JPH0743485Y2 - 磁気軸受の制御回路 - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 （産業上の利用分野） この考案は、磁気軸受によって浮上、支持される回転体
の姿勢を制御する回路に関するものであり、正逆の全回
転数範囲にわたって安定に維持させるための磁気軸受の
制御回路に関する。

（産業上の利用分野） 磁気軸受は回転体を電磁石により、浮上させ、支持する
ものであり、この電磁石コイルに流れる電流を制御し
て、回転体の位置を調節している。第３図は、16個の電
磁石によって回転体を浮上、支持する磁気軸受の概略を
示す構成図である。第３図において、１は磁性体の回転
体、２は回転軸、３は回転本体、401〜416は電磁石及び
ギャップセンサである。座標軸を図示するようにＸ軸、
Ｔ軸及びＺ軸にとる。回転体１は円柱状の回転軸２の中
央に円板状の回転本体３が形成されて、回転軸２を中心
に回転する。回転体１の外方周囲には図示しないモータ
ロータが取り付けられ、図示しないモータステータとの
間の電磁力により回転する。回転軸２の上部周囲には、
４個の電磁石及びギャップセンサ401〜404が等間隔に配
置され、回転軸２の下部周囲には同様に電磁石及びギャ
ップセンサ405〜408が配置される。回転本体３の上面円
周部近辺に電磁石及びギャップセンサ409〜412が等間隔
に配置され、回転本体３の下面円周部近辺には同様に電
磁石及びギャップセンサ413〜416が配置される。電磁石
401m〜416mはこれに電流を流すことにより、回転体１と
の間に吸引力を生じさせるものであり、ギャップセンサ
401s〜416sは回転軸２又は回転本体３との距離を検知す
るものである。各電磁石401m〜416mの制御担当は次の通
りである。

なお、θはＸ軸回り方向の軸、ψはＹ軸回り方向の軸で
ある。

電磁石及びギャップセンサ401〜416の配置とそれらの制
御担当が上記のようであるから、各軸の正方向へ移動さ
せる場合、吸引力を強くする電磁石を（＋）とし、それ
に比較して吸引力を弱くする電磁石を（−）とすれば、
各軸と電磁石401〜416との関係は第４図のように表され
る。

このように電磁石に信号を与えて、回転体の位置及び姿
勢の閉ループ制御を行なう従来の磁気軸受の制御回路の
機能をブロック図を第５図に示す。第５図において、11
1、112及び113は、入力の位置信号又は角度信号をトル
クの信号に変換する伝達関数Ｇ（ｓ）のトルク変換部、
121、122、123、124及び125は、比例定数Ｋの比例定数
部、131、132、133、134及び135は、入力トルクに対す
る出力角速度を出力する伝達関数1/Jsの角速度変換部で
あり、Ｊは入力軸（Ｘ軸、Ｙ軸）回りの慣性モーメント
（Ix又はIy）で、Ｊ＝Ix＝Iyである。141、142、143、1
44及び145は角速度を積分して角度変位に変換する伝達
関数1/sの角度変位変換部、である。154、155は入力の
角度信号をトルクの信号に変換する伝達関数G1（ｓ）の
トルク変換部、164、165は、角度変化から所定の操作を
施してトルク誤差を算出する伝達関数Kcsのトルク修正
部、171及び172は、角速度変換部134,135で変換された
角速度にＩω（Ｉは回転体のＺ軸に関する慣性モーメン
ト、ωは回転体１のＺ軸回りの角速度）の比例定数を施
してプリセッショントルクを算出するプリセッション算
出部である。

第５図のように、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸、θ軸及びψ軸の制
御はそれぞれの閉ループにより制御される。回転体１
は、ギャップセンサ401s〜416sにより常にその位置を検
出され、それが位置信号又は角度信号としてフィードバ
ックされ、所定の位置及び姿勢を保つように電磁石401m
〜416mに流す電流が制御される。更に、θ軸及びψ軸に
関し、トルク修正部164、165及び、プリセッション算出
部134、135の接続において、クロスフィードバックが採
用されている。回転体１の高速回転時において、回転方
向のトルクが直交する回転軸回りのトルクとなって出力
される（これをプリセッショントルクという）ため、制
御すべきトルクを直交する回転軸へ入力することによ
り、出力トルクは制御軸へ出てきて制御できる。例え
ば、第６図（ａ）のような回転体に、Ｘ軸回りのトルク
を入力すると回転体１は、Ｙ軸回りにトルク（プリセッ
ショントルク）を出力する。このため、Ｙ軸回りの制御
をする場合、Ｙ軸回りの制御量を位置検出器（ギャップ
センサ）により求めて、Ｘ軸回りに入力することをクロ
スフィードバックという。従って、制御軸を制御するた
めには、直交する軸へ入力を与え、制御軸回りにトルク
を出力することになる。このための制御軸で感知した入
力すべきトルクを直交する軸へ入力することをクロスフ
ィードバック回路を用いて行なっている。

