について説明する。軸受制御系10において、電磁石/ロータ/変位検出手段11から出力されるロータ変位情報Si(i=1、2、…、n)は、ロータ変位演算器12によってロータの3自由度並進変位X、Y、Z及びラジアル方向2自由度回転変位θx、θyからなる5自由度ロータ変位に変換される。
Next, the operation will be described. In the
この5自由度ロータ変位はフィードバックされ、5自由度ロータ変位とラジアル方向並進変位指令Xc、Yc、アキシャル方向並進変位指令Zc、ラジアル方向回転変位指令θxc、θycとの偏差信号が、位置制御ループにおけるPI制御器16に入力される。PI制御器16では入力された偏差信号に基づいて、磁気軸受に対する5自由度の速度指令を算出して出力する。 The 5-degree-of-freedom rotor displacement is fed back, and deviation signals between the 5-degree-of-freedom rotor displacement and the radial direction translational displacement commands Xc and Yc, the axial direction translational displacement command Zc, and the radial direction rotational displacement commands θxc and θyc are output in the position control loop. Input to the PI controller 16. The PI controller 16 calculates and outputs a 5-degree-of-freedom speed command for the magnetic bearing based on the input deviation signal.
ロータ変位演算器12から出力される5自由度ロータ変位は、更に、微分器18において微分され、5自由度ロータ速度に変換され、PI制御器16の出力である5自由度速度指令と微分器18の出力である5自由度のロータ速度から、速度制御ループにおける速度偏差信号が得られる。この速度偏差信号は速度制御ループにおけるP制御器17に入力され、速度制御ループゲインKDを施した信号を磁気軸受に対する軸受力指令Fx、Fy、Fz及びラジアル方向軸受モーメント指令Nx、Nyとして出力する。
The 5-degree-of-freedom rotor displacement output from the
ギャップ長演算器13では、ロータ変位演算器12から出力される5自由度ロータ変位に基づいて、磁気軸受を構成するn個の電磁石の各々におけるギャップ長G1、G2、…、Gnを算出して出力し、電力分配器14では、ギャップ長演算器13から出力される軸受電磁石ギャップ長Gi(i=1、2、…、n)において、速度制御ループにおけるP制御器17から出力される軸受力指令Fx、Fy、Fz及びラジアル方向軸受モーメント指令Nx、Nyにより、n個の電磁石の各々に対する供給電流I1、I2、…、Inが分配して供給される。
The
ただし、図5では、簡単のためにアキシャル方向並進運動及びラジアル方向回転運動のフィードバック・ループは図示していない。 However, in FIG. 5, for the sake of simplicity, the feedback loop of the axial translational motion and the radial rotational motion is not shown.
このような軸受制御系10の動作により、ロータ浮上位置がラジアル方向並進変位指令Xc、Yc、アキシャル方向並進変位指令Zc、ラジアル方向回転変位指令θxc、θycと一致するように制御することが可能となり、かつ軸受制御系10を位置制御ループと速度制御ループの2重ループ制御としたことで、図3に示した単一フィードバック・ループのPID制御器に比べて、位置制御閉ループゲイン特性が平坦となるように軸受制御系10を設計することができ、これによって磁気軸受のサーボ共振周波数域におけるロータ振れ回り量及び磁気軸受装置の発生擾乱を抑制することができる。
By such an operation of the bearing
また、並進変位指令制御系20の作用により、固定座標変換器/位相変換器25における進相量を零値としても、実施の形態1と同様にアキシャル方向ロータ回転速度が軸受制御系10の位置制御帯域内にある場合において、ロータ重心位置Gが磁気軸受の回転軸上に位置するようになり、ロータ静不釣合いに起因する擾乱力を低減することができる。
Even if the phase advance amount in the fixed coordinate converter /
しかしながら、従来は、固定座標変換器/位相変換器25における進相量を零値にしており、固定座標変換器/位相変換器25における進相量を零値に保持したままアキシャル方向ロータ回転速度をサーボ共振周波数域まで上昇させると、ロータ幾何中心位置Sは、図6(a)に示したように、ベクトル32で表されるラジアル方向並進変位指令の回転座標系表現Xcr、Ycrに対して、軸受制御系10の位置制御閉ループ位相特性の遅れに対応した位相角だけロータ回転方向33と逆方向に回転したベクトル34に沿って、回転座標系上を移動するようになる。その結果、所定の時間が経過した後のロータ重心位置G及びロータ幾何中心位置Sは、図6(b)に示す配置となり、ロータ静不釣合いに起因する振れ回り力及びラジアル方向軸受力指令の回転座標系表現が各々ベクトル30’及び31’となる結果、ラジアル方向軸受力指令の回転座標系表現ベクトル31はロータ回転方向33と同一方向に回転し、ロータ重心位置Gと磁気軸受回転軸との距離が零値に収束しないために、ロータ静不釣合いに起因する擾乱力を低減することができなくなる。
However, conventionally, the phase advance amount in the fixed coordinate converter /
そこで、この実施の形態2の低擾乱化制御装置では、並進変位指令制御系20において、ラジアル方向軸受力指令Fx、Fy、アキシャル方向ロータ回転角度θz及び軸受制御系10の位置制御閉ループ位相特性に基づいて、アキシャル方向ロータ回転速度が軸受制御系10の位置制御帯域内、サーボ共振周波数域及び位置制御帯域外のどの周波数領域にある場合でも、ロータ重心位置Gが回転座標系原点に位置するようにラジアル方向並進変位指令Xc、Ycを制御している。
Thus, in the low disturbance control device of the second embodiment, in the translational displacement
P制御器17から出力されるラジアル方向軸受力指令Fx、Fyは、アキシャル方向ロータ回転角度θzに基づいて、回転座標変換器21により、上記式(1)及び(2)に示した回転座標系表現Fxr、Fyrに変換される。このラジアル方向軸受力指令の回転座標系表現Fxr、Fyrは、通過低周波数帯域を大略1Hz程度の狭帯域に設定したLPF22によってロータ回転同期成分のみが抽出される。LPF22の出力は、図6(c)においてベクトル31で表され、これが積分器23において積分され、積分されて得られた信号Xcr’、Ycr’が固定座標変換器/位相変換器25に入力される。
The radial direction bearing force commands Fx and Fy output from the
固定座標変換器/位相変換器25では、積分器23の出力Xcr’、Ycr’を、アキシャル方向ロータ回転角度θzを用いて固定座標系表現に変換するが、このとき、軸受制御系10の位置制御閉ループ位相特性を考慮して、次式(5)及び(6)に示すようにアキシャル方向ロータ回転速度に応じて所定の位相量αを進めた上で固定座標系表現に変換した信号を、ラジアル方向並進変位指令Xc、Ycとして軸受制御系10に対して出力する。
In the fixed coordinate converter /
このラジアル方向並進変位指令Xc、Ycの回転座標系表現Xcr、Ycrは、図6(c)においてベクトル32で表され、ロータ幾何中心位置Sはベクトル32に対して、軸受制御系10の位置制御閉ループ位相特性の遅れに対応した位相角だけ、ロータ回転方向33と逆方向に回転したベクトル34に沿って回転座標系上を移動するため、定常状態では図6(d)に示すようにロータ重心位置Gが回転座標系原点に位置するようになる。
The rotational coordinate system representations Xcr and Ycr of the radial translational displacement commands Xc and Yc are represented by a
これにより、ロータ静不釣合いに起因する振れ回り力30及びラジアル方向軸受力指令の回転座標系表現31は共に零ベクトルに収束し、従って、ロータに作用するラジアル方向軸受力及びステータに作用するラジアル方向軸受力反作用が共に低減した結果、ロータ静不釣合いに起因する擾乱力のレベルが低下する。
As a result, both the run-
ここで、固定座標変換器/位相変換器25における進相量αを、図6(e)に示したように過大値に設定した場合、ロータ幾何中心位置Sの移動方向ベクトル34は、ラジアル方向軸受力指令ベクトル31に対してロータ回転方向33に所定位相角だけ回転した配置となる。
Here, when the phase advance amount α in the fixed coordinate converter /
その結果、所定の時間が経過した後のロータ重心位置G及びロータ幾何中心位置Sは、図6(f)に示す配置となり、ロータ静不釣合いに起因する振れ回り力及びラジアル方向軸受力指令の回転座標系表現が各々30’及び31’で表されるベクトルとなる結果、ラジアル方向軸受力指令の回転座標系表現ベクトル31はロータ回転方向33と逆方向に回転する。
As a result, the rotor center-of-gravity position G and the rotor geometric center position S after a lapse of a predetermined time are arranged as shown in FIG. 6 (f), and the whirling force and radial direction bearing force command caused by the rotor unbalance are obtained. As a result of the rotational coordinate system representations being vectors represented by 30 ′ and 31 ′, the rotational coordinate
すなわち、ラジアル方向軸受力指令の回転座標系表現ベクトル31は、固定座標変換器/位相変換器25における進相量αが最適値に対して小さい場合(図6(a)、(b))はロータ回転方向33と同一方向に回転し、最適値に対して大きい場合(図6(e)、(f))はロータ回転方向33と逆方向に回転し、最適値の場合(図6(c)、(d))はベクトルの方向は変化せずに零ベクトルに収束する。
That is, the rotational coordinate
従って、どのようなアキシャル方向ロータ回転速度においても、固定座標変換器/位相変換器25における進相量αをラジアル方向軸受力指令の回転座標系表現ベクトル31が回転せずに零ベクトルに収束するような値に設定することにより、アキシャル方向ロータ回転速度が軸受制御系10の位置制御帯域内、サーボ共振周波数域及び位置制御帯域外のどの周波数領域にある場合でも、ロータ静不釣合いに起因する振れ回り力30及びラジアル方向軸受力指令の回転座標系表現31を共に零ベクトルに収束させることができ、ロータに作用するラジアル方向軸受力及びステータに作用するラジアル方向軸受力反作用が共に低減するため、ロータ静不釣合いに起因する擾乱力のレベルがサーボ共振周波数域を含めた全周波数域において低下するようになる。
Accordingly, the phase advance amount α in the fixed coordinate converter /
このように、この実施の形態2の低擾乱化制御装置により、アキシャル方向ロータ回転速度が軸受制御系10の位置制御帯域内、サーボ共振周波数域及び位置制御帯域外のどの周波数領域にある場合でも、ロータ重心位置Gが磁気軸受の回転軸上に位置するようになり、ロータ静不釣合いに起因する擾乱力を、磁気軸受のサーボ共振周波数域を含めた全周波数領域において低減することができる。
As described above, the low disturbance control device according to the second embodiment allows the axial direction rotor rotational speed to be in any frequency region within the position control band, the servo resonance frequency range, and the position control band of the bearing
また、並進変位指令制御系20におけるLPF22がロータ回転同期成分のみを抽出することで、ロータ回転同期成分以外の周波数域に属する信号成分を容易に除去することができる。
Further, since the LPF 22 in the translational displacement
更に、軸受制御系10を位置制御ループと速度制御ループの2重ループ制御とし、位置制御ループゲイン特性が平坦となるように軸受制御系10を設計することにより、磁気軸受のサーボ共振周波数域におけるロータ振れ回り量及び磁気軸受装置の発生擾乱の更なる抑制を図ることができる。
Furthermore, the bearing
実施の形態3.
