JP6475968B2 - 能動型磁気ベアリングのためのデジタル非線形補正器 - Google Patents

能動型磁気ベアリングのためのデジタル非線形補正器 Download PDF

Info

Publication number
JP6475968B2
JP6475968B2 JP2014253907A JP2014253907A JP6475968B2 JP 6475968 B2 JP6475968 B2 JP 6475968B2 JP 2014253907 A JP2014253907 A JP 2014253907A JP 2014253907 A JP2014253907 A JP 2014253907A JP 6475968 B2 JP6475968 B2 JP 6475968B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
active magnetic
digital
corrector
linear
digital non
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2014253907A
Other languages
English (en)
Other versions
JP2015117832A (ja
Inventor
ラクダー・サディ−ハッダッド
ホアキム・ダジルバ
オリヴィエール・ルマールシャン
Original Assignee
エスカエフ・マニュティック・メシャトロニク
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by エスカエフ・マニュティック・メシャトロニク filed Critical エスカエフ・マニュティック・メシャトロニク
Publication of JP2015117832A publication Critical patent/JP2015117832A/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP6475968B2 publication Critical patent/JP6475968B2/ja
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C32/00—Bearings not otherwise provided for
    • F16C32/04—Bearings not otherwise provided for using magnetic or electric supporting means
    • F16C32/0406—Magnetic bearings
    • F16C32/044—Active magnetic bearings
    • F16C32/0444—Details of devices to control the actuation of the electromagnets
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C32/00—Bearings not otherwise provided for
    • F16C32/04—Bearings not otherwise provided for using magnetic or electric supporting means
    • F16C32/0406—Magnetic bearings
    • F16C32/044—Active magnetic bearings
    • F16C32/0444—Details of devices to control the actuation of the electromagnets
    • F16C32/0451—Details of controllers, i.e. the units determining the power to be supplied, e.g. comparing elements, feedback arrangements with P.I.D. control
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C32/00—Bearings not otherwise provided for
    • F16C32/04—Bearings not otherwise provided for using magnetic or electric supporting means
    • F16C32/0406—Magnetic bearings
    • F16C32/044—Active magnetic bearings
    • F16C32/0444—Details of devices to control the actuation of the electromagnets
    • F16C32/0451—Details of controllers, i.e. the units determining the power to be supplied, e.g. comparing elements, feedback arrangements with P.I.D. control
    • F16C32/0455—Details of controllers, i.e. the units determining the power to be supplied, e.g. comparing elements, feedback arrangements with P.I.D. control including digital signal processing [DSP] and analog/digital conversion [A/D, D/A]

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Magnetic Bearings And Hydrostatic Bearings (AREA)

