(57)【要約】【課題】能動型磁気ベアリングにおいて、ギャップが線形範囲外である場合の不安定さを解消する補正器を提供すること。【解決手段】本願発明による能動型磁気ベアリングのデジタル非線形補正器(10)は、入力信号x(t)を受信し、能動型磁気ベアリングの位置を制御するための出力制御信号u(t)を出力する。入力信号は、ADC回路(12)によってデジタル化されるとともに加算器(16)に提供される。デジタル非線形補正器は閉制御ループを有し、該閉制御ループは中間数列y[kT]を供給し、第１比例利得回路(22)とローパスフィルタ(18)およびデッドゾーン回路(20)の直列接続を含むフィードバック部とを有するダイレクト部を有する。ローパスフィルタは、前記出力制御信号の定められた上限値および下限値に達する場合に有効にされ、前記定められた上限および下限に達しない場合、前記出力制御信号は前記入力信号を再生成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力信号x(t)を受信し、能動型磁気ベアリングの位置を制御するための出力制御信号u(t)を出力する能動型磁気ベアリングのデジタル非線形補正器(10)であって、前記入力信号がアナログ−デジタル変換回路(12)によってデジタル化されるとともに加算器(16)に提供され、
デジタル非線形補正器は、閉制御ループを有し、
前記閉制御ループは、中間数列y[kT]を供給し、第１比例利得回路(22)とローパスフィルタ(18)およびデッドゾーン回路(20)の直列接続を含むフィードバック部とを有するダイレクト部を有し、
ローパスフィルタは、前記出力制御信号の定められた上限値および下限値に達する場合有効にされ、前記定められた上限および下限に達しない場合、前記出力制御信号が前記入力信号を再生成する、デジタル非線形補正器。
【請求項２】
前記加算器の出力が最終数列u[kT]を提供し、前記能動型磁気ベアリングの位置を制御する前記出力制御信号が前記最終数列u[kT]から供給される、請求項１に記載のデジタル非線形補正器。
【請求項３】
ローパスフィルタが、前記能動型磁気ベアリングの不安定さを避けるために十分な位相の進みを作り出すように決定されるカットオフ周波数を有する、請求項１または２に記載のデジタル非線形補正器。
【請求項４】
前記デッドゾーン回路の入力i[kT]および出力o[kT]の数列が、
絶対値(i[kT]) ＜ Δ/2 の場合にo[kT] = 0、
i[kT] ≧ Δ/2 の場合にo[kT] = i[kT]-Δ/2、および
i[kT] ≦ - Δ/2 の場合にo[kT] = i[kT]+Δ/2
の条件を検証し、ここでΔは、前記能動型磁気ベアリングの空隙の割合に対応する定められた閾値である、請求項１または２に記載のデジタル非線形補正器。
【請求項５】
前記空隙の割合が30から50%の範囲内である、請求項４に記載のデジタル非線形補正器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、能動型磁気ベアリングを有するサーボ回路に備えられる補正器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、少なくとも１つの電磁コイルを有する能動型磁気ベアリング(active magnetic bearing, PMA)の制御ループは、ローター部分の位置の検出器、補正ネットワーク、および電磁コイルに給電する増幅器を有する。補正ネットワークの出力信号は、電磁コイルを駆動する。増幅器によって供給されことが求められる電流は、PMAの空隙磁束(air gap flux)の変化に比例する電流で各々ループする。
【０００３】
PMAは、比例・積分・微分(PID)転送機能を有する補正ネットワークを用いる。この機能は、高い利得、高い剛性、および短い応答時間を伴うサーボ回路の自然(固有)周波数に近づく最適な動作を取得するように定められる。
【０００４】
従ってこのネットワークは、第１に自然周波数において定められた位相の進み(lead phase)がシステムを抑制する(damp)ように見えるように、第２に補正ネットワークの積分動作のカットオフ周波数が高い剛性を得るためにできるだけ自然周波数に近いものであるように、定められる。
