JP3362996B2 - 磁気軸受装置 - Google Patents
磁気軸受装置Info
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Description
に、普及型のA/D変換器を用いて、広いダイナミック
レンジを有すると共に、比較的狭いレンジにおいて高い
分解能を得ることができる、アナログ/デジタル変換装
置を用いた軸変位センサのアナログ出力信号の処理に関
する。
ル信号に変換する変換器として産業上の様々な分野で利
用されている。A/D変換器には、帰還型パルス幅変調
A/D変換器、逐次比較型A/D変換器等の種々の形式
があるが、0〜10V程度の電圧入力を、10〜12b
it程度のデジタル信号に変換するタイプのものが、比
較的低コストで広く普及している。
変位の計測に用いる場合には、インダクタンス変位セン
サ或いは渦電流センサのアナログ出力を、センサアンプ
で増幅してから、このA/D変換器に入力する。そし
て、この変位センサのアナログ出力は、A/D変換器で
デジタル信号に変換され、CPUで演算処理され、磁気
軸受装置の励磁磁極の励磁電流にフィードバックされ、
回転軸が目標位置に浮上支持される。この用途に用いら
れる普及型A/D変換器は、例えば、入力電圧のフルス
ケールが10V程度であり、入力電圧に対応して変換さ
れた10〜12bitのデジタル信号を出力する。
受装置における軸変位は、起動時に回転軸が静止位置か
ら動作時の目標浮上位置に移動するため、その移動幅が
大きく、一例として数mm移動する。これに対して、回
転軸が浮上した後の定常状態の運転では、回転軸の移動
幅は小さく、通常数μオーダとなる。
の移動幅が数μmから数mmに及ぶため、広いダイナミ
ックレンジが要求される。A/D変換器ではこの入力ア
ナログ信号をデジタル信号に変換し、磁気軸受の制御用
CPUに取り込む。A/D変換器で信号を取り込み、C
PUで入力信号を演算処理するデジタル信号処理システ
ムにおいては、入力信号の最大信号レベルから、A/D
変換器の入力レンジを決定している。
/D変換器を用い、入力レンジを数mmの移動幅とする
と、分解能が低下してしまい、量子化誤差により特に定
常状態の数μm程度の微細な変位の信号検出ができなく
なってしまう。また、定常状態の数μm程度のレンジを
最大入力とすると、定常状態での回転軸の変位は十分な
精度で測定できるが、起動時の数mm程度の大きな変位
はスケールアウトしてしまい、測定が不可能となる。
信号の最大信号レベルから、A/D変換器の入力レンジ
を決定しているため、広いダイナミックレンジに対応
し、且つ小さな入力レンジで高い分解能を得ることは不
可能であった。これをあえて可能にするためには、A/
D変換器のデジタル処理部のビット数を増やすことが必
要であり、高価なA/D変換器が必要となり、製造コス
トの上昇を招くこととなる。
ので、高価なA/D変換器を必要とすることなく、広い
ダイナミックレンジに対応することができると共に、小
さな入力レンジで高い分解能を得ることができるアナロ
グ/デジタル変換装置を備えた磁気軸受装置を提供する
ことを目的とする。
は、回転軸の軸変位を変位センサのアナログ出力信号と
して検出し、前記軸変位が起動時の静止位置と、定常運
転時の浮上位置との間でその移動幅が大きい回転軸を支
持する磁気軸受装置において、前記軸変位の計測に用い
るセンサのアナログ出力信号がA/D変換器の入力レン
ジを超える大きな信号に対してシフト信号で相殺するこ
とにより、前記入力レンジを超えない小さな擬似入力信
号を形成して、該擬似入力信号を前記A/D変換器でデ
ジタル信号に変換して、該デジタル信号に変換後の擬似
入力信号に対して前記シフト信号に対応するデジタル逆
シフト信号を加算して、もとのアナログ入力信号に対応
したデジタル信号を得て、該信号を回転軸の位置制御に
用い、前記アナログ入力信号を相殺するシフト信号は、
その相殺後の擬似入力信号がゼロ近傍になるようにあら
かじめ設定した時間の関数であることを特徴とする。
定常状態において、ゼロになるように設定したことを特
徴とする。
入力信号を一定比率で増幅するステップと、該増幅した
信号を前記A/D変換器で前記デジタル信号に変換後
に、前記一定比率でデジタル除算処理を行うステップを
更に備えたことを特徴とする。
ログ入力信号に、シフト信号を相殺することから、A/
D変換器の入力レンジを超えない小さな擬似信号にする
