JPH0782025B2 - 磁気懸垂装置 - Google Patents
磁気懸垂装置Info
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- JPH0782025B2 JPH0782025B2 JP61122035A JP12203586A JPH0782025B2 JP H0782025 B2 JPH0782025 B2 JP H0782025B2 JP 61122035 A JP61122035 A JP 61122035A JP 12203586 A JP12203586 A JP 12203586A JP H0782025 B2 JPH0782025 B2 JP H0782025B2
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Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
- F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
- F16C32/00—Bearings not otherwise provided for
- F16C32/04—Bearings not otherwise provided for using magnetic or electric supporting means
- F16C32/0406—Magnetic bearings
- F16C32/044—Active magnetic bearings
- F16C32/0444—Details of devices to control the actuation of the electromagnets
- F16C32/0451—Details of controllers, i.e. the units determining the power to be supplied, e.g. comparing elements, feedback arrangements with P.I.D. control
-
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- F16C32/0446—Determination of the actual position of the moving member, e.g. details of sensors
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- Lift-Guide Devices, And Elevator Ropes And Cables (AREA)
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Description
【発明の詳細な説明】 （イ） 産業上の利用分野 本発明は一般には、軸の回りに回転運動可能な、あるい
は直線運動可能な空中浮揚部材の指示計器に関する磁気
懸垂装置に関連するものである。特に本発明は、付随す
る電磁アクチュエータに対する懸垂部材の位置を判定す
る電子回路構成に関連し、印加された偏向力を直線化す
るのに利用される。
は直線運動可能な空中浮揚部材の指示計器に関する磁気
懸垂装置に関連するものである。特に本発明は、付随す
る電磁アクチュエータに対する懸垂部材の位置を判定す
る電子回路構成に関連し、印加された偏向力を直線化す
るのに利用される。
（ロ） 従来の技術ならびに問題点 磁気懸垂装置は、可動部材を実質的に摩擦なしに懸垂す
るためには特に適している。磁気的支持アセンブリを利
用するこの種の従来の懸垂装置は、指令された入力の力
に直線的に比例する出力の力を発生するよう所望されて
おり、磁気回路の非直線性に対する補償を必要とする
が、それは、得られた力が、コイル電流および、磁化コ
イルと可動部材との間のエアギャップの非直線関数とな
っているからである。磁気による力Ｆは下記の形の式で
表されることが明らかになっている。
るためには特に適している。磁気的支持アセンブリを利
用するこの種の従来の懸垂装置は、指令された入力の力
に直線的に比例する出力の力を発生するよう所望されて
おり、磁気回路の非直線性に対する補償を必要とする
が、それは、得られた力が、コイル電流および、磁化コ
イルと可動部材との間のエアギャップの非直線関数とな
っているからである。磁気による力Ｆは下記の形の式で
表されることが明らかになっている。
Ｆ＝KI2/g2 （１） 但し、Ｉはアクチュエータ・コイルに与えられた電流、
ｇはコイルの透磁性コアと磁気懸垂部材との間にエアギ
ャップ、そしてＫは比例係数となっている。磁気アクチ
ュエータは、一般的に、共通の回転子すなわち電機子に
反対方向に力を加える２つの本質的に同一の磁気回路か
らなっているので、各コイルに供給された可変制御電流
に固定バイアスを与えることによって二乗電流特性が補
償され得ることは明らかである。磁気ギャップにおける
電機子の位置を感知することによって、電流はさらに変
調され、ギャップの逆二乗要素の効果を打ち消す。
ｇはコイルの透磁性コアと磁気懸垂部材との間にエアギ
ャップ、そしてＫは比例係数となっている。磁気アクチ
ュエータは、一般的に、共通の回転子すなわち電機子に
反対方向に力を加える２つの本質的に同一の磁気回路か
らなっているので、各コイルに供給された可変制御電流
に固定バイアスを与えることによって二乗電流特性が補
償され得ることは明らかである。磁気ギャップにおける
電機子の位置を感知することによって、電流はさらに変
調され、ギャップの逆二乗要素の効果を打ち消す。
従って、従来の懸垂技術は、電機子とコイルの間の印加
された電流とエアギャップの両方を正確に測定する必要
があった。精密電流測定値は容易に得られるが、必要と
する直線性と解像度でエアギャップの測定を行うために
