JPS63190929A - 磁気軸受制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、ターボ分子ポンプや、コンプレッサ。

タービン、工作機械用スピンドル等の高速回転体用の磁
気軸受、さらにはテンター等の走行物浮上用の磁気軸受
等に適用される磁気軸受制御装置に関する。

〔従来の技術〕

回転体や走行物を浮上保持する手段として電磁石を用い
た磁気軸受がある。この磁気軸受は従来の流体潤滑軸受
よりもロスが小さく、軸受のドライ化、雰囲気のクリー
ン化がはかれ、特に真空状態では有用な軸受である。

この磁気軸受において、回転体や走行物の浮上位置を設
定する手段として、浮上物の浮上位置を計測し、その計
測信号に基いて電磁石に流す電流値を決め、電磁石から
発生する磁力の大きさを定める手段がある。

第５図はその手段の制御系の構成を示すブロック線図で
ある。第５図において、位置センサ１は浮上物の位置（
変位）を測るためのセンサであり、渦電流変位計などが
その一例である。位置フィードバックゲイン２は、位置
センサ１で得られた信号の大きさを必要な大きさに比例
倍するためのものである。制御回路３は位置フィードバ
ックゲイン２で得られた信号を、電磁石４に適切な形に
して入力するための信号処理回路からなる。この信号処
理回路としては、例えばＰＩＤ　（比例−積分−微分）
回路や位相補償回路、さらにはその組み合わせ回路など
がある。電磁石４は鉄心にコイルが巻かれたものであり
、制御回路３がら供給された電流に応じて、浮上用の磁
力を発生するものである。

制御回路３が比例要素（Ｐ要素）だけで構成された最も
簡単な位置フィードバック系を考えると、電磁石４の入
力Ｉと出力である磁力Ｆどの伝達関数は、コイル、鉄心
等の抵抗やインダクタンスにより以下の１次遅れ系にな
る。

Ｆ／Ｉ　−ＫＭ　／　（１＋７Ｍ・Ｓ）−（１）ここで
、Ｋ、は電磁石４のゲイン、ＴＭは電磁石４の時定数、
Ｓはラプラス演算子である。よって、位置フィードバッ
ク系の計測変位りがら浮上物への力Ｆに至る伝達関数は
以下の通りとなる。

Ｆ／Ｄ＝Ｋｒ　−Ｋｐ−ＫＭ ／（１＋ＴＭ−８）　　　　　　・・・（２）ここで、
ＫＦは位置フィードバックゲイン２の比例ゲイン、ＫＰ
は制御回路３の比例ゲインをそれぞれ示す。位置フィー
ドバック系の（力Ｆ）／（変位Ｄ）の周波数特性を見る
ため、ラプラス演算子５−ｊ２πｆとおき、（２）式に
代入する。

ここでｆは周波数（Ｈｚ　）で ｊ−−”了である。（カＦ）／（変位Ｄ）は複素数とな
り次のようにおく。

Ｆ／Ｄ−ＫＲ（ｆ）＋ｊ−ＫＩ　（ｆ）・・・（３） （３）式における（力Ｆ）／（変位Ｄ）の実部は周波数
ｆに依存した剛性を意味し、虚部は周波数ｆに依存した
減衰を意味する。（２）式のような１次遅れは虚部が常
に負となり、浮上物に対し減衰とは反対の不安定化力に
なる。

第６図は（力Ｆ）／（変位Ｄ）、すなわち（３）式の虚
部の値と周波数ｆとの関係を示す図である。

第６図に示す点線Ａが（２）式に対応するものであり、
上述の状態を示している。浮上物と位置フィードバック
系からなる固有振動数ｆｃがもつ減衰、特に浮上物の減
衰より、第６図に示す周波数ｆ−ｆｃの所の値が大きい
と、その固有振動数は発散的に振動し、運転できなくな
る。

そこで、位置フィードバック系の（力Ｆ）／（変位Ｄ）
に減衰効果をもたすために、制御回路３に比例要素（Ｐ
要素）と並列に微分要素（Ｄ要素）または位相補償要素
を設ける。ここでは代表して微分要素（Ｄ要素）に例を
とる。微分要素（Ｄ要素）を制御回路３に回路として実
現すると、以下の１次遅れ系が付加された形となる。

（微分要素）−ＫＤ−８／（１＋ＴＤ−８）・・・（４
） ここで、ＫＤは微分要素のゲイン、ＴＤは時定数である
。微分要素だけの位置フィードバック系の（力Ｆ）／（
変位Ｄ）は以下の式となる。

