JP3185938B2 - 磁気軸受制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、回転体または直線移動
体を非接触で支持し、特に低速回転時から高速回転時に
わたる広い回転領域での安定化を図る磁気軸受制御装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】回転機械の性能向上のため、非接触支持
して高速回転可能とする磁気軸受が最近とみに用いられ
つつある。そこでは負荷荷重を高めるための電磁石の吸
引力が利用され、電磁石に電流を供給するための電力増
幅器が採用されることが多い。そして、その電気的ロス
を減らすためのスイッチング形が用いられ［図２に図
示］、スイッチングによる電流リップルを減らすためキ
ャリア周波数が高められる。キャリア周波数を高めるに
つれスイッチング・ロスが増えるので、スイッチング時
間の短い例えばパワーＭＯＳ-ＦＥＴが用いられる。パ
ワーＭＯＳ-ＦＥＴはスイッチング時間が短かく、発生
ロスが少ないという長所はあるものの過負荷に弱く、少
しの過負荷で破損すると言う短所も備えている。このよ
うな電力増幅器のほかに、ロータの浮上位置を検出する
変位センサと、ロータと、ロータに浮上力を与え該電力
増幅器により電流を供給される電磁石と、浮上位置指令
と浮上位置検出信号とを比較する比較器と、その比較後
の偏差信号に基づいてその偏差信号がゼロとなるよう働
く位相制御器と、制御用電源と、電力増幅器の主回路パ
ワー電源とより磁気軸受制御系が構成されている。

【０００３】ここで、位相制御器は比例要素（Ｐ）と、
積分要素（Ｉ）と、微分要素（Ｄ）とを備えたものが一
般的である。比例要素（Ｐ）は入力した偏差信号に比例
した信号を出力し、積分要素（Ｉ）は入力した偏差信号
を積分した信号を出力し、微分要素（Ｄ）は入力した偏
差信号を微分した信号を出力する。したがって、浮上位
置をフィードバックして浮上位置一定制御を行う位置サ
ーボ系では比例要素は軸受け剛性に寄与し、比例ゲイン
が大きくなれば軸受け剛性が大きくなる。積分要素は定
常偏差をゼロに収束させることに寄与し、積分ゲインが
大きくなれば速く収束させるという性質がある。微分要
素は偏差の変化を抑制するという動剛性に寄与し、微分
ゲインが大きくなれば動剛性が大きくなる。

【０００４】また、パワースイッチング素子としてＦＥ
Ｔを採用した、具体的な従来例１に特開平２−１６３５
１１号公報がある。この従来例１は図４に示し、回転軸
１に回転子継鉄２を固着させた回転子から微小隙間を設
けてケーシングに固着し起磁力を発生するコイルを備え
た固定子電磁石を持ち、先の回転軸１とケーシング間の
相対変位を測定する変位センサ３を有し、この変位セン
サ３からの出力信号を基に回転子継鉄２と固定子電磁石
との間に作用する磁気吸引力を制御する位相補償回路２
１１と電力増幅器を具備しており、その電力増幅器とし
てパルス増幅回路［ＰＷＭ波形増幅回路２１５a，２１
５b］がありこの出力でｏｎ，ｏｆｆ動作するパワース
イッチング素子（ＦＥＴ２）を有するスイッチング回路
［２１６a，２１６b］から、固定子電磁石のコイル（２
０４a，２０４b）に電流を供給するよう構成すると共
に、所定周期の矩形波信号を発生する矩形波発生回路２
１３と、位相補償回路２１１の出力を変調入力信号とし
て矩形波発生回路２１３からの矩形波信号のパルス幅を
変調するパルス幅変調回路［ＰＷＭ回路２１４a，２１
４b］を設けており、そのＰＷＭ回路［２１４a，２１４
b］の出力をPWM波形増幅回路［２１５a，２１５b］に入
力するように構成し、更に固定子電磁石のコイル（２０
４a，２０４b）に供給される電流を検出する電流検出手
段を備え、この電流検出手段の出力をＰＷＭ回路（２１
４a，２１４b）に負帰還させて成る磁気軸受装置の制御
装置である。通常のパワートランジスタを使用する従前
手段では、そのパワートランジスタに常に大電流を流し
ており、そのためパワートランジスタの素子寿命が短く
なったり、大きい容量のヒートシンク用ファンを必要と
する隘路があったのを払拭したのが従来例１であると記
している。

