JPH04203525A - Control for electromagnetic bearing type rotor - Google Patents
Control for electromagnetic bearing type rotorInfo
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Abstract
Description
【発明の詳細な説明】
〔産業上の利用分野〕
本発明は電磁軸受で支承されたロータの曲げ振動の発振
を行く性する電磁軸受形ロータリ制御方式に関する。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Field of Industrial Application] The present invention relates to an electromagnetic bearing type rotary control system that controls the oscillation of bending vibration of a rotor supported by an electromagnetic bearing.
電磁軸受で支承されたロータ1の例を第2図に示す。左
の軸受2は玉軸受で、右側の軸受3は電磁力によって制
御される電磁軸受である。このような電磁軸受形ロータ
の制御系を第3図により説明する。電磁軸受はX方向お
よびX方向に磁極で構成され、ロータ1の平衡位置から
の偏差を変位センサ4で検知し、その変位信号をPID
などの制御回路5で演算して、パワーアンプ6により電
磁石3に制御電流を流し、その電磁力でロータ1を軸受
中心に保持するものである、
電磁軸受を制御するコントローラの伝達関数は、一般に
、第4図に示すように、中間の周波数ではゲインが上が
り、さらに周波数が高くなるとゲインが下がり、かつ、
位相が遅九る。このため、静止の浮上状態で固有振動数
Ω、が不安定になり、電磁軸受で支えたときのロータシ
ャフト1−の曲げモードの発振現象となって現れる場合
がある。これが第4図に示すゲイン及び位相が小の場合
であり、固有振動数Ω、の周波数ではゲインが高いのに
位相が遅れているので発振する。ゲイン及び位相が中の
状態では、固有振動数Ω、では位相が進んでいるので発
振は起こらない、しかし、固有振動数Ω。では位相が遅
れてしまうので発振が起きる。さらに、ゲイン及び位相
が大の状態では固有振動数Ω4で位相進みになり発振し
ないが、その上の固有振動数Ω、では位相遅れ状態であ
るので発振することになる。An example of a rotor 1 supported by electromagnetic bearings is shown in FIG. The left bearing 2 is a ball bearing, and the right bearing 3 is an electromagnetic bearing controlled by electromagnetic force. The control system of such an electromagnetic bearing type rotor will be explained with reference to FIG. The electromagnetic bearing is composed of magnetic poles in the X direction and in the
The transfer function of a controller that controls an electromagnetic bearing is calculated by a control circuit 5 such as the following, a control current is sent to the electromagnet 3 by a power amplifier 6, and the electromagnetic force is used to hold the rotor 1 at the center of the bearing. , as shown in Figure 4, the gain increases at intermediate frequencies, and as the frequency increases, the gain decreases, and
The phase is delayed. For this reason, the natural frequency Ω becomes unstable in a stationary floating state, which may result in an oscillation phenomenon in the bending mode of the rotor shaft 1- when supported by an electromagnetic bearing. This is the case shown in FIG. 4 where the gain and phase are small, and at the frequency of the natural frequency Ω, the gain is high but the phase is delayed, so oscillation occurs. When the gain and phase are medium, oscillation does not occur because the phase is leading at the natural frequency Ω, but the natural frequency Ω. In this case, the phase is delayed and oscillation occurs. Further, when the gain and phase are large, the phase leads at the natural frequency Ω4 and there is no oscillation, but at the natural frequency Ω4 above that, the phase lags and oscillates.
前述のように、一般に、ロータの回転範囲の固有振動数
Ω1.Ω2については、コントローラで安定に制御され
るが、定格回転数より高い周波数の曲げモートの固有振
動数Ω、が発振してしまい、安定な浮上ができなかった
り、このモードの発振により、固有振動数Ω0.Ω2で
の減衰比を高く設定できなくなり、チューニングが困難
になる。As mentioned above, in general, the natural frequency Ω1 of the rotation range of the rotor. Regarding Ω2, although it is stably controlled by the controller, the natural frequency Ω of the bending motor with a frequency higher than the rated rotation speed oscillates, making stable levitation impossible, and due to the oscillation of this mode, the natural frequency Several Ω0. The damping ratio at Ω2 cannot be set high, making tuning difficult.
この曲げモードの発振を抑制するため、文献Matsu
shita、0..et all”Rotor Vib
ration Simulation Method
forActive Magnetic Bearin
g Control、”2nd Internatio
nal Symposium on Magnetic
Bearing July 12−14.1990.
