JPS6120201B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は強磁性体と直流電磁石との間隙長を
一定に、且つ安定に制御することのできる簡易な
構成の磁気浮上制御装置に関する。

第１図は磁気浮上列車等に用いられている従来
の磁気浮上制御装置を示す概略構成図である。第
１図において１は１ａに励磁コイル１ｂを巻装し
た直流電磁石であり、この直流電磁石１はレール
等の強磁性体２に対向配置されている。上記直流
電磁石１は、電力増幅器３から励磁電流を供給さ
れて前記強磁性体２に対して吸引力を発生し、そ
の自重と吊り合つて強磁性体２と所定の間隙を隔
てて平衡している。また、上記間隙の長さｘは変
位計４にて検出され、間隙長設定器５にて予め定
められた値と比較判定されている。さらに、上記
比較判定された信号は直列補償回路６にて直列補
償されている。前記電力増幅器３は上記直列補償
された制御情報に基づいて前記直流電磁石１の励
磁力、つまり吸引力をフイードバツク制御するも
ので、前記の間隙の長さｘを一定に保つようにし
ている。

ところが、このようなフイードバツク制御だけ
では関隙長ｘの変化に対する追従応答性が悪い
為、加速度計７を用いて前記直流電磁石１の位置
変化の加速度情報を検出している。そして、この
加速度情報によつて前記制御情報を２次微分補償
すると共に、上記加速度情報を積分回路８にて積
分して得た速度情報によつて１次微分補償するよ
うにしている。このようにして前記間隙長ｘの安
定した制御を行うようにしていた。

しかし、このような従来装置は高価で複雑な機
構の加速度計を要するため、装置全体が大掛りで
高価なものになるという欠点があつた。

また、加速度計７は浮上部分に設置しなければ
ならないので、例えば、第１図の強磁性体２が浮
上し、移動する構成になつている装置において
は、加速度計７はその強磁性体２の側に取付ける
必要がある。その場合、加速度計７からの電気信
号を固定された電磁石１の制御回路に伝送するこ
とが非常に困難であるという欠点があつた。この
為、近年開発が進んでいる浮上式のターンテーブ
ル装置等に用いることができなかつた。また、加
速度計７の代りに速度計を用いたものであつても
同様な問題を有していた。

本発明はこのような事情を考慮してなされたも
ので、その目的とするところは、加速度計等の高
価で大掛りな装置を用いることなく簡易な構成で
廉価に製作することができ、浮上式ターンテーブ
ル装置等の制御を容易に、且つ安定に行い得る磁
気浮上制御装置を提供することにある。

以下、この発明の一実施例を図面を参照して説
明する。第２図は同実施例を示す概略構成図であ
る。第２図において、直流電磁石１、強磁性体
２、及び間鎖長設定器５は先に説明した第１図と
同様のものであり、ここではその詳しい説明は省
略する。第２図において４はコルピツツ発振回路
及び負極性出力回路から構成された変位計であ
る。この変位計４は、強磁性体２に対向して直流
電磁石１に取り付けられたもので、上記直流電磁
石１と強磁性体２との間隙の長さｘに比例した負
極性の電圧を発生している。この変位計４の出力
信号は、抵抗１１とコンデンサ１２との直列回路
及び抵抗１３を並列的に介して演算増幅器１４に
供給されている。また、この演算増幅器１４には
抵抗１５を介して間隙長設定器５の出力信号が供
給されている。一方、上記演算増幅器１４の出力
信号は、コレクタを電源（＋Vcc）に接続したト
ランジスタ２５のベースに供給されている。この
トランジスタ２５は、エミツタを前記励磁コイル
１ｂ及び抵抗１６を直列に介して接地したもの
で、上記入力した信号を電力増幅して直流電磁石
１を励磁している。また、前記トランジスタ２５
の出力信号の一部は抵抗１７を介して前記演算増
幅器１４の入力端にフイードバツクされている。
さらに、前記演算増幅器１４の入力端から出力端
にはダイオード１８が順方向に接続されている。
このダイオード１８は前記トランジスタ２５のベ
ースへの負電圧の印加を阻止するものである。ま
た、前記トランジスタ２５のベースに高周波ノイ
ズが加わらないように、トランジスタ２５のベー
ス・エミツタ間にはコンデンサ１９が挿入されて
いる。一方、前記抵抗１６には通電電流による電
圧降下分が生じている。この電圧降下分は、抵抗
２０とコンデンサ２１とを直列に介して前記演算
増幅器１４に供給される。また、前記変位計４の
出力信号は可変抵抗器２２にて分圧されて、この
分圧された信号が抵抗２３を介して、前記抵抗２
０とコンデンサ２１の接続点に供給されている。