【０００５】
サーボ回路の自然周波数における可動質量の振動の最大振幅で定義することができるPMAでの振動の振幅が線形の範囲に留まっている限り、このような補正は満足いくものである。
【０００６】
サーボ回路の自然周波数および剛性がより高くなれば、この線形の範囲はより小さくなる。この制限は、第１にPMAのベアリング表面および磁気材料の飽和誘導(saturation induction)に依存する電磁石の最大の力によるものであり、第２にその供給電圧および最大電流出力に基づく電力増幅器の最大電力によるものである。
【０００７】
線形の範囲の外側では、例えば、磁気ベアリングの負荷容量(load capacity)よりも大きな乱力(disturbance force)により生じる大きな振幅振動が存在する場合、電磁石の力の飽和または増幅器の電力の飽和が、利得およびサーボ回路の自然周波数を下げることを引き起こし、さらに補正ネットワークの微分動作によって提供される位相前進を低減または無くす効果を有する位相の遅れをも引き起こす。このことは特にPMAに弊害（「ジャックハンマー(jackhammer)」と呼ばれる効果）をもたらす結果である不安定さをもたらす。
【０００８】
この不安定さを改善するための既知の方法がFR2706549によって開示され、振動振幅の関数として比例する利得を調節し、その線形の範囲外の動作期間のみで補完的位相前進を提供する補正ネットワークを提供している。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、上記の欠点をなくすこと、ならびにサーボ回路の剛性および自然周波数を低減するとともに位相前進を大きくするデジタル非線形補正器を提案することを目的としている。
【００１０】
本発明に基づき、入力信号x(t)を受信し、能動型磁気ベアリングの位置を制御するための出力制御信号u(t)を出力する、能動型磁気ベアリングのデジタル非線形補正器が提供される。入力信号は、ADC回路によってデジタル化されるとともに加算器に提供される。デジタル非線形補正器は、中間数列(intermediary sequence of numbers)y[kT]を供給し、第１比例利得回路とローパスフィルタおよびデッドゾーン回路の直列接続を含むフィードバック部とを有するダイレクト部を有する閉制御ループを有し、ローパスフィルタは、出力制御信号の定められた上限値および下限値に達する場合に有効にされ、この定められた上限および下限に達しない場合、出力制御信号が入力信号を再生成する。
【００１１】
このような構成により、線形の範囲内の出力は入力と等しく、線形の範囲外では閉ループ転送機能が位相の進みの転送機能に対応する。
【００１２】
本発明の他の特徴によれば、加算器の出力が最終数列(final sequence of numbers)u[kT]を提供し、能動型磁気ベアリングの位置を制御する出力制御信号が最終数列u[kT]から供給される。
【００１３】
好ましくは、ローパスフィルタは、能動型磁気ベアリングの不安定さを避けるための十分な位相の進みを作り出すように決定されるカットオフ周波数を有する。
【００１４】
有利には、デッドゾーン回路の入力i[kT]および出力o[kT]の数列は、以下の条件を検証する。
絶対値(i[kT]) ＜ Δ/2 の場合 ⇒ o[kT] = 0
i[kT] ≧ Δ/2 の場合 ⇒ o[kT] = i[kT]-Δ/2
i[kT] ≦ -Δ/2 の場合 ⇒ o[kT] = i[kT]+Δ/2
ここで、Δは、能動型磁気ベアリングの空隙の割合(好ましくは、30から50%の範囲内)に対応する定められた閾値である。
【００１５】
本発明の実施形態を図示する添付の図面を参照しながら以下の説明で、本発明がより理解され、さらなる詳細および利点がより明らかになる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明による能動型磁気ベアリングのデジタル非線形補正器の実施形態を示す図である。