Description

本発明は、能動型磁気ベアリングを有するサーボ回路に備えられる補正器に関する。
従来、少なくとも１つの電磁コイルを有する能動型磁気ベアリング(active magnetic bearing, PMA)の制御ループは、ローター部分の位置の検出器、補正ネットワーク、および電磁コイルに給電する増幅器を有する。補正ネットワークの出力信号は、電磁コイルを駆動する。増幅器によって供給されことが求められる電流は、PMAの空隙磁束(air gap flux)の変化に比例する電流で各々ループする。
PMAは、比例・積分・微分(PID)転送機能を有する補正ネットワークを用いる。この機能は、高い利得、高い剛性、および短い応答時間を伴うサーボ回路の自然(固有)周波数に近づく最適な動作を取得するように定められる。
従ってこのネットワークは、第１に自然周波数において定められた位相の進み(lead phase)がシステムを抑制する(damp)ように見えるように、第２に補正ネットワークの積分動作のカットオフ周波数が高い剛性を得るためにできるだけ自然周波数に近いものであるように、定められる。
サーボ回路の自然周波数における可動質量の振動の最大振幅で定義することができるPMAでの振動の振幅が線形の範囲に留まっている限り、このような補正は満足いくものである。
サーボ回路の自然周波数および剛性がより高くなれば、この線形の範囲はより小さくなる。この制限は、第１にPMAのベアリング表面および磁気材料の飽和誘導(saturation induction)に依存する電磁石の最大の力によるものであり、第２にその供給電圧および最大電流出力に基づく電力増幅器の最大電力によるものである。
線形の範囲の外側では、例えば、磁気ベアリングの負荷容量(load capacity)よりも大きな乱力(disturbance force)により生じる大きな振幅振動が存在する場合、電磁石の力の飽和または増幅器の電力の飽和が、利得およびサーボ回路の自然周波数を下げることを引き起こし、さらに補正ネットワークの微分動作によって提供される位相前進を低減または無くす効果を有する位相の遅れをも引き起こす。このことは特にPMAに弊害（「ジャックハンマー(jackhammer)」と呼ばれる効果）をもたらす結果である不安定さをもたらす。
この不安定さを改善するための既知の方法がFR2706549によって開示され、振動振幅の関数として比例する利得を調節し、その線形の範囲外の動作期間のみで補完的位相前進を提供する補正ネットワークを提供している。
本発明は、上記の欠点をなくすこと、ならびにサーボ回路の剛性および自然周波数を低減するとともに位相前進を大きくするデジタル非線形補正器を提案することを目的としている。
本発明に基づき、入力信号x(t)を受信し、能動型磁気ベアリングの位置を制御するための出力制御信号u(t)を出力する、能動型磁気ベアリングのデジタル非線形補正器が提供される。入力信号は、ADC回路によってデジタル化されるとともに加算器に提供される。デジタル非線形補正器は、中間数列(intermediary sequence of numbers)y[kT]を供給し、第１比例利得回路とローパスフィルタおよびデッドゾーン回路の直列接続を含むフィードバック部とを有するダイレクト部を有する閉制御ループを有し、ローパスフィルタは、出力制御信号の定められた上限値および下限値に達する場合に有効にされ、この定められた上限および下限に達しない場合、出力制御信号が入力信号を再生成する。
このような構成により、線形の範囲内の出力は入力と等しく、線形の範囲外では閉ループ転送機能が位相の進みの転送機能に対応する。
本発明の他の特徴によれば、加算器の出力が最終数列(final sequence of numbers)u[kT]を提供し、能動型磁気ベアリングの位置を制御する出力制御信号が最終数列u[kT]から供給される。
好ましくは、ローパスフィルタは、能動型磁気ベアリングの不安定さを避けるための十分な位相の進みを作り出すように決定されるカットオフ周波数を有する。
有利には、デッドゾーン回路の入力i[kT]および出力o[kT]の数列は、以下の条件を検証する。
絶対値(i[kT]) ＜ Δ/2 の場合 ⇒ o[kT] = 0
i[kT] ≧ Δ/2 の場合 ⇒ o[kT] = i[kT]-Δ/2
i[kT] ≦ -Δ/2 の場合 ⇒ o[kT] = i[kT]+Δ/2
ここで、Δは、能動型磁気ベアリングの空隙の割合(好ましくは、30から50%の範囲内)に対応する定められた閾値である。
本発明の実施形態を図示する添付の図面を参照しながら以下の説明で、本発明がより理解され、さらなる詳細および利点がより明らかになる。
本発明による能動型磁気ベアリングのデジタル非線形補正器の実施形態を示す図である。 図１のデジタル非線形補正器の重要な信号を示す図である。
図１は、大きな振幅振動を受ける場合にPMAに対する吸収動作(absorbed movement)を提供するための、本発明によるデジタル非線形補正器の好ましい実施形態を示す。
このデジタル非線形補正器10は、位置制御ループ(図示せず)に組み込まれる。PMAの測定された位置x(t)(図２の曲線30)は、周期T(知られているように、PMAの帯域幅に従ってサンプリング周波数が選ばれる)の同期クロック14によって定められるサンプル点(sampling instants)kにおいて、アナログ−デジタル変換器(ADC12)によって、デジタル形式x[kT]に変換される。ADC12によって供給される第１数列は、補正器のフィードバック部でローパスフィルタ18によって供給される第２数列とともに、加算器16に加えられる。ローパスフィルタ18はデッドゾーン回路20の出力を受信する。またデッドゾーン回路20は、補正器のダイレクト部において利得係数Kの第１比例利得回路22を介して加算器16によって提供される中間数列y[kT]によって入力が供給される。加算器16の出力は、最終数列u[kT](図２の曲線32)を、比例・積分・微分(PID)転送機能を有利には有する制御部24に対して生成する。制御部24は、PMAの位置の制御のための信号u(t)を生成する。
ローパスフィルタ18は、PMAの不安定さを避けるために十分な位相の進みを作り出すように、定められたカットオフ周波数を有する。
デッドゾーン回路20の入力i[kT]および出力o[kT]の数列は、以下の条件を検証しなければならない。
絶対値(i[kT]) ＜ Δ/2 の場合 ⇒ o[kT] = 0
i[kT] ≧ Δ/2 の場合 ⇒ o[kT] = i[kT]-Δ/2
i[kT] ≦ - Δ/2 の場合 ⇒ o[kT] = i[kT]+Δ/2
ここでΔは、空隙の割合(一般的には、ローターの最大位置の30から50%の範囲内)に対応する定められた閾値である。
デジタル非線形補正器10は、例えば、米国企業Texas Instruments社から提供されるタイプF2812のデジタル信号プロセッサ(DSP)上で動作する。磁気ベアリングコンプレッサーでの本発明によるデジタル非線形補正器の実施は、このような補正器の実際的関心をより良く評価することを可能にする。以下のような数値を考えてみる。
所与のKおよびローパスフィルタの所与の一定時間について、閉ループ転送機能を介して簡単に計算可能な上記の非線形閉ループ制御によって導入される位相の進みは、以下のように与えられる。
U(p)/Y(p) = (K/(1+K))×(1+aT1p)/(1+T1p)
ここで、A = 1+K、およびT1 = (1/(1+K))×Tである。
デッドゾーン関数の上限および下限は、最大空隙の割合(一般的に30から50%の範囲内)かける係数Kとして固定される。
Δ/2=0.5×K
-Δ/2=-0.5×K
磁気ベアリングのギャップが線形範囲の限度よりもかなり大きい場合を想定すると、このギャップより大きな振動の振幅は全て、増幅器の過重負荷を招き、利得およびサーボ回路の自然周波数の両方の増加によるPMAの不安定さを対応して作り出す。補正器のフィードバック部におけるローパスフィルタおよびデッドゾーン回路の直列接続によって、本発明のシンプルな解決法は、サーボ回路の安定のために必要な位相の進みをもたらす。
１０ デジタル非線形補正器
１２ アナログ−デジタル変換回路
１４ 同期クロック
１６ 加算器
１８ ローパスフィルタ
２０ デッドゾーン回路
２２ 第１比例利得回路
２４ 制御部
３０ ＰＭＡの測定された位置
３２ 加算算器１６の出力である最終数列u[kT]

