JP5742044B2 - Control type magnetic bearing device - Google Patents

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Description

この発明は、たとえば自動車などの車両に搭載されるフライホイール式電力貯蔵装置などに使用される制御型磁気軸受装置に関する。   The present invention relates to a control type magnetic bearing device used for a flywheel power storage device mounted on a vehicle such as an automobile.

この種の制御型磁気軸受装置として、鉛直な回転体を１組のアキシアル磁気軸受と２組のラジアル磁気軸受で非接触支持するものが知られている。この磁気軸受装置には、電力貯蔵時には電動機として電力取り出し時には発電機として機能する発電兼用電動機が設けられており、電力貯蔵時には、回転体は、上記の磁気軸受で非接触支持された状態で、電動機により高速回転させられる。   As this type of control type magnetic bearing device, there is known a device in which a vertical rotating body is supported in a non-contact manner by one set of axial magnetic bearings and two sets of radial magnetic bearings. This magnetic bearing device is provided with a generator-generator motor that functions as a motor at the time of power storage and as a generator at the time of power extraction.At the time of power storage, the rotating body is supported in a non-contact manner by the magnetic bearing, It is rotated at high speed by an electric motor.

アキシアル磁気軸受は、回転体を鉛直なアキシアル制御軸（軸方向の制御軸）方向の目標位置に非接触支持するものである。ラジアル磁気軸受は、回転体の軸方向の２箇所において、それぞれ、アキシアル制御軸と直交するとともに互いに直交する２つの水平なラジアル制御軸（径方向の制御軸）方向の目標位置に回転体を非接触支持するものである。   The axial magnetic bearing supports the rotating body in a non-contact manner at a target position in the vertical axial control axis (axial control axis) direction. The radial magnetic bearing is configured so that the rotating body is not positioned at target positions in two horizontal radial control axes (radial control axes) perpendicular to the axial control axis and perpendicular to each other at two locations in the axial direction of the rotating body. Supports contact.

この明細書において、アキシアル制御軸をＺ軸、ラジアル制御軸の一方をＸ軸、他方をＹ軸ということにする。   In this specification, the axial control axis will be referred to as the Z axis, one of the radial control axes as the X axis, and the other as the Y axis.

アキシアル磁気軸受は、回転体のフランジ部をＺ軸方向の両側から挟むように配置された上下１対の電磁石（Ｚ軸電磁石）すなわち電磁石対（Ｚ軸電磁石対）を備えている。   The axial magnetic bearing includes a pair of upper and lower electromagnets (Z-axis electromagnets), that is, an electromagnet pair (Z-axis electromagnet pair) disposed so as to sandwich the flange portion of the rotating body from both sides in the Z-axis direction.

各ラジアル磁気軸受は、回転体を水平なＸ軸方向に非接触支持する電磁石対（Ｘ軸電磁石対）と、回転体を水平なＹ軸方向に非接触支持する電磁石対（Ｙ軸電磁石対）とを備えている。Ｘ軸電磁石対は回転体をＸ軸方向の両側から挟むように配置された１対の電磁石（Ｘ軸電磁石）を、Ｙ軸電磁石対は回転体をＹ軸方向の両側から挟むように配置された１対の電磁石（Ｙ軸電磁石）を備えている。   Each radial magnetic bearing includes an electromagnet pair (X-axis electromagnet pair) that supports the rotating body in a non-contact manner in the horizontal X-axis direction and an electromagnet pair (Y-axis electromagnet pair) that supports the rotating body in a non-contact manner in the horizontal Y-axis direction. And. The X-axis electromagnet pair is a pair of electromagnets (X-axis electromagnets) arranged to sandwich the rotating body from both sides in the X-axis direction, and the Y-axis electromagnet pair is arranged to sandwich the rotating body from both sides in the Y-axis direction. And a pair of electromagnets (Y-axis electromagnets).

磁気軸受装置には、さらに、回転体の目標位置からの５つの制御軸方向の変位を検出する変位検出手段と、回転体の各制御軸方向の変位に基づいて対応する各電磁石に励磁電流を供給する電磁石制御手段とが設けられている。各電磁石に供給される励磁電流は、一定のバイアス電流と変位によって変化する制御電流を合わせたものである。   The magnetic bearing device further includes displacement detecting means for detecting displacements in the five control axis directions from the target position of the rotating body, and excitation currents to the corresponding electromagnets based on the displacement of the rotating body in the respective control axis directions. Supplying electromagnet control means is provided. The excitation current supplied to each electromagnet is a combination of a constant bias current and a control current that varies with displacement.

上記のような磁気軸受装置では、回転体の回転速度によって各電磁石対のフィードバック制御系における制御ゲインを変える必要があり、そのため、従来は、回転体の回転速度の全範囲を複数の回転速度域に分割して各回転速度域に対する各電磁石対の制御ゲインを記憶した制御ゲインテーブルを設けておき、このテーブルから実際の回転体の回転速度が含まれる回転速度域に対する制御ゲインを選択し、選択した制御ゲインを用いて磁気軸受を制御するいわゆるゲインスケジュール制御が行われていた（たとえば特許文献１参照）。   In the magnetic bearing device as described above, it is necessary to change the control gain in the feedback control system of each electromagnet pair depending on the rotational speed of the rotating body. Therefore, conventionally, the entire range of the rotational speed of the rotating body is divided into a plurality of rotational speed ranges. A control gain table that stores the control gain of each electromagnet pair for each rotational speed range is provided, and the control gain for the rotational speed range that includes the actual rotational speed of the rotating body is selected from this table and selected. So-called gain schedule control for controlling the magnetic bearing using the control gain thus performed has been performed (see, for example, Patent Document 1).

