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JP3333739B2 - 故障許容機能を備えた磁気ベアリング制御システム構成 - Google Patents
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JP3333739B2 - 故障許容機能を備えた磁気ベアリング制御システム構成 - Google Patents

故障許容機能を備えた磁気ベアリング制御システム構成

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JP3333739B2 JP14724798A JP14724798A JP3333739B2 JP 3333739 B2 JP3333739 B2 JP 3333739B2 JP 14724798 A JP14724798 A JP 14724798A JP 14724798 A JP14724798 A JP 14724798A JP 3333739 B2 JP3333739 B2 JP 3333739B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、閉ループ・ロータ
位置制御システムおよび別個の開ループ振動補正システ
ムを備えた磁気ベアリング制御装置に関するものであ
る。別個のタスクを実行する多数のシステムの使用は、
制御装置の動的応答性を最大にする。
【０００２】
【従来の技術】磁気ベアリングを備えた回転機器におけ
るロータシステムの質量不均衡を補正する開ループ制御
手法を実行するための可能なアルゴリズムを解説する多
数の出版物が今迄に刊行されている。Knopse,C.R.,Hop
e,R.W.,Fedigan,S.J. および William,R.D 等による“A
daptive On-Line Rotor Balancing Using Digital Cont
rol”「ディジタル制御を用いた適応性のあるオンライ
ン・ロータ・バランシング」Proceedings of MAG‘93 M
agnetic Bearings,Magnetic Devices and Dry GasSeals
Conference & Exhibition. Alexandria,Virginia, Jul
y 29-30,1993,Technomic Publishing Company,Inc. お
よび、Ku,C.R. および Chen,H. M.等による“Optimum S
haft Balancing at a Rotor Bending Critical Speed w
ith ActiveMagnetic Bearings”「能動的磁気ベアリン
グに伴うロータ曲げ限界速度における最適シャフトバラ
ンシング」 Proceedings of MAG ‘93 Magnetic Bearin
gs,Magnetic Devices and Dry Gas Seals Conference &
Exhibition. Alexandria,Virginia, July 29-30,1993,
Technomic Publishing Company,Inc. に記載されている
ように、これらのアルゴリズムは、閉ループ・ロータ位
置制御のための磁気ベアリングコントローラによって用
いられるロータ位置センサのみでなく、磁気ベアリング
の支持構造上に配置された振動トランスデューサから得
られる信号を用いて、システム中の各ラジアルベアリン
グの垂直軸線および水平軸線の双方に加えられる正弦波
摂動信号を得ている。これら正弦波摂動信号は、一般に
等しい振幅と周波数を有するが、互いに９０°ずれた位
相関係を有し、ラジアルベアリングとしての同一の軸線
方向位置における仮想バランス平面内に挿入されたバラ
ンス重量と類似の動作を行なう。
【０００３】Fedigan,S.J.およびWilliam,R.D 等による
“An Operating System for a Magnetic Bearing Digit
al Controler”「磁気ベアリング・ディジタルコントロ
ーラのための作動システム」 Proceedings of MAG ‘93
Magnetic Bearings, Magnetic Devices and Dry Gas
Seals Conference & Exhibition. Alexandria,Virgini
a, July 29-30,1993,版権所有者（1993) Technomic Pub
lishing Company,Inc.では、単一のディジタル制御信号
処理（ＤＳＰ）ユニットに、開ループ正弦波摂動信号に
関して必要な振幅と位相角を再計算するプログラムルー
