JP4218386B2 - Class D amplifier output circuit and magnetic bearing control device - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、Ｄ級アンプ出力回路及び、これを電磁石の励磁回路に用いた磁気軸受制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
Ｄ級アンプを出力段に用いて磁気軸受の電磁石を励磁する制御装置（例えば特許文献１参照。）においては、ピーク電流を抑えてＤ級アンプのスイッチング素子を保護すべく、電磁石への印可電圧を適正に設定する必要がある。
【０００３】
【特許文献１】
特開平４−３２１８１２号公報（第２〜３頁、図１）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、通常、磁気軸受においては、非接触支持する回転体のサイズや重量に応じた磁力を電磁石が発生するように、機種が決定される。この磁気軸受の機種によって電磁石の抵抗値も異なるため、機種が異なれば印可電圧を変更する必要がある。印可電圧を変更するには、回路の基準電圧を変更しなければならず、それには、制御装置全体を別なものにする必要がある。すなわち、従来のＤ級アンプ出力回路は、負荷（電磁石）に対する汎用性がないので不便である。
【０００５】
上記のような従来の問題点に鑑み、本発明は、負荷が異なっても汎用的に使用することができるＤ級アンプ出力回路、及び、これを用いた磁気軸受制御装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明のＤ級アンプ出力回路は、パルス幅変調された信号によって制御されるスイッチング素子を有するＤ級アンプと、前記スイッチング素子を介して電力供給される出力要素と、前記出力要素と直列に接続され、電流を可変的に制限する電流制限素子とを備えたものである。
このように構成されたＤ級アンプ出力回路は、出力要素の抵抗値に応じて補償的に電流制限素子の電流制限の度合いを調整すれば、スイッチング素子に流れる電流を一定値以下に制限することができる。従って、Ｄ級アンプの出力回路の電源が定電圧であっても、タイプの異なる出力要素に汎用的に使用できる。
【０００７】
また、上記Ｄ級アンプ出力回路において、電流制限素子はリニア領域で使用されるパワートランジスタであり、出力要素に流れる電流に基づいて前記Ｄ級アンプをフィードバック制御するためのフィードバック信号に基づいて、当該パワートランジスタのゲートを制御するゲート制御回路を設けてもよい。
この場合、出力要素に流れる電流に基づいて、電流制限素子の抵抗値を適切に変化させることができる。
【０００８】
一方、本発明の磁気軸受制御装置は、電磁石により回転体を非接触支持するものであって、パルス幅変調された信号によって制御されるスイッチング素子を有し、このスイッチング素子を介して前記電磁石に電力供給するＤ級アンプと、前記電磁石のコイルと直列に接続され、電流を可変的に制限する電流制限素子とを備えたものである。
このように構成された磁気軸受制御装置は、電磁石のコイルの抵抗値に応じて補償的に電流制限素子の電流制限の度合いを調整すれば、スイッチング素子に流れる電流を一定値以下に制限することができる。従って、Ｄ級アンプの出力回路の電源が定電圧であっても、機種の異なる磁気軸受に汎用的に使用できる。
【０００９】
また、上記磁気軸受制御装置において、電流制限素子はリニア領域で使用されるパワートランジスタであり、コイルに流れる電流に基づいて前記Ｄ級アンプをフィードバック制御するためのフィードバック信号に基づいて、当該パワートランジスタのゲートを制御するゲート制御回路を設けてもよい。
この場合、コイルに流れる電流に基づいて、電流制限素子の抵抗値を適切に変化させることができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１は、第１参考例に係るＤ級アンプ出力回路を含む磁気軸受制御装置の主要な構成を示すブロック回路図である。図示しているのは、回転体１をラジアル方向に非接触支持する一対の電磁石２について、その一方を制御するための装置部分である。他方の電磁石２についても、回路を一部共有した同様な制御装置が構成されるが、ここでは簡略化して一方の電磁石２の制御装置についてのみ説明する。
