JP2004251311A - Magnetic levitation device - Google Patents

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JP2004251311A
JP2004251311A JP2003039477A JP2003039477A JP2004251311A JP 2004251311 A JP2004251311 A JP 2004251311A JP 2003039477 A JP2003039477 A JP 2003039477A JP 2003039477 A JP2003039477 A JP 2003039477A JP 2004251311 A JP2004251311 A JP 2004251311A
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Japan
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magnetic levitation
gain
control system
electromagnet
floating
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Japanese (ja)
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Yoshihiro Nagano
善宏 長野
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Shimadzu Corp
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Shimadzu Corp
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    • 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
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    • F16C32/044Active magnetic bearings
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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
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a magnetic levitation device capable of controlling magnetic levitation by utilizing the sum components of signals from position sensors. <P>SOLUTION: In the magnetic levitation device, position sensors 3A and 3B are disposed facing each other across an object 1 to be supported, and sense the position of the levitation control direction of the object 1. Signals output from sensor circuits 4A and 4B are input into a differential unit 5 and an adder 6. The differential unit 5 generates displacement components which are the difference of the signals, and the adder 6 generates sum components of the signals. A gain setting unit 8 calculates the gain of a magnetic levitation control system 7 suitable of the magnetic levitation system based on the sum components when the object 1 is levitated at the target levitation position, and the gain of the magnetic levitation control system 7 is set to be the calculated gain. Consistent magnetic levitation control can be maintained even when the gap is changed by thermal expansion or the like. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁気軸受装置や磁気搬送装置等の磁気浮上装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
磁気軸受装置や磁気搬送装置等の磁気浮上装置においては、電磁石により非接触支持される被支持体の位置(移動量)を位置センサで検出し、位置センサからの信号に基づいて電磁石コイルの電流を制御することにより、被支持体を最適位置に浮上させるようにしている。位置センサとしては、例えば、インダクタンスの変化を利用した電磁誘導型センサが用いられており、電磁石の近傍に検出用のコイルを設けて検出用の信号を印加するものである。
【0003】
また、位置センサを必要としない磁気浮上装置として、被支持体と電磁石とのギャップを検出するための交流信号を電磁石電流に重畳させる「重畳方式」の磁気軸受装置が知られている(例えば、特許文献1参照。)。いずれの磁気浮上装置の場合でも、対向する位置センサまたは電磁石のセンサ信号(重畳信号)の差成分を用いて、被支持体が、対向する電磁石間の浮上目標位置に浮上するように制御している。
【0004】
上述したような磁気浮上装置では、磁気浮上系に機械的な誤差があるため、例えば、電磁石と被支持体とのギャップ寸法にばらつきがあるため、磁気浮上系の利得も装置ごとにばらついている。そのため、磁気浮上系と制御系とを結合した際に、磁気浮上系の利得と制御系の利得とをマッチングさせるチューニング作業が行われる。
【0005】
【特許文献1】
特開平5−118329号公報
