JP4374777B2 - 磁気軸受の制御装置およびこれを用いた磁気軸受スピンドル装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は磁気軸受を構成する電磁石に流す電流を制御し、回転体を所定位置に支持する磁気軸受の制御装置およびこれを用いた磁気軸受スピンドル装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の磁気軸受の構成を図７に示す。図７において６７は主軸５０の一端に工具６５を装着した回転体、５１はモータロータ、５２はモータステータである。５３と５４はフロント側ラジアル軸受、５５と５６はリア側ラジアル軸受、５７と５８はスラスト軸受である。これらフロント側ラジアル軸受５３、５４、リア側ラジアル軸受５５、５６、スラスト軸受５７、５８は、それぞれ回転側のロータと固定側のステータから構成され、回転体６７を所定位置に非接触で支持している。固定側のフロント側ラジアル軸受５４、リア側ラジアル軸受５６、スラスト軸受５８は電磁石からなり、フロント側ラジアル軸受５４、リア側ラジアル軸受５６は回転体６７の周囲に、例えば９０゜の中心角で左右に４個づつ配置されている。またスラスト軸受５８は主軸５０を取り巻くリング状に配置されている。
【０００３】
５９、６０はフロント側とリア側のラジアル変位センサ、６１はスラスト変位センサ、６２、６３は保護ベアリング、６４はケーシングである。回転体６７の軸心からの変位はラジアル変位センサ５９、６０により、スラスト方向の変位はスラスト変位センサ６１により検出される。ラジアル変位センサ５９、６０、スラスト変位センサ６１としては、よく知られた、渦電流形センサ、静電容量形センサ、光センサなどが用いられる。
【０００４】
上記固定側のフロント側ラジアル軸受５４、リア側ラジアル軸受５６およびスラスト軸受５８の電磁石への駆動電流を、図８に示した磁気軸受制御回路２３により制御することにより、回転体６７の空間位置を制御することができる。
【０００５】
磁気軸受制御回路２３は、前記ラジアル変位センサ５９、６０、スラスト変位センサ６１等のセンサからの信号より前記回転体６７の固有振動数成分を減衰させる固有振動数成分減衰部３と、この固有振動数成分減衰部３の出力信号を入力し、前記フロント側ラジアル軸受５４、リア側ラジアル軸受５６、スラスト軸受５８の電磁石の駆動電流を制御するための制御信号を出力する位相補償部４と、位相補償部４の出力信号を増幅するパワー増幅回路６とを備え、パワー増幅回路６からの電流を前記各電磁石に流すように構成されている。
【０００６】
前記固有振動数成分減衰部３は多段のノッチフィルタで構成され、回転体６７の曲げの固有振動数に中心周波数を設定され、回転体６７の曲げの固有振動数に対して十分な減衰特性を与えている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記従来構成よりなる磁気軸受の制御装置では、前記ノッチフィルタは局部的な周波数に合わせるので、回転体の固有振動数が変化した場合、固有振動数がこれらのフィルタの範囲外にでてしまい、振動、発振などの問題が生じ、回転体を安定支持できなくなるという問題が発生する。例えば、磁気軸受装置を、工具交換を必要とされる工作機械に適用した場合に、工具の種類、工具の有無により回転体の状態が変化し、この状態の変化により前記振動の問題が顕著に現われる（課題１）。
この、工具交換に伴う回転体の固有振動数が微妙に変化した場合でも、制御特性および固有振動数成分減衰部の特性を自動的に変更して最適な制御を行うことのできる磁気軸受装置として、本出願人が先に出願した特願２０００−１１０５２３号において提案した磁気軸受装置がある。
また、磁気軸受装置を工作機械に適用し実際に加工した場合に、加工外乱により回転体の固有振動数で回転体が共振し、加工面性状が悪化する現象が発生する（課題２）。
この課題に対して、本出願人が先に出願した特願平０８−０４２５７０号において提案した磁気軸受装置がある。
【０００８】
図９は前記特願２０００−１１０５２３号に記載した磁気軸受装置における制御系の構成を示すブロック図である。制御対象７としての磁気軸受を用いたスピンドル装置のうち、制御の主体である回転体６７の位置を検出するセンサ回路１の出力を第１Ａ／Ｄ変換器２によりディジタル信号に変換し、固有振動数成分減衰部３に出力する。第１Ａ／Ｄ変換器２の出力信号は、固有振動数成分減衰部３により回転体の曲げの固有振動数成分が減衰され、固有振動数成分減衰部３の出力は第１加算部８に入力され位置指令から減算処理される。第１加算部８の出力は位相補償部４に入力される。
【０００９】
固有振動数成分減衰部３は複数個のディジタルノッチフィルタで構成され、ディジタルノッチフィルタの設定周波数は回転体６７の固有振動数に設定されている。回転体６７の固有振動数は主軸５０の曲げの固有振動数と可変重量部６５の固有振動数とが融合された周波数である。位相補償部４は、第１加算部８の出力を入力し、磁気軸受を構成する電磁石の駆動電流を制御するための制御信号を出力する。位相補償部４は、第１加算部８の出力信号を比例，微分，積分演算し、それぞれの演算結果に状態フィードバック係数をかけてＤ／Ａ変換器５に出力し、Ｄ／Ａ変換器５でアナログ信号に変換される。Ｄ／Ａ変換器５の出力はパワー増幅回路６に入力され、パワー増幅回路６は磁気軸受を用いたスピンドル装置内の電磁石に駆動電流を供給する。
【００１０】
次に固有振動数の測定動作について説明する。外乱発生手段３０のうちのパルス発生器１３で発生したパルスは、第１加算器８に位置指令値、および固有振動数成分減衰器３の出力と共に入力され、位相補償部４、Ｄ／Ａ変換器５、パワー増幅回路６を経由して制御対象７としての磁気軸受スピンドル装置内の電磁石から回転体６７に電磁力によって外乱が与えられる。磁気軸受において、外力に対する変位の周波数特性は、制御周波数以上の領域（慣性領域）では４０ｄＢ／ｄｅｃとなるため、パルス発生器１３からのパルス信号は位相補償部４の微分処理を経由させることにより制御周波数以上の領域に確実に外乱を与えることができる。ここで、パルス発生器１３によって発生されるパルスは、チャープ信号、Ｓｗｅｐｔ Ｓｉｎｅ、パルス信号、ホワイトノイズである。パルス発生器１３での外乱入力時、センサ回路１の出力を第１微分器９に入力し微分処理し、第１微分器９の出力を第２Ａ／Ｄ変換器１０によりディジタル信号に変換する。第１微分器９は、第１Ａ／Ｄ変換器２の出力をディジタル演算による微分器により構成してもよい。第１微分器９の出力を固有振動数演算部１１に入力し固有振動数を演算する。
【００１１】
固有振動数演算部１１は、例えば高速フーリエ変換（ＦＦＴ）により回転体６７の固有振動数を演算する。求められた固有振動数は共振倍率の大きいものから決められた個数を固有振動数成分減衰部３における設定周波数とし、固有振動数成分減衰部パラメータ設定部１２に出力される。
【００１２】
固有振動数成分減衰部パラメータ設定部１２では、固有振動数演算部１１からの出力である固有振動数に対応した固有振動数成分減衰部３のパラメータの設定を行う。具体的には、複数のディジタルノッチフィルタのパラメータを固有振動数ごとに設定する。設定の方法は、パラメータを再計算して求める方法と、あらかじめ設定周波数に対するパラメータのテーブルを用意し、固有振動数に対応したパラメータをテーブルより取得する方法がある。固有振動数成分減衰部パラメータ設定部１２の出力により固有振動数成分減衰部３のパラメータが変更され、回転体６７の特性に応じたノッチフィルタが設定されて安定した制御特性をうることができる。
【００１３】
次に可変重量部としての工具６５の重量測定動作について説明する。この磁気軸受スピンドル装置では、主軸５０が水平に配置されているので、固定側のフロント側ラジアル軸受５４、リア側ラジアル軸受５６の駆動電流を第３Ａ／Ｄ変換器１７によりディジタル信号に変換して可変重量部重量演算部１８に入力する。可変重量部重量演算部１８では電磁石の磁気吸引力Ｆと電磁石駆動電流Ｉとの関係Ｆ＝Ｋ・（Ｉ／Ｚ）2を用いて可変重量部の重量を演算し、可変重量情報を出力する。Ｋは電磁石によって決まる定数で、予めわかっている。またＺは回転体６７と電磁石とのギャップであり、回転体６７を一定の位置に支持している状態では一定であり、予めわかっている。
【００１４】
