(57)【要約】【課題】擾乱を低減する磁気軸受制御装置を提供する。【解決手段】磁気軸受制御装置は、軸受制御系と、ラジアル方向擾乱力が生じる位置におけるＸ軸方向及びＹ軸方向擾乱力を計測するラジアル方向擾乱力計測器と、回転座標変換器と、低域通過フィルタと、積分器と、積分器の出力に対して所定の進相量を重畳したうえで固定座標系表現に変換した信号を上記軸受制御系に対するラジアル方向並進変位指令として出力する固定座標変換器とを有するラジアル方向並進変位指令制御系と、上記低域通過フィルタの出力に基づいて低域通過フィルタの出力の偏角回転角速度を出力する回転角速度変換器と、回転角速度変換器の出力に所定の重み付けゲインで積分した信号を上記固定座標変換器に対して上記所定の進相量として出力する重み付き積分器を有する最適進相量推定器と、を備える。【選択図】図４
2018080712.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロータを電磁力によって浮上させる複数の電磁石からなる磁気軸受の、ラジアル方向をＸ軸及びＹ軸、ロータ回転軸をＺ軸とする固定座標系において、上記ロータの幾何中心位置がＸ軸方向及びＹ軸方向に並進運動するラジアル方向並進変位、並びに上記ロータの幾何中心位置がＺ軸方向に並進運動するアキシャル方向並進変位の３自由度並進変位と、上記ロータの幾何中心軸がＺ軸を含む平面内で回動するラジアル方向回転変位の２自由度回転変位からなる５自由度ロータ変位に関する情報を検出する変位検出手段と、
該変位検出手段の出力を５自由度ロータ変位に変換するロータ変位演算器と、
該ロータ変位演算器の出力に基づいて、上記ロータの３自由度並進変位を上記磁気軸受の所定の位置に制御するための軸受力となるラジアル方向及びアキシャル方向軸受力指令、並びに上記ロータの２自由度回転変位を上記磁気軸受の所定の位置に制御するための軸受モーメントとなるラジアル方向軸受モーメント指令を出力する制御指令演算器と、
上記ロータ変位演算器の出力に基づいて、上記電磁石各々と上記ロータとのギャップ長を出力するギャップ長演算器と、
上記制御指令演算器の出力及び上記ギャップ長演算器の出力に基づいて、上記電磁石各々に供給するべき電流指令を出力する電流指令演算器と、
を有する軸受制御系と、
ラジアル方向擾乱力が生じている位置におけるＸ軸方向及びＹ軸方向擾乱力を計測するラジアル方向擾乱力計測器と、
該ラジアル方向擾乱力計測器の出力を、固定座標系をＺ軸回りに所定の回転速度で回転
させた回転座標系表現に変換する回転座標変換器と、
該回転座標変換器の出力から低周波成分を抽出する低域通過フィルタと、
該低域通過フィルタの出力を符号反転させた後に積分した信号を、ラジアル方向並進変位指令の回転座標系表現として出力する積分器と、
該積分器の出力に対して所定の進相量を重畳したうえで固定座標系表現に変換した信号を、上記軸受制御系に対するラジアル方向並進変位指令として出力する固定座標変換器と、
を有するラジアル方向並進変位指令制御系と、
上記低域通過フィルタの出力に基づいて、該低域通過フィルタの出力の偏角回転角速度を出力する回転角速度変換器と、
該回転角速度変換器の出力に対して所定の重み付けゲインで積分した信号を、上記固定座標変換器に対して上記所定の進相量として出力する重み付き積分器と、
を有する最適進相量推定器と、
を備える磁気軸受制御装置。
【請求項２】
ロータを電磁力によって浮上させる複数の電磁石からなる磁気軸受の、ラジアル方向をＸ軸及びＹ軸、ロータ回転軸をＺ軸とする固定座標系において、上記ロータの幾何中心位置がＸ軸方向及びＹ軸方向に並進運動するラジアル方向並進変位、並びに上記ロータの幾何中心位置がＺ軸方向に並進運動するアキシャル方向並進変位の３自由度並進変位と、上記ロータの幾何中心軸がＺ軸を含む平面内で回動するラジアル方向回転変位の２自由度回転変位からなる５自由度ロータ変位に関する情報を検出する変位検出手段と、
該変位検出手段の出力を５自由度ロータ変位に変換するロータ変位演算器と、
該ロータ変位演算器の出力に基づいて、上記ロータの３自由度並進変位を上記磁気軸受
の所定の位置に制御するための軸受力となるラジアル方向及びアキシャル方向軸受力指令、並びに上記ロータの２自由度回転変位を上記磁気軸受の所定の位置に制御するための軸受モーメントとなるラジアル方向軸受モーメント指令を出力する制御指令演算器と、
上記ロータ変位演算器の出力に基づいて、上記電磁石各々と上記ロータとのギャップ長を出力するギャップ長演算器と、
上記制御指令演算器の出力及び上記ギャップ長演算器の出力に基づいて、上記電磁石各々に供給するべき電流指令を出力する電流指令演算器と、
を有する軸受制御系と、
アキシャル方向擾乱力が生じている位置におけるＺ軸方向擾乱力を計測するアキシャル方向擾乱力計測器と、
該アキシャル方向擾乱力計測器の出力をＸ軸方向成分、零値をＹ軸方向成分として、固定座標系をＺ軸回りに所定の回転速度で回転させた回転座標系表現に変換する回転座標変換器と、
該回転座標変換器の出力から低周波成分を抽出する低域通過フィルタと、
該低域通過フィルタの出力を符号反転させた後に積分した信号を、アキシャル方向並進変位指令の回転座標系表現として出力する積分器と、
該積分器の出力を、所定の進相量を重畳したうえで固定座標系表現に変換した信号のＸ軸方向成分を、上記軸受制御系に対するアキシャル方向並進変位指令として出力する固定座標変換器と、
を備えたアキシャル方向並進変位指令制御系と、
上記低域通過フィルタの出力に基づいて、該低域通過フィルタの出力の偏角回転角速度を出力する回転角速度変換器と、
該回転角速度変換器の出力に対して所定の重み付けゲインで積分した信号を、上記固定座標変換器に対して上記所定の進相量として出力する重み付き積分器と、
を有する最適進相量推定器と、
を備える磁気軸受制御装置。
【請求項３】
ロータを電磁力によって浮上させる複数の電磁石からなる磁気軸受の、ラジアル方向をＸ軸及びＹ軸、ロータ回転軸をＺ軸とする固定座標系において、上記ロータの幾何中心位置がＸ軸方向及びＹ軸方向に並進運動するラジアル方向並進変位、並びに上記ロータの幾何中心位置がＺ軸方向に並進運動するアキシャル方向並進変位の３自由度並進変位と、上記ロータの幾何中心軸がＺ軸を含む平面内で回動するラジアル方向回転変位の２自由度回転変位からなる５自由度ロータ変位に関する情報を検出する変位検出手段と、
該変位検出手段の出力を５自由度ロータ変位に変換するロータ変位演算器と、
該ロータ変位演算器の出力に基づいて、上記ロータの３自由度並進変位を上記磁気軸受
の所定の位置に制御するための軸受力となるラジアル方向及びアキシャル方向軸受力指令、並びに上記ロータの２自由度回転変位を上記磁気軸受の所定の位置に制御するための軸受モーメントとなるラジアル方向軸受モーメント指令を出力する制御指令演算器と、
上記ロータ変位演算器の出力に基づいて、上記電磁石各々と上記ロータとのギャップ長
を出力するギャップ長演算器と、
上記制御指令演算器の出力及び上記ギャップ長演算器の出力に基づいて、上記電磁石各々に供給するべき電流指令を出力する電流指令演算器と、
を有する軸受制御系と、
ラジアル方向擾乱モーメントが生じている位置におけるＸ軸方向及びＹ軸方向擾乱モーメントを計測するラジアル方向擾乱モーメント計測器と、
該ラジアル方向擾乱モーメント計測器の出力を、固定座標系をＺ軸回りに所定の回転速度で回転させた回転座標系表現に変換する回転座標変換器と、
該回転座標変換器の出力から低周波成分を抽出する低域通過フィルタと、
該低域通過フィルタの出力を、上記ロータのラジアル方向慣性モーメントがアキシャル方向慣性モーメントに比して大きい場合には符号反転させた後に積分し、上記ロータのアキシャル方向慣性モーメントがラジアル方向慣性モーメントに比して大きい場合には符号反転せずに積分した信号を、ラジアル方向回転変位指令の回転座標系表現として出力する積分器と、
該積分器の出力を、所定の進相量を重畳したうえで固定座標系表現に変換した信号を、上記軸受制御系に対するラジアル方向回転変位指令として出力する固定座標変換器と、
を有するラジアル方向回転変位指令制御系と、
上記低域通過フィルタの出力に基づいて、該低域通過フィルタの出力の偏角回転角速度を出力する回転角速度変換器と、
該回転角速度変換器の出力に対して所定の重み付けゲインで積分した信号を、上記固定座標変換器に対して上記所定の進相量として出力する重み付き積分器と、
を有する最適進相量推定器と、
を備えることを特徴とする磁気軸受制御装置。
【請求項４】
上記最適進相量推定器の上記重み付き積分器において、
上記所定の重み付けゲインを、上記低域通過フィルタの出力の絶対値の２乗としたことを特徴とする請求項１から請求項３の何れか一項に記載の磁気軸受制御装置。
【請求項５】
上記最適進相量推定器は、
上記低域通過フィルタの出力に基づいて、低域通過フィルタの出力の偏角回転角速度を出力する上記回転角速度変換器と、
上記回転角速度変換器の出力に対して所定値のリミッタ処理をおこなう振幅制限器と、
該振幅制限器の出力に対して所定の重み付けゲインで積分した信号を、上記固定座標変換器に対して上記所定の進相量として出力する上記重み付き積分器とを有することを特徴とする請求項１から請求項４の何れか一項に記載の磁気軸受制御装置。
【請求項６】
上記最適進相量推定器の上記重み付き積分器において、
該重み付き積分器が出力する上記所定の進相量に対して、上記回転座標変換器における回転座標系の回転速度に応じて所定の初期値を与えたことを特徴とする請求項１から請求項５の何れか一項に記載の磁気軸受制御装置。
