JP4466439B2 - Magnetic bearing device - Google Patents
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Description
本発明は、ターボ分子ポンプや工作機械などに使用する磁気軸受装置に関する。 The present invention relates to a magnetic bearing device used for a turbo molecular pump, a machine tool, or the like.
特許文献1には、5軸制御型の磁気軸受装置が開示されている。磁気軸受装置では、ロータの浮上位置(支持位置)の変位を変位センサで検出し、検出された変位に基づいてロータを所望の位置に磁気浮上させるようにしている。変位センサは印加された搬送波をロータの変位に応じて変調するものであり、アナログの変調信号をA/Dコンバータでデジタル値に変化した後に復調処理を行うようにしている。
しかしながら、上述した従来の装置では、5軸の各軸に対応するセンサ信号をそれぞれデジタル信号に変換するようにしているため、A/Dコンバータ入力として5つのチャンネルが必要であった。 However, since the above-described conventional apparatus converts the sensor signals corresponding to the five axes to digital signals, five channels are required as an A / D converter input.
請求項1の発明は、被支持体を少なくとも2軸軸方向に非接触支持する複数軸制御型の磁気軸受装置に適用され、複数軸方向の内の第1の軸方向に関する支持位置の変位を検出する第1の検出手段と、複数軸方向の内の第2の軸方向に関する支持位置の変位を検出する第2の検出手段と、第1の検出手段による検出信号と第2の検出手段による検出信号とを一つの合成信号に合成する合成手段と、合成信号をデジタル信号に変換するA/D変換手段と、デジタル信号を復調処理して第1の軸方向の変位に対応する信号を抽出する第1の復調手段と、デジタル信号を復調処理して第2の軸方向の変位に対応する信号を抽出する第2の復調手段と、第1および第2の復調手段で抽出された信号に基づいて、第1および第2の軸方向の支持位置を制御する制御手段とを備えたことを特徴とする。
請求項2の発明は、請求項1に記載の磁気軸受装置において、第1および第2の検出手段は、搬送波信号が印加され、その搬送波信号を支持位置の変位に応じて変調する変位センサであって、搬送波信号として、第1の検出手段に正弦波信号を印加するとともに、第2の検出手段に正弦波信号を90度位相シフトした余弦波信号を印加する搬送波生成手段を備えたものである。
請求項3の発明は、請求項2に記載の磁気軸受装置において、第1の復調手段はデジタル信号に正弦波信号を乗算して第1の軸方向の変位に対応する信号を抽出し、第2の復調手段はデジタル信号に余弦波信号を乗算して第2の軸方向の変位に対応する信号を抽出するものである。
The invention of
According to a second aspect of the present invention, in the magnetic bearing device according to the first aspect, the first and second detecting means are displacement sensors that apply a carrier wave signal and modulate the carrier wave signal in accordance with the displacement of the support position. A carrier wave generating means for applying a sine wave signal to the first detecting means as a carrier wave signal and applying a cosine wave signal obtained by phase shifting the sine wave signal by 90 degrees to the second detecting means. is there.
According to a third aspect of the present invention, in the magnetic bearing device according to the second aspect, the first demodulating means multiplies the digital signal by a sine wave signal to extract a signal corresponding to the first axial displacement, The second demodulating means multiplies the digital signal by the cosine wave signal to extract a signal corresponding to the displacement in the second axial direction.
本発明によれば、第1の検出手段による検出信号と第2の検出手段による検出信号とを一つの合成信号に合成した後にデジタル信号に変換するようにしているので、A/D変換の処理負荷を低減することができ、装置のコスト低減を図ることができる。 According to the present invention, since the detection signal from the first detection means and the detection signal from the second detection means are combined into one composite signal and then converted into a digital signal, A / D conversion processing is performed. The load can be reduced, and the cost of the apparatus can be reduced.
