JP4412048B2 - Magnetic bearing control device - Google Patents
Magnetic bearing control device Download PDFInfo
- Publication number
- JP4412048B2 JP4412048B2 JP2004132388A JP2004132388A JP4412048B2 JP 4412048 B2 JP4412048 B2 JP 4412048B2 JP 2004132388 A JP2004132388 A JP 2004132388A JP 2004132388 A JP2004132388 A JP 2004132388A JP 4412048 B2 JP4412048 B2 JP 4412048B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- rotating body
- frequency
- compensation circuit
- signal
- magnetic bearing
- 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.)
- Expired - Fee Related
Links
Images
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
- 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
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Magnetic Bearings And Hydrostatic Bearings (AREA)
Description
本発明は磁気軸受の制御装置に係り、特に回転体を支持するのに好適な磁気軸受の制御装置に関する。 The present invention relates to a magnetic bearing control device, and more particularly to a magnetic bearing control device suitable for supporting a rotating body.
回転体を支持する磁気軸受の例が、特許文献1に記載されている。この公報に記載の磁気軸受では、制御により機械構造系の低剛性を補償したときに、高次の振動モードが発生して回転系が不安定化するのを防止することが試みらている。そのため、低次モードの安定性に悪影響を及ぼさずに、高次モードに対してだけ安定化させるノッチフィルタを備えている。このフィルタは、磁気軸受の制御信号から高次モードの振動成分のみを取り除き、高次モードの不安定化を回避する。
An example of a magnetic bearing that supports a rotating body is described in
磁気軸受の他の例が、特許文献2に記載されている。この公報に記載の磁気軸受は、高次モードを安定化するために、制御回路に2次のフィルタを変形させた移相回路を備えている。この移相回路では、2次の極と2次の零点を有するフィルタ回路において、s平面の左半平面上に配置した極とs平面の右半平面上に配置した零点を組み合わせて、低次モードに影響を与えずに、高次の振動モードが安定になるように位相を推移させている。
Another example of a magnetic bearing is described in
上記特許文献1や特許文献2に記載の磁気軸受においては、対象としている固有振動数が基本的には変化しないことを前提としている。そのため、機械系の境界条件が変化するなどして固有振動数が変化するものに適用しようとすると、あらゆる条件で安定性を保証するワイドバンドなフィルタを用いるか、ゲインスケジュール制御のように条件に応じてフィルタの定数を変化させることが必要となる。
In the magnetic bearings described in
回転体を支持する磁気軸受においては、固有振動数が変化するばかりではなく、ジャイロ効果により固有モードが前向きと後ろ向きに分かれる。さらに、固有振動数は非回転時には各次毎に1個の値しか有しないが、一旦回転体が回転すると各次の固有振動数は、前向きモードの固有振動数と後ろ向きモードの固有振動数に分かれる。上記特許文献1や特許文献2に記載の磁気軸受は、狭い周波数範囲で位相やゲインを操作するのに適しているものであり、固有振動数が変化しないモードに対してしか原則的には適用できない。
In the magnetic bearing that supports the rotating body, not only the natural frequency changes, but also the natural mode is divided into forward and backward due to the gyro effect. Furthermore, the natural frequency has only one value for each order when it is not rotating, but once the rotating body rotates, the natural frequency of each order becomes the natural frequency of the forward mode and the natural frequency of the backward mode. Divided. The magnetic bearings described in
共振周波数が2個に分かれる回転体の振動モードに対しては、たとえゲインスケジュール的にフィルタの定数を変化させても、2個のモードを同時に安定化することは困難である。特許文献1に記載の磁気軸受は、デジタル処理のサンプリング周波数を調整して固有振動数の変化に対応させているが、固有振動数の変化の幅が大きいときに前向きモードと後ろ向きモードの両方を安定化しようとすると、低次モードの不安定化が起こる。
For a vibration mode of a rotating body whose resonance frequency is divided into two, it is difficult to stabilize the two modes at the same time even if the filter constant is changed in a gain schedule. The magnetic bearing described in
本発明は上記従来技術の不具合に鑑みなされたものであり、その目的は固有振動数が変化し得る回転体を、磁気軸受が安定して支持することにある。 The present invention has been made in view of the above problems of the prior art, and an object of the present invention is to stably support a rotating body whose natural frequency can be changed by a magnetic bearing.
上記目的を達成する本発明の特徴は、直交するx軸およびy軸方向に作用する2つの径方向力により回転体を回転支持する磁気軸受の制御装置において、回転体のx軸方向の変位信号とy軸方向の変位信号とからx軸方向の補償信号とy軸方向の補償信号とを生成する補償回路を設け、この補償回路は前向きの振れ回り振動と後ろ向きの振れ回り振動とを個別に制御するものであって、停止時には補償回路の伝達関数の極と零点を共役な複素対とし、回転時には補償回路の伝達関数の極と零点を、前向きの振れ回り振動に対しては極の周波数及び零点の周波数を回転体の固有振動数が上昇するのに伴って高くし、後ろ向きの振れ回り振動に対しては極の周波数及び零点の周波数を回転体の固有振動数が低下するに伴って低くして非共役な複素対とするものである。 A feature of the present invention that achieves the above object is that in a control device for a magnetic bearing that rotates and supports a rotating body by two radial forces acting in the orthogonal x-axis and y-axis directions, the displacement signal in the x-axis direction of the rotating body And a compensation circuit for generating a compensation signal in the x-axis direction and a compensation signal in the y-axis direction from the displacement signal in the y-axis direction, and the compensation circuit separately generates the forward swing vibration and the backward swing vibration. When stopping, the poles and zeros of the transfer function of the compensation circuit are conjugated complex pairs, and when rotating, the poles and zeros of the transfer function of the compensation circuit are used. In addition, the frequency of the zero point is increased as the natural frequency of the rotating body is increased, and the pole frequency and the frequency of the zero point are decreased as the natural frequency of the rotating body is decreased for backward swinging vibration. Low and unconjugated complex It is an.
