JPH02300518A - 磁気軸受の制御装置 - Google Patents

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】 産業上の利用分野 本発明は、工作機械主軸等に使用する磁気軸受の制御装
置に関する。

従来の技術 第６図には従来の磁気軸受装置が示されており５、これ
は、回転軸１の半径方向の位置を検出するセンサ２の検
出信号と、回転軸１の基準位置を設定した軸位置基準器
３の基準位置とによって、基準位置と実際の回転軸１と
のずれ量である偏差信号を加算器４から制御回転５に出
力している。

この制御回転５は、偏差信号を増幅する偏差増幅器６と
、この増幅器６からの出力信号の位相等を制御する二次
位相進み遅れ回路７とからなり、制御回路５から出力さ
れる偏差信号に対応した信号が電力増幅器８を介して磁
石９のコイル１０に入力され、電磁石９を励磁する。な
お、このコイル１０の出力は、第７図に示すように、電
力増幅器８に電流フィードバックされるため、電力増幅
器８０入力電圧はコイル１０の電流と比例関係にある。

以上の制御において、−巡伝達関数は第８図のようにな
り、センサ２の出力電圧から電力増幅器８の入力電圧（
制御回路５の出力電圧）までの伝達関数は第９図のよう
になる。この−巡伝達関数におけるゲインＯｄＢの周波
数即ちクロスオーバ周波数ω。における位相余裕は、制
御系の安定度等を考慮して磁気軸受の場合１５°〜５０
’である。また、クロスオーバ周波数ω。は、回転軸の
固有振動数ω１に対してかなり小さい値に設定される。

例えば、軸固有振動数ω１を８００　）１ｚとすると、
クロスオーバ周波数ω。は８０〜４００　Ｈ７程度に設
定される。

このような制御回路を有する磁気軸受装置では、固有撮
動数ω−こおける動剛性が小さくなり、回転軸が非回転
制御状態において自励発振することがある。このため、
従来は、固有撮動数ω１を中心周波数とする帯域消去フ
ィルタを制御系に挿入して自励発振を押さえてきた。し
かし、この方法は、固有振動数ω１付近での剛性の改善
に対してはほとんど寄与せず、このような磁気軸受で支
承されたスピンドルをミリング加工等の主軸として使用
すると、固有振動数ω１付近での回転軸の振動が太き（
なり、軸受が制御不能となり易く十分な切削力が得られ
なかった。

このような問題を解決する試みとして特開昭６０−１４
６１９号公報に開示されているように、回転軸の固有振
動数付近の周波数帯域における位相を局所的に進め、固
有振動数ω、付１近での撮動減衰力を太き（することが
提案されている。

第１０図にもとづいてこの従来例を説明する。

センサ２からの検出信号と、幅位置基準器３からの基準
位置とを合成する加算器４は、基準位置から検出信号を
減算して偏差信号を出力している。

この偏差信号は、帯域通過フィルタ１１．帯域消去フィ
ルタ１２及び位相進み回路１３からなる直列回路１４を
介して加算器１５に送信される。帯域通過フィルタ１１
は回転軸１の固有振動数ω。

に等しい周波数付近を中心周波数即ちピークとし、帯域
消去フィルタ１２はこの周波数より小さい周波数を中心
周波数とし、位相進み回路１３はフィルタ１１．１２に
よって生じる位相遅れを補償する。なお、帯域消去フィ
ルタ１２の中心周波数は、帯域通過フィルタ１１の中心
周波数（固有撮動数ω１）よりも小さければよく、例え
ば固有また、固有振動数ω１より小さく、且つ回転軸１
の最高回転速度の際の周波数であってもよい。

上記直列回路１４には、偏差信号を入力とする積分回路
１６が低周波域における剛性を付与するために並列に段
けられている。積分回路１６は、位相が一９０°で一定
であり、ゲインが周波数の増加に対し２０ｄＢ／ｄｅｃ
ａｄｅで減少する特性を有するから、直列回路１４に並
列に設けると、低周波では積分回路１６が制御系を支配
するが、周波数の増加に伴ないゲインが減少して影響が
小さくなり、上記周波数ω。、ω１付近ではほとんど影
響がなくなる。

上記加算器１５は、直列回路１４の出力信号から積分回
路１６の出力信号を減算した後、電力増幅器８を介して
電磁石のコイル１０への電流を制御する。　　　′ 以上の制御系を伝達関数を示して説明する。なお、回転
軸１の固有振動数ω１は６７０　Ｈｚに、クロスオーバ
周波数ω。は２００　Ｈｚに設定した場合である。