【請求項７】
上記ラジアル方向擾乱力計測器は、
上記磁気軸受又は振動を発生する他の設置機器の近傍に配置された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８】
上記アキシャル方向擾乱力計測器は、
上記磁気軸受又は振動を発生する他の設置機器の近傍に配置されたことを特徴とする請求項２に記載の磁気軸受制御装置。
【請求項９】
上記ラジアル方向擾乱モーメント計測器は、
上記磁気軸受又は振動を発生する他の設置機器の近傍に配置されたことを特徴とする請求項３に記載の磁気軸受制御装置。
【請求項１０】
上記回転座標変換器は、上記ラジアル方向擾乱力計測器の出力を、固定座標系をＺ軸回りに、上記磁気軸受又は他の設置機器が発生する振動が有する周波数に対応する回転速度で回転させた回転座標系表現に変換する請求項７に記載の磁気軸受制御装置。
【請求項１１】
上記回転座標変換器は、上記アキシャル方向擾乱力計測器の出力を、固定座標系をＺ軸回りに、上記磁気軸受又は他の設置機器が発生する振動が有する周波数に対応する回転速度で回転させた回転座標系表現に変換する請求項８に記載の磁気軸受制御装置。
【請求項１２】
上記回転座標変換器は、上記ラジアル方向擾乱モーメント計測器の出力を、固定座標系をＺ軸回りに、上記磁気軸受又は他の設置機器が発生する振動が有する周波数に対応する回転速度で回転させた回転座標系表現に変換する請求項９に記載の磁気軸受制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転体を非接触で支持する磁気軸受が発生する擾乱を、磁気軸受のサーボ共振周波数を含めた全周波数領域において低減する磁気軸受制御装置に関するものである。また、本発明は、所定位置における振動に対して、その振動を相殺するような制振力を与えるアクティブ制振機能を有する磁気軸受制御装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の磁気軸受制御装置として、例えば、特許文献１に記載された磁気軸受制御装置がある。
【０００３】
この磁気軸受制御装置は、ロータを電磁力によって浮上させる複数の電磁石からなる磁気軸受の、ロータ変位に関する情報を検出する変位検出手段と、変位検出手段の出力をロータ変位に変換するロータ変位演算器と、ロータ変位演算器の出力に基づいて、ロータ変位を磁気軸受の所定の位置に制御するための軸受力および軸受モーメントを算出する制御指令演算器と、ロータ変位演算器の出力に基づいて、各電磁石とロータとのギャップ長を算出するギャップ長演算器と、制御指令演算器の出力およびギャップ長演算器の出力に基づいて、各電磁石に供給するべき電流指令を算出する電流指令演算器を備えた通常の磁気軸受制御装置に対して、
磁気軸受が発生するラジアル方向擾乱力を計測するラジアル方向擾乱力計測器と、ラジアル方向擾乱力計測器の出力を、所定の回転速度で回転する回転座標系表現に変換する回転座標変換器と、回転座標変換器の出力から低周波成分を抽出する低域通過フィルタと、低域通過フィルタの出力を符号反転して積分する積分器と、積分器の出力に対して、ロータの回転速度に応じて所定の進相量を重畳して固定座標系表現に変換する固定座標変換器を配置した構成としており、
固定座標変換器の出力を磁気軸受制御装置におけるロータのラジアル方向並進変位指令とすることで、磁気軸受のサーボ共振周波数を含めた全周波数領域において、回転座標系と同一方向に同一速度で回転するラジアル方向擾乱力を低減することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−２５８２６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来の磁気軸受制御装置は以上のように構成され、磁気軸受の機械加工精度、電磁石及び変位検出手段の取付誤差、並びに軸受制御系のモデル化誤差の影響を受けずに、磁気軸受のサーボ共振周波数を含めた全周波数領域で回転座標変換器における回転座標系と同一方向に同一速度で回転するラジアル方向擾乱力を低減することができる。
【０００６】
しかしながら、従来の磁気軸受制御装置では固定座標変換器において重畳する進相量が常に最適値となるように、低減させる擾乱周波数に応じた事前調整が必要になるという課題があった。
【０００７】
加えて、磁気軸受装置の機械特性のみならず、磁気軸受装置を設置する設置筐体の機械特性、並びに設置筐体への磁気軸受装置の取付剛性によって上記最適進相量が変化するため、磁気軸受装置を筐体へ設置する度に進相量調整を実施しなければならないという課題もあった。
【０００８】
この発明は上記のような課題を解決するためになされたものであり、磁気軸受制御装置の内部変数に基づいて、固定座標変換器において重畳する進相量の最適値を自動的に導出することで、磁気軸受装置及び設置筐体の機械特性、並びに設置筐体への磁気軸受装置の取付剛性によらず、従来必要となった進相量の事前調整作業の一切を不要とする磁気軸受制御装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この発明に係る磁気軸受制御装置は、従来の軸受制御系に加えて、
ラジアル方向擾乱力が生じている位置におけるＸ軸方向及びＹ軸方向擾乱力を計測するラジアル方向擾乱力計測器と、
該ラジアル方向擾乱力計測器の出力を、固定座標系をＺ軸回りに所定の回転速度で回転させた回転座標系表現に変換する回転座標変換器と、
該回転座標変換器の出力から低周波成分を抽出する低域通過フィルタと、
該低域通過フィルタの出力を符号反転させた後に積分した信号を、ラジアル方向並進変位指令の回転座標系表現として出力する積分器と、
該積分器の出力に対して所定の進相量を重畳したうえで固定座標系表現に変換した信号を、上記軸受制御系に対するラジアル方向並進変位指令として出力する固定座標変換器と、
を有するラジアル方向並進変位指令制御系と、
上記低域通過フィルタの出力に基づいて、該低域通過フィルタの出力の偏角回転角速度を出力する回転角速度変換器と、
該回転角速度変換器の出力に対して所定の重み付けゲインで積分した信号を、上記固定座標変換器に対して上記所定の進相量として出力する重み付き積分器と、
を有する最適進相量推定器と、
を備える。
【００１０】
また、この発明に係る磁気軸受制御装置は、従来の軸受制御系に加えて、
アキシャル方向擾乱力が生じている位置におけるＺ軸方向擾乱力を計測するアキシャル方向擾乱力計測器と、
該アキシャル方向擾乱力計測器の出力をＸ軸方向成分、零値をＹ軸方向成分として、固定座標系をＺ軸回りに所定の回転速度で回転させた回転座標系表現に変換する回転座標変換器と、
該回転座標変換器の出力から低周波成分を抽出する低域通過フィルタと、
該低域通過フィルタの出力を符号反転させた後に積分した信号を、アキシャル方向並進変位指令の回転座標系表現として出力する積分器と、
該積分器の出力を、所定の進相量を重畳したうえで固定座標系表現に変換した信号のＸ軸方向成分を、上記軸受制御系に対するアキシャル方向並進変位指令として出力する固定座標変換器と、
を備えたアキシャル方向並進変位指令制御系と、
上記低域通過フィルタの出力に基づいて、該低域通過フィルタの出力の偏角回転角速度を出力する回転角速度変換器と、
該回転角速度変換器の出力に対して所定の重み付けゲインで積分した信号を、上記固定座標変換器に対して上記所定の進相量として出力する重み付き積分器と、
を有する最適進相量推定器と、
を備える。
【００１１】
更に、この発明に係る磁気軸受制御装置は、従来の軸受制御系に加えて、
ラジアル方向擾乱モーメントが生じている位置におけるＸ軸方向及びＹ軸方向擾乱モーメントを計測するラジアル方向擾乱モーメント計測器と、
該ラジアル方向擾乱モーメント計測器の出力を、固定座標系をＺ軸回りに所定の回転速度で回転させた回転座標系表現に変換する回転座標変換器と、
該回転座標変換器の出力から低周波成分を抽出する低域通過フィルタと、
該低域通過フィルタの出力を、上記ロータのラジアル方向慣性モーメントがアキシャル方向慣性モーメントに比して大きい場合には符号反転させた後に積分し、上記ロータのアキシャル方向慣性モーメントがラジアル方向慣性モーメントに比して大きい場合には符号反転させずに積分した信号を、ラジアル方向回転変位指令の回転座標系表現として出力する積分器と、
該積分器の出力を、所定の進相量を重畳したうえで固定座標系表現に変換した信号を、上記軸受制御系に対するラジアル方向回転変位指令として出力する固定座標変換器と、
を有するラジアル方向回転変位指令制御系と、
上記低域通過フィルタの出力に基づいて、該低域通過フィルタの出力の偏角回転角速度を出力する回転角速度変換器と、
該回転角速度変換器の出力に対して所定の重み付けゲインで積分した信号を、上記固定座標変換器に対して上記所定の進相量として出力する重み付き積分器と、
を有する最適進相量推定器と、
を備える。
【発明の効果】
【００１２】
この発明により、磁気軸受制御装置の内部変数に基づいて、固定座標変換器において重畳する進相量の最適値が自動的に導出されるので、磁気軸受装置及び設置筐体の機械特性、並びに設置筐体への磁気軸受装置の取付剛性によらず、従来のラジアル方向並進変位指令制御系、アキシャル方向並進変位指令制御系及びラジアル方向回転変位指令制御系において必要となった進相量の事前調整作業の一切を不要とすることができるという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】磁気軸受手段の構成要素であるロータ、電磁石及び変位検出手段の配置例を示す構成図である。