【０００５】さらに、従来例２として特開平1-274635号
公報があり、それを図５に表す。入力信号Ｖiと出力信
号Ｖbとを比較する入出力比較回路３０１と、この入出
力比較回路３０１における比較結果（Ｖo）に基づいて
パルス幅変調をするＰＷＭ変調回路３０２とを備えてお
り、このＰＷＭ変調回路３０２よりのｏｎ，ｏｆｆ出力
信号によって駆動するスイッチング素子ＦＥＴ３０３
と、そのスイッチング素子３０３の出力側に接続して検
出用抵抗（Ｒd）を直列に設けた負荷コイル３０４と、
検出用抵抗（Ｒd）の端子間電圧を入力とする増幅手段
［差動増幅器３０５］とを具備し、この差動増幅器（３
０５）の出力を入出力比較回路３０１に帰還させて出力
信号（Ｖo）とする磁気軸受用パワー増幅器を設けてい
る。従前の装置はスイッチング素子ＦＥＴ３０３のソー
スsから直接帰還させていた手段を改良し、スイッチン
グ素子ＦＥＴ３０３がｏｎよりｏｆｆへ移行するとき
に、負荷コイル３０４のインピーダンスによる自己誘導
作用に基づき、ＦＥＴ３０３の保護ダイオードｄ1に順
方向電流ｉ2が過度的に流れ、サーボ制御系の安定性を
乱すその過度電流にも対応できる帰還系に改良した手段
である。なお、Ｌ，Ｒ4は負荷（電磁石）コイル３０４
のインダクタンス，抵抗である。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところが、このような
制御系を起動する時、変位センサと、比較器と、位相制
御器と、電力増幅器の制御回路の制御電源と、電力増幅
器の主回路のパワー電源を同時に投入すると、各要素の
構成素子、特にパワー素子にかかるパワー電源とそれに
ゲート信号を送るゲート回路の制御電源の印加のされ方
にバラツキが生じ、電力増幅器の主回路素子のｏｎ状態
がある時間同時に作られることがあり、過大電流が流れ
て、過負荷に弱いパワーＭＯＳ-ＦＥＴが破損するとい
う事故が発生していた。

【０００７】また、停止する時も、制御電源とパワー電
源をｏｆｆしようとする時、それぞれの電源の落ち方に
バラツキが生じて微妙な時間のずれが生起することもあ
るので、起動時と同様に、ある瞬間、主回路素子のｏｎ
状態が同時に作られ、過大電流が流れてパワー素子が破
損するというトラブルが生じることがあった。このよう
に、起動停止時に制御電源とパワー電源を同時にｏｎ，
ｏｆｆすると、パワー素子がまれに破損するという現象
が発生することがあったので、実用上極めて問題であっ
た。

【０００８】また、位相制御器には、浮上位置の定常偏
差を無くすため積分器が用いられている。電源投入と同
時に積分器が投入されれば、上記の電源電圧が安定化す
るまでの間中ずっと継続して浮上していない状態からの
偏差が積分されるので、積分器出力が早い時刻から飽和
してしまい、電力増幅器に与えられている大きな指令の
ため過大な始動電流が流れ、浮上するロータにショック
がかかり、適用される機械に与える影響が大きく実用上
問題であった。

【０００９】ところで、従来例１および従来例２は、い
ずれもパワートランジスタとしてＦＥＴを適用してスイ
ッチング素子における電力損失を勘案はするが、スイッ
チング素子そのものの破損あるいは寿命などへの考慮は
なかった。