ことができる。小さな擬似入力信号がA/D変換器に入
力されて、デジタル変換後にシフト信号に対応するデジ
タル信号を加算することから、元のアナログ入力信号の
デジタル信号を得ることができる。これにより、A/D
変換器の入力レンジを小さくしたままで、広いダイナミ
ックレンジのアナログ入力信号をデジタル信号に変換す
ることができる。
近傍となるような時間の関数としたので、過渡時の入力
信号の変動幅が大きくても、常に擬似信号値をA/D変
換器の入力レンジ内に保つことができる。
対応させて、定常状態においてゼロになるように設定し
たことから、定常状態ではアナログ入力信号はシフト信
号の影響を受けることなく、小さな入力レンジで動作さ
せることができる。これにより定常時には、量子化誤差
を小さくして高い分解能でのアナログ/デジタル変換が
可能となる。
K倍する乗算(増幅)を行い、且つ変換後に1/Kとす
るデジタル除算を行うので、A/D変換器で量子化する
際の量子化誤差を小さくし、分解能を向上させることが
できる。
参照しながら説明する。
ジタル変換装置に係るブロック図を示す。アナログ入力
信号Viは、磁気軸受装置の変位センサのアナログ出力
であり、この信号がA/D変換器11でデジタル信号に
変換され、CPU10に取り込まれデジタル制御処理さ
れる。本実施例では、シフト信号Vsの発生器(図示し
ない)と、減算器12とを備え、入力信号ViがA/D
変換器11の入力レンジを超える場合には、A/D変換
器11がスケールアウトしないように、シフト信号Vs
を加える。即ち、シフト信号Vsは入力信号Viから、減
算器12で減算されアナログ入力擬似信号(Vi−Vs)
が形成される。更にこの擬似信号は、乗算器である増幅
器13でK倍に増幅されて、A/D変換器11に入力さ
れる。
Vsは、入力信号Viにシフト信号Vsで相殺した擬似信
号との加算値がA/D変換器11の入力レンジで、ゼロ
近傍になるように、シフト信号Vsの時間の関数を予じ
め設定している。この時間関数は、予め測定対象物の過
度応答を過去の経験から予測して決定する。又、入力信
号を監視し、その情報を元にA/D変換器の最小レンジ
に入力アナログ信号Viが入る大きさになった場合には
シフト信号をゼロとするような関数にしてもよい。更に
又、時間の関数は、A/D変換器の最小レンジに入力ア
ナログ信号Viが入る大きさになる時点を予測して、そ
の後はシフト信号をゼロとするような関数に設定しても
よい。尚、このように時間の関数を急激にゼロとするよ
うな不連続な関数が、全体の制御ループの安定性に問題
を生じるのであれば、例えば2次関数を用いて緩やかに
ゼロに漸近するようにしてもよい。
入力レンジを有効に使用するように、入力信号Viから
シフト信号Vsを相殺した擬似信号出力を増幅するもの
である。例えば入力レンジが10Vであり、擬似信号が
1V程度である場合には、これを増幅器13でK=10
倍に乗算することにより、A/D変換器11の入力レン
ジをフルスケールで利用することができる。
U10が接続されている。制御CPUには、そのコンピ
ュータプログラムで形成されるデジタル除算手段14を
備え、乗算器13で擬似信号(Vi−Vs)が、アナログ
的にK倍されているので、これを1/Kとするデジタル
除算処理を行う。符号15は、除算手段14の出力から
A/D変換器16の出力を加算処理するデジタル加算手
段である。デジタル加算手段15も同様にコンピュータ
プログラム形成される制御CPU10内の演算手段であ
る。逆シフト信号Vs’は、時間の関数であるアナログ
シフト信号に対応して計算された、同様に時間の関数で
あるデジタル信号である。従って、加算手段15で、デ
ジタルの擬似信号(Vi−Vs)’にデジタル逆シフト信
号Vs’が加算されると、デジタル入力信号Vi’が求め
られる。
ジタル変換装置の動作を説明するための、各部の波形を
示す。図2(A)は、磁気軸受装置における変位センサ
の出力であるアナログ入力信号Viの波形を示す。磁気
軸受は、本実施例では時刻T0で起動する。時刻T0で
は、回転軸の位置は静止位置であり、この時の変位セン
サ出力は−V0である。時刻T0で起動して、回転軸が浮
上して、回転軸は目標浮上位置に移動し、時刻T1で定
常状態となる。そして、時刻T2まで定常状態での運
転、即ち回転軸が目標浮上位置に浮上支持された状態で
の運転が継続する。この間の回転軸の変位は、数μm程
度と極めて小さい。そして、時刻T2で、定常状態の運