プ間の時間を残しながら、多軸ベアリングシステムのた
めの閉ループ・ロータ位置制御の連続したタスクをさせ
るリアルタイム作動システムについて解説している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、２つの
個別のＤＳＰユニット、すなわち、閉ループ・ロータ位
置制御の最優先のタスクのための第１のＤＳＰユニット
と、優先順位は低いが摂動信号に関する振幅と位相を再
計算する集中的な計算タスクのための第２のＤＳＰユニ
ットとを用いるシステムは、優先順位の衝突を回避し、
単一のＤＳＰユニットを超える性能上の長所を有する。
米国特許第５１１１１０２号に記載されているような等
極ベアリングあるいは余分な制御コイルを備えた他のベ
アリングが対にされたこの形式のシステムは、ともにデ
ィジタルの閉ループ・ロータ位置制御と開ループ質量不
均衡補正と高調波振動制御とを伴う完全に冗長性を有す
る磁気ベアリングシステム／コントローラを実現するの
にも使用可能である。
【０００５】したがって、本発明の目的は、多数の制御
信号処理ユニットを用いて制御システムの動的応答性を
最大にするように別個のタスクを実行する、開ループ・
ロータシステム質量不均衡補正および高調波振動制御の
みならず、閉ループ・ロータ位置制御を合体させた磁気
ベアリング制御システムを提供することにある。
【０００６】本発明の他の目的は、上記制御システム
を、システムのすべての構成要素に至るまで完全な冗長
性を備え、かつ磁気ベアリング内に制御コイルとロータ
位置センサとを有する、故障許容機能を備えた磁気ベア
リングシステムに集大成することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明のこれらおよびそ
の他の目的は、閉ループ・ロータ位置コントローラと別
個の開ループ振動補正装置とを含む制御ユニットを備え
て、ロータの空中浮揚と、ロータの半径方向および軸線
方向の位置の制御とのために磁場を利用した回転機器に
ためのベアリング装置を提供することによって達成され
る。上記閉ループ・ロータ位置制御ユニットは、１つの
イネーブル状態にある閉ループ・ロータ位置コントロー
ラと、１つのディスエーブル状態にある閉ループ・ロー
タ位置コントローラとを含む。上記開ループ振動補正装
置は、ディスエーブル状態にある閉ループ・ロータ位置
コントローラをイネーブルにし、同時に、上記イネーブ
ル状態にある閉ループ・ロータ位置コントローラをディ
スエーブルにする。
【０００８】
【発明の実施の形態】以下、図面に示す実施の形態に基
づいて本発明を詳細に説明する。
【０００９】従来のラジアル磁気ベアリング構造が図１
に示されている。制御コイル１，２，３，４は、機械の
強磁性ロータジャーナル９と強磁性ステータとを結ぶ磁
束５，６，７，８を発生させる。これら制御コイルは、
それぞれが各象限においてロータジャーナル上に放射方
向に力を作用し得るように配置される。このベアリング
はまた、制御コイル１，２，３，４を流れる制御電流１
３，１４，１５，１６を発生するコントローラにフィー
ドバック信号を与える誘導性または容量性のロータ位置
センサ１１，１２を備えている。制御コイルによって発
生せしめられる磁束は、ロータジャーナルをある目標位
置に移動させるように動作する。
【００１０】制御コイルは、２本またはそれ以上の導線
が、このベアリングの所定の軸線に影響を与える共通磁
路を繋ぐように巻かれた構成を有する。各導線は、独立
した電流源を有し、１つまたはそれ以上の閉ループ・ロ
ータ位置制御回路によって制御される。これにより、上
記軸線に対する制御コイル内の個々の導線またはその電
流源が故障した場合であっても、所定のベアリング軸の
制御の維持が可能になる。この手法は、制御コイルを用
いて機械ロータの所定の軸上に影響を与える磁束の強度
を変化させるので、一般に他の能動的な磁気ベアリング
構造にも適用可能である。
【００１１】従来の５軸ロータシステムが図２に示され
ている。このロータシステムは、２個のラジアルベアリ
ングけ１８，１９によって支持され、かつ１個のスラス
トベアリング２０によって軸方向に拘束された機械ロー
タ１７からなる。各ラジアルベアリングけ１８，１９
は、図１に示された構成と同様に垂直面および水平面か
ら典型的に９０°離れた方向を向いた少なくとも２つの
制御軸線をそれぞれ有する。上記スラストベアリング２
０は、上記機械ロータに固定されたスラストカラーに作
用する２個の対向する電磁石２１，２２からなる。上記
機械ロータは、典型的に１つまたはそれ以上の不均衡の
軸線方向位置２３，２４にある程度の質量を有し、静的
（例えば重力）または動的（例えば流体流動振動、電気
力学的振動等）な反力を受ける。
【００１２】閉ループ・ロータ位置制御と、質量不均衡