【００１１】
図において、当該磁気軸受制御装置におけるＤ級アンプ出力回路は、パルス幅変調された信号によって制御されるスイッチング素子３１を有するＤ級アンプ３と、出力用の定電圧電源４（直流電圧：＋Ｖｓ）からスイッチング素子３１を介して電力供給される出力要素としての電磁石２のコイル２ｃと、このコイル２ｃと直列に接続されるフィードバック抵抗５及び、同様にコイル２ｃと直列に接続され、電流を可変的に制限する電流制限素子としての可変抵抗器６とを備えている。上記Ｄ級アンプ３は、コンパレータ７１及び三角波（鋸歯状波）の発振器７２によって構成されるパルス幅変調器７と、コンパレータ７１の出力によって制御されるスイッチング素子３１とによって構成される。このスイッチング素子３１はＭＯＳＦＥＴをスイッチング領域で使用するものであり、逆導通用のダイオード３２を備えている。
【００１２】
上記電磁石２の近傍には変位センサ８が設けられ、その出力はＡ／Ｄ変換器９を経てＤＳＰ（Digital Signal Processor）１０に入力される。ＤＳＰ１０の出力はＤ／Ａ変換器１１を経て信号増幅器（オペアンプ）１２に入力される。また、フィードバック抵抗５には電流−電圧変換器（オペアンプ）１３が接続され、コイル２ｃに流れる電流に応じた電圧が、フィードバック信号として信号増幅器１２に入力される。信号増幅器１２の出力信号は、パルス幅変調器７に入力される。
【００１３】
上記のように構成された磁気軸受制御装置では、回転体１のラジアル方向への変位が変位センサ８によって検出され、その検出出力がＡ／Ｄ変換されてＤＳＰ１０により演算処理される。演算処理によって得られた制御指令信号はＤ／Ａ変換され、信号増幅器１２に入力される。信号増幅器１２は、入力された制御指令信号とフィードバック信号とに基づいて増幅した信号を出力し、この信号が、パルス幅変調器７に入力される。パルス幅変調器７のコンパレータ７１では、入力された当該信号と、発振器７２から入力される三角波との比較が行われ、その結果、パルス幅変調信号が出力される。
【００１４】
スイッチング素子３１は、上記パルス幅変調信号によってスイッチングされる。スイッチング素子３１の導通時には、コイル２ｃ、フィードバック抵抗５、及び可変抵抗器６の直列回路に電流が流れ、電磁石２には、パルス列のデューティに応じた電磁力が発生する。ここで、コイル２ｃに流れる電流は、可変抵抗器６の抵抗により制限することができる。従って、コイル２ｃの抵抗値に応じて補償的に可変抵抗器６を調整すれば、スイッチング素子３１に流れる電流を一定値以下に制限することができる。具体的には、例えば、適用対象とする磁気軸受のうち、コイル２ｃの抵抗値が最大である機種の場合に、可変抵抗器６の抵抗値を０に設定するようにし、コイル２ｃの抵抗値がより小さい機種になるほど可変抵抗器６の抵抗値を増大させて使用する。このようにして、当該Ｄ級アンプ出力回路は、出力回路の電源が定電圧（＋Ｖｓ）でありながら、電磁石２が異なっても汎用的に使用できる。すなわち、磁気軸受の機種が異なっても汎用的に使用できる磁気軸受制御装置を提供することができる。
【００１５】
図２は、第２参考例に係るＤ級アンプ出力回路を含む磁気軸受制御装置の主要な構成を示すブロック回路図である。第１参考例との違いは、電流制限素子にあり、その他の構成は第１参考例と同様である。図において、本参考例の電流制限素子は、逆導通用のダイオード１５を備えたＭＯＳＦＥＴ１４である。これは主としてリニア領域で使用され、そのゲート−ソース間には制御電源電路１５から固定抵抗器１６及び可変抵抗器１７によって分圧された電圧が付与される。
【００１６】
可変抵抗器１７により設定されたゲート−ソース間電圧ＶＧＳが供給されると、ＭＯＳＦＥＴ１４のＶＧＳ−ＩＤ特性に応じてドレイン電流ＩＤが流れる状態となる。すなわち、電圧ＶＧＳに応じたＭＯＳＦＥＴ１４のチャネルの抵抗値が与えられる。この抵抗値は、スイッチング素子３１に流れる電流を制限するので、コイル２ｃの抵抗値に応じて補償的に電圧ＶＧＳを可変抵抗器１７により調整すれば、スイッチング素子３１に流れる電流を一定値以下に制限することができる。従って、第１参考例と同様に、電磁石２が異なっても汎用的に使用できる磁気軸受制御装置を提供することができる。なお、電流を制限する必要がない場合には、ＭＯＳＦＥＴ１４をスイッチング領域で導通状態にしておくことにより、ＭＯＳＦＥＴ１４の内部での損失を抑えることができる。
