JP2013148140A - 磁気軸受制御装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】磁気軸受制御装置は、電流制御信号S01に基づく電磁石電流Imを対応する電磁石に供給する制御回路61a,61bを備え、制御回路61a,61bは、電磁石電流Imの検出し、その検出信号からセンシング信号S2の周波数より高い周波数周波数成分を除去した信号をフィードバックする電流フィードバック系を備えている。そのため、シャフト4の位置変動によるセンシング信号の変化が増幅器611により増幅されてPWMアンプ613に入力され、より大きな位置信号を位置フィードバック系によりフィードバックすることができ、位置信号のS/N比向上を図ることができる。
【選択図】図3
Description
請求項2の発明は、請求項1に記載の磁気軸受制御装置において、センシング信号発生器は、センシング信号をPWMキャリア信号と同期して発生することを特徴とする。
請求項3の発明は、請求項2に記載の磁気軸受制御装置において、一対の電磁石電源回路の各々に設けられたパルス幅変調型電力増幅器に対してPWMキャリア信号を供給する一つのキャリア信号発生器を備えるとともに、一対の電磁石電源回路に設けられた各々のセンシング信号発生器に代えて、一つの共用センシング信号発生器を設け、共用センシング信号発生器で発生されたセンシング信号を一対の電磁石電源回路にそれぞれ供給するようにしたものである。
請求項4の発明は、請求項1乃至3のいずれか一項に記載の磁気軸受制御装置において、位置検出回路は、一対の電磁石の各電磁石コイルの両端間電圧をそれぞれ計測し、該計測結果に基づいて被支持体の位置検出信号を出力すること特徴とする。
請求項5の発明は、請求項4に記載の磁気軸受制御装置において、位置検出回路は、計測した一対の電磁石コイルの両端間電圧の差分信号を生成する差分回路と、差分信号が入力され、キャリア信号の周波数を中心周波数とするバンドエリミネイトフィルタと、バンドエリミネイトフィルタを通過した信号が入力され、センシング信号の周波数を中心周波数とするバンドパスフィルタと、を備え、バンドパスフィルタを通過した信号の大きさを位置検出信号として出力することを特徴とする。
請求項6の発明は、請求項4に記載の磁気軸受制御装置において、位置検出回路は、計測した一対の電磁石コイルの両端間電圧をそれぞれパルス状のデジタル信号として取り込み、取り込んだ前記一対のパルス状デジタル信号の差分を取ってパルス状差分信号を生成する差分回路と、パルス状差分信号のパルス幅を検出するカウンタと、を備え、パルス幅を位置検出信号として出力することを特徴とする。
(1)制御系の制御ループを積極的に利用し、制御系においてセンシング信号が最も大きく増幅される回路位置でセンシング信号を検出し、そのセンシング信号を被支持軸(シャフト4)の位置信号とする。
(2)センシング信号をキャリア信号に同期させることにより、センシング信号近傍でのビート周波数を排除し、センシング信号に対するノイズを低減しS/N比のさらなる向上を図る。
次に、本実施の形態における電流フィードバックの特徴について説明する。図7に示したように、電流検出抵抗615で検出された電圧信号には、センシング信号成分やキャリア信号成分が含まれている。電流フィードバック信号Sfのフィードバック経路には、キャリア周波数成分等の高周波成分を除去するためのローパスフィルタ614が設けられている。ローパスフィルタ614のカットオフ周波数fcは、センシング信号S2の周波数(センシング周波数)fsに対して、fc>fsのように設定されている。そのため、比較回路610に入力される電流フィードバック信号Sfには、センシング信号成分が含まれていることになる。
次に、位置フィードバックについて説明する。本実施の形態では、より大きな位置信号が検出できるように、図3に示すように電磁石コイル500a,500bの両端間電圧を検出する構成としている。なお、電磁石コイル500a,500bの両端間電圧を検出する理由については後述する。
本実施の形態では、センシング信号を電流フィードバック系を介して帰還させて増幅しているので、上述したようにPWM信号S5を生成する際のセンシング信号成分(帰還増幅後のセンシング信号)が大きくなる。センシング信号を大きくするという点だけを見れば、前述した2番目の手法である「重畳するセンシング信号の振幅を大きくして、位置変動に伴うセンシング信号の変調度を大きくする」ことと類似しているが、以下の点で大きく異なっている。
・所定位置変動により電磁石電流Imが1.2倍に変化する。
・加算器612から出力されるセンシング信号成分の大きさがVsのとき、電磁石コイル両端間のセンシング信号電圧(両端間電圧の内のセンシング信号に関わる電圧)を、中立位置の場合にはV0(Vs)、所定位置変動の場合にはV1(Vs)と表す。この場合、所定位置変動時に電磁石電流Imが1.2倍されるので、V1(Vs)=1.2×V0(Vs)である。
・V1(Vs)=Vs×V1(1)およびV0(Vs)=Vs×V0(1)とする。
・電流フィードバックループによる増幅で加算器612に入力されるセンシング信号成分の大きさは、重畳するセンシング信号S2の大きさの(所定位置変動による電流変化)×10倍に増幅される、とする。すなわち、中立位置では10倍され、所定位置変動時には12(=1.2×10)倍されるとする。
この場合、加算器612からVs=1が出力されるので、両端間電圧は、中立位置の場合にはV0(1)、所定位置変動の場合にはV1(1)となる。よって、所定位置変動による両端間電圧の変動ΔVaは、ΔVa=V1(1)−V0(1)=0.2×V0(1)となる。
(b)センシング信号S2=1とし、本実施の形態の場合