帯域通過フィルタ１１は固有振動数ω１である６　７　
’ＯＨｚに略等しい周波数７００　Ｈｚをピーク周波数
（中心周波数）とする２次要素フィルタであり、その伝
達関数は第１１図に示されている。帯域消去フィルタ１
２は中心周波数が５００　Ｈｚであり、その伝達関数は
第１２図に示されている。第１３図は、フィルタ１１．
１２の位相補償回路と位相進み回路１３を合成した伝達
関数を示しており、この位相進み回路１３は少なくとも
周波数ω。〜ω１の範囲において進相させるもので、ク
ロスオーバ周波数ω。で４０゛程度、固有振動数ω１で
９０゛程度の位相進みを与えている。また、第１４図は
、制御系全体の一巡伝達関数であり、周波数の低い領域
では積分回路により制御され、制御系の安定性及び回転
軸の固有振動の減衰特性に関与する周波数ω。、ω１に
おいては、はとんど影響がない。

以上のとおり、固有撮動数ω１付近における制御系のゲ
イン・位相特性を改良しているから、固有振動数ω１付
近での振動減衰力が大きくなり、固有振動数ω１付近に
ける回転軸の動剛性も向上し、安定なスピンドルが得ら
れる。

発明が解決しようとする課題 しかしながら上記のような構成では、帯域通過フィルタ
、帯域消去フィルタ及び位相進み回路からなる直列回路
は複雑となりコストアップとなる。また、回転軸の固有
振動数より低い周波数域では、比例・積分動作の制御を
行っているだけであり、制御系の連応性あるいは減衰特
性を改善するためには、さらに別の制御回路を付加する
必要があった。

本発明は上記課題に鑑み、簡単な制御回路で回転軸の固
有振動数に対応した振動減衰効果を得るとともに、回転
軸の固有振動数以下の周波数域において、制御系の連応
性あるいは減衰特性を改善する制御装置を提供するもの
である。

課題を解決するための手段 この目的を達成するため、本発明の第１発明の磁気軸受
の制御装置は、回転軸の半径方向の位置を検出するセン
サと、このセンサの出力信号により電磁石のコイルへの
電流を制御する制御回路とを備え、設定した回転軸の半
径方向の位置に回転軸を保持する磁気軸受において、上
記制御回路は、比例回路と、低周波域の剛性を付与する
積分回路とを並列に設け、回転軸の固有振動数よりやや
高い中心周波数を有する帯域通過フィルタと回転軸の固
有振動数にほぼ等しい折れ点周波数を有する低域微分回
路とを直列に接続して回転軸の固有振動数までの全周波
数域で微分補償を行い、さらに回転軸の固有振動数付近
で微分ゲインが大となり前記微分補償効果を増大させる
直列回路を前記比例回路と並列に設けたものである。

また、本発明の第２発明の磁気軸受の制御装置は、回転
軸の半径方向の位置を検出するセンサと、このセンサの
出力信号により電磁石のコイルへの電流を制御する制御
回路とを備え、設定した回転軸の半径方向の位置に回転
軸を保持する磁気軸受において、上記制御回路は、比例
回路と、低周波域の剛性を付与する積分回路を前記比例
回路と並列に設け、前記回転軸の半径方向位置の検出セ
ンサの出力信号を入力とし、回転軸の固有振動数よりや
や高い中心周波数を有する帯域通過フィルタと回転軸の
固有振動数にほぼ等しい折れ点周波数を有する低域微分
回路とを直列に接続して回転軸の固有振動数までの全周
波数域で制御系の減衰効果を得さらに回転軸の固有振動
数付近で微分ゲインが大となり前記減衰効果を増大させ
る速度フィードバック回路を設けたものである。

作　　　用 本発明の第１発明は、上記した構成によって、帯域通過
フィルタと低域微分回路とからなる簡単な直列回路で、
回転軸の固有振動数以下の周波数域で微分補償を行い、
回転軸の固有振動数付近ではさらに大きな微分補償を行
うものである。

また、本発明の第２発明は、上記した構成によって、帯
域′通過フィルタと低域微分回路とからなる簡単な速度
フィードバック回路で、回転軸の固有振動数以下の周波
数域で減衰効果を得、回転軸の固有振動数付近ではさら
に大きな振動減衰効果を得るものである。

