JP5495172B2 - Magnetic bearing control device and method - Google Patents
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Description
本発明は、高速回転する回転体(ロータ)を支持する磁気軸受の制御装置と制御方法に関する。 The present invention relates to a control device and a control method for a magnetic bearing that supports a rotating body (rotor) that rotates at high speed.
ターボ圧縮機、極低温回転機械、ターボチャージャ、フライホイール等の高速回転機械では、高速回転する回転体(ロータ)を支持する軸受として、磁気軸受が用いられる場合がある。
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、磁気軸受で回転体を支持する場合、通過する固有値(危険速度)だけでなく、制御帯域内(一般的には、2kHz以下程度)に存在するすべての固有値を安定化させる必要がある。
In high-speed rotating machines such as a turbo compressor, a cryogenic rotating machine, a turbocharger, and a flywheel, a magnetic bearing may be used as a bearing that supports a rotating body (rotor) that rotates at high speed.
One of the features of magnetic bearings compared to conventional oil bearings is the difference in dynamic bearing stiffness, where oil bearings are rigidly supported while magnetic bearings are softly supported. Therefore, the vibration mode of the rotor in the magnetic bearing is close to the free-free mode, and the operating range is, for example, between the third and fourth critical speeds of the elastic bending mode.
Therefore, when the rotating body is supported by the magnetic bearing, it is necessary to stabilize not only the eigenvalue (critical speed) that passes through but also all eigenvalues that exist within the control band (generally about 2 kHz or less).
固有値を安定化させるためには、固有値近傍の位相を進め、減衰を付与すればよい。その最も簡単な手段は、微分回路を用いることであるが、それ以外に位相進み補償、位相遅れ補償、移相補償、安定化フィルタ、などの各種のフィルタによる位相調整法がある。また、Nクロス制御のように回転同期成分のみの位相を進める手段やその応用、ローパスフィルタやノッチフィルタのようにゲインを小さくする手法なども存在する。 In order to stabilize the eigenvalue, the phase in the vicinity of the eigenvalue may be advanced to give attenuation. The simplest means is to use a differentiation circuit, but there are other phase adjustment methods using various filters such as phase lead compensation, phase lag compensation, phase shift compensation, and stabilization filter. There are also means for advancing the phase of only the rotational synchronization component, such as N-cross control, and applications thereof, and techniques for reducing the gain, such as a low-pass filter and a notch filter.
これらの手段は、例えば、非特許文献1、2及び特許文献1〜5に開示されている。
These means are disclosed in
微分回路及び位相進み補償は、位相は進むが、ハイゲインとなり高周波が不安定になりやすい(「スピルオーバ」という)問題点がある。
位相遅れ補償や移相補償(特許文献5)は、安定化フィルタにより位相を調整して位相進みを作るが、不安定領域もできる問題点がある。
ローパスフィルタやノッチフィルタは、ゲインを小さくするが、位相遅れによる不安定領域ができる問題点がある。
Nクロス制御(特許文献1,4)は、改善できるのは回転同期の前回り成分(Forward成分)だけで、それ以外は安定化できない問題点がある。
Nクロス制御の応用では、特許文献3では、回転同期の前回り成分と後回り成分(Backward成分)を安定化させるが、その以外の周波数は改善しない。特許文献2では、自励振動を対象としているが、対象周波数に同期した周波数発生器(発振器)を必要とする問題点がある。
Differentiating circuits and phase lead compensation have a problem that the phase advances, but the high frequency tends to become unstable because of high gain (referred to as “spillover”).
Phase delay compensation and phase shift compensation (Patent Document 5) adjust the phase by a stabilizing filter to create a phase advance, but have a problem that an unstable region can be formed.
The low-pass filter and the notch filter have a problem of generating an unstable region due to a phase delay, although the gain is reduced.
The N cross control (Patent Documents 1 and 4) can be improved only by the forward component of the rotation synchronization (Forward component), and there is a problem that the rest cannot be stabilized.
In application of N-cross control, Patent Document 3 stabilizes the forward and backward components (Backward component) of rotation synchronization, but does not improve other frequencies. In
これらの問題点を解決するために創案されたのが、Fクロス制御である。Fクロス制御(F−cross)の詳細は後述する。 In order to solve these problems, F-cross control has been devised. Details of the F-cross control will be described later.
