JP2006308074A - Magnetic bearing device - Google Patents

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  • Magnetic Bearings And Hydrostatic Bearings (AREA)

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a magnetic bearing device for eliminating demodulation processing while requiring less computing throughput regarding bearing control than conventional one. <P>SOLUTION: A carrier signal of a frequency fc is applied to a sensor 73 via a filter 32. The carrier signal is demodulated by the sensor 73 and a difference between amplitude modulated wave F<SB>AM</SB>(t) and a sensor reference signal Fstd(t) is computed by a differential amplifier 203. A difference signal Fsub(t) output from the differential amplifier 203 is A/D converted into a digitized sensor signal by an A/D converter 34. A sampling frequency fs at this time is set to be equal to fc=n×fs or fc=fs/2 in relation to the frequency fc of the carrier signal, where n=1, 2, .... So, the digitized sensor signal does not include a carrier and conventionally necessary demodulation processing can be eliminated. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、ターボ分子ポンプや工作機械などに用いられる磁気軸受装置に関する。   The present invention relates to a magnetic bearing device used for a turbo molecular pump, a machine tool, or the like.

高速回転が要求されるターボ分子ポンプや工作機械などにおいては、磁気軸受装置が用いられることが多い。磁気軸受装置では、回転体の変位を変位センサで検出し、その検出結果を電磁石の励磁電流制御にフィードバックしている。変位センサにはインダクタンス式センサが多く用いられており、変位センサに搬送波を印加し、回転体とのギャップ変化によるインピーダンス変化によりその搬送波を振幅変調している。そして、振幅変調された信号をA/D変換した後に復調処理し、復調により得られた変位信号を用いて電磁石の励磁電流を制御する(例えば、特許文献1参照)。   In a turbo molecular pump or a machine tool that requires high-speed rotation, a magnetic bearing device is often used. In the magnetic bearing device, the displacement of the rotating body is detected by a displacement sensor, and the detection result is fed back to the excitation current control of the electromagnet. An inductance type sensor is often used as the displacement sensor. A carrier wave is applied to the displacement sensor, and the carrier wave is amplitude-modulated by an impedance change caused by a gap change with the rotating body. The amplitude-modulated signal is demodulated after A / D conversion, and the excitation current of the electromagnet is controlled using the displacement signal obtained by the demodulation (see, for example, Patent Document 1).

特開2004−144291号公報JP 2004-144291 A

ところで、A/D変換される変調波信号の周波数は、搬送波周波数をfc、回転体の変位信号の周波数帯域をfrとするとfc−fr〜fc+frである。この範囲内でfrの帯域として最も大きなものは2frになる。一般的に、アナログ信号をサンプリング周波数fsにてA/Dコンバータでデジタル信号に変換する場合、エリアッシング(aliasing)の発生を防止するには、サンプリング定理から4fr<fsを満たす必要がある。そのため、frはfs/4に制限されてしまい、使用しているDSP(Digital Signal Processor )の処理能力によってはfrをあまり大きく取れないことがあり、高域特性が悪くなってしまう。   By the way, the frequency of the modulated wave signal to be A / D converted is fc−fr to fc + fr, where fc is the carrier frequency and fr is the frequency band of the displacement signal of the rotating body. The largest fr band within this range is 2fr. In general, when an analog signal is converted into a digital signal by an A / D converter at a sampling frequency fs, it is necessary to satisfy 4fr <fs from the sampling theorem in order to prevent aliasing. For this reason, fr is limited to fs / 4, and depending on the processing capability of the DSP (Digital Signal Processor) being used, fr may not be very large, and the high-frequency characteristics are deteriorated.

これを解決するためには、サンプリング周波数fsを高くしたり、搬送波周波数fcを高くしたりする等の対策が考えられるが、DSPにかかる処理が増えるために高周波動作のDSPが必要となり、コストアップ要因となってしまう。また、従来のデジタル復調を行った場合、復調処理の際に信号の減衰が生じてS/Nが低下し、被支持体である回転体に振動が生じる場合があった。   In order to solve this, measures such as increasing the sampling frequency fs or increasing the carrier frequency fc can be considered. However, since the processing for the DSP increases, a DSP with a high frequency operation is required, which increases the cost. It becomes a factor. Further, in the case of performing conventional digital demodulation, there is a case where the signal is attenuated during the demodulation process, the S / N is lowered, and the rotating body as the supported body is vibrated.

請求項1の発明は、被支持体を電磁石により非接触支持する磁気軸受装置に適用され、搬送波信号を生成する搬送波生成手段と、被支持体の支持位置に応じて搬送波信号を変調して変調波信号を出力する検出手段と、搬送波信号の周波数をfc、サンプリング周波数をfsとしたときに、fc=n・fs(ただし、nは自然数)またはfc=fs/2を満たすサンプリング周波数fsで検出手段から出力された変調波信号をデジタル信号へと変換するA/D変換手段と、A/D変換手段から出力されるデジタル信号に基づいて電磁石の励磁電流を制御し、被支持体の支持位置を制御する制御手段とを備えたことを特徴とする。
請求項2の発明は、請求項1に記載の磁気軸受装置において、搬送波生成手段に、正弦波離散値をデジタル演算処理により生成する正弦波離散値生成部と、正弦波離散値をD/A変換して搬送波信号を生成するD/A変換部とを設けるとともに、正弦波離散値をデジタル演算処理により位相シフトする位相シフト演算部を備え、位相シフト演算部による位相シフト演算結果に基づいて、A/D変換手段で変調波信号をデジタル信号へ変換するタイミングを変調波信号の包絡線とほぼ一致させるようにしたものである。
請求項3の発明は、請求項1に記載の磁気軸受装置において、磁気軸受装置は制御軸を複数有する多軸制御型磁気軸受装置であって、検出手段は、複数の制御軸毎に搬送波信号を変調して変調信号をそれぞれ出力し、A/D変換手段は、(a)検出手段から出力される各変調波信号を搬送波信号と同期してA/D変換を行うとともに、(b)複数の変調波信号の中の2つの変調信号については、一方をその変調波信号内の搬送波周波数で変化する搬送波成分が最大となるタイミングにほぼ同期させてサンプリングし、他方をその変調波信号内の搬送波成分が最小となるタイミングにほぼ同期させてサンプリングする様にしたものである。
請求項4の発明は、請求項1に記載の磁気軸受装置において、磁気軸受装置は制御軸を複数有する多軸制御型磁気軸受装置であって、検出手段は、複数の制御軸毎に搬送波信号を変調して変調信号をそれぞれ出力し、A/D変換手段は、検出手段から出力される各変調波信号を搬送波信号と同期してA/D変換を行うとともに、変調波信号内の搬送波周波数で変化する搬送波成分が最大または最小となる位相を中心とした搬送波周期の1/4の位相範囲内でサンプリングするようにしたものである。
請求項5の発明は、請求項3または4に記載の磁気軸受装置において、搬送波生成手段は、互いに位相の異なる同一周波数の複数の搬送波信号を生成し、検出手段は、複数の制御軸毎に複数の搬送波信号のいずれか一つを変調して変調信号をそれぞれ出力する。
請求項6の発明は、請求項5に記載の磁気軸受装置において、搬送波生成手段が、デジタル処理により正弦波離散値を生成する正弦波離散値生成部と、正弦波離散値生成部で生成された正弦波離散値をD/A変換して搬送波信号を生成するD/A変換手段と、搬送波信号の位相をシフトする位相シフト回路を少なくとも一つ有する位相シフト手段とを備えるようにしたものである。
請求項7の発明は、請求項5に記載の磁気軸受装置において、搬送波生成手段が、デジタル処理により正弦波離散値を生成する正弦波離散値生成部と、正弦波離散値生成部で生成された正弦波離散値をD/A変換して搬送波信号を生成する複数のD/A変換手段とを備えるようにしたものである。
請求項7の発明は、請求項3または4に記載の磁気軸受装置において、A/D変換手段を複数設け、検出手段から出力されて搬送波成分が同一位相となっている複数の変調波信号を、それぞれ異なるA/D変換手段に入力して同一タイミングでA/D変換するようにしたものである。
The invention of claim 1 is applied to a magnetic bearing device that supports a supported body in a non-contact manner by an electromagnet, and generates a carrier wave signal, and modulates and modulates the carrier wave signal according to the support position of the supported body. Detection means that outputs a wave signal, and detection at a sampling frequency fs satisfying fc = n · fs (where n is a natural number) or fc = fs / 2, where fc is the frequency of the carrier wave signal and fs is the sampling frequency A / D conversion means for converting the modulated wave signal output from the means into a digital signal, and the excitation current of the electromagnet is controlled based on the digital signal output from the A / D conversion means, and the support position of the supported body And control means for controlling.
According to a second aspect of the present invention, in the magnetic bearing device according to the first aspect, the carrier wave generating means includes a sine wave discrete value generation unit that generates a sine wave discrete value by digital arithmetic processing, and a sine wave discrete value as a D / A. A D / A converter that converts and generates a carrier wave signal, and includes a phase shift calculator that shifts the phase of a sine wave discrete value by digital calculation processing, based on the phase shift calculation result by the phase shift calculator, The timing at which the modulated wave signal is converted into a digital signal by the A / D conversion means is made to substantially coincide with the envelope of the modulated wave signal.
According to a third aspect of the present invention, in the magnetic bearing device according to the first aspect, the magnetic bearing device is a multi-axis control type magnetic bearing device having a plurality of control shafts, and the detecting means is a carrier wave signal for each of the plurality of control shafts. The A / D conversion means performs A / D conversion in synchronization with each carrier wave signal of each modulated wave signal output from the detection means, and (b) a plurality of modulation signals are output. As for two modulation signals in the modulation wave signal, one is sampled in synchronization with the timing at which the carrier component changing at the carrier frequency in the modulation wave signal is maximized, and the other is sampled in the modulation wave signal. Sampling is performed almost in synchronization with the timing at which the carrier component is minimized.
According to a fourth aspect of the present invention, in the magnetic bearing device according to the first aspect, the magnetic bearing device is a multi-axis control type magnetic bearing device having a plurality of control shafts, and the detecting means is a carrier signal for each of the plurality of control shafts. The A / D conversion means performs A / D conversion in synchronization with each carrier wave signal output from the detection means, and performs carrier wave frequency in the modulated wave signal. In this case, sampling is performed within a phase range of ¼ of the carrier cycle centered on the phase where the carrier component that changes at the maximum or minimum is centered.
According to a fifth aspect of the present invention, in the magnetic bearing device according to the third or fourth aspect, the carrier wave generating means generates a plurality of carrier signals having the same frequency and different phases, and the detecting means is provided for each of the plurality of control axes. One of a plurality of carrier signals is modulated and a modulated signal is output.
According to a sixth aspect of the present invention, in the magnetic bearing device according to the fifth aspect, the carrier wave generating means is generated by a sine wave discrete value generation unit that generates a sine wave discrete value by digital processing and a sine wave discrete value generation unit. A D / A conversion means for generating a carrier wave signal by D / A converting the sine wave discrete value, and a phase shift means having at least one phase shift circuit for shifting the phase of the carrier wave signal. is there.
According to a seventh aspect of the present invention, in the magnetic bearing device according to the fifth aspect, the carrier wave generating means is generated by a sine wave discrete value generation unit that generates a sine wave discrete value by digital processing and a sine wave discrete value generation unit. And a plurality of D / A conversion means for generating a carrier wave signal by D / A converting the discrete sine wave values.
According to a seventh aspect of the present invention, in the magnetic bearing device according to the third or fourth aspect, a plurality of A / D converting means are provided, and a plurality of modulated wave signals output from the detecting means and having the same carrier wave component are output. These are input to different A / D conversion means and A / D converted at the same timing.

