JP3220870B2 - 磁気軸受の制御装置 - Google Patents
磁気軸受の制御装置Info
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、磁気軸受の制御装置
に関する。
に関する。
【０００２】
【従来の技術】磁気軸受の制御装置として、ロータを非
接触支持する１対の電磁石、ロータの変位を検出する手
段、検出変位に基づき制御指令を出力する制御回路、な
らびに制御指令により電磁石に制御電流を与える第１お
よび第２の電力増幅部を備えたものが知られている。そ
して、このような従来の磁気軸受の制御装置において
は、第２の電磁石に与える制御電流は制御電流値すなわ
ち第１の電磁石に与える制御電流を−１倍したものであ
り、２つの電磁石に与える制御電流の絶対値は等しい。
接触支持する１対の電磁石、ロータの変位を検出する手
段、検出変位に基づき制御指令を出力する制御回路、な
らびに制御指令により電磁石に制御電流を与える第１お
よび第２の電力増幅部を備えたものが知られている。そ
して、このような従来の磁気軸受の制御装置において
は、第２の電磁石に与える制御電流は制御電流値すなわ
ち第１の電磁石に与える制御電流を−１倍したものであ
り、２つの電磁石に与える制御電流の絶対値は等しい。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】第１の電磁石の吸引力
をＦ1 、第２の電磁石の吸引力をＦ2 とすると、ロータ
に働く力Ｆ0 は次の式(1) のようになる。
をＦ1 、第２の電磁石の吸引力をＦ2 とすると、ロータ
に働く力Ｆ0 は次の式(1) のようになる。
【０００４】Ｆ0 ＝Ｆ1 −Ｆ2 …(1) 電磁石の吸引力はその吸引力定数に比例するが、一般に
は、磁気軸受の２つの電磁石の吸引力定数の間には、同
一の電磁石でもばらつきの範囲内で若干の差があり、ま
た、異なる電磁石の場合は当然差がある。そして、２つ
の電磁石の吸引力定数の差などのために、２つの電磁石
に絶対値の等しい制御電流Ｉc 、−Ｉcを与えた場合、
制御電流の全ての領域で２つの電磁石の吸引力Ｆ1 、Ｆ
2 の変化量が同量とはならない。このため、これらの吸
引力Ｆ1 、Ｆ2 の差であるロータに働く力Ｆ0 は非線形
になる。
は、磁気軸受の２つの電磁石の吸引力定数の間には、同
一の電磁石でもばらつきの範囲内で若干の差があり、ま
た、異なる電磁石の場合は当然差がある。そして、２つ
の電磁石の吸引力定数の差などのために、２つの電磁石
に絶対値の等しい制御電流Ｉc 、−Ｉcを与えた場合、
制御電流の全ての領域で２つの電磁石の吸引力Ｆ1 、Ｆ
2 の変化量が同量とはならない。このため、これらの吸
引力Ｆ1 、Ｆ2 の差であるロータに働く力Ｆ0 は非線形
になる。
【０００５】さらに詳しく説明すれば、２つの電磁石の
吸引力Ｆ1 、Ｆ2 は次の式(2) および(3) で表わされ
る。
吸引力Ｆ1 、Ｆ2 は次の式(2) および(3) で表わされ
る。
【０００６】 Ｆ1 ＝Ｋ1 ｛（Ｉ01＋Ｉc ）／δ｝2 …(2) Ｆ2 ＝Ｋ2 ｛（Ｉ02−Ｉc ）／δ｝2 …(3) ここで、Ｋ1 は第１の電磁石の吸引力定数、Ｋ2 は第２
の電磁石の吸引力定数、Ｉ01は第１の電磁石の定常電
流、Ｉ02は第２の電磁石の定常電流、Ｉc は制御電流
値、δはロータが２つの電磁石の間の中心位置にあると
きの各電磁石とロータとの間のギャップ（基準ギャッ
プ）である。
の電磁石の吸引力定数、Ｉ01は第１の電磁石の定常電
流、Ｉ02は第２の電磁石の定常電流、Ｉc は制御電流
値、δはロータが２つの電磁石の間の中心位置にあると
きの各電磁石とロータとの間のギャップ（基準ギャッ
プ）である。
【０００７】図３に、制御電流値Ｉc と吸引力Ｆ1 およ
びＦ2 ならびに力Ｆ0 との関係が示されている。また、
