JPH02236018A - 磁気軸受け制御装置 - Google Patents

磁気軸受け制御装置

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JPH02236018A
JPH02236018A JP5277889A JP5277889A JPH02236018A JP H02236018 A JPH02236018 A JP H02236018A JP 5277889 A JP5277889 A JP 5277889A JP 5277889 A JP5277889 A JP 5277889A JP H02236018 A JPH02236018 A JP H02236018A
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JP
Japan
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shaft
output
signal
displacement sensor
disturbance
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Pending
Application number
JP5277889A
Other languages
English (en)
Inventor
Atsuo Niimi
新美 淳夫
Ataru Ichikawa
中 市川
Rokuro Okada
岡田 緑郎
Shinzo Ito
伊藤 新三
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Denso Corp
Original Assignee
NipponDenso Co Ltd
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Publication date
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Publication of JPH02236018A publication Critical patent/JPH02236018A/ja
Pending legal-status Critical Current

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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16CSHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C32/00Bearings not otherwise provided for
    • F16C32/04Bearings not otherwise provided for using magnetic or electric supporting means
    • F16C32/0406Magnetic bearings
    • F16C32/044Active magnetic bearings
    • F16C32/0444Details of devices to control the actuation of the electromagnets
    • F16C32/0451Details of controllers, i.e. the units determining the power to be supplied, e.g. comparing elements, feedback arrangements with P.I.D. control

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
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  • Electromagnetism (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Magnetic Bearings And Hydrostatic Bearings (AREA)

