JPH02213907A - 磁気軸受を自動平衡させるためのサーボ制御ループ装置 - Google Patents

磁気軸受を自動平衡させるためのサーボ制御ループ装置

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JPH02213907A
JPH02213907A JP1336205A JP33620589A JPH02213907A JP H02213907 A JPH02213907 A JP H02213907A JP 1336205 A JP1336205 A JP 1336205A JP 33620589 A JP33620589 A JP 33620589A JP H02213907 A JPH02213907 A JP H02213907A
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JP
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signal
output
rotor
control loop
adaptive filter
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JP1336205A
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Iii Clinton W Moulds
クリントン・ウエブスター・モールズ・サード
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CBS Corp
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Westinghouse Electric Corp
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Publication date
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    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C32/00—Bearings not otherwise provided for
    • F16C32/04—Bearings not otherwise provided for using magnetic or electric supporting means
    • F16C32/0406—Magnetic bearings
    • F16C32/044—Active magnetic bearings
    • F16C32/0444—Details of devices to control the actuation of the electromagnets

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  • Mechanical Engineering (AREA)
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は磁気軸受を含む磁気サスペンションシステムで
支持されたローターを平衡させるための装置、特に、幾
何軸ではなく慣性軸を中心に回転するようにローターを
自動平衡させる装置に係わる。
電磁機械のローターのような回転素子のサスペンション
システムでは、ローターの慣性軸が軸受によって画定さ
れる回転軸と正確に一致するようにローターを機械加工
し、軸受に取り付けることは事実上不可能であるから、
ローターの平衡が問題となる０回転軸が慣性軸と一致し
ないと有害な振動及びワット損が生じる。この問題を軽
減するため、正確かつデジケートにローターを機械的に
平衡させる多大の努力が払われているが、エージングま
たは熱変形を補償することはほとんど不可能であり、あ
らゆる運転速度において補償を行なうことは不可能であ
る。
ローターを装架するために磁気軸受が開発されたことで
、ローターが不平衡状態にあるとローターは軸受によっ
て画定される所期の回転軸ではなく慣性軸を中心に回転
しようとする。このような状態は所定の軸位置からずれ
たローターの位置を検知することによって補償される。
づれに応じて作動信号が軸受の巻線に供給され、回転軸
を再び正しい整列位置に戻す。