ところで、前記変位計４は次のように構成され
たものである。NPN型のトランジスタ４１のコ
レクタは、コンデンサ４２，４３からなる直列回
路に検出コイル４４を並列に接続した同調回路を
介して接地されている。上記検出コイル４４は、
前記強磁性体２に対向配置して前記直流電磁石１
に取り付けられたものであり、強磁性体２との距
離に応じてそのＱが変化するようになつている。
また、前記トランジスタ４１のベースは抵抗４５
を介して接地されると共に、低抗４６を介して電
源（−Vcc）に接続されている。さらに、前記ト
ランジスタ４１のエミツタは抵抗４７を介して電
源（−Vcc）に接続されると共に、前記コンデン
サ４２，４３の接続点に接続されている。このよ
うにして構成されたコルピツツ発振回路は前記コ
ンデンサ４２，４３の各容量及び前記検出コイル
４４のインダクタンスで定まる周波数の正弦波を
発振出力している。また、上記正弦波の振幅は前
記検出コイル４４のＱの変化によつて変化してい
る。即ち、前記直流電磁石１と強磁性体２との間
隙長ｘに応じて出力信号の振幅レベルが変化して
いる。このような正弦波が抵抗４８を介してダイ
オード４９に供給され、上記正弦波の負極性の電
圧が検出されている。この負極性の電圧は、抵抗
５０とコンデンサ５１の並列接続からなる平滑回
路にて平滑され、負極性の直流電圧となる。この
直流電圧のレベルは、前記正弦波の振幅に比例す
るものである。従つて、前記間隙長ｘの大きさは
上記直流電圧のレベルから検出されることにな
る。この直流電圧か変位計４の出力信号として出
力されている。

このように構成された本装置では、演算増幅器
１４は、抵抗１３を介して入力した変位計４の出
力信号と抵抗１５を介して入力した間隙長設定器
５の出力信号とを比較判定すると共に直列補償し
ている。この直列補償のゲインK₁は前記抵抗１
３，１５，１７の各抵抗値をそれぞれR₁，R₂，
R₃（R₁＝R₂）とするとK₁＝R₃／R₁で示される。
また、前記演算増幅器１４は抵抗１１及びコンデ
ンサ１２を直列に介して入力する前記変位計４の
出力信号を１次微分している。この１次微分に係
る伝達関数Ｇ_vは、前記抵抗１１の抵抗値をR₄、
前記コンデンサ１２の容量を_１とすると Ｇ_v＝Ｃ_１・Ｒ_３・Ｓ／１＋Ｃ_１・Ｒ_４・Ｓ（但し、
Ｓはラプラス演算 子）で示される。また、直流電磁石１の励磁電流
は抵抗２０及びコンデンサ２１を直列に介して前
記演算増幅器１４の入力端にフイードバツクされ
ている。このフイードバツクによるゲインＫ_i
は、前記抵抗１６，２０の各抵抗値をそれぞれ
R₅，R₆とすると、 Ｋ_i＝R₅・Ｒ_３／Ｒ_６ で示される。なお、前記コンデンサ２１は直流
分をカツトするもので、その容量C₂は十分大き
なものである。このコンデンサ２１による直流カ
ツトの伝達関数はＧ_iは、 Ｇ_i＝Ｃ_２・Ｒ_６・Ｓ／１＋Ｃ_２・Ｒ_６・Ｓ で示される。さらに、前記可変抵抗器２２及び抵
抗２３は前記変位計４の出力信号を前記フイード
バツクされた信号に付加するもので、可変抵抗器
２２の分圧比をｋ、抵抗値をR₇とすると、その
ゲインはＫ_Hは Ｋ_H＝ｋ・Ｒ_３／Ｒ_７ で示される。

