JP3649595B2

JP3649595B2 - 磁気浮上制御装置

Info

Publication number: JP3649595B2
Application number: JP23233798A
Authority: JP
Inventors: 伸一森山; 和英渡辺; 尚秀芳我
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 1998-08-04
Filing date: 1998-08-04
Publication date: 2005-05-18
Anticipated expiration: 2018-08-04
Also published as: JP2000060169A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁気軸受や磁気浮上除振装置等の磁気浮上制御装置に係り、特に電磁石の磁気吸引力を制御することにより磁性体を備えた浮上体を非接触で安定に保持する制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
上述の磁気浮上制御装置は、浮上体を非接触で安定に保持する機構として、一般に、浮上体の位置検出部と、検出された位置情報に基づいて電磁石の磁気吸引力を制御するフィードバック制御装置が必要不可欠である。図１は、その構成の一例である。位置検出用センサ２ａ，２ｂは磁気誘導方式と呼ばれているインダクタンスの変化により浮上体の位置を非接触で検出する一般的なセンサであり、バランス用抵抗器３ａ，３ｂ及び差動アンプ６と共にブリッジ回路を構成している。このブリッジ回路には、発振器５及びバッファアンプ４により生成されるキャリア信号が加えられる。浮上体１の基準位置からの変位に伴い、センサ２ａ，２ｂ間にインダクタンスのアンバランスが生じると、差動アンプ６には変位にほぼ比例する振幅を有するセンサ信号が現れる。このセンサ信号には、センサと電磁石あるいはセンサと他の電磁アクチュエータとの間の磁気的結合により混入するノイズ信号が重畳されているので、キャリア信号の周波数を中心周波数とする帯域通過フィルタ７を設けてこのノイズ成分を除去することが一般に行われている。
【０００３】
図１において、帯域通過フィルタ７を通過したセンサ信号は、そのキャリア周波数成分を除去して振幅成分のみを抽出するために、検波回路８で処理され、変位信号としてコントローラ９へ送出される。一方、電磁石１５ａ，１５ｂは、差動パワーアンプ１２ａ，１２ｂと電流検出用抵抗器１４ａ，１４ｂから構成される電圧制御形電流源により励磁される。一般に、電磁石１５ａ，１５ｂには、加算器１０及び減算器１１を用いて、直流電源１３の電圧に対応するバイアス電流と、コントローラ９の制御信号に対応する制御電流を重畳させて電流を供給する。その結果、電磁石１５ａ，１５ｂ間に磁気吸引力の差が生じ、この差が浮上体１に作用する外乱の力や重力を打ち消すことになり、所定の浮上位置に制御体を保持する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述のフィードバック制御装置において、近年、制御系設計時の制御則をハードウエア上で具体化する際の容易性や、制御則を変更する際の柔軟性という観点から、磁気浮上制御装置の分野でもデジタルコントローラを構築する実例が数多く見受けられる。しかし、デジタルコントローラはアナログコントローラと比べ、変位信号を離散化する際のホールド要素や演算時間に応じた無駄時間要素といった周波数応答における余分な遅れ要素がフィードバック制御装置に含まれるという欠点も有する。このため、磁気軸受や磁気浮上除振装置等で速応性の優れたフィードバック制御が要求される場合、浮上体の位置検出部や電磁石の吸引力制御部では周波数特性の良好なハードウエアを構築する必要がある。
【０００５】
ところで、最近の磁気浮上制御装置においては、非接触支持の長所を活かした真空環境内での利用や、装置全体の低コスト・小型化を目指したセンサレス磁気浮上方式の適用が注目されつつある。このセンサレス磁気浮上方式は、浮上体の位置検出に図１に示すセンサ２ａ，２ｂを用いずに、電磁石１５ａ，１５ｂに直接キャリア信号を供給し、このインダクタンスの変化から浮上体の位置を検出するものである。
【０００６】