【００１０】そこで、本発明では、起動時や停止時の過
渡状態に生起する過大電流によっても、スイッチング・
ロスの少ないパワー・トランジスタの破損を保護し、か
つ起動時や停止時に回転自在に支承されるロータにショ
ックを与えない手段を備えた、磁気軸受制御装置を提供
することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は上記課題を解決
するための手段として、ロータに浮上力を与える電磁石
と、ＡＣ電源からの交流電力の入力に基づき前記電磁石
に対して電流を供給するパワー電源と、前記電磁石に対
する前記ロータの浮上位置についての位置指令信号と検
出位置信号との間の偏差に基づき位相制御信号を出力す
る位相制御器と、パワースイッチング素子を含んで構成
され、前記位相制御器からの位相制御信号に基づき、前
記パワー電源の前記電磁石に対する電流供給を制御する
電力増幅器と、前記ＡＣ電源からの交流電力の入力に基
づき前記位相制御器及び前記電力増幅器に対して制御用
電力を供給する制御電源と、を備えた磁気軸受制御装置
において、前記ＡＣ電源と前記パワー電源との間に介挿
された第１の接点と、前記制御電源と前記電力増幅器と
の間に介挿された第２の接点と、前記パワー電源と前記
電力増幅器との間に介挿された第３の接点と、前記位相
制御器の出力をオンオフする接点を有するリレーと、前
記制御電源と前記リレーとの間に介挿された第４の接点
と、前記第１乃至第４の各接点に対する制御を行う起動
シーケンサと、を備え、しかも、前記起動シーケンサ
は、前記電磁石に対する電流供給開始時は、前記第１及
び第２の接点をオンにしてから所定時間経過後に前記第
３の接点をオンにし、更にその後所定時間経過後に前記
第４の接点をオンにするものであり、また、前記電磁石
に対する電流供給終了時は、前記第３及び第４の接点を
オフにしてから所定時間経過後に前記第１及び第２の接
点をオフにするものである、ことを特徴とする。

【００１２】

【作用】本発明はこのように構成することにより、電力
増幅器の起動停止時には制御電源がｏｎの状態でパワー
電源がｏｎ，ｏｆｆされるので、主回路の動作が正常に
保たれ、過大電流が流れると言うトラブルが発生するこ
とはない。また、電力増幅器が正常動作している時に出
力がｏｎされ、ロータが浮上後に積分作用がｏｎするの
で、積分された浮上偏差指令が過大となることはなく、
小さな偏差で浮上し、起動時に過大な電流を供給するこ
となくスムーズな起動をすることができる。

【００１３】

【実施例】以下、本発明の具体的な一実施例を図１の回
路構成を表すブロック図の図面を用いて説明する。ま
た、図２は軸受支持用の磁気発生電磁石を励磁する電力
増幅器の内部の一部接続線図、図３は各部の出力のｏｎ
とｏｆｆを示すシーケンス図である。全ての図面におい
て、同一符号は同一もしくは相当部材を表す。

【００１４】ロータ１は例えば２つの電磁石２１，２２
により浮上力Ｆを与えられ、その浮上位置Ｘをセンサ３
が検出する。このセンサ３によって検出された浮上位置
信号Ｘfは比較器４により位置指令値Ｘsと比較され、そ
の偏差信号［ΔＸ＝Ｘs−Ｘf］に応じてＰＩＤ制御の位
相制御器５が働き、パワースイッチング素子から成る電
力増幅器６に指令を与えて、電磁石２１，２２に電流Ｉ
が供給される。

【００１５】１０は位相制御器５と電力増幅器６とセン
サー３の制御要素［例えば、演算増幅器など］を能動的
状態におくための制御電源であり、１１は電力増幅器６
の主回路電源用のパワー電源である。９は起動用のシー
ケンサであり、図３に示す各部の出力のｏｎ，ｏｆｆの
シーケンスを司る、例えばプリセットされ得るカウンタ
からなり、制御電源１０とともにＡＣ電源８に接続さ
れ、マニュアルなナイフスイッチＭ0を介して開閉が行
われる。パワー電源１１はＡＣ電源８にナイフスイッチ
Ｍ0と第１の接点Ｍ1を介して接続され、第３の接点Ｍ3
を経て電力増幅器６と接続されている。起動用のシーケ
ンサ９と位相制御器５は第４の接点Ｍ4および第５の接
点Ｍ5をそれぞれ介して接続され、制御電源１０は第２
の接点Ｍ2を介して電力増幅器６のコンパレータ６６，
６７と電力増幅器６１，６２とに接続されている。

