JP2957222B2 - 能動軸受のロータ支持制御装置 - Google Patents

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たロータの振動低
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ータは、
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
ータ法、準モード制御法、出力フィードバック法、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図は従来一般的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,6b,6
c,6d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,6b,6c,6d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からのフィードバック制御信号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5a,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があり、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
動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が生じると、
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た能動軸受のア
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,6b,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6a,6b,6c,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,15c,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,8
c,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10を介してアクチュエータ5a,5b,5c,5d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、フィード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
とができる。

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
シ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A1,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、その近傍ではノッチフ
ィルタのノッ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,15
b,15c,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、ロータの一端が能動軸受で支持されている場合に
も適用できること、その他本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］ 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,5dはアクチュエ
ータ、6a,6b,6c,6dは位置センサー、7a,7b,7c,7dは位置
検出信号、8a,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)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項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。