そしてこの特徴において、伝達関数の非共役な極と零点の複素対を独立に設定可能とするのがよく、伝達関数の極と零点は連続的にまたは段階的に可変であるのがよい。また、補償回路の伝達関数を予め連続時間系の伝達関数として極と零点を求め、この連続時間系の極と零点を離散時間系の極と零点に変換してディジタル処理可能にしてもよい。 In this feature, it is preferable that the non-conjugate pole and zero complex pair of the transfer function can be set independently, and the pole and zero of the transfer function should be variable continuously or stepwise. Alternatively, the pole and zero may be obtained in advance by using the transfer function of the compensation circuit as a transfer function of a continuous time system, and the pole and zero of the continuous time system may be converted into the pole and zero of a discrete time system to enable digital processing.
上記特徴において、補償回路における極の周波数が、回転体の停止時にはωpであり、回転体の回転時の前向きの振れ回り振動に対してはωpfであり、回転体の回転時の後ろ向きの振れ回り振動に対してはωpbであるときに、ωpf>ωp>ωpb>0とするのがよく、補償回路における零点の周波数が、回転体の停止時にはωzであり、回転体の回転時の前向きの振れ回り振動に対してはωzfであり、回転体の回転時の後ろ向きの振れ回り振動に対してはωzbであるときに、ωzf>ωz>ωzb>0とするのがよい。 In the above feature, the frequency of the pole in the compensation circuit is ωp when the rotating body is stopped, is ωpf for the forward whirling vibration when the rotating body is rotated, and the backward swinging when the rotating body is rotated. When ωpb with respect to vibration, ωpf>ωp>ωpb> 0 should be satisfied, and the frequency of the zero point in the compensation circuit is ωz when the rotating body is stopped, and the forward vibration during rotation of the rotating body It is preferable that ωzf>ωz>ωzb> 0 when ωzf with respect to rotational vibration and ωzb with respect to backward whirling vibration during rotation of the rotating body.
本発明によれば、回転体が回転して前向きの振れ回り振動と後ろ向きの振れ回り振動を発生するときに、各々の振れ回りに対応して独立な振動抑制手段を磁気軸受の制御回路が有するので、回転体の固有値がジャイロ効果により変化しても、回転体の振動を磁気軸受で効果的に抑制できる。 According to the present invention, when the rotating body rotates to generate forward swing vibration and backward swing vibration, the magnetic bearing control circuit has independent vibration suppression means corresponding to each swing. Therefore, even if the eigenvalue of the rotating body changes due to the gyro effect, the vibration of the rotating body can be effectively suppressed by the magnetic bearing.
以下、本発明に係る磁気軸受の一実施例を、図面を用いて説明する。図2に、回転体を支持する磁気軸受の制御系を、模式的に示す。図2において、回転体1は、例えば高速で回転する遠心圧縮機のロータである。回転体1を吸引するラジアル磁気軸受の電磁石3a〜3dが、回転体1を挟んで対向配置されている。各電磁石3a〜3dの吸引力はフィードバック制御により制御され、回転体1を安定な状態で空中に保持する。回転体1の位置は、変位センサ2a〜2dにより検出される。変位センサ2a〜2dは、各電磁石3a〜3dに対応して配置されている。変位センサ2a〜2dが検出した変位信号は、センサ変換器4a、4bを介して補償回路8を有する制御回路5に入力される。
Hereinafter, an embodiment of a magnetic bearing according to the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 2 schematically shows a control system for the magnetic bearing that supports the rotating body. In FIG. 2, a rotating
制御回路5はフィードバック制御する演算回路であり、本実施例ではPID制御回路である。制御回路5は、変位信号の大きさと変化に応じて電磁石3a〜3dに供給する電流または磁束を計算する。そしてこの計算結果に基づいて、パワーアンプ7a〜7dへの命令値を決め、正負選別器6a、6bを介してパワーアンプ7a〜7dに命令値を渡す。パワーアンプ7a〜7dは、制御回路5からの命令値に従って電磁石3a〜3dに電力を供給し、電磁石3a〜3dの電流あるいは磁束を制御する。
The
ここで制御回路5が有する補償回路8は、PID制御回路の前段か後段に直列に接続されている。補償回路8をPID制御回路の前段に接続すると、変位センサが検出する変位信号が入力信号になり、補償回路8の出力はPID制御回路の入力信号となる。補償回路8をPID制御回路の後段に接続すると、PID制御回路の出力信号が補償回路8に入力され、補償回路8からの出力は正負選別器6a,6bに入力される。
Here, the compensation circuit 8 included in the
なお、本実施例で用いる補償回路8は、従来用のノッチフィルタや位相回路などの2次の伝達関数で表される補償回路の機能を拡張するものである。つまり、回転体1のジャイロ効果により、回転体1の固有値が2つに分かれたり固有値が変化しても、回転体1を安定して運転できるように、回転体1を支持する軸受の制御回路5が有する補償回路8の極や零点を回転体の固有値の変化に対応させている。
