JP2005061573A - 磁気軸受制御装置および磁気浮上装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 復調時の位相を調整することにより、センサ信号のＳ／Ｎ比の向上および磁気軸受の制御安定性の向上を図ることができる磁気軸受制御装置の提供。
【解決手段】 位相調整部３２６は、ロータ４の浮上位置を第１の位置および第２の位置に順に設定し、各設定位置において位相シフト部３２１により正弦波信号の位相を０（deg）から３６０（deg）まで変化させて、そのときの乗算後の信号をそれぞれ取得する。そして、第１の位置に設定したときに得られる乗算信号と第２の位置に設定したときに得られる乗算信号との差分が最大となる位相を算出し、算出された位相を記憶部３０６に記憶させる。磁気軸受制御時には、記憶部３０６に記憶した位相を位相シフト部３２１の位相シフト量に設定して制御を行う。
【選択図】 図３

Description

本発明は、ターボ分子ポンプや工作機械等に使用される磁気軸受の磁気軸受制御装置、およびその磁気軸受制御装置を備えた磁気浮上装置に関する。

従来、ターボ分子ポンプの軸受には磁気軸受が採用されることが多い。磁気軸受式ターボ分子ポンプにおいては、電磁石で磁気支持されるロータの浮上位置は変位センサによって常時監視されている。一般的に、変位センサには搬送波を利用したリラクタンス型センサが用いられ、ギャップ変化によるインダクタンスの変化を利用してロータの変位を検出するようにしている（例えば、特許文献１参照）。

そして、変位センサからの応答波に復調用正弦波を乗算することにより復調処理を行う。復調処理された信号は各種フィルタ処理およびセンサゲイン・センサオフセットの調整が行われた後に、ＰＩＤ演算処理が行われる。

ところで、復調時の応答波の位相と乗算される正弦波の位相との関係によって、ゲイン・オフセットが変化することが分かっている。設計上は最適な位相に設定されているが、製造上のばらつき等により最適位相からの位相ずれが生じることがあり、そのような場合にはセンサ応答波の位相と正弦波の位相とを調整する必要があった。

特開２００１−３３６５２８号公報

しかしながら、上述したＤ／Ａ出力による調整は煩雑であり、Ｄ／Ａ出力ができるような構成となっていない場合には調整そのものができなかった。また、ロータ位置によってセンサ応答波の位相が変化するため適正位相かどうかの判定が難しく、位相調整が適正に行われない場合には磁気軸受が制御不能になるおそれもあった。

