JP4096113B2 - 制御型磁気軸受装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、たとえばターボ分子ポンプなどに使用され、回転体を磁気軸受により非接触支持して回転させる制御型磁気軸受装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種の制御型磁気軸受装置として、１組のアキシアル磁気軸受と２組のラジアル磁気軸受とで回転体を非接触辞するものが知られている。アキシアル磁気軸受は、回転体を１つのアキシアル制御軸（軸方向の制御軸）方向の両側から挟むように配置された１対の電磁石を備えている。各ラジアル磁気軸受は、互いに直交する２つのラジアル制御軸（径方向の制御軸）方向のそれぞれについて、回転体をラジアル制御軸方向の両側から挟むように配置された１対の電磁石を備えている。各磁気軸受における各制御軸方向の１対の電磁石には、電磁石制御装置から励磁電流が供給される。電磁石制御装置は、各制御軸方向の回転体の位置を検出する位置検出装置からの位置検出信号に基づいて、その制御軸方向の１対の電磁石に供給する励磁電流を制御するための励磁電流信号を出力する。アキシアル方向の位置検出装置は、回転体の端面にアキシアル制御軸方向の一方から対向するように配置されたアキシアル位置センサを備えており、このセンサが回転体の端面との距離に比例する信号を位置検出信号として出力する。ラジアル方向の各位置検出装置は、回転体を各ラジアル制御軸方向の両側から挟むように配置された１対のラジアル位置センサを備えている。各ラジアル位置センサは回転体の外周面との距離に比例する信号を出力し、位置検出装置は、これらの出力の差をラジアル方向の位置検出信号として出力する。
【０００３】
このような制御型磁気軸受装置においては、制御系に対する外乱、位置検出装置の位置センサのノイズなどが増大すると、磁気軸受の制御に支障をきたすようになる。このため、位置検出装置からの位置検出信号を逐次監視することが重要である。
【０００４】
ところが、従来の制御型磁気軸受装置は、電磁石制御装置における制御はアナログＰＩＤ制御が主であり、入力信号（位置検出信号）に対する出力信号（励磁電流信号）を出力するだけの機能しか備えておらず、位置検出装置からの位置検出信号を監視するような機能を付加することはきわめて困難であった。このため、制御系に対する外乱が増大していたり、位置センサの外乱が増大していたりすることを知らずに、磁気軸受装置の運転を開始することがあり、その結果、磁気軸受の制御が不安定になって、危険を招くようなことがあった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
この発明の目的は、上記の問題を解決し、位置検出手段からの位置検出信号の異常を検出して磁気軸受の制御が不安定になることを防止できる制御型磁気軸受装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段および発明の効果】
この発明による制御型磁気軸受装置は、回転体を１つの制御軸方向の両側から挟んで前記制御軸方向の所定の目標位置に非接触支持する１対の電磁石を有する磁気軸受と、前記回転体の前記制御軸方向の位置を検出する位置センサを有する位置検出手段と、前記位置検出手段からの位置検出信号に基づいて前記１対の電磁石に供給する励磁電流を制御する電磁石制御手段とを備えている制御型磁気軸受装置において、前記電磁石制御手段に、ソフトウェアプログラムが可能なディジタル処理手段が設けられ、前記ディジタル処理手段が、前記回転体が前記電磁石により前記目標位置に非接触支持されて回転を停止している状態において、前記位置検出信号の異常を検出する位置センサ異常検出手段を備え、前記位置センサ異常検出手段が、前記位置検出信号を監視し、所定時間内の前記位置検出信号の最大値と最小値との差を求めて前記位置検出信号のノイズ値とし、前記ノイズ値が所定のしきい値を越えたときに異常であると判断するものであることを特徴とするものである。
【０００７】
位置センサ異常検出手段は、回転体が電磁石により目標位置に非接触支持されて停止している状態において、位置検出手段からの位置検出信号を監視し、その異常を検出する。そして、位置検出信号の異常が検出されると、たとえば、警告が発せられ、あるいは、磁気軸受による非接触支持が中止され、磁気軸受装置の運転が開始しないようにする。このため、位置検出信号の異常を知らずに磁気軸受装置の運転を開始して、磁気軸受装置の運転が不安定になったり、危険を招くようなことを防止することができる。
