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技術 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

出願人 エレクトリックボートコーポレーション
発明者 ジョンエイチチャップマン
出願日 1998年5月28日 (21年11ヶ月経過) 出願番号 1998-147247
公開日 1998年12月15日 (21年4ヶ月経過) 公開番号 1998-331851
状態 特許登録済
技術分野 その他の軸受(磁気軸受、静圧軸受等)
主要キーワード 閉ループ制御信号 信号調節器 回転基準点 補正質量 振動測定器 バックアップコントローラ 制御方法論 バランスウエート
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (5)

課題

故障許容機能を備えた磁気ベアリングのための制御システム動的応答性を最大にする。

解決手段

ロータ位置速度信号応答してベアリング制御コイル制御信号を供給する主ディジタル信号プロセッサ25と、加速度測定信号に応答して、ロータシステム質量不均衡補正するための開ループ振動制御を行なう副ディジタル信号プロセッサ32とを設ける。さらに、ロータシステムの回転周波数のある倍数基本周波数とする振動源も制御する。

概要

背景

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質量不均衡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解説する多数の出版物が今迄に刊行されている。Knopse,C.R.,Hope,R.W.,Fedigan,S.J. および William,R.D 等による“Adaptive On-Line Rotor Balancing Using Digital Control”「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 Magnetic Bearings,Magnetic Devices and Dry GasSeals Conference & Exhibition. Alexandria,Virginia, July 29-30,1993,Technomic Publishing Company,Inc. および、Ku,C.R. および Chen,H. M.等による“Optimum Shaft Balancing at a Rotor Bending Critical Speed with 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 Bearings,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。

Fedigan,S.J.およびWilliam,R.D 等による“An Operating System for a Magnetic Bearing Digital 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,Virginia, July 29-30,1993,版権所有者(1993) Technomic Publishing 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。

概要

故障許容機能を備えた磁気ベアリングのための制御システムの動的応答性を最大にする。

ロータ位置/速度信号応答してベアリング制御コイル制御信号を供給する主ディジタル信号プロセッサ25と、加速度測定信号に応答して、ロータシステムの質量不均衡を補正するための開ループ振動制御を行なう副ディジタル信号プロセッサ32とを設ける。さらに、ロータシステムの回転周波数のある倍数基本周波数とする振動源も制御する。

目的

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。

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。

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

回転部材空中浮揚と、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することを特徴とするベアリング装置。

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。

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。

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。

請求項5

前記振動検知手段が、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制御信号を発生させ、前記固定部材の振動減衰に用いるために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。

請求項6

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5記載のベアリング装置。

請求項7

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6記載のベアリング装置。

請求項8

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6記載のベアリング装置。

請求項9

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する、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

請求項10

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繋ぐことを特徴とする請求項9記載の方法。

技術分野

0001

本発明は、閉ループロータ位置制御システムおよび別個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。

背景技術

0002

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質量不均衡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解説する多数の出版物が今迄に刊行されている。Knopse,C.R.,Hope,R.W.,Fedigan,S.J. および William,R.D 等による“Adaptive On-Line Rotor Balancing Using Digital Control”「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 Magnetic Bearings,Magnetic Devices and Dry GasSeals Conference & Exhibition. Alexandria,Virginia, July 29-30,1993,Technomic Publishing Company,Inc. および、Ku,C.R. および Chen,H. M.等による“Optimum Shaft Balancing at a Rotor Bending Critical Speed with 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 Bearings,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 Digital 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,Virginia, July 29-30,1993,版権所有者(1993) Technomic Publishing 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。

発明が解決しようとする課題

0004

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。

課題を解決するための手段

0007

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。

発明を実施するための最良の形態

0008

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13,14,15,16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20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25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 Commercial 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 thePCIM/Power Quality Conference,Irvin,California,September 20-24,1992,版権所有者(1992)Interfee International,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25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RAM30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[pvcmode]=“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(abmode)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 )max]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45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5111102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、DSP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RAM38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66,67は、いずれのDSPを基にしたコントローラ56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BUS2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(76)」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

0033

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

--

0034

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

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