（考案が解決しようとする課題） 従来の磁気軸受の制御回路は、クロスフィードバックに
関わるトルク修正部164,165の伝達関数Kcsが一定であっ
た。このため、回転体１の回転角速度ωが大きく変わっ
たとき、回転体１の運動力学的なプリセッショントルク
が変化するため、回転体１の姿勢変動を修正させるクロ
スフィードバックトルクが適正なトルクに対して過大と
なったり、過少となったりして全角速度範囲にわたって
の安定かつ良好な制御性能を得ることができなかった。
すなわち、クロスフィードバックの一定値は、高速回転
時、例えば回転角速度ωのある範囲内の変化に対して適
正なクロスフィードバックトルクを得るように決定して
いる。従って、低速時にはクロスフィードバックの影響
により回転体１の安定した制御が得られなくなる。ま
た、プリセッショントルクと同じ大きさのクロスフィー
ドバックトルクを与えることができれば、回転体１の姿
勢は安定することになるが、プリセッショントルクが回
転数に応じて大きくなったり、小さくなったりするた
め、クロスフィードバックトルクが適正なトルクに対し
て過大となったり過少となったりする。つまり、低速回
転時にはプリセッショントルクが小さくなり、それに対
するクロスフィードバックトルクが一定値であるからそ
れが相対的に過大となり、高速回転時にはプリセッショ
ントルクが大きくなり一定値のクロスフィードバックが
相対的に過少となる。

また、回転体１が逆転したとき、クロスフィードバック
が正帰還となって、回転体１の姿勢制御が不安定となっ
てしまうことから、回転方向も一方向に限られていた。
すなわち、回転体１を＋Ｙ軸方向に制御したい場合、第
６図（ａ）のように正転時のときは、＋Ｘ軸回りに入力
を与えればよい。クロスフィードバックは＋Ｙ→＋Ｘで
ある。ところが、第６図（ｂ）のように逆転時は、クロ
スフィードバックが＋Ｙ→＋Ｘ（正転時と同じ）であれ
ば、入力は＋Ｘ軸回りに回転体１に与えられ、回転体１
の姿勢は、−Ｙ軸方向に制御され正帰還となってしまう
からである。なお、プリセッション算出部171の出力が
比例定数部135の出力と加算され、プリセッション算出
部172の出力が比例定数部134の出力と減算されるのは、
θ軸（Ｘ軸回り）のＩω出力は、ψ軸（Ｙ軸回り）に＋
Ｙ方向で生じるが、ψ軸（Ｙ軸回り）のＩω出力は、θ
軸（Ｘ軸回り）に−Ｘ方向で生じるという違いのためで
ある。

本考案が解決しようとする課題は、回転体の正逆を含む
広い回転数範囲内で安定に制御できる磁気軸受の制御回
路を提供することにある。

（課題を解決するための手段） この考案に係る磁気軸受の制御回路は、回転体の回転軸
（Ｚ軸）に対して直交する２軸の回りの回転角と基準の
角度との差の各々に所定の操作を施して前記２軸回りの
各々のトルクを算出する第１及び第２のトルク算出手段
と、前記２軸の回りの回転角と基準の角度との差の各々
に所定の操作を施して前記２軸回りの各々のトルク誤差
をクロスフィードバックにより修正する第１及び第２の
トルク修正手段と、前記第１のトルク算出手段の出力と
第２のトルク修正手段の出力との差及び、第２のトルク
算出手段と第１のトルク修正手段の出力との差を入力
し、磁気軸受の電磁石を介して前記２軸の回りに回転を
与えるため、回転角を算出するロータ運動算出手段とを
有するものであって、回転体の角速度及び回転方向を検
出する角速度及び回転方向検出手段と、前記検出した角
速度に比例し、かつ回転方向により符号の異なる利得を
前記第１及び第２のトルク修正手段の出力に与える利得
調節手段を備えたことを特徴とする。

（作用） 上記のように構成した磁気軸受の制御回路において、回
転体が角速度を変化するとこの速度を角速度及び回転方
向検出手段が検出し、利得調節手段により角速度に比例
した利得を第１及び第２のトルク修正手段に与える。第
１及び第２のトルク修正手段は角速度に比例するように
クロスフィードバックゲインを調節することになり、全
角速度範囲にわたって安定かつ良好な制御性能が得られ
る。また、回転体が逆転したときは、角速度及び回転方
向検出手段で回転方向を検出し、逆回転の場合は利得調
節手段の角速度に係る比例分を負にすることにより、負
帰還を実現する。