【図２】磁気軸受手段の構成要素であるロータ、電磁石及び変位検出手段の別の配置例を示す構成図である。
【図３】この発明の実施の形態１〜３による磁気軸受制御装置における軸受制御系の構成を示すブロック図である。
【図４】この発明の実施の形態１による磁気軸受制御装置におけるラジアル方向並進変位指令制御系及び最適進相量推定器の構成を示すブロック図である。
【図５】この発明の実施の形態１による磁気軸受制御装置における機器配置を示す構成図である。
【図６】この発明の実施の形態２による磁気軸受制御装置におけるラジアル方向並進変位指令制御系、アキシャル方向並進変位指令制御系、並びに最適進相量推定器の構成を示すブロック図である。
【図７】この発明の実施の形態２〜３による磁気軸受制御装置において、重み付き積分器で与える初期値の構成を示すグラフである。
【図８】この発明の実施の形態２による磁気軸受制御装置における機器配置を示す構成図である。
【図９】この発明の実施の形態３による磁気軸受制御装置におけるラジアル方向回転変位指令制御系及び最適進相量推定器の構成を示すブロック図である。
【図１０】この発明の実施の形態３による磁気軸受制御装置における機器配置を示す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
（実施の形態１）
【００１５】
図１は、磁気軸受手段の構成要素であるロータ（円柱状ロータ）、電磁石及び変位検出手段の配置例を示す構成図であり、図１（ａ）は上面図、図１（ｂ）は側面図である。
【００１６】
図１に示すように、磁気軸受手段は、ロータ１、ロータ１を電磁力によって所定位置に浮上させる電磁石２、及びロータ１の磁気軸受中心からの変位を検出する変位検出手段３を備えている。Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸は磁気軸受のステータ（図示せず）に対して固定された固定座標系の座標軸であり、Ｚ軸はロータ回転軸（アキシャル軸）、Ｘ軸及びＹ軸はＺ軸に垂直で互いに直交するラジアル軸であり、固定座標系原点は磁気軸受の幾何中心位置となっている。
【００１７】
ロータ１には、ロータ１の幾何中心位置が固定座標系原点からＸ軸方向、及びＹ軸方向に並進運動するラジアル方向並進変位Ｘ、Ｙ、及びロータ１の幾何中心位置が固定座標系原点からＺ軸方向に並進運動するアキシャル方向並進変位Ｚの３自由度並進変位、並びにロータ１の幾何中心軸がＸ軸回りで回転するラジアル方向回転変位θｘ、Ｙ軸回りで回転するラジアル方向回転変位θｙの２自由度回転変位からなる５自由度ロータ変位が生じる。
【００１８】
図１に示す構成の磁気軸受手段では、変位検出手段３ａ〜３ｈから出力されるロータ変位情報によって、ロータ１のラジアル方向並進変位Ｘ、Ｙ、及びラジアル方向回転変位θｘ、θｙを算出することができ、変位検出手段３ｉ〜３ｊから出力されるロータ変位情報によって、ロータ１のアキシャル方向並進変位Ｚを算出することができる。
【００１９】
また、電磁石２ａ〜２ｈが発生する電磁力によって、ロータ１に作用するラジアル方向軸受力、及びラジアル方向軸受モーメントを制御することができ、電磁石２ｉ〜２ｊが発生する電磁力によって、ロータ１に作用するアキシャル方向軸受力を制御することができる。図２は、磁気軸受手段の構成要素であるロータ（円板状ロータ）、電磁石及び変位検出手段の別の配置例を示す構成図であり、図２（ａ）は上面図、図２（ｂ）は図２（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
【００２０】
図２に示すように、傾斜磁極リング状ロータ１の周囲に６個の電磁石２ａ〜２ｆ、及び６個の変位検出手段３ａ〜３ｆを配置した磁気軸受手段の構成でも、変位検出手段３ａ〜３ｆから出力されるロータ変位情報によって５自由度ロータ変位Ｘ、Ｙ、Ｚ、θｘ、θｙを算出することができ、また、電磁石２ａ〜２ｆが発生する電磁力によってロータに作用するラジアル方向軸受力、アキシャル方向軸受力、及びラジアル方向軸受モーメントを制御することができる。
【００２１】
図３は、この発明の実施の形態１による磁気軸受制御装置における軸受制御系の構成を示すブロック図である。
【００２２】
図３に示すように、軸受制御系１０は磁気軸受手段１１、ロータ変位演算器１２、制御指令演算器１３、ギャップ長演算器１４、電流指令演算器１５を備えており、ロータ１のラジアル方向並進変位指令Ｘｃ、Ｙｃ、アキシャル方向並進変位指令Ｚｃ、及びラジアル方向回転変位指令θｘｃ、θｙｃを受けて、その各々に対してロータ１の５自由度ロータ変位Ｘ、Ｙ、Ｚ、θｘ、θｙを追従させるように制御する。
【００２３】
軸受制御系１０は、図示しない上位制御装置から、ロータ１のラジアル方向並進変位指令Ｘｃ、Ｙｃ、アキシャル方向並進変位指令Ｚｃ、及びラジアル方向回転変位指令θｘｃ、θｙｃを入力する。また、ロータ１は、図示しない上位制御装置により、アキシャル方向回転速度ωｄで回転するように制御される。
【００２４】
磁気軸受手段１１は、ロータ１、ロータ１を電磁力によって浮上させる複数の電磁石２、及びロータ１の変位を検出する変位検出手段３から構成されており、ｎ個の変位検出手段３からロータ変位情報Ｓ１、Ｓ２、…、Ｓｎを出力する。
【００２５】
ロータ変位演算器１２は、磁気軸受手段１１におけるｎ個の変位検出手段３から出力されるロータ変位情報Ｓ１、Ｓ２、…、Ｓｎに基づいて、ロータ１の５自由度ロータ変位Ｘ、Ｙ、Ｚ、θｘ、θｙを算出して出力する。
【００２６】
制御指令演算器１３は、ラジアル方向並進変位指令Ｘｃ、Ｙｃ、アキシャル方向並進変位指令Ｚｃ、及びラジアル方向回転変位指令θｘｃ、θｙｃと、ロータ変位演算器１２から出力される５自由度ロータ変位Ｘ、Ｙ、Ｚ、θｘ、θｙとの偏差に基づいて、当該偏差を零とするようなラジアル方向軸受力指令Ｆｘ、Ｆｙ、アキシャル方向軸受力指令Ｆｚ、及びラジアル方向軸受モーメント指令Ｎｘ、Ｎｙを算出して出力する。
【００２７】
ギャップ長演算器１４は、ロータ変位演算器１２から出力される５自由度ロータ変位Ｘ、Ｙ、Ｚ、θｘ、θｙに基づいて、磁気軸受手段１１を構成するｎ個の電磁石２の各々におけるロータ１とのギャップ長Ｇ１、Ｇ２、…、Ｇｎを算出して出力する。
【００２８】
電流指令演算器１５は、制御指令演算器１３の出力であるラジアル方向軸受力指令Ｆｘ、Ｆｙ、アキシャル方向軸受力指令Ｆｚ、及びラジアル方向軸受モーメント指令Ｎｘ、Ｎｙと、ギャップ長演算器１４の出力であるギャップ長Ｇ１、Ｇ２、…、Ｇｎに基づいて、各々の電磁石２に供給するべき電流指令Ｉ１、Ｉ２、…、Ｉｎを算出して出力する。そして、電流指令演算器１５からの電流指令Ｉ１、Ｉ２、…、Ｉｎに応じて、磁気軸受手段１１における各々の電磁石２が付勢されることにより、ロータ１の５自由度ロータ変位が制御される。
【００２９】
図４は、この発明の実施の形態１による磁気軸受制御装置におけるラジアル方向並進変位指令制御系及び最適進相量推定器の構成を示すブロック図である。
【００３０】
図４に示すように、ラジアル方向並進変位指令制御系２０はラジアル方向擾乱力計測器２１、回転座標変換器２２、低域通過フィルタ２３、積分器２４、固定座標変換器２５を備えており、ラジアル方向擾乱力Ｆｄｘ、Ｆｄｙから、当該擾乱力におけるロータ１のアキシャル方向回転速度ωｄと同一回転速度で回転する成分を低減するラジアル方向並進変位指令Ｘｃ、Ｙｃを算出して軸受制御系１０に対して出力する。
【００３１】
また、最適進相量推定器５０は回転角速度変換器５１、重み付き積分器５２を備えており、低域通過フィルタ２３の出力Ｆｌｐｆｘ、Ｆｌｐｆｙに基づいて、固定座標変換器２５において重畳する進相量αを算出して出力する。
【００３２】
ラジアル方向並進変位指令制御系２０のラジアル方向擾乱力計測器２１は、ラジアル方向擾乱力が生じている位置におけるＸ軸方向擾乱力Ｆｄｘ、Ｙ軸方向擾乱力Ｆｄｙを計測して出力する。
【００３３】
ラジアル方向擾乱力計測器２１は、例えば、力センサ、加速度計等の公知の技術を用いて形成される。
【００３４】
回転座標変換器２２は、ロータ１のアキシャル方向回転速度ωｄに基づいて、ラジアル方向擾乱力計測器２１から出力されるラジアル方向擾乱力Ｆｄｘ、Ｆｄｙを、固定座標系をＺ軸回りにωｄの回転速度で回転する回転座標系表現Ｆｄｘｒ、Ｆｄｙｒに変換して出力する。回転座標変換器２２は、図示しない上位制御装置から、回転速度ωｄを入力する。
【００３５】
回転座標系は、回転速度ωｄで回転するロータ１の回転と同一方向に同一速度で回転する。
【００３６】
低域通過フィルタ２３は、通過周波数帯域を大略０．１〜１Ｈｚ程度とすることで、ラジアル方向擾乱力Ｆｄｘ、Ｆｄｙの回転座標系表現Ｆｄｘｒ、Ｆｄｙｒから、低周波成分Ｆｌｐｆｘ、Ｆｌｐｆｙを抽出する。なお、当該出力Ｆｌｐｆｘ、Ｆｌｐｆｙは、固定座標系表現におけるラジアル方向擾乱力Ｆｄｘ、Ｆｄｙのωｄ成分に対応する。
【００３７】
積分器２４は、低域通過フィルタ２３の出力Ｆｌｐｆｘ、Ｆｌｐｆｙを符号反転させた後に積分した信号を、ラジアル方向並進変位指令の回転座標系表現Ｘｃｒ、Ｙｃｒとして出力する。
【００３８】
固定座標変換器２５は、ロータ１のアキシャル方向回転速度ωｄに基づいて、積分器２４の出力であるラジアル方向並進変位指令の回転座標系表現Ｘｃｒ、Ｙｃｒを、進相量αを重畳したうえで固定座標系表現に変換して、軸受制御系１０に対するラジアル方向並進変位指令Ｘｃ、Ｙｃとして出力する。固定座標変換器２５は、図示しない上位制御装置から、回転速度ωｄを入力する。
【００３９】