Claims (5)

  1. 入力信号x(t)を受信し、能動型磁気ベアリングの位置を制御するための出力制御信号u(t)を出力する能動型磁気ベアリングのデジタル非線形補正器であって、前記入力信号がアナログ−デジタル変換回路によってデジタル化されるとともに加算器に提供され、
    デジタル非線形補正器は、閉制御ループを有し、
    前記閉制御ループは、中間数列y[kT]を供給し、第１比例利得回路とローパスフィルタおよびデッドゾーン回路の直列接続を含むフィードバック部とを有するダイレクト部を有し、
    ローパスフィルタは、前記出力制御信号の定められた上限値または下限値に達する場合有効にされる、デジタル非線形補正器。
  2. 前記加算器の出力が最終数列u[kT]を提供し、前記能動型磁気ベアリングの位置を制御する前記出力制御信号が前記最終数列u[kT]から供給される、請求項１に記載のデジタル非線形補正器。
  3. ローパスフィルタが、前記能動型磁気ベアリングの不安定さを避けるために十分な位相の進みを作り出すように決定されるカットオフ周波数を有する、請求項１または２に記載のデジタル非線形補正器。
  4. 前記デッドゾーン回路の入力i[kT]および出力o[kT]の数列が、
    絶対値(i[kT]) ＜ Δ/2 の場合にo[kT] = 0、
    i[kT] ≧ Δ/2 の場合にo[kT] = i[kT]-Δ/2、および
    i[kT] ≦ - Δ/2 の場合にo[kT] = i[kT]+Δ/2
    の条件を検証し、ここでΔは、前記能動型磁気ベアリングの空隙の割合に対応する定められた閾値である、請求項１または２に記載のデジタル非線形補正器。
  5. 前記空隙の割合が30から50%の範囲内である、請求項４に記載のデジタル非線形補正器。
JP2014253907A 2013-12-17 2014-12-16 能動型磁気ベアリングのためのデジタル非線形補正器 Active JP6475968B2 (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP13306740.5A EP2886889B1 (en) 2013-12-17 2013-12-17 Digital nonlinear corrector for active magnetic bearings
EP13306740.5 2013-12-17

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2015117832A JP2015117832A (ja) 2015-06-25
JP6475968B2 true JP6475968B2 (ja) 2019-02-27

Family

ID=49958207

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2014253907A Active JP6475968B2 (ja) 2013-12-17 2014-12-16 能動型磁気ベアリングのためのデジタル非線形補正器

Country Status (6)