以下、図を参照して本発明を実施するための最良の形態について説明する。図1は磁気軸受式ターボ分子ポンプのポンプ本体1の概略構成を示す断面図である。以下では、本発明を磁気軸受式ターボ分子ポンプの磁気軸受装置に適用した場合を例に説明する。図1に示した磁気軸受式ターボ分子ポンプは5軸制御型磁気軸受を備えており、複数段の回転翼21が形成されたロータ4は、ラジアル磁気軸受を構成する電磁石51,52と、アキシャル磁気軸受を構成する電磁石53とによって非接触支持される。
Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a sectional view showing a schematic configuration of a
ケーシング20の内部には、各回転翼21に対して交互に配設される回転翼23が、軸方向(図示上下方向)に複数段設けられている。磁気軸受にはラジアル電磁石51,52とアキシャル電磁石53に対応して、ラジアル変位センサ71,72およびアキシャル変位センサ73が設けられている。レセプタクル25にはポンプ本体1とコントローラ(不図示)とを接続するケーブルが接続され、ポンプ本体1はそのコントローラにより駆動制御される。ロータ4を電磁石51,52,53により非接触支持しつつモータ6により回転駆動することによって、ポンプ作用が発生する。
Inside the
27,28は非常用のメカニカルベアリングであり、ロータ4が磁気浮上していないときには、ロータ4はこれらのベアリング27,28により支持される。ベアリング27はロータ4のラジアル方向の2軸(x軸およびy軸)の運動を非常時に拘束し、ベアリング28はラジアル方向の2軸(x軸およびy軸)とアキシャル方向の1軸(z軸)を拘束する。
27 and 28 are emergency mechanical bearings. When the
図2は5軸制御型磁気軸受の概念図であり、ロータ4の回転軸Jがz軸に一致するように示した。図1に示したラジアル電磁石51は、x軸に関する一対の電磁石51xとy軸に関する一対の電磁石51yとを備えている。同様に、ラジアル電磁石52も、x軸に関する一対の電磁石52xとy軸に関する一対の電磁石52yとを備えている。また、アキシャル電磁石53は、ロータ4の下端に設けられたディスク41をz軸に沿って挟むように対向して配設される一対の電磁石53zを備えている。図1の変位センサ71,72に関しても、電磁石51x,51y,52x,52yに対応してそれぞれ一対のラジアル変位センサで構成されている。これら5組の電磁石51x,51y,52x,52y,53および変位センサ71〜73により5軸制御型磁気軸受が構成されている。
FIG. 2 is a conceptual diagram of a 5-axis control type magnetic bearing, in which the rotation axis J of the
図3は磁気軸受装置の磁気浮上制御系の基本構成を示すブロック図であり、磁気軸受部分に関してはラジアル方向の一軸のみを示した。電磁石5としては一対のラジアル電磁石51xを示し、変位センサ7としては電磁石51xに対応したラジアル変位センサ71xを示す。変位センサ7はインダクタンス式のセンサであり、支持位置の変化によるセンサ部インピーダンスの変化を利用して、ギャップ変位を電気信号に変換している。ロータ4のセンサ対向面は強磁性体または導体で構成される。
FIG. 3 is a block diagram showing the basic configuration of the magnetic levitation control system of the magnetic bearing device, and only one axis in the radial direction is shown for the magnetic bearing portion. The
ポンプ本体1を駆動するコントローラには、センサ回路2、制御回路3、励磁アンプ8が設けられている。制御回路3は、A/Dコンバータ301、D/Aコンバータ302、演算部であるDSP(デジタルシグナルプロセッサ)307、ROM304やRAM305等を有する記憶部306を備えている。変位センサ7にはセンサ回路2によって周波数fcの搬送波信号が印加され、ギャップ変位により生じるセンサ部インピーダンス変化に応じて搬送波を振幅変調する。
A controller that drives the
この振幅被変調波(AM波)は、センサ信号としてセンサ回路2を介して制御回路3に入力される。ラジアル変位センサ71xの場合には、センサ回路2において各変位センサ71xからのセンサ信号の差分が演算され、その差分成分がセンサ信号として制御回路3に入力される。
This amplitude modulated wave (AM wave) is input to the
制御回路3に入力されたアナログセンサ信号は、A/Dコンバータ301によりデジタル値に変換され、DSP307に入力される。記憶部306には予め磁気浮上制御定数がインプットされており、DSP307は変位センサ7の出力と制御定数とに基づいて電磁石5に流すべき励磁電流を算出する。DSP307からは供給すべき励磁電流に応じた制御信号が出力され、その制御信号はD/Aコンバータ302によりアナログ値に変換された後に励磁アンプ8に入力される。
The analog sensor signal input to the
