JPH0787681B2

JPH0787681B2 - 磁気軸受の制御装置

Info

Publication number: JPH0787681B2
Application number: JP63182265A
Authority: JP
Inventors: 伸二涌井
Original assignee: セイコー電子工業株式会社
Priority date: 1988-07-21
Filing date: 1988-07-21
Publication date: 1995-09-20
Anticipated expiration: 2010-09-20
Also published as: JPH0232733A; DE3923997A1; KR900002143A; FR2634527B1; KR0166055B1; DE3923997C2; FR2634527A1

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、電磁石の磁気吸引力を使用した磁気軸受の制
御装置に関するものであり、磁気支持状態のままで被支
持物体を高速・高精度に動かすための装置構成を提供す
るものである。

〔発明の概要〕

本発明は、電磁石の磁気吸引力を利用した支持装置に関
するものであり、目標入力通りに被支持物体を動かすた
め、従来から用いられてきた制御装置に対してフィード
フォワードの補償器を新たに設けた磁気軸受の制御装置
を提供している。

〔従来の技術〕

さて、電磁石の磁気吸引力を利用した磁気軸受は、制御
理論の観点からみると不安定系と言うことができる。す
なわち、複素右半面の実軸上に極を持っているのであ
る。この不安定系の意味は、次のような物理現象を想起
すれば良く理解できる。磁気軸受に何等かの閉ループ制
御装置が無い場合、過大な吸引力の下では被支持物体が
電磁石に完全に吸着されてしまい、反対に過小な吸引力
ではこれが電磁石か離脱してしまうことになる。

従って、磁気軸受を安定化するためには補償器が必要と
なっている。この補償器を以て、系全体の安定化とロバ
スト性を満足させるようにしている。しかし、安定な磁
気支持と言う安定化と、外乱抑圧性能であるロバスト性
を十分な余裕をもって満足させることは、煩雑な調整作
業を必要とすることが経験から分かっている。このよう
な状況の中で、さらに、目標入力に対して被支持物体を
動かすと云う目標値応答を指定することはできないとい
わねばならない。

上記のことを理論的に説明すると次の通りである。被支
持体に作用する力を重力ｍとし、これと反対方向の電磁
吸引力をＦとする。文献、スラスト形磁気軸受制御系の
研究（日本機械学会論文集,255号,1967年）を参照とす
ると、被支持体の運動方向Ｚの運動方程式は、となり、平衡点においてはmg＝Ｆ（Z₀,I₀）となるの
で、微小変位z,iについて（１）式を展開すると、次式
が得られる。

但し、β＝2g/Z₀,k_m＝Z₀/2（I₀＋I_A），Ｆ＝K_F（Ｉ＋I_A）/Z²,I_A:残留磁気補正ここで、ｘ＝〔z,〕^Ｔを状態変数すると、状態方程式
はとなる。従って、制御対象の伝達関数Ｐ（ｓ）は次式で
表される。

（４）式より、複素右半面実軸上のに極を有する不安定系であることが理解できる。

次に、従来から用いられてきた、閉ループの制御装置構
成を第２図に示す。被支持体の変位は変位検出器１で検
出され、この信号は定常特性を改善するための積分補償
器２に導かれ、さらに不安定な制御対象の極を安定側に引き込むために位相進み補償器３の信号処理
が施され、最終的に電磁石を励磁する電力増幅器４を駆
動して、被支持体を所定の空隙位置に保持するような制
御対象５のコントロールが実現される。次に、この閉ル
ープ系の性能指標として、次式で示される感度Ｓ（ｓ）
と相補感度Ｔ（ｓ）を導入する。

（５）式は、安定化とロバスト性の指標となっているこ
とが知られており、一例を図示すると第３図のようにな
る。安定化とロバスト性のバランスをとる場合、Ｓ（ｊ
ω）とＴ（ｊω）の形状は変えずに、それらの交叉周波
数が調整できるようになっていれば良い。しかし、
（５）式を詳細に計算してみると分かるように、交叉周
波数だけを調整できる補償器のパラメータは存在せず、
何か一つの補償器パラメータを調整すると、Ｓ（ｊω）
とＴ（ｊω）の形状および両者の交叉周波数は変化して
しまう。すなわち、安定化とロバスト性のバランスをと
るためには、様々な補償器のパラメータを同時に調整せ
ねばならない。このような状態の中で、さらに目標入力
に対して望み通りに被支持体を動かそうとする時の特性
である目標値応答も、ある仕様を満足させるようにする
ことは不可能となっている。

