JP2630591B2 - ラジアル磁気軸受の制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 この発明は、ラジアル磁気軸受の制御装置に関する。

従来の技術とその問題点 磁気軸受で非接触状態に支持された回転体（ロータ）
を高速で回転させる磁気軸受装置においては、運転速度
を回転体の危険速度以上に設定する場合があり、この場
合、従来のPID制御による制御装置では、危険速度を通
過するときに問題が生じる。危険速度通過の難易度は、
回転体の残留バランスおよび磁気軸受の剛性に依存す
る。残留アンバランスについては、回転体のバランスを
良くしても、弾性体である回転体が危険速度付近で大き
く撓むため、改善は難しい。このため、磁気軸受の剛性
とくに減衰力を大きくすることが考えられるが、周波数
特性を広帯域化すると、制御系の飽和という問題が生
じ、制御系に必要な電力が増大する この発明の目的は、上記の問題点を解決し、制御系の
飽和を最小限に抑え、かつ危険速度通過に必要な高減衰
力が得られるラジアル磁気軸受の制御装置を提供するこ
とにある。

問題点を解決するための手段 この発明によるラジアル磁気軸受の制御装置は、 回転体の半径方向の位置を検出する位置センサーの出
力信号にもとづいてラジアル磁気軸受を制御する装置で
あって、 回転体の回転数に同期したふれ回り成分の振幅と位相
を検出し、回転体の回転数前後の狭い帯域でのみふれ回
り成分より位相の進んだ制御信号を発生する高減衰力発
生回路を備えていることを特徴とするものである。

作用 振動している物体に振動に対して位相の進んだ制御力
を与えることにより減衰が得られることおよび位相の進
みが90゜のときに減衰力が最大となることは、知られて
いる。

回転体の回転数に同期した周波数成分で高減衰力を発
生させることにより、危険速度でのふれ回りを小さくし
て、危険速度通過を容易にすることができる。また、回
転数前後の狭い帯域でのみ高減衰力を発生させるので、
従来のように周波数特性を広帯域化する場合のような制
御系の飽和の問題は生じない。

実 施 例 以下、図面を参照して、この発明の実施例を説明す
る。なお、以下の説明において、回転体（図示略）の回
転軸と直角な固定座標系の２つの座標軸をｘ軸およびｙ
軸とし、回転体とともに回転する回転軸と直角な回転座
標系の２つの座標軸をＸ軸およびＹ軸とする。

制御装置（10）は、ｘ軸用位置センサー（11x）、ｙ
軸用位置センサー（11y）および回転速度センサー（1
2）の出力信号にもとづいてｘ軸用ラジアル磁気軸受（1
3x）およびｙ軸用ラジアル磁気軸受（13y）を制御する
ものであり、第１図に示すように、ｘ軸用PID制御回路
（14x）、ｙ軸用PID制御回路（14y）、高減衰力発生回
路（15）、ｘ軸用加算器（16x）およびｙ軸用加算器（1
6y）より構成されている。ｘ軸用位置センサー（11x）
は、回転体のｘ軸方向の位置を検出してこれに比例する
信号S1xを出力するものであり、ｙ軸用位置センサー（1
1y）は、回転体のｙ軸方向の位置を検出してこれに比例
する信号S1yを出力するものである。回転速度センサー
（12）は、回転体の回転数に比例する周波数たとえば回
転数と同じ周波数のパルス信号S2を出力するものであ
る。ｘ軸用PID制御回路（14x）は、ｘ軸用位置センサー
（11x）の出力信号S1xにもとづいて第１のｘ軸用制御信
号S3xを出力するものであり、ｙ軸用PID制御回路（14
y）は、ｙ軸用位置センサー（11y）の出力信号S1yにも
とづいて第１のｙ軸用制御信号S3yを出力するものであ
る。高減衰力発生回路（15）は、ｘ軸用位置センサー
（11x）の出力信号S1xおよび回転速度センサー（12）の
出力信号S2にもとづき、回転体の回転数に同期したふれ
回り成分の振幅と位相を検出して、回転体の回転数に一
致する周波数でふれ回り成分より位相の進んだ第２のｘ
軸用制御信号S4xおよびｙ軸用制御信号S4yを出力するも
のである。ｘ軸用加算器（16x）は第１および第２のｘ
軸用制御信号S3x、S4xを加算してｘ軸用制御信号S5xを
ｘ軸用ラジアル磁気軸受（13x）の電力増幅器（17x）に
出力するものであり、ｙ軸用加算器（16y）は第１およ
び第２のｙ軸用制御信号S3y、S4yを加算してｙ軸用制御
信号S5yをｙ軸用ラジアル磁気軸受（13y）の電力増幅器
（17y）に出力するものである。なお、位置センサー（1
1x）（11y）、回転速度センサー（12）、PID制御回路
（14x）（14y）、加算器（16x）（16y）、電力増幅器
（17x）（17y）およびラジアル磁気軸受（13x）（13y）
は公知の任意の構成をとりうるものであるから、詳細な
説明は省略する。