図7は、この発明に係る実施の形態3の低擾乱化制御装置を説明するためのブロック図、図8は、閉ループゲイン特性を示したボード線図であり、図9、図10及び図11は、この実施の形態3の低擾乱化制御装置を説明するためのロータ断面図であり、図7において、図3及び図5と同一の符号を付したものは、同一部分または相当部分を示し、図9、図10及び図11において、図2、図4及び図6と同一の符号を付したものは、同一部分または相当部分を示す。
Embodiment 3 FIG.
FIG. 7 is a block diagram for explaining the low disturbance control device according to the third embodiment of the present invention, and FIG. 8 is a Bode diagram showing the closed-loop gain characteristics, and FIGS. 9, 10, and 11 are used. These are rotor sectional drawings for demonstrating the low disturbance control apparatus of this Embodiment 3, In FIG. 7, what attached | subjected the code | symbol same as FIG.3 and FIG.5 shows the same part or an equivalent part. 9, 10, and 11, the same reference numerals as those in FIGS. 2, 4, and 6 denote the same or corresponding parts.
図7に示したように、この実施の形態3の低擾乱化制御装置は、軸受制御系10におけるラジアル方向軸受モーメント指令Nx、Nyから、軸受制御系10に対するラジアル方向回転変位指令を算出して出力する回転変位指令制御系40を備える。
As shown in FIG. 7, the low disturbance control device according to the third embodiment calculates a radial rotational displacement command for the
回転変位指令制御系40は、軸受制御系10におけるラジアル方向軸受モーメント指令Nx、Nyを、アキシャル方向ロータ回転角度θzを用いてロータに固定された回転座標系表現Nxr、Nyrに変換する回転座標変換器41、軸受モーメント指令の回転座標系表現Nxr、Nyrに対して、通過低周波数帯域を大略1Hz程度の狭帯域とすることで、軸受モーメント指令のロータ回転同期成分のみを抽出するLPF(ローパス・フィルタ)42、LPF42の出力を積分してラジアル方向回転変位の信号θxcr’、θycr’を出力する積分器43、信号θxcr’、θycr’を固定座標系表現に変換し、かつ軸受制御系10の位相特性を考慮してアキシャル方向ロータ回転速度に応じて所定の位相量を進めた信号を軸受制御系10のラジアル方向回転変位指令θxc、θycとして出力する固定座標変換器/位相変換器45を備える。
The rotational displacement
また、図8において、2重ループ制御で構成した軸受制御系10の位置制御閉ループゲイン特性を50、軸受制御系10の速度制御閉ループゲイン特性を51、位置制御周波数帯域をfp、速度制御周波数帯域をfD、アキシャル方向ロータ回転速度をf、速度制御ループゲイン切換閾値をf1としている。
Further, in FIG. 8, the position control loop gain characteristic 50 of the bearing
図9(a)、(b)は円柱状ロータ(図1)の磁気軸受装置でアキシャル方向ロータ回転速度が軸受制御系10の位置制御帯域内にある場合において、回転変位指令制御系40を適用した直後を示し、図9(c)、(d)は回転変位指令制御系40を適用後十分時間が経過した後を示し、図10(a)、(b)は円板状ロータ(図2)の磁気軸受装置でアキシャル方向ロータ回転速度が軸受制御系10の位置制御帯域内にある場合において、回転変位指令制御系40を適用した直後を示し、図10(c)、(d)は回転変位指令制御系40を適用後十分時間が経過した後を示している。
9A and 9B show a magnetic bearing device of a cylindrical rotor (FIG. 1), and the rotational displacement
また、図9〜図11において、アキシャル方向のロータ慣性主軸をP、アキシャル方向ロータ慣性主軸P上の固定点をa、ロータを2分割して各部分を質点で置き換えた場合に、各質点に作用する遠心力をF、ロータの動不釣合いに起因する振れ回りモーメントを60、回転座標変換器41から出力されるラジアル方向軸受モーメント指令の回転座標系表現Nxr、Nyrを要素とするモーメントを61、ラジアル方向回転変位指令の回転座標系表現を62としている。
Further, in FIGS. 9 to 11, when the axial rotor inertia main shaft is P, the fixed point on the axial rotor inertia main shaft P is a, the rotor is divided into two parts and each part is replaced with a mass point, The acting centrifugal force is F, the swinging moment due to the rotor dynamic imbalance is 60, and the moment having the rotational coordinate system expression Nxr, Nyr of the radial bearing moment command output from the rotational coordinate
図11(a)、(c)及び(e)は、アキシャル方向ロータ回転速度を磁気軸受のサーボ共振周波数域以上まで上昇させた場合において、固定座標変換器/位相変換器45における進相量を各々零値、最適値及び過大値として回転変位指令制御系40を適用した直後を示し、図11(b)、(d)及び(f)は、各々図11(a)、(c)及び(e)において回転変位指令制御系40を適用後十分時間が経過した後のロータ半径方向断面図である。
11 (a), 11 (c) and 11 (e) show the amount of phase advance in the fixed coordinate converter /
更に、図11において、固定座標変換器/位相変換器45における、アキシャル方向ロータ回転速度に応じて進める所定の位相量をβ、ロータ回転方向を63、アキシャル方向ロータ慣性主軸Pの回転方向ベクトルを64としている。
Further, in FIG. 11, in the fixed coordinate converter /
次に、動作について説明する。図7では、簡単のためにラジアル方向並進運動及びアキシャル方向並進運動のフィードバック・ループは図示していないが、軸受制御系10の動作は実施の形態2と同一である。このとき、軸受制御系10の位置制御閉ループゲイン特性50及び速度制御閉ループゲイン特性51は、図8(a)に示した通りであり、速度制御周波数帯域fDが位置制御周波数帯域fPよりも十分高くなるように軸受制御系10を設計する。このような設計とすることで位置制御ループゲイン特性が平坦となり、磁気軸受のサーボ共振周波数域(位置制御周波数帯域fP)におけるロータ振れ回り量及び磁気軸受装置の発生擾乱を抑制することができるが、その反面、速度制御系ゲイン交点周波数域(速度制御周波数帯域fD)における磁気軸受装置の発生擾乱が多少増加する傾向を示す。
Next, the operation will be described. In FIG. 7, for the sake of simplicity, the feedback loop of the radial translation and the axial translation is not shown, but the operation of the bearing
そこで、この実施の形態3の低擾乱化制御装置では、速度制御ループゲイン切換閾値f1を設定し、アキシャル方向ロータ回転速度fがf1よりも低い場合は、図8(a)に示したように、ロータ回転速度f<f1< 速度制御周波数帯域fD、となるように軸受制御系10の速度制御ループゲインKDを増加させ、アキシャル方向ロータ回転速度fがf1よりも高い場合は、図8(b)に示したように、速度制御周波数帯域fD < f1 < ロータ回転速度fとなるように軸受制御系10の速度制御ループゲインKDを減少させることで、速度制御周波数帯域fDがアキシャル方向ロータ回転速度fの近傍に属することが無い構成とし、軸受制御系10の安定性を損なうことなく、速度制御系ゲイン交点周波数域(速度制御周波数帯域fD)における磁気軸受装置の発生擾乱を抑制することができる。
Therefore, in the low disturbance control device according to the third embodiment, when the speed control loop gain switching threshold f 1 is set and the axial direction rotor rotational speed f is lower than f 1 , FIG. As described above, when the speed control loop gain K D of the bearing
このような軸受制御系10の動作により、ロータ浮上位置がラジアル方向並進変位指令Xc、Yc、アキシャル方向並進変位指令Zc、ラジアル方向回転変位指令θxc、θycと一致するように制御することが可能となり、かつ、軸受制御系10を位置制御ループと速度制御ループの2重ループ制御としたことで、図3に示した単一フィードバック・ループのPID制御器に比べて、位置制御閉ループゲイン特性が平坦となるように軸受制御系10を設計することができ、これによって磁気軸受のサーボ共振周波数域におけるロータ振れ回り量及び磁気軸受装置の発生擾乱を抑制することができる。
By such an operation of the bearing
加えて、軸受制御系10において速度制御周波数帯域fDがアキシャル方向ロータ回転速度fの近傍に属することが無いように、ロータ回転速度fに応じて速度制御ループゲインKDを変化させることにより、軸受制御系10の安定性を損なうことなく、速度制御系ゲイン交点周波数域における磁気軸受装置の発生擾乱の更なる抑制を図ることができる。
In addition, by changing the speed control loop gain K D according to the rotor rotational speed f so that the speed control frequency band f D does not belong to the vicinity of the axial direction rotor rotational speed f in the
従来の磁気軸受制御装置では、軸受制御系10に対するラジアル方向回転変位指令θxc、θycを常に零値としており、従ってアキシャル方向ロータ回転速度が軸受制御系10の位置制御帯域よりも低い場合のロータ断面図は、理想的には円柱状ロータ(図1)で図9(a)、(b)に示した通りとなり、円板状ロータ(図2)で図10(a)、(b)に示した通りとなる。つまり、ロータ回転軸(Z軸)に垂直に直交し、かつ、ロータに対して固定された回転座標系Xr−Yrから見た場合、ロータ変位演算器12で算出されるラジアル方向2自由度回転変位θx、θyは零値に保持され、アキシャル方向ロータ慣性主軸Pはロータ回転軸(Z軸)に対してロータ動不釣合いに対応する角度だけ傾いた配置となる。ただし図9及び10では簡単のために、アキシャル方向ロータ慣性主軸PがZr−Xr平面内に位置する場合を記載している。
In the conventional magnetic bearing control device, the radial direction rotational displacement commands θxc and θyc for the
このとき、ロータを2分割して各部分を質点で置き換えた場合の、各質点に作用する遠心力Fは、図9(a)、図10(a)に示した通りとなり、その結果、ロータには動不釣合いに起因する振れ回りモーメント60が作用する。振れ回りモーメント60の作用下でロータ浮上位置、すなわちラジアル方向2自由度回転変位θx、θyを零値に保持するために、ラジアル方向軸受モーメント指令の回転座標系表現Nxr、Nyrを要素とするモーメント61は、振れ回りモーメント60と逆極性となる。このとき、ロータに作用するラジアル方向軸受モーメントの反作用がステータに作用し、これが磁気軸受装置のハウジングに伝達するモーメントの振動、すなわち擾乱の主要因となる。
At this time, when the rotor is divided into two parts and each part is replaced with a mass point, the centrifugal force F acting on each mass point is as shown in FIG. 9 (a) and FIG. 10 (a). The swinging
そこで、この実施の形態3の低擾乱化制御装置では、回転変位指令制御系40において、第1に、ラジアル方向軸受モーメント指令Nx、Ny及びアキシャル方向ロータ回転角度θzに基づいて、ロータ慣性主軸Pが磁気軸受回転軸と平行になるようにラジアル方向回転変位指令θxc、θycを制御している。