【０００９】
ソフトウェアプログラムが可能なディジタル処理手段としては、たとえば、ＭＰＵ（マイクロプロセッサ）、ディジタル信号処理プロセッサなどが使用される。この明細書において、ディジタル信号処理プロセッサ（Digital Signal Processor）とは、ディジタル信号を入力してディジタル信号を出力し、ソフトウェアプログラムが可能で、高速実時間処理が可能な専用ハードウェアを指す。なお、以下、これを「ＤＳＰ」と略すことにする。
【００１０】
ディジタル処理手段は、位置検出信号をディジタル化した値を監視して、その異常を検出する。そして、ディジタル値を監視するため、位置検出信号の微小なノイズなどを確実に検出することができ、したがって、位置検出信号の異常を確実に検出することができる。
この発明の制御型磁気軸受装置によれば、上述のように、回転体を回転させる前に、位置検出信号の異常を確実に検出することができ、これにより、位置検出信号の異常を知らずに磁気軸受装置の運転を開始して、磁気軸受装置の運転が不安定になったり、危険を招くようなことを防止することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、この発明の実施形態について説明する。
【００１４】
図１は、制御型磁気軸受装置の主要部の概略構成を示している。
【００１５】
この磁気軸受装置は、１つの鉛直軸状の回転体(1)を１組のアキシアル磁気軸 受(2)と上下２組のラジアル磁気軸受(3)(4)とで非接触支持するものである。な お、以下の説明において、回転体(1)の軸方向（鉛直方向）の制御軸（アキシア ル制御軸）をＺ軸、Ｚ軸と直交するとともに互いに直交する２つの径方向（水平方向）の制御軸（ラジアル制御軸）をＸ軸およびＹ軸とする。
【００１６】
アキシアル磁気軸受(2)は、回転体(1)をＺ軸方向に非接触支持するものであり、回転体(1)のフランジ部をＺ軸方向の両側から挟むように配置された１対の電 磁石（アキシアル電磁石）(5)を備えている。
【００１７】
上側のラジアル磁気軸受(3)は、回転体(1)の上部をＸ軸方向およびＹ軸方向に非接触支持するものであり、Ｘ軸方向支持部(6)とＹ軸方向支持部(7)を備えている。下側のラジアル磁気軸受(4)は、回転体(1)の下部をＸ軸方向およびＹ軸方向に非接触支持するものであり、Ｘ軸方向支持部(8)とＹ軸方向支持部(9)を備えている。各ラジアル磁気軸受(3)(4)のＸ軸方向支持部(6)(8)は、回転体(1)をＸ軸 方向の両側から挟むように配置された１対の電磁石（ラジアル電磁石）(10)を備え、Ｙ軸方向支持部(7)(9)は、回転体(1)をＹ軸方向の両側から挟むように配置 された１対の電磁石（ラジアル電磁石）(10)を備えている。
【００１８】
磁気軸受装置には、回転体(1)のアキシアル方向の位置を検出する位置検出手 段としてのアキシアル方向位置検出装置(11)、各ラジアル磁気軸受(3)の部分に おける回転体(1)の径方向の位置を検出する上下２組のラジアル位置検出ユニッ ト(12)(13)、ならびにアキシアル位置検出装置(11)および各ラジアル位置検出ユニット(12)(13)の出力信号に基づいて各磁気軸受(2)(3)(4)の電磁石(5)(10)に供給する励磁電流を制御する電磁石制御手段としての電磁石制御装置(14)が設けられている。
【００１９】
アキシアル方向位置検出装置(11)は、回転体(1)の端面にＺ軸方向の一方から 対向するように配置された１つのアキシアル位置センサ(15)を備えている。この位置センサ(15)は、回転体(1)の端面との距離に比例する信号を位置検出信号と して出力する。
【００２０】
各ラジアル方向位置検出ユニット(12)(13)は、回転体(1)のＸ軸方向の位置を 検出する位置検出手段としてのＸ軸方向位置検出装置(16)(17)と、回転体(1)の Ｙ軸方向の位置を検出する位置検出手段としてのＹ軸方向位置検出装置(18)(19)とを備えている。各Ｘ軸方向位置検出装置(16)(17)は、回転体(1)をＸ軸方向の 両側から挟むように配置された１対のラジアル位置センサ(20)と、減算回路(21)とを備えている。各Ｙ軸方向位置検出装置(18)(20)は、回転体(1)をＹ軸方向の 両側から挟むように配置された１対のラジアル位置センサ(20)と、減算回路(21)とを備えている。各位置検出装置(16)(17)(18)(19)において、各ラジアル位置センサ(20)は回転体(1)の外周面との距離に比例する信号をそれぞれ出力し、減算 回路(21)は１対のラジアル位置センサ(20)の出力信号を減算して位置検出信号として出力する。
