JPH0242125B2 - - Google Patents
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- JPH0242125B2 JPH0242125B2 JP60099564A JP9956485A JPH0242125B2 JP H0242125 B2 JPH0242125 B2 JP H0242125B2 JP 60099564 A JP60099564 A JP 60099564A JP 9956485 A JP9956485 A JP 9956485A JP H0242125 B2 JPH0242125 B2 JP H0242125B2
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- JP
- Japan
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- rotor
- input
- vibration
- signal
- displacement
- Prior art date
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-
- 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
- F16C32/0453—Details of controllers, i.e. the units determining the power to be supplied, e.g. comparing elements, feedback arrangements with P.I.D. control for controlling two axes, i.e. combined control of x-axis and y-axis
-
- 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
- F16C32/0474—Active magnetic bearings for rotary movement
- F16C32/048—Active magnetic bearings for rotary movement with active support of two degrees of freedom, e.g. radial magnetic bearings
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- Engineering & Computer Science (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Magnetic Bearings And Hydrostatic Bearings (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】
〔発明の利用分野〕
本発明は、電磁軸受で支えられた磁気浮上形ロ
ータの制御装置に係り、特にロータの不つりあい
振動に対して共振振幅を小さく押えうるに好適な
電磁軸受制御装置に関する。
ータの制御装置に係り、特にロータの不つりあい
振動に対して共振振幅を小さく押えうるに好適な
電磁軸受制御装置に関する。
吸引形電磁石を軸受とした電磁軸受で支えられ
た回転機械の構成の概略は第４図のようになつて
おり、はじめにＸ軸方向の１次元で説明する。ロ
ータ１に対して電磁石のコイル２は左右に配置さ
れる。この状態でロータ１が右へ変位すると左側
の電磁石コイル２に制御電流ｉが流れ、ロータ１
は左側に変位するように吸引力が作用する。反対
にロータが左側へ変位すると右側の電磁石コイル
２に制御電流ｉが流れ、吸引力が作用する。この
ようにロータ１の左右への変位に応じて、反対側
の電磁石コイル２に制御電流ｉを流し、その吸引
力によつて、ロータ１が中心位置に位置するよう
にサーボ制御する。
た回転機械の構成の概略は第４図のようになつて
おり、はじめにＸ軸方向の１次元で説明する。ロ
ータ１に対して電磁石のコイル２は左右に配置さ
れる。この状態でロータ１が右へ変位すると左側
の電磁石コイル２に制御電流ｉが流れ、ロータ１
は左側に変位するように吸引力が作用する。反対
にロータが左側へ変位すると右側の電磁石コイル
２に制御電流ｉが流れ、吸引力が作用する。この
ようにロータ１の左右への変位に応じて、反対側
の電磁石コイル２に制御電流ｉを流し、その吸引
力によつて、ロータ１が中心位置に位置するよう
にサーボ制御する。
ロータ１の左右への変位を検出するために変位
センサ３が少なくとも１つ必要である。変位セン
サ３としては誘導コイル形、容量形あるいは光学
式など非接触のものがよく用いられている。
センサ３が少なくとも１つ必要である。変位セン
サ３としては誘導コイル形、容量形あるいは光学
式など非接触のものがよく用いられている。
変位センサ３によつて検出された変位信号ｘは
制御回路４に入力され、ロータ１の中心位置から
の右左のずれに応じて制御電圧ｖを決定し、左右
の電磁石コイル用パワアンプ５に入力され、それ
に応じた制御電流ｉがコイル２に流れる。左右の
パワアンプ５への制御電圧ｖの流し方は、電磁石
の吸引力によつてロータの求心作用が生じるよう
になされる。
制御回路４に入力され、ロータ１の中心位置から
の右左のずれに応じて制御電圧ｖを決定し、左右
