JP5218846B2 - 磁気軸受制御装置と方法 - Google Patents
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Description
従来の油軸受と比較して磁気軸受の特徴の1つは動的軸受剛性の差であり、油軸受は剛支持であるのに対し、磁気軸受は軟支持である。そのため、磁気軸受におけるロータの振動モードは自由−自由モードに近くなり、例えば、弾性曲げモードの3次と4次危険速度の間が運転範囲となる。
従って、磁気軸受を用いた高速回転機械では、各危険速度(例えば1次〜3次)を安全に通過できる必要がある。
フィードフォワード制御は、例えば、特許文献1,2に開示されている。
このフィードバック制御は、ロータを中立位置に保持するための基本的な制御手段であるが、高速回転での曲げ共振点への対応ができない問題点がある。
PLL4は回転パルス信号Nから回転周波数ωを抽出し、二相発振器5はその周波数ωの任意の振幅αと位相φをもった正弦波Is=αsin(ωt+φ)と余弦波Ic=αcos(ωt+φ)を発振し、それをそれぞれ電流指令信号Ix,Iyに重畳させる。
例えば、誘導モータでは、回転磁界に対しロータはやや低い周波数で回転する。すなわち滑りが生じるのが誘導モータの特徴である。危険速度を通過する際、従来の回転信号を取り込むフィードフォワード制御では不釣合い力を相殺することはできるが、誘導モータの励磁力を相殺することはできず、誘導モータの回転磁界の周波数が危険速度を通過できないという問題点があった。
ロータの変位に基づきロータを中立位置に保持するフィードバック制御器と、
ロータの回転周波数に同期する同期周波数に基づき該同期周波数に一致する不釣合い力を相殺する同期フィードフォワード制御器と、
ロータの回転周波数に同期しない回転非同期周波数に基づき該回転非同期周波数に一致する不釣合い力を相殺する1又は複数の回転非同期フィードフォワード制御器とを備え、
前記回転非同期フィードフォワード制御器は、ロータの回転周波数に同期しない外部信号から前記回転非同期周波数を抽出する1又は複数の回転非同期PLLと、
前記回転非同期周波数を有する回転非同期正弦波と回転非同期余弦波を発振する1又は複数の回転非同期二相発振器とを有し、
前記回転非同期正弦波と回転非同期余弦波をそれぞれx軸用電磁石とy軸用電磁石の電流指令信号に重畳させる、ことを特徴とする磁気軸受制御装置が提供される。
ロータのy方向変位に基づき前記y軸用電磁石の電流指令信号Iyをフィードバック制御するy軸制御器とを有し、
前記同期フィードフォワード制御器は、ロータの回転パルス信号から前記同期周波数を抽出する同期PLLと、
前記同期周波数を有する同期正弦波と同期余弦波を発振する同期二相発振器とを有し、前記同期正弦波と同期余弦波をそれぞれx軸用電磁石とy軸用電磁石の電流指令信号に重畳させる。
ロータの変位に基づきロータを中立位置に保持するようにフィードバック制御し、
ロータの回転周波数に同期する同期周波数に基づき該同期周波数に一致する不釣合い力を相殺するようにフィードフォワード制御し、
ロータの回転周波数に同期しない回転非同期周波数に基づき該回転非同期周波数に一致する不釣合い力を相殺するようにフィードフォワード制御し、
前記回転非同期周波数に基づくフィードフォワード制御は、
ロータの回転周波数に同期しない外部信号から前記回転非同期周波数を抽出し、
前記回転非同期周波数を有する回転非同期正弦波と回転非同期余弦波を発振させ、
前記回転非同期正弦波と回転非同期余弦波をそれぞれx軸用電磁石とy軸用電磁石の電流指令信号に重畳させる、ことを特徴とする磁気軸受制御方法が提供される。
この図において、11は軸心Zを回転中心として高速回転する回転体(ロータ)、12xはロータ11を挟んでx軸上に対向して配置されたx軸用電磁石、12yはロータ11を挟んでy軸上に対向して配置されたy軸用電磁石である。
なお、磁気軸受10は1つに限定されず、ロータ11の軸心Zに沿って、2箇所、又は3箇所以上設けてもよい。
この図において、本発明の磁気軸受制御装置20は、フィードバック制御器22、同期フィードフォワード制御器24、および回転非同期フィードフォワード制御器26を備える。
x軸制御器23xは、ロータ11のx方向変位xに基づきx軸用電磁石12xの電流指令信号Ixをフィードバック制御する。また、y軸制御器23yは、ロータ11のy方向変位yに基づきy軸用電磁石12yの電流指令信号Iyをフィードバック制御する。
この構成により、フィードバック制御器22により、ロータ11の変位x,yに基づきロータ11を中立位置に保持することができる。
同期PLL25aは、フェーズロックドループであり、ロータ11の回転パルス信号Nからロータ11の回転周波数に同期する同期周波数ωNを抽出する。
また、同期二相発振器25bは、二相発振器であり、同期周波数ωNを有する同期正弦波IsN=αNsin(ωNt+φN)と同期余弦波IcN=αNcos(ωNt+φN)を発振する。ここで、αNとφNは可変かつ任意の振幅と位相である。
さらに、これらの同期正弦波IsNと同期余弦波IcNはそれぞれx軸用電磁石12xとy軸用電磁石12yの電流指令信号Ix,Iyに重畳される。
回転非同期PLL27aは、フェーズロックドループであり、ロータ11の回転周波数に同期しない外部信号F(例えば誘導モータの励磁信号)からロータ11の回転周波数に同期しない回転非同期周波数ωFを抽出する。