第２図に示すように、高減衰力発生回路（15）は、ふ
れ回り成分検出回路（18）と制御信号出力回路（19）と
から構成されている。

高減衰力発生回路（15）のふれ回り成分検出回路（1
8）は、増幅器（20）、Ｘ軸用PSD（位相検波器）（21
x）、Ｙ軸用PSD（位相検波器）（21y）、Ｘ軸用LPF（ロ
ーパスフィルタ）（22x）、Ｙ軸用LPF（ローパスフィル
タ）（22y）、波形整形回路（23）および位相制御回路
（24）より構成されており、ｘ軸用位置センサー（11
x）の出力信号S1xと回転速度センサー（12）の出力信号
S2にもとづいて回転体の回転数に同期したふれ回り成分
の振幅を検出する。

固定座標系における回転体のふれ回りリサージュ図形
は、第５図のようになる。同図において、ωは回転体の
回転角速度、ｔは時間、Ｒはふれ回りの振幅である。回
転座標系のＸ座標をふれ回りの方向に一致させると、第
６図に示すように、ふれ回りのＸ軸成分Xoはふれ回りの
振幅Ｒに、Ｙ軸成分Yoは０になる。

ふれ回り成分検出回路（18）はこのような原理にもと
づいてふれ回りの振幅Ｒを求めるものである。すなわ
ち、Ｘ軸用PSD（21x）とＸ軸用LPF（22x）は、ｘ軸用位
置センサー（11x）の出力信号S1xを増幅した信号（ｘ軸
位置信号）S6と後述する位相制御回路（24）からのＸ軸
用参照信号S7xにもとづいて、ふれ回りのＸ軸成分Xoに
比例する信号S8xを出力する。Ｙ軸用PSD（21y）とＹ軸
用LPF（22y）は、ｘ軸位置信号S6と後述する位相制御回
路（24）からのＹ軸用参照信号S7yにもとづいて、ふれ
回りのＹ軸成分Yoに比例する信号S8yを出力する。波形
整形回路（23）は、回転速度センサー（12）の出力信号
S2を方形波に整形した信号（回転速度信号）S9を位相制
御回路（24）に出力する。位相制御回路（24）は、Ｙ軸
用LPF（22y）の出力信号S8yと回転速度信号S9にもとづ
いて、ふれ回りのＹ軸成分Yoが０になるように、Ｘ軸用
参照信号S7xおよびＹ軸用参照信号S7yを制御する。

PSDは、第７図に示すように、入力信号Esをこれと同
じ周波数の方形波である参照信号Erでスイッチングを行
なうものであり、その出力信号Eoは入力信号Esと参照信
号Erを乗算したものとなる。そして、PSDの出力信号Eo
からLPFにより交流成分を除去すると、参照信号Erに同
期した信号成分のみを検出することができる。第７図
（ａ）は入力信号Esと参照信号Erの位相差が０の場合で
あり、出力信号EoをLPFに通した信号Epは正の値にな
る。第７図（ｂ）は入力信号Esと参照信号Erの位相差が
90゜の場合であり、出力信号EoをLPFに通した信号Epは
０になる。第７図（ｃ）は入力信号Esと参照信号Erの位
相差が180゜の場合であり、出力信号EoをLPFに通した信
号Epは負の値になる。なお、第８図は、PSDの入力信号E
sと参照信号Erの位相差θとLPFの出力信号Epとの関係を
表わしたものである。

