JPH09144756A - 磁気軸受の制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】ロータの回転数が急激に変化しても、回転数に
完全に同期した制御則を働かすことができる制御装置を
提供する。 【解決手段】ＰＬＬ回路に依存しないトラッキングフィ
ルタとするためにロータにロータリエンコーダを取り付
け、ロータの回転角を測定できるようにする。ＰＬＬ回
路の代わりに正弦波と余弦波のテーブルを用意する。テ
ーブルにはロータの一回転が正弦波と余弦波の一周期分
の波形に対応するように各角度毎のデータを格納する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は磁気軸受で支持され
た磁気浮上形ロータの制御装置に係り、特に、不釣り合
いによる振動振幅を減少させ、安定に危険速度通過する
のに好適な磁気軸受制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】磁気軸受は、ロータを電磁力により空中
支持するものである。一般の磁気軸受では電磁石が互い
に対向する方向に吸引力を発生し、ロータに力を及ぼ
す。ラジアルセンサがロータの径方向の変位を測定し、
その出力の差がセンサ回路により求められ、ロータの変
位信号Ｘとして出力される。安定化補償回路が、変位信
号Ｘに応じてロータを安定に浮上させるために必要なラ
ジアル軸受の電流値を計算する。この計算値に応じて、
パワーアンプが電流を電磁石に供給する。電磁石は供給
された電流に応じて電磁力を発生させ、ロータを二つの
電磁石の中間（Ｘ＝０）に位置するように制御する。

【０００３】安定化補償回路には、一般にＰＩＤ制御
（比例＋積分＋微分制御）が使われている。比例制御Ｐ
は磁気軸受の軸受剛性を生み出し、微分制御Ｄは位相進
みによって減衰を生み出すものである。また、積分制御
Ｉは静的な外力（自重等）に対して、それを打ち消すよ
うに働き、ロータ変位の定常偏差を零にする効果があ
る。

【０００４】なお、この種の磁気軸受の基本技術に関連
するものは、文献「ACTIVE MAGNETICBEARINGS (1994 vdf
Hochschulverlag AG an der ETH Zurich)」が詳しい。

【０００５】ところで、ロータの振動のほとんどは不釣
り合い振動によるものであるので、回転数同期成分に着
目した振動制御回路を使用することが効果的である。そ
こでは、ロータの変位信号から回転数成分のみを取り出
して、不釣り合い振動に対してのみ特別な制御則を働か
せる。回転数成分の抽出には中心周波数を回転数に追従
するようにした帯域通過フィルタを用いる。このような
機能をもつフィルタの中では、ＰＬＬ方式で回転パルス
に追従するフィルタ（トラッキングフィルタ）が追従精
度に優れ、良く使用される。ラジアル方向の変位を
（Ｘ，Ｙ）とすると、トラッキングフィルタはその回転
数同期成分（Ｘn，Ｙn）を得るものである。この回転数
同期成分に対し、Ｆx＝Ａ(Ｘn・cosα−Ｙn・sinα)，
Ｆy＝Ａ(Ｘn・sinα＋Ｙn・cosα）で求められる(Ｆx，
Ｆy）をラジアル磁気軸受の制御電流に加算すること
で、不釣り合い振動を抑制することができる。ここで、
Ａは制御ゲインで、αは制御の方向を決定する定数であ
る。α＝０とするならば、制御はばね剛性を増加させる
ように働き、α＝９０度とすると、ダンピングを増加さ
せるように働く。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ＰＬＬの追従精度はロ
ータの回転数が一定でほとんど変化しない場合には非常
に良いが、回転数が急激に変化する場合は十分とは言え
ない。例えば、回転機の昇速が非常に速い場合、あるい
は異常時に回転機をシャットダウンさせる場合に、この
ような精度の劣化が問題となってくる。

【０００７】本発明の目的はロータの回転数が急激に変
化しても、回転数に完全に同期した制御則を働かすこと
ができる制御装置を提供するにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】従来のＰＬＬによるトラ
ッキングフィルタの動作原理を簡単に説明する。ここで
のトラッキングフィルタは大きく分けると、ＰＬＬ回路
とフィルタ回路から構成されている。ＰＬＬ回路は内蔵
された発振器の発振信号とロータが一回転するごとに発
生する回転パルス信号を比較し、発振信号の周波数と位
相を回転パルスに同期するように調整する回路である。
ＰＬＬ回路の発振信号は矩形波，正弦波が一般的であ
る。トラッキングフィルタに用いるＰＬＬ回路は回転パ
ルスとの比較に用いるこの発振信号の他にフィルタ回路
用に正弦波と余弦波を別に発振する。この正弦波と余弦
波ももちろん回転パルスと同期したものになる。フィル
タ回路はＰＬＬ回路から得た正弦波と余弦波を使い、フ
ーリエ変換の原理で、入力信号からロータの回転数に同
期した成分だけを抽出し、出力する。