〔発明が解決しようとする課題〕

従来技術においては、系全体の安定性とロバスト性のバ
ランスをとる調整作業が煩雑のため相当の時間が掛か
る。すなわち、安定で実稼働に耐え得る磁気支持条件を
実現するだけで手一杯であり、その上さらに目標値応答
までも仕様を満足させることができないと言う課題があ
った。

〔課題を解決するための手段〕

上記課題を解決する為、本発明においては、安定でしか
も実稼働を通して信頼性が確保されている従来の閉ルー
プ制御装置に対して、新たに目標値応答を指定するため
のフィードフォワード補償器を付加することによって、
被支持体の変位を望み通りに制御できるようにしてい
る。

〔作用〕

本発明によれば、新たに目標値応答を所望の特性となす
ようなフィードフォワード補償器を付加することによ
り、従来の制御装置によって安定で、ロバストな磁気支
持状態を実現しておき、更に被支持体の変位を望み通り
に制御することができる。すなわち、このフィードフォ
ワード補償器は、比較的低周波からロールオフしてしま
う従来の制御装置の周波数特性を所望の周波数特性へ整
形するための信号供給器であるとみなすことができる。

〔実施例〕

以下図面に基づき本発明を詳細に説明していく。

第１図は本発明の磁気軸受の制御装置の構成図を示して
いる。同図において、変位センサ６→変位検出器１→積
分補償器２→位相進み補償器３→電力増幅器４→電磁石
７で構成される閉ループが磁気支持機構を安定化してい
る。この閉ループに対して、ローパスフィルタ（以降LP
Fとする）８、ハイパスフィルタ（以降HPFとする）９、
利得調整器10、作動増幅器11および補正フィルタ（以降
CFとする）12からなる各要素全体でフィードフォワード
補償器13が構成されており、各要素の伝達関数を適切に
実現すると、目標入力端子14から、支持物体15変位まで
の応答を所望の特性とすることができる。しかも、フィ
ードフォワード補償器13を付加しても、磁気支持物体15
の安定支持状態を破壊することは無いのである。

以下、フィードフォワード補償器13を構成する各伝達要
素の伝達関数を具体的に示していく。LPF8の伝達関数G
_LPF（ｓ）を、設計者が仕様として与える望みの特性と
する。ここでは、とおく。ここでω_１帯域を定め、a₁は応答の減衰率を規
定している。

HPF9と利得調整器10の縦続接続の伝達関数G_HPF（ｓ）
は、とおく。すなわち、G_HPF（ｓ）の２次の分母多項式の各
係数は、（６）式に示したG_LPF（ｓ）の分母多項式と一
致させている。

（６）と（７）式より、目標入力端子14から作動増幅器
11の出力までの伝達関数G_DIF（ｓ）は、となる。但し、1/k_Ink_mnは差動増幅器11の利得である。

CF12の役割は、制御対象のモデル化誤差によって生ずる
目標値からの周波数応答上の歪を補正するためのもの
で、ここではCF12の伝達関数を１と置く。

上述のようにフィードフォワード補償器13の各伝達要素
の伝達関数を定めたとき、 βｎ＝β,k_In＝k_I,k_mn＝k_m ……（９）とすることができれば、目標入力端子14（ｒ）から、支
持物体15の変位量ｚまでの伝達関数G_zr（ｓ）はとなる。すなわち、設計者が仕様として与えた望みの特
性となるとが示される。一般には、このようなモデルマ
ッチングの状態を設計時点で確保することはできない。
β_ｎ≠β,k_In≠k_I,k_mn≠k_mの場合の伝達関数G_zr（ｓ）
は、但し、k_LOOp＝k_Sk_Pk_Ik_mである。

ここで、β_ｎ→β,k_In→k_I,k_mn→k_mとなるように調整す
れば、（11）式は（10）式となる。

1/k_Ink_mnは、差動増幅器11の利得であり、問題なくチュ
ーニングできる。又、1/βｎはHPF9の次段に接続された
利得調整器10の利得を以て、これも問題なくチューニン
グされ得る。これらの様子を図示して示す。

k_In＝k_I,k_mn＝k_m,β_ｎ≠βの場合、周波数応答は第４図
となり、ステップ応答特性は第５図となる。

ここで、β±₂₀は真値β_０から±20％変動していること
を示している。

従って、第４図乃至第５図の特性を観察しながら利得調
整器10の利得をチューニングしていけば、（６）式で指
定した望みの応答に収束させていくことができる。

さて、フィードフォワード補償器13を構成する各要素に
ついて、伝達関数の形で（６），（７），及び（８）式
に示しているが、これらの伝達関数を実現する具体的な
回路は、種々存在するものである。