請求項１の発明は、被支持体の浮上位置を検出するセンサに搬送波信号を印加し、センサからの応答波信号に復調用の正弦波信号を乗算して復調を行い、被支持体を非接触支持する電磁石の励磁電流を復調された信号に基づいて制御する磁気軸受制御装置に適用され、正弦波信号の位相をシフトする位相シフト部と、被支持体の浮上位置を第１の位置および第２の位置に順に設定し、各設定位置において位相シフト部により正弦波信号の位相を０（deg）から３６０（deg）まで変化させて、そのときの乗算後の信号をそれぞれ取得する乗算信号取得手段と、乗算信号取得手段で取得された信号に基づいて、復調された信号のゲインが最大となる位相を算出する位相算出手段と、位相算出手段により算出された位相を、磁気軸受制御における位相シフト部の位相シフト量に設定する位相設定手段とを備えたことを特徴とする。
請求項２の発明は、被支持体の浮上位置を検出するセンサに搬送波信号を印加し、センサからの応答波信号に復調用の正弦波信号を乗算して復調を行い、被支持体を非接触支持する電磁石の励磁電流を復調された信号に基づいて制御する磁気軸受制御装置に適用され、正弦波信号の位相をシフトして搬送波信号を生成する位相シフト部と、被支持体の浮上位置を第１の位置および第２の位置に順に設定し、各設定位置において位相シフト部により正弦波信号の位相を０（deg）から３６０（deg）まで変化させて、そのときの乗算後の信号をそれぞれ取得する乗算信号取得手段と、乗算信号取得手段で取得された信号に基づいて、復調された信号のゲインが最大となる位相を算出する位相算出手段と、位相算出手段により算出された位相を、磁気軸受制御における位相シフト部の位相シフト量に設定する位相設定手段とを備えたことを特徴とする。
請求項３の発明は、請求項１または２に記載の磁気軸受制御装置において、位相算出手段が、第１の位置に設定したときに得られる乗算信号と第２の位置に設定したときに得られる乗算信号との差分が最大となる位相を位相として算出するものである。
請求項４の発明は、請求項１〜３のいずれかに記載の磁気軸受制御装置において、センサからの応答波信号をデジタル値に変換するＡ／Ｄ変換手段を備え、デジタル値に変換された信号に基づいてデジタル演算処理により復調を行うようにしたものである。
請求項５の発明は、請求項１〜４のいずれかに記載の磁気軸受制御装置において、磁気軸受制御装置の通電開始の度に、前記乗算信号取得手段による乗算後の信号の取得、位相算出手段による位相の算出、および位相設定手段による位相シフト量の設定の一連の動作を行うことを特徴とする。
請求項６の発明は、請求項１〜５のいずれかに記載の磁気軸受制御装置において、位相設定手段により設定された位相シフト量を記憶する記憶部と、記憶部に記憶されている位相シフト量に対する位相算出手段により算出された位相の偏差が所定基準値以上の場合に軸受異常の警告を発する異常警告手段とを備えたものである。
請求項７の発明は、被支持体の浮上位置を検出するセンサに搬送波信号を印加し、センサからの応答波信号に復調用の正弦波信号を乗算して復調を行い、被支持体を非接触支持する電磁石の励磁電流を復調された信号に基づいて制御する磁気軸受制御装置に適用され、正弦波信号の位相をシフトする位相シフト部と、被支持体の浮上位置を第１の位置および第２の位置に順に設定し、各設定位置において位相シフト部により正弦波信号の位相を０（deg）から３６０（deg）まで変化させて、そのときの乗算後の信号をそれぞれ取得する乗算信号取得手段と、乗算信号取得手段で取得された信号に基づいて、復調された信号のゲインが最大となる位相を算出する位相算出手段と、磁気軸受制御装置の通電の度に、位相算出手段により算出された位相の所定基準に対する偏差が所定値以上か否かを判定する判定手段と、判定手段により所定値以上と判定されたときに軸受異常の警告を発する異常警告手段とを備えたことを特徴とする。
請求項８の発明による磁気浮上装置は、請求項１〜７のいずれかに記載の磁気軸受制御装置と、磁気軸受制御装置により制御される磁気軸受とを備えたことを特徴とする。

本発明によれば、応答波信号のゲインが最大となるように調整されるため、センサ信号のＳ／Ｎ比を改善することができ、制御安定性の向上を図ることができる。

以下、図を参照して本発明を実施するための最良の形態を説明する。図１は本発明による磁気軸受制御装置を説明する図であり、磁気浮上制御系のブロック図である。図１において二点鎖線の上側半分は磁気軸受１の概略構成を示したものであり、二点鎖線の上側半分には駆動制御装置２を示したものである。図１に示したブロック図は、例えば、図２に示すような５軸制御型磁気軸受の内の１軸に関するものであり、ラジアル軸受５１ｘについて示したものである。

図２の５軸磁気軸受は、モータ６で回転するロータ４に対して４組のラジアル電磁石５１ｘ、５１ｙ、５２ｘ、５２ｙと１組のアキシャル電磁石５３ｚとを備えている。４１はロータ４の一端に設けられたディスクであり、アキシャル電磁石５３ｚはディスク４１を挟むように設けられている。各電磁石５１ｘ、５１ｙ、５２ｘ、５２ｙ、５３ｚに対しては、図示していないが変位センサがそれぞれ設けられている。

図１に戻って、７１ｘは電磁石５１ｘに対応づけて設けられた変位センサであり、電磁石５１ｘと同様にロータ４を挟んで一対設けられている。各変位センサ７１ｘからのセンサ信号はセンサ回路５に入力される。変位センサ７１ｘはインダクタンス式のセンサであり、ロータ４とのギャップ変化によるセンサ部インピーダンスの変化を利用してギャップ変位を電気信号に変換している。ロータ４のセンサ対向面は強磁性体または導体で構成される。

