JP3135410B2 - 磁気軸受装置 - Google Patents
磁気軸受装置Info
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
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Description
ドルを浮上させてその位置を制御する磁気軸受装置に関
するものである。
ルのロータを、アキシャル方向の2箇所に配置した2つ
の磁気軸受の磁力により非接触支持し、このロータの位
置を位置センサにより検出し、この位置センサの検出信
号に基づいて2つの磁気軸受の電磁石への供給電流を制
御することにより、ロータを基準位置(目標位置)に保
持するようにした磁気軸受装置があった。
に関する並進運動と傾斜運動を分離して制御することが
行われている。しかしながら、上記の磁気軸受装置にお
いては、途中でロータの先端に取り付けられている砥石
あるいは刃物等の工具が交換された場合、ロータの重心
位置その他の状態量が変化するため、位置制御が不安定
となって動剛性が低下する等の問題があった。
力手段によって入力することにより、上記重心位置等を
演算するようにした制御装置が提供されている(特開平
2−97714号公報参照)。
制御装置においては、工具の重量を予め把握しておかな
ければならず、工具交換時に手間がかかるという問題が
あった。この発明の目的は、回転体に付加重量物が装着
されても、新たな重心位置に自動的に適合した制御を行
うことができ、特に回転体の重心に関する並進運動と傾
斜運動とを分離して制御する場合において好適に使用で
きる磁気軸受装置を提供することである。
め、この発明に係る磁気軸受装置は、アキシャル方向を
水平方向に沿わせた回転体をアキシャル方向に離れた2
箇所にてラジアル方向に非接触支持する第1及び第2の
ラジアル方向磁気軸受と、回転体のアキシャル方向の2
箇所にて回転体のラジアル方向の位置を検出する第1及
び第2の位置検出手段と、上記第1及び第2の位置検出
手段の検出信号に基づいて回転体の変位量及び傾斜量を
演算し、演算した変位量及び傾斜量からそれぞれPID
制御回路を介して得られた並進運動制御信号及び傾斜運
動制御信号に基づいて、上記第1及び第2のラジアル方
向磁気軸受の電磁石の吸引力を制御する制御装置とを備
えた磁気軸受装置において、上記制御装置は、上記回転
体の重心から上記第1及び第2のラジアル方向磁気軸受
までの各距離M1及びM2の比、並びに、上記回転体の
重心から上記第1及び第2の位置検出手段までの各距離
S1及びS2を、制御の係数として含むものであって、
上記各位置検出手段からの信号、各ラジアル方向磁気軸
受の電磁石に供給される制御電流値、及び各ラジアル方
向磁気軸受の電磁石の吸引力係数に基づいて、各ラジア
ル方向磁気軸受の磁気吸引力を演算する磁気吸引力演算
部と、演算された、両ラジアル方向磁気軸受の磁気吸引
力に基づいて、上記各距離M1及びM2の比、並びに、
上記各距離S1及びS2を決定し、これにより重心の変
動に自動的に適合すべく上記並進運動制御信号及び傾斜
運動制御信号を変更若しくは補正する重心位置演算部と
を含んでいることを特徴とするものである。
の検出信号に代えて、当該検出信号に、無負荷時におい
て当該磁気吸引力演算部の演算結果が零になるように設
定された補正信号を加算した信号を用いる場合がある。
力演算部が、各位置検出手段の検出信号、各ラジアル方
向磁気軸受の電磁石に供給される制御電流値、及び各ラ
ジアル方向磁気軸受の電磁石の吸引力係数に基づいて、
各ラジアル方向磁気軸受の磁気吸引力を演算し、演算さ
れた各ラジアル方向磁気軸受の磁気吸引力に基づいて、
重心位置演算部が、重心位置を演算して、重心の変動に
自動的に適合すべく並進運動制御信号及び傾斜運動制御
信号を変更若しくは補正する。回転体の重心に関する並