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、チューニング作業を磁気浮上系と制御系とを結合した際に行った場合でも、被支持体や電磁石の温度変化等により、ギャップ寸法が変化することがある。ギャップ寸法が変化すると磁気浮上系の利得も変化するため、制御系の利得とのマッチングがくずれて、磁気浮上制御が不安定となるおそれがあった。
【0007】
本発明は、被支持体の浮上位置を検出するための位置センサの信号の和成分を利用して磁気浮上制御を行う磁気浮上装置を提供するものである。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明は、被支持体を磁気浮上させる電磁石と、被支持体を挟んで対向して配置されるとともに、被支持体の浮上制御方向の位置を検出する一対の位置検出センサと、位置検出センサの検出結果に基づいて電磁石の励磁電流を制御する磁気浮上制御系と、一対の位置検出センサから出力されるセンサ信号の和を演算する演算部と、被支持体が浮上目標位置に浮上しているときに、演算部の演算結果に基づいて磁気浮上制御系の制御パラメータを設定する設定部とを有する。そして、磁気浮上制御系は設定された制御パラメータに基づいて電磁石の励磁電流を制御する。
また、浮上位置検出手段は、被支持体を挟んで対向して配置された一対の電磁石の励磁電流に重畳されたセンサ信号を検出して前記浮上位置を検出するものであっても良い。その場合、演算部は、浮上位置検出手段によって検出された一対のセンサ信号の和を演算する。
制御パラメータとしては、例えば、磁気浮上制御系の利得がある。
【0009】
【発明の実施の形態】
以下、図を参照して本発明の実施の形態を説明する。図1は本発明による磁気浮上装置の一実施の形態を示すブロック図である。図1において、磁気浮上装置の被支持体1は電磁石2A、2Bの吸引力により非接触支持される。例えば、5軸型磁気軸受であれば、被支持体1はロータに、電磁石2A、2Bはロータを支持する4対のラジアル電磁石の内の1対にそれぞれ対応している。
【0010】
電磁石2A,2Bの近傍には位置センサ3A,3Bが配設されている。電磁石2A,2Bおよび位置センサ3A,3Bは、各々が被支持体1を挟んで配置されている。電磁石2A,2Bと被支持体1とのギャップ寸法はそれぞれd2A,d2Bであり、位置センサ3A,3Bと被支持体1とのギャップ寸法はそれぞれd3A,d3Bである。被支持体1が電磁石2A,2Bの中心に浮上しているときには、d2A=d2B、d3A=d3Bである。なお、以下では、電磁石2A,2Bおよび位置センサ3A,3Bのギャップ寸法は等しく、d2A=d3A、d2B=d3Bの関係にあるとして説明する。
【0011】
位置センサ2A,2Bとして、例えば、インダクタンスの変化を利用した電磁誘導型センサを用いた場合、被支持体1が位置センサ3A側に偏心するとd3A<d3Bとなって、位置センサ3A側のインダクタンスは大きくなりセンサ信号も大きくなる。逆に、位置センサ3B側のインダクタンスは小さくなり、センサ信号も小さくなる。
【0012】
位置センサ3Aのセンサ信号はセンサ回路4Aに入力され、センサ回路4Aで増幅された後に差分器5および加算器6の両方にそれぞれ入力される。一方、位置センサ3Bのセンサ信号はセンサ回路4Bに入力され、センサ回路4Bで増幅された後に差分器5および加算器6の両方にそれぞれ入力される。例えば、センサ回路4A,4Bからの信号をそれぞれSa,Sbとすれば、差分器5からは差分(Sa−Sb)が出力され、加算器6からは和(Sa+Sb)が出力される。
【0013】
差分(Sa−Sb)は被支持体1と電磁石2A,2Bとの間のギャップd3A,d3Bの差に相当し、以下では変位成分と呼ぶことにする。すなわち、被支持体1が位置センサ3A,3Bの中心に浮上しているときには変位成分(Sa−Sb)はゼロとなり、被支持体1が中心からずれると変位成分は(Sa−Sb)≠0となる。一方、和(Sa+Sb)はギャップd3A,d3Bの和に相当し、以下では和成分と呼ぶことにする。
【0014】
変位成分(Sa−Sb)は磁気浮上制御系7に入力され、和成分(Sa+Sb)は利得設定部8に入力される。利得設定部8は、和成分(Sa+Sb)に基づいて磁気浮上制御系7の利得を設定する。磁気浮上制御系7は、差分器5からの変位成分(Sa−Sb)と利得設定部8により設定された利得とに基づいて、電磁石駆動回路9A,9Bを制御する。磁気浮上制御系7では、変位成分(Sa−Sb)から算出される被支持体1の浮上位置と予め設定された浮上目標位置とを比較して、PID制御等により電磁石電流制御量を算出する。各電磁石駆動回路9A,9Bは、電磁石電流制御量に基づく電磁石電流を電磁石2A,2Bにそれぞれ供給する。
【0015】
ところで、被支持体1や電磁石2A,2Bは電磁石2A,2B等の発熱による温度変化によって熱膨張し、被支持体1が中心位置に浮上していてもギャップ寸法d2A,d2B,d3A,d3Bが変化することがある。そのような場合、センサ回路4A,4Bから出力される信号Sa,Sbも変化することになる。そのため、磁気浮上系の利得が変化し、被支持体1が中心位置から変位したときに、電磁石2A,2Bが被支持体1を中心方向に戻そうとする力も変化する。
【0016】
例えば、電磁石2A,2Bの力がギャップ寸法d2A,d2Bの2乗に反比例し、位置センサ3A,3Bの感度がギャップ寸法に反比例する場合について考える。ギャップ寸法d2A,d2Bが熱膨張によって1/2に減少した場合、電磁石2A,2Bの力は2×2=4倍に増大する。そのため、被支持体1を中心方向に戻すための電磁石電流変化が同一であっても、中心位置に戻そうとする力は4倍になる。さらに、位置センサ3A,3Bの感度も2倍になるので、同一変位に対して信号Sa,Sbの大きさは2倍になる。すなわち、実際の変位がαであっても、2倍の2αだけ変位したと認識されることになる。その結果、磁気浮上系としては利得が8倍になったとみなすことができる。
【0017】
このような装置運転中における磁気浮上系の利得の変化に対応して、従来の装置では制御系の利得を変えることはなかったので、磁気浮上系と制御系とのマッチングがくずれて磁気浮上状態が不安定となるおそれがあった。一方、図1に示した本実施の形態の磁気浮上装置では、加算器6および利得設定部8を設けることによって、磁気浮上系の利得の変化に対応して磁気浮上制御系7の利得を変えるようにして、磁気軸受制御が常に安定するようにした。
【0018】
上述したように、ギャップ寸法d2A,d2B,d3A,d3Bが小さくなると磁気浮上系の利得が大きくなって、被支持体1の変位に対して元に戻そうとする力が本来よりも強くなってしまうことになる。逆に、なんらかの原因でギャップ寸法d2A,d2B,d3A,d3Bが大きくなるような場合には、磁気浮上系の利得が小さくなって、被支持体1の変位に対して元に戻そうとする力が本来よりも弱くなってしまうことになる。