Tokyo。In order to suppress the oscillation of this bending mode, the literature Matsu
Shita, 0. .. et all"Rotor Vib
rationSimulation Method
forActive Magnetic Bearin
g Control, “2nd International
nal Symposium on Magnetic
Bearing July 12-14.1990.
Tokyo.
Japan。Japan.
では固有振動数Ω3に周波数を一致させたノツチフィル
タを設けている。In this case, a notch filter whose frequency is matched to the natural frequency Ω3 is provided.
しかし、従来技術は、ロータの振動特性の考慮が不足し
ている。即ち、ロータの固有振動数はロータの回転効果
(ジャイロ効果)のために回転とともに変化するので、
ロータの停止時の固有振動数に周波数が一致したノツチ
フィルタを設けても、回転時には周波数がずれてしまい
、その固有振動数が発振してしまい効果が期待できない
。、fた。However, the conventional technology lacks consideration of the vibration characteristics of the rotor. In other words, the natural frequency of the rotor changes as it rotates due to the rotor's rotation effect (gyro effect).
Even if a notch filter is provided whose frequency matches the natural frequency of the rotor when it is stopped, the frequency will deviate when the rotor is rotating, and the natural frequency will oscillate, so that no effect can be expected. , f.
減衰効果の高いノツチフィルタを実現するためには、回
路素子の微調整が不可欠となり、コントローラのチュー
ニングが多大な労力が必要となる。In order to realize a notch filter with high damping effect, fine adjustment of circuit elements is essential, and tuning of the controller requires a great deal of effort.
軸系のピン支持での固有振動数付近に位相反転領域を設
けて、高次モードの発振を防止する方法は軸系の固有振
動が十分離れている場合には実現可能だが、軸の曲げモ
ードの固有振動数が接近しているときには、実現困難な
場合もある。Preventing higher-order mode oscillation by creating a phase inversion region near the natural frequency of the pin support of the shaft system is possible if the natural vibrations of the shaft system are sufficiently far apart, but the bending mode of the shaft This may be difficult to achieve when the natural frequencies of are close to each other.
本発明の目的は、ロータの高次曲げモードの発振を抑制
し、制御系のフィードバックゲインを高めることにより
、電磁軸受のばね剛性と減衰特性を効果的にだかめて、
低振動で安定した高速回転を得ることができる電磁軸受
制御方式を提供することにある。The purpose of the present invention is to effectively enhance the spring stiffness and damping characteristics of an electromagnetic bearing by suppressing the oscillation of higher-order bending modes of the rotor and increasing the feedback gain of the control system.
An object of the present invention is to provide an electromagnetic bearing control method that can obtain stable high-speed rotation with low vibration.
上記目的を達成するために、本発明は、ロータの不可観
測モードの固有振動数付近に電磁軸受制御回路の位相遅
れ領域を設定したものである。また、不可観測モードの
固有振動数より低い固有振動モードを数値モデルとして
オブザーバに組み入れてコントローラを構成したもので
ある。In order to achieve the above object, the present invention sets a phase delay region of the electromagnetic bearing control circuit near the natural frequency of the unobservable mode of the rotor. In addition, the controller is constructed by incorporating a natural vibration mode lower than the natural frequency of the unobservable mode into the observer as a numerical model.
上記の構成によると、ロータの定格回転数以上の高次モ
ードの曲げ振動の発振が防止できることにより、制御回
路のゲインを高く設定でき、安定した高速回転が実現で
きるとともに、制御系のチューニングも簡素化できる。According to the above configuration, it is possible to prevent the oscillation of higher-order mode bending vibration that exceeds the rotor's rated rotation speed, which allows the gain of the control circuit to be set high, achieving stable high-speed rotation, and simplifying the tuning of the control system. can be converted into
以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。第5
図はロータ軸系の固有振動モードを示したものである。Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. Fifth
The figure shows the natural vibration mode of the rotor shaft system.
Ω1は軸が曲げ変形しないで直線的に振動する剛体モー
ドであり、Ω2〜Ω、は軸の曲げモードを示している。Ω1 is a rigid body mode in which the shaft vibrates linearly without bending deformation, and Ω2 to Ω indicate bending modes of the shaft.