【０００９】以上の説明から分かるように、フィルタに
使用する正弦波と余弦波はＰＬＬ回路に依存しているの
でＰＬＬ回路が回転パルスに追従する性能がすなわち、
トラッキングフィルタとしての追従性能になっている。
ロータの回転数が急激に変化する場合は、ＰＬＬ回路が
すぐには追従できないので、過渡的ではあるが正常なフ
ィルタ動作ができなくなる。

【００１０】本発明ではＰＬＬ回路に依存しないトラッ
キングフィルタとするためにロータにロータリエンコー
ダを取り付け、ロータの回転角を測定できるようにす
る。ＰＬＬ回路の代わりに正弦波と余弦波のテーブルを
用意する。テーブルにはロータの一回転が正弦波と余弦
波の一周期分の波形に対応するように各角度毎のデータ
を格納する。ロータリエンコーダによってロータの回転
角をリアルタイムで測定し、テーブルからその回転角に
対応する正弦波と余弦波のデータを読み出す。フィルタ
回路はテーブルから読み出された正弦波と余弦波のデー
タに基づいて、フーリエ変換の原理で信号抽出する（こ
の部分は従来と同じ）。

【００１１】ロータがどんな回転数であってもロータの
回転数に同期した正弦波と余弦波が即時に得られるの
で、急激な回転数変化が生じても常に安定した信号抽出
が可能となる。

【００１２】

【発明の実施の形態】本発明の一実施例を説明する。図
１は実施例のトラッキングフィルタ装置を説明するブロ
ック図であり、図２は回転角度に対応した正弦波波形，
余弦波波形を読み出す装置である。図３は本実施例が対
象とする磁気軸受搭載の回転機器であり、ラジアル軸受
を２式，スラスト軸受を１式搭載している。それぞれの
ラジアル軸受には径方向のロータ１の変位（Ｘl，Ｙ
l），（Ｘr，Ｘr）を測定するラジアルセンサが設けら
れている。同様にスラスト軸受に対しても軸方向のロー
タ１の変位Ｚを測定するスラストセンサが設けられてい
る。また、軸端にはロータ１の回転角θを測定するロー
タリエンコーダが設けられている。

【００１３】ロータ１の径方向の変位信号を例にして、
トラッキングフィルタが回転数に同期した前向き振動成
分を抽出する動作を説明する。径方向の変位信号は（Ｘ
l，Ｙl），（Ｘr，Ｙr）の２対であるが、説明は片方の
対のみとし、以下、簡単のため径方向の変位信号を
（Ｘ，Ｙ）と書く。

【００１４】まず、図２に示すように、メモリ５ａ，５
ｂに正弦波と余弦波の波形データを格納しておく。ロー
タリエンコーダ４はロータ１に取り付けられた回転円盤
８に刻まれた円盤の角度情報をピックアップ７によって
読み取り、回転角度θに対応したディジタル値を出力す
る。ロータリエンコーダ４の一回転が正弦波と余弦波の
一周期に対応するように波形データのアドレス指定をす
るようにすると、ロータ１の回転角度θに応じて正弦波
と余弦波のデータが得られることになる。このようにし
て得た正弦波sinΩｔ(＝sinθ）および、余弦波cosΩｔ
(＝cosθ）のデータを次にフィルタ回路で使用する。こ
こで、Ωはロータ１の回転速度である。従来は、ＰＬＬ
回路を使い、回転パルスに同期した正弦波と余弦波を得
ていた。結果的には同じ信号を得ることになるが、ＰＬ
Ｌがロータ１の回転数の変化についていけない場合は、
過渡的に同期性が崩れる。本実施例はロータ１の回転数
が如何に変化しようともロータ１の絶対的回転角度で波
形を決めているので、同期性は常に保たれることにな
る。

【００１５】フィルタ回路ではまず図１に示すように、
変位信号（Ｘ，Ｙ）と、正弦波，余弦波（cosΩｔ，−s
inΩｔ）とのベクトル演算を行う。式で表すと、以下の
ようになる。

【００１６】

【数１】 Ａ＝Ｘ・cosΩｔ＋Ｙ・sinΩｔ Ｂ＝Ｙ・cosΩｔ−Ｘ・sinΩｔ …（数１） そして、演算した結果（Ａ，Ｂ）をローパスフィルタ６
に通し、直流成分(Ａo，Ｂo ）のみを取り出す。この直
流成分は変位信号に含まれる前向き回転同期成分の振幅
値になっている。さらにこの直流成分に正弦波，余弦波
（cosΩｔ， sinΩｔ)をベクトル演算すると、結果と
して変位信号から前向き回転同期成分のみが抽出された
信号となる。