本発明によれば、搬送波信号の周波数をfc、サンプリング周波数をfsとしたときに、fc=n・fs(ただし、nは自然数)またはfc=fs/2を満たすサンプリング周波数fsでA/D変換することにより、従来必要であった復調処理を省くことができ、高域特性を改善するとともに軸受制御に関する演算処理量を従来よりも低減することができる。また、搬送波信号と同期してA/D変換する際に、請求項3の発明のように変調波信号を搬送波成分が最大や最小となるタイミングにほぼ同期させてサンプリングしたり、請求項4の発明のように搬送波成分が最大または最小となる位相を中心とした搬送波周期の1/4の位相範囲でサンプリングすることで、S/N比の低下を抑えることができる。   According to the present invention, when the frequency of the carrier signal is fc and the sampling frequency is fs, A / D conversion is performed at a sampling frequency fs satisfying fc = n · fs (where n is a natural number) or fc = fs / 2. By doing so, it is possible to omit the demodulation processing that has been conventionally required, to improve the high frequency characteristics, and to reduce the amount of calculation processing related to bearing control as compared with the conventional one. Further, when the A / D conversion is performed in synchronization with the carrier wave signal, the modulated wave signal is sampled almost synchronously with the timing at which the carrier wave component is maximized or minimized, as in the invention of claim 3. Sampling in a phase range of ¼ of the carrier cycle centered on the phase where the carrier component is maximum or minimum as in the invention can suppress a decrease in the S / N ratio.

以下、図を参照して本発明を実施するための最良の形態について説明する。図1は磁気軸受式ターボ分子ポンプのポンプ本体1の概略構成を示す断面図である。以下では、本発明を磁気軸受式ターボ分子ポンプの磁気軸受装置に適用した場合を例に説明する。図1に示した磁気軸受式ターボ分子ポンプは5軸制御型磁気軸受を備えており、複数段の回転翼21が形成されたロータ4は、ラジアル磁気軸受を構成する電磁石51,52と、アキシャル磁気軸受を構成する電磁石53とによって非接触支持される。   Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a sectional view showing a schematic configuration of a pump body 1 of a magnetic bearing turbomolecular pump. Hereinafter, a case where the present invention is applied to a magnetic bearing device of a magnetic bearing type turbo molecular pump will be described as an example. The magnetic bearing type turbo molecular pump shown in FIG. 1 includes a 5-axis control type magnetic bearing, and a rotor 4 formed with a plurality of stages of rotor blades 21 includes electromagnets 51 and 52 constituting a radial magnetic bearing, and an axial. Non-contact support is provided by the electromagnet 53 constituting the magnetic bearing.

ケーシング20の内部には、各回転翼21に対して交互に配設される回転翼23が、軸方向(図示上下方向)に複数段設けられている。磁気軸受にはラジアル電磁石51,52とアキシャル電磁石53に対応して、ロータ4の浮上位置を検出するためのラジアルセンサ71,72およびアキシャルセンサ73が設けられている。レセプタクル25にはポンプ本体1とコントローラ(不図示)とを接続するケーブルが接続され、ポンプ本体1はそのコントローラにより駆動制御される。ロータ4を電磁石51,52,53により非接触支持しつつモータ6により回転駆動することによって、ポンプ作用が発生する。   Inside the casing 20, a plurality of rotor blades 23 are provided in the axial direction (the vertical direction in the figure). The magnetic bearings are provided with radial sensors 71 and 72 and an axial sensor 73 for detecting the flying position of the rotor 4 corresponding to the radial electromagnets 51 and 52 and the axial electromagnet 53. The receptacle 25 is connected to a cable connecting the pump main body 1 and a controller (not shown), and the pump main body 1 is driven and controlled by the controller. The rotor 4 is rotationally driven by the motor 6 while being supported in a non-contact manner by the electromagnets 51, 52, 53, thereby generating a pump action.

27,28は非常用のメカニカルベアリングであり、ロータ4が磁気浮上していないときには、ロータ4はこれらのベアリング27,28により支持される。ベアリング27はロータ4のラジアル方向の2軸(x軸およびy軸)の運動を非常時に拘束し、ベアリング28はラジアル方向の2軸(x軸およびy軸)とアキシャル方向の1軸(z軸)を拘束する。   27 and 28 are emergency mechanical bearings. When the rotor 4 is not magnetically levitated, the rotor 4 is supported by these bearings 27 and 28. The bearing 27 constrains the movement of the rotor 4 in the radial direction (x-axis and y-axis) in an emergency, and the bearing 28 includes two radial directions (x-axis and y-axis) and one axial direction (z-axis). ).

図2は5軸制御型磁気軸受の制御ブロック図である。ラジアル電磁石51はX1軸電磁石51xとY1軸電磁石51yとを備えており、ラジアル電磁石52はX2軸電磁石52xおよびY2軸電磁石52yとを備えている。電磁石51x,51y,52x,52yは、各々がロータ4を挟んで対向する一つの電磁石で構成されている。一方、センサ71は、X1軸電磁石51xおよびY1軸電磁石51yに対応してX1軸センサ71xおよびY1軸センサ71yを備えている。同様に、センサ72は、X2軸電磁石52xおよびY2軸電磁石52yに対応してX2軸センサ72xおよびY2軸センサ72yを備えている。   FIG. 2 is a control block diagram of a 5-axis control type magnetic bearing. The radial electromagnet 51 includes an X1-axis electromagnet 51x and a Y1-axis electromagnet 51y, and the radial electromagnet 52 includes an X2-axis electromagnet 52x and a Y2-axis electromagnet 52y. Each of the electromagnets 51x, 51y, 52x, and 52y is composed of one electromagnet facing each other with the rotor 4 interposed therebetween. On the other hand, the sensor 71 includes an X1 axis sensor 71x and a Y1 axis sensor 71y corresponding to the X1 axis electromagnet 51x and the Y1 axis electromagnet 51y. Similarly, the sensor 72 includes an X2 axis sensor 72x and a Y2 axis sensor 72y corresponding to the X2 axis electromagnet 52x and the Y2 axis electromagnet 52y.