The compensation circuit 8 used in the present embodiment expands the function of a compensation circuit represented by a second-order transfer function such as a conventional notch filter or phase circuit. That is, the control circuit of the bearing that supports the rotating
図1に、磁気軸受が有する補償回路8の演算ブロック図を示す。上述したように、補償回路8は回転体1の制御に用いられる。補償回路8は、互いに直交するx方向の信号とy方向の信号を入力信号とする信号処理器である。回転体1の高次曲げモードが発振するのを防止する。
FIG. 1 shows a calculation block diagram of the compensation circuit 8 included in the magnetic bearing. As described above, the compensation circuit 8 is used to control the rotating
補償回路8は、離散時間系の演算回路で構成されている。x方向の信号が入力されると、入力信号xに係数111〜113を乗算し、その結果が加算器101〜103に入力される。一方、出力信号uには係数114、115が乗算され、その結果が加算器102、103に入力される。加算器103の加算結果は、遅延器105により1サンプル時間だけ遅らされて、加算器102に入力される。加算器102の加算結果は、遅延器104により1サンプル時間だけ遅らされて、加算器101に入力される。この加算器101の出力結果が、上記出力信号uとなる。
The compensation circuit 8 is composed of a discrete-time arithmetic circuit. When a signal in the x direction is input, the input signal x is multiplied by coefficients 111 to 113, and the result is input to adders 101 to 103. On the other hand, the output signal u is multiplied by
y方向の信号も、x方向同様に信号処理される。つまり、y方向の入力信号yに係数211〜213が乗算され、それぞれの演算結果が加算器201〜203に入力される。出力信号vには係数214、215が乗算され、加算器202、203に入力される。加算器203の加算結果は、遅延器205により1サンプル時間だけ遅らされて、加算器202に入力される。加算器202の演算結果は、遅延器204によって1サンプル時間だけ遅らされて加算器201に入力される。加算器201の出力結果が、出力信号vとなる。
Signals in the y direction are also processed in the same manner as in the x direction. That is, the input signal y in the y direction is multiplied by the coefficients 211 to 213, and the respective calculation results are input to the
この補償回路8の構成は、Biquad直接型IIの転置型構成と呼ばれ、2次のディジタルフィルタ(IIRフィルタ)である。この補償回路8は、停止時の回転体1の固有値には対応できるが、ジャイロ効果により回転体1の固有値が変化したり2個に分かれたりするときには、このままでは対応できない。その理由は、単なる補償回路は伝達関数の極や零点を共役な複素対に固定しているためである。
The configuration of the compensation circuit 8 is referred to as a biquad direct type II transposed configuration, and is a secondary digital filter (IIR filter). The compensation circuit 8 can cope with the eigenvalue of the
そこで本実施例においては、補償回路8の伝達関数を非共役な複素対にも対応させるために、x方向とy方向の信号間に信号の交差経路を設けた。これにより、補償回路8の伝達関数の極や零点は非共役な複素対になり、前向きの振れ回り信号と後ろ向きの振れ回り信号に対しそれぞれ独立に周波数特性を設定できる。周波数特性を独立に設定できるので、ジャイロ効果による回転体1の固有値の変化に追従できる。
Therefore, in this embodiment, in order to make the transfer function of the compensation circuit 8 correspond to a non-conjugated complex pair, a signal crossing path is provided between the signals in the x direction and the y direction. Thereby, the poles and zeros of the transfer function of the compensation circuit 8 become a non-conjugated complex pair, and the frequency characteristics can be set independently for the forward swing signal and the backward swing signal. Since the frequency characteristics can be set independently, it is possible to follow the change in the eigenvalue of the
交差経路を、図1を用いて説明する。x方向の入力信号xは、係数121〜123を乗じて、y方向の加算器201〜203にも入力されている。同様にy方向の入力信号yは、係数221〜223を乗じてx方向の加算器101〜103にも入力されている。x方向の出力信号uは、係数124、125を乗じてy方向の加算器202、203に入力されている。y方向の出力信号vは、係数224、225を乗じてx方向の加算器102、103に入力されている。
The intersection path will be described with reference to FIG. The input signal x in the x direction is also input to
補償回路8が有する各係数の決定方法は、以下のとおりである。初めに、連続時間系の場合について説明する。磁気軸受などの制御回路において、高次曲げモードを安定化するために使用される2次のフィルタの伝達関数は、次式で表される。 A method for determining each coefficient included in the compensation circuit 8 is as follows. First, the case of a continuous time system will be described. In a control circuit such as a magnetic bearing, a transfer function of a second-order filter used for stabilizing a higher-order bending mode is expressed by the following equation.