Ｆ　／　Ｄ　＝　Ｋ　ＦやＫＤ−ＫＭ拳Ｓ／（（１＋Ｔ
Ｄ−８）（１＋ＴＭ−８））・・・（５） （５）式の分子はＳの１次で分母はＳの２次になるため
、（５）式の虚部は第６図に示す一点鎖線Ｂのようにな
る。すなわち、周波数の低い領域では浮上物に対し減衰
効果をもち、高い領域では不安定化作用をもつ。浮上物
の位置を保持するためには、制御回路３には比例要素と
微分要素との併存が必要となる。このような制御回路３
の位置フィードバック系の（力Ｆ）／（変位Ｄ）はＦ　
／　Ｄ　＝　Ｋ　Ｆ ・　（ＫＰ＋ＫＤ−８／（１＋Ｔｐ−８））・ＫＭ　／
　（１＋ＴＭ　−Ｓ）　　　　・・・（６）となり、第
６図に示した実線Ｃのようになり、上述した一点鎖線Ｂ
とほぼ同じ特性をもつ。浮上物と位置フィードバック系
からなる固有摂動数ｆｃを、減衰効果を有する周波数の
低い領域に置くと、安定性が確保でき、振動を発生する
ことなく運転できる。

このような特性を有する磁気軸受を、第７図（ａ）に示
す回転体５の軸受６として使用し、回転体５を浮上させ
る場合を考えると、次のような現象を呈する。回転体５
は、第７図（ｂ）（ｃ）（ｄ）（ｅ）（ｆ）〜に示すよ
うに無限側の固有振動数を有する。回転体５自体の材料
等による減衰は、回転数以下の固有振動数に対しては不
安定化に働き、回転数以上の固有振動数に対しては減衰
作用として働く。

したがって、磁気軸受６の位置フィードバック系の（力
Ｆ）／（変位Ｄ）の減衰効果を存する周波数領域に、回
転数以下の固有振動数をもってくる必要がある。しかし
、回転体５の固有振動数は第７図（ｂ）（ｃ）（ｄ）（
ｅ）（ｆ）〜に示すように無限にあるため、必ず（力Ｆ
）／（変位Ｄ）の不安定化作用を有する周波数領域に固
有振動数がある。したがって、回転体５自体による固有
振動数が有する減衰よりも、磁気軸受６の位置フィード
バック系の不安定化作用が大きくなると不安定になり、
振動が発散的に大きくなり、回転させることができなく
なる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上述したように、従来のものでは浮上物の位置を保持す
るために、浮上物の位置を位置センサ１で計測し、その
信号をフィードバックし、電磁石４から力を発生させる
ようにしているが、この力は浮上物を振動させる不安定
化力となる。そして制御回路３においてＰＩＤ、位相補
償等の処理を行なっても、低周波数帯域は安定化（減衰
）力になるが、中高周波数帯域では依然として大きな不
安定化力を有している。しかるに回転体のような無限側
の固有振動数を有する浮上物では、不安定化力となる周
波数帯域に固有振動数が必ず存在しているため、磁気軸
受６により発散的な振動を発生することになる。

そこで本発明は、指定された周波数帯域において、磁気
軸受が発生する不安定化力を安定化力に変更し得、発散
的な振動発生を防止でき、浮上物を安定に浮上保持し得
る磁気軸受制御装置を提供することを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は上記問題点を解決し目的を達成するために、次
のような手段を講じた。すなわち、浮上物に対する位置
センサからの信号を磁気軸受へフィードバックし、ＰＩ
Ｄ　（比例、積分、微分）や位相補償等の制御を行ない
、磁気軸受を能動的に用いるようにした磁気軸受制御装
置において、前記位置センサからの信号を二つに分け、
一方の信号をそのまま第１の信号とし、他方の信号を安
定化すべき所定の周波数が通過周波数帯域であるフィル
タおよび比例回路を通過させて第２の信号とし、前記第
１の信号から第２の信号を減じた信号を磁気軸受へフィ
ードバックするようにした。

〔作用〕

このような手段を講じたことにより、次のような作用を
呈する。すなわち不安定化力となる周波数帯域部分のみ
がフィルタにより抽出され、これが比例回路により増幅
されたのち元の信号から減じられるので、フィードバッ
クされる信号のうち不安定化力となる周波数帯域部分は
、元の信号とは極性が反転（位相が１８０’異なる）さ
れたものとなる。その結果、磁気軸受が発生する力はす
べて安定化力に変更される。

〔実施例〕

第１図は本発明の一実施例における制御系の構成を示す
ブロック線図である。なお第５図と同一機能を有する部
分には同一符号を付しである。

第１図において、７は不安定化力となる周波数帯域部分
を通過させるフィルタであり、８は信号増幅を行なう比
例回路であり、９は減算回路である。

第２図はフィルタフのゲイン特性を示す図である。第２
図に示すように、フィルタ７は、安定化すべき所定の周
波数帯域すなわち周波数ｆがｆｃｍ〜ｆｃ２の帯域に通
過特性（ゲイン１）を有している。

かくして位置センサ１からの信号は二つに分離され、そ
の一方の信号はそのまま第１の信号ａとして減算回路９
の（＋）入力端へ供給され、他方の信号はフィルタフに
より不安定化力となる周波数帯域部分が抽出され、かつ
α倍のゲインを有する比例回路８により増幅されたのち
、第２の信号すとして前記減算回路９の（−）入力端へ
供給される。したがって減算回路９により第１の信号ａ
から第２の信号すが減じられる。このような減算が行な
われたのちの信号Ｃは、位置フィードバックゲイン２を
経由して制御回路３に入力する。