Fクロス制御によれば、広帯域フィルタにより、予め設定した周波数範囲のロータの変位信号又はフィードバック制御器の電流指令信号のみを抽出し、クロス回路によりX軸とY軸を連成させるので、減衰を付加させる周波数帯域を任意に拡大することができる。従って、誘導モータなどの電磁力など、回転同期成分以外の周波数の不釣合い外力に対しても容易に減衰を付加できる。 According to the F cross control, only the rotor displacement signal in the preset frequency range or the current command signal of the feedback controller is extracted by the wide band filter, and the X axis and the Y axis are coupled by the cross circuit. The frequency band to be added can be arbitrarily expanded. Therefore, it is possible to easily add attenuation to an unbalanced external force having a frequency other than the rotation synchronization component, such as an electromagnetic force of an induction motor.
また、広帯域フィルタとして、トラッキングフィルタを用いるので、前回り成分(Forward成分)は安定化されるが、後回り成分(Backward成分)は不安定化されず影響を受けない特徴がある。 Further, since the tracking filter is used as the wideband filter, the forward component (Forward component) is stabilized, but the backward component (Backward component) is not destabilized and is not affected.
しかし、上述したFクロス制御は、後回り成分(Backward成分)は不安定化されないが、逆に言うと安定性も向上しない問題点があった。 However, the above-described F-cross control has a problem that the backward component (Backward component) is not destabilized, but on the contrary, the stability is not improved.
本発明は、上述した問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、前回り成分(Forward成分)と後回り成分(Backward成分)の両方を安定化することができ、かつロータの回転周波数と異なる外力が作用する場合でも、その外力の周波数を安定して通過させることができ、回転同期成分以外の周波数帯域の位相を進めることができ、回転体の加減速が早い場合でもトラッキングが外れることがなく、回転同期成分を抽出するPLL(フェーズロックドループ)が不要である磁気軸受制御装置と方法を提供することにある。
The present invention has been developed to solve the above-described problems. That is, the object of the present invention is to stabilize both the forward component (Forward component) and the backward component (Backward component), and even when an external force different from the rotational frequency of the rotor acts, PLL that can pass the frequency stably, can advance the phase of the frequency band other than the rotation synchronization component, and does not lose tracking even when the acceleration / deceleration of the rotating body is fast, and extracts the rotation synchronization component ( It is an object of the present invention to provide a magnetic bearing control device and method that do not require a phase-locked loop.
本発明によれば、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、
回転同期成分以外の入力されたターゲット周波数Nfに基づき、ターゲット周波数Nfに一致するロータの前回り変位信号のみを抽出するFクロス制御フィルタと、
回転同期成分以外の入力されたターゲット周波数Nbに基づき、ターゲット周波数Nbに一致するロータの後回り変位信号のみを抽出するBクロス制御フィルタと、
前記前回り変位信号と後回り変位信号に所定のゲインをかけて前記y軸用電磁石の電流指令信号Iyに重畳させ、抽出したy軸の信号に所定のゲインをかけて前記x軸用電磁石の電流指令信号Ixに重畳させるクロス回路と、を備え、
前記Bクロス制御フィルタを構成する変換行列Tbと逆変換行列Tb −1は、前記Fクロス制御フィルタを構成する変換行列Tfと逆変換行列Tf −1において、角周波数ωを−ωに置換したものである、ことを特徴とする磁気軸受制御装置が提供される。
According to the present invention, a pair of x-axis electromagnets arranged opposite to each other on the x-axis in a xy plane perpendicular to the axis of the rotor rotating at high speed, and the rotor sandwiched between And a pair of y-axis electromagnets arranged opposite to each other on the y-axis.
A feedback controller for holding the rotor in a neutral position based on the displacement of the rotor;
An F cross control filter that extracts only the forward displacement signal of the rotor that matches the target frequency Nf based on the input target frequency Nf other than the rotation synchronization component ;
A B cross control filter that extracts only the backward displacement signal of the rotor that matches the target frequency Nb based on the input target frequency Nb other than the rotation synchronization component ;
The forward displacement signal and the backward displacement signal are multiplied by a predetermined gain to be superimposed on the current command signal Iy of the y-axis electromagnet, and the extracted y-axis signal is multiplied by a predetermined gain to be applied to the x-axis electromagnet. A cross circuit superimposed on the current command signal Ix,
The transformation matrix T b and the inverse transformation matrix T b −1 constituting the B cross control filter are the same as the transformation matrix T f and the inverse transformation matrix T f −1 constituting the F cross control filter. There is provided a magnetic bearing control device characterized by being replaced with the above.
また、前記Fクロス制御フィルタの伝達関数Gf(s)は、
Gf(s)=(jk)/(τ(s−Ω)+1)・・・(3)で示され、
前記Bクロス制御フィルタの伝達関数Gb(s)は、
Gb(s)=(jk)/(τ(s+Ω)+1)・・・(6)で示され、
ここで、jは虚数、kは出力にかかる係数、Ωは回転周波数、sはjω(ωは角周波数)である。
The transfer function Gf (s) of the F cross control filter is
Gf (s) = (jk) / (τ (s−Ω) +1) (3)
The transfer function Gb (s) of the B cross control filter is
Gb (s) = (jk) / (τ (s + Ω) +1) (6)
Here, j is an imaginary number, k is a coefficient relating to output, Ω is a rotation frequency, and s is jω (ω is an angular frequency).
