JP4218386B2 - Class D amplifier output circuit and magnetic bearing control device - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、D級アンプ出力回路及び、これを電磁石の励磁回路に用いた磁気軸受制御装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
D級アンプを出力段に用いて磁気軸受の電磁石を励磁する制御装置(例えば特許文献1参照。)においては、ピーク電流を抑えてD級アンプのスイッチング素子を保護すべく、電磁石への印可電圧を適正に設定する必要がある。
【0003】
【特許文献1】
特開平4−321812号公報(第2〜3頁、図1)
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、通常、磁気軸受においては、非接触支持する回転体のサイズや重量に応じた磁力を電磁石が発生するように、機種が決定される。この磁気軸受の機種によって電磁石の抵抗値も異なるため、機種が異なれば印可電圧を変更する必要がある。印可電圧を変更するには、回路の基準電圧を変更しなければならず、それには、制御装置全体を別なものにする必要がある。すなわち、従来のD級アンプ出力回路は、負荷(電磁石)に対する汎用性がないので不便である。
【0005】
上記のような従来の問題点に鑑み、本発明は、負荷が異なっても汎用的に使用することができるD級アンプ出力回路、及び、これを用いた磁気軸受制御装置を提供することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本発明のD級アンプ出力回路は、パルス幅変調された信号によって制御されるスイッチング素子を有するD級アンプと、前記スイッチング素子を介して電力供給される出力要素と、前記出力要素と直列に接続され、電流を可変的に制限する電流制限素子とを備えたものである。
このように構成されたD級アンプ出力回路は、出力要素の抵抗値に応じて補償的に電流制限素子の電流制限の度合いを調整すれば、スイッチング素子に流れる電流を一定値以下に制限することができる。従って、D級アンプの出力回路の電源が定電圧であっても、タイプの異なる出力要素に汎用的に使用できる。
【0007】
また、上記D級アンプ出力回路において、電流制限素子はリニア領域で使用されるパワートランジスタであり、出力要素に流れる電流に基づいて前記D級アンプをフィードバック制御するためのフィードバック信号に基づいて、当該パワートランジスタのゲートを制御するゲート制御回路を設けてもよい。
この場合、出力要素に流れる電流に基づいて、電流制限素子の抵抗値を適切に変化させることができる。
【0008】
一方、本発明の磁気軸受制御装置は、電磁石により回転体を非接触支持するものであって、パルス幅変調された信号によって制御されるスイッチング素子を有し、このスイッチング素子を介して前記電磁石に電力供給するD級アンプと、前記電磁石のコイルと直列に接続され、電流を可変的に制限する電流制限素子とを備えたものである。
このように構成された磁気軸受制御装置は、電磁石のコイルの抵抗値に応じて補償的に電流制限素子の電流制限の度合いを調整すれば、スイッチング素子に流れる電流を一定値以下に制限することができる。従って、D級アンプの出力回路の電源が定電圧であっても、機種の異なる磁気軸受に汎用的に使用できる。
【0009】
また、上記磁気軸受制御装置において、電流制限素子はリニア領域で使用されるパワートランジスタであり、コイルに流れる電流に基づいて前記D級アンプをフィードバック制御するためのフィードバック信号に基づいて、当該パワートランジスタのゲートを制御するゲート制御回路を設けてもよい。
この場合、コイルに流れる電流に基づいて、電流制限素子の抵抗値を適切に変化させることができる。
【0010】
【発明の実施の形態】
図1は、第1参考例に係るD級アンプ出力回路を含む磁気軸受制御装置の主要な構成を示すブロック回路図である。図示しているのは、回転体1をラジアル方向に非接触支持する一対の電磁石2について、その一方を制御するための装置部分である。他方の電磁石2についても、回路を一部共有した同様な制御装置が構成されるが、ここでは簡略化して一方の電磁石2の制御装置についてのみ説明する。
【0011】
図において、当該磁気軸受制御装置におけるD級アンプ出力回路は、パルス幅変調された信号によって制御されるスイッチング素子31を有するD級アンプ3と、出力用の定電圧電源4(直流電圧:+Vs)からスイッチング素子31を介して電力供給される出力要素としての電磁石2のコイル2cと、このコイル2cと直列に接続されるフィードバック抵抗5及び、同様にコイル2cと直列に接続され、電流を可変的に制限する電流制限素子としての可変抵抗器6とを備えている。上記D級アンプ3は、コンパレータ71及び三角波(鋸歯状波)の発振器72によって構成されるパルス幅変調器7と、コンパレータ71の出力によって制御されるスイッチング素子31とによって構成される。このスイッチング素子31はMOSFETをスイッチング領域で使用するものであり、逆導通用のダイオード32を備えている。
【0012】
上記電磁石2の近傍には変位センサ8が設けられ、その出力はA/D変換器9を経てDSP(Digital Signal Processor)10に入力される。DSP10の出力はD/A変換器11を経て信号増幅器(オペアンプ)12に入力される。また、フィードバック抵抗5には電流−電圧変換器(オペアンプ)13が接続され、コイル2cに流れる電流に応じた電圧が、フィードバック信号として信号増幅器12に入力される。信号増幅器12の出力信号は、パルス幅変調器7に入力される。
【0013】
上記のように構成された磁気軸受制御装置では、回転体1のラジアル方向への変位が変位センサ8によって検出され、その検出出力がA/D変換されてDSP10により演算処理される。演算処理によって得られた制御指令信号はD/A変換され、信号増幅器12に入力される。信号増幅器12は、入力された制御指令信号とフィードバック信号とに基づいて増幅した信号を出力し、この信号が、パルス幅変調器7に入力される。パルス幅変調器7のコンパレータ71では、入力された当該信号と、発振器72から入力される三角波との比較が行われ、その結果、パルス幅変調信号が出力される。
【0014】
