JP3749805B2 - 磁気軸受の制御装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁気軸受の制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
磁気軸受の制御装置は、回転体の変位信号に対して例えばＰＩＤ演算を行い、その制御出力に基づいて増幅器で増幅した励磁電流を磁気軸受の電磁石に流すことにより、回転体を目標位置に維持する位置制御を行っている。上記増幅器の出力回路には、電磁石の内部で短絡等が発生したとき回路を保護するためのヒューズが設けられている。従って、このヒューズの許容電流が増幅器の出力電流の上限値となり、この上限値に対応して増幅器の入力電流も制限される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
回転体に大きな荷重が負荷された場合、上記ＰＩＤ演算の制御出力中、積分出力が増大して飽和する。ところが、上記のように増幅器の入力電流が制限されるため、制御出力を全体として制限する必要がある。その場合、比例出力及び微分出力は非常に小さくなる。比例出力及び微分出力は、軸受のばね及びダンピング特性を司っているため、これらが非常に小さくなると、軸受の支持性能が低下して、回転体の支持が不安定となるという問題点がある。
【０００４】
上記のような従来の問題点に鑑み、本発明は、回転体に大きな荷重が負荷された場合にも回転体を安定して支持する磁気軸受の制御装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の磁気軸受の制御装置は、回転体の変位を検出する変位センサの変位検出信号に基づいて、前記回転体を支持する電磁石を制御するディジタル信号処理装置を備え、このディジタル信号処理装置は、前記変位検出信号に基づくディジタル変位信号に対して積分演算のみを行う積分演算部と、
前記積分演算部の出力Ｕ iを、所定の制限出力値の範囲に制限して出力する出力制限部と、前記変位検出信号に基づくディジタル変位信号に対して比例及び微分演算を行う主制御演算部と、前記出力制限部の出力と前記主制御演算部の出力Ｕ pdとを互いに加算して出力Ｕを得る加算部と、前記加算部の出力Ｕに基づいて、前記電磁石を制御するディジタル制御信号を出力する出力部とを備え、前記出力Ｕ i が前記制限出力値を超える大きな荷重が前記回転体に負荷されたとき、前記出力制限部が出力Ｕ i を制限して出力することにより変位の定常偏差を許容しつつ出力Ｕの増大を抑制し、前記出力Ｕ pd はそのまま前記加算部で加算されるようにしたものである（請求項１）。
上記のように構成された磁気軸受の制御装置において、積分演算部の出力は出力制限部により所定の制限出力値の範囲に制限される。従って、回転体に大きな荷重が負荷された場合、積分出力の増大が制限され、比例演算及び微分演算による比例及び微分出力が確保される。また、積分演算部は、比例演算及び微分演算を行う主制御演算部とは別に、積分演算のみを行う。
【０００６】
また、上記制御装置（請求項１）は、積分演算部の出力値を所定の警報値と比較して、当該出力値が当該警報値に達した場合、警報信号を出力する比較判定部を備えたものであってもよい（請求項２）。
この場合、積分出力が増大して警報値に達すると、警報信号が出力され、荷重の増大を知らせることができる。
【０００７】
また、上記制御装置（請求項２）において、出力制限部の制限出力値は、警報値より大きいことが好ましい（請求項３）。
この場合、積分出力の制限が開始されるより前に、警報信号が出力される。従って、積分出力の制限による定常偏差の発生に対して、予め注意を喚起することができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
図２は、本発明の一実施形態による磁気軸受の制御装置の構成を示すブロック図である。図において、ターボ分子ポンプ等の回転体１は、磁気軸受により非接触支持された状態で、モータ（図示せず）によって駆動され、高速で回転する。回転中の回転体１の変位は、変位センサ２によって検出される。変位センサ２から出力されたアナログ変位信号は、Ａ／Ｄ変換器３によってディジタル変位信号に変換され、ディジタル信号処理装置としてのＤＳＰ４に入力される。ＤＳＰ４は、入力されたディジタル変位信号に基づき、磁気軸受の電磁石制御のためのディジタル制御信号を出力する。Ｄ／Ａ変換器５はこれをアナログ電流指令信号に変換し、増幅器６に与える。増幅器６はこれを増幅して得た制御電流を、磁気軸受の電磁石７に与える。電磁石７はこれを受けて、回転体１の位置制御を行う。また、ＤＳＰ４は、シリアル通信ボード８を介してパーソナルコンピュータ９とも接続される。従って、パーソナルコンピュータ９にＤＳＰ４の情報を表示することができる。
【０００９】
図１は、ＤＳＰ４から電磁石７までの回路構成部分の詳細図である。図において、ＤＳＰ４は、ソフトウェアによって構成された各種機能を有しており、図示しているのは電磁石制御に関する機能のブロック図である。ＤＳＰ４において、主制御演算部４１は、Ａ／Ｄ変換器３から入力されるディジタル変位信号に対して、比例及び微分演算処理を行う。主制御演算部４１の比例・微分出力Ｕpdは、加算部４４に入力される。一方、上記ディジタル変位信号は、積分演算部４２にも入力され、ここで積分演算処理のみが行われる。このように、積分演算処理が、比例及び微分演算処理とは別に行われることにより、ＰＩＤ演算を１つの伝達関数として処理する場合よりも、演算速度を高めることができる。