例えば、横置きタイプの磁気軸受スピンドル装置では、２組のフロント側ラジアル軸受５４、リア側ラジアル軸受５６の鉛直方向に対をなすＸ軸方向の電磁石の磁気吸引力の差によって回転体６７の重量が支持され、上側の電磁石による上向きの磁気吸引力と下側の電磁石による下向きの磁気吸引力との差が回転体６７の重量となる。従って、電磁石の駆動電流の変化を測定することにより、回転体６７の重量の変化を演算することができる。主軸５０の一端に可変重量部としての工具６５を装着しない場合の電磁石の駆動電流は予めわかっているので、回転体がある基準の状態、例えば工具６５が装着されていない状態の電磁石の駆動電流がわかっていれば、回転体６７全体の重量の変化が、可変重量部重量演算部１８により演算できる。また工具６５を装着しない主軸５０のみの場合の重量との差をとって工具６５の重量を演算してもよい。可変重量部重量演算部１８の出力は、重心位置演算部１９に入力される。
【００１５】
重心位置演算部１９は、回転体６７の重量ｍを変数とした関数ｆ（ｍ）により回転体６７の重心位置を演算し出力する。その重心位置は、例えば、回転体６７の構造の変わる点で主軸５０を輪切りにして１つ１つのＳＥＣＴとし、それぞれのＳＥＣＴのモーメントをつなぎ合わせることにより重心位置を演算する。
【００１６】
制御パラメータ演算部２０は、可変重量部重量演算部１８、重心位置演算部１９の各出力を入力する。回転体６７の重量および重心位置の変化は磁気軸受のモデルが変化することであるので、制御パラメータ演算部２０では変化したモデルに対応した制御パラメータを演算し出力する。制御パラメータの演算方法は、例えば、磁気軸受のモデルに対して最適レギュレータの手法を用い、評価関数Ｊの値を最小にする最適な制御入力を演算し、状態フィードバック係数を求める方法などがある。制御パラメータ演算部２０からの状態フィードバック係数は位相補償部４に出力される。
【００１７】
可変重量部が変更され、磁気軸受制御装置２４に可変重量部変更信号が入力されると、外乱発生手段３０、固有振動数演算部１１、固有振動数成分減衰部パラメータ演算部１２、可変重量部重量演算部１８、重心位置演算部１９、制御パラメータ演算部２０でそれぞれ演算が行われ、位相補償部４では、変更された可変重量部としての工具６５に対応した状態フィードバック係数が、固有振動数減衰部３では工具６５に対応したディジタルノッチフィルタの各パラメータがそれぞれ自動的に変更され、常に最適な制御が行われる。可変重量変更信号は、例えば工作機械の場合、加工機に搭載されている数値制御装置であるＮＣ装置より入力される。
【００１８】
このように特願２０００−１１０５２３号における磁気軸受装置によれば、可変重量部の重量変更、例えば、工具の種類の変更に伴う回転体の固有振動数の変化に対して固有振動数成分減衰部の特性を自動的に変更させて回転体の発振現象の発生を防止することは勿論、回転体の重量、重心位置の変化に応じて制御特性を自動的に変更し、可変重量部の重量変更に応じて最適に制御を行うことができる磁気軸受装置が得られる。しかし、工具変更により回転体の状態が著しく変化した場合に、回転体の固有振動数を演算する前に回転体の振動が大きくなり、回転体が不安定状態となり固有振動数の演算ができないことや、振動を検出し振動がある設定以上より大きい場合に電磁石の通電を停止するような保護が設けられている場合に固有振動数の測定ができないという問題が発生する。
【００１９】
図１０は前記特願平８−０４２５７０号に記載した磁気軸受装置における制御系の構成を示すブロック図である。図１０において、回転体の位置を検出するセンサ回路１の出力信号をノッチフィルタ部Ａ１０１により、回転体の前廻り後ろ廻りの固有振動数範囲で減衰させ、偏差部１０５にフィードバックする。偏差部１０５は回転体の位置基準信号と前記ノッチフィルタ部Ａ１０１の出力信号の差を演算し、その偏差信号を位相補償部４に出力し、ＰＩＤ等（比例、積分、微分）の位相補償を施す。センサ回路１、ノッチフィルタ部Ａ１０１、偏差部１０５、位相補償部４からなる回路を主回路とし、これは磁気軸受支持を全般的に担う回路を構成している。また、センサ回路１の出力信号から、帯域通過フィルタ部１０２により、回転体の固有振動数の前廻り後廻りの周波数範囲成分をとりだす。このとき、帯域通過フィルタ部１０２は、該周波数範囲内で、位相をほとんど変化させないように構成されている。例えば、帯域通過フィルタは中心周波数の異なる４つの帯域通過フィルタを結合して構成されている。このようにしてとりだされた周波数成分信号は、ゲイン１０３によりゲインがかけられ、回転体の固有振動数より低い周波数でのゲインを低下させるために、ノッチフィルタ部Ｂ１０４に入力する。帯域通過フィルタ部１０２、ゲイン１０３、ノッチフィルタ部Ｂ１０４からなる回路を第２回路とする。加算部１０６は、主回路の出力信号と第２回路の出力信号を加算し、パワー増幅回路６に出力する。パワー増幅回路６は該加算信号をもとに、制御対象７内の電磁石に電流を供給する。
【００２０】
このように特願平８−０４２５７０号において提案した磁気軸受装置を工作機械に適用し実際に加工した場合に、加工外乱により発生する回転体の固有振動数での共振を抑制することができる。しかし、前記帯域通過フィルタ部１０２は局部的な周波数に合わせるので、回転体の固有振動数が変化した場合フィルタの範囲外に出てしまい、共振を抑制する効果が低減してしまう。
【００２１】
そこで、本発明は、上記従来の問題点を解決するものとして、回転体の固有振動数が変化した場合にも、回転体の振動（自励振動）を抑制し、回転体を安定支持する磁気軸受の制御装置を提供することを目的としている。さらに、磁気軸受装置を、工具交換が必要とされる工作機械に適用した場合に、工具交換に伴う回転体の固有振動数が著しく変化した場合でも、回転体の固有振動数を確実に測定し、制御特性および固有振動数成分減衰部の特性を自動的に変更して最適な制御を行うことのできる磁気軸受の制御装置を提供することを目的としている。さらに、工具交換に伴い回転体の固有振動数が変化した場合にも、実加工において加工外乱による回転体の固有振動数での共振を十分減衰させる磁気軸受の制御装置を提供することを目的としている。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明の請求項１記載の磁気軸受の制御装置は、軸状の回転体を所定の位置に非接触支持する電磁石に対して流す駆動電流を前記回転体の位置を検出するセンサのセンサ信号により制御する回路を備えた磁気軸受の制御装置において、前記センサ信号を第１Ｄ／Ａ変換器を介して伝達される信号と、前記センサ信号を微分した信号を第２Ｄ／Ａ変換器を介して伝達されるディジタル信号と、前記センサ信号からその出力を減算する減算部の出力として伝達される信号とを入力とし、前記回転体の自励振動成分を抽出する自励振動同期トラッキングフィルタと、前記減算部の出力信号を入力とし、前記回転体の固有振動数成分を減衰させる固有振動数成分減衰部と、この固有振動数成分減衰部の出力信号を入力とし、前記電磁石の駆動電流を制御するための制御信号を出力する位相補償部と、前記位相補償部の出力を入力とし、前記電磁石に駆動電流を供給するパワー増幅回路とを有することを特徴とする。
【００２３】
トラッキングフィルタの原理は公知の内容であり、例えば特公昭６０−１４９２９号広報にその内容が示されている。図１２はトラッキングフィルタの構成を示したものである。図７に示すように、回転体６７のラジアル方向にＸ，Ｙ軸をとり、主軸の振動について図１１を用いて説明する。空間固定座標Ｏ−ＸＹ軸系からみて、回転体６７の軸心Ｏｒは座標（ｘ，ｙ）で示される変位のところにあるとする。回転体６７に固定した回転座標Ｏｒ−ＸｒＹｒ軸系からみた回転体６７の重心Ｇの偏心量をεとする。回転体６７の回転角速度をωと記すと、ＯＸ軸とＯｒＸｒ軸の間の開き角度はωｔ（ｔは時間）である。回転パルスに同期したｓｉｎ波、ｃｏｓ波を入力し、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の回転体６７の変位を表す入力信号ｘin，ｙinに対して行列演算Ｔ１１０を行い、（数１）によりｘ1及びｙ1を求める。ａは係数である。
【数１】
このようにして求められるｘ1，ｙ1にたいしてそれぞれ独立にローパスフィルタ１１１を通しｘ2，ｙ2を求める。さらにこの信号に対して、Ｔの逆変換１１２を行い、（数２）のようにＸ軸方向およびＹ軸方向の回転体６７の変位を表す出力信号ｘout，ｙoutを求める。
【数２】
このようにして、ｘ軸方向変位信号及びｙ軸方向変位信号の中から回転同期成分のみを抽出することができる。
【００２４】
トラッキングフィルタの（数１）に示す第１の処理は回転座標系への変換である。そして第２の処理によってゲインＫのローパスフィルタ１１１を通し、（数２）に示す第３の処理によって再び静止座標系への逆変換によって出力信号ｘout，ｙoutが得られる。この出力信号ｘout，ｙoutは入力信号ｘin，ｙinの振動波形のうち、回転数と同期した成分のみが抽出されたものに相当する。この原理を利用し、Ｘ，Ｙ軸方向の変位の入力信号ｘin，ｙinからトラッキングフィルタの出力信号ｘout，ｙoutをそれぞれ減算し、その減算した出力をトラッキングフィルタに入力し、係数ａやゲインＫを調整することにより、Ｘ，Ｙ軸方向の変位信号の回転数同期成分を減衰させることができる。これを回転数同期トラッキングフィルタと呼ぶ。