ｘ軸位置信号S6はPSD（21x）（21y）の入力信号Esと
なり、参照信号S7x、S7yは参照信号Erとなる。ｘ軸位置
信号S6にはふれ回りの影響が現われ、その周波数は回転
速度信号S9の周波数に等しい。また、参照信号S7x、S7y
の周波数も、後述するように、回転速度信号S9の周波数
と等しいため、PSD（21x）（21y）の入力信号Esと参照
信号Erの周波数は等しい。一方、回転座標系のＸ軸とＹ
軸の位相差は90゜である。したがって、Ｘ軸用PSD（21
x）に対する参照信号S7xとＹ軸用PSD（21y）に対する参
照信号S7yの位相差を90゜にすれば、Ｘ軸用LPF（22x）
の出力信号S8xおよびＹ軸用LPF（22y）の出力信号S8yが
それぞれふれ回りのＸ軸成分XoおよびＹ軸成分Yoを表わ
すことになる。また、Ｙ軸用LPF（22y）の出力信号S8y
すなわちふれ回りのＹ軸成分Yoが０になるように参照信
号S7x、S7yの位相を調整すれば、Ｘ軸用LPF（22x）の出
力信号S8xがふれ回りの振幅Ｒを表わすことになる。

位相制御回路（24）はこのようなフィードバック制御
を行なうものであり、その１例が第３図に示されてい
る。また、その各部の信号が第４図に示されている。

位相制御回路（24）は、一定周波数のクロックパルス
信号CLKを発生する発振器（25）、Ｙ軸用LPF（22y）の
出力信号S8yが正であることを判別する第１の比較器（2
6）、この信号S8yが負であることを判別する第２の比較
器（27）、発振器（25）のクロックパルス信号CLKと第
１の比較器（26）の出力信号S10を入力信号とする第１
のAND回路（28）、発信器（25）のクロックパルス信号C
LKと第２の比較器（27）の出力信号S11を入力信号とす
る第２のAND回路（29）、第１のAND回路（28）の出力信
号をアップカウント端子（30u）の入力信号とし第２のA
ND回路（29）の出力信号をダウンカウント端子（30d）
の入力信号とするアップダウンカウンタ（30）、波形整
形回路（23）からの回転速度信号S9の立上りを検出する
してリセット信号RS1を出力するリセット回路（31）、
回転速度信号S9の１パルスをたとえば1024倍した角度信
号S12を出力するPLL逓倍回路（32）、リセット回路（3
1）のリセット信号RSIによりリセットされて逓倍回路
（32）の角度信号S12をカウントする第１の10ビットカ
ウンタ（33）、第１のカウンタ（33）の出力信号S13と
アップダウンカウンタ（30）の出力信号S14を比較する
デジタル比較器（34）、逓倍回路（32）の角度信号S12
とデジタル比較器（34）の出力信号S15を入力信号とす
る第３のAND回路（35）、リセット回路（31）のリセッ
ト信号RS1によりリセットされて第３のAND回路（35）の
出力信号をカウントする第２の10ビットカウンタ（3
6）、第２のカウンタ（36）の10ビット目の出力信号Q10
からＸ軸用参照信号S7xを作るためのNOT回路（37）およ
び第４のAND回路（48）ならびに第２のカウンタ（36）
の９ビット目の出力信号Q9と10ビット目の出力信号Q10
からＹ軸用参照信号S7yを作るためのEOR回路（38）より
構成されている。

