JP3311394B2 - 電磁石制御装置 - Google Patents

電磁石制御装置

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は電磁石制御装置に係り、
特に制御対象部材に固定した磁性体継鉄に、比較的大き
な空隙を介して磁気力による吸引力を与える電磁石の励
磁電流を、センサからの出力に基づいて制御することに
より、制御対象部材に非接触で支持力又は減衰力を与え
ることができる電磁石制御装置に関する。
【0002】
【従来の技術】図7は、従来の電磁石制御装置のブロッ
ク図である。電磁石3の励磁電流により発生する磁気吸
引力によって制御される磁性体継鉄が固定された制御対
象部材1は、その制御量(変位あるいは加速度等)がセ
ンサ7によって計測され、その出力が設定値と比較され
る。設定値から減算処理された制御量のセンサ出力は補
償回路によってゲイン、位相等が調整され、設定値に制
御対象部材を支持する支持力又は減衰力を与えることが
できるような制御信号が補償回路6によって生成され
る。補償回路6の出力信号は、パワーアンプ4で電力増
幅され励磁電流として電磁石3に印加される。ここで制
御対象部材1は例えば磁気軸受における回転軸であり、
テーブルを電磁石の磁気力により非接触浮上支持する除
振装置における除振テーブルの支持部材である。制御量
は、制御対象部材を目標位置に支持するためであれば変
位であり、制御対象部材に発生する振動に減衰力を与え
るためであれば加速度となる。
【0003】図8は、パワーアンプと、電磁石と、制御
対象部材の関係を示すものである。補償回路よりの出力
信号はプッシュプル的な動作によりパワーアンプ4で電
力増幅され制御対象部材1をはさんで対向する電磁石3
R,3Lに印加される。そして、制御対象部材1に固定
された磁性体継鉄2に対して磁気吸引力を作用させる。
ここで制御対象部材1は、例えば、除振テーブルの支持
部材であり、電磁石3R,3Lの磁気吸引力により非接
触で除振テーブルを浮上保持することにより、除振テー
ブルに搭載された機械装置等には設置床の振動が伝わら
ず、振動を取り除くことができる。また磁気軸受におい
ては、制御対象部材である回転軸が磁性体継鉄に固定さ
れ、固定された磁性体継鉄が電磁石3R,3Lの磁気吸
引力により非接触浮上保持されることにより、回転軸が
非接触で支承される。そして、磁性体継鉄2と電磁石3
の磁極との空隙gの変位をセンサ12で計測し、そのセ
ンサ出力に基づいて電磁石3の励磁電流、即ち電磁石3
の磁気吸引力を制御する。
【0004】ところで、制御対象部材に固定した磁性体
継鉄に対して、電磁石に励磁電流を流すことにより発生
する磁気的な吸引力は、略図5に示すように励磁電流の
2乗に比例する。
【0005】しかしながら、センサ出力に基づいて電磁
石の励磁電流を制御することにより、磁気吸引力を調整
する電磁石装置の制御系においては、このような非線形
な要素が入ると制御が難しくなる。
【0006】このような電磁石装置の制御系において
は、電磁石3の磁極面11と磁性体継鉄2との空隙gが
小さい場合には、電磁石の励磁電流と磁気吸引力とは直
線的な関係として考えることができる。また小さな励磁
電流の範囲では直線的な関係が得られるが、励磁電流が
大きくなると図5に示すような非直線の関係となる。
【0007】したがって電磁石制御装置においては、図
6に示すようにバイアス電流を流すことによって線形な
領域Aを作り、ここで動作させるようにしている。即
ち、電磁石にバイアスの励磁電流I0 を流すことによ
り、このバイアス電流の範囲内Aにおいて、励磁電流と
電磁石によって生じる磁気吸引力Fとは線形な関係を実
現している。
【0008】このため、図7に示すようにパワーアンプ
の前段の加算回路11で、バイアス電流指令値によりバ
イアス電流が印加される。
【0009】具体的なバイアス電流の印加の方法は、図
8に示すように、パワーアンプ4の前段に直流検波回路
5を設け、直流検波回路5にバイアス設定信号を印加す
るようにしている。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、電磁石
制御装置においては電磁石の磁極面11とターゲットと
なる磁性体継鉄の面との空隙gを大きくとらなければな