回転座標変換器２２及び固定座標変換器２５が入力する回転速度ωｄとして、ロータ１の回転速度を測定し、測定された回転速度を、回転座標変換器２２及び固定座標変換器２５に入力するようにしてもよい。
【００４０】
なお実施の形態１では、軸受制御系１０に対するアキシャル方向並進変位指令Ｚｃ、及びラジアル方向回転変位指令θｘｃ、θｙｃを、常に零値としている。
【００４１】
最適進相量推定器５０の回転角速度変換器５１は、低域通過フィルタ２３の出力Ｆｌｐｆｘ、Ｆｌｐｆｙに基づいて、当該出力Ｆｌｐｆｘ、Ｆｌｐｆｙの偏角回転角速度ｄ∠Ｆｌｐｆ／ｄｔを算出して出力する。
【００４２】
重み付き積分器５２は、低域通過フィルタ出力Ｆｌｐｆｘ、Ｆｌｐｆｙの絶対値の２乗で重み付けしたゲインによって、回転角速度変換器５１の出力である偏角回転角速度ｄ∠Ｆｌｐｆ／ｄｔを積分した信号を、固定座標変換器２５において重畳する進相量αとして出力する。
【００４３】
図５は、この発明の実施の形態１による磁気軸受制御装置における機器配置を示す構成図である。
【００４４】
図５に示すように、磁気軸受手段１１は、設置筐体６０に対して所定の取付剛性で固定されており、ラジアル方向擾乱力計測器２１は、設置筐体６０に対して磁気軸受手段１１の近傍に配置されている。なお設置筐体６０には、一般に他の設置機器６１も固定されている。
【００４５】
磁気軸受手段１１は、通常、ロータの幾何学的中心と、ロータ重心とは一致していない。そのため、ロータの幾何学的中心が、固定座標系原点に位置するように制御されても、ロータの回転速度と同期して、ラジアル方向擾乱力が発生し得る。
【００４６】
ラジアル方向擾乱力計測器２１は、磁気軸受手段１１が発生するラジアル方向擾乱力を計測する観点から、磁気軸受手段１１に近接して配置されることが好ましい。例えば、ラジアル方向擾乱力計測器２１は、磁気軸受手段１１に対して、３０ｃｍ以内、特に、１０ｃｍ以内に配置されることが、上述した観点から好ましい。回転座標変換器２２は、ラジアル方向擾乱力計測器２１の出力を、固定座標系をＺ軸回りに、磁気軸受手段１１が発生する振動が有するあらゆる周波数に対応する回転速度で回転させた回転座標系表現に変換することが好ましい。
【００４７】
次に、磁気軸受制御装置の動作について説明する。
【００４８】
図３に示す軸受制御系１０において、磁気軸受手段１１におけるｎ個の変位検出手段３から出力されるロータ変位情報Ｓ１、Ｓ２、…、Ｓｎは、ロータ変位演算器１２によってロータ１の３自由度並進変位Ｘ、Ｙ、Ｚ、及びラジアル方向２自由度回転変位θｘ、θｙからなる５自由度ロータ変位に変換される。
【００４９】
この５自由度ロータ変位Ｘ、Ｙ、Ｚ、θｘ、θｙはフィードバックされ、固定座標変換器２５から出力されるラジアル方向並進変位指令Ｘｃ、Ｙｃ、アキシャル方向並進変位指令Ｚｃの零値、及びラジアル方向回転変位指令θｘｃ、θｙｃの零値との偏差信号が制御指令演算器１３に入力される。
【００５０】
制御指令演算器１３では、入力された偏差信号に基づいて、当該偏差が零となるようなラジアル方向軸受力指令Ｆｘ、Ｆｙ、アキシャル方向軸受力指令Ｆｚ、及びラジアル方向軸受モーメント指令Ｎｘ、Ｎｙを算出して出力する。
【００５１】
また、ギャップ長演算器１４では、５自由度ロータ変位Ｘ、Ｙ、Ｚ、θｘ、θｙに基づいて、磁気軸受手段１１を構成するｎ個の電磁石２の各々におけるロータ１とのギャップ長Ｇ１、Ｇ２、…、Ｇｎを算出する。
【００５２】
電流指令演算器１５では、当該ギャップ長Ｇ１、Ｇ２、…、Ｇｎにおいてラジアル方向軸受力指令Ｆｘ、Ｆｙ、アキシャル方向軸受力指令Ｆｚ、及びラジアル方向軸受モーメント指令Ｎｘ、Ｎｙを実現するために電磁石２の各々に供給するべき電流指令Ｉ１、Ｉ２、…、Ｉｎを算出して出力する。この電流指令Ｉ１、Ｉ２、…、Ｉｎに応じて電磁石２の各々が付勢されることにより、５自由度ロータ変位Ｘ、Ｙ、Ｚ、θｘ、θｙがラジアル方向並進変位指令Ｘｃ、Ｙｃ、アキシャル方向並進変位指令Ｚｃ、及びラジアル方向回転変位指令θｘｃ、θｙｃと一致するように制御することが可能となる。
【００５３】
このような軸受制御系１０に対して、この実施の形態１の磁気軸受制御装置では、ラジアル方向並進変位指令制御系２０を設け、ラジアル方向擾乱力計測器２１が計測するラジアル方向擾乱力Ｆｄｘ、Ｆｄｙから、当該擾乱力におけるロータ１のアキシャル方向回転速度ωｄと同一回転速度で回転する成分を低減するようなラジアル方向並進変位指令Ｘｃ、Ｙｃを生成している。
【００５４】
ラジアル方向並進変位指令制御系２０では、ラジアル方向擾乱力計測器２１によって、ラジアル方向擾乱力が生じている位置におけるＸ軸方向擾乱力Ｆｄｘ、Ｙ軸方向擾乱力Ｆｄｙを計測する。当該擾乱力は回転座標変換器２２に入力され、ラジアル方向擾乱力Ｆｄｘ、Ｆｄｙを、次の式（１）によって固定座標系をＺ軸回りにωｄの回転速度で回転させた回転座標系表現Ｆｄｘｒ、Ｆｄｙｒに変換される。
【００５５】
Ｆｄｘｒ＝Ｆｄｘ・ｃｏｓ（ωｄ・ｔ）＋Ｆｄｙ・ｓｉｎ（ωｄ・ｔ）  （１−１）
Ｆｄｙｒ＝−Ｆｄｘ・ｓｉｎ（ωｄ・ｔ）＋Ｆｄｙ・ｃｏｓ（ωｄ・ｔ）  （１−２）
【００５６】
ここで、ｔは時間を表す。
【００５７】
このラジアル方向擾乱力の回転座標系表現Ｆｄｘｒ、Ｆｄｙｒは、通過周波数帯域を大略０．１〜１Ｈｚ程度に設定した低域通過フィルタ２３に入力され、低周波成分Ｆｌｐｆｘ、Ｆｌｐｆｙが抽出される。なお、当該出力Ｆｌｐｆｘ、Ｆｌｐｆｙは、固定座標系表現におけるラジアル方向擾乱力Ｆｄｘ、Ｆｄｙのロータ１のアキシャル方向回転速度ωｄと同一回転速度で回転する成分に対応する。
【００５８】
この低域通過フィルタ出力Ｆｌｐｆｘ、Ｆｌｐｆｙは、積分器２４において符号反転した後に積分され、ラジアル方向並進変位指令の回転座標系表現Ｘｃｒ、Ｙｃｒとして出力される。
【００５９】
この積分器出力Ｘｃｒ、Ｙｃｒは固定座標変換器２５に入力され、次の式（２）に示すように進相量αを重畳したうえで固定座標系表現に変換され、軸受制御系１０に対するラジアル方向並進変位指令Ｘｃ、Ｙｃとして出力される。
【００６０】
Ｘｃ＝Ｘｃｒ・ｃｏｓ（ωｄ・ｔ＋α）−Ｙｃｒ・ｓｉｎ（ωｄ・ｔ＋α）  （２−１）
Ｙｃ＝Ｘｃｒ・ｓｉｎ（ωｄ・ｔ＋α）＋Ｙｃｒ・ｃｏｓ（ωｄ・ｔ＋α）  （２−２）
【００６１】
このとき、擾乱周波数ωｄが軸受制御系１０の位置制御帯域内にあり、周波数ωｄにおける軸受制御系１０の位置制御系閉ループ位相特性がほぼ零と見なせる理想的な場合においては、進相量αを零とすることができる。
【００６２】
擾乱周波数ωｄは、回転座標系の回転速度（ロータ１のアキシャル方向回転速度）ωｄを、周波数表示したものである。
【００６３】
一方、周波数ωｄの上昇に伴い、軸受制御系１０の位置制御系閉ループ位相特性が遅れを持つ場合は、固定座標変換器２５において当該位相遅れを補償する進相量αを重畳しなければ、磁気軸受制御装置が不安定化することが知られている。
【００６４】
また、周波数ωｄを磁気軸受装置または設置筐体６０における共振周波数の近傍とした場合、進相量αの最適値が大きく変動し、加えて設置筐体６０に対する磁気軸受装置の取付剛性によっても進相量αの最適値が変化するため、従来は磁気軸受装置を筐体へ設置する度に、擾乱周波数ωｄに応じた進相量αの最適調整を行う必要があった。
【００６５】
ここで、進相量αと低域通過フィルタ出力Ｆｌｐｆｘ、Ｆｌｐｆｙが回転座標系上で描くリサージュ波形との関係として、
・進相量α＜最適値  →  リサージュ波形は回転座標系上を回転座標系と同一方向に回転
・進相量α＝最適値  →  リサージュ波形は回転座標系上を回転せずに零値に収束
・進相量α＞最適値  →  リサージュ波形は回転座標系上を回転座標系と反対方向に回転となることが知られており、上記進相量αの最適調整においては、任意の擾乱周波数ωｄにおいて、低域通過フィルタ出力Ｆｌｐｆｘ、Ｆｌｐｆｙが回転座標系上で描くリサージュ波形が回転せずに零値に収束するような値に設定することにより、サーボ共振周波数を含めた全周波数域におけるラジアル方向擾乱力Ｆｄｘ、Ｆｄｙの低減が可能となる。
【００６６】
しかしながら、一般に上記進相量αの最適調整には多くの時間を必要とするため、この実施の形態１の磁気軸受制御装置では、更に最適進相量推定器５０を設け、低域通過フィルタ２３の出力Ｆｌｐｆｘ、Ｆｌｐｆｙに基づいて、進相量αの最適値を自動的に導出するようにしている。
【００６７】
最適進相量推定器５０では、次の式（３）で与えられる低域通過フィルタ出力Ｆｌｐｆｘ、Ｆｌｐｆｙの複素表現Ｆｌｐｆに対して、回転角速度変換器５１において、その偏角回転角速度ｄ∠Ｆｌｐｆ／ｄｔを算出する。
【００６８】
Ｆｌｐｆ＝Ｆｌｐｆｘ＋ｊ・Ｆｌｐｆｙ  （３）
【００６９】
この偏角回転角速度ｄ∠Ｆｌｐｆ／ｄｔは重み付き積分器５２に入力され、低域通過フィルタ出力Ｆｌｐｆの絶対値の２乗｜Ｆｌｐｆ｜２で重み付けしたゲインで積分した信号を、固定座標変換器２５において重畳する進相量αとして出力する。このとき、重み付き積分器５２の伝達関数は、所定の積分ゲインをＫＩとして次の式（４）で与えられる。
【００７０】
｜Ｆｌｐｆ｜２ＫＩ／ｓ  （４）
【００７１】
上記構成により、進相量αが最適値より小さく、低域通過フィルタ出力Ｆｌｐｆｘ、Ｆｌｐｆｙのリサージュ波形が回転座標系と同一方向に回転する場合は、偏角回転角速度がｄ∠Ｆｌｐｆ／ｄｔ＞０となるために進相量αが増加し、進相量αが最適値より大きく、低域通過フィルタ出力Ｆｌｐｆｘ、Ｆｌｐｆｙのリサージュ波形が回転座標系と反対方向に回転する場合は、偏角回転角速度がｄ∠Ｆｌｐｆ／ｄｔ＜０となるために進相量αが減少する。