ここで、sは、ラプラスの演算子である。式(1)において、ωz=ωpで、かつζz=0のときは、いわゆるノッチフィルタであり、ωzを中心周波数とする狭い範囲の信号を遮断する。不安定化が懸念される高次曲げモードの固有振動数をωnとする。ωzをωnかあるいはその近傍に設定して、高次曲げモードの発振を抑える。図3に、補償回路8の周波数特性の例を、位相とゲインについて示す。前向きの振れ回り周波数(ω)および後ろ向きの振れ回り周波数(−ω)に対し、ωzと−ωzのところで信号を遮断している。
Here, s is a Laplace operator. In equation (1), when ωz = ωp and ζz = 0, it is a so-called notch filter, which cuts off a narrow range of signals having ωz as the center frequency. Let ωn be the natural frequency of the higher-order bending mode that may cause instability. Set ωz at or near ωn to suppress high-order bending mode oscillation. FIG. 3 shows an example of frequency characteristics of the compensation circuit 8 with respect to phase and gain. The signal is cut off at ωz and −ωz with respect to the forward swing frequency (ω) and the backward swing frequency (−ω).
補償回路8の他の例は、ζz<0、ζp>0としたフィルタである。この補償回路8で、ωz≧ωpであれば、特許文献2に記載の移相回路になる。周波数がωpからωzの範囲で位相を連続的に2πだけ遅らせることができるので、高次モードに対する位相特性を改善できる。この、移相回路の周波数特性を、位相とゲインについて図4に示す。
Another example of the compensation circuit 8 is a filter in which ζz <0 and ζp> 0. If this compensation circuit 8 is ωz ≧ ωp, the phase shift circuit described in
このような補償回路8は、不安定化が懸念される高次曲げモードの固有振動数ωnが原則的には変化しない、あるいは変化してもその幅が非常に小さいことを前提に使用される。しかしながら高速回転体のようにジャイロ効果が作用するものでは、図5に示すような、停止時にωnであった高次曲げモードの固有振動数が、回転中に前向きモードの固有振動数ωfと後ろ向きモードの固有振動数ωbに分かれると、ノッチフィルタや移相回路が達成する安定化領域から外れる。 Such a compensation circuit 8 is used on the assumption that the natural frequency ωn of the higher-order bending mode in which destabilization is a concern does not change in principle, or even if it changes, the width is very small. . However, in the case where the gyro effect acts like a high-speed rotating body, the natural frequency of the higher-order bending mode that was ωn at the time of stop as shown in FIG. If it is divided into the natural frequency ωb of the mode, it deviates from the stabilization region achieved by the notch filter and the phase shift circuit.
この不具合を回避するために、従来はノッチフィルタでは遮断周波数を広げ、移相回路では広い周波数範囲の中で位相推移が得られるように調整している。しかしながら、このような調整法では、他のモードの制御性能が損なわれるので、ジャイロ効果が大きい回転体の高次曲げモードを安定化することは困難である。そこで本実施例では、補償回路8が次式で示す非共役な複素数を根とする伝達関数を有するようにした。 In order to avoid this problem, conventionally, the notch filter is adjusted so that the cutoff frequency is widened, and the phase shift circuit is adjusted so that the phase shift is obtained in a wide frequency range. However, in such an adjustment method, since the control performance of other modes is impaired, it is difficult to stabilize the higher-order bending mode of a rotating body having a large gyro effect. Therefore, in this embodiment, the compensation circuit 8 has a transfer function rooted at a non-conjugated complex number expressed by the following equation.
式(2)に示すように、回転体1の固有振動数ωnが前向きの固有振動数ωf(>ωn)と後ろ向きの固有振動数ωb(<ωn)に分かれるのに対応して、制御回路の極と零点も前向き用と後ろ向き用に分ける。回転体1が停止中の制御回路の極の周波数がωpであれば、回転中は極の周波数を前向きの振れ回り振動に対して、ωpf(>ωp)、後ろ向きの振れ回り信号に対して、ωpb(<ωp)としている。回転体1が停止中の制御回路の零点の周波数がωzであれば、回転中は零点の周波数を前向きの振れ回り振動に対して、ωzf(>ωz)、後ろ向きの振れ回り信号に対して、ωzb(<ωz)としている。
As shown in Equation (2), the natural frequency ωn of the
この伝達関数において、ωzf=ωpf、ωzb=ωpb、ζzf=ζzb=0とすれば、ノッチフィルタになる。フィルタの遮断周波数は、前向きの振れ回り信号に対してはωzfであり、後ろ向きの振れ回り信号に対してはωzbである。前向きと後ろ向きの各振れ回りの固有振動数ωf、ωbに対して、個別に遮断周波数を設定する。遮断周波数の帯域幅も前向きと後ろ向きに個別に帯域幅ζpf、ζpbを設定する。図6に、ノッチフィルタに設定した補償回路8の周波数特性例を示す。前向きの振れ回り周波数ωzfおよび後ろ向きの振れ回り周波数−ωzbで信号を遮断している。ここで、ωzf≠ωzbである。 In this transfer function, if ωzf = ωpf, ωzb = ωpb, and ζzf = ζzb = 0, a notch filter is obtained. The cutoff frequency of the filter is ωzf for the forward swing signal and ωzb for the backward swing signal. The cut-off frequency is set individually for the natural frequencies ωf and ωb of the forward and backward swings. Bandwidths ζpf and ζpb are also set individually for the forward and backward bandwidths of the cutoff frequency. FIG. 6 shows an example of frequency characteristics of the compensation circuit 8 set to the notch filter. The signal is cut off at the forward swing frequency ωzf and the backward swing frequency −ωzb. Here, ωzf ≠ ωzb.