さらに、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軸制御器とを有する。
Furthermore, the feedback controller includes an x-axis controller that feedback-controls the current command signal Ix of the x-axis electromagnet based on the x-direction displacement of the rotor;
A y-axis controller that feedback-controls the current command signal Iy of the y-axis electromagnet based on the y-direction displacement of the rotor.
また本発明によれば、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、
Fクロス制御フィルタにより、回転同期成分以外の入力されたターゲット周波数Nfに基づき、ターゲット周波数Nfに一致するロータの前回り変位信号のみを抽出し、
Bクロス制御フィルタにより、回転同期成分以外の入力されたターゲット周波数Nbに基づき、ターゲット周波数Nbに一致するロータの後回り変位信号のみを抽出し、
前記Bクロス制御フィルタを構成する変換行列Tbと逆変換行列Tb −1は、前記Fクロス制御フィルタを構成する変換行列Tfと逆変換行列Tf −1において、角周波数ωを−ωに置換したものであり、
前記前回り変位信号と後回り変位信号に所定のゲインをかけて前記y軸用電磁石の電流指令信号Iyに重畳させ、抽出したy軸の信号に所定のゲインをかけて前記x軸用電磁石の電流指令信号Ix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。
Further, according to the present invention, a pair of x-axis electromagnets disposed on the x-axis opposite to each other in the xy plane perpendicular to the axis of the rotor rotating at high speed, and the rotor, A method of controlling a magnetic bearing having a pair of y-axis electromagnets disposed opposite to each other on the y-axis,
Feedback control to hold the rotor in a neutral position based on the displacement of the rotor,
Based on the input target frequency Nf other than the rotation synchronization component, only the forward displacement signal of the rotor that matches the target frequency Nf is extracted by the F cross control filter,
Based on the input target frequency Nb other than the rotation synchronization component, only the backward displacement signal of the rotor that matches the target frequency Nb is extracted by the B cross control filter,
The transformation matrix T b and the inverse transformation matrix T b −1 constituting the B cross control filter are the same as the transformation matrix T f and the inverse transformation matrix T f −1 constituting the F cross control filter. Is replaced with
The forward displacement signal and the backward displacement signal are multiplied by a predetermined gain to be superimposed on the current command signal Iy of the y-axis electromagnet, and the extracted y-axis signal is multiplied by a predetermined gain to be applied to the x-axis electromagnet. A magnetic bearing control method is provided that is superimposed on the current command signal Ix.
上記本発明の装置および方法によれば、Fクロス制御フィルタとBクロス制御フィルタにより、予め設定した周波数(前回りターゲット周波数Nfと後回りターゲット周波数Nb)のロータの変位信号(前回り変位信号と後回り変位信号)のみを抽出し、クロス回路によりX軸とY軸を連成させるので、減衰を付加させる周波数を任意に拡大することができる。従って、誘導モータなどの電磁力など、回転同期成分以外の周波数の不釣合い外力に対しても容易に減衰を付加できる。 According to the above-described apparatus and method of the present invention, the displacement signal (forward displacement signal and forward displacement signal) of the preset frequencies (the forward target frequency Nf and the backward target frequency Nb) are set by the F cross control filter and the B cross control filter. Since only the rearward displacement signal is extracted and the X axis and the Y axis are coupled by the cross circuit, it is possible to arbitrarily increase the frequency at which attenuation is added. Therefore, it is possible to easily add attenuation to an unbalanced external force having a frequency other than the rotation synchronization component, such as an electromagnetic force of an induction motor.
また、この構成により、複数の周波数帯域の減衰を増加させることが可能である。 In addition, with this configuration, it is possible to increase attenuation in a plurality of frequency bands.
また、本発明によれば、Fクロス制御フィルタは、トラッキングフィルタを用いるので、前回り成分(Forward成分)は安定化されるが、後回り成分は不安定化されず影響を受けない。
さらに、Bクロス制御フィルタを構成する変換行列Tbと逆変換行列Tb −1は、前記Fクロス制御フィルタを構成する変換行列TfとTf −1において、角周波数ωを−ωに置換したものであるので、Bクロス制御は後回り成分のみ安定化し、前回り成分は影響を受けない。
従って、本発明により、前回り成分(Forward成分)と後回り成分(後回り成分)の両方を安定化することができる。
Further, according to the present invention, since the F cross control filter uses a tracking filter, the forward component (Forward component) is stabilized, but the backward component is not destabilized and is not affected.
