JPH0610485B2 - Magnetic bearing control device - Google Patents

Magnetic bearing control device

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JPH0610485B2
JPH0610485B2 JP62155152A JP15515287A JPH0610485B2 JP H0610485 B2 JPH0610485 B2 JP H0610485B2 JP 62155152 A JP62155152 A JP 62155152A JP 15515287 A JP15515287 A JP 15515287A JP H0610485 B2 JPH0610485 B2 JP H0610485B2
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displacement
gravity
center
rotor
bearing
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裕 栗田
一路 加藤
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Shinko Electric Co Ltd
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Shinko Electric Co Ltd
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  • Magnetic Bearings And Hydrostatic Bearings (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] この発明は、宇宙用機器、高速回転機等に使用して好適
な磁気軸受の制御装置に関する。
TECHNICAL FIELD The present invention relates to a magnetic bearing control device suitable for use in space equipment, high-speed rotating machines, and the like.

[従来の技術] 磁気軸受は、その名の示すとおり、磁気の吸引力や反発
力を利用して、物体を無接触で支持するものであり、低
摩擦、低振動、低騒音等の特徴がある。また、超高速回
転、真空中での回転に使用できるため、人工衛星の姿勢
制御装置や高速回転機等に使用され始めている。
[Prior Art] As its name suggests, a magnetic bearing supports an object in a non-contact manner by utilizing magnetic attraction and repulsion, and has features such as low friction, low vibration, and low noise. is there. Further, since it can be used for ultra-high speed rotation and rotation in vacuum, it has begun to be used in attitude control devices for artificial satellites, high-speed rotating machines, and the like.

磁気軸受は、制御軸数により、一軸制御のものと、多軸
制御のものとに大別される。
The magnetic bearings are broadly classified into one-axis control type and multi-axis control type according to the number of control axes.

一軸制御の磁気軸受は、スラスト軸受などに適用され
る。その制御装置としては、PID(比例・積分・微
分)調節器が使用され、電流マイナーフィードバック補
償と合わせて、不平衡剛性とコイル電流の遅れを補償す
るのが一般的である。ここで、不平衡剛性というのは、
磁気による吸引力の場合、回転軸が平衡状態からずれた
とき、そのずれを助長する方向に働くのであり、磁気吸
引力の不平衡分を変位量で除した値、すなわち、不安定
化力の磁気ばね定数を意味している。なお、これは、後
述する(14)式のδjの係数に相当するものである。
The uniaxial control magnetic bearing is applied to a thrust bearing or the like. As the control device, a PID (proportional / integral / derivative) adjuster is used, and it is common to compensate for unbalanced stiffness and coil current delay together with current minor feedback compensation. Here, the unbalanced stiffness is
In the case of magnetic attraction, when the rotating shaft deviates from the equilibrium state, it acts in a direction that promotes the deviation.Therefore, the value obtained by dividing the unbalanced portion of the magnetic attraction by the amount of displacement, that is, the destabilizing force It means the magnetic spring constant. This corresponds to the coefficient of δj in the equation (14) described later.

一方、多軸制御の磁気軸受には、多入力、多出力の制御
装置が必要であり、次のような制御方式がとられてい
る。
On the other hand, a multi-axis control magnetic bearing requires a multi-input / multi-output control device, and the following control system is adopted.

各軸受を単独にPID制御する方式 これは、上述した一軸制御方式を各軸受にそれぞれ独立
に適用し、各軸受を単独にPID制御するようにしたも
のである。
System in which each bearing is independently controlled by PID This is a system in which the above-described uniaxial control system is independently applied to each bearing, and each bearing is independently controlled by PID.

回転子重心の各軸方向の運動を、それぞれ独立にPI
D制御する方式 これは、回転子の重心に並進3方向、回転2方向の運動
を、それぞれ独立にPID制御するものである。
Motion of each axis of the rotor center of gravity is independently PI
D control method This is a method in which PID control is independently performed on the center of gravity of the rotor for movements in three translation directions and two rotation directions.

第9図は、この種の方式を説明するための図である。制
御対象(磁気軸受)120の回転子の重心は、軸方向、
径方向(2方向)に並進運動を行うとともに、2方向に
回転運動を行う。これらの重心変位は、変位検出器12
1によって検出され、変位推定器122に供給される。
ただし、軸方向の運動は、他の方向の運動とまったく独
立に制御できるので、第9図では省略してある。
FIG. 9 is a diagram for explaining this type of system. The center of gravity of the rotor of the control target (magnetic bearing) 120 is the axial direction,
It performs translational motion in the radial direction (two directions) and rotational motion in two directions. These center-of-gravity displacements are detected by the displacement detector 12
1 and supplied to the displacement estimator 122.
However, since the movement in the axial direction can be controlled completely independently of the movement in the other directions, it is omitted in FIG.

変位推定器122は、上記検出量から回転子の推定重心
変位 を演算し、加算器123にフィードバックする。加算器
123は、重心変位指令値からフィードバック量を減算
し、その偏差をPID制御器124に供給する。PID
制御器124の出力は、重心に作用する力の指令値に関
するものであるが、これが荷重指令変換器125によ
り、軸受部に作用する磁気力の指令値に変換され、電流
指令器126に送られる。電流指令器126は、前記指
令値から、軸受部の電磁石へ供給する電流指令値を作成
し、これにより、制御対象120を制御する。こうし
て、回転子が無接触で軸受部に支持される。
The displacement estimator 122 uses the detected amount to estimate the displacement of the center of gravity of the rotor. Is calculated and fed back to the adder 123. The adder 123 subtracts the feedback amount from the center-of-gravity displacement command value and supplies the deviation to the PID controller 124. PID
The output of the controller 124 relates to the command value of the force acting on the center of gravity, which is converted by the load command converter 125 into the command value of the magnetic force acting on the bearing portion and sent to the current command device 126. . The current command device 126 creates a current command value to be supplied to the electromagnet of the bearing unit from the command value, and thereby controls the control target 120. In this way, the rotor is supported by the bearing portion without contact.

一方、前記推定重心変位 は、それぞれ、微分器127を通して乗算器128に供
給され、回転数検出器129から送られた回転数と乗算
されて、PID制御器124の後段に介装された加算1
30に、クロスした形でフィードバックされ、ジャイロ
モーメントの補償をするようになっている。
Meanwhile, the estimated center of gravity displacement Are respectively supplied to the multiplier 128 through the differentiator 127, are multiplied by the rotation speed sent from the rotation speed detector 129, and are added to the subsequent stage of the PID controller 124.
It is fed back to 30 in a crossed form to compensate for the gyro moment.

現代制御理論に基づく状態フィードバックによる制御
方式 これは、松村文夫他「横軸形磁気軸受の基本方程式と制
御系設計」電気学会論文誌C,101巻号,137(1
981)に記載されたものである。この制御方式では、
所定の評価関数が最小になるように、数値計算によって
フィードバック係数を求めるようになっている。
Fumio Matsumura et al. "Fundamental equation and control system design of horizontal shaft type magnetic bearing", IEEJ Transactions C, 101, 137 (1)
981). With this control method,
The feedback coefficient is obtained by numerical calculation so that the predetermined evaluation function is minimized.

[発明が解決しようとする問題点] ところで、上述した従来の制御方式には、次のような欠
点があった。
[Problems to be Solved by the Invention] By the way, the above-described conventional control method has the following drawbacks.

(1)各軸受を単独に制御するの方式では、左右の軸
受の相互干渉や、回転子の回転にともなうジャイロモー
メントの影響を補償することができない。
(1) The method of controlling each bearing independently cannot compensate the mutual interference between the left and right bearings and the influence of the gyro moment accompanying the rotation of the rotor.

(2)回転子の重心の運動をそれぞれ独立にPID制御
するの制御方式では、左右対称な構造をもつ場合に
は、重心の各軸方向の運動をそれぞれ制御することがで
きる。しかし、左右非対称な場合には、左右の軸受の不
平衡剛性の影響が、反対側の軸受に影響して相互干渉を
起こし、このの制御方式では、これを補償できない。
(2) In the control method in which the motion of the center of gravity of the rotor is independently controlled by PID, when the structure has a bilateral symmetry, the motion of the center of gravity in each axial direction can be controlled. However, in the case of left-right asymmetry, the influence of the unbalanced rigidity of the left and right bearings affects the bearings on the opposite side, causing mutual interference, and this control method cannot compensate for this.

また、回転子が回転を開始すると、ジャイロモーメント
が発生し、水平方向と垂直方向の各回転運動が相互干渉
を起こす。これを補償するために、第9図に示す従来の
方式においては、推定重心角変位 をフィードバックして補償を行っている。すなわち、上
記角変位 を微分して角速度を求め、これをフィードバックするこ
とによりジャイロモーメントを補償していた。
Also, when the rotor starts rotating, a gyro moment is generated, and the horizontal and vertical rotational movements cause mutual interference. In order to compensate for this, in the conventional method shown in FIG. Is being fed back to compensate. That is, the angular displacement The gyro moment was compensated by differentiating from to obtain the angular velocity and feeding it back.