一般的に、アナログ信号をA/Dコンバータでデジタル信号に変換して演算処理を行う場合には、エリアッシング(aliasing)の発生を防止するために、サンプリング定理に基づきサンプリング周波数はA/Dコンバータに入力される信号の最大周波数の2倍以上に設定される。従来の磁気軸受装置の場合にもこの考え方が適用されており、サンプリング周波数fsはfs>2(fc+fr)のように設定される。ここで、fc+frはA/Dコンバータに入力されるセンサ信号の最大周波数であり、fcは搬送波周波数、frはロータ変位による変調周波数である。 Generally, when an analog signal is converted into a digital signal by an A / D converter and arithmetic processing is performed, in order to prevent aliasing, the sampling frequency is determined based on the sampling theorem. Is set to be at least twice the maximum frequency of the signal input to. This concept is also applied to the conventional magnetic bearing device, and the sampling frequency fs is set so that fs> 2 (fc + fr). Here, fc + fr is the maximum frequency of the sensor signal input to the A / D converter, fc is the carrier frequency, and fr is the modulation frequency due to the rotor displacement.
しかし、ターボ分子ポンプの場合、サンプリング周波数fsを次式(1),(2)のようにより低い周波数に設定することができる。ターボ分子ポンプの場合にはロータ変位信号の周波数frは比較的帯域が狭い範囲に限定されており、次式(1),(2)の条件を満たすようにサンプリング周波数fsを設定すると、エリアッシングを発生させずに演算処理の軽減化を図ることができる。
(ケース1):(1/2)fs<fc−fr<fc+fr<fs …(1)
(ケース2):fs<fc−fr<fc+fr<(3/2)fs …(2)
However, in the case of a turbo molecular pump, the sampling frequency fs can be set to a lower frequency as in the following equations (1) and (2). In the case of a turbo molecular pump, the frequency fr of the rotor displacement signal is limited to a relatively narrow range. If the sampling frequency fs is set so as to satisfy the following expressions (1) and (2), aliasing is performed. It is possible to reduce the arithmetic processing without generating.
(Case 1): (1/2) fs <fc−fr <fc + fr <fs (1)
(Case 2): fs <fc−fr <fc + fr <(3/2) fs (2)
復調処理では、離散化された信号に周波数(fs−fc)の正弦波値をサンプリング周期Tsごとに乗算することになる。そのため、サンプリング周波数fsを次式(3)のように設定した場合、ちょうど時間nTs毎に同一の値となるように復調用正弦波離散値信号を生成すれば良く、演算処理をより容易に行うことができる。ただし、nは整数である。
|fs−fc|=fs/n …(3)
In the demodulation process, the discretized signal is multiplied by a sine wave value of frequency (fs−fc) every sampling period Ts. Therefore, when the sampling frequency fs is set as shown in the following equation (3), the demodulating sine wave discrete value signal may be generated so as to have the same value every time nTs, and the arithmetic processing is performed more easily. be able to. However, n is an integer.
| Fs−fc | = fs / n (3)
式(3)を満たすものとしては、上述したケース1の場合にはfc=(2/3)fs、fc=(3/4)fs、fc=(4/5)fs、fc=(5/6)fs…等があるが、fs/nが周波数範囲0〜(1/2)fsの中間(1/4)fsとなるfc=(3/4)fsのときに、周波数frを最も大きく取ることができる。また、ケース2の場合には、fc=(4/3)fs、fc=(5/4)fs、fc=(6/5)fs、fc=(7/6)fs…等が式(3)を満たしているが、fs/nが周波数範囲0〜(1/2)fsの中間(1/4)fsとなるfc=(5/4)fsのときに、周波数frを最も大きく取ることができる。
In the
すなわち、fc=(3/4)fsまたはfc=(5/4)fsのようにサンプリング周波数fsを設定するのが好ましい。以下では、サンプリング周波数をfs=(4/3)fcと設定した場合について説明するが、本発明はこのようなサンプリング周波数fsの設定値によらず適用できるものである。 That is, it is preferable to set the sampling frequency fs such that fc = (3/4) fs or fc = (5/4) fs. Hereinafter, a case where the sampling frequency is set to fs = (4/3) fc will be described. However, the present invention can be applied regardless of the set value of the sampling frequency fs.
