JP6911284B2 - 回転同期位相検出装置及び磁気軸受装置 - Google Patents

Description

本発明は磁気軸受やベアリングレスモータに例示される磁気軸受装置の回転体の変位信号に基づき回転体の回転速度を検出する技術に関する。

磁気軸受装置は、磁性体である回転体を磁気浮上により支持する装置であって、回転体の振れ回りの変位信号に基づき当該回転体を浮上させる電磁石に供給する励磁電流をフィードバック制御することにより、回転体の浮上位置を制御する（例えば、特許文献１）。

図９に示したように、特許文献１の磁気軸受装置９において、電流制御部３は、電磁石１ｘ，１ｙにより浮上させた回転体２を回転制御する。回転体２が回転すると回転体２の重心と幾何学的中心の不一致により、回転体２の振り回りが発生する。この振れ回りの変位信号（Ｘ，Ｙ）は図示省略の変位センサにより検出される。同図に記載のＸはＸ軸方向（回転体２の一方の径方向）の振れ回りの変位信号を示し、ＹはＹ軸方向（当該一方の径方向と直交する他方の径方向）の振れ回りの変位信号を示す。また、同時に回転同期位相θが図示省略のロータリーエンコーダ若しくはレゾルバにより検出される。この検出された回転同期位相θは電流制御部３のトラッキングフィルタ機能により変位信号の回転同期成分が除去される。電流制御部３は、この回転同期成分が除去された変位信号に基づく電流指令値を算出し、この電流指令値に基づく励磁電流Ｉｘ、Ｉｙを電磁石１ｘ，１ｙの励磁コイルに各々供給する。以上のように、変位信号から回転同期成分が除去されることにより、変位座標軸の原点で回転子が運動することになる。

変位信号は正弦波に近似した波形を成している。変位信号から正弦波の位相への近似法としては、以下の２つの手法が知られている。手法［１］は、変位信号のゼロクロス周期に基づき算出された速度の積分により正弦波の位相を算出する。手法［２］は、変位信号のｑ軸信号に対してＰＬＬ（Ｐｈａｓｅ Ｌｏｃｋｅｄ Ｌｏｏｐ）を適用して速度を求め、これを積分して正弦波の位相を算出する。

手法［１］について図１０を参照しながら具体的に説明する。変位座標軸の原点（回転子の幾何学的中心点若しくは二対のセンサの直交点）から観て変位信号がゼロクロスした間隔の逆数を周波数ｆとして、式（１）に示すモータの速度を算出できる。この速度に対して式（２）を適用することにより回転同期位相θが算出される。図示のブロック構成は、ｘ軸方向の変位信号のゼロクロスに基づき周波数を算出する構成例である。尚、ｙ軸方向の変位信号のゼロクロス、または、ｘ軸方向、ｙ軸方向の両方の変位信号のゼロクロスに基づいても同様の方法により周波数を算出できる。

手法［２］について図１１を参照しながら具体的に説明する。ｘ軸及びｙ軸の変位信号に対して回転同期位相θによる２相ｄｑ変換を行い、ｄ軸変位信号（回転体２の磁束方向の変位の信号）とｑ軸変位信号（当該磁束方向と直交する方向の変位の信号）を算出する。回転に振れ回りがない場合、変位信号は回転に同期した成分であるｄ軸変位信号のみになるので、ｄ軸変位信号に直角な成分であるｑ軸変位信号は０となる。これを利用し、ｑ軸変位信号にローパスフィルタ（ＬＰＦ）により直流成分のみを取り出し、これが０となるようにフィードバック制御を行う。ｑ軸変位信号の直流成分をＰＩ制御により回転速度ｖと一致するように調整し、この回転速度ｖを積分することにより、変位信号の回転同期位相θを算出する。このようにロータリーエンコーダやレゾルバを用いずに回転体の振れ回りの変位信号から回転同期位相を算出できる。

特開平８−２８５６２号公報 特開２０１２−１１０１６６号公報

従来（特許文献１）の回転同期位相の検出法において、回転体の振れ回り変位抑制に適用されているクロックパルス検出は回転体に付帯されるロータリーエンコーダにより行われている。ロータリーエンコーダは高価であるので、回転同期位相の検出コストが高くなる。また、ロータリーエンコーダは回転軸に取り付けられるので高速回転に適さない。仮に、ロータリーエンコーダの代わりにレゾルバを適用しようとしても高コストとなる。