【００２５】
本発明の構成は、上記行列演算Ｔ１１０およびＴの逆変換である転置行列演算１１２への入力をＸ軸のセンサ信号およびＸ軸のセンサ信号より生成した信号としている。つまり、前記ｘinにＸ軸のセンサ信号、ｙinにＸ軸のセンサ信号を微分した信号より生成した信号、ｃｏｓ信号にＸ軸のセンサ信号より生成した信号、ｓｉｎ信号にＸ軸のセンサ信号より生成した信号を入力している。本発明の構成によれば、回転体の固有振動数が変化して、ノッチフィルタの範囲外にでてしまうことにより自励振動が発生した場合、自励振動同期トラッキングフィルタにより自励振動成分を抽出し、自励振動を抑制することができる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図１〜７を用いて説明する。
従来の技術の構成要素と同一の構成要素については同一の番号を付して説明する。
【００２９】
図１は、本発明の第１の実施形態におけ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１に示すように、制御対象としての磁気軸受スピンドル装置７を制御する磁気軸受制御装置７０は、回転体６７の位置を検出するセンサ回路１と、センサ回路１からのセンサ信号により磁気軸受の駆動電流を制御する磁気軸受制御回路（ディジタル演算処理部）１４を備えている。
【００３０】
上記磁気軸受制御回路としてのディジタル演算処理部１４で行われる演算はディジタル演算により行われるため、ＭＰＵ（Ｍｉｃｒｏ ＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ）にソフトウェアプログラムとして格納されている。
【００３１】
この磁気軸受制御装置７０の制御動作を、図１を参照して詳しく説明する。まず、制御対象となる磁気軸受スピンドル装置７のうち、制御の主体である回転体６７の位置を検出するセンサ回路１の出力を第１Ａ／Ｄ変換器２と微分器９に入力する。第１Ａ／Ｄ変換器２ではセンサ回路１の出力をディジタル信号に変換する。微分器９はセンサ回路１の出力を微分した信号を第２Ａ／Ｄ変換器１０に出力しディジタル信号に変換する。
【００３２】
回転体６７の固有振動数が変化して、これらのフィルタの範囲外にでてしまうことにより自励振動が発生した場合、図７に示すＸ，Ｙ軸方向の振動振幅はＸ軸方向とＹ軸方向とで等しいとは限らない。位相も、Ｘ，Ｙ両軸方向の位相の間に９０ｄｅｇの位相差があるとは限らない。したがって、前記回転数同期トラッキングフィルタのように、Ｘ，Ｙ各軸方向の変位信号を前記トラキングフィルタの入力信号とすることはできない。そこで、回転体６７の固有振動数による自励振動は三角関数（ｓｉｎ波もしくはｃｏｓ波）であるので、Ｘ軸の振動波形がｃｏｓω0ｔであるとき、この振動波形を微分した信号は−ω0ｓｉｎω0ｔとなる。この処理が前記微分器９による処理に相当する。自励振動同期トラッキングフィルタ３１は前記第１Ａ／Ｄ変換器２、第２Ａ／Ｄ変換器１０の出力信号と前記第１Ａ／Ｄ変換器２から自励振動同期トラッキングフィルタ３１の出力を減算する減算部３２の出力を入力とする。微分器９による処理はディジタル信号で行ってもよく、その場合は、第１Ａ／Ｄ変換器２の出力信号が微分処理され、自励振動同期トラッキングフィルタ３１に入力される。自励振動同期トラッキングフィルタ３１の構成を図２に示す。
【００３３】
第１Ａ／Ｄ変換器２の出力信号よりトラッキングフィルタ１１４の出力信号ｘoutを減算した信号（ｘin）と、第１Ａ／Ｄ変換器２の出力信号に係数Ｂを乗算した信号（ｃｏｓω0ｔ）と、第２Ａ／Ｄ変換器１０の出力信号に−１を乗算し、その信号に係数Ｂを乗算した信号（ｓｉｎω0ｔ）と、第２Ａ／Ｄ変換器１０の出力信号に−１を乗算した信号よりトラッキングフィルタ１１４の出力信号ｙoutを減算した信号（ｙin）をトラッキングフィルタ１１４の入力信号とする。トラッキングフィルタ１１４では、Ｘ軸方向の回転体６７の変位ｘinと擬似的に作成したｙinに対して行列演算Ｔを行い、（数３）に示すようにｘ1及びｙ1を求める。ａは係数である。
【数３】
（数３）より求められるｘ1，ｙ1に対してそれぞれ独立にローパスフィルタを通しｘ2，ｙ2を求める。さらにこの信号に対して、（数４）に示すようにＴの逆変換を行い、ｘout，ｙoutを求める。
【数４】
このようにして、Ｘ軸方向の変位信号の中から自励振動成分のみを抽出することができる。第１Ａ／Ｄ変換器２からこのトラッキングフィルタ１１４の出力ｘoutを減算し、自励振動成分を減衰させ、固有振動数成分減衰部３に出力する。固有振動数成分減衰部３は複数個のディジタルノッチフィルタで構成され、ディジタルノッチフィルタの設定周波数は回転体６７の固有振動数に設定されている。回転体６７の固有振動数は主軸５０の曲げの固有振動数と可変重量部６５の固有振動数とが融合された周波数である。位相補償部４は、第１加算部８の出力を入力し、磁気軸受を構成する電磁石の駆動電流を制御するための制御信号を出力する。位相補償部４は、第１加算部８の出力信号を比例，微分，積分演算し、それぞれの演算結果に状態フィードバック係数をかけてＤ／Ａ変換器５に出力し、Ｄ／Ａ変換器５でアナログ信号に変換される。Ｄ／Ａ変換器５の出力はパワー増幅回路６に入力され、パワー増幅回路６は磁気軸受スピンドル装置内の電磁石に駆動電流を供給する。
【００３４】
次に、本発明の第２の実施形態における磁気軸受の制御装置の構成を示すブロック図を図３に示す。この磁気軸受装置により支持される磁気軸受スピンドル装置は、図７に示すように、主軸５０の端部に可変重量部としての工具６５を装着して水平に配置された回転体６７と、その回転体６７を所定の位置に非接触支持する磁気軸受としての構成を有する回転側のフロント側ラジアル軸受５３、回転側のリア側ラジアル軸受５５、回転側のスラスト軸受５７、固定側のフロント側ラジアル軸受５４、固定側のリア側ラジアル軸受５６、固定側のスラスト軸受５８とを備えたものである。
【００３５】
図３に示すように、磁気軸受スピンドル装置７を制御する磁気軸受制御装置７０は、回転体６７の位置を検出するセンサ回路１と、センサ回路１からのセンサ信号により磁気軸受の駆動電流を制御する磁気軸受制御回路としてのディジタル演算処理部１４を備えている。
【００３６】
上記磁気軸受制御回路としてのディジタル演算処理部１４で行われる演算はディジタル演算により行われるもので、ＭＰＵ（Ｍｉｃｒｏ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）に格納されているソフトウェアプログラムにより行われる。
【００３７】
この磁気軸受制御装置７０の制御動作を、図３を参照して説明する。まず、制御対象となる磁気軸受スピンドル装置７のうち、制御の主体である回転体６７の位置を検出するセンサ回路１の出力を第１Ａ／Ｄ変換器２と微分器９に入力する。第１Ａ／Ｄ変換器２ではセンサ回路１の出力をディジタル信号に変換する。微分器９はセンサ回路１の出力を微分した信号を第２Ａ／Ｄ変換器１０に出力しディジタル信号に変換する。第１Ａ／Ｄ変換器２の出力信号と、第２Ａ／Ｄ変換器１０の出力と前記第１Ａ／Ｄ変換器２から自励振動同期トラッキングフィルタ３１の出力を減算する減算部３２の出力がトラッキングフィルタ３１に入力される。自励振動同期トラッキングフィルタ３１の動作は第１の実施形態で示した通りである。第１Ａ／Ｄ変換器２からこの自励振動同期トラッキングフィルタ３１の出力を減算部３２により減算し、自励振動成分を減衰させ、固有振動数成分減衰部３に出力する。固有振動数成分減衰部３は回転体６７の曲げの固有振動数成分を減衰させ、固有振動数成分減衰部３の出力は加算部８に入力され位置指令から減算処理される。第１加算部８の出力は位相補償部４に入力される。
【００３８】
固有振動数成分減衰部３は複数個のディジタルノッチフィルタで構成され、ディジタルノッチフィルタの設定周波数は回転体６７の固有振動数に設定されている。回転体６７の固有振動数は主軸５０の曲げの固有振動数と可変重量部としての工具６５の固有振動数とが融合された周波数である。位相補償部４は、第１加算部８の出力を入力し、磁気軸受を構成する電磁石の駆動電流を制御するための制御信号を出力する。位相補償部４は、第１加算部８の出力信号を比例，微分，積分演算し、それぞれの演算結果に状態フィードバック係数をかけてＤ／Ａ変換器５に出力し、Ｄ／Ａ変換器５でアナログ信号に変換される。Ｄ／Ａ変換器５の出力はパワー増幅回路６に入力され、パワー増幅回路６は磁気軸受スピンドル装置７内の電磁石に駆動電流を供給する。
【００３９】