磁気ラジアル軸受によって支持されたローターの同期的
混乱（ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ　ｄｉｓｔｕｒｂａｎｃ
ｅｓ）を補償する公知技術の１つが１９７８年１０月１
７日付Ｈ１Ｈａｂｅｒｍａｎｎ等の米国特許第４，１２
１，１４３号“ＤｅｖｉｃｅＦｏｒ　　Ｃｏｍｐｅｎｓ
ａｔｉｎｇ　　５ｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ　　Ｄｉｓｔｕ
ｒｂａｎｃｅｓＩｎ　　Ｔｈｅ　　Ｍａｇｎｅｔｉｃ　
　５ｕｓｐｅｎｓｉｏｎ　　Ｏｆ　　Ａ　　Ｒｏｔｏｒ
に開示されている。この特許に開示されているように、
１対のローパス積分器（ｌｏｗｐａｓｓｉｎｔｅｇｒａ
ｔｏｒｓ）と２つのレゾルバ−から成る２軸追跡ノツチ
・フィルターを磁気軸受制御システムのＸ及びＹ軸位置
制御ループに組み込まれた２軸フイードバツク・ループ
に接続する。追跡ノツチ・フィルターはローターの回転
周波数における制御ループ利得を低下させることにより
、幾何軸ではなく慣性軸を中心にローターが回転できる
ようにする。その結果、ステーターに伝達される反動力
及び振動が軽減され、制御システムにおけるワット損も
軽減される。レゾルバ−はその入力に係数ｓｉｎωを及
びＣｏｇωｔを乗算した後フィードバック・ループで用
いる一対の出力信号を発生するから（ただし、ωはロー
ター回転速度に比例する）、ループ利得の軽減は基本回
転周波数ωにおいてのみ起こるという事実により制御シ
ステムには固有の制約がある。従って、回転基本周波数
の高次の調波周波数を発生させる不平衡や非対称は依然
としてステーターに振動力を伝達するから、制御システ
ムはこの振動力に対抗しようとして必然的に電力を浪費
することになる。
本発明の目的は電磁ラジアル軸受で支持されたローター
のための磁気サスペンションシステムの制御を改良する
ことにある。
磁気軸受システムにおけるローター自動平衡の改良を達
成することも本発明の目的である。
ローターが幾何軸ではなく慣性軸を中心に回転できるよ
うに磁気装荷ローターの自動平衡システムを改良するこ
とも本発明の目的である。
外部振動を防止し、電力消費を軽減する自動平衡磁気軸
受システムを改良することも本発明の目的である。
要約すれば、上記目的及びその他の目的はローターの位
置ぎめに利用される磁気軸受のＸ及びＹ軸位置制御ルー
プに適応ノイズ消去手段を組み込むことによって達成さ
れ、適応ノイズ消去手段のそれぞれはローター回転速度
を感知する装置から発生するローター同期パルスを受信
する。回転速度の基本周波数だけでなく、すべての調波
周波数においても制御ループの利得を強制的にゼロとす
るように最小平均二乗アルゴリズムを行なう適応フィル
ターを組み込むことによってノイズ消去手段の出力を自
己調整可能にする。
本発明の構成、長所及び使用態様は添付図面に沿って以
下に述べる好ましい実施態様の詳細な説明から明らかに
なるであろう。
添付図面の第１図にはラジアル磁気軸受によって支持さ
れたローターの磁気サスペンションシステムにおける同
期的混乱の補償に関して上記米国特許第４，１２１，１
４３号に開示されているような回路を示した。
第１図において参照番号１０及び１２は互いに直交する
水平（Ｘ）及び垂直（Ｙ）軸に沿った磁気装架ローター
１３の位置検出器である。検出器１０．１２からのＸ及
びＹ軸位置出力信号が１対の信号加算器１４．１６への
互いに類似した対応の入力に供給されると、前記信号加
算器は１対の互いに類似した信号レゾルバ−Ｒ１、Ｒ２
のうちの第２レゾルパーＲ２のＸｔ及びＹ１出力からの
入力を加算的に受信する。レゾルバ−は回路ベクトル信
号を例えば水平及び垂直成分信号に変換する公知の装置
である。差信号ｘ１及びＹ、から成る加算器１４．１６
の出力は第２レゾルバーＲｔ・の入力に供給されると共
に制御回路１８の入力にも供給される。制御回路はロー
ター１３に吸引力を作用させるＸ及びＹ＠磁気軸受集合
体２０．２２に給電する。
ローター１３は両レゾルバ−Ｒ１、Ｒ７と機械的に連動
して両レゾルバ−を角周波数ωで一体的に回転させる。
ただし、ωＢ２πｆ％ｆ！回転数である。レゾルバ−Ｒ
１からのＸ及びＹ信号出力は１対の低域フィルターにそ
れぞれ供給され、前記フィルターからのＸ′及びＹ°比
出力第２レゾルバ−Ｒ２の２つの入力に供給される。レ
ゾルバ−Ｒ１は下記式に従ってＸ及びＹ出力信号を形成
する： Ｘ＝Ｘ、ｅｏｓ　　ωｔ　　＋Ｙｓ　　ｓｉｎ　　ωｔ
