JPH11139533A - 自励共振型振動装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 電磁石の吸引力とバネの復元力による振動を
利用した、粉体を搬送する電磁フィーダにおいて、固有
振動特性に対応する共振現象を正確に応用し、電磁石の
小型化、急速加振、急速停止、高精度の搬送量制御など
を可能にする、ローコストで高性能の電磁フィーダ装置
を提供する。 【解決手段】 電磁石１の吸引力とバネ３の復元力とを
利用した振動機械装置において、被振動体２の加速度を
検出して加速度指令に負帰還する加速度センサ４と、加
速度指令と加速度センサ４によって検出された加速度と
の偏差をＰＩ演算及び平方根演算して電流指令振幅を得
る演算手段７，８と、加速度センサ４によって検出され
た加速度を積分して得られた振動速度の位相と演算手段
７，８で得られた電流指令振幅との積に基づいて前記電
磁石に電流を供給する電流制御パワーアンプ１３とを備
えることにより、前記電磁石の振動の加速度を制御する
自励共振型振動装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電磁石の吸引力と
バネの復元力による振動を利用した、粉粒体を搬送する
自励共振型振動装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】電磁フィーダを駆動する自励共振型振動
装置として、特公平５−７４４３５号公報に開示された
ものがある。その制御系の構成を図１０及び図１１のブ
ロック図に示す。

【０００３】図１０において、目標振幅が指令として与
えられると、減算器３７で検出振幅との偏差が演算さ
れ、制御増幅器３１で増幅され、可変増幅度の電力増幅
器３２で電力増幅され、電磁石３３に電力が供給され
る。電磁石の振幅は振幅検出器３４で検出され、移相器
３５で９０度の進み位相が可変増幅度の電力増幅器３２
に与えられ、電磁石３３に固有振動数の加振力を与え
る。振幅検出器３４の出力は絶対値演算回路３６に与え
られ、減算器３７により、目標振幅に負帰還される。

【０００４】一方、図１１においては、目標値は速度と
して与えられ、振幅検出器３４で検出された電磁石３３
の振動の振動数がｆ／Ｖ変換器３８により電圧に変換さ
れ、絶対値演算回路３６で演算された振動の絶対値と乗
算器３９で乗算されて目標速度に負帰還される。その他
の構成及び動作は図１０の場合と同じである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図１０
及び図１１に示した従来の自励共振型振動装置は、可変
増幅度の電力増幅器３２の出力交流の振幅は偏差が大き
くなると小さくなるように、逆に変さが小さくなると大
きくなるように制御されるという定性的な関係を規定す
るのみで、動作の理論的必然性が不明確であり、応答速
度も不充分である。

【０００６】本発明が解決しようとする課題は、電磁石
の吸引力とバネの復元力による振動を利用した、粉体を
搬送する電磁フィーダにおいて、固有振動特性に対応す
る共振現象を正確に応用し、電磁石の小型化、急速加
振、急速停止、高精度の搬送量制御などを可能にする、
ローコストで高性能の電磁フィーダ装置を提供すること
にある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するた
め、本発明の第１の手段は、電磁石の吸引力とバネの復
元力とを利用した振動機械装置において、被振動体の加
速度を検出して加速度指令に負帰還する加速度センサ
と、前記加速度指令と前記加速度センサによって検出さ
れた加速度との偏差をＰＩ演算及び平方根演算して電流
指令振幅を得る演算手段と、前記加速度センサによって
検出された加速度を積分して得られた振動速度の位相と
前記演算手段で得られた電流指令振幅との積に基づいて
前記電磁石に電流を供給する電流制御パワーアンプとを
備えることにより、前記電磁石の振動の加速度を制御す
ることを特徴とする。

【０００８】また、本発明の第２の手段は、電磁石の吸
引力とバネの復元力とを利用した振動機械装置におい
て、被振動体の加速度を検出し、加速度の積分値である
検出速度を速度指令に負帰還する加速度センサと、前記
速度指令と前記検出速度との偏差をＰＩＤ演算及び平方
根演算して電流指令振幅を得る演算手段と、前記検出加
速度を積分して得られた振動速度の位相と前記演算手段
で得られた電流指令振幅との積に基づいて前記電磁石に
電流を供給する電流制御パワーアンプとを備えることに
より、粉粒体の輸送量を制御すること特徴とする。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を、図
面に示す実施例に基づいて説明する。図１に本発明の第
１の手段の実施例の構成を示す。図中１は電磁石、２は
振動体、３はバネ、４は加速度センサ、５は絶対値演算
回路、６は減算器、７はＰＩ演算器、８は平方根演算
器、９は比較器、１０は検出加速度に対して９０°（π
／４）遅れの位相を発生させる積分器、１１は定振幅正
弦波整形回路、１２は乗算器、１３は電流制御パワーア
ンプである。

【００１０】本実施例では、振動体２の加速度の絶対値
を加速度指令に負帰還し、その誤差をＰＩ演算し平方根
を求めた値と、加速度の積分による、定振幅速度位相の
値との積を求め、この値に比例する力を得るため、電磁
石１に電流制御パワーアンプ１３を用いて通電する。