そして、このような磁気浮上方式においては、特にキャリア信号の周波数の低下による位置検出部の周波数特性の劣化が避けられない。即ち、真空環境内の磁気浮上制御装置では、真空汚染の観点からセンサと浮上体との間に薄い金属の圧力隔壁を設けることが望ましい。しかしながら、キャリア信号の周波数が高くなると、この部分での損失が大きくなるので、キャリア信号の周波数はなるべく低いことが望ましい。このため、必然的に低い周波数のキャリア信号を使わざるを得ない。低い周波数のキャリア信号を用いると、浮上体の位置制御の周波数帯域と干渉することになる。従って、デジタルコントローラの長所を活かしながら、磁気浮上技術の応用を更に発展させるためには、位置検出用センサのキャリア周波数の低域化に伴うフィードバック制御装置の周波数応答の劣化を防ぐ何等かの対策を講じる必要がある。
【０００７】
本発明は、上述した事情に鑑みて為されたもので、フィードバック制御装置の周波数応答特性を劣化することなく、キャリア周波数の低域化を達成することができる磁気浮上制御装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、浮上体の位置検出をデジタルコントローラ内で自動的に行うことを特徴としている。すなわち、本発明は、電磁石の磁気吸引力を利用して、浮上体の浮上位置を制御するデジタルコントローラを備えた磁気浮上制御装置において、前記浮上体の位置検出は、サンプリング時間Δ毎の符号反転データの方形波信号をデジタル信号処理装置で発生し、該方形波に対応した浮上体のセンサ信号を再びデジタル信号処理装置に取り込み、該センサ信号のピークの時刻でサンプリングを行い、該サンプリングデータを１サンプリング毎に符号を反転して処理することにより、前記浮上体の位置データとすることを特徴とするものである。
その具体的な方法は以下の通りである。まず、キャリア信号は、デジタルシグナルプロセッサの１サンプリング毎の符号反転データをデジタル／アナログ変換器で出力することにより、サンプリング時間の２倍の周期の方形波として生成される。この方形波信号の周波数は、市販のデジタルシグナルプロセッサボードの性能を考慮すると、一般に使用されている位置検出用センサのキャリア周波数より１桁低いものとなる。一方、センサを含むブリッジ回路の出力信号は帯域通過フィルタを通過後、センサ信号として直接アナログ／デジタル変換器に取り込まれる。デジタル／アナログ変換動作とアナログ／デジタル変換動作は同期しており、かつ両動作の間の時間遅延は任意に設定できることから、常にセンサ信号をそのピークの時刻でサンプリングできる。従って、デジタルシグナルプロセッサが１サンプリング毎に符号を反転して入力データを処理すれば、自動的に同期検波を行うことになり、その結果、浮上体の変位のデータが得られる。
【０００９】
上述の同期検波動作における周波数特性は、デジタルコントローラが本来有する遅れ要素でほぼ決定される。従って、フィードバック制御システムの周波数応答を劣化させることなくキャリア周波数の低域化を実現できる。位置検出用センサを備えた通常の磁気浮上制御装置では、得られた変位データをデジタル信号処理装置内で適当な制御アルゴリズムに基づくフィードバック補正データに変換し、もう１つのデジタル／アナログ変換器により制御信号として送出する。また、電流検出用センサを用いたセンサレス磁気浮上装置では、キャリア信号に制御信号を重畳させて１つのデジタル／アナログ変換器で送出することが可能となる。この点で、本発明は、デジタルコントローラの長所を最大限に活用することができる磁気浮上体制御システムであるといえる。尚、この同期検波方式は、アナログ回路を用いて構成してもよい。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、添付図面を参照しながら説明する。
【００１１】
図２は、本発明の磁気浮上制御装置の一実施形態の要部を示す。端子Ｔ₁，Ｔ₂及びＴ₃は、図１の各端子Ｔ₁，Ｔ₂，Ｔ₃に対応し、デジタルコントローラ２１は図１において発振器５、検波回路８及びコントローラ９と置き換えられている。尚、デジタルコントローラ２１以外の部分の磁気浮上制御装置の構成は、図１に示したものと同様である。即ち、浮上体の位置検出を、従来の発振器５及び検波回路８の機能をデジタル信号処理装置の機能で置き換えたものである。又、従来のフィードバック制御のためのアナログコントローラ９の機能も、デジタル信号処理装置２１の動作に置き換えられている。即ち、浮上体の位置検出をデジタルコントローラ２１内で自動的に行うように、そのプログラムを設定している。
【００１２】