Thus, in the low disturbance control device of the third embodiment, in the rotational displacement
P制御器17から出力されるラジアル方向軸受モーメント指令Nx、Nyは、アキシャル方向ロータ回転角度θzに基づいて、回転座標変換器41により次式(7)、(8)のように回転座標系表現Nxr、Nyrに変換される。
The radial bearing moment commands Nx and Ny output from the
このラジアル方向軸受モーメント指令の回転座標系表現Nxr、Nyrは、通過低周波数帯域を大略1Hz程度の狭帯域に設定したLPF42によってロータ回転同期成分のみが抽出される。LPF42の出力は、図9(a)、(b)及び図10(a)、(b)においてモーメント61で表され、このモーメント61が円柱状ロータでは同極性(図9(b))で、円板状ロータでは逆極性(図10(b))で積分器43において積分された結果、回転ベクトル62で表されるラジアル方向回転変位指令の回転座標系表現θxcr’、θycr’が積分器43から出力される。固定座標変換器/位相変換器45では、アキシャル方向ロータ回転速度が軸受制御系10の位置制御帯域内にある場合において、積分器43の出力θxcr’、θycr’を、アキシャル方向ロータ回転角度θzを用いて次式(9)、(10)のように固定座標系表現θxc、θycに変換し、軸受制御系10に対して出力する。
In the rotational coordinate system representations Nxr and Nyr of the radial bearing moment command, only the rotor rotation synchronization component is extracted by the LPF 42 in which the low pass frequency band is set to a narrow band of about 1 Hz. The output of the LPF 42 is represented by a
このようにして求められたラジアル方向回転変位指令θxc、θycに追従するように軸受制御系10がロータ浮上位置を制御することにより、アキシャル方向ロータ慣性主軸Pは回転座標系上を回転ベクトル62に従って回転し、定常状態では図9(c)、(d)及び図10(c)、(d)に示すようにロータ慣性主軸Pが磁気軸受中心軸に対して平行となる。これにより、ロータ動不釣合いに起因する振れ回りモーメント60及びラジアル方向軸受モーメント指令の回転座標系表現61は共に零値に収束し、従ってロータに作用するラジアル方向軸受モーメント及びステータに作用するラジアル方向軸受モーメント反作用が共に低減した結果、ロータ動不釣合いに起因する擾乱モーメントのレベルが低下する。
The bearing
ラジアル方向回転運動では上述のように、ロータ動不釣合いに起因する振れ回りモーメント60、従ってラジアル方向軸受モーメント指令61の極性が、ロータのアキシャル方向慣性モーメントとラジアル方向慣性モーメントとの大小関係により反転する。従って、ラジアル方向回転変位指令の回転座標系表現62を算出するために積分器43で実行する積分動作の極性が、ラジアル方向慣性モーメント>アキシャル方向慣性モーメントの場合(円柱状ロータ)では同極性、アキシャル方向慣性モーメント>ラジアル方向慣性モーメントの場合(円板状ロータ)では逆極性となることに注意を要する。
As described above, in the rotational motion in the radial direction, the swinging
このように、回転変位指令制御系40の作用により、固定座標変換器/位相変換器45における進相量を零値としても、アキシャル方向ロータ回転速度が軸受制御系10の位置制御帯域内にある場合において、アキシャル方向ロータ慣性主軸Pが磁気軸受回転軸に対して平行となり、ロータ動不釣合いに起因する擾乱モーメントを低減することができる。
As described above, due to the action of the rotational displacement
しかしながら、固定座標変換器/位相変換器45における進相量を零値に保持したままアキシャル方向ロータ回転速度をサーボ共振周波数域まで上昇させると、ロータ慣性主軸Pは、図11(a)に示すように、回転ベクトル62で表されるラジアル方向回転変位指令の回転座標系表現θxcr’、θycr’に対して、軸受制御系10の位置制御閉ループ位相特性の遅れに対応した位相角だけロータ回転方向63と逆方向に回転した回転ベクトル64に従って、回転座標系上を回転するようになる。その結果、所定の時間が経過した後のロータ慣性主軸P上の固定点aは図11(b)に示す配置となり、ロータ動不釣合いに起因する振れ回りモーメント及びラジアル方向軸受モーメント指令の回転座標系表現が各々60’及び61’で表されるモーメントとなる結果、ラジアル方向軸受モーメント指令の回転座標系表現61はロータ回転方向63と同一方向に回転し、ロータ慣性主軸Pと磁気軸受回転軸との角度が零値に収束しないために、ロータ動不釣合いに起因する擾乱モーメントを低減することができなくなる。
However, when the axial direction rotor rotation speed is increased to the servo resonance frequency range while the phase advance amount in the fixed coordinate converter /
そこで、この実施の形態3の低擾乱化制御装置では、回転変位指令制御系40において、軸受制御系10の位置制御閉ループ位相特性に基づいて、アキシャル方向ロータ回転速度が軸受制御系10の位置制御帯域内、サーボ共振周波数域及び位置制御帯域外のどの周波数領域にある場合でも、ロータ慣性主軸Pが磁気軸受回転軸と平行になるように固定座標変換器/位相変換器45における進相量を調整し、ラジアル方向回転変位指令θxc、θycを制御している。
Therefore, in the low disturbance control device according to the third embodiment, in the rotational displacement
固定座標変換器/位相変換器45では、積分器43の出力θxcr’、θycr’を、アキシャル方向ロータ回転角度θzを用いて固定座標系表現に変換するが、このとき、軸受制御系10の位置制御閉ループ位相特性を考慮して、次式(11)、(12)に示すようにアキシャル方向ロータ回転速度に応じて所定の位相量βを進めた上で固定座標系表現に変換した信号を、ラジアル方向回転変位指令θxc、θycとして軸受制御系10に対して出力する。
The fixed coordinate converter /
このラジアル方向回転変位指令θxc、θycの回転座標系表現θxcr、θycrは、図11(c)において回転ベクトル62で表され、ロータ慣性主軸Pは回転ベクトル62に対して、軸受制御系10の位置制御閉ループ位相特性の遅れに対応した位相角だけ、ロータ回転方向63と逆方向に回転した回転ベクトル64に従って回転座標系上を回転するため、定常状態では、図11(d)に示したように、ロータ慣性主軸Pが磁気軸受回転軸に対して平行となる。これにより、ロータ動不釣合いに起因する振れ回りモーメント60及びラジアル方向軸受モーメント指令の回転座標系表現61は共に零値に収束し、従ってロータに作用するラジアル方向軸受モーメント及びステータに作用するラジアル方向軸受モーメント反作用が共に低減した結果、ロータ動不釣合いに起因する擾乱モーメントのレベルが低下する。
The rotational coordinate system representations θxcr and θycr of the radial direction rotational displacement commands θxc and θyc are represented by the
ここで、固定座標変換器/位相変換器45における進相量βを図11(e)に示したように過大値に設定した場合、ロータ慣性主軸Pの回転方向ベクトル64は、ラジアル方向軸受モーメント指令ベクトル61に対してロータ回転方向63に所定位相角だけ回転した配置となる。その結果、所定の時間が経過した後のロータ慣性主軸P上の固定点aは、図11(f)に示す配置となり、ロータ動不釣合いに起因する振れ回りモーメント及びラジアル方向軸受モーメント指令の回転座標系表現が各々60’、および61’で表されるモーメントとなる結果、ラジアル方向軸受モーメント指令の回転座標系表現61はロータ回転方向63と逆方向に回転する。
Here, when the phase advance amount β in the fixed coordinate converter /
すなわち、ラジアル方向軸受モーメント指令の回転座標系表現61は、固定座標変換器/位相変換器45における進相量βが最適値に対して小さい場合(図11(a)、(b))はロータ回転方向63と同一方向に回転し、最適値に対して大きい場合(図11(e)、(f))はロータ回転方向63と逆方向に回転し、最適値の場合(図11(c)、(d))は方向は変化せずに零値に収束する。従って、どのようなアキシャル方向ロータ回転速度においても、固定座標変換器/位相変換器45における進相量βをラジアル方向軸受モーメント指令の回転座標系表現61が回転せずに零値に収束するような値に設定することにより、アキシャル方向ロータ回転速度が軸受制御系10の位置制御帯域内、サーボ共振周波数域及び位置制御帯域外のどの周波数領域にある場合でも、ロータ慣性主軸Pが磁気軸受中心軸と平行になることで、ロータ動不釣合いに起因する振れ回りモーメント60及びラジアル方向軸受モーメント指令の回転座標系表現61を共に零値に収束させることがでる。これにより、ロータに作用するラジアル方向軸受モーメント及びステータに作用するラジアル方向軸受モーメント反作用が共に低減するため、ロータ動不釣合いに起因する擾乱モーメントのレベルがサーボ共振周波数域を含めた全周波数域において低下するようになる。
In other words, the rotational coordinate
このように、この実施の形態3の低擾乱化制御装置により、アキシャル方向ロータ回転速度が軸受制御系10の位置制御帯域内、サーボ共振周波数域及び位置制御帯域外のどの周波数領域にある場合でも、ロータ慣性主軸が磁気軸受の回転軸と平行になり、ロータ動不釣合いに起因する擾乱モーメントを、磁気軸受のサーボ共振周波数域を含めた全周波数領域において低減することができる。
As described above, by the low disturbance control device of the third embodiment, the axial direction rotor rotational speed is in any frequency region within the position control band, the servo resonance frequency range, and the position control band of the bearing
また、回転変位指令制御系40におけるLPF42がロータ回転同期成分のみを抽出することで、ロータ回転同期成分以外の周波数域に属する信号成分を容易に除去することができる。
Further, since the LPF 42 in the rotational displacement
更に、軸受制御系10を位置制御ループと速度制御ループの2重ループ制御とし、位置制御ループゲイン特性が平坦となるように軸受制御系10を設計することにより、磁気軸受のサーボ共振周波数域におけるロータ振れ回り量及び磁気軸受装置の発生擾乱の更なる抑制を図ることができる。
Furthermore, the bearing
加えて、軸受制御系10において速度制御帯域51がアキシャル方向ロータ回転速度fの近傍に属することが無いように、ロータ回転速度fに応じて速度制御ループゲインKDを変化させることにより、軸受制御系10の安定性を損なうことなく、速度制御系ゲイン交点周波数域における磁気軸受装置の発生擾乱の更なる抑制を図ることができる。
In addition, as the
また、この実施の形態3では、速度制御ループゲインKDの切換閾値が単一周波数f1である場合について説明したが、この切換閾値はf1を中心として所定のヒステリシス幅を持たせてもよい。この場合、上記実施の形態3と同様の効果があることに加えて、更にロータ回転速度信号fにノイズが重畳している場合、またはロータ回転速度fが速度制御ループゲイン切換閾値f1の近傍で増減する場合において、より安定して速度制御ループゲインKDの切換を実現することができる。 Further, in the third embodiment, although the switching threshold of the speed control loop gain K D of been described is a single frequency f 1, be the switching threshold is to have a predetermined hysteresis width around the f 1 Good. In this case, in addition to the same effects as in the third embodiment, noise is further superimposed on the rotor rotational speed signal f, or the rotor rotational speed f is close to the speed control loop gain switching threshold f 1 . in the case of increasing or decreasing, it is possible to realize the switching of a more stable speed control loop gain K D.