【図２】図１のデジタル非線形補正器の重要な信号を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
図１は、大きな振幅振動を受ける場合にPMAに対する吸収動作(absorbed movement)を提供するための、本発明によるデジタル非線形補正器の好ましい実施形態を示す。
【００１８】
このデジタル非線形補正器10は、位置制御ループ(図示せず)に組み込まれる。PMAの測定された位置x(t)(図２の曲線30)は、周期T(知られているように、PMAの帯域幅に従ってサンプリング周波数が選ばれる)の同期クロック14によって定められるサンプル点(sampling instants)kにおいて、アナログ−デジタル変換器(ADC12)によって、デジタル形式x[kT]に変換される。ADC12によって供給される第１数列は、補正器のフィードバック部でローパスフィルタ18によって供給される第２数列とともに、加算器16に加えられる。ローパスフィルタ18はデッドゾーン回路20の出力を受信する。またデッドゾーン回路20は、補正器のダイレクト部において利得係数Kの第１比例利得回路22を介して加算器16によって提供される中間数列y[kT]によって入力が供給される。加算器16の出力は、最終数列u[kT](図２の曲線32)を、比例・積分・微分(PID)転送機能を有利には有する制御部24に対して生成する。制御部24は、PMAの位置の制御のための信号u(t)を生成する。
【００１９】
ローパスフィルタ18は、PMAの不安定さを避けるために十分な位相の進みを作り出すように、定められたカットオフ周波数を有する。
【００２０】
デッドゾーン回路20の入力i[kT]および出力o[kT]の数列は、以下の条件を検証しなければならない。
絶対値(i[kT]) ＜ Δ/2 の場合 ⇒ o[kT] = 0
i[kT] ≧ Δ/2 の場合 ⇒ o[kT] = i[kT]-Δ/2
i[kT] ≦ - Δ/2 の場合 ⇒ o[kT] = i[kT]+Δ/2
ここでΔは、空隙の割合(一般的には、ローターの最大位置の30から50%の範囲内)に対応する定められた閾値である。
【００２１】
デジタル非線形補正器10は、例えば、米国企業Texas Instruments社から提供されるタイプF2812のデジタル信号プロセッサ(DSP)上で動作する。磁気ベアリングコンプレッサーでの本発明によるデジタル非線形補正器の実施は、このような補正器の実際的関心をより良く評価することを可能にする。以下のような数値を考えてみる。
【００２２】
所与のKおよびローパスフィルタの所与の一定時間について、閉ループ転送機能を介して簡単に計算可能な上記の非線形閉ループ制御によって導入される位相の進みは、以下のように与えられる。
U(p)/Y(p) = (K/(1+K))×(1+aT1p)/(1+T1p)
ここで、A = 1+K、およびT1 = (1/(1+K))×Tである。
【００２３】
デッドゾーン関数の上限および下限は、最大空隙の割合(一般的に30から50%の範囲内)かける係数Kとして固定される。
Δ/2=0.5×K
-Δ/2=-0.5×K
【００２４】
磁気ベアリングのギャップが線形範囲の限度よりもかなり大きい場合を想定すると、このギャップより大きな振動の振幅は全て、増幅器の過重負荷を招き、利得およびサーボ回路の自然周波数の両方の増加によるPMAの不安定さを対応して作り出す。補正器のフィードバック部におけるローパスフィルタおよびデッドゾーン回路の直列接続によって、本発明のシンプルな解決法は、サーボ回路の安定のために必要な位相の進みをもたらす。
【符号の説明】
【００２５】
１０  デジタル非線形補正器
１２  アナログ−デジタル変換回路
１４  同期クロック
１６  加算器
１８  ローパスフィルタ
２０  デッドゾーン回路
２２  第１比例利得回路
２４  制御部
３０  ＰＭＡの測定された位置
３２  加算算器１６の出力である最終数列u[kT] 
【図１】
2015117832.tif 000003
【図２】
2015117832.tif 000004
【外国語明細書】
2015117832000001.pdf