【００１０】
上記積分演算部４２の積分出力Ｕiは、出力制限部（リミッタ）４３に入力され、Ｕi≦Ｕimaxとなる所定の制限出力値の範囲に制限して出力される。出力制限部４３で出力制限された積分出力Ｕiは、加算部４４により比例・微分出力Ｕpdと合算され、出力Ｕ（＝Ｕpd＋Ｕi）となる。出力Ｕは、さらに、出力部としての加算部４５及び４６においてバイアスと加算され、２つの励磁電流信号Ｉ1（＝Ｉ0＋Ｕ）、及び、Ｉ2（＝Ｉ0−Ｕ）としてＤ／Ａ変換器５に出力される。また、積分演算部４２の出力Ｕiは、比較判定部４７にも入力され、所定の警報値Ｕiaと比較される。ここで、Ｕi≧Ｕiaであれば、警報信号が比較判定部４７からシリアル通信ボード８に出力される。従って、パーソナルコンピュータ９（図２）に、例えば「過負荷」としての警報信号の表示を行うことができる。なお、上記制限出力値Ｕimaxが、警報値Ｕiaより大きくなるように設定しておくことにより、積分出力Ｕiが制限される前に、警報信号を発することができる。
【００１１】
上記のようなＤＳＰ４の動作によれば、出力制限部４３により、積分出力Ｕiの増大が制限される。図３は、本実施形態の制御装置における制御特性を示すグラフであり、上から順に、静荷重Ｆｓ、動荷重Ｆｄ、変位Ｍ、及び、励磁電流信号Ｉ1,Ｉ2を示す。図示の静荷重Ｆｓ及び動荷重Ｆｄが負荷されると、静荷重Ｆｓの立ち上がりとともに励磁電流信号Ｉ１が動荷重に応じた周波数の高い振動を伴いながら増加し、Ｉ2は逆に減少する。ここで、励磁電流信号Ｉ1の平均値とバイアス電流Ｉ0との差が、積分出力Ｕiである。従って、Ｕi＝Ｕimaxとなったときから励磁電流信号Ｉ1の平均値は一定となり、目標位置には位置決めできなくなる。このため、変位Ｍに示す定常偏差を許容した状態となる。しかし、積分出力Ｕiを制限したことにより、比例・微分出力Ｕpd（周波数の高い振動成分）は確保される。従って、支持性能が維持され、振動を減衰させることができる。なお、積分出力Ｕiが制限される前に、警報信号が発生することにより、定常偏差の発生に対して、予め注意を喚起することができる。
【００１２】
【発明の効果】
以上のように構成された本発明は以下の効果を奏する。
請求項１の磁気軸受の制御装置によれば、積分演算部の出力は出力制限部により所定の制限出力値の範囲に制限されるので、回転体に大きな荷重が負荷された場合、積分出力の増大が制限され、他方、比例及び微分出力が確保される。従って、軸受の支持性能を維持して、回転体を安定して支持することができる。また、積分演算部は、比例演算及び微分演算を行う主制御演算部とは別に、積分演算のみを行うので、これらを１つの伝達関数として処理する場合に比べて、演算処理が速い。
【００１３】
請求項２の磁気軸受の制御装置によれば、積分出力が増大して警報値に達すると、警報信号が出力され、荷重の増大を知らせることができるので、負荷の状態監視に便利である。
【００１４】
請求項３の磁気軸受の制御装置によれば、積分出力の制限が開始されるより前に警報信号が出るので、積分出力の制限による定常偏差の発生に対して、予め注意を喚起することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態による磁気軸受の制御装置における主要部（ＤＳＰ）の機能的構成を示すブロック図である。
【図２】上記ＤＳＰを含む、磁気軸受の制御装置を示すブロック図である。
【図３】上記制御装置の制御特性を示すグラフである。
【符号の説明】
１ 回転体
２ 変位センサ
４ ＤＳＰ
７ 電磁石
４１ 主制御演算部
４２ 積分演算部
４３ 出力制限部
４４,４５,４６ 加算部
４７ 比較判定部
Claims (3)
- 回転体の変位を検出する変位センサの変位検出信号に基づいて、前記回転体を支持する電磁石を制御するディジタル信号処理装置を備え、このディジタル信号処理装置は、
前記変位検出信号に基づくディジタル変位信号に対して積分演算のみを行う積分演算部と、
前記積分演算部の出力Ｕ iを、所定の制限出力値の範囲に制限して出力する出力制限部と、
前記変位検出信号に基づくディジタル変位信号に対して比例及び微分演算を行う主制御演算部と、
前記出力制限部の出力と前記主制御演算部の出力Ｕ pdとを互いに加算して出力Ｕを得る加算部と、
前記加算部の出力Ｕに基づいて、前記電磁石を制御するディジタル制御信号を出力する出力部とを備え、
前記出力Ｕ i が前記制限出力値を超える大きな荷重が前記回転体に負荷されたとき、前記出力制限部が出力Ｕ i を制限して出力することにより変位の定常偏差を許容しつつ出力Ｕの増大を抑制し、前記出力Ｕ pd はそのまま前記加算部で加算されることを特徴とする磁気軸受の制御装置。 - 前記積分演算部の出力値を所定の警報値と比較して、当該出力値が当該警報値に達した場合、警報信号を出力する比較判定部を備えたことを特徴とする請求項１記載の磁気軸受の制御装置。
- 前記出力制限部の制限出力値は、前記警報値より大きいことを特徴とする請求項２記載の磁気軸受の制御装置。
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