(57)【要約】【課題】ロータの回転周波数と異なる外力が作用する場合でも、その外力の周波数を危険速度を通過させることができる磁気軸受制御装置と方法を提供する。【解決手段】ロータ１１の変位ｘ，ｙに基づきロータを中立位置に保持するフィードバック制御器２２と、ロータの回転周波数に同期する同期周波数ωＮに基づきこれに一致する不釣合い力を相殺する同期フィードフォワード制御器２４と、ロータの回転周波数に同期しない回転非同期周波数ωＦに基づきこれに一致する不釣合い力を相殺する１又は複数の回転非同期フィードフォワード制御器２６とを備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高速回転するロータの軸心に直交するｘ-ｙ平面内に、ロータを挟んでｘ軸上に対向して配置された１対のｘ軸用電磁石と、前記ロータを挟んでｙ軸上に対向して配置された１対のｙ軸用電磁石とを有する磁気軸受の制御装置であって、
ロータの変位に基づきロータを中立位置に保持するフィードバック制御器と、
ロータの回転周波数に同期する同期周波数に基づき該同期周波数に一致する不釣合い力を相殺する同期フィードフォワード制御器と、
ロータの回転周波数に同期しない回転非同期周波数に基づき該回転非同期周波数に一致する不釣合い力を相殺する１又は複数の回転非同期フィードフォワード制御器とを備えた、ことを特徴とする磁気軸受制御装置。
【請求項２】
前記回転非同期フィードフォワード制御器は、ロータの回転周波数に同期しない外部信号から前記回転非同期周波数を抽出する１又は複数の回転非同期ＰＬＬと、
前記回転非同期周波数を有する回転非同期正弦波と回転非同期余弦波を発振する１又は複数の回転非同期二相発振器とを有し、
前記回転非同期正弦波と回転非同期余弦波をそれぞれｘ軸用電磁石とｙ軸用電磁石の電流指令信号に重畳させる、ことを特徴とする請求項１に記載の磁気軸受制御装置。
【請求項３】
前記フィードバック制御器は、ロータのｘ方向変位に基づき前記ｘ軸用電磁石の電流指令信号Ｉｘをフィードバック制御するｘ軸制御器と、
ロータのｙ方向変位に基づき前記ｙ軸用電磁石の電流指令信号Ｉｙをフィードバック制御するｙ軸制御器とを有し、
前記同期フィードフォワード制御器は、ロータの回転パルス信号から前記同期周波数を抽出する同期ＰＬＬと、
前記同期周波数を有する同期正弦波と同期余弦波を発振する同期二相発振器とを有し、前記同期正弦波と同期余弦波をそれぞれｘ軸用電磁石とｙ軸用電磁石の電流指令信号に重畳させる、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の磁気軸受制御装置。
【請求項４】
高速回転するロータの軸心に直交するｘ-ｙ平面内に、ロータを挟んでｘ軸上に対向して配置された１対のｘ軸用電磁石と、前記ロータを挟んでｙ軸上に対向して配置された１対のｙ軸用電磁石とを有する磁気軸受の制御方法であって、
ロータの変位に基づきロータを中立位置に保持するようにフィードバック制御し、
ロータの回転周波数に同期する同期周波数に基づき該同期周波数に一致する不釣合い力を相殺するようにフィードフォワード制御し、
ロータの回転周波数に同期しない回転非同期周波数に基づき該回転非同期周波数に一致する不釣合い力を相殺するようにフィードフォワード制御する、ことを特徴とする磁気軸受制御方法。
【請求項５】
前記回転非同期周波数に基づくフィードフォワード制御は、
ロータの回転周波数に同期しない外部信号から前記回転非同期周波数を抽出し、
前記回転非同期周波数を有する回転非同期正弦波と回転非同期余弦波を発振させ、
前記回転非同期正弦波と回転非同期余弦波をそれぞれｘ軸用電磁石とｙ軸用電磁石の電流指令信号に重畳させる、ことを特徴とする請求項４に記載の磁気軸受制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高速回転する回転体（ロータ）を支持する磁気軸受の制御装置と制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ターボ圧縮機、極低温回転機械、ターボチャージャ、フライホイール等の高速回転機械では、高速回転する回転体（ロータ）を支持する軸受として、磁気軸受が用いられる場合がある。