ところで、直流電磁石１本体の制御系は次のよ
うに示される。即ち、直流電磁石１の運動方程式
は Ｍｄ^２ｘ／ｄｔ^２＝Ｍ・ｇ−Ｆ（ｘ，ｉ） ……(1) Ｆ（ｘ，ｉ）＝β（ｉ／ｘ）^２ ……(2) となる。但し、Ｍ：浮上部全体の重量、ｇ：重
力速度、Ｆ：直流電磁石１の吸引力、β：比例定
数、ｉ：励磁電流である。

また、直流電磁石１における電圧方程式は次の
ように示される。

ｅ＝Ｒ・ｉ＋ｄ／ｄｘ｛Ｌ（ｘ），ｉ｝ ＝Ｒ・ｉ＋Ｌ_pｄｉ／ｄｔ−Ｉ_ｐ／Ｘ_ｐ（Ｌ_p−Ｌ
_a）ｄｘ／ｄｔ…… (3) 但し、ｅ：供給電圧、Ｒ：励磁コイル１ｂの低
抗値に抵抗１６の抵抗値R₅を加えたもの、Ｌ
（ｘ）：励磁コイル１ｂの自己インダクタンス、
Ｌ_p：定常状態における励磁コイル１ｂの自己イ
ンダクタンス、Ｌ_a：励磁コイル１ｂのもれイン
ダクタンス、Ｘ_p：間隙長ｘの定常分、Ｉ_p：励磁
電流ｉの定常分である。

さらに、微小変化分について考えてみると、
(1)，(2)，(3)式から Ｍ・ｄ^２／ｄｔ^２・Δｘ＝−ΔＦ（ｘ，ｉ） ……(4) ΔＦ（ｘ，ｉ）＝｜∂Ｆ／∂ｘ｜_p・Δｘ＋｜∂Ｆ／
∂ｉ｜_p・Δ ｉ ＝−２Ｆｏ／Ｘｏ・Δｘ＋２Ｆｏ／Ｉｏ・Δｉ…
…(5) Δｅ＝Ｒ・Δｉ＋Ｌ_p・ｄ／ｄｔ・Δｘ −Ｉ_ｐ／Ｘ_ｐ（Ｌ_p−Ｌ_a）ｄ／ｄｔ・Δｘ……(6
) となる。従つて、この実施例装置の制御系は第３
図のように示される。なお、第３図において、破
線Ａで囲まれた部分は直流電磁石１本体の制御系
を示すものである。また、Ｋ_pは前記変位計４の
比例定数、K₂は前記トランジスタ２５の電力増
幅ゲイン（K₂＝１）である。

次に、この実施例装置の作用について説明す
る。変位計４の出力信号Δｅ_xを前記伝達関数Gv
を介して得られる信号Δｅ_vは、上記出力信号Δ
ｅ_xより約90゜位相が進んでいるもので、速度に
相当する信号となつている。従つて前記信号Δｅ
_vを前記直列補償された信号に重畳することによ
つて、１次微分補償が為されることになる。ま
た、第３図に示したブロツク線図から、励磁電流
ｉの微小変化分Δｉと間隙長ｘの微小変化分Δｘ
との関係は次式で示される。

Δｉ＝−（Ｉ_p・Ｍ・S²／2F_p）・Δｘ ＋（Ｉ_p／Ｘ_p）・Δｘ ……(7) 一方、加速度Δαと上記微小変化分Δｘとの関
係は次式で示される。

Δα＝S²・Δｘ ……(8) (7)，(8)式から Δα＝−２Ｆ_ｐ／Ｉ_ｐ・Ｍ｛Δｉ−（Ｉ_ｐ／Ｘ_ｐ）・
Δｘ｝……(9) となる。従つて、従来の加速度計７のゲインを
Kaとすると、前記ゲインＫ_i，Ｋ_Hを次のように設
定する。

Ki＝２Ｆ_ｐ／Ｉ_ｐ・Ｍ・Ka Ｋ_H＝１／Ｋｐ・２Ｆ_ｐ／Ｘ_ｐ・Ｍ・Ka＝１／Ｋｐ（
Ｉ_ｐ／Ｘ_ｐ）Ｋ_i このようにゲインＫ_i，Ｋ_Hを設定することによ
つて、前記フイードバツク信号を従来の加速度計
７の出力信号に一致させることができる。従つ
て、前記電流フイードバツクすることによつて２
次微分補償が為されることになる。上述した各補
償を施された制御信号に応じて直流電磁石１の励
磁力は制御されるから、前記間隙長ｘを一定に、
且つ安定に保持することが可能となる。