特開平１１−２１０７５０号公報JP-A-11-210750

上記の制御ゲインテーブルにおける各回転速度域に対する制御ゲインの値は試行錯誤によって求められるが、これが面倒で、磁気浮上運転前の調整に時間がかかるという問題がある。   The value of the control gain for each rotational speed region in the control gain table is obtained by trial and error. However, this is troublesome and there is a problem that adjustment before the magnetic levitation operation takes time.

この発明の目的は、上記の問題を解決し、面倒な制御ゲインテーブルを作成する必要がなく、磁気浮上運転前の調整に時間を要しない制御型磁気軸受装置を提供することにある。   An object of the present invention is to provide a control type magnetic bearing device that solves the above-described problems, does not require a troublesome control gain table, and does not require time for adjustment before the magnetic levitation operation.

この発明による制御型磁気軸受装置は、回転体を１つの水平な制御軸方向の所定の目標位置に磁気吸引力により非接触支持するために前記制御軸方向の両側から回転体を挟むように配置された１対の電磁石を備えている制御型磁気軸受装置であって、回転体の目標位置からの前記制御軸方向の変位を検出する変位検出手段と、回転体を目標位置に支持するために各電磁石に一定のバイアス電流および回転体の前記変位によって変化する制御電流からなる励磁電流を供給する電磁石制御手段とを備えている磁気軸受において、電磁石制御手段が、バイアス電流を常に０とするゼロバイアス制御を行うもので、かつ、前記変位に応じて適応的に変化するゲインで負帰還する単純適応制御を行うものであることを特徴とするものである。   The control type magnetic bearing device according to the present invention is arranged so that the rotating body is sandwiched from both sides in the control axis direction in order to support the rotating body at a predetermined target position in the horizontal control axis direction by magnetic attraction force. A control type magnetic bearing device comprising a pair of electromagnets, wherein the displacement detecting means detects the displacement of the rotating body in the control axis direction from the target position, and the rotating body is supported at the target position. In a magnetic bearing provided with an electromagnet control means for supplying an excitation current consisting of a constant bias current and a control current that changes according to the displacement of the rotating body to each electromagnet, the electromagnet control means is a zero whose bias current is always zero. It is characterized in that it performs bias control and performs simple adaptive control that performs negative feedback with a gain that adaptively changes according to the displacement.

この発明による制御型磁気軸受装置は、また、鉛直な回転体をその回転軸心と直交するとともに互いに直交する２つの水平な制御軸方向に非接触支持するための磁気軸受を備え、磁気軸受が、回転体を第１の制御軸方向に非接触支持するための第１の電磁石対と、回転体を第２の制御軸方向に非接触支持するための第２の電磁石対とを備え、各電磁石対が、回転体を前記各制御軸方向の所定の目標位置に磁気吸引力により非接触支持するために前記各制御軸方向の両側から回転体を挟むように配置された１対の電磁石を備えている制御型磁気軸受装置であって、回転体の目標位置からの前記各制御軸方向の変位を検出する変位検出手段と、回転体を目標位置に支持するために各電磁石に一定のバイアス電流および回転体の前記変位によって変化する制御電流からなる励磁電流を供給する電磁石制御手段とを備えている制御型磁気軸受装置において、各電磁石制御手段が、バイアス電流を常に０とするゼロバイアス制御を行うもので、かつ、前記変位に応じて適応的に変化するゲインで負帰還する単純適応制御を行うものであることを特徴とするものである。   The control type magnetic bearing device according to the present invention further includes a magnetic bearing for non-contacting and supporting a vertical rotating body in two horizontal control axis directions orthogonal to each other and orthogonal to each other. A first electromagnet pair for non-contact support of the rotating body in the first control axis direction, and a second electromagnet pair for non-contact support of the rotating body in the second control axis direction, A pair of electromagnets arranged so that the electromagnet pair sandwiches the rotating body from both sides in each control axis direction in order to support the rotating body in a non-contact manner by a magnetic attraction force at a predetermined target position in each control axis direction. A control type magnetic bearing device comprising: a displacement detecting means for detecting displacement in the direction of each control axis from a target position of the rotating body; and a constant bias for each electromagnet for supporting the rotating body at the target position. Varies depending on the current and the displacement of the rotor Each of the electromagnet control means performs a zero bias control in which the bias current is always zero, and the displacement is controlled by the electromagnet control means. It is characterized by performing simple adaptive control in which negative feedback is performed with a gain that adaptively changes according to the above.

この発明の制御型磁気軸受装置では、電磁石制御手段が、バイアス電流を常に０とするゼロバイアス制御を行うもので、かつ、前記変位に応じて適応的に変化するゲインで負帰還する単純適応制御を行うものであるから、面倒な制御ゲインテーブルを作成してそれを用いなくても、安定した制御を行うことができる。   In the control type magnetic bearing device of the present invention, the electromagnet control means performs zero bias control in which the bias current is always 0, and simple adaptive control that performs negative feedback with a gain that adaptively changes according to the displacement. Therefore, stable control can be performed without creating a troublesome control gain table and using it.

たとえば、電磁石制御手段は、前記変位に応じてゲインが適応的に変化する可変要素を備えている。また、電磁石制御手段は、ＰＤ制御要素、ＰＩ制御要素またはＰＩＤ制御要素に上記の可変要素が加えられたものである。   For example, the electromagnet control means includes a variable element whose gain adaptively changes according to the displacement. The electromagnet control means is obtained by adding the above-described variable element to the PD control element, the PI control element, or the PID control element.

