JP2000074061A - 磁気軸受の制御装置 - Google Patents

磁気軸受の制御装置

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JP2000074061A
JP2000074061A JP10247115A JP24711598A JP2000074061A JP 2000074061 A JP2000074061 A JP 2000074061A JP 10247115 A JP10247115 A JP 10247115A JP 24711598 A JP24711598 A JP 24711598A JP 2000074061 A JP2000074061 A JP 2000074061A
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Japan
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analog input
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range
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JP10247115A
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English (en)
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Hirotomo Kamiyama
拓知 上山
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Koyo Seiko Co Ltd
Original Assignee
Koyo Seiko Co Ltd
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16CSHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C32/00Bearings not otherwise provided for
    • F16C32/04Bearings not otherwise provided for using magnetic or electric supporting means
    • F16C32/0406Magnetic bearings
    • F16C32/044Active magnetic bearings
    • F16C32/0444Details of devices to control the actuation of the electromagnets
    • F16C32/0451Details of controllers, i.e. the units determining the power to be supplied, e.g. comparing elements, feedback arrangements with P.I.D. control
    • F16C32/0455Details of controllers, i.e. the units determining the power to be supplied, e.g. comparing elements, feedback arrangements with P.I.D. control including digital signal processing [DSP] and analog/digital conversion [A/D, D/A]