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業−1二の利用分野〕 本発明は、磁気を用いて回転軸を非接触で支承する磁気
軸受けにおける制御装置に関する。
〔従来技術〕
磁気軸受けは、磁気力を利用して回転軸を非接触で支承
するもので、この軸受けは摩耗、疲労を生じないので、
工作機械のスピンドルを始めとして高速かつ回転精度を
必要とする回転体の軸受けに用いられている。この磁気
軸受けにあっては、軸の偏心等による振れ回りを防止す
るための制御装置が配設される。
磁気軸受けにより支承されたスピンドルを研削加工や切
削加工に用いる場合に、一般に高回転域では制御系のゲ
インが低下するために、軸の偏心等のくり返し外乱によ
る振れ回りが発生し,回転精度が悪化して加工性能の低
下を招く問題がある。
この問題に対応して,特開昭52−93853号公報及
び特開昭59−89821号公報では、外乱の抑制を図
る磁気軸受けが提案されているが、両者ともに回転数に
一致する外乱のみを対象としており、回転数以外の振動
数をもつくり返し外乱に対しては抑制の対象となってい
ない。そして、前者にあっては、レゾルバの設置を必要
とするので機械的な制約を発生し、後者にあっては、前
部と後部の軸受けを独立して制御する制御系へ適用する
ことが困難であるとともに、多数のパラメータを決定す
る必要があって、調整が難しい等の問題点がある。
〔発明が解決しようとする課題〕
本発明は、軸心を中心として半径方向の水平線及び垂直
線に沿って90度毎に軸の周囲に配設する電磁石と、各
電磁石の近傍に配設する軸の半径方向の変位を検出する
非接触変位センサとを備え、変位センサからの信号を増
幅する軸変位センサアンブと、軸変位センサアンプの出
力を入力として制御信号を出力する軸浮ヒ用制御回路と
、制御回路からの出力を増幅して電磁石に電力を供給す
る電力増幅器から成る磁気軸受け制御装置において、軸
の振れ回りを抑制する回路を設けることにより、回転数
以外の周期的な外乱による振れ回りを防止することを目
的とする。
〔課題を解決するための手段〕
上記の課題を解決するために、本発明の制御装置は周期
的な外乱による軸の変位の周波数を選別する手段と、選
別した周波と相関する正弦波を発生させることで変位セ
ンサ出力から外乱成分のみを抽出する手段と、抽出した
外乱成分の正弦波信号に基いて外乱成分と逆相の正弦波
信号を前記抽出した周波に同期せしめて前記軸浮上用制
御回路に加える手段から成る基本的な振れ回り抑制回路
を備える。
一3 そして、振れ回り抑制回路の外乱を打ち消す制御力を発
生する手段は、外乱による変位と同相で軸の慣性と変位
から求まる振幅の信号に基いて外乱を打ち消す制動力を
発生する手段であることもできる。
〔作用〕
以上の手段を備えることにより、本発明の制御装置は、
回転軸に与えられる外乱の周波数を選別し、選別した周
波と相関する正弦波を発生させて変位センサの出力から
外乱成分のみを抽出してこれに基いて外乱を打ち消す制
御力を発生して振れ回りを抑制する基本的な作用を行う
〔実施例〕
以下、図面により本発明の実施例を説明する。
第1図は本発明の制御装置のブロック図、第2図は本発
明を適用する磁気軸受けスピンドルの概要を示す斜視図
、第3図は本発明の作用を示す説明図である。
第2図に示すように、スピンドル軸5は全体を符号11
,1.2で示す2個のラジアル軸受けによ?ラジアル方
向(X,Y方向)に支持される。工作機械等のスピンド
ル軸にあっては、スラスト方向(Z方向)を支承するス
ラスト軸受けを配設するが、第2図では省略されている
軸受け]1は、水平軸であるX軸と平行な軸線A■一A
1″に沿つCスピンドル軸5の両側に対向して配設する
一対の電磁石6,6及び垂直軸であるY軸と平行な軸線
B,−B■′に沿ってスピンドル軸50両側に対向して
配設する一対の電磁石6,6を有する。すなわち、スピ
ンドル軸5の外周部に対して90度毎に4個の電磁石6
を配設して1組の磁気軸受け11を構成する。
そして、各電磁石6に隣接して軸線X,−Xユ′及び軸
線Y1−Yよ′方向の変位を検出する非接触の変位セン
サ7を配設する。
他方の軸受け12も電磁石6と変位センサ7とで構成さ
れるが、軸受け11.12はZ軸上で異なる座標をもつ
ので、変位センサ7が検出する変位の座標軸線をx2−
x.’及びY2−Y2’ として前後の軸受け11.1
2を独立して制御することもできる。
以上の構成をもつ磁気軸受け11.12の磁気浮」二を
制御する制御装置の基本的な構成は、第1図のブロック
図の符号1,2.3の回路で示される。
第1図においては、符号1は、変位センサ7に接続され
る軸変位センサアンプを示し、符号2は、一般に比例要
素、微分要素等で構成される軸浮上用制御回路を示す。
そして、符号3は電磁石6に接続される電力増幅器を示
す。
これらの軸変位センサアンプ1、軸浮上用制御回路2、
電力増幅器3は直列に接続されており例えば第1図に示
すように、軸受け11におけるスピンドル軸の水平軸方
向x1− x, ’ の変位は非接触変位センサ7で検
知され、その信号は軸変位センサアンプ1へ送られる。
軸変位センサアンプ1で増幅された信号は、軸浮上用制
御回路2へ入力され、制御出力が電力増幅器3へ送られ
る。電力増幅器3で増幅された電力は電磁石6へ供給さ
れてスピンドル軸5を軸A,−A1’方向に沿って伺勢
し、非接触変位センサ7で検知した偏心量をなくす方向
に制御する。軸受け11の軸線Y1−Y1’方向の偏心
量も同様の方法により制御される。
他方の軸受12の軸線x2−x2’及びY2−Y2’方
向の偏心量も同様の方法により制御され、スピンドル軸
5は偏心がない状態に磁気支持される。
本発明は以上のような磁気軸受けの基本的な制御ループ
にあって、周期的な外乱が与えられたときに、その外乱
によるスピンドル軸の振れ回りを防止する制御装置を付
設するものである。
振れ回り制御回路4は上述した磁気軸受けの基本的制御
ループに並列に配設し、軸変位センサアンプ1の出力が
入力される。
振れ回り抑制回路4は並列に配設する一対の同一特性を
もつバンドパスフィルタ41を備え、軸変位センサアン
プ1及び後述する正弦波発振器43の出力が入力として
与えられる。このバンドパスフィルタ41は抑制しよう