従来の油軸受と比較して磁気軸受の特徴の１つは動的軸受剛性の差であり、油軸受は剛支持であるのに対し、磁気軸受は軟支持である。そのため、磁気軸受におけるロータの振動モードは自由−自由モードに近くなり、例えば、弾性曲げモードの３次と４次危険速度の間が運転範囲となる。
従って、磁気軸受を用いた高速回転機械では、各危険速度（例えば１次〜３次）を安全に通過できる必要がある。
【０００３】
危険速度を通過させる手段として、一般的に、減衰比を大きくして応答を小さくする手段と、外力を小さくして応答を小さくする手段がある。後者のうち、外力を機械的に小さくするのが、バランス修正であり、不釣合いをできるだけ小さくすることで外力（不釣合い力）を低減させるのが一般的である。
【０００４】
また、磁気軸受では回転に同期した制御電流を不釣合い力をキャンセル（不釣合い相殺）するように重畳させる手段があり、これをフィードフォワード制御と呼ぶ。
フィードフォワード制御は、例えば、特許文献１，２に開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第２９７６５７８号公報、「ロータのバランス修正方法」
【特許文献２】特許第３５４６０４５号公報、「磁気軸受制御方法」
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
図４は、従来のフィードバック制御の説明図である。この図において、１は軸心を回転中心として高速回転する回転体（ロータ）、２ｘはロータ１を挟んでｘ軸上に対向して配置された１対のｘ軸用電磁石、２ｙはロータ１を挟んでｙ軸上に対向して配置された１対のｙ軸用電磁石、３ｘは変位ｘに基づきｘ軸用電磁石２ｘの電流指令信号Ｉｘを制御するｘ軸制御器、３ｙは変位ｙに基づきｙ軸用電磁石２ｙの電流指令信号Ｉｙを制御するｙ軸制御器である。
【０００７】
ｘ軸制御器３ｘとｙ軸制御器３ｙは、互いに独立しており、それぞれ検出された変位ｘ、ｙが中立位置に位置するように、例えばＰＩＤ制御により電流指令信号Ｉｘ，Ｉｙをフィードバック制御する。
このフィードバック制御は、ロータを中立位置に保持するための基本的な制御手段であるが、高速回転での曲げ共振点への対応ができない問題点がある。
【０００８】
図５は、従来のフィードフォワード制御の説明図である。この図において、４はＰＬＬ（フェーズロックドループ）、５は二相発振器である。
ＰＬＬ４は回転パルス信号Ｎから回転周波数ωを抽出し、二相発振器５はその周波数ωの任意の振幅αと位相φをもった正弦波Ｉｓ＝αｓｉｎ（ωｔ＋φ）と余弦波Ｉｃ＝αｃｏｓ（ωｔ＋φ）を発振し、それをそれぞれ電流指令信号Ｉｘ，Ｉｙに重畳させる。
【０００９】
このフィードフォワード制御により、回転同期成分の外力、つまり、不釣合い力を相殺することができる。
【００１０】
しかし、高速回転する回転体（ロータ）を支持する磁気軸受では、ロータの回転周波数ωと異なる外力が作用する場合があり、従来のフィードフォワード制御ではこれを低減ないし相殺することができなかった。
例えば、誘導モータでは、回転磁界に対しロータはやや低い周波数で回転する。すなわち滑りが生じるのが誘導モータの特徴である。危険速度を通過する際、従来の回転信号を取り込むフィードフォワード制御では不釣合い力を相殺することはできるが、誘導モータの励磁力を相殺することはできず、誘導モータの回転磁界の周波数が危険速度を通過できないという問題点があった。
【００１１】
本発明は、上述した問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、ロータの回転周波数と異なる外力が作用する場合でも、その外力の周波数を危険速度を通過させることができる磁気軸受制御装置と方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明によれば、高速回転するロータの軸心に直交するｘ-ｙ平面内に、ロータを挟んでｘ軸上に対向して配置された１対のｘ軸用電磁石と、前記ロータを挟んでｙ軸上に対向して配置された１対のｙ軸用電磁石とを有する磁気軸受の制御装置であって、