【００７２】
また、進相量αが最適値と等しく、低域通過フィルタ出力Ｆｌｐｆｘ、Ｆｌｐｆｙのリサージュ波形が回転せずに零値に収束する場合は、偏角回転角速度がｄ∠Ｆｌｐｆ／ｄｔ＝０となって進相量αが一定となるため、結果として重み付き積分器５２から出力される進相量αは自動的に最適値に収束する。
【００７３】
ここで、重み付き積分器５２では、積分ゲインを低域通過フィルタ出力Ｆｌｐｆの絶対値の２乗｜Ｆｌｐｆ｜２で重み付けしているため、ラジアル方向擾乱力Ｆｄｘ、Ｆｄｙにおける周波数ωｄ成分の低減によって、低域通過フィルタ出力の絶対値｜Ｆｌｐｆ｜が減少した場合には、式（４）における積分ゲインが低下し、重み付き積分器５２が出力する進相量αの変動が抑制されて、磁気軸受制御装置としてより安定な動作が可能となる。
【００７４】
一方、図５に示すように、この実施の形態１の磁気軸受制御装置では、ラジアル方向擾乱力計測器２１を磁気軸受手段１１の近傍に配置している。このとき、ラジアル方向擾乱力計測器２１の出力は、磁気軸受が発生するラジアル方向擾乱力に対応するため、この実施の形態１の磁気軸受制御装置では、磁気軸受が発生するラジアル方向擾乱力の周波数ωｄ成分を低減する。
【００７５】
以上のように、この実施の形態１の磁気軸受制御装置によれば、磁気軸受制御装置の内部変数、具体的には低域通過フィルタ２３の出力に基づいて、固定座標変換器２５において重畳する進相量αの最適値が自動的に導出されるので、磁気軸受装置及び設置筐体の機械特性、並びに設置筐体への磁気軸受装置の取付剛性によらず、従来の磁気軸受装置で必要となったラジアル方向並進変位指令制御系２０における進相量αの事前調整作業の一切を不要とすることができるという効果が得られる。
【００７６】
また、この実施の形態１の磁気軸受制御装置によれば、低域通過フィルタ２３における出力の絶対値の２乗で重み付けしたゲインによって、回転角速度変換器５１の出力を積分しているので、所望の擾乱成分の低減に伴って重み付き積分器５２における積分ゲインが低下し、重み付き積分器５２が出力する進相量αの変動を抑制することができるため、磁気軸受制御装置の動作をより安定化することができるという効果が得られる。
【００７７】
更に、この実施の形態１の磁気軸受制御装置によれば、ラジアル方向擾乱力計測器２１を磁気軸受手段１１の近傍に配置しているため、磁気軸受が発生するラジアル方向擾乱力の所定成分、具体的には回転座標変換器２２における回転座標系回転速度ωｄと同一回転速度で回転する成分を低減することができるという効果が得られる。
【００７８】
次に、上述した磁気軸受制御装置の実施の形態２及び３を、図面を参照しながら以下に説明する。他の実施形態について特に説明しない点については、上述の実施の形態１に関して詳述した説明が適宜適用される。
【００７９】
（実施の形態２）
【００８０】
図６は、この発明の実施の形態２による磁気軸受制御装置におけるラジアル方向並進変位指令制御系、アキシャル方向並進変位指令制御系、並びに最適進相量推定器の構成を示すブロック図である。
【００８１】
図６に示すように、ラジアル方向並進変位指令制御系２０はラジアル方向擾乱力計測器２１、回転座標変換器２２、低域通過フィルタ２３、積分器２４、固定座標変換器２５を備えており、ラジアル方向擾乱力Ｆｄｘ、Ｆｄｙから、当該擾乱力における所定の回転速度ωｄと同一回転速度で回転する成分を低減するラジアル方向並進変位指令Ｘｃ、Ｙｃを算出して軸受制御系１０に対して出力する。
【００８２】
アキシャル方向並進変位指令制御系３０はアキシャル方向擾乱力計測器３１、回転座標変換器３２、低域通過フィルタ３３、積分器３４、固定座標変換器３５を備えており、アキシャル方向擾乱力Ｆｄｚから、当該擾乱力における回転速度ωｄと同一回転速度で回転する成分を低減するアキシャル方向並進変位指令Ｚｃを算出して軸受制御系１０に対して出力する。
【００８３】
また、最適進相量推定器５０は回転角速度変換器５１、重み付き積分器５２を備えており、低域通過フィルタ２３の出力Ｆｌｐｆｘ、Ｆｌｐｆｙ、及び低域通過フィルタ３３の出力Ｆｌｐｆｚｘ、Ｆｌｐｆｚｙに基づいて、固定座標変換器２５において重畳する進相量α、及び固定座標変換器３５において重畳する進相量βを算出して出力する。
【００８４】
ラジアル方向並進変位指令制御系２０のラジアル方向擾乱力計測器２１は、ラジアル方向擾乱力が生じる位置におけるＸ軸方向擾乱力Ｆｄｘ、Ｙ軸方向擾乱力Ｆｄｙを計測して出力する。
【００８５】
回転座標変換器２２は、回転速度ωｄに基づいて、ラジアル方向擾乱力計測器２１から出力されるラジアル方向擾乱力Ｆｄｘ、Ｆｄｙを、固定座標系をＺ軸回りにωｄの回転速度で回転する回転座標系表現Ｆｄｘｒ、Ｆｄｙｒに変換して出力する。回転座標変換器２２は、図示しない上位制御装置から、回転速度ωｄを入力する。
【００８６】
低域通過フィルタ２３は、通過周波数帯域を大略０．１〜１Ｈｚ程度とすることで、ラジアル方向擾乱力Ｆｄｘ、Ｆｄｙの回転座標系表現Ｆｄｘｒ、Ｆｄｙｒから、低周波成分Ｆｌｐｆｘ、Ｆｌｐｆｙを抽出する。なお、当該出力Ｆｌｐｆｘ、Ｆｌｐｆｙは、固定座標系表現におけるラジアル方向擾乱力Ｆｄｘ、Ｆｄｙにおける所定の回転速度ωｄと同一回転速度で回転する成分に対応する。
【００８７】
積分器２４は、低域通過フィルタ２３の出力Ｆｌｐｆｘ、Ｆｌｐｆｙを符号反転させた後に積分した信号を、ラジアル方向並進変位指令の回転座標系表現Ｘｃｒ、Ｙｃｒとして出力する。
【００８８】
固定座標変換器２５は、回転速度ωｄに基づいて、積分器２４の出力であるラジアル方向並進変位指令の回転座標系表現Ｘｃｒ、Ｙｃｒを、進相量αを重畳したうえで固定座標系表現に変換して、軸受制御系１０に対するラジアル方向並進変位指令Ｘｃ、Ｙｃとして出力する。固定座標変換器２５は、図示しない上位制御装置から、回転速度ωｄを入力する。
【００８９】
アキシャル方向並進変位指令制御系３０のアキシャル方向擾乱力計測器３１は、アキシャル方向擾乱力が生じる位置におけるＺ軸方向擾乱力Ｆｄｚを計測して出力する。
【００９０】
アキシャル方向擾乱力計測器３１は、例えば、力センサ、加速度計等の公知の技術を用いて形成される。
【００９１】
回転座標変換器３２は、回転速度ωｄに基づいて、アキシャル方向擾乱力計測器３１から出力されるアキシャル方向擾乱力ＦｄｚをＸ軸方向成分とし、零値をＹ軸方向成分として、固定座標系をＺ軸回りにωｄの回転速度で回転する回転座標系表現Ｆｄｚｘｒ、Ｆｄｚｙｒに変換して出力する。回転座標変換器３２は、図示しない上位制御装置から、回転速度ωｄを入力する。
【００９２】
低域通過フィルタ３３は、通過周波数帯域を大略０．１〜１Ｈｚ程度とすることで、アキシャル方向擾乱力Ｆｄｚの回転座標系表現Ｆｄｚｘｒ、Ｆｄｚｙｒから、低周波成分Ｆｌｐｆｚｘ、Ｆｌｐｆｚｙを抽出する。なお、当該出力Ｆｌｐｆｚｘは、固定座標系表現におけるアキシャル方向擾乱力Ｆｄｚにおける所定の回転速度ωｄと同一回転速度で回転する成分に対応する。
【００９３】
積分器３４は、低域通過フィルタ３３の出力Ｆｌｐｆｚｘ、Ｆｌｐｆｚｙを符号反転させた後に積分した信号を、アキシャル方向並進変位指令の回転座標系表現Ｚｘｃｒ、Ｚｙｃｒとして出力する。
【００９４】
固定座標変換器３５は、回転速度ωｄに基づいて、積分器３４の出力であるアキシャル方向並進変位指令の回転座標系表現Ｚｘｃｒ、Ｚｙｃｒを、進相量βを重畳したうえで固定座標系表現に変換し、当該変換信号のＸ軸方向成分を、軸受制御系１０に対するアキシャル方向並進変位指令Ｚｃとして出力する。固定座標変換器３５は、図示しない上位制御装置から、回転速度ωｄを入力する。
【００９５】
なお実施の形態２では、軸受制御系１０に対するラジアル方向回転変位指令θｘｃ、θｙｃを、常に零値としている。
【００９６】
回転角速度変換器５１は、低域通過フィルタ２３の出力Ｆｌｐｆｘ、Ｆｌｐｆｙ、及び低域通過フィルタ３３の出力Ｆｌｐｆｚｘ、Ｆｌｐｆｚｙに基づいて、当該出力の偏角回転角速度ｄ∠Ｆｌｐｆ／ｄｔ、及びｄ∠Ｆｌｐｆｚ／ｄｔを算出して出力する。
【００９７】
重み付き積分器５２は、それぞれ低域通過フィルタ２３の出力Ｆｌｐｆｘ、Ｆｌｐｆｙ、及び低域通過フィルタ３３の出力Ｆｌｐｆｚｘ、Ｆｌｐｆｚｙの絶対値の２乗で重み付けしたゲインによって、回転角速度変換器５１の出力である偏角回転角速度ｄ∠Ｆｌｐｆ／ｄｔ、及びｄ∠Ｆｌｐｆｚ／ｄｔを積分した信号を、固定座標変換器２５において重畳する進相量α、及び固定座標変換器３５において重畳する進相量βとして出力する。
【００９８】
図６に示す例では、ラジアル方向並進変位指令制御系２０及びアキシャル方向並進変位指令制御系３０に対して、共通の最適進相量推定器５０が配置されているが、ラジアル方向並進変位指令制御系２０及びアキシャル方向並進変位指令制御系３０それぞれに対して、個別に最適進相量推定器を配置してもよい。
【００９９】
図７は、この発明の実施の形態２による磁気軸受制御装置において、重み付き積分器で与える初期値の構成を示すグラフである。
【０１００】
図７に示すように、この発明の実施の形態２による磁気軸受制御装置では、重み付き積分器５２で算出する進相量α、及び進相量βに対して、回転座標変換器２２、および回転座標変換器３２における回転座標系の回転速度ωｄに応じて変化する所定の初期値α０、及びβ０を与えている。
【０１０１】
図８は、この発明の実施の形態２による磁気軸受制御装置における機器配置を示す構成図である。
【０１０２】