Country Link
US (1) US9360047B2 (ja)
EP (1) EP2886889B1 (ja)
JP (1) JP6475968B2 (ja)
CN (1) CN104712654B (ja)
BR (1) BR102014031529A2 (ja)
CA (1) CA2874292C (ja)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109654125B (zh) 2019-02-27 2024-02-06 珠海格力电器股份有限公司 一种位移校正装置、磁悬浮轴承***及其位移校正方法

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3508444A (en) * 1967-03-27 1970-04-28 Massachusetts Inst Technology Time sharing pulsed rebalancing system
JP3131619B2 (ja) * 1988-07-29 2001-02-05 株式会社フェローテック 磁気軸受装置
JPH0414A (ja) * 1990-04-17 1992-01-06 Nippon Ferrofluidics Kk 真空ポンプ
NL9001908A (nl) * 1990-08-30 1992-03-16 Philips Nv Elektromagnetische ondersteuning met positie-onafhankelijke eigenschappen.
JPH05141421A (ja) * 1991-11-18 1993-06-08 Hitachi Ltd 磁気軸受の制御回路
FR2706549B1 (fr) 1993-06-18 1995-09-01 Mecanique Magnetique Sa Réseau de correction de circuit d'asservissement de paliers magnétiques actifs.
JP2962683B2 (ja) * 1996-12-04 1999-10-12 本田技研工業株式会社 電動パワーステアリング装置
JP3696398B2 (ja) * 1997-04-28 2005-09-14 Ｎｔｎ株式会社 静圧磁気複合軸受およびスピンドル装置
CN100587632C (zh) * 2007-10-19 2010-02-03 北京航空航天大学 一种应用于磁悬浮反作用飞轮的自适应神经网络控制方法
CN102424117B (zh) * 2011-11-06 2013-08-21 北京航空航天大学 一种补偿磁悬浮控制力矩陀螺磁轴承相位滞后的方法

Also Published As

Publication number Publication date
BR102014031529A2 (pt) 2016-07-12
CA2874292C (en) 2022-05-03
EP2886889A1 (en) 2015-06-24
US20150167733A1 (en) 2015-06-18
CN104712654B (zh) 2018-08-28
JP2015117832A (ja) 2015-06-25
CN104712654A (zh) 2015-06-17
US9360047B2 (en) 2016-06-07
CA2874292A1 (en) 2015-06-17
EP2886889B1 (en) 2016-04-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Pan et al. Capacitor-current-feedback active damping with reduced computation delay for improving robustness of LCL-type grid-connected inverter
Tang et al. Torque ripple reduction of PMSMs using a novel angle-based repetitive observer
Schuhmann et al. Improving operational performance of active magnetic bearings using Kalman filter and state feedback control
Böcker et al. Can oversampling improve the dynamics of PWM controls?
GB2451606A (en) Servo controller
CN110657159B (zh) 一种磁悬浮轴承稳定控制方法
US20120019217A1 (en) Control concept for a digitally controlled magnetic supply device
Benderradji et al. Second order sliding mode induction motor control with a new Lyapunov approach
Su et al. Improving operational performance of magnetically suspended flywheel with PM-biased magnetic bearings using adaptive resonant controller and nonlinear compensation method
JP5256903B2 (ja) 磁気浮上システム
JP6475968B2 (ja) 能動型磁気ベアリングのためのデジタル非線形補正器
KR101684182B1 (ko) 모터 제어기의 외란 보상 시스템
CN111133503A (zh) 声换能器和磁化电流控制器
Cheng et al. Analysis of output precision characteristics of digital switching power amplifier in the active magnetic bearings system
Nagarjuna et al. AVR with ADRC
JP2011078192A (ja) 電動機の制御装置
Molavi et al. Optimal vector control of permanent magnet synchronous motor
Liu et al. Delay Compensation in Variable-Speed Drives Based on State Feedback Control
Buchholz et al. Boosting dynamics of AC machines by using FPGA-based controls
Andrews et al. Performance Improvement of Dynamic Voltage Restorer using Proportional-Resonant Controller
Su et al. Design and optimization of modified proportional-resonant controller for current control of a magnetically suspended flywheel
Kandil et al. Experiment on a permanent magnet-biased magnetic bearing with a cascade digital control
Stojic et al. Robust synchronous generator excitation based on novel feedforward control
Ishino et al. Stabilization of magnetic suspension system by using first-order-reset element without derivative feedback
JP2005108228A (ja) 比例、積分、及び微分制御をもつサーボ機構及びサーボ制御の方法

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20171101

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20180912

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20180921

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20181213

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20190104

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20190204

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 6475968

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250