【００１７】
図３は、本発明の実施形態によるＤ級アンプ出力回路を含む磁気軸受制御装置の主要な構成を示すブロック回路図である。第２参考例と同様に電流制限素子としてＭＯＳＦＥＴ１４をリニア領域で使用するが、そのゲートに対する制御が第２参考例と異なる。すなわち、第２参考例との違いは、電流−電圧変換器１３の出力信号に基づいて、ゲート制御回路１８によりＭＯＳＦＥＴ１４のゲート−ソース間電圧ＶGSを供給する点である。
【００１８】
このゲート制御回路１８は、例えば電磁石２が出力回路に挿入された直後の制御開始時に、所定のゲート−ソース間電圧ＶGSを出力し、その状態でコイル２ｃ及びフィードバック抵抗５に電流が流れることにより、そのときのフィードバック信号（電圧）から想定される電磁石のタイプに合わせた適切な抵抗値がＭＯＳＦＥＴ１４によって発揮されるように電圧ＶGSを変更する。こうして、コイル２ｃに流れる電流に基づいて、電流制限素子であるＭＯＳＦＥＴ１４の抵抗値を適切に変化させることができる。なお、第２参考例と同様に、電流を制限する必要がない場合には、ＭＯＳＦＥＴ１４をスイッチング領域で導通状態にしておくことにより、ＭＯＳＦＥＴ１４の内部での損失を抑えることができる。
【００１９】
なお、上記第２参考例又は実施形態では、電流制限素子としてＭＯＳＦＥＴ１４を用いているが、バイポーラトランジスタやＩＧＢＴ等の、他のパワートランジスタを用いてもよいことは言うまでもない。
また、上記参考例又は実施形態におけるＤ級アンプ出力回路は、磁気軸受の電磁石２のコイル２ｃを出力要素とするものであるが、これに限らず、異なる抵抗値の製品ラインアップを備えた各種負荷（例えば電磁クラッチ、ＣＲＴの偏向コイル等）に対しても汎用的に使用することができる。
【００２０】
【発明の効果】
以上のように構成された本発明のＤ級アンプ出力回路は、コイルに流れる電流に基づいて、電流制限素子の抵抗値を適切に変化させて、スイッチング素子に流れる電流を一定値以下に制限することができる。従って、Ｄ級アンプの出力回路の電源が定電圧であっても、タイプの異なる出力要素に汎用的に使用できる。
また、本発明の磁気軸受制御装置は、コイルに流れる電流に基づいて、電流制限素子の抵抗値を適切に変化させて、スイッチング素子に流れる電流を一定値以下に制限することができる。従って、Ｄ級アンプの出力回路の電源が定電圧であっても、機種の異なる磁気軸受に汎用的に使用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 第１参考例によるＤ級アンプ出力回路を含む磁気軸受制御装置の主要な構成を示すブロック回路図である。
【図２】 第２参考例によるＤ級アンプ出力回路を含む磁気軸受制御装置の主要な構成を示すブロック回路図である。
【図３】 本発明の実施形態によるＤ級アンプ出力回路を含む磁気軸受制御装置の主要な構成を示すブロック回路図である。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a class D amplifier output circuit and a magnetic bearing control device using the same in an excitation circuit of an electromagnet.
[0002]
[Prior art]
In a control device that excites an electromagnet of a magnetic bearing using a class D amplifier at the output stage (see, for example, Patent Document 1), an applied voltage to the electromagnet to suppress the peak current and protect the switching element of the class D amplifier. Must be set appropriately.
