JPH0743486Y2

JPH0743486Y2 - 磁気軸受の制御回路

Info

Publication number: JPH0743486Y2
Application number: JP9670889U
Authority: JP
Inventors: 源柴田
Original assignee: Mitsubishi Precision Co Ltd
Current assignee: Mitsubishi Precision Co Ltd
Priority date: 1989-08-21
Filing date: 1989-08-21
Publication date: 1995-10-09
Anticipated expiration: 2004-08-21
Also published as: JPH0336521U

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
の姿勢を制御し、安定に維持する回路に関するものであ
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２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２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
ギャプセンサである。座標軸を図示するようにＸ軸、Ｙ
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３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
機能ブロック図を第４図に示す。第４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
（Ｉ×またはIy）で、Ｊ＝Ix＝Iyである。141、142、14
3、144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レセッ
ション算出部である。

第４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５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の回転方向変わったとき、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
ックトルクが正帰還となり両回転方向範囲にわたっての
安定かつ良好な制御性能を得ることができなかった。す
なち、クロスフィードバックの一定値は、一回転方向、
例えば一回転方向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、逆回転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の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
回転方向に応じて正になったり、負になったりするた
め、クロスフィードバックトルクが適正なトルクに対し
て正となったり負となったりする。つまり、第５図
（ｂ）のように逆回転時にはプリセッショントルクが負
となり、それに対するクロスフィードバックトルクが一
定値（負のトルク）であるからそれがたし算され正帰還
となってしまう。

本考案が解決しようとする課題は、回転体の両方向の回
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軸の回り
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、回転体の回転方向を検出する回転
方向検出手段と、前記検出した回転方向に対応した符号
を前記第１及び第２のトルク修正手段の出力に与える符
号切換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
転体が回転方向を変化するとこれを回転方向検出手段が
検出し、符号切換手段により回転方向に対応した符号を
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回転方向に対応するようにクロスフ
ィードバックゲインの符号を切換えることになり、両回
転方向範囲にわたって安定かつ良好な制御性能が得られ
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４図と異なるところは、
回転体の回転方向を検出する回転方向検出手段18を備
え、符号切換手段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。回転方向検出手段18は
２組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方向を
測定する。符号切換手段191及び192は回転方向検出手段
18で検出した回転方向の符号G2を与える。

回転中に回転方向が変化すると、符号切換手段191、192
はその変化後の新たな回転方向の符号G2となり、クロス
フィードバックの符号が回転体１の回転方向に対応する
ように切換えられる。回転体１のプリセッショントルク
が正回転時にはクロスフィードバックの符号を正とし、
回転体１のプリセッショントルクが逆回転時にはクロス
フィードバックの符号を負とする。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両回転方向に
わたって負帰還となり、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
符号を回転方向に対応させることにより、両回転方向範
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。

従って、磁気軸受によって浮上支持された回転体が正逆
両方向に回転動作するような、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図は磁気軸受の一例の概略を説明する構成
図、第３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４図は従来の磁気軸受の制御回路
の機能ブロック図、第５図（ａ），（ｂ）は回転体の正
逆両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…回転方向
検出手段、191,192…符号切換手段。

Claims

【実用新案登録請求の範囲】

【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、回転体の回転方向を検出する回転方向検出手段と、前記検出した回転方向に対応した符号を前記第１及び第
２のトルク修正手段の出力に与える符号切換手段を備え
たことを特徴とする磁気軸受の制御回路。