図4,5は、図3に示したセンサ回路2および制御回路3に設けられたDSP307の構成を示すブロック図である。図4は各変位センサ71x、71y、72x、72y、73とセンサ回路2とを示す図であり、図5は制御回路3を示したものである。ラジアル変位センサ71x、71y、72x、72yは図2に示した各ラジアル電磁石51x、51y、52x、52yに対応して設けられた変位センサである。また、図6〜8は、図4,5の符号(a)等で示した部分の信号波形を示したものであり、図8では信号波形の比較がしやすいように図7の一部を重複して示した。
4 and 5 are block diagrams showing the configuration of the
正弦波離散値生成部320では図6(a)に示すような正弦波離散値信号(a)が生成され、生成された正弦波離散値信号(a)はD/Aコンバータ313および位相シフト部401に入力される。信号(a)は正弦波信号asin(2πfc・t)を時間間隔Ts/4でサンプリングしたものであり、asin(2πfc・nTs/4)と表される。ここで、TsはA/Dコンバータ301のサンプリング周波数fsに対する周期である。
The sine wave discrete
信号(a)をD/Aコンバータ313に入力すると、D/Aコンバータ313からは図6(b)に示すような信号(b)が出力される。信号(b)の波形は階段状になっていて高調波が含まれているが、この信号(b)をローパスフィルタやバンドパスフィルタ等のフィルタ回路205でフィルタリングすることにより、図6(c)に示すような滑らかな搬送波信号(c)=csin(2πfct)が得られる。なお、ここではフィルタリングによる位相遅れは便宜上無視している。
When the signal (a) is input to the D /
信号(c)は正弦波搬送波信号として5軸の内の3軸の変位センサ71x,72xおよび73にそれぞれ入力されとともに、位相シフト部206に入力される。位相シフト部206は入力された信号を90degだけ位相をシフトするものであり、信号(c)が90度位相シフトされると余弦波の搬送波信号である信号(c')=c’cos(2πfct)となる。この搬送波信号(c')は、他の2軸の変位センサ71y,72yにそれぞれ入力される。
The signal (c) is input as a sine wave carrier signal to three of the five axes of the
各ラジアル変位センサ71x,71y,72x,72yはロータ4を挟むように一対ずつ設けられており、各変位センサに入力された搬送波信号は、ロータ4の位置に応じて変化するインピーダンス変化により振幅変調されて振幅変調波信号となる。一対の変位センサ71xの各々から出力された振幅変調波信号は差動アンプ203に入力され、そこで差分信号(D)が生成される。他の変位センサ71y、72x、72yにつても、各差動アンプ203において差分信号(E),(d),(e)が生成される。
Each
なお、アキシャル変位センサ73の場合、変位センサ73からの振幅変調波信号と、搬送波信号(c)をゲイン補正部202および位相シフト204でゲイン補正および位相調整した信号(搬送波基準信号)とが差動アンプ203に入力される。そして、搬送波基準信号と振幅変調波信号との差分信号が生成される。
In the case of the
ここでは、ロータ4の変位が一定である場合、すなわち各差動アンプ203から出力される差分信号(d),(e),(D),(E)が、それぞれ(d)=dsin(2πfct+φ)、(e)=ecos(2πfct+φ),(D)=Dsin(2πfct+Φ)、(E)=Ecos(2πfct+Φ)である場合について考える。この場合、後述するように、復調すると0Hzの信号(DC信号)が得られる。図6(d),(e)は差分信号(d),(e)を示したものである。
Here, when the displacement of the
変位センサ72xに関する差動アンプ203から出力された差分信号(d)と、変位センサ72yに関する差動アンプ203から出力された差分信号(e)とは、加算処理部207において加算されて合成信号(f)となる。合成信号(f)はフィルタ回路400に入力され、そこで搬送波周波数fcを中心周波数とするバンドパスフィルタ処理が行われる。信号波形の説明ではフィルタ回路400の処理は無視することにして、信号(d)と信号(e)を加算したものが合成信号(f ')として出力されるものとする。合成信号(f ')は次式(4)のように表され、図6の(f’)に示すような波形となる。ここで、f’=√(d2+e2),φ’=φ+arctan(e/d)である。
(f ')=dsin(2πfct+φ)+ecos(2πfct+φ)
=f’sin(2πfct+φ’) …(4)
The difference signal (d) output from the
(f ′) = dsin (2πfct + φ) + ecos (2πfct + φ)
= F'sin (2πfct + φ ') (4)
同様に、変位センサ71xに関する差動アンプ203から出力された差分信号(D)と、変位センサ71yに関する差動アンプ203から出力された差分信号(E)は、加算処理部207において加算されて信号(F)となり、フィルタ回路400で搬送波周波数fcを中心周波数とするバンドパス処理が行われて信号(F ')となる。ここで、F’=√(D2+E2),Φ’=Φ+arctan(E/D)である。