ロータの変位に基づきロータを中立位置に保持するフィードバック制御器と、
ロータの回転周波数に同期する同期周波数に基づき該同期周波数に一致する不釣合い力を相殺する同期フィードフォワード制御器と、
ロータの回転周波数に同期しない回転非同期周波数に基づき該回転非同期周波数に一致する不釣合い力を相殺する１又は複数の回転非同期フィードフォワード制御器とを備えた、ことを特徴とする磁気軸受制御装置が提供される。
【００１３】
本発明の好ましい実施形態によれば、前記回転非同期フィードフォワード制御器は、ロータの回転周波数に同期しない外部信号から前記回転非同期周波数を抽出する１又は複数の回転非同期ＰＬＬと、
前記回転非同期周波数を有する回転非同期正弦波と回転非同期余弦波を発振する１又は複数の回転非同期二相発振器とを有し、
前記回転非同期正弦波と回転非同期余弦波をそれぞれｘ軸用電磁石とｙ軸用電磁石の電流指令信号に重畳させる。
【００１４】
また、前記フィードバック制御器は、ロータのｘ方向変位に基づき前記ｘ軸用電磁石の電流指令信号Ｉｘをフィードバック制御するｘ軸制御器と、
ロータのｙ方向変位に基づき前記ｙ軸用電磁石の電流指令信号Ｉｙをフィードバック制御するｙ軸制御器とを有し、
前記同期フィードフォワード制御器は、ロータの回転パルス信号から前記同期周波数を抽出する同期ＰＬＬと、
前記同期周波数を有する同期正弦波と同期余弦波を発振する同期二相発振器とを有し、前記同期正弦波と同期余弦波をそれぞれｘ軸用電磁石とｙ軸用電磁石の電流指令信号に重畳させる。
【００１５】
また本発明によれば、高速回転するロータの軸心に直交するｘ-ｙ平面内に、ロータを挟んでｘ軸上に対向して配置された１対のｘ軸用電磁石と、前記ロータを挟んでｙ軸上に対向して配置された１対のｙ軸用電磁石とを有する磁気軸受の制御方法であって、
ロータの変位に基づきロータを中立位置に保持するようにフィードバック制御し、
ロータの回転周波数に同期する同期周波数に基づき該同期周波数に一致する不釣合い力を相殺するようにフィードフォワード制御し、
ロータの回転周波数に同期しない回転非同期周波数に基づき該回転非同期周波数に一致する不釣合い力を相殺するようにフィードフォワード制御する、ことを特徴とする磁気軸受制御方法が提供される。
【００１６】
本発明の好ましい実施形態によれば、前記回転非同期周波数に基づくフィードフォワード制御は、
ロータの回転周波数に同期しない外部信号から前記回転非同期周波数を抽出し、
前記回転非同期周波数を有する回転非同期正弦波と回転非同期余弦波を発振させ、
前記回転非同期正弦波と回転非同期余弦波をそれぞれｘ軸用電磁石とｙ軸用電磁石の電流指令信号に重畳させる。
【発明の効果】
【００１７】
上記本発明の装置および方法によれば、ロータの回転周波数に同期する同期周波数に基づき該同期周波数に一致する不釣合い力を相殺する同期フィードフォワード制御器の他に、回転非同期フィードフォワード制御器を備え、ロータの回転周波数に同期しない回転非同期周波数に基づき該回転非同期周波数に一致する不釣合い力を相殺するので、回転周波数と異なる外力が作用する場合でも、その外力の周波数を危険速度を通過させることができる。
【００１８】
すなわち、フィードフォワード制御のロジックを多段化し、他の外力（例えば、誘導モータの励磁力）についてもその周波数に同期した信号を作り出し、重畳させることで複数の周波数の外力を相殺することが可能となる。
【００１９】
本発明の好ましい実施形態によれば、ロータの回転周波数に同期しない外部信号（例えば、インバータ出力の電流波形など）を入力信号として、同様のフィードフォワード制御を行い、励磁力をキャンセルさせる。これにより、複数の周波数の外力を相殺することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の磁気軸受制御装置を備えた磁気軸受の構成図である。
【図２】本発明による磁気軸受制御装置の構成図である。
【図３】ロータの回転周波数ωと異なる外力が作用する場合の具体例である。
【図４】従来のフィードバック制御の説明図である。
【図５】従来のフィードフォワード制御の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の好ましい実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。
