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JP3049448B2 - 電磁軸受制御装置および方法 - Google Patents

電磁軸受制御装置および方法

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JP3049448B2
JP3049448B2 JP3111710A JP11171091A JP3049448B2 JP 3049448 B2 JP3049448 B2 JP 3049448B2 JP 3111710 A JP3111710 A JP 3111710A JP 11171091 A JP11171091 A JP 11171091A JP 3049448 B2 JP3049448 B2 JP 3049448B2
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JP
Japan
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rotor
electromagnetic bearing
control device
reference position
circuit
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直彦 高橋
修巳 松下
亨之 高木
郁浩 斎藤
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Hitachi Ltd
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Hitachi Ltd
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  • Magnetic Bearings And Hydrostatic Bearings (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、電磁軸受においてロー
タを安定して浮上させるための制御装置および方法に関
するものである。
【0002】
【従来の技術】電磁軸受制御装置は、ロータの半径方向
位置を検出し、その検出信号に応じた電流を電磁軸受の
コイルに供給することにより、ロータを中立位置に保持
している。そして、電流の供給を制御する回路には一般
にPID回路が用いられている。しかし、PID回路で
は、微分回路による高周波ゲインの増大によって、検出
信号のノイズが増幅されたり、ロータの曲げ振動が励振
されたりすることが多いため、その対策としてノッチフ
ィルタなどを併用することが知られている。
【0003】また、曲げ振動の挙動までも含むロータの
運動モデルを作成し、現代制御理論に基づきカルマンフ
ィルタあるいはオブザーバなどの状態推定器を構成し、
推定状態量のフィードバック回路を組む手法が提案され
ている。このような現代制御理論の応用としては、尾崎
行男 他2名「柔軟構造形磁気浮上システムのオブザー
バを用いた安定化制御」,電気学会リニアドライブ研究
会資料LD88−32,第21頁〜第29頁があり、そ
こではビームの曲げ1次振動を考慮した最小次元オブザ
ーバの構成によって、ロータの安定浮上を実現してい
る。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来技術では、ロータの内部減衰が小さくて不安定な曲げ
振動モードが数多くある場合には、ノッチフィルタの数
あるいは曲げモードのモデルの次元数を多く用意しなけ
ればならなくなり、制御回路の負担が大きくなるという
欠点がある。
【0005】すなわち、図7はロータの曲げ1次モード
までを考慮した同一次元オブザーバを用いて構成した制
御回路の周波数特性の一例を示したものであり、横軸が
周波数、縦軸がゲインとなっている。図から分かるよう
に、オブザーバの一次遅れ特性(PID回路では高周波
ノイズ防止のためにローパスフィルタを入れたことと同
等)のために高周波領域で位相が90度遅れている。こ
のように高周波領域で位相が90度遅れていると、曲げ
2次あるいはそれ以降のモードの内部減衰が小さい場
合、それらのモードが不安定となってしまうため、その
場合はモデル化の次元数を増やすか、またはノッチフィ
ルタを入れなければならない。
【0006】本発明の目的は、制御回路の次元数が少な
くても、高次曲げモードに対し高い安定性を補償するこ
とができる電磁軸受制御装置および方法を提供すること
である。
【0007】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、ロータの径方向の変位を検出する位置検
出センサと、ロータの基準位置信号を出力する基準位置
信号発生器と、前記位置検出センサからの検出信号と前
記基準位置信号発生器からの基準位置信号との偏差に基
づいて、前記ロータを支持する電磁石への励磁電流を制
御する制御手段と、を備えた電磁軸受制御装置におい
て、前記ロータの曲げモードに対する複数の固有振動数
のうち隣り合う固有振動数間の周波数領域で、前記制御
手段における制御信号の位相特性を180度以上遅らせ
る手段を設けたものである。
【0008】また、前記手段は2次のローパスフィルタ
であり、そのローパスフィルタの出力の共振周波数成分
は前記ロータの反共振特性によって減衰されるようにし
たものである。
【0009】さらに、前記制御手段の伝達関数の高周波
領域における位相は270度遅れている。