【００２１】
電磁石制御装置(14)は、ディジタル処理手段としてのＤＳＰ(22)、ＲＯＭ(23)、不揮発性記憶装置としてのフラッシュメモリ(24)、各位置検出装置(11)(16)(17)(18)(19)にそれぞれ対応する５つのＡＤ変換器(25)および各対の電磁石(5)(10)にそれぞれ対応する５対のＤＡ変換器(26)を備えており、たとえば、これらが １つのＤＳＰボードに設けられている。ＲＯＭ(23)には、ＤＳＰ(22)における処理プログラムなどが格納されている。フラッシュメモリ(23)には、磁気軸受(2)(3)(4)の制御パラメータを記憶した制御パラメータテーブルなどが設けられてい る。図示は省略したが、電磁石制御装置(14)には、操作パネルおよび液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）が設けられている。
【００２２】
また、各ＤＡ変換器(26)と対応する電磁石(5)(10)との間に、電力増幅器(27) が設けられている。
【００２３】
上側のＸ軸方向位置検出装置(16)からの位置検出信号はＡＤ変換器(25)によりディジタル値に変換され、このディジタル値の位置検出信号ΔＸ1がＤＳＰ(22) に入力する。同様に、上側のＹ軸方向位置検出装置(18)からの位置検出信号をディジタル値に変換した位置検出信号ΔＹ1、下側のＸ軸方向位置検出装置(17)か らの位置検出信号をディジタル値に変換した位置検出信号ΔＸ2、下側のＹ軸方 向位置検出装置(19)からの位置検出信号をディジタル値に変換した位置検出信号ΔＹ2、およびアキシアル方向位置検出装置(11)からの位置検出信号をディジタ ル値に変換した位置検出信号ΔＺがＤＳＰ(22)に入力する。
【００２４】
ＤＳＰ(22)は、上側のＸ軸方向の位置検出信号ΔＸ1に基づいて、たとえばＰ ＩＤ演算により、上側のＸ軸方向支持部(6)の１対の電磁石(10)に対する制御電 流値Ｉcを演算し、フラッシュメモリ(24)に記憶されているバイアス電流値Ｉoと制御電流値Ｉcを加算して、その結果得られた値（Ｉo＋Ｉc）を第１の励磁電流 値として一方のＤＡ変換器(26)に出力するとともに、バイアス電流値Ｉoから制 御電流値Ｉcを減算して、その結果得られた値（Ｉ−Ｉc）を第２の励磁電流値として他方のＤＡ変換器(26)に出力する。第１の励磁電流値（Ｉo＋Ｉc）はＤＡ変換器(26)によりアナログ信号に変換されて、第１の励磁電流信号として一方の電力増幅器(27)に供給され、この増幅器(27)は第１の励磁電流信号を増幅し、これに比例する励磁電流をＸ軸制御部(6)の一方の電磁石(10)に供給する。第２の励 磁電流値（Ｉo−Ｉc）はＤＡ変換器(26)によりアナログ信号に変換されて、第２の励磁電流信号として他方の電力増幅器(27)に供給され、この増幅器(27)は第２の励磁電流信号を増幅し、これに比例する励磁電流をＸ軸制御部(6)の他方の電 磁石(10)に供給する。そして、このようにＸ軸制御部(6)の１対の電磁石(10)に 供給する励磁電流が制御されることにより、回転体(1)の上部がＸ軸方向の目標 位置に非接触支持される。同様に、ＤＳＰ(22)は、上側のＹ軸方向の位置検出信号ΔＹ1に基づいて上側のＹ軸方向支持部(7)の１対の電磁石(10)に対する励磁電流を、下側のＸ軸方向の位置検出信号ΔＸ2に基づいて下側のＸ軸方向支持部(8)の１対の電磁石(10)に対する励磁電流を、下側のＹ軸方向の位置検出信号ΔＹ2 に基づいて下側のＹ軸方向支持部(9)の１対の電磁石(10)に対する励磁電流を、 Ｚ軸方向の位置検出信号ΔＺに基づいてアキシアル磁気軸受(2)の１対の電磁石(5)に対する励磁電流をそれぞれ制御する。その結果、回転体(1)がアキシアル方 向およびラジアル方向の目標位置に非接触支持される。そして、回転体(1)は、 このように目標位置に非接触支持された状態で、図示しないビルトイン型の電動モータにより高速回転させられる。
【００２５】
上記の磁気軸受装置において、回転体(1)を目標位置に非接触支持した状態に おいて、これを回転させる前に、各位置検出装置(11)(16)(17)(18)(19)からの位置検出信号の異常の検出が行われる。
【００２６】
次に、図２のフローチャートを参照して、この異常の検出の１例について説明する。
【００２７】