Ｙ　”−Ｘｔ　　ｓｉｎ　　（＋Ｊｔ　　＋　Ｙｍ　　
ＣＯ８ωｊＸ及びＹ軸はローター回転軸と直交関係にあ
るから、アンバランスがあればモーター回転速度に等し
い周波数の漂遊エラー信号が発生する。
レゾルバーＲ，によ）て行なわれる変換はアンバランス
をローターに対して固定する。
次いでレゾルバ−Ｒ１からのフィルターずみＸ′及びＹ
°倍信号第２レゾルパーＲ２に供給されると、第２レゾ
ルバ−Ｒ６はレゾルバ−Ｒ，の変換とは逆の変換を行な
い、下記式に従ってＸＩ及びＹ、の加算器１４．１６に
信号を供給する二ＸＩｍ−Ｘ’　ｃｏｓ　ωｔ　＋Ｙ’
　ｓｉｎ　ａｃｔＹ＋　！−Ｘ’　ｓｉｎ　ωｔ　＋Ｙ
’　ｃｏｓ　ωｔその結果、信号Ｘ及びＹに、実際のア
ンバランスを平衡させる想像上のアンバランスを表わす
補償信号を重ね合わせたかのような効果が得られる。
第１図図示の回路ではレゾルバ−Ｒ１，Ｒ２がローター
１３と機械的に連動して速度ωで駆動されるように実施
されているが、必要ならレゾルバ−を例えばローターの
シャフトと連動する電気的タコメーターから発生する電
気信号ωｔを第３入力として受信する電気的変換回路と
して実施してもよい。このような実施態様は米国特許第
４．１２１．１４３号に開示されている。いずれの場合
にも、２つのレゾルバーＲ１％Ｒ２及び積分フィルター
２６．２８の組み合わせがＸ及びＹ磁気軸受制御ループ
に結合される２軸追跡ノツチ・フィルターを構成し、ロ
ーター２４の回転周波数ωにおける制御ループ利得を軽
減して、ローターがその慣性軸を中心に回転することを
可能にする。
第１図に示したような自動平衡処理の詳細については、
上記米国特許第４，１２１，１４３号を参照されたい。
ここで第２図に示すように、第１図の１対のレゾルバ−
Ｒ８、Ｒ２及び低域フィルター２６．２８の代りに、時
間ドメインまたは周波数ドメイン方式で構成され、その
動作特性を自動調整することにより、入力が許す範囲内
で制御回路１８に供給される信号Ｘ、及びＹｌの振幅を
小さくする１対の適応ノイズ消去回路３０を採用する本
発明の好ましい実施例を考察する。適応ノイズ消去及び
その実施手段は公知であり、例えば、Ｐｒｏｃｅｅｄｌ
ｎｇｓｏｆ　ｔｈｅ　ＩＥＥＥ、　Ｖｏｌ、６３、Ｎｏ
、１２．　Ｄｅｃｅｍｂｅｒ、　１９７５、ｐｐ、１６
９２−１７１６に発表され、その具体的な内容を本願明
細書中に引用しているＢ、　Ｗｌｄｒｏｗ等の論文”＾
ｄａｐｔｆｖａ　Ｎｏ１ｓｅ　Ｃａｎｃａｌｌｌｎｇ　
：　Ｐｒ１ｎｃｉｐｌｅｓ　Ａｎｄ＾ｐｐｌｉｃａｔｉ
ｏｎｓ″に開示されている。
適応フィルターはみずからのパルス応答を自動調節する
という点で固定フィルターと異なる。
この自動調節は特にフィルター自体の出力に応じて変化
するエラー信号に応答するアルゴリズムによって行なわ
れる。アルゴリズムが適正であれば、用途に応じ、フィ
ルターは変化する条件下でも正しく作用し、絶えず自己
調節することによってエラー信号出力を可能な限らい小
さくすることができる。
ノイズ消去システムの目的は、例えば、所与のノイズ基
準入力信号に対して最小二乗値においてすぐれた適合性
を示す出力を有するシステムを構成することにあり、こ
の目的は出力信号をエラー信号として適応フィルターに
フィードバックし、Ｗｉｄｒｏｗ等の論文に開示されて
いるような最小平均二乗（ＬＭＳ）Ｊ応アルゴリズムで
フィルターを調節してシステム総出力を極力小さくする
ことによって達成される。従って、、適応ノイズ消去シ
ステムにおいては、システムの出力が適応プロセスのた
めのエラー信号入力として作用する。
第２図に示す本発明実施例の場、合、適応ノイズ消去回
路３０．３２は１対の適応フィルター３４．３６から成
り、各フィルタ・−は２つの入力、即ち、パルス発生器
３８からのローター同期パルス及び１対の信号加算器４
０．４２からの差信号出力を受信する。加算器４０．４
２への一方の入力はＸ及びＹ軸ローター位置検出器１０
．１２からの一次信号Ｘ及びＹから成り、加算器への第
２または減算入力は適応フィルター３４．３６からの信
号出力Ｘ、及びＹ、から成る。
パルス発生器３８は例えばローター１３のシャフトと連
動する磁気的、光学的または容量性ピックアップを含み
、パルスはローター回転速度の基本周波数及びすべての
調波周波数を含む周波数スペクトルの離散時間パルス列
または連続時間パルス列から成る。
ノイズ消去回路３０，３２の適応フィルター３４．３６
は制御ループ利得をゼロに駆動することにより回転周波