図８に示すように、磁気軸受手段１１は、設置筐体６０に対して所定の取付剛性で固定されている。一方、設置筐体６０には、回転速度ωｄ成分を有する振動を発生する他の設置機器６１も固定されており、ラジアル方向擾乱力計測器２１、およびアキシャル方向擾乱力計測器３１は、設置筐体６０に対して設置機器６１の近傍に配置されている。
【０１０３】
ラジアル方向擾乱力計測器２１及びアキシャル方向擾乱力計測器３１は、回転速度ωｄ成分を有する振動を発生する他の設置機器６１が発生するラジアル方向擾乱力又はアキシャル方向擾乱力を計測する観点から、他の設置機器６１に近接して配置されることが好ましい。例えば、ラジアル方向擾乱力計測器２１及びアキシャル方向擾乱力計測器３１は、他の設置機器６１に対して、３０ｃｍ以内、特に、１０ｃｍ以内に配置されることが、上述した観点から好ましい。回転座標変換器２２は、ラジアル方向擾乱力計測器２１の出力を、固定座標系をＺ軸回りに、他の設置機器６１が発生する振動が有するあらゆる周波数に対応する回転速度で回転させた回転座標系表現に変換することが好ましい。また、回転座標変換器３２は、アキシャル方向擾乱力計測器３１の出力を、固定座標系をＺ軸回りに、他の設置機器６１が発生する振動が有するあらゆる周波数に対応する回転速度で回転させた回転座標系表現に変換することが好ましい。
【０１０４】
ラジアル方向擾乱力計測器２１及びアキシャル方向擾乱力計測器３１は、磁気軸受手段１１の近傍に配置されてもよい。この場合、回転座標変換器２２は、ラジアル方向擾乱力計測器２１の出力を、固定座標系をＺ軸回りに、磁気軸受手段１１が発生する振動が有するあらゆる周波数に対応する回転速度で回転させた回転座標系表現に変換することが好ましい。また、回転座標変換器３２は、アキシャル方向擾乱力計測器３１の出力を、固定座標系をＺ軸回りに、磁気軸受手段１１が発生する振動が有するあらゆる周波数に対応する回転速度で回転させた回転座標系表現に変換することが好ましい。
【０１０５】
なお、この発明の実施の形態２による磁気軸受制御装置における軸受制御系１０の構成は、実施の形態１の図３と同一である。
【０１０６】
次に、磁気軸受制御装置の動作について説明する。
【０１０７】
この実施の形態２の磁気軸受制御装置では、図３に示す軸受制御系１０に対して、図６に示すようにラジアル方向並進変位指令制御系２０、及びアキシャル方向並進変位指令制御系３０を設け、ラジアル方向擾乱力計測器２１が計測するラジアル方向擾乱力Ｆｄｘ、Ｆｄｙ、およびアキシャル方向擾乱力計測器３１が計測するアキシャル方向擾乱力Ｆｄｚから、当該擾乱力における回転速度ωｄと同一回転速度で回転する成分を低減するようなラジアル方向並進変位指令Ｘｃ、Ｙｃ、及びアキシャル方向並進変位指令Ｚｃを生成している。
【０１０８】
ラジアル方向並進変位指令制御系２０の動作は実施の形態１と同一である。
【０１０９】
アキシャル方向並進変位指令制御系３０では、アキシャル方向擾乱力計測器３１によって、アキシャル方向擾乱力が生じている位置におけるＺ軸方向擾乱力Ｆｄｚを計測する。当該擾乱力は回転座標変換器３２に入力され、アキシャル方向擾乱力ＦｄｚをＸ軸方向成分とし、零値をＹ軸方向成分として、次の式（５）によって固定座標系をＺ軸回りにωｄの回転速度で回転させた回転座標系表現Ｆｄｚｘｒ、Ｆｄｚｙｒに変換する。
【０１１０】
Ｆｄｚｘｒ＝Ｆｄｚ・ｃｏｓ（ωｄ・ｔ）＋０・ｓｉｎ（ωｄ・ｔ）  （５−１）
Ｆｄｚｙｒ＝−Ｆｄｚ・ｓｉｎ（ωｄ・ｔ）＋０・ｃｏｓ（ωｄ・ｔ）  （５−２）
【０１１１】
ここで、ｔは時間を表す。
【０１１２】
このアキシャル方向擾乱力の回転座標系表現Ｆｄｚｘｒ、Ｆｄｚｙｒは、通過周波数帯域を大略０．１〜１Ｈｚ程度に設定した低域通過フィルタ３３に入力され、低周波成分Ｆｌｐｆｚｘ、Ｆｌｐｆｚｙが抽出される。なお、当該出力Ｆｌｐｆｚｘは、固定座標系表現におけるアキシャル方向擾乱力Ｆｄｚのωｄ成分に対応する。
【０１１３】
この低域通過フィルタ出力Ｆｌｐｆｚｘ、Ｆｌｐｆｚｙは、積分器３４において符号反転した後に積分され、アキシャル方向並進変位指令の回転座標系表現Ｚｘｃｒ、Ｚｙｃｒとして出力される。
【０１１４】
この積分器出力Ｚｘｃｒ、Ｚｙｃｒは固定座標変換器３５に入力され、次の式（６）に示すように進相量βを重畳したうえで固定座標系表現に変換して、当該変換信号のＸ軸方向成分Ｚｘｃを、軸受制御系１０に対するアキシャル方向並進変位指令Ｚｃとして出力する。
【０１１５】
Ｚｘｃ＝Ｚｘｃｒ・ｃｏｓ（ωｄ・ｔ＋β）−Ｚｙｃｒ・ｓｉｎ（ωｄ・ｔ＋β）  （６−１）
Ｚｙｃ＝Ｚｘｃｒ・ｓｉｎ（ωｄ・ｔ＋β）＋Ｚｙｃｒ・ｃｏｓ（ωｄ・ｔ＋β）  （６−２）
【０１１６】
実施の形態１と同様、擾乱周波数ωｄにおいて、軸受制御系１０の位置制御系閉ループ位相特性が遅れを持つ場合は、固定座標変換器２５、及び固定座標変換器３５において、それぞれ当該位相遅れを補償する進相量α、および進相量βを重畳しなければならない。また、実施の形態１と同様、擾乱周波数ωｄを磁気軸受装置または設置筐体６０における共振周波数の近傍とした場合、進相量α、及び進相量βの最適値が大きく変動し、加えて設置筐体６０に対する磁気軸受装置の取付剛性によっても進相量α、及び進相量βの最適値が変化するため、従来は磁気軸受装置を筐体へ設置する度に、擾乱周波数に応じた進相量α、及び進相量βの最適調整を行う必要があった。
【０１１７】
ここで、進相量αと低域通過フィルタ出力Ｆｌｐｆｘ、Ｆｌｐｆｙが回転座標系上で描くリサージュ波形との関係、及び進相量βと低域通過フィルタ出力Ｆｌｐｆｚｘ、Ｆｌｐｆｚｙが回転座標系上で描くリサージュ波形との関係は実施の形態１と同様であり、上記進相量α、及び進相量βの最適調整においては、任意の擾乱周波数ωｄにおいて、低域通過フィルタＦｌｐｆｘ、Ｆｌｐｆｙ、及び低域通過フィルタＦｌｐｆｚｘ、Ｆｌｐｆｚｙのリサージュ波形が回転せずに零値に収束するような値に設定することにより、サーボ共振周波数を含めた全周波数域におけるラジアル方向擾乱力Ｆｄｘ、Ｆｄｙ、及びアキシャル方向擾乱力Ｆｄｚの低減が可能となる。
【０１１８】
しかしながら、一般に上記進相量α、及び進相量βの最適調整には多くの時間を必要とするため、この実施の形態２の磁気軸受制御装置では、更に最適進相量推定器５０を設け、それぞれ低域通過フィルタ２３の出力Ｆｌｐｆｘ、Ｆｌｐｆｙ、及び低域通過フィルタ３３の出力Ｆｌｐｆｚｘ、Ｆｌｐｆｚｙに基づいて、進相量α、及び進相量βの最適値を自動的に導出するようにしている。
【０１１９】
最適進相量推定器５０では、式（３）で与えられる低域通過フィルタ出力Ｆｌｐｆｘ、Ｆｌｐｆｙの複素表現Ｆｌｐｆ、及び次の式（７）で与えられる低域通過フィルタ出力Ｆｌｐｆｚｘ、Ｆｌｐｆｘｙの複素表現Ｆｌｐｆｚに対して、回転角速度変換器５１において、その偏角回転角速度ｄ∠Ｆｌｐｆ／ｄｔ、及びｄ∠Ｆｌｐｆｚ／ｄｔを算出する。
【０１２０】
Ｆｌｐｆｚ＝Ｆｌｐｆｚｘ＋ｊ・Ｆｌｐｆｚｙ  （７）
【０１２１】
この偏角回転角速度ｄ∠Ｆｌｐｆ／ｄｔは重み付き積分器５２に入力され、低域通過フィルタ出力Ｆｌｐｆの絶対値の２乗｜Ｆｌｐｆ｜２で重み付けしたゲインで積分した信号を、固定座標変換器２５において重畳する進相量αとして出力する。このとき、重み付き積分器５２の伝達関数は式（４）で与えられる。
【０１２２】
一方、偏角回転角速度ｄ∠Ｆｌｐｆｚ／ｄｔは重み付き積分器５２に入力され、低域通過フィルタ出力Ｆｌｐｆｚの絶対値の２乗｜Ｆｌｐｆｚ｜２で重み付けしたゲインで積分した信号を、固定座標変換器３５において重畳する進相量βとして出力する。このとき、重み付き積分器５２の伝達関数は、次の式（８）で与えられる。
【０１２３】
｜Ｆｌｐｆｚ｜２ＫＩ／ｓ  （８）
【０１２４】
上記構成により、進相量α、及びβが最適値より小さく、低域通過フィルタ出力Ｆｌｐｆ、及びＦｌｐｆｚが回転座標系と同一方向に回転する場合は、偏角回転角速度が正値となるために進相量α、及びβが増加し、進相量α、及びβが最適値より大きく、低域通過フィルタ出力Ｆｌｐｆ、及びＦｌｐｆｚが回転座標系と反対方向に回転する場合は、偏角回転角速度が負値となるために進相量α、及びβが減少する。
【０１２５】
また、進相量α、及びβが最適値と等しく、低域通過フィルタ出力Ｆｌｐｆ、及びＦｌｐｆｚが回転せずに零値に収束する場合は、偏角回転角速度が零値となって進相量α、及びβが一定となるため、結果として重み付き積分器５２から出力される進相量は自動的に最適値に収束する。
【０１２６】
ここで、重み付き積分器５２では、それぞれ積分ゲインを低域通過フィルタ出力Ｆｌｐｆの絶対値の２乗｜Ｆｌｐｆ｜２、及び低域通過フィルタ出力Ｆｌｐｆｚの絶対値の２乗｜Ｆｌｐｆｚ｜２で重み付けしているため、ラジアル方向擾乱力Ｆｄｘ、Ｆｄｙ、及びアキシャル方向擾乱力Ｆｄｚにおける周波数ωｄ成分の低減によって、それぞれ低域通過フィルタ出力の絶対値｜Ｆｌｐｆ｜、及び｜Ｆｌｐｆｚ｜が減少した場合には、式（４）及び式（８）における積分ゲインが低下し、重み付き積分器５２が出力する進相量α、及びβの変動が抑制されて、磁気軸受制御装置としてより安定な動作が可能となる。
【０１２７】
一方、図７に示すように、この実施の形態２の磁気軸受制御装置では、重み付き積分器５２で算出する進相量α、及び進相量βに対して、擾乱周波数ωｄに応じて変化する所定の初期値α０、及びβ０を与えている。これにより、重み付き積分器５２が出力する進相量α、及び進相量βの収束時間を短縮することができ、磁気軸受制御装置としてより安定な動作が可能となる。
【０１２８】