工具６５が変更されたときに生じる固有振動数の測定動作、工具６５の重量測定動作、重心位置演算部１９の動作、制御パラメータ演算部２０の動作は特願２０００−１１０５２３号の出願内容に関する説明で示した通りである。
【００４０】
第２の実施形態のように、主軸５０の一端に、例えば工作機械において可変重量部となる工具６５が装着される場合、工具６５が変更されると可変重量部の変化により、主軸５０と可変重量部を合わせた回転体６７全体の重量、重心位置、固有振動数が変化する。回転体６７の固有振動数は、主軸５０のもつ固有振動数と可変重量部のもつ固有振動数が融合した固有振動数となる。磁気軸受の制御特性は回転体６７がある一定の状態で最適になるように設定されているため、可変重量部が変化し回転体の重量、重心位置、固有振動数が変化すると、回転時における回転体６７の振れ回りの増大や、回転体６７の発振現象が発生する。この工具交換時の発振（振動）がきわめて大きい場合や、振動を検出し振動がある設定以上より大きい場合に電磁石の通電を停止する保護が設けられている場合でも、本実施形態のようにトラッキングフィルタを用いることにより自励振動成分を減衰させた上で、確実に固有振動数を測定することができる。
【００４１】
次に、本発明の第３の実施形態における磁気軸受の制御装置の全体構成を図４に示す。
この構成においては、第１Ａ／Ｄ変換器２の出力（変位信号）を帯域通過フィルタ部３６に入力し、帯域通過フィルタ部３６の出力をゲイン調整部３７にてゲイン調整を行い、位相補償部４の出力に加算部７１により加算することにより、固有振動による共振を減衰させることができる。帯域通過フィルタ部３６の構成の１例を図５に示す。図５に示すように２個の中心周波数の異なる帯域通過フィルタ５１ａ、５１ｂより構成されている。図６（ａ）にそのゲイン特性を、図６（ｂ）に位相特性を示す。図中Ｄの周波数範囲内ではゲイン、位相ともほぼ一定の特性とすることができている。このＤの周波数範囲を回転体の固有振動数の周波数範囲とすることは容易である。工具６５が変更され、回転体６７の固有振動数が変化してフィルタの範囲外にでてしまい、振動、発振などの問題が生じたとき、帯域通過フィルタ部３６の出力信号がある設定値以上のときはゲイン調整部３７のゲインを大きくすることにより振動を抑制することができる。図６（ａ）、（ｂ）に示すゲイン、位相特性のようにフィルタの範囲外（周波数範囲Ｄ以外）ではゲインが低下する方向の特性となるので、ゲインを増加させることにより共振抑制効果を上げることができる。
【００４２】
工具６５が変更されたときに変化する固有振動数の測定動作においては、前記帯域通過フィルタ部３６、ゲイン調整部３７における共振抑止効果が効き過ぎると正しく固有振動数を測定できないことがある。工具６５が変更されたときゲイン調整部３７のゲインを零にしても回転体６７の振動が生じない場合は、ゲイン調整部３７のゲインを零にして固有振動数の測定を行うことが望ましい。回転体６７の振動が生じる場合は、帯域通過フィルタ部３６の出力信号がある設定値以上のときゲイン調整部３７のゲインを大きくすることにより振動を抑制した上で固有振動数の測定を行えばよい。このように、この工具交換時の発振（振動）がきわめて大きい場合や、振動を検出し振動がある設定以上より大きい場合に電磁石の通電を停止する保護が設けられている場合でも、帯域通過フィルタ３６のゲインを調整するゲイン調整部３７のゲインを振動の状況により自動的に調整することにより、第１の実施の形態と同様に確実に固有振動数を測定することができる。
【００４３】
固有振動数演算部１１において固有振動数の測定をし、固有振動数演算部１１の出力を帯域通過フィルタ部パラメータ設定部３５に入力することにより、工具６５を変更後の固有振動数に対応した帯域通過フィルタ部３６のパラメータの設定を行う。設定の方法は、パラメータを再計算して求める方法と、あらかじめ設定周波数に対するパラメータのテーブルを用意し、固有振動数に対応したパラメータをテーブルより取得する方法がある。帯域通過フィルタ部パラメータ設定部３５の出力により帯域通過フィルタ部３６のパラメータが変更され、回転体６７の特性に応じた帯域通過フィルタが設定されることにより、加工外乱により生じる共振を抑制することができる。可変重量部である工具６５が変更されたときに生じる固有振動数の測定動作、可変重量部６５の重量測定動作、重心位置演算部１９の動作、制御パラメータ演算部２０の動作は特願２０００−１１０５２３号の出願内容の説明に関する記述において示した通りである。
【００４４】
本発明の第４の実施形態における磁気軸受では、固有振動数演算部１１内の演算結果のうち、回転体６７の曲げ１次の固有振動数の例えば７０％の周波数を演算し、工作機械の加工制御手段としてのＮＣ装置にモータ最高回転数信号として出力するようにした点以外の構成は第１〜第３の実施形態と同様の構成となっている。モータ最高回転数は曲げ１次の固有振動数の６０％〜８０％に設定するのが望ましい。上記処理により、主軸５０の回転数が曲げ１次の固有振動数（危険速度）に近づくことを防ぎ、安定な回転を保つことができる。
【００４５】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、回転体の固有振動数が変化して、これらのフィルタの範囲外にでてしまうことにより自励振動が発生した場合、自励振動同期トラッキングフィルタにより自励振動成分を抽出し、自励振動を抑制し、回転体を安定支持することができる。また、帯域通過フィルタ部のゲインを調整することにより同様に自励振動を抑制し、回転体を安定支持することができる。特に、工作機械に適用し、工具の種類の変更に伴う回転体の固有振動数の変化に対して自励振動を抑制し固有振動を確実に測定し、固有振動数成分減衰部の特性を自動的に変更させることができ、安定な磁気軸受装置を得ることができる。また、帯域通過フィルタ部の特性を自動的に変更することにより共振抑止効果を確保し、安定でかつ高剛性な磁気軸受装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係わる磁気軸受の制御装置の構成を示すブロック図
【図２】本発明の第１の実施形態に係わる自励振動同期トラッキングフィルタの構成を示すブロック図
【図３】本発明の第２の実施形態に係わる磁気軸受の制御装置の構成を示すブロック図
【図４】本発明の第３の実施形態に係わる磁気軸受の制御装置の構成を示すブロック図
【図５】本発明の第３の実施形態に係わる帯域通過フィルタ部の構成を示すブロック図
【図６】（ａ）図５に示す帯域通過フィルタのゲイン特性を示す図
（ｂ）図５に示す帯域通過フィルタの位相特性を示す図
【図７】磁気軸受の構成を示す断面図
【図８】従来の磁気軸受の制御装置を示すブロック図
【図９】従来の磁気軸受の制御装置を示すブロック図
【図１０】従来の磁気軸受の制御装置を示すブロック図
【図１１】回転体変位と不釣合いを示す力学モデル図
【図１２】トラッキングフィルタの回路構成図
【符号の説明】
１ センサ回路
３ 固有振動数成分減衰部
４ 位相補償部
６ パワー増幅回路
７ 制御対象（磁気軸受スピンドル装置）
９ 第１微分器
１１ 固有振動数演算部
１２ 固有振動数成分減衰部パラメータ設定部
１５ 第２微分器
１８ 可変重量部重量演算部
１９ 重心位置演算部
２０ 制御パラメータ演算部
２４ 磁気軸受制御装置
３２ 減算部
３５ 帯域通過フィルタ部パラメータ設定部
３６ 帯域通過フィルタ部
３７ ゲイン調整部
７１ 加算部
５０ 主軸（回転体本体）
５３ 回転側のフロント側ラジアル軸受
５４ 固定側のフロント側ラジアル軸受
５５ 回転側のリア側ラジアル軸受
５６ 固定側のリア側ラジアル軸受
５７ 回転側のスラスト軸受
５８ 固定側のスラスト軸受
６５ 可変重量部（工具）
６７ 回転体
７０ 磁気軸受制御装置
【発明の属する技術分野】
本発明は磁気軸受を構成する電磁石に流す電流を制御し、回転体を所定位置に支持する磁気軸受の制御装置およびこれを用いた磁気軸受スピンドル装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の磁気軸受の構成を図７に示す。図７において６７は主軸５０の一端に工具６５を装着した回転体、５１はモータロータ、５２はモータステータである。５３と５４はフロント側ラジアル軸受、５５と５６はリア側ラジアル軸受、５７と５８はスラスト軸受である。これらフロント側ラジアル軸受５３、５４、リア側ラジアル軸受５５、５６、スラスト軸受５７、５８は、それぞれ回転側のロータと固定側のステータから構成され、回転体６７を所定位置に非接触で支持している。固定側のフロント側ラジアル軸受５４、リア側ラジアル軸受５６、スラスト軸受５８は電磁石からなり、フロント側ラジアル軸受５４、リア側ラジアル軸受５６は回転体６７の周囲に、例えば９０゜の中心角で左右に４個づつ配置されている。またスラスト軸受５８は主軸５０を取り巻くリング状に配置されている。