Further, the transformation matrix T b and the inverse transformation matrix T b −1 constituting the B cross control filter replace the angular frequency ω with −ω in the transformation matrices T f and T f −1 constituting the F cross control filter. Therefore, the B cross control stabilizes only the backward component, and the forward component is not affected.
Therefore, according to the present invention, both the forward component (Forward component) and the rear component (rear component) can be stabilized.
また、PLL(フェーズロックドループ)を用いないので、回転パルス信号を必要としない。
また、PLLのように複雑な演算を必要としないため、Nクロス制御と比較して演算量を低減できる。
また、高速での加減速を実施しても、PLL(フェーズロックドループ)を用いないので、トラッキングが外れることはない。
Further, since no PLL (phase locked loop) is used, no rotation pulse signal is required.
Further, since a complicated calculation is not required unlike the PLL, the amount of calculation can be reduced as compared with the N-cross control.
Even if acceleration / deceleration is performed at a high speed, since the PLL (phase locked loop) is not used, tracking is not lost.
以下、本発明の好ましい実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the common part in each figure, and the overlapping description is abbreviate | omitted.
図1は、本発明の磁気軸受の構成図である。
この図において、磁気軸受10は、高速回転するロータ11の軸心Zに直交するx−y平面内に、ロータ11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12xと、ロータ11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12yとを有する。
FIG. 1 is a configuration diagram of a magnetic bearing of the present invention.
In this figure, a
また、図1において、磁気軸受制御装置20は、ロータ11のx方向変位Xとy方向変位Y、及び減衰を付加させたい所望の周波数N(「ターゲット周波数」という)を受信し、x軸用電磁石12xの電流指令信号Ixとy軸用電磁石12yの電流指令信号Iyを制御するようになっている。
In FIG. 1, the magnetic
図2は、上述したFクロス制御を実施する磁気軸受制御装置20の第1実施形態図であり、図3は第2実施形態図である。
これらの図において、磁気軸受制御装置20は、フィードバック制御器22、トラッキングフィルタ26、およびクロス回路28を備える。図2では、ロータ11のx方向変位Xとy方向変位Yがトラッキングフィルタ26に直接入力される。これに対し、図3では、後述するx軸制御器23xとy軸制御器23yの出力がトラッキングフィルタ26に入力される。その他の点では、図2と図3は同一である。
FIG. 2 is a first embodiment diagram of the magnetic
In these drawings, the magnetic
図2及び図3において、フィードバック制御器22は、x軸制御器23xとy軸制御器23yからなる。
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。
2 and 3, the
The x-axis controller 23 x performs feedback control of the current command signal Ix of the
トラッキングフィルタ26は、入力されたターゲット周波数Nに基づき、ターゲット周波数Nに一致するロータの変位信号(ロータのx方向変位Xとy方向変位Y)のみを抽出する。
Based on the input target frequency N, the tracking
クロス回路28は、トラッキングフィルタ26で抽出したx軸の信号(x方向変位X)にゲイン27yにより所定のゲインkをかけてy軸用電磁石23yの電流指令信号Iyに重畳させ、抽出したy軸の信号(y方向変位Y)にゲイン27xにより所定のゲインkをかけてx軸用電磁石23xの電流指令信号Ixに重畳させるようになっている。
The
図4は、Fクロス制御におけるトラッキングフィルタ26の説明図である。以下、このフィルタを「Fクロス制御フィルタ」と呼ぶ。
この図に示すように、トラッキングフィルタ26(Fクロス制御フィルタ)は、静止座標系から回転座標系に変換する変換ステップ29a、回転座標系におけるローパスフィルタ29b、及び回転座標系を静止座標系に逆変換する逆変換ステップ29cからなる。
FIG. 4 is an explanatory diagram of the tracking
As shown in this figure, the tracking filter 26 (F cross control filter) includes a
変換ステップ29aは、静止座標系から入力されたx方向変位Xinとy方向変位Yinを数1の式(1)に示す変換行列Tfにより、回転座標系におけるx方向変位X1とy方向変位Y1に変換する。
ローパスフィルタ29bは、広帯域でフラットな特性をもつ、例えばカットオフ周波数が数10Hzの二次Chebyshev型ローパスフィルタなどを用いる。このフィルタを通過した信号をx方向変位X2とy方向変位Y2とする。
逆変換ステップ29cは、回転座標系におけるx方向変位X2とy方向変位Y2を数1の式(2)に示す逆変換行列Tf −1により静止座標系のx方向変位Xoutとy方向変位Youtに逆変換する。
As the low-
In the
上述したFクロス制御フィルタ26の伝達関数Gf(s)は、一次LPFを使用した場合、数1の式(3)で示される。
The transfer function Gf (s) of the F-
静止座標系(x、y)を、x+iyと複素数で表すと、前回り(反時計回り)の回転周波数を+Ω、後ろ回り(時計回り)の回転周波数を−Ωと表現できる。上述した式(3)は、代表的な一次ローパスフィルタを適用した場合のトラッキングフィルタの伝達関数であり、kは出力にかかる係数である。周波数応答(任意の角周波数ωの応答)は、上式のsに角周波数jωを代入することで求まる。 When the stationary coordinate system (x, y) is represented by x + ii and a complex number, the forward (counterclockwise) rotational frequency can be represented as + Ω, and the backward (clockwise) rotational frequency can be represented as −Ω. Equation (3) described above is a transfer function of the tracking filter when a typical first-order low-pass filter is applied, and k is a coefficient related to the output. The frequency response (response of an arbitrary angular frequency ω) is obtained by substituting the angular frequency jω for s in the above equation.