この発明の磁気軸受および磁気軸受ユニットによれば、上記のように、面倒な制御ゲインテーブルを作成する必要がなく、磁気浮上運転前の調整に要する時間が短くてすむ。   According to the magnetic bearing and the magnetic bearing unit of the present invention, as described above, it is not necessary to create a troublesome control gain table, and the time required for adjustment before the magnetic levitation operation can be shortened.

図１は、この発明の実施形態における制御型磁気軸受装置の全体構成を概略的に示すブロック図である。FIG. 1 is a block diagram schematically showing the overall configuration of a control type magnetic bearing device according to an embodiment of the present invention. 図２は、図１の磁気軸受装置の機械的部分の主要部を示す縦断面図である。FIG. 2 is a longitudinal sectional view showing the main part of the mechanical part of the magnetic bearing device of FIG. 図３は、図２の磁気軸受装置の主要部の一部切欠き斜視図である。3 is a partially cutaway perspective view of a main part of the magnetic bearing device of FIG. 図４は、磁気軸受装置を構成する１組の電磁石対のフィードバック制御系の１例を示すブロック図である。FIG. 4 is a block diagram showing an example of a feedback control system of a pair of electromagnet pairs constituting the magnetic bearing device. 図５は、一般的な多入出力単純適応制御系の例を示すブロック図である。FIG. 5 is a block diagram showing an example of a general multi-input / output simple adaptive control system. 図６は、従来のＰＤ制御の場合の回転体のＸ軸方向およびＹ軸方向の変位を示すグラフである。FIG. 6 is a graph showing the displacement of the rotating body in the X-axis direction and the Y-axis direction in the case of conventional PD control. 図７は、この発明の単純適応制御の場合の回転体のＸ軸方向およびＹ軸方向の変位を示すグラフである。FIG. 7 is a graph showing the displacement of the rotating body in the X-axis direction and the Y-axis direction in the simple adaptive control of the present invention. 図８は、従来のＰＤ制御とこの発明の単純適応制御の場合の回転体のＸ軸方向の変位の時間変化を示すグラフである。FIG. 8 is a graph showing the change over time of the displacement in the X-axis direction of the rotating body in the case of the conventional PD control and the simple adaptive control of the present invention.

以下、図面を参照して、この発明を自動車などの車両に搭載されるフライホイール式電力貯蔵装置に適用した実施形態について説明する。   Hereinafter, an embodiment in which the present invention is applied to a flywheel power storage device mounted on a vehicle such as an automobile will be described with reference to the drawings.

図１は制御柄磁気軸受装置の全体構成を概略的に示すブロック図、図２は磁気軸受装置の機械的部分の主要部を示す縦断面図、図３はさらに図２の主要部の一部切欠き斜視図である。   FIG. 1 is a block diagram schematically showing the overall configuration of a control handle magnetic bearing device, FIG. 2 is a longitudinal sectional view showing the main part of a mechanical part of the magnetic bearing device, and FIG. 3 is a part of the main part of FIG. It is a notch perspective view.

磁気軸受装置は、ケーブルにより接続された機械本体(1)および制御ユニット(2)を備えている。   The magnetic bearing device includes a machine body (1) and a control unit (2) connected by a cable.

磁気軸受装置は、鉛直なケーシング(3)の内側で鉛直軸状の回転体(4)が回転する縦型のものであり、ケーシング(3)より突出した回転体(4)の上端部にフライホイール(4a)が固定されている。前述のように、回転体(4)の鉛直な軸方向（アキシアル方向）の制御軸（アキシアル制御軸）がＺ軸、Ｚ軸と直交するとともに互いに直交する２つの水平な径方向（ラジアル方向）の制御軸（ラジアル制御軸）がＸ軸およびＹ軸である。   The magnetic bearing device is a vertical type in which a vertical shaft-shaped rotating body (4) rotates inside a vertical casing (3), and fly on the upper end of the rotating body (4) protruding from the casing (3). The wheel (4a) is fixed. As described above, the control axis (axial control axis) in the vertical axis direction (axial direction) of the rotating body (4) is perpendicular to the Z axis, the Z axis, and two horizontal radial directions (radial directions). These control axes (radial control axes) are the X axis and the Y axis.

機械本体(1)には、回転体(4)を軸方向に非接触支持するための１組の制御型アキシアル磁気軸受(5)、回転体(4)を径方向に非接触支持するための上下２組の制御型ラジアル磁気軸受(6)(7)、回転体(4)の軸方向および径方向の変位を検出するための変位センサ部(8)、回転体(4)を高速回転させるためのビルトイン型発電兼用電動機(9)、回転体(4)の回転速度を検出するための回転センサ(10)、ならびに回転体(4)の軸方向および径方向の可動範囲を規制して回転体(4)を磁気軸受(5)(6)(7)で支持していないときに回転体(4)を機械的に支持する上下２組のタッチダウン用の保護軸受(11)(12)が設けられている。   The machine body (1) has a set of control type axial magnetic bearings (5) for supporting the rotating body (4) in a non-contact manner in the axial direction, and for supporting the rotating body (4) in a non-contact manner in the radial direction. Two sets of upper and lower control type radial magnetic bearings (6) and (7), a displacement sensor unit (8) for detecting axial and radial displacements of the rotating body (4), and rotating the rotating body (4) at high speed Built-in power generator (9) for rotation, rotation sensor (10) for detecting the rotation speed of the rotating body (4), and rotation by restricting the movable range in the axial and radial directions of the rotating body (4) Two sets of upper and lower touch-down protection bearings (11), (12) that mechanically support the rotating body (4) when the body (4) is not supported by magnetic bearings (5) (6) (7) Is provided.