【０００３】
５９、６０はフロント側とリア側のラジアル変位センサ、６１はスラスト変位センサ、６２、６３は保護ベアリング、６４はケーシングである。回転体６７の軸心からの変位はラジアル変位センサ５９、６０により、スラスト方向の変位はスラスト変位センサ６１により検出される。ラジアル変位センサ５９、６０、スラスト変位センサ６１としては、よく知られた、渦電流形センサ、静電容量形センサ、光センサなどが用いられる。
【０００４】
上記固定側のフロント側ラジアル軸受５４、リア側ラジアル軸受５６およびスラスト軸受５８の電磁石への駆動電流を、図８に示した磁気軸受制御回路２３により制御することにより、回転体６７の空間位置を制御することができる。
【０００５】
磁気軸受制御回路２３は、前記ラジアル変位センサ５９、６０、スラスト変位センサ６１等のセンサからの信号より前記回転体６７の固有振動数成分を減衰させる固有振動数成分減衰部３と、この固有振動数成分減衰部３の出力信号を入力し、前記フロント側ラジアル軸受５４、リア側ラジアル軸受５６、スラスト軸受５８の電磁石の駆動電流を制御するための制御信号を出力する位相補償部４と、位相補償部４の出力信号を増幅するパワー増幅回路６とを備え、パワー増幅回路６からの電流を前記各電磁石に流すように構成されている。
【０００６】
前記固有振動数成分減衰部３は多段のノッチフィルタで構成され、回転体６７の曲げの固有振動数に中心周波数を設定され、回転体６７の曲げの固有振動数に対して十分な減衰特性を与えている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記従来構成よりなる磁気軸受の制御装置では、前記ノッチフィルタは局部的な周波数に合わせるので、回転体の固有振動数が変化した場合、固有振動数がこれらのフィルタの範囲外にでてしまい、振動、発振などの問題が生じ、回転体を安定支持できなくなるという問題が発生する。例えば、磁気軸受装置を、工具交換を必要とされる工作機械に適用した場合に、工具の種類、工具の有無により回転体の状態が変化し、この状態の変化により前記振動の問題が顕著に現われる（課題１）。
この、工具交換に伴う回転体の固有振動数が微妙に変化した場合でも、制御特性および固有振動数成分減衰部の特性を自動的に変更して最適な制御を行うことのできる磁気軸受装置として、本出願人が先に出願した特願２０００−１１０５２３号において提案した磁気軸受装置がある。
また、磁気軸受装置を工作機械に適用し実際に加工した場合に、加工外乱により回転体の固有振動数で回転体が共振し、加工面性状が悪化する現象が発生する（課題２）。
この課題に対して、本出願人が先に出願した特願平０８−０４２５７０号において提案した磁気軸受装置がある。
【０００８】
図９は前記特願２０００−１１０５２３号に記載した磁気軸受装置における制御系の構成を示すブロック図である。制御対象７としての磁気軸受を用いたスピンドル装置のうち、制御の主体である回転体６７の位置を検出するセンサ回路１の出力を第１Ａ／Ｄ変換器２によりディジタル信号に変換し、固有振動数成分減衰部３に出力する。第１Ａ／Ｄ変換器２の出力信号は、固有振動数成分減衰部３により回転体の曲げの固有振動数成分が減衰され、固有振動数成分減衰部３の出力は第１加算部８に入力され位置指令から減算処理される。第１加算部８の出力は位相補償部４に入力される。
【０００９】
固有振動数成分減衰部３は複数個のディジタルノッチフィルタで構成され、ディジタルノッチフィルタの設定周波数は回転体６７の固有振動数に設定されている。回転体６７の固有振動数は主軸５０の曲げの固有振動数と可変重量部６５の固有振動数とが融合された周波数である。位相補償部４は、第１加算部８の出力を入力し、磁気軸受を構成する電磁石の駆動電流を制御するための制御信号を出力する。位相補償部４は、第１加算部８の出力信号を比例，微分，積分演算し、それぞれの演算結果に状態フィードバック係数をかけてＤ／Ａ変換器５に出力し、Ｄ／Ａ変換器５でアナログ信号に変換される。Ｄ／Ａ変換器５の出力はパワー増幅回路６に入力され、パワー増幅回路６は磁気軸受を用いたスピンドル装置内の電磁石に駆動電流を供給する。
【００１０】
次に固有振動数の測定動作について説明する。外乱発生手段３０のうちのパルス発生器１３で発生したパルスは、第１加算器８に位置指令値、および固有振動数成分減衰器３の出力と共に入力され、位相補償部４、Ｄ／Ａ変換器５、パワー増幅回路６を経由して制御対象７としての磁気軸受スピンドル装置内の電磁石から回転体６７に電磁力によって外乱が与えられる。磁気軸受において、外力に対する変位の周波数特性は、制御周波数以上の領域（慣性領域）では４０ｄＢ／ｄｅｃとなるため、パルス発生器１３からのパルス信号は位相補償部４の微分処理を経由させることにより制御周波数以上の領域に確実に外乱を与えることができる。ここで、パルス発生器１３によって発生されるパルスは、チャープ信号、Ｓｗｅｐｔ Ｓｉｎｅ、パルス信号、ホワイトノイズである。パルス発生器１３での外乱入力時、センサ回路１の出力を第１微分器９に入力し微分処理し、第１微分器９の出力を第２Ａ／Ｄ変換器１０によりディジタル信号に変換する。第１微分器９は、第１Ａ／Ｄ変換器２の出力をディジタル演算による微分器により構成してもよい。第１微分器９の出力を固有振動数演算部１１に入力し固有振動数を演算する。
【００１１】
固有振動数演算部１１は、例えば高速フーリエ変換（ＦＦＴ）により回転体６７の固有振動数を演算する。求められた固有振動数は共振倍率の大きいものから決められた個数を固有振動数成分減衰部３における設定周波数とし、固有振動数成分減衰部パラメータ設定部１２に出力される。
【００１２】
固有振動数成分減衰部パラメータ設定部１２では、固有振動数演算部１１からの出力である固有振動数に対応した固有振動数成分減衰部３のパラメータの設定を行う。具体的には、複数のディジタルノッチフィルタのパラメータを固有振動数ごとに設定する。設定の方法は、パラメータを再計算して求める方法と、あらかじめ設定周波数に対するパラメータのテーブルを用意し、固有振動数に対応したパラメータをテーブルより取得する方法がある。固有振動数成分減衰部パラメータ設定部１２の出力により固有振動数成分減衰部３のパラメータが変更され、回転体６７の特性に応じたノッチフィルタが設定されて安定した制御特性をうることができる。
【００１３】
次に可変重量部としての工具６５の重量測定動作について説明する。この磁気軸受スピンドル装置では、主軸５０が水平に配置されているので、固定側のフロント側ラジアル軸受５４、リア側ラジアル軸受５６の駆動電流を第３Ａ／Ｄ変換器１７によりディジタル信号に変換して可変重量部重量演算部１８に入力する。可変重量部重量演算部１８では電磁石の磁気吸引力Ｆと電磁石駆動電流Ｉとの関係Ｆ＝Ｋ・（Ｉ／Ｚ）2を用いて可変重量部の重量を演算し、可変重量情報を出力する。Ｋは電磁石によって決まる定数で、予めわかっている。またＺは回転体６７と電磁石とのギャップであり、回転体６７を一定の位置に支持している状態では一定であり、予めわかっている。
【００１４】
例えば、横置きタイプの磁気軸受スピンドル装置では、２組のフロント側ラジアル軸受５４、リア側ラジアル軸受５６の鉛直方向に対をなすＸ軸方向の電磁石の磁気吸引力の差によって回転体６７の重量が支持され、上側の電磁石による上向きの磁気吸引力と下側の電磁石による下向きの磁気吸引力との差が回転体６７の重量となる。従って、電磁石の駆動電流の変化を測定することにより、回転体６７の重量の変化を演算することができる。主軸５０の一端に可変重量部としての工具６５を装着しない場合の電磁石の駆動電流は予めわかっているので、回転体がある基準の状態、例えば工具６５が装着されていない状態の電磁石の駆動電流がわかっていれば、回転体６７全体の重量の変化が、可変重量部重量演算部１８により演算できる。また工具６５を装着しない主軸５０のみの場合の重量との差をとって工具６５の重量を演算してもよい。可変重量部重量演算部１８の出力は、重心位置演算部１９に入力される。
【００１５】
重心位置演算部１９は、回転体６７の重量ｍを変数とした関数ｆ（ｍ）により回転体６７の重心位置を演算し出力する。その重心位置は、例えば、回転体６７の構造の変わる点で主軸５０を輪切りにして１つ１つのＳＥＣＴとし、それぞれのＳＥＣＴのモーメントをつなぎ合わせることにより重心位置を演算する。
【００１６】
制御パラメータ演算部２０は、可変重量部重量演算部１８、重心位置演算部１９の各出力を入力する。回転体６７の重量および重心位置の変化は磁気軸受のモデルが変化することであるので、制御パラメータ演算部２０では変化したモデルに対応した制御パラメータを演算し出力する。制御パラメータの演算方法は、例えば、磁気軸受のモデルに対して最適レギュレータの手法を用い、評価関数Ｊの値を最小にする最適な制御入力を演算し、状態フィードバック係数を求める方法などがある。制御パラメータ演算部２０からの状態フィードバック係数は位相補償部４に出力される。