図5は、Fクロス制御における伝達関数Gf(s)の角周波数と位相の関係図である。この図において、(A)は前回り加振、(B)は後回り加振を示している。
この図に示すように、Fクロス制御における伝達関数Gf(s)の場合、sに+jΩを代入すると出力はjkとなるが、sに−jΩを代入すると出力は非常に小さくなる。つまり、前回り成分は通過するが、後回り成分は通過しないフィルタとなっていることがわかる。
これにより、Fクロス制御は前回り成分のみ安定化し、後回り成分は影響を受けないことがわかる。
FIG. 5 is a relationship diagram between the angular frequency and the phase of the transfer function Gf (s) in the F-cross control. In this figure, (A) shows forward vibration and (B) shows backward vibration.
As shown in this figure, in the case of the transfer function Gf (s) in the F cross control, when + jΩ is substituted for s, the output becomes jk, but when −jΩ is substituted for s, the output becomes very small. That is, it can be seen that the filter passes through the forward component but does not pass the backward component.
Thus, it can be seen that the F cross control stabilizes only the forward component and the backward component is not affected.
図6は、本発明による磁気軸受制御装置30の実施形態図である。この実施形態では、図3と同様に、後述するx軸制御器33xとy軸制御器33yの出力が3台のトラッキングフィルタ36A,36B,37に入力されるようになっている。
なお、本発明はこの例に限定されず、図2と同様に、ロータ11のx方向変位Xとy方向変位Yが各トラッキングフィルタ36A,36B,37に直接入力されるように構成してもよい。
FIG. 6 is an embodiment of the magnetic
Note that the present invention is not limited to this example, and it may be configured such that the x-direction displacement X and the y-direction displacement Y of the
図6において、本発明による磁気軸受制御装置30は、フィードバック制御器32、3台のトラッキングフィルタ36A,36B,37、および3台のクロス回路38A,38B,38Cを備える。
In FIG. 6, the magnetic
フィードバック制御器32は、x軸制御器33xとy軸制御器33yからなる。x軸制御器33xとy軸制御器33yは、図2及び図3のx軸制御器23xとy軸制御器23yとそれぞれ同一である。
x軸制御器33xとy軸制御器33yの出力Xin,Yinは、3台のトラッキングフィルタ36A,36B,37にそれぞれ入力される。
The
The outputs X in and Y in of the x-axis controller 33x and the y-axis controller 33y are input to the three
2台のトラッキングフィルタ36A,36Bは、図2及び図3のトラッキングフィルタ26と同様のFクロス制御フィルタであり、入力されたターゲット周波数Nf1,Nf2に基づき、ターゲット周波数数Nf1,Nf2に一致するロータの変位信号(ロータのx方向変位Xとy方向変位Y)のみを抽出する。
なお、Fクロス制御フィルタは、1台以上であればよい。
1台のトラッキングフィルタ37は、図2及び図3のトラッキングフィルタ26と異なるトラッキングフィルタであるが、同様に入力されたターゲット周波数Nb1に基づき、ターゲット周波数数Nb1に一致するロータの変位信号(ロータのx方向変位Xとy方向変位Y)のみを抽出するようになっている。トラッキングフィルタ37の詳細は、後述する。
The two
Note that one or more F cross control filters may be used.