第８図の点Ａで示すように、Ｙ軸用LPF（22y）の出力
信号S8yすなわちYoが０の場合、２つの比較器（26）（2
7）の出力信号S10、S11はＬ（Low）であり、クロックパ
ルス信号CLKはアップダウンカウンタ（30）に入力しな
い。このため、アップダウンカウンタ（30）の出力信号
S14は一定である。一方、第１および第２のカウンタ（3
3）（36）は回転速度信号S9の立上り（第４図のto）と
同期したリセット信号RS1によりリセットされ、第１の
カウンタ（33）は角度信号S12をカウントする。第１の
カウンタ（33）の出力信号S13がアップダウンカウンタ
（30）の出力信号S14より小さい間はデジタル比較器（3
4）の出力信号S15はＬであるが、第１のカウンタ（33）
の出力信号S13がアップダウンカウンタ（30）の出力信
号S14以上になるとデジタル比較器（34）の出力信号S15
がＨ（High）になる（第４図のt1）。このため、第２の
カウンタ（36）が角度信号S12のカウントを開始する。
第２のカウンタ（36）がカウントを開始してからT/2
（Ｔは回転速度信号S9の周期）経過すると10ビット目の
出力信号Q10はＬからＨにかわり（第４図のt2）、第４
図のように変化する。この信号Q10を反転するNOT回路
（37）の出力信号S16は第４図のように変化する。そし
て、この信号S16とデジタル比較器（34）の出力信号S15
とを第４のAND回路（48）に入力することにより、第４
図に示すように、回転速度信号S9すなわちｘ軸位置信号
S6と周波数の等しいＸ軸用参照信号S7xが得られる。第
２のカウンタ（36）の９ビット目の出力信号Q9は、第４
図のように変化する。そして、この信号Q9と10ビット目
の出力信号Q10をEOR回路（38）に入力することにより、
Ｘ軸用参照信号S7xと位相差が90゜のＹ軸用参照信号S7y
が得られる。

第８図の点Ｂで示すようにYoが正になると、第１の比
較器（26）の出力信号S10がＨになり、クロックパルス
信号CLkが第１のAND回路（28）を通ってアップダウンカ
ウンタ（30）のアップカウント端子（30u）に入力する
ため、アップダウンカウンタ（30）の出力信号S14は、
大きくなる。したがって、回転速度信号S9が立上ってか
らＸ軸用参照信号S7xが立上るまでの時間（t1−t0）が
長くなる。このことは、回転速度信号S9に対する参照信
号S7x、S7yの位相差が大きくなったことを意味し、Yoは
点Ｂから点ＡすなわちＯに近づく。逆に、第８図の点Ｃ
で示すようYoが負になると、第２の比較器（27）の出力
信号S11がＨになり、クロックパルス信号CLKが第２のAN
D回路（29）を通ってアップダウンカウンタ（30）のダ
ウンカウント端子（30d）に入力するため、アップダウ
ンカウンタ（30）の出力信号S14は、小さくなる。した
がって、回転速度信号S9が立上ってからＸ軸用参照信号
S7xが立上るまでの時間（t1−t0）が短くなる。このこ
とは、回転速度信号S9に対する参照信号S7x、S7yの位相
差が小さくなったことを意味し、Yoは点Ｃから点Ａすな
わちＯに近づく。

このように、位相制御回路（24）では、Yoが０になる
ようにＸ軸用参照信号S7xおよびＹ軸用参照信号S7yが制
御され、その結果、前述のように、Ｘ軸用LPF（22x）の
出力信号S8xによって回転体のふれ回りの振幅Ｒが検出
される。