[0003]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laid-Open No. 4-321812 (pages 2 and 3, FIG. 1)
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, in general, in the magnetic bearing, the model is determined so that the electromagnet generates a magnetic force corresponding to the size and weight of the rotating body to be supported in a non-contact manner. Since the resistance value of the electromagnet varies depending on the type of the magnetic bearing, it is necessary to change the applied voltage if the model is different. In order to change the applied voltage, the reference voltage of the circuit must be changed, which requires that the entire control device be different. That is, the conventional class D amplifier output circuit is inconvenient because it is not versatile for a load (electromagnet).
[0005]
In view of the above-described conventional problems, the present invention aims to provide a class D amplifier output circuit that can be used universally even if the load is different, and a magnetic bearing control device using the same. And
[0006]
[Means for Solving the Problems]
A class D amplifier output circuit of the present invention includes a class D amplifier having a switching element controlled by a pulse width modulated signal, an output element supplied with power through the switching element, and connected in series with the output element. And a current limiting element that variably limits the current.
The class D amplifier output circuit configured in this manner limits the current flowing through the switching element to a certain value or less by adjusting the current limiting degree of the current limiting element in a compensatory manner according to the resistance value of the output element. Can do. Therefore, even if the power supply of the output circuit of the class D amplifier is a constant voltage, it can be used for various types of output elements for general purposes.
[0007]
In the above class D amplifier output circuit, the current limiting element is a power transistor used in the linear region, based on the feedback signal for feedback controlling the class D amplifier based on the current flowing to the output element, A gate control circuit for controlling the gate of the power transistor may be provided.
In this case, the resistance value of the current limiting element can be appropriately changed based on the current flowing through the output element.
[0008]
On the other hand, the magnetic bearing control device of the present invention supports a rotating body in a non-contact manner by an electromagnet and has a switching element controlled by a pulse width modulated signal, and the electromagnet is connected to the electromagnet via the switching element. A class-D amplifier for supplying power and a current limiting element connected in series with the coil of the electromagnet to variably limit the current are provided.
The magnetic bearing control device configured as described above limits the current flowing through the switching element to a certain value or less by adjusting the degree of current limitation of the current limiting element in a compensatory manner according to the resistance value of the electromagnet coil. Can do. Therefore, even if the power supply of the output circuit of the class D amplifier is a constant voltage, it can be used for a wide variety of magnetic bearings.
[0009]
Further, in the magnetic bearing control device, the current limiting element is a power transistor used in the linear region, based on the feedback signal for feedback controlling the class D amplifier based on the current flowing through the coil, the power it may be provided a gate control circuit for controlling the gate of the transistor.
In this case, the resistance value of the current limiting element can be appropriately changed based on the current flowing through the coil.
[0010]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 is a block circuit diagram showing a main configuration of a magnetic bearing control device including a class D amplifier output circuit according to a first reference example . What is shown is an apparatus portion for controlling one of the pair of electromagnets 2 that support the rotating body 1 in the radial direction in a non-contact manner. For the other electromagnet 2, a similar control device sharing a part of the circuit is configured, but here, only the control device for one electromagnet 2 will be described in a simplified manner.
[0011]
In the figure, a class D amplifier output circuit in the magnetic bearing control device includes a class D amplifier 3 having a switching element 31 controlled by a pulse width modulated signal, and a constant voltage power source 4 for output (DC voltage: + Vs). The coil 2c of the electromagnet 2 as an output element to be supplied with power through the switching element 31, the feedback resistor 5 connected in series with the coil 2c, and similarly connected in series with the coil 2c, the current being variable. And a variable resistor 6 as a current limiting element for limiting the current. The class D amplifier 3 includes a pulse width modulator 7 including a comparator 71 and a triangular wave (sawtooth wave) oscillator 72, and a switching element 31 controlled by the output of the comparator 71. The switching element 31 uses a MOSFET in the switching region, and includes a diode 32 for reverse conduction.