One
クロス回路38A,38B,38Cは、3台のトラッキングフィルタ36A,36B,37で抽出したx軸の信号(x方向変位Xout1,Xout2,Xout3)に所定のゲインk1,k2,k3をかけてy軸用電磁石23yの電流指令信号Iyに重畳させ、抽出したy軸の信号(y方向変位Yout1,Yout2,Yout3)に所定のゲインk1,k2,k3をかけてx軸用電磁石23xの電流指令信号Ixに重畳させるようになっている。
The
次に上述したトラッキングフィルタ37について説明する。以下、このフィルタを「Bクロス制御フィルタ」と呼び、これを用いる制御を「Bクロス制御」(B−cross)と呼ぶ。
なお、Bクロス制御フィルタは、1台以上であればよい。
トラッキングフィルタ37(Bクロス制御フィルタ)の基本構成は、トラッキングフィルタ26と同一であり、図4に示したように、静止座標系から回転座標系に変換する変換ステップ29a、回転座標系におけるローパスフィルタ29b、及び回転座標系を静止座標系に逆変換する逆変換ステップ29cからなる。
Next, the tracking
Note that one or more B cross control filters may be used.
The basic configuration of the tracking filter 37 (B cross control filter) is the same as that of the tracking
Bクロス制御フィルタ37における変換ステップ29aは、静止座標系から入力されたx方向変位Xinとy方向変位Yinを数2の式(4)に示す変換行列Tbにより、回転座標系におけるx方向変位X1とy方向変位Y1に変換する。
ローパスフィルタ29bは、広帯域でフラットな特性をもつ、例えばカットオフ周波数が数10Hzの二次Chebyshev型ローパスフィルタなどを用いる。このフィルタを通過した信号をx方向変位X2とy方向変位Y2とする。
Bクロス制御フィルタ37における逆変換ステップ29cは、回転座標系におけるx方向変位X2とy方向変位Y2を数2の式(5)に示す逆変換行列Tb −1により静止座標系のx方向変位Xoutとy方向変位Youtに逆変換する。
As the low-
B
上述したBクロス制御フィルタ37の変換行列Tbと逆変換行列Tb −1は、Fクロス制御フィルタ26(36A,36B)の変換行列TfとTf −1において、ωを−ωに置換したものに相当する。
また上述したBクロス制御フィルタ37の伝達関数Gb(s)は、一次LPFを使用した場合、数2の式(6)で示される。
The transformation matrix T b and the inverse transformation matrix T b −1 of the B
In addition, the transfer function Gb (s) of the B-
静止座標系(x、y)を、x+iyと複素数で表すと、前回り(反時計回り)の回転周波数を+Ω、後ろ回り(時計回り)の回転周波数を−Ωと表現できる。上述した式(6)は、代表的な一次ローパスフィルタを適用した場合のトラッキングフィルタの伝達関数であり、kは出力にかかる係数である。周波数応答(任意の角周波数ωの応答)は、上式のsに角周波数jωを代入することで求まる。 When the stationary coordinate system (x, y) is expressed by x + ii and a complex number, the forward (counterclockwise) rotational frequency can be expressed as + Ω, and the backward (clockwise) rotational frequency can be expressed as −Ω. Equation (6) described above is a transfer function of the tracking filter when a typical first-order low-pass filter is applied, and k is a coefficient related to the output. The frequency response (response of an arbitrary angular frequency ω) is obtained by substituting the angular frequency jω for s in the above equation.
図7は、Bクロス制御における伝達関数Gb(s)の角周波数と位相の関係図である。この図において、(A)は前回り加振、(B)は後回り加振を示している。
この図に示すように、Bクロス制御における伝達関数Gb(s)の場合、sに−jΩを代入すると出力はjkとなるが、sに+jΩを代入すると出力は非常に小さくなる。つまり、後回り成分は通過するが、前回り成分は通過しないフィルタとなっていることがわかる。
これにより、Bクロス制御は後回り成分のみ安定化し、前回り成分は影響を受けないことがわかる。
FIG. 7 is a relationship diagram between the angular frequency and the phase of the transfer function Gb (s) in the B-cross control. In this figure, (A) shows forward vibration and (B) shows backward vibration.
As shown in this figure, in the case of the transfer function Gb (s) in the B cross control, the output becomes jk when -jΩ is substituted for s, but the output becomes very small when + jΩ is substituted for s. That is, it can be seen that the filter passes the backward component but does not pass the forward component.
Thus, it can be seen that the B cross control stabilizes only the backward component and the forward component is not affected.
上述したように、Fクロス制御では、トラッキングフィルタの原理を用いるため、前回り成分のみを安定化し、後回り成分は影響を受けず、不安定化しない。マトリクス演算(座標変換に相当)を式(1)(2)から式(3)(4)へそれぞれ変更することで、後回り成分のみを安定化し、前回り成分は影響を受けない制御(Bクロス制御)が可能となる。本発明では、このBクロス制御をFクロス制御と併用する。 As described above, in the F cross control, since the principle of the tracking filter is used, only the forward component is stabilized, and the backward component is not affected and is not destabilized. By changing the matrix calculation (corresponding to coordinate transformation) from Equations (1), (2) to Equations (3), (4), only the backward component is stabilized, and the forward component is not affected (B Cross control) is possible. In the present invention, this B cross control is used together with the F cross control.