とする外乱の周波数を通過周波数とするものである。
第3図は本発明の作用を示すグラフで、横軸に時間を、
縦軸に各種の物理量をとったものである。
カーブ81はスピンドル軸5が周期的な外乱により変位
する状態を示し、バン1〜パスフィルタ41はこの周波
数のみを通過させる特性をもつ。力一ブ82はカーブ8
1で示す変位を時間で微分して得られる速度変化を示す
グラフであり、変位量を示すカーブ81に対して90度
時間的に進んだ位相差をもつ。カーブ83は速度変化を
示すカーブ82を更に時間で微分して得られる加速度の
変化を示すグラフであり、速度変化のカーブ82に対し
て更に90度時間的に進んだ位相差をもつ。すなわち、
加速度のカーブ83は位置変化のカーブ81に対して1
80度の位相差をもつ。
並列するバンドパスフィルタ41を通過した信号は位相
比較器42へ入力され、バンドパスフィルタ41のそれ
ぞれの出力の位相差を出力する。
この出力は電圧制御正弦波発振器43に与えられ、外乱
の位相と等しい位相をもつ正弦波が出力される。この正
弦波出力とバンドパスフィルタ41の出力は並列に配設
する整流器44に入力され、整流器44の出力は差動増
幅器45へ入力される。
すなわち、この差動増幅器45は、それぞれの整流器4
4の出力である振幅値の差を出力とする。
電圧制御可変利得増幅器46は、電圧制御正弦波発振器
43の出力を増幅入力とし、差動増幅器45の出力を利
得制御入力とする可変利得増幅器であって、その出力は
、外乱に対して位相と振幅の等しい信号となる。そこで
この信号を軸変位センサアンプ1の出力信号から差し引
くと、制御回路2の入力信号には外乱に対応する信号は
存在しなくなる。したがって、制御回路2の出力にも外
乱に対応する信号は存在せず、スピンドル軸5の変位を
示すカーブ81は、スピンドル軸の慣性と外乱による加
速度、すなわち、加振力83のみによって決定され、そ
の位相は加振力83と逆位相となる。
次に、前記のスピンドル軸の変位のカーブ81と位相と
振幅の等しい信号(可変利得増幅器46の出力)を比例
要素47に入力する。この比例要素47はスピンドル軸
5の慣性による比例定数を乗算するもので、この出力信
号を制御回路2の出力信号に逆相で加えれば(引けば)
電力増幅器3の出力部にはカーブ84に示す様に外乱に
よる加振力83と逆相で大きさの等しい制御力が発生し
、加振力83を打ち消してスピンドル軸5の振れ回りを
抑制することができる。
本発明の振れ回り抑制回路は以上のように構成されるの
で、機械的な構造を必要とせず、回路構造だけで磁気軸
受けの周期的な外乱による振れ回りを防止する制御装置
を得ることができる。
次に本発明の他の実施例を説明する。
上述した実施例で使用した電圧制御正弦波発振器43の
かわりに正弦波(サイン波)及び余弦波(コサイン波)
の出力を得ることのできる2相発振器を配設し、電圧制
御可変利得増幅器46及び比例要素47をそれぞれの発
振出力に接続すればX軸とY軸の補償信号を同時に1!
}ることができ、1組の抑制回路でX軸とY軸方向の振
れ回りを抑制することができる。したがって、構成部品
点数を削減できる。
次に、位相比較器42の出力にオフセットを加えるよう
に回路を構成することにより、外乱に対して任意の位相
関係をもつ正弦波を得ることができる。この回路構成に
おいて、制御回路2の位相回転を相殺するように位相を
調整すれば、補償信号を制御回路2の前後のいずれかに
入力するだけでも先の実施例と同様の振れ回り防止効果
を発揮することができる。
また、周期的な外乱が軸の回転による振れ回りのように
広い周波数範囲で変化するときは、バンドパスフィルタ
41の通過周波数を可変にすることにより、各周波数を
もつ外乱に対応することができる。
2周波以上の外乱を抑制するためには、それぞれの周波
数に対応する本発明の補償回路を2つ以上並列に配設す
ればよいが、この場合には、対象とする外乱の周波数と
一致したときに、その周波数に対応する補償回路のみが
作動するように回路を構成する。
以」―の実施例においては変位センサの出力から=11 一12 外乱の成分と同位相同振幅の正弦波を抽出するものとし
て説明したが、本発明は抽出する正弦波は外乱成分と同
位相同振幅のものであることを必ずしも必要とするので
はなく、選別した外乱による軸の変位の周波と所定の関
連性のある正弦波であればよく、この正弦波に基いて外
乱成分の周波と逆相の正源弦波信号を前記抽出した周期
に同期せしめて軸浮上用制御に加え、振れ回りを抑制す
る回路を構成してもよい。
〔発明の効果〕
本発明は以上のように、回転軸を支える磁気軸受けの基
本的な制御装置に振お回り抑制回路を付加することによ
り、周期的な外乱により回転軸に発生しようとする振れ
回りを制御する力を発生させて振れ回りを防止するもの
で、機械的な作動部材を用いないので信頼性が高く、回
路構成も簡素にすることができる。そして、抑制回路を
構成する手段を単に変更することにより、種々の周波数
をもつ外乱に対応することができるので、適用範囲も広
い。さらに、外乱の周波に応じて外乱を打ち消す制御力
を発生する手段としても、変位センサの出力から抽出さ
れる外乱成分に基いて制御力を発生するように構成する
か、または外乱による変位と同相で軸の慣性と変位から
求まる振幅の信号に基いて制御力を発生するように構成
してもよい。いずれにせよ、回路構成のみにより制御力
を加えて軸の振れ回りを防止できる効果を有する。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の制御装置のブロック図、第2図は本発
明を適用する磁気軸受けスピンドルの概要を示す斜視図
、第3図は本発明の作用を示す説明図である。 1・・・・・・・・・軸変位センサアンプ、2・・・・
・・・・軸浮上用制御回路、3・・・・・・・・・・・
電力増幅器、4・・・・・・・・振才シ回り抑制回路、
41・−・・・・・・・バンドパスフィルタ、42・・
・・・・・・位相比較器、 43・・・・・・電圧制御正弦波発振器、44・・・・
・・整流器、 45 ・・・ 差動増幅器、 46・・・ ・電圧制御可変利得増幅器、47・・・・
・比例要素、 5・・・・・・・・・・・スピンドル軸、6・−・・・
 ・・・電磁石、 7・・・・・・・・・・・・非接触変位センサ。

