JP2006300119A

JP2006300119A - 磁気軸受装置の制御装置

Info

Publication number: JP2006300119A
Application number: JP2005119195A
Authority: JP
Inventors: Hironori Kameno; 浩徳亀野
Original assignee: JTEKT Corp
Current assignee: JTEKT Corp
Priority date: 2005-04-18
Filing date: 2005-04-18
Publication date: 2006-11-02

Abstract

【課題】広範囲の周波数域にわたって制御安定性を劣化させることなく、消費電力を低減できる磁気軸受装置の制御装置を提供する。
【解決手段】磁気軸受装置の制御装置は、回転体1の変位に基づいて制御型磁気軸受2,3,4の電磁石12,13,14に供給する励磁電流を制御するものであって、回転体1の変位によって変化しない定常電流と回転体1の変位によって変化する制御電流とを合わせた励磁電流を電磁石12,13,14に供給する。制御装置は、プラントとコントローラを含むフィードバック制御系の制御安定性を評価する安定性評価手段と、制御安定性の評価結果に基づいて定常電流値を変化させる定常電流値制御手段と、制御安定性の評価結果に基づいてプラントの同定とコントローラの最適化を実施する最適化手段とを備えている。
【選択図】図１

Description

この発明は、フライホイールエネルギ貯蔵装置などに使用される磁気軸受装置の制御装置に関する。

フライホイールエネルギ貯蔵装置に使用される磁気軸受装置として、フライホイールを有する回転体と、回転体をラジアル制御軸方向（径方向）に非接触支持する２組の制御型ラジアル磁気軸受と、回転体をアキシアル制御軸方向（軸方向）に非接触支持する１組の制御型アキシアル磁気軸受と、回転体を高速回転させる内蔵電動モータと、回転体のラジアル制御軸方向およびアキシアル制御軸方向の変位を検出する変位検出装置と、変位検出装置の出力に基づいてラジアル磁気軸受およびアキシアル磁気軸受の電磁石を制御する電磁石制御装置とを備えたいわゆる５軸制御型磁気軸受装置が知られている。

従来の磁気軸受装置では、電磁石制御装置は、回転体の変位によって変化しない一定の定常電流（バイアス電流）と回転体の変位によって変化する制御電流とを合わせた励磁電流を磁気軸受の電磁石に供給するようになっていた。

磁気軸受装置をフライホイールエネルギ貯蔵装置に適用する場合、電磁石の消費電力の低減および制御安定性が重要である。

消費電力低減の対策として、電磁石に供給する定常電流を０にして省電力化を図ったゼロバイアス制御の磁気軸受装置が提案されている（たとえば特許文献１参照)。
特開平１１−０２２７３０号公報

ところが、電磁石に供給する定常電流を０にすると、制御安定性が劣化するという問題がある。

ところで、フライホイールの取り付けられた回転体は、ジャイロの影響により、固有振動数が回転数増大とともに大きく分岐する。そのため、広範囲の周波数域にわたって充分なダンピング効果を持たせた制御パラメータを設定する必要があったが、この設定は非常に難しいことが多かった。

そこで、制御安定性向上の対策として、現状では、０ｒｐｍから高速回転域までの広範囲の周波数域にわたって制御安定性を満たす制御パラメータを試行法（trial error method）によって設定している。

ところが、この試行法には、非常に長時間を要するという問題があり、また、場合によっては、広範囲の周波数域にわたって制御安定性を満たす制御パラメータを設定できないこともある。

この発明の目的は、上記の問題を解決し、広範囲の周波数域にわたって制御安定性を劣化させることなく、消費電力を低減できる磁気軸受装置の制御装置を提供することにある。

この発明による磁気軸受装置の制御装置は、回転体の変位に基づいて制御型磁気軸受の電磁石に供給する励磁電流を制御する磁気軸受装置の制御装置であって、回転体の変位によって変化しない定常電流と回転体の変位によって変化する制御電流とを合わせた励磁電流を電磁石に供給するものにおいて、プラントとコントローラを含むフィードバック制御系の制御安定性を評価する安定性評価手段と、制御安定性の評価結果に基づいて定常電流値を変化させる定常電流値制御手段と、制御安定性の評価結果に基づいてプラントの同定とコントローラの最適化を実施する最適化手段とを備えていることを特徴とするものである。

安定性評価手段は、たとえば、フィードバック制御系の閉ループ伝達関数あるいは感度関数などにより制御安定性を評価する。

定常電流値制御手段は、たとえば、制御安定性が所定値以上であれば、定常電流値を減少させ、制御安定性が所定値未満であれば、定常電流値を増加させる。

最適化手段は、たとえば、コントローラおよび閉ループ伝達関数を用いてプラントの同定を行い、Ｈ∞制御（Ｈ infinity control）によりコントローラの最適化を行う。