スイッチング素子31は、上記パルス幅変調信号によってスイッチングされる。スイッチング素子31の導通時には、コイル2c、フィードバック抵抗5、及び可変抵抗器6の直列回路に電流が流れ、電磁石2には、パルス列のデューティに応じた電磁力が発生する。ここで、コイル2cに流れる電流は、可変抵抗器6の抵抗により制限することができる。従って、コイル2cの抵抗値に応じて補償的に可変抵抗器6を調整すれば、スイッチング素子31に流れる電流を一定値以下に制限することができる。具体的には、例えば、適用対象とする磁気軸受のうち、コイル2cの抵抗値が最大である機種の場合に、可変抵抗器6の抵抗値を0に設定するようにし、コイル2cの抵抗値がより小さい機種になるほど可変抵抗器6の抵抗値を増大させて使用する。このようにして、当該D級アンプ出力回路は、出力回路の電源が定電圧(+Vs)でありながら、電磁石2が異なっても汎用的に使用できる。すなわち、磁気軸受の機種が異なっても汎用的に使用できる磁気軸受制御装置を提供することができる。
【0015】
図2は、第2参考例に係るD級アンプ出力回路を含む磁気軸受制御装置の主要な構成を示すブロック回路図である。第1参考例との違いは、電流制限素子にあり、その他の構成は第1参考例と同様である。図において、本参考例の電流制限素子は、逆導通用のダイオード15を備えたMOSFET14である。これは主としてリニア領域で使用され、そのゲート−ソース間には制御電源電路15から固定抵抗器16及び可変抵抗器17によって分圧された電圧が付与される。
【0016】
可変抵抗器17により設定されたゲート−ソース間電圧VGSが供給されると、MOSFET14のVGS−ID特性に応じてドレイン電流IDが流れる状態となる。すなわち、電圧VGSに応じたMOSFET14のチャネルの抵抗値が与えられる。この抵抗値は、スイッチング素子31に流れる電流を制限するので、コイル2cの抵抗値に応じて補償的に電圧VGSを可変抵抗器17により調整すれば、スイッチング素子31に流れる電流を一定値以下に制限することができる。従って、第1参考例と同様に、電磁石2が異なっても汎用的に使用できる磁気軸受制御装置を提供することができる。なお、電流を制限する必要がない場合には、MOSFET14をスイッチング領域で導通状態にしておくことにより、MOSFET14の内部での損失を抑えることができる。
【0017】
図3は、本発明の実施形態によるD級アンプ出力回路を含む磁気軸受制御装置の主要な構成を示すブロック回路図である。第2参考例と同様に電流制限素子としてMOSFET14をリニア領域で使用するが、そのゲートに対する制御が第2参考例と異なる。すなわち、第2参考例との違いは、電流−電圧変換器13の出力信号に基づいて、ゲート制御回路18によりMOSFET14のゲート−ソース間電圧VGSを供給する点である。
【0018】
このゲート制御回路18は、例えば電磁石2が出力回路に挿入された直後の制御開始時に、所定のゲート−ソース間電圧VGSを出力し、その状態でコイル2c及びフィードバック抵抗5に電流が流れることにより、そのときのフィードバック信号(電圧)から想定される電磁石のタイプに合わせた適切な抵抗値がMOSFET14によって発揮されるように電圧VGSを変更する。こうして、コイル2cに流れる電流に基づいて、電流制限素子であるMOSFET14の抵抗値を適切に変化させることができる。なお、第2参考例と同様に、電流を制限する必要がない場合には、MOSFET14をスイッチング領域で導通状態にしておくことにより、MOSFET14の内部での損失を抑えることができる。
【0019】
なお、上記第2参考例又は実施形態では、電流制限素子としてMOSFET14を用いているが、バイポーラトランジスタやIGBT等の、他のパワートランジスタを用いてもよいことは言うまでもない。
また、上記参考例又は実施形態におけるD級アンプ出力回路は、磁気軸受の電磁石2のコイル2cを出力要素とするものであるが、これに限らず、異なる抵抗値の製品ラインアップを備えた各種負荷(例えば電磁クラッチ、CRTの偏向コイル等)に対しても汎用的に使用することができる。
【0020】
【発明の効果】
以上のように構成された本発明のD級アンプ出力回路は、コイルに流れる電流に基づいて、電流制限素子の抵抗値を適切に変化させて、スイッチング素子に流れる電流を一定値以下に制限することができる。従って、D級アンプの出力回路の電源が定電圧であっても、タイプの異なる出力要素に汎用的に使用できる。
また、本発明の磁気軸受制御装置は、コイルに流れる電流に基づいて、電流制限素子の抵抗値を適切に変化させて、スイッチング素子に流れる電流を一定値以下に制限することができる。従って、D級アンプの出力回路の電源が定電圧であっても、機種の異なる磁気軸受に汎用的に使用できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 第1参考例によるD級アンプ出力回路を含む磁気軸受制御装置の主要な構成を示すブロック回路図である。
【図2】 第2参考例によるD級アンプ出力回路を含む磁気軸受制御装置の主要な構成を示すブロック回路図である。
【図3】 本発明の実施形態によるD級アンプ出力回路を含む磁気軸受制御装置の主要な構成を示すブロック回路図である。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a class D amplifier output circuit and a magnetic bearing control device using the same in an excitation circuit of an electromagnet.
[0002]
[Prior art]
In a control device that excites an electromagnet of a magnetic bearing using a class D amplifier at the output stage (see, for example, Patent Document 1), an applied voltage to the electromagnet to suppress the peak current and protect the switching element of the class D amplifier. Must be set appropriately.
[0003]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laid-Open No. 4-321812 (