の電磁石コイル用パワアンプ５に入力され、それ
に応じた制御電流ｉがコイル２に流れる。左右の
パワアンプ５への制御電圧ｖの流し方は、電磁石
の吸引力によつてロータの求心作用が生じるよう
になされる。
このように、ロータ１の位置制御のためサーボ
回路の構成では、Ｘ方向に対して、変位センサ１
が１個、左右の電磁石コイル２とパワアンプ５が
２個、制御回路４が１個の構成となる。一般には
第５図に示すように、ロータ１の磁気軸受による
位置制御のためには、Ｘ方向とＹ方向の２次元の
位置制御となる。よつて、サーボ回路の構成とし
ては同じ仕様のものがＸ方向用とＹ方向用の２系
列並ぶことになる。
回路の構成では、Ｘ方向に対して、変位センサ１
が１個、左右の電磁石コイル２とパワアンプ５が
２個、制御回路４が１個の構成となる。一般には
第５図に示すように、ロータ１の磁気軸受による
位置制御のためには、Ｘ方向とＹ方向の２次元の
位置制御となる。よつて、サーボ回路の構成とし
ては同じ仕様のものがＸ方向用とＹ方向用の２系
列並ぶことになる。
次に回転軸振動の特徴について述べる。不つり
あい振動を説明するため第６図がよく用いられ
る。空間固定座標Ｏ−XY軸系からみてロータ１
の軸心Orはｘ、ｙの変位の所にあるとする。ロ
ータ１に固定した回転座標Or−XrYr軸系からみ
たロータ１の重心Ｇの位置をεx及びεyとする。ロ
ータ１の回転速度をΩと記すと、OX軸とOrXr軸
の間の開き角度が回転角度でΩｔ（t1時間）であ
る。
あい振動を説明するため第６図がよく用いられ
る。空間固定座標Ｏ−XY軸系からみてロータ１
の軸心Orはｘ、ｙの変位の所にあるとする。ロ
ータ１に固定した回転座標Or−XrYr軸系からみ
たロータ１の重心Ｇの位置をεx及びεyとする。ロ
ータ１の回転速度をΩと記すと、OX軸とOrXr軸
の間の開き角度が回転角度でΩｔ（t1時間）であ
る。
このような記号の下で、不つりあいによりロー
タ１に作用する力は、ロータ質量をｍとすると、 ｘ方向にFx＝mεxΩ2cosΩｔ ｙ方向にFy＝mεyΩ2sinΩｔ ……(1) である。これをＦ≡Fx＋iFy（ｉ：虚数単位）の複
素平面で表示すると Ｆ≡＝Fx＋iFy＝mεΩ2eiΩt ……(2) ただしε＝εx＋iεy となり、ロータ回転と同じ方向に回転する力すな
わち前向きの力である。
タ１に作用する力は、ロータ質量をｍとすると、 ｘ方向にFx＝mεxΩ2cosΩｔ ｙ方向にFy＝mεyΩ2sinΩｔ ……(1) である。これをＦ≡Fx＋iFy（ｉ：虚数単位）の複
素平面で表示すると Ｆ≡＝Fx＋iFy＝mεΩ2eiΩt ……(2) ただしε＝εx＋iεy となり、ロータ回転と同じ方向に回転する力すな
わち前向きの力である。
一方、ロータ１の振動はＸ方向及びＹ方向から
検出されその振動数は回転速度Ωに一致している
から次の形に表わされる。
検出されその振動数は回転速度Ωに一致している
から次の形に表わされる。
Ｘ方向にｘ＝axcos（Ωｔ−θx）
Ｙ方向にｘ＝aycos（Ωｔ−θy） ……(3)
Ｘ方向及びＹ方向の振幅をそれぞれax、yyと
し、回転角度からみた位相遅れをθx、θyとしてい
る。これを先程と同じように複素平面で表し、そ
の軸心の軌跡をかくと第７図のようにだ円軌道と
なる。ここでθy−θx＜180゜だから、軌道の向きは
回転方向Ωと同じく矢印で示すように前向きであ
る。
し、回転角度からみた位相遅れをθx、θyとしてい
る。これを先程と同じように複素平面で表し、そ
の軸心の軌跡をかくと第７図のようにだ円軌道と
なる。ここでθy−θx＜180゜だから、軌道の向きは
回転方向Ωと同じく矢印で示すように前向きであ
る。
Ｘ方向のサーボ制御回路を通じての電磁石によ
る支持剛性とＹ方向のそれが等しい時、すなわち
Ｘ方向とＹ方向の軸受支持剛性が等方性に設定さ
れている時には、Ｘ方向とＹ方向への振動振幅は
等しい。しかも両者の位相差は90゜であり、Ｘ方
向振動がＹ方向振動に対して90゜進んでいる。こ
れを式でかくと、次のようになる。
る支持剛性とＹ方向のそれが等しい時、すなわち
Ｘ方向とＹ方向の軸受支持剛性が等方性に設定さ
れている時には、Ｘ方向とＹ方向への振動振幅は
等しい。しかも両者の位相差は90゜であり、Ｘ方
向振動がＹ方向振動に対して90゜進んでいる。こ
れを式でかくと、次のようになる。
ax＝ay、θy＝θx＋90゜ ……(4)
ロータに作用する不つりあい力は第２式に示し
たようにＸ及びＹ方向に等方性に作用し、かつそ
れを受ける軸受の特性も等方性だから当然の帰結
である。この時のロータ振動の表現は次のように
なる。
たようにＸ及びＹ方向に等方性に作用し、かつそ
れを受ける軸受の特性も等方性だから当然の帰結
である。この時のロータ振動の表現は次のように
なる。
Ｘ方向にｘ＝ａ cos（Ωｔ−θ）
Ｙ方向にｙ＝ａ sin（Ωｔ−θ） ……(5)
これを同様に複素平面にてロータ軸受の軌跡と
してみると第７図のように円運動となる。軌道の
向きは回転速度Ωと同じだから前向きである。
してみると第７図のように円運動となる。軌道の
向きは回転速度Ωと同じだから前向きである。
以上述べたようにロータ振動は、軸受支持剛性
が等しい時には円運動となり、異方性がある時に
はだ円軌道となる。軌道の向きはロータ回転と同
じ方向で前向きである。よつて、複素変位Ｚを導 Ｚ＝ｘ＋iy ……(6) 入として、複素数形式で表現すると、 等方向の時Ｚ＝aeiΩt ……(7) 異方向の時Ｚ＝afeiΩt＋abe-iΩt……(8) ただし、ａ、af、ab：複素振幅を表わす複素数 ｜af｜＞｜ab｜ となる。電磁軸受支持の場合には、一般には低速