Bクロス制御の特長をFクロス制御と比較すると、安定化される対象が異なる以外はFクロス制御と同じである。また、トラッキングフィルタの原理を用いるので、後回り成分は安定化されるが、前回り成分は不安定化されず影響を受けない。そして、Fクロス制御とBクロス制御はトラッキングフィルタの原理よりそれぞれが干渉しないため、前回り成分、後回り成分の安定化としてFクロス制御、Bクロス制御を併用することができる。
よって、これらを複数用いることで、制御帯域内の全固有値の前回り成分、後回り成分の安定化を容易に達成できる。
Comparing the features of the B cross control with the F cross control, it is the same as the F cross control except that the object to be stabilized is different. Further, since the principle of the tracking filter is used, the backward component is stabilized, but the forward component is not destabilized and is not affected. Since the F cross control and the B cross control do not interfere with each other due to the principle of the tracking filter, the F cross control and the B cross control can be used together to stabilize the forward component and the backward component.
Therefore, by using a plurality of these, stabilization of the forward component and the backward component of all eigenvalues in the control band can be easily achieved.
上述した本発明により、以下の効果が得られる。
(1)高周波ゲインの上昇がない。
(2)回転パルス信号や発振器を必要としない。
(3)PLL回路には、アナログ回路を用いたものとDSP内でのデジタル演算を用いたものが存在する。本発明では、そもそもPLLが不要となるため、アナログ回路を用いた別装置を不要とできる、あるいは、複雑なデジタル演算を必要としないため、DSP内での演算を大幅に低減できる。
(4)高速での加減速を実施しても、トラッキングが外れることはない。
(5)トラッキングフィルタ内のローパスフィルタのカットオフ周波数を自由に設定できるので、減衰を付加させる周波数帯域を任意に拡大することができる。よって、誘導モータなどの電磁力など、回転同期成分以外の周波数の不釣合い外力に対しても容易に減衰を付加できる。
The following effects can be obtained by the present invention described above.
(1) There is no increase in high frequency gain.
(2) No rotation pulse signal or oscillator is required.
(3) Some PLL circuits use analog circuits and some use digital operations in the DSP. In the present invention, since a PLL is not necessary in the first place, a separate device using an analog circuit can be dispensed with, or since complicated digital computation is not required, computation in the DSP can be greatly reduced.
(4) Even if acceleration / deceleration is performed at high speed, tracking will not be lost.
(5) Since the cutoff frequency of the low-pass filter in the tracking filter can be set freely, the frequency band to which attenuation is added can be arbitrarily expanded. Therefore, it is possible to easily add attenuation to an unbalanced external force having a frequency other than the rotation synchronization component, such as an electromagnetic force of an induction motor.
なお、本発明は上述した例に限定されず、Fクロス制御、Bクロス制御の併用だけでなく、他の安定化手法と併用することもできる。 In addition, this invention is not limited to the example mentioned above, Not only combined use of F cross control and B cross control but it can also be used together with another stabilization method.
なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。 In addition, this invention is not limited to embodiment mentioned above, is shown by description of a claim, and also includes all the changes within the meaning and range equivalent to description of a claim.