実施の形態4.
図12は、この発明に係る低擾乱化制御装置の実施の形態4を説明するためのブロック図であり、図3及び図5と同一の符号を付したものは、同一部分または相当部分を示す。
Embodiment 4 FIG.
FIG. 12 is a block diagram for explaining the fourth embodiment of the low disturbance control device according to the present invention, where the same reference numerals as those in FIGS. 3 and 5 designate the same or corresponding parts. .
次に動作について説明する。図12では、簡単のためにアキシャル方向並進運動及びラジアル方向回転運動のフィードバック・ループは図示していないが、軸受制御系10の動作はロータ変位演算器12を除いて実施の形態3と同一である。また、並進変位指令制御系20の動作は実施の形態2と同一である。
Next, the operation will be described. In FIG. 12, for the sake of simplicity, the feedback loop of the axial translational motion and the radial rotational motion is not shown, but the operation of the bearing
この実施の形態4において、ロータ変位演算器12では、電磁石/ロータ/変位検出手段11から出力されるロータ変位情報Si(i=1、2、…、n)に対して、例えばロータ1が幾何中心に位置する場合のロータ変位情報Si0(i = 1、2、…、n)及び変換係数γを用いて、次式(13)に示すようなロータが幾何中心に位置する場合を基準とした変位検出手段3とロータ1とのギャップ長変動量ΔXi(i=1、2、…、n)に変換する。
In the fourth embodiment, the
次に、上記ギャップ長変動量ΔXi(i=1、2、…、n)に対して、ロータ幾何形状及び変位検出手段3の配置を考慮して、次式(14)に示すようにロータの3自由度並進変位X、Y、Z及びラジアル方向2自由度回転変位θx、θyからなる5自由度ロータ変位を算出する。 Next, with respect to the gap length variation ΔXi (i = 1, 2,..., N), the rotor geometry and the arrangement of the displacement detection means 3 are taken into consideration, as shown in the following equation (14). A 5-degree-of-freedom rotor displacement consisting of 3-degree-of-freedom translational displacements X, Y, Z and radial direction 2-degree-of-freedom rotational displacements θx, θy is calculated.
上記式(14)において、Aは5行n列の変換行列である。
変位検出手段3がターゲットとするロータ1の変位検出面が真円であり、かつ変位検出手段3がロータ回転軸を中心とする同心円上に配置されているという前提のもとでは、ロータ1が幾何中心に位置する場合のロータ変位情報Si0(i=1、2、…、n)は、アキシャル方向ロータ回転角度θzに依存せずに全て同一の値(DC)となる。通常、ロータが幾何中心に位置する場合のロータ変位情報Si0(i=1、2、…、n)は、上記前提が成り立つと仮定してアキシャル方向ロータ回転角度θzと独立に全て同一のDC値を用いる場合が一般的であるが、この場合、ロータ変位検出面が真円に対して歪をもっている場合、または変位検出手段3の配置がロータ回転軸を中心とする同心円上にない場合において、ロータ変位演算器12の出力と、真のロータ変位との誤差が拡大する傾向を示す。このとき、軸受制御系10では誤差を含んだロータ5自由度変位に基づいて軸受力指令、ラジアル方向軸受モーメント指令及び軸受電磁石ギャップ長を算出し、この軸受力指令、ラジアル方向軸受モーメント指令及び軸受電磁石ギャップ長に基づいて電力分配器14において軸受電磁石に対して供給電流Ii(i=1、2、…、n)を分配して供給する。
In the above equation (14), A is a 5 × n conversion matrix.
Under the premise that the displacement detection surface of the
従って、ロータ変位演算器12の出力が誤差を含んだ結果、軸受力指令及びラジアル方向軸受モーメント指令と、ロータに作用する真の軸受力及び真のラジアル方向軸受モーメントとの誤差が拡大し、並進変位指令制御系20及び回転変位指令制御系40においてラジアル方向軸受力指令及びラジアル方向軸受モーメント指令が零ベクトルとなるように制御しても、静不釣合いに起因する擾乱力及び動不釣合いに起因する擾乱モーメントは所定の大きさで磁気軸受装置から発生し続けることとなる。
Accordingly, as a result of the output of the
そこで、この実施の形態4の低擾乱化制御装置では、ロータ変位演算器12の出力と、真のロータ変位との誤差が低減するように、ロータ変位演算器12に対してアキシャル方向ロータ回転角度θzに基づいた補正関数を導入する。上述のように、ロータ変位演算器12の出力が誤差を含む要因としては、ロータ変位検出面の真円に対する歪及び変位検出手段3配置のロータ回転軸を中心とする同心円上からのずれが挙げられ、ロータ1が幾何中心に位置する場合のロータ変位情報Si0(i=1、2、…、n)に対して、前者はアキシャル方向ロータ回転角度θzに応じて変動するAC成分誤差、後者は変位検出手段3の各々で個別にばらつくDC成分誤差として作用する。
Therefore, in the low disturbance control device of the fourth embodiment, the axial rotor rotation angle with respect to the
従って、幾何中心におけるロータ変位情報Si0(i=1、2、…、n)に対して、上述のAC成分誤差及びDC成分誤差を除去するようにアキシャル方向ロータ回転角度θzに基づいた補正関数を導入し、次式(15)に示すようにギャップ長変動量ΔXi(i=1、2、…、n)を算出する。 Therefore, a correction function based on the axial direction rotor rotation angle θz is applied to the rotor displacement information Si0 (i = 1, 2,..., N) at the geometric center so as to remove the AC component error and the DC component error. Then, the gap length variation ΔXi (i = 1, 2,..., N) is calculated as shown in the following equation (15).
上記式(15)におけるSi0(θz)(i=1、2、…、n)は、ロータを回転軸回りに回転させることなく静止浮上させた場合の静力学及びこのときの軸受電磁石供給電流計測値に基づいて導出することができる。図12に示したブロック図において、並進変位指令制御系20を停止させ、軸受制御系10に対してラジアル方向並進変位指令Xc、Yc、アキシャル方向並進変位指令Zc、ラジアル方向回転変位指令θxc、θycとして全て零値を入力した場合、ロータが回転せずに静止浮上しているならば、PI制御器16における積分器の作用により指令に対する定常偏差が零となり、ロータ変位演算器12の出力である5自由度ロータ変位X、Y、Z、θx、θyは全て零値に保持される。このとき、ロータ重心の真の3自由度並進変位をXt、Yt、Zt、ロータ慣性主軸Pの真のラジアル方向2自由度回転変位をθxt、θyt、ロータ質量をM、重力加速度をg、磁気軸受によりロータに作用する真の3自由度軸受力をFxt、Fyt、Fzt、真のラジアル方向2自由度軸受モーメントをNxt、Nytとすると、図2に示した固定座標系において次式(16)、(17)の静力学が成り立つ。
このとき、軸受電磁石で発生している真の磁気吸引力をFit(i=1、2、…、n)とすると、真の軸受力Fxt、Fyt、Fzt、真のラジアル方向軸受モーメントNxt、Nytと真の磁気吸引力Fit(i=1、2、…、n)との関係は、Bを5行n列の変換行列として次式(18)のように表される。 At this time, if the true magnetic attractive force generated by the bearing electromagnet is Fit (i = 1, 2,..., N), the true bearing forces Fxt, Fyt, Fzt, the true radial bearing moments Nxt, Nyt And the true magnetic attraction force Fit (i = 1, 2,..., N) is expressed by the following equation (18), where B is a 5 × n conversion matrix.
また、軸受電磁石における真の磁気吸引力Fit(i=1、2、…、n)は、各軸受電磁石に対する供給電流計測値をIi(i=1、2、…、n)、各軸受電磁石とロータ吸引面との真のギャップ長をGit(i=1、2、…、n)、変換係数をkとして次式(19)のように表される。 In addition, the true magnetic attractive force Fit (i = 1, 2,..., N) in the bearing electromagnet is the measured supply current value for each bearing electromagnet Ii (i = 1, 2,..., N), The true gap length with the rotor suction surface is expressed by the following equation (19), where Git (i = 1, 2,..., N) and the conversion coefficient are k.
更に、真の軸受電磁石ギャップ長Git(i=1、2、…、n)は、ロータが幾何中心に位置する場合の軸受電磁石ギャップ長をGi0(i=1、2、…、n)、Cをn行5列の変換行列として次式(20)で与えられる。 Further, the true bearing electromagnet gap length Git (i = 1, 2,..., N) is equal to Gi0 (i = 1, 2,..., N), C when the rotor is located at the geometric center. Is given by the following equation (20) as an n × 5 conversion matrix.