【００１６】電力増幅器６は位相制御器５の指令に応じ
て電磁石２１，２２の電流を制御する。電力増幅器６
１，６２の主回路は、図２に示すように、Ｈ形ブリッジ
を成す４っづつのトランジスタＴr1，Ｔr2，Ｔr3，Ｔr4
とトランジスタＴr5，Ｔr6，Ｔr7，Ｔr8がそれぞれ２っ
づっのゲート・ドライバ１２１，１２２とゲート・ドラ
イバ１２３，１２４から駆動され、ブリッジの中間点か
ら負荷の電磁石２１と電磁石２２に接続されて形成され
ている。Ｐはパワ−電源の正、Ｎは負［接地］を示し、
５１a，５５a，６１a，６１b，６２a，６２b，６６a，
６７aは接地である。ゲート・ドライバ１２１，１２２
とゲート・ドライバ１２３，１２４は前段のコンパレー
タ６６，６７で作られた方形波に応じてそれぞれ４つの
トランジスタＴr1，Ｔr2，Ｔr3，Ｔr4とトランジスタＴ
r5，Ｔr6，Ｔr7，Ｔr8をｏｎ，ｏｆｆさせ、出力電流Ｉ
が所望の大きさになるよう制御されるが、この挙動につ
いては公知のため省略する。

【００１７】ここで、５つの接点Ｍ1，Ｍ2，Ｍ3，Ｍ4，
Ｍ5の動作シーケンスは、例えばカウンタ−などの時間
計数回路から成る起動用シーケンサ９によって、次のよ
うに予め決められている。ＡＣ電源８がマニュアルで投
入されると一定時間後の時点ｔ1に第１の接点Ｍ1と第２
の接点Ｍ2がｏｎ［導通］し、位相制御器５と電力増幅
器６とセンサ３に制御電源１０が供給され、それと同時
にパワー電源１１にＡＣ電源８が接続される。そして、
一定時間を経た後、時点ｔ2で第３の接点Ｍ3がｏｎして
パワー電源１１により電力増幅器６の主回路電源が供給
され［図２の接点Ｍ3a，Ｍ3bならびに接点Ｍ3c，Ｍ3dが
ｏｎする］、さらに一定時間後の時点ｔ3に第４の接点
Ｍ4がｏｎして位相制御器５の信号が出力［位相制御器
５の出力段にあるリレー５６がｏｎ］され、さらに一定
時間後の時点ｔ4で第５の接点Ｍ5がｏｎして位相制御器
５内の積分器がｏｎ［つまり積分コンデンサ52が作動す
るようにリレー５２の接点がｏｆｆになる］される。

【００１８】このようなシーケンスにおける始めのステ
ップ、すなわち第１および第２の接点Ｍ1およびＭ2がオ
ンされた時点ｔ1の直後では、電力増幅器６は主回路電
源が供給されないため、位相制御器５から指令が来ても
電磁石２１，２２への電流は供給されない。図２に表す
電力増幅器６の主回路への入力段の方形波電圧波形の生
成は、図１に示すように位相制御器５からの出力信号
と、電磁石２１および電磁石２２を流れる負荷電流の電
流を検出する電流検出器［変流器２１と２２］からの検
出信号と、三角波発振器６５からの三角波信号とを、お
のおのコンパレータ６６および６７における比較演算か
ら得られる。そしてこの方形波電圧波形のパルス幅に応
じ、ゲートドライバ１２１，１２２およびゲートドライ
バ１２３，１２４にパルスを与え、トランジスタＴr1，
Ｔr4とトランジスタＴr2，Ｔr3ならびにトランジスタＴ
r5，Ｔr8とトランジスタＴr6，Ｔr7を交互にｏｎする
が、主回路電源が供給されないので電磁石２１と電磁石
２２には電流が流れない。