[0012]
A displacement sensor 8 is provided in the vicinity of the electromagnet 2, and its output is input to a DSP (Digital Signal Processor) 10 through an A / D converter 9. The output of the DSP 10 is input to a signal amplifier (op-amp) 12 through a D / A converter 11. A current-voltage converter (op-amp) 13 is connected to the feedback resistor 5, and a voltage corresponding to the current flowing through the coil 2 c is input to the signal amplifier 12 as a feedback signal. The output signal of the signal amplifier 12 is input to the pulse width modulator 7.
[0013]
In the magnetic bearing control device configured as described above, the displacement of the rotating body 1 in the radial direction is detected by the displacement sensor 8, and the detected output is A / D converted and arithmetically processed by the DSP 10. The control command signal obtained by the arithmetic processing is D / A converted and input to the signal amplifier 12. The signal amplifier 12 outputs an amplified signal based on the input control command signal and the feedback signal, and this signal is input to the pulse width modulator 7. The comparator 71 of the pulse width modulator 7 compares the input signal with the triangular wave input from the oscillator 72, and as a result, a pulse width modulation signal is output.
[0014]
The switching element 31 is switched by the pulse width modulation signal. When the switching element 31 is turned on, a current flows through the series circuit of the coil 2c, the feedback resistor 5, and the variable resistor 6, and an electromagnetic force corresponding to the duty of the pulse train is generated in the electromagnet 2. Here, the current flowing through the coil 2 c can be limited by the resistance of the variable resistor 6. Therefore, if the variable resistor 6 is adjusted in a compensation manner according to the resistance value of the coil 2c, the current flowing through the switching element 31 can be limited to a certain value or less. Specifically, for example, in the case of a model having a maximum resistance value of the coil 2c among the magnetic bearings to be applied, the resistance value of the variable resistor 6 is set to 0, and the resistance value of the coil 2c is set. As the model becomes smaller, the resistance value of the variable resistor 6 is increased and used. In this way, the class D amplifier output circuit can be used universally even if the electromagnet 2 is different while the power supply of the output circuit is a constant voltage (+ Vs). That is, it is possible to provide a magnetic bearing control device that can be used universally even if the types of magnetic bearings are different.
[0015]
FIG. 2 is a block circuit diagram showing a main configuration of a magnetic bearing control device including a class D amplifier output circuit according to a second reference example . The difference from the first reference example lies in the current limiting element, and the other configurations are the same as in the first reference example . In the figure, the current limiting element of this reference example is a MOSFET 14 provided with a diode 15 for reverse conduction. This is mainly used in the linear region, and a voltage divided by the fixed resistor 16 and the variable resistor 17 from the control power supply circuit 15 is applied between the gate and the source.
[0016]
When the gate-source voltage VGS set by the variable resistor 17 is supplied, the drain current ID flows according to the VGS-ID characteristic of the MOSFET 14. That is, the resistance value of the channel of the MOSFET 14 corresponding to the voltage VGS is given. This resistance value limits the current flowing through the switching element 31. Therefore, if the voltage VGS is adjusted by the variable resistor 17 in a compensating manner according to the resistance value of the coil 2c, the current flowing through the switching element 31 is reduced to a certain value or less. Can be limited. Therefore, similarly to the first reference example , it is possible to provide a magnetic bearing control device that can be used universally even if the electromagnet 2 is different. When there is no need to limit the current, the loss inside MOSFET 14 can be suppressed by keeping MOSFET 14 conductive in the switching region.
[0017]
FIG. 3 is a block circuit diagram showing a main configuration of the magnetic bearing control device including the class D amplifier output circuit according to the embodiment of the present invention . Similar to the second reference example , the MOSFET 14 is used as a current limiting element in the linear region, but the control of the gate is different from the second reference example . That is, the difference from the second reference example is that the gate control circuit 18 supplies the gate-source voltage V GS of the MOSFET 14 based on the output signal of the current-voltage converter 13.