【0019】
本実施の形態では、磁気浮上系の利得が変化した場合には、その変化を打ち消すように磁気浮上制御系7の利得を変化させるようにした。例えば、熱膨張によってギャップ寸法d2A,d2B,d3A,d3Bが小さくなった場合には、磁気浮上制御系7の利得を下げて本来の制御状態とほぼ等しい制御状態に保って安定的な磁気浮上制御を維持するようにした。特に、磁気軸受式ターボ分子ポンプでは、被支持体1であるロータは真空中に浮上しているために放熱し難く、熱膨張による不安定状態が発生しやすい。
【0020】
図1において、差分器5から出力される変位成分(Sa−Sb)は、上述したように被支持体1の変位を表している。被支持体1が中心位置に浮上している場合にはSa=Sbであるから変位成分=0となり、中心位置から変位すると変位成分≠0となる。すなわち、被支持体1が中心位置からずれているか否かを変位成分(Sa−Sb)で検出し、磁気浮上制御装置7は電磁石駆動回路9A,9Bを制御する。そのときの利得については利得設定部8で設定する。
【0021】
ところで、変位成分(Sa−Sb)では被支持体1が中心位置からずれているか否かは検出できるが、ギャップ寸法d2A,d2B,d3A,d3Bが変化したか否かを検出できない。すなわち、被支持体1が中心位置に浮上しているときには、ギャップ寸法変化による信号Sa、Sbの変化量ΔSは互いに等しく、差分をとると変化量同士が打ち消し合って変化が検出できなくなる。
【0022】
一方、加算器6から出力される和成分(Sa+Sb)の場合には、ギャップ寸法変化によって2ΔSだけ変化する。よって、被支持体1が中心位置に浮上しているときの和成分(Sa+Sb)を利用することにより、熱膨張等によるギャップ変化を検出することができる。ギャップ変化前にセンサ回路4A,4Bから出力される信号をSa,Sb、ギャップ変化後の信号をSa’,Sb’とすれば、和成分は(Sa+Sb)から(Sa’+Sb’)に変化する。これらの比β=(Sa’+Sb’)/(Sa+Sb)はギャップ寸法変化の程度を表しており、ギャップ寸法変化=0の場合にはβ=1、ギャップ寸法が大きくなった場合にはβ>1、ギャップ寸法が小さくなった場合にはβ<1となる。
【0023】
利得設定部8には予め磁気浮上制御系7の利得Gが記憶されており、その利得Gは上述したβを含むG(β)のように表しておく。そして、被支持体1が中心位置に浮上しているときのセンサ信号Sa’,Sb’を検出し、加算器6で和成分(Sa+Sb)を求める。利得設定部8には基準となる和成分(Sa+Sb)が記憶されており、これらからβ’=(Sa’+Sb’)/(Sa+Sb)を算出する。そして、算出されたβ’を利得G(β)のβに代入する。利得設定部8は、磁気浮上制御系7の利得Gを、算出された利得G(β’)に置き換える。磁気浮上制御系7は、新たな利得G(β’)に基づいて電磁石駆動回路9A,9Bを制御する。
【0024】
磁気浮上制御系7の利得Gの設定タイミングとしては、例えば、装置起動時に行ったり、起動後に所定時間間隔で行ったり、起動後に算出されたβ’が所定値以上となった場合等に行うようにすれば良い。一般的に、電磁石2A,2Bや位置センサ3A,3Bには寸法誤差や組立誤差等があるので、装置起動時に利得Gの設定を行うことにより、これらの機械的誤差による磁気浮上系の利得の変動を打ち消すように利得のマッチングを図ることができる。
【0025】
また、起動後に利得Gの設定を行うことにより、熱膨張等に起因するギャップ変化によって磁気浮上系の利得が変化した場合でも、磁気浮上制御系7の利得をG(β’)に設定することにより、安定的な磁気浮上制御を維持することができる。さらに、ギャップ寸法d2A,d2B,d3A,d3Bの変化した場合だけでなく、位置センサ3A,3Bとセンサ回路4A,4Bとを結んでいるケーブルを変えた場合にも信号Sa,Sbは変化する。このような場合にも磁気浮上系の利得は変化するが、本実施の形態では、このような場合にも磁気浮上制御系の利得をG(β’)に設定することにより、磁気浮上制御系7の利得を磁気浮上系の利得にマッチングさせることができる。
【0026】
従来、利得調整を行う場合には、被支持体1を変位可能範囲内で移動させ、その移動量から電磁石2A,2Bと被支持体1とのギャップ寸法d3A,d3Bを推定していた。例えば、磁気軸受装置においては、ロータをタッチダウンベアリングに接触させてギャップ寸法d3A,d3Bを間接的に求めていた。しかし、タッチダウンベアリングに取付誤差があるため、それがギャップ寸法測定誤差となってしまう。一方、本実施の形態では、位置センサ信号の和成分を用いて中心位置浮上時のギャップ寸法を直接的に求めているため、ギャップ寸法測定誤差が小さくなり、従来よりも利得調整の精度が向上する。
【0027】
−第2の実施の形態−
図2は、本発明による磁気浮上装置の第2の実施の形態を示すブロック図である。なお、図1と同一部分には同一の符号を付した。以下では、図1と異なる部分を中心に説明する。図2に示す磁気浮上装置は、「重畳方式」の磁気浮上装置である。重畳信号発生回路13で生成された重畳信号は、電磁石駆動回路9A,9Bおよび同期検波回路12A,12Bに入力される。この重畳信号は、磁気浮上制御の周波数帯域から十分離れた周波数を有するものであり、電磁石2A,2Bの駆動信号に重畳される。
【0028】
電磁石2A,2Bに流れる励磁電流の電流値はそれぞれ電流検出部10A,10Bにより検出される。電流検出部10A,10Bは、例えば抵抗などを用いて電流値を電圧信号として出力する。電流検出部10Aから出力された電流検出信号は、電磁石駆動回路9Aおよび重畳成分抽出部11Aに入力される。一方、電流検出部10Bから出力された電流検出信号は、電磁石駆動回路9Bおよび重畳成分抽出部11Bに入力される。
【0029】
重畳成分抽出部11A,11Bでは、電流検出信号に含まれる重畳信号成分をそれぞれ抽出する。差分器5では、電磁石2Aに関する重畳信号成分と電磁石2Bに関する重畳信号成分との差が演算される。加算器6では、重畳信号成分と重畳信号成分との和が演算される。
【0030】
差分器5から出力された差分信号は同期検波回路12Bに入力される。同期検波回路12Bでは、重畳信号発生回路13からの重畳信号を参照信号として、差分信号の同期検波が行われる。この同期検波により得られる信号は第1の実施の形態における差分信号(変位成分)と同様のものであり、第1の実施の形態と同様に変位成分と呼ぶことにする。
【0031】
一方、加算器6から出力された和信号は同期検波回路12Aに入力されて、差分信号の場合と同様の同期検波が行われる。同期検波により得られる信号は第1の実施の形態の和成分と同様のものであり、これも和成分と呼ぶことにする。この和成分は利得設定部8に入力され、第1の実施の形態と同様に和成分に基づいて磁気浮上制御系7の利得が設定される。
