JP7055591B2 - 磁気軸受制御装置 - Google Patents
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Description
磁気軸受が発生するラジアル方向擾乱力を計測するラジアル方向擾乱力計測器と、ラジアル方向擾乱力計測器の出力を、所定の回転速度で回転する回転座標系表現に変換する回転座標変換器と、回転座標変換器の出力から低周波成分を抽出する低域通過フィルタと、低域通過フィルタの出力を符号反転して積分する積分器と、積分器の出力に対して、ロータの回転速度に応じて所定の進相量を重畳して固定座標系表現に変換する固定座標変換器を配置した構成としており、
固定座標変換器の出力を磁気軸受制御装置におけるロータのラジアル方向並進変位指令とすることで、磁気軸受のサーボ共振周波数を含めた全周波数領域において、回転座標系と同一方向に同一速度で回転するラジアル方向擾乱力を低減することができる。
ラジアル方向擾乱力が生じている位置におけるX軸方向及びY軸方向擾乱力を計測するラジアル方向擾乱力計測器と、
該ラジアル方向擾乱力計測器の出力を、固定座標系をZ軸回りに所定の回転速度で回転させた回転座標系表現に変換する回転座標変換器と、
該回転座標変換器の出力から低周波成分を抽出する低域通過フィルタと、
該低域通過フィルタの出力を符号反転させた後に積分した信号を、ラジアル方向並進変位指令の回転座標系表現として出力する積分器と、
該積分器の出力に対して所定の進相量を重畳したうえで固定座標系表現に変換した信号を、上記軸受制御系に対するラジアル方向並進変位指令として出力する固定座標変換器と、
を有するラジアル方向並進変位指令制御系と、
上記低域通過フィルタの出力に基づいて、該低域通過フィルタの出力の偏角回転角速度を出力する回転角速度変換器と、
該回転角速度変換器の出力に対して所定の重み付けゲインで積分した信号を、上記固定座標変換器に対して上記所定の進相量として出力する重み付き積分器と、
を有する最適進相量推定器と、
を備える。
アキシャル方向擾乱力が生じている位置におけるZ軸方向擾乱力を計測するアキシャル方向擾乱力計測器と、
該アキシャル方向擾乱力計測器の出力をX軸方向成分、零値をY軸方向成分として、固定座標系をZ軸回りに所定の回転速度で回転させた回転座標系表現に変換する回転座標変換器と、
該回転座標変換器の出力から低周波成分を抽出する低域通過フィルタと、
該低域通過フィルタの出力を符号反転させた後に積分した信号を、アキシャル方向並進変位指令の回転座標系表現として出力する積分器と、
該積分器の出力を、所定の進相量を重畳したうえで固定座標系表現に変換した信号のX軸方向成分を、上記軸受制御系に対するアキシャル方向並進変位指令として出力する固定座標変換器と、
を備えたアキシャル方向並進変位指令制御系と、
上記低域通過フィルタの出力に基づいて、該低域通過フィルタの出力の偏角回転角速度を出力する回転角速度変換器と、
該回転角速度変換器の出力に対して所定の重み付けゲインで積分した信号を、上記固定座標変換器に対して上記所定の進相量として出力する重み付き積分器と、
を有する最適進相量推定器と、
を備える。
ラジアル方向擾乱モーメントが生じている位置におけるX軸方向及びY軸方向擾乱モーメントを計測するラジアル方向擾乱モーメント計測器と、
該ラジアル方向擾乱モーメント計測器の出力を、固定座標系をZ軸回りに所定の回転速度で回転させた回転座標系表現に変換する回転座標変換器と、
該回転座標変換器の出力から低周波成分を抽出する低域通過フィルタと、
該低域通過フィルタの出力を、上記ロータのラジアル方向慣性モーメントがアキシャル方向慣性モーメントに比して大きい場合には符号反転させた後に積分し、上記ロータのアキシャル方向慣性モーメントがラジアル方向慣性モーメントに比して大きい場合には符号反転させずに積分した信号を、ラジアル方向回転変位指令の回転座標系表現として出力する積分器と、
該積分器の出力を、所定の進相量を重畳したうえで固定座標系表現に変換した信号を、上記軸受制御系に対するラジアル方向回転変位指令として出力する固定座標変換器と、
を有するラジアル方向回転変位指令制御系と、
上記低域通過フィルタの出力に基づいて、該低域通過フィルタの出力の偏角回転角速度を出力する回転角速度変換器と、
該回転角速度変換器の出力に対して所定の重み付けゲインで積分した信号を、上記固定座標変換器に対して上記所定の進相量として出力する重み付き積分器と、
を有する最適進相量推定器と、
を備える。