は精密感知器を必要とし、そのような感知器は製造費用
もかかり、装置の信頼度を低減させる結果にもなり得
る。前述の装置についての別の欠点は、式（１）が磁気
ヒステリシス、ギャップでの磁束漏れ、およびその他の
磁気異常の効果を考慮に入れてないということである。
その結果、このように制御された磁気アクチュエータ
は、良く制御された条件のもとでさえ、最高でも、１ま
たは２パーセントのオーダの直線性を達成するだけてあ
った。刊行物「磁気懸垂」における米国宇宙学会論文第
AAS82−034（1982年１月30日）「次世代に精密指示」に
おいて、本願発明者はそのような誤差を修正する装置を
説明している。
された電流とエアギャップの両方を正確に測定する必要
があった。精密電流測定値は容易に得られるが、必要と
する直線性と解像度でエアギャップの測定を行うために
は精密感知器を必要とし、そのような感知器は製造費用
もかかり、装置の信頼度を低減させる結果にもなり得
る。前述の装置についての別の欠点は、式（１）が磁気
ヒステリシス、ギャップでの磁束漏れ、およびその他の
磁気異常の効果を考慮に入れてないということである。
その結果、このように制御された磁気アクチュエータ
は、良く制御された条件のもとでさえ、最高でも、１ま
たは２パーセントのオーダの直線性を達成するだけてあ
った。刊行物「磁気懸垂」における米国宇宙学会論文第
AAS82−034（1982年１月30日）「次世代に精密指示」に
おいて、本願発明者はそのような誤差を修正する装置を
説明している。
磁気的支持装置に与えられる実際の力ならびにエアギャ
ップの大きさを測定し、閉ループに実際の力信号を供給
し、力指令信号を修正することによって、１パーセント
の10分の１のオーダーの直線性及び磁気異常の効果に対
する補償を有する改良された性能が得られる。しかし、
正確なエアギャップ測定を達成するには精密近接変換器
（プロキシメータ）が必要である。本発明は、力のルー
プ・システムで利用される場合、キャップにおける電機
子位置の精密測定を行う必要性を除去している。
ップの大きさを測定し、閉ループに実際の力信号を供給
し、力指令信号を修正することによって、１パーセント
の10分の１のオーダーの直線性及び磁気異常の効果に対
する補償を有する改良された性能が得られる。しかし、
正確なエアギャップ測定を達成するには精密近接変換器
（プロキシメータ）が必要である。本発明は、力のルー
プ・システムで利用される場合、キャップにおける電機
子位置の精密測定を行う必要性を除去している。
（ハ） 発明の概要 本発明は、透磁性電機子に所望の力を加えるための改良
された磁気懸垂装置であって、該透磁性電機子が複数の
コイルを付勢することによって形成される磁界中に配置
され、電機子とコイルの間のエアギャップの測定値が前
記電機子に加えられる力の大きさによって求められると
いうものである。力感知器は電機子に結合されて実際の
力に対応する信号を発生し、そしてコイルに与えられた
電流もまた測定される。該力信号と電流を結合すること
によって、エアギャップの大きさに対応する新しい信号
が発生され、それはコイル電流を制御するのに利用さ
れ、その結果、実際の力は力指令信号に直線的に比例す
る。
された磁気懸垂装置であって、該透磁性電機子が複数の
コイルを付勢することによって形成される磁界中に配置
され、電機子とコイルの間のエアギャップの測定値が前
記電機子に加えられる力の大きさによって求められると
いうものである。力感知器は電機子に結合されて実際の
力に対応する信号を発生し、そしてコイルに与えられた
電流もまた測定される。該力信号と電流を結合すること
によって、エアギャップの大きさに対応する新しい信号
が発生され、それはコイル電流を制御するのに利用さ
れ、その結果、実際の力は力指令信号に直線的に比例す
る。
（ニ） 実施例 次に本発明の実施例について、図面を参照して説明す
る。第１図で、１組の磁気的支持アセンブリ10と12が、
固定体16の上方に可動体14を支持しているように示され
ている。各磁気的支持アセンブリは、与えられた電流に
よって付勢されたとき、磁束を発生する対向コイルを支
持する固定子18と20からなっている。電機子30と32は鉄
のような透磁性材料から形成されていて、コイル22、24
と26、28の間のエアギャップ内に、それぞれ配置されて
いる。電流がコイルに与えられると、磁界が構成され、
それによって所定の力を電機子に印加する。該電機子
は、可動体14に固定されているので、該本体は、各自の
電機子と関連するコイルの間の所定エアギャップにより
懸垂される。
る。第１図で、１組の磁気的支持アセンブリ10と12が、
固定体16の上方に可動体14を支持しているように示され
ている。各磁気的支持アセンブリは、与えられた電流に
よって付勢されたとき、磁束を発生する対向コイルを支
持する固定子18と20からなっている。電機子30と32は鉄
のような透磁性材料から形成されていて、コイル22、24
と26、28の間のエアギャップ内に、それぞれ配置されて
いる。電流がコイルに与えられると、磁界が構成され、
それによって所定の力を電機子に印加する。該電機子
は、可動体14に固定されているので、該本体は、各自の
電機子と関連するコイルの間の所定エアギャップにより
懸垂される。
印加電流を変えることによって、それによる磁界のため
に可動体14は、印加電流に従って、直線的に浮揚させら
れ、あるいはまた、ある角度で傾斜する。第１図にはま
た変換器34と36も示されており、それらは可動体14に加
えられる磁気による力を感知するのに利用されるが、そ
の態様は以下で述べる。
に可動体14は、印加電流に従って、直線的に浮揚させら
れ、あるいはまた、ある角度で傾斜する。第１図にはま
た変換器34と36も示されており、それらは可動体14に加
えられる磁気による力を感知するのに利用されるが、そ
の態様は以下で述べる。