【００１９】第１および第２の接点Ｍ1，Ｍ2がｏｎにな
った後、一定時間（例えば0.5sec）した時点ｔ2で第３
の接点Ｍ3がｏｎになると、ゲートドライバ１２１，１
２２およびゲートドライバ１２３，１２４が交互に働き
［なお、ゲートドライバ１２２，１２４の入力段の○印
は電圧位相の反転記号を示す］、トランジスタＴr1，Ｔ
r4とトランジスタＴr2，Ｔr3ならびにトランジスタＴr
5，Ｔr8とトランジスタＴr6，Ｔr7が交互にｏｎされて
いるので、主回路電源が印加されても、その瞬間に過大
電流が流れることはない。電磁石２１ならびに電磁石22
に流れる電流は、リレー５６がｏｆｆのため位相制御器
５から電力増幅器６へ信号がいかず、電力増幅器６がゼ
ロ電流を出力するため、ゼロとなる。さらに一定時間後
（例えば0.5sec）時点ｔ3で、第４の接点Ｍ4がｏｎされ
ると位相制御器５の信号が電力増幅器６へ伝えられ、比
較器４、位相制御器５、電力増幅器６、電磁石２１，２
２、センサー３によって成る磁気軸受制御系の働きによ
り、ロータ１が浮上する。さらに一定時間後（例えば0.
5sec）時点ｔ4にて、第５の接点Ｍ5がｏｎされるに及び
位相制御器５の積分器（積分コンデンサ５２）がｏｎさ
れると、浮上位置の偏差ΔＸが積分され、指令値として
加算されて電力増幅器６に与えられるので、積分器投入
後除々に偏差ΔＸは小さくなり、大電流を流すことなく
偏差ΔＸはゼロとなり、スームズな浮上ができるのであ
る。

【００２０】浮上を停止する時は、図３に表すように、
まず第３，第４および第５の接点Ｍ3，Ｍ4およびＭ5が
時点ｔ5でｏｆｆ［遮断］され、積分器の作用が解除さ
れと同時に、電力増幅器６の主回路電源が遮断される。
電力増幅器６の機能が正常な状態にある時に遮断される
ので、主回路内に異常な電流が流れることなく電磁石２
１，２２へ供給される電流が停止させられ、主回路素子
［ＦＥＴのｔr1〜ｔr8］にトラブルが生じることはな
い。そして、第３，第４および第５の接点Ｍ3，Ｍ4およ
びＭ5がｏｆｆされて一定時間後（例えば1sec）時点ｔ6
で、第１，第２の接点Ｍ1，Ｍ2がｏｆｆされ、磁気軸受
制御装置が停止するのである。

【００２１】上記の実施例では、第４の接点Ｍ4をｏｎ
にした［時点ｔ2］一定時間後［時点ｔ4］に第５の接点
Ｍ5をオンにする手段を示したが、第４の接点Ｍ4と第５
の接点Ｍ5を同時にｏｎしてもよい。第４の接点Ｍ4がｏ
ｎされロータ１が浮上し始めると同時に、積分器がｏｎ
されロータ１の浮上偏差ΔＸを積分しても、初めは積分
器出力がゼロであるため、いきなり過大な信号を出力さ
れるわけではなく、時間とともに大きくなるが、同時に
ロータ１も浮上し偏差ΔＸが小さくなるので、総じて大
きな信号とはならず、スムーズな浮上が可能となるので
ある。

【００２２】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、制
御電源投入後、一定時間経過して主回路電源を投入する
ようにし、停止時も電磁石に負荷電流を加える主回路電
源をｏｆｆした後、制御回路を能動的にさせる制御電源
を遮断するようにしたので、起動停止時の過度状態に過
大電流が流れることを防止し、パワー素子が破損するこ
とを防ぐことが可能となり、磁気軸受制御装置の信頼性
を一段と向上する特有の効果が認められる。

【００２３】また、浮上後または浮上と同時に積分器を
ｏｎするので、過大な起動電流が生ぜず、ロータにショ
ックを与えることなく浮上させ、磁気軸受が適用される
回転電気の信頼性が著しく増大するという、特段の効果
を奏することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例の回路構成図。