を補正するための開ループ制御信号発生との双方と、そ
の他の動的ロータ負荷とを含む本発明による磁気ベアリ
ング制御システム構成が図３に概略的に示されている。
図３には、閉ループ・ロータ位置制御信号を発生させる
ためにＤＳＰ（ディジタル信号プロセッサ）ユニット２
５を用いた構成が示されているが、例えば、Kipp,R. お
よびImlach,J. による“Control Methodology for Comm
ercial Magnetic Bearing Systems ”「商用磁気ベアリ
ングシステムのための制御方法論」Proceedings of the
PCIM/Power Quality Conference,Irvin,California,Se
ptember 20-24,1992, 版権所有者(1992)Interfee Inter
national,Inc. に記載されたような多くのアナログ・コ
ントローラ構成も使用可能である。主ＤＳＰユニット２
５のために示された単純化されたプログラムループは、
単に図示の目的のためのみであって、当業者であれば理
解されるように、実際のシステムの実行においては、よ
り洗練されたフィードフォワード・リニアエスティメー
タ形式のアルゴリズムに置換されるであろう。図３に示
された閉ループ・ロータ位置制御アルゴリズムでは、主
ディジタル信号プロセッサユニット２５が、各磁気ベア
リング軸線上に配置されたロータ位置・速度トランスデ
ューサから得られる実際のロータ位置［ＲＰＡ］および
速度［Ｖ］の数値配列を供給する。これらトランスデュ
ーサはアナログ・ロータ位置／速度信号２６を発生し、
これら信号は、ＡＤ変換器２７によって適切に整えられ
かつ数値に変換されて、揮発性ＲＡＭ２８内に存在する
数値配列［ＲＰＡ］および［Ｖ］として格納される。
【００１３】上記主ディジタル信号プロセッサはまた、
外部的に規定された多くのパラメータを用いて閉ループ
・ロータ位置制御信号を計算する。図３に示されたシス
テムに関しては、これらパラメータは、例えばシリアル
通信インターフェースを通じてコントローラに接続され
たポータブルコンピュータのような外部コンピュータイ
ンターフェース２９を通じて入力されて、不揮発性ＲＡ
Ｍ３０またはその他の適当な記憶素子内に存在する。図
３における例示パラメータは、各ベアリング軸線につい
ての目標ロータ位置を含む配列［ＲＰＴ］、各ベアリン
グ軸のリニアスティフネス係数を含む配列［Ｋ］、各ベ
アリング軸についてのリニアダンピング係数を含む配列
［Ｃ］、各所定のベアリング軸線についてのプログラム
された振動モードが“ｏｎ”か“ｏｆｆ”かを識別する
論理配列［ｐｖｃｍｏｄｅ］、ノッチフィルタの中心周
波数［ｆm ］とフィルタゲイン［Ｇm ］とフィルタ特性
または“Ｑファクタ”［Ｑm ］とを含む［ｐｖｃｍｏｄ
ｅ］＝“ｏｎ”を有するベアリング軸線についてのコン
トロール信号に加えられるべきプログラマブル・ノッチ
フィルタ・パラメータを含む２つの寸法的数値配列の一
組を含む。不揮発性ＲＡＭ３０内に存在するその他のパ
ラメータは、閉ループ・ロータ位置制御部では用いられ
ず、これについては後述する。
【００１４】主ディジタル信号プロセッサ２５に関する
プログラムループブロック内に示された単純な制御アル
ゴリズムは、すべてのベアリング軸線についての目標ロ
ータ位置［ＲＰＴ］から実際のロータ位置［ＲＰＡ］を
減算したロータ位置誤差［ｅ］を計算することからスタ
ートする。次にこのロータ位置誤差［ｅ］にリニアステ
ィフネス係数［ｋ］が乗算され、リニアダンピング係数
［Ｃ］を乗算されたロータ速度［ｖ］に加算されて、未
濾波制御信号［ｉ］を得る。ロータ速度［ｖ］は、
［ｅ］の時間的変化度合いを表すので、ロータ速度
［ｖ］は先の時間間隔に亘る［ｅ］の変化から推定され
る。これは一般に用いられる手法であるが、速度トラン
スデューサを用いてロータ速度を得ることは、ディジタ
ル信号プロセッサにおける計算上のデマンドを低減す
る。
【００１５】［ｖ］が［ｅ］の識別によって得られよう
と、あるいは直接速度トランスデューサによって得られ
ようと、主ディジタル信号プロセッサ２５に関するプロ
グラムループブロック内に示された通常の制御アルゴリ
ズムは、通常の比例＋積分＋微分（ＰＩＤ）制御を用い
ており、アナログ・オペアンプを用いたすべての数学的
動作を行なうことによって実行することができる。しか
しながら、ディジタル処理によれば、非線形・高次多項
式形式の機能のような、より洗練された数学的動作が、
アナログ回路のような電子的ハードウヱアおよび信号ノ
イズの膨大な増殖を伴うことなしに実行されるのを可能
にする。
【００１６】先に論議されたように、状態空間形式のア
ルゴリズムを用いて、主ディジタル信号プロセッサ２５
によって行なわれる制御信号計算の正確性を向上させる