【００１１】この実施例における機械系の固有振動制御
の手段について説明する。電磁石１の吸引力をＦ
（Ｎ）、振動体２の質量をＭ（ｋｇ）、バネ３のバネ定
数をＫ（Ｎ／ｍ）、振動のダンピング係数をＤ（Ｎ／ｍ
／ｓ）、変位をｘ（ｍ）とすると、吸引力Ｆは一般式と
して、次式で表される。

【００１２】 Ｆ＝Ｍ（ｄ²ｘ／ｄｔ²）＋Ｄ（ｄｘ／ｄｔ）＋Ｋｘ・・・・・（１） これを変形して、次式を得る。 Ｆ−Ｄ（ｄｘ／ｄｔ）＝Ｍ（ｄ²ｘ／ｄｔ²）＋Ｋｘ・・・・・（２） この（２）式の右辺は、持続する定振幅の固有振動であ
る。

【００１３】したがって、左辺がＦ−Ｄ（ｄｘ／ｄｔ）
＝０となるようにＦを制御すれば良い。即ち、電磁石の
吸引力Ｆを、速度ベクトルの位相で、振動減衰力を消去
する量だけ制御すれば、機械系の固有振動に共振した定
振幅制御が実現できる。

【００１４】機械振動の減衰は、ダンピング定数Ｄによ
るため、Ｄと等価で逆極性に、速度位相とＰＩ演算の値
との積を与えると、減衰を打ち消して、振動振幅不変の
固有振動数がえられる。したがって、負荷の質量Ｍ、ダ
ンピング定数Ｄの変化に応じて、固有振動数と、電磁石
電流が変化する。

【００１５】（２）式の右辺＝０から、固有振動数ｆ＝
（１／２π）（Ｋ／Ｍ）^1/2（ＨＺ）が得られ、さら
に、（２）式の左辺＝０から電磁石電流Ｉ＝（ＧＤ／Ｋ
_F）（Ｍ／Ｋ）^1/2（Ａ）となる。

【００１６】但し、Ｇ：加速度（ｍ／ｓ²）、Ｄ：ダン
パ定数（Ｎ／ｍ／ｓ）、Ｋ_F：電磁石の力係数（Ｎ／
Ａ）である。

【００１７】なお、電磁石吸引力Ｆは、電流Ｉと距離ｘ
との関係において、Ｆ≒（μ₀ＡＮ²／２）（Ｉ／ｘ）²
なる非線形である。但し、μ₀：真空透磁率（Ｈ／
ｍ）、Ａ：磁極断面積（ｍ²）、Ｎ：コイル巻回数であ
る。

【００１８】したがって、制御の安定化のために、ＰＩ
出力の平方根演算を行って、線形化制御を行う。このた
めに、平方根演算値と、振動速度ベクトルの位相との積
で電磁石吸引力を制御する。

【００１９】速度位相の演算手段について説明すると、
加速度センサ４の検出電圧を比較器（ＣＯＭ）９で方形
波電圧に変換し、これを積分器１０で９０°位相遅れの
三角波に変換後、定振幅正弦波整形回路（関数発生器）
１１でピーク電圧１０ｖ一定の正弦波形に整形して、速
度位相を演算する。

【００２０】次に、本発明の第２の手段の構成を図２に
示す。前記図１との相異点は、ＰＩ演算器７をＰＩＤ演
算器１５に変更し、また、加速度センサ４で検出された
加速度を積分器１４で積分して速度に変換した値を絶対
値演算回路５で絶対値演算し、速度指令との偏差を減算
器６で得てＰＩＤ演算器１５に出力することの２点であ
る。これにより、粉粒体の輸送量を制御することができ
る。

【００２１】

【実施例】本発明の第１の手段の一実施例を図３乃至図
９を参照して説明する。本実施例では、加速度指令を可
変抵抗器２１で与える。高速・低速（約１：１０）の切
替のため、抵抗分圧回路２２と切替スイッチ２３を設
け、急発振、急制動を行う。Ｐ（比例）ゲイン調整を可
変抵抗器２４で調整する。起動・停止スイッチ２５で、
振動の発振起動と惰走停止を行う。平方根演算器８は図
４（ａ）に示すような関数発生器で構成し、図４（ｂ）
に示すような折線近似によりＰＩ演算器の出力の平方根
を演算する。

【００２２】振動体２の加速度は加速度センサ４で検出
し、増幅及びハイパスフィルタ２６により１Ｈｚ以上の
高域を通過させ、かつ増幅する。

【００２３】比較器９では、増幅及びハイパスフィルタ
２６の出力を±定振幅の方形波にする。比較器９の出力
を積分器１０で９０°遅れの三角波にし、振動速度の位
相にする。積分器１０の出力を図５に示す定振幅正弦波
整形用関数発生器１１で、ピーク電圧１０ｖ一定の正弦
波に整形する。