【0010】また、本発明は、ロータの径方向の変位を
検出するとともに、その変位と予め設定しておいた前記
ロータの基準位置との偏差に基づいて、前記ロータを支
持する電磁石への励磁電流を制御する電磁軸受制御方法
において、前記ロータの曲げモードに対する複数の固有
振動数のうち隣り合う固有振動数間の周波数領域で、前
記励磁電流を制御する信号の位相特性を180度以上遅
らせるようにすることである。
【0011】
【作用】上記構成によれば、高周波領域において位相特
性が180度以上遅れるため、高次曲げモードに対し正
減衰を与えるように作用して、高次曲げモードの安定性
を高めることができる。
【0012】また、高次曲げモードの安定性を高めるこ
とにより、全体としてループゲインを大きくすることが
可能になり、電磁軸受の高剛性化を図ることができる。
【0013】
【実施例】以下に本発明の一実施例を図面に従って説明
する。図1は本発明の電磁軸受制御装置の全体構成を示
している。図において、1はロータであり、所定間隔離
れて対向して設けられた電磁石2a,2bによって一端
が浮上保持されているとともに、他端が玉軸受14によ
って支持されている。このロータ1は図示していない回
転機構により回転駆動される。また、紙面と垂直な方向
にも一対の電磁石が設けられており、図示してある電磁
軸受制御系と同様の働きをするような回路構成となって
いる。
【0014】ロータ1の近傍には位置検出センサ3が設
けられ、ロータ1の径方向変位を検出し、その検出信号
を変換器4を介して制御回路5へ送出するようになって
いる。制御回路5は、基準位置信号発生器6からの基準
位置信号と変換器4からの検出信号との差に基づいて、
制御信号を発生する信号処理回路である。
【0015】そして、制御回路5からの制御信号は電磁
駆動回路7に送られ、電磁駆動回路7では、この制御信
号に応じて電磁石2a,2bへ励磁電流を供給するよう
に構成されている。
【0016】次に制御回路5の内部構成について説明す
る。制御回路5には、オブザーバ回路8、レギュレータ
回路9、積分器10、ゲイン調整器11、2次ローパス
フィルタ12およびローパスフィルタ帰還回路13が設
けられている。
【0017】オブザーバ回路8はロータ1の数学モデル
を内部に持ち、位置検出センサ3では直接測定できない
ロータ1の状態量を推定する。ロータ1の数学モデルが
示されれば、その構成法は公知のものを利用できる。
【0018】ここで、ロータ1の数学モデルの作り方を
述べる。ロータ1の電磁軸受点の変位をx2、電磁軸受
点以外の点のロータ1の変位をベクトルx1、電磁石2
a,2bがロータ1に与える力をuとすると、ロータ1
の運動方程式は次のように表すことができる。
【0019】
【数1】
【0020】上記(1)式は有限要素解析により求める
ことができる。しかし、このままでは次元数が大きく、
オブザーバ回路8を構成するのには適さないので適当に
低次元化する必要がある。
【0021】今、ロータ1の挙動は、図4のように剛体
運動と曲げ振動の合成によって表現されるものとする。
すなわち、図5および図6のように、電磁軸受点に単位
変位を与えたときのモードδと電磁軸受点を拘束したと
きの自由振動モードφによって、
【0022】
【数2】
【0023】のように表現されるものとする。ここでs
はモードφの重み値である。また、曲げ2次以降の振動
モードは無視している。
【0024】式(2)によって、式(1)は次のように
低次元化された式になる。
【0025】
【数3】
【0026】ロータ1の電磁軸受点の変位x2のみが観
測できるので、現代制御理論形式の状態方程式は次のよ
うになる。
【0027】
【数4】
【0028】
【数5】
【0029】ここで、kはオブザーバゲインベクトルで
あり、オブザーバの極を指定するパラメータである。
【0030】上記(5)式を伝達関数記述に変換すれ
ば、オペアンプによってオブザーバ回路8を実現するこ
とができる。また、離散時間系に変換すれば、ディジタ
ルシグナルプロセッサなどのディジタル処理装置によっ
て実現することもできる。ここではオブザーバ回路8は
4次であるが、回路構成に余裕があるときには、(2)
式において曲げ2次以降のモードを考慮することによ
り、より高精度のオブザーバ回路を実現することが可能
である。
【0031】オブザーバ回路8により推定した状態量は
レギュレータ回路9の入力信号となる。レギュレータ回
路9は、各状態量に重みをかけて加算し信号を出力する
回路である。各状態量にかける重みは、最適レギューレ
ータ理論あるいは極配置法により、ロータ1を安定に支
持する値にする。ロータ1は、このレギュレータ回路9
によってモデル化された曲げ1次モードまでの安定性が
補償される。
【0032】同一次元オブザーバと状態フィードバック
則による上述のような補償回路の入出力特性は、図7に
示すように、高周波領域において位相が90度遅れる一
次遅れ形である。このような補償回路をそのまま安定化
補償器として用いると、位相遅れにより高次曲げモード
が発振しやすい。
【0033】そこで、本実施例では、制御回路5に更に
2次ローパスフィルタ12を設け、全体として3次遅れ
形の回路系を構成し、高周波の位相特性が270度遅れ
るようにしている。これにより、制御回路5は、高次曲
げモードに対して正減衰を与えるように働く。また、ゲ
イン特性も低下するので高次曲げモードを励振する力も
弱められる。
【0034】2次ローパスフィルタ12の極の振動数を
ωF、減衰比をζF、入力信号をυ、出力信号をzで表す
と、2次ローパスフィルタ12は次式によって記述され