次に第２図では、磁気懸垂装置と共に利用される従来技
術の磁気的支持アセンブリ40の構成図が断面で示されて
いる。各磁気的支持アセンブリ40は、磁心および付随す
るコイル46と48からなる電磁石42と44を有する。磁性体
の電機子すなわち回転子板50は、電磁石42と44の両面間
に配置されている。該電磁石は回転子50に、対向する力
を加える。信号電流I1がコイル48に与えられると、該回
転子は電磁石44の方向に引き付けられる。反対に信号電
流I2が電磁石42のコイル46に与えられると、該回転子は
電磁石42の方向に引き付けられる。プロキシメータ52は
各磁気的支持アセンブリ40に含まれて、変位された回転
子50の位置から、回転子中立位置平面における所定基準
点g0への距離Δｇに比例する信号を発生する。プロキシ
メータは従来のうず電流ピックオフ装置であり、その信
号出力は、所定値からのギャップ距離のいかなる変化に
も、大きさと方向が比例しており、さらにこの信号は処
理され、増幅されて、エアギャップの変化に比例する電
流を発生する。これらの信号は、磁気支持装置に印加さ
れた電流から生ずる磁束の固有の非直線性を補償するた
めに利用される。該プロキシメータ信号は、磁束を変調
するのに利用され、回転子50に加えられる力を直線化す
る。
術の磁気的支持アセンブリ40の構成図が断面で示されて
いる。各磁気的支持アセンブリ40は、磁心および付随す
るコイル46と48からなる電磁石42と44を有する。磁性体
の電機子すなわち回転子板50は、電磁石42と44の両面間
に配置されている。該電磁石は回転子50に、対向する力
を加える。信号電流I1がコイル48に与えられると、該回
転子は電磁石44の方向に引き付けられる。反対に信号電
流I2が電磁石42のコイル46に与えられると、該回転子は
電磁石42の方向に引き付けられる。プロキシメータ52は
各磁気的支持アセンブリ40に含まれて、変位された回転
子50の位置から、回転子中立位置平面における所定基準
点g0への距離Δｇに比例する信号を発生する。プロキシ
メータは従来のうず電流ピックオフ装置であり、その信
号出力は、所定値からのギャップ距離のいかなる変化に
も、大きさと方向が比例しており、さらにこの信号は処
理され、増幅されて、エアギャップの変化に比例する電
流を発生する。これらの信号は、磁気支持装置に印加さ
れた電流から生ずる磁束の固有の非直線性を補償するた
めに利用される。該プロキシメータ信号は、磁束を変調
するのに利用され、回転子50に加えられる力を直線化す
る。
次に第３図には、磁気的支持アセンブリ62を制御するの
に適した回路のブロック図が示されている。第３図の回
路は単一磁気的支持アセンブリを制御するのに必要な要
素を表す。同様な回路が、通常は複数の各磁気的支持ア
センブリに備えられている。
に適した回路のブロック図が示されている。第３図の回
路は単一磁気的支持アセンブリを制御するのに必要な要
素を表す。同様な回路が、通常は複数の各磁気的支持ア
センブリに備えられている。
回転子に加えられた力を制御する主要成分は、加算器6
4、積分器66および制御部68、サーボ増幅器ループ70、
磁気的支持アセンブリ62ならびに力感知器72である。力
指令信号74は加算器64の入力端子に与えられ、そして通
常の積分器66を介して処理される。次に該積分信号は制
御部68に与えられるが、該制御部の機能は、印加された
磁気力の磁界を力指令74に関して直線化することであ
る。
4、積分器66および制御部68、サーボ増幅器ループ70、
磁気的支持アセンブリ62ならびに力感知器72である。力
指令信号74は加算器64の入力端子に与えられ、そして通
常の積分器66を介して処理される。次に該積分信号は制
御部68に与えられるが、該制御部の機能は、印加された
磁気力の磁界を力指令74に関して直線化することであ
る。
式（１）について上述したように、直線的力アクチュエ
ータとして磁気的支持装置を利用するには、制御法則に
従って、応答が修正され、その結果、磁気回路の非直接
性を補償する必要があることは当業者にとって周知であ
る。磁気アクチュエータは、共通の回転子に反対方向に
向かう力を加える２つの磁気回路から成っているので、
一側で制御電流が加算され、そして他側で減算されてい
る各回路にバイアス電流を与えることによって、電流二
乗項I2は修正することができ、その結果、該制御電流に
比例する正味の力を生ずる。同様に、回転子とその各電
磁石の間のエアギャップに対応する正と負の電流増分を
与えることによって、電流を変調することができる。回
転子が磁気ギャップ内で移動する場合、電流は変調され
て、ギャップの逆二乗法則の効果を補償する。その結果
制御法則は下記の形の式となる。
ータとして磁気的支持装置を利用するには、制御法則に
従って、応答が修正され、その結果、磁気回路の非直接
性を補償する必要があることは当業者にとって周知であ
る。磁気アクチュエータは、共通の回転子に反対方向に
向かう力を加える２つの磁気回路から成っているので、
一側で制御電流が加算され、そして他側で減算されてい
る各回路にバイアス電流を与えることによって、電流二
乗項I2は修正することができ、その結果、該制御電流に
比例する正味の力を生ずる。同様に、回転子とその各電
磁石の間のエアギャップに対応する正と負の電流増分を
与えることによって、電流を変調することができる。回
転子が磁気ギャップ内で移動する場合、電流は変調され
て、ギャップの逆二乗法則の効果を補償する。その結果
制御法則は下記の形の式となる。
I1＝I0〔１＋F/FMAX〕〔１−Δg/g0〕 （２） I2＝I0〔１−F/FMAX〕〔１−Δg/g0〕 ただし、I0はバイアス電流、Δｇは回転子のギャップ中
心g0からの変位、Ｆは印加された力、そしてFMAXは磁気
的支持アセンブリのための設計により最大の力である。
与えられた電流I1とI2は、従来の電流サンプリング装置