特許文献１には、ロータリーエンコーダやレゾルバを要することなく変位信号から速度を検出する手法の記載があるが、この手法は１回転当たり数回の検出しか行えず、さらに、ノイズにより検出するタイミングが変化するので、検出精度が低くなる。

これに対して、手法［１］は、ゼロクロスする点を検出するので、検出値は回転速度の急激な変化の影響を受けにくい特徴をもつ。また、他の変位信号から速度を検出する手法として、前述の手法［２］が存在するが、この手法は変位信号をそのまま検出値に変換しているので、検出のタイミングは変位信号と同じであり高精度な検出が可能となる。

しかしながら、上記のいずれの手法も、回転速度指令やモータ負荷などの急変により回転速度が急激に変化すると変位信号が大きく変化するので安定性に問題がある。

本発明は、上記の事情に鑑み、磁気軸受装置の回転体の回転同期位相を低廉且つ安定的に精度よく測定することを課題とする。

そこで、本発明の回転同期位相検出装置は、磁気浮上する回転体の一方の径方向の変位と当該一方の径方向と直交する他方の径方向の変位のゼロクロス周期に基づき当該回転体の第一の回転速度を検出する第一速度検出部と、前記一方の径方向の変位と前記他方の径方向の変位とに基づく座標変換により得られた前記回転体の磁束方向と直交する方向の変位が０となるときの当該磁束方向の変位に基づき当該回転体の第二の回転速度を検出する第二速度検出部と、前記第一の回転速度と前記第二の回転速度のいずれかに基づき前記回転体の回転同期位相を算出する位相演算部とを備える。

前記回転同期位相検出装置の一態様は、前記第一の回転速度が加速中である場合に当該第一の回転速度と最大の前記第二の回転速度との差に基づき前記位相演算部に供する回転速度として当該第一の回転速度と当該第二の回転速度のいずれかを選択する一方で、前記第一の回転速度が減速中である場合に当該第一の回転速度と最小の前記第二の回転速度との差に基づき前記位相演算部に供する回転速度として当該第一の回転速度と当該第二の回転速度のいずれかを選択する速度決定部をさらに備える。

前記回転同期位相検出装置の一態様は、前記位相演算部に供される回転速度の変化率を制限する変化率制限処理部をさらに備える。

本発明の磁気軸受装置の一態様は、電磁石により磁気浮上する回転体の一方の径方向の変位と当該一方の径方向と直交する他方の径方向の変位とに基づき当該回転体の回転同期位相を検出する上記の回転同期位相検出装置と、前記一方の径方向の変位と前記他方の径方向の変位と前記検出された回転同期位相とに基づき前記電磁石に供する励磁電流を制御する電流制御部とを備える。

以上の本発明によれば磁気軸受装置の回転体の回転同期位相を低廉且つ安定的に精度よく測定できる。

本発明の実施形態における磁気軸受装置のブロック構成図。 同実施形態における回転同期位相検出装置のブロック構成図。 同実施形態における回転同期位相の検出のフローチャート。 手法［１］による回転速度の経時的変化。 手法［２］による回転速度の経時的変化。 回転体の加速時における実際の回転体の回転速度、手法［２］により検出した回転速度及び最大検出回転速度の経時的変化。 回転体の加速時における実際の回転体の回転速度、手法［１］により検出した回転速度、手法［２］により検出した回転速度及び同実施形態により決定された回転速度の経時的変化。 本発明の他の実施形態における回転同期位相検出装置のブロック構成図。 従来の磁気軸受装置のブロック構成図。 手法［１］に基づく回転同期位相検出方式のブロック構成図。 手法［２］に基づく回転同期位相検出方式のブロック構成図。