【００１７】
可変重量部が変更され、磁気軸受制御装置２４に可変重量部変更信号が入力されると、外乱発生手段３０、固有振動数演算部１１、固有振動数成分減衰部パラメータ演算部１２、可変重量部重量演算部１８、重心位置演算部１９、制御パラメータ演算部２０でそれぞれ演算が行われ、位相補償部４では、変更された可変重量部としての工具６５に対応した状態フィードバック係数が、固有振動数減衰部３では工具６５に対応したディジタルノッチフィルタの各パラメータがそれぞれ自動的に変更され、常に最適な制御が行われる。可変重量変更信号は、例えば工作機械の場合、加工機に搭載されている数値制御装置であるＮＣ装置より入力される。
【００１８】
このように特願２０００−１１０５２３号における磁気軸受装置によれば、可変重量部の重量変更、例えば、工具の種類の変更に伴う回転体の固有振動数の変化に対して固有振動数成分減衰部の特性を自動的に変更させて回転体の発振現象の発生を防止することは勿論、回転体の重量、重心位置の変化に応じて制御特性を自動的に変更し、可変重量部の重量変更に応じて最適に制御を行うことができる磁気軸受装置が得られる。しかし、工具変更により回転体の状態が著しく変化した場合に、回転体の固有振動数を演算する前に回転体の振動が大きくなり、回転体が不安定状態となり固有振動数の演算ができないことや、振動を検出し振動がある設定以上より大きい場合に電磁石の通電を停止するような保護が設けられている場合に固有振動数の測定ができないという問題が発生する。
【００１９】
図１０は前記特願平８−０４２５７０号に記載した磁気軸受装置における制御系の構成を示すブロック図である。図１０において、回転体の位置を検出するセンサ回路１の出力信号をノッチフィルタ部Ａ１０１により、回転体の前廻り後ろ廻りの固有振動数範囲で減衰させ、偏差部１０５にフィードバックする。偏差部１０５は回転体の位置基準信号と前記ノッチフィルタ部Ａ１０１の出力信号の差を演算し、その偏差信号を位相補償部４に出力し、ＰＩＤ等（比例、積分、微分）の位相補償を施す。センサ回路１、ノッチフィルタ部Ａ１０１、偏差部１０５、位相補償部４からなる回路を主回路とし、これは磁気軸受支持を全般的に担う回路を構成している。また、センサ回路１の出力信号から、帯域通過フィルタ部１０２により、回転体の固有振動数の前廻り後廻りの周波数範囲成分をとりだす。このとき、帯域通過フィルタ部１０２は、該周波数範囲内で、位相をほとんど変化させないように構成されている。例えば、帯域通過フィルタは中心周波数の異なる４つの帯域通過フィルタを結合して構成されている。このようにしてとりだされた周波数成分信号は、ゲイン１０３によりゲインがかけられ、回転体の固有振動数より低い周波数でのゲインを低下させるために、ノッチフィルタ部Ｂ１０４に入力する。帯域通過フィルタ部１０２、ゲイン１０３、ノッチフィルタ部Ｂ１０４からなる回路を第２回路とする。加算部１０６は、主回路の出力信号と第２回路の出力信号を加算し、パワー増幅回路６に出力する。パワー増幅回路６は該加算信号をもとに、制御対象７内の電磁石に電流を供給する。
【００２０】
このように特願平８−０４２５７０号において提案した磁気軸受装置を工作機械に適用し実際に加工した場合に、加工外乱により発生する回転体の固有振動数での共振を抑制することができる。しかし、前記帯域通過フィルタ部１０２は局部的な周波数に合わせるので、回転体の固有振動数が変化した場合フィルタの範囲外に出てしまい、共振を抑制する効果が低減してしまう。
【００２１】
そこで、本発明は、上記従来の問題点を解決するものとして、回転体の固有振動数が変化した場合にも、回転体の振動（自励振動）を抑制し、回転体を安定支持する磁気軸受の制御装置を提供することを目的としている。さらに、磁気軸受装置を、工具交換が必要とされる工作機械に適用した場合に、工具交換に伴う回転体の固有振動数が著しく変化した場合でも、回転体の固有振動数を確実に測定し、制御特性および固有振動数成分減衰部の特性を自動的に変更して最適な制御を行うことのできる磁気軸受の制御装置を提供することを目的としている。さらに、工具交換に伴い回転体の固有振動数が変化した場合にも、実加工において加工外乱による回転体の固有振動数での共振を十分減衰させる磁気軸受の制御装置を提供することを目的としている。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明の請求項１記載の磁気軸受の制御装置は、軸状の回転体を所定の位置に非接触支持する電磁石に対して流す駆動電流を前記回転体の位置を検出するセンサのセンサ信号により制御する回路を備えた磁気軸受の制御装置において、前記センサ信号を第１Ｄ／Ａ変換器を介して伝達される信号と、前記センサ信号を微分した信号を第２Ｄ／Ａ変換器を介して伝達されるディジタル信号と、前記センサ信号からその出力を減算する減算部の出力として伝達される信号とを入力とし、前記回転体の自励振動成分を抽出する自励振動同期トラッキングフィルタと、前記減算部の出力信号を入力とし、前記回転体の固有振動数成分を減衰させる固有振動数成分減衰部と、この固有振動数成分減衰部の出力信号を入力とし、前記電磁石の駆動電流を制御するための制御信号を出力する位相補償部と、前記位相補償部の出力を入力とし、前記電磁石に駆動電流を供給するパワー増幅回路とを有することを特徴とする。
【００２３】
トラッキングフィルタの原理は公知の内容であり、例えば特公昭６０−１４９２９号広報にその内容が示されている。図１２はトラッキングフィルタの構成を示したものである。図７に示すように、回転体６７のラジアル方向にＸ，Ｙ軸をとり、主軸の振動について図１１を用いて説明する。空間固定座標Ｏ−ＸＹ軸系からみて、回転体６７の軸心Ｏｒは座標（ｘ，ｙ）で示される変位のところにあるとする。回転体６７に固定した回転座標Ｏｒ−ＸｒＹｒ軸系からみた回転体６７の重心Ｇの偏心量をεとする。回転体６７の回転角速度をωと記すと、ＯＸ軸とＯｒＸｒ軸の間の開き角度はωｔ（ｔは時間）である。回転パルスに同期したｓｉｎ波、ｃｏｓ波を入力し、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の回転体６７の変位を表す入力信号ｘin，ｙinに対して行列演算Ｔ１１０を行い、（数１）によりｘ1及びｙ1を求める。ａは係数である。
【数１】
【数２】
【００２４】
トラッキングフィルタの（数１）に示す第１の処理は回転座標系への変換である。そして第２の処理によってゲインＫのローパスフィルタ１１１を通し、（数２）に示す第３の処理によって再び静止座標系への逆変換によって出力信号ｘout，ｙoutが得られる。この出力信号ｘout，ｙoutは入力信号ｘin，ｙinの振動波形のうち、回転数と同期した成分のみが抽出されたものに相当する。この原理を利用し、Ｘ，Ｙ軸方向の変位の入力信号ｘin，ｙinからトラッキングフィルタの出力信号ｘout，ｙoutをそれぞれ減算し、その減算した出力をトラッキングフィルタに入力し、係数ａやゲインＫを調整することにより、Ｘ，Ｙ軸方向の変位信号の回転数同期成分を減衰させることができる。これを回転数同期トラッキングフィルタと呼ぶ。
【００２５】
本発明の構成は、上記行列演算Ｔ１１０およびＴの逆変換である転置行列演算１１２への入力をＸ軸のセンサ信号およびＸ軸のセンサ信号より生成した信号としている。つまり、前記ｘinにＸ軸のセンサ信号、ｙinにＸ軸のセンサ信号を微分した信号より生成した信号、ｃｏｓ信号にＸ軸のセンサ信号より生成した信号、ｓｉｎ信号にＸ軸のセンサ信号より生成した信号を入力している。本発明の構成によれば、回転体の固有振動数が変化して、ノッチフィルタの範囲外にでてしまうことにより自励振動が発生した場合、自励振動同期トラッキングフィルタにより自励振動成分を抽出し、自励振動を抑制することができる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図１〜７を用いて説明する。
従来の技術の構成要素と同一の構成要素については同一の番号を付して説明する。
【００２９】
図１は、本発明の第１の実施形態におけ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１に示すように、制御対象としての磁気軸受スピンドル装置７を制御する磁気軸受制御装置７０は、回転体６７の位置を検出するセンサ回路１と、センサ回路１からのセンサ信号により磁気軸受の駆動電流を制御する磁気軸受制御回路（ディジタル演算処理部）１４を備えている。
【００３０】
上記磁気軸受制御回路としてのディジタル演算処理部１４で行われる演算はディジタル演算により行われるため、ＭＰＵ（Ｍｉｃｒｏ ＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ）にソフトウェアプログラムとして格納されている。