本実施例の伝達関数において、ζzf<0、ζzb<0、ζpf>0、ζpb>0とし、ωzf≧ωpf、ωzb≧ωpbとすれば、移相回路が得られる。この移相回路を用いると、回転体1の固有振動数が2つに分かれても、前向きの振れ回り信号のパラメータωzf、ωpf、ζzf、ζpfと後ろ向きの振れ回り信号のパラメータωzb、ωpb、ζzb、ζpbとを独立して設定できるので、前向きの振れ回りの固有振動数ωfと後ろ向きの振れ回りの固有振動数ωbの各々に対して最適な周波数特性を設定できる。
In the transfer function of this embodiment, if ζzf <0, ζzb <0, ζpf> 0, ζpb> 0, and ωzf ≧ ωpf, ωzb ≧ ωpb, a phase shift circuit is obtained. When this phase shift circuit is used, the parameters ωzf, ωpf, ζzf, ζpf for the forward swing signals and the parameters ωzb, ωpb, ζzb for the backward swing signals are used even if the natural frequency of the
具体的には、ωzfとωpfとの対は、前向きの振れ回りの固有振動数が上昇するのに伴って高くなるように設定し、ωzbとωpbとの対は、後ろ向きの振れ回りの固有振動数が低下するのに伴って低くなるように設定する。例えば、回転体1が停止しているときの固有振動数よりωfが10%高く、ωbが10%低いときには、ωzfとωpfの対を10%高くし、ωzbとωpbとの対を10%低くする。なお、実際には他の振動モードと他の制御回路の特性が影響するので、厳密に10%変化させるわけではない。
Specifically, the pair of ωzf and ωpf is set so as to increase as the natural frequency of the forward swing increases, and the pair of ωzb and ωpb is the natural vibration of the backward swing. Set to lower as the number drops. For example, when ωf is 10% higher and ωb is 10% lower than the natural frequency when the
ζzf、ζpf、ζzb、ζpbは、回転体が停止しているときの設定値を基準にする。その際、ωzf、ωpf、ωzb、ωpbの変化や、他の振動モード、他の制御回路の影響とを考慮して調整する。図7に、移相回路に設定した補償回路8の周波数特性を示す。前向き(+側)の振れ回り周波数に対しては高域側に、後ろ向き(−側)の振れ回り周波数に対しては低域側に補償特性をシフトさせている。 ζzf, ζpf, ζzb, and ζpb are based on set values when the rotating body is stopped. At this time, the adjustment is performed in consideration of changes in ωzf, ωpf, ωzb, and ωpb, other vibration modes, and influences of other control circuits. FIG. 7 shows the frequency characteristics of the compensation circuit 8 set in the phase shift circuit. The compensation characteristic is shifted to the high frequency side for the forward (+) swing frequency, and to the low frequency side for the backward (−) swing frequency.
図6および図7は、ノッチフィルタおよび移相回路として補償回路8を使用した例であるが、補償回路8をローパスフィルタとして使用したときの周波数特性を図8に示す。上記式(2)において、ωzf→∞、ωzb→∞とすれば、分子が1になり、補償回路8はローパスフィルタとなる。回転体1はジャイロ効果により固有値が変化するが、ωpf>ωpbとして、振動を抑制している。なお、パラメータζpf、ζpbも適宜変化させる。
FIGS. 6 and 7 are examples in which the compensation circuit 8 is used as a notch filter and a phase shift circuit. FIG. 8 shows frequency characteristics when the compensation circuit 8 is used as a low-pass filter. In the above equation (2), if ωzf → ∞ and ωzb → ∞, the numerator is 1, and the compensation circuit 8 is a low-pass filter. Although the eigenvalue of the
以上説明したように、補償回路8の特性は、式(2)で示した伝達関数の各パラメータを変更することにより、決定される。つまり、図1の係数111等の設定に依存する。図1の係数111等と式(2)のパラメータとの対応関係を以下に説明する。 As described above, the characteristics of the compensation circuit 8 are determined by changing each parameter of the transfer function shown in the equation (2). That is, it depends on the setting of the coefficient 111 in FIG. The correspondence relationship between the coefficient 111 and the like in FIG. 1 and the parameter of Expression (2) will be described below.
式(2)から、各項の係数は複素数で式(5)のように表される。 From equation (2), the coefficient of each term is expressed as a complex number as in equation (5).