回転では異方性のある場合もあるが、高速回転に
なる程等方性の性質に近づく。
が等しい時には円運動となり、異方性がある時に
はだ円軌道となる。軌道の向きはロータ回転と同
じ方向で前向きである。よつて、複素変位Ｚを導 Ｚ＝ｘ＋iy ……(6) 入として、複素数形式で表現すると、 等方向の時Ｚ＝aeiΩt ……(7) 異方向の時Ｚ＝afeiΩt＋abe-iΩt……(8) ただし、ａ、af、ab：複素振幅を表わす複素数 ｜af｜＞｜ab｜ となる。電磁軸受支持の場合には、一般には低速
回転では異方性のある場合もあるが、高速回転に
なる程等方性の性質に近づく。
不つりあい振動応答曲線の一例を第８図に示
す。回転数の低い方の２つの振動振幅のピークが
ロータ剛体モードの共振点である。３番目の振動
振幅のピークがロータの曲げモードの共振点であ
る。通常の磁気軸受支持ロータにおいて、サーボ
制御回路の比例動作、微分動作、積分動作の調整
によつて、低速の剛体モードの共振点の振幅を小
さく押えて通過することが可能である。しかし、
高速回転の曲げモードの共振点においては、減表
力不足のため、鋭くかつ大振幅で通過せざるを得
ない。むしろ、サーボ制御回路の調整を巧みに行
うことにより、剛体モードの共振振幅を小さく押
え得ても、曲げモードの共振振幅を押ええず、曲
げモード共振点の回転速度を越えて運転できない
のが普通である。
す。回転数の低い方の２つの振動振幅のピークが
ロータ剛体モードの共振点である。３番目の振動
振幅のピークがロータの曲げモードの共振点であ
る。通常の磁気軸受支持ロータにおいて、サーボ
制御回路の比例動作、微分動作、積分動作の調整
によつて、低速の剛体モードの共振点の振幅を小
さく押えて通過することが可能である。しかし、
高速回転の曲げモードの共振点においては、減表
力不足のため、鋭くかつ大振幅で通過せざるを得
ない。むしろ、サーボ制御回路の調整を巧みに行
うことにより、剛体モードの共振振幅を小さく押
え得ても、曲げモードの共振振幅を押ええず、曲
げモード共振点の回転速度を越えて運転できない
のが普通である。
このような電磁軸受形ロータの共振点での共振
振幅を小さく押えて通過させるサーボ制御回路と
して、詳しく述べてあるものに特開昭52−93853
号がある。この特許を把握するためには、公知の
技術である回転数同期のトラツキングフイルター
の原理についてと、それを用いての高減衰付与の
制御の方法についての段階に分けて説明する。
振幅を小さく押えて通過させるサーボ制御回路と
して、詳しく述べてあるものに特開昭52−93853
号がある。この特許を把握するためには、公知の
技術である回転数同期のトラツキングフイルター
の原理についてと、それを用いての高減衰付与の
制御の方法についての段階に分けて説明する。
高速回転域で回転している場合のロータ振動の
一般的な特徴を第５図に用いて説明する。第８図
の曲げモード共振点近くで回転しているとする。
この時のロータ振動としては、不つりあいによる
回転数同期の前向き振動が主成分で、その他にケ
ーシングの揺れなどの外力によるロータのゆらぎ
振動が発生する。ゆらぎ振動は剛体モードの固有
振動数に近く、回転数に比べ低周波数のものであ
る。よつてロータ振動Ｚは複素形式で、第７式を
流用して Zio＝（ゆらぎ振動）＋aeiΩt ……(9) とかける。これを入力して回転数同期成分のみ Zput＝aeiΩt ……(10) を出力するトラツキングフイルターの原理は第９
図である。
一般的な特徴を第５図に用いて説明する。第８図
の曲げモード共振点近くで回転しているとする。
この時のロータ振動としては、不つりあいによる
回転数同期の前向き振動が主成分で、その他にケ
ーシングの揺れなどの外力によるロータのゆらぎ
振動が発生する。ゆらぎ振動は剛体モードの固有
振動数に近く、回転数に比べ低周波数のものであ
る。よつてロータ振動Ｚは複素形式で、第７式を
流用して Zio＝（ゆらぎ振動）＋aeiΩt ……(9) とかける。これを入力して回転数同期成分のみ Zput＝aeiΩt ……(10) を出力するトラツキングフイルターの原理は第９
図である。
入力信号にe-iΩtをかけることにより回転座標
系への変換となる。すなわち Z1≡e-iΩtZio＝（ゆらぎ振動）×eiΩt＋ａ ……(11) となり、回転数同期成分ａは回転座標系の信号Z1
においては直流成分となる。また上式の第１項に
みるように、静止座標系Zioにおいて低周波数に
みえていたものが、回転座標系Z1においては高周
波成分に移つている。
系への変換となる。すなわち Z1≡e-iΩtZio＝（ゆらぎ振動）×eiΩt＋ａ ……(11) となり、回転数同期成分ａは回転座標系の信号Z1
においては直流成分となる。また上式の第１項に
みるように、静止座標系Zioにおいて低周波数に
みえていたものが、回転座標系Z1においては高周
波成分に移つている。
ここで、回転数同期の直流成分ａを抽出するた
めに、ローパスフイルタを通す。その出力をZ2と
すると、 Z2ａ ……(12) である。ローパスフイルタの遮断周波数は回転数
に比べ微小である。通常数Hzあるいはそれ以下の
0.1Hz位に設定される。このローパスフイルタの
ゲインは１である。
めに、ローパスフイルタを通す。その出力をZ2と
すると、 Z2ａ ……(12) である。ローパスフイルタの遮断周波数は回転数