らない場合がある。例えば、前述の電磁石の磁気吸引力
により非接触浮上保持された除振テーブルでは、比較的
大きな空隙を水平方向に設けることが除振特性上必要と
なる。又、磁気軸受装置等においては大振幅の回転軸の
振動を予想しなければならない場合もある。このような
比較的大きな空隙で制御対象部材を非接触で支持する場
合、あるいは大振幅の振動を制振するためには、空隙が
大きすぎて前述の従来のバイアス電流を流す方法では線
形化しきれないという問題がある。よって、非線形な制
御要素が入ると制御系が非常に複雑になってしまうとい
う問題がある。
【0011】本発明はかかる従来技術の問題点に鑑み、
空隙gの大きな電磁石装置でも線形系の制御が可能な電
磁石制御装置を提供するものである。
【0012】
【課題を解決するための手段】本発明に係る電磁石制御
装置は、制御対象部材に固定した磁性体継鉄と、該磁性
体継鉄に対して磁気力により比較的大きな空隙を介して
吸引力を発生する電磁石と、該制御対象部材の制御量を
計測するセンサと、該センサからの出力を基に前記電磁
石の励磁電流を制御する補償回路と、パワーアンプとか
ら構成されるコントローラとを備えた電磁石制御装置に
おいて、前記コントローラには、前記パワーアンプの前
段に入力に対して平方根演算結果を出力するルート回路
を備え、前記大きな空隙に伴う磁気吸引力が励磁電流の
二乗に比例する関係を補償するようにしたことを特徴と
するものである。
【0013】前記コントローラには、前記電磁石の磁極
と前記磁性体継鉄との空隙の大きさgの二乗に反比例
た、制御系ゲインの調整手段を更に含むことを特徴とす
るものである。
【0014】
【作用】補償回路とパワーアンプとからなるコントロー
ラのパワーアンプの前段にルート回路を備えたことによ
り、パワーアンプに入力される信号は、ルート回路によ
り平方根演算された信号となる。平方根演算された信号
がパワーアンプで増幅され励磁電流として電磁石に印加
されるため、電磁石によって発生する磁気吸引力は、励
磁電流の2乗に比例する。このため、電磁石の磁気吸引
力はパワーアンプに入力される信号に比例したものとな
る。それ故電磁石の磁極面とターゲットとなる磁性体継
鉄の空隙gが大きくて、従来線形制御が不可能であった
領域に対して、線形制御を可能ならしめる。
【0015】更に、ゲイン調整回路を制御系に設けるこ
とにより、空隙gの大きさにかかわらず、制御系のゲイ
ンを一定とする事ができる。
【0016】
【実施例】図1は本発明の第1の実施例の電磁石制御装
置のブロック図であり、パワーアンプ4の前段にルート
回路7が設けられている。ルート回路7を除いてその他
の構成要素は従来の図7、図8に示す電磁石制御装置と
同様であり、同一の構成要素は同一の符号を付してその
説明を省略する。ルート回路7は平方根演算回路であ
り、入力信号に対して出力信号が平方根演算された信号
が与えられるアナログ回路である。
【0017】補償回路の出力信号Sは、ルート回路7に
よりS1/2 となり、パワーアンプは入力と出力が直線的
な関係であるので、パワーアンプの出力はKS1/2 とな
り、電磁石3に入力される。電磁石3では入力である励
磁電流Iと出力である磁気吸引力Fとは2乗に比例する
関係にあるので、磁気吸引力FはK′Sとなり補償回路
の出力信号Sに比例する。
【0018】図2はこの関係の説明図であり、従来のル
ート回路なしの場合は、電磁石の磁気吸引力Fは補償回
路の出力信号Sの2乗に比例するが、ルート回路有りの
場合は、電磁石の磁気吸引力Fは補償回路の出力信号S
に直線的に比例する。したがって、ルート回路によりタ
ーゲットとなる磁性体継鉄と電磁石の磁極面との空隙g
が大きい場合でも、電磁石装置の制御系を線形にするこ
とができる。
【0019】しかしながら、空隙gが大きい場合、補償
回路の出力信号Sに対して、電磁石の磁気吸引力を線形
化しても、空隙gの大きさによって電磁石装置の制御系
の剛性(磁気吸引力の大きさ)が変わってしまうという
問題がある。図3は空隙gをパラメータとした補償回路
の出力信号Sに対する電磁石の磁気吸引力Fの関係を示
すものである。図示するように、空隙gが大きくなる
(g0 →g3 )と剛性、即ち、磁気吸引力Fは急激に小
さくなる。
【0020】図4は本発明の第2の実施例のゲイン調整