制御ユニット(2)には、センサ回路(13)(14)、電磁石駆動回路(15)、インバータ(16)およびＤＳＰボード(17)が設けられ、ＤＳＰボード(17)には、ソフトウェアプログラムが可能なディジタル処理手段としてのＤＳＰ(18)、ＲＯＭ(19)、不揮発性記憶装置としてのＲＡＭ(20)、ＡＤ変換器(21)(22)およびＤＡ変換器(23)(24)が設けられている。   The control unit (2) is equipped with a sensor circuit (13) (14), an electromagnet drive circuit (15), an inverter (16) and a DSP board (17), and a software program is possible on the DSP board (17). DSP (18), ROM (19) as a digital processing means, RAM (20) as a non-volatile storage device, AD converters (21) (22), and DA converters (23) (24) are provided. Yes.

変位センサ部(8)は、回転体(4)の軸方向の変位を検出するための１個のアキシアル変位センサ(25)、および回転体(4)の径方向の変位を検出するための上下２組のラジアル変位センサユニット(26)(27)を備えている。   The displacement sensor unit (8) includes one axial displacement sensor (25) for detecting the axial displacement of the rotating body (4), and an upper and lower position for detecting the radial displacement of the rotating body (4). Two sets of radial displacement sensor units (26) and (27) are provided.

アキシアル磁気軸受(5)は、回転体(4)の下部に一体に形成されたフランジ部(4b)をＺ軸方向の両側から挟むように配置された上下１対のアキシアル電磁石（Ｚ軸電磁石）(28a)(28b)すなわち電磁石対を備えている。Ｚ軸電磁石は、符号(28)で総称する。   The axial magnetic bearing (5) is a pair of upper and lower axial electromagnets (Z-axis electromagnets) arranged so as to sandwich the flange (4b) formed integrally with the lower part of the rotating body (4) from both sides in the Z-axis direction. (28a) (28b) That is, an electromagnet pair is provided. The Z-axis electromagnet is generically designated by reference numeral (28).

アキシアル変位センサ(25)は、回転体(4)の下端面にＺ軸方向の下側から対向するように配置され、回転体(4)の下端面との距離（空隙）に比例する距離信号を出力する。   The axial displacement sensor (25) is disposed so as to face the lower end surface of the rotating body (4) from the lower side in the Z-axis direction, and is a distance signal proportional to the distance (gap) from the lower end surface of the rotating body (4). Is output.

２組のラジアル磁気軸受(6)(7)は、アキシアル磁気軸受本体(5)の上側において上下方向に所定の距離をおいて配置されており、これらの間に電動機(9)が配置されている。上側のラジアル磁気軸受(6)は、回転体(4)をＸ軸方向に非接触支持するための第１の電磁石対（Ｘ軸電磁石対）(29Xa)(29Xb)、および回転体(4)をＹ軸方向に非接触支持するための第２の電磁石対（Ｙ軸電磁石対）(29Ya)(29Yb)を備えている。Ｘ軸電磁石対(29Xa)(29Xb)は、回転体(4)をＸ軸方向の両側から挟むように配置された１対のラジアル電磁石（Ｘ軸電磁石）(29Xa)(29Xb)を備えている。Ｙ軸電磁石対(29Ya)(29Yb)は、回転体(4)をＹ軸方向の両側から挟むように配置された１対のラジアル電磁石（Ｙ軸電磁石）(29Ya)(29Yb)を備えている。上側のラジアル磁気軸受(6)のラジアル電磁石は、符号(29)で総称する。同様に、下側のラジアル磁気軸受(7)は、Ｘ軸方向の１対のラジアル電磁石（Ｘ軸電磁石）(30Xa)(30Xb)すなわち電磁石対（Ｘ軸電磁石対）、およびＹ軸方向の１対のラジアル電磁石（Ｙ軸電磁石）(30Ya)(30Yb)すなわち電磁石対（Ｙ軸電磁石対）を備えている。下側のラジアル磁気軸受(7)のラジアル電磁石は、符号(30)で総称する。   Two sets of radial magnetic bearings (6) and (7) are arranged at a predetermined distance in the vertical direction on the upper side of the axial magnetic bearing body (5), and an electric motor (9) is arranged between them. Yes. The upper radial magnetic bearing (6) includes a first electromagnet pair (X-axis electromagnet pair) (29Xa) (29Xb) and a rotating body (4) for supporting the rotating body (4) in a non-contact manner in the X-axis direction. Is provided with a second electromagnet pair (Y-axis electromagnet pair) (29Ya) (29Yb) for non-contact support in the Y-axis direction. The X-axis electromagnet pair (29Xa) (29Xb) includes a pair of radial electromagnets (X-axis electromagnets) (29Xa) (29Xb) arranged so as to sandwich the rotating body (4) from both sides in the X-axis direction. . The Y-axis electromagnet pair (29Ya) (29Yb) includes a pair of radial electromagnets (Y-axis electromagnets) (29Ya) (29Yb) arranged so as to sandwich the rotating body (4) from both sides in the Y-axis direction. . The radial electromagnets of the upper radial magnetic bearing (6) are collectively referred to by reference numeral (29). Similarly, the lower radial magnetic bearing (7) has a pair of radial electromagnets (X-axis electromagnets) (30Xa) (30Xb) in the X-axis direction, that is, electromagnet pairs (X-axis electromagnet pairs), and 1 in the Y-axis direction. A pair of radial electromagnets (Y-axis electromagnets) (30Ya) (30Yb), that is, electromagnet pairs (Y-axis electromagnet pairs) are provided. The radial electromagnets of the lower radial magnetic bearing (7) are collectively referred to by reference numeral (30).