第12図は、本発明によるフィードフォワード補償器の一
実施例を示す回路図である。

23はLPF8を実現する一回路例、24はHPF9を実現する一回
路例、25は利得調整器10を実現する一回路例、26は差動
増幅器11を実現する一回路例である。但し、CF12につい
ては、（４）式で示す制御対象の理想モデルからのズレ
によって生ずる周波数応答上の歪を微調整するため、一
意に決められない事から、ブロックで示している。

この様な回路構成により、本発明によるフィードフォワ
ード補償器13は実現することができるものである。

本発明の制御装置の一適用結果を示す。片側空隙長300
（μｍ）、重量7.8（kg）の物体を磁気支持する機構に
適用した結果、第６図（ａ），（ｂ）の周波数応答を得
ている。同図（ａ）は、従来の制御装置の場合を、同図
（ｂ）は本発明に係わる制御装置の場合を示している。
明らかに、周波数帯域が拡大された平坦な特性となって
おり、目標入力信号に対して良く応答できる特性に改善
できている。尚、同図（ａ），（ｂ）の80（Hz）近傍に
生じている応答の歪（ディップしてからピークする応
答）は機械共振である。今回の設定では、この機械共振
による応答の歪を除去していないが、フィードフォワー
ド補償器13の中に、この歪を除去するための補償を入れ
込むことは可能である。

ステップ応答試験の結果を第７図（ａ），（ｂ）に示
す。同図（ａ）は従来制御装置の場合であるが、大きな
オーバーシュートが存在しており、しかも整定時間は長
くなっている。しかし、同図（ｂ）の本発明に係わる制
御装置を使用したときのステップ応答試験では、オーバ
ーシュートなく、短時間の内に整定している。

本発明の具体的な実施例を、２つの産業応用例を使って
説明する。先ず第８図は電磁石16a,16bによって支持さ
れた位置決めテーブル17であり、テーブル上にはICウエ
ハー18が置かれている。このような位置決めテーブル17
は、通常必要な移動量を得るために空隙を大きくしてい
る。従って、高剛性の状態と成すことは容易にできな
い。反対の低剛性状態しか実現できず、この場合には位
置に対する目標値応答は緩慢である。しかし、位置決め
テーブル17をオーバーシュートなく高速位置決めしたい
要請があり、ここに本発明の制御装置を使用することが
できる。

次に、第９図は電磁石19a,19b,19cで支持された工作機
械用スピンドルである。このような工作機械用スピンド
ルを使った加工法の一つに振動加工がある。この加工に
おいては、位置の目標値として正弦波を入力して磁気支
持された回転体20を振動させ、加工エネルギーの低減が
はかられている。米国ターチャン社からは、振幅0.05〜
0.13mm、周波数約2kHzの振動を回転体20のスラスト方向
に重畳したところ、切削エネルギーが50％低減できたと
の報告がなされている。この報告例のように、正弦波振
幅とその振動周波数が加工条件を設定するパラメータと
なるが、従来の制御装置の閉ループ周波数応答のままで
は、閉ループ系としての共振特性や比較的低周波からの
ロールオフ特性のため、目標値応答を自由に設定するこ
とはできない。しかし、本発明の制御装置を使えば、所
望の目標値応答となるようなフィードフォワード補償器
を従来の制御装置に付加することで、上記問題点を回避
できる。これらの様子を示すと第10図，第11図（ａ）〜
（ｄ）となる。第10図に示す目標値に関する周波数応答
において、点線は従来の制御装置の場合を、実線が本発
明の制御装置の場合を示している。周波数ｆ＝f₁のとき
の時間応答は第11図（ａ），（ｃ）となり、どちらの制
御装置を採用しても入力信号に良く追従する。しかし、
ｆ＝f₂のときの時間応答は第11図（ｂ），（ｄ）とな
り、従来制御装置の場合には、応答振幅が低下してしま
う。しかし、本発明の制御装置の場合では、入力信号に
追従することが保証されているのである。上記で説明し
た振動加工の他に、本発明の制御装置を使うと、ワーク
21に対して工具22を高速・高精度に切り込ませるなど、
微細な加工を行わせることも可能となる。