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)軸心を中心として半径方向の水平線及び垂直線に
    沿つて90度毎に軸の周囲に配設する電磁石と、各電磁
    石の近傍に配設する軸の半径方向の変位を検出する非接
    触変位センサとを備え、変位センサからの信号を増幅す
    る軸変位センサアンプと、軸変位センサアンプの出力を
    入力として制御信号を出力する軸浮上用制御回路と、制
    御回路からの出力を増幅して電磁石に電力を供給する電
    力増幅器から成る磁気軸受け制御装置において、周期的
    な外乱による軸の変位の周波数を選別する手段と、選別
    した周波と相関する正弦波を発生させることで変位セン
    サ出力から外乱成分のみを抽出する手段と、抽出した外
    乱成分の正弦波信号に基いて外乱成分と逆相の正弦波信
    号を前記抽出した周波に同期せしめて前記軸浮上用制御
    回路に加える手段から成る振れ回り抑制回路を有するこ
    とを特徴とする磁気軸受け制御装置。
  2. (2)請求項1記載の磁気軸受け制御装置において、 振れ回り抑制回路の外乱を打ち消す制御力を発生する手
    段は、外乱による変位と同相で軸の慣性と変位から求ま
    る振幅の信号に基いて外乱を打ち消す制動力を発生する
    手段であることを特徴とする磁気軸受け制御装置。
JP5277889A 1989-03-07 1989-03-07 磁気軸受け制御装置 Pending JPH02236018A (ja)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2017075666A (ja) * 2015-10-16 2017-04-20 株式会社島津製作所 磁気軸受装置およびロータ回転駆動装置

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JPS63285321A (ja) * 1987-05-18 1988-11-22 Ebara Corp 不釣り合い振動及び同期妨害振動の防止制御方式

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