磁気軸受の（力Ｆ）／（変位Ｄ）が（３）式で表される
ものとすると、第１の信号ａの経路では周波数ｆの全帯
域で Ｆ／Ｄ−ＫＲ（ｆ）　十ｊ−に１　（ｆ）・・・（７） となる。また第２の信号すの経路ではフィルタ７と比例
回路８を通過しているため、ｆｃｍ〜ｆｃ２の帯域にお
いては、 Ｆ／Ｄ−αΦＫＲ（ｆ）＋ｊα・Ｋｒ　　（ｆ）・・・
（８−１） となり、ｆｃ１〜ｆｃ２以外の帯域においては、Ｆ／Ｄ
−０（８−２） となる。そして最終的には第１の信号ａから第２の信号
すが減じられるので、信号Ｃの経路では、ｆｃｍ〜ｆｃ
２の帯域においては、 Ｆ／Ｄ−（１−α）争ＫＲ（ｊ） ＋ｊ　（１−α）・ＫＩ　　（ｆ） ・・・（９−１） となり、ｆｃ１〜ｆｃ２以外の帯域においては、Ｆ／Ｄ
−ＫＲ（ｆ）＋ｊ　−Ｋｒ　　（ｆ）・・・（９−２） となる。上記（９−１）式の値は、比例回路８のゲイン
αが「１」以上であれば、符号の極性が反転することに
なる。

第３図（ａ）（ｂ）（ｃ）は、比例回路８のゲインαを
「２」としたときの、各経路におけるｆｃ１〜ｆｃ２の
帯域の信号波形を示す図である。

同図（ａ）は第１の信号ａの波形であり、同図（ｂ）は
第２の信号すの波形であり、同図（ｃ）は減算後の信号
Ｃの波形である。同図（ｃ）に示すように、上記信号Ｃ
は極性が反転している。

かくして磁気軸受の減衰特性は第４図の実線りで示すよ
うになり、ｆｃ工〜ｆｃ２の周波数帯域における点線Ｅ
の部分が安定化力に変更されたものとなる。したがって
上記周波数帯域にある固有振動数は安定化される。なお
上記安定化に寄与する減衰量は、比例回路８のゲインα
の値を適宜調節することにより、不安定化力に対応した
適切な値に設定可能である。したがって上記安定化は確
実に行なわれ、発散的な振動の発生が防止される。

なお本発明は前記各実施例に限定されるものではない。

例えば前記実施例では、フィルタ７、比例回路８．減算
器９からなる回路を、位置センサ１と位置フィードバッ
クゲイン２との間に設けた場合を例示したが、磁気軸受
制御系内の他の部分に設けるようにしてもよい。また前
記実施例では、周波数ｆｃｍ〜ｆｃ２までの一つの周波
数帯域についてのみ安定化をはかる場合を例示したが、
浮上物および磁気軸受の特性等に応じて複数個の周波数
帯域あるいは所定周波数たとえばｆｃ１以上の全帯域に
ついて安定化をはかるようにしてもよい。このほか本発
明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形実施可能であるの
は勿論である。

〔発明の効果〕

本発明によれば、位置センサからの信号を部分し、一方
の信号をそのまま第１の信号とし、他方の信号を安定化
すべき周波数帯域が通過域であるフィルタおよび比例回
路を通過させて第２の信号とし、前記第１の信号から第
２の信号を減算した信号を磁気軸受へフィードバックす
るようにしたので、指定された周波数帯域において、不
安定化力を安定化力（減衰力）に変更し得、発散的な振
動発生を防止でき、浮上物を安定に浮上保持させ得る磁
気軸受制御装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第４図は本発明の一実施例を示す図で、第１図
は制御系の構成を示すブロック線図、第２図はフィルタ
のゲイン−周波数特性を示す図、第３図（ａ）（ｂ）（
ｃ）は各経路における所定周波数帯域の信号波形を示す
図、第４図は磁気軸受の減衰特性を示す図である。第５
図〜第７図（ａ）・・・Ｃｆ＞〜は従来例を示す図で、
第５図は制御系の構成を示すブロック線図、第６図は磁
気軸受の減衰特性を示す図、第７図（ａ）・・・（ｆ）
〜は回転体とその固有振動数とを示す図である。 １・・・位置センサ、２・・・位置フィードバックゲイ
ン、３・・・制御回路、４・・・電磁石、５・・・回転
体、６・・・磁気軸受、７・・・フィルタ、８・・・比
例回路、９・・・減算回路。 出願人代理人　弁理士　鈴江武彦 第２図 ＝１ 第４図 第５図 第６図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 浮上物に対する位置センサからの信号を磁気軸受へフィ
   ードバックし、ＰＩＤ（比例、積分、微分）や位相補償
   等の制御を行ない、磁気軸受を能動的に用いるようにし
   た磁気軸受制御装置において、前記位置センサからの信
   号を二つに分け、一方の信号をそのまま第１の信号とし
   、他方の信号を安定化すべき所定の周波数が通過周波数
   帯域であるフィルタおよび比例回路を通過させて第２の
   信号とし、前記第１の信号から第２の信号を減じた信号
   を磁気軸受へフィードバックするようにしたことを特徴
   とする磁気軸受制御装置。