に比べ微小である。通常数Hzあるいはそれ以下の
0.1Hz位に設定される。このローパスフイルタの
ゲインは１である。
次に、この回転座標系の信号Z2を静止座標系へ
逆変換するためにeiΩtをかける。その結果、第10
式に示すように、入力信号Zioの中から回転数同
期成分のみを抽出した出力信号Zput得る。
逆変換するためにeiΩtをかける。その結果、第10
式に示すように、入力信号Zioの中から回転数同
期成分のみを抽出した出力信号Zput得る。
これが回転数同期成分フイルタの原理である。
回転数Ωの変化に追従していく形となつていると
きにはトラツキングフイルタと呼ぶ。eitは回転数
同期のcosあるいはsioｎ関数をマトリツクス演算
する手法で達成される。この数学的な原理を回路
の表現に変換したものが第１０図である。この第
７図で回転パルスを入力してそれと同期したsioｎ
とcos波形の発生回路が９である。入力xio、yio
（Zio＝xio＋ioyio）に対してマトリツクス演算Ｔを
行い、x1及びy1（Z1＝x1＋ioy1）を求める。
回転数Ωの変化に追従していく形となつていると
きにはトラツキングフイルタと呼ぶ。eitは回転数
同期のcosあるいはsioｎ関数をマトリツクス演算
する手法で達成される。この数学的な原理を回路
の表現に変換したものが第１０図である。この第
７図で回転パルスを入力してそれと同期したsioｎ
とcos波形の発生回路が９である。入力xio、yio
（Zio＝xio＋ioyio）に対してマトリツクス演算Ｔを
行い、x1及びy1（Z1＝x1＋ioy1）を求める。
x1
y1＝ cosΩｔ
−sioΩｔsioｎΩｔ
cosΩｔxio
yio≡Ｔxio
xio ……（13）
としてx1、y1に対してそれぞれ独立にローパスフ
イルタを通しx2、y2（Z2＝x2＋ioy2）を求める。
さらにこの信号に対してＴの逆変換を行い、xput
及びyput（Zput＝xput＋ioyput）を求める。
イルタを通しx2、y2（Z2＝x2＋ioy2）を求める。
さらにこの信号に対してＴの逆変換を行い、xput
及びyput（Zput＝xput＋ioyput）を求める。
xput
yput＝cosΩｔ
sioΩｔ−sioｎΩｔ
cosΩｔx1
y1＝Ttx2
x2 ……（14）
このようにして、実際の電子回路によつてｘ変
位信号及びｙ変位信号の中から回転同期成分のみ
を抽出することができる。
位信号及びｙ変位信号の中から回転同期成分のみ
を抽出することができる。
次に、この回転数同期トラツキングフイルタ回
路を用いた特開昭52−93853号に述べられている
共振振幅低減の方法を第１１図で説明する。
路を用いた特開昭52−93853号に述べられている
共振振幅低減の方法を第１１図で説明する。
Ｘ方向及びＹ方向のロータの変位をｘ及びｙと
して検出できたとする。この変位信号ｘとｙを
（回路６）DxとDyにそれぞれ入力するとax＋bx〓
及びay＋by〓が出力される供給方式の回路である。
そしてこのようにして派生させられたＸ方向の派
生信号ax＋bx〓とＹ方向の派生信号ay＋by〓を先程
の回転数同期トラツキングフイルタ７に入力す
る。
して検出できたとする。この変位信号ｘとｙを
（回路６）DxとDyにそれぞれ入力するとax＋bx〓
及びay＋by〓が出力される供給方式の回路である。
そしてこのようにして派生させられたＸ方向の派
生信号ax＋bx〓とＹ方向の派生信号ay＋by〓を先程
の回転数同期トラツキングフイルタ７に入力す
る。
トラツキングフイルタの最初の処理は
による回転座標系への変換である。そして第２の
処理によつてゲインＫのローパスフイルタ（狭帯
域の積分操作に相当）にかけらx2及びy2の信号が
得られる。この第２の処理はＸ方向とＹ方向でそ
れぞれ別個にフイルタリングされる。そして次に
第３の処理によつて再び静止座標系への逆変換 x0 y0＝ cosΩｔ −sioΩｔ−sioｎΩｔ cosΩｔx2 y2 ……（16） によつて出力信号x0とy0が得られる。この出力信
号x0及びy0は入力信号ｘとｙの振動波形のうち、
回転数と同期した成分のみが抽出されたものに相
当する。そして供給回路６の係数ａ及びｂの大き
さあるいはローパスフイルタのゲインＫの大きさ
を調整することにより、ｘとｙの回転数同期成分
の位相進み動作を持たせることができる。すなわ
ち共振振幅の減衰作用を与えることができる。
処理によつてゲインＫのローパスフイルタ（狭帯
域の積分操作に相当）にかけらx2及びy2の信号が
得られる。この第２の処理はＸ方向とＹ方向でそ
れぞれ別個にフイルタリングされる。そして次に
第３の処理によつて再び静止座標系への逆変換 x0 y0＝ cosΩｔ −sioΩｔ−sioｎΩｔ cosΩｔx2 y2 ……（16） によつて出力信号x0とy0が得られる。この出力信
号x0及びy0は入力信号ｘとｙの振動波形のうち、
回転数と同期した成分のみが抽出されたものに相
当する。そして供給回路６の係数ａ及びｂの大き
さあるいはローパスフイルタのゲインＫの大きさ
を調整することにより、ｘとｙの回転数同期成分
の位相進み動作を持たせることができる。すなわ
ち共振振幅の減衰作用を与えることができる。
この第１１図に示される臨界周波数減衰装置に
おいては、例えばＸ方向の共振振幅低減のために
ｘ変位信号を制御回路４に入力すると同時に、先
程のＸ変位信号の中から回転同期成分のみを抽出
したx0信号をもサーボ制御に用いる。Ｙ方向にも
とづいても同様である。x0信号及びy0信号サーボ