センサ71x,71y,72x,72yおよび73はインダクタンス式のセンサであり、ギャップ変位の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。デジタル制御回路30で生成された周波数fcの搬送波信号は、D/Aコンバータ31でアナログ信号に変換され、フィルタ32を介して各センサ71x,71y,72x,72yおよび73に印加される。   The sensors 71x, 71y, 72x, 72y, and 73 are inductance type sensors, and the gap displacement is converted into an electric signal by using a change in sensor unit impedance caused by a change in the gap displacement. The carrier wave signal having the frequency fc generated by the digital control circuit 30 is converted into an analog signal by the D / A converter 31 and applied to each of the sensors 71x, 71y, 72x, 72y and 73 via the filter 32.

各センサ71x,71y,72x,72yおよび73に印加された搬送波信号は、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振幅変調される。この振幅変調された変調波信号(以下、単に振幅変調波と呼ぶ)は各センサ回路33a〜33eを介してA/Dコンバータ34に入力される。各センサ回路33a〜33eからのアナログ信号はA/Dコンバータ34により順にデジタル値へと変換され、デジタル制御回路30へと入力される。   The carrier wave signal applied to each of the sensors 71x, 71y, 72x, 72y and 73 is amplitude-modulated in accordance with the sensor section impedance change caused by the gap displacement. This amplitude-modulated modulated wave signal (hereinafter simply referred to as amplitude modulated wave) is input to the A / D converter 34 via the sensor circuits 33a to 33e. Analog signals from the sensor circuits 33 a to 33 e are sequentially converted into digital values by the A / D converter 34 and input to the digital control circuit 30.

デジタル制御回路30では、予め記憶された磁気浮上制御定数とデジタル値へと変換された位置情報とに基づいて各電磁石51x、51y、52x、52y、53に流すべき励磁電流を算出し、励磁電流制御信号を出力する。励磁電流制御信号はD/Aコンバータ35によりアナログ値に変換された後に励磁アンプ36に入力される。なお、図2では励磁アンプ36は一つだけ記載されているが、実際には制御軸の数だけ設けられており、各励磁アンプから各電磁石51x、51y、52x、52y、53へと励磁電流が供給される。   The digital control circuit 30 calculates an excitation current to be passed to each of the electromagnets 51x, 51y, 52x, 52y, 53 based on the magnetic levitation control constant stored in advance and the position information converted into a digital value. Output a control signal. The excitation current control signal is converted into an analog value by the D / A converter 35 and then input to the excitation amplifier 36. In FIG. 2, only one excitation amplifier 36 is shown, but in actuality, there are provided as many control axes as there are excitation currents from each excitation amplifier to each electromagnet 51x, 51y, 52x, 52y, 53. Is supplied.

図3は、図2に示した制御ブロック図のラジアルセンサ73(z軸方向)に関係する部分を詳細に示したものである。デジタル制御回路30の正弦波離散値生成部313で生成された正弦波離散値はD/Aコンバータ31によりアナログ信号に変換され、そのアナログ信号はフィルタ32へ出力される。出力された搬送波信号は高調波が含まれていて階段状になっているため、ローパスフィルタやバンドパスフィルタ等で構成されるフィルタ32でフィルタリングすることにより、滑らかな搬送波信号が得られる。その搬送波信号は、抵抗Rを通して直列接続されたセンサ73に印加される。フィルタ32から出力される搬送波信号Fcarrier(t)は搬送波周波数をfcとすれば次式(1)で表される。
Fcarrier(t)=Asin(2πfct) …(1)
FIG. 3 shows in detail a portion related to the radial sensor 73 (z-axis direction) in the control block diagram shown in FIG. The sine wave discrete value generated by the sine wave discrete value generation unit 313 of the digital control circuit 30 is converted into an analog signal by the D / A converter 31, and the analog signal is output to the filter 32. Since the output carrier wave signal includes harmonics and has a stepped shape, a smooth carrier wave signal can be obtained by filtering with the filter 32 including a low-pass filter and a band-pass filter. The carrier wave signal is applied to a sensor 73 connected in series through a resistor R. The carrier signal Fcarrier (t) output from the filter 32 is expressed by the following equation (1) if the carrier frequency is fc.
Fcarrier (t) = Asin (2πfct) (1)

変位センサ73に印加されたこの搬送波信号は、ロータ4の位置に応じて変化するインピーダンス変化により振幅変調されて振幅変調波FAM(t)となる。ここで、位置情報信号をFsig(t)とすると、振幅変調波FAM(t)は次式(2)のように表される。なお、φは搬送波信号との位相差である。
AM(t)=(A+Fsig(t))sin(2πfct+φ) …(2)
The carrier wave signal applied to the displacement sensor 73 is amplitude-modulated by an impedance change that changes in accordance with the position of the rotor 4 to become an amplitude-modulated wave F AM (t). Here, assuming that the position information signal is Fsig (t), the amplitude-modulated wave F AM (t) is expressed by the following equation (2). Note that φ is the phase difference from the carrier signal.
F AM (t) = (A + Fsig (t)) sin (2πfct + φ) (2)

図4は信号波形の一例を示したものであり、(a)は位置情報信号Fsig(t)を示したものであり、(b)は搬送波信号Fcarrier(t)を示している。図4(b)の搬送波信号Fcarrier(t)を図4(a)の位置情報信号Fsig(t)で変調すると、図4(c)に示すような振幅変調波FAM(t)が得られる。この振幅変調波FAM(t)は変位センサ73から差動アンプ203に入力される。 FIG. 4 shows an example of a signal waveform. (A) shows the position information signal Fsig (t), and (b) shows the carrier signal Fcarrier (t). When the carrier signal Fcarrier (t) in FIG. 4B is modulated with the position information signal Fsig (t) in FIG. 4A, an amplitude-modulated wave F AM (t) as shown in FIG. 4C is obtained. . This amplitude-modulated wave F AM (t) is input from the displacement sensor 73 to the differential amplifier 203.

差動アンプ203には、振幅変調波FAM(t)とともに、次式(3)で表されるセンサ基準信号Fstd(t)が入力され、これらの差分信号Fsub(t)が差動アンプ203から出力される。センサ基準信号Fstd(t)は、搬送波信号Fcarrier(t)をゲイン調整部202にてゲイン調整し、さらに位相シフト回路204で振幅変調波FAM(t)と同位相となるように位相調整することにより形成される。 A sensor reference signal Fstd (t) represented by the following equation (3) is input to the differential amplifier 203 together with the amplitude modulation wave F AM (t), and the differential signal Fsub (t) is input to the differential amplifier 203. Is output from. For the sensor reference signal Fstd (t), the gain of the carrier signal Fcarrier (t) is adjusted by the gain adjusting unit 202, and the phase of the sensor reference signal Fstd (t) is adjusted by the phase shift circuit 204 so as to be in phase with the amplitude modulation wave F AM (t). Is formed.

センサ基準信号Fstd(t)は図4(d)に示すような波形となり、次式(4)に示す差分信号Fsub(t)は図4(e)のような波形となる。差動アンプ203から出力された差分信号Fsub(t)は、フィルタ205において搬送波周波数fcを中心周波数とするバンドパス処理が施される。
Fstd(t)=Csin(2πfct+φ) …(3)
Fsub(t)=FAM(t)−Fstd(t)
=(A+Fsig(t)−C)sin(2πfct+φ) …(4)
The sensor reference signal Fstd (t) has a waveform as shown in FIG. 4D, and the differential signal Fsub (t) shown in the following equation (4) has a waveform as shown in FIG. The difference signal Fsub (t) output from the differential amplifier 203 is subjected to bandpass processing with the carrier frequency fc as the center frequency in the filter 205.
Fstd (t) = Csin (2πfct + φ) (3)
Fsub (t) = F AM (t) −Fstd (t)
= (A + Fsig (t) -C) sin (2πfct + φ) (4)

フィルタ205からA/Dコンバータ34に入力された差分信号Fsub(t)は、A/Dコンバータ34によりデジタル値へと変換される。このデジタルサンプリングによりサンプリングされた離散化信号の周波数は、例えば、周波数faの正弦波をサンプリング周波数fbでサンプリングすると、得られる離散化信号は周波数(fa−fb)を有する信号で表される。   The difference signal Fsub (t) input from the filter 205 to the A / D converter 34 is converted into a digital value by the A / D converter 34. The frequency of the discretized signal sampled by this digital sampling is represented by a signal having a frequency (fa−fb) when, for example, a sine wave of the frequency fa is sampled at the sampling frequency fb.

なお、A/Dコンバータ34でデジタル変換する際には、正弦波離散値生成部313で生成された正弦波離散値に基づいてサンプリングするが、搬送波信号が変位センサ73により変調されると位相がシフトする。そのため、そのシフトに応じて位相シフト演算部312で正弦波離散値を位相シフトしたものを、A/Dコンバータ34に入力する。A/Dコンバータ34では、変調波信号をデジタル信号へ変換するタイミングを、その変調波信号の包絡線とほぼ一致させるようにする。すなわち、搬送波成分の最大位置と同期させるようにする。   When digital conversion is performed by the A / D converter 34, sampling is performed based on the sine wave discrete value generated by the sine wave discrete value generation unit 313. However, when the carrier signal is modulated by the displacement sensor 73, the phase is changed. shift. For this reason, the phase shift computing unit 312 shifts the phase of the sine wave discrete value according to the shift, and inputs it to the A / D converter 34. The A / D converter 34 makes the timing for converting the modulated wave signal into a digital signal substantially coincide with the envelope of the modulated wave signal. That is, it is synchronized with the maximum position of the carrier wave component.