上側のラジアル変位センサユニット(26)は、上側のラジアル磁気軸受(6)の近傍に配置されており、Ｘ軸電磁石(29Xa)(29Xb)の近傍においてＸ軸方向の両側から回転体(4)を挟むように配置された１対のラジアル変位センサ（Ｘ軸変位センサ）(31Xa)(31Xb)、およびＹ軸電磁石(29Ya)(29Yb)の近傍においてＹ軸方向の両側から回転体(4)を挟むように配置された１対のラジアル変位センサ（Ｙ軸変位センサ）(31Ya)(31Yb)を備えている。上側のラジアル変位センサユニット(26)のラジアル変位センサは、符号(31)で総称する。同様に、下側のラジアル変位センサユニット(27)は、Ｘ軸方向の１対のラジアル変位センサ（Ｘ軸変位センサ）(32Xa)(32Xb)およびＹ軸方向の１対のラジアル変位センサ（Ｙ軸変位センサ）(32Ya)(32Yb)を備えている。下側ラジアル変位センサユニット(27)のラジアル変位センサは、符号(32)で総称する。   The upper radial displacement sensor unit (26) is disposed in the vicinity of the upper radial magnetic bearing (6), and the rotating body (4) from both sides in the X-axis direction in the vicinity of the X-axis electromagnets (29Xa) (29Xb). A pair of radial displacement sensors (X-axis displacement sensors) (31Xa) (31Xb) and Y-axis electromagnets (29Ya) (29Yb) in the vicinity of the Y-axis direction rotating body (4) Are provided with a pair of radial displacement sensors (Y-axis displacement sensors) (31Ya) (31Yb). The radial displacement sensor of the upper radial displacement sensor unit (26) is generically designated by reference numeral (31). Similarly, the lower radial displacement sensor unit (27) includes a pair of radial displacement sensors (X-axis displacement sensors) (32Xa) (32Xb) in the X-axis direction and a pair of radial displacement sensors (Y (Axis displacement sensor) (32Ya) (32Yb). The radial displacement sensors of the lower radial displacement sensor unit (27) are collectively referred to by reference numeral (32).

電磁石(28)(29)(30)、回転センサ(10)、変位センサ(25)(31)(32)は、ケーシング(3)に固定されている。   The electromagnets (28), (29) and (30), the rotation sensor (10), and the displacement sensors (25), (31) and (32) are fixed to the casing (3).

保護軸受(11)(12)はアンギュラ玉軸受などの転がり軸受よりなり、各保護軸受(11)(12)の外輪がケーシング(3)に固定され、内輪が回転体(4)の周囲に所定の隙間をあけて配置されている。２組の保護軸受はいずれも径方向の支持が可能なものであり、少なくとも１組は軸方向の支持も可能なものである。この例では、上側の保護軸受(11)は径方向の支持のみを行い、下側の保護軸受(12)は径方向の支持と軸方向の支持を行うようになっている。   The protective bearings (11) and (12) are rolling bearings such as angular ball bearings, the outer rings of the respective protective bearings (11) and (12) are fixed to the casing (3), and the inner rings are arranged around the rotating body (4). It is arranged with a gap. Both of the two sets of protective bearings can be supported in the radial direction, and at least one set can also be supported in the axial direction. In this example, the upper protective bearing (11) only supports radial support, and the lower protective bearing (12) supports radial support and axial support.

コントローラ(2)のＲＯＭ(19)には、ＤＳＰ(18)における処理プログラムなどが格納されている。ＲＡＭ(20)には、磁気軸受(5)(6)(7)の制御パラメータなどが記憶されている。   The ROM (19) of the controller (2) stores a processing program for the DSP (18). The RAM (20) stores control parameters for the magnetic bearings (5), (6), and (7).

センサ回路(13)は、変位センサ部(8)の各変位センサ(25)(31)(32)を駆動し、各変位センサ(25)(31)(32)の出力に基づいて、回転体(4)のＺ軸方向の変位、ならびに上下のラジアル変位センサユニット(26)(27)の部分におけるＸ軸方向およびＹ軸方向の変位を演算し、その演算結果である変位信号をＡＤ変換器(21)を介してＤＳＰ(18)に出力する。変位センサ部(8)、センサ回路(13)などにより、変位検出手段が構成されている。   The sensor circuit (13) drives the displacement sensors (25), (31), and (32) of the displacement sensor unit (8), and based on the outputs of the displacement sensors (25), (31), and (32), the rotating body Calculate the displacement in the Z-axis direction of (4) and the displacement in the X-axis direction and Y-axis direction in the upper and lower radial displacement sensor units (26) and (27), and the displacement signal as the result of the calculation is an AD converter Output to DSP (18) via (21). The displacement sensor unit (8), the sensor circuit (13), and the like constitute displacement detection means.

センサ回路(14)は、回転センサ(10)を駆動し、回転センサ(10)の出力を回転体(4)の回転速度に対応する回転速度信号に変換し、これをＡＤ変換器(22)を介してＤＳＰ(18)に出力する。   The sensor circuit (14) drives the rotation sensor (10), converts the output of the rotation sensor (10) into a rotation speed signal corresponding to the rotation speed of the rotating body (4), and converts this to an AD converter (22) To the DSP (18).