制御に利用することにより、回転数同期成分につ
いては係数ａ、ｂやゲインＫの調整によつて位相
進み特性をもたせることができることになる。こ
のことによつてロータには減衰作用が与えられ、
第８図に示すような共振振幅も破線のように小振
幅で通過させることができる。
おいては、例えばＸ方向の共振振幅低減のために
ｘ変位信号を制御回路４に入力すると同時に、先
程のＸ変位信号の中から回転同期成分のみを抽出
したx0信号をもサーボ制御に用いる。Ｙ方向にも
とづいても同様である。x0信号及びy0信号サーボ
制御に利用することにより、回転数同期成分につ
いては係数ａ、ｂやゲインＫの調整によつて位相
進み特性をもたせることができることになる。こ
のことによつてロータには減衰作用が与えられ、
第８図に示すような共振振幅も破線のように小振
幅で通過させることができる。
しかし、このような制御方式では、回路６の
DxあるいはDyに示す微分回路によつて変位信号
（ｘ、ｙ）から速度信号（x〓、y〓）を作る必要があ
り回路が複雑になるのが欠点である。
DxあるいはDyに示す微分回路によつて変位信号
（ｘ、ｙ）から速度信号（x〓、y〓）を作る必要があ
り回路が複雑になるのが欠点である。
この方式の本質は、検出した変位信号ｘ及びｙ
から微分回路を通じ速度信号ｘ〓及びｙ〓を作り、こ
の変位信号と速度信号を回転数同期トラツキング
フイルタ７に通す。そして変位と速度の回転同期
成分のみを抽出し、回転数同期の不つりあい振動
のみの制御に供しようとするものである。変位成
分の大きさによつて軸受剛性の調整が可能で、ま
た速度成分の大きさによつて軸受減衰の調整が可
能な仕組となつている。
から微分回路を通じ速度信号ｘ〓及びｙ〓を作り、こ
の変位信号と速度信号を回転数同期トラツキング
フイルタ７に通す。そして変位と速度の回転同期
成分のみを抽出し、回転数同期の不つりあい振動
のみの制御に供しようとするものである。変位成
分の大きさによつて軸受剛性の調整が可能で、ま
た速度成分の大きさによつて軸受減衰の調整が可
能な仕組となつている。
本発明の目的は、回転数同期の不つりあい振動
の共振振幅を下げるような、電磁軸受の制御装置
を提供することにある。
の共振振幅を下げるような、電磁軸受の制御装置
を提供することにある。
すべり軸受で支えられたロータではオイルウイ
ツプと呼ばれる自励振動が発生することが知られ
ている。この原因を考える。すべり軸受における
油膜の反作用はロータの変位及び速度に対して次
のように表わされる。
ツプと呼ばれる自励振動が発生することが知られ
ている。この原因を考える。すべり軸受における
油膜の反作用はロータの変位及び速度に対して次
のように表わされる。
Fx＝kxxｘ＋kxyｙ＋cxxｘ〓＋cxyｙ〓
Fy＝kyxｘ＋kxyｙ＋cyxｘ〓＋cyyｙ〓 ……（17）
ただし
Fx、Fy；Ｘ方向及びＹ方向への軸受反力
kioj（ｉ、ｊ＝ｘ、ｙ）：すべり軸受膜弾性定数
cioj（ｉ、ｊ＝ｘ、ｙ）：すべり軸受の油膜減衰定
数 概念的に述べると、kxxやkyyあるいはCxyやcyx
は軸受剛性として作用する。またcxxやcyyは軸受
減衰として作用するのでロータの安定化作用を及
ぼす。ところでkxyやkyxはＸ方向とＹ方向のクロ
ス項を示し、ロータ振動に対して不安定化作用を
起こす原因となる。特に、kxy＞０、kyx＜０とな
る回転数においては、ロータにはオイルウイツプ
と呼ばれる前向きの不安定振動が発生する原因と
なる。すなわち、前向きの固有振動数に対して安
定性が低下する訳で、減衰作用が弱まることにな
る。すべり軸受は受動素子であるからこの符号を
変えることはできない。
数 概念的に述べると、kxxやkyyあるいはCxyやcyx
は軸受剛性として作用する。またcxxやcyyは軸受
減衰として作用するのでロータの安定化作用を及
ぼす。ところでkxyやkyxはＸ方向とＹ方向のクロ
ス項を示し、ロータ振動に対して不安定化作用を
起こす原因となる。特に、kxy＞０、kyx＜０とな
る回転数においては、ロータにはオイルウイツプ
と呼ばれる前向きの不安定振動が発生する原因と
なる。すなわち、前向きの固有振動数に対して安
定性が低下する訳で、減衰作用が弱まることにな
る。すべり軸受は受動素子であるからこの符号を
変えることはできない。
しかし、電磁軸受では電子回路の構成によつて
この符号を逆転させることは可能である。すなわ
ち、kxy＜０でkyx＞となるようにＸ方向制御回路
とＹ方向制御回路のチヤンネルをクロスさせれ
ば、前向きの固有振動数に対する安定性を向上さ
せることがきる。またこのようなチヤンネルのク
ロスによると、同時に存在する後向きの固有振動
数に対する安定性は低下することは否めない。
この符号を逆転させることは可能である。すなわ
ち、kxy＜０でkyx＞となるようにＸ方向制御回路
とＹ方向制御回路のチヤンネルをクロスさせれ
ば、前向きの固有振動数に対する安定性を向上さ
せることがきる。またこのようなチヤンネルのク
ロスによると、同時に存在する後向きの固有振動
数に対する安定性は低下することは否めない。
そこで、先に述べた回転同期のトラツキングフ
イルタを併用することにより、共振点近傍におけ
る前向きの固有振動数に対してのみ安定性の向上
が可能となる。この時、後向きの固有振動数に対
する安定性は不変で低下するようなことは起こら
ない。
イルタを併用することにより、共振点近傍におけ
る前向きの固有振動数に対してのみ安定性の向上
が可能となる。この時、後向きの固有振動数に対