ここでは、A/Dコンバータ34におけるサンプリング周波数fsを、搬送波信号の周波数fcと等しくした場合について説明する。このとき、差分信号Fsub(t)を周波数fcでサンプリングして得られる離散化センサ信号e(t)は、次式(5)のように表される。なお、P=A−C、Q=sinφであり、PもQも定数になっている。
e(t)=(A+Fsig(t)−C)sin{2π(fc−fc)t+φ}
=(A+Fsig(t)−C)sinφ
=QP+QFsig(t) …(5)
Here, a case where the sampling frequency fs in the A / D converter 34 is made equal to the frequency fc of the carrier wave signal will be described. At this time, the discretized sensor signal e (t) obtained by sampling the difference signal Fsub (t) at the frequency fc is expressed by the following equation (5). Note that P = A−C, Q = sinφ, and P and Q are constants.
e (t) = (A + Fsig (t) −C) sin {2π (fc−fc) t + φ}
= (A + Fsig (t) -C) sinφ
= QP + QFsig (t) (5)

式(5)からも分かるように、離散化センサ信号e(t)には搬送波が含まれておらず、復調演算処理を行う必要がないという特徴を有している。図4(f)は離散センサ信号e(t)を示したものであり、この離散センサ信号e(t)をデジタル制御演算回路30のゲイン・オフセット調整部310でオフセット調整およびゲイン調整することにより、元の位置情報信号Fsig(t)を抽出することができる。図4(g)はゲイン・オフセット調整後の離散化センサ信号e(t)を示したものであり、破線は位置情報信号Fsig(t)を重ねて示したものである。制御演算部311では、抽出された位置情報信号Fsig(t)に基づいて励磁電流制御量の演算が行われる。   As can be seen from the equation (5), the discretized sensor signal e (t) does not include a carrier wave and has a feature that there is no need to perform demodulation calculation processing. FIG. 4 (f) shows the discrete sensor signal e (t), and the discrete sensor signal e (t) is offset and gain adjusted by the gain / offset adjustment unit 310 of the digital control arithmetic circuit 30. The original position information signal Fsig (t) can be extracted. FIG. 4G shows the discretized sensor signal e (t) after gain / offset adjustment, and the broken line shows the position information signal Fsig (t) superimposed. In the control calculation unit 311, the excitation current control amount is calculated based on the extracted position information signal Fsig (t).

上述した例では、fc=fsとした場合について説明したが、サンプリング周波数fsと搬送波信号の周波数fcとの関係をfc=n・fsと設定した場合にも、離散化後の信号に搬送波成分が含まれず同様に復調演算処理やフィルタ処理を省略することができる。差分信号Fsub(t)をサンプリング周波数fsでサンプリングして得られる離散値信号は、t=mTs(ただし、m=0,1,2,…)における値をサンプルすると考えれば次式のように表される。ただし、Ts=1/fsである。
(A+Fsig(mTs)−C)sin(2πfc・mTs+φ)
In the above example, the case where fc = fs has been described. However, even when the relationship between the sampling frequency fs and the frequency fc of the carrier signal is set to fc = n · fs, the carrier component is included in the discretized signal. Similarly, demodulation operation processing and filter processing can be omitted. The discrete value signal obtained by sampling the difference signal Fsub (t) at the sampling frequency fs is expressed as the following equation if the value at t = mTs (where m = 0, 1, 2,...) Is sampled. Is done. However, Ts = 1 / fs.
(A + Fsig (mTs) -C) sin (2πfc · mTs + φ)

fc=n・fsの場合を考えると、次式に示すように、結果はfc=fsの場合と同様になる。
(A+Fsig(mTs)−C)sin(2πfc・mTs+φ)
=(A+Fsig(mTs)−C)sin(2πn・fs・m/fs+φ)
=(A+Fsig(mTs)−C)sin(2πn・m+φ)
=(A+Fsig(mTs)−C)sinφ
=QP+QFsig(mTs)
Considering the case of fc = n · fs, the result is the same as the case of fc = fs, as shown in the following equation.
(A + Fsig (mTs) -C) sin (2πfc · mTs + φ)
= (A + Fsig (mTs) -C) sin (2πn · fs · m / fs + φ)
= (A + Fsig (mTs) -C) sin (2πn · m + φ)
= (A + Fsig (mTs) -C) sinφ
= QP + QFsig (mTs)

図5は、このように搬送波信号と同期してサンプリングを行った場合のサンプリングタイミングを説明する図である。図5において、(a)は上述した位置情報信号Fsig(t)に対応する変位信号であり、(b)は搬送波信号を、(c)は搬送波信号が位置情報信号により変調されたセンサ信号を示している。センサ信号は、搬送波周波数で変化する搬送波成分を有している。また、(d)〜(e)は、fc=fsの場合(すなわち、n=1場合)のサンプリングされた離散値信号(丸印および三角印で示す)を示したものであり、それぞれサンプリング開始タイミングが異なる。   FIG. 5 is a diagram for explaining the sampling timing when sampling is performed in synchronization with the carrier wave signal. In FIG. 5, (a) is a displacement signal corresponding to the above-described position information signal Fsig (t), (b) is a carrier signal, (c) is a sensor signal obtained by modulating the carrier signal with the position information signal. Show. The sensor signal has a carrier component that varies at the carrier frequency. Further, (d) to (e) show sampled discrete value signals (indicated by circles and triangles) when fc = fs (that is, when n = 1), and sampling starts. The timing is different.

n=1の場合、搬送波成分の1周期Tc毎にサンプリングが行われ、図5の(d)ではサンプリングタイミングは搬送波成分が最大となる位置と同期しており、(e)では搬送波成分が最小となる位置と同期している。(e)に示すサンプリングタイミングで取得される離散値信号は、信号の正負を反転するだけで(a)の変位信号を得ることができる。(f)では、サンプリングタイミングは搬送波成分の最大位置および最小位置とずれた位置に同期している。   When n = 1, sampling is performed every one cycle Tc of the carrier component. In FIG. 5D, the sampling timing is synchronized with the position where the carrier component is maximum, and in FIG. 5E, the carrier component is minimum. It is synchronized with the position. The discrete value signal acquired at the sampling timing shown in (e) can obtain the displacement signal (a) only by inverting the sign of the signal. In (f), the sampling timing is synchronized with the position shifted from the maximum position and the minimum position of the carrier wave component.

また、n=2の場合には搬送波成分の2周期毎にサンプリングが行われるので、図5の丸印および三角印に関して1つおきにサンプリングされる。さらに、n=3の場合には2つおきにサンプリングされ、n=4の場合には3つおきにサンプリングされる。nが5以上の場合にも同様に考えればよい。   In addition, when n = 2, sampling is performed every two periods of the carrier wave component, so that every other circle and triangle in FIG. 5 are sampled. Further, every two samples are sampled when n = 3, and every three samples when n = 4. The same applies when n is 5 or more.

一方、サンプリング周波数fsをfc=fs/2と設定した場合には、サンプリングされた離散値信号は次式のように表される。
(A+Fsig(mTs)−C)sin(2πfc・mTs+φ)
=(A+Fsig(mTs)−C)sin(π・m+φ)
この場合は、搬送波成分の1/2周期毎にサンプリングが行われ、搬送波成分の最大位置に同期するようにサンプリングを開始すれば、1回目は図5(e)の丸印でサンプリングされ、2回目は図5(f)の三角印の位置でサンプリングが行われる。すなわち、最大位置、最小位置、最大位置、最小位置、〜、の順にサンプリングが行われる。この場合、最小位置の離散値信号を上下反転させることにより図5(c)に示すセンサ信号の包絡線、すなわち図5(a)の信号が得られることになる。
On the other hand, when the sampling frequency fs is set as fc = fs / 2, the sampled discrete value signal is expressed by the following equation.
(A + Fsig (mTs) -C) sin (2πfc · mTs + φ)
= (A + Fsig (mTs) -C) sin (π · m + φ)
In this case, sampling is performed every half cycle of the carrier component, and if sampling is started so as to synchronize with the maximum position of the carrier component, the first sampling is performed with a circle in FIG. In the second round, sampling is performed at the position of the triangle mark in FIG. That is, sampling is performed in the order of maximum position, minimum position, maximum position, minimum position, and so on. In this case, the envelope of the sensor signal shown in FIG. 5C, that is, the signal shown in FIG. 5A is obtained by vertically inverting the discrete value signal at the minimum position.