図３には、理想とする直線が破線で示されている。Ｆ1
およびＦ2 は、Ｋ1 ＝２０、Ｋ2 ＝１０、Ｉ01＝０．
３、Ｉ02＝０．４２、δ＝０．４として、式(2) および
(3) により求め、Ｆ0 は式(1) により求めた。この場
合、２つの電磁石の吸引力定数Ｋ1 、Ｋ2 の間に差があ
るので、制御電流Ｉc の全ての領域で２つの電磁石の吸
引力Ｆ1 、Ｆ2 の変化量が同量とはならない。このた
め、ロータに働く力Ｆ0 は、直線にはならず、非線形に
なる。
びＦ2 ならびに力Ｆ0 との関係が示されている。また、
図３には、理想とする直線が破線で示されている。Ｆ1
およびＦ2 は、Ｋ1 ＝２０、Ｋ2 ＝１０、Ｉ01＝０．
３、Ｉ02＝０．４２、δ＝０．４として、式(2) および
(3) により求め、Ｆ0 は式(1) により求めた。この場
合、２つの電磁石の吸引力定数Ｋ1 、Ｋ2 の間に差があ
るので、制御電流Ｉc の全ての領域で２つの電磁石の吸
引力Ｆ1 、Ｆ2 の変化量が同量とはならない。このた
め、ロータに働く力Ｆ0 は、直線にはならず、非線形に
なる。
【０００８】そして、上記のように制御電流値とロータ
に働く力の関係が非線形になることにより、これらの関
係が制御の安定動作域から外れる可能性があり、これに
よって制御が不安定になる。
に働く力の関係が非線形になることにより、これらの関
係が制御の安定動作域から外れる可能性があり、これに
よって制御が不安定になる。
【０００９】この発明の目的は、上記の問題を解決し、
電磁石の制御電流値とロータに働く力との関係を線形化
できる磁気軸受の制御装置を提供することにある。
電磁石の制御電流値とロータに働く力との関係を線形化
できる磁気軸受の制御装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】この発明による磁気軸受
の制御装置は、ロータを非接触支持する少なくとも１対
の電磁石、ロータの変位を検出する手段、検出変位に基
づき制御指令を出力する制御回路、ならびに制御指令に
より電磁石に制御電流を与える第１および第２の電力増
幅部を備えた磁気軸受の制御装置であって、第２の電磁
石に与える制御電流の絶対値を第１の電磁石に与える制
御電流の絶対値の所定係数倍とすることを特徴とするも
のである。
の制御装置は、ロータを非接触支持する少なくとも１対
の電磁石、ロータの変位を検出する手段、検出変位に基
づき制御指令を出力する制御回路、ならびに制御指令に
より電磁石に制御電流を与える第１および第２の電力増
幅部を備えた磁気軸受の制御装置であって、第２の電磁
石に与える制御電流の絶対値を第１の電磁石に与える制
御電流の絶対値の所定係数倍とすることを特徴とするも
のである。
【００１１】好ましくは、第１の電磁石の吸引力定数を
Ｋ1 、第２の電磁石の吸引力定数をＫ2 としたとき、上
記係数αが √（Ｋ1／Ｋ2）である。たとえば、上記係
数αは、制御電流を増幅する増幅器のゲインによって設
定される。
Ｋ1 、第２の電磁石の吸引力定数をＫ2 としたとき、上
記係数αが √（Ｋ1／Ｋ2）である。たとえば、上記係
数αは、制御電流を増幅する増幅器のゲインによって設
定される。
【００１２】
【作用】第２の電磁石に与える制御電流の絶対値を第１
の電磁石に与える制御電流の所定係数倍、好ましくは、
第１の電磁石の吸引力定数をＫ1 、第２の電磁石の吸引
力定数をＫ2 としたとき、√（Ｋ1 ／Ｋ2 ）倍とするの
で、制御電流値とロータに働く力の関係を線形化するこ
とができる。
の電磁石に与える制御電流の所定係数倍、好ましくは、
第１の電磁石の吸引力定数をＫ1 、第２の電磁石の吸引
力定数をＫ2 としたとき、√（Ｋ1 ／Ｋ2 ）倍とするの
で、制御電流値とロータに働く力の関係を線形化するこ
とができる。
【００１３】
【実施例】以下、図１および図２を参照して、この発明