数の基本波及びすべての調波における信号ＸＩまたはＹ
、の振幅を強制的にゼロにするように自己調節する。従
って、撮動及びワット損を軽減する自動平衡効果が上記
公知例に開示されているように基本周波数だけではなく
すべての調波周波数においても達成される。
適応フィルターの１つ、例えば、フィルター３４を第３
図に示した。ただし、適応フィルター３６もフィルター
３４とその構成は全く同じである。図示のように、適応
フィルター３４はｎ個の遅延線部分４４ｓ　、　４４２
　、４４ｓ　、・・・・４４ｎから成る多段遅延線フィ
ルターとして実施されている。第１部分４４１は第２図
に示すローター同期パルス発生器３８から基準信号を受
信する。
各フィルタ一部分４４、・・・・４４ｎの出力は第２図
に示す加算器４０の出力である信号Ｘｌに応答して参照
番号４６＋　、４６ａ　　４８ｓ、・・・・４６゜で示
す可調重み付け係数または乗数によってそれぞれ重み付
けされる。遅延線の重み付けされた出力は信号加算器４
８において合計されて信号Ｘ、となり、信号加算器４０
の減算入力に供給される。重み付け係数Ｗｏ乃至ＷＮは
下記ベクトル差方程式に従って適宜更新される；Ｗ（Ｋ
◆１）−Ｗ（に）十μ・ｘ　、　（Ｋ）・Ｄ　（Ｋ）た
だし、 以上に本発明の好ましいと考えられる実施例を説明した
が、これはあくまでも説明のためのものであって本発明
の範囲がこの実施例に限定されるものではない、従って
、本発明の思想及び範囲を逸脱しない限り、多様の変更
が可能である。
【図面の簡単な説明】
第１図は公知のローター自動平衡回路を示すブロック・
ダイヤグラムである。 第２図は本発明の好ましい実施例を示すブロック・ダイ
ヤグラムである。 第３図は第２図に示した適応フィルタ「のブロック・ダ
イヤグラムである。 であり、Ｘ＋（に）はスカラー適応入力、μはフィルタ
ーの適応速度をＩＩＪ御するスカラー係数である。 第３図の構成はＬＭＳ適応フィルターを実施する手段の
１例であ°るが、別の手段を利用して同じ成果を得るこ
とは当業者にとって容易である。 １０・・・・Ｘ軸ローター位置検知器 １２・・・・Ｙ軸ローター位置検知器 １３・・・・ローター １８・・・・制御回路 ２０・・・・Ｘ＠磁気軸受 ２２・・・・Ｙ軸磁気軸受 ３０．３２・・・・適応ノイズ消去回路３４．３６・・
・・適応フィルタ ３８・・・・ローター同期パルス発生器出願人：　　ウ
エスチングへウス・エレクトリック・コーポレーシ式ン
代　理　人：加藤　紘一部（ほか１名）袷

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. （１）給電されると互いに直交する第１及び第２軸に沿
    ってローターに吸引力を作用させる１対の磁気軸受を含
    む磁気軸受システムによって支持された前記ローターを
    自動平衡させるためのサーボ制御ループであって、 前記第１及び第２軸に沿ってローターがその回転軸から
    半径方向に変位するとこれを検知し、第１及び第２半径
    方向位置エラー信号を出力する第１及び第２手段と； ローター回転速度を表わす信号を発生させる手段と； 第１及び第２出力信号に応答して前記１対の磁気軸受に
    選択的に給電する制御回路と； 前記第１及び第２検知手段と前記制御回路の間に接続さ
    れ、前記第１及び第２半径方向位置エラー信号及び前記
    回転速度信号に応答して前記第１及び第２出力信号を形
    成する第１及び第２適応フィルター手段 から成り、 制御ループ利得が回転速度の基本周波数においてのみで
    なくすべての調波周波数においても強制的にゼロとなり
    、ローターが幾何的軸ではなく慣性軸を中心に回転する ことを特徴とするサーボ制御ループ。
  2. （２）前記第１及び第２適応フィルター手段のそれぞれ
    が１対の入力及び１つの出力を含み、さらに、 第１及び第２入力と１つの出力を有し、前記第１入力が
    前記第１半径方向位置エラー信号を供給され、前記第２
    入力が前記第１適応フィルター手段の出力と接続し、前
    記１つの出力が前記制御回路及び前記第１適応フィルタ
    ー手段の前記１対の入力の一方と接続している第１信号
    加算器と；第１及び第２入力と１つの出力を有し、前記
    第１入力が前記第２半径方向位置エラー信号を供給され
    、前記第２入力が前記第２適応フィルター手段の出力と
    接続し、前記１つの出力が前記制御回路及び前記第２適
    応フィルター手段の前記１対の入力の一方と接続してい