なお、上述した制御系における各定数を、例え
ば次のように設定すると、この制御系のボード線
図は第４図に示すようになる。

Kp＝6000〔ｖ／ｍ〕、K₁＝10、K₂＝１、Ｌ_p＝
0.335〔Ｈ〕、Ｒ＝28.3〔Ω〕、Ｉ_p＝0.197〔Ａ〕、
Ｘ_p＝0.5×10^-3〔ｍ〕、Ｍ＝1.33〔Kg〕、Ｆ_p＝13.1
〔Ｎ〕、Ｋ_L＝88〔Ｖ・sec／ｍ〕、Ki＝1000〔Ｖ／
Ａ〕、Ｋ_H＝６、Ｔ_i＝0.1〔sec〕、Kv＝0.2〔Ｖ・
sec／ｍ〕Ｔ_v＝６×10^-4〔sec〕。

第４図に示すボード線図から明らかなように、
位相余有θ〓はθ〓＝75゜であり、ゲイン余有Ｇ
〓はＧ〓＝10dBである。また、位相交点におけ
るゲイン〔dB〕は負であるから、この実施例装
置による制御が安定であることが判る。

このように本装置では、変位計４の出力信号と
間隙長設定器５の出力信号とを比較判定し、この
比較判定された信号に変位計４の出力信号を微分
してフイードバツクすることによつて１次微分補
償を行い、さらに直流電磁石１の励磁電流をフイ
ードバツクすることによつて２次微分補償（加速
度補償）を行つている。この為、前記間隙長ｘを
一定に、且つ安定に制御することができる。さら
に、高価な加速度計等を用いることなく、前述し
た簡易な構成で廉価に製作することができるとい
う利点がある。

なお、この発明は上述した実施例に限定される
ものではない。例えば、変位計４は直流電磁石１
と強磁性体２との間隙の長さｘに比例して負極性
の電圧を発生するものなら使用できる。また、前
記直列補償には増幅器を用いて比例補償をするよ
うにしたが、増幅器と積分器を用いて積分補償
（定常偏差を零にする補償）を行うようにするこ
とも可能である。さらに、前記可変抵抗器２２及
び抵抗２３は、前記電流フイードバツク補償を改
良するもので、前記電流フイードバツク補償だけ
で２次微分補償に十分近似した補償ができ得るな
ら除去することもできる。また、前記各回路の伝
達特性は装置の仕様に応じて適宜定めれば良いこ
とは勿論である。要するにこの発明は、その要旨
を逸脱しない範囲において、種々変形して実施す
ることができる。

以上説明したようにこの発明によれば、従来必
要とした加速度計等を用いることなく、簡易な構
成で廉価に製作することができ、特に浮上式ター
ンテーブル装置等の制御に適した磁気浮上制御装
置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の磁気浮上制御装置を示す概略構
成図、第２図はこの発明の一実施例を示す概略構
成図、第３図は同実施例の動作を説明するための
ブロツク線図、第４図は同実施例の作用を説明す
るためのボード線図である。 １……直流電磁石、２……強磁性体、３……電
力増幅器、４……変位計、５……間隙長設定器、
６……直列補償回路、７……加速度計、８……積
分回路、１１，１３，１５，１６，１７，２０，
２３……抵抗、１２，１９，２１……コンデン
サ、１４……演算増幅器、２５……トランジス
タ、１８……ダイオード、２２……可変抵抗器。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 強磁性体に対向配置された電磁石と、上記強
   磁性体と電磁石との間隙長を検出する変位計と、
   この変位計の出力信号を微分して１次微分補償要
   素を求める微分回路と、前記電磁石の励磁電流の
   変化分から２次微分補償要素に近似した信号を得
   る電流フイードバツク回路と前記変位計で得られ
   た間隙長と予め定められた設定間隙長とを比較判
   定する手段と、この比較判定結果に前記微分回路
   の出力信号と前記フイードバツク回路の出力信号
   とを加えた制御値に応じて前記磁石の励磁電流を
   制御する電磁石駆動回路とを具備したことを特徴
   とする磁気浮上制御装置。