ＤＳＰ(18)は、ＡＤ変換器(21)から入力する変位信号に基づいて、各磁気軸受(5)(6)(7)の各電磁石(28)(29)(30)に対する制御電流値を求め、制御電流値に対応する励磁電流信号をＤＡ変換器(23)を介して電磁石駆動回路(15)に出力する。そして、駆動回路(15)は、ＤＳＰ(18)からの励磁電流信号に基づく励磁電流を対応する磁気軸受(5)(6)(7)の電磁石(28)(29)(30)に供給し、これにより、回転体(4)が所定の目標位置に非接触支持される。ＤＳＰ(18)は、また、ＡＤ変換器(22)から入力する回転センサ(10)からの回転速度信号に基づいて、電動機(9)に対する電流制御信号をＤＡ変換器(24)を介してインバータ(16)に出力し、インバータ(16)は、この信号に基づいて、電動機(9)の電流を制御することにより、回転速度を制御する。そして、その結果、回転体(4)が、磁気軸受(5)(6)(7)の各電磁石(28)(29)(30)により目標位置に非接触支持された状態で、電動機(9)により高速回転させられる。   Based on the displacement signal input from the AD converter (21), the DSP (18) calculates the control current value for the electromagnets (28), (29), (30) of the magnetic bearings (5), (6), and (7). The excitation current signal corresponding to the control current value is obtained and output to the electromagnet drive circuit (15) via the DA converter (23). The drive circuit (15) supplies the excitation current based on the excitation current signal from the DSP (18) to the electromagnets (28), (29), (30) of the corresponding magnetic bearings (5), (6), (7). Thereby, the rotating body (4) is supported in a non-contact manner at a predetermined target position. The DSP (18) also converts the current control signal for the electric motor (9) into an inverter via the DA converter (24) based on the rotational speed signal from the rotation sensor (10) input from the AD converter (22). The inverter (16) controls the rotational speed by controlling the current of the electric motor (9) based on this signal. As a result, the rotating body (4) is non-contactly supported at the target position by the electromagnets (28), (29), and (30) of the magnetic bearings (5), (6), and (7). ).

ＤＳＰ(18)、電磁石駆動回路(15)などにより、電磁石制御手段が構成されている。   The electromagnet control means is constituted by the DSP (18), the electromagnet drive circuit (15), and the like.

この例では、上下のラジアル磁気軸受(5)(6)にこの発明が適用されている。   In this example, the present invention is applied to the upper and lower radial magnetic bearings (5) and (6).

図４は、上側のラジアル磁気軸受(5)のＸ軸電磁石対(28Xa)(28Xb)のフィードバック制御系の１例を示すブロック図である。   FIG. 4 is a block diagram showing an example of a feedback control system of the X-axis electromagnet pair (28Xa) (28Xb) of the upper radial magnetic bearing (5).

図４において、(33)は制御対象（プラント）、(34)は制御対象(33)を制御する制御手段（コントローラ）である。この例では、制御対象(33)はＸ軸電磁石(28Xa)(28Xb)を含み、制御手段(34)は、Ｘ軸電磁石(28Xa)(28Xb)に関する電磁石制御手段で、制御ユニット(2)の一部である。Ｕm(t)は目標値であり、これは一般に０である。Ｙp(t)は制御対象(33)の出力である回転体(4)のＸ軸方向の変位である。ｅy(t)はＹp(t)とＵm(t)の偏差である。Ｕp(t)は制御対象(33)に入力する制御手段(34)の出力で、この例ではＸ軸電磁石(28Xa)(28Xb)の励磁電流値である。   In FIG. 4, (33) is a control object (plant), and (34) is a control means (controller) for controlling the control object (33). In this example, the controlled object (33) includes X-axis electromagnets (28Xa) (28Xb), and the control means (34) is an electromagnet control means for the X-axis electromagnets (28Xa) (28Xb). It is a part. Um (t) is a target value, which is generally zero. Yp (t) is the displacement in the X-axis direction of the rotating body (4), which is the output of the controlled object (33). ey (t) is a deviation between Yp (t) and Um (t). Up (t) is the output of the control means (34) that is input to the controlled object (33), and in this example is the excitation current value of the X-axis electromagnets (28Xa) (28Xb).

この例では、制御手段(34)は、Ｘ軸電磁石(28Xa)(28Xb)に供給する励磁電流のうちのバイアス電流（定常電流）を常に０とするゼロバイアス制御を行い、制御手段(34)を含む制御系は、偏差すなわち変位に応じて適応的に変化するゲインで負帰還する単純適応制御を行う。このため、制御手段(34)は、ＰＤ制御要素、ＰＩ制御要素あるいはＰＩＤ制御要素に、変位に応じてゲインが適応的に変化する可変要素が加えられたものとなっている。好ましくは、ＰＩＤ要素に可変要素が加えられたものである。   In this example, the control means (34) performs zero bias control in which the bias current (steady current) of the excitation current supplied to the X-axis electromagnets (28Xa) (28Xb) is always zero, and the control means (34) The control system including a simple adaptive control that performs negative feedback with a gain that adaptively changes according to a deviation, that is, a displacement. For this reason, the control means (34) is a PD control element, PI control element or PID control element to which a variable element whose gain changes adaptively according to the displacement is added. Preferably, a variable element is added to the PID element.

図５は、一般的な多入出力単純適応制御系の例を示すブロック図である。   FIG. 5 is a block diagram showing an example of a general multi-input / output simple adaptive control system.