の実施例について説明する。
の実施例について説明する。
【００１４】図１は、ロータ(20)を非接触支持するラジ
アル磁気軸受の１対の電磁石(21)(22)とその制御装置の
１例を示している。
アル磁気軸受の１対の電磁石(21)(22)とその制御装置の
１例を示している。
【００１５】図１において、(23)(24)は電磁石(21)(22)
のコイル、(25)(26)はロータ(20)のラジアル方向の変位
を検出するための位置センサ、(27)(28)は電磁石(21)(2
2)を駆動するための電力増幅器、(29)は反転増幅器、(3
0)はＰＩＤ制御回路、(31)は２つの位置センサ(25)(26)
の検出値からロータ(20)のラジアル方向の変位を求める
減算器である。２つの電磁石(21)(22)および２つの位置
センサ(25)(26)は、それぞれロータ(20)をラジアル方向
の両側から挟むように対向状に配置されている。位置セ
ンサ(25)(26)はロータ(20)とのラジアル方向のギャップ
の大きさを検出し、減算器(31)は２つの位置センサ(25)
(26)の検出値の差の１／２を演算することによって温度
ドリフトの影響を受けずにロータ(20)の制御目標位置か
らのラジアル方向の変位を求める。この実施例では、ロ
ータ(20)のラジアル方向の変位は図１の下側を正として
表わされる。また、ロータ(20)のラジアル方向の変位が
０のときの２つの電磁石(21)(22)からロータ(20)までの
ギャップは、その値が等しいとした場合、δで表わされ
る。このδは、ロータ(20)が２つの電磁石(21)(22)の間
の中心に位置しているときの各電磁石(21)(22)とロータ
(20)との間のギャップに等しく、これを基準ギャップと
いうことにする。
のコイル、(25)(26)はロータ(20)のラジアル方向の変位
を検出するための位置センサ、(27)(28)は電磁石(21)(2
2)を駆動するための電力増幅器、(29)は反転増幅器、(3
0)はＰＩＤ制御回路、(31)は２つの位置センサ(25)(26)
の検出値からロータ(20)のラジアル方向の変位を求める
減算器である。２つの電磁石(21)(22)および２つの位置
センサ(25)(26)は、それぞれロータ(20)をラジアル方向
の両側から挟むように対向状に配置されている。位置セ
ンサ(25)(26)はロータ(20)とのラジアル方向のギャップ
の大きさを検出し、減算器(31)は２つの位置センサ(25)
(26)の検出値の差の１／２を演算することによって温度
ドリフトの影響を受けずにロータ(20)の制御目標位置か
らのラジアル方向の変位を求める。この実施例では、ロ
ータ(20)のラジアル方向の変位は図１の下側を正として
表わされる。また、ロータ(20)のラジアル方向の変位が
０のときの２つの電磁石(21)(22)からロータ(20)までの
ギャップは、その値が等しいとした場合、δで表わされ
る。このδは、ロータ(20)が２つの電磁石(21)(22)の間
の中心に位置しているときの各電磁石(21)(22)とロータ
(20)との間のギャップに等しく、これを基準ギャップと
いうことにする。
【００１６】ロータ(20)が制御目標位置からΔδだけ変
位した場合、減算器(31)では第１位置センサ(25)の検出
値と第２位置センサ(26)の検出値の差（２×Δδ）の１
／２が演算されて、変位Δδが求められ、これがＰＩＤ
制御回路(30)に出力される。ＰＩＤ制御回路(30)は、変
位Δδに基づいて電磁石(21)(22)の制御電流値Ｉc を求
め、これを第１電力増幅器(27)と反転増幅器(29)に出力
する。第１電力増幅器(27)は、制御電流値Ｉc に基づ
き、これと等しい制御電流を第１電磁石(21)のコイル(2
3)に与える。反転増幅器(29)のゲイン（係数）αは、第
１電磁石(21)の吸引力定数をＫ1 、第２電磁石(22)の吸