【００３１】
この磁気軸受制御装置７０の制御動作を、図１を参照して詳しく説明する。まず、制御対象となる磁気軸受スピンドル装置７のうち、制御の主体である回転体６７の位置を検出するセンサ回路１の出力を第１Ａ／Ｄ変換器２と微分器９に入力する。第１Ａ／Ｄ変換器２ではセンサ回路１の出力をディジタル信号に変換する。微分器９はセンサ回路１の出力を微分した信号を第２Ａ／Ｄ変換器１０に出力しディジタル信号に変換する。
【００３２】
回転体６７の固有振動数が変化して、これらのフィルタの範囲外にでてしまうことにより自励振動が発生した場合、図７に示すＸ，Ｙ軸方向の振動振幅はＸ軸方向とＹ軸方向とで等しいとは限らない。位相も、Ｘ，Ｙ両軸方向の位相の間に９０ｄｅｇの位相差があるとは限らない。したがって、前記回転数同期トラッキングフィルタのように、Ｘ，Ｙ各軸方向の変位信号を前記トラキングフィルタの入力信号とすることはできない。そこで、回転体６７の固有振動数による自励振動は三角関数（ｓｉｎ波もしくはｃｏｓ波）であるので、Ｘ軸の振動波形がｃｏｓω0ｔであるとき、この振動波形を微分した信号は−ω0ｓｉｎω0ｔとなる。この処理が前記微分器９による処理に相当する。自励振動同期トラッキングフィルタ３１は前記第１Ａ／Ｄ変換器２、第２Ａ／Ｄ変換器１０の出力信号と前記第１Ａ／Ｄ変換器２から自励振動同期トラッキングフィルタ３１の出力を減算する減算部３２の出力を入力とする。微分器９による処理はディジタル信号で行ってもよく、その場合は、第１Ａ／Ｄ変換器２の出力信号が微分処理され、自励振動同期トラッキングフィルタ３１に入力される。自励振動同期トラッキングフィルタ３１の構成を図２に示す。
【００３３】
第１Ａ／Ｄ変換器２の出力信号よりトラッキングフィルタ１１４の出力信号ｘoutを減算した信号（ｘin）と、第１Ａ／Ｄ変換器２の出力信号に係数Ｂを乗算した信号（ｃｏｓω0ｔ）と、第２Ａ／Ｄ変換器１０の出力信号に−１を乗算し、その信号に係数Ｂを乗算した信号（ｓｉｎω0ｔ）と、第２Ａ／Ｄ変換器１０の出力信号に−１を乗算した信号よりトラッキングフィルタ１１４の出力信号ｙoutを減算した信号（ｙin）をトラッキングフィルタ１１４の入力信号とする。トラッキングフィルタ１１４では、Ｘ軸方向の回転体６７の変位ｘinと擬似的に作成したｙinに対して行列演算Ｔを行い、（数３）に示すようにｘ1及びｙ1を求める。ａは係数である。
【数３】
【数４】
【００３４】
次に、本発明の第２の実施形態における磁気軸受の制御装置の構成を示すブロック図を図３に示す。この磁気軸受装置により支持される磁気軸受スピンドル装置は、図７に示すように、主軸５０の端部に可変重量部としての工具６５を装着して水平に配置された回転体６７と、その回転体６７を所定の位置に非接触支持する磁気軸受としての構成を有する回転側のフロント側ラジアル軸受５３、回転側のリア側ラジアル軸受５５、回転側のスラスト軸受５７、固定側のフロント側ラジアル軸受５４、固定側のリア側ラジアル軸受５６、固定側のスラスト軸受５８とを備えたものである。
【００３５】
図３に示すように、磁気軸受スピンドル装置７を制御する磁気軸受制御装置７０は、回転体６７の位置を検出するセンサ回路１と、センサ回路１からのセンサ信号により磁気軸受の駆動電流を制御する磁気軸受制御回路としてのディジタル演算処理部１４を備えている。
【００３６】
上記磁気軸受制御回路としてのディジタル演算処理部１４で行われる演算はディジタル演算により行われるもので、ＭＰＵ（Ｍｉｃｒｏ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）に格納されているソフトウェアプログラムにより行われる。
【００３７】
この磁気軸受制御装置７０の制御動作を、図３を参照して説明する。まず、制御対象となる磁気軸受スピンドル装置７のうち、制御の主体である回転体６７の位置を検出するセンサ回路１の出力を第１Ａ／Ｄ変換器２と微分器９に入力する。第１Ａ／Ｄ変換器２ではセンサ回路１の出力をディジタル信号に変換する。微分器９はセンサ回路１の出力を微分した信号を第２Ａ／Ｄ変換器１０に出力しディジタル信号に変換する。第１Ａ／Ｄ変換器２の出力信号と、第２Ａ／Ｄ変換器１０の出力と前記第１Ａ／Ｄ変換器２から自励振動同期トラッキングフィルタ３１の出力を減算する減算部３２の出力がトラッキングフィルタ３１に入力される。自励振動同期トラッキングフィルタ３１の動作は第１の実施形態で示した通りである。第１Ａ／Ｄ変換器２からこの自励振動同期トラッキングフィルタ３１の出力を減算部３２により減算し、自励振動成分を減衰させ、固有振動数成分減衰部３に出力する。固有振動数成分減衰部３は回転体６７の曲げの固有振動数成分を減衰させ、固有振動数成分減衰部３の出力は加算部８に入力され位置指令から減算処理される。第１加算部８の出力は位相補償部４に入力される。
【００３８】
固有振動数成分減衰部３は複数個のディジタルノッチフィルタで構成され、ディジタルノッチフィルタの設定周波数は回転体６７の固有振動数に設定されている。回転体６７の固有振動数は主軸５０の曲げの固有振動数と可変重量部としての工具６５の固有振動数とが融合された周波数である。位相補償部４は、第１加算部８の出力を入力し、磁気軸受を構成する電磁石の駆動電流を制御するための制御信号を出力する。位相補償部４は、第１加算部８の出力信号を比例，微分，積分演算し、それぞれの演算結果に状態フィードバック係数をかけてＤ／Ａ変換器５に出力し、Ｄ／Ａ変換器５でアナログ信号に変換される。Ｄ／Ａ変換器５の出力はパワー増幅回路６に入力され、パワー増幅回路６は磁気軸受スピンドル装置７内の電磁石に駆動電流を供給する。
【００３９】
工具６５が変更されたときに生じる固有振動数の測定動作、工具６５の重量測定動作、重心位置演算部１９の動作、制御パラメータ演算部２０の動作は特願２０００−１１０５２３号の出願内容に関する説明で示した通りである。
【００４０】
第２の実施形態のように、主軸５０の一端に、例えば工作機械において可変重量部となる工具６５が装着される場合、工具６５が変更されると可変重量部の変化により、主軸５０と可変重量部を合わせた回転体６７全体の重量、重心位置、固有振動数が変化する。回転体６７の固有振動数は、主軸５０のもつ固有振動数と可変重量部のもつ固有振動数が融合した固有振動数となる。磁気軸受の制御特性は回転体６７がある一定の状態で最適になるように設定されているため、可変重量部が変化し回転体の重量、重心位置、固有振動数が変化すると、回転時における回転体６７の振れ回りの増大や、回転体６７の発振現象が発生する。この工具交換時の発振（振動）がきわめて大きい場合や、振動を検出し振動がある設定以上より大きい場合に電磁石の通電を停止する保護が設けられている場合でも、本実施形態のようにトラッキングフィルタを用いることにより自励振動成分を減衰させた上で、確実に固有振動数を測定することができる。
【００４１】
次に、本発明の第３の実施形態における磁気軸受の制御装置の全体構成を図４に示す。
この構成においては、第１Ａ／Ｄ変換器２の出力（変位信号）を帯域通過フィルタ部３６に入力し、帯域通過フィルタ部３６の出力をゲイン調整部３７にてゲイン調整を行い、位相補償部４の出力に加算部７１により加算することにより、固有振動による共振を減衰させることができる。帯域通過フィルタ部３６の構成の１例を図５に示す。図５に示すように２個の中心周波数の異なる帯域通過フィルタ５１ａ、５１ｂより構成されている。図６（ａ）にそのゲイン特性を、図６（ｂ）に位相特性を示す。図中Ｄの周波数範囲内ではゲイン、位相ともほぼ一定の特性とすることができている。このＤの周波数範囲を回転体の固有振動数の周波数範囲とすることは容易である。工具６５が変更され、回転体６７の固有振動数が変化してフィルタの範囲外にでてしまい、振動、発振などの問題が生じたとき、帯域通過フィルタ部３６の出力信号がある設定値以上のときはゲイン調整部３７のゲインを大きくすることにより振動を抑制することができる。図６（ａ）、（ｂ）に示すゲイン、位相特性のようにフィルタの範囲外（周波数範囲Ｄ以外）ではゲインが低下する方向の特性となるので、ゲインを増加させることにより共振抑制効果を上げることができる。
【００４２】
工具６５が変更されたときに変化する固有振動数の測定動作においては、前記帯域通過フィルタ部３６、ゲイン調整部３７における共振抑止効果が効き過ぎると正しく固有振動数を測定できないことがある。工具６５が変更されたときゲイン調整部３７のゲインを零にしても回転体６７の振動が生じない場合は、ゲイン調整部３７のゲインを零にして固有振動数の測定を行うことが望ましい。回転体６７の振動が生じる場合は、帯域通過フィルタ部３６の出力信号がある設定値以上のときゲイン調整部３７のゲインを大きくすることにより振動を抑制した上で固有振動数の測定を行えばよい。このように、この工具交換時の発振（振動）がきわめて大きい場合や、振動を検出し振動がある設定以上より大きい場合に電磁石の通電を停止する保護が設けられている場合でも、帯域通過フィルタ３６のゲインを調整するゲイン調整部３７のゲインを振動の状況により自動的に調整することにより、第１の実施の形態と同様に確実に固有振動数を測定することができる。