しかしながら、このジャイロモーメント補償では、単に
角変位 を微分した値だけで、ジャイロモーメント補償を行って
いたため、電磁石のコイルの遅れを補償できなかった。
この結果、コイルの応答遅れにより、速応性に欠けると
いう問題があった。
However, with this gyro-moment compensation, the angular displacement is Since the gyro moment compensation was performed only by the value obtained by differentiating, the delay of the coil of the electromagnet could not be compensated.
As a result, there has been a problem that the response of the coil is delayed and the response is insufficient.

なお、上述した左右の軸受の相互干渉、およびジャイロ
モーメントによる各軸回りの相互干渉は、重心変位のフ
ィードバックループの係数行列の中に、非対角項が現れ
ることに対応するが、その詳細は後述する。
The above-mentioned mutual interference between the left and right bearings and the mutual interference around each axis due to the gyro moment corresponds to the appearance of an off-diagonal term in the coefficient matrix of the feedback loop of the displacement of the center of gravity. It will be described later.

(3)現代制御理論によるの制御方式では、上記
(1),(2)の不都合は解消されるが、回転数が変わ
るとフィードバック係数の最適値も変化するために、最
適な制御ができなくなってしまう。また、すべての状態
変数のフィードバックをとる必要があるため、フィード
バックループが多数となり、数値計算によって求めたフ
ィードバック係数の設定も、また微調整も複雑で困難で
ある。
(3) With the control method based on the modern control theory, the disadvantages of the above (1) and (2) are solved, but the optimum value of the feedback coefficient also changes when the rotational speed changes, so that optimum control cannot be performed. Will end up. Further, since it is necessary to take feedback of all the state variables, a large number of feedback loops are required, and it is difficult to set the feedback coefficient obtained by numerical calculation and to make fine adjustments.

この発明は、このような背景の下になされたもので、ジ
ャイロモーメントによる相互干渉を補償し、常に最適な
制御を行うことのできる磁気軸受の制御装置を提供する
ことを目的とする。
The present invention has been made under such a background, and an object thereof is to provide a magnetic bearing control device capable of compensating for mutual interference due to a gyro moment and always performing optimum control.

[問題点を解決するための手段] 上記問題点を解決するために、この発明は、軸受部に配
設された電磁石に流す電流を制御することにより、回転
子を無接触で支持するようにした磁気軸受において、 前記回転子の回転軸の径方向の変位を少なくとも2箇所
で検出し、それぞれの検出結果を出力する変位検出器
と、 この変位検出器の出力と、該変位検出器および前記回転
子の重心の相互の位置関係とに基づいて演算を行い、前
記回転子の重心変位を推定する変位推定器と、 この変位推定器から出力された推定重心変位にI−PD
動作を加え、これをフィードバックすることにより重心
の並進、回転運動を制御するI−PD方式の主制御器
と、 前記回転子の回転数を検出する回転数検出器と、 前記推定重心変位の回転成分にI−PD動作を加えたも
のと前記回転数検出器の出力とを乗じた値をフィードバ
ックすることにより、前記回転子の回転により発生する
ジャイロモーメントを補償するジャイロモーメント補償
器と を具備することを特徴とする。
[Means for Solving the Problems] In order to solve the above problems, according to the present invention, a rotor is supported in a contactless manner by controlling an electric current flowing through an electromagnet arranged in a bearing portion. In the magnetic bearing described above, a displacement detector that detects the radial displacement of the rotary shaft of the rotor at at least two points and outputs the detection results of the displacement detector, the output of the displacement detector, the displacement detector, and the A displacement estimator that performs a calculation based on the mutual positional relationship of the center of gravity of the rotor to estimate the center of gravity displacement of the rotor, and the estimated center of gravity displacement output from the displacement estimator is I-PD.
An I-PD type main controller that controls the translation and rotational movement of the center of gravity by adding an operation and feeding back the operation, a rotation speed detector that detects the rotation speed of the rotor, and a rotation of the estimated center of gravity displacement. A gyro moment compensator for compensating for a gyro moment generated by the rotation of the rotor by feeding back a value obtained by multiplying the component by I-PD operation and the output of the rotation speed detector. It is characterized by

[作用] 上記手段によれば、回転子の重心の並進、回転運動が、
変位検出器の検出結果そのものではなく、推定重心変位
に基づいてI−PD制御されると共に、前記推定重心変
位の回転成分と回転子の回転数とに応じて、回転子の回
転により発生するジャイロモーメントが補償される。
[Operation] According to the above means, the translation and rotation of the center of gravity of the rotor are
The gyro that is I-PD controlled based on the estimated center-of-gravity displacement instead of the detection result of the displacement detector itself and that is generated by the rotation of the rotor according to the rotation component of the estimated center-of-gravity displacement and the rotation speed of the rotor. The moment is compensated.

なお、上記I−PDの各ゲインは、軸受部の電磁石コイ
ルの電流特性を考慮して決定することも考えられ、その
場合、コイルによる遅れを見込んだ、応答性の良いジャ
イロモーメント補償が可能である。
It should be noted that each gain of the I-PD may be determined in consideration of the current characteristics of the electromagnet coil of the bearing portion, in which case gyro moment compensation with good responsiveness that allows for delay due to the coil is possible. is there.

[実施例] 以下、図面を参照して、本発明の実施例を説明する。Embodiments Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

第1図は、この発明の一実施例による磁気軸受制御装置
の構成を示すブロック図であるが、この制御装置の説明
に入る前に、まず第2図以降を参照して、上記制御装置
の制御対象である磁気軸受につき説明する。
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a magnetic bearing control device according to an embodiment of the present invention. Before entering the description of this control device, first, referring to FIG. The magnetic bearing to be controlled will be described.

磁気軸受(制御対象)の構造と各関連量 第2図は、磁気軸受の構造を示す斜視図である。Structure of Magnetic Bearing (Control Target) and Relevant Amounts FIG. 2 is a perspective view showing the structure of the magnetic bearing.

図において、1は回転子、2は回転子1の回転軸であ
る。回転軸2は、左右の軸受部3l、3rにより無接触で
支持されている。軸受部3l,3rは、それぞれ4個の電
磁石をもち(第1図の3l〜3l、および3r〜3r
参照)、回転軸2を吸引することにより、これを平衡
位置に保持しようとする。この軸受部3l,3rの外方に
は、左右の検出部4l、4rが配設されている。検出部4
l,4rは、たとえば渦電流式の非接触変位計からなるも
ので、回転軸2の径方向の変位量を検出するものであ
る。
In the figure, 1 is a rotor, and 2 is a rotation axis of the rotor 1. The rotary shaft 2 is supported by the left and right bearings 3l, 3r without contact. The bearings 3l and 3r each have four electromagnets (3l 1 to 3l 4 and 3r 1 to 3r in FIG. 1).
4 ), and try to hold the rotary shaft 2 in the equilibrium position by sucking it. Left and right detectors 4l and 4r are arranged outside the bearings 3l and 3r. Detection unit 4
l and 4r are, for example, eddy current type non-contact displacement gauges, and detect the radial displacement of the rotary shaft 2.

上記回転子1につき、次のような静止座標系を定める。
まず、平衡状態における回転子1の重心Gの位置を原点
Oとする。また、平衡状態における回転軸2の軸心をx
軸、鉛直下方をz軸とし、y軸は、これら各軸が右手系を
なすように定める。なお、重心Gと回転子1の中心と
は、必ずしも一致しない(第3図(a)参照)。
The following stationary coordinate system is defined for the rotor 1.
First, the origin O is the position of the center of gravity G of the rotor 1 in the equilibrium state. In addition, the axis of the rotating shaft 2 in the equilibrium state is x
The axis and the vertically downward direction are the z-axis, and the y-axis is defined so that each of these axes forms a right-handed system. The center of gravity G and the center of the rotor 1 do not always coincide with each other (see FIG. 3 (a)).

第3図は、上記各部の位置関係を示す図であり、同図
(a)と(c)は正面図、(b)は平面図である。同図(a)に示す
ように、重心Gと回転子1の中心との距離をl0、回転子
1の中心と左右の軸受部3l、3rとの距離をそれぞれ
l1,l2、回転子1の中心と検出部4l,4rとの距離をそ
れぞれl1′,l2′とする。また、同図(b)に示すよう
に、回転軸2のy軸方向の変位量を記述する。すなわ
ち、左右軸受部3l,3rにおける回転軸2のy軸方向の
変位量(平衡位置からの変位量)をyl,yr、左右検出部
4l,4rにおける回転軸2のy軸方向の変位量をyl′,y
r′とする。また、重心Gの位置での回転軸2のy軸方向
の変位量をyGとする。さらに、同図(c)に示すように、z
軸方向の各変位量をそれぞれzl,zr,zl′,zr′,zG
する。
FIG. 3 is a diagram showing the positional relationship of the above-mentioned parts.
(a) and (c) are front views and (b) is a plan view. As shown in FIG. 3A, the distance between the center of gravity G and the center of the rotor 1 is l 0 , and the distance between the center of the rotor 1 and the left and right bearings 3l, 3r are respectively.
Let l 1 and l 2 be the distances between the center of the rotor 1 and the detectors 4l and 4r, and are l 1 ′ and l 2 ′, respectively. Further, as shown in FIG. 6B, the displacement amount of the rotary shaft 2 in the y-axis direction will be described. That is, the displacement amount in the y-axis direction (displacement amount from the equilibrium position) of the rotary shaft 2 in the left and right bearing parts 3l, 3r is y l , yr, and the displacement amount in the y-axis direction of the rotary shaft 2 in the left and right detection parts 4l, 4r. Be y l ′, y
Let r ′. Further, the displacement amount in the y-axis direction of the rotating shaft 2 at the position of the center of gravity G and y G. Furthermore, as shown in FIG.
The displacements in the axial direction are z l , zr, z l ′, zr ′, and z G , respectively.