実施例 以下、本発明の第１の実施例について、第１図を参照し
ながら説明する。回転軸２０の半径方向の位置を検出す
るセンサ２１からの出力信号と、軸位置基準器２２から
の基準位置とを合成する加算器２３は、基準位置から検
出信号を減算して偏差信号を出力している。この偏差信
号は、比例回路２４を介して加算器２５へ送信される。

前記比例回路２４には、積分回路２６と、帯域通過フィ
ルタ２７と低域微分回路２８とからなる直列回路２９が
並列に設けにらている。積分回路２６は低周波域におけ
る剛性を付与するためのものである。帯域通過フィルタ
２７は回転軸２０の固有振動数よりやや高い中心周波数
を有し、低域微分回路２８は回転軸２０の固有振動数に
ほぼ等しい折れ点周波数を有するものである。直列回路
２９は、回転軸２０の固有振動数より低い周波数域では
微分補償を行い、回転軸２０の固有振動数付近では微分
補償ゲインが増大し回転軸２０の固有振動数における振
動減衰効果を大幅に増大させるものである。前記加算器
２５は、比例回路２４と積分回路２６と直列回路２９の
出力信号を加算した後、電力増幅器３０を介して電磁石
３１のコイル３２への電流を制御する。

前記直列回路２９の働きを伝達関数を示して説明する。

なお、回転軸２０の固有振動数が５５０Ｈｚの場合であ
る。帯域通過フィルタ２７は回転軸の固有振動数よりや
や高い６５０Ｈｚの中心周波数とするフィルタであり、
その伝達関数は第２図に示されている。低域微分回路２
８は折れ点周波数が６００　Ｈｚであり、その伝達関数
は第３図に示されている。第４図は帯域通過フィルタ２
７と低域微分回路２８を合成した直列回路２９の伝達関
数を示している。第４図の伝達関数によって、回転軸の
固有振動数５５０Ｈｚより低い周波数域においては、位
相はほぼ９０”進んでおり、この全域で微分動作を行っ
ている。微分ゲインは回転軸の固有振動数５５０Ｈｚ付
近で大きくなっており、この周波数での微分補償効果は
増大し、回転軸の固有振動数に対応する振動減衰効果は
太き（なる。

次に、本発明の第２実施例について、第５図を参照しな
がら説明する。回転軸４０の半径方向の位置を検出する
センサ４１からの出力信号と、軸位置基準器４２からの
基準位置とを合成する加算器４３は、基準位置から検出
信号を減算して偏差信号を出力している。この偏差信号
は、比例回路４４を介して加算器４５へ送信される。前
記比例回路４４には、積分回路４６が並列に設けられて
いる。積分回路４６は低周波域における剛性を付与する
ためのものである。前記回転軸４０の半径方向の位置セ
ンサ４１の出力信号を入力とする帯域通過フィルタ４７
と低域微分回路４８とからなる速度フィードバック回路
４９が設けられ、その出力が加算器４５へ送信される。

帯域通過フィルタ４７は回転軸４０の固有振動数よりや
や高い中心周波数を有し、低域微分回路４８は回転軸４
０の固有振動数にほぼ等しい折れ点周波数を有するもの
である。速度フィードバック回路４９は、回転軸４０の
固有振動数付近で速度フィードバックゲインが増大し、
回転軸４０の固有振動数における振動減衰効果を大幅に
増大させるものである。

前記加算器４５は、比例回路４４と積分回路４６の出力
信号を加算したものから速度フィードバック回路４９の
出力信号を減算した後、電力増幅器５０を介して電磁石
５１のコイル５２への電流を制御する。

前記速度フィードバック回路４９の伝達関数は、第１実
施例で示した第４図に等しい。第４図の伝達関数によっ
て、回転軸の固有振動数では速度フィードバックゲイン
が増大し、この周波数での振動減衰効果は大きくなる。

発明の効果 以上のように本発明の第１発明によれば、回転軸の固有
振動数よりやや高い中心周波数を有する帯域通過フィル
タと回転軸の固有振動数とほぼ等しい折れ点周波数を有
する低域微分回路とからなる簡単な直列回路を比例回路
と並列に饅けることにより、回転軸の固有振動数より低
い周波数域での制御系の速応性を向上するとともに、回
転軸の固有振動数に対応し、て大きな振動減衰力を得る
ことができる。したがって、回転軸の固有振動数が比較
的高い場合においても、制御系の連応性あるいは応答周
波数を上げ回転軸の固有振動数における振動減衰効果を
得ることがあてきる。