(F ')=Dsin(2πfc・t+Φ)+Ecos(2πfc・t+Φ)
=F’sin(2πfc・t+Φ’)
Similarly, the difference signal (D) output from the
(F ′) = Dsin (2πfc · t + Φ) + Ecos (2πfc · t + Φ)
= F'sin (2πfc · t + Φ ')
変位センサ72x,72yの内の一方の変位センサ72xに正弦波の搬送波信号を印加し、他方の変位センサ72yに余弦波を印加した場合、変位センサ72x,72yの複素インピーダンスの位相(インダクタンスLと抵抗Rの直列接続値においてarctan(2πfcL/R))がほぼ同じであれば、変位相当信号で変調されたセンサ出力信号間でも搬送波周波数成分の位相差(この場合は90度進みまたは遅れ)はほぼそのままの位相関係が維持される。 When a sine wave carrier signal is applied to one of the displacement sensors 72x and 72y and a cosine wave is applied to the other displacement sensor 72y, the phase of the complex impedance of the displacement sensors 72x and 72y (inductance L and If the arctan (2πfcL / R)) in the series connection value of the resistor R is substantially the same, the phase difference of the carrier frequency component (in this case, 90 degrees advance or delay) is also generated between the sensor output signals modulated by the displacement equivalent signal. Almost the same phase relationship is maintained.
通常は変位センサ71x,72x,72x,72yには同一構造のセンサが用いられるので、それらの変位センサのインピーダンス値はほぼ同じとなる。その結果、対に選んだ各変位センサのセンサ出力信号を加算した信号は、中心周波数が同じ正弦波および余弦波の加算値、すなわち直交関係にある2つの信号の合成値となる。この合成値は直交関係にある2つの信号から成るので、適当な演算処理を施すことにより分離抽出することが可能である。
Normally, the
フィルタ回路400から出力された合成信号(f ')は、図5に示す各A/Dコンバータ301によってデジタル値へと変換される。A/Dコンバータ301から出力されたデジタル信号は、フィルタ処理部341によりフィルタ処理されて信号(g)となる。ここではフィルタ処理部341を無視して信号波形の説明すると、サンプリングの結果得られる離散値信号(g)は次式(5)のように表される。nは図7に示すように0,1,2,…の値を取り、丸印の信号がサンプリングされる。また、g=f’、φ1=π−φ’である。
(g)=dsin(2πfcnTs+φ)+ecos(2πfcnTs+φ)
=dsin{2π(fs−fc)nTs+(π−φ)}+ecos{2π(fs−fc)nTs−φ)}
=gsin{2π(fs−fc)nTs+φ1} …(5)
ここで、A/Dコンバータ301のサンプリング周波数fsを前述したようにfs=(4/3)fcのように設定すると、図7(g)に示すように、信号(g)は4Tsの周期を有することになる。
The synthesized signal (f ′) output from the
(g) = dsin (2πfcnTs + φ) + ecos (2πfcnTs + φ)
= Dsin {2π (fs−fc) nTs + (π−φ)} + ecos {2π (fs−fc) nTs−φ)}
= Gsin {2π (fs−fc) nTs + φ 1 } (5)
Here, when the sampling frequency fs of the A /
一方、変位センサ71x、71yに関する離散値信号(G)は、離散値信号(g)を取得する場合に比べてサンプリングのタイミングがΔtだけずれているとすると、次式(6)のように表される。ここで、G=F’、Φ1=π−Φ’−2πfs・Δtである。
(G)=Dsin{2π(fs−fc)(nTs+Δt)+(π−Φ−2πfs・Δt)}
+Ecos{2π(fs−fc)(nTs+Δt)+(−Φ−2πfs・Δt)}
=Gsin{2π(fs−fc)(nTs+Δt)+Φ1} …(6)
On the other hand, the discrete value signal (G) related to the
(G) = Dsin {2π (fs−fc) (nTs + Δt) + (π−Φ−2πfs · Δt)}
+ Ecos {2π (fs−fc) (nTs + Δt) + (− Φ−2πfs · Δt)}
= Gsin {2π (fs−fc) (nTs + Δt) + Φ 1 } (6)
信号(g)は、信号(d),(e)を加算処理部207で加算して得られた合成信号(f ')を離散化したものである。そして、乗算部314において、信号(g)に加算合成前の正弦波信号と同相となる正弦波信号(h)=sin{2π(fs−fc)nTs+(π−φ)}を乗算すると、次式のよう信号(i)が得られる。