10 磁気軸受、11 回転体(ロータ)、
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 広帯域フィルタ、25 マルチ周波数発生器、
26 トラッキングフィルタ(Fクロス制御フィルタ)、
27x,27y ゲイン、
28 クロス回路、29a 変換ステップ、
29b ローパスフィルタ、29c 逆変換ステップ、
30 磁気軸受制御装置、32 フィードバック制御器、
33x x軸制御器、33y y軸制御器、
36A,36B トラッキングフィルタ(Fクロス制御フィルタ)、
37 トラッキングフィルタ(Bクロス制御フィルタ)、
38A,38B,38C クロス回路
10 magnetic bearing, 11 rotating body (rotor),
12x x-axis electromagnet, 12y y-axis electromagnet,
20 magnetic bearing control device, 22 feedback controller,
23x x-axis controller, 23y y-axis controller,
24 wideband filter, 25 multi-frequency generator,
26 Tracking filter (F cross control filter),
27x, 27y gain,
28 cross circuit, 29a conversion step,
29b low-pass filter, 29c inverse conversion step,
30 magnetic bearing control device, 32 feedback controller,
33x x-axis controller, 33y y-axis controller,
36A, 36B Tracking filter (F cross control filter),
37 Tracking filter (B cross control filter),
38A, 38B, 38C Cross circuit
Claims (3)
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、
回転同期成分以外の入力されたターゲット周波数Nfに基づき、ターゲット周波数Nfに一致するロータの前回り変位信号のみを抽出するFクロス制御フィルタと、
回転同期成分以外の入力されたターゲット周波数Nbに基づき、ターゲット周波数Nbに一致するロータの後回り変位信号のみを抽出するBクロス制御フィルタと、
前記前回り変位信号と後回り変位信号に所定のゲインをかけて前記y軸用電磁石の電流指令信号Iyに重畳させ、抽出したy軸の信号に所定のゲインをかけて前記x軸用電磁石の電流指令信号Ixに重畳させるクロス回路と、を備え、
前記Bクロス制御フィルタを構成する変換行列Tbと逆変換行列Tb −1は、前記Fクロス制御フィルタを構成する変換行列Tfと逆変換行列Tf −1において、角周波数ωを−ωに置換したものである、ことを特徴とする磁気軸受制御装置。 A pair of x-axis electromagnets arranged opposite to the x-axis across the rotor in the xy plane perpendicular to the axis of the rotor rotating at high speed, and opposite the y-axis across the rotor A control device for a magnetic bearing having a pair of y-axis electromagnets arranged as
A feedback controller for holding the rotor in a neutral position based on the displacement of the rotor;
An F cross control filter that extracts only the forward displacement signal of the rotor that matches the target frequency Nf based on the input target frequency Nf other than the rotation synchronization component ;
A B cross control filter that extracts only the backward displacement signal of the rotor that matches the target frequency Nb based on the input target frequency Nb other than the rotation synchronization component ;
The forward displacement signal and the backward displacement signal are multiplied by a predetermined gain to be superimposed on the current command signal Iy of the y-axis electromagnet, and the extracted y-axis signal is multiplied by a predetermined gain to be applied to the x-axis electromagnet. A cross circuit superimposed on the current command signal Ix,
The transformation matrix T b and the inverse transformation matrix T b −1 constituting the B cross control filter are the same as the transformation matrix T f and the inverse transformation matrix T f −1 constituting the F cross control filter. A magnetic bearing control device characterized by being replaced by.
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軸制御器とを有する、ことを特徴とする請求項1に記載の磁気軸受制御装置。 The feedback controller includes an x-axis controller that feedback-controls the current command signal Ix of the x-axis electromagnet based on the x-direction displacement of the rotor;
The magnetic bearing control device according to claim 1, further comprising a y-axis controller that feedback-controls a current command signal Iy of the y-axis electromagnet based on a y-direction displacement of the rotor.
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、
Fクロス制御フィルタにより、回転同期成分以外の入力されたターゲット周波数Nfに基づき、ターゲット周波数Nfに一致するロータの前回り変位信号のみを抽出し、
Bクロス制御フィルタにより、回転同期成分以外の入力されたターゲット周波数Nbに基づき、ターゲット周波数Nbに一致するロータの後回り変位信号のみを抽出し、
前記Bクロス制御フィルタを構成する変換行列Tbと逆変換行列Tb −1は、前記Fクロス制御フィルタを構成する変換行列Tfと逆変換行列Tf −1において、角周波数ωを−ωに置換したものであり、
前記前回り変位信号と後回り変位信号に所定のゲインをかけて前記y軸用電磁石の電流指令信号Iyに重畳させ、抽出したy軸の信号に所定のゲインをかけて前記x軸用電磁石の電流指令信号Ixに重畳させる、ことを特徴とする磁気軸受制御方法。
A pair of x-axis electromagnets arranged opposite to the x-axis across the rotor in the xy plane perpendicular to the axis of the rotor rotating at high speed, and opposite the y-axis across the rotor And a method for controlling a magnetic bearing having a pair of electromagnets for y-axis,
Feedback control to hold the rotor in a neutral position based on the displacement of the rotor,
Based on the input target frequency Nf other than the rotation synchronization component, only the forward displacement signal of the rotor that matches the target frequency Nf is extracted by the F cross control filter,
Based on the input target frequency Nb other than the rotation synchronization component, only the backward displacement signal of the rotor that matches the target frequency Nb is extracted by the B cross control filter,
The transformation matrix T b and the inverse transformation matrix T b −1 constituting the B cross control filter are the same as the transformation matrix T f and the inverse transformation matrix T f −1 constituting the F cross control filter. Is replaced with
The forward displacement signal and the backward displacement signal are multiplied by a predetermined gain to be superimposed on the current command signal Iy of the y-axis electromagnet, and the extracted y-axis signal is multiplied by a predetermined gain to be applied to the x-axis electromagnet. A magnetic bearing control method characterized by superimposing on a current command signal Ix.
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