る。
【0035】
【数6】
【0036】積分器10は、重力などによるロータの1
定常的な偏差を補償するために設けられている。ゲイン
調整器11により、積分補償量が最適になるように調節
される。
【0037】制御回路5を3次遅れ形とすることで、高
次曲げモードは安定化されるが、ロータ1の固有値は互
いに接近していることが普通である。したがって、位相
をゆるやかに遅らせる回路は、低次から高次へ至る曲げ
モードのいずれかを不安定にする。そこで、2次ローパ
スフィルタ12は、鋭く共振する位相まわりの急な特性
を有するものとするとよい。すなわち、制御回路5の特
性を、図2のようにロータ1の曲げ1次と曲げ2次の固
有振動数の間で鋭く共振する特性とし、曲げ1次と曲げ
2次の間の周波数範囲で位相特性が反転するようにす
る。また、制御回路5自身が不安定にならないようにす
るため、その共振周波数をロータ系の反共振点(図3に
示した点fp)に合わせ、制御回路5にその共振周波数
成分が入力されないようにする。
【0038】制御回路5を、ある特徴別に3つの伝達関
数の直列結合で考えると、図6のように理解することが
できる。すなわち、曲げ1次モードを減衰させるノッチ
フィルタと、いわゆる位相進み遅れ回路(1次遅れ形)
と、2次のローパスフィルタとをそれぞれ用意すること
により、制御回路5を全く等価に実現することができ
る。
【0039】なお、本実施例の電磁軸受制御装置はポン
プや遠心圧縮機等に利用することが可能である。
【0040】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
制御手段における制御信号の位相特性を180度以上遅
らせる手段を設けたことにより、ロータの高次曲げモー
ドに対し正減衰を与えることができ、しかもゲイン特性
も低下していくので、高次曲げモードの発振を起りにく
くすることが可能である。
【0041】また、高次曲げモードの安定性が高いこと
から、軸受のフィードバック量を大きくすることができ
るため、高剛性化を図ることが可能である。
【0042】さらに、ロータの反共振点を利用して、鋭
い位相反転を実現することにより、高次曲げモードの安
定化のために低次モードの安定性が損なわれることを防
止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の電磁軸受制御装置を示す全体構成図で
ある。
【図2】制御回路の周波数特性を示すグラフである。
【図3】ロータとその数字モデルのゲイン特性を示すグ
ラフである。
【図4】モード合成を説明する図である。
【図5】モード合成のもととなるあるモードの図であ
る。
【図6】モード合成のもととなる他のモードの図であ
る。
【図7】制御回路の伝達関数を分解して示した説明図で
ある。
【図8】従来の制御回路の周波数特性を示すグラフであ
る。
【符号の説明】
1 ロータ本体 2a,2b 電磁石 3 位置検出センサ 4 変換器 5 制御回路 6 基準位置信号発生器 7 電磁駆動回路 8 オブザーバ回路 9 レギュレータ回路 10 積分器 11 ゲイン調整器 12 2次ローパスフィルタ 13 ローパスフィルタ帰還回路 14 玉軸受
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 斎藤 郁浩 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社 日立製作所 機械研究所内 (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) F16C 32/04

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 ロータの径方向の変位を検出する位置検
    出センサと、ロータの基準位置信号を出力する基準位置
    信号発生器と、前記位置検出センサからの検出信号と前
    記基準位置信号発生器からの基準位置信号との偏差に基
    づいて、前記ロータを支持する電磁石への励磁電流を制
    御する制御手段と、を備えた電磁軸受制御装置におい
    て、前記ロータの曲げモードに対する複数の固有振動数
    のうち隣り合う固有振動数間の周波数領域で、前記制御
    手段における制御信号の位相特性を180度以上遅らせ
    る手段を設けたことを特徴とする電磁軸受制御装置。
  2. 【請求項2】 請求項1記載の電磁軸受制御装置におい
    て、前記手段は2次のローパスフィルタであり、そのロ
    ーパスフィルタの出力の共振周波数成分は前記ロータの
    反共振特性によって減衰されることを特徴とする電磁軸
    受制御装置。
  3. 【請求項3】 請求項1記載の電磁軸受制御装置におい
    て、前記制御手段の伝達関数の高周波領域における位相
    は270度遅れていることを特徴とする電磁軸受制御装
    置。
  4. 【請求項4】 ロータの径方向の変位を検出するととも
    に、その変位と予め設定しておいた前記ロータの基準位
    置との偏差に基づいて、前記ロータを支持する電磁石へ
    の励磁電流を制御する電磁軸受制御方法において、前記
    ロータの曲げモードに対する複数の固有振動数のうち
    り合う固有振動数間の周波数領域で、前記励磁電流を制
    御する信号の位相特性を180度以上遅らせることを特
    徴とする電磁軸受制御方法。
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