図５において、(35)は制御対象、(36)は制御対象(35)の出力Ｙp(t)が追従すべき規範モデル、(37)(38)(39)は規範モデル(36)の出力Ｙm(t)とフィードバック信号ＹP(t)の偏差ｅy(t)に応じて適応的にゲインが変化する可変要素を有する制御手段である。   In FIG. 5, (35) is the controlled object, (36) is the reference model that the output Yp (t) of the controlled object (35) should follow, and (37), (38), and (39) are the outputs of the reference model (36). This control means has a variable element whose gain is adaptively changed in accordance with the deviation ey (t) between Ym (t) and the feedback signal YP (t).

図５の制御系は、適応同定則として比例積分則（ＰＩ）を利用することにより、次のように設計することができる。
The control system of FIG. 5 can be designed as follows by using the proportional-integral rule (PI) as the adaptive identification rule.

図５の制御系は、また、適応同定則として比例積分微分則（ＰＩＤ）を利用することにより、次のように設計することができる。
The control system of FIG. 5 can also be designed as follows by using a proportional-integral-derivative rule (PID) as an adaptive identification rule.

上記実施形態における図４の制御系では、制御対象(33)の出力Ｙp(t)である変位が０のときは励磁電流を流さず、ゼロ近辺で制御が行われている。また、規範モデルがあると仮定した場合、その目標値は常にゼロであることから、目標値の変化および規範モデルの状態変化に対するゲインパラメータの自動調整は不要となり、規範モデルそのものも設ける必要がなくなる。そして、制御手段における単純適応制御は、もっぱらフィードバック値の偏差に対するゲインパラメータ調整のためのみに利用されている。よって、制御系が簡略化され、比例積分微分則（ＰＩＤ）を利用して、制御系を次のように設計することができる。
In the control system of FIG. 4 in the above embodiment, when the displacement that is the output Yp (t) of the controlled object (33) is 0, no excitation current is passed, and control is performed in the vicinity of zero. Also, assuming that there is a normative model, the target value is always zero, so there is no need for automatic adjustment of gain parameters for changes in target values and norm model conditions, and there is no need to provide normative models themselves. . The simple adaptive control in the control means is used exclusively for gain parameter adjustment with respect to the feedback value deviation. Therefore, the control system is simplified, and the control system can be designed as follows using the proportional-integral-derivative law (PID).

ラジアル磁気軸受(6)(7)の他の電磁石対(28Ya)(28Yb)、(29Xa)(29Xb)、(29Ya)(29Yb)についても、同様である。   The same applies to the other electromagnet pairs (28Ya) (28Yb), (29Xa) (29Xb), (29Ya) (29Yb) of the radial magnetic bearings (6) and (7).

ラジアル磁気軸受(6)(7)の各電磁石対について、従来のＰＤ制御を行った場合と、上記の単純適応制御（ＰＩＤ同定）を行った場合とについて、追従性のシミュレーションおよび実験を行った。その結果を、図６〜図７に示す。   For each pair of electromagnets of the radial magnetic bearings (6) and (7), a follow-up simulation and an experiment were performed when the conventional PD control was performed and when the above simple adaptive control (PID identification) was performed. . The results are shown in FIGS.

図６および図７は、回転体(4)のＸ軸方向の変位Ｘu、Ｘl（横軸）およびＹ軸方向の変位Ｙu、Ｙl（縦軸）を示すもので、各図の(a)は上側ラジアル磁気軸受(6)の部分、(b)は下側ラジアル磁気軸受(7)の部分のものである。図６は従来のＰＤ制御の場合、図７は上記の単純適応制御の場合を示している。   6 and 7 show the displacement Xu and Xl (horizontal axis) in the X-axis direction and the displacement Yu and Yl (vertical axis) in the Y-axis direction of the rotating body (4). A portion of the upper radial magnetic bearing (6), (b) is a portion of the lower radial magnetic bearing (7). FIG. 6 shows the case of the conventional PD control, and FIG. 7 shows the case of the above simple adaptive control.

図８は上側ラジアル磁気軸受(6)の部分における回転体(4)のＸ軸方向の変位Ｘuの時間変化を示すもので、実線Ａは上記の単純適応制御の場合、破線Ｂは従来のＰＤ制御の場合を示している。   FIG. 8 shows the time change of the displacement Xu of the rotating body (4) in the X-axis direction in the upper radial magnetic bearing (6). The solid line A indicates the above-mentioned simple adaptive control, and the broken line B indicates the conventional PD. The case of control is shown.

これらの結果より、図４の制御系では、従来のＰＤ制御の場合に比べて、追従性が改善されていることがわかる。   From these results, it can be seen that the followability is improved in the control system of FIG. 4 compared to the conventional PD control.

磁気軸受装置の全体構成および各部の構成は、上記実施形態のものに限らず、適宜変更可能である。   The overall configuration of the magnetic bearing device and the configuration of each part are not limited to those of the above-described embodiment, and can be changed as appropriate.

たとえば、回転体が水平に配置される横型の制御型磁気軸受装置の場合、アキシアル方向のＺ軸が水平になるので、Ｚ軸方向に配置された電磁石対を備えたアキシアル磁気軸受にこの発明を適用することができる。横型の制御型磁気軸受装置の場合、ラジアル方向のＸ軸およびＹ軸の一方を水平にすることができる。その場合、水平なラジアル制御軸方向の電磁石対を有するラジアル磁気軸受についても、この発明を適用することができる。   For example, in the case of a horizontal control type magnetic bearing device in which a rotating body is horizontally arranged, the Z axis in the axial direction is horizontal, so that the present invention is applied to an axial magnetic bearing having an electromagnet pair arranged in the Z axis direction. Can be applied. In the case of a horizontal control type magnetic bearing device, one of the X axis and the Y axis in the radial direction can be horizontal. In this case, the present invention can also be applied to a radial magnetic bearing having an electromagnet pair in the horizontal radial control axis direction.