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, in general, in the magnetic bearing, the model is determined so that the electromagnet generates a magnetic force corresponding to the size and weight of the rotating body to be supported in a non-contact manner. Since the resistance value of the electromagnet varies depending on the type of the magnetic bearing, it is necessary to change the applied voltage if the model is different. In order to change the applied voltage, the reference voltage of the circuit must be changed, which requires that the entire control device be different. That is, the conventional class D amplifier output circuit is inconvenient because it is not versatile for a load (electromagnet).
[0005]
In view of the above-described conventional problems, the present invention aims to provide a class D amplifier output circuit that can be used universally even if the load is different, and a magnetic bearing control device using the same. And
[0006]
[Means for Solving the Problems]
A class D amplifier output circuit of the present invention includes a class D amplifier having a switching element controlled by a pulse width modulated signal, an output element supplied with power through the switching element, and connected in series with the output element. And a current limiting element that variably limits the current.
The class D amplifier output circuit configured in this manner limits the current flowing through the switching element to a certain value or less by adjusting the current limiting degree of the current limiting element in a compensatory manner according to the resistance value of the output element. Can do. Therefore, even if the power supply of the output circuit of the class D amplifier is a constant voltage, it can be used for various types of output elements for general purposes.
[0007]
In the above class D amplifier output circuit, the current limiting element is a power transistor used in the linear region, based on the feedback signal for feedback controlling the class D amplifier based on the current flowing to the output element, A gate control circuit for controlling the gate of the power transistor may be provided.
In this case, the resistance value of the current limiting element can be appropriately changed based on the current flowing through the output element.
[0008]
On the other hand, the magnetic bearing control device of the present invention supports a rotating body in a non-contact manner by an electromagnet and has a switching element controlled by a pulse width modulated signal, and the electromagnet is connected to the electromagnet via the switching element. A class-D amplifier for supplying power and a current limiting element connected in series with the coil of the electromagnet to variably limit the current are provided.
The magnetic bearing control device configured as described above limits the current flowing through the switching element to a certain value or less by adjusting the degree of current limitation of the current limiting element in a compensatory manner according to the resistance value of the electromagnet coil. Can do. Therefore, even if the power supply of the output circuit of the class D amplifier is a constant voltage, it can be used for a wide variety of magnetic bearings.