駆動制御装置２には、センサ回路５、磁気軸受制御部３、励磁アンプ８が設けられている。磁気軸受制御部３は、Ａ／Ｄコンバータ３０１、Ｄ／Ａコンバータ３０２、ＤＳＰ（デジタルシグナルプロセッサ）３０７、およびＲＯＭ３０４やＲＡＭ３０５等を有する記憶部３０６を備えている。また、２は軸受状態や後述する警告表示などを表示する表示装置である。

ラジアル変位センサ７１ｘにはセンサ回路５により数十ｋＨｚの搬送波が印加され、ギャップ変位により生じるセンサ部インピーダンス変化に応じて搬送波を振幅変調する。この応答波（ＡＭ波）は、センサ信号としてセンサ回路５を介して磁気軸受制御部３に入力される。一対の変位センサから成るラジアル変位センサ７１ｘの場合には、後述するようにセンサ回路５において各応答波信号の差分が演算され、その差分成分がセンサ信号として磁気軸受制御部３に入力される。

磁気軸受制御部３に入力されたアナログセンサ信号は、Ａ／Ｄコンバータ３０１によりデジタル値に変換された後にＤＳＰ３０７に入力される。記憶部３０６には予め磁気浮上制御定数がインプットされており、ＤＳＰ３０７は変位センサ７の出力と制御定数とに基づいて電磁石５１ｘに流すべき励磁電流を算出する。

例えば、ロータ４の浮上位置が適正位置よりも左側にずれている場合には、右側の電磁石５１ｘの励磁電流を大きくして適正位置となるように制御する。このときの電流制御量はＰＩＤ演算により算出される。ＤＳＰ３０７からは供給すべき励磁電流に応じた制御信号が出力され、その制御信号はＤ／Ａコンバータ３０２によりアナログ値に変換された後に励磁アンプ８に入力される。

図３はラジアル電磁石５１ｘに関するセンサ回路５およびＤＳＰ３０７の構成を示すブロック図である。ＤＳＰ３０７には正弦波離散値を生成する正弦波離散値生成部３２０が設けられている。正弦波離散値生成部３２０で生成された正弦波離散値はＤ／Ａコンバータ３０８によりアナログ波に変換され、そのアナログ波がセンサ回路５に入力される。このアナログ波には高調波が含まれているので、ローパスフィルタやバンドパスフィルタ等のフィルタ回路５０１でフィルタリングする。そして、フィルタ回路５０１から出力されるアナログ波は、抵抗Ｒに直列接続された変位センサ７１ｘのそれぞれに搬送波として印加される。

各変位センサ７１ｘからの応答波はセンサ回路５に設けられた差分回路５０２に入力され、差分回路５０２によって差分演算が行われる。差分回路５０２からの差分信号はプリアンプ５０３により増幅された後に、Ａ／Ｄコンバータ３０１によってデジタル信号に変換され、ＤＳＰ３０７の乗算部３２２に入力される。この乗算部３２２には正弦波離散値生成部３２０からの正弦波離散値が位相シフト部３２１を介して入力される。位相シフト部３２１は正弦波離散値の位相を最適位相シフト量θ0だけシフトするものであり、位相調整部３２６の司令に基づいて位相シフトを行う。このときの最適位相シフト量θ0は予め記憶部３０６に記憶されている。

乗算部３２２において応答波信号に正弦波離散値を乗算することにより復調処理が行われる。復調処理された信号はローパスフィルタ３２３により高調波成分が除去された後、ゲイン・オフセット調整部３２４によりセンサゲインおよびセンサオフセットの調整が行われ、センサ信号としてＰＩＤ演算部３２５に送られる。ＰＩＤ演算部３２５ではＰＩＤ演算により電磁石５１ｘ（図１参照）の電流制御量が算出され、その算出結果に基づく制御信号が出力される。制御信号は、Ｄ／Ａコンバータ３０２によりアナログ値に変換された後に励磁アンプ８に入力される。

《位相シフト調整について》
ところが、前述したように乗算部３２２で応答波信号と正弦波離散値とを乗算する際の互いの位相関係に応じて、ゲイン・オフセット調整部３２４から出力されるセンサ信号のゲイン・オフセットが変化する。設計上はゲイン・オフセットが最適となるように位相シフト部により設定されているが、実際には位相関係が最適値からずれてしまう場合がる。そのような場合は、前述したようにセンサ信号を取り出してオシロスコープ等で観察しながら、最適なゲイン・オフセットとなるように調整する必要があった。