Fdyr=-Fdx・sin(ωd・t)+Fdy・cos(ωd・t) (1-2)
Yc=Xcr・sin(ωd・t+α)+Ycr・cos(ωd・t+α) (2-2)
・進相量α<最適値 → リサージュ波形は回転座標系上を回転座標系と同一方向に回転
・進相量α=最適値 → リサージュ波形は回転座標系上を回転せずに零値に収束
・進相量α>最適値 → リサージュ波形は回転座標系上を回転座標系と反対方向に回転となることが知られており、上記進相量αの最適調整においては、任意の擾乱周波数ωdにおいて、低域通過フィルタ出力Flpfx、Flpfyが回転座標系上で描くリサージュ波形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、サーボ共振周波数を含めた全周波数域におけるラジアル方向擾乱力Fdx、Fdyの低減が可能となる。
Fdzyr=-Fdz・sin(ωd・t)+0・cos(ωd・t) (5-2)
Zyc=Zxcr・sin(ωd・t+β)+Zycr・cos(ωd・t+β) (6-2)
Ndyr=-Ndx・sin(ωd・t)+Ndy・cos(ωd・t) (9-2)
θyc=θxcr・sin(ωd・t+γ)+θycr・cos(ωd・t+γ) (10-2)
10 軸受制御系、11 磁気軸受手段、12 ロータ変位演算器、
13 制御指令演算器、14 ギャップ長演算器、15 電流指令演算器、
20 ラジアル方向並進変位指令制御系、21 ラジアル方向擾乱力計測器、
22 回転座標変換器、23 低域通過フィルタ、24 積分器、
25 固定座標変換器、
30 アキシャル方向並進変位指令制御系、31 アキシャル方向擾乱力計測器、
32 回転座標変換器、33 低域通過フィルタ、34 積分器、
35 固定座標変換器、
40 ラジアル方向回転変位指令制御系、41 ラジアル方向擾乱モーメント計測器、
42 回転座標変換器、43 低域通過フィルタ、44 積分器、
45 固定座標変換器、
50 最適進相量推定器、51 回転角速度変換器、52 重み付き積分器、
53 振幅制限器、
60 設置筐体、61 設置機器
Claims (7)
- 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、ロータ回転軸をZ軸とする固定座標系において、上記ロータの幾何中心位置がX軸方向及びY軸方向に並進運動するラジアル方向並進変位、並びに上記ロータの幾何中心位置がZ軸方向に並進運動するアキシャル方向並進変位の3自由度並進変位と、上記ロータの幾何中心軸がX軸回り及びY軸回りで回動するラジアル方向回転変位の2自由度回転変位からなる5自由度ロータ変位に関する情報を検出する変位検出手段と、
該変位検出手段の出力を5自由度ロータ変位に変換するロータ変位演算器と、
該ロータ変位演算器の出力に基づいて、上記ロータの3自由度並進変位を所定値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、並びに上記ロータの2自由度回転変位を上記磁気軸受の所定値に制御するための軸受モーメント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演算器と、
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、
上記制御指令演算器の出力及び上記ギャップ長演算器の出力に基づいて、上記電磁石各々に供給するべき電流指令を出力する電流指令演算器と、
を有する軸受制御系と、
ラジアル方向擾乱力が生じている、上記磁気軸受の外部の位置におけるX軸方向及びY軸方向擾乱力を計測するラジアル方向擾乱力計測器と、
該ラジアル方向擾乱力計測器の出力を、固定座標系をZ軸回りに、上位制御装置から入力した回転速度又は外部機器が発生する振動が有する所定の周波数に対応する回転速度で回転させた回転座標系表現に変換する回転座標変換器と、
該回転座標変換器の出力から低周波成分を抽出する低域通過フィルタと、
該低域通過フィルタの出力を符号反転させた後に積分した信号を、ラジアル方向並進変位指令の回転座標系表現として出力する積分器と、
該積分器の出力に対して所定の進相量を重畳したうえで固定座標系表現に変換した信号を、上記軸受制御系に対するラジアル方向並進変位指令として出力する固定座標変換器と、
を有するラジアル方向並進変位指令制御系と、
上記低域通過フィルタの出力に基づいて、該低域通過フィルタの出力の偏角回転角速度を出力する回転角速度変換器と、