する安定性は不変で低下するようなことは起こら
ない。
このようにして、チヤンネルクロスと回転同期
トラツキングフイルタの併用によつて、前向き成
分のみ固有振動数安定性向上すなわち減衰性の向
上が達成される。不つりあい振動は前向きの力で
あり、これで引起こされる不つりあい振動の共振
ピークは前向きの固有振動数の減衰を大きくとれ
ばとる程、小さい共振振幅に押え得ることにな
る。
トラツキングフイルタの併用によつて、前向き成
分のみ固有振動数安定性向上すなわち減衰性の向
上が達成される。不つりあい振動は前向きの力で
あり、これで引起こされる不つりあい振動の共振
ピークは前向きの固有振動数の減衰を大きくとれ
ばとる程、小さい共振振幅に押え得ることにな
る。
以下、本発明の一実施例を第１図により説明す
る。Ｘ方向のロータ変位を検出した変位信号ｘは
制御回路４に入力され、その演算結果はパワアン
プ５に入力され制御電流inを電磁石コイル２に流
す構成とする。Ｙ方向についても同様である。こ
のような構成は第５図に示したように、電磁軸受
によるサーボ制御方式の基本構成である。
る。Ｘ方向のロータ変位を検出した変位信号ｘは
制御回路４に入力され、その演算結果はパワアン
プ５に入力され制御電流inを電磁石コイル２に流
す構成とする。Ｙ方向についても同様である。こ
のような構成は第５図に示したように、電磁軸受
によるサーボ制御方式の基本構成である。
さて、この検出した変位信号ｘとｙを回転同期
成分のトラツキングフイルタ７に入力し、ロータ
の変位振動成分の内回転同期成分xNとyNのみを
抽出する。軸受が等方性の時には、第７式に示し
たように、その不つりあい振動ZN＝xN＋iyNは ZN＝ａ・eiΩt ……（18） となる。すなわち xN＝aNcos（Ωｔ−θN） yN＝aNsio（Ωｔ−θN） ……（19） ただしａ＝aNei〓N である。
成分のトラツキングフイルタ７に入力し、ロータ
の変位振動成分の内回転同期成分xNとyNのみを
抽出する。軸受が等方性の時には、第７式に示し
たように、その不つりあい振動ZN＝xN＋iyNは ZN＝ａ・eiΩt ……（18） となる。すなわち xN＝aNcos（Ωｔ−θN） yN＝aNsio（Ωｔ−θN） ……（19） ただしａ＝aNei〓N である。
ここで注目するべきことは
ｘ〓N＝−ΩyN ｙ〓N＝−ΩyN……（20）
の関係が成立していることである。これは不つり
あい振動は第７図に示すように円軌道となりＸ軸
からＹ軸へと回転と同方向に進むことに関係す
る。このような円軌道では、ｘ振動の90゜先の振
動はｙ振動と予見され、ｙ軸動の90゜先の振動は
−Ｘ振動と予見される。この予見は微分操作を意
味しているから上式が物理的に肯ける。
あい振動は第７図に示すように円軌道となりＸ軸
からＹ軸へと回転と同方向に進むことに関係す
る。このような円軌道では、ｘ振動の90゜先の振
動はｙ振動と予見され、ｙ軸動の90゜先の振動は
−Ｘ振動と予見される。この予見は微分操作を意
味しているから上式が物理的に肯ける。
不つりあい振動成分のみに注目すれば第20式が
成立するので、トラツキングフイルタ７の出力信
号xNとyNに対してそれぞれ微分信号ｙ〓N及び−ｘ〓N
と見ればよい。そこでＹ方向への減衰作用を与え
るためxN信号をα倍して、Ｙ方向チヤンネルへ
加算入力する。一方、Ｘ方向への減衰作用を与え
るためyN信号を−α倍にしてＸ方向チヤンネルへ
加算入力する。この第１図では−α倍はＸ方向へ
の減算入力としてしている。
成立するので、トラツキングフイルタ７の出力信
号xNとyNに対してそれぞれ微分信号ｙ〓N及び−ｘ〓N
と見ればよい。そこでＹ方向への減衰作用を与え
るためxN信号をα倍して、Ｙ方向チヤンネルへ
加算入力する。一方、Ｘ方向への減衰作用を与え
るためyN信号を−α倍にしてＸ方向チヤンネルへ
加算入力する。この第１図では−α倍はＸ方向へ
の減算入力としてしている。
このようにして、チヤンネルクロスで加算と減
算入力することにより、回転数同期成分に対する
反力は FN＝−αyN≡kxyｙ ……（21） FY＝＋αxN≡＋kyxｘ ……（22） と表わされることになる。このことはkxy＜０で
kyx＞０に設定することに相当する。よつてロー
タの前向き振動に対する減衰性向上を計ろうとす
る目的が達成される。
算入力することにより、回転数同期成分に対する
反力は FN＝−αyN≡kxyｙ ……（21） FY＝＋αxN≡＋kyxｘ ……（22） と表わされることになる。このことはkxy＜０で
kyx＞０に設定することに相当する。よつてロー
タの前向き振動に対する減衰性向上を計ろうとす
る目的が達成される。
チヤンネルクロスで加算減算入力するときの係
数２は大きい程良い訳であるが、電子回路の飽和
防止の制約もあり、適当な共振振幅となるように
αのゲイン調整をすればよい。
数２は大きい程良い訳であるが、電子回路の飽和
防止の制約もあり、適当な共振振幅となるように
αのゲイン調整をすればよい。
第２図により一般的に、軸受の特性が異方性が
あるために第７図のだ円軌道あるいは第８式のよ
うな不つりあい振動が起こつている場合の回路構
成である。
あるために第７図のだ円軌道あるいは第８式のよ
うな不つりあい振動が起こつている場合の回路構
成である。
この場合、第８式の前向きのafeiΩt振動を押え
る方法は先述の第１図と同じである。後向きの成
分abe-iΩtの振動成分を押える方法は前向きの時
の処理の逆をとればよい。トラツキングフイルタ