たとえば電磁石制御装置(14)の電源が投入されると、まず、必要な初期化が行われ（ステップ１）、上記のように回転体(1)が目標位置に非接触支持されて磁 気浮上させられる（ステップ２）。回転体(1)が磁気浮上すると、あらかじめ定 められた一定時間だけ、各位置検出装置(16)(18)(17)(19)(11)からの位置検出信号が読み込まれて、記憶され、各位置検出信号について、その一定時間内における最大値と最小値の差が演算され、この差がノイズ値として記憶される。そして、まず、位置検出信号ΔＸ1のノイズ値が所定の規定値より小さいかどうかが調 べられ（ステップ３）、そうでなければ、ΔＸ1は異常であると判断し、ディス プレイにΔＸ1が異常である旨の警告が表示され（ステップ４）、ΔＸ1の異常がフラッシュメモリ(24)の異常記憶テーブルに記憶され（ステップ５）、ステップ６に進む。ステップ３においてノイズ値が規定値より小さかった場合は、ΔＸ1 は正常であると判断し、そのままステップ６に進む。以下、上記のステップ３〜５と同様に、ステップ６〜８で位置検出信号ΔＹ1について、ステップ９〜11で 位置検出信号ΔＸ2について、ステップ12〜14で位置検出信号ΔＹ2について、ステップ15〜17で位置検出信号ΔＺについて、順にノイズ値が規定値より小さいかどうかが調べられ、そうでなかったときには、異常である旨の警告表示と記憶が行われる。
【００２８】
このような異常の検出は、必要があれば、回転体(1)の回転を開始する前に、 繰返して行われる。
【００２９】
電磁石制御装置(14)の操作パネルから回転体(1)の回転が指令されると、フラ ッシュメモリ(24)の異常記憶テーブルの内容が調べられ、いずれの位置検出信号にも異常がなかった場合は、そのまま、モータを駆動して回転体(1)を回転させ る。位置検出信号のいずれかに異常があった場合は、もう一度、その旨の警告を表示し、モータを駆動せずに、磁気軸受(2)(3)(4)による磁気浮上を中止する。
【００３０】
停止状態の回転体(1)を目標位置に非接触支持した状態において、位置検出信 号にノイズがあると、上記のようにしてこれを検出することができる。また、回転体(1)に異常な振動が発生しているような場合も、振動方向の位置検出装置(11)(16)(17)(18)(19)からの位置検出信号が大きく変動するので、上記のようにし てこの異常を検出することができる。そして、このような異常が発生していることを知らずに磁気軸受装置の運転を開始してしまうことがなく、磁気軸受(2)(3)(4)の制御が不安定になって、危険を招くようなことが回避できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、この発明の実施形態を示す制御型磁気軸受装置の主要部の概略構成図である。
【図２】図２は、位置検出信号の異常検出の１例を示すフローチャートである。
【符号の説明】
(1) 回転体
(2) アキシアル磁気軸受
(3)(4) ラジアル磁気軸受
(5) アキシアル電磁石
(10) ラジアル電磁石
(11) アキシアル方向位置検出装置（位置検出手段）
(14) 電磁石制御装置（電磁石制御手段）
(16)(17) Ｘ軸方向位置検出装置（位置検出手段）
(18)(19) Ｙ軸方向位置検出装置（位置検出手段）
(22) ディジタル信号処理プロセッサ（ＤＳＰ）

Claims (1)

1. 回転体を１つの制御軸方向の両側から挟んで前記制御軸方向の所定の目標位置に非接触支持する１対の電磁石を有する磁気軸受と、前記回転体の前記制御軸方向の位置を検出する位置センサを有する位置検出手段と、前記位置検出手段からの位置検出信号に基づいて前記１対の電磁石に供給する励磁電流を制御する電磁石制御手段とを備えている制御型磁気軸受装置において、
   前記電磁石制御手段に、ソフトウェアプログラムが可能なディジタル処理手段が設けられ、
   前記ディジタル処理手段が、前記回転体が前記電磁石により前記目標位置に非接触支持されて回転を停止している状態において、前記位置検出信号の異常を検出する位置センサ異常検出手段を備え、
   前記位置センサ異常検出手段が、前記位置検出信号を監視し、所定時間内の前記位置検出信号の最大値と最小値との差を求めて前記位置検出信号のノイズ値とし、前記ノイズ値が所定のしきい値を越えたときに異常であると判断するものであることを特徴とする制御型磁気軸受装置。

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