【0032】
磁気浮上制御系7は、同期検波回路12Bからの変位成分と利得設定部8により設定された利得に基づいて、電磁石駆動回路9A,9Bを制御する。磁気浮上制御系7では、変位成分から算出される被支持体1の浮上位置と予め設定された浮上目標位置とを比較して、利得設定部8により設定された利得に基づいて電磁石電流制御量を算出する。そして、この電磁石電流制御量に基づいて、各電磁石駆動回路9A,9Bは電磁石2A,2Bを駆動する。
【0033】
本実施の形態においても、例えば、熱膨張等に起因する磁気浮上系の利得の変化があった場合、和成分を用いることによって磁気浮上系の利得変化を打ち消すように磁気浮上制御系7の利得を設定することができる。その結果、常に安定的な磁気浮上制御を行うことができる。
【0034】
ところで、上述した第1の実施の形態の装置では、位置センサ3A,3Bと電磁石2A,2Bとの間の相対位置誤差がギャップ寸法測定誤差に影響する。このギャップ寸法誤差は、位置センサ3A,3Bや電磁石2A,2Bの組付誤差に起因することもあるし、両者の間の熱膨張差に起因したりする。
【0035】
一方、本実施の形態は、電磁石電流に重畳された重畳信号に基づいて被支持体1の位置を検出する「重畳方式」の磁気浮上装置であるため、本来必要な電磁石2A,2Bと被支持体1とのギャップd2A,d2Bに基づいて磁気浮上制御を行うことができる。そのため、磁気浮上制御の安定性がより向上する。
【0036】
なお、上述した実施の形態では、和成分に基づいて磁気浮上制御系7の制御パラメータである利得の設定を変えたが、設定変更する制御パラメータとしては利得だけでなく周波数特性であっても良い。
【0037】
また、図1,2では、制御系をハードウェア的に構成しているが、重畳信号発生回路13,重畳成分抽出部11A,11B,差分器5,加算器6,同期検波回路12A,12B,利得設定部8および磁気浮上制御系7はソフトウェア的に構成することもできる。本実施の形態の磁気浮上装置は、例えば、ターボ分子ポンプの磁気軸受や磁気搬送装置などに適用することができる。なお、本発明の特徴を損なわない限り、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではない。
【0038】
以上説明した実施の形態と特許請求の範囲の要素との対応において、第1の実施の形態の位置センサ3A,3Bおよびセンサ回路4A,4B、第2の実施の形態の重畳信号発生回路13,電流検出部10A,10Bおよび重畳成分抽出部11A,11Bは浮上位置検出手段を、加算器6は演算部をそれぞれ構成する。
【0039】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、熱膨張などにより磁気浮上系の利得が変化した場合でも、その変化を打ち消すように磁気浮上系の利得を設定することによって、被支持体や電磁石の温度変化などにより磁気浮上制御が不安定になるのを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による磁気浮上装置の一実施の形態を示すブロック図である。
【図2】本発明による磁気浮上装置の第2の実施の形態を示すブロック図である。
【符号の説明】
1 被支持体
2A,2B 電磁石
3A,3B 位置センサ
4A,4B センサ回路
5 差分器
6 加算器
7 磁気浮上制御系
8 利得設定部
9A,9B 電磁石駆動回路
10A,10B 電流検出部
11A,11B 重畳成分抽出部
12A,12B 同期検波回路
13 重畳信号発生回路
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a magnetic levitation device such as a magnetic bearing device and a magnetic transport device.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art In a magnetic levitation device such as a magnetic bearing device or a magnetic transfer device, the position (movement amount) of a supported body that is non-contact supported by an electromagnet is detected by a position sensor, and the current of the electromagnet coil is determined based on a signal from the position sensor. Is controlled so that the supported member floats to the optimum position. As the position sensor, for example, an electromagnetic induction type sensor using a change in inductance is used, and a detection coil is provided near an electromagnet to apply a detection signal.
[0003]
As a magnetic levitation device that does not require a position sensor, a “superposition type” magnetic bearing device that superimposes an AC signal for detecting a gap between a supported body and an electromagnet on an electromagnet current is known (for example, See Patent Document 1.). In any case of the magnetic levitation device, the supported member is controlled by using the difference component of the sensor signal (superimposed signal) of the facing position sensor or the electromagnet so as to float to the levitation target position between the facing electromagnets. I have.