[0009]
Further, in the magnetic bearing control device, the current limiting element is a power transistor used in the linear region, based on the feedback signal for feedback controlling the class D amplifier based on the current flowing through the coil, the power it may be provided a gate control circuit for controlling the gate of the transistor.
In this case, the resistance value of the current limiting element can be appropriately changed based on the current flowing through the coil.
[0010]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 is a block circuit diagram showing a main configuration of a magnetic bearing control device including a class D amplifier output circuit according to a first reference example . What is shown is an apparatus portion for controlling one of the pair of
[0011]
In the figure, a class D amplifier output circuit in the magnetic bearing control device includes a
[0012]
A
[0013]
In the magnetic bearing control device configured as described above, the displacement of the
[0014]
The
[0015]
FIG. 2 is a block circuit diagram showing a main configuration of a magnetic bearing control device including a class D amplifier output circuit according to a second reference example . The difference from the first reference example lies in the current limiting element, and the other configurations are the same as in the first reference example . In the figure, the current limiting element of this reference example is a
[0016]
When the gate-source voltage VGS set by the
[0017]
FIG. 3 is a block circuit diagram showing a main configuration of the magnetic bearing control device including the class D amplifier output circuit according to the embodiment of the present invention . Similar to the second reference example , the
[0018]
The
[0019]
In the second reference example or embodiment, the
Further, the class D amplifier output circuit in the above reference example or embodiment uses the
[0020]
【The invention's effect】
The class D amplifier output circuit of the present invention configured as described above appropriately changes the resistance value of the current limiting element based on the current flowing through the coil, and limits the current flowing through the switching element to a certain value or less. be able to. Therefore, even if the power supply of the output circuit of the class D amplifier is a constant voltage, it can be used for various types of output elements for general purposes.
Further, the magnetic bearing control device of the present invention can appropriately change the resistance value of the current limiting element based on the current flowing through the coil, and limit the current flowing through the switching element to a certain value or less. Therefore, even if the power supply of the output circuit of the class D amplifier is a constant voltage, it can be used for a wide variety of magnetic bearings.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block circuit diagram showing a main configuration of a magnetic bearing control device including a class D amplifier output circuit according to a first reference example .
FIG. 2 is a block circuit diagram showing a main configuration of a magnetic bearing control device including a class D amplifier output circuit according to a second reference example .
3 is a block circuit diagram showing a main structure of a magnetic bearing control device comprising a class D amplifier output circuit according to the implementation embodiments of the present invention.
Claims (2)
前記スイッチング素子を介して電力供給される出力要素と、
前記出力要素と直列に接続され、電流を可変的に制限する電流制限素子と、
を備え、
前記電流制限素子はリニア領域で使用されるパワートランジスタであり、
前記出力要素に流れる電流に基づいて前記D級アンプをフィードバック制御するためのフィードバック信号に基づいて、当該パワートランジスタのゲートを制御するゲート制御回路を備えたことを特徴とするD級アンプ出力回路。A class D amplifier having a switching element controlled by a pulse width modulated signal;
An output element powered via the switching element;
A current limiting element connected in series with the output element to variably limit the current;
With
The current limiting element is a power transistor used in a linear region,
Based on the feedback signal for feedback controlling the class D amplifier based on the current flowing through the output element, the class D amplifier output circuit, characterized in that it comprises a gate control circuit for controlling the gate of the power transistor .
パルス幅変調された信号によって制御されるスイッチング素子を有し、このスイッチング素子を介して前記電磁石に電力供給するD級アンプと、
前記電磁石のコイルと直列に接続され、電流を可変的に制限する電流制限素子と、
を備え、
前記電流制限素子はリニア領域で使用されるパワートランジスタであり、前記コイルに流れる電流に基づいて前記D級アンプをフィードバック制御するためのフィードバック信号に基づいて、当該パワートランジスタのゲートを制御するゲート制御回路を備えたことを特徴とする磁気軸受制御装置。In a magnetic bearing control device that supports a rotating body in a non-contact manner by an electromagnet,
A class D amplifier having a switching element controlled by a pulse width modulated signal, and supplying power to the electromagnet via the switching element;
A current limiting element connected in series with the electromagnet coil and variably limiting the current;
With
The current limiting element is a power transistor used in the linear region, on the basis of the feedback signal to based on the current flowing through the coil feedback control of the D-class amplifier, a gate to control the gate of the power transistor A magnetic bearing control device comprising a control circuit.
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