【００４３】
固有振動数演算部１１において固有振動数の測定をし、固有振動数演算部１１の出力を帯域通過フィルタ部パラメータ設定部３５に入力することにより、工具６５を変更後の固有振動数に対応した帯域通過フィルタ部３６のパラメータの設定を行う。設定の方法は、パラメータを再計算して求める方法と、あらかじめ設定周波数に対するパラメータのテーブルを用意し、固有振動数に対応したパラメータをテーブルより取得する方法がある。帯域通過フィルタ部パラメータ設定部３５の出力により帯域通過フィルタ部３６のパラメータが変更され、回転体６７の特性に応じた帯域通過フィルタが設定されることにより、加工外乱により生じる共振を抑制することができる。可変重量部である工具６５が変更されたときに生じる固有振動数の測定動作、可変重量部６５の重量測定動作、重心位置演算部１９の動作、制御パラメータ演算部２０の動作は特願２０００−１１０５２３号の出願内容の説明に関する記述において示した通りである。
【００４４】
本発明の第４の実施形態における磁気軸受では、固有振動数演算部１１内の演算結果のうち、回転体６７の曲げ１次の固有振動数の例えば７０％の周波数を演算し、工作機械の加工制御手段としてのＮＣ装置にモータ最高回転数信号として出力するようにした点以外の構成は第１〜第３の実施形態と同様の構成となっている。モータ最高回転数は曲げ１次の固有振動数の６０％〜８０％に設定するのが望ましい。上記処理により、主軸５０の回転数が曲げ１次の固有振動数（危険速度）に近づくことを防ぎ、安定な回転を保つことができる。
【００４５】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、回転体の固有振動数が変化して、これらのフィルタの範囲外にでてしまうことにより自励振動が発生した場合、自励振動同期トラッキングフィルタにより自励振動成分を抽出し、自励振動を抑制し、回転体を安定支持することができる。また、帯域通過フィルタ部のゲインを調整することにより同様に自励振動を抑制し、回転体を安定支持することができる。特に、工作機械に適用し、工具の種類の変更に伴う回転体の固有振動数の変化に対して自励振動を抑制し固有振動を確実に測定し、固有振動数成分減衰部の特性を自動的に変更させることができ、安定な磁気軸受装置を得ることができる。また、帯域通過フィルタ部の特性を自動的に変更することにより共振抑止効果を確保し、安定でかつ高剛性な磁気軸受装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係わる磁気軸受の制御装置の構成を示すブロック図
【図２】本発明の第１の実施形態に係わる自励振動同期トラッキングフィルタの構成を示すブロック図
【図３】本発明の第２の実施形態に係わる磁気軸受の制御装置の構成を示すブロック図
【図４】本発明の第３の実施形態に係わる磁気軸受の制御装置の構成を示すブロック図
【図５】本発明の第３の実施形態に係わる帯域通過フィルタ部の構成を示すブロック図
【図６】（ａ）図５に示す帯域通過フィルタのゲイン特性を示す図
（ｂ）図５に示す帯域通過フィルタの位相特性を示す図
【図７】磁気軸受の構成を示す断面図
【図８】従来の磁気軸受の制御装置を示すブロック図
【図９】従来の磁気軸受の制御装置を示すブロック図
【図１０】従来の磁気軸受の制御装置を示すブロック図
【図１１】回転体変位と不釣合いを示す力学モデル図
【図１２】トラッキングフィルタの回路構成図
【符号の説明】
１ センサ回路
３ 固有振動数成分減衰部
４ 位相補償部
６ パワー増幅回路
７ 制御対象（磁気軸受スピンドル装置）
９ 第１微分器
１１ 固有振動数演算部
１２ 固有振動数成分減衰部パラメータ設定部
１５ 第２微分器
１８ 可変重量部重量演算部
１９ 重心位置演算部
２０ 制御パラメータ演算部
２４ 磁気軸受制御装置
３２ 減算部
３５ 帯域通過フィルタ部パラメータ設定部
３６ 帯域通過フィルタ部
３７ ゲイン調整部
７１ 加算部
５０ 主軸（回転体本体）
５３ 回転側のフロント側ラジアル軸受
５４ 固定側のフロント側ラジアル軸受
５５ 回転側のリア側ラジアル軸受
５６ 固定側のリア側ラジアル軸受
５７ 回転側のスラスト軸受
５８ 固定側のスラスト軸受
６５ 可変重量部（工具）
６７ 回転体
７０ 磁気軸受制御装置
Claims (5)
- 軸状の回転体を所定の位置に非接触支持する電磁石に対して流す駆動電流を前記回転体の位置を検出するセンサのセンサ信号により制御する回路を備えた磁気軸受の制御装置において、
前記センサ信号を第１Ｄ／Ａ変換器を介して伝達される信号と、前記センサ信号を微分した信号を第２Ｄ／Ａ変換器を介して伝達されるディジタル信号と、前記センサ信号からその出力を減算する減算部の出力として伝達される信号とを入力とし、前記回転体の自励振動成分を抽出する自励振動同期トラッキングフィルタと、
前記減算部の出力信号を入力とし、前記回転体の固有振動数成分を減衰させる固有振動数成分減衰部と、この固有振動数成分減衰部の出力信号を入力とし、前記電磁石の駆動電流を制御するための制御信号を出力する位相補償部と、前記位相補償部の出力を入力とし、前記電磁石に駆動電流を供給するパワー増幅回路とを有すること
を特徴とする磁気軸受の制御装置。 - 端部に可変重量部を有する回転体に電気的に外乱を与え、センサ信号より前記回転体の固有振動数を演算する固有振動数演算部と、前記固有振動数演算部の出力信号より固有振動数成分減衰部のパラメータを設定する固有振動数成分減衰部パラメータ設定部と、電磁石の駆動電流を入力して、回転体の重量を測定することにより、可変重量部の重量を演算する可変重量部重量演算部と、この可変重量部重量演算部の出力信号により前記回転体の重心位置を演算する重心位置演算部と、前記重心位置演算部と前記可変重量部重量演算部との信号より、位相補償部に必要な制御パラメータを演算する制御パラメータ演算部と、この制御パラメータ演算部の出力に基づいて、前記位相補償部の各制御パラメータを前記可変重量部の重量に対応した値に変更する手段とを有する請求項１記載の磁気軸受の制御装置。
- 軸状の回転体を所定の位置に非接触支持する電磁石に対して流す駆動電流を前記回転体の位置を検出するセンサのセンサ信号により制御する回路を備えた磁気軸受の制御装置において、
前記センサ信号から回転体の固有振動数成分を減衰させる固有振動数成分減衰部と、この固有振動数成分減衰部の出力信号を入力とし、前記電磁石の駆動電流を制御するための制御信号を出力する位相補償部と、
中心周波数の異なる帯域通過フィルタを有し、かつ、前記センサ信号から前記回転体の固有振動数成分をとりだすとともに、前記回転体の固有振動数成分の周波数範囲内で位相の進みおよび遅れを抑える機能を有した帯域通過フィルタ部と、
前記帯域通過フィルタ部からの出力信号が設定値以上の場合、ゲイン調整をするゲイン調整部と、
前記位相補償部の出力と前記ゲイン調整部の出力信号を加算する加算部と、前記加算部の出力を入力とし、前記電磁石に駆動電流を供給するパワー増幅回路と、前記センサ信号より前記回転体の固有振動数を演算する固有振動数演算部と、前記固有振動数演算部の出力信号より前記固有振動数成分減衰部および前記帯域通過フィルタ部のパラメータをそれぞれ変更する固有振動数成分減衰部パラメータ設定部および帯域通過フィルタ部パラメータ設定部と、前記電磁石の駆動電流を入力して、可変重量部としての前記回転体の重量を測定する可変重量部重量演算部と、この可変重量部重量演算部の出力信号により前記回転体の重心位置を演算する重心位置演算部と、前記重心位置演算部と前記可変重量部重量演算部との信号より、前記位相補償部に必要な制御パラメータを演算する制御パラメータ演算部と、前記制御パラメータ演算部の出力に基づいて、前記位相補償部の各制御パラメータを前記可変重量部の重量に対応した値に変更する手段とを有すること
を特徴とする磁気軸受の制御装置。 - 回転体の最高回転数を、固有振動数演算部により求めた曲げ１次の固有振動数以下の所定の値に制限する構成とした請求項２または３記載の磁気軸受の制御装置。
- 可変重量部として端部に工具が装着された回転体が請求項１又は２又は３又は４記載の磁気軸受の制御装置を用いた磁気軸受により支持される構成とした磁気軸受スピンドル装置。
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