[0004]
In the magnetic levitation device as described above, since there is a mechanical error in the magnetic levitation system, for example, the gap size between the electromagnet and the supported member varies, so that the gain of the magnetic levitation system varies from device to device. . Therefore, when the magnetic levitation system and the control system are combined, a tuning operation for matching the gain of the magnetic levitation system with the gain of the control system is performed.
[0005]
[Patent Document 1]
JP-A-5-118329
[Problems to be solved by the invention]
However, even when the tuning operation is performed when the magnetic levitation system and the control system are connected, the gap size may change due to a temperature change of the supported member or the electromagnet. When the gap size changes, the gain of the magnetic levitation system also changes. Therefore, the matching with the gain of the control system may be lost, and the magnetic levitation control may be unstable.
[0007]
The present invention provides a magnetic levitation device that performs magnetic levitation control using a sum component of a signal from a position sensor for detecting a levitation position of a supported body.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
The present invention relates to an electromagnet for magnetically levitating a supported body, a pair of position detection sensors disposed opposite to each other with the supported body interposed therebetween, and detecting a position of the supported body in a floating control direction, and a position detection sensor. A magnetic levitation control system that controls the exciting current of the electromagnet based on the detection result of the electromagnet, a calculation unit that calculates the sum of the sensor signals output from the pair of position detection sensors, and the supported member levitates to the levitating target position. And a setting unit for setting a control parameter of the magnetic levitation control system based on a calculation result of the calculation unit. Then, the magnetic levitation control system controls the exciting current of the electromagnet based on the set control parameters.
Further, the floating position detecting means may detect the floating position by detecting a sensor signal superimposed on exciting currents of a pair of electromagnets arranged to face each other with the supported member interposed therebetween. In this case, the calculation unit calculates the sum of the pair of sensor signals detected by the flying position detection unit.
The control parameters include, for example, the gain of the magnetic levitation control system.
[0009]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a block diagram showing one embodiment of a magnetic levitation device according to the present invention. In FIG. 1, a supported body 1 of a magnetic levitation device is supported in a non-contact manner by the attraction force of electromagnets 2A and 2B. For example, in the case of a five-axis type magnetic bearing, the supported body 1 corresponds to the rotor, and the electromagnets 2A and 2B correspond to one pair of four pairs of radial electromagnets supporting the rotor.
[0010]
Position sensors 3A and 3B are provided near the electromagnets 2A and 2B. The electromagnets 2A, 2B and the position sensors 3A, 3B are arranged with the supported body 1 interposed therebetween. Electromagnets 2A, 2B and the respective gap dimension between the support 1 d 2A, an d 2B, the position sensor 3A, 3B and each gap dimension between the support 1 d 3A, a d 3B. When the supported member 1 is floating at the center of the electromagnets 2A and 2B, d 2A = d 2B and d 3A = d 3B . In the following, the electromagnets 2A, 2B and position sensor 3A, gap dimension 3B are equal, will be described as being d 2A = d 3A, a relation of d 2B = d 3B.
[0011]
For example, when an electromagnetic induction type sensor using a change in inductance is used as the position sensors 2A and 2B, if the supported body 1 is eccentric to the position sensor 3A, d 3A <d 3B, and the position sensor 3A The inductance increases and the sensor signal also increases. Conversely, the inductance on the position sensor 3B side decreases, and the sensor signal also decreases.
[0012]
The sensor signal of the position sensor 3A is input to the sensor circuit 4A, amplified by the sensor circuit 4A, and then input to both the differentiator 5 and the adder 6, respectively. On the other hand, the sensor signal of the position sensor 3B is input to the sensor circuit 4B, amplified by the sensor circuit 4B, and then input to both the differentiator 5 and the adder 6. For example, assuming that the signals from the sensor circuits 4A and 4B are Sa and Sb, respectively, the difference (Sa−Sb) is output from the differentiator 5, and the sum (Sa + Sb) is output from the adder 6.
[0013]
The difference (Sa−Sb) corresponds to the difference between the gaps d 3A and d 3B between the supported body 1 and the electromagnets 2A and 2B, and is hereinafter referred to as a displacement component. That is, when the supported body 1 is floating at the center of the position sensors 3A and 3B, the displacement component (Sa-Sb) becomes zero, and when the supported body 1 deviates from the center, the displacement component (Sa-Sb) ≠ 0. It becomes. On the other hand, the sum (Sa + Sb) corresponds to the sum of the gaps d 3A and d 3B , and is hereinafter referred to as a sum component.
[0014]
The displacement component (Sa−Sb) is input to the magnetic levitation control system 7, and the sum component (Sa + Sb) is input to the gain setting unit 8. The gain setting unit 8 sets the gain of the magnetic levitation control system 7 based on the sum component (Sa + Sb). The magnetic levitation control system 7 controls the electromagnet drive circuits 9A and 9B based on the displacement component (Sa-Sb) from the difference unit 5 and the gain set by the gain setting unit 8. The magnetic levitation control system 7 compares the levitation position of the supported body 1 calculated from the displacement component (Sa-Sb) with a preset levitation target position, and calculates an electromagnet current control amount by PID control or the like. . Each of the electromagnet drive circuits 9A and 9B supplies an electromagnet current to the electromagnets 2A and 2B based on the electromagnet current control amount.
[0015]
Meanwhile, the support 1 and the electromagnet 2A, 2B is thermally expanded by a temperature change due to heat generation, such as electromagnet 2A, 2B, the support 1 gap size also has emerged at the center position d 2A, d 2B, d 3A , D 3B may change. In such a case, the signals Sa and Sb output from the sensor circuits 4A and 4B also change. Therefore, the gain of the magnetic levitation system changes, and when the supported body 1 is displaced from the center position, the force by which the electromagnets 2A and 2B return the supported body 1 to the center direction also changes.