該回転角速度変換器の出力に対して所定の重み付けゲインで積分した信号を、上記固定座標変換器に対して上記所定の進相量として出力する重み付き積分器と、
を有する最適進相量推定器と、
を備える磁気軸受制御装置。 - 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、ロータ回転軸をZ軸とする固定座標系において、上記ロータの幾何中心位置がX軸方向及びY軸方向に並進運動するラジアル方向並進変位、並びに上記ロータの幾何中心位置がZ軸方向に並進運動するアキシャル方向並進変位の3自由度並進変位と、上記ロータの幾何中心軸がX軸回り及びY軸回りで回動するラジアル方向回転変位の2自由度回転変位からなる5自由度ロータ変位に関する情報を検出する変位検出手段と、
該変位検出手段の出力を5自由度ロータ変位に変換するロータ変位演算器と、
該ロータ変位演算器の出力に基づいて、上記ロータの3自由度並進変位を所定値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、並びに上記ロータの2自由度回転変位を上記磁気軸受の所定値に制御するための軸受モーメント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演算器と、
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、
上記制御指令演算器の出力及び上記ギャップ長演算器の出力に基づいて、上記電磁石各々に供給するべき電流指令を出力する電流指令演算器と、
を有する軸受制御系と、
ラジアル方向擾乱モーメントが生じている、上記磁気軸受の外部の位置におけるX軸方向及びY軸方向擾乱モーメントを計測するラジアル方向擾乱モーメント計測器と、
該ラジアル方向擾乱モーメント計測器の出力を、固定座標系をZ軸回りに、上位制御装置から入力した回転速度又は外部機器が発生する振動が有する所定の周波数に対応する回転速度で回転させた回転座標系表現に変換する回転座標変換器と、
該回転座標変換器の出力から低周波成分を抽出する低域通過フィルタと、
該低域通過フィルタの出力を、上記ロータのラジアル方向慣性モーメントがアキシャル方向慣性モーメントに比して大きい場合には符号反転させた後に積分し、上記ロータのアキシャル方向慣性モーメントがラジアル方向慣性モーメントに比して大きい場合には符号反転せずに積分した信号を、ラジアル方向回転変位指令の回転座標系表現として出力する積分器と、
該積分器の出力を、所定の進相量を重畳したうえで固定座標系表現に変換した信号を、上記軸受制御系に対するラジアル方向回転変位指令として出力する固定座標変換器と、
を有するラジアル方向回転変位指令制御系と、
上記低域通過フィルタの出力に基づいて、該低域通過フィルタの出力の偏角回転角速度を出力する回転角速度変換器と、
該回転角速度変換器の出力に対して所定の重み付けゲインで積分した信号を、上記固定座標変換器に対して上記所定の進相量として出力する重み付き積分器と、
を有する最適進相量推定器と、
を備えることを特徴とする磁気軸受制御装置。 - 上記最適進相量推定器の上記重み付き積分器において、
上記所定の重み付けゲインを、上記低域通過フィルタの出力の絶対値の2乗としたことを特徴とする請求項1又は2に記載の磁気軸受制御装置。 - 上記最適進相量推定器は、
上記低域通過フィルタの出力に基づいて、低域通過フィルタの出力の偏角回転角速度を出力する上記回転角速度変換器と、
上記回転角速度変換器の出力に対して所定値のリミッタ処理をおこなう振幅制限器と、
該振幅制限器の出力に対して所定の重み付けゲインで積分した信号を、上記固定座標変換器に対して上記所定の進相量として出力する上記重み付き積分器とを有することを特徴とする請求項1から請求項3の何れか一項に記載の磁気軸受制御装置。 - 上記最適進相量推定器の上記重み付き積分器において、
該重み付き積分器が出力する上記所定の進相量に対して、上記回転座標変換器における回転座標系の回転速度に応じて所定の初期値を与えたことを特徴とする請求項1から請求項4の何れか一項に記載の磁気軸受制御装置。 - 上記ラジアル方向擾乱力計測器は、
上記磁気軸受又は振動を発生する上記外部機器の近傍に配置されたことを特徴とする請求項1に記載の磁気軸受制御装置。 - 上記ラジアル方向擾乱モーメント計測器は、
上記磁気軸受又は振動を発生する上記外部機器の近傍に配置されたことを特徴とする請求項2に記載の磁気軸受制御装置。
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