次に、左軸受部3lにおいて、回転軸2に作用する吸引
力は、鉛直上方にfl1,鉛直下方にfl2、水平左方に
fl3,水平右方にfl4であるとする。また、右軸受部3r
において、回転軸2に作用する吸引力は、それぞれfr1,
fr2,fr3,fr4であるとする。こうすると、左右の軸受部
3l,3rにおいて、y軸方向、z軸方向に作用する力fyl,
fyr,fzl,fzrは、次のようになる。
Next, in the left bearing portion 3l, the suction force acting on the rotary shaft 2 is f l1 vertically upward, f l2 vertically downward, and horizontally leftward.
f l3, and a f l4 to the horizontal right side. Also, the right bearing part 3r
, The suction force acting on the rotary shaft 2 is fr 1 ,
Let fr 2 , fr 3 , fr 4 . By doing this, in the left and right bearings 3l, 3r, the forces fy l ,
fyr, fz l , fzr are as follows.

fyl=fl3-fl4,fyr=fr3-fr4, fzl=fl2-fl1,fzr=fr2-fr1 …(1) また、回転子1のx,y,z各軸回りの回転量をθxy,
θz、回転子1のx軸回りの回転角速度をωxとする。
fy l = f l3 -f l4, fyr = fr 3 -fr 4, fz l = f l2 -f l1, fzr = fr 2 -fr 1 ... (1) In addition, the rotor 1 x, y, z axes The amount of rotation around θ x , θ y ,
Let θ z be the rotational angular velocity of the rotor 1 around the x-axis, and ω x .

磁気軸受の伝達特性 次に、このような磁気軸受の運動方程式から始めて、磁
気軸受の伝達特性を求め、そのブロック線図を定めるこ
ととする。
Transfer Characteristics of Magnetic Bearing Next, the transfer characteristics of the magnetic bearing will be obtained starting from the equation of motion of such a magnetic bearing, and the block diagram thereof will be determined.

(1)運動方程式 回転子1を、軸対称の構造をもつ剛体とみなして、x軸
回りの回転を除いた5自由度を制御する場合を考える。
ここで、回転軸2の方向、つまりスラスト方向(x軸方
向)については、変位量の検出も、力を加えることも、
他方向の運動とは独立に行えるから、単独に制御するこ
とができる。
(1) Equation of motion Consider the case where the rotor 1 is regarded as a rigid body having an axisymmetric structure and 5 degrees of freedom are controlled except rotation about the x axis.
Here, in the direction of the rotary shaft 2, that is, in the thrust direction (x-axis direction), the amount of displacement is detected, the force is applied,
Since it can be performed independently of the movement in the other direction, it can be controlled independently.

しかしながら、径方向、すなわちラジアル方向(y軸お
よびz軸方向)の4軸は、互いに影響しあっている。た
とえば、左の軸受部3lに吸引力が働くと、右の軸受部
3rの方でも運動が生じる。
However, the four axes in the radial direction, that is, the radial directions (y-axis and z-axis directions) affect each other. For example, when a suction force acts on the left bearing portion 3l, the right bearing portion 3r also moves.

また、一般に、検出部4l,4rの位置と、軸受部3l,
3rの位置とは異なるので、左の軸受部3lにおける回転
軸2の変位を知ろうとすると、左右の検出部4l,4rに
おける変位量から推定しなければならない。
Further, in general, the positions of the detection parts 4l and 4r and the bearing parts 3l and 4r
Since it is different from the position of 3r, the displacement of the rotary shaft 2 in the left bearing 3l must be estimated from the displacements of the left and right detectors 4l, 4r.

このように、左右の運動は、吸引力の発生においても、
変位の検出においても関連している。また、回転子1が
回転し始めると、ジャイロモーメントが発生するので、
y軸方向とz軸方向の運動も干渉しあっている。つまり、
ラジアル4軸は、すべて関連していることとなる。
In this way, the left and right movements, even when the suction force is generated,
It is also relevant in detecting displacement. When the rotor 1 starts to rotate, a gyro moment is generated,
The y-axis and z-axis motions also interfere with each other. That is,
The four radial axes are all related.

さて、第2図、第3図において、重心Gの並進運動の運
動方程式は、次のようになる。
Now, in FIGS. 2 and 3, the equation of motion of the translational motion of the center of gravity G is as follows.

mG=Fx,mG=Fy,mG=Fz ……(2) また、重心Gの回転運動の運動方程式は、次のようにな
る。
m G = Fx, m G = Fy, m G = Fz (2) Further, the equation of motion of the rotational motion of the center of gravity G is as follows.

JyzxJxy=Mz JyyxJxz=My ……(3) ここで、mは回転子1の質量、Jx,Jyはx軸、y軸回り
の慣性モーメント(ただしz軸回りの慣性モーメントJz
=Jy)、xG,yG,zGは重心Gの各軸方向の平衡位置から
の変位量、θ,θは重心Gの回りの各変位量、ωx
は回転子1の回転角速度、Fx,Fy,Fzは重心Gに作用
する力、My,zは重心Gに働くモーメントである。
Jy zx Jx y = Mz Jy yx Jx z = My (3) where m is the mass of the rotor 1, Jx and Jy are the x-axis and the moment of inertia about the y-axis (however, z Moment of inertia about axis Jz
= Jy), x G , y G , z G is the displacement amount of the center of gravity G from the equilibrium position in each axial direction, θ y and θ z are the displacement amounts around the center of gravity G, and ω x
Are rotational angular velocities of the rotor 1, F x , F y and F z are forces acting on the center of gravity G, and M y and M z are moments acting on the center of gravity G.

ラジアル4軸の運動方程式を行列で表記すると、次のよ
うになる。
The equation of motion of the radial 4-axis is expressed as a matrix as follows.

これを直接記法で表記すると、 となり、さらにラプラス変換すると、 となる。これが回転子の運動を表す運動方程式である。
なお、本明細書では、便宜上、時間領域での関数も、ラ
プラス変換後の複素周波数領域での関数も同じ記号を用
いることとする。
If you write this in direct notation, Then, when Laplace conversion is performed, Becomes This is the equation of motion that describes the motion of the rotor.
In this specification, for convenience, the same symbol is used for both the function in the time domain and the function in the complex frequency domain after Laplace transform.

(2)軸受部3l,3r、検出部4l,4r、および重心G
での、回転軸2の変位量の関係を記述する。
(2) Bearings 3l, 3r, detectors 4l, 4r, and center of gravity G
The relationship of the displacement amount of the rotary shaft 2 will be described.

まず、重心変位と軸受部変位の関係は、次のようにな
る。
First, the relationship between the displacement of the center of gravity and the displacement of the bearing portion is as follows.

または、直接記法で次のようになる。 Or in direct notation:

また、重心変位と検出部変位の関係は、次の通りであ
る。
Further, the relationship between the displacement of the center of gravity and the displacement of the detection unit is as follows.

直接記法で、 となる。 In direct notation, Becomes

上記(6)式を解けば、検出部変位 から推定重心変位 を推定することができる。すなわち、 となる。直接記法で となる。If you solve equation (6) above, the displacement of the detector Center of gravity displacement estimated from Can be estimated. That is, Becomes In direct notation Becomes

上記(7)式を(5)式に代入すると、推定軸受部変位 を推定することができる。すなわち、 となる。直接記法で表記すると、 となる。Substituting equation (7) into equation (5), the estimated bearing displacement Can be estimated. That is, Becomes When expressed in direct notation, Becomes

こうして、検出部変位 から軸受部変位と重心変位の推定値 を求めることができる。Thus, the detector displacement Estimated values of bearing displacement and center of gravity displacement Can be asked.

一方、軸受部3l,3rに発生した吸引力 (前記(1)式参照)と、回転子1の重心Gに作用する
一般化力 との関係は、次式のようになる。
On the other hand, the suction force generated in the bearings 3l, 3r (See the formula (1) above) and the generalized force acting on the center of gravity G of the rotor 1. The relationship with and is as follows.