ことも常套手段である。このことは、メモリに格納され
た１つまたはそれ以上前の［ｅ］および／または［ｖ］
の値を用いて、次のセットの制御信号［ｉ］が出力バッ
ファ３１に書き込まれる時点における［ｅ］および
［ｖ］の値を外挿するのに使用可能な線形回帰を実行す
ることによって行なわれる。出力バッファ３１内の
［ｉ］値が更新される時間間隔は、［ｅ］および／また
は［ｖ］の外挿された推定に要する正確な時間が極めて
精密に知られるように一般的に固定される。［ＲＰＡ］
および［ｖ］値が得られる時点から［ｉ］値が計算され
かつ出力バッファ３１に書き込まれる時点までの間の期
間に、各ベアリング軸線における実際のロータ位置およ
び速度が変化するので、この推定工程は誘導される誤差
を最小にする。この誤差を最小にする線形推定手法は、
単純な線形外挿の代わりに機器ロータの動的応答性の単
純な数学的モデルを取り込むことによってさらに改良可
能である。この後者の方法は、計算に関して線形推定手
法よりもより集中的ではあるが一般的に用いられ、ディ
ジタル信号プロセッサ上の増大する計算負担と状態空間
推定法との間の妥協の結果に終わる。
【００１７】たいていのディジタル信号プロセッサの使
用については、上記出力バッファ３１が更新される時間
間隔を、機器のロータまたは支持構造における共振の励
起が回避されるべきである狭い周波数範囲に亘って
［ｉ］信号を減衰させるノッチフィルタリングを実行す
るのに要する時間に関して、すべてのＰＩＤ形式の閉ル
ープ・ロータ位置制御信号［ｉ］の計算を実行するのに
十分な長い期間に延長することが可能である。
【００１８】典型的なシステムについては、各ベアリン
グ軸線に関して発生する制御信号が、種々の周波数にお
いて種々のゲインをもって設定されるノッチフィルタを
必要とするか、あるいはいかなるノッチフィルタリング
をも必要としないかは、機器のロータおよび支持構造の
共振応答特性次第である。したがって、もし所定の軸線
に関してプログラムされた振動制御モード状態インジケ
ータが［ｐｖｃｍｏｄｅ］＝“ｏｎ”にセットされてい
れば、主ディジタル信号プロセッサ２５のプログラムル
ープは、ディジタルフィルタアルゴリズムＨ
（［ｆm ］，［Ｇm ］，［ｉ］）を実行するだけの条件
付きステートメントを取り込み、これによって、主ディ
ジタル信号プロセッサにおける計算上のデマンドを制限
する。
【００１９】閉ループ・ロータ位置制御機能が主ディジ
タル信号プロセッサ２５によって遂行されるのに加え
て、副ディジタル信号プロセッサ３２が制御システム内
に組み込まれて、開ループ振動制御機能を遂行する。こ
れら開ループ機能は、自動バランスモード（ａｂｍｏｄ
ｅ）と、揮発性ＲＡＭ３４内のモード状態インジケータ
“ｏｎ”または“ｏｆｆ”を切り替えるユーザーインタ
ーフェース３３を介して励起される適応振動制御モード
［ａｖｃｍｏｄｅ］とを含む。
【００２０】上記副ディジタル信号プロセッサ３２は、
加速度計３５または他の振動測定器によって生成される
信号を用い、この信号は、適切に調節されかつＡＤ変換
器３６によって値［ａnn］の数字配列に変換されて揮発
性ＲＡＭ３７に格納される。開ループ制御信号は、主デ
ィジタル信号プロセッサによって生成された閉ループ制
御信号上に重ね合わされる正弦波摂動信号を定義する振
幅［Ａn ］および位相角［Θn ］の数字配列の形で生成
される。これら正弦波信号は、各ベアリング軸線につい
て独立的に生成される。この信号は、機器のロータの回
転周波数に等しい周波数を有しかつこの周波数のｎ次の
高調波を含み、あるいは、上記回転周波数の分数の倍数
である周波数を有する。位相角の配列［Θn ］は、高調
波周波数における全周期、すなわちロータの１回転に相
当する３６０°における既知の基準に関する回転周波数
よりも高い周波数における正弦波についての角度基準を
備えている。
【００２１】上記［Ａn ］および［Θn ］値は不揮発性
ＲＡＭ３８に格納される。次にディジタル比較器３９に
よって、［Ａn ］値が、外部コンピュータインターフェ
ース２９を介して定義された最大振幅値［（Ａn ）ｍａ
ｘ］と比較される。この［（Ａn ）ｍａｘ］値は不揮発
性ＲＡＭ３０内に存在し、必要があれば限界が設けられ
る。これにより、過度の振幅を有する摂動信号が閉ルー
プ・ロータ位置制御信号に重ね合わされるのが阻止され
る。次に［Ａn ］および［Θn ］値は高周波ディジタル
波形シンセサイザ４０に送られ、このシンセサイザ４０
は、ディジタル回転速度／位相基準４１を用いて各ベア
リング軸線に関する閉ループ制御信号［ｉ］に重ね合わ
されるべき別個のディジタル化された合成波形を発生さ
せる。このディジタル化された合成波形は、各ベアリン
グ軸線に適応されたすべての正弦波摂動信号の総和であ