図４は、各端子の信号波形と、デジタル信号処理装置１９の同期検波動作の一例を示す。浮上体のデジタル信号処理装置による位置検出の具体的な方法は以下の通りである。まず、キャリア信号は、デジタル信号処理装置の１サンプリング時間Δ毎の符号反転データを、デジタル／アナログ変換器で出力することにより、サンプリング時間Δの２倍の周期２Δの方形波信号として生成される。この方形波信号の周波数（１／２Δ）は、市販のデジタルシグナルプロセッサボードの性能を考慮すると、一般に使用されている位置検出用センサのキャリア周波数より１桁低いものとなる。この方形波信号はキャリア信号としてバッファアンプ４に与えられる。バッファアンプ４の方形波出力は、位置検出用センサ２ａ，２ｂの励磁コイルに供給され、浮上体１の変位に伴うインダクタンスの変化がブリッジ回路３ａ，３ｂの出力電圧の変化として現れ、差動アンプ６に入力される。
【００１３】
センサを含むブリッジ回路の出力信号は帯域通過フィルタ７を通過後、センサ信号として直接アナログ／デジタル変換器２０に取り込まれる。デジタル／アナログ変換動作とアナログ／デジタル変換動作は同期しており、かつ両動作の間の時間遅延は任意に設定できることから、常にセンサ信号をそのピークの時刻でサンプルできる。従って、デジタル信号処理装置が１サンプリング毎に符号を反転して入力データを処理すれば、自動的に同期検波を行うことになり、その結果、浮上体の変位のデータが得られる。
【００１４】
即ち、差動アンプ６の出力は、帯域通過フィルタ７の高調波減衰の効果により、主に周波数が１／２△の基本波成分からなるセンサ信号としてアナログ／デジタル変換器２０に与えられる。図４（ｂ）の実線は、外乱の力により浮上体１が基準位置より上にずれた位置から下方に直線的に移動する際のセンサ信号を示している。また、図４（ｂ）の点線はその振幅成分であり、浮上体の変位に対応する。
【００１５】
この時、アナログ／デジタル変換動作とデジタル／アナログ変換動作との間に△／２の時間遅延が設定されていたとすると、図４（ｃ）の実線で示すように、センサ信号はそのピークの時刻でサンプルされる。このサンプルデータを１サンプリング毎に符号を反転して処理すると、図４（ｃ）の矢印と点線で示すように、１つ置きにデータの符号が変る。結果として、図４（ｂ）の振幅成分に対する同期検波が行われ、図４（ｄ）に示すように浮上体１の変位に関するデータが得られたことになる。
【００１６】
得られた変位データは適当な制御アルゴリズムに従って、デジタル信号処理装置１９内で処理され、制御信号としてデジタル／アナログ変換器１８ｂにより端子Ｔ₃へ電磁石電流に対応する制御信号として送出される。図４（ｄ）の実線は変位のデータを直接送出した場合の制御信号の波形を示す。図４（ｄ）の点線が示すように、階段状に制御信号の平均波形は図４（ｂ）の点線で示した元の振幅成分の波形より時間的にサンプリング時間△だけ遅れている。この遅れはデジタルコントローラ２１が本来有するホールド要素と無駄時間要素によるものであり、本方法ではセンサ信号の検波に伴う他の遅れ要素は原理的に存在しない。
【００１７】
図３は、信号重畳方式のセンサレス磁気浮上制御装置に適用する場合の実施形態を示す。電磁石１７ａ，１７ｂは斜線部で示す永久磁石が組み込まれたハイブリッド型磁石と呼ばれているもので、永久磁石により生成する磁束でバイアス電流を必要とせず、省エネルギー化が可能なため、その適用事例も多い。この構成では、電磁石１７ａ，１７ｂ間の磁気吸引力がパワーアンプ２２を用いて電磁石１７ａ，１７ｂに制御電圧を印加することにより生じることになる。
【００１８】
浮上体１には、両電磁石１７ａ，１７ｂの磁気吸引力の差が作用する。デジタル／アナログ変換器１８は、図４（ａ）のキャリア信号と図４（ｄ）の制御信号を重畳させた信号をパワーアンプ１６に送出する。その結果、各電磁石１７ａ，１７ｂの励磁電流には、制御信号による大振幅低周波成分と、キャリア信号による小振幅高周波成分が含まれる。前者の成分は、周波数が低いため、浮上体１の運動に影響を与える。一方、後者の成分は、周波数が高いため、浮上体１の運動には影響を与えないが、逆に浮上体１の位置に応じた振幅の変化という影響を前者の成分よりも敏感に受ける。従って、電流検出用抵抗器１４ａ，１４ｂと差動アンプ６を設けてブリッジ回路を構成し、その出力を帯域通過フィルタ７に通すことにより、図４（ｂ）に示したようなセンサ信号が同様に得られる。
【００１９】
このような信号重畳方式のセンサレス磁気浮上制御装置において、重要なことはキャリア信号の周波数が高すぎると高周波電流が電磁石に流せなくなるという点である。電流検出における信号対雑音の比という観点からも、キャリア周波数の低域化は必要であり、この点でもデジタル信号処理装置１９を用いて信号処理することは有用であるといえる。尚、上記実施形態で示したデジタルコントローラによる同期検波方式の制御装置は、一対の電磁石を用いて説明してあるが、実際には二対以上の電磁石が用いられることは言うまでもないことである。