進運動と傾斜運動とを分離して制御する、いわゆる分離
制御系においては、回転体の重心位置を事前に確定して
おく必要があるが、上記のように回転体の重心位置を演
算することができるので、当該分離制御系への応用に適
している。特に、付加物の装着後の各ラジアル方向磁気
軸受の磁気吸引力に基づいて重心位置を演算できるの
で、回転体に未知の重量の付加物が装着された場合に
も、対処できる。
の検出信号に補正信号を加算したものを用いる場合に
は、当該補正信号を、無負荷時において当該磁気吸引力
演算部の演算結果が零になるように設定することによ
り、精度の良い磁気吸引力の演算が可能となる。
明する。図2はこの発明の一実施例としての、5自由度
制御型の磁気軸受装置とその制御装置の主要部を示して
いる。なお、以下の説明において、上下左右は図2につ
いていうものとする。
る1つのアキシャル方向磁気軸受(図示せず)と左右2
つのラジアル方向磁気軸受2,3を備えている。アキシ
ャル方向磁気軸受は、回転体1をZ軸方向(水平方向、
図では左右方向)に支持するものである。ラジアル方向
磁気軸受2,3は、回転体1をラジアル方向に支持する
ものである。各ラジアル方向磁気軸受2,3には、回転
体1をZ軸と直交するX軸方向(鉛直方向、図では上下
方向)に支持する部分(X軸方向磁気軸受)と、回転体
1をZ軸及びX軸と直交するY軸方向(図2の紙面と直
交する方向)に支持する部分(Y軸方向磁気軸受)とが
あり、図2にはX軸方向磁気軸受4,5が示されてい
る。ラジアル方向磁気軸受2,3には、X軸方向磁気軸
受4,5を制御する部分(X軸方向制御装置)とY軸方
向磁気軸受を制御する部分とがあり、図2にはX軸方向
制御装置6が示されている。また、各ラジアル方向磁気
軸受2,3の近傍には、回転体1の変位を検出する位置
センサ31,32が配置されている。各位置センサ3
1,32には、X軸方向の位置を検出する部分(位置セ
ンサ7a,7b,8a,8b)とY軸方向の位置を検出
する部分(図示せず)とがある。左側のラジアル方向磁
気軸受2を第1ラジアル方向磁気軸受、右側のラジアル
方向磁気軸受3を第2ラジアル方向磁気軸受ということ
にする。また、左側のX軸方向磁気軸受4を第1磁気軸
受、右側のX軸方向磁気軸受5を第2磁気軸受というこ
とにする。
5及びX軸方向制御装置6は、X−Z平面における回転
体1の並進運動と傾斜運動を分離して制御するものであ
る。ここで、並進運動とは回転体1の重心のX軸方向の
運動であり、傾斜運動とは回転体1の重心を通りY軸と
平行な軸を中心とする回転体1の回転運動である。そし
て、この実施例の特徴とするところは、回転体1に未知
の付加物が装着されて重心位置が変化した場合に、図1
を参照して、磁気吸引力演算部40によって演算した磁
気吸引力F1 ,F2 に基づいて重心位置演算部50が重
心位置を演算し、上記X軸方向制御装置6演算用の、重
心位置に関わる係数を変更するようにしたことである。
X軸の方向の両側から挟み込むように配設された一対の
電磁石4a,4b,5a,5bを備えている。第1磁気
軸受4の一対の電磁石4a,4bを第1電磁石、第2磁
気軸受5の一対の電磁石5a,5bを第2電磁石という
ことにする。各X軸方向磁気軸受4,5の電磁石4a,
4b,5a,5bの近傍に、上記一対の位置センサ7
a,7b,8a,8bが回転体1をX軸方向の両側から
挟み込むようにして配設されている。第1磁気軸受4の
近傍に配置された位置センサ7a,7bを第1位置セン
サ、第2磁気軸受5の近傍に配置された位置センサ8
a,8bを第2位置センサということにする。
第1減算器10に入力し、これによって回転体1の左側
部分のX軸方向変位X1 が演算される。一対の第2位置
センサ8a,8bの出力は第2減算器11に入力し、こ
れによって回転体1の右側部分のX軸方向変位X2 が演
算される。第1位置センサ7a,7bと第1減算器10