    る第２信号加算器 をも含むことを特徴とする請求項第（１）項に記載のサ
    ーボ制御ループ。
  3. （３）前記第１及び第２適応フィルター手段の前記１対
    の入力の他方がローター回転速度を表わす前記信号と接
    続していることを特徴とする請求項第（２）項に記載の
    サーボ制御ループ。
  4. （４）前記ローター回転速度信号発生手段がパルス発生
    器であり、前記回転速度信号がパルス信号であることを
    特徴とする請求項第（２）項に記載のサーボ制御ループ
    。
  5. （５）前記第１及び第２信号加算器の前記出力が前記第
    １及び第２入力に供給される信号の差信号出力であるこ
    とを特徴とする請求項第（２）項に記載のサーボ制御ル
    ープ。
  6. （６）給電されるとモーター回転軸と直交する第１及び
    第２軸に沿ってローターに吸引力を作用させる１対の磁
    気軸受を含む磁気軸受システムによって支持された前記
    ローターを自動平衡させるための位置サーボ制御ループ
    であって、 ローターが前記第１及び第２軸に沿って前記回転軸から
    半径方向に変位するとこれを検知し、第１及び第２半径
    方向位置エラー信号を出力する第１及び第２位置検知手
    段と； 前記ローターと連動してローター回転速度信号を発生さ
    せる手段と； 第１及び第２出力信号に応答して前記１対の磁気軸受に
    選択的に給電する制御回路と； 前記第１及び第２検知手段と前記制御回路の間に接続さ
    れ、前記第１及び第２半径方向位置エラー信号と前記回
    転速度信号に応答して前記第１及び第２出力信号を出力
    する第１及び第２適応ノイズ消去回路から成り、 ローター回転速度の基本周波数だけでなくすべての調波
    周波数においても制御ループの信号利得を強制的にゼロ
    とすることにより、幾何的軸ではなく慣性軸を中心にロ
    ーターを回転させる ことを特徴とする位置サーボ制御ループ。
  7. （７）各適応ノイズ消去回路が 基準信号入力、フィードバック信号入力及び出力を含む
    適応フィルターと； ２つの入力及び１つの出力を有する信号加算器を含み、 適応フィルターのフィードバックが加算器の出力と接続
    し、適応フィルターの基準信号入力が前記モーター回転
    速度信号を供給され、適応フィルターの出力が前記加算
    器の一方の入力と接続し、前記加算器の他方の入力に前
    記第１及び第２半径方向位置エラー信号の１つを供給さ
    れる ことを特徴とする請求項第（５）項に記載の制御ループ
    。
  8. （８）適応フィルターが最小平均二乗適応 アルゴリズムを行なうことを特徴とする請求項第（７）
    項に記載の制御ループ。
  9. （９）適応フィルターがそのフィードバック入力に供給
    される信号の最小平均二乗に相当する出力信号を形成す
    ることを特徴とする請求項第（７）項に記載の制御ルー
    プ。
  10. （１０）前記適応フィルターが前記基準信号入力と接続
    して複数のタップ出力信号を形成する多段遅延線と、前
    記フィードバック信号入力に供給される差信号出力の１
    つに応答して適応的に前記出力信号を重み付けして複数
    の重み付け出力信号を形成する手段と、前記重み付け出
    力信号を累算して前記フィルター出力と接続する複合出
    力信号を形成する信号加算器から成ることを特徴とする
    請求項第（７）項に記載の制御ループ。
JP1336205A 1988-12-27 1989-12-25 磁気軸受を自動平衡させるためのサーボ制御ループ装置 Pending JPH02213907A (ja)

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US07/290,662 US4912387A (en) 1988-12-27 1988-12-27 Adaptive noise cancelling for magnetic bearing auto-balancing
US290,662 1988-12-27

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JP (1) JPH02213907A (ja)
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