定常電流値制御手段が、制御安定性の評価結果に基づいて定常電流値を変化させることにより、制御安定性を劣化させることなく、定常電流値を極力小さくして、消費電力を低減することができる。また、最適化手段が、制御安定性の評価結果に基づいてプラントの同定とコントローラの最適化を行うことにより、広範囲の周波数域にわたって制御安定性を満たす制御パラメータを設定することができる。

この発明の磁気軸受装置の制御装置によれば、上述のように、広範囲の周波数域にわたって制御安定性を劣化させることなく、消費電力を低減することができる。

以下、図面を参照して、この発明を５軸制御型磁気軸受装置に適用した実施形態について説明する。

図１は磁気軸受装置の主要部を概略的に示す縦断面図、図２は磁気軸受装置の電気的構成を示すブロック図である。

磁気軸受装置は、図示しない鉛直な筒状のハウジングの内側で鉛直な回転体(1)が回転する縦型のものであり、回転体(1)の周囲のハウジングの部分に、回転体(1)をラジアル制御軸方向に非接触支持する２組の制御型ラジアル磁気軸受(2)(3)、回転体(1)をアキシアル制御軸方向に非接触支持する１組の制御型アキシアル磁気軸受(4)、変位検出装置(5)を構成する２組のラジアル変位センサユニット(6)(7)および１組のアキシアル変位センサユニット(8)、ならびに回転体(1)を回転させる内蔵電動モータのステータ(9)、回転体(1)の回転数を検出するための回転センサ（図示略）、タッチダウン用の保護軸受（図示略）などが配置されている。

この明細書において、アキシアル制御軸（軸方向の制御軸）をＺ軸、Ｚ軸に直交するとともに互いに直交する２つのラジアル制御軸（径方向の制御軸）をＸ軸およびＹ軸とする。

各ラジアル磁気軸受(2)(3)は、それぞれ、回転体(1)の外周部に設けられたターゲット部(10)(11)に対向し、かつ回転体(1)をＸ軸方向およびＹ軸方向の両側から挟むように周方向に等間隔をおいて配置された４個（２対）の電磁石（ラジアル電磁石）(12)(13)を備えている。

アキシアル磁気軸受(4)は、回転体(1)に形成されたフランジ部(1a)をＺ軸方向の両側から挟むように配置された１対の環状の電磁石（アキシアル電磁石)(14)を備えている。

各ラジアル変位センサユニット(6)(7)は、回転体(1)の外周部に設けられたターゲット部(15)(16)に対向し、かつ回転体(1)をＸ軸方向およびＹ軸方向の両側から挟むように周方向に等間隔をおいて配置された４個（２対）のラジアル変位センサ(17)(18)を備えている。

各ラジアル変位センサ(17)(18)は、インダクタンス型変位センサである。

アキシアル変位センサユニット(8)は、回転体(1)の下端面に設けられたターゲット部（図示略）に対向するように配置された１個のアキシアル変位センサ(19)を備えている。

アキシアル変位センサ(19)は、ラジアル変位センサ(17)(18)と同様のインダクタンス型変位センサである。

各ターゲット部(10)(11)(15)(16)は、磁性材料である環状の珪素鋼板が積層されたものであり、各ターゲット部(10)(11)(15)(16)に隣接する回転体(1)の外周部は非磁性材料で構成されている。

変位検出装置(5)は、上記の変位センサユニット(6)(7)(8)と、ラジアル変位センサ(17)(18)およびアキシアル変位センサ(19)の出力から回転体(1)のＸ軸方向、Ｙ軸方向およびＺ軸方向の変位を演算する変位演算手段(20)と、ラジアル変位センサ(17)(18)およびアキシアル変位センサ(19)を個別に駆動して変位センサ(17)(18)(19)からの信号を出力する９個のセンサ駆動回路(21)と、センサ駆動回路(21)からの変位センサ(17)(18)(19)の出力をＡＤ変換して変位演算手段(20)に出力する９個のＡＤ変換器(22)とを備えている。

磁気軸受装置には、変位検出装置(5)で検出された回転体(1)のＸ軸方向、Ｙ軸方向およびＺ軸方向の変位に基づいて各磁気軸受(2)(3)(4)の電磁石(12)(13)(14)を制御する電磁石制御装置(23)が設けられている。

電磁石制御装置(23)からの電磁石制御信号は、ＤＡ変換器(24)を介して電力増幅器(25)に入力し、電力増幅器(25)から電磁石(12)(13)(14)に励磁電流が供給される。

変位演算手段(20)および電磁石制御装置(23)は、ソフトウェアプログラムが可能なディジタル処理手段によって構成されている。この例では、ＤＳＰによって構成されている。

各電磁石(12)(13)(14)に供給される励磁電流は、回転体(1)の変位によって変化しない定常電流と回転体(1)の変位によって変化する制御電流とを合わせたものである。

上記の磁気軸受装置において、各制御軸の電磁石(12)(13)(14)を制御するフィードバック制御系は、図３のようなモデルとして表わされる。図３において、(26)は制御対象であるプラント、(27)は制御装置(23)の一部であるコントローラである。