また回転非同期二相発振器27bは、二相発振器であり、回転非同期周波数ωFを有する回転非同期正弦波IsF=αFsin(ωFt+φF)と回転非同期余弦波IcF=αFcos(ωFt+φF)を発振する。
さらに、これらの回転非同期正弦波IsFと同期余弦波回転非同期余弦波IcFはそれぞれx軸用電磁石12xとy軸用電磁石12yの電流指令信号Ix,Iyに重畳される。
(A) ロータ11の変位に基づきロータ11を中立位置に保持するようにフィードバック制御し、
(B) ロータ11の回転周波数に同期する同期周波数に基づき該同期周波数に一致する不釣合い力を相殺するようにフィードフォワード制御し、
(C) ロータ11の回転周波数に同期しない回転非同期周波数に基づき該回転非同期周波数に一致する不釣合い力を相殺するようにフィードフォワード制御する。
(C1) ロータ11の回転周波数に同期しない外部信号から前記回転非同期周波数を抽出し、
(C2) 前記回転非同期周波数を有する回転非同期正弦波と回転非同期余弦波を発振させ、
(C3) 前記回転非同期正弦波と回転非同期余弦波をそれぞれx軸用電磁石とy軸用電磁石の電流指令信号に重畳させる。
この図において、縦の一点鎖線はロータ危険速度、図中の矢印Aは本発明の同期フィードフォワード制御の開始位置を示している。なおこの例では、本発明の回転非同期周波数に基づくフィードフォワード制御は実施していない。
また、本発明の同期フィードフォワード制御により、この例では回転同期のみ小さくなっていて、モータ励磁の応答は小さくなっていないことがわかる。そのため、ロータの回転信号を取り込む同期フィードフォワード制御ではロータの回転に同期する不釣合い力を相殺することはできるが、誘導モータの励磁力を相殺することはできず、誘導モータの回転磁界の周波数が危険速度を通過できないことがわかる。
12x x軸用電磁石、12y y軸用電磁石、
20 磁気軸受制御装置、22 フィードバック制御器、
23x x軸制御器、23y y軸制御器、
24 同期フィードフォワード制御器、25a 同期PLL、
25b 同期二相発振器、26 回転非同期フィードフォワード制御器、
27a 回転非同期PLL、27b 回転非同期二相発振器
Claims (3)
- 高速回転するロータの軸心に直交するx−y平面内に、ロータを挟んでx軸上に対向して配置された1対のx軸用電磁石と、前記ロータを挟んでy軸上に対向して配置された1対のy軸用電磁石とを有する磁気軸受の制御装置であって、
ロータの変位に基づきロータを中立位置に保持するフィードバック制御器と、
ロータの回転周波数に同期する同期周波数に基づき該同期周波数に一致する不釣合い力を相殺する同期フィードフォワード制御器と、
ロータの回転周波数に同期しない回転非同期周波数に基づき該回転非同期周波数に一致する不釣合い力を相殺する1又は複数の回転非同期フィードフォワード制御器とを備え、
前記回転非同期フィードフォワード制御器は、ロータの回転周波数に同期しない外部信号から前記回転非同期周波数を抽出する1又は複数の回転非同期PLLと、
前記回転非同期周波数を有する回転非同期正弦波と回転非同期余弦波を発振する1又は複数の回転非同期二相発振器とを有し、
前記回転非同期正弦波と回転非同期余弦波をそれぞれx軸用電磁石とy軸用電磁石の電流指令信号に重畳させる、ことを特徴とする磁気軸受制御装置。 - 前記フィードバック制御器は、ロータのx方向変位に基づき前記x軸用電磁石の電流指令信号Ixをフィードバック制御するx軸制御器と、
ロータのy方向変位に基づき前記y軸用電磁石の電流指令信号Iyをフィードバック制御するy軸制御器とを有し、
前記同期フィードフォワード制御器は、ロータの回転パルス信号から前記同期周波数を抽出する同期PLLと、
前記同期周波数を有する同期正弦波と同期余弦波を発振する同期二相発振器とを有し、前記同期正弦波と同期余弦波をそれぞれx軸用電磁石とy軸用電磁石の電流指令信号に重畳させる、ことを特徴とする請求項1に記載の磁気軸受制御装置。 - 高速回転するロータの軸心に直交するx−y平面内に、ロータを挟んでx軸上に対向して配置された1対のx軸用電磁石と、前記ロータを挟んでy軸上に対向して配置された1対のy軸用電磁石とを有する磁気軸受の制御方法であって、
ロータの変位に基づきロータを中立位置に保持するようにフィードバック制御し、
ロータの回転周波数に同期する同期周波数に基づき該同期周波数に一致する不釣合い力を相殺するようにフィードフォワード制御し、
ロータの回転周波数に同期しない回転非同期周波数に基づき該回転非同期周波数に一致する不釣合い力を相殺するようにフィードフォワード制御し、
前記回転非同期周波数に基づくフィードフォワード制御は、
ロータの回転周波数に同期しない外部信号から前記回転非同期周波数を抽出し、
前記回転非同期周波数を有する回転非同期正弦波と回転非同期余弦波を発振させ、
前記回転非同期正弦波と回転非同期余弦波をそれぞれx軸用電磁石とy軸用電磁石の電流指令信号に重畳させる、ことを特徴とする磁気軸受制御方法。
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JP2009009160A JP5218846B2 (ja) | 2009-01-19 | 2009-01-19 | 磁気軸受制御装置と方法 |
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