[0016]
For example, consider the case where the electromagnets 2A, the force of 2B gap dimension d 2A, inversely proportional to the square of d 2B, the position sensor 3A, the sensitivity of the 3B is inversely proportional to the gap dimension. When the gap dimensions d 2A and d 2B are reduced by half due to thermal expansion, the force of the electromagnets 2A and 2B increases by 2 × 2 = 4 times. Therefore, even if the change in the electromagnet current for returning the supported body 1 to the center direction is the same, the force for returning to the center position is quadrupled. Further, since the sensitivities of the position sensors 3A and 3B are also doubled, the magnitudes of the signals Sa and Sb are doubled for the same displacement. That is, even if the actual displacement is α, it is recognized that the displacement is twice 2α. As a result, it can be considered that the gain of the magnetic levitation system has increased eightfold.
[0017]
In response to such a change in the magnetic levitation system gain during operation of the device, the conventional device did not change the gain of the control system, so the matching between the magnetic levitation system and the control system was lost and the magnetic levitation state Could become unstable. On the other hand, in the magnetic levitation apparatus of the present embodiment shown in FIG. 1, by providing the adder 6 and the gain setting unit 8, the gain of the magnetic levitation control system 7 is changed according to the change of the gain of the magnetic levitation system. In this way, the magnetic bearing control is always stabilized.
[0018]
As described above, when the gap dimensions d 2A , d 2B , d 3A , and d 3B are reduced, the gain of the magnetic levitation system is increased, and the force for returning to the displacement of the supported member 1 is originally smaller than the original. Will also become stronger. Conversely, when the gap dimensions d 2A , d 2B , d 3A , and d 3B increase for some reason, the gain of the magnetic levitation system decreases, and the gap returns to the original with respect to the displacement of the supported member 1. The force to do so will be weaker than it should be.
[0019]
In the present embodiment, when the gain of the magnetic levitation system changes, the gain of the magnetic levitation control system 7 is changed so as to cancel the change. For example, when the gap dimensions d 2A , d 2B , d 3A , and d 3B are reduced due to thermal expansion, the gain of the magnetic levitation control system 7 is reduced to maintain the control state substantially equal to the original control state, thereby achieving stable operation. Magnetic levitation control was maintained. In particular, in the magnetic bearing type turbo-molecular pump, the rotor as the supported member 1 is hard to radiate heat because it floats in a vacuum, and an unstable state due to thermal expansion is likely to occur.
[0020]
In FIG. 1, the displacement component (Sa-Sb) output from the differentiator 5 represents the displacement of the supported body 1 as described above. When the supported member 1 is floating at the center position, Sa = Sb, so that the displacement component = 0, and when displaced from the center position, the displacement component becomes ≠ 0. That is, whether or not the supported body 1 is deviated from the center position is detected by the displacement component (Sa-Sb), and the magnetic levitation control device 7 controls the electromagnet drive circuits 9A and 9B. The gain at that time is set by the gain setting unit 8.
[0021]
By the way, the displacement component (Sa-Sb) can detect whether or not the supported body 1 is shifted from the center position, but cannot detect whether or not the gap dimensions d 2A , d 2B , d 3A , d 3B have changed. . That is, when the supported body 1 is floating at the center position, the change amounts ΔS of the signals Sa and Sb due to the change in the gap size are equal to each other, and if the difference is obtained, the change amounts cancel each other out, and the change cannot be detected.
[0022]
On the other hand, in the case of the sum component (Sa + Sb) output from the adder 6, the sum changes by 2ΔS due to a change in the gap size. Therefore, a gap change due to thermal expansion or the like can be detected by using the sum component (Sa + Sb) when the supported body 1 is floating at the center position. If the signals output from the sensor circuits 4A and 4B before the gap change are Sa and Sb, and the signals after the gap change are Sa 'and Sb', the sum component changes from (Sa + Sb) to (Sa '+ Sb'). . These ratios β = (Sa ′ + Sb ′) / (Sa + Sb) represent the degree of change in the gap size, β = 1 when the gap size change = 0, and β> when the gap size becomes large. 1. β <1 when the gap size is small.
[0023]
The gain G of the magnetic levitation control system 7 is stored in the gain setting unit 8 in advance, and the gain G is represented as G (β) including β described above. Then, the sensor signals Sa ′ and Sb ′ when the supported body 1 is floating at the center position are detected, and the adder 6 calculates the sum component (Sa + Sb). The gain setting unit 8 stores a reference sum component (Sa + Sb), and calculates β ′ = (Sa ′ + Sb ′) / (Sa + Sb) from these. Then, the calculated β ′ is substituted for β of the gain G (β). The gain setting unit 8 replaces the gain G of the magnetic levitation control system 7 with the calculated gain G (β ′). The magnetic levitation control system 7 controls the electromagnet drive circuits 9A and 9B based on the new gain G (β ′).
[0024]
The setting timing of the gain G of the magnetic levitation control system 7 is performed, for example, when the apparatus is started, at a predetermined time interval after the start, or when β ′ calculated after the start becomes a predetermined value or more. You can do it. Generally, the electromagnets 2A and 2B and the position sensors 3A and 3B have dimensional errors and assembly errors. Therefore, by setting the gain G at the time of starting the apparatus, the gain of the magnetic levitation system due to these mechanical errors can be reduced. Gain matching can be achieved so as to cancel the fluctuation.