は逆回転の回転数同期フイルタ８の構成となり、
トラツキングフイルタ８の出力のチヤンネルクロ
スの加算減算入力の方式はαと逆の符号となるβ
倍をとればよい。
る方法は先述の第１図と同じである。後向きの成
分abe-iΩtの振動成分を押える方法は前向きの時
の処理の逆をとればよい。トラツキングフイルタ
は逆回転の回転数同期フイルタ８の構成となり、
トラツキングフイルタ８の出力のチヤンネルクロ
スの加算減算入力の方式はαと逆の符号となるβ
倍をとればよい。
第３図は本発明の回転同期トラツキングフイル
タとチヤンネルクロスを使つた場合の実験データ
である。横軸に回転数をを縦軸に振動振幅を示し
ている。同図でONとは本発明の第１図の動作を
させた時のものである。OFFとはチヤンネルク
ロスを切つた時（α＝０に相当）のものである。
ONにすることにより振動振幅は著しく低下し、
OFFにすることにより振動振幅は元の大きな振
幅に戻つていることがわかる。
タとチヤンネルクロスを使つた場合の実験データ
である。横軸に回転数をを縦軸に振動振幅を示し
ている。同図でONとは本発明の第１図の動作を
させた時のものである。OFFとはチヤンネルク
ロスを切つた時（α＝０に相当）のものである。
ONにすることにより振動振幅は著しく低下し、
OFFにすることにより振動振幅は元の大きな振
幅に戻つていることがわかる。
よつて、本発明の方法によれば、第８図に示さ
れるような曲げモードの共振振幅も、適当な減衰
が与えられることになり、一点破線のような小さ
な共振振幅で危険速度を通過させることが可能と
なる。
れるような曲げモードの共振振幅も、適当な減衰
が与えられることになり、一点破線のような小さ
な共振振幅で危険速度を通過させることが可能と
なる。
本発明によれば次のような効果が達成できる。
(イ) 新たな微分回路の増設を必要とせず、チヤン
ネルのクロスのみでよく部品点数が少なくてす
む。
ネルのクロスのみでよく部品点数が少なくてす
む。
(ロ) 共振点通過時の前向き振動に対する減衰力が
向上できるので、不つりあい振動に対して小さ
な共振振幅で通過できる。
向上できるので、不つりあい振動に対して小さ
な共振振幅で通過できる。
(ハ) ロータのバランス精度が多少悪くても共振点
通過が可能となるので、バランス作業が簡略化
される。
通過が可能となるので、バランス作業が簡略化
される。
第１図は本発明のサーボ制御方式の実施例を示
すブロツク図、第２図は異方性支持特性の場合の
本発明に基づくサーボ制御方式のブロツク図、第
３図は本発明の試験データ特性線図、第４図は電
磁軸受のサーボ制御動作を説明する図、第５図は
電磁軸受支持ロータのサーボ回路構成図、第６図
はロータ変位と不つりあいを示す力学モデル図、
第７図は不つりあい振動のロータ軸心ふれまわり
軌跡図、第８図は不つりあい振動応答曲線図、第
９図は回転数同期フイルタの原理説明図、第１０
図は回転数同期トラツキングフイルタ回路構成
図、第１１図は従来の臨界周波数減衰装置のブロ
ツク図である。 １……ロータ、２……電磁石コイル、３……変
位検出器、４……制御回路、５……パワアンプ、
６……比例微分回路、７……回転数同期トラツキ
ングフイルタ、８……逆回転数同期トラツキング
フイルタ、９……回転同期sioｎ、cos波形発生器。
すブロツク図、第２図は異方性支持特性の場合の
本発明に基づくサーボ制御方式のブロツク図、第
３図は本発明の試験データ特性線図、第４図は電
磁軸受のサーボ制御動作を説明する図、第５図は
電磁軸受支持ロータのサーボ回路構成図、第６図
はロータ変位と不つりあいを示す力学モデル図、
第７図は不つりあい振動のロータ軸心ふれまわり
軌跡図、第８図は不つりあい振動応答曲線図、第
９図は回転数同期フイルタの原理説明図、第１０
図は回転数同期トラツキングフイルタ回路構成
図、第１１図は従来の臨界周波数減衰装置のブロ
ツク図である。 １……ロータ、２……電磁石コイル、３……変
位検出器、４……制御回路、５……パワアンプ、
６……比例微分回路、７……回転数同期トラツキ
ングフイルタ、８……逆回転数同期トラツキング
フイルタ、９……回転同期sioｎ、cos波形発生器。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １ ロータの半径方向位置をＸ方向とＹ方向の直
角２方向より検出する手段をもつ電磁軸受制御装
置において、あらかじめ設定した半径方向位置に
前記ロータを保持するように、前記検出する手段
から出る変位信号に感応して電磁コイルへ供給電
流を制御する回路をＸ方向とＹ方向に２チヤネル
もつサーボ回路を構成し、前記ロータ回転速度と
等しい周波数に中心を置き、回転同期成分を抽出
する回転数トラツキングフイルタに前記Ｘ方向及
びＹ方向変位検出信号を入力し、その出力信号の
内、Ｘ方向信号をＹ方向サーボ回路に加算入力
し、かつＹ方向信号をＸ方向サーボ回路に減算入
力する手段をもつことを特徴とする電磁軸受制御
装置。 ２ 特許請求の範囲第１項において、前記回転数
トラツキングフイルタに前記Ｘ方向及びＹ方向変
位検出信号を入力し、その出力信号の内、Ｘ方向
信号をＹ方向サーボ回路に減算入力し、かつＹ方
向信号をＸ方向サーボ回路に加算入力する手段を
もつことを特徴とする電磁軸受制御装置。
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP60099564A JPS61262225A (ja) | 1985-05-13 | 1985-05-13 | 電磁軸受制御装置 |