本実施の形態では、この位相調整を位相調整部３２６により自動的に行わせるようにした。図４は位相シフト調整処理の手順を示すフローチャートである。なお、この位相調整処理は、駆動制御装置２の電源がオンされるとスタートする。ステップＳ１では、磁気軸受１を駆動してロータ４を磁気浮上させる。ステップＳ２では、電磁石５１ｘの励磁電流を制御して、ロータ４の浮上位置を中心位置から第１の浮上位置へと移動する。

図１，２に示すような磁気軸受装置では、磁気軸受１が動作していないときにロータ４を支持するメカニカルベアリング（不図示）を備えている。そのため、ロータ４のラジアル方向浮上位置はそのメカニカルベアリングにより制限されることになる。ここでは、ロータ４を図１の右側の電磁石５１ｘの方向に引きつけて、ロータ４がメカニカルベアリングに当接した状態を第１の浮上位置とする。

そして、第１の浮上位置に浮上させた状態で、位相シフト部３２１による位相シフト量を位相調整部３２６により０（deg）から３６０（deg）まで変化させ、そのときの位相θとセンサ信号との関係であるθ−センサ信号曲線Ａを取得する。図５（ａ）の符号Ａで示した曲線がθ−センサ信号曲線Ａであり、縦軸は出力値（Ｖ）、横軸は位相θである。このセンサ信号はゲイン・オフセット調整部３２４から出力される信号であり、その出力値は位相調整部３２６により検出される。

ステップＳ３では、ロータ４の浮上位置を第１の浮上位置から第２の浮上位置へと移動する。そして、第２の浮上位置に浮上させた状態で、位相シフト部３２１による位相シフト量を位相調整部３２６により０（deg）から３６０（deg）まで変化させ、そのときの位相θとセンサ信号との関係であるθ−センサ信号曲線Ｂを取得する（図５（ａ）参照）。ここでは、ロータ４を図１の左側の電磁石５１ｘの方向に引きつけて、ロータ４がメカニカルベアリングに当接した状態を第２の浮上位置とする。

ステップＳ４では、θ−センサ信号曲線Ａ，Ｂの同位相のデータの間で減算を行い、θ−ゲイン曲線Ｃを取得し、その値が最大となる位相θ１を算出する。図５（ｂ）はθ−ゲイン曲線Ｃを示したものであり、θ1＝０または１８０において最大値となっているのが分かる。そして、ゲインが最大となる位相θ1が正弦波離散値の最適位相シフト量である。

ステップＳ５では、記憶部３０６に記憶されている最適位相シフト量θ０に対するステップＳ４で算出された最適位相シフト量θ１の偏差Δθ（＝｜θ0−θ1｜）が、予め定められた基準値Δθ0以上か否かを判定する。ステップＳ５で差Δθが基準値Δθ0よりも小さいと判定されると、ステップＳ６へ進んで記憶部３０６のθ0としてステップＳ４で算出された位相θ1を記憶する。すなわち、θ0の書き換えを行う。そして、書き換えられたθ0に基づいて、位相シフト部３２１による正弦波離散値の位相シフトを行い、一連の位相調整処理を終了する。

なお、位相調整部３２６の調整が行われるとゲイン・オフセット調整部３２９に入力されるセンサ信号の値が変化するが、ゲイン・オフセット調整部３２４ではセンサ信号の変化に応じてゲイン調整およびオフセット調整が行われる。

一方、ステップＳ５でΔθ≧Δθ0と判定された場合には、ステップＳ７へ進んで軸受異常発生を示す警告を発生する。例えば、駆動制御装置２に表示部９に警告表示を表示する。一般的に、適正位相シフト量からのずれがあった場合、そのずれは製造当初からあったものであり、いったんずれを補正すればずれが再発することはめったになく、あったとしても僅かである。しかし、変位センサ７１ｘに異常が生じた場合、例えば、断線が生じた場合にはゲイン・オフセット調整部３２４の出力値が大きく変化してΔθ≧Δθ0の条件を満たすようになる。