（実施例） 第１図は本考案に係る磁気軸受の制御回路の機能ブロッ
ク図である。第１図において第５図と異なるところは、
回転体の角速度及び回転方向を検出する角速度及び回転
方向検出手段18を備え、利得調節手段191及び192をトル
ク修正手段164と165の夫々の出力側に接続している。角
速度及び回転方向検出手段18は２個のフォトトランジス
タから構成され、回転体１の周縁に歯形に形成した黒白
の面の付近に配置している。面から反射する光の入射遮
断の間隔を計測して回転数すなわち角速度ωを測定し、
２個のフォトトランジスタの光検出順番より回転方向を
検出する（第２図）。利得調節手段191及び192は一定定
数G2に角速度及び回転方向検出手段18で測定した角速度
ωを乗算する。このとき角速度ωは正方向のときには正
とし、逆方向のとき負であるとする。

回転中に回転数が変化すると、利得調節手段191、192で
はその変化後の新たな角速度ωが乗算され、クロスフィ
ードバックの利得が回転体１の回転角速度ωに比例する
ように調節される。回転体１のプリセッショントルクが
小さい低速回転時にはクロスフィードバックの利得を小
さくし、回転体１のプリセッショントルクが大きい高速
回転時にはクロスフィードバックの利得を大きくする。
角速度及び回転方向検出手段18が回転体１の回転方向の
逆転を検出すると、利得調節手段191,192では角速度ω
の符号を負にして定数G2と乗算する。このようにして、
制御誤差に対応した誤差修正トルクの関係が全回転角速
度にわたって一様となり、適正な制御性能が得られる。

（考案の効果） 以上のように、この考案に係る磁気軸受の制御回路によ
れば、磁気軸受によって浮上支持された回転体の姿勢を
安定化させるためのクロスフィードバック回路のゲイン
定数を回転角速度に比例させることにより、幅広い角速
度範囲にわたって回転体の姿勢を安定に制御することが
できる。

また、回転方向が正逆両方向に回転した場合でも安定し
た回転体の制御が可能となる。

従って、磁気軸受によって浮上支持された回転体が幅広
い回転数範囲で回転動作したり、正逆両方向へ回転する
ような、回転体の制御において安定した制御特性が得ら
れる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本考案に係る磁気軸受の制御回路の機能ブロッ
ク図、第２図は角速度及び回転方向検出を示すタイミン
グ図、第３図は磁気軸受の一例の概略を説明する構成
図、第４図は各軸の正方向へ移動と電磁石の吸引力との
関係を説明する図、第５図は従来の磁気軸受の制御回路
の機能ブロック図、第６図（ａ）及び（ｂ）は回転体の
高速回転時におけるプリセッショントルクを説明する図
である。 １…回転体、２…回転軸、３…回転本体、401〜416…電
磁石及びギャップセンサ、111,112,113…トルク変換
部、121,122,123,124,125…比例定数部、131,132,133,1
34,135…角速度変換部、141,142,143,144,145…角度変
位変換部、154,155…トルク変換部、164,165…トルク修
正部、171,172…プリセッション算出部、18…角速度及
び回転方向検出手段、191,192…利得調節手段。

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】回転体の回転軸（Ｚ軸）に対して直交する
   ２軸の回りの回転角と基準の角度との差の各々に所定の
   操作を施して前記２軸回りの各々のトルクを算出する第
   １及び第２のトルク算出手段と、前記２軸の回りの回転
   角と基準の角度との差の各々に所定の操作を施して前記
   ２軸回りの各々のトルク誤差をクロスフィードバックに
   より修正する第１及び第２のトルク修正手段と、前記第
   １のトルク算出手段の出力と第２のトルク修正手段の出
   力との差及び、第２のトルク算出手段と第１のトルク修
   正手段の出力との差を入力し、磁気軸受の電磁石を介し
   て前記２軸の回りに回転を与えるため、回転角を算出す
   るロータ運動算出手段とを有する磁気軸受の制御回路で
   あって、 回転体の角速度及び回転方向を検出する角速度及び回転
   方向検出手段と、 前記検出した角速度に比例し、かつ回転方向により符号
   の異なる利得を前記第１及び第２のトルク修正手段の出
   力に与える利得調節手段を備えたことを特徴とする磁気
   軸受の制御回路。