直接記法で表記すると、 となる。 When expressed in direct notation, Becomes

こうして、検出部4、重心G、および軸受部3における
変位量と力との関係が求められた。
In this way, the relationship between the displacement amount and the force in the detection unit 4, the center of gravity G, and the bearing unit 3 was obtained.

(3)軸受部3l,3rに発生した吸引力を求める。電
磁石(馬てい形)の吸引力fは、一般に、次のように表
すことができる。
(3) Obtain the suction force generated in the bearings 3l, 3r. The attraction force f of the electromagnet (horse-shoe shape) can be generally expressed as follows.

ここで、fは吸引力、iはコイル電流、δは電磁石と回転
軸2との間のギャップの大きさ、φgは磁束、Pgはギャ
ップ部のパーミアンス、Agはギャップ部の断面積、μ0
は真空中の透磁率、Nはコイルの巻数である。
Here, f is the attractive force, i is the coil current, δ is the size of the gap between the electromagnet and the rotary shaft 2, φg is the magnetic flux, Pg is the permeance of the gap, Ag is the cross-sectional area of the gap, and μ 0
Is the magnetic permeability in vacuum, and N is the number of turns of the coil.

上記(10)式中、吸引力、電流、ギャップの大きさ
を、それぞれ定常分と変動分とに分けると次の式が成立
する。
In the above formula (10), the following formulas hold when the attraction force, the current, and the size of the gap are divided into a steady component and a variable component, respectively.

ここで、定常分とは平衡時における値であり、大文字で
示してある。また、変動分は平衡状態からのずれに相当
し、小文字で示してある。
Here, the stationary component is a value at equilibrium and is shown in capital letters. Further, the variation corresponds to the deviation from the equilibrium state and is shown in lowercase.

変動分が定常分と比べて十分小さいとすれば、2次以上
の微小項が省略でき、次の式が成立する。
Assuming that the variation is sufficiently smaller than the steady component, minute terms of the second order and above can be omitted, and the following equation holds.

よって、 の2式が成り立つ。 Therefore, The following two equations hold.

ここで、Fj,Ij,Wは、吸引力、電流、ギャップの大
きさの各定常分、fj,ij,δjはこれらの変動分である。
また、サフィックスjは、l1,l2,l3,l4,r1,r2,r3,r4をと
る。つまり、左右軸受部3l,3rの各方向につき、吸
引力、電流、ギャップの大きさの、それぞれの定常分と
変動分とが定まる。
Here, Fj, Ij, and W are the steady components of the attraction force, the current, and the size of the gap, and fj, i j , and δj are the variations thereof.
Further, the suffix j takes the l1, l2, l3, l4, r 1, r 2, r 3, r 4. That is, the steady force and the variation of the attraction force, the current, and the size of the gap are determined for each direction of the left and right bearing portions 3l, 3r.

次に、コイル電流の変動分ij、軸受部変位yl,yr,zl
zr、軸受部吸引力fyl,fyr,fzl,fzrの各関係を求める。
まず、電流iyl,iyr,izl,izrの正の向きとして、正の
吸引力fyl,fyr,fzl,fzrを発生させる電流の向きをと
ると、次式が成立する。
Next, the variation i j of the coil current, the bearing displacement y l , yr, z l ,
zr, bearing attraction forces fy l , fyr, fz l , and fzr are calculated.
First, when the directions of the currents that generate the positive attraction forces fy l , fyr, fz l , and fzr are taken as the positive directions of the currents iy l , iyr, iz l , and izr, the following equation is established.

=−δl3=δl4 yr=−δr3=δr4=−δl2=δl1 zr=−δr2=δr1 …(15) iyl=il3=−il4 iyr=ir3=−ir4 izl=il2=−il1 izr=ir2=−ir1 …(16) これらの式と(14)式とから、次の式が得られる。 y l = -δ l3 = δ l4 yr = -δr 3 = δr 4 z l = -δ l2 = δ l1 zr = -δr 2 = δr 1 ... (15) iy l = i l3 = -i l4 iyr = ir 3 = -ir 4 iz l = i l2 = -i l1 izr = ir 2 = -ir 1 (16) From these expressions and expression (14), the following expression is obtained.

こと式を行列で表せば、 となる。また、直接記法で表すと、 となる。 If the formula is expressed as a matrix, Becomes Also, when expressed in direct notation, Becomes

こうして、電流変動分 と、吸引力変動分 と、軸受部変動量 との関係が得られた。Thus, the current fluctuation And suction force fluctuation And the amount of fluctuation in the bearing I got a relationship with.

(4)電磁石の電流特性 電磁石に与えられる電流指令 と、応答(実際に流れるコイル電流) との関係を次の式で表す。(4) Current characteristics of electromagnet Current command given to electromagnet And response (actual coil current) The relationship with is expressed by the following formula.

ここで、4組のラジアル軸受をすべて同じ特性とする
と、次のようになる。
Here, assuming that all four sets of radial bearings have the same characteristics, the following is obtained.

ただし、 は単位行列 なお、伝達特性G(s)の具体例としては、次のような
ものがある。
However, Is a unit matrix Note that the following is a specific example of the transfer characteristic G (s).

電流マイナーフィードバックがないとき 第8図(a)に示すように、電流マイナーフィードバッ
クがない場合は、 1/G(s)=1+as となる。なお、aはコイルの時定数を表す。
When there is no current minor feedback As shown in Fig. 8 (a), when there is no current minor feedback, 1 / G (s) = 1 + as. In addition, a represents the time constant of the coil.

比例電流マイナーフィードバックがあるとき この場合は、第8図(b)に示すように、 G(s)=K/(1+as+K) 1/G(s)= (1+K)/K+as/K となる。なお、Kは比例ゲインである。When there is proportional current minor feedback In this case, G (s) = K / (1 + as + K) 1 / G (s) = (1 + K) / K + as / K Becomes Note that K is a proportional gain.

PI電流マイナーフィードバックのとき この場合は、第8図(c)に示すような構成となる。こ
こで、系を安定にするために、比例ゲインKp、および
時定数Tを、Kp=2a/Tに設定すると、1/G
(s)は、次のようになる。
In the case of PI current minor feedback In this case, the configuration is as shown in FIG. 8 (c). Here, in order to stabilize the system, if the proportional gain Kp and the time constant T are set to Kp = 2a / T, 1 / G
(S) is as follows.

1/G(s)=1+T2s/2a+T2(a-T)s2/2a −T3s3(a-T)/2a+T4(a-T)s4/2a+…… PI電流マイナーフィードバックと一次遅れフィルタ
(時定数T)との組み合わせ この場合は、第8図(d)のようになり、1/G(s)は、次
の式で与えられる。
1 / G (s) = 1 + T 2 s / 2a + T 2 (aT) s 2 / 2a -T 3 s 3 (aT) / 2a + T 4 (aT) s 4 / 2a + ...... PI current minor feedback and first-order lag filter (time Combination with constant T) In this case, FIG. 8 (d) is obtained, and 1 / G (s) is given by the following equation.

1/G(s)=1+T(1+T/2a)s+T2s2/2 (5)制御対象の伝達特性 以上を総合して、磁気軸受、つまり制御対象の伝達特性
を求める。
1 / G (s) = 1 + T (1 + T / 2a) s + T 2 s 2/2 (5) and synthesizing the above transfer characteristic of the controlled object, the magnetic bearing, i.e. determine the transfer characteristic of the controlled object.

上述した運動方程式等を改めて書くと、 となる。Rewriting the above equations of motion, Becomes

上記(4b),(5a),(6a)式および(9a),(17b),
(18a)式から、次の式が得られる。
The above formulas (4b), (5a), (6a) and (9a), (17b),
The following equation is obtained from the equation (18a).

ここで、 とおき、これらの式を(19)式に代入すると、次の式
が成立する。
here, By substituting these expressions into the expression (19), the following expression is established.

よって、 となる。これが、重心に作用する一般化力の指令値 と重心変位 との関係を示す式である。 Therefore, Becomes This is the command value of the generalized force that acts on the center of gravity. And center of gravity displacement Is an expression showing a relationship with.

この(23)式を、運動方程式(4b)と比較すると、 の項が新たに加わっていることが分かる。この (以下、不平衡剛性行列 とよぶ)は、軸受部変位 によって生じるもので、不平衡剛性の影響を表す項であ
り、次式で表される成分を持つ。
Comparing this equation (23) with the equation of motion (4b), It can be seen that the item of is newly added. this (Hereafter, the unbalanced stiffness matrix Is called bearing displacement It is a term that represents the influence of unbalanced stiffness, and has a component represented by the following equation.