各モードにおける電磁軸受3の位置での変位を比較する
と、Ω、モードの変位がほぼ零となっている。電磁軸受
の場合、変位センサは軸受の近傍に設けるので、ロータ
が振動したときΩ、〜Ω、およびΩ6のモードは検知で
きるが、Ω、のモードは検知できたとしてもその値は極
めて小さなものとなる。従って、観測が難しいモードと
いえる。いいかえれば、軸系にこのモードの振動が発生
しても変位センサの出力が小さくなるので、電磁石から
発生する力も小さいことになり、たとえ、制御回路の伝
達関数の位相がこのモードの周波数領域で位相遅れにな
っていてもΩ、モードを励起することはない。Comparing the displacement at the position of the electromagnetic bearing 3 in each mode, the displacement in the Ω mode is almost zero. In the case of electromagnetic bearings, the displacement sensor is installed near the bearing, so when the rotor vibrates, the Ω, ~Ω, and Ω6 modes can be detected, but even if the Ω mode can be detected, its value is extremely small. becomes. Therefore, it can be said that it is a difficult mode to observe. In other words, even if this mode of vibration occurs in the shaft system, the output of the displacement sensor will be small, so the force generated from the electromagnet will also be small, and even if the phase of the control circuit's transfer function is in the frequency domain of this mode. Even if the phase is delayed, the Ω mode will not be excited.
このように、固有振動モードには発振し易いモードと発
振しにくいモードがあることを示している。In this way, it is shown that the natural vibration mode includes a mode in which oscillation is easy and a mode in which oscillation is difficult.
第6図はオブザーバを用いた状態フィードバック形の制
御ループを示したものである。制御対象7は変位信号y
および制御力Uをオブザーバ8に入力し、オブザーバ8
では状態フィードバックに必要で観察することのできな
い速度信号をオブザーバ8に組み入れた数字モデルで算
出する。そのような状態量にフィー1ヘパツクゲイン演
算器9で演算して、制御力Uをロータに作用させ、ロー
タを中立位置に保持する。FIG. 6 shows a state feedback type control loop using an observer. Controlled object 7 is displacement signal y
and the control force U are input to the observer 8, and the observer 8
Now, a speed signal that is necessary for state feedback and cannot be observed is calculated using a numerical model that is incorporated into the observer 8. The fee 1 is calculated by the pack gain calculator 9 on such state quantity, and the control force U is applied to the rotor to maintain the rotor at the neutral position.
第7図はオブザーバ8の数学モデルと(2て第5図のΩ
□とΩ2を考慮したときのコントローラのボード線図で
ある。ゲイン特性は一度高くなり、高周波数になると、
ゲインが減少している7位相特性は100 Hz近傍ま
で位相進みであるが、高周波数域では位相遅れとなって
いる。Figure 7 shows the mathematical model of observer 8 and (2) the Ω of Figure 5.
It is a Bode diagram of the controller when □ and Ω2 are considered. Once the gain characteristics become high and the frequency becomes high,
The seven-phase characteristic with decreasing gain has a phase lead up to around 100 Hz, but a phase lag in the high frequency range.
第8図は第7図のコントローラのボード線図を適用した
ときの制御系の一巡伝達関数のゲイン特性である。Ω、
とΩ2の固有振動数では位相進みとなっているが、Ω、
の固有振動数では位相遅jxで、かつ、ゲインがOdB
以上であるから発振することを示している。また、Ω。FIG. 8 shows the gain characteristics of the open loop transfer function of the control system when the Bode diagram of the controller shown in FIG. 7 is applied. Ω,
There is a phase lead at the natural frequency of Ω2, but Ω,
At the natural frequency of , the phase delay is jx and the gain is OdB.
This shows that oscillation occurs. Also, Ω.
もΩ、とおなしように発振することを示している。It is shown that oscillation occurs as if Ω.
第9図はオブザーバに組み込む数学モデルどしてΩ1〜
Ω、の三個を考慮したものである。この条件ではΩ1〜
Ω1は安定となるがΩ、が不安定になることがわかる。Figure 9 shows the mathematical model to be incorporated into the observer.Ω1~
Ω, are taken into consideration. Under this condition, Ω1~
It can be seen that Ω1 becomes stable, but Ω becomes unstable.
このようにオブザーバで考慮しなかった固有振動モート
が不安定になることを示している。This shows that the natural vibration mote, which was not taken into account by the observer, becomes unstable.