(i)=dsin2{2π(fs−fc)nTs+(π−φ)}
+ecos{2π(fs−fc)nTs−φ}・sin{2π(fs−fc)nTs+(π−φ)}
The signal (g) is obtained by discretizing the synthesized signal (f ′) obtained by adding the signals (d) and (e) by the
(i) = dsin 2 {2π (fs−fc) nTs + (π−φ)}
+ Ecos {2π (fs−fc) nTs−φ} · sin {2π (fs−fc) nTs + (π−φ)}
なお、正弦波信号(h)は正弦波離散値生成部320で生成された正弦波離散値信号(a)を、位相シフト部401で位相シフトすることにより得られる。そして、信号(i)に含まれる正弦波信号の2倍の周波数(イメージ周波数)をローパスフィルタ315で除去することにより、変位センサ72xに関する変位相当信号(j)=d/2を抽出することができる。
The sine wave signal (h) is obtained by phase shifting the sine wave discrete value signal (a) generated by the sine wave discrete
また、乗算部314において、信号(g)に正弦波離散値信号(a)を位相シフト部401で位相シフトして得られる余弦波信号(h')=cos{2π(fs−fc)nTs+(−φ)}を乗算すると、次式のような信号(i')が得られる。そして、信号(i')に含まれる余弦波信号の2倍の周波数(イメージ周波数)をローパスフィルタ315で除去することにより、変位センサ72yに関する変位相当信号(j')=e/2を抽出することができる。
(i')=ecos2{2π(fs−fc)nTs+(−φ)}
+dsin{2π(fs−fc)nTs+(π−φ)}・cos{2π(fs−fc)nTs−φ}
Further, in the
(i ′) = ecos 2 {2π (fs−fc) nTs + (− φ)}
+ Dsin {2π (fs−fc) nTs + (π−φ)} · cos {2π (fs−fc) nTs−φ}
一方、変位センサ71x、71yに関する離散値信号(G)についても同様の処理が行われる。すなわち、乗算部314において、信号(G)に正弦波離散値信号(a)を位相シフト部401で位相シフトして得られる正弦波信号(H)=sin{2π(fs−fc)(nTs+Δt)+(π−Φ−2πfs・Δt)}を乗算すると、次式のような信号(I)が得られる。そして、信号(I)をローパスフィルタ315で処理することにより、変位センサ71xに関する変位相当信号(J)=D/2を抽出することができる。
(I)=Dsin2{2π(fs−fc)(nTs+Δt)+(π−Φ−2πfs・Δt)}
+Ecos{2π(fs−fc)(nTs+Δt)+(−Φ−2πfs・Δt)}
×sin{2π(fs−fc)(nTs+Δt)+(π−Φ−2πfs・Δt)}
On the other hand, the same processing is performed for the discrete value signal (G) related to the
(I) = Dsin 2 {2π (fs−fc) (nTs + Δt) + (π−Φ−2πfs · Δt)}
+ Ecos {2π (fs−fc) (nTs + Δt) + (− Φ−2πfs · Δt)}
× sin {2π (fs−fc) (nTs + Δt) + (π−Φ−2πfs · Δt)}
また、乗算部314において、信号(G)に正弦波離散値信号(a)を位相シフト部401で位相シフトして得られる余弦波信号(H')=cos{2π(fs−fc)(nTs+Δt)+(−Φ−2πfs・Δt)}を乗算すると、次式のような信号(I')が得られる。
(I')=Ecos2{2π(fs−fc)(nTs+Δt)+(−Φ−2πfs・Δt)}
+Dsin{2π(fs−fc)(nTs+Δt)+(π−Φ−2πfs・Δt)}
×cos{2π(fs−fc)(nTs+Δt)+(−Φ−2πfs・Δt)}
Further, in the
(I ′) = Ecos 2 {2π (fs−fc) (nTs + Δt) + (− Φ−2πfs · Δt)}
+ Dsin {2π (fs−fc) (nTs + Δt) + (π−Φ−2πfs · Δt)}
× cos {2π (fs−fc) (nTs + Δt) + (− Φ−2πfs · Δt)}
そして、信号(I')をローパスフィルタ315で処理することにより、変位センサ71yに関する変位相当信号(J)=E/2を抽出することができる。各ローパスフィルタ315から出力された信号は、ゲイン・オフセット演算部316においてゲイン補正およびオフセット補正の処理が行われ、その補正後の信号に基づいて制御演算部311で制御演算が行われる。
Then, by processing the signal (I ′) by the low-
ところで、従来技術では、各対の変位センサ71x、71y、72x、72y毎に、すなわち各軸毎にA/Dコンバータ301でサンプリングして離散値化し、それらの離散値信号に正弦波離散値生成部320からの正弦波離散値信号を乗算することにより復調を行い、各軸毎の変位相当信号を取得するようにしている。