[0018]
The gate control circuit 18 outputs a predetermined gate-source voltage V GS at the start of control immediately after the electromagnet 2 is inserted into the output circuit, for example, and current flows through the coil 2c and the feedback resistor 5 in this state. Thus, the voltage V GS is changed so that the MOSFET 14 exhibits an appropriate resistance value according to the type of electromagnet assumed from the feedback signal (voltage) at that time. Thus, the resistance value of the MOSFET 14 that is a current limiting element can be appropriately changed based on the current flowing through the coil 2c. As in the second reference example , when there is no need to limit the current, the MOSFET 14 can be kept in a conductive state in the switching region, thereby suppressing the loss inside the MOSFET 14.
[0019]
In the second reference example or embodiment, the MOSFET 14 is used as the current limiting element, but it goes without saying that another power transistor such as a bipolar transistor or IGBT may be used.
Further, the class D amplifier output circuit in the above reference example or embodiment uses the coil 2c of the electromagnet 2 of the magnetic bearing as an output element, but is not limited thereto, and various types having a product lineup with different resistance values. It can also be used universally for loads (for example, electromagnetic clutches, CRT deflection coils, etc.).
[0020]
【The invention's effect】
The class D amplifier output circuit of the present invention configured as described above appropriately changes the resistance value of the current limiting element based on the current flowing through the coil, and limits the current flowing through the switching element to a certain value or less. be able to. Therefore, even if the power supply of the output circuit of the class D amplifier is a constant voltage, it can be used for various types of output elements for general purposes.
Further, the magnetic bearing control device of the present invention can appropriately change the resistance value of the current limiting element based on the current flowing through the coil, and limit the current flowing through the switching element to a certain value or less. Therefore, even if the power supply of the output circuit of the class D amplifier is a constant voltage, it can be used for a wide variety of magnetic bearings.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block circuit diagram showing a main configuration of a magnetic bearing control device including a class D amplifier output circuit according to a first reference example .
FIG. 2 is a block circuit diagram showing a main configuration of a magnetic bearing control device including a class D amplifier output circuit according to a second reference example .
3 is a block circuit diagram showing a main structure of a magnetic bearing control device comprising a class D amplifier output circuit according to the implementation embodiments of the present invention.

Claims (2)

パルス幅変調された信号によって制御されるスイッチング素子を有するＤ級アンプと、
前記スイッチング素子を介して電力供給される出力要素と、
前記出力要素と直列に接続され、電流を可変的に制限する電流制限素子と、
を備え、
前記電流制限素子はリニア領域で使用されるパワートランジスタであり、
前記出力要素に流れる電流に基づいて前記Ｄ級アンプをフィードバック制御するためのフィードバック信号に基づいて、当該パワートランジスタのゲートを制御するゲート制御回路を備えたことを特徴とするＤ級アンプ出力回路。A class D amplifier having a switching element controlled by a pulse width modulated signal;
An output element powered via the switching element;
A current limiting element connected in series with the output element to variably limit the current;
With
The current limiting element is a power transistor used in a linear region,
Based on the feedback signal for feedback controlling the class D amplifier based on the current flowing through the output element, the class D amplifier output circuit, characterized in that it comprises a gate control circuit for controlling the gate of the power transistor . 電磁石により回転体を非接触支持する磁気軸受制御装置において、
パルス幅変調された信号によって制御されるスイッチング素子を有し、このスイッチング素子を介して前記電磁石に電力供給するＤ級アンプと、
前記電磁石のコイルと直列に接続され、電流を可変的に制限する電流制限素子と、
を備え、
前記電流制限素子はリニア領域で使用されるパワートランジスタであり、前記コイルに流れる電流に基づいて前記Ｄ級アンプをフィードバック制御するためのフィードバック信号に基づいて、当該パワートランジスタのゲートを制御するゲート制御回路を備えたことを特徴とする磁気軸受制御装置。In a magnetic bearing control device that supports a rotating body in a non-contact manner by an electromagnet,
A class D amplifier having a switching element controlled by a pulse width modulated signal, and supplying power to the electromagnet via the switching element;
A current limiting element connected in series with the electromagnet coil and variably limiting the current;
With
The current limiting element is a power transistor used in the linear region, on the basis of the feedback signal to based on the current flowing through the coil feedback control of the D-class amplifier, a gate to control the gate of the power transistor A magnetic bearing control device comprising a control circuit.
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