により、回転体1の左側部分のX軸方向の位置を検出す
る第1の位置検出手段が構成されている。第2位置セン
サ8a,8bと減算器11により、回転体1の右側部分
のX軸方向の位置を検出する第2の位置検出手段が構成
されている。
4a,4bの駆動信号C1 が、左上側電磁石4aを駆動
する電磁石駆動手段を構成する第1電力増幅器12に入
力するとともに、インバータ13を介して、左下側電磁
石4bを駆動する電磁石駆動手段を構成する第2電力増
幅器14に入力する。第1電磁石4a,4bのコイルに
は駆動信号C1 が零のときに一定の定常電流が流されて
おり、駆動信号C1 によりこれらのコイルに流れる電流
値が制御されるようになっている。制御装置6の第2の
出力である第2電磁石5a,5bの駆動信号C2 が、右
上側電磁石5aを駆動する電磁石駆動手段を構成する第
3電力増幅器15に入力するとともに、インバータ16
を介して、右下側電磁石5bを駆動する電磁石駆動手段
を構成する第4電力増幅器17に入力する。第2電磁石
5a,5bのコイルにも駆動信号C2 が零のときに一定
の定常電流が流されており、駆動信号C2 によりこれ
らのコイルに流れる電流値が制御されるようになってい
る。そして、このように第1及び第2電磁石4a,4
b,5a,5bのコイルに流れる電流値を制御すること
により、回転体1の並進運動と傾斜運動が分離して制御
される。
a,5b及び位置センサ7a,7b,8a,8bの位置
関係を示している。図3において、回転体1の重心をG
で表す。重心Gから、第1電磁石4a,4bまでのアキ
シャル方向の距離をM1 、第2電磁石5a,5bまでの
同方向の距離をM2 、第1位置センサ7a,7bまでの
同方向の距離をS1 、第2位置センサ8a,8bからの
同方向の距離をS2 とする。また、M1 +M2 =MM
(一定)とし、S1 +S2 =SS(一定)とする。ま
た、重心GのX軸方向の変位量をXG 、X−Z平面にお
ける回転体1の重心Gの回りの傾斜量すなわち重心Gを
通るY軸と平行な軸の回りの回転体1の傾斜量をθY で
表す。
る。図4において、第1減算器10の出力X1 が第1増
幅器20で〔S2 /(S1 +S2 )〕倍されて第1加算
器21に入力するとともに、第2減算器11の出力X2
が第2増幅器22で〔S1 /(S1 +S2 )〕倍されて
第1加算器21に入力し、第1加算器21でこれらを加
算することにより、変位量XG が演算される。第1及び
第2増幅器20,22において、X1 及びX2 に、重心
Gから位置センサ7a,7b,8a,8bまでの距離S
1 ,S2 に基づく係数を乗じて加算しているので、これ
らの距離が互いに等しくない場合でも、常に変位量XG
を正確に演算することができる。
加算器21は、第1及び第2減算器10,11の出力か
ら回転体1の変位量XG を演算する変位量演算手段を構
成している。第1及び第2減算器10,11の出力は、
また、第3減算器23の2つの入力端子に入力し、これ
によって回転体1の傾斜量θY が演算される第3減算器
23は、第1及び第2減算器10,11の出力から回転
体1の傾斜量θyを演算する傾斜量演算手段を構成して
いる。第1加算器21の出力XG は並進運動制御手段を
構成する並進運動用PID制御回路24に入力し、この
回路24から変位量XG が零になるような並進運動制御
信号D1 が出力される。第3減算器23の出力θY は、
傾斜運動制御手段を構成する傾斜運動用PID制御回路
25に入力し、この回路25から傾斜量θY が零になる
ような傾斜運動制御信号D2 が出力される。2つの制御
回路24,25の出力D1 ,D2 は、第2加算器26の
2つの入力端子に入力し、この加算器26から第1電磁
石4a,4bの駆動信号C1 が出力される。並進運動制
御信号D1 が第3増幅器27を介して第4減算器28に
入力するとともに、傾斜運動制御信号D2 が第4増幅器