転を終了し、回転軸の回転が停止すると共に回転軸は静
止位置に戻る。このため、変位センサの出力は、時刻T
2でほぼゼロから、時刻T3では再び−V0となる。この
電圧の過渡状態の変化、ゼロから−V0は、移動幅では
数mmであり、定常状態における回転軸の移動幅である
数μm程度と比べて極めて大きい。
フト信号Vsは、入力信号ViがA/D変換器11でスケ
ールアウトしないように入力信号Viを相殺するアナロ
グ信号である。このシフト信号Vsは、主として過渡状
態で入力信号Viを相殺し、加算信号が、A/D変換器
11の入力レンジを超えない範囲で、好ましくはゼロと
する。又、定常状態では入力信号Viに影響を与えない
ようにゼロとする。このため、時刻T0においては、出
力が+V0であり、時間の経過と共に低下して時刻T1で
は回転軸が定常状態の位置に到達するので、その出力を
ゼロとする。定常状態においては出力ゼロを継続する。
そして、回転軸が回転を停止し、磁気軸受装置の運転を
停止する時刻T2から時刻T3に、シフト信号はゼロから
直線的に電圧+V0まで上昇する。そして、時刻T3以降
は、回転軸が静止位置にあるので、出力電圧+V0を継
続する。
Vsで減算器12により相殺された擬似信号である。こ
の信号が増幅器13でK倍に増幅(乗算)され、A/D
変換器11に入力される。この信号は、図示するように
過渡状態のT0からT1及びT2からT3は、擬似信号Vi
−Vsである。定常状態のT1からT2迄は、シフト信号
Vsがゼロであり、数μmの変位に対応した微細な振動
信号である。入力信号Viは起動時と停止時の過渡状態
において大きく変動するが、シフト信号Vsが加算され
るので、加算後の変動幅は図示するように小さくなり、
小さな入力レンジの範囲内に入る。
D変換器11でデジタル信号に変換される。そして、デ
ジタル除算手段14で、乗算(増幅)器13の増幅率K
でデジタル的に除算される。従って、除算手段14の出
力は、デジタル信号(Vi−Vs)’である。一方で、逆
シフト信号Vs’は、図2(B)に示すアナログシフト
信号Vsをデジタル値に計算により変換したものであ
る。
デジタル加算手段15で除算手段14の出力(Vi−V
s)’にデジタル的に加算処理される。従って、加算手
段15の出力は、(Vi−Vs)’からVs’が加算され
たものであり、アナログ入力信号Viに対応したデジタ
ル信号Vi’が出力され、磁気軸受の制御処理部16に
取り込まれる。デジタル信号Vi’は、シフト信号がA
/D変換前に減算され、逆シフト信号がA/D変換後に
加算されたものであるので、そのアナログ値に変換した
波形は、図2(A)に示すものと同様である。
が小さく、分解能を上げるため入力信号を増幅しA/D
変換器11でA/D変換処理を行うことができる。又、
過渡状態で入力信号がA/D変換器11の入力レンジを
超えても、シフト信号Vsで相殺することにより、過渡
時においても、A/D変換器11の入力レンジを超える
ことなく、A/D変換処理を行うことができ、出力とし
て入力信号Viに対応したデジタル信号Vi’を得ること
ができる。従って、ビット数が多い高価なA/D変換器
を使用しなくても、ダイナミックレンジが広く、且つ量
子化誤差が小さく分解能が高いデジタル信号処理システ
ムを構築することができる。
における回転軸の変位を計測するセンサ出力をA/D変
換する場合について説明したが、本発明の趣旨は磁気軸
受装置の変位センサの出力処理以外にも用いることがで
きる。
算して相殺することにより、小さな入力レンジに適合す
る擬似信号を形成しているが、加算処理により小さな入
力レンジに適合する相殺信号を形成すると考えてもよ
い。この場合には、デジタル信号に変換後の処理が減算
処理となる。これは、加算と減算の単なる定義の問題で
ある。
を増幅器によりK倍に増幅した後、A/D変換器に入力
するようにしているが、入力信号が十分に大きい場合に
は、この増幅器は必ずしも必要ではない。この場合に
は、デジタル信号に変換した後の1/Kの除算処理も不
用となる。
変換器に信号を取り込みデジタル信号に変換する磁気軸
受装置において、A/D変換器の入力レンジを超える入
力信号を、スケールアウトしないようにシフト信号で相
殺するようにして、A/D変換後に逆シフト信号を加算
するようにしたものである。従って、過渡時の変動幅の
大きい入力信号がシフト信号で相殺され、変動幅の小さ
い擬似信号となるため、A/D変換のダイナミックレン