【図２】本発明の実施例の電力増幅器の一部結線図。

【図３】本発明の実施例に適用する各部動作のｏｎ，ｏ
ｆｆについてのタイムチャート。

【図４】従来例１の回路構成図。

【図５】従来例２の回路構成図。

【符号の説明】

１ ロータ ２ 回転子継鉄 ３ センサー ４ 比較器 ５ 位相制御器 ６ 電力増幅器 ８ ＡＣ電源 ９ 起動シーケンサ １０ 制御電源 １１ パワー電源 ２１ 電磁石 ２２ 電磁石 ５１ 演算増幅器 ５１a 接地 ５２ 積分コンデンサ ５３ リレー ５４ コンデンサ ５５ 演算増幅器 ５５a 接地 ５６ リレー ６１ 電力増幅器 ６１a 接地 ６１b 接地 ６２ 電力増幅器 ６２a 接地 ６２b 接地 ６３ 電流検出器（変流器） ６４ 電流検出器（変流器） ６５ 三角波発振器 ６６ コンパレータ ６６a 接地 ６７ コンパレータ ６７a 接地 １２１ ゲート・ドライバ １２２ ゲート・ドライバ １２３ ゲート・ドライバ １２４ ゲート・ドライバ Ｍ1 第１の接点 Ｍ2 第２の接点 Ｍ3 第３の接点 Ｍ4 第４の接点 Ｍ5 第５の接点 Ｔr1 トランジスタ Ｔr2 トランジスタ Ｔr3 トランジスタ Ｔr4 トランジスタ Ｔr5 トランジスタ Ｔr6 トランジスタ Ｔr7 トランジスタ Ｔr8 トランジスタ

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ロータに浮上力を与える電磁石と、 ＡＣ電源からの交流電力の入力に基づき前記電磁石に対
   して電流を供給するパワー電源と、 前記電磁石に対する前記ロータの浮上位置についての位
   置指令信号と検出位置信号との間の偏差に基づき位相制
   御信号を出力する位相制御器と、 パワースイッチング素子を含んで構成され、前記位相制
   御器からの位相制御信号に基づき、前記パワー電源の前
   記電磁石に対する電流供給を制御する電力増幅器と、 前記ＡＣ電源からの交流電力の入力に基づき前記位相制
   御器及び前記電力増幅器に対して制御用電力を供給する
   制御電源と、 を備えた磁気軸受制御装置において、 前記ＡＣ電源と前記パワー電源との間に介挿された第１
   の接点と、 前記制御電源と前記電力増幅器との間に介挿された第２
   の接点と、 前記パワー電源と前記電力増幅器との間に介挿された第
   ３の接点と、 前記位相制御器の出力をオンオフする接点を有するリレ
   ーと、 前記制御電源と前記リレーとの間に介挿された第４の接
   点と、 前記第１乃至第４の各接点に対する制御を行う起動シー
   ケンサと、 を備え、 しかも、前記起動シーケンサは、 前記電磁石に対する電流供給開始時は、前記第１及び第
   ２の接点をオンにしてから所定時間経過後に前記第３の
   接点をオンにし、更にその後所定時間経過後に前記第４
   の接点をオンにするものであり、 また、前記電磁石に対する電流供給終了時は、前記第３
   及び第４の接点をオフにしてから所定時間経過後に前記
   第１及び第２の接点をオフにするものである、 ことを特徴とする磁気軸受制御装置。
2. 【請求項２】前記位相制御器内に設けられ、前記位置指
   令信号と検出位置信号との間の偏差に対する積分動作に
   より前記位相制御信号を生成する積分器と、 前記制御電源と前記積分器との間に介挿された第５の接
   点と、 を備え、前記起動シーケンサは、 前記電磁石に対する電流供給開始時は、前記第４の接点
   をオンにしてから所定時間経過後に前記第５の接点をオ
   ンにし、また、前記電磁石に対する電流供給終了時は、
   前記第３及び第４の接点と共に前記第５の接点をオフに
   するものである、 ことを特徴とする請求項１記載の磁気軸受制御装置。