り、高速ディジタル加算器４２によって閉ループ制御信
号［ｉ］に加算される。この加算器の出力は、アンチ・
エーリアシングフィルタ（anti-aliasing filter）４４
またはその他の信号調節器が後に接続されたＤＡ変換器
４３に送られる。調節されたアナログ制御信号は、ベア
リング制御コイル４６が後に接続されたパワー増幅器４
５に送られる。ロータ／ベアリング応答４７の１つの形
式であるこの結果は、ロータ位置／速度信号２６および
加速度計３６を介して交互に検知される。
【００２２】副ディジタル信号プロセッサ３２は、通常
の機械的ロータバランシング技法で一般に用いられるの
に類似した態様で振幅［Ａn ］および位相［Θn ］値を
発生させることができる。機械的ロータバランシングの
間中、既知の質量を有する試験ウヱートが機器のロータ
上の所定のバランス平面における既知の半径方向位置お
よび角度位置に取り付けられる。いかなる適当な試験ウ
ヱートおよび位置をも選択することができる。この試験
ウヱートの付加は、所定の動作速度における機器のロー
タの回転信号の角度的偏位と振幅における変化をもたら
す。これら変化は、１つまたはそれ以上のベアリングハ
ウジングまたは支持構造上の加速度計またはその他の振
動検出手段によって検出される。もし、ベアリングハウ
ジングまたは支持構造上で測定されたような本来の機器
ロータの不均衡およびそれに付随する加速度がフェーザ
ー（phasor）ｍo およびａo で表され、かつ付加された
試験重量が付加されたときの不均衡およびそれに付随す
るベアリング構造の加速度がフェーザー（ｍo ＋ｍt ）
およびａt で表されるとすると、２つのフェーザー方程
式からなる系は下記のようになる。
【００２３】ａo ＝ｃ・ｍo ａt ＝ｃ・（ｍo ＋ｍt ） この系は２つの未知数ｍo およびｃを有し、ｍo は本来
のロータの不均衡であり、ｃは影響係数とも呼ばれるも
のである。本来のロータの不均衡フェーザーが一旦確定
されると、正確な補正質量およびその位置が計算されて
不均衡を是正する。機械構造上の各関係位置に関する各
バランス平面の影響係数が一旦確定されると、これら位
置のいずれにおける振動レベルも調節可能である。それ
ぞれがフェーザー量であるこれら影響係数の完全な１組
は一般にｎ×ｋマトリクスで表され、ここでｎはバラン
スウヱートが付加され得るロータ上のバランス平面の数
を表し、ｋはバランス平面の影響が確定される機械構造
上の位置の数を表す。ロータおよび機械構造のモード応
答は、質量不均衡計算でロータの回転周波数であるフォ
ーシング関数（forcing function）の周波数に依存する
ので、影響係数マトリクス内の値も、回転速度に感応す
る。
【００２４】伝達関数の一形式と見做されるこの形式の
影響係数マトリクスは、図１に示された形式のラジアル
ベアリングのために生み出される。１つの制御軸線、例
えばベアリングの垂直軸線上のロータの固定された基準
に関連する既知の振幅（Ａ1）1 および位相角（Θn ）
を有する正弦波信号と、他の制御軸線、例えばベアリン
グの水平軸線に関連する、最初の制御軸線に送られた正
弦波信号から位相角がロータの回転方向に９０°シフト
された同じ振幅（Ａ1 ）2 を有する他の正弦波信号とを
注入することによって、仮想バランス平面におけるバラ
ンスウエートをベアリングの平面に付加する効果がシミ
ュレートされる。しかしながら、励振の大きさは、試験
質量とその偏心量の積というよりも単純にＡ1 である。
したがって、各ラジアルベアリングにとって、影響係数
は機械構造上の重要位置に生成される。この影響係数マ
トリクスの生成方法は、軸方向ベアリングまたは一軸ラ
ジアルベアリングにも敷衍される。その場合には、垂直
軸と水平軸とを同時に励振するための上述した９０°シ
フトされた２つの信号の代わりに、１つの正弦波摂動信
号のみが必要となる。
【００２５】さらに、この方法は、回転周波数の高調波
における影響係数の決定に使用可能である。この方法
は、電気的励振によって基本周波数Ｅの２×Ｅおよび６
×Ｅのような倍数の振動をフレームに発生させる電気モ
ータまたはジェネレータのような形式の機械においても
有用である。２極モータ／ジェネレータについては、こ
れらはモータの回転周波数の２倍および６倍に相当す
る。２極以上を備えたモータまたはジェネレータについ
ては、このような電気的励振は回転周波数のより高次の
高調波で起きる。したがって、少なくとも１個のベアリ
ングがこの機構の場所に十分な影響を与えるならば、ロ
ータの回転周波数以外で発生するこれら励振の周波数に
正弦波摂動信号の周波数をマッチさせることによって、
機械構造内の望ましくない振動が低減される。
【００２６】図３の装置において、開ループ摂動信号
は、高速ディジタル加算器４２を用いて、閉ループ・ロ