By the way, in the prior art, each pair of
しかしながら、上述した本実施の形態では、2軸分のセンサ信号を合成し、その合成信号をA/D変換し、A/D変換後の信号を再び各軸毎の信号に分離するようにしているので、A/Dコンバータ301の使用チャンネル数およびA/D変換される前の各センサ信号ラインに設けられるバンドパスフィルタ400の個数を削減することができる。例えば、上述した5軸制御構成の場合、従来はA/Dコンバータ301のチャンネル数を5個必要としたが、本実施の形態ではラジアル変位センサの2軸を一つにまとめているので3個に削減でき、バンドパスフィルタ400の個数も3つに減る。
However, in the above-described embodiment, the sensor signals for two axes are synthesized, the synthesized signal is A / D converted, and the signal after A / D conversion is again separated into signals for each axis. Therefore, the number of channels used by the A /
その結果、回路規模を縮小することができ、コスト低減を図ることができる。また、演算装置(DSP37)からA/Dコンバータ301への1サンプリング周期内の変換指令回数が削減されるので、A/D変換の待ち時間が削減され、演算処理構成の簡略化をすることができる。
As a result, the circuit scale can be reduced and the cost can be reduced. Further, since the number of conversion commands within one sampling period from the arithmetic unit (DSP 37) to the A /
なお、上述した実施の形態では、上側のラジアル変位センサ71x、71y同士、および下側のラジアル変位センサ72x、72y同士のセンサ信号を加算するようにしたが、ラジアル方向の4軸の内のいずれの2つを選んで組み合わせても良い。さらに、ラジアル変位センサ71x〜72yとアキシャル変位センサ73との組み合わせでも良い。その場合、ラジアル変位センサ71x〜72yとアキシャル変位センサ73の複素インピーダンスの位相がほぼ同一となるよう変位センサを構成するのが好ましい。なお、本実施の形態ではターボ分子ポンプに用いられる磁気軸受装置を例に説明したが、複数制御型の磁気軸受装置であれば本発明を適用することができる。
In the above-described embodiment, the sensor signals of the upper
以上説明した実施の形態と特許請求の範囲の要素との対応において、変位センサ71x,72xは第1の検出手段を、変位センサ71y、72yは第2の検出手段を、A/Dコンバータ301はA/D変換手段を、加算処理部207は合成手段を、正弦波離散値生成部320,位相シフト部401および乗算部314は第1および第2の復調手段を、制御演算部311は制御手段を、正弦波離散値生成部320および位相シフト部206は搬送波生成手段をそれぞれ構成する。なお、以上の説明はあくまでも一例であり、発明を解釈する際、上記実施の形態の記載事項と特許請求の範囲の記載事項の対応関係に何ら限定も拘束もされない。
In the correspondence between the embodiment described above and the elements of the claims, the
4 ロータ
51〜53,51x,52x,52x,52y,53z 電磁石
71〜73,71x,71y,72x,72y 変位センサ
206,401 位相シフト部
207 加算処理部
301 A/Dコンバータ
311 制御演算部
314 乗算部
320 正弦波離散値生成部
400 フィルタ回路
4 Rotors 51-53, 51x, 52x, 52x, 52y, 53z Electromagnets 71-73, 71x, 71y, 72x,
Claims (3)
前記複数軸方向の内の第1の軸方向に関する支持位置の変位を検出する第1の検出手段と、
前記複数軸方向の内の第2の軸方向に関する支持位置の変位を検出する第2の検出手段と、
前記第1の検出手段による検出信号と前記第2の検出手段による検出信号とを一つの合成信号に合成する合成手段と、
前記合成信号をデジタル信号に変換するA/D変換手段と、
前記デジタル信号を復調処理して前記第1の軸方向の変位に対応する信号を抽出する第1の復調手段と、
前記デジタル信号を復調処理して前記第2の軸方向の変位に対応する信号を抽出する第2の復調手段と、
前記第1および第2の復調手段で抽出された信号に基づいて、前記第1および第2の軸方向の支持位置を制御する制御手段とを備えたことを特徴とする複数軸制御型の磁気軸受装置。 In a multi-axis control type magnetic bearing device for supporting a supported body in a non-contact manner in at least two axial directions,