第1図は第5図に示した不i′i′T観測モー1−Ω、
の手前のΩ1〜Ω。のモードの数学モデルを考慮した場
合である。Ω、〜Ω、のモー1−は当然1位相進みにな
っていて安定であり、かつ、位相遅れとなるΩ、のモー
ドはゲインが十分低くなっている発振しないことを示し
ている。Figure 1 shows the i'i'T observation mode 1-Ω shown in Figure 5.
Ω1 to Ω in front of. This is the case when considering the mathematical model of the mode. The mode 1- of Ω, ~Ω, is naturally one phase advanced and stable, and the mode Ω, which is phase delayed, has a sufficiently low gain and does not oscillate.
本発明ににれば、高次曲げ固有振動モードが発振しない
ので、制御系のフィードバックゲ、インタ高くすること
ができ、高剛性で高減衰な電磁軸受を提供することがで
きる。さらに、オブザーバに組み入れる固有振動モード
の数が決定されていて。According to the present invention, since the higher-order bending natural vibration mode does not oscillate, it is possible to increase the feedback gain of the control system, and it is possible to provide an electromagnetic bearing with high rigidity and high damping. Furthermore, the number of natural vibration modes to be incorporated into the observer has been determined.
かつ、高次モードの安定性が確保されているので、制御
系のチューニングが簡素化され、使い勝手のよい電磁軸
受用コントローラとなる。In addition, since the stability of higher-order modes is ensured, tuning of the control system is simplified, resulting in an easy-to-use electromagnetic bearing controller.
第1図は本発明の一実施例を示す一巡伝達関数の説明図
、第2図は電磁軸受形ロータの説明図、第3図は電磁軸
受制御ループの系統図、第4図はロータの振動特性とコ
ン1−ローラの特性図、第5図はロータ軸の振動モード
の説明図、第6図はオブザーバ形フィードバック制御ル
ープのブロック図、第7図は二つの振動モードを考慮し
たときのコントローラのボード線図、第8図は第7図の
一巡伝達関数の説明図、第9図は三つの振動モードを考
慮したときの一巡伝達関数の説明図を示す。
トロー夕、2・・・玉軸受、3・・電磁軸受、4・・・
本位センサ、5・・・コントローラ、6・・・パワーア
ンプ、7・・制御対象、8・・・オブザーバ、9・・・
フィードパ第1の
秦 2 の
’l−3口
第 仔 の
茅 5 口
第6 巳
寮7 のFig. 1 is an explanatory diagram of a one-loop transfer function showing an embodiment of the present invention, Fig. 2 is an explanatory diagram of an electromagnetic bearing rotor, Fig. 3 is a system diagram of an electromagnetic bearing control loop, and Fig. 4 is a diagram of rotor vibration. Characteristics and Controller 1 - Characteristic diagram of the roller. Figure 5 is an explanatory diagram of the vibration mode of the rotor shaft. Figure 6 is a block diagram of the observer type feedback control loop. Figure 7 is the controller when considering two vibration modes. 8 is an explanatory diagram of the open-loop transfer function in FIG. 7, and FIG. 9 is an explanatory diagram of the open-loop transfer function when three vibration modes are considered. 2... ball bearing, 3... electromagnetic bearing, 4...
Basic sensor, 5... Controller, 6... Power amplifier, 7... Controlled object, 8... Observer, 9...
Feedpa 1st Qin 2'l-3rd mouth 5th mouth 6th Miryo 7's
Claims (1)
おいて、ロータ軸系の不可観測モードの固有振動付近に
、制御回路の位相反転領域を一致させたことを特徴とす
る電磁軸受形ロータの制御方式。1. In an electromagnetic bearing control system for a rotor supported by an electromagnetic bearing, control of an electromagnetic bearing type rotor is characterized in that the phase inversion region of the control circuit is made to coincide with the vicinity of the natural vibration of an unobservable mode of the rotor shaft system. method.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP32930890A JPH04203525A (en) | 1990-11-30 | 1990-11-30 | Control for electromagnetic bearing type rotor |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP32930890A JPH04203525A (en) | 1990-11-30 | 1990-11-30 | Control for electromagnetic bearing type rotor |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH04203525A true JPH04203525A (en) | 1992-07-24 |
Family
ID=18220010
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP32930890A Pending JPH04203525A (en) | 1990-11-30 | 1990-11-30 | Control for electromagnetic bearing type rotor |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH04203525A (en) |
-
1990
- 1990-11-30 JP JP32930890A patent/JPH04203525A/en active Pending
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