以下に図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。

［第一実施形態］
図１に例示された磁気軸受装置１０は、電磁石１ｘ，１ｙと回転体２と電流制御部３と回転同期位相検出装置４を備える。電磁石１ｘ，１ｙは回転体２を磁気浮上させる。電流制御部３は回転体２のｘ軸変位（一方の径方向の変位）とｙ軸変位（当該一方の径方向と直交する他方の径方向の変位）と回転同期位相θとに基づき電磁石１ｘ，１ｙに供する励磁電流Ｉｘ，Ｉｙを算出する。回転同期位相検出装置４は電流制御部３に供する回転体２の回転同期位相θを検出する。

電磁石１ｘ，１ｙは、図１に示したように、回転体２を介して対向して一対に配置されている。回転体２のｘ軸変位は、この一対の電磁石１ｘにより磁気浮上した回転体２のｘ軸方向の振れ回りが図示省略された周知の変位センサにより検出されたものである。一方、回転体２のｙ軸変位は、この一対の電磁石１ｙにより磁気浮上した回転体２のｙ軸方向の振れ回りが図示省略された周知の変位センサにより検出されたものである。

回転同期位相検出装置４は、図２に示したように、第一速度検出部４１と第二速度検出部４２と速度決定部４３と位相演算部４４を備える。

第一速度検出部４１は、回転体２のｘ軸変位とｙ軸変位のゼロクロス周期に基づき回転体２の第一の回転速度ｖ１を検出する。

第二速度検出部４２は、回転体２のｘ軸変位とｙ軸変位とに基づくｄｑ座標変換により得られたｑ軸変位（回転体２の磁束方向と直交する方向の変位）が０となるときのｄ軸変位（当該磁束方向の変位）に基づき回転体２の第二の回転速度ｖ２を検出する。

速度決定部４３は、第一の回転速度ｖ１が加速中である場合、第一の回転速度ｖ１と最大の第二の回転速度ｖ２＿ｍａｘとの差に基づき位相演算部４４に供する回転速度ｖとして第一の回転速度ｖ１と第二の回転速度ｖ２のいずれかを選択する。一方、第一の回転速度ｖ１が減速中である場合、第一の回転速度ｖ１と最小の第二の回転速度ｖ２＿ｍｉｎとの差に基づき位相演算部４４に供する回転速度ｖとして第一の回転速度ｖ１と第二の回転速度ｖ２のいずれかを選択する。

位相演算部４４は、速度決定部４３から回転速度ｖとして供された第一の回転速度ｖ１，第二の回転速度ｖ２のいずれかを前述の式（２）に基づく演算に供して回転体２の回転同期位相θを算出する。

図３のフローチャートを参照しながら本実施形態の回転体２の回転同期位相θが検出される過程について説明する。

Ｓ１：第一速度検出部４１は、前記変位センサにより検出された回転体２のｘ軸変位とｙ軸変位のゼロクロス周期に基づき回転体２の第一の回転速度ｖ１を検出する（以下、手法［１］）。一方、前記変位センサにより検出された回転体２のｘ軸変位とｙ軸変位のｄｑ変換により得られたｄ軸変位とｑ軸変位のうちのｑ軸変位が０となるときのｄ軸変位に基づき回転体２の第二の回転速度ｖ２を検出する（以下、手法［２］）。

Ｓ２：速度決定部４３は、第一の回転速度ｖ１が加速中であるか減速中であるかの判定を行う。

そして、第一の回転速度ｖ１の値が増加して回転体２が加速中であると判定した場合、速度決定部４３は第一の回転速度ｖ１と最大の第二の回転速度ｖ２＿ｍａｘとの差の絶対値が閾値以上であるか否かの判断を行う（図３のＳ２）。尚、最大の第二の回転速度ｖ２＿ｍａｘは、所定時間内でサンプリングされた第二の回転速度ｖ２の最大値を意味する。

一方、第一の回転速度ｖ１の値が減少して回転体２が減速中であると判定した場合、速度決定部４３は第一の回転速度ｖ１と最小の第二の回転速度ｖ２＿ｍｉｎとの差の絶対値が閾値以上であるか否かの判断を行う。尚、最小の第二の回転速度ｖ２＿ｍｉｎは、所定時間内でサンプリングされた第二の回転速度ｖ２の最小値を意味する。