29を介して第4減算器28に入力する。第3増幅器2
7からは並進運動制御信号D1 に第1の係数A1 を乗じ
た信号が出力され、第4増幅器29からは傾斜運動制御
信号D2 に第2の係数A2 を乗じた信号が出力される。
そして、第4減算器28において、並進運動制御信号D
1 をA1 倍した信号から傾斜運動制御信号D2 をA2 倍
した信号が減算され、第2電磁石5a,5bの駆動信号
C2 が出力される。
のように表される。 A1 =(K1 /K2 )・(I01/I02 )・(M1 /M2 )…(1) A2 =(K1 /K2 )・(I01/I02 ) …(2) ここで、K1 は第1電磁石4a,4bの吸引力係数、K
2 は第2電磁石5a,5bの吸引力係数、I01は第1電
磁石4a,4bに供給される定常電流値、I02は第2電
磁石5a,5bに供給される定常電流値である。
運動と傾斜運動を完全に分離して制御するためには、並
進運動制御信号D1 により発生する第1及び第2電磁石
4a,4b,5a,5bの吸引力により新たに傾斜運動
を発生させないこと、傾斜運動制御信号D2 により発生
する第1及び第2電磁石4a,4b,5a,5bの吸引
力により新たに並進運動を発生させないことが必要であ
る。
及び第2の電磁石4a,4b,5a,5bの吸引力によ
り新たに傾斜運動を発生させないための条件は、並進運
動制御信号D1 による制御電流値IC1 に比例する第1
電磁石4a,4bの吸引力F1 と、傾斜運動制御信号D
2 による制御電流値IC2 に比例する第2電磁石5a,
5bの吸引力F2 とによって、傾斜を発生させるモーメ
ントが発生しないことである。このような条件を満足す
るIC1 とIC2 の関係を求めると、次の式のようにな
る。
記の磁気軸受装置では、第1電磁石4a,4bの駆動信
号C1 を出力する第2加算器26に並進運動制御信号D
1 をそのまま入力し、第2電磁石5a,5bの駆動信号
C2 を出力する第4減算器28に並進運動制御信号D1
をA1 倍して入力しているので、上記式の条件を満たし
ている。したがって、並進運動制御信号D1 により発生
する第1及び第2の電磁石4a,4b,5a,5bの吸
引力により新たに傾斜運動を発生させることはない。
及び第2の電磁石4a,4b,5a,5bの吸引力によ
り新たに並進運動を発生させないための条件は、傾斜運
動制御信号D2 による制御電流値IC1 に比例する第1
電磁石4a,4bの吸引力F1 と、傾斜運動制御信号D
2 による制御電流値IC2 に比例する第2電磁石5a,
5bの吸引力F2 とが釣り合うことである。このような
条件を満足するIC1とIC2 の関係を求めると、次の
式のようになる。
記の磁気軸受装置では、第1電磁石4a,4bの駆動信
号C1 を出力する第2加算器26に傾斜運動制御信号D
2 をそのまま入力し、第2電磁石5a,5bの駆動信号
C2 を出力する第4減算器28に傾斜運動制御信号D2
をA2 倍して入力しているので、上記式の条件を満たし
ている。したがって、傾斜運動制御信号D2 により発生
する第1及び第2の電磁石4a,4b,5a,5bの吸
引力により新たに並進運動を発生させることはない。
進運動制御信号D1 により発生する第1及び第2電磁石
4a,4b,5a,5bの吸引力により新たに傾斜運動
を発生させることがなく、かつ傾斜運動制御信号D2 に
より発生する第1及び第2電磁石4a,4b,5a,5
bの吸引力により新たに並進運動を発生させることがな
いので、並進運動と傾斜運動を完全に分離して制御する
ことができる。
る、磁気吸引力演算部40および重心位置演算部50に
よる演算について説明する。一般に、電磁石が対象物に
及ぼす磁気吸引力Fは、電磁石に流れる電流I、電磁石
と対象物との距離X、および電磁石の吸引力係数Kによ
って、F=K(I/X)2 で表される。そこで、磁気吸
引力演算部は、第1電磁石4a,4bによる磁気吸引力