プラント(26)およびコントローラ(27)の伝達関数をそれぞれＰおよびＣとすると、フィードバック制御系全体の伝達関数Ｇclおよび感度関数Ｇsenは、次のように表わされる。

Ｇcl＝Ｃ・Ｐ／（１＋Ｃ・Ｐ）
Ｇsen＝Ｇcl／（Ｃ・Ｐ）＝１／（１＋Ｃ・Ｐ）
制御装置(23)は、図３のフィードバック制御系の制御安定性を評価して、最適化制御を行う。さらに詳しくは、制御安定性の評価に基づいて、各電磁石(12)(13)(14)に供給する励磁電流のうちの制御電流値を変化させるとともに、プラント(26)の同定とコントローラ(27)の最適化を行う。

次に、図４のフローチャートを参照して、上記の最適化制御の１例を説明する。

磁気軸受装置の電源が投入されると、まず、コントローラ(27)の制御パラメータＣに予め定められている初期設定値Ｃinitがセットされるとともに、カウント値Countが０にセットされ(S01)、電磁石(12)(13)(14)に励磁電流が供給されて、磁気浮上が開始される(S02)。

次に、制御安定性評価のために感度関数Ｇsenが測定され(A01)、これが所定値a（たとえば８dB）と比較される(A02)。A02において、Ｇsenがａ以下の場合は、制御安定性が高いと判断され、A03に進んで、定常電流値ｉoが所定値ｂ（たとえば０．０１Ａ）減少され、Countが０にセットされて(A04)、A01に戻る。A02において、Ｇsenがａより大きい場合は、制御安定性が低いと判断され、A05に進んで、Countが１増加させられ、ｉoが許容最大値ｉmaxと比較される(A06)。A06において、ｉoがｉmaxより小さい場合は、Countが３以上であるかどうかが調べられ(A07)、そうでなければ、A08に進んで、ｉoがｂ増加され、A01に戻る。

A06においてｉoがｉmax以上である場合およびA07においてCountが３以上である場合は、S03に進んで、Countが０にセットされ、前記の式に基づいてプラント(26)のＰの同定が行われ(B01)、Ｈ∞制御などによりＣの最適化が行われる(B02)。次に、Ｇsenが測定され(B03)、これがaと比較される(B04)。B04において、Ｇsenがａより大きい場合は、B05に進んで、Countが５以上であるかどうかが調べられ、そうでなければ、B06に進んで、Countが１増加させられ、B01に戻る。B05において、Countが５以上である場合は、S04に進んで、Countが０にセットされ、A01に戻る。B04において、Ｇsenがａ以下である場合は、S05に進んで、ｉoがｂ減少され、Countが０にセットされて(S06)、A01に戻る。

上記のA01〜A08において、制御安定性の評価に基づいて定常電流値の制御が行われ、B01〜B06において、制御安定性の評価に基づいてＰの同定とＣの最適化が行われる。

上記の実施形態では、フィードバック制御系の感度関数を測定し、それによって制御安定性を評価しているが、伝達関数を測定して、それから感度関数を演算し、その感度関数によって制御安定性を評価するようにしてもよい。また、伝達関数を測定し、それによって制御安定性を評価するようにしてもよいし、感度関数を測定して、それから伝達関数を演算し、その伝達関数によって制御安定性を評価するようにしてもよい。

定常電流値の制御ならびにプラントの同定およびコントローラの最適化は、上記実施形態のものに限らず、適宜変更可能である。

磁気軸受装置の全体構成および各部の構成は、上記実施形態のものに限らず、適宜変更可能である。

また、この発明による変位検出装置は、回転体が水平に配置される横型の磁気軸受装置にも適用される。

図１は、この発明の実施形態を示す磁気軸受装置の主要部の概略縦断面図である。図２は、図１の磁気軸受装置の電気的構成を示すブロック図である。図３は、磁気軸受装置の一部をモデル化したフィードバック制御系を示すブロック図である。図４は、制御装置における最適化制御の１例を示すフローチャートである。

符号の説明

(1) 回転体
(2)(3) ラジアル磁気軸受
(4) アキシアル磁気軸受
(23) 電磁石制御装置
(26) プラント
(27) コントローラ

Claims

回転体の変位に基づいて制御型磁気軸受の電磁石に供給する励磁電流を制御する磁気軸受装置の制御装置であって、回転体の変位によって変化しない定常電流と回転体の変位によって変化する制御電流とを合わせた励磁電流を電磁石に供給するものにおいて、
プラントとコントローラを含むフィードバック制御系の制御安定性を評価する安定性評価手段と、制御安定性の評価結果に基づいて定常電流値を変化させる定常電流値制御手段と、制御安定性の評価結果に基づいてプラントの同定とコントローラの最適化を実施する最適化手段とを備えていることを特徴とする磁気軸受装置の制御装置。