【００２４】増幅及びハイパスフィルタ２６の出力を図
６に示す全波整流又はサンプルホールド回路２７で全波
整流する。

【００２５】乗算器１２では、平方根演算器８の出力電
圧と関数発生器１１の出力電圧の乗算を行う。乗算器１
２は例えばＡＤ５３４などを使用する。

【００２６】図７に、電流制御パワーアンプ（ＰＷＭ方
式）の概要を示す。電流指令に対し、電流検出を負帰還
し、その誤差を制御増幅器２８で増幅し、その出力と１
０ｋＨｚ三角波と比較して得られるＰＷＭパルスをトラ
ンジスタＴＲ１，ＴＲ２に与えてＯＮ・ＯＦＦさせ、指
令に比例した電流を電磁石１に与える。

【００２７】図８は、本実施例で運転した、低速から高
速への切替時、及び高速から低速への切替時の加速度
（ａ）、制御器出力（ｂ）、電流（ｃ）、電圧（ｄ）を
示すオシログラフの波形図である。この図から分かるよ
うに、振動の加速度が約０．２秒で加速度指令に対して
応答しており、高性能の制御が実現できた。

【００２８】次に、搬送量制御の実施例について説明す
る。この実施例では、前記の図３に次の２点を追加する
だけで良い。 図９に示す微分制御回路２９の追加 積分器１４（図２参照）を追加して、加速度を速度の
振幅に変更し、前記図３の増幅及びハイパスフィルタ２
６の出力を積分して前記全波整流又はサンプルホールド
回路２７に入力する。この方式も実験結果は、良好であ
った。

【００２９】なお、デイジタル制御においては、前述の
アナログ方式をデイジタル化すると、（ａ）全波整流演
算をサンプルホールドに変更して、さらに高速応答が可
能なる。 （ｂ）積分のドリフト誤算が無く、高精度になる。 （ｃ）関数発生器演算も高精度になる。 （ｄ）高価な乗算器の動作をローコストに行い得る。 など、メリットが多い。

【００３０】

【発明の効果】上述したように、本発明によれば、電磁
石の吸引力とバネの復元力による振動の固有振動特性に
対応する共振現象を正確に応用することにより、電磁石
の小型化、急速加振、急速停止、高精度の搬送量制御な
どを可能にする、ローコストで高性能の電磁フィーダ装
置を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の加速度制御方式を示すブロック図で
ある。

【図２】 本発明の搬送量制御方式を示すブロック図で
ある。

【図３】 本発明の加速度制御の実施例を示す回路図で
ある。

【図４】 本発明の関数発生器の回路構成例とその特性
を示す図である。

【図５】 本発明の関数発生器の他の例を示す回路図で
ある。

【図６】 本発明の全波整流回路の例を示す回路図であ
る。

【図７】 本発明の電流制御ＰＷＭインバータの例を示
す回路図である。

【図８】 本発明における加速度指令に対する応答の波
形図である。

【図９】 本発明の搬送量制御の実施例における微分制
御回路部を示す回路図である。

【図１０】 従来の自励共振型振動装置における振動の
振幅制御方式を示すブロック図である。

【図１１】 従来の自励共振型振動装置における搬送速
度制御方式を示すブロック図である。

【符号の説明】

１ 電磁石、２ 振動体、３ バネ、４ 加速度セン
サ、５ 絶対値演算回路、６ 減算器、７ ＰＩ演算
器、８ 平方根演算器、９ 比較器、１０ 積分器、１
１ 定振幅正弦波整形回路、１２ 乗算器、１３ 電流
制御パワーアンプ、１４ 積分器、１５ ＰＩＤ演算
器、２１ 可変抵抗器、２２ 高速低速分圧回路、２３
高速低速切替スイッチ、２４ ゲイン調整器、２５
起動・停止スイッチ、２６ 増幅及びハイパスフィル
タ、２７ 全波整流又はサンプルホールド回路、２８
制御増幅器、２９ 微分制御回路

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電磁石の吸引力とバネの復元力とを利用
   した振動機械装置において、 被振動体の加速度を検出して加速度指令に負帰還する加
   速度センサと、 前記加速度指令と前記加速度センサによって検出された
   加速度との偏差をＰＩ演算及び平方根演算して電流指令
   振幅を得る演算手段と、 前記加速度センサによって検出された加速度を積分して
   得られた振動速度の位相と前記演算手段で得られた電流
   指令振幅との積に基づいて前記電磁石に電流を供給する
   電流制御パワーアンプとを備えることにより、前記電磁
   石の振動の加速度を制御することを特徴とする自励共振
   型振動装置。
2. 【請求項２】 電磁石の吸引力とバネの復元力とを利用
   した振動機械装置において、 被振動体の加速度を検出し、加速度の積分値である検出
   速度を速度指令に負帰還する加速度センサと、 前記速度指令と前記検出速度との偏差をＰＩＤ演算及び
   平方根演算して電流指令振幅を得る演算手段と、 前記検出加速度を積分して得られた振動速度の位相と前
   記演算手段で得られた電流指令振幅との積に基づいて前
   記電磁石に電流を供給する電流制御パワーアンプとを備
   えることにより、粉粒体の輸送量を制御すること特徴と
   する自励共振型振動装置。