上述した仮定により、中立位置においては、加算器612からVs=9(=10−1)ののセンシング信号成分が出力されるので、両端間電圧はV0(9)=9×V0(1)となる。所定位置変動時には、加算器612からVs=11(=12−1)のセンシング信号成分が出力されるので、両端間電圧はV1(11)=11×V1(1)=13.2×V0(1)となる。よって、所定位置変動による両端間電圧の変動ΔVbは、ΔVb=13.2×V0(1)−9×V0(1)=4.2×V0(1)となる。すなわち、所定位置変動による両端間電圧の変動はセンシング信号のフィードバックを行わない場合に比べて21倍に増幅される。
(c)センシング信号のフィードバックを行わない場合に前述した2番目の手法を適用し、センシング信号S2を11と大きくした場合
この場合、加算器612からVs=11が出力されるので、両端間電圧は、中立位置の場合にはV0(11)=11×V0(1)、所定位置変動時にはV1(11) =11×V1(1)=13.2×V0(1)となる。よって、所定位置変動による両端間電圧の変動ΔVcは、ΔVc=13.2×V0(1)−11×V0(1)=2.2×V0(1)となる。
次に、上述のようにセンシング信号を電流制御信号に重畳すると共に、そのセンシング信号を電流フィードバック系によりフィードバックして増幅する構成において、位置信号の計測をいずれの位置において行うのが好ましいかについて説明する。図8は、図3に示す回路の電磁石制御ループの部分のブロック図を示す図である。なお、図8では、信号の符号は図3に示したものを次のように書き換えている。電流指令としての電流制御信号S01はVicmd、電流制御信号S02はV1’、重畳するセンシング信号S2はVsrc、電流制御信号S3はVerr、電磁石電流ImはImotとした。また、ローパスフィルタの出力をVifbとした。伝達関数K2fbを記載したブロックは電流フィードバック信号の補償ゲインである。
図14は、位置フィードバック系の変形例を示すブロック図である。上述した例では、計測した信号をアナログ処理して位置信号としたが、変形例ではデジタル処理する場合を示した。図14は、デジタル処理の概念を説明する図である。変形例では、電磁石コイル500aおよび500aの両端間電圧を出力する差動増幅器620a,620bの出力は、例えば、比較回路等を用いるなどして0、1の信号とされた後に、CPU700のXOR論理回路710に入力される。
Claims (6)
- 被支持体を挟んで対向配置された一対の電磁石の電磁石電流を計測して、その計測結果に基づいて前記被支持体の位置検出信号を出力する位置検出回路と、
前記位置検出信号と指令位置信号とを比較し、前記被支持体を指令位置に非接触支持するための電磁石電流制御信号を出力する制御信号生成回路と、
前記電磁石毎に設けられ、前記電磁石電流制御信号に基づく電磁石電流を対応する電磁石に供給する電磁石電源回路と、を備え、
前記電磁石電源回路は、
前記電磁石毎に設けられて前記電磁石電流制御信号を増幅する信号増幅器と、
所定周波数のセンシング信号を発生するセンシング信号発生器と、
前記センシング信号を前記信号増幅器で増幅された電磁石電流制御信号に重畳する加算器と、
前記センシング信号が重畳された前記電磁石電流制御信号と所定のPWMキャリア信号とを比較してPWM信号を形成し、該PWM信号に基づく電磁石電流を対応する電磁石コイルに供給するパルス幅変調型電力増幅器と、
前記パルス幅変調型電力増幅器から供給される電磁石電流を検出し、その検出信号から前記センシング信号の周波数より高い周波成分を除去した信号を、前記信号増幅器に入力される電磁石電流制御信号にフィードバックする電流フィードバック回路と、を有する磁気軸受制御装置。 - 請求項1に記載の磁気軸受制御装置において、
前記センシング信号発生器は、前記センシング信号を前記PWMキャリア信号と同期して発生することを特徴とする磁気軸受制御装置。 - 請求項2に記載の磁気軸受制御装置において、
前記一対の電磁石電源回路の各々に設けられたパルス幅変調型電力増幅器に対して前記PWMキャリア信号を供給する一つのキャリア信号発生器を備えるとともに、前記一対の電磁石電源回路に設けられた各々のセンシング信号発生器に代えて、一つの共用センシング信号発生器を設け、
前記共用センシング信号発生器で発生されたセンシング信号を前記一対の電磁石電源回路にそれぞれ供給することを特徴とする磁気軸受制御装置。 - 請求項1乃至3のいずれか一項に記載の磁気軸受制御装置において、
前記位置検出回路は、前記一対の電磁石の各電磁石コイルの両端間電圧をそれぞれ計測し、該計測結果に基づいて前記位置検出信号を出力すること特徴とする磁気軸受制御装置。 - 請求項4に記載の磁気軸受制御装置において、
前記位置検出回路は、
前記計測した一対の電磁石コイルの両端間電圧の差分信号を生成する差分回路と、
前記差分信号が入力され、前記キャリア信号の周波数を中心周波数とするバンドエリミネイトフィルタと、
前記バンドエリミネイトフィルタを通過した信号が入力され、前記センシング信号の周波数を中心周波数とするバンドパスフィルタと、を備え、
前記バンドパスフィルタを通過した信号の大きさを前記位置検出信号として出力することを特徴とする磁気軸受制御装置。 - 請求項4に記載の磁気軸受制御装置において、
前記位置検出回路は、
前記計測した一対の電磁石コイルの両端間電圧をそれぞれパルス状のデジタル信号として取り込み、取り込んだ前記一対のパルス状デジタル信号の差分を取ってパルス状差分信号を生成する差分回路と、
前記パルス状差分信号のパルス幅を検出するカウンタと、を備え、
前記パルス幅を前記位置検出信号として出力することを特徴とする磁気軸受制御装置。
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