上記式(18)〜(20)を上記式(16)、(17)に代入し、所定のアキシャル方向ロータ回転角度θzで静止浮上させた場合の軸受電磁石供給電流計測値Ii(i=1、2、…、n)を適用することで、当該回転角度θzにおける真の5自由度ロータ変位Xt、Yt、Zt、θxt、θytに関する非線形連立方程式を得る。この非線形連立方程式は、Newton法等の計算手法により数値解を導出することができ、更にこのとき、ロータ変位演算器12の出力である5自由度ロータ変位X、Y、Z、θx、θyは全て零値に保持されているので、この数値解(真の5自由度ロータ変位Xt、Yt、Zt、θxt、θyt)はロータ変位演算器12における出力誤差と一致する。
The above formulas (18) to (20) are substituted into the above formulas (16) and (17), and the bearing electromagnet supply current measurement value Ii (i = 1, i.e., when statically levitated at a predetermined axial direction rotor rotation angle θz. 2,..., N) is applied to obtain a simultaneous simultaneous equation relating to true 5-degree-of-freedom rotor displacement Xt, Yt, Zt, θxt, θyt at the rotation angle θz. The nonlinear simultaneous equations can be derived numerically by a calculation method such as Newton's method, and at this time, the 5-degree-of-freedom rotor displacement X, Y, Z, θx, θy, which is the output of the
上記手順により、所定の回転角度θzにおけるロータ変位演算器12の出力誤差、従って上記式(15)におけるSi0(θz)(i=1、2、…、n)を導出することができる。そして、上記式(15)によって得られたギャップ長変動量ΔXi(i=1、2、…、n)を上記式(14)に適用することにより、ロータ変位演算器12の出力と、真のロータ変位との誤差を低減することができ、従って軸受制御系10における軸受力指令、およびラジアル方向軸受モーメント指令と、ロータに作用する真の軸受力、および真のラジアル方向軸受モーメントとの誤差が減少し、磁気軸受装置の発生擾乱をより一層低減することができる。
By the above procedure, it is possible to derive the output error of the
このように、この発明の実施の形態4の低擾乱化制御装置により、アキシャル方向ロータ回転速度が軸受制御系10の位置制御帯域内、サーボ共振周波数域及び位置制御帯域外のどの周波数領域にある場合でも、ロータ重心位置Gが磁気軸受の回転軸上に位置するようになり、ロータ静不釣合いに起因する擾乱力を、磁気軸受のサーボ共振周波数域を含めた全周波数領域において低減することができる。
Thus, with the low disturbance control device according to the fourth embodiment of the present invention, the axial direction rotor rotational speed is in any frequency region within the position control band of the bearing
また、並進変位指令制御系20におけるLPF22がロータ回転同期成分のみを抽出することで、ロータ回転同期成分以外の周波数域に属する信号成分を容易に除去することができる。
Further, since the LPF 22 in the translational displacement
更に、軸受制御系10を位置制御ループと速度制御ループの2重ループ制御とし、位置制御ループゲイン特性が平坦となるように軸受制御系10を設計することにより、磁気軸受のサーボ共振周波数域におけるロータ振れ回り量及び磁気軸受装置の発生擾乱の更なる抑制を図ることができるばかりか、軸受制御系10において速度制御帯域51がアキシャル方向ロータ回転速度fの近傍に属することが無いように、ロータ回転速度fに応じて速度制御ループゲインKDを変化させることにより、軸受制御系10の安定性を損なうことなく、速度制御系ゲイン交点周波数域における磁気軸受装置の発生擾乱の更なる抑制を図ることができる。
Furthermore, the bearing
加えて、ロータ変位演算器12の出力と、真のロータ変位との誤差を低減することにより、軸受制御系10における軸受力指令及びラジアル方向軸受モーメント指令と、ロータに作用する真の軸受力及び真のラジアル方向軸受モーメントとの誤差が低減し、磁気軸受装置の発生擾乱をより一層低減することができる。
In addition, by reducing an error between the output of the
実施の形態5.
図13は、この発明に係る低擾乱化制御装置の実施の形態5を説明するためのブロック図、図14は、補正関数を導出するためのデータ計測における変位検出手段及びロータ変位検出面の配置を示した図であり、図13において、図3及び図5と同一の符号を付したものは、同一部分または相当部分を示す。
Embodiment 5 FIG.
FIG. 13 is a block diagram for explaining the fifth embodiment of the low disturbance control device according to the present invention, and FIG. 14 is an arrangement of displacement detecting means and rotor displacement detecting surfaces in data measurement for deriving a correction function. In FIG. 13, the same reference numerals as those in FIGS. 3 and 5 designate the same or corresponding parts.
図14に示したように、この実施の形態5の低擾乱化制御装置は、ロータ変位検出方向71を検出する任意の変位検出手段70、変位検出手段70により、ロータ変位検出方向71のロータ変位が計測されるロータ変位検出面72、ロータ回転軸(Z軸)73を備える。
As shown in FIG. 14, the low disturbance control device according to the fifth embodiment has an arbitrary displacement detection means 70 for detecting the rotor
次に動作について説明する。図13では、簡単のためにアキシャル方向並進運動及びラジアル方向回転運動のフィードバック・ループは図示していないが、軸受制御系10の動作はロータ変位演算器12及びギャップ長演算器13を除いて実施の形態3と同一である。また、並進変位指令制御系20の動作は実施の形態2と同一である。
Next, the operation will be described. In FIG. 13, for the sake of simplicity, the feedback loop of the axial translational motion and the radial rotational motion is not shown, but the operation of the bearing
この実施の形態5においては、ロータ変位演算器12では、電磁石/ロータ/変位検出手段11から出力されるロータ変位情報Si(i=1、2、…、n)に対して、アキシャル方向ロータ回転角度θzに基づいた補正関数を導入したロータ幾何中心時のロータ変位情報Si0(i=1、2、…、n)及び変換係数γを用いて、上記式(15)により変位検出手段70とロータとのギャップ長変動量ΔXi(i=1、2、…、n)を算出し、次いでギャップ長変動量ΔXi(i=1、2、…、n)を用いて上記式(14)により5自由度ロータ変位X、Y、Z、θx、θy算出することにより、ロータ変位演算器12の出力と、真のロータ変位との誤差を低減することができる。
In the fifth embodiment, the
また、ギャップ長演算器13では、ロータが幾何中心に位置する場合の軸受電磁石ギャップ長Gi0(i=1、2、…、n)、n行5列変換行列Cを用いて、ロータ変位演算器12の出力である5自由度ロータ変位X、Y、Z、θx、θyから次式(21)に示すように軸受電磁石とロータ吸引面とのギャップ長Gi(i=1、2、…、n)を算出する。
Further, the
ここで、軸受電磁石がターゲットとするロータ吸引面が真円であり、かつ軸受電磁石がロータ回転軸を中心とする同心円上に配置されているという前提のもとでは、ロータが幾何中心に位置する場合の軸受電磁石ギャップ長Gi0(i=1、2、…、n)は、アキシャル方向ロータ回転角度θzに依存せずに全て同一のDC値となる。通常、Gi0(i=1、2、…、n)は、上記前提が成り立つと仮定してアキシャル方向ロータ回転角度θzと独立に全て同一のDC値を用いる場合が一般的であるが、ロータ吸引面が真円に対して歪をもっている場合、または、軸受電磁石の配置がロータ回転軸を中心とする同心円上にない場合において、ギャップ長演算器13の出力と、真の軸受電磁石ギャップ長との誤差が拡大する傾向を示す。このとき、軸受制御系10における電力分配器14では誤差を含んだ軸受電磁石ギャップ長に基づいて、軸受力指令、およびラジアル方向軸受モーメント指令を実現するための供給電流Ii(i=1、2、…、n)を軸受電磁石に対して分配して供給する。
Here, the rotor is positioned at the geometric center under the assumption that the rotor attracting surface targeted by the bearing electromagnet is a perfect circle and the bearing electromagnet is arranged on a concentric circle centered on the rotor rotation axis. The bearing electromagnet gap lengths Gi0 (i = 1, 2,..., N) in this case all have the same DC value without depending on the axial rotor rotation angle θz. In general, Gi0 (i = 1, 2,..., N) is generally assumed to use the same DC value independently of the axial-direction rotor rotation angle θz on the assumption that the above assumption is satisfied. When the surface is distorted with respect to the perfect circle, or when the arrangement of the bearing electromagnet is not on a concentric circle centered on the rotor rotation axis, the output of the
従って、ギャップ長演算器13の出力が誤差を含んだ結果、軸受力指令及びラジアル方向軸受モーメント指令と、ロータに作用する真の軸受力及び真のラジアル方向軸受モーメントとの誤差が拡大し、並進変位指令制御系20及び回転変位指令制御系40においてラジアル方向軸受力指令及びラジアル方向軸受モーメント指令が零ベクトルとなるように制御しても、静不釣合いに起因する擾乱力及び動不釣合いに起因する擾乱モーメントは所定の大きさで磁気軸受装置から発生し続けることとなる。
Therefore, as a result of the output of the
そこで、この実施の形態5の低擾乱化制御装置では、ギャップ長演算器13の出力と、真の軸受電磁石ギャップ長との誤差が低減するように、ギャップ長演算器13に対してアキシャル方向ロータ回転角度θzに基づいた補正関数を導入する。上述のように、ギャップ長演算器13の出力が誤差を含む要因としては、ロータ吸引面の真円に対する歪及び軸受電磁石配置のロータ回転軸を中心とする同心円上からのずれが挙げられ、ロータ幾何中心時の軸受電磁石ギャップ長Gi0(i=1、2、…、n)に対して、前者はアキシャル方向ロータ回転角度θzに応じて変動するAC成分誤差、後者は軸受電磁石の各々で個別にばらつくDC成分誤差として作用する。
Therefore, in the low disturbance control device of the fifth embodiment, the axial direction rotor with respect to the
従って、幾何中心における軸受電磁石ギャップ長Gi0(i=1、2、…、n)に対して、上述のAC成分誤差及びDC成分誤差を除去するようにアキシャル方向ロータ回転角度θzに基づいた補正関数を導入し、次式(22)に示すように軸受電磁石ギャップ長Gi(i=1、2、…、n)を算出する。 Therefore, the correction function based on the axial direction rotor rotation angle θz so as to remove the above-described AC component error and DC component error with respect to the bearing electromagnet gap length Gi0 (i = 1, 2,..., N) at the geometric center. And the bearing electromagnet gap length Gi (i = 1, 2,..., N) is calculated as shown in the following equation (22).