比較例として、サンプリング周波数fsを搬送波周波数fcの4/3倍に設定した場合を考える。ここでは、図6に示すような単純な正弦波(実線で示す)をサンプリングする場合について考察する。図6に示す正弦波信号をfs=(4/3)fcでA/D変換すると、図6の三角印S1の位置でサンプリングが行われる。サンプリングされた離散値信号は破線で示すような周期性を有しており、被サンプリング信号(実線で示す正弦波信号)の1/4の周波数となる。   As a comparative example, consider a case where the sampling frequency fs is set to 4/3 times the carrier frequency fc. Here, a case where a simple sine wave (shown by a solid line) as shown in FIG. 6 is sampled will be considered. When the sine wave signal shown in FIG. 6 is A / D converted with fs = (4/3) fc, sampling is performed at the position of the triangle mark S1 in FIG. The sampled discrete value signal has a periodicity as indicated by a broken line, and has a frequency that is ¼ that of a sampled signal (a sine wave signal indicated by a solid line).

この場合、A/D変換後に復調演算処理が必要となり、被サンプリング信号の1/4周波数を有する正弦波をA/D変換されたデータに乗算する。このときの被サンプリング信号は次式(6)で表され、それをA/D変換した信号は式(7)のように表される。なお、Tsはサンプリング周期である。
Fsample(t)=Ksin(2πfct+ξ) …(6)
FADin=Ksin{2π(fs/4)・nTs+ξ’}
=Ksin{π・n/2+ξ’} …(7)
In this case, demodulation calculation processing is required after A / D conversion, and the A / D converted data is multiplied by a sine wave having a quarter frequency of the sampled signal. The signal to be sampled at this time is represented by the following equation (6), and a signal obtained by A / D conversion is represented by equation (7). Ts is a sampling period.
Fsample (t) = Ksin (2πfct + ξ) (6)
FADin = Ksin {2π (fs / 4) · nTs + ξ ′}
= Ksin {π · n / 2 + ξ ′} (7)

このときの、復調乗算用正弦波信号Fdecodeを次式(8)とすると、復調処理後の信号Fdetectは次式(9)のようになる。
Fdecode=Lsin{2π(fs/4)・nTs+ξ’}
=Lsin{(π/2)・n+ξ’} …(8)
Fdetect=FADin×Fdecode
=KLsin{(π/2)・n+ξ’}
=KL{1−cos(πn+ξ’)}/2 …(9)
If the demodulation multiplication sine wave signal Fdecode at this time is expressed by the following equation (8), the demodulated signal Fdetect is expressed by the following equation (9).
Fdecode = Lsin {2π (fs / 4) · nTs + ξ ′}
= Lsin {(π / 2) · n + ξ ′} (8)
Fdetect = FADin x Fdecode
= KLsin 2 {(π / 2) · n + ξ ′}
= KL {1-cos (πn + ξ ′)} / 2 (9)

ここで、L=K=1、ξ’=0の場合を考えると、Fsample(t)=sin(2πfct)で振幅1の信号が、Fdetect=1/2に減衰していることが分かる。なお、この処理の場合には、復調処理後にDC成分(=KL/2)を抽出するために、ローパスフィルタ処理が必要である。図6の場合、三角印S1の位置でサンプリングが行われるので、取り込んだ信号は0,−1,0,1,0,−1,0,1,0,…となる。これに同周波数の同期した信号を乗算すると0,1,0,1,0,1,0,1,…となり、これらの平均をとると信号は0.5に減衰する。   Here, considering the case of L = K = 1 and ξ ′ = 0, it can be seen that the signal of amplitude 1 is attenuated to Fdetect = 1/2 at Fsample (t) = sin (2πfct). In the case of this processing, low-pass filter processing is necessary to extract a DC component (= KL / 2) after demodulation processing. In the case of FIG. 6, since sampling is performed at the position of the triangle mark S1, the acquired signals are 0, -1, 0, 1, 0, -1, 0, 1, 0,. When this is multiplied by a synchronized signal of the same frequency, it becomes 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1,..., And when these are averaged, the signal is attenuated to 0.5.

一方、本実施の形態のようにfc=fsでサンプリングを行った場合、図6の四角印S2の位置で信号がサンプリングされ、上述したように取り込んだ信号をそのまま位置情報の信号として用いることができる。このことは、図5の(d)や(e)からも分るように、搬送波周波数fcに対してサンプリング周波数fsをfc=nfs(n≠1)やfc=fs/2のように設定した場合も同様であって、搬送波成分の最大位置または最小位置と同期させてサンプリングを行うとS/N比の低下を招くことがない。   On the other hand, when sampling is performed at fc = fs as in the present embodiment, the signal is sampled at the position of the square mark S2 in FIG. 6, and the captured signal is used as it is as the position information signal. it can. As can be seen from FIGS. 5D and 5E, the sampling frequency fs is set to fc = nfs (n ≠ 1) and fc = fs / 2 with respect to the carrier frequency fc. The same applies to the case, and if the sampling is performed in synchronization with the maximum position or the minimum position of the carrier wave component, the S / N ratio does not decrease.

しかし、図5(f)に示すようにサンプリング開始位置が搬送波成分の最大位置および最小位置とずれている場合には、信号のゲインが低下しており、これを最大位置同期復調の場合のゲインへと調整するとS/N比が低下する。このS/N比の低下は、サンプリングタイミングと搬送波最大位置との位相ずれが大きくなるほど大きくなり、搬送波最大位置から90度位相がずれた位置では信号成分が全く検出されない状態となってしまう。   However, when the sampling start position deviates from the maximum position and the minimum position of the carrier wave component as shown in FIG. 5 (f), the gain of the signal decreases, and this is the gain in the case of maximum position synchronous demodulation. When the adjustment is made, the S / N ratio decreases. This decrease in the S / N ratio increases as the phase shift between the sampling timing and the maximum carrier position increases, and no signal component is detected at a position 90 degrees out of phase from the maximum carrier position.

ところで、図2に示した5軸制御型の磁気軸受装置のように5軸全てに同一周波数で同位相の搬送波を各センサに印加した場合には、同一構造のセンサを用いた軸同士ではセンサ信号の搬送波成分が同位相となる。図7は、図2における各軸のセンサ71x〜73とセンサ回路33a〜33eとを詳細に示したものである。ラジアル方向のX1軸センサ71x,Y1軸センサ71y,X2軸センサ72x,Y2軸センサ72yは同一の構成となっており、一対のセンサからの出力信号の間で差分が取られる。   By the way, when a carrier wave having the same frequency and the same phase is applied to each sensor as in the five-axis control type magnetic bearing device shown in FIG. The carrier component of the signal has the same phase. FIG. 7 shows in detail the sensors 71x to 73 and the sensor circuits 33a to 33e of each axis in FIG. The X1 axis sensor 71x, Y1 axis sensor 71y, X2 axis sensor 72x, and Y2 axis sensor 72y in the radial direction have the same configuration, and a difference is taken between output signals from the pair of sensors.

一方、アキシャル方向のセンサ73に関しては、上述したようにセンサからの出力信号はセンサ基準信号Fstd(t)との間で差分演算が行われる。このように、ラジアル方向とアキシャル方向とではセンシング方式が異なるため、X1軸,Y1軸,X2軸およびY2軸とZ軸とでは位相が大きく異なることが多い。そのため、A/Dコンバータ34では、Z軸の信号に関して搬送波成分の最大位置と同期してサンプリングし、さらのもう1軸についても最大位置と同期してサンプリングを行うことができる。   On the other hand, as for the sensor 73 in the axial direction, the difference between the output signal from the sensor and the sensor reference signal Fstd (t) is calculated as described above. As described above, since the sensing method is different between the radial direction and the axial direction, the X1 axis, the Y1 axis, the X2 axis, the Y2 axis, and the Z axis often have large phases. Therefore, the A / D converter 34 can sample the Z-axis signal in synchronization with the maximum position of the carrier component, and can also perform sampling on the other axis in synchronization with the maximum position.

しかし、X1軸,Y1軸,X2軸およびY2軸に関しては、図7に示すように同一構造であるため同位相の信号がA/Dコンバータ34に入力されることになる。そのため、X1軸,Y1軸,X2軸およびY2軸の全てを搬送波成分の最大位置または最小位置に同期してサンプリングすることができない。例えば、X1軸を最大位置、Y1軸を最小位置にそれぞれ同期してサンプリングした場合、その他のX2軸およびY2軸に関しては搬送波成分の最大位置および最小位置とはずれた位置でサンプリングされることになり、S/N比が低下してしまう。   However, since the X1, Y1, X2, and Y2 axes have the same structure as shown in FIG. 7, signals having the same phase are input to the A / D converter 34. Therefore, it is not possible to sample all of the X1, Y1, X2, and Y2 axes in synchronization with the maximum or minimum position of the carrier component. For example, if the X1 axis is sampled in synchronization with the maximum position and the Y1 axis is synchronized with the minimum position, the other X2 and Y2 axes are sampled at positions that deviate from the maximum and minimum positions of the carrier component. , S / N ratio decreases.