ータ位置制御信号に加算される。高速ディジタル波形シ
ンセサイザ４０からはロータの１回転中に数百、数千の
値が生成されるのに対して、出力バッファ３１は、閉ル
ープ・ロータ位置制御ループによってロータの１回転当
たり数回変更されるのみである。このことは、摂動信号
が、回転周波数の多数倍である高調波において閉ループ
・ロータ位置制御信号に重ね合わされるのを可能にす
る。開ループ制御特性を備えた従来の磁気ベアリング制
御システムは、閉ループ制御アルゴリズム内で摂動信号
を計算し、加算する。このことは、開ループ摂動信号を
ロータの回転周波数に注入することができる周波数を制
限するから、質量不均衡およびその他の低い周波数の励
振が開ループ信号によって影響を受ける唯一の振動源と
なる。
【００２７】図３に示された閉ループ・ロータ位置制御
と開ループ摂動信号発生の特徴が故障許容機能をもって
実行されるのを可能にする磁気ベアリング制御システム
は図４に示されている。ロータ４８は、米国特許第５１
１１１０２号に開示された形式の単一ラジアルベアリン
グを貫通している。図１に示されたより一般的なラジア
ルベアリング構成を使用してもよい。しかしながら、図
４に示されたハイブリッドベアリング構成は、左右の制
御コイル４９および５０が、所定の負荷格付けに対する
ベアリング寸法の比較的僅かな変更をもって所定のベア
リング軸を個々に制御するような大きさにそれぞれ形成
されているので、故障許容機能を備えた制御システム構
成に特に扱い易い。このベアリングは、各軸線に二重ロ
ータ位置センサ５２が組み込まれており、各センサは、
専用の信号調節器５３とＡＤ変換器５４および５４を備
えている。ディジタル化されたロータ位置信号は、次に
ＤＳＰを基にした一次コントローラ５６および交替用コ
ントローラ５７に送られる。一次および交替用コントロ
ーラ５６および５７は、ＡＤ変換器５９からのディジタ
ル化された入力信号を受けるＤＳＰを基にしたスーパー
バイザ回路５８によって、イネーブルまたはディスエー
ブルにされる。このＡＤ変換器５９は、加速度計６０に
よって測定され、かつ信号調節ユニット６１を介して送
られる振動信号をディジタル化する。
【００２８】ＤＳＰスーパーバイザ回路は、ベアリング
または支持構造上の過剰な振動を検出するようにプログ
ラムされている。もし振動レベルが指定された安全限界
または所望の限界を超えると、ＤＳＰを基にした能動状
態の一次コントローラ５６がディスエーブルにされ、Ｄ
ＳＰを基にした非能動状態の交替用コントローラ５６が
イネーブルにされる。独立したパラメータとしての振動
レベルを用いて、異常な作動をするコントローラを検出
し、かつ例えばインバータ６４により、１つ以上のコン
トローラが一時に能動状態になるのを防止するロジック
を実行することは、異常な動作をするコントローラが、
バックアップコントローラを妨げる制御信号を発生しな
いことを保証する。異常な動作をするまたは非能動状態
の交替用コントローラの隔離には、出力隔離のような他
の方法を用いてもよい。
【００２９】ＤＳＰを基にしたスーパーバイザ回路５８
はまた、加速度計６０からのディジタル化された振動信
号を用いるようにプログラムされて、メモリ領域６２お
よび６３に格納される開ループ摂動信号を発生させる。
これらのメモリ領域は、図３に示された非揮発性ＲＡＭ
３８に類似している。それぞれが図３に示されたすべて
の特徴を備えたＤＳＰを基にしたコントローラ５６およ
び５７は、閉ループ・ロータ位置制御のために必要であ
る。さらに、各ＤＳＰを基にしたコントローラは、ディ
ジタル比較器３９、高周波ディジタル波形シンセサイザ
４０、ディジタル回転速度／位相基準４１および高速デ
ィジタル加算器４２を備えている。このことは、いずれ
のＤＳＰを基にしたコントローラも、もし他のコントロ
ーラが異常な動作をした場合に、開ループ制御機能を有
することを可能にする。シリアル通信インターフェース
６５は、図３に示された非揮発性ＲＡＭ３０内の種々の
パラメータがＤＳＰを基にしたコントローラ５６および
５７にそれぞれロードされるのを可能にする。
【００３０】２個のパルス幅変調（ＰＷＭ）増幅器６
６，６７は、いずれのＤＳＰを基にしたコントローラ５
６および５７からも制御信号を受信する。ＰＷＭパワー
増幅器６６は右側の制御コイル５０を駆動し、左側の制
御コイル４９はＰＷＭパワー増幅器６７によって駆動さ
れる。各増幅器は、フューズ６８またはその他の受動過
電流保護素子を通じて駆動する。
【００３１】もし１つのユニットに故障を生じても、回
路に対するＤＣ電力が維持されるように、ダイオードを
通じて電力を供給する独立したＤＣ電源６９および７０
を備えることによって、電源部における冗長性が提供さ
れる。２つのロジックレベル、例えば５ＶＤＣの電源に