Ｓ３：前記絶対値が閾値以上である場合、速度決定部４３は第一の回転速度ｖ１を選択する。

Ｓ４：前記絶対値が閾値未満である場合、速度決定部４３は第二の回転速度ｖ２を選択する。

Ｓ５：速度決定部４３は、Ｓ３で選択した第一の回転速度ｖ１またはＳ４で選択した第二の回転速度ｖ２を位相演算部４４での演算に供する回転速度ｖとして決定する。

Ｓ６：位相演算部４４は、Ｓ５で決定された回転速度ｖを式（２）に基づく演算に供して回転体２の回転同期位相θを算出する。この回転同期位相θは電流制御部３に供される。

そして、電流制御部３は回転体２のｘ軸変位並びにｙ軸変位と回転同期位相検出装置４から供された回転体２の回転同期位相θとに基づき電磁石１ｘ，１ｙに供する励磁電流Ｉｘ，Ｉｙを算出する。

以上のように本実施形態の磁気軸受装置１０によれば、回転体２の第一の回転速度ｖ１が加速中であるか減速中であるかの判断が行われる。そして、第一の回転速度ｖ１が加速中である場合に第一の回転速度ｖ１と最大の第二の回転速度ｖ２＿ｍａｘとの差の絶対値と閾値との比較が行われる。一方、第一の回転速度ｖ１が減速中である場合に第一の回転速度ｖ１と最小の第二の回転速度ｖ２＿ｍｉｎとの差の絶対値と閾値との比較が行われる。

図４，５の特性図において実線は、各々、手法［１］，手法［２］により検出された回転速度である一方、点線は実際の回転体２の回転速度である。したがって、実線と点線との速度差が小さいほど速度検出の誤差が小さい。図４に示されたように、回転体２の回転速度が増加している場合、手法［１］により検出される回転体２の回転速度は低精度であるが、実際の回転体２の回転速度と同様に変化する。一方、図５に示されたように、手法［２］により検出される回転体２の回転速度の値は速度が０から変化する際に回転体２の変位に応じて振動する。しかし、ＰＩ制御により前記振動は徐々に小さくなるため、手法［２］による回転速度（実線）は実際の回転速度（点線）との差は小さくなる。すなわち、手法［１］と手法［２］の回転速度の差は小さくなる。

ここで、一定の速度を検出手法の切り替えの判定値とした場合、手法［２］による回転速度の変動が図５に示したような振動した状態の場合、検出の手法が頻繁に切り替わることになり、回転速度の検出値が不安定となる。また、手法［１］と手法［２］の速度差を判定値にした場合、当該速度差が０になる毎に検出の手法が切り替わり、やはり、検出値が不安定となる。

そこで、本実施形態においては、回転体２の加速時に第二の回転速度ｖ２の代わりに最大の第二の回転速度ｖ２＿ｍａｘが第一の回転速度ｖ１との差の演算に供される。そして、この差の絶対値に基づき、第一の回転速度ｖ１、第二の回転速度ｖ２のいずれかが、位相演算部４４での回転同期位相θの演算に供される回転速度ｖとして、選択される。これにより、頻繁な検出手法の切り替えが回避される。一方、回転体２の減速時には、回転速度が増加している場合と逆のことが起こるため、最小の第二の回転速度ｖ２＿ｍｉｎが選択される。

図６に回転体２の加速時における実際の回転体２の回転速度、手法［２］により検出した回転体２の回転速度及び最大検出回転速度の経時的変化を示した。図３のフローチャートに従って位相演算部４４での演算に供される回転速度ｖが例えば以下の値で選択される。
０＜時間＜ｔ１：ｖ＝ｖ２
ｔ１＜時間＜ｔ２：ｖ＝ｖ１
ｔ２＜時間：ｖ＝ｖ２
図７に回転体２の加速時における実際の回転体２の回転速度、手法［１］により検出した回転速度、手法［２］により検出した回転速度及び本発明の速度決定部４３により決定された回転速度の経時的変化を示した。全時間にわたって、実際の回転体２の回転速度と本実施形態により決定された回転速度と略同じ値となり、回転体２の回転速度ｖの高精度な検出が可能となっている。そして、この回転体２の回転速度ｖが位相演算部４４に供されることにより回転体２の回転同期位相θが精度よく安定的に検出される。