また、図２に示すような５軸制御型磁気軸受の場合には、各軸毎に上述したような位相シフト調整処理を行う。図６は、図２のアキシャル電磁石５３ｚに関するセンサ回路５およびＤＳＰ３０７の構成を示すブロック図であり、センサ回路５が図３と異なる。アキシャル変位センサ７３の場合には、ラジアル変位センサ５１ｘと異なり、図２のディスク４１の上下のいずれか一方の側にセンサが設けられる。

図６の場合、差分回路５０２には、アキシャル変位センサ７３からの応答波と搬送波信号から生成された一定振幅を有する信号（以下では搬送波基準信号と呼ぶことにする）とが入力される。そして、差分信号として応答波と搬送波基準信号との差分が演算される。搬送波基準信号は、フィルタ回路５０１からの搬送波をゲイン補正部５０４でゲイン補正するとともに、位相シフト部５０５で位相シフトすることにより形成される。これは、差分回路５０２で差分を演算する際に互いの信号に位相ずれがあるとＳ／Ｎ比の悪化の原因となるので、位相シフト部５０５で位相シフトすることにより位相ずれがほぼゼロとなるようにしている。

上述した例では、通電時毎に位相シフト調整処理を自動的に行わせるようにしたが、駆動制御装置２に位相シフト調整指示スイッチを設け、オペレータからの指示により位相シフト調整を行わせるようにしても良い。また、製造出荷時に位相シフト調整処理を行うような場合には、駆動制御装置２に正規の磁気軸受１の代わりにダミーを用いて調整を行っても良い。その結果、センサ信号のＳ／Ｎ比が向上し、磁気軸受の制御安定性を向上させることができる。

［変形例１］
図７は図３に示した回路の変形例を示す図である。図３に示す例では乗算部３２２に入力される復調用の正弦波離散値を位相シフトさせたが、図７ではラジアル変位センサ７１ｘに印加される搬送波を生成するための正弦波離散値を位相シフト部３２１で位相シフトさせるようにした。搬送波の位相がシフトされるとラジアル変位センサ７１ｘからの応答波も位相シフトするため、結果的には乗算部３２２に入力される差分信号と正弦波離散値との間の位相関係を変化させることができる。位相シフト調整方法は図３の場合と同様である。

［変形例２］
図８は他の変形例を示す図である。図３に示した例では、ＤＳＰ３０７で生成した正弦波を搬送波として使用したが、図８に示す例ではセンサ回路５に設けられた搬送波生成部５０５で搬送波を生成して印加するようにした。

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、ロータ４は被支持体を、位相調整部３２６は乗算信号取得手段，位相算出手段，位相設定手段および判定手段を、表示部９は異常警告手段をそれぞれ構成する。また、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。

磁気軸受装置の磁気浮上制御系の基本構成を示すブロック図である。 ５軸制御型磁気軸受の概念図である。 センサ回路５およびＤＳＰ３０７の構成を示すブロック図である。 始動シフト調整処理の手順を示すフローチャートである。 位相調整処理を説明する図であり、（ａ）はθ−センサ信号曲線Ａ，Ｂを示し、（ｂ）はθ−ゲイン曲線Ｃを示す。 アキシャル電磁石５３ｚに関するセンサ回路５およびＤＳＰ３０７の構成を示すブロック図である。 変形例１を示すブロック図である。 変形例２を示すブロック図である。

符号の説明

１ 磁気軸受
２ 駆動制御装置
３ 磁気軸受制御部
４ ロータ
５ センサ回路
８ 励磁アンプ
９ 表示部
５１ｘ，５１ｙ，５２ｘ，５２ｙ，５３ｚ 電磁石
７１ｘ，７３ 変位センサ
３０１ Ａ／Ｄコンバータ
３０２，３０８ Ｄ／Ａコンバータ
３０６ 記憶部
３０７ ＤＳＰ
３２０ 正弦波離散値生成部
３２１ 位相シフト部
３２２ 乗算部
３２６ 位相調整部

Claims (8)