また、この発明は、フライホイール式電力貯蔵装置以外の制御型磁気軸受装置にも適用できる。   The present invention can also be applied to a control type magnetic bearing device other than the flywheel power storage device.

(2) 制御ユニット
(4) 回転体
(6)(7) ラジアル磁気軸受
(8) 変位センサ部
(13) センサ回路
(15) 電磁石駆動回路
(18) ＤＳＰ
(28Xa)(28Xb)(28Ya)(28Yb)(29Xa)(29Xb)(29Ya)(29Yb) ラジアル電磁石 (2) Control unit
(4) Rotating body
(6) (7) Radial magnetic bearing
(8) Displacement sensor
(13) Sensor circuit
(15) Electromagnet drive circuit
(18) DSP
(28Xa) (28Xb) (28Ya) (28Yb) (29Xa) (29Xb) (29Ya) (29Yb) Radial electromagnet

Claims (2)

回転体を１つの水平な制御軸方向の所定の目標位置に磁気吸引力により非接触支持するために前記制御軸方向の両側から回転体を挟むように配置された１対の電磁石を備えている制御型磁気軸受装置であって、回転体の目標位置からの前記制御軸方向の変位を検出する変位検出手段と、回転体を目標位置に支持するために各電磁石に一定のバイアス電流および回転体の前記変位によって変化する制御電流からなる励磁電流を供給する電磁石制御手段とを備えている磁気軸受において、
電磁石制御手段が、バイアス電流を常に０とするゼロバイアス制御を行うもので、かつ、前記変位に応じて適応的に変化する最適ＰＩＤゲインで負帰還する単純適応制御を行うものであり、
前記単純適応制御は、Ｕ ｐ （ｔ）を出力、ｅ ｙ （ｔ）を回転体の目標位置０と回転体の変位との偏差とした場合に、下記式に従い行われることを特徴とする制御型磁気軸受装置。
A pair of electromagnets are provided so as to sandwich the rotating body from both sides in the control axis direction in order to support the rotating body in a non-contact manner by a magnetic attraction force at a predetermined target position in one horizontal control axis direction. A control type magnetic bearing device comprising: a displacement detecting means for detecting a displacement of the rotating body in a direction of the control axis from a target position; and a constant bias current and a rotating body for each electromagnet for supporting the rotating body at the target position. A magnetic bearing comprising an electromagnet control means for supplying an excitation current comprising a control current that changes according to the displacement of
The electromagnet control means performs zero bias control in which the bias current is always 0, and performs simple adaptive control in which negative feedback is performed with an optimal PID gain that adaptively changes according to the displacement.
The simple adaptive control is performed according to the following expression when U p (t) is output and e y (t) is a deviation between the target position 0 of the rotating body and the displacement of the rotating body. Type magnetic bearing device.
鉛直な回転体をその回転軸心と直交するとともに互いに直交する２つの水平な制御軸方向に非接触支持するための磁気軸受を備え、磁気軸受が、回転体を第１の制御軸方向に非接触支持するための第１の電磁石対と、回転体を第２の制御軸方向に非接触支持するための第２の電磁石対とを備え、各電磁石対が、回転体を前記各制御軸方向の所定の目標位置に磁気吸引力により非接触支持するために前記各制御軸方向の両側から回転体を挟むように配置された１対の電磁石を備えている制御型磁気軸受装置であって、回転体の目標位置からの前記各制御軸方向の変位を検出する変位検出手段と、回転体を目標位置に支持するために各電磁石に一定のバイアス電流および回転体の前記変位によって変化する制御電流からなる励磁電流を供給する電磁石制御手段とを備えている制御型磁気軸受装置において、
各電磁石制御手段が、バイアス電流を常に０とするゼロバイアス制御を行うもので、かつ、前記変位に応じて適応的に変化する最適ＰＩＤゲインで負帰還する単純適応制御を行うものであり、
前記単純適応制御は、Ｕ ｐ （ｔ）を出力、ｅ ｙ （ｔ）を回転体の目標位置０と回転体の変位との偏差とした場合に、下記式に従い行われることを特徴とする制御型磁気軸受装置。
A magnetic bearing is provided for non-contact support of a vertical rotating body in two horizontal control axis directions orthogonal to the rotation axis and orthogonal to each other, and the magnetic bearing does not support the rotating body in the first control axis direction. A first electromagnet pair for supporting contact and a second electromagnet pair for supporting the rotating body in a non-contact manner in the second control axis direction, each electromagnet pair supporting the rotating body in each control axis direction; A control-type magnetic bearing device comprising a pair of electromagnets arranged so as to sandwich a rotating body from both sides in the direction of each control axis in order to non-contact support at a predetermined target position by magnetic attraction force, Displacement detecting means for detecting displacement in the respective control axis directions from the target position of the rotating body, and a constant bias current for each electromagnet to support the rotating body at the target position, and a control current that varies with the displacement of the rotating body A power supply for supplying an excitation current consisting of In the control type magnetic bearing device and a stone control means,
Each electromagnet control means performs zero bias control in which the bias current is always 0, and performs simple adaptive control that performs negative feedback with an optimal PID gain that adaptively changes according to the displacement.
The simple adaptive control is performed according to the following expression when U p (t) is output and e y (t) is a deviation between the target position 0 of the rotating body and the displacement of the rotating body. Type magnetic bearing device.
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