このように、この実施の形態5の低擾乱化制御装置では、アキシャル方向ロータ回転角度θzに基づいた補正関数を、ロータ変位演算器12における上記式(15)及びギャップ長演算器13における上記式(22)に導入しており、上記式(15)におけるSi0(θz)(i=1、2、…、n)は磁気軸受の保護を目的としたタッチダウン軸受によってロータを機械的に拘束した場合のロータ変位情報に基づいて、上記式(22)におけるGi0(θz)(i=1、2、…、n)はロータを回転軸回りに回転させることなく静止浮上させた場合の静力学及びこのときの軸受電磁石供給電流計測値に基づいて導出することができる。
As described above, in the low disturbance control device of the fifth embodiment, the correction function based on the axial direction rotor rotation angle θz is expressed by the above equation (15) in the
一般に、磁気軸受装置には、軸受電磁石及び変位検出手段とロータとの接触を回避して磁気軸受装置を保護するために、ロータがその幾何学中心から所定量だけ変位した場合に、ロータを機械的に拘束できるようなタッチダウン軸受が装備されている。そこで、軸受制御系10を動作させずにタッチダウン軸受でロータを機械的に拘束し、特に変位検出手段のロータ変位検出方向にロータ1をタッチダウンさせた場合のロータ変位情報を用いることで、ロータ幾何中心時のロータ変位情報Si0(i=1、2、…、n)を得ることができる。
In general, in a magnetic bearing device, in order to protect the magnetic bearing device by avoiding contact between the bearing electromagnet and the displacement detecting means and the rotor, the rotor is mechanically moved when the rotor is displaced from the geometric center by a predetermined amount. It is equipped with touch-down bearings that can be restrained. Therefore, by using the rotor displacement information when the
例えば、円柱形状ロータ(図1)のラジアル方向並進変位を計測する変位検出手段と、ロータ変位検出面の関係は、図14(a)のように示すことができる。ロータ回転軸73回りに回転する円柱形状ロータでは、ロータのラジアル方向並進変位を計測する変位検出手段70に対して、ロータ側面がロータ変位検出面72となる。ロータが幾何中心に位置する場合のロータ変位検出面72に対して、ロータ変位検出方向71のうち、変位検出手段70とのギャップ長が小さくなる向きに、ロータをタッチダウン軸受により機械的に拘束した場合のロータ変位検出面が72’、ロータ変位検出方向71のうち、変位検出手段70とのギャップ長が大きくなる向きに、ロータをタッチダウン軸受により機械的に拘束した場合のロータ変位検出面が72’’である。通常、ロータ変位検出方向71に対するロータ変位検出面72とロータ変位検出面72’との距離及びロータ変位検出面72とロータ変位検出面72’’との距離は同一であるので、ロータ変位検出面72’におけるロータ変位情報及びロータ変位検出面72’’におけるロータ変位情報の平均により、ロータ幾何中心時(ロータ変位検出面72)のロータ変位情報Si0(i=1、2、…、n)を推定することができる。
For example, the relationship between the displacement detection means for measuring the radial translational displacement of the cylindrical rotor (FIG. 1) and the rotor displacement detection surface can be shown as shown in FIG. In the cylindrical rotor rotating around the
また、ロータ変位検出面72、従ってロータ変位検出方向71がロータ回転軸73に対して傾斜するような形状のロータ(図2)において、変位検出手段とロータ変位検出面の関係は図14(b)の如く示すことができる。ロータが幾何中心に位置する場合のロータ変位検出面72に対して、ロータ配置をアキシャル方向(Z軸方向)には正方向、ラジアル方向には変位検出手段70とのギャップ長が小さくなる向きに、タッチダウン軸受により機械的に拘束した場合のロータ変位検出面が72’、ロータ配置をアキシャル方向(Z軸方向)には正方向、ラジアル方向には変位検出手段70とのギャップ長が大きくなる向きに、タッチダウン軸受により機械的に拘束した場合のロータ変位検出面が72’’、ロータ配置をアキシャル方向(Z軸方向)には負方向、ラジアル方向には変位検出手段70とのギャップ長が大きくなる向きに、タッチダウン軸受により機械的に拘束した場合のロータ変位検出面が72’’’、ロータ配置をアキシャル方向(Z軸方向)には負方向、ラジアル方向には変位検出手段70とのギャップ長が小さくなる向きに、タッチダウン軸受により機械的に拘束した場合のロータ変位検出面が72’’’’である。
Further, in the rotor having a shape in which the rotor
このとき、ロータ変位検出面72’〜72’’’’におけるロータ変位情報の平均により、ロータ幾何中心時(ロータ変位検出面72)のロータ変位情報Si0(i=1、2、…、n)を推定することができる。 At this time, the rotor displacement information Si0 (i = 1, 2,..., N) at the time of the rotor geometric center (rotor displacement detection surface 72) is obtained by averaging the rotor displacement information on the rotor displacement detection surfaces 72 ′ to 72 ″ ″. Can be estimated.
上記手順により、所定の回転角度θzにおけるロータ幾何中心時のロータ変位情報Si0(i=1、2、…、n)、従って上記式(15)におけるSi0(θz)(i=1、2、…、n)を導出することができる。 According to the above procedure, the rotor displacement information Si0 (i = 1, 2,..., N) at the rotor geometric center at the predetermined rotation angle θz, and thus Si0 (θz) (i = 1, 2,..., In the above equation (15). , N) can be derived.
次に、上記式(22)におけるGi0(θz)(i=1、2、…、n)は、ロータを回転軸回りに回転させることなく静止浮上させた場合の静力学及びこのときの軸受電磁石供給電流計測値に基づいて導出することができる。図13に示すブロック図において、ロータ変位演算器12に対して上述のアキシャル方向ロータ回転角度θzに基づいた補正関数を導入し、かつ、並進変位指令制御系20を停止させた状態で軸受制御系10に対してラジアル方向並進変位指令Xc、Yc、アキシャル方向並進変位指令Zc、ラジアル方向回転変位指令θxc、θycとして全て零値を入力した場合、ロータが回転せずに静止浮上しているならば、PI制御器16における積分器の作用により指令に対する定常偏差が零となり、ロータ変位演算器12の出力である5自由度ロータ変位X、Y、Z、θx、θyは全て零値に保持される。
Next, Gi0 (θz) (i = 1, 2,..., N) in the above formula (22) is the statics when the rotor is floated without rotating around the rotation axis and the bearing electromagnet at this time. It can be derived based on the measured supply current. In the block diagram shown in FIG. 13, the bearing control system is introduced in a state where the correction function based on the axial rotor rotation angle θz is introduced to the
この5自由度ロータ変位は、ロータ変位演算器12においてアキシャル方向ロータ回転角度θzに基づいた補正関数を導入していることから、真の5自由度ロータ変位と見なすことができ、従って、ロータ質量をM、重力加速度をg、磁気軸受によりロータに作用する真の3自由度軸受力をFxt、Fyt、Fzt、真のラジアル方向2自由度軸受モーメントをNxt、Nytとすると、図1及び図2に示した固定座標系において次式(23)、(24)のような静力学が成り立つ。
This 5-degree-of-freedom rotor displacement can be regarded as a true 5-degree-of-freedom rotor displacement because the
このとき、軸受電磁石で発生している真の磁気吸引力をFit(i=1、2、…、n)とすると、真の軸受力Fxt、Fyt、Fzt、真のラジアル方向軸受モーメントNxt、Nytと真の磁気吸引力Fit(i=1、2、…、n)との関係は、Bを5行n列の変換行列として上記式(18)のように表される。 At this time, if the true magnetic attractive force generated by the bearing electromagnet is Fit (i = 1, 2,..., N), the true bearing forces Fxt, Fyt, Fzt, the true radial bearing moments Nxt, Nyt And the true magnetic attraction force Fit (i = 1, 2,..., N) is expressed by the above equation (18), where B is a 5 × n conversion matrix.
また、軸受電磁石における真の磁気吸引力Fit(i=1、2、…、n)は、各軸受電磁石に対する供給電流計測値をIi(i=1、2、…、n)、各軸受電磁石とロータ吸引面との真のギャップ長をGit(i=1、2、…、n)、変換係数をkとして上記式(19)のように表される。 In addition, the true magnetic attractive force Fit (i = 1, 2,..., N) in the bearing electromagnet is the measured supply current value for each bearing electromagnet Ii (i = 1, 2,..., N), The true gap length with the rotor suction surface is represented by the above equation (19) with Git (i = 1, 2,..., N) and the conversion coefficient k.
更に、真の軸受電磁石ギャップ長Git(i=1、2、…、n)は、ロータが幾何中心に位置する場合の軸受電磁石ギャップ長をGi0(i=1、2、…、n)として、上記式(20)において真の5自由度ロータ変位が全て零値であるとして、次式(25)で与えられる。 Further, the true bearing electromagnet gap length Git (i = 1, 2,..., N) is defined as Gi0 (i = 1, 2,..., N) when the rotor is located at the geometric center. In the above equation (20), assuming that the true 5-degree-of-freedom rotor displacement is all zero, the following equation (25) is given.
上記式(18)、(19)、(25)を上記式(23)、(24)に代入し、所定のアキシャル方向ロータ回転角度θzで静止浮上させた場合の軸受電磁石供給電流計測値Ii(i=1、2、…、n)を適用することで、当該回転角度θzにおける真のロータ幾何中心時の軸受電磁石ギャップ長Gi0(i=1、2、…、n)に関する非線形連立方程式を得る。この非線形連立方程式は、Newton法等の計算手法により数値解を導出することができ、上記手順を所定の回転角度θzにおいて実施することにより、上記式(22)におけるGi0(θz)(i=1、2、…、n)を導出することができる。上記式(22)によってギャップ長演算器13を構成することにより、ギャップ長演算器13の出力と、真の軸受電磁石ギャップ長との誤差を低減することができ、従って、軸受制御系10における軸受力指令及びラジアル方向軸受モーメント指令と、ロータに作用する真の軸受力及び真のラジアル方向軸受モーメントとの誤差が低減し、磁気軸受装置の発生擾乱をより一層低減することができる。
The above formulas (18), (19), and (25) are substituted into the above formulas (23) and (24), and the measured value of the bearing electromagnet supply current Ii (when statically levitated at a predetermined axial direction rotor rotation angle θz) By applying i = 1, 2,..., n), a nonlinear simultaneous equation relating to the bearing electromagnet gap length Gi0 (i = 1, 2,..., n) at the true rotor geometric center at the rotation angle θz is obtained. . This nonlinear simultaneous equation can derive a numerical solution by a calculation method such as Newton's method, and by performing the above procedure at a predetermined rotation angle θz, Gi0 (θz) (i = 1) in the above equation (22). 2, ..., n) can be derived. By configuring the
このように、この発明における低擾乱化制御装置の実施の形態5により、アキシャル方向ロータ回転速度が軸受制御系10の位置制御帯域内、サーボ共振周波数域及び位置制御帯域外のどの周波数領域にある場合でも、ロータ重心位置Gが磁気軸受の回転軸上に位置するようになり、磁気軸受のサーボ共振周波数域を含めた全周波数領域において、ロータ静不釣合いに起因する擾乱力を低減することができる。
Thus, according to the fifth embodiment of the low disturbance control device of the present invention, the axial direction rotor rotational speed is in any frequency region within the position control band of the bearing
また、並進変位指令制御系20におけるLPF22がロータ回転同期成分のみを抽出することで、ロータ回転同期成分以外の周波数域に属する信号成分を容易に除去することができる。
Further, since the LPF 22 in the translational displacement
更に、軸受制御系10を位置制御ループと速度制御ループの2重ループ制御とし、位置制御ループゲイン特性が平坦となるように軸受制御系10を設計することにより、磁気軸受のサーボ共振周波数域におけるロータ振れ回り量及び磁気軸受装置の発生擾乱の更なる抑制を図ることができるばかりか、軸受制御系10において速度制御帯域51がアキシャル方向ロータ回転速度fの近傍に属することが無いように、ロータ回転速度fに応じて速度制御ループゲインKDを変化させることにより、軸受制御系10の安定性を損なうことなく、速度制御系ゲイン交点周波数域における磁気軸受装置の発生擾乱の更なる抑制を図ることができる。
Furthermore, the bearing
加えて、ロータ変位演算器12の出力と真のロータ変位との誤差及びギャップ長演算器13の出力と真の軸受電磁石ギャップ長との誤差を低減することにより、軸受制御系10における軸受力指令及びラジアル方向軸受モーメント指令と、ロータに作用する真の軸受力及び真のラジアル方向軸受モーメントとの誤差が低減し、磁気軸受装置の発生擾乱をより一層低減することができる。
In addition, the bearing force command in the
実施の形態6.