伝達関数の各係数が複素数で表されるので、入出力信号も複素数として取り扱う。回転体では、互いに直交する2つの方向(x、y)の変位を利用できるので、この方向を複素平面の各座標方向とすれば、入出力信号が複素表示に対応する。つまり、伝達関数は複素数(x+iy)を入力信号にもつ複素数係数の系で表される。このとき、回転体はx軸の正方向からy軸の正方向に回転している。複素数を係数に含む補償回路8をアナログ演算装置で構成することは困難であるから、デジタル演算処理する。アナログ演算をデジタル演算に変換するために、次式で示される双一次s−z変換を用いる。
Since each coefficient of the transfer function is represented by a complex number, the input / output signal is also handled as a complex number. In the rotating body, displacements in two directions (x, y) orthogonal to each other can be used. Therefore, if these directions are the coordinate directions of the complex plane, the input / output signal corresponds to the complex display. That is, the transfer function is represented by a complex coefficient system having a complex number (x + iy) as an input signal. At this time, the rotating body rotates from the positive direction of the x-axis to the positive direction of the y-axis. Since it is difficult to configure the compensation circuit 8 including a complex number as a coefficient with an analog arithmetic device, digital arithmetic processing is performed. In order to convert an analog operation into a digital operation, a bilinear sz conversion represented by the following equation is used.
ここで、Tはディジタル処理のサンプリング時間で、(1/z)は1サンプルだけ遅らせる演算子である。この双一次s−z変換を式(5)に適用すると、次式が得られる。
Here, T is a sampling time for digital processing, and (1 / z) is an operator for delaying by one sample. When this bilinear sz transformation is applied to Equation (5), the following equation is obtained.
式(7)は、デジタル演算用の伝達関数である。(1/z)の係数a1〜e2が、図1の各係数111等に対応する。この対応関係の詳細は、以下のとおりである。
Expression (7) is a transfer function for digital calculation. The (1 / z) coefficients a1 to e2 correspond to the coefficients 111 and the like in FIG. The details of this correspondence are as follows.
式(7)で示した伝達関数に、(x+iy)を乗じて得られた結果を(u+iv)とする。補償回路8の入力信号(u+iv)と出力信号(x+iy)との関係は、式(8)で表される。 The result obtained by multiplying the transfer function shown in Expression (7) by (x + ii) is defined as (u + iv). The relationship between the input signal (u + iv) and the output signal (x + iy) of the compensation circuit 8 is expressed by Expression (8).
式(8)の実数項は回転体のx軸方向についての演算であり、虚数項はy軸方向についての演算である。実数項と虚数項の各々について、右辺と左辺の対応関係を調べる。
In equation (8), the real term is an operation in the x-axis direction of the rotating body, and the imaginary term is an operation in the y-axis direction. For each of the real and imaginary terms, the correspondence between the right side and the left side is examined.
式(9)から、図1に示す演算回路が式(7)の伝達関数を満足していることがわかる。
From equation (9), it can be seen that the arithmetic circuit shown in FIG. 1 satisfies the transfer function of equation (7).
ところで、式(6)に示した双一次s−z変換を適用する際には、周波数軸が歪むおそれがある。双一次s−z変換では、連続時間系の周波数軸の全体をサンプリング周波数の半分の周波数に押し込んでいるので、遮断周波数が高い周波数のときには、デジタル化において周波数がずれてしまう。この不具合を防止するために、双一次s−z変換する前にプリワーピングと呼ばれる周波数特性のシフト作業を実行する。本実施例でも、プリワーピグ処理して、周波数特性をシフトさせている。 By the way, when applying the bilinear sz transformation shown in Expression (6), the frequency axis may be distorted. In the bilinear sz conversion, the entire frequency axis of the continuous time system is pushed into half of the sampling frequency, so that when the cut-off frequency is high, the frequency is shifted in digitization. In order to prevent this problem, a frequency characteristic shift operation called prewarping is performed before bilinear sz conversion. Also in the present embodiment, the frequency characteristic is shifted by pre-warping processing.
図1の処理回路において、係数a1〜e2は、式(2)中のパラメータωzf、ωpf、ζzf、ζpf、ωzb、ωpb、ζzb、ζpbに基づいて、式(5)および式(7)の変換を通じて導かれる。式(2)中のパラメータには回転体の回転速度に応じて変化させるものであるから、式(2)から導かれる係数a1〜e2も回転速度に応じて変化させる。ディジタル処理では、回転速度ごとの係数をオフラインで計算し、計算結果をメモリに記憶する。そして回転体を実際に回転させるときに、回転体の回転速度ごとの係数をメモリから呼び出す。なお、各係数ごとに近似式を作成し、回転体を回転させているときにオンラインで係数を求めるようにすることもできる。 In the processing circuit of FIG. 1, the coefficients a1 to e2 are converted from the equations (5) and (7) based on the parameters ωzf, ωpf, ζzf, ζpf, ωzb, ωpb, ζzb, ζpb in the equation (2). Led through. Since the parameter in Expression (2) is changed according to the rotation speed of the rotating body, the coefficients a1 to e2 derived from Expression (2) are also changed according to the rotation speed. In the digital processing, the coefficient for each rotation speed is calculated off-line, and the calculation result is stored in the memory. Then, when the rotating body is actually rotated, a coefficient for each rotational speed of the rotating body is called from the memory. It is also possible to create an approximate expression for each coefficient and obtain the coefficient online while rotating the rotating body.
補償回路8の他の例を、図9に示す。この図9に示した回路の伝達関数は、式(7)で表される。この回路はBiquad 直接型IIと呼ばれる構造に基づいている。式(9)を変形して、次式が得られる。 Another example of the compensation circuit 8 is shown in FIG. The transfer function of the circuit shown in FIG. 9 is expressed by Expression (7). This circuit is based on a structure called Biquad direct form II. By transforming equation (9), the following equation is obtained.