1. 被支持体の浮上位置を検出するセンサに搬送波信号を印加し、前記センサからの応答波信号に復調用の正弦波信号を乗算して復調を行い、前記被支持体を非接触支持する電磁石の励磁電流を復調された信号に基づいて制御する磁気軸受制御装置において、
   前記正弦波信号の位相をシフトする位相シフト部と、
   前記被支持体の浮上位置を第１の位置および第２の位置に順に設定し、各設定位置において前記位相シフト部により前記正弦波信号の位相を０（deg）から３６０（deg）まで変化させて、そのときの前記乗算後の信号をそれぞれ取得する乗算信号取得手段と、
   前記乗算信号取得手段で取得された信号に基づいて、前記復調された信号のゲインが最大となる位相を算出する位相算出手段と、
   前記位相算出手段により算出された位相を、磁気軸受制御における前記位相シフト部の位相シフト量に設定する位相設定手段とを備えたことを特徴とする磁気軸受制御装置。
2. 被支持体の浮上位置を検出するセンサに搬送波信号を印加し、前記センサからの応答波信号に復調用の正弦波信号を乗算して復調を行い、前記被支持体を非接触支持する電磁石の励磁電流を復調された信号に基づいて制御する磁気軸受制御装置において、
   前記正弦波信号の位相をシフトして前記搬送波信号を生成する位相シフト部と、
   前記被支持体の浮上位置を第１の位置および第２の位置に順に設定し、各設定位置において前記位相シフト部により前記正弦波信号の位相を０（deg）から３６０（deg）まで変化させて、そのときの前記乗算後の信号をそれぞれ取得する乗算信号取得手段と、
   前記乗算信号取得手段で取得された信号に基づいて、前記復調された信号のゲインが最大となる位相を算出する位相算出手段と、
   前記位相算出手段により算出された位相を、磁気軸受制御における前記位相シフト部の位相シフト量に設定する位相設定手段とを備えたことを特徴とする磁気軸受制御装置。
3. 請求項１または２に記載の磁気軸受制御装置において、
   前記位相算出手段は、前記第１の位置に設定したときに得られる乗算信号と前記第２の位置に設定したときに得られる乗算信号との差分が最大となる位相を前記位相として算出することを特徴とする磁気軸受制御装置。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載の磁気軸受制御装置において、
   前記センサからの応答波信号をデジタル値に変換するＡ／Ｄ変換手段を備え、前記デジタル値に変換された信号に基づいてデジタル演算処理により復調を行うことを特徴とする磁気軸受制御装置。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の磁気軸受制御装置において、
   磁気軸受制御装置の通電開始の度に、前記乗算信号取得手段による乗算後の信号の取得、前記位相算出手段による位相の算出、および前記位相設定手段による位相シフト量の設定の一連の動作を行うことを特徴とする磁気軸受制御装置。
6. 請求項１〜５のいずれかに記載の磁気軸受制御装置において、
   前記位相設定手段により設定された位相シフト量を記憶する記憶部と、
   前記記憶部に記憶されている位相シフト量に対する前記位相算出手段により算出された位相の偏差が所定基準値以上の場合に軸受異常の警告を発する異常警告手段を備えたことを特徴とする磁気軸受制御装置。
7. 被支持体の浮上位置を検出するセンサに搬送波信号を印加し、前記センサからの応答波信号に復調用の正弦波信号を乗算して復調を行い、前記被支持体を非接触支持する電磁石の励磁電流を復調された信号に基づいて制御する磁気軸受制御装置において、
   前記正弦波信号の位相をシフトする位相シフト部と、
   前記被支持体の浮上位置を第１の位置および第２の位置に順に設定し、各設定位置において前記位相シフト部により前記正弦波信号の位相を０（deg）から３６０（deg）まで変化させて、そのときの前記乗算後の信号をそれぞれ取得する乗算信号取得手段と、
   前記乗算信号取得手段で取得された信号に基づいて、前記復調された信号のゲインが最大となる位相を算出する位相算出手段と、
   磁気軸受制御装置の通電の度に、前記位相算出手段により算出された位相の所定基準に対する偏差が所定値以上か否かを判定する判定手段と、
   前記判定手段により所定値以上と判定されたときに軸受異常の警告を発する異常警告手段とを備えたことを特徴とする磁気軸受制御装置。
8. 請求項１〜７のいずれかに記載の磁気軸受制御装置と、
   前記磁気軸受制御装置により制御される磁気軸受とを備えたことを特徴とする磁気浮上装置。
   

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