磁気軸受の機械構造が左右対称のときは、 l0=0,l1=l2,Fl3+Fl4=Fr3+Fr4,Fl2+Fl1=Fr2+Fr1 …(25) となるから、不平衡剛性行列 は対角行列となる。よって、この行列 を通して重心変位量 がフィードバックされても、各軸の相互干渉は生じな
い。しかしながら、左右非対称のときは、不平衡剛性行
は非対角となるから、y軸とθz軸、およびz軸とθy軸の
運動は、互いに干渉しあう。
When the mechanical structure of the magnetic bearing is symmetrical, l 0 = 0, l 1 = l 2 , F l3 + F l4 = Fr 3 + Fr 4 , F l2 + F l1 = Fr 2 + Fr 1 … (25) Therefore, the unbalanced stiffness matrix Is a diagonal matrix. So this matrix Center of gravity displacement Is fed back, mutual interference of each axis does not occur. However, in the case of left-right asymmetry, the unbalanced stiffness matrix Is non-diagonal, the y-axis and θ z- axis, and the z-axis and θ y- axis motions interfere with each other.

このように、上記(23)式で示される重心Gの運動に
は、行列 で表現される不平衡剛性の影響と、ジャイロモーメント
行列 で表現されるジャイロモーメントの影響とがあるため、
各軸の運動は相互に関連している。
Thus, the motion of the center of gravity G expressed by the above equation (23) is The effect of unbalance stiffness expressed by and the gyro moment matrix Since there is an influence of the gyro moment expressed by
The movements of each axis are interrelated.

第4図は、上述した(23)式で示される伝達特性を示
すブロック線図である。
FIG. 4 is a block diagram showing the transfer characteristic represented by the above equation (23).

この図において、一点鎖線で囲んだ部分が制御対象であ
る。この制御対象の前段には、重心に作用する力の指令
から吸引力指令値 を算出するための荷重指令変換器(上記(21)式の行
に相当)と、吸引力指令値 から電流指令値 を算出するための電流指令器(上記(20)式の行列 に相当)が設けられている。
In this figure, the part surrounded by the alternate long and short dash line is the control target. In the previous stage of this controlled object, the command value of the force acting on the center of gravity From suction force command value Load command converter (the matrix of equation (21) above) for calculating Equivalent to) and suction force command value To current command value Current command device for calculating (the matrix of the above equation (20) Equivalent to) is provided.

上記制御対象は、電流指令値 に応じてコイル電流 (変動分)を電磁石に流し、軸受部吸引力 (変動分)を発生する。この吸引力 により、回転子1の重心Gに力 が作用し、回転子1が(4b)式の運動を行う。これに
より、重心変位 が行列 の出力側に正帰還される。これが、不平衡剛性を表す行
に相当する。
The control target is the current command value According to the coil current (Variation) is made to flow through the electromagnet to attract the bearing. (Variation) is generated. This suction power Forces the center of gravity G of the rotor 1 And the rotor 1 performs the motion of the formula (4b). This allows the center of gravity displacement Is the matrix Positive feedback is provided to the output side of. This is the matrix of unbalanced stiffness Equivalent to.

第4図のブロック線図で示す系は、重心に作用する一般
化力の指令値 の4つの成分を入力とし、重心変位 の4つの成分を出力とする多入力・多出力系である。
The system shown in the block diagram of FIG. 4 is the command value of the generalized force that acts on the center of gravity. Center of gravity displacement using the four components of It is a multi-input / multi-output system that outputs four components of.

この場合、不平衡剛性行列 と、ジャイロモーメント行列 が非対角なので、各軸が干渉しあっている。また、行列 が正帰還されているので、不安定な系である。In this case, the unbalanced stiffness matrix And the gyro moment matrix Are non-diagonal, so each axis interferes with each other. Also the matrix Is a positive system, so it is an unstable system.

制御装置の構成法 次に、この制御対象を制御する制御装置について説明す
る。制御対象に制御装置を加えた制御系の特性として
は、ある一つの出力変数に対して、一つの入力で制御で
きるように非干渉化されているのが望ましい。また、非
干渉化された各部分系,は、制御性、安定性、速応性の
面でも十分に良い性能を備えているのがよい。
Configuration Method of Control Device Next, a control device for controlling the controlled object will be described. As a characteristic of a control system in which a control device is added to a controlled object, it is desirable that a certain one output variable be made non-interfering so that it can be controlled by one input. In addition, it is preferable that the decoupling subsystems have sufficiently good performance in terms of controllability, stability, and quick response.

これらの制御特性をI−PD方式の制御装置を用いて実
現することを考える。以下、I−PD方式という場合、
I−PDのほかに、I−PDD2、I−PDD23……
の各方式を含むものとする。
It is considered to realize these control characteristics by using an I-PD type control device. Hereinafter, when referred to as the I-PD system,
In addition to I-PD, I-PDD 2 , I-PDD 2 D 3 ...
Each method is included.

I−PD方式の制御系の構成は、第5図に示すように、
伝達関数 で表される制御対象(これは、第4図の制御対象に荷重
指令変換器と、電流指令器を加えたものに相当する)
に、伝達関数 で示されるP(比例)、D(微分)、D2(2回微分)
……の局所フィードバックをかけて極配置を調整し、特
性を改善する一方、制御量 を目標値 側に直結フィードバックし、I(積分)動作で定常位置
偏差がゼロになるように制御するものである。なお、上
記伝達関数 のアンダーラインは、複素周波数sの昇べき多項式を表
す。たとえば、 となる。
The configuration of the control system of the I-PD system is as shown in FIG.
Transfer function Control object represented by (This corresponds to the control object in FIG. 4 with the load command converter and the current command device added)
, The transfer function P (proportional), D (derivative), D 2 (2nd derivative)
...... The local feedback is applied to adjust the pole placement to improve the characteristics while controlling the control amount. The target value The feedback is directly connected to the side, and the steady position deviation is controlled to zero by the I (integration) operation. The above transfer function The underline of represents an ascending polynomial of complex frequency s. For example, Becomes

I−PD制御装置に含まれる積分ゲイン 比例ゲイン を、北森俊行「制御対象の部分的知識に基づくI−PD
方式非干渉制御系の設計」計測自動制御論文集、16-1,1
12/117(1980)に記載されている部分モデルマッチング法
に基づいて設計する。
Integral gain included in I-PD controller Proportional gain Toshiyuki Kitamori “I-PD based on partial knowledge of controlled object
System non-interference control system design "Proceedings of measurement and automatic control, 16-1, 1
Design based on the partial model matching method described in 12/117 (1980).

(1)部分モデルマッチング法 非干渉性、制御性、安定性、速応性の面で、十分に設計
仕様を満たす制御系として、次の式で表される伝達特性
をもつ参照モデルを考える。
(1) Partial model matching method Consider a reference model having a transfer characteristic represented by the following equation as a control system that sufficiently satisfies design specifications in terms of incoherence, controllability, stability, and quick response.

である。 Is.

(26)式の{ }の中は、対角行列となるので、入出
力はそれぞれ非干渉化されて、部分系に分かれている。
また、適当な係数列を選ぶことにより、各部分系に適当
な減衰性、応答性を与えることができる。
Since the inside of the {} in the equation (26) is a diagonal matrix, the input and output are decoupled and divided into subsystems.
Further, by selecting an appropriate coefficient sequence, it is possible to provide each subsystem with appropriate damping and responsiveness.

ここで、制御対象である磁気軸受をI−PD方式の制御
装置で制御する場合の、制御系の入出力関係を、(2
6)式の参照モデルに一致させる操作を行う。この制御
系の伝達特性の各項の係数を、sの低次の方から補償要
素に応じた次数まで、上記参照モデルの係数と等しくす
ることを、部分モデルマッチング法といい、これに基づ
いて各ゲインの設計公式が導かれる。すなわち、フィー
ドバックループ中の補償要素として、比例要素 とを使用するとき、各ゲインは、上記文献により、次の
式で与えられる。
Here, the relationship between the input and output of the control system when the magnetic bearing to be controlled is controlled by the I-PD type controller is (2
The operation of matching with the reference model of equation 6) is performed. It is called partial model matching method to make the coefficient of each term of the transfer characteristic of this control system equal to the coefficient of the above reference model from the lower order of s to the order according to the compensation element. The design formula for each gain is derived. That is, the proportional element as the compensation element in the feedback loop. When using and, each gain is given by

ここで、[ ]diagは、行列の対角成分を表す。(2
7)〜(30)式で与えられる各ゲインを補償要素とし
て用いれば、(26)式で表される参照モデルの伝達特
性をもつ、非干渉で安定な制御系が得られる。
Here, [] diag represents a diagonal element of the matrix. (2
If each gain given by equations (7) to (30) is used as a compensation element, a non-interfering and stable control system having the transfer characteristics of the reference model represented by equation (26) can be obtained.

なお、フィードバックループ中の補償要素に、さらに高
次の微分要素、すなわち、2回微分要素、3回微分要素
などを含む場合も、上記(27)〜(30)式と同様
に、各ゲインが与えられる。
Even when the compensating element in the feedback loop includes a higher order differentiating element, that is, a second-order differentiating element, a third-order differentiating element, etc., each gain is the same as in the equations (27) to (30). Given.