ジを拡大することができる。
にはシフト信号をゼロとすることにより、高い分解能で
A/D変換処理を行うことができる。それ故、過渡時に
は広いダイナミックレンジが得られ、且つ定常時には高
い分解能が得られるA/D変換を普及型のA/D変換器
を用いて経済的に実現することができる。
法を説明するブロック図。
を示し、(A)入力信号Vi、(B)シフト信号Vs、
(C)これらの擬似信号(Vi−Vs)を示す。
Claims (3)
- 【請求項1】 回転軸の軸変位を変位センサのアナログ
出力信号として検出し、前記軸変位が起動時の静止位置
と、定常運転時の浮上位置との間でその移動幅が大きい
回転軸を支持する磁気軸受装置において、前記軸変位の
計測に用いるセンサのアナログ出力信号がA/D変換器
の入力レンジを超える大きな信号に対してシフト信号で
相殺することにより、前記入力レンジを超えない小さな
擬似入力信号を形成して、該擬似入力信号を前記A/D
変換器でデジタル信号に変換して、該デジタル信号に変
換後の擬似入力信号に対して前記シフト信号に対応する
デジタル逆シフト信号を加算して、もとのアナログ入力
信号に対応したデジタル信号を得て、該信号を回転軸の
位置制御に用い、前記アナログ入力信号を相殺するシフ
ト信号は、その相殺後の擬似入力信号がゼロ近傍になる
ようにあらかじめ設定した時間の関数であることを特徴
とする磁気軸受装置。 - 【請求項2】 前記シフト信号は、前記入力信号の定常
状態において、ゼロになるように設定したことを特徴と
する請求項1記載の磁気軸受装置。 - 【請求項3】 前記擬似入力信号を形成後、該擬似入力
信号を一定比率で増幅する手段と、該増幅した信号を前
記A/D変換器で前記デジタル信号に変換後に、前記一
定比率でデジタル除算処理を行う手段とを更に備えたこ
とを特徴とする請求項1または2記載の磁気軸受装置。
Priority Applications (1)
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JP15524195A JP3362996B2 (ja) | 1995-05-30 | 1995-05-30 | 磁気軸受装置 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP15524195A JP3362996B2 (ja) | 1995-05-30 | 1995-05-30 | 磁気軸受装置 |
Publications (2)
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JPH08330962A JPH08330962A (ja) | 1996-12-13 |
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Family
ID=15601627
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP15524195A Expired - Lifetime JP3362996B2 (ja) | 1995-05-30 | 1995-05-30 | 磁気軸受装置 |
Country Status (1)
Country | Link |
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JP (1) | JP3362996B2 (ja) |
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JP4641173B2 (ja) * | 2004-10-20 | 2011-03-02 | 富士通セミコンダクター株式会社 | A/d変換器、電池パック、電子機器および電圧測定方法 |
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-
1995
- 1995-05-30 JP JP15524195A patent/JP3362996B2/ja not_active Expired - Lifetime
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JPH08330962A (ja) | 1996-12-13 |
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