従来の回転同期位相を検出するシステム（例えば特許文献１）においてはロータリーエンコーダやレゾルバが適用されているが、このロータリーエンコーダやレゾルバは回転軸に備え付ける必要があるため、高速回転の検出手段としては最適な手段とはいえない。

これに対して、本実施形態の回転同期位相検出装置４は、ロータリーエンコーダやレゾルバを用いることなく、変位センサのみから、安定性の高い、すなわち、回転速度の検出値の振動的な変動が抑制された高精度な回転同期位相θを取得できる。したがって、従来よりも省スペース且つ低廉及び安定的に高精度な磁気軸受装置１０が実現する。

［第二実施形態］
図８に示された回転同期位相検出装置４は、位相演算部４４に供される第一の回転速度ｖ１または第二の回転速度ｖ２の変化率を制限する変化率制限処理部４５を備える。

本実施形態においては、図３のＳ５で決定された回転速度ｖが位相演算部４４に供される前に回転速度ｖの変化率が制限処理される。この制限処理には周知の変化率制限法を適用すればよい。周知の変化率制限法としては、例えば、特許文献２に開示の変化率制限法が挙げられる。この制限法が適用された本実施形態の制御処理では、例えば、外乱オブザーバを優先した変化率の制限により回転速度ｖがトルクリミッタの規定範囲に制御される。

以上の第二実施形態の回転同期位相検出装置４によれば、回転体２の回転速度ｖが速度決定部４３から位相演算部４４に供される過程で変化率制限処理部４５により変化率の制限処理が行われる。したがって、手法［１］，手法［２］により検出された第一の回転速度ｖ１，第二の回転速度ｖ２が切り替わる際の回転速度ｖの値の変化が緩やかとなり、当該切り替わる際に瞬間的に発生する回転速度ｖの検出値の脈動が抑制される。よって、第一実施形態の作用効果に加えて、さらに安定度の高い回転速度ｖの検出が可能となり、回転体２の回転同期位相θをより精度よく安定的に検出できる。

１ｘ，１ｙ…電磁石
２…回転体
３…電流制御部
４…回転同期位相検出装置
４１…第一速度検出部、４２…第二速度検出部、４３…速度決定部、４４…位相演算部
４５…変化率制限処理部
１０…磁気軸受装置

Claims (3)

1. 磁気浮上する回転体の一方の径方向の変位と当該一方の径方向と直交する他方の径方向の変位のゼロクロス周期に基づき当該回転体の第一の回転速度を検出する第一速度検出部と、
   前記一方の径方向の変位と前記他方の径方向の変位とに基づく座標変換により得られた前記回転体の磁束方向と直交する方向の変位が０となるときの当該磁束方向の変位に基づき当該回転体の第二の回転速度を検出する第二速度検出部と、
   前記第一の回転速度と前記第二の回転速度のいずれかに基づき前記回転体の回転同期位相を算出する位相演算部と、
   前記第一の回転速度が加速中である場合に当該第一の回転速度と最大の前記第二の回転速度との差の絶対値が閾値以上であるとき、前記位相演算部に供する回転速度として当該第一の回転速度を選択し、当該第一の回転速度と最大の前記第二の回転速度との差の絶対値が閾値未満であるとき、前記第二の回転速度を選択する一方で、前記第一の回転速度が減速中である場合に当該第一の回転速度と最小の前記第二の回転速度との差の絶対値が閾値以上であるとき、前記位相演算部に供する回転速度として当該第一の回転速度を選択し、当該第一の回転速度と最小の前記第二の回転速度との差の絶対値が閾値未満であるとき、前記第二の回転速度を選択する速度決定部と
   を備えた回転同期位相検出装置。
2. 前記位相演算部に供される回転速度の変化率を制限する変化率制限処理部
   をさらに備えた請求項１に記載の回転同期位相検出装置。
3. 電磁石により磁気浮上する回転体の一方の径方向の変位と当該一方の径方向と直交する他方の径方向の変位とに基づき当該回転体の回転同期位相を検出する請求項１または２に記載の回転同期位相検出装置と、
   前記一方の径方向の変位と前記他方の径方向の変位と前記検出された回転同期位相とに基づき前記電磁石に供する励磁電流を制御する電流制御部と
   を備えた磁気軸受装置。
   

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