(2)次に、第4図で示される本実施例の伝達特性と、
上記I−PD制御方式の行列 とを等置することにより、積分ゲイン を算出する。
(2) Next, the transfer characteristic of this embodiment shown in FIG.
Matrix of the above I-PD control method By equalizing and, the integral gain To calculate.

まず、本実施例装置のコイル電流特性G(s)を次式で表
す。
First, the coil current characteristic G (s) of the device of this embodiment is expressed by the following equation.

1/G(s)=g0+g1s……(31) この式は、前述した電流マイナーフィードバックがない
とき、あるいは比例電流マイナーフィードバックのとき
には、厳密に成立する。また、その他の電流マイナーフ
ィードバック方式のときには、近似的に成り立つ。この
(31)式を、第4図のブロック線図に対応する(2
3)式に代入すると、 となる。この式に左辺の の係数が、行列 に対応するから、これらを等置することにより、 となり、次の各式が成立する。
1 / G (s) = g 0 + g 1 s (31) This formula strictly holds when there is no current minor feedback or when proportional current minor feedback is used. In addition, in the case of other current minor feedback systems, it holds approximately. This equation (31) corresponds to the block diagram of FIG. 4 (2
Substituting into equation 3), Becomes To the expression Is the matrix of Since they correspond to And the following equations hold.

したがって、立ち上がり時間、積分ゲイン、比例ゲイ
ン、および微分ゲインは、次の式で規定される。
Therefore, the rise time, the integral gain, the proportional gain, and the derivative gain are defined by the following equations.

立ち上がり時間 積分ゲイン 比例ゲイン 微分ゲイン こうして、積分ゲイン、比例ゲイン、および微分ゲイン
が求められた。ここで、上記各ゲインの右辺第1項は、
質量行列 (対角行列)に関する成分、第2項は、ジャイロモーメ
ント行列 (非対角行列)に関する成分である。また、比例ゲイン
および微分ゲインの第3項は、不平衡剛性行列 (非対角行列)にかかわる成分で、不平衡剛性を補償す
るものである。このI−PD制御装置を、第4図に示す
制御対象に付加すると、第6図のようになる。
Rise time Integral gain Proportional gain Derivative gain Thus, the integral gain, the proportional gain, and the derivative gain were obtained. Here, the first term on the right side of each gain is
Mass matrix The component related to (diagonal matrix), the second term is the gyro moment matrix It is a component related to (non-diagonal matrix). The third term of the proportional gain and the derivative gain is the unbalanced stiffness matrix. It is a component related to (non-diagonal matrix) and compensates for unbalanced stiffness. When this I-PD control device is added to the controlled object shown in FIG. 4, it becomes as shown in FIG.

第6図において、加算器7は第5図の積分器の入力側の
加算器に対応し、加算器8は第5図の積分器の出力側の
加算器に対応する。また、第6図の荷重指令変換器から
変位推定器までが、第5図の に対応し、第6図の が第5図の に対応する。
In FIG. 6, the adder 7 corresponds to the adder on the input side of the integrator in FIG. 5, and the adder 8 corresponds to the adder on the output side of the integrator in FIG. In addition, from the load command converter of FIG. 6 to the displacement estimator, Corresponding to In Fig. 5 Corresponding to.

第6図において、検出部4l,4rから出力された検出
部変位 により推定重心変位 に変換される。この推定重心変位 が、目標値側にある加算器7に直接フィードバックされ
るとともに、PD要素 を介して積分要素の出力側にある加算器8にフィードバ
ックされる。この加算器8の出力が重心に作用する一般
化力の指令値 となる。
In FIG. 6, the detector displacements output from the detectors 4l and 4r Center of gravity estimated by Is converted to. This estimated centroid displacement Is directly fed back to the adder 7 on the target value side, and the PD element Is fed back to the adder 8 on the output side of the integrating element. The command value of the generalized force on which the output of the adder 8 acts on the center of gravity Becomes

この図では、制御対象内のフィードバックループが不平
衡剛性行列 で表されている。これは、第4図のフィードバックルー
プを等価変換したものである。
In this figure, the feedback loop in the controlled object is the unbalanced stiffness matrix. It is represented by. This is equivalent conversion of the feedback loop of FIG.

ここで、積分ゲイン、比例ゲイン、および微分ゲイン
の、質量行列 にかかわる各成分は、対角成分のみであるが、ジャイロ
モーメント行列 および不平衡剛性行列 にかかわる各成分は、非対角成分をもつこととなる。す
なわち、ジャイロモーメント行列 で表現されるジャイロモーメントの影響と、行列 で表現される不平衡剛性の影響とで、互いに関連し合っ
ている重心Gまわりの各軸の運動を非干渉化して、各軸
をそれぞれ独立に制御するためには、補償のための制御
装置もクロスして設ける必要がある。
Where the mass matrix of integral, proportional, and derivative gains Although each element related to is only a diagonal element, the gyro moment matrix And the unbalanced stiffness matrix Each component related to has a non-diagonal component. That is, the gyro moment matrix The effect of the gyro moment expressed by In order to control the axes independently of each other by decoupling the movements of the axes around the center of gravity G that are related to each other by the influence of the unbalanced rigidity expressed by It is necessary to cross it.

このうち、不平衡剛性の補償部分は、対角行列にするこ
とができる。すなわち、上記(37),(38)両式の
不平衡剛性補償部分である に関する成分を他の部分と分離することにより、この部
分を対角化することができる。
Of these, the unbalanced stiffness compensation portion can be a diagonal matrix. That is, it is the unbalanced stiffness compensating portion of both equations (37) and (38). This part can be diagonalized by separating the component with respect to the other part.

このために、上式(37),(38)によって表われる
PD要素 に関する項に分けた。ここで、上式(36)〜(38)
において、行列 に関する項は回転子1の重心の並進、回転運動の補償部
分(以下、主制御器という)に、行列 に関する項は回転子1のジャイロモーメントの補償部分
(以下、ジャイロモーメント補償器という)に、行列 に関する項は回転子1の不平衡剛性の補償部分(以下、
不平衡剛性補償器という)にそれぞれ相当する。
For this reason, the PD element represented by the above equations (37) and (38) Divided into sections. Here, the above equations (36) to (38)
At the matrix The term related to the translation of the center of gravity of the rotor 1 and the compensation part of the rotational movement (hereinafter referred to as the main controller) The term relating to the gyro moment compensation part of the rotor 1 (hereinafter referred to as gyro moment compensator) The term concerning the compensation part of the unbalanced rigidity of the rotor 1 (hereinafter,
Unbalanced stiffness compensator), respectively.

そして、不平衡剛性補償器の入力を推定重心変位 から推定軸受部変位 に変更し、その出力を荷重指令変換器 の前からその後ろに変更することにより、不平衡剛性の
補償部分を のように対角化して、構成の簡略化と調整のしやすさと
を図った。
Then, the input of the unbalanced stiffness compensator is estimated Bearing displacement estimated from To the load command converter By changing from the front to the back of the As shown in the figure, the configuration is simplified and the adjustment is easy.

すなわち、 第7図に示すように、重心変位量 を係数行列 によって、軸受部変位量 に変換し、これをPD要素 を介して、加算器9へフィードバックするようにした。
このように構成しても、第6図と全く等価である。これ
によって、補償フィードバックループ中に、対角行列 が入ることとなり、不平衡剛性補償部分を対角化するこ
とができる。
That is, as shown in FIG. The coefficient matrix Depending on the bearing displacement And convert this to a PD element Feedback is made to the adder 9 via.
Even with such a configuration, it is completely equivalent to FIG. This allows for a diagonal matrix during the compensation feedback loop. Thus, the unbalanced stiffness compensation portion can be diagonalized.

対角化できれば、不平衡剛性の補償フィードバックルー
プは、クロスしなくなり、制御装置が簡略化されるとと
もに、現場におけるゲインの微調整も容易となる。
If it can be diagonalized, the compensating feedback loop of unbalanced stiffness will not cross, the control device will be simplified, and the fine adjustment of the gain in the field will be easy.

なお、第7図において、積分、比例、微分各ゲインの質
量行列 とジャイロモーメント行列 にかかわる成分は、推定重心変位 を入力とするフィードバックループを形成している。
In addition, in FIG. 7, the mass matrix of each gain of integral, proportional, and derivative And gyro moment matrix Is the estimated center of gravity displacement Form a feedback loop with

実施例の構成 第7図の具体化することにより、第1図の構成が得られ
る。
Configuration of the Embodiment By embodying the configuration of FIG. 7, the configuration of FIG. 1 is obtained.

第1図において、30は変位推定器である。変位推定器
30は、検出部4l,4rに接続されている。そして、
検出部変位 に(7a)式の変換を施して推定重心変位 を求めるとともに、(8a)式の変換により、検出部変
から推定軸受部変位 を求める。すなわち、第7の構成要素 とに対応する部分である。ここで求められた推定重心変
は、主制御器40,50、ジャイロモーメント補償器6
0に供給され、推定軸受部変位 は、不平衡剛性補償器80に供給される。
In FIG. 1, 30 is a displacement estimator. The displacement estimator 30 is connected to the detection units 4l and 4r. And
Detector displacement Eq. (7a) conversion is applied to the estimated center of gravity displacement And the displacement of the detection part by converting equation (8a). Bearing displacement estimated from Ask for. That is, the seventh component This is the part corresponding to and. Estimated center-of-gravity displacement found here Is a main controller 40, 50, a gyro moment compensator 6
0, the estimated bearing displacement Are supplied to the unbalanced stiffness compensator 80.