F1 、および第2電磁石5a,5bによる磁気吸引力F
2 を、下記の演算式 F1 =K1 〔IX1a /(X0 +X1 )〕2 −K1 〔IX1b /(X0 −X1 )〕2 …(5) F2 =K2 〔IX2a /(X0 +X2 )〕2 −K2 〔IX2b /(X0 −X2 )〕2 …(6) によって演算するようにしている。なお、X0 は設定エ
アギャップ値に相当する信号である。
図であり、同図を参照して、加算器41および減算器4
2によって加算および減算された、(X0 +X1 )の値
および(X0 −X1 )の値をもつ信号は、それぞれ電磁
石と回転体1とのギャップに相当する信号である。除算
器43,44は、それぞれIX1a ,IX1b および(X1
+X0 ),(X1 −X0 )信号を受けてIX1a /(X0
+X1 ),IX1b /(X1 −X0 )の演算をする。4
5,46は2乗演算を行う2乗器であり、除算器43,
44からくる信号を受けて演算し、〔IX1a /( X0 +
X1)〕2 ,〔IX1b/( X0 −X1)〕2 を得る。そし
て、〔IX1a /( X0 +X1)〕2 と〔IX1b/( X0 −
X1)〕2 の信号を減算器47により減算し、さらに係数
器48によってK1 倍にし、K1 〔IX1a /(X0 +X
1 )〕2 −K1 〔IX1b /(X0 −X1 )〕2 の大きさ
をもつ信号F1 を得る。
置を求めるための演算について説明する。重心G回りの
力のモーメントの釣合いから、下記式 M1 /M2 =F2 /F1 …(7) 一方、 M1 +M2 =MM(一定) …(8) であるから、重心Gから第1および第2の電磁石4a,
4b、5a,5bまでの距離M1 ,M2 は、両式(7) お
よび(8) により、 M1 =MM/〔1+(F1 /F2 )〕 …(9) M2 =MM/〔1+(F2 /F1 )〕 …(10) と求められる。また、 S1 =M1 +MS …(11) S2 =M2 +MS …(12) であるから、式(9) ないし(12)により、重心から第1お
よび第2位置センサ7a,7b、8a,8bまでの 距
離S1 ,S2 は、 S1 =MM/〔1+(F1 /F2 )〕+MS …(13) S2 =MM/〔1+(F2 /F1 )〕+MS …(14) となる。そして、工具交換等が行われて重心位置が変化
した場合、重心位置演算部により演算された、上記(3)
式による、新しいM1 /M2 の値に基づいて、第3増幅
器27における係数A1 が変更される。
て、第1増幅器20および第2増幅器22のそれぞれの
係数の値が変更される。この実施例によれば、回転体1
に未知の重量の付加物が装着されたとしても、装着後の
各磁気軸受4,5の磁気吸引力F1 ,F2 の比較に基づ
いて、重心位置を自動的に演算し、演算した重心位置に
基づいて一部の係数を変更するだけで、新たな状態に適
合した制御が可能となる。したがって、回転体1の重心
Gに関する並進運動と傾斜運動とを分離して制御する分
離制御系へ、容易に適用することができる。特に工作機
械のスピンドルのロータへの適用に適している。
る。同図を参照して、この実施例が図1の実施例と異な
るのは、設定エアギァップに相当する信号X0 に、ミス
アライメントを補正するための補正信号Xmis を加算す
る加算器49を設け、加算された信号X0 +Xmis を、
上記設定エアギァップに相当する信号X0 に代えて用い
たことである。補正信号Xmis は、無負荷時において磁
気吸引力演算部40による磁気吸引力F1 の演算結果が
零になるように、予めボリューム調整等によって設定さ
れたものである。この場合においては、精度の良い磁気
吸引力の演算が可能となる結果、回転体1の重心位置を
精度良く求めることができ、ひいては回転体1を精度良
く位置制御することができる。
ものではなく、この発明の要旨を変更しない範囲で種々
の設計変更を施すことができる。