引力定数をＫ2 としたとき、次の式(4) で表わされる。
位した場合、減算器(31)では第１位置センサ(25)の検出
値と第２位置センサ(26)の検出値の差（２×Δδ）の１
／２が演算されて、変位Δδが求められ、これがＰＩＤ
制御回路(30)に出力される。ＰＩＤ制御回路(30)は、変
位Δδに基づいて電磁石(21)(22)の制御電流値Ｉc を求
め、これを第１電力増幅器(27)と反転増幅器(29)に出力
する。第１電力増幅器(27)は、制御電流値Ｉc に基づ
き、これと等しい制御電流を第１電磁石(21)のコイル(2
3)に与える。反転増幅器(29)のゲイン（係数）αは、第
１電磁石(21)の吸引力定数をＫ1 、第２電磁石(22)の吸
引力定数をＫ2 としたとき、次の式(4) で表わされる。
【００１７】α＝√（Ｋ1 ／Ｋ2 ） …(4) したがって、反転増幅器(29)の出力は−α・Ｉc とな
り、これが第２電力増幅器(28)に出力される。第２電力
増幅器(28)は、反転増幅器(29)の出力−α・Ｉcと等し
い制御電流を第２電磁石(22)のコイル(24)に与える。こ
の第２電磁石(22)の制御電流−α・Ｉc の絶対値は、第
１電磁石(21)の制御電流Ｉc の絶対値を一定の係数α倍
したものである。ここでは、ロータ(20)に加わった外力
はすでに電磁石(21)(22)により制御され、変位Δδは零
に修正されたとする。
り、これが第２電力増幅器(28)に出力される。第２電力
増幅器(28)は、反転増幅器(29)の出力−α・Ｉcと等し
い制御電流を第２電磁石(22)のコイル(24)に与える。こ
の第２電磁石(22)の制御電流−α・Ｉc の絶対値は、第
１電磁石(21)の制御電流Ｉc の絶対値を一定の係数α倍
したものである。ここでは、ロータ(20)に加わった外力
はすでに電磁石(21)(22)により制御され、変位Δδは零
に修正されたとする。
【００１８】上記のように第１電磁石(21)のコイル(23)
に制御電流Ｉc が、第２電磁石(22)のコイル(24)に制御
電流−α・Ｉc が与えられることにより、ロータ(20)が
制御目標位置に保持される。
に制御電流Ｉc が、第２電磁石(22)のコイル(24)に制御
電流−α・Ｉc が与えられることにより、ロータ(20)が
制御目標位置に保持される。
【００１９】第１電磁石(21)の吸引力Ｆ1 および第２電
磁石(22)の吸引力Ｆ2 は、次の式(5) および(6) で表わ
される。
磁石(22)の吸引力Ｆ2 は、次の式(5) および(6) で表わ
される。
【００２０】 Ｆ1 ＝Ｋ1 ｛（Ｉ01＋Ｉc ）／δ｝2 …(5) Ｆ2 ＝Ｋ2 ｛（Ｉ02−α・Ｉc ）／δ｝2 …(6) 式(5) は、前記の式(2) と同じである。式(6) は、前記
の式(3) の制御電流−Ｉc が−α・Ｉc に変わったもの
である。すなわち、制御電流−Ｉc がα倍されたもので
ある。
の式(3) の制御電流−Ｉc が−α・Ｉc に変わったもの
である。すなわち、制御電流−Ｉc がα倍されたもので
ある。
【００２１】ロータ(20)に働く力Ｆ0 は、次の式(7) で
表わされる。
表わされる。
【００２２】Ｆ0 ＝Ｆ1 −Ｆ2 …(7) 式(7) は、前記の式(1) と同じであり、外力とつりあっ
ている。
ている。
【００２３】これらの式(5) 、(6) および(7) より、力
Ｆ0 は次のようになる。
Ｆ0 は次のようになる。
【００２４】 Ｆ0 ＝Ｋ1 ｛（Ｉ01＋Ｉc ）／δ｝2 −Ｋ2 ｛（Ｉ02−α・Ｉc ）／δ｝2 これを展開すると、次のようになる。
【００２５】 Ｆ0 ＝｛Ｋ1 ・Ｉ012 −Ｋ2 ・Ｉ022 ＋（Ｋ1 −α2 ・Ｋ2 ）Ｉc 2 ＋２（Ｋ 1 ・Ｉ01＋α・Ｋ2 ・Ｉ02）Ｉc ｝／δ2 …(8) 式(8) において、Ｉc とＦ0 の関係が線形になるために
は、次の式(9) が成り立てばよい。