によって容易に測定され得るが、ギャップ信号Δｇは第
２図に示すようにこれまでプロキシメータ52によって与
えらた。サーボ・ループ70は加算回路75、サーボ増幅器
76およびフィードバック径路78から成っている。該ルー
プは閉じており、コイル内の電流が、温度によるコイル
・パラメータの変化にも拘わらず、正確に較正されるこ
とを保証し、かつ、コイルの大きいインダクタンスから
生ずる応答の遅れを低減する。サーボ増幅器76の出力
は、磁気的支持アセンブリ62の電磁石を付勢するのに利
用される。
心g0からの変位、Ｆは印加された力、そしてFMAXは磁気
的支持アセンブリのための設計により最大の力である。
与えられた電流I1とI2は、従来の電流サンプリング装置
によって容易に測定され得るが、ギャップ信号Δｇは第
２図に示すようにこれまでプロキシメータ52によって与
えらた。サーボ・ループ70は加算回路75、サーボ増幅器
76およびフィードバック径路78から成っている。該ルー
プは閉じており、コイル内の電流が、温度によるコイル
・パラメータの変化にも拘わらず、正確に較正されるこ
とを保証し、かつ、コイルの大きいインダクタンスから
生ずる応答の遅れを低減する。サーボ増幅器76の出力
は、磁気的支持アセンブリ62の電磁石を付勢するのに利
用される。
制御部68は、非直線磁界応答を、かなりの程度補償する
が、実際のギャップに対するギャップの測定値の誤差
が、力の誤差となる。理想回路は（２）という単純な式
を導くことを想定しているのであるから、磁気回路自体
の中にもさらに誤差が存在する。有効とされてきた解法
は、磁気的支持装置によって印加される実際の力を測定
しそして比例信号をシステム入力にフィードバックし、
従って、力のループ60を閉じることである。この手法に
よって、精密な較正、ヒステリシス修正、等の必要性を
除去する。このために、力感知器72は磁気的支持アセン
ブリ62に機械的に結合され、印加された力に比例する電
気出力を発生する。
が、実際のギャップに対するギャップの測定値の誤差
が、力の誤差となる。理想回路は（２）という単純な式
を導くことを想定しているのであるから、磁気回路自体
の中にもさらに誤差が存在する。有効とされてきた解法
は、磁気的支持装置によって印加される実際の力を測定
しそして比例信号をシステム入力にフィードバックし、
従って、力のループ60を閉じることである。この手法に
よって、精密な較正、ヒステリシス修正、等の必要性を
除去する。このために、力感知器72は磁気的支持アセン
ブリ62に機械的に結合され、印加された力に比例する電
気出力を発生する。
力感知器72の出力は、入力の力の指令74のそれと反対の
極性で、加算回路64に結合され、従って指令された力信
号と感知された力との間の差を表す力誤差信号80は、積
分器66を駆動するのに使用される。力感知器72は非常に
直線的かつ安定的であり、低ヒステリシス、急速応答時
間ならびに非常に高い解像度を有していなければならな
い。それは広範囲の温度および圧力を有する厳しい環境
で動作することができて、さらに力ループ・フィードバ
ック回路に共振を持ち込まないようにしなければなな
い。適切な１つの装置としては、1980年８日５日発行の
米国特許第4,215,570号、「小型水晶共振の力変換器」
において、E.P.Eer Nisseが述べているような、水晶共
振変換器があるが、ここに引用して記載する。
極性で、加算回路64に結合され、従って指令された力信
号と感知された力との間の差を表す力誤差信号80は、積
分器66を駆動するのに使用される。力感知器72は非常に
直線的かつ安定的であり、低ヒステリシス、急速応答時
間ならびに非常に高い解像度を有していなければならな
い。それは広範囲の温度および圧力を有する厳しい環境
で動作することができて、さらに力ループ・フィードバ
ック回路に共振を持ち込まないようにしなければなな
い。適切な１つの装置としては、1980年８日５日発行の
米国特許第4,215,570号、「小型水晶共振の力変換器」
において、E.P.Eer Nisseが述べているような、水晶共
振変換器があるが、ここに引用して記載する。
力のループ60における残りの回路要素は従来のものであ
る。力感知器と近接感知器の両方を利用する、第２図に
関して述べたような従来技術による方式の欠点は、信頼
性の低減および多数の感知器を備えることによる費用の
増加である。シミュレーションによる究明の結果、閉ル
ープ条件の下では、位置誤差は５パーセントまでは許容
され得ることが指摘されているので、プロキシメータの
必要性を取り除いた代わりの利用法が探求された。望ま
しいことに、本発明によって、与えられた電流と合成力
のパラメータを知ることから電機子の変位位置を導出さ
せ、従って従来技術のプロキシメータ変換装置の必要性
が回避される。本発明によって、プロキシメータ変換装
置を単純な電気回路で置換することができ、該電気回路
は電機子ギャップを表す必要な信号を、制御部68に与え
るのである。
る。力感知器と近接感知器の両方を利用する、第２図に
関して述べたような従来技術による方式の欠点は、信頼
性の低減および多数の感知器を備えることによる費用の
増加である。シミュレーションによる究明の結果、閉ル
ープ条件の下では、位置誤差は５パーセントまでは許容
され得ることが指摘されているので、プロキシメータの
必要性を取り除いた代わりの利用法が探求された。望ま
しいことに、本発明によって、与えられた電流と合成力
のパラメータを知ることから電機子の変位位置を導出さ
せ、従って従来技術のプロキシメータ変換装置の必要性
が回避される。本発明によって、プロキシメータ変換装
置を単純な電気回路で置換することができ、該電気回路
は電機子ギャップを表す必要な信号を、制御部68に与え
るのである。
力の式（１）から、２つの対向する電磁石に制御電流を
適用することから生ずる正味の力は下記のように表され
る。