れば、回転体に未知の重量の付加物が装着されたとして
も、磁気吸引力演算部によって、装着後の各磁気軸受の
磁気吸引力に基づいて、重心位置を演算して、重心の変
動に自動的に適合すべく並進運動制御信号及び傾斜運動
制御信号を変更若しくは補正することができるので、回
転体の重心に関する並進運動と傾斜運動とを分離して制
御する分離制御系へ、容易に適用することができる。特
に工作機械のスピンドルのロータへの適用に適してい
る。
の検出信号に補正信号を加算したものを用いる場合に
は、当該補正信号を、無負荷時において当該磁気吸引力
演算部の演算結果が零になるように設定することによ
り、精度の良い磁気吸引力の演算が可能となる結果、回
転体の重心位置を精度良く求めることができ、ひいて
は、回転体を精度良く位置制御することができる。
引力演算部および重心位置演算部を示すブロック図であ
る。
び位置センサの位置関係を表す説明図である。
ある。
Claims (2)
- 【請求項1】アキシャル方向を水平方向に沿わせた回転
体をアキシャル方向に離れた2箇所にてラジアル方向に
非接触支持する第1及び第2のラジアル方向磁気軸受
と、 回転体のアキシャル方向の2箇所にて回転体のラジアル
方向の位置を検出する第1及び第2の位置検出手段と、 上記第1及び第2の位置検出手段の検出信号に基づいて
回転体の変位量及び傾斜量を演算し、演算した変位量及
び傾斜量からそれぞれPID制御回路を介して得られた
並進運動制御信号及び傾斜運動制御信号に基づいて、上
記第1及び第2のラジアル方向磁気軸受の電磁石の吸引
力を制御する制御装置とを備えた磁気軸受装置におい
て、 上記制御装置は、上記回転体の重心から上記第1及び第
2のラジアル方向磁気軸受までの各距離M1及びM2の
比、並びに、上記回転体の重心から上記第1及び第2の
位置検出手段までの各距離S1及びS2を、制御の係数
として含むものであって、 上記各位置検出手段からの信号、各ラジアル方向磁気軸
受の電磁石に供給される制御電流値、及び各ラジアル方
向磁気軸受の電磁石の吸引力係数に基づいて、各ラジア
ル方向磁気軸受の磁気吸引力を演算する磁気吸引力演算
部と、 演算された、両ラジアル方向磁気軸受の磁気吸引力に基
づいて、上記各距離M1及びM2の比、並びに、上記各
距離S1及びS2を決定し、これにより重心の変動に自
動的に適合すべく上記並進運動制御信号及び傾斜運動制
御信号を変更若しくは補正する重心位置演算部とを含ん
でいることを特徴とする磁気軸受装置。 - 【請求項2】上記磁気吸引力演算部は、各位置検出手段
の検出信号に代えて、当該位置検出手段の検出信号に、
無負荷時において当該磁気吸引力演算部の演算結果が零
になるように設定された補正信号を加算した信号を用い
ることを特徴とする請求項1記載の磁気軸受装置。
Priority Applications (4)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP05087632A JP3135410B2 (ja) | 1993-04-14 | 1993-04-14 | 磁気軸受装置 |
EP94105713A EP0620376B1 (en) | 1993-04-14 | 1994-04-13 | Magnetic bearing apparatus |
DE69416885T DE69416885T2 (de) | 1993-04-14 | 1994-04-13 | Magnetlagervorrichtung |
US08/227,462 US5530306A (en) | 1993-04-14 | 1994-04-14 | Magnetic bearing apparatus |
Applications Claiming Priority (1)
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