| US06/861,002 US4697128A (en) | 1985-05-13 | 1986-05-08 | Control apparatus for a rotor supported by an electromagnetic bearing |
| DE8686106410T DE3680579D1 (de) | 1985-05-13 | 1986-05-12 | Steuerungseinrichtung fuer einen rotor mit magnetischer lagerung. |
| EP86106410A EP0201894B1 (en) | 1985-05-13 | 1986-05-12 | A control apparatus for a rotor supported by an electromagnetic bearing |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP60099564A JPS61262225A (ja) | 1985-05-13 | 1985-05-13 | 電磁軸受制御装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS61262225A JPS61262225A (ja) | 1986-11-20 |
| JPH0242125B2 true JPH0242125B2 (ja) | 1990-09-20 |
Family
ID=14250631
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP60099564A Granted JPS61262225A (ja) | 1985-05-13 | 1985-05-13 | 電磁軸受制御装置 |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US4697128A (ja) |
| EP (1) | EP0201894B1 (ja) |
| JP (1) | JPS61262225A (ja) |
| DE (1) | DE3680579D1 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2008508476A (ja) * | 2004-07-30 | 2008-03-21 | メコス トラックスラー アクチェンゲゼルシャフト | 磁気軸受装置を制御する方法および装置 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| US4795927A (en) * | 1986-05-02 | 1989-01-03 | Mitsubishi Jukogyo Kabushiki Kaisha | Control system for a magnetic type bearing |
| JPH0637895B2 (ja) * | 1986-09-12 | 1994-05-18 | 株式会社日立製作所 | 電磁軸受制御装置 |
| FR2609133B1 (fr) * | 1986-12-31 | 1989-12-15 | Mecanique Magnetique Sa | Dispositif electromagnetique de reduction des vibrations dans une machine tournante equipee de paliers fluides |
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| JPH01116318A (ja) * | 1987-10-28 | 1989-05-09 | Natl Aerospace Lab | 能動形磁気軸受 |
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-
1985
- 1985-05-13 JP JP60099564A patent/JPS61262225A/ja active Granted
-
1986
- 1986-05-08 US US06/861,002 patent/US4697128A/en not_active Expired - Lifetime
- 1986-05-12 EP EP86106410A patent/EP0201894B1/en not_active Expired - Lifetime
- 1986-05-12 DE DE8686106410T patent/DE3680579D1/de not_active Expired - Lifetime
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| EP0201894A2 (en) | 1986-11-20 |
| EP0201894B1 (en) | 1991-07-31 |
| US4697128A (en) | 1987-09-29 |
| DE3680579D1 (de) | 1991-09-05 |
| EP0201894A3 (en) | 1988-08-03 |
| JPS61262225A (ja) | 1986-11-20 |
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