適用することから生ずる正味の力は下記のように表され
る。
FNET＝Ｋ｛〔I1 2/（g0−Δｇ）２〕 −〔I2 2/（g0＋Δｇ）２〕｝ （３） これは４つの変数FNET、I1、I2、およびΔｇを示してい
るが、但し、FNETは結果として印加された力、I1とI2は
電磁石に与えられた電流、Δｇは電機子ギャップにおけ
る基準位置g0からの変化、そしてＫは比較係数となって
いる。FNET、I1、I2およびg0は容易に測定され、従って
正確に知られるので、第４の変数Δｇは計算することが
できる。従ってΔｇの正確な値は、該値を物理的に測定
することを必要としないで判定され得る。
るが、但し、FNETは結果として印加された力、I1とI2は
電磁石に与えられた電流、Δｇは電機子ギャップにおけ
る基準位置g0からの変化、そしてＫは比較係数となって
いる。FNET、I1、I2およびg0は容易に測定され、従って
正確に知られるので、第４の変数Δｇは計算することが
できる。従ってΔｇの正確な値は、該値を物理的に測定
することを必要としないで判定され得る。
式（３）は、論理上は、解くことができるが、実際には
４次元多項式の根を求めることになり、アナログ電子回
路によっては容易に達成されない。しかし、第３図のフ
ィードバック・ループ82は、Δｇの値を概算する手段を
提供し、かつ、漸近法によってΔｇの正確な値を制御部
68に戻す手段を備えている。
４次元多項式の根を求めることになり、アナログ電子回
路によっては容易に達成されない。しかし、第３図のフ
ィードバック・ループ82は、Δｇの値を概算する手段を
提供し、かつ、漸近法によってΔｇの正確な値を制御部
68に戻す手段を備えている。
そこで、第３図のループ82では、該懸垂装置に印加され
た力を表す測定した力信号FREFは、差動演算増幅器から
成る加算器84の第１入力に与えられる。出力信号Feは、
測定された力FREFと計算されたFCOMPの間の差を表す力
誤差信号となっており、積分器86に与えられる。積分器
86はフィードバック・ループにおける定態誤差を低減す
る働きをする。定態誤差信号Feが存続する場合、積分器
の出力は、時間と共に連続的に増加するであろう。この
信号は、除算器／乗算器88が、該誤差を低減する方向に
駆動し、そして積分器出力は、誤差信号が零の場合の
み、増加するのを停止し、その後、積分器は必要な定態
信号を供給して、所望の磁界を維持する。除算器／乗算
器88は下記の式を解く。
た力を表す測定した力信号FREFは、差動演算増幅器から
成る加算器84の第１入力に与えられる。出力信号Feは、
測定された力FREFと計算されたFCOMPの間の差を表す力
誤差信号となっており、積分器86に与えられる。積分器
86はフィードバック・ループにおける定態誤差を低減す
る働きをする。定態誤差信号Feが存続する場合、積分器
の出力は、時間と共に連続的に増加するであろう。この
信号は、除算器／乗算器88が、該誤差を低減する方向に
駆動し、そして積分器出力は、誤差信号が零の場合の
み、増加するのを停止し、その後、積分器は必要な定態
信号を供給して、所望の磁界を維持する。除算器／乗算
器88は下記の式を解く。
FNET＝ｋ〔I1 2/g1 2−I2 2/g2 2〕 （４） 計算された力の出力FCOMPは加算器84の第２入力に与え
られる。エアギャップg1とg2は、第２図および式（３）
で示されるように、基準位置g0ならびに可変電機子ギャ
ップ変位Δｇで表すことができるので、式（４）から間
接的にΔｇの値を求め、従って真のギャップ位置を判定
することができる。
られる。エアギャップg1とg2は、第２図および式（３）
で示されるように、基準位置g0ならびに可変電機子ギャ
ップ変位Δｇで表すことができるので、式（４）から間
接的にΔｇの値を求め、従って真のギャップ位置を判定
することができる。
力の誤差信号Feは積分器86に与えられるので、リード90
の出力信号は力の誤差に依存する。積分器を適切に構成
することによって、リード90の信号は、電機子変位、す
なわち真のエアギャップ変化Δｇの測定値とされ得るの
である。計算された力の大きさFCOMPは、力の誤差Feを
増加することによってΔｇを増加あるいは減少する方向
に積分器を充電させ、従って力の誤差Feを零に低減させ
るという意味で、リード90のΔｇの値に直接影響を与え
ていると理解することができる。積分伝達関数はラプラ
ス演算子によって1/Sと表すことができる。積分器86は
低周波数で非常に高利得を有しており、従って、力の誤
差を零にするために必要ないずれのΔｇ信号をも発生す
る。次いで出力Δｇは制御部68に与えられ、そこでは、
それは印加された力の指令74に対応する必要な磁気制御
電流を計算するのに利用される。
の出力信号は力の誤差に依存する。積分器を適切に構成
することによって、リード90の信号は、電機子変位、す
なわち真のエアギャップ変化Δｇの測定値とされ得るの
である。計算された力の大きさFCOMPは、力の誤差Feを
増加することによってΔｇを増加あるいは減少する方向
に積分器を充電させ、従って力の誤差Feを零に低減させ
るという意味で、リード90のΔｇの値に直接影響を与え
ていると理解することができる。積分伝達関数はラプラ
ス演算子によって1/Sと表すことができる。積分器86は
低周波数で非常に高利得を有しており、従って、力の誤
差を零にするために必要ないずれのΔｇ信号をも発生す
る。次いで出力Δｇは制御部68に与えられ、そこでは、
それは印加された力の指令74に対応する必要な磁気制御
電流を計算するのに利用される。
次に第４図では、第３図の除算器／乗算器88を実現する
適切な電子装置が概略的に示されている。これを完成す
る主要成分は、除算器（92,94）の形に構成された非直
線要素、および乗算器（96）の形に構成された非直線要
素である。
適切な電子装置が概略的に示されている。これを完成す
る主要成分は、除算器（92,94）の形に構成された非直