ついても、同様の構成が用いられている。主電源６９お
よび７０はそれぞれ独立したバスＢＵＳ１およびＢＵＳ
２に接続されてさらなる冗長性を備えている。ＤＳＰを
基にしたコントローラ５６および５７、ＤＳＰを基にし
たスーパーバイザ５８、ＰＷＭパワー増幅器６６および
６７、ＤＣ電源６９および７０、およびロジックレベル
電源７１および７２は、システムの特定部分が故障した
ときに、光または他の形式の音によってそのことを示す
故障検出・表示ロジック／ディスプレイ７３にフィード
される故障表示出力Ｆをそれぞれ備えている。
【００３２】図４に示された構成は、多数のベアリング
の作動に用いられ、それぞれ「５軸コントローラの各軸
線に共通な（７４）」と表示された領域内に示された特
徴を備えている。当業者であれば理解されるように、こ
の構成は異なるベアリング構造の作動にも使用可能であ
る。図２に示されたようなロータシステムは、垂直およ
び水平の制御軸をそれぞれ備えた２個のラジアルベアリ
ングと、ロータの軸線方向の位置を制御するスラストベ
アリングとからなる５軸を典型的に有する。ロータシス
テムおよび磁気ベアリングシステムコントローラは、よ
り少ない、またはより多い軸数を有するものに設計可能
である。各５軸コントローラは、図４において「５軸コ
ントローラの各軸線に共通（エンクロージャ当たり１つ
またはそれ以上）（７５）」と表示された領域内に示さ
れた特徴を備えている。この５軸コントローラは、図４
において「各コントローラエンクロージャに共通（７
６）」と表示された領域内に、４個の電源６９，７０，
７１および７２と、故障表示ユニット７３を備えたエン
クロージャ内に組み付けられる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のラジアル磁気ベアリング装置を示す概略
的断面図
【図２】従来の５軸磁気ベアリング／ロータ装置の斜視
図
【図３】本発明による閉ループ・開ループ制御を用いた
磁気ベアリング制御装置を基にしたディジタル信号プロ
セッサの実施の形態を表す概略的ブロック図
【図４】本発明による故障許容機能を備えた磁気ベアリ
ング装置の実施の形態を表す概略的ブロック図
【符号の説明】
１，２，３，４ 制御コイル ５，６，７，８ 磁束 ９ ロータジャーナル １０ ステータ １１，１２ ロータ位置センサ １３，１４，１５，１６ 制御電流 １７ ロータ １８，１９ ラディアルベアリング ２０ スラストベアリング ２１，２２ 電磁石 ２５ 主ディジタル信号プロセッサ ２７ アナログ・ディジタル変換器 ２８ 揮発性ＲＡＭ ３０ 不揮発性ＲＡＭ ３２ 副ディジタル信号プロセッサ
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平６−159362（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−213907（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−285321（ＪＰ，Ａ) 米国特許5347190（ＵＳ，Ａ) 米国特許5313399（ＵＳ，Ａ) 米国特許5202824（ＵＳ，Ａ) 米国特許5084643（ＵＳ，Ａ) 米国特許5013987（ＵＳ，Ａ) 米国特許4999534（ＵＳ，Ａ) 米国特許4090745（ＵＳ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) F16C 32/04

Claims (9)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 回転部材の空中浮揚と、回転軸線および
    それに直角な複数の軸線を含む複数の軸線に沿う位置制
    御とのために磁場を利用する回転部材と固定部材とから
    なる機構のためのベアリング装置であって、 閉ループ・ロータ位置制御手段と、前記固定部材上に配
    置された別個の振動検知手段とを含む制御手段とを備
    え、 前記閉ループ・ロータ位置制御手段は、イネーブル状態
    にある１つの閉ループ・ロータ位置制御手段と、ディス
    エーブル状態にある１つの閉ループ・ロータ位置制御手
    段とを含み、 前記振動検知手段は、もし振動レベルが所定のレベルを
    超えると、前記イネーブル状態にある閉ループ・ロータ
    位置制御手段をディスエーブルにし、同時に、前記ディ
    スエーブル状態にある閉ループ・ロータ位置制御手段を
    イネーブルにし、 前記振動検知手段は、開ループ摂動信号を発生させる信
    号処理手段をさらに備え、前記固定部材の振動の減衰に
    用いるために前記開ループ摂動信号と、前記１つのイネ
    ーブル状態にある閉ループ・ロータ位置制御手段が発生