は、次の式(9) が成り立てばよい。
【００２６】 Ｋ1 ・Ｉ012 −Ｋ2 ・Ｉ022 ＋（Ｋ1 −α2 ・Ｋ2 ）Ｉc 2 ＝０ …(9) 式(9) より、次の式(10)が導かれる。
【００２７】 α2 ＝（Ｋ1 ・Ｉ012 −Ｋ2 ・Ｉ022 ）／Ｋ2 ・Ｉc 2 ＋Ｋ1 ／Ｋ2 …(10) 式(10)において、（Ｋ1 ・Ｉ012 −Ｋ2 ・Ｉ022 ）は外
力のかかる前の定常状態での力のつりあいを示してお
り、第１項と第２項が相殺し０であるから、α2は次の
ようになる。
力のかかる前の定常状態での力のつりあいを示してお
り、第１項と第２項が相殺し０であるから、α2は次の
ようになる。
【００２８】α2 ＝Ｋ1 ／Ｋ2 …(11) 式(11)より、αは次のようになる。
【００２９】α＝√（Ｋ1 ／Ｋ2 ） …(12) このことは、反転増幅器(29)のゲインαを式(12)のよう
にすれば、２つの電磁石(21)(22)の吸引力定数Ｋ1 、Ｋ
2 の間に差がある場合でも、制御電流値Ｉc に対してロ
ータ(20)に働く力Ｆ0 を線形化できることを表わしてい
る。式(12)は前記の式(4) と同じであり、したがって、
反転増幅器(29)のゲインαは、式(12)のようになってい
る。このため、上記の制御装置では、２つの電磁石(21)
(22)の吸引力定数Ｋ1 、Ｋ2 の間に差がある場合でも、
制御電流値Ｉc に対してロータ(20)に働く力Ｆ0 を線形
化でき、制御の安定化が図れる。
にすれば、２つの電磁石(21)(22)の吸引力定数Ｋ1 、Ｋ
2 の間に差がある場合でも、制御電流値Ｉc に対してロ
ータ(20)に働く力Ｆ0 を線形化できることを表わしてい
る。式(12)は前記の式(4) と同じであり、したがって、
反転増幅器(29)のゲインαは、式(12)のようになってい
る。このため、上記の制御装置では、２つの電磁石(21)
(22)の吸引力定数Ｋ1 、Ｋ2 の間に差がある場合でも、
制御電流値Ｉc に対してロータ(20)に働く力Ｆ0 を線形
化でき、制御の安定化が図れる。
【００３０】図２に、制御電流値Ｉc と式(5) および
(6) により求めた吸引力Ｆ1 およびＦ2 と式(7) により
求めた力Ｆ0 との関係が示されている。式(5) および
(6) におけるＫ1 、Ｋ2 、Ｉ01、Ｉ02およびδは前述の
図３の場合と同じ値である。Ｋ1＝２０、Ｋ2 ＝１０で
あるから、αは、式(12)より、√２となる。第２電磁石
(22)に与える制御電流の絶対値を第１電磁石(21)に与え
る制御電流の絶対値のα倍にすることにより、制御電流
値Ｉc と力Ｆ0 の関係を線形化できることが、図２から
も明らかである。
(6) により求めた吸引力Ｆ1 およびＦ2 と式(7) により
求めた力Ｆ0 との関係が示されている。式(5) および
(6) におけるＫ1 、Ｋ2 、Ｉ01、Ｉ02およびδは前述の
図３の場合と同じ値である。Ｋ1＝２０、Ｋ2 ＝１０で
あるから、αは、式(12)より、√２となる。第２電磁石
(22)に与える制御電流の絶対値を第１電磁石(21)に与え
る制御電流の絶対値のα倍にすることにより、制御電流
値Ｉc と力Ｆ0 の関係を線形化できることが、図２から
も明らかである。
【００３１】この発明は、ラジアル方向の両側にそれぞ
れ複数の電磁石が設けられているラジアル磁気軸受にも
同様に適用できる。また、この発明は、アキシアル磁気
軸受にも同様に適用できる。
れ複数の電磁石が設けられているラジアル磁気軸受にも
同様に適用できる。また、この発明は、アキシアル磁気
軸受にも同様に適用できる。
【００３２】
【発明の効果】この発明の磁気軸受の制御装置によれ
ば、上述のように、２つの電磁石の吸引力定数の間に差
があるような場合でも、ロータに働く力を線形化するこ
とができ、したがって、制御をより安定化させることが
できる。