線要素、および乗算器（96）の形に構成された非直線要
素である。
式（３）は下記の形に書き直すことができる。
FNET＝Ｋ〔I1/（g0−Δｇ）＋I2/（g0＋Δｇ）〕 〔I1/（g0−Δｇ）−I2/（g0＋Δｇ）〕 （５） この式は下記の式（６）に示される２つの二乗の差の形
式となっている。
式となっている。
（Ａ＋Ｂ）（Ａ−Ｂ） （６） 積の項は、乗算器96で示されるような一般的非直線装置
によって実現することができるが、該乗算器の出力は下
記の式のような代数的積となっている。
によって実現することができるが、該乗算器の出力は下
記の式のような代数的積となっている。
（X1−X2）（Y1−Y2） （７） 除算器92と94は下記の形の代数的除算を行う。
Z/（X1−X2） （８） 代数的除算器92に関して、X1はg0を表すようスケールさ
れたツエナダイオード98によって与えられる一定電圧で
あり、そしてX2は計算されたΔｇの値であり、従って、
式（８）の分母は（g0−Δｇ）となる。端子Ｚへの入力
I1は磁気的支持アセンブリの１コイルに与えられる電流
を表す。信号Δｇはまた、反転機能を行うように配線さ
れた演算増幅器100の１入力に結合されている。代数的
除算器94に関して、X1はまたツエナダイオード98から取
られ、そしてＺの値は、磁気的支持アセンブリの対向コ
イルに与えられる電流を表す印加電流I2から得られる。
X2に与えられる信号は信号Δｇの反転出力である。従っ
て、除算器92の出力は（９）の形式のものであり、除算
器94の出力は（10）の形式のものであることが理解され
る。
れたツエナダイオード98によって与えられる一定電圧で
あり、そしてX2は計算されたΔｇの値であり、従って、
式（８）の分母は（g0−Δｇ）となる。端子Ｚへの入力
I1は磁気的支持アセンブリの１コイルに与えられる電流
を表す。信号Δｇはまた、反転機能を行うように配線さ
れた演算増幅器100の１入力に結合されている。代数的
除算器94に関して、X1はまたツエナダイオード98から取
られ、そしてＺの値は、磁気的支持アセンブリの対向コ
イルに与えられる電流を表す印加電流I2から得られる。
X2に与えられる信号は信号Δｇの反転出力である。従っ
て、除算器92の出力は（９）の形式のものであり、除算
器94の出力は（10）の形式のものであることが理解され
る。
O1＝I1/（g0−Δｇ） （９） O2＝I2/（g0＋Δｇ） （10） 除算器92の出力O1は乗算器96の入力X1とY1に結合され
る。除算器94の出力O2は乗算器96の入力X2に結合され、
さらに反転器102によって反転されて、乗算器96の端子Y
2へ入力を与える。従って、加算器84への入力104におけ
る乗算器96の出力O3、式（９）と（10）の和および差の
積となっており、式（５）の解となっている。
る。除算器94の出力O2は乗算器96の入力X2に結合され、
さらに反転器102によって反転されて、乗算器96の端子Y
2へ入力を与える。従って、加算器84への入力104におけ
る乗算器96の出力O3、式（９）と（10）の和および差の
積となっており、式（５）の解となっている。
除算器92,94および乗算器96は、Analog Devices Inc.
（Norwood MA 02062）によって製造された、AD532の
ような、適切に構成された集積回路によって得ることが
できる。加算器64,84およびインバータ100および102
は、演算増幅器を適切に構成することから形成され得
る。積分器86は、フィルタ回路と高利得演算増幅器を従
来の態様で利用することによって、形成され得る。
（Norwood MA 02062）によって製造された、AD532の
ような、適切に構成された集積回路によって得ることが
できる。加算器64,84およびインバータ100および102
は、演算増幅器を適切に構成することから形成され得
る。積分器86は、フィルタ回路と高利得演算増幅器を従
来の態様で利用することによって、形成され得る。
電機子変位信号を計算する装置は、例示のためにアナロ
グとして示されているが、これもまた、通常のアナログ
／ディジタルおよびディジタル／アナログ変換器、ある
いはプログラム可能マイクロプロセッサを利用するディ
ジタル形式で実現され得る。
グとして示されているが、これもまた、通常のアナログ
／ディジタルおよびディジタル／アナログ変換器、ある
いはプログラム可能マイクロプロセッサを利用するディ
ジタル形式で実現され得る。
再び第３図についてみると、動作中、力の指令信号74は
加算器64を介して積分器66に与えられ、そこで制御部68
によって修正され、印加電流に関する直線磁気出力を発
生する。制御部68からの信号はサーボ増幅ループ70を介
して与えられ、磁気的支持アセンブリ62の電磁石（図示
されていない）を作動する。
加算器64を介して積分器66に与えられ、そこで制御部68
によって修正され、印加電流に関する直線磁気出力を発
生する。制御部68からの信号はサーボ増幅ループ70を介
して与えられ、磁気的支持アセンブリ62の電磁石（図示
されていない）を作動する。
磁気的支持アセンブリ62に結合された力感知器72は、合
成力の大きさに比例する出力信号FREFを発生し、該信号
は加算器64に戻されて、指令された力と結果の印加力と
の間の差を表す指令誤差信号80を発生する。制御部68は
電磁石と電機子の間のエアギャップを表す入力Δｇを必
要とするが、それはフィードバック・ループ82によっ
て、リード90から与えられる。力感知器72からの信号も
また、加算器84に与えられ、そして積分器86に結合され
る。積分器86は勾配を有する出力を発生する。
成力の大きさに比例する出力信号FREFを発生し、該信号
は加算器64に戻されて、指令された力と結果の印加力と
の間の差を表す指令誤差信号80を発生する。制御部68は
電磁石と電機子の間のエアギャップを表す入力Δｇを必