【００２０】
図５は、本発明の他の実施形態の同期検波による浮上体の位置検出方式を示す。この方式においては、コントローラはデジタルに限らず、アナログ方式でもよい。位置検出用センサＬ₁，Ｌ₂は、外部抵抗Ｒ₁，Ｒ₂とブリッジ回路２４に結線され、発振器２３より基準周波数ｆ₀の正弦波信号Ｖ₀が供給される。ブリッジ回路２４の出力は、増幅器２５により増幅され、帯域通過フィルタ（ＢＰＦ）２６により基準周波数ｆ₀成分が通過する。発信器２３の周波数は、一例として１０ｋＨｚ以下に設定され、帯域通過フィルタ（ＢＰＦ）２６も、これに合わせて設定される。帯域通過フィルタ（ＢＰＦ）２６を通過後の信号Ｖ_Fは、全波整流回路２７により検波信号Ｖ_Rに変換され、その振幅がサンプルホールド回路３０により同期検波される。ここで、ブリッジ回路２４の外部抵抗Ｒ₁，Ｒ₂を
Ｒ₁≠Ｒ₂
とすることにより、帯域通過フィルタ（ＢＰＦ）２６通過後の信号Ｖ_Fの振幅はゼロとなることが無い。それ故、この信号Ｖ_Fを移相器２８により、位相のシフトを行い、パルス発生器２９でこれに同期してパルスを発生し、サンプルホールド回路３０で全波整流された信号Ｖ_Rをサンプルホールドすることにより、同期検波信号Ｖ_Hが得られる。図６に示すように、パルス発生器の出力パルスＶ_Tは、例え基準信号Ｖ₀とセンサ出力Ｖ_Fとの間に位相のズレがあっても、信号Ｖ_Rのピークで生成される。従って、サンプリング時間△毎に、浮上体の変位Ｘに対応した直線性の良好な同期検波が行える。
【００２１】
尚、これらの制御回路例は、位置検出用センサを用いた通常の磁気浮上制御装置及びセンサレス磁気浮上制御装置における一構成例を示すものであり、本発明の趣旨を逸脱することなく種々の変形実施例が可能であることは勿論である。
【００２２】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明の磁気浮上制御装置によれば、浮上体の位置検出におけるキャリア周波数の低域化が、デジタルコントローラにキャリア信号の生成と同期検波動作を行わせることで実現できる。このため、浮上体の位置検出動作と、浮上位置制御動作との周波数帯が重複しても、両者を両立させることができ、磁気浮上制御装置の応用範囲の拡大がおおいに期待できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】磁気浮上制御装置の一般的な構成例を示すブロック図である。
【図２】本発明の磁気浮上制御装置の一実施形態の要部を示すブロック図である。
【図３】本発明のセンサレス磁気浮上制御装置の一実施形態を示すブロック図である。
【図４】デジタルコントローラによる同期検波の動作を説明するための波形図である。
【図５】本発明の磁気浮上制御装置の他の実施形態の要部を示すブロック図である。
【図６】図５に示す回路による同期検波の動作を説明するための波形図である。
【符号の説明】
１浮上体
２位置検出用センサ
３バランス用抵抗器
４バッファアンプ
５発振器
６差動アンプ
７帯域通過フィルタ
８検波回路
９コントローラ
１０加算器
１１減算器
１２差動パワーアンプ
１３直流電源
１４電流検出用抵抗器
１５電磁石
１６パワーアンプ
１７ハイブリッド電磁石
１８デジタル／アナログ変換器
１９デジタル信号処理装置（ＤＳＰ）
２０アナログ／デジタル変換器
２１デジタルコントローラ

Claims

電磁石の磁気吸引力を利用して、浮上体の浮上位置を制御するデジタルコントローラを備えた磁気浮上制御装置において、前記浮上体の位置検出は、サンプリング時間Δ毎の符号反転データの方形波信号をデジタル信号処理装置で発生し、該方形波に対応した浮上体のセンサ信号を再びデジタル信号処理装置に取り込み、該センサ信号のピークの時刻でサンプリングを行い、該サンプリングデータを１サンプリング毎に符号を反転して処理することにより、前記浮上体の位置データとすることを特徴とする磁気浮上制御装置。
前記デジタルコントローラは、位置検出用センサに必要なキャリア信号を生成し、該信号をデジタル／アナログ変換器にて送出し、且つ該センサの出力信号をアナログ／デジタル変換器を介して再び、デジタル信号処理装置に入力し、該処理装置が前記センサ信号の同期検波を行うことを特徴とする請求項１記載の磁気浮上制御装置。
前記デジタルコントローラは、電磁石電流制御信号とキャリア信号とを前記デジタル信号処理装置で生成し、１つのデジタル／アナログ変換器にて電力増幅器を介して電磁石に送出し、前記電磁石を位置検出用センサとして利用して浮上体の位置検出と位置制御を同時に行うことを特徴とする請求項１記載の磁気浮上制御装置。