    した制御信号とを加算する手段を備えていることを特徴
    とするベアリング装置。
  2. 【請求項２】 前記１つのイネーブル状態にある閉ルー
    プ・ロータ位置制御手段専用の、各軸線について少なく
    とも１つの独立した位置センサと、前記１つのディスエ
    ーブル状態にある閉ループ・ロータ位置制御手段専用
    の、各軸線について少なくとも１つの独立した位置セン
    サとをさらに備えていることを特徴とする請求項１記載
    のベアリング装置。
  3. 【請求項３】 前記１つのイネーブル状態にある閉ルー
    プ・ロータ位置制御手段と前記１つのディスエーブル状
    態にある閉ループ・ロータ位置制御手段とにそれぞれに
    専用の、入力信号受信用の少なくと２つの独立したパワ
    ー増幅手段をさらに備えていることを特徴とする請求項
    １記載のベアリング装置。
  4. 【請求項４】 各パワー増幅手段からの電流を受け取っ
    て前記ベアリングを該ベアリングの１つの軸線に沿って
    制御するための、各パワー増幅手段専用の制御コイルを
    さらに備えていることを特徴とする請求項３記載のベア
    リング装置。
  5. 【請求項５】 開ループ振動補正手段が、１つの開ルー
    プ摂動信号を発生させるための専用の高周波波形シンセ
    サイザと、高速加算器を含む加算手段とを備えているこ
    とを特徴とする請求項１記載のベアリング装置。
  6. 【請求項６】 前記開ループ振動補正手段が、 少なくとも１つの軸線上の前記回転部材上に位置する回
    転基準点に関する既知の振幅、位相および周波数内容を
    有する任意の摂動信号を加えることによって補正摂動信
    号を発生させる手段と、 前記振動検出手段によって測定された振動レベルにおけ
    る変化に基づく影響係数マトリクスを計算する手段と、 前記振動検出手段によって測定された振動を、前記影響
    係数マトリクスを用いて最小にする摂動信号の振幅、位
    相および周波数内容を計算する手段と、 を備えていることを特徴とする請求項５記載のベアリン
    グ装置。
  7. 【請求項７】 前記閉ループ・ロータ位置制御手段によ
    って検知された少なくとも１つのロータ位置信号の振幅
    を、プログラマブルフィルタ特性を用いたプログラマブ
    ル中心周波数におけるプログラマブルゲインによって低
    減する少なくとも１つの減衰手段をさらに備えているこ
    とを特徴とする請求項５記載のベアリング装置。
  8. 【請求項８】 １つのイネーブル状態にある閉ループ・
    ロータ位置制御手段と１つのディスエーブル状態にある
    閉ループ・ロータ位置制御手段とを含む閉ループ・ロー
    タ位置制御手段と、別個の開ループ振動補正手段を備え
    た制御手段とを有するベアリング装置を用意し、 回転部材の各軸線方向位置がそれに沿って制御される各
    軸線について、１つのイネーブル状態にある閉ループ・
    ロータ位置制御手段と１つのディスエーブル状態にある
    閉ループ・ロータ位置制御手段とにそれぞれ専用の、少
    なくとも２つの独立した位置検出手段を用意し、 前記ベアリング装置の固定部分の振動が所定のレベルを
    超えたときにそれを検知する振動検知手段を用意し、 前記ベアリング装置の固定部分の振動が所定のレベルを
    超えたときに、前記開ループ振動補正手段を用いて、前
    記イネーブル状態にある閉ループ・ロータ位置制御手段
    をディスエーブルにし、同時に、前記ディスエーブル状
    態にある閉ループ・ロータ位置制御手段をイネーブルに
    し、 前記振動検知手段に、開ループ摂動信号を発生させる信
    号処理手段をさらに設け、前記１つのイネーブル状態に
    ある閉ループ・ロータ位置制御手段に制御信号を発生さ
    せ、前記開ループ摂動信号と前記制御信号とを加算する
    手段を用意して前記固定部分の振動を減衰させることを
    特徴とする、磁気ベアリングを備えたロータ装置におけ
    る不均衡補正方法。
  9. 【請求項９】 各イネーブル状態にある閉ループ・ロー
    タ位置制御手段から、前記ベアリング装置の各軸線に関
    連付けられた少なくとも２つの独立したパワー増幅手段
    への入力信号をさらに用意し、かつ各パワー増幅手段か
    らそれに専用の制御コイルへの制御電流を用意し、前記
    制御コイルが、それに沿ってロータ位置が制御される所
    定のベアリング軸線に関連付けられた共通磁路を繋ぐこ
    とを特徴とする請求項８記載の方法。
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