そこで、このような問題を解決する方法について以下で説明する。
《第1の方法》
第1の方法では、位相の異なる複数種類の搬送波信号を生成して、それらを各センサに印加する。図8はその一例を示したブロック図であり、2つのD/Aコンバータ31A,31Bを設けて位相の異なる2種類の搬送波信号を生成するようにした。
A method for solving such a problem will be described below.
<First Method>
In the first method, a plurality of types of carrier signals having different phases are generated and applied to each sensor. FIG. 8 is a block diagram showing an example thereof, and two D / A converters 31A and 31B are provided to generate two types of carrier signals having different phases.

D/Aコンバータ31A,31Bにはデジタル制御回路30の正弦波離散値生成部313(図3参照)で生成された正弦波離散値が入力される。D/Aコンバータ31Aからの搬送波信号は、フィルタ32を介してZ軸(アキシャル)センサ73およびX1軸センサ71x,Y1軸センサ71yに入力される。一方、D/Aコンバータ31Bからの搬送波信号は、フィルタ32を介してX2軸センサ72x,Y2軸センサ72yに入力される。   The sine wave discrete values generated by the sine wave discrete value generation unit 313 (see FIG. 3) of the digital control circuit 30 are input to the D / A converters 31A and 31B. The carrier wave signal from the D / A converter 31A is input to the Z-axis (axial) sensor 73, the X1-axis sensor 71x, and the Y1-axis sensor 71y via the filter 32. On the other hand, the carrier wave signal from the D / A converter 31B is input to the X2 axis sensor 72x and the Y2 axis sensor 72y via the filter 32.

この場合、A/Dコンバータ34に入力されるX1軸およびY1軸のセンサ信号の搬送波成分は同位相となっており、また、X2軸およびY2軸のセンサ信号の搬送波成分も同位相となっている。しかし、X1軸,Y1軸とX2軸,Y2軸およびZ軸との間では位相がずれている。A/Dコンバータ34はチャンネル1〜5の順にサンプリングを行い、例えば、X1軸およびX2軸を搬送波成分の最大位置に同期させ、Y1軸およびY2軸を搬送波成分の最小位置に同期させることができる。Z軸についてはX1軸,Y1軸と位相がずれているので、それらとは独立して最大位置に同期させることができる。   In this case, the carrier components of the X1-axis and Y1-axis sensor signals input to the A / D converter 34 have the same phase, and the carrier components of the X2-axis and Y2-axis sensor signals have the same phase. Yes. However, the X1 axis, Y1 axis and the X2, Y2, and Z axes are out of phase. The A / D converter 34 performs sampling in the order of the channels 1 to 5, and for example, the X1 axis and the X2 axis can be synchronized with the maximum position of the carrier component, and the Y1 axis and the Y2 axis can be synchronized with the minimum position of the carrier component. . Since the Z axis is out of phase with the X1 and Y1 axes, it can be synchronized to the maximum position independently of them.

なお、図8は、D/Aコンバータ31A,31Bの搬送波信号を各センサに入力する場合の一例を示したものであり、D/Aコンバータ31A,31Bと各センサ71x,71y,72x,72y,73との対応は図8の場合に限定されない。   FIG. 8 shows an example in which the carrier wave signals of the D / A converters 31A and 31B are input to the sensors. The D / A converters 31A and 31B and the sensors 71x, 71y, 72x, 72y, The correspondence with 73 is not limited to the case of FIG.

図8に示す例では、D/Aコンバータを複数設けて位相の異なる搬送波信号を生成したが、図9に示すように位相シフト回路を用いて位相をずらすようにしても良い。図9に示すブロック図では、フィルタ32から出力された搬送波信号は位相シフト回路37A〜37Eにそれぞれ入力される。位相シフト回路37Aで移相シフトされた搬送波信号はX1軸センサ71xに入力され、同様に、位相シフト回路37B〜37Eで位相シフトされた各搬送波信号はそれぞれセンサ71y,72x,72y,73に入力される。   In the example shown in FIG. 8, a plurality of D / A converters are provided to generate carrier signals having different phases, but the phase may be shifted using a phase shift circuit as shown in FIG. In the block diagram shown in FIG. 9, the carrier wave signal output from the filter 32 is input to the phase shift circuits 37A to 37E, respectively. The carrier signal shifted in phase by the phase shift circuit 37A is input to the X1-axis sensor 71x. Similarly, the carrier signals shifted in phase by the phase shift circuits 37B to 37E are input to the sensors 71y, 72x, 72y, 73, respectively. Is done.

位相シフト回路37A〜37Eにおける位相シフト量は、A/Dコンバータ34の各チャンネル1〜5に入力されたセンサ信号に対して搬送波成分の最大位置または最小位置に同期してサンプリングできるように各々設定される。その結果、例えば、チャンネル1,3,5に入力されたセンサ信号は搬送波成分の最大位置に同期してサンプリングし、チャンネル1,3,5に入力されたセンサ信号は搬送波成分の最小位置に同期してサンプリングすることができる。   The phase shift amounts in the phase shift circuits 37A to 37E are set so that the sensor signals input to the channels 1 to 5 of the A / D converter 34 can be sampled in synchronization with the maximum position or the minimum position of the carrier component. Is done. As a result, for example, sensor signals input to channels 1, 3, and 5 are sampled in synchronization with the maximum position of the carrier component, and sensor signals input to channels 1, 3, and 5 are synchronized to the minimum position of the carrier component. And can be sampled.

なお、図9に示す例では、5軸の全てに位相シフト回路を設けて最も位相調整が容易な構成としたが、必ずしも5軸全てに設ける必要はない。例えばX1軸およびY1軸にはフィルタ32から出力された搬送波信号を直接入力し、X2軸およびY2軸には位相シフト回路を用いて90degだけ位相をずらした搬送波信号を入力する。X1,Y1,X2およびY2軸に関しては、搬送波成分の最大位置または最小位置に同期してサンプリングすることができる。   In the example shown in FIG. 9, the phase shift circuit is provided on all of the five axes so that the phase can be adjusted most easily. However, it is not always necessary to provide the five axes. For example, a carrier wave signal output from the filter 32 is directly input to the X1 axis and the Y1 axis, and a carrier wave signal whose phase is shifted by 90 degrees using a phase shift circuit is input to the X2 axis and the Y2 axis. With respect to the X1, Y1, X2, and Y2 axes, sampling can be performed in synchronization with the maximum position or the minimum position of the carrier component.

《第2の方法》
第2の方法では、A/Dコンバータを複数とすることにより、各軸のセンサ信号を搬送波成分の最大位置や最小位置でサンプリングする。図10は第2の方法の場合のブロック図であり、2つのA/Dコンバータ34A,34Bを設けた。X1軸およびX2軸のセンサ信号はA/Dコンバータ34Aに入力され、Y1軸,Y2軸およびZ軸のセンサ信号は他方のA/Dコンバータ34Bに入力される。
<Second method>
In the second method, by using a plurality of A / D converters, the sensor signal of each axis is sampled at the maximum position and the minimum position of the carrier wave component. FIG. 10 is a block diagram in the case of the second method, and two A / D converters 34A and 34B are provided. The X1-axis and X2-axis sensor signals are input to the A / D converter 34A, and the Y1-axis, Y2-axis, and Z-axis sensor signals are input to the other A / D converter 34B.

第2の方法の場合、A/Dコンバータ34A,34Bのチャンネル1に入力された信号同士およびチャンネル2に入力された信号同士を、それぞれ同じタイミングでサンプリングすることができる。例えば、上側のX1軸センサ71xおよびY1軸センサ71yは搬送波成分の最大位置に同期してサンプリングを行い、下側のX2軸センサ72xおよびY2軸センサ72yは搬送波成分の最小位置に同期してサンプリングを行う。また、Z軸センサ73のセンサ信号は、Y1軸センサ71yおよびY2軸センサ72yのセンサ信号に対して位相がずれているので、チャンネル3のサンプリングタイミングを搬送波成分の最大位置や最小位置またはそれらの近傍位置とすることが可能である。   In the case of the second method, the signals input to channel 1 and the signals input to channel 2 of the A / D converters 34A and 34B can be sampled at the same timing. For example, the upper X1 axis sensor 71x and the Y1 axis sensor 71y sample in synchronization with the maximum position of the carrier component, and the lower X2 axis sensor 72x and Y2 axis sensor 72y sample in synchronization with the minimum position of the carrier component. I do. In addition, since the sensor signal of the Z-axis sensor 73 is out of phase with the sensor signals of the Y1-axis sensor 71y and the Y2-axis sensor 72y, the sampling timing of the channel 3 is set to the maximum position or minimum position of the carrier wave component or their position. It is possible to make it a near position.