高減衰発生回路（15）の制御信号出力回路（19）は、
回転体のふれ回り成分の位相ωｔを検出して、回転体の
回転数に一致する周波数でふれ回り成分より所定角度φ
だけ位相の進んだ第２のｘ軸用制御信号S4xおよびｙ軸
用制御信号S4yを出力するものであり、第２図に示すよ
うに、Ｘ軸用参照信号S7xの立上りを検出してリセット
信号RS2を出力するリセット回路（47）と、このリセッ
ト信号RS2によりリセットされて角度信号S12をカウント
する第３の10ビットカウンタ（39）を備えている。角度
信号S12は回転速度信号S9の周期Ｔをたとえば1024分割
したパルス信号であり、回転速度信号S9の周期ＴはＸ軸
位置信号S6およびＸ軸用参照信号S7xのそれと同じであ
るから、第３のカウンタ（39）の出力信号S17は回転体
のふれ回りの位相ωｔを表わすことになる。制御信号出
力回路（19）には、PROMを用いた４個のテーブル（40
a）（40b）（40c）（40d）とこれらに対応する４個の乗
算器型D/Aコンバータ（41a）（41b）（41c）（41d）が
設けられている。第１のテーブル（40a）には、第３の
カウンタ（39）の出力信号S17すなわちωｔのたとえば1
024の値についてcos φ・cos ωｔの値が記憶されてい
る。同様に、第２のテーブル（40b）にはsin φ・sin
ωｔの値、第３のテーブル（40c）にはcos φ・sin ω
ｔの値、第４のテーブル（40d）にはsin φ・cos ωｔ
の値が記憶されている。そして、第３のカウンタ（39）
の出力信号S17にもとづき、各テーブル（40a）（40b）
（40c）（40d）内のデータがそれぞれラッチ回路（42
a）（42b）（42c）（42d）を介して対応する乗算器型D/
Aコンバータ（41a）（41b）（41c）（41d）に送られ
る。４個のラッチ回路（42a）（42b）（42c）（42d）は
角度信号S12と同期したラッチパルスを発生するラッチ
パルス発生回路（43）により制御される。また、ふれ回
り成分発生回路（18）のＸ軸用LPF（22x）の出力信号S8
Xを増幅器（44）で増幅した信号（ふれ回り振幅信号）S
18が４個の乗算器（41a）（41b）（41c）（41d）に入力
する。その結果、第１の乗算器（41a）では、時々刻々
変化するふれ回りの位相ωｔに対して、Xo・cos φ・co
s ωｔが演算されて出力される。同様に、第２の乗算器
（41b）ではXo・sin φ・sin ωｔ、第３の乗算器（41
c）ではXo・cos φ・sin ωｔ、第４の乗算器（41d）で
はXo・sin φ・cos ωｔが演算されて出力される。第１
の乗算器（41a）の出力信号S19と第２の乗算器（41b）
の出力信号S20は減算器（45）に入力し、第３の乗算器
（41c）の出力信号S21と第４の乗算器（41d）の出力信
号S22は加算器（46）に入力する。減算器（45）の出力S
4x（＝Xo・cos φ・cos ωｔ−Xo・sin φ・sin ωｔ）
は次の式（１）のように、加算器（46）の出力S4y（＝X
o・cos φ・sin ωｔ＋Xo sin φ・cos ωｔ）は次の式
（２）のように書きかえられる。

S4x＝Xo・cos（ωｔ＋φ） ……（１） S4y＝Xo・sin（ωｔ＋φ） ……（２） したがって、これらの出力信号S4x、S4yは、回転体の
ふれ回りに対して角度φだけ位相が進んだ信号になって
いる。そして、これらの信号S4x、S4yが第１の制御信号
S3x、S3yに加えられるため、回転体の回転数に同期した
周波数成分で高減衰力を発生させることができる。

発明の効果 この発明のラジアル磁気軸受の制御装置によれば、上
述のように、回転体の回転数に同期した周波数成分で高
減衰力を発生させることにより、危険速度でのふれ回り
を小さくして、危険速度通過を容易にすることができ
る。また、回転数前後の狭い帯域でのみ高減衰力を発生
させるので、制御系の飽和の問題は生じない。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の実施例を示すラジアル磁気軸受の制
御装置のブロック図、第２図は高減衰力発生回路のブロ
ック図、第３図は位相制御回路のブロック図、第４図は
第３図の位相制御回路の各部の信号を表わすタイムチャ
ート、第５図は固定座標系での回転体のふれ回りリサー
ジュ図形を表わすグラフ、第６図は回転座標系での回転
体のふれ回りを表わすグラフ、第７図はPSDの信号を表
わすタイムチャート、第８図は位相差とPSDおよびLPFの
出力との関係を表わすグフである。 （10）……制御装置、（11x）（11y）……位置センサ
ー、（12）……回転速度センサー、（13x）（13y）……
ラジアル磁気軸受、（15）……高減衰力発生回路。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】回転体の半径方向の位置を検出する位置セ
   ンサーの出力信号にもとづいてラジアル磁気軸受を制御
   する装置であって、 回転体の回転数に同期したふれ回り成分の振幅と位相を
   検出し、回転体の回転数前後の狭い帯域でのみふれ回り
   成分より位相の進んだ制御信号を発生する高減衰力発生
   回路を備えていることを特徴とするラジアル磁気軸受の
   制御装置。