要とするが、それはフィードバック・ループ82によっ
て、リード90から与えられる。力感知器72からの信号も
また、加算器84に与えられ、そして積分器86に結合され
る。積分器86は勾配を有する出力を発生する。
入力信号が発生されている間、出力は、該入力の代数記
号に依存して増加しあるいは減少し続ける。入力が零で
ある場合、出力は前以て設定された値に固定されたまま
となっている。リード90の積分器出力は、対向する電磁
石に与えられる電流を表す記号I1およびI2と組み合わさ
れて、除算器／乗算器回路88に与えられる。出力FCOMP
は、接合点（加算器）84における感知された力の大きさ
FREFから減算された、計算された力の大きさであって、
誤差信号Feを積分器86に与えている。力の該計算値が感
知した大きさと異なる場合には、誤差が発生し、それに
よって積分器86の出力がリード90における信号を増加す
るか減少するかのいずれの方向に変化させ、その結果力
の誤差を零に向かわせる。
号に依存して増加しあるいは減少し続ける。入力が零で
ある場合、出力は前以て設定された値に固定されたまま
となっている。リード90の積分器出力は、対向する電磁
石に与えられる電流を表す記号I1およびI2と組み合わさ
れて、除算器／乗算器回路88に与えられる。出力FCOMP
は、接合点（加算器）84における感知された力の大きさ
FREFから減算された、計算された力の大きさであって、
誤差信号Feを積分器86に与えている。力の該計算値が感
知した大きさと異なる場合には、誤差が発生し、それに
よって積分器86の出力がリード90における信号を増加す
るか減少するかのいずれの方向に変化させ、その結果力
の誤差を零に向かわせる。
定常状態において、計算された力が感知した力に等しく
なるが、それは積分器86の出力信号Δｇが真のエアギャ
ップ変化の真の測定値であるための必要にして十分な条
件となっている。次いで信号Δｇは制御部68に与えられ
て、回路動作を完成する。ギャップ位置は既知のパラメ
ータの関係から判定されるので、それ自体を測定する必
要はない。従って、有利なことに、従来のプロキシメー
タを備える必要はなく、そのために価格を低減し、か
つ、信頼性を増加する結果となっている。
なるが、それは積分器86の出力信号Δｇが真のエアギャ
ップ変化の真の測定値であるための必要にして十分な条
件となっている。次いで信号Δｇは制御部68に与えられ
て、回路動作を完成する。ギャップ位置は既知のパラメ
ータの関係から判定されるので、それ自体を測定する必
要はない。従って、有利なことに、従来のプロキシメー
タを備える必要はなく、そのために価格を低減し、か
つ、信頼性を増加する結果となっている。
本発明の良好な実施例について述べてきたが、使用され
た用語は説明のためのものであって限定するものでな
く、その広い観点において、本発明の真の範囲および発
明の精神から逸脱せずに、特許請求の範囲内で種々の変
更がなされ得る点を理解されたい。
た用語は説明のためのものであって限定するものでな
く、その広い観点において、本発明の真の範囲および発
明の精神から逸脱せずに、特許請求の範囲内で種々の変
更がなされ得る点を理解されたい。
第１図は、固定体と可動体および関連する磁気懸垂アセ
ンブリの関係を示す立面図、第２図は従来技術による磁
気的支持アセンブリの断面図、第３図は、本発明の力感
知器およびエアギャップの推計機構を有する磁気懸垂装
置のための電子制御装置の電気的概略図、および第４図
は本発明のギャップ推計回路において利用されるアナロ
グ除算器／乗算器回路の電気的概略図である。 図中、10と12は１組の磁気的支持アセンブリ、14は可動
体、16は固定体、18と20は安定子、22,24と26,28はコイ
ル、30と32は電機子、および34と36は変換器をそれぞれ
示す。
ンブリの関係を示す立面図、第２図は従来技術による磁
気的支持アセンブリの断面図、第３図は、本発明の力感
知器およびエアギャップの推計機構を有する磁気懸垂装
置のための電子制御装置の電気的概略図、および第４図
は本発明のギャップ推計回路において利用されるアナロ
グ除算器／乗算器回路の電気的概略図である。 図中、10と12は１組の磁気的支持アセンブリ、14は可動
体、16は固定体、18と20は安定子、22,24と26,28はコイ
ル、30と32は電機子、および34と36は変換器をそれぞれ
示す。
Claims (14)
- 【請求項１】磁気的支持システムにおいて、 磁界中で懸垂するように位置づけられた電機子に所定の
力を印加し、少なくとも第１及び第２電流によって付勢
されて磁界を生成し、エアギャップで前記電機子から離
れて配置される複数の対向するコイル及び前記電機子に
与えた電流によって印加された力を表す信号を発生する
手段と、 前記第１及び第２の電流を表す信号を発生する手段と、 前記印加された力を表す信号と前記電流を表す信号とに
応答して前記エアギャップを表す信号を導き出す手段
と、 を備えた磁気懸垂装置。 - 【請求項２】特許請求の範囲第１項に記載の装置におい
て、 前記エアギャップ信号を生成する前記手段は、 FNET＝Ｋ（I1 2/g1 2−I2 2/g2 2） に従って出力信号を発生する回路手段を備えており、但
し、 FNETは計算された力（ニュートン,N）であり、 I1は第１の印加電流（アンペア）であり、 I2は第２の印加電圧（アンペア）であり、 g1は第１コイルに対応する第１エアギャップ（メート
ル）であり、 g2は第２コイルに対応する第２エアギャップ（メート
ル）であり、 Ｋは所定の定数（Ｎ・m2/A2）である 磁気懸垂装置。 - 【請求項３】特許請求の範囲第２項に記載の装置におい
て、 前記エアギャップ信号を生成する前記手段は、前記印加
された力信号と、前記式に従って導出された計算による
力信号の代数差を形成することによって、力の誤差信号
を発生する手段を備えている磁気懸垂装置。 - 【請求項４】特許請求の範囲第３項記載の装置におい