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 A/Dコンバータのビット数を増やすことな
く、回転体の支持位置精度を向上させる。 【解決手段】 A/Dコンバータ3の出力を受けるDS
P4により、A/Dコンバータ3のアナログ入力レンジ
を選択する。回転体の変位が大きい場合は大きい方のア
ナログ入力レンジを選択し、変位が小さい通常の状態で
は小さい方のアナログ入力レンジを選択して、より小さ
い入力レンジに所定のディジタル値域を割り付けること
により、変位検出の分解能を向上させる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、回転体を非接触支
持する磁気軸受の制御装置に関する。
【0002】
【従来の技術】従来、磁気軸受の制御装置は、回転体の
変位を検出する変位センサからの出力信号電圧をA/D
コンバータに取り込んでディジタル信号に変換した後、
ディジタル信号処理部で演算処理して電磁石制御信号を
得ている。例えば12ビットのA/Dコンバータでは、
±10Vの範囲の出力信号電圧を、±2048の範囲の
ディジタル値に割り付ける。また、変位センサにおける
「変位」対「出力信号電圧」は、±0.1mm=±10
Vの関係にある。従って、A/D変換後における変位検
出の分解能は、0.1/2048[mm]である。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】上記のような従来の磁
気軸受の制御装置において、回転体の支持位置精度を向
上させるには、分解能をさらに良くすることが必要であ
る。分解能をさらに良くするには、A/Dコンバータの
ビット数を増やすことが考えられるが、ディジタル信号
処理部とのデータ処理の関係上、容易ではない。同一ビ
ット数のA/Dコンバータを用いてさらに分解能を良く
するには、±2048の範囲のディジタル値に割り付け
られる入力電圧レンジを±10Vより小さくしなければ
ならない。しかし、回転体の磁気浮上開始時や、回転体
に非常に大きな外力が作用したときには、変位が大きく
なるので、仮に入力電圧レンジが±5Vであったなら
ば、それを超える入力電圧がA/Dコンバータに入力さ
れ、ディジタル出力値が飽和する恐れがある。このよう
な場合には、もはや適切な電磁石制御を行うことができ
なくなる。
【0004】上記のような従来の問題点に鑑み、本発明
は、磁気軸受の制御装置において、A/Dコンバータの
ビット数を増やすことなく、回転体の支持位置精度を向
上させることを目的とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明の磁気軸受の制御
装置は、磁気軸受により支持される回転体の変位を検出
する変位センサと、アナログ入力レンジが選択可能で、
前記変位センサの出力を、選択されたアナログ入力レン
ジでディジタル信号に変換して出力するA/Dコンバー
タと、前記ディジタル信号の値に基づいて前記A/Dコ
ンバータのアナログ入力レンジを選択するとともに、前
記ディジタル信号及び選択されたアナログ入力レンジに
対応した係数に基づいて、電磁石を制御するための制御
信号を出力するディジタル信号処理部と、前記ディジタ
ル信号処理部から出力された制御信号に基づいて、電磁
石の励磁信号を出力する出力部とを備えたことを特徴と
する(請求項1)。
【0006】このように構成された磁気軸受の制御装置
において、ディジタル信号処理部はA/Dコンバータか
ら出力されたディジタル信号の値に基づいてアナログ入
力レンジを選択する。また、ディジタル信号処理部は、
ディジタル信号及び選択されたアナログ入力レンジに対
応した係数に基づいて、電磁石を制御するための制御信
号を出力する。従って、ディジタル信号の値に適したア
ナログ入力レンジを選択して、分解能を優先して回転体
の変位検出精度を向上させるA/D変換と、入力レンジ
の大きさを優先したA/D変換とを場合に応じて使い分
けながら、変位に対して常に一定の関係を有する制御信
号を出力して、電磁石を制御することができる。
【0007】また、前記ディジタル信号処理部は、前記
値の絶対値が所定値に達したとき第1のアナログ入力レ
ンジを選択し、前記値の絶対値が前記所定値未満である
とき前記第1のアナログ入力レンジより入力レンジが小
さい第2のアナログ入力レンジを選択するものであって
もよい(請求項2)。この場合、A/Dコンバータから
出力されたディジタル信号の値が所定値未満であると
き、第1のアナログ入力レンジより入力レンジが小さい
第2のアナログ入力レンジが選択され、より小さい入力
レンジに対して同一のディジタル値域を割り付けること
により、分解能を向上させることができる。
【0008】
【発明の実施の形態】図1は、本発明の一実施形態によ
る磁気軸受の制御装置の構成を示すブロック図である。
図において、変位センサ1は、磁気軸受の回転体(図示
せず。)の変位を検出するために設けられ、通常、ラジ
アル方向の変位センサと、アキシャル方向の変位センサ
とがそれぞれ複数個設けられる。図示しているのは、そ
のうちの任意の1個である。この変位センサ1の出力に
基づいて、電磁石制御回路2により、対応する電磁石7
の電磁力が調節される。電磁石制御回路2は、12ビッ
トのA/Dコンバータ3、ディジタル信号処理部として
のディジタル信号処理プロセッサ(以下、DSPとい
う。)4、並びに、出力部としてのD/Aコンバータ5
及び増幅器6により構成されている。
【0009】上記DSP4は、ソフトウェアプログラム
が可能で、高速実時間処理が可能な専用ハードウェアで
ある。なお、DSP4の代わりにマイクロプロセッサ等
を用いてもよい。上記A/Dコンバータ3は、10V及
び20Vの2種類のアナログ入力レンジを備えており、
DSP4から選択指令としての10V又は20Vの基準
電圧信号が提供されることにより、いずれかのアナログ
入力レンジが選択される。
【0010】次に、上記のように構成された磁気軸受の
制御装置の動作について説明する。変位センサ1は、回
転体の変位に応じた電圧信号(アナログ値)を出力す
る。例えば、変位±0.1mmに対しての変位センサ1
の出力電圧は±10Vである。変位センサ1の出力電圧
は、A/Dコンバータ3によりディジタル信号に変換さ
れる。A/Dコンバータ3の出力するディジタル信号は
DSP4に入力され、そこで所定の演算処理(PID演
算等)を施され、電磁石制御信号としてD/Aコンバー
タ5に出力される。D/Aコンバータ5は電磁石制御信
号をアナログ信号に変換して出力し、これを増幅器6が
増幅して電磁石7に供給する。このようにして、回転体
の変位に応じて所要の励磁信号が電磁石に与えられ、回
転体の支持位置制御が行われる。
【0011】図2は、上記アナログ入力レンジの選択に
関するルーチンの一例を示すフローチャートである。こ
のルーチンは電磁石制御の一環としてDSP4により所
定周期で高速に実行される。図1及び図2において、D
SP4は、初期状態として例えば、A/Dコンバータ3
に対して10Vレンジ(高分解能)の選択指令を出力し
ているとする。この場合、DSP4はステップ101か
ら102へ進む。ここで、A/Dコンバータ3から入力
されるディジタル信号の絶対値の最大値が2048(=
12/2)に達しない限り、DSP4は10Vレンジ
の選択指令を維持する(ステップ102のノーで終
了。)。
【0012】上記10Vレンジとは、アナログ入力±5
Vに対してディジタル値±2048を割り付けるレンジ
である。前述のように、変位±0.1mmに対しての変
位センサ1の出力電圧は±10Vであるので、アナログ
入力±5Vは変位±0.05mmに相当する。従って、
この場合の変位に対する分解能は、0.05/2048
[mm]となる。磁気軸受の通常の運転状態において、
回転体はほぼ目標位置に支持されるように制御されてお
り、大きな変位は生じない。従って、10Vレンジの選
択により、アナログ入力レンジは±5Vと小さいが、変
位の検出に関して上記の高い分解能を得ることができ
る。
【0013】一方、回転体の磁気浮上開始時や、回転体
に非常に大きな外力が作用したときには、変位が大きく
なり、A/Dコンバータ3から入力されるディジタル信
号の絶対値の最大値が2048に達する(ステップ10
2のイエス)。このときDSP4は、A/Dコンバータ
3に対して20Vレンジ(低分解能)の選択指令を出力
する(ステップ103)。20Vレンジとは、アナログ
入力±10Vに対してディジタル値±2048を割り付
けるレンジである。この場合の、変位に対する分解能
は、0.1/2048[mm]となる。従って、分解能
は10Vレンジ選択時の半分に低下するが、アナログ入
力レンジが±10Vと大きくなり、大きな変位であって
も、対応するディジタル値に変換することができる。2
0Vレンジ選択中(ステップ101のノー)は、A/D
コンバータ3から入力されるディジタル信号の絶対値の
最大値が1024より大きい限り、DSP4は20Vレ
ンジを維持する(ステップ104のノーで終了。)。一
方、A/Dコンバータ3から入力されるディジタル信号
の絶対値の最大値が1024以下になった場合、DSP
4は10Vレンジを選択する(ステップ105)。
【0014】DSP4は、10Vレンジを選択している
ときは、出力を1倍して(すなわち、そのまま)D/A
コンバータ5に出力する。一方、20Vレンジを選択し
ているときは、同一の変位に対するディジタル出力が1
0Vレンジ選択時と比べて1/2となるので、出力を2
倍にしてD/Aコンバータ5に出力する。このようにし
て、選択されたアナログ入力レンジに対応した係数(1
又は2)を乗じた出力を提供することにより、D/Aコ
ンバータ5に入力されるディジタル信号はアナログ入力
レンジに関係なく、変位に対して常に一定の関係の値と
なる。但し、分解能に関しては、10Vレンジ選択時
は、20Vレンジ選択時の2倍の感度となる。従って、
回転体の変位を精度良く捉えて適切な電磁石制御を行う
ことにより、さらに正確に回転体の支持位置制御を行う
ことができる。
【0015】
【発明の効果】以上のように構成された本発明は以下の
効果を奏する。請求項1の磁気軸受の制御装置によれ
ば、ディジタル信号の値に適したアナログ入力レンジを
選択して、分解能を優先して回転体の変位検出精度を向
上させるA/D変換と、入力レンジの大きさを優先した
A/D変換とを場合に応じて使い分けながら、変位に対
して常に一定の関係を有する制御信号を出力して、電磁
石を制御することができる。従って、A/Dコンバータ
のビット数を増やすことなく、回転体の支持位置精度を
向上させることができる。
【0016】請求項2の磁気軸受の制御装置によれば、
A/Dコンバータから出力されたディジタル信号の値が
所定値未満であるとき、第1のアナログ入力レンジより
入力レンジが小さい第2のアナログ入力レンジが選択さ
れ、より小さい入力レンジに対して同一のディジタル値
域を割り付けることにより、分解能を向上させることが
できる。従って、A/Dコンバータのビット数を増やす
ことなく、回転体の支持位置精度を向上させることがで
きる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態による磁気軸受の制御装置
の構成を示すブロック図である。
【図2】上記制御装置のDSPによって実行される、ア
ナログ入力レンジの選択に関するルーチンの一例を示す
フローチャートである。
【符号の説明】
1 変位センサ 2 電磁石制御回路 3 A/Dコンバータ 4 DSP 5 D/Aコンバータ 6 増幅器 7 電磁石

