JPH03255240A - 能動軸受のロータ支持制御装置 - Google Patents

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】 ［産業上の利用分野］ 本発明は能動軸受によって支持されるロータの振動低減
を図るための能動軸受のロータ支持制御装置に関するも
のである。

［従来の技術］ 各種のターボ機械のように高速回転で使用する機械のロ
ータ等を支持する軸受として、ロータのラジアル荷重を
能動軸受で受けることにより、厳密なバランシングでは
なく、能動制御によって振動を減少させ、これによって
危険速度も安全に通過させることが研究されている。

危険速度を超える回転数で回転を行う弾性ロタは、危険
速度通過時、ロータの回転中心と質量の中心のずれによ
りロータが曲げられて大きな振動エネルギ（不釣り合い
力と言う）を生じる問題がある。

弾性ロータの能動振動制御はアクチュエータの設置方式
から非接触型と接触型の二つに大別できる。前者は磁気
軸受で代表される方式で、後者は軸受ハウジング制御方
式である。これまで弾性ロータの能動振動制御に関して
主としてフィードバック制御の立場から最適レギュレ〜
夕法、準モード制御法、出力フィードパック法、可変速
度フィードバック法等の研究が行われてきた。この結果
、弾性ロータのモデル化が困難な場合には出力フィード
バック法がきわめて有効であることが分った。

第３図は従来−船釣に行われているフィードバック制御
による能動軸受のロータ支持制御装置の一例を示すもの
で、能動軸受１，２によってロータ３が半径方向に支持
され、モータ４によって回転駆動されるようになってい
る。

能動軸受１．２は、電磁石、圧電素子等のアクチュエー
タ５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄによってロータ３を能動制御
可能に支持しており、従って制御信号の入力によってＸ
軸、Ｙ軸方向の力もしくは偏位を自在に制御することが
できるようになっている。

又、能動軸受１．２部には、ロータ３のＸ軸、Ｙ軸方向
の半径方向位置を検出するための位置センサー６ａ、８
ｂ、６ｃ、Ｂｄが設けられ、位置検出信号７ａ、７ｂ、
７ｃ、７ｄが出力されるようになっている。

該各位置センサー６ａ、Ｅｉｂ、Ｂｅ、８ｄからの位置
検出信号７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄを入力して基準位置か
らの偏差を相殺するフィードバック制御信号８ａ、８ｂ
。

８ｃ、８ｄを演算して出力するフィードバック制御回路
９を設け、該フィードバック制御回路９からのフィード
パ・ンク制御信号８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄを増幅器１０
により増幅して前記能動軸受１．２のアクチュエータ５
ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄに入力し、ロータ３のＸ軸、Ｙ軸
方向の位置を制御することにより、ロータ３の振動を低
減するようにしたコントローラ１１を構成している。

［発明が解決しようとする課題］ しかし、上記従来のフィードバック制御によって振動を
低減するようにした方式においては、制御遅れが免れず
、そのためにロータ３の危険速度付近に多少なりとも共
振ピークが残ってしまう問題かあり、またこの振動を小
さくするためには大きなフィードバックゲインが必要と
なるが、フィードバックゲインを大きくすることは自励
振動の要因になる等系の安定性の面から好ましくない。

本発明は上記従来の問題点に着目してなしたもので、能
動軸受により支持されるロータの回転数に同期して生じ
る不釣り合い力を推定し、この不釣り合い力の推定値を
相殺するようなフィードフォワード制御を従来のフィー
ドバック制御に加えて行うことにより、振動の発生を低
減させて安全に危険速度を通過させるようにした能動軸
受のロータ支持制御装置を提供することを目的とする。

［課題を解決するための手段］ 本発明は能動軸受のアクチュエータによって能動制御可
能に支持されるロータの半径方向位置を検出する位置セ
ンサーと、該位置センサーからの位置検出信号を入力し
、位置信号の偏差を相殺するフィードバック制御信号を
演算して出力するフィードバック制御回路と、前記ロー
タの回転数を検出する回転数センサーと、前記位置セン
サーからの位置検出信号及び回転数センサーからの回転
数検出信号を入力し、回転数に同期した外乱から不釣り
合い力を推定すると共に、該不釣り合い力の推定値を相
殺するフィードフォワード制御信号を演算して出力する
不釣り合い力推定制御回路と、前記フィードバック制御
回路のフィードバック制御信号に前記不釣り合い力推定
制御回路のフィードフォワード制御信号を加算して前記
アクチュエータに出力する加算器とを備えたことを特徴
とする能動軸受のロータ支持制御装置にかかるものであ
る。