て、 前記力の誤差信号の大きさと持続時間に比例した勾配を
有する力誤差信号を前記回路手段に供給する第１の積分
手段を備えている磁気懸垂装置。 - 【請求項５】特許請求の範囲第４項に記載の装置におい
て、 前記勾配を有する力の誤差信号を増幅する手段と、 前記力の誤差信号をゼロになるように操作し、エアギャ
ップ内で前記電機子の偏向を表す合成信号を与えるよう
に閉ループで前記増幅された信号を前記回路手段に与え
るフィードバック手段を備えた磁気懸垂装置。 - 【請求項６】特許請求の範囲第５項に記載の装置におい
て、 さらに （ａ） 前記第１電流を表す前記信号及びエアギャップ
信号に応答し、前記第１電流に対応する分子と、所定の
エアギャップを表す信号と、前記電機子偏向信号との間
の差に対応する分母とを有する第１の代数的除算手段
と、 （ｂ） 前記エアギャップ信号に応答して、反転エアギ
ャップ信号を発生する反転手段と、 （ｃ） 前記第２電流を表す前記信号及び前記反転エア
ギャップ信号に応答し、前記第２電流に対応する分子
と、所定のエアギャップを表す前記信号と前記反転信号
との間の差に対応する分母とを有する第２と代数的除算
手段と、 （ｄ） 前記第２の代数的除算手段の商に対応する信号
を受信して、前記信号を反転する手段と、 （ｅ） 前記第１の代数的除算手段の商に対応する第１
信号と、前記第２の代数的除算手段の前記商に対応する
第２信号と、前記第２の代数的除算手段の前記反転され
た商に対応する第３信号を受信するよう結合されて、そ
の和および積を表す信号を発生し、よって前記発生され
た力信号を形成する代数的乗算器手段と、 （ｆ） 前記発生された力信号を力の誤差信号を発生す
る手段に結合する手段、とを備えている磁気懸垂装置。 - 【請求項７】特許請求の範囲第６項に記載の装置におい
て、 （ａ） 前記電機子に印加されるべき前記所定の力を表
す指令信号を与える手段と、 （ｂ） 前記電機子偏向信号を与える手段と、 （ｃ） 前記印加された力信号を与える手段と、 （ｄ） 前記指令信号、前記電機子偏向信号、及び前記
与えられた力信号に応答して前記第１と第２の電流を発
生する手段と、 （ｅ） 前記第１と第２の電流を、それぞれ、前記対向
するコイルに与える手段と、 を備えている磁気懸垂装置。 - 【請求項８】特許請求の範囲第７項に記載の装置におい
て、 指令信号を与える前記手段は、前記指令信号と前記印加
された力の信号を組み合わせて、その代数的差を表す指
令誤差信号を得て、前記与えられた電流の大きさを変え
る手段を有する磁気懸垂装置。 - 【請求項９】特許請求の範囲第８項に記載の装置におい
て、 前記指令誤差信号の大きさ及び持続時間に応答して勾配
を有する指令誤差信号を与えて前記第１と第２の電流を
制御する第２積分手段をさらに備えている磁気懸垂装
置。 - 【請求項１０】特許請求の範囲第９項に記載の装置にお
いて、 前記電機子偏向信号を与えて前記第１と第２のコイル電
流を変更し、その結果前記印加された力が前記所定の力
を表す指令信号に直線的に比例する手段をさらに備えて
いる磁気懸垂装置。 - 【請求項１１】特許請求の範囲第10項に記載の装置にお
いて、 前記第１と第２の電流を変更する手段は、前記第２積分
手段と前記電機子偏向信号に応答して前記指令信号に実
質的に直線的に関連する前記力を発生する制御手段を有
する磁気懸垂装置。 - 【請求項１２】特許請求の範囲第11項に記載の装置にお
いて、 前記印加された力信号を発生する前記手段は、前記懸垂
装置に結合された力変換器を備えている磁気懸垂装置。 - 【請求項１３】特許請求の範囲第12項に記載の装置にお
いて、 前記力変換器は、圧電型のものである磁気懸垂装置。 - 【請求項１４】特許請求の範囲第12項に記載の装置にお
いて、 前記力変換器は、さらに、印加された力に比例する振動
周波数を有し、かつ前記周波数に対応する出力信号を発
生する共振水晶振動子を備えている磁気懸垂装置。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US06/747,627 US4629262A (en) | 1985-06-24 | 1985-06-24 | Position sensor for magnetic suspension and pointing system |
| US747627 | 1985-06-24 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS61296274A JPS61296274A (ja) | 1986-12-27 |
| JPH0782025B2 true JPH0782025B2 (ja) | 1995-09-06 |
Family
ID=25005940
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP61122035A Expired - Lifetime JPH0782025B2 (ja) | 1985-06-24 | 1986-05-27 | 磁気懸垂装置 |
Country Status (5)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US4629262A (ja) |
| EP (1) | EP0218318B1 (ja) |
| JP (1) | JPH0782025B2 (ja) |
| CA (1) | CA1258697A (ja) |
| DE (1) | DE3679365D1 (ja) |
Families Citing this family (33)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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