【００２２】
図１は、本発明の磁気軸受制御装置を備えた磁気軸受の構成図である。
この図において、１１は軸心Ｚを回転中心として高速回転する回転体（ロータ）、１２ｘはロータ１１を挟んでｘ軸上に対向して配置されたｘ軸用電磁石、１２ｙはロータ１１を挟んでｙ軸上に対向して配置されたｙ軸用電磁石である。
【００２３】
本発明において、磁気軸受１０は、高速回転するロータ１１の軸心Ｚに直交するｘ-ｙ平面内に、ロータ１１を挟んでｘ軸上に対向して配置された１対のｘ軸用電磁石１２ｘと、ロータ１１を挟んでｙ軸上に対向して配置された１対のｙ軸用電磁石１２ｙとを有する。
なお、磁気軸受１０は１つに限定されず、ロータ１１の軸心Ｚに沿って、２箇所、又は３箇所以上設けてもよい。
【００２４】
図１において、本発明の磁気軸受制御装置２０は、ロータ１１のｘ方向変位ｘ、ロータ１１のｙ方向変位ｙ、ロータ１１の回転パルス信号Ｎ、およびロータ１１の回転周波数に同期しない外部信号Ｆ（例えば誘導モータの励磁信号）を受信し、ｘ軸用電磁石１２ｘの電流指令信号Ｉｘとｙ軸用電磁石１２ｙの電流指令信号Ｉｙを制御するようになっている。
【００２５】
図２は、本発明による磁気軸受制御装置の構成図である。
この図において、本発明の磁気軸受制御装置２０は、フィードバック制御器２２、同期フィードフォワード制御器２４、および回転非同期フィードフォワード制御器２６を備える。
【００２６】
この例において、フィードバック制御器２２は、ｘ軸制御器２３ｘとｙ軸制御器２３ｙからなる。
ｘ軸制御器２３ｘは、ロータ１１のｘ方向変位ｘに基づきｘ軸用電磁石１２ｘの電流指令信号Ｉｘをフィードバック制御する。また、ｙ軸制御器２３ｙは、ロータ１１のｙ方向変位ｙに基づきｙ軸用電磁石１２ｙの電流指令信号Ｉｙをフィードバック制御する。
この構成により、フィードバック制御器２２により、ロータ１１の変位ｘ，ｙに基づきロータ１１を中立位置に保持することができる。
【００２７】
この例において、同期フィードフォワード制御器２４は、同期ＰＬＬ２５ａと同期二相発振器２５ｂからなる。
同期ＰＬＬ２５ａは、フェーズロックドループであり、ロータ１１の回転パルス信号Ｎからロータ１１の回転周波数に同期する同期周波数ωＮを抽出する。
また、同期二相発振器２５ｂは、二相発振器であり、同期周波数ωＮを有する同期正弦波ＩｓＮ＝αＮｓｉｎ（ωＮｔ＋φＮ）と同期余弦波ＩｃＮ＝αＮｃｏｓ（ωＮｔ＋φＮ）を発振する。ここで、αＮとφＮは可変かつ任意の振幅と位相である。
さらに、これらの同期正弦波ＩｓＮと同期余弦波ＩｃＮはそれぞれｘ軸用電磁石１２ｘとｙ軸用電磁石１２ｙの電流指令信号Ｉｘ，Ｉｙに重畳される。
【００２８】
この構成により、同期フィードフォワード制御器２４により、ロータ１１の回転周波数に同期する同期周波数ωＮに基づき同期周波数ωＮに一致する不釣合い力を相殺することができる。
【００２９】
この例において、回転非同期フィードフォワード制御器２６は、回転非同期ＰＬＬ２７ａと回転非同期二相発振器２７ｂからなる。
回転非同期ＰＬＬ２７ａは、フェーズロックドループであり、ロータ１１の回転周波数に同期しない外部信号Ｆ（例えば誘導モータの励磁信号）からロータ１１の回転周波数に同期しない回転非同期周波数ωＦを抽出する。
また回転非同期二相発振器２７ｂは、二相発振器であり、回転非同期周波数ωＦを有する回転非同期正弦波ＩｓＦ＝αＦｓｉｎ（ωＦｔ＋φＦ）と回転非同期余弦波ＩｃＦ＝αＦｃｏｓ（ωＦｔ＋φＦ）を発振する。
さらに、これらの回転非同期正弦波ＩｓＦと同期余弦波回転非同期余弦波ＩｃＦはそれぞれｘ軸用電磁石１２ｘとｙ軸用電磁石１２ｙの電流指令信号Ｉｘ，Ｉｙに重畳される。
【００３０】
この構成により、回転非同期フィードフォワード制御器２６により、ロータ１１の回転周波数に同期しない回転非同期周波数ωＦに基づき回転非同期周波数ωＦに一致する不釣合い力を相殺することができる。
【００３１】