図15は、この発明に係る低擾乱化制御装置の実施の形態6を説明するためのブロック図であり、図7と同一の符号を付したものは、同一部分または相当部分を示す。
Embodiment 6 FIG.
FIG. 15 is a block diagram for explaining the sixth embodiment of the low disturbance control device according to the present invention, where the same reference numerals as those in FIG. 7 denote the same or corresponding parts.
次に、動作について説明する。図15では、簡単のためにラジアル方向並進運動及びアキシャル方向並進運動のフィードバック・ループは図示していないが、軸受制御系10の動作は実施の形態5と同一である。また、回転変位指令制御系40の動作は実施の形態3と同一である。
Next, the operation will be described. In FIG. 15, for the sake of simplicity, the feedback loop of radial translation and axial translation is not shown, but the operation of the bearing
上記実施の形態4における低擾乱化制御装置では、アキシャル方向ロータ回転角度θzに基づいた補正関数を、ロータ変位演算器12における上記式(15)に導入しており、上記式(15)におけるSi0(θz)(i=1、2、…、n)はロータを回転軸回りに回転させることなく静止浮上させた場合の静力学及びこのときの軸受電磁石供給電流計測値に基づいて導出している。
In the low disturbance control device according to the fourth embodiment, a correction function based on the axial direction rotor rotation angle θz is introduced into the equation (15) in the
一方、上記実施の形態5による低擾乱化制御装置では、アキシャル方向ロータ回転角度θzに基づいた補正関数を、ロータ変位演算器12における上記式(15)及びギャップ長演算器13における上記式(22)に導入しており、上記式(15)におけるSi0(θz)(i=1、2、…、n)は磁気軸受の保護を目的としたタッチダウン軸受によってロータを機械的に拘束した場合のロータ変位情報に基づいて、上記式(22)におけるGi0(θz)(i=1、2、…、n)はロータを回転軸回りに回転させることなく静止浮上させた場合の静力学及びこのときの軸受電磁石供給電流計測値に基づいて導出している。
On the other hand, in the low disturbance control device according to the fifth embodiment, the correction function based on the axial rotor rotation angle θz is expressed by the above equation (15) in the
このように、ロータ変位演算器12における補正関数の導出方法には、タッチダウン軸受によってロータを機械的に拘束した場合のロータ変位情報に基づく方法と、ロータを静止浮上させた場合の静力学及びこのときの軸受電磁石供給電流計測値に基づく方法の2通りがある。このうち、ロータ変位演算器12の出力と真のロータ変位との誤差をより低減できる方法は後者であると考えられる。
As described above, the correction function derivation method in the
そこで、この実施の形態6の低擾乱化制御装置では、アキシャル方向ロータ回転角度θzに基づいた補正関数を、ロータ変位演算器12における上記式(15)及びギャップ長演算器13における上記式(22)に導入し、上記式(15)におけるSi0(θz)(i=1、2、…、n)及び上記式(22)におけるGi0(θz)(i=1、2、…、n)の双方を、ロータを回転軸回りに回転させることなく静止浮上させた場合の静力学及びこのときの軸受電磁石供給電流計測値に基づいて導出する。
Therefore, in the low disturbance control device of the sixth embodiment, the correction function based on the axial direction rotor rotation angle θz is expressed by the above equation (15) in the
このときの導出手順としては、第1に、実施の形態5と同様、タッチダウン軸受によってロータを機械的に拘束した場合のロータ変位情報に基づいて、ロータ変位演算器12における補正関数を導出する。
As a derivation procedure at this time, first, as in the fifth embodiment, a correction function in the
第2に、これも実施の形態5と同様、ロータを静止浮上させた場合の静力学及びこのときの軸受電磁石への供給電流計測値に基づいて、ギャップ長演算器13における補正関数を導出する。実施の形態6による低擾乱化制御装置では更に、実施の形態4と同様にロータを静止浮上させた場合の静力学である上記式(16)、(17)に対して、真の軸受力及びラジアル方向軸受モーメントと、真の電磁石磁気吸引力の関係式である上記式(18)、真の電磁石磁気吸引力と、各電磁石に対する供給電流計測値及び各電磁石とロータ吸引面との真のギャップ長との関係式である上記式(19)、アキシャル方向ロータ回転角度θzに基づいた補正関数を導入し、真の軸受電磁石ギャップ長を算出する上記式(22)を代入し、所定のアキシャル方向ロータ回転角度θzで静止浮上させた場合の軸受電磁石供給電流計測値Ii(i=1、2、…、n)を適用することで、当該回転角度θzにおける真の5自由度ロータ変位Xt、Yt、Zt、θx、θyに関する非線形連立方程式を得る。
Second, as in the fifth embodiment, the correction function in the
この非線形連立方程式の数値解を算出することで、所定の回転角度θzにおけるロータ変位演算器12の出力誤差、従って上記式(15)におけるSi0(θz)(i=1、2、…、n)をより高精度に導出することができる。
By calculating a numerical solution of this nonlinear simultaneous equation, the output error of the
これにより、ロータ変位演算器12の出力と、真のロータ変位との誤差を更に低減することができ、従って、軸受制御系10における軸受力指令及びラジアル方向軸受モーメント指令と、ロータに作用する真の軸受力及び真のラジアル方向軸受モーメントとの誤差が減少し、磁気軸受装置の発生擾乱を更に一層低減することができる。
As a result, the error between the output of the
このように、この発明の実施の形態6による低擾乱化制御装置により、アキシャル方向ロータ回転速度が軸受制御系10の位置制御帯域内、サーボ共振周波数域及び位置制御帯域外のどの周波数領域にある場合でも、ロータ慣性主軸Pが磁気軸受回転軸と平行になり、ロータ動不釣合いに起因する擾乱モーメントを、磁気軸受のサーボ共振周波数域を含めた全周波数領域において低減することができる。
Thus, with the low disturbance control device according to Embodiment 6 of the present invention, the axial direction rotor rotational speed is in any frequency region within the position control band of the bearing
また、回転変位指令制御系40におけるLPF42がロータ回転同期成分のみを抽出することで、ロータ回転同期成分以外の周波数域に属する信号成分を容易に除去することができる。
Further, since the LPF 42 in the rotational displacement
更に、軸受制御系10を位置制御ループと速度制御ループの2重ループ制御とし、位置制御ループゲイン特性が平坦となるように軸受制御系10を設計することにより、磁気軸受のサーボ共振周波数域におけるロータ振れ回り量及び磁気軸受装置の発生擾乱の更なる抑制を図ることができるのみならず、軸受制御系10において速度制御帯域51がアキシャル方向ロータ回転速度fの近傍に属することが無いように、ロータ回転速度fに応じて速度制御ループゲインKDを変化させることにより、軸受制御系10の安定性を損なうことなく、速度制御系ゲイン交点周波数域における磁気軸受装置の発生擾乱の更なる抑制を図ることができる。
Furthermore, the bearing
加えて、ロータ変位演算器12の出力と真のロータ変位との誤差及びギャップ長演算器13の出力と真の軸受電磁石ギャップ長との誤差を低減することにより、軸受制御系10における軸受力指令及びラジアル方向軸受モーメント指令と、ロータに作用する真の軸受力及び真のラジアル方向軸受モーメントとの誤差が低減し、磁気軸受装置の発生擾乱をより一層低減することができる。
In addition, the bearing force command in the
この発明は、回転電機の回転体(ロータ)を非接触で支持する磁気軸受が発生する擾乱を、磁気軸受のサーボ共振周波数域を含めた全周波数領域において低減するのに利用される。 The present invention is used to reduce disturbance generated by a magnetic bearing that supports a rotating body (rotor) of a rotating electrical machine in a non-contact manner in all frequency ranges including a servo resonance frequency range of the magnetic bearing.