また、本発明の第２発明によれば、回転軸の固有振動数
よりやや高い中心周波数を有する帯域通過フィルタと回
転軸の固有振動数とほぼ等しい折れ焦眉波数を有する低
域微分回路とからなる簡単な速度フィードバック回路を
設けることにより、回転軸の固有振動数でより大きな振
動減衰効果を得ることができる。又、この第２発明は、
第１発明のように積極的に制御系の連応性を高めること
はできないが、制御系全体の閉ループ伝達関数の零点に
速度フィードバックの影響が現れないので、比較的回転
軸の固有振動数が低い場合には、速度フィードバック回
路のゲイン設定を容易に行うことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例における磁気軸受の制御装
置のブロック図、第２図は同実施例における帯域通過フ
ィルタの伝達関数を示すボード線図、第３図は同実施例
における低域微分回路の伝達関数を示すボード線図、第
４図は同実施例における直列回路の伝達関数を示すボー
ド線図、第５図は本発明の第２実施例における磁気軸受
の制御装置のブロック図、第６図は従来の磁気軸受装面
のブロック図、第７図は第６図の要部拡大図、第８図は
第６図における一巡伝達関数を示すボード線図、第９図
は第６図における電子制御回路の伝達関数を示すボード
線図、第１０図は別の従来例の磁気軸受装置のブロック
図、第１１図は第１０図における帯域通過フィルタの伝
達関数を示すボード線図、第１２図は第１０図における
帯域消去フィルタの伝達関数を示すボード線図、第１３
図は第１０図における帯域通過フィルタ、帯域消去フィ
ルタ及び位相進み回路を総合した伝達関数を示すボード
線図、第１４図は第１０図における積分回路を含めた電
子系全体の伝達関数を示すボード線図である。 ２０．４０・・・・・・回転軸、２１．４１・・・・・
・位置センサ、２２．４２・・・・・・軸位置基準器、
２２．４３・・・・・・加算器、２４．４４・・・・・
・比例回路、２５．４５・・・・・・加算器、２６．４
６・・・・・・積分回路、２７．４７・・・・・・帯域
通過フィルタ、２８．４８・・・・・・低域微分回路、
２９・・・・・・直列回路、３０，５０・・・・・−電
力増幅器、３１．５１・・・・・・電磁石、３２．５２
・・・・・・コイル、４９・・・・・・速度フィードバ
ック回路。 代理人の氏名　弁理士　粟野重孝　ほか】名第２図 第３図 第４図 昧　　　　寸 第　６　図 １ダ 第７図 第８図 第９図 第１０図 第１１図 第１２図 第１３図 第１４図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）回転軸の半径方向の位置を検出するセンサと、こ
   のセンサの出力信号により電磁石のコイルへの電流を制
   御する制御回路とを備え、設定した回転軸の半径方向の
   位置に回転軸を保持する磁気軸受において、上記制御回
   路は、比例回路と、低周波域の剛性を付与する積分回路
   とを並列に設け、回路軸の固有軸の固有振動数よりやや
   高い中心周波数を有する帯域通貨フィルタと回転軸の固
   有振動数にほぼ等しい折れ点周波数を有する低域微分回
   路とを直列に接続して回転軸の固有振動数までの全周波
   数域で微分補償を行いさらに回転軸の固有振動数付近で
   微分ゲインが大となり前記微分補償効果を増大させる直
   列回路を前記比例回路と並列に設けた磁気軸受の制御装
   置。
2. （２）回転軸の半径方向の位置を検出するセンサと、こ
   のセンサの出力信号により電磁石のコイルへの電流を制
   御する制御回路とを備え、設定した回転軸の半径方向の
   位置に回転軸を保持する磁気軸受において、上記制御回
   路は、比例回路と、低周波域の剛性を付与する積分回路
   とを並列に設け、前記回転軸の半径方向位置の検出セン
   サの出力信号を入力とし、回転軸の固有振動数よりやや
   高い中心周波数を有する帯域通貨フィルタと回転軸の固
   有振動数にほぼ等しい折れ点周波数を有する低域微分回
   路とを直列に接続して回転軸の固有振動数までの全周波
   数域で制御系の減衰効果を得さらに回転軸の固有振動数
   付近で微分ゲインが大となり前記減衰効果を増大させる
   速度フィードバック回路を設けた磁気軸受の制御装置。