ここで、
here,
である。
図9に示した回路は、上記式(10)、式(11)で表される演算を実行する。本実施例は、図1に示した実施例と加算器301、302、401、402の位置が相違している。
It is.
The circuit shown in FIG. 9 executes the operations represented by the above formulas (10) and (11). This embodiment is different from the embodiment shown in FIG. 1 in the positions of
すなわち、x方向の入力信号xや後述する各種信号が加算される加算器301から、信号pが出力される。この出力信号pに係数313、423を乗算し、加算器302、402に入力する。信号pは遅延器303にも入力され、1サンプル時間だけ遅らせた信号が生成され、この信号に係数311、421、314、424が乗算され、加算器301、401、302、402に入力される。信号pが入力された遅延器303の出力は、遅延器304にも入力され、結果として2サンプル時間だけ遅らせた信号が生成される。この2サンプル時間だけ遅らせた信号に係数312、422、315、425を乗算して加算器301、401、302、402に入力する。
That is, a signal p is output from an
同様に、y方向の入力信号yや各種信号が加算される加算器401から出力される出力信号qに、係数413、323を乗じて加算器402、302に入力する。信号qは遅延器403にも入力され、1サンプル時間だけ遅らせた信号が生成される。この遅延信号に係数411、321、414、324を乗じて、加算器401、301、402、302に入力する。遅延器403の出力信号は遅延器404にも入力され、結果として2サンプル時間だけ遅らせた信号が生成される。この2サンプル時間だけ遅らせた信号に、係数412、322、415、325を乗算し、加算器401、301、402、302に入力する。加算器302の出力が、x方向の出力uとして、加算器402の出力がy方向の出力vとして得られる。
Similarly, the input signal y in the y direction and the output signal q output from the
補償回路8の他の例を、図10に示す。この回路の伝達関数は、式(7)の代わりに式(12)で表される。この回路は、式(13)、式(14)で表される演算を実行する。 Another example of the compensation circuit 8 is shown in FIG. The transfer function of this circuit is expressed by equation (12) instead of equation (7). This circuit executes the operations represented by the equations (13) and (14).
この図10で示した回路は、図1で示した回路を2段に構成したものである。ただし、図1では遅延器を2段に形成していたのに対し、本回路では遅延器を各構成段に1個としている。x方向の入力信号xに係数511、512、521、522を乗じて、加算器501、502、601、602に入力する。加算器501の出力信号pに係数513、523、514、515、524、525を乗算し、加算器502、602、503、504、603、604に入力する。加算器502では、出力信号を遅延器505に入力する。そして、遅延器505で1サンプル時間だけ遅らせた信号を生成し、加算器501に入力する。
The circuit shown in FIG. 10 is obtained by configuring the circuit shown in FIG. 1 in two stages. However, in FIG. 1, the delay device is formed in two stages, whereas in this circuit, one delay device is provided in each component stage. The input signal x in the x direction is multiplied by
一方、加算器503から出力されるx方向の出力信号uに、係数516、526を乗じて、加算器504、604に入力する。加算器504では、出力信号を遅延器506に入力する。遅延器506は1サンプル時間だけ遅らせた信号を生成して加算器503に入力する。加算器503では、x方向の出力信号uが生成される。
On the other hand, the output signal u in the x direction output from the
同様に、y方向については、入力信号yに係数611、612、621、622を乗じて加算器601、602、501、502に入力する。加算器601では、出力信号qに、係数613、623、614、615、624、625を乗算して、加算器602、502、603、604、503、504に入力する。加算器602では、出力を遅延器605に入力する。そして、1サンプル時間だけ遅らせた信号を生成し、加算器601に入力する。
Similarly, in the y direction, the input signal y is multiplied by coefficients 611, 612, 621, and 622 and input to the
加算器603から出力されるy方向の出力信号vに、係数616、626を乗じて加算器604、504に入力する。加算器604には、x方向の入力側処理信号、出力側処理信号、y方向の入力側処理信号も入力され、それらの信号の加算信号が遅延器606に入力される。遅延器606は、1サンプル時間だけ遅らせた信号を生成し、加算器603に入力する。加算器603にはx方向入力処理信号やy方向入力処理信号も入力され、y方向の出力信号vが生成される。
The output signal v in the y direction output from the
補償回路8の他の例を、図11に示す。本回路では、式(12)で表す伝達関数の入出力関係を、式(13)、式(14)の代わりに、式(15)、式(16)としている。 Another example of the compensation circuit 8 is shown in FIG. In this circuit, the input / output relationship of the transfer function represented by Expression (12) is represented by Expression (15) and Expression (16) instead of Expression (13) and Expression (14).
この図11で示した回路は、図9で示した回路を2段に構成したものである。ただし、この図11でも遅延器を各構成段に1個だけ有する構成になっている。
The circuit shown in FIG. 11 is obtained by configuring the circuit shown in FIG. 9 in two stages. However, this FIG. 11 also has a configuration in which only one delay device is provided in each component stage.