[0025]
In addition, by setting the gain G after startup, the gain of the magnetic levitation control system 7 can be set to G (β ′) even when the gain of the magnetic levitation system changes due to a gap change due to thermal expansion or the like. Thereby, stable magnetic levitation control can be maintained. Further, not only when the gap dimensions d 2A , d 2B , d 3A , d 3B change, but also when the cables connecting the position sensors 3A, 3B and the sensor circuits 4A, 4B are changed, the signals Sa, Sb are changed. Changes. Even in such a case, the gain of the magnetic levitation system changes, but in the present embodiment, the gain of the magnetic levitation control system is set to G (β ′) even in such a case, so that the magnetic levitation control system is set. 7 can be matched with the gain of the magnetic levitation system.
[0026]
Conventionally, when performing gain adjustment, the supported body 1 is moved within the range of displacement, and the gap dimensions d 3A and d 3B between the electromagnets 2A and 2B and the supported body 1 are estimated from the amount of movement. . For example, in a magnetic bearing device, gap dimensions d 3A and d 3B are indirectly determined by bringing a rotor into contact with a touchdown bearing. However, since the touchdown bearing has a mounting error, the mounting error results in a gap dimension measurement error. On the other hand, in the present embodiment, since the gap size at the time of floating the center position is directly obtained by using the sum component of the position sensor signals, the gap size measurement error is reduced, and the accuracy of gain adjustment is improved compared to the related art. I do.
[0027]
-2nd Embodiment-
FIG. 2 is a block diagram showing a magnetic levitation apparatus according to a second embodiment of the present invention. The same parts as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals. In the following, a description will be given focusing on portions different from FIG. The magnetic levitation device shown in FIG. 2 is a “superposition type” magnetic levitation device. The superimposed signal generated by the superimposed signal generation circuit 13 is input to the electromagnet drive circuits 9A and 9B and the synchronous detection circuits 12A and 12B. This superimposed signal has a frequency sufficiently distant from the frequency band of the magnetic levitation control, and is superimposed on the drive signals of the electromagnets 2A and 2B.
[0028]
The current values of the exciting currents flowing through the electromagnets 2A and 2B are detected by the current detection units 10A and 10B, respectively. The current detection units 10A and 10B output a current value as a voltage signal using, for example, a resistor. The current detection signal output from the current detection unit 10A is input to the electromagnet drive circuit 9A and the superimposed component extraction unit 11A. On the other hand, the current detection signal output from the current detection unit 10B is input to the electromagnet drive circuit 9B and the superposition component extraction unit 11B.
[0029]
The superimposed component extraction units 11A and 11B respectively extract superimposed signal components included in the current detection signal. The difference unit 5 calculates a difference between a superimposed signal component related to the electromagnet 2A and a superimposed signal component related to the electromagnet 2B. The adder 6 calculates the sum of the superimposed signal component and the superimposed signal component.
[0030]
The difference signal output from the differentiator 5 is input to the synchronous detection circuit 12B. The synchronous detection circuit 12B performs synchronous detection of the difference signal using the superimposed signal from the superimposed signal generation circuit 13 as a reference signal. The signal obtained by this synchronous detection is the same as the difference signal (displacement component) in the first embodiment, and will be referred to as a displacement component as in the first embodiment.
[0031]
On the other hand, the sum signal output from the adder 6 is input to the synchronous detection circuit 12A, and the same synchronous detection as in the case of the difference signal is performed. The signal obtained by the synchronous detection is similar to the sum component of the first embodiment, and is also referred to as a sum component. This sum component is input to the gain setting unit 8, and the gain of the magnetic levitation control system 7 is set based on the sum component as in the first embodiment.
[0032]
The magnetic levitation control system 7 controls the electromagnet driving circuits 9A and 9B based on the displacement component from the synchronous detection circuit 12B and the gain set by the gain setting unit 8. The magnetic levitation control system 7 compares the levitation position of the supported member 1 calculated from the displacement component with a preset levitation target position, and based on the gain set by the gain setting unit 8, controls the electromagnet current control amount. Is calculated. Each of the electromagnet driving circuits 9A and 9B drives the electromagnets 2A and 2B based on the electromagnet current control amount.
[0033]
Also in the present embodiment, for example, when there is a change in the gain of the magnetic levitation system due to thermal expansion or the like, the gain of the magnetic levitation control system 7 is adjusted to cancel the gain change of the magnetic levitation system by using the sum component. Can be set. As a result, stable magnetic levitation control can always be performed.
[0034]
By the way, in the device of the first embodiment described above, the relative position error between the position sensors 3A, 3B and the electromagnets 2A, 2B affects the gap size measurement error. The gap size error may be caused by an assembly error of the position sensors 3A and 3B and the electromagnets 2A and 2B, or may be caused by a difference in thermal expansion between the two.
[0035]
On the other hand, the present embodiment is a “superimposition type” magnetic levitation device that detects the position of the supported body 1 based on a superimposed signal superimposed on the electromagnet current, so that the originally required electromagnets 2A and 2B and the supported The magnetic levitation control can be performed based on the gaps d 2A and d 2B with the body 1. Therefore, the stability of the magnetic levitation control is further improved.