ば、上述のように、２つの電磁石の吸引力定数の間に差
があるような場合でも、ロータに働く力を線形化するこ
とができ、したがって、制御をより安定化させることが
できる。
【図１】この発明の実施例を示すラジアル磁気軸受の制
御装置の主要部の電気ブロック図である。
御装置の主要部の電気ブロック図である。
【図２】図１の磁気軸受の制御装置における電磁石の制
御電流値と２つの電磁石の吸引力およびロータに働く力
との関係を示すグラフである。
御電流値と２つの電磁石の吸引力およびロータに働く力
との関係を示すグラフである。
【図３】従来の磁気軸受の制御装置における電磁石の制
御電流値と２つの電磁石の吸引力およびロータに働く力
との関係を示すグラフである。
御電流値と２つの電磁石の吸引力およびロータに働く力
との関係を示すグラフである。
(20) ロータ (21)(22) 電磁石 (23)(24) コイル (25)(26) 位置センサ (27)(28) 電力増幅器 (29) 反転増幅器 (30) ＰＩＤ制御回路 (31) 減算器
フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) F16C 32/00 - 32/06
Claims (3)
- 【請求項１】ロータを非接触支持する少なくとも１対の
電磁石、ロータの変位を検出する手段、検出変位に基づ
き制御指令を出力する制御回路、ならびに制御指令によ
り電磁石に制御電流を与える第１および第２の電力増幅
部を備えた磁気軸受の制御装置であって、 第２の電磁石に与える制御電流の絶対値を第１の電磁石
に与える制御電流の絶対値の所定係数α倍（α≠１）と
することを特徴とする磁気軸受の制御装置。 - 【請求項２】第１の電磁石の吸引力定数をＫ1 、第２の
電磁石の吸引力定数をＫ2 としたとき、上記係数αが
√（Ｋ1／Ｋ2）であることを特徴とする請求項１の磁気
軸受の制御装置。 - 【請求項３】上記係数αが、制御電流を増幅する増幅器
のゲインによって設定されることを特徴とする請求項１
または２の磁気軸受の制御装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11165392A JP3220870B2 (ja) | 1992-04-30 | 1992-04-30 | 磁気軸受の制御装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11165392A JP3220870B2 (ja) | 1992-04-30 | 1992-04-30 | 磁気軸受の制御装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05306716A JPH05306716A (ja) | 1993-11-19 |
| JP3220870B2 true JP3220870B2 (ja) | 2001-10-22 |
Family
ID=14566784
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP11165392A Expired - Fee Related JP3220870B2 (ja) | 1992-04-30 | 1992-04-30 | 磁気軸受の制御装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3220870B2 (ja) |
-
1992
- 1992-04-30 JP JP11165392A patent/JP3220870B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH05306716A (ja) | 1993-11-19 |
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