【００１７】

【数２】 Ｘn＝Ａo・cosΩｔ−Ｂo・sinΩｔ Ｙn＝Ｂo・cosΩｔ＋Ａo・sinΩｔ …（数２） 上述は、回転同期成分のうちの前向き成分の抽出を説明
する例であるが、以下に示すように同じような原理で後
ろ向き成分の抽出を行うことができる。

【００１８】

【数３】 Ａ＝Ｘ・cosΩｔ−Ｙ・sinΩｔ Ｂ＝Ｙ・cosΩｔ＋Ｘ・sinΩｔ …（数３） 次に、ローパスフィルタ６によって（Ａ，Ｂ）の直流成
分（Ａo，Ｂo）のみを取り出し、

【００１９】

【数４】 Ｘn＝Ａo・cosΩｔ＋Ｂo・sinΩｔ Ｙn＝Ｂo・cosΩｔ−Ａo・sinΩｔ …（数４） によって、後ろ向き回転同期成分を得る。

【００２０】また、スラスト方向の振動のように前向き
と後ろ向きを区別する必要のない場合には（スラスト方
向は回転振動でないので）、前向きと後ろ向きとを区別
しない回転同期成分の抽出が可能である。スラスト方向
の変位信号をＺとすると、

【００２１】

【数５】 Ａ＝Ｚ・cosΩｔ Ｂ＝Ｚ・sinΩｔ …（数５） ローパスフィルタ６によって（Ａ，Ｂ）の直流成分（Ａ
o，Ｂo）のみを取り出し、

【００２２】

【数６】 Ｚn＝２・(Ａo・cosΩｔ＋Ｂo・sinΩｔ） …（数６） によって、前向きと後ろ向きとを両方含む回転同期成分
を得る。

【００２３】ロータ１の回転角をロータリエンコーダ４
で測定し、正弦波と余弦波を得るならば、本実施例はフ
ィードフォワード加振による不釣り合い振動の抑制制御
にも応用することができる。これはロータ１に働く不釣
り合い力に対し、それとは反対の方向に磁気軸受によっ
て力を与えれば、振動を零化することができるという原
理である。回転数に同期した正弦波sinΩｔと余弦波cos
Ωｔを用いれば、図４に示すようにこれらの合成によっ
て任意のゲインと位相を持った正弦波加振力（Ｆx，Ｆ
y）を得ることができるので、不釣り合いの方向と大き
さに応じて調整をすれば、振動を抑制することができ
る。式で示すと以下のようになる。

【００２４】

【数７】 Ｆx＝Ｇ(cosβ・cosΩｔ−sinβ・sinΩｔ） ＝Ｇ・cos(Ωｔ＋β） Ｆy＝Ｇ(sinβ・sinΩｔ＋cosβ・cosΩｔ） ＝Ｇ・sin(Ωｔ＋β） …（数７） ここで、Ｇは加振力の大きさ、βは加振力の位相角であ
る。回転数が急激に変化しても、基準の正弦波と余弦波
はロータ１の絶対的な角度に基づいているので、加振力
も回転数に完全に追従し、精度の良い安定な振動制御が
可能になる。

【００２５】

【発明の効果】本発明ではロータの絶対的な回転角度を
測定して、回転数に同期した正弦波と余弦波を得ている
ので、ロータの回転数変化に対し、絶対的な追従性を有
するトラッキングフィルタ回路を構成することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一例を示すブロック図。

【図２】本発明が対象とする磁気軸受搭載のロータ系の
説明図。

【図３】波形データ格納の説明図。

【図４】フィードフォワード加振力の合成についての説
明図。

【符号の説明】

１…ロータ、２…変位センサ、３ａ，３ｂ…電磁石、４
…ロータリエンコーダ、５ａ，５ｂ…波形記憶用メモ
リ、６…ローパスフィルタ、７…ピックアップ、８…回
転円盤。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】電磁石と前記電磁石により空中に支持され
   るロータとのギャップ長をロータの変位量として入力
   し、該変位量を基準ギャップ長とするための電流指令値
   を算出するための指令値算出手段と、該指令値算出手段
   より算出された電流指令値を増幅して電磁石のコイルに
   供給するためのパワーアンプとを備えた磁気軸受の制御
   装置において、 該ロータの回転角を測定する回転角測定手段、および該
   回転角測定手段が測定する回転角をアドレス指定値とし
   て入力し、該回転角に応じた正弦波と余弦波を出力する
   波形記憶手段とから構成したことを特徴とする磁気軸受
   の制御装置。