〔発明の効果〕

以上で述べた通り、本発明によればフィードフォワード
補償器の中にローパスフィルタとハイパスフィルタを用
いることにより、フィードフォワードを付加する前の閉
ループ制御回路の信頼性および安定性を損なうことな
く、目標指令値の変化に対する支持物体の支持位置の応
答特性を任意に設定することが可能となり、その支持位
置を高速、高精度に移動させることができるという優れ
た効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の磁気軸受の制御装置の構成図、第２図
は従来の制御装置の構成図、第３図はＳ−Ｔ線図、第４
図はβに誤差があるときの目標値に関する周波数応答を
示すグラフ、第５図はβに誤差があるときの目標値に関
するステップ応答波形を示すグラ、第６図（ａ），
（ｂ）は従来装置及び本発明装置による目標値に関する
周波数応答の実測結果を示すグラフ、第７図（ａ），
（ｂ）は従来装置及び本発明装置による目標値に関する
ステップ応答の実測結果を示すグラフ、第８図は本発明
の産業応用を示す位置決めテーブル概略図、第９図は本
発明の産業応用を示す工作機械用スピンドルの概略断面
図、第10図は従来の制御装置及び本発明の制御装置にお
ける目標値に関する周波数応答を示すグラフ、第11図
（ａ），（ｂ）は第10図のｆ＝f₁及びｆ＝f₂における従
来の制御装置での周波数に対する時間応答を示すグラ
フ、第11図（ｃ），（ｄ）は第10図のｆ＝f₁及びｆ＝f₂
における本発明の制御装置での周波数に対する時間応答
を示すグラフ、第12図は本発明によるフィードフォワー
ド補償器の一実施例を示す回路図である。１……変位検出器２……積分補償器３……位相進み補償器４……電力増幅器５……制御対象６……変位センサ７……電磁石８……ローパスフィルタ（LPF）９……ハイパスフィルタ（HPF） 10……利得調整器 11……差動増幅器 12……補正フィルタ（CF） 13……フィードフォワード補償器 14……目標入力端子 15……支持物体 16a,16b……電磁石 17……位置決めテーブル 18……ICウエハー 19a,19b,19c……電磁石 20……回転体 21……ワーク 22……工具

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電磁石の磁気力を用いて支持物体を浮上支
持する磁気軸受の制御装置において、前記支持物体を所
定の位置に安定支持するための閉ループ制御回路と、外
部から入力される目標値に応答して前記支持物体の支持
位置を変位させるためのフィードフォワード補償器を備
え、前記閉ループ制御回路は、前記支持物体の変位を検
出するための変位検出器と、前記変位検出器の出力を受
けて支持を安定化するための信号処理を行う補償器と、
前記補償器の出力を受けて電磁石を励磁する電力増幅器
を有し、前記フィードフォワード補償器は、外部から目
標値を入力する目標入力端子と、前記目標値に対して所
定の目標値応答特性を有するローパスフィルタおよびハ
イパスフィルタと、前記ローパスフィルタの出力を前記
閉ループ制御回路の信号に加えるための第１の出力端子
と、前記ローパスフィルタと前記ハイパスフィルタのそ
れぞれの出力の差分を前記閉ループ制御回路の信号に加
えるための第２の出力端子を有することを特徴とする磁
気軸受の制御装置。
【請求項２】前記第１の出力端子の出力は前記変位検出
器の出力に加えられるとともに、前記第２の出力端子の
出力は前記補償器の出力に加えられる構成である特許請
求の範囲第１項記載の磁気軸受の制御装置。
【請求項３】前記ローパスフィルタと前記ハイパスフィ
ルタのそれぞれの伝達関数の分母多項式の各係数が同一
に設定された特許請求の範囲第１項記載の磁気軸受の制
御装置。
【請求項４】前記ローパスフィルタと前記第１の出力端
子の間に前記ローパスフィルタの出力を補正する補正フ
ィルタを有するとともに、前記ハイパスフィルタは出力
を増減する利得調整器を有し、前記ローパスフィルタと
前記ハイパスフィルタのそれぞれの出力の差分を得るた
めの差分増幅器と、前記利得調整器のそれぞれの利得を
調整することにより所定の目標値応答特性を得る構成で
ある特許請求の範囲第１項記載の磁気軸受の制御装置。