1 ロータ、2 電磁石、3 変位検出手段、10 軸受制御系、
11 電磁石、ロータ及び変位検出手段からなる構成要素、12 ロータ変位演算器、
13 ギャップ長演算器、14 電力分配器、15 PID制御器、16 PI制御器、17 P制御器、18 微分器、20 並進変位指令制御系、
21,41 回転座標変換器、22,42 LPF、23,43 積分器、
24 固定座標変換器、25,45 固定座標変換器/位相変換器、
30 ロータ静不釣合いに起因する振れ回り力、
31 ラジアル方向軸受力指令の回転座標系表現、
32 ラジアル方向並進変位指令の回転座標系表現、33,63 ロータ回転方向、
34 ロータ幾何中心位置の移動方向ベクトル、40 回転変位指令制御系、
50 位置制御閉ループゲイン特性、51 速度制御閉ループゲイン特性、
60 ロータの動不釣合いに起因する振れ回りモーメント、
61 ラジアル方向軸受モーメント指令の回転座標系表現、
62 ラジアル方向回転変位指令の回転座標系表現、
64 ロータ慣性主軸の回転方向ベクトル、70 変位検出手段、
71 ロータ変位検出方向、72 ロータ変位検出面、73 ロータ回転軸(Z軸)。
1 rotor, 2 electromagnets, 3 displacement detection means, 10 bearing control system,
11 components comprising an electromagnet, a rotor and displacement detection means, 12 a rotor displacement calculator,
13 Gap length calculator, 14 Power distributor, 15 PID controller, 16 PI controller, 17 P controller, 18 Differentiator, 20 Translational displacement command control system,
21, 41 Rotary coordinate converter, 22, 42 LPF, 23, 43 integrator,
24 fixed coordinate converter, 25, 45 fixed coordinate converter / phase converter,
30 Swinging force due to rotor unbalance,
31 Rotary coordinate system representation of radial direction bearing force command,
32 Rotary coordinate system representation of radial direction translational displacement command, 33, 63 Rotor rotation direction,
34 Rotor geometric center position moving direction vector, 40 rotational displacement command control system,
50 Position control closed loop gain characteristics, 51 Speed control closed loop gain characteristics,
60 Swinging moment due to rotor dynamic imbalance,
61 Rotating coordinate system representation of radial direction bearing moment command,
62 Rotational coordinate system representation of radial direction rotational displacement command,
64 rotational direction vector of the rotor inertial spindle, 70 displacement detecting means,
71 Rotor displacement detection direction, 72 Rotor displacement detection surface, 73 Rotor rotation axis (Z axis).
Claims (12)
上記変位検出手段の出力を、上記5自由度ロータ変位に変換するロータ変位演算器と、 上記ロータ変位演算器の出力に基づいて、上記ロータを磁気軸受の所定の位置に制御するための軸受力となるラジアル方向及びアキシャル方向軸受力指令、上記ロータのラジアル方向回転変位を制御する軸受力となるラジアル方向軸受モーメント指令を出力する制御指令出力手段と、
上記ロータ変位演算器の出力に基づいて、上記電磁石各々と上記ロータとのギャップ長を出力するギャップ長演算器と、
上記ギャップ長演算器の出力及び上記制御指令出力手段の出力に基づいて、上記制御指令出力手段から出力されるラジアル方向及びアキシャル方向軸受力指令、及びラジアル方向軸受モーメント指令を実現するための上記電磁石各々に対する供給電流を分配して供給する電力分配器とを備えた軸受制御系、
上記ロータのアキシャル方向ロータ回転角度に基づいて、上記軸受制御系における制御指令出力手段が出力するラジアル方向軸受力指令を、上記ロータの幾何中心軸をZ軸、上記Z軸に垂直な方向をX軸及びY軸としてロータと共にZ軸まわりに回転する回転座標系表現に変換する回転座標変換器と、
上記回転座標変換器の出力のロータ回転同期成分を抽出するLPFと、
上記LPFの出力を積分して、ラジアル方向に並進させる回転座標系のラジアル方向並進変位を出力する積分器と、
上記ロータのアキシャル方向ロータ回転角度に基づいて、上記積分器が出力するラジアル方向並進変位を上記固定座標系表現に変換して上記ロータの重心位置が上記回転座標系原点に位置するように上記ロータの幾何中心軸をラジアル方向に並進させるラジアル方向並進変位指令を算出する固定座標変換器とを備えた並進変位指令制御系、
を備え、
上記固定座標系に変換したラジアル方向並進変位指令により、上記軸受制御系が上記電磁石を制御して上記ロータの浮上位置を所定位置に制御することを特徴とする磁気軸受の低擾乱化制御装置。 In a fixed coordinate system in which a radial direction is an X axis and a Y axis and a central axis is a Z axis of a magnetic bearing composed of a plurality of electromagnets that levitate a rotor by electromagnetic force, the geometric central axis of the rotor translates in the radial direction. 3 degree-of-freedom rotor displacement in which the translational displacement in the radial direction and the geometrical center axis of the rotor translate in the axial direction (Z-axis direction) of the fixed coordinate system, and the geometrical center axis of the rotor are fixed. Displacement detection for detecting information (rotor displacement information) related to 5-degree-of-freedom rotor displacement and axial-direction rotor-rotation angle consisting of 2-degree-of-freedom rotor displacement of radial-direction rotational displacement rotating in a plane including the Z-axis of the coordinate system Means,
A rotor displacement calculator for converting the output of the displacement detection means into the 5-degree-of-freedom rotor displacement; and a bearing force for controlling the rotor to a predetermined position of the magnetic bearing based on the output of the rotor displacement calculator. A control command output means for outputting a radial direction and axial direction bearing force command, and a radial direction bearing moment command serving as a bearing force for controlling the radial rotational displacement of the rotor;
Based on the output of the rotor displacement calculator, a gap length calculator that outputs the gap length between each of the electromagnets and the rotor ;
The electromagnet for realizing the radial direction and axial direction bearing force command and the radial direction bearing moment command output from the control command output means based on the output of the gap length calculator and the output of the control command output means. A bearing control system including a power distributor that distributes and supplies a supply current to each ;
Based on the rotor rotation angle in the axial direction of the rotor, the radial bearing force command output by the control command output means in the bearing control system is expressed as follows: the geometric center axis of the rotor is the Z axis, and the direction perpendicular to the Z axis is X A rotary coordinate converter for converting into a rotary coordinate system representation that rotates about the Z axis with the rotor as an axis and a Y axis;
LPF for extracting the rotor rotation synchronization component of the output of the rotary coordinate converter;
An integrator that integrates the output of the LPF and outputs a radial translational displacement of a rotating coordinate system that translates in the radial direction;
Based on the axial rotor rotation angle of the rotor, the radial translation displacement output from the integrator is converted into the fixed coordinate system representation so that the center of gravity of the rotor is located at the origin of the rotary coordinate system. translational displacement command control system that includes a fixed coordinate converter for calculating a radial translational displacement command for translating the geometric center axis of the radial direction,
With
A magnetic bearing low disturbance control device, wherein the bearing control system controls the electromagnet to control the flying position of the rotor to a predetermined position by a radial translational displacement command converted into the fixed coordinate system.
上記変位検出手段の出力を、上記5自由度ロータ変位に変換するロータ変位演算器と、
上記ロータ変位演算器の出力に基づいて、上記ロータを磁気軸受の所定の位置に制御するための軸受力となるラジアル方向及びアキシャル方向軸受力指令、上記ロータのラジアル方向回転変位を制御する軸受力となるラジアル方向軸受モーメント指令を出力する制御指令出力手段と、
上記ロータ変位演算器の出力に基づいて、上記電磁石各々と上記ロータとのギャップ長を出力するギャップ長演算器と、
上記ギャップ長演算器の出力及び上記制御指令出力手段の出力に基づいて、上記制御指令出力手段から出力されるラジアル方向及びアキシャル方向軸受力指令、及びラジアル方向軸受モーメント指令を実現するための上記電磁石各々に対する供給電流を分配して供給する電力分配器とを備えた軸受制御系、
上記ロータのアキシャル方向ロータ回転角度に基づいて、上記軸受制御系における制御指令出力手段が出力するラジアル方向軸受モーメント指令を、上記ロータの幾何中心軸をZ軸、上記Z軸に垂直な方向をX軸及びY軸としてロータと共にZ軸周りに回転する回転座標系表現に変換する回転座標変換器と、
上記回転座標変換器の出力のロータ回転同期成分を抽出するLPFと、
上記LPFの出力を積分してラジアル方向に回転させる回転座標系のラジアル方向回転変位を出力する積分器と、
上記ロータのアキシャル方向ロータ回転角度に基づいて、上記積分器から出力されるラジアル方向回転変位を上記固定座標系表現に変換して上記ロータの慣性主軸が上記磁気軸受けの中心軸と平行になるように上記ロータの幾何中心軸を上記固定座標系のZ軸を含む平面内で回動させるラジアル方向回転変位指令を算出する固定座標変換器とを備えた回転変位指令制御系、
を備え、
上記固定座標系に変換したラジアル方向回転変位指令により、上記軸受制御系が上記電磁石を制御して上記ロータの浮上位置を所定位置に制御することを特徴とする磁気軸受の低擾乱化制御装置。 In a fixed coordinate system in which a radial direction is an X axis and a Y axis and a central axis is a Z axis of a magnetic bearing composed of a plurality of electromagnets that levitate a rotor by electromagnetic force, the geometric central axis of the rotor translates in the radial direction. 3 degree-of-freedom rotor displacement in which the translational displacement in the radial direction and the geometrical center axis of the rotor translate in the axial direction (Z-axis direction) of the fixed coordinate system, and the geometrical center axis of the rotor are fixed. Displacement detection that detects information (rotor displacement information) related to the 5-degree-of-freedom rotor displacement and the axial-direction rotor-rotation angle consisting of a 2-degree-of-freedom rotor displacement of a radial-direction rotational displacement that rotates in a plane including the Z-axis of the coordinate system Means,
A rotor displacement calculator for converting the output of the displacement detection means into the 5-degree-of-freedom rotor displacement;
Based on the output of the rotor displacement calculator, a radial and axial direction bearing force command that becomes a bearing force for controlling the rotor to a predetermined position of the magnetic bearing, and a bearing force for controlling the radial rotational displacement of the rotor Control command output means for outputting a radial bearing moment command,
Based on the output of the rotor displacement calculator, a gap length calculator that outputs the gap length between each of the electromagnets and the rotor ;
The electromagnet for realizing the radial direction and axial direction bearing force command and the radial direction bearing moment command output from the control command output means based on the output of the gap length calculator and the output of the control command output means. A bearing control system including a power distributor that distributes and supplies a supply current to each ;
Based on the rotor rotational angle in the axial direction of the rotor, the radial bearing moment command output by the control command output means in the bearing control system is expressed as follows: the geometric center axis of the rotor is the Z axis, and the direction perpendicular to the Z axis is X A rotary coordinate converter that converts the rotary coordinate system to rotate around the Z axis together with the rotor as an axis and a Y axis;
LPF for extracting the rotor rotation synchronization component of the output of the rotary coordinate converter;
An integrator for outputting a radial rotational displacement of the rotating coordinate system that rotates in the radial direction by integrating the output of the LPF,
Based on the rotor rotational angle in the axial direction of the rotor, the radial rotational displacement output from the integrator is converted into the fixed coordinate system representation so that the inertial main shaft of the rotor is parallel to the central axis of the magnetic bearing. A rotational displacement command control system comprising: a fixed coordinate converter that calculates a radial rotational displacement command for rotating the geometric center axis of the rotor in a plane including the Z axis of the fixed coordinate system;
With
A magnetic bearing low disturbance control device, wherein the bearing control system controls the electromagnet to control the flying position of the rotor to a predetermined position by a radial rotational displacement command converted into the fixed coordinate system.
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