First detection means for detecting displacement of a support position in the first axial direction of the plurality of axial directions;
Second detection means for detecting a displacement of a support position in a second axial direction of the plurality of axial directions;
Combining means for combining the detection signal from the first detection means and the detection signal from the second detection means into one combined signal;
A / D conversion means for converting the synthesized signal into a digital signal;
First demodulation means for demodulating the digital signal to extract a signal corresponding to the displacement in the first axial direction;
Second demodulating means for demodulating the digital signal to extract a signal corresponding to the displacement in the second axial direction;
A multi-axis control type magnetism comprising control means for controlling the support positions in the first and second axial directions based on the signals extracted by the first and second demodulation means; Bearing device.
前記第1および第2の検出手段は、搬送波信号が印加され、その搬送波信号を前記支持位置の変位に応じて変調する変位センサであって、
前記搬送波信号として、前記第1の検出手段に正弦波信号を印加するとともに、前記第2の検出手段に前記正弦波信号を90度位相シフトした余弦波信号を印加する搬送波生成手段を備えたことを特徴とする複数軸制御型の磁気軸受装置。 The magnetic bearing device according to claim 1,
The first and second detection means are displacement sensors to which a carrier wave signal is applied and modulate the carrier wave signal according to the displacement of the support position,
Carrier wave generating means for applying a cosine wave signal obtained by applying a sine wave signal to the first detecting means as the carrier wave signal, and applying a cosine wave signal obtained by phase shifting the sine wave signal by 90 degrees to the second detecting means is provided. A multi-axis control type magnetic bearing device.
前記第1の復調手段は前記デジタル信号に正弦波信号を乗算して前記第1の軸方向の変位に対応する信号を抽出し、前記第2の復調手段は前記デジタル信号に余弦波信号を乗算して前記第2の軸方向の変位に対応する信号を抽出することを特徴とする複数軸制御型の磁気軸受装置。 The magnetic bearing device according to claim 2,
The first demodulating means multiplies the digital signal by a sine wave signal to extract a signal corresponding to the displacement in the first axial direction, and the second demodulating means multiplies the digital signal by a cosine wave signal. Then, a signal corresponding to the displacement in the second axial direction is extracted, and a multi-axis control type magnetic bearing device.
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