［作　　　用］ 位置センサーからの位置検出信号に偏差か生じると、フ
ィードバック制御回路は前記偏差を相殺するようなフィ
ードバック制御信号を直ちに演算して出力し、同時に不
釣り合い力推定制御回路は、前記位置検出信号と回転数
センサーからの回転数検出信号により回転数に同期する
外乱から不釣り合い力を推定し、その推定値を相殺する
ようなフィードフォワード制御信号を直ちに演算して出
力し、前記フィードバック制御信号とフィードフォワー
ド制御信号が加算器によって加算されて能動軸受のアク
チュエータに出力されることにより、ロータは偏位がな
くなる方向に位置制御される。

上記したように、フィードバック制御信号に不釣り合い
力に基づいたフィードフォワード制御信号が加えられて
制御されることにより、ロータの振動が著しく低減され
る。

［実　施　例］ 以下、本発明の実施例を図面を参照しつつ説明する。

本発明は、これまでのフィードバック制御に加えて、不
釣り合い力自身を直接相殺するフィードフォワード制御
を弾性ロータの能動軸受の制御に適用したものである。

第１図は本発明の一実施例を示すもので、図中第３図と
同一の符号を付した部分は同一物を表わしている。

第１図に示すように、位置センサー６ａ、８ｂ、６ｃ。

６ｄからの位置検出信号７ａ、　７ｂ、　７ｃ、　７ｄ
をフィードバック制御回路９に導いてフィードバック制
御信号８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄを出力させる一方、前記
位置検出信号７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄを不釣り合い力推
定制御回路１２に入力すると共に、ロータ３の回転数を
検出するよう設けたロータリエンコーダ等の回転数セン
サー１３からの回転数検出信号１４を入力する。

能動軸受１，２では、アクチュエータ５ａ、５ｂ、５ｃ
。

５ｄ、位置センサー８ａ、８ｂ、８ｃ、６ｄは夫々可制
御・可観測な位置に配置されているので、これを利用し
て不釣り合い力も可観測とすることができる。このとき
、回転数同期成分のみに着目して不釣り合い力を推定す
るために、前記回転数検出信号１４を入力するようにし
ている。

不釣り合い力そのものをリアルタイムに求めることは困
難であるため、前記不釣り合い力推定制御回路１２では
、不釣り合い力である回転数に同期した外乱を状態変数
とみなして拡大状態方程式を導き、これによって不釣り
合い力の推定値をリアルタイムに求め、このようにして
求められた不釣り合い力の推定値を相殺するようなフィ
ードフォワード制御信号１５ａ、　１５ｂ、　１５ｃ、
　１５ｄを演算して出力するようにしている。

更に、前記不釣り合い力推定制御回路１２からのフィー
ドフォワード制御信号１５ａ、１５ｂ、Ｉ５ｃ、１５ｄ
と、フィードバック制御回路９からのフィードバック制
御信号８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄとを加算する加算器１６
を設け、該加算器１６にて加算され且つロータ３の偏位
を打ち消す方向に制御するために信号の正負が逆転され
た制御信号１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、１７ｄを、増幅器
ｌＯを介してアクチュエータ５ａ、５ｂ、５ｃ５ｄに導
き、ロータ３の支持を制御するようにしている。

上記したように、フィードバック制御回路９によるフィ
ードバック制御に、不釣り合い力推定制御回路１２によ
る不釣り合い力相殺のフィードフォワード制御を付加し
ているので、フィトバック制御のみによる従来の能動軸
受に比べ、危険速度通過時の不釣り合い力による振動の
低減効果を著しく向上させることができる。これにより
、危険速度を安全に通過させてロータ３を回転すること
かできる。

前記フィードバック制御は伝達関数の分母の極を希望の
位置に設計する方法であるのに対して、フィードフォワ
ード制御は分子の零点を希望の位置で生じさせることに
なる。すなわち、分母の危険速度を分子の零点によって
相殺すれば危険速度直下でも振幅は零となる。具体的に
は、不釣り合いである外乱自身を状態変数と見なして拡
大状態方程式を導き、不釣り合い力に基づく回転数に同
期した外乱を不釣り合い力推定制御回路１２によって推
定した後、これを消去する制御力をフィードフォワード
によって与えるというものである。