また図８に示すように、この実施の形態２の磁気軸受制御装置では、ラジアル方向擾乱力計測器２１、及びアキシャル方向擾乱力計測器３１を、他の設置機器６１の近傍に配置している。このとき、ラジアル方向擾乱力計測器２１、及びアキシャル方向擾乱力計測器３１の出力は、（振動を低減したい）設置機器６１が生じるラジアル方向擾乱力、及びアキシャル方向擾乱力に対応するため、当該振動の周波数ωｄ成分を相殺するような制振力を与えるアクティブ制振装置として、磁気軸受制御装置を機能させることができる。
【０１２９】
以上のように、この実施の形態２の磁気軸受制御装置によれば、磁気軸受制御装置の内部変数、具体的には低域通過フィルタ２３、及び低域通過フィルタ３３の出力に基づいて、固定座標変換器２５において重畳する進相量α、及び固定座標変換器３５において重畳する進相量βの最適値が自動的に導出されるので、磁気軸受装置及び設置筐体の機械特性、並びに設置筐体への磁気軸受装置の取付剛性によらず、従来の磁気軸受装置で必要となったラジアル方向並進変位指令制御系２０における進相量α、及びアキシャル方向並進変位指令制御系３０における進相量βの事前調整作業の一切を不要とすることができるという効果が得られる。
【０１３０】
また、この実施の形態２の磁気軸受制御装置によれば、低域通過フィルタ２３、及び低域通過フィルタ３３における出力の絶対値の２乗で重み付けしたゲインによって、回転角速度変換器５１の各出力を積分しているので、所望の擾乱成分の低減に伴って重み付き積分器５２における積分ゲインが低下し、重み付き積分器５２が出力する進相量α、及び進相量βの変動を抑制することができるため、磁気軸受制御装置の動作をより安定化することができるという効果が得られる。
【０１３１】
更に、この実施の形態２の磁気軸受制御装置によれば、重み付き積分器５２で算出する進相量α、及び進相量βに対して、擾乱周波数ωｄに応じて変化する所定の初期値α０、及びβ０を与えているため、進相量α、及び進相量βのフィードバック制御による収束時間を短縮することができ、磁気軸受制御装置の動作をより安定化することができるという効果が得られる。
【０１３２】
加えて、この実施の形態２の磁気軸受制御装置によれば、ラジアル方向擾乱力計測器２１、及びアキシャル方向擾乱力計測器３１を他の設置機器６１の近傍に配置しているため、設置機器６１が生じるラジアル方向擾乱力、及びアキシャル方向擾乱力の所定成分、具体的には回転座標変換器２２、及び回転座標変換器３２における回転座標系回転速度ωｄに対応する成分を相殺するような制振力を与えるアクティブ制振装置として、磁気軸受制御装置を機能させることができるという効果が得られる。
【０１３３】
以上が、実施の形態２の説明である。
【０１３４】
（実施の形態３）
【０１３５】
図９は、この発明の実施の形態３による磁気軸受制御装置におけるラジアル方向回転変位指令制御系及び最適進相量推定器の構成を示すブロック図である。
【０１３６】
図９に示すように、ラジアル方向回転変位指令制御系４０はラジアル方向擾乱モーメント計測器４１、回転座標変換器４２、低域通過フィルタ４３、積分器４４、固定座標変換器４５を備えており、ラジアル方向擾乱モーメントＮｄｘ、Ｎｄｙから、当該擾乱におけるロータ１のアキシャル方向回転速度ωｄと同一回転速度で回転する成分を低減するラジアル方向回転変位指令θｘｃ、θｙｃを算出して軸受制御系１０に対して出力する。
【０１３７】
また、最適進相量推定器５０は回転角速度変換器５１、振幅制限器５３、重み付き積分器５２を備えており、低域通過フィルタ４３の出力Ｎｌｐｆｘ、Ｎｌｐｆｙに基づいて、固定座標変換器４５において重畳する進相量γを算出して出力する。
【０１３８】
ラジアル方向回転変位指令制御系４０のラジアル方向擾乱モーメント計測器４１は、ラジアル方向擾乱モーメントが生じる位置におけるＸ軸方向擾乱モーメントＮｄｘ、Ｙ軸方向擾乱モーメントＮｄｙを計測して出力する。
【０１３９】
ラジアル方向擾乱モーメント計測器４１は、例えば、トルクセンサ、角加速度計等の公知の技術を用いて形成される。
【０１４０】
回転座標変換器４２は、ロータ１のアキシャル方向回転速度ωｄに基づいて、ラジアル方向擾乱モーメント計測器４１から出力されるラジアル方向擾乱モーメントＮｄｘ、Ｎｄｙを、固定座標系をＺ軸回りにωｄの回転速度で回転する回転座標系表現Ｎｄｘｒ、Ｎｄｙｒに変換して出力する。回転座標変換器４２は、図示しない上位制御装置から、回転速度ωｄを入力する。
【０１４１】
低域通過フィルタ４３は、通過周波数帯域を大略０．１〜１Ｈｚ程度とすることで、ラジアル方向擾乱モーメントＮｄｘ、Ｎｄｙの回転座標系表現Ｎｄｘｒ、Ｎｄｙｒから、低周波成分Ｎｌｐｆｘ、Ｎｌｐｆｙを抽出する。なお、当該出力Ｎｌｐｆｘ、Ｎｌｐｆｙは、固定座標系表現におけるラジアル方向擾乱モーメントＮｄｘ、Ｎｄｙにおけるロータ１のアキシャル方向回転速度ωｄと同一回転速度で回転する成分に対応する。
【０１４２】
積分器４４は、低域通過フィルタ４３の出力Ｎｌｐｆｘ、Ｎｌｐｆｙを、ロータ１のラジアル方向慣性モーメントがアキシャル方向慣性モーメントに比して大きい場合には符号反転させた後に積分し、ロータ１のアキシャル方向慣性モーメントがラジアル方向慣性モーメントに比して大きい場合には符号反転せずに積分した信号を、ラジアル方向回転変位指令の回転座標系表現θｘｃｒ、θｙｃｒとして出力する。ここで、ラジアル方向慣性モーメント及びアキシャル方向慣性モーメントは、予め定められたロータ１の物理的パラメータである。
【０１４３】
固定座標変換器４５は、ロータ１のアキシャル方向回転速度ωｄに基づいて、積分器４４の出力であるラジアル方向回転変位指令の回転座標系表現θｘｃｒ、θｙｃｒを、進相量γを重畳したうえで固定座標系表現に変換して、軸受制御系１０に対するラジアル方向回転変位指令θｘｃ、θｙｃとして出力する。固定座標変換器４５は、図示しない上位制御装置から、回転速度ωｄを入力する。
【０１４４】
なお実施の形態３では、軸受制御系１０に対するラジアル方向並進変位指令Ｘｃ、Ｙｃ、及びアキシャル方向並進変位指令Ｚｃを、常に零値としている。
【０１４５】
最適進相量推定器５０の回転角速度変換器５１は、低域通過フィルタ４３の出力Ｎｌｐｆｘ、Ｎｌｐｆｙに基づいて、当該出力の偏角回転角速度ｄ∠Ｎｌｐｆ／ｄｔを算出して出力する。
【０１４６】
振幅制限器５３は、回転角速度変換器５１の出力である偏角回転角速度ｄ∠Ｎｌｐｆ／ｄｔが所定値以内となるようにリミッタ処理を行って出力する。
【０１４７】
重み付き積分器５２は、低域通過フィルタ４３の出力Ｎｌｐｆｘ、Ｎｌｐｆｙの絶対値の２乗で重み付けしたゲインによって、振幅制限器５３の出力を積分した信号を、固定座標変換器４５において重畳する進相量γとして出力する。
【０１４８】
図７は、この発明の実施の形態３による磁気軸受制御装置において、重み付き積分器で与える初期値の構成を示すグラフである。
【０１４９】
図７に示すように、この発明の実施の形態３による磁気軸受制御装置では、重み付き積分器５２で算出する進相量γに対して、回転座標変換器４２における回転座標系の回転速度ωｄに応じて変化する所定の初期値γ０を与えている。
【０１５０】
図１０は、この発明の実施の形態３による磁気軸受制御装置における機器配置を示す構成図である。
【０１５１】
図１０に示すように、磁気軸受手段１１は、設置筐体６０に対して所定の取付剛性で固定されており、ラジアル方向擾乱モーメント計測器４１は、設置筐体６０に対して磁気軸受手段１１の近傍に配置されている。なお設置筐体６０には、一般に他の設置機器６１も固定されている。
【０１５２】
ラジアル方向擾乱モーメント計測器４１は、振動を発生する磁気軸受手段１１が発生するラジアル方向擾乱力を計測する観点から、磁気軸受手段１１に近接して配置されることが好ましい。例えば、ラジアル方向擾乱モーメント計測器４１は、磁気軸受手段１１に対して、３０ｃｍ以内、特に、１０ｃｍ以内に配置されることが、上述した観点から好ましい。回転座標変換器４２は、ラジアル方向擾乱モーメント計測器４１の出力を、固定座標系をＺ軸回りに、磁気軸受手段１１が発生する振動が有するあらゆる周波数に対応する回転速度で回転させた回転座標系表現に変換することが好ましい。
【０１５３】
ラジアル方向擾乱モーメント計測器４１は、振動を発生する他の設置機器６１の近傍に配置されてもよい。回転座標変換器４２は、ラジアル方向擾乱モーメント計測器４１の出力を、固定座標系をＺ軸回りに、他の設置機器６１が発生する振動が有するあらゆる周波数に対応する回転速度で回転させた回転座標系表現に変換することが好ましい。
【０１５４】
なお、この発明の実施の形態３による磁気軸受制御装置における軸受制御系１０の構成は、実施の形態１の図３と同一である。
【０１５５】
次に、磁気軸受制御装置の動作について説明する。
【０１５６】
この実施の形態３の磁気軸受制御装置では、図３に示す軸受制御系１０に対して、図９に示すようにラジアル方向回転変位指令制御系４０を設け、ラジアル方向擾乱モーメント計測器４１が計測するラジアル方向擾乱モーメントＮｄｘ、Ｎｄｙから、当該擾乱モーメントにおけるロータ１のアキシャル方向回転速度ωｄと同一回転速度で回転する成分を低減するようなラジアル方向回転変位指令θｘｃ、θｙｃを生成している。
【０１５７】
ラジアル方向回転変位指令制御系４０では、ラジアル方向擾乱モーメント計測器４１によって、ラジアル方向擾乱力が生じている位置におけるＸ軸方向擾乱モーメントＮｄｘ、Ｙ軸方向擾乱モーメントＮｄｙを計測する。当該擾乱モーメントは回転座標変換器４２に入力され、ラジアル方向擾乱モーメントＮｄｘ、Ｎｄｙを、次の式（９）によって固定座標系をＺ軸回りにωｄの回転速度で回転させた回転座標系表現Ｎｄｘｒ、Ｎｄｙｒに変換する。