これらの構成要素40,50,60は、第7図の比例・
微分要素と積分要素とに対応し、I−PD方式の制御を
実行するものである。
These components 40, 50, 60 are proportional to those in FIG.
The control of the I-PD system is executed corresponding to the differential element and the integral element.

まず、主制御器40,50は、推定重心変位 と重心変位指令値 とから、重心に作用する一般化力の指令値 を求めるものである。すなわち、主制御器40は、第7
図に示す加算器7と、積分ゲイン中の質量行列 に関する成分に相当するI要素41a,41bと、比例
ゲインおよび微分ゲイン中の質量行列 にかかわる成分に対応するPD変換42a,42bと、
加算器8とを有し、推定重心変位 から重心に作用する一般化力の指令値 を演算する。
First, the main controllers 40, 50 are And center of gravity displacement command value From, the command value of the generalized force that acts on the center of gravity Is to seek. That is, the main controller 40 is
The adder 7 shown in the figure and the mass matrix in the integral gain I elements 41a and 41b corresponding to components related to and mass matrix in proportional gain and derivative gain PD conversions 42a and 42b corresponding to the components related to
Equipped with an adder 8 and the estimated center of gravity displacement Command value of generalized force that acts on the center of gravity from Is calculated.

上記I要素41a,41bは、重心変位指令値 から推定重心変位 を引いた偏差に対して、 のゲインで積分し((36)式参照)、PD要素42
a,42bは、推定重心変位 の演算を施す((37),(38)式)。また、主制御
器50も同様に構成され、加算器7,8と、I要素51
a,51bと、PD要素52a,52bとからなってい
る。
The I elements 41a and 41b are the center of gravity displacement command values. Center of gravity displacement estimated from For the deviation minus The PD element 42 is integrated by the gain of (see Expression (36)).
a and 42b are estimated center-of-gravity displacements Is calculated (Equations (37) and (38)). Further, the main controller 50 is also configured in the same manner, and includes the adders 7 and 8 and the I element 51.
a, 51b and PD elements 52a, 52b.

次に、ジャイロモーメント補償器60は、前述した積分
ゲイン、比例ゲイン、微分ゲイン(前記(36)〜(3
8)式参照)のジャイロモーメント行列 に関する各成分の演算を行うものである。すなわち、回
転数検出器6から供給される回転子1の各速度ωxと、
x軸回りの慣性モーメントJxとの積をとって行列 の成分ωxJxを求め(前記(4)〜(4b)式参照)、
これにI−PD出力を乗じて、(36)〜(38)式の
ジャイロモーメントの補償値を演算する。
Next, the gyro moment compensator 60 uses the integral gain, the proportional gain, and the differential gain ((36) to (3) described above.
Gyro-moment matrix of equation 8)) The calculation of each component is performed. That is, each speed ω x of the rotor 1 supplied from the rotation speed detector 6,
Matrix by taking the product of the moment of inertia Jx about the x-axis The component ω x Jx of (see the equations (4) to (4b)),
This is multiplied by the I-PD output to calculate the compensation value of the gyro moment of the equations (36) to (38).

このジャイロモーメント補償器60には、重心変位の指
令値 の内の回転に関する成分、すなわち、 が供給され、以下の演算が行われる。まず、指令値と推
定値の偏差 がそれぞれ、加算器7からI要素61a,61bに供給
される。また、推定値 がP要素62aおよびD要素63aに、推定値 がP要素62bおよびD要素63bに、それぞれ供給さ
れる。これらの各要素の出力は、加算器8で加減算さ
れ、乗算器64a,64bにそれぞれ供給される。乗算
器64a,64bには、増幅器65から値ωxJxが供給
され、乗算が行われる。
This gyro moment compensator 60 has The rotation related component of, ie Is supplied and the following calculation is performed. First, the deviation between the command value and the estimated value Are respectively supplied from the adder 7 to the I elements 61a and 61b. Also, the estimated value Is the estimated value in the P element 62a and the D element 63a. Are supplied to the P element 62b and the D element 63b, respectively. The outputs of these elements are added and subtracted by the adder 8 and supplied to the multipliers 64a and 64b, respectively. The value ω x Jx is supplied from the amplifier 65 to the multipliers 64a and 64b, and multiplication is performed.

上述したP要素62a,62bは、入力に対して(a1
1/a3σ2)倍の増幅を行う((37)式参照)。ま
た、D要素63a,63bは、入力に対して(a21
3σ−g0)sの演算を行う(上記(38)式)。さら
に、I要素61a,61bは、入力に対して(g1/a3
σ)(1/s)の演算を施すようになっている(上記
(36)式参照)。
The above-mentioned P elements 62a and 62b are (a 1
Amplification is performed by g 1 / a 3 σ 2 ) times (see the equation (37)). Further, the D elements 63a and 63b are (a 2 g 1 /
a 3 σ-g 0) performs computation of s (the (38) equation). Further, the I elements 61a and 61b are (g 1 / a 3
σ 3 ) (1 / s) is calculated (see the above equation (36)).

こうして求められたジャイロモーメントの補償値は、加
算器11,12に供給され、z軸回りのモーメントと、
y軸回りのモーメントとが補償され、重心に作用する一
般化力の指令値 が求められ、荷住指令変換器70に供給される。
The compensation value of the gyro moment thus obtained is supplied to the adders 11 and 12, and the moment about the z axis and
The command value of the generalized force that acts on the center of gravity by compensating the moment around the y-axis Is calculated and supplied to the load / dwell command converter 70.

荷住指令変換器70は、第7図の行列要素 に相当するもので、(21)式の演算により、重心に作
用する一般化力の指令値 を、軸受部吸引力の指令値 に変換するものである。ここで、係数行列 の逆行列 は、次式で与えられる。
The load command converter 70 is a matrix element of FIG. And the command value of the generalized force acting on the center of gravity calculated by the equation (21). Is the command value of the bearing suction force Is to be converted to. Where the coefficient matrix Inverse matrix of Is given by the following equation.

上記の演算を実行するために、荷重指令変換器70は、
入力を(l2+l0)/(l1+l2)倍にする増幅器71
a,73aと、(l1−l0)/(l1+l2)倍にする増
幅器71b、73bと、1/(l1+l2)倍にする増幅
器72a,72b,74a,74bと、加算器75a,
75bと、加算器76a,76bとを有している。そし
て、これらの加算器75a〜76bから軸受部吸引力の
指令値 が出力され、不平衡剛性補償器80へ供給される。
In order to execute the above calculation, the load command converter 70
Amplifier 71 for multiplying the input by (l 2 + l 0 ) / (l 1 + l 2 ).
a, 73a, amplifiers 71b, 73b for multiplying (l 1 −l 0 ) / (l 1 + l 2 ) times, and amplifiers 72a, 72b, 74a, 74b for multiplying 1 / (l 1 + l 2 ) times, and addition Container 75a,
It has 75b and adders 76a and 76b. Then, from these adders 75a to 76b, the command value of the bearing portion attraction force is calculated. Is output and supplied to the unbalanced stiffness compensator 80.

不平衡剛性補償器80は、第7図のフィードバックに挿
入された 要素と加算器9とに相当するもので、上記軸受部吸引力
の指令値 が供給されて加算器9と、推定軸受部変位 の比例・微分演算を実行するPD要素81a,81b,
82a,82bとから構成される。
The unbalanced stiffness compensator 80 was inserted in the feedback of FIG. Corresponding to the element and the adder 9, and the command value of the above-mentioned bearing portion attraction force Is supplied to the adder 9 and the estimated bearing displacement PD elements 81a, 81b for executing the proportional / derivative calculation of
It is composed of 82a and 82b.

PD要素81a〜82bのP要素は推定軸受部変位 に増幅し、D要素は推定軸受部変位 の演算を施す。そして、軸受部吸引力の指令値 からPD要素81a〜82bの出力を引いた偏差値 を電流指令器90に供給する。The P element of the PD elements 81a to 82b is the estimated bearing displacement. And the D element is the estimated bearing displacement Is calculated. And the command value of the bearing part suction force Deviation value obtained by subtracting the outputs of PD elements 81a to 82b from Is supplied to the current command device 90.