《第3の方法》
上述した第1の方法では、D/Aコンバータを複数設けたり位相シフト回路を設けたりすることにより、センサ信号の搬送波成分の位相をずらすようにした。また、第2の方法では、A/Dコンバータを複数設けることにより、同一位相の複数のセンサ信号を同一タイミングでサンプリングできるようにした。その結果、搬送波成分の最大位置や最小位置と同期してサンプリングすることが可能となり、S/N比の低下が防止できる。そこで、第3の方法では、サンプリングタイミングが搬送波成分の最大位置や最小位置とずれていても、ぞのズレによるS/N比の低下を極力抑える方法について説明する。
<Third method>
In the first method described above, the phase of the carrier component of the sensor signal is shifted by providing a plurality of D / A converters or a phase shift circuit. In the second method, by providing a plurality of A / D converters, a plurality of sensor signals having the same phase can be sampled at the same timing. As a result, sampling can be performed in synchronization with the maximum position and the minimum position of the carrier wave component, and the S / N ratio can be prevented from being lowered. Therefore, in the third method, a method for suppressing a decrease in the S / N ratio due to misalignment as much as possible even when the sampling timing is shifted from the maximum position or the minimum position of the carrier wave component will be described.

図11は、第3の方法によるサンプリングの概念を説明する図である。図11は、図5(a)の変位信号がDC成分のみの場合のセンサ信号を示す図である。センサ信号は搬送波信号と同一周波数を有する搬送波成分のみとなり、搬送波成分の最大位置・最小位置はセンサ信号の最大位置・最小位置に対応している。すなわち、サンプリングタイミングがセンサ信号の最大位置や最小位置からずれると、その位相ズレに応じてS/N比が低下する。   FIG. 11 is a diagram for explaining the concept of sampling by the third method. FIG. 11 is a diagram illustrating a sensor signal when the displacement signal in FIG. 5A is only a DC component. The sensor signal is only a carrier wave component having the same frequency as the carrier wave signal, and the maximum position / minimum position of the carrier wave component corresponds to the maximum position / minimum position of the sensor signal. That is, when the sampling timing deviates from the maximum position or the minimum position of the sensor signal, the S / N ratio decreases according to the phase shift.

第3の方法では、搬送波成分の最大位置および最小位置を中心とした所定位相範囲においてサンプリングを行うことにより、S/N比の低下を抑えるようにした。ここでは、所定位相範囲として搬送波周期Tcの1/4以内(すなわち90deg以内)とし、その範囲内でA/Dコンバータ34で2点ずつサンプリングを行うようにした。   In the third method, sampling is performed in a predetermined phase range centered on the maximum position and the minimum position of the carrier wave component, thereby suppressing a decrease in the S / N ratio. Here, the predetermined phase range is set to within ¼ of the carrier cycle Tc (that is, within 90 deg), and sampling is performed at two points by the A / D converter 34 within the range.

A/Dコンバータ34の最高サンプリングスピードでサンプリングを行った場合の、1秒間のサンプリング回数をNsampとする。この場合、1サンプリングに1/Nsamp秒かかることになる。この時間1/Nsampは、周波数fcの搬送波周期1/fcのfc/N倍になり、位相degで表すと(fc/N)・360degに対応する。搬送波周波数TcをTc>4/Nsampのように設定すれば、範囲Tc/4以内で2回サンプリングを行うことができる。   When sampling is performed at the maximum sampling speed of the A / D converter 34, the number of samplings per second is Nsamp. In this case, 1 sampling takes 1 / Nsamp seconds. This time 1 / Nsamp is fc / N times the carrier frequency 1 / fc of the frequency fc and corresponds to (fc / N) · 360 deg in terms of the phase deg. If the carrier frequency Tc is set such that Tc> 4 / Nsamp, sampling can be performed twice within the range Tc / 4.

図11に示す例では、最大位置を挟んで左右対称な位置で1点目M1(丸印)、2点目M2(三角印)のサンプリングを行い、さらに最小位置を挟んで対称な位置で3点目M3(四角印)、4点目M4(星印)をサンプリングする。この場合の信号レベルの低下は、sin(90−(fc/N)・180)となる。このように、範囲Tc/4以内でサンプリングを2回行った場合、最大位置・最小位置からもっとも離れた±45degの位置でサンプリングが行われた場合でも、信号レベルの低下はsin(45)=0.707=3dB程度の減少に抑えることができる。5軸の場合、X1,Y1,X2,Y2の各軸のサンプリングを図11に示すような方法で行い、センサ構造が他の軸と異なるZ軸に関しては、構造の違いにより位相ズレが異なることを利用してほぼ最大位置や最小位置に同期させてサンプリングを行うようにする。   In the example shown in FIG. 11, the first point M1 (circle) and the second point M2 (triangle) are sampled at positions symmetrical with respect to the maximum position, and 3 at positions symmetrical with respect to the minimum position. Sampling point M3 (square mark) and fourth point M4 (star mark). In this case, the decrease in signal level is sin (90− (fc / N) · 180). As described above, when sampling is performed twice within the range Tc / 4, even when sampling is performed at a position of ± 45 deg farthest from the maximum position / minimum position, the decrease in signal level is sin (45) = It can be suppressed to a decrease of about 0.707 = 3 dB. In the case of 5 axes, sampling of each axis of X1, Y1, X2, and Y2 is performed by the method as shown in FIG. 11, and the phase shift differs due to the difference in structure for the Z axis whose sensor structure is different from other axes. Is used to perform sampling in synchronism with the maximum or minimum position.

[変形例]
磁気軸受制御系を構成する場合、上述した第1〜3の方法のいずれか一つを採用することもできるし、複数の方法を併用して採用することもできる。例えば、第1の方法で説明したように、X2軸およびY2軸には位相シフト回路を用いて90deg位相をずらした搬送波信号を入力する。そして、Z軸の位相がX1軸,Y1軸と同じであった場合には、X1軸,Y1軸に関しては第3の方法のように搬送波成分の最大位置を中心とするTc/4周期の範囲内でサンプリングを行い、Z軸に関しては搬送波成分の最小位置に同期してサンプリングを行う。Z軸の位相がX2軸,Y2軸と同じであった場合にも同様に処理する。一方、Z軸の位相がX1軸,Y1軸ともX2軸,Y2軸とも異なっている場合には、Z軸に関しては搬送波成分の最大位置付近でサンプリングを行えば良い。その結果、5軸全ての軸において、最大のS/N比でA/D変換が可能となる。
[Modification]
When configuring the magnetic bearing control system, any one of the first to third methods described above can be employed, or a plurality of methods can be employed in combination. For example, as described in the first method, a carrier wave signal whose phase is shifted by 90 degrees is input to the X2 axis and the Y2 axis using a phase shift circuit. If the phase of the Z axis is the same as that of the X1 axis and the Y1 axis, the range of the Tc / 4 period centering on the maximum position of the carrier wave component is used for the X1 axis and the Y1 axis as in the third method. Sampling is performed in synchronism with the minimum position of the carrier component with respect to the Z axis. The same processing is performed when the Z-axis phase is the same as the X2-axis and Y2-axis. On the other hand, if the phase of the Z axis is different from the X1 axis, the Y1 axis, and the X2 axis and the Y2 axis, the Z axis may be sampled near the maximum position of the carrier component. As a result, A / D conversion is possible with the maximum S / N ratio for all five axes.

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、センサ71〜73,71x,71y,72x,72yおよびセンサ回路33a〜33eは検出手段を、デジタル制御回路30および励磁アンプ36は制御手段を、正弦波離散値生成部313,D/Aコンバータ31,31A,31Bおよび位相シフト回路37A〜37Eは搬送波生成手段をそれぞれ構成する。なお、以上の説明はあくまでも一例であり、発明を解釈する際、上記実施の形態の記載事項と特許請求の範囲の記載事項の対応関係に何ら限定も拘束もされない。   In the correspondence between the embodiment described above and the elements of the claims, the rotor 4 is a supported body, the sensors 71 to 73, 71x, 71y, 72x, 72y and the sensor circuits 33a to 33e are detection means, The control circuit 30 and the excitation amplifier 36 constitute control means, and the sine wave discrete value generation unit 313, the D / A converters 31, 31A, 31B, and the phase shift circuits 37A to 37E constitute carrier wave generation means. The above description is merely an example, and when interpreting the invention, there is no limitation or restriction on the correspondence between the items described in the above embodiment and the items described in the claims.

本発明による磁気軸受装置が適用される磁気軸受式ターボ分子ポンプのポンプ本体1の概略構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows schematic structure of the pump main body 1 of the magnetic bearing type turbo molecular pump to which the magnetic bearing apparatus by this invention is applied. 5軸制御型磁気軸受の制御ブロック図である。It is a control block diagram of a 5-axis control type magnetic bearing. 図2に示した制御ブロック図のラジアルセンサ73(z軸方向)に関係する部分を詳細に示したブロック図である。FIG. 3 is a block diagram showing in detail a portion related to a radial sensor 73 (z-axis direction) in the control block diagram shown in FIG. 2. 信号波形の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of a signal waveform. サンプリングタイミングを説明する図である。It is a figure explaining sampling timing. S/N比の向上を説明する図である。It is a figure explaining the improvement of S / N ratio. 図2における各軸のセンサ71x〜73とセンサ回路33a〜33eとを詳細に示す図である。It is a figure which shows in detail the sensors 71x-73 and sensor circuit 33a-33e of each axis | shaft in FIG. 第1の方法を説明するブロック図である。It is a block diagram explaining a 1st method. 位相シフト回路を用いて位相ずらしを行う場合の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure in the case of performing phase shift using a phase shift circuit. 第2の方法を説明するブロック図である。It is a block diagram explaining the 2nd method. 第3の方法を説明する図である。It is a figure explaining the 3rd method.