[0036]
In the above-described embodiment, the setting of the gain, which is the control parameter of the magnetic levitation control system 7, is changed based on the sum component. However, the control parameter for changing the setting may be not only the gain but also the frequency characteristic. .
[0037]
In FIGS. 1 and 2, the control system is configured as hardware, but the superimposed signal generation circuit 13, the superimposed component extraction units 11A and 11B, the differentiator 5, the adder 6, and the synchronous detection circuits 12A and 12B, The gain setting unit 8 and the magnetic levitation control system 7 can be configured by software. The magnetic levitation device of the present embodiment can be applied to, for example, a magnetic bearing or a magnetic transfer device of a turbo molecular pump. Note that the present invention is not limited to the above embodiment at all, as long as the features of the present invention are not impaired.
[0038]
In correspondence between the embodiment described above and the elements of the claims, the position sensors 3A and 3B and the sensor circuits 4A and 4B of the first embodiment, the superposition signal generation circuit 13 of the second embodiment, The current detection units 10A and 10B and the superimposed component extraction units 11A and 11B constitute a flying position detection unit, and the adder 6 constitutes a calculation unit.
[0039]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, even when the gain of the magnetic levitation system changes due to thermal expansion or the like, the gain of the magnetic levitation system is set so as to cancel the change. It is possible to prevent the magnetic levitation control from becoming unstable due to a temperature change or the like.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing an embodiment of a magnetic levitation device according to the present invention.
FIG. 2 is a block diagram showing a magnetic levitation apparatus according to a second embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
REFERENCE SIGNS LIST 1 supported members 2A, 2B electromagnets 3A, 3B position sensors 4A, 4B sensor circuit 5 differentiator 6 adder 7 magnetic levitation control system 8 gain setting units 9A, 9B electromagnet drive circuits 10A, 10B current detection units 11A, 11B superimposed components Extraction units 12A, 12B Synchronous detection circuit 13 Superposition signal generation circuit

Claims (3)

被支持体を磁気浮上させる電磁石と、
前記被支持体を挟んで対向して配置されるとともに、前記被支持体の浮上制御方向の位置を検出する一対の位置検出センサと、
前記位置検出センサの検出結果に基づいて前記電磁石の励磁電流を制御する磁気浮上制御系と、
前記一対の位置検出センサから出力されるセンサ信号の和を演算する演算部と、
前記被支持体が浮上目標位置に浮上しているときに、前記演算部の演算結果に基づいて前記磁気浮上制御系の制御パラメータを設定する設定部とを備え、
前記磁気浮上制御系は設定された前記制御パラメータに基づいて前記電磁石の励磁電流を制御することを特徴とする磁気浮上装置。
An electromagnet for magnetically levitating the supported body,
A pair of position detection sensors arranged opposite to each other with the supported member interposed therebetween, and detecting a position of the supported member in a floating control direction,
A magnetic levitation control system that controls an exciting current of the electromagnet based on a detection result of the position detection sensor,
A calculation unit that calculates a sum of sensor signals output from the pair of position detection sensors,
A setting unit that sets a control parameter of the magnetic levitation control system based on a calculation result of the calculation unit when the supported body is floating at the floating target position,
The magnetic levitation control system controls the exciting current of the electromagnet based on the set control parameters.
被支持体を磁気浮上させる電磁石と、
前記被支持体を挟んで対向して配置された一対の電磁石の励磁電流に重畳されたセンサ信号を検出して、前記被支持体の浮上位置を検出する浮上位置検出手段と、
前記浮上位置検出手段の検出結果に基づいて前記電磁石の励磁電流を制御する磁気浮上制御系と、
前記浮上位置検出手段によって検出された一対のセンサ信号の和を演算する演算部と、
前記被支持体が浮上目標位置に浮上しているときに、前記演算部の演算結果に基づいて前記磁気浮上制御系の制御パラメータを設定する設定部とを備え、
前記磁気浮上制御系は設定された前記制御パラメータに基づいて前記電磁石の励磁電流を制御することを特徴とする磁気浮上装置。
An electromagnet for magnetically levitating the supported body,
Floating position detecting means for detecting a sensor signal superimposed on exciting currents of a pair of electromagnets disposed opposite to each other with the supported member interposed therebetween, and detecting a floating position of the supported member,
A magnetic levitation control system that controls an exciting current of the electromagnet based on a detection result of the levitation position detection means,
A computing unit that computes the sum of a pair of sensor signals detected by the flying position detection unit;
A setting unit that sets a control parameter of the magnetic levitation control system based on a calculation result of the calculation unit when the supported body is floating at the floating target position,
The magnetic levitation control system controls the exciting current of the electromagnet based on the set control parameters.
請求項1または2に記載の磁気浮上装置において、
前記制御パラメータは、前記磁気浮上制御系の利得であることを特徴とする磁気浮上装置。
The magnetic levitation device according to claim 1 or 2,
The magnetic levitation device, wherein the control parameter is a gain of the magnetic levitation control system.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006316959A (en) * 2005-05-16 2006-11-24 Matsushita Electric Ind Co Ltd Magnetic bearing device
JP2008275102A (en) * 2007-05-01 2008-11-13 Jtekt Corp Bearing device

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006316959A (en) * 2005-05-16 2006-11-24 Matsushita Electric Ind Co Ltd Magnetic bearing device
JP4559912B2 (en) * 2005-05-16 2010-10-13 パナソニック株式会社 Magnetic bearing device
JP2008275102A (en) * 2007-05-01 2008-11-13 Jtekt Corp Bearing device

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