電流指令器90は、第7図の 要素に相当するものである。すなわち、加算器9から供
給された上記偏差値を増幅して、コイル電流変動分の指
令値を出力する増幅器91a,91b,92a,92b
と、コイル電流の定常分から、これらの変動分指令値を
加減算する加算器93a〜96bから構成されている。
そして、加算器93a〜96bから、各コイル3l
3l、および3r〜3rへ供給する電流の指令値
が出力される。
The current command device 90 is shown in FIG. It corresponds to an element. That is, the amplifiers 91a, 91b, 92a, 92b that amplify the deviation value supplied from the adder 9 and output the command value corresponding to the coil current fluctuation.
And the adders 93a to 96b for adding and subtracting these fluctuation command values from the steady portion of the coil current.
Then, from the adders 93a to 96b, the respective coils 3l 1 to
3l 4, and 3r command value of the current supplied to the 1 ~3r 4 is output.

この実施例による磁気軸受制御装置は、上述したよう
に、I−PD方式の参照モデルにマッチングさせてある
から、良好な制御特性を得ることができる。すなわち、
制御性、安定性、速応性の面で優れた特性を有してい
る。
Since the magnetic bearing control device according to this embodiment is matched with the reference model of the I-PD system as described above, good control characteristics can be obtained. That is,
It has excellent characteristics in terms of controllability, stability, and quick response.

また、推定軸受部変位 を、不平衡剛性補償器80のPD要素81a〜82の各
入力側にフィードバックして、不平衡剛性の対角行列 により行われるようにしたから、不平衡剛性の補償制御
の簡単化を図ることができる。これにより、y軸とθz
軸、あるいはz軸とθyとの相互干渉を回避できる。
Also, the estimated bearing displacement Is fed back to each input side of the PD elements 81a to 82 of the unbalanced stiffness compensator 80 to obtain a diagonal matrix of unbalanced stiffness. Therefore, the compensation control of the unbalanced rigidity can be simplified. This gives the y-axis and θ z
Mutual interference between the axis or the z axis and θ y can be avoided.

さらに、ジャイロモーメント補償器60により、ジャイ
ロモーメントの影響を解消するようにしたから、回転子
1の回転数にかかわらず、常に安定した制御が可能とな
る。特に、このジャイロモーメント補償器60は、電磁
石のコイル特性による電流遅れを補償するようにしたか
ら、応答性のよい補償を行うことができる。
Furthermore, since the influence of the gyro moment is eliminated by the gyro moment compensator 60, stable control can always be performed regardless of the rotation speed of the rotor 1. In particular, since the gyro moment compensator 60 is adapted to compensate the current delay due to the coil characteristics of the electromagnet, it is possible to perform compensation with good responsiveness.

なお、既述した実施例においては、主制御器40,50
に加え、不平衡剛性補償器80とジャイロモーメント補
償器60とを併用する構成にしたが、不平衡剛性補償器
80を省略して主制御器40,50にジャイロモーメン
ト補償器60のみを加えた構成にしても、左右が非対称
の磁気軸受において、その重心位置における実際の変位
に対応した制御を行うことができると共に、回転数が変
化しても常に最適な制御を行うことができる。
In the embodiment described above, the main controllers 40, 50
In addition, although the unbalanced stiffness compensator 80 and the gyro moment compensator 60 are used together, the unbalanced stiffness compensator 80 is omitted and only the gyro moment compensator 60 is added to the main controllers 40 and 50. Even with the configuration, in the magnetic bearing whose left and right are asymmetrical, the control corresponding to the actual displacement at the center of gravity position can be performed, and the optimum control can always be performed even if the rotational speed changes.

[発明の効果] 以上説明したように、この発明は、変位検出器の検出結
果そのものではなく、推定重心変位に基づいてI−PD
制御およびジャイロモーメント補償を行っているので、
特に非対称の回転体においても、重心位置における実際
の変位に対応した制御が可能となる。
EFFECTS OF THE INVENTION As described above, the present invention is based on the estimated center-of-gravity displacement, not the detection result of the displacement detector itself.
Since control and gyro moment compensation are performed,
In particular, even with an asymmetrical rotating body, control corresponding to the actual displacement at the position of the center of gravity becomes possible.

また、フィードバック定数が回転数によらないから、回
転数が変化しても常に最適な制御を行うことができる。
Further, since the feedback constant does not depend on the rotation speed, optimum control can always be performed even if the rotation speed changes.

また、上記I−PDの各ゲインを、軸受部の電磁石コイ
ルの電流特性を考慮して決定すれば、コイルによる遅れ
を見込んだ、応答性の良いジャイロモーメント補償が可
能となる。
Further, if each gain of the I-PD is determined in consideration of the current characteristics of the electromagnet coil of the bearing portion, it is possible to perform gyro moment compensation with good responsiveness in consideration of a delay due to the coil.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

第1図はこの発明の実施例による磁気軸受制御装置の構
成を示すブロック図、第2図は磁気軸受の構成を示す斜
視図、第3図は同磁気軸受の座標系を説明するための概
念図であり、同図(a)と(c)は正面図、同図(b)
は平面図、第4図は制御対象たる磁気軸受の伝達特性を
示すブロック線図、第5図はI−PD方式の制御系の構
成を示すブロック線図、第6図は第4図の制御対象にI
−PD制御装置と、検出部とを付加して構成した装置の
特性を示すブロック線図、第7図は上記第1実施例装置
の特性を示すブロック線図、第8図は軸受部電磁石の特
性例を示すブロック線図、第9図は従来の制御方式を説
明するためのブロック線図である。 1……回転子、2……回転軸、3……軸受部、4……検
出部、30……変位推定器、40,50……主制御器、
60……ジャイロモーメント補償器、70……荷重指令
変換器、80……不平衡剛性補償器、90……電流指令
器。
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a magnetic bearing control device according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a perspective view showing a configuration of a magnetic bearing, and FIG. 3 is a concept for explaining a coordinate system of the magnetic bearing. It is a figure, the same figure (a) and (c) is a front view and the same figure (b).
Is a plan view, FIG. 4 is a block diagram showing the transfer characteristics of the magnetic bearing to be controlled, FIG. 5 is a block diagram showing the configuration of the control system of the I-PD system, and FIG. 6 is the control of FIG. I for the target
-A block diagram showing the characteristics of a device configured by adding a PD control device and a detection unit, Fig. 7 is a block diagram showing the properties of the device of the first embodiment, and Fig. 8 is a bearing electromagnet. FIG. 9 is a block diagram showing a characteristic example, and FIG. 9 is a block diagram for explaining a conventional control method. 1 ... Rotor, 2 ... Rotation axis, 3 ... Bearing section, 4 ... Detection section, 30 ... Displacement estimator, 40, 50 ... Main controller,
60 ... Gyro-moment compensator, 70 ... Load command converter, 80 ... Unbalance stiffness compensator, 90 ... Current command device.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭58−81217(JP,A) 特開 昭59−89821(JP,A) 特開 昭62−35114(JP,A) 特開 昭62−46016(JP,A) 計測自動制御学会論文集16[1](昭 55・2・29)P.112−117 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (56) Reference JP-A-58-81217 (JP, A) JP-A-59-89821 (JP, A) JP-A-62-35114 (JP, A) JP-A-62- 46016 (JP, A) Proceedings of the Society of Instrument and Control Engineers 16 [1] (Sho 55 ・ 29) 112-117

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】軸受部に配設された電磁石に流す電流を制
御することにより、回転子を無接触で支持するようにし
た磁気軸受において、 前記回転子の回転軸の径方向の変位を少なくとも2箇所
で検出し、それぞれの検出結果を出力する変位検出器
と、 この変位検出器の出力と、該変位検出器および前記回転
子の重心の相互の位置関係とに基づいて演算を行い、前
記回転子の重心変位を推定する変位推定器と、 この変位推定器から出力された推定重心変位にI−PD
動作を加え、これをフィードバックすることにより重心
の並進、回転運動を制御するI−PD方式の主制御器
と、 前記回転子の回転数を検出する回転数検出器と、 前記推定重心変位の回転成分にI−PD動作を加えたも
のと前記回転数検出器の出力とを乗じた値をフィードバ
ックすることにより、前記回転子の回転により発生する
ジャイロモーメントを補償するジャイロモーメント補償
器と を具備することを特徴とする磁気軸受の制御装置。
1. A magnetic bearing in which a rotor is supported in a contactless manner by controlling an electric current flowing through an electromagnet disposed in a bearing portion, and at least radial displacement of a rotary shaft of the rotor is achieved. Displacement detectors that detect at two locations and output the respective detection results, calculations are performed based on the output of this displacement detector and the mutual positional relationship between the displacement detector and the center of gravity of the rotor, and The displacement estimator for estimating the center of gravity displacement of the rotor and the estimated center of gravity displacement output from the displacement estimator are I-PD.
An I-PD type main controller that controls the translation and rotational movement of the center of gravity by adding an operation and feeding back the operation, a rotation speed detector that detects the rotation speed of the rotor, and a rotation of the estimated center of gravity displacement. A gyro moment compensator for compensating for a gyro moment generated by the rotation of the rotor by feeding back a value obtained by multiplying the component by I-PD operation and the output of the rotation speed detector. A magnetic bearing control device characterized by the above.
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計測自動制御学会論文集16[1(昭55・2・29)P.112−117

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