なお、回転非同期フィードフォワード制御器２６、回転非同期ＰＬＬ２７ａ及び回転非同期二相発振器２７ｂはそれぞれ１つに限定されず、２つ以上であってもよい。すなわち、ロータ１１の回転周波数に同期しない外力として、例えば、上述した誘導モータの回転磁界（誘導モータの励磁力）の他に、インバータ出力の電流波形、ロータ１１に取り付けられたインペラの羽数の倍数による外力等がある。これらの外力に基づく不釣合い力を相殺するために、２以上の回転非同期フィードフォワード制御器２６、回転非同期ＰＬＬ２７ａ及び回転非同期二相発振器２７ｂを備えてもよい。
【００３２】
上述した装置を用い、本発明の方法によれば、
（Ａ）  ロータ１１の変位に基づきロータ１１を中立位置に保持するようにフィードバック制御し、
（Ｂ）  ロータ１１の回転周波数に同期する同期周波数に基づき該同期周波数に一致する不釣合い力を相殺するようにフィードフォワード制御し、
（Ｃ）  ロータ１１の回転周波数に同期しない回転非同期周波数に基づき該回転非同期周波数に一致する不釣合い力を相殺するようにフィードフォワード制御する。
【００３３】
また、回転非同期周波数に基づくフィードフォワード制御（Ｃ）は、
（Ｃ１）  ロータ１１の回転周波数に同期しない外部信号から前記回転非同期周波数を抽出し、
（Ｃ２）  前記回転非同期周波数を有する回転非同期正弦波と回転非同期余弦波を発振させ、
（Ｃ３）  前記回転非同期正弦波と回転非同期余弦波をそれぞれｘ軸用電磁石とｙ軸用電磁石の電流指令信号に重畳させる。
【実施例】
【００３４】
図３は、ロータの回転周波数ωと異なる外力が作用する場合の具体例である。この図において、横軸はロータの回転周波数、縦軸はロータの応答振幅である。また、図中の■はロータの回転同期、□はモータ励磁、破線は回転同期とモータ励磁の対を示している。
この図において、縦の一点鎖線はロータ危険速度、図中の矢印Ａは本発明の同期フィードフォワード制御の開始位置を示している。なおこの例では、本発明の回転非同期周波数に基づくフィードフォワード制御は実施していない。
【００３５】
この図から、ロータの回転同期周波数に対し、これと対のモータ励磁周波数は、常に高い周波数となることがわかる。すなわち、誘導モータでは、回転磁界に対しロータはやや低い周波数で回転し、その間に滑りが生じる。
また、本発明の同期フィードフォワード制御により、この例では回転同期のみ小さくなっていて、モータ励磁の応答は小さくなっていないことがわかる。そのため、ロータの回転信号を取り込む同期フィードフォワード制御ではロータの回転に同期する不釣合い力を相殺することはできるが、誘導モータの励磁力を相殺することはできず、誘導モータの回転磁界の周波数が危険速度を通過できないことがわかる。
【００３６】
これに対し、本発明の装置および方法では、ロータの回転周波数に同期する同期周波数に基づき該同期周波数に一致する不釣合い力を相殺する同期フィードフォワード制御器の他に、回転非同期フィードフォワード制御器を備え、ロータの回転周波数に同期しない回転非同期周波数に基づき該回転非同期周波数に一致する不釣合い力を相殺するので、回転周波数と異なる外力が作用する場合でも、その外力の周波数を危険速度を通過させることができる。
【００３７】
すなわち、フィードフォワード制御のロジックを多段化し、他の外力（例えば、誘導モータの励磁力）についてもその周波数に同期した信号を作り出し、重畳させることで複数の周波数の外力を相殺することが可能となる。
【００３８】
なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。
【符号の説明】
【００３９】
１０  磁気軸受、１１  回転体（ロータ）、
１２ｘ  ｘ軸用電磁石、１２ｙ  ｙ軸用電磁石、
２０  磁気軸受制御装置、２２  フィードバック制御器、
２３ｘ  ｘ軸制御器、２３ｙ  ｙ軸制御器、
２４  同期フィードフォワード制御器、２５ａ  同期ＰＬＬ、
２５ｂ  同期二相発振器、２６  回転非同期フィードフォワード制御器、
２７ａ  回転非同期ＰＬＬ、２７ｂ  回転非同期二相発振器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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