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】磁気軸受により支持される回転体の変位を
    検出する変位センサと、 アナログ入力レンジが選択可能で、前記変位センサの出
    力を、選択されたアナログ入力レンジでディジタル信号
    に変換して出力するA/Dコンバータと、 前記ディジタル信号の値に基づいて前記A/Dコンバー
    タのアナログ入力レンジを選択するとともに、前記ディ
    ジタル信号及び選択されたアナログ入力レンジに対応し
    た係数に基づいて、電磁石を制御するための制御信号を
    出力するディジタル信号処理部と、 前記ディジタル信号処理部から出力された制御信号に基
    づいて、電磁石の励磁信号を出力する出力部とを備えた
    ことを特徴とする磁気軸受の制御装置。
  2. 【請求項2】前記ディジタル信号処理部は、前記値の絶
    対値が所定値に達したとき第1のアナログ入力レンジを
    選択し、前記値の絶対値が前記所定値未満であるとき前
    記第1のアナログ入力レンジより入力レンジが小さい第
    2のアナログ入力レンジを選択することを特徴とする請
    求項1記載の磁気軸受の制御装置。
JP10247115A 1998-09-01 1998-09-01 磁気軸受の制御装置 Pending JP2000074061A (ja)

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006071069A (ja) * 2004-09-06 2006-03-16 Boc Edwards Kk 磁気軸受装置及び該磁気軸受装置が搭載されたターボ分子ポンプ
JP2006112490A (ja) * 2004-10-13 2006-04-27 Boc Edwards Kk 磁気軸受装置

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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006071069A (ja) * 2004-09-06 2006-03-16 Boc Edwards Kk 磁気軸受装置及び該磁気軸受装置が搭載されたターボ分子ポンプ
JP4502750B2 (ja) * 2004-09-06 2010-07-14 エドワーズ株式会社 磁気軸受装置及び該磁気軸受装置が搭載されたターボ分子ポンプ
JP2006112490A (ja) * 2004-10-13 2006-04-27 Boc Edwards Kk 磁気軸受装置

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