符号の説明Explanation of symbols

1 ポンプ本体
4 ロータ
30 デジタル制御回路
31,31A,31B,35 D/Aコンバータ
33a〜33e センサ回路
34,34A,34 A/Dコンバータ
36 励磁アンプ
37A〜37E,204 位相シフト回路
51〜53,51x,51y,52x,52y,53z 電磁石
71〜73,71x,71y,72x,72y センサ
313 正弦波離散値生成部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Pump main body 4 Rotor 30 Digital control circuit 31,31A, 31B, 35 D / A converter 33a-33e Sensor circuit 34,34A, 34 A / D converter 36 Excitation amplifier 37A-37E, 204 Phase shift circuit 51-53,51x , 51y, 52x, 52y, 53z Electromagnets 71 to 73, 71x, 71y, 72x, 72y Sensor 313 Sine wave discrete value generation unit

Claims (8)

被支持体を電磁石により非接触支持する磁気軸受装置において、
搬送波信号を生成する搬送波生成手段と、
前記被支持体の支持位置に応じて前記搬送波信号を変調して変調波信号を出力する検出手段と、
前記搬送波信号の周波数をfc、サンプリング周波数をfsとしたときに、fc=n・fs(ただし、nは自然数)またはfc=fs/2を満たすサンプリング周波数fsで前記検出手段から出力された前記変調波信号をデジタル信号へと変換するA/D変換手段と、
前記A/D変換手段から出力される前記デジタル信号に基づいて前記電磁石の励磁電流を制御し、前記被支持体の支持位置を制御する制御手段とを備えたことを特徴とする磁気軸受装置。
In a magnetic bearing device that supports a supported body in a non-contact manner by an electromagnet,
Carrier wave generating means for generating a carrier wave signal;
Detecting means for modulating the carrier wave signal according to a support position of the supported body and outputting a modulated wave signal;
The modulation output from the detection means at a sampling frequency fs satisfying fc = n · fs (where n is a natural number) or fc = fs / 2, where fc is the frequency of the carrier signal and fs is the sampling frequency. A / D conversion means for converting a wave signal into a digital signal;
A magnetic bearing device comprising: control means for controlling an excitation current of the electromagnet based on the digital signal output from the A / D conversion means and controlling a support position of the supported body.
請求項1に記載の磁気軸受装置において、
前記搬送波生成手段に、正弦波離散値をデジタル演算処理により生成する正弦波離散値生成部と、前記正弦波離散値をD/A変換して前記搬送波信号を生成するD/A変換部とを設けるとともに、前記正弦波離散値をデジタル演算処理により位相シフトする位相シフト演算部を備え、
前記位相シフト演算部による位相シフト演算結果に基づいて、前記A/D変換手段で前記変調波信号をデジタル信号へ変換するタイミングを前記変調波信号の包絡線とほぼ一致させるようにしたことを特徴とする磁気軸受装置。
The magnetic bearing device according to claim 1,
The carrier wave generating means includes a sine wave discrete value generator for generating a sine wave discrete value by digital arithmetic processing, and a D / A converter for generating the carrier signal by D / A converting the sine wave discrete value. And providing a phase shift calculation unit that phase shifts the sine wave discrete value by digital calculation processing,
The timing at which the A / D conversion means converts the modulated wave signal into a digital signal based on the result of the phase shift calculation by the phase shift calculation unit is made to substantially coincide with the envelope of the modulated wave signal. Magnetic bearing device.
請求項1に記載の磁気軸受装置において、
前記磁気軸受装置は制御軸を複数有する多軸制御型磁気軸受装置であって、
前記検出手段は、前記複数の制御軸毎に前記搬送波信号を変調して変調信号をそれぞれ出力し、
前記A/D変換手段は、(a)前記検出手段から出力される各変調波信号を前記搬送波信号と同期してA/D変換を行うとともに、(b)前記複数の変調波信号の中の2つの変調信号については、一方をその変調波信号内の前記搬送波周波数で変化する搬送波成分が最大となるタイミングにほぼ同期させてサンプリングし、他方をその変調波信号内の搬送波成分が最小となるタイミングにほぼ同期させてサンプリングすることを特徴とする磁気軸受装置。
The magnetic bearing device according to claim 1,
The magnetic bearing device is a multi-axis control type magnetic bearing device having a plurality of control shafts,
The detection means modulates the carrier signal for each of the plurality of control axes and outputs a modulated signal,
The A / D conversion means performs (A) A / D conversion in synchronization with each carrier wave signal from each modulation wave signal output from the detection means, and (b) among the plurality of modulation wave signals. One of the two modulation signals is sampled in synchronism with the timing at which the carrier component changing at the carrier frequency in the modulation wave signal is maximized, and the other is sampled in the modulation wave signal. A magnetic bearing device characterized by sampling in synchronization with timing.
請求項1に記載の磁気軸受装置において、
前記磁気軸受装置は制御軸を複数有する多軸制御型磁気軸受装置であって、
前記検出手段は、前記複数の制御軸毎に前記搬送波信号を変調して変調信号をそれぞれ出力し、
前記A/D変換手段は、前記検出手段から出力される各変調波信号を前記搬送波信号と同期してA/D変換を行うとともに、前記変調波信号内の前記搬送波周波数で変化する搬送波成分が最大または最小となる位相を中心とした搬送波周期の1/4の位相範囲内でサンプリングすることを特徴とする磁気軸受装置。
The magnetic bearing device according to claim 1,
The magnetic bearing device is a multi-axis control type magnetic bearing device having a plurality of control shafts,
The detection means modulates the carrier signal for each of the plurality of control axes and outputs a modulated signal,
The A / D conversion means performs A / D conversion on each modulated wave signal output from the detecting means in synchronization with the carrier wave signal, and a carrier wave component that changes at the carrier frequency in the modulated wave signal. A magnetic bearing device that samples within a phase range of ¼ of a carrier wave period centered on a phase that is maximum or minimum.
請求項3または4に記載の磁気軸受装置において、
前記搬送波生成手段は、互いに位相の異なる同一周波数の複数の搬送波信号を生成し、
前記検出手段は、前記複数の制御軸毎に前記複数の搬送波信号のいずれか一つを変調して変調信号をそれぞれ出力することを特徴とする磁気軸受装置。
In the magnetic bearing device according to claim 3 or 4,
The carrier wave generating means generates a plurality of carrier wave signals having the same frequency and different phases,
The magnetic bearing device according to claim 1, wherein the detecting means modulates any one of the plurality of carrier signals for each of the plurality of control axes and outputs a modulated signal.
請求項5に記載の磁気軸受装置において、
前記搬送波生成手段は、デジタル処理により正弦波離散値を生成する正弦波離散値生成部と、前記正弦波離散値生成部で生成された正弦波離散値をD/A変換して前記搬送波信号を生成するD/A変換手段と、前記搬送波信号の位相をシフトする位相シフト回路を少なくとも一つ有する位相シフト手段とを備えたことを特徴とする磁気軸受装置。
The magnetic bearing device according to claim 5,
The carrier wave generating means is a sine wave discrete value generator for generating a sine wave discrete value by digital processing, and the sine wave discrete value generated by the sine wave discrete value generator is D / A converted to convert the carrier wave signal A magnetic bearing device comprising: a D / A conversion means to be generated; and a phase shift means having at least one phase shift circuit for shifting the phase of the carrier signal.
請求項5に記載の磁気軸受装置において、
前記搬送波生成手段は、デジタル処理により正弦波離散値を生成する正弦波離散値生成部と、前記正弦波離散値生成部で生成された正弦波離散値をD/A変換して前記搬送波信号を生成する複数のD/A変換手段とを備えたことを特徴とする磁気軸受装置。
The magnetic bearing device according to claim 5,
The carrier wave generating means is a sine wave discrete value generator for generating a sine wave discrete value by digital processing, and the sine wave discrete value generated by the sine wave discrete value generator is D / A converted to convert the carrier wave signal A magnetic bearing device comprising a plurality of D / A conversion means to be generated.
請求項3または4に記載の磁気軸受装置において、
前記A/D変換手段を複数設け、前記検出手段から出力されて搬送波成分が同一位相となっている複数の変調波信号を、それぞれ異なる前記A/D変換手段に入力して同一タイミングでA/D変換することを特徴とする磁気軸受装置。
In the magnetic bearing device according to claim 3 or 4,
A plurality of A / D conversion means are provided, and a plurality of modulated wave signals output from the detection means and having the same phase of the carrier wave component are respectively input to the different A / D conversion means, and A / D conversion is performed at the same timing. A magnetic bearing device that performs D conversion.
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