本発明の効果を確認するため、定常不釣り合い応答のン
ミュレーションを行なった結果を第２図に示す。不釣り
合い力推定制御回路１２により極をＡｌ、Ａ２．Ａ３．
Ａ４のように変化させ（ゲインを調整して）、それに伴
う制御効果の変化を、非制御の場合Ｂ及びフィードバッ
ク制御の場合Ｃと比較して示している。第２図によれば
、設定した周波数ではその振幅が零になり、その近傍で
はノツチフィルタのノツチのような応答になっているこ
とが確認される。また、不釣り合い力推定制御回路１２
によって与えた極の虚部に相当する周波数の所にピーク
が現れ、そのピークの大きさは不釣り合い力推定制御回
路１２によって与えた極の実部を虚軸から負の方向に離
していくと小さくなることが確認された。このように、
不釣り合い力推定制御回路１２によって与える極の位置
により指定した回転数の近傍で振幅がかなり低減される
ことがわかる。

通常行われているように、フィードバック制御のみで振
幅（振動）を低減させるためには、フィードバックゲイ
ンを大きくしなければならない。しかし実際にはコント
ローラの性能による制限、発振などの問題が生じるため
フィードバックゲインの大きさには限度がある。本発明
によればこのような問題を生じることなく常に安定した
ゲインで制御することができる。

又、図示したように危険速度通過時の回転数を固定して
制御する以外に、フィードフォワード制御信号１５ａ、
　１５ｂ、　Ｌ５ｃ、　１５ｄのゲインを回転数と同期
させて変化させる可変ゲイン法を用いることにより、所
要の回転数まで振幅（振動）を零に押えたまま増速させ
ることが可能となる。

尚、本発明の能動軸受のロータ支持制御装置は、上述の
実施例にのみ限定されるものではなく、図示の場合ロー
タの両端が能動軸受で支持された場合について例示した
が、ロータの一端か能動軸受で支持されている場合にも
適用できること、その池水発明の要旨を逸脱しない範囲
内において種々変更を加え得ることは勿論である。

［発明の効果コ 以上説明したように、本発明の能動軸受のロータ支持制
御装置によれば、能動軸受のロータの支持制御を、フィ
ードバック制御回路を備えてフィードバック制御するこ
とに加えて、回転数と同期した外乱から不釣り合い力を
推定し、この不釣り合い力の推定値を相殺するフィード
フォワード制御信号を出力する不釣り合い力推定制御回
路を備えてフィードフォワード制御するようにしたので
、従来のフィードバック制御のみの場合に比較して危険
速度通過時の不釣り合い力による振動の低減効果が大き
く期待でき、よって危険速度を安全に通過することがで
きる優れた効果を奏し得る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例のブロック図、第２図は本発
明による振動の低減効果を確認した線図、第３図は従来
の能動軸受のロータ支持制御装置のブロック図である。 １．２は能動軸受、３はロータ、５ａ、５ｂ、５ｃ、５
ｄはアクチュエータ、６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄは位置セ
ンサ、７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄは位置検出信号、８ｇ、
８ｂ、８ｃ。 ８ｄはフィードバック制御信号、９はフィードバック制
御回路、１２は不釣り合い力推定制御回路、１３は回転
数センサー、１４は回転数検出信号、１５ａ、　１５ｂ
、　１５ｃ、　１５ｄはフィードフォワード制御信号、
１６は加算器を示す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １）能動軸受のアクチュエータによって能動制御可能に
   支持されるロータの半径方向位置を検出する位置センサ
   ーと、該位置センサーからの位置検出信号を入力し、位
   置信号の偏差を相殺するフィードバック制御信号を演算
   して出力するフィードバック制御回路と、前記ロータの
   回転数を検出する回転数センサーと、前記位置センサー
   からの位置検出信号及び回転数センサーからの回転数検
   出信号を入力し、回転数に同期した外乱から不釣り合い
   力を推定すると共に、該不釣り合い力の推定値を相殺す
   るフィードフォワード制御信号を演算して出力する不釣
   り合い力推定制御回路と、前記フィードバック制御回路
   のフィードバック制御信号に前記不釣り合い力推定制御
   回路のフィードフォワード制御信号を加算して前記アク
   チュエータに出力する加算器とを備えたことを特徴とす
   る能動軸受のロータ支持制御装置。