【０１５８】
Ｎｄｘｒ＝Ｎｄｘ・ｃｏｓ（ωｄ・ｔ）＋Ｎｄｙ・ｓｉｎ（ωｄ・ｔ）  （９−１）
Ｎｄｙｒ＝−Ｎｄｘ・ｓｉｎ（ωｄ・ｔ）＋Ｎｄｙ・ｃｏｓ（ωｄ・ｔ）  （９−２）
【０１５９】
ここで、ｔは時間を表す。
【０１６０】
このラジアル方向擾乱モーメントの回転座標系表現Ｎｄｘｒ、Ｎｄｙｒは、通過周波数帯域を大略０．１〜１Ｈｚ程度に設定した低域通過フィルタ４３に入力され、低周波成分Ｎｌｐｆｘ、Ｎｌｐｆｙが抽出される。なお、当該出力Ｎｌｐｆｘ、Ｎｌｐｆｙは、固定座標系表現におけるラジアル方向擾乱モーメントＮｄｘ、Ｎｄｙのωｄ成分に対応する。この低域通過フィルタ出力Ｎｌｐｆｘ、Ｎｌｐｆｙは、積分器４４においてロータ１のラジアル方向慣性モーメントがアキシャル方向慣性モーメントに比して大きい場合には符号反転させた後に積分し、ロータ１のアキシャル方向慣性モーメントがラジアル方向慣性モーメントに比して大きい場合には符号反転せずに積分され、ラジアル方向回転変位指令の回転座標系表現θｘｃｒ、θｙｃｒとして出力される。
【０１６１】
この積分器出力θｘｃｒ、θｙｃｒは固定座標変換器４５に入力され、次の式（１０）に示すように進相量γを重畳したうえで固定座標系表現に変換され、軸受制御系１０に対するラジアル方向回転変位指令θｘｃ、θｙｃとして出力される。
【０１６２】
θｘｃ＝θｘｃｒ・ｃｏｓ（ωｄ・ｔ＋γ）−θｙｃｒ・ｓｉｎ（ωｄ・ｔ＋γ）  （１０−１）
θｙｃ＝θｘｃｒ・ｓｉｎ（ωｄ・ｔ＋γ）＋θｙｃｒ・ｃｏｓ（ωｄ・ｔ＋γ）  （１０−２）
【０１６３】
実施の形態１と同様、擾乱周波数ωｄにおいて、軸受制御系１０の位置制御系閉ループ位相特性が遅れを持つ場合は、固定座標変換器４５において、当該位相遅れを補償する進相量γを重畳しなければならない。
【０１６４】
また、実施の形態１と同様、擾乱周波数ωｄを磁気軸受装置または設置筐体６０における共振周波数の近傍とした場合、進相量γの最適値が大きく変動し、加えて設置筐体６０に対する磁気軸受装置の取付剛性によっても進相量γの最適値が変化するため、従来は磁気軸受装置を筐体へ設置する度に、擾乱周波数に応じた進相量γの最適調整を行う必要があった。
【０１６５】
ここで、進相量γと低域通過フィルタＮｌｐｆｘ、Ｎｌｐｆｙが回転座標系上で描くリサージュ波形との関係は実施の形態１と同様であり、上記進相量γの最適調整においては、任意の擾乱周波数ωｄにおいて、低域通過フィルタ出力Ｎｌｐｆｘ、Ｎｌｐｆｙのリサージュ波形が回転せずに零値に収束するような値に設定することにより、サーボ共振周波数を含めた全周波数域におけるラジアル方向擾乱モーメントＮｄｘ、Ｎｄｙの低減が可能となる。
【０１６６】
しかしながら、一般に上記進相量γの最適調整には多くの時間を必要とするため、この実施の形態３の磁気軸受制御装置では、更に最適進相量推定器５０を設け、低域通過フィルタ４３の出力Ｎｌｐｆｘ、Ｎｌｐｆｙに基づいて、進相量γの最適値を自動的に導出するようにしている。
【０１６７】
最適進相量推定器５０では、次の式（１１）で与えられる低域通過フィルタ出力Ｎｌｐｆｘ、Ｎｌｐｆｙの複素表現Ｎｌｐｆに対して、回転角速度変換器５１において、その偏角回転角速度ｄ∠Ｎｌｐｆ／ｄｔを算出する。
【０１６８】
Ｎｌｐｆ＝Ｎｌｐｆｘ＋ｊ・Ｎｌｐｆｙ  （１１）
【０１６９】
この偏角回転角速度ｄ∠Ｎｌｐｆ／ｄｔは振幅制限器５３に入力され、当該回転角速度が所定値以内となるようにリミッタ処理を行って出力する。
【０１７０】
振幅制限器５３の出力は、重み付き積分器５２に入力され、低域通過フィルタ出力Ｎｌｐｆの絶対値の２乗｜Ｎｌｐｆ｜２で重み付けしたゲインで積分した信号を、固定座標変換器４５において重畳する進相量γとして出力する。このとき、重み付き積分器５２の伝達関数は、次の式（１２）で与えられる。
【０１７１】
｜Ｎｌｐｆ｜２ＫＩ／ｓ  （１２）
【０１７２】
上記構成により、進相量γが最適値より小さく、低域通過フィルタ出力Ｎｌｐｆが回転座標系と同一方向に回転する場合は、偏角回転角速度がｄ∠Ｎｌｐｆ／ｄｔ＞０となるために進相量γが増加し、進相量γが最適値より大きく、低域通過フィルタ出力Ｎｌｐｆが回転座標系と反対方向に回転する場合は、偏角回転角速度がｄ∠Ｎｌｐｆ／ｄｔ＜０となるために進相量γが減少する。
【０１７３】
また、進相量γが最適値と等しく、低域通過フィルタ出力Ｎｌｐｆが回転せずに零値に収束する場合は、偏角回転角速度がｄ∠Ｎｌｐｆ／ｄｔ＝０となって進相量γが一定となるため、結果として重み付き積分器５２から出力される進相量γは自動的に最適値に収束する。
【０１７４】
ここで、重み付き積分器５２では、積分ゲインを低域通過フィルタ出力Ｎｌｐｆの絶対値の２乗｜Ｎｌｐｆ｜２で重み付けしているため、ラジアル方向擾乱モーメントＮｄｘ、Ｎｄｙにおける周波数ωｄ成分の低減によって、低域通過フィルタ出力の絶対値｜Ｎｌｐｆ｜が減少した場合には、式（１２）における積分ゲインが低下し、重み付き積分器５２が出力する進相量γの変動が抑制されて、磁気軸受制御装置としてより安定な動作が可能となる。
【０１７５】
一方、図７に示すように、この実施の形態３の磁気軸受制御装置では、重み付き積分器５２で算出する進相量γに対して、擾乱周波数ωｄに応じて変化する所定の初期値γ０を与えている。これにより、重み付き積分器５２が出力する進相量γのフィードバック制御による収束時間を短縮することができ、磁気軸受制御装置としてより安定な動作が可能となる。
【０１７６】
また図１０に示すように、この実施の形態３の磁気軸受制御装置では、ラジアル方向擾乱モーメント計測器４１を磁気軸受手段１１の近傍に配置している。このとき、ラジアル方向擾乱モーメント計測器４１の出力は、磁気軸受が発生するラジアル方向擾乱モーメントに対応するため、この実施の形態３の磁気軸受制御装置では、磁気軸受が発生するラジアル方向擾乱モーメントの周波数ωｄ成分を低減する。
【０１７７】
以上のように、この実施の形態３の磁気軸受制御装置によれば、磁気軸受制御装置の内部変数、具体的には低域通過フィルタ４３の出力に基づいて、固定座標変換器４５において重畳する進相量γの最適値が自動的に導出されるので、磁気軸受装置及び設置筐体の機械特性、並びに設置筐体への磁気軸受装置の取付剛性によらず、従来の磁気軸受装置で必要となったラジアル方向回転変位指令制御系４０における進相量γの事前調整作業の一切を不要とすることができるという効果が得られる。
【０１７８】
また、この実施の形態３の磁気軸受制御装置によれば、低域通過フィルタ４３における出力の絶対値の２乗で重み付けしたゲインによって、回転角速度変換器５１の出力を積分しているので、所望の擾乱成分の低減に伴って重み付き積分器５２における積分ゲインが低下し、重み付き積分器５２が出力する進相量γの変動を抑制することができるため、磁気軸受制御装置の動作をより安定化することができるという効果が得られる。
【０１７９】
更に、この実施の形態３の磁気軸受制御装置によれば、重み付き積分器５２で算出する進相量γに対して、擾乱周波数ωｄに応じて変化する所定の初期値γ０を与えているため、進相量γの収束時間を短縮することができ、磁気軸受制御装置の動作をより安定化することができるという効果が得られる。
【０１８０】
また、この実施の形態３の磁気軸受制御装置によれば、重み付き積分器５２に入力する偏角回転角速度ｄ∠Ｎｌｐｆ／ｄｔが所定値以内となるように、振幅制限器５３によってリミッタ処理を行っており、低域通過フィルタ出力Ｎｌｐｆが大きく変動し、したがって偏角回転角速度ｄ∠Ｎｌｐｆ／ｄｔが大きく変動した場合でも、重み付き積分器５２が出力する進相量γの変動を抑制することができるため、磁気軸受制御装置の動作をより安定化することができるという効果が得られる。
【０１８１】
加えて、この実施の形態３の磁気軸受制御装置によれば、ラジアル方向擾乱モーメント計測器４１を磁気軸受手段１１の近傍に配置しているため、磁気軸受が発生するラジアル方向擾乱モーメントの所定成分、具体的には回転座標変換器４２における回転座標系回転速度ωｄと同一回転速度で回転する成分を低減することができるという効果が得られる。
【０１８２】
本発明では、上述した実施の形態の磁気軸受制御装置は、本発明の趣旨を逸脱しない限り適宜変更が可能である。また、一の実施の形態が有する構成要件は、他の実施の形態にも適宜適用することができる。
【符号の説明】
【０１８３】
１  ロータ、２  電磁石、３  変位検出手段、
１０  軸受制御系、１１  磁気軸受手段、１２  ロータ変位演算器、
１３  制御指令演算器、１４  ギャップ長演算器、１５  電流指令演算器、
２０  ラジアル方向並進変位指令制御系、２１  ラジアル方向擾乱力計測器、
２２  回転座標変換器、２３  低域通過フィルタ、２４  積分器、
２５  固定座標変換器、
３０  アキシャル方向並進変位指令制御系、３１  アキシャル方向擾乱力計測器、
３２  回転座標変換器、３３  低域通過フィルタ、３４  積分器、
３５  固定座標変換器、
４０  ラジアル方向回転変位指令制御系、４１  ラジアル方向擾乱モーメント計測器、
４２  回転座標変換器、４３  低域通過フィルタ、４４  積分器、
４５  固定座標変換器、
５０  最適進相量推定器、５１  回転角速度変換器、５２  重み付き積分器、
５３  振幅制限器、
６０  設置筐体、６１  設置機器
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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