手段を更に含む制御系のブロック図である。上述の空隙
の大きさにより剛性が変わるという問題に対処するた
め、制御ループにゲイン調整器8を備え、ゲイン調整器
8は演算器又はテーブル9によって、空隙gに応じた制
御系のゲインが与えられる。即ち、空隙gの大きさ如何
にかかわらず一定の制御力である磁気吸引力を磁性体継
鉄に作用させることができるようにしたものである。
【0021】ここでルート回路7を備えた制御系におい
てゲイン調整器のゲインを決定する演算器又はテーブル
9の計算式は以下の通りである。まず、磁気吸引力F
は、励磁電流Iの2乗に比例し、空隙gの2乗に反比例
するので、 F=K*I2 /g2 但し、K 比例定数 ここで、ルート回路7により励磁電流Iは、補償回路の
出力信号Sの平方根に比例するので、 I=K''*S1/2 但し K'' 比例定数 従って、 F=K′*S/g2 但し、K′ 比例定数 従って、磁気吸引力Fと出力信号Sの関係は、 F=(K′/g2 )*S ここで、 Ke=(K′/g2 ) とすると F=Ke*S このKeを演算し、または、テーブルを作って算出し、
ゲイン調整器8のゲインとする。この演算器又はテーブ
ル9は、予めステップ的な関数発生器をリミッタで作っ
ておいてもよい。又、空隙gの大きさの信号をA/D変
換することにより、ディジタル信号にしてディジタルの
テーブルを参照して、ゲイン調整器に入力し、制御系に
アナログ信号のゲインを与えることもできる。
【0022】
【発明の効果】以上に説明したように、本発明は電磁石
制御装置の制御系にルート回路を備え、更にゲイン調整
器により空隙の大きさに応じて制御系のゲインを調整す
るようにしたものである。従って、電磁石の磁極面とタ
ーゲットとなる磁性体継鉄との空隙gが大きい場合に
も、線形制御が可能であり、ゲイン調整器により一定の
制御ループゲインが与えられる。したがって、従来の電
磁石装置の制御系では困難であった大きな空隙を有する
電磁石装置を安定に制御することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施例の電磁石制御装置の制御
系のブロック図。
【図2】信号Sと電磁石制御装置の磁気吸引力Fとの関
係を示す説明図。
【図3】空隙gをパラメータとした信号Sと電磁石の磁
気吸引力Fとの関係を示す説明図。
【図4】本発明の第2の実施例のゲイン調整器を含む電
磁石制御装置の制御系のブロック図。
【図5】電磁石の励磁電流Iと磁気吸引力Fとの関係を
示す説明図。
【図6】電磁石の励磁電流Iと磁気吸引力Fとの関係を
示す説明図。
【図7】従来の電磁石制御装置の制御系のブロック図。
【図8】図7におけるパワーアンプと、電磁石と、制御
部材との関係を示す説明図。
【符号の説明】
1 制御部材 2 磁性体継鉄 3,3R,3L 電磁石 4 パワーアンプ 5 直線検波回路 6 補償回路 7 ルート回路 8 ゲイン調整器 9 演算器又はテーブル 12 センサ g 空隙
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01F 7/20 H01F 7/18

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 制御対象部材に固定した磁性体継鉄と、
    該磁性体継鉄に対して磁気力により比較的大きな空隙を
    介して吸引力を発生する電磁石と、該制御対象部材の制
    御量を計測するセンサと、該センサからの出力を基に前
    記電磁石の励磁電流を制御する補償回路と、パワーアン
    プとから構成されるコントローラとを備えた電磁石制御
    装置において、 前記コントローラには、前記パワーアンプの前段に入力
    に対して平方根演算結果を出力するルート回路を備え
    前記大きな空隙に伴う磁気吸引力が励磁電流の二乗に比
    例する関係を補償するようにしたことを特徴とする電磁
    石制御装置。
  2. 【請求項2】 前記コントローラには、前記電磁石の磁
    極と前記磁性体継鉄との空隙の大きさgの二乗に反比例
    した、制御系ゲインの調整手段を更に含むことを特徴と
    する請求項1記載の電磁石制御装置。
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