すなわち、加算器701の出力信号p1に係数712、822を乗算して、加算器702、802に入力する。加算器701の出力信号p1は、遅延器704にも入力されており、遅延器704で1サンプル時間だけ遅らせた信号が生成される。この信号に係数711、821、713、823を乗じて加算器701、801、702、802に入力する。
That is, the output signal p1 of the
一方、加算器801の出力信号q1に係数812、722を乗算して加算器802、702に入力する。加算器801の出力信号q1は遅延器804にも入力され、1サンプル時間だけ遅らせた信号が生成される。この1サンプル時間だけ遅らせた信号に係数811、721、813、723を乗じて、加算器801、701、802、702に入力される。
On the other hand, the
加算器702の出力信号p2に係数715、825を乗じて加算器703、803に入力する。加算器702の出力信号p2は、遅延器705にも入力されており、遅延器705で1サンプル時間だけ遅らせた信号が生成される。この信号に係数714、824、716、826を乗算し、加算器702、802、703、803に入力する。
The output signal p2 of the
加算器802の出力q2に係数815、725を乗じて、加算器803、703に入力する。加算器802の出力信号q2は、遅延器805にも入力され、1サンプル時間だけ遅らせた信号が生成される。この信号に、係数814、724、816、726が乗算され、加算器802、702、803、703に入力される。加算器703からは、x方向の出力信号uが、加算器803からはy方向の出力信号vが出力される。
The output q2 of the
1…ロータ、2a〜2d…変位センサ、3a〜3d…電磁石、4…センサ変換器、5…補償回路、6a、6b…正負選別器、7a〜7d…パワーアンプ、8…高次モード用フィルタ。
DESCRIPTION OF
Claims (7)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2004132388A JP4412048B2 (en) | 2004-04-28 | 2004-04-28 | Magnetic bearing control device |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2004132388A JP4412048B2 (en) | 2004-04-28 | 2004-04-28 | Magnetic bearing control device |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2005315311A JP2005315311A (en) | 2005-11-10 |
| JP4412048B2 true JP4412048B2 (en) | 2010-02-10 |
Family
ID=35442954
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2004132388A Expired - Fee Related JP4412048B2 (en) | 2004-04-28 | 2004-04-28 | Magnetic bearing control device |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP4412048B2 (en) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN118686856B (en) * | 2024-06-24 | 2025-10-03 | 珠海格力电器股份有限公司 | Magnetic bearing system and control method, device, storage medium and program product thereof |
-
2004
- 2004-04-28 JP JP2004132388A patent/JP4412048B2/en not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2005315311A (en) | 2005-11-10 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP4779969B2 (en) | Electric motor control device | |
| JP6119872B2 (en) | Motor control device | |
| EP1912468B1 (en) | Loudspeaker device | |
| CN106873655B (en) | A kind of magnetic bearing system multiple-harmonic vibration suppressing method based on finite-dimensional repetitive control | |
| WO2007138758A1 (en) | Servo controller | |
| JP2013055751A (en) | Motor controller | |
| JP5652678B2 (en) | Electric motor control device | |
| JPH09236122A (en) | Magnetic bearing control device | |
| JP4412048B2 (en) | Magnetic bearing control device | |
| JP2004132441A (en) | Magnetic bearing device, through-flow fan device for excimer laser using this magnetic bearing device, program for making computer execute feedback control of magnetic bearing and computer-readable recording medium with program for making computer execute feedback control of magnetic bearing recorded thereon | |
| JP2018033205A (en) | Motor control device, motor control method, and program for motor control | |
| JP2019168777A (en) | Control system design support device, control system design support method, and control system design support program | |
| JP2012108610A (en) | Resonance suppression device and resonance suppression method | |
| JP2009070050A (en) | Position control device | |
| JP2004072931A (en) | Controller for synchronous motor | |
| JP5467874B2 (en) | Resonance suppression device and resonance suppression method | |
| JP2005174082A (en) | Positioning control device | |
| JP4420158B2 (en) | Motor speed control device | |
| JP5495172B2 (en) | Magnetic bearing control device and method | |
| JP4283056B2 (en) | Electric motor control device | |
| JP4687418B2 (en) | Motor control device | |
| JP2957222B2 (en) | Active bearing rotor support controller | |
| CN120150580B (en) | Improved complex coefficient repetitive control method for permanent magnet synchronous motor based on disturbance compensation | |
| CN120194083B (en) | Magnetic suspension bearing resonance interference elimination method and resonance interference elimination system | |
| JP3680229B2 (en) | Magnetic bearing device |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| RD04 | Notification of resignation of power of attorney |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7424 Effective date: 20060509 |
|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20060614 |
|
| A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20060614 |
|
| A711 | Notification of change in applicant |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A712 Effective date: 20060823 |
|
| RD02 | Notification of acceptance of power of attorney |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7422 Effective date: 20070222 |
|
| RD04 | Notification of resignation of power of attorney |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7424 Effective date: 20070820 |
|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20081119 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20081125 |
|
| A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20090121 |
|
| 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: 20091027 |
|
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20091109 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20121127 Year of fee payment: 3 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20131127 Year of fee payment: 4 |
|
| S111 | Request for change of ownership or part of ownership |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313111 |
|
| R350 | Written notification of registration of transfer |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350 |
|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |