JPH05164130A - 磁気軸受の制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】 ジャイロ効果による固有振動数の変化に対し
ても、回転体を安定に支持する簡素で安価な磁気軸受制
御装置を提供する。 【構成】 回転体４のまわりに配置した２組の電磁石３
と、回転体４の変位を検出する検出器と、その検出器か
らの検出信号により電磁石３を制御する補償器２と、そ
の補償器２の前段に設けた位相制御器１あるいは位相補
償器２とからなる磁気軸受制御装置において、この位相
制御器１を単段あるいは多段の位相進み回路あるいは位
相遅れ回路で構成したり、位相補償器１を単段あるいは
多段のノッチフィルタとし、ジャイロ効果により変化す
る回転体４の曲げ固有振動数の範囲外に帯域をもつノッ
チフィルタに改めて、ジャイロ効果により変化する回転
体４の曲げ固有振動数の範囲における開ループ伝達特性
の位相が１８０°遅れあるいは１８０°進みにならない
ように位相制御器１を設定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、回転体または直線移動
体を非接触で支持し、特に低速回転時から高速回転時に
わたる広い回転領域での安定化を図る磁気軸受装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】回転体の両端においてその回転軸［軸
頸］の外周を抱覆するような内周面を持ち空隙を介して
磁気的に回転自在に支承する磁気軸受で支持する場合の
概念図を図９に示す。図９(b) は磁気軸受構成図で、回
転体４の回転軸の左，右端における電磁石３R,３L の発
生する電磁力でこの回転体４を、例えば軸に直角の平面
のＸおよびＹ方向の４方向から磁束により支承し、回転
体４の中心と電磁石３R,３L の中心とのずれである変位
を変位センサ５R,５L で検出し、補償器２R,２L に負帰
還して電磁石３R,３L への電流を制御して、検出される
変位を所期の値、つまり理想的には軸の中心と電磁石３
R,３L の中心が一致するように制御している。しかし
て、このとき回転体４の回転数に対応する１次固有振動
モードｋは、回転軸の右の節をＰR 、左の節をＰL とす
る図９(a) の様なモードとなる。この振動を極力抑制回
避しながら回転軸の中心を電磁石３R,３L の中心に位置
制御することが望ましいことは全ての場合について言え
る。そこで、従来、回転体４を高速時においても安定に
支持するため、例えば図７に示すような回路構成から成
るフィードバック制御系を組んでいる。図７において、
７a はノッチフィルタ、２はＰＩＤを基本とし電流増幅
も行う補償器、３は回転体４を磁気的に支承する磁気軸
受の主要部を成す電磁石、４は回転体、５は回転体４の
変位を検出する変位センサである。この第１の従来例の
場合、回転体４を安定に支持するため、回転体の固有振
動数に中心周波数をもつノッチフィルタ７a を補償器２
の前段に設定する、詳しくは回転体４が回転することに
より２つに分かれる固有振動数に対し、定格回転数にお
ける前回り固有振動数や、後回り固有振動数に中心周波
数をもつノッチフィルタ７a を補償器２の前段に多重設
定している。つまり少なくとも前回り固有振動数を中心
周波数とするノッチフィルタを１個と後回り固有振動数
を中心周波数とするノッチフィルタ１個との、計２個以
上のノッチフィルタ７aを直列接続し、その出力を補償
器２の入力として回転軸の位置を制御している。また、
第２の従来例として、特開平1-150015号公報がある。こ
れは回転体４の回転数に応じて変化する前回り固有振動
数、及び、後回り固有振動数に対し、中心周波数が回転
数に応じて減少、または、増加する追従性のあるノッチ
フィルタ７a を同じく図７に示すような回路構成のフィ
ードバック制御系に設けて、回転体を安定に支持しよう
としている。すなわち、第１およびの第２の従来例にお
ける制御系は同じような回路構成で、ノッチフィルタ７
a の形態が相違するところに両者の本質の差がある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところが、第１の従来
例において、回転体４のジャイロ効果が大きい場合、静
止時の固有振動数と、定格回転数における前回り固有振
動数及び後回り固有振動数が離れている。従って、定格
回転数における固有振動数に中心周波数をもつノッチフ
ィルタ７a を設定しても定格回転数以下の回転数では、
固有振動数がノッチフィルタ７a のゲインの小さな範囲
からずれるため、回転体の共振ピークが現れる。この回
転中における開ループ伝達特性を図８に示す。なお、こ
の図８においてｆ1B, ｆ2Bは、曲げ１次の後回り固有振
動数の共振点と反共振点であり、ｆ1F, ｆ2Fは前回り固
有振動数の共振点と反共振点である。また、NF1 は静止
時の固有振動数に中心周波数をもつノッチフィルタの阻
止周波数、NF2 は回転体の定格回転数における前回り固
有振動数、NF3 は後回り固有振動数に中心周波数をもつ
ノッチフィルタの阻止周波数である。

【０００４】そこで、図８を見ても明らかなように、ノ
ッチフィルタ阻止周波数NF1,NF2,NF3 の前後において、
位相が大きく変化しているため、回転体の共振ゲインが
高いところで［図８(a) のｆ1Bとｆ1Fであり、図８(b)
の81と82である] 、位相が−１８０°となっている。こ
れは制御系が不安定であることを意味しており、回転体
が発振し、軸受を安定に支持することができなくなると
いう問題点がある。次に、第２の従来例では、ノッチフ
ィルタの中心周波数を、ジャイロ効果により変化する固
有振動数に追従させる目的で、回転数に応じた出力を出
す回転数計や、その回転数計からの出力を前回り及び後
回り固有振動数にそれぞれ対応させるための加算器及び
減算器が必要となる。従って、磁気軸受を制御する装置
が複雑で高価になるという問題点がある。そこで、本発
明では、ジャイロ効果による固有振動数の変化に対して
も、回転体を安定に支持する簡素な磁気軸受制御装置を
安定した手段のローコストで提供することを目的とす
る。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明では、上記の問題
点を解決するため、従来、回転体の固有振動数に対して
設定していたノッチフィルタの代わりに、位相進み回路
あるいは位相遅れ回路から成る位相制御器を設定する。
あるいは、従来、回転体の固有振動数に対して設定して
いたノッチフィルタの帯域を、ジャイロ効果で変化する
固有振動数の範囲外にした位相補償器を設ける。もしく
は、ジャイロ効果により変化する回転体の固有振動数の
範囲において、開ループ伝達特性の位相が１８０°遅れ
あるいは１８０°進みにならないようにする。これは図
７に示すフィ−ドバック制御系において、 電磁石の力
（Ｆ）／回転軸の変位（Ｘ）の正の減衰を電磁石から回
転体へ与えることと同様である。

【０００６】

【作用】本発明は上記のように、回転体の固有振動数に
対して、ノッチフィルタを用いない位相制御器、あるい
は、ノッチフィルタの帯域をジャイロ効果で変化する回
転体の固有振動数の範囲外にした位相制御器あるいは位
相補償器を適用しているため、開ループ伝達関数の位相
が１８０°遅れあるいは１８０°進みにならず、ジャイ
ロ効果で回転体の固有振動数が変化しても、回転体を安
定に支持できる。

【０００７】

【実施例】以下、本発明の実施例について図面を参照し
て説明する。全ての図面において、同一符号は同一部材
を示す。図１は本発明の第１の実施例におけるフィード
バック系から成る回路構成図である。図１では、補償器
２，電磁石３，回転体４および変位センサ５ならびに減
算器６は従来例と同じであり、従来例で用いたノッチフ
ィルタの代りに、位相制御器１を適用し、これを減算器
６と補償器２の間に挿入接続している。この制御系は、
回転体４の回転軸の中心の位置を位置指令ＸS として減
算器６に与えると、実際の回転体４の回転軸の中心の位
置が変位センサで検出されて検出変位Ｘf として帰還さ
れ、その減算器６で位置指令ＸS から減算されて変位偏
差ΔＸが導出され、この変位偏差ΔＸに対応した例えば
回転体４の回転軸の中心の位置を僅かの空隙を介して取
り囲む電磁石へ与える電流Ｉを、補償器２において制御
演算しさらに電流増幅して、電磁石３へ加えるようにし
ており、先の変位偏差ΔＸが零になるように、つまり
変位偏差ΔＸ＝０ にして 位置指令ＸS ＝変位Ｘ と
なるように自動的にループ制御がなされる。

【０００８】そこで、図２に本発明の第１の実施例の開
ループ伝達特性を表す。図２においてｆ1B, ｆ2Bは曲げ
１次の後回り固有振動数の共振点と反共振点、ｆ1F, ｆ
2Fは１次の前回り固有振動数の共振点と反共振点であ
る。位相制御器１は、ｆc をカットオフ周波数とするロ
ーパスフィルタで、ここでは３次のローパスフィルタの
場合を示している。ところで、後回り固有振動数のゲイ
ンのピークとなるｆ1Bは０dBより上側にあるが、このと
きの位相をみると−１８０°からの余裕が大きい［位相
約０°］ため、回転体は発振せず、安定に支持される。
また、静止浮上時においても、−１８０°からの位相の
余裕が多いために同様に安定となる。よって、定格回転
時における後回り固有振動数［共振点ｆ1B］をＡ点より
高周波側、つまり周波数ｆA よりも右側になるように位
相制御器１を設定すれば、静止浮上時から定格回転数の
範囲において、回転体は安定に支持される。上記第１の
実施例では、位相制御器１をローパスフィルタ（位相遅
れ回路）としたが、ジャイロ効果により変化する範囲の
位相を安定にできるもの［例えば、ハイパスフィルタ
（位相進み回路）等] であれば何でも構わない。これら
のフィルタのときはカットオフ周波数を、ジャイロ効果
で変化する固有値の範囲内に設定してもよい。

【０００９】位相制御器１に適用する、カットオフ周波
数ｆc の３次のローパスフィルタの回路構成の詳細図を
図３(a) およびそのボード線図を図３(b),(c) に示す。
なお、これらフィルタの構成要素において、Ｒ1 からＲ
5 までは抵抗器，Ｃ1 からＣ3 まではコンデンサ，Ａ1
とＡ2 は演算増幅器であり、演算増幅器Ａ1 が２次ロー
パスフィルタを形成し演算増幅器Ａ2 が１次ローパスフ
ィルタを形成し両者を直列接続して３次のローパスフィ
ルタを構成している。なお、図３(a) の中で記した▽印
は接地を表す。この３次のローパスフィルタの入力電圧
をＶin、出力電圧をＶout 、演算増幅器Ａ1 とＡ2 のゲ
インをＧ0 とＧ1 、定数をａ，ｂ，ｃ、ラプラス演算子
をｓとすると、３次のローパスフィルタの伝達関数ＧL
(s)は、 ＧL(s)＝Ｖout ／Ｖin［図３］ ＝｛（Ｇ0 ・ｂ）／（ｓ² ＋ａｓ＋ｂ）｝×｛（Ｇ1 ／
（１＋ｃｓ）｝となり、その周波数特性は図３ (b),(c)
の様になる。図３ (b)ではカットオフ周波数ｆc より高
周波側になるにつれ周波数が10倍で60dB下がる漸近線に
近づく。

【００１０】図４は位相制御器１に適用するハイパスフ
ィルタの回路構成の詳細図を図４(a) に、そのボード線
図を図４(b),(c) に表す。なお、これらフィルタの構成
要素において、Ｒ6 からＲ8 までは抵抗器，Ｃ4 はコン
デンサ，Ａ3 は演算増幅器である。ｇ，ｈを定数、演算
増幅器Ａ3 のゲインをＧ3 とすると、ハイパスフィルタ
の伝達関数ＧH(s)は、 ＧH(s)＝Ｖout ／Ｖin［図４］ ＝Ｇ3 （１＋ｈｓ）／（１＋ｇｓ） この場合、出力電圧Ｖout は入力電圧Ｖinに対して反転
しているので、実際に使用するときは、もう一度反転回
路をつけて極性を一致させる。図４(b),(c) のボード線
図において、位相Φ(deg) が正の範囲（位相進み領域）
で使用するものである。

【００１１】図５は第２の実施例の回路構成を表すブロ
ック図で、図６はその制御系の開ループ伝達関数特性図
である。この第２の実施例は、回転体４の定格回転数に
おける後回り固有振動数以下に中心周波数をもつノッチ
フィルタを、位相補償器７として減算器６と補償器２の
間に挿入接続し、その他の構成要素は図１の第１の実施
例と同じにして形成した制御系である。これは、ジャイ
ロ効果による曲げ１次固有振動数の変化する範囲を、ノ
ッチフィルタの高周波側の位相進み領域になるようにし
たもので、この場合も、回転体の静止浮上から定格回転
数までの範囲において、回転体は安定に支持される。例
えば、静止時の曲げ１次固有振動数をｆ1 とすると、こ
の回転体４が定格回転数［Ｎrpm]まで回転した時、曲げ
１次固有振動数が後回り固有振動数ｆ1Bと前回り固有振
動数ｆ1Fに変化したとする。このとき、位相補償器７の
ノッチフィルタは周波数ｆ1Bからｆ1Fの間に設定しない
で、後回り固有振動数ｆ1Bより低い周波数（ここではＮ
1)に設定して、後回り固有振動数ｆ1Bから前回り固有振
動数ｆ1Fの範囲をノッチフィルタの位相進み領域になる
ようにするものである。ここで、曲げ１次の後回り固有
振動数と、前回り固有振動数のゲインのピークとなるｆ
1Bとｆ1Fは、０dBより上側にあるが、位相をみると−１
８０°からの余裕が大きいため、回転体は安定に支持さ
れる。

【００１２】ここで、図10に本発明に採用されるノッチ
フィルタの特性をボード線図を用いて説明をする。ノッ
チフィルタの周波数特性として、中心周波数Ｎ2 の前後
で位相が−９０°から＋９０°に大きく変わる。従っ
て、中心周波数Ｎ2 の右側（斜線部）では、図４(c) の
位相進み回路に近い特性が得られる。このように、ノッ
チフィルタの位相特性を巧みに適用したのが本発明の第
２の実施例である。逆に、回転体の前回り固有振動数以
上［図８のNF2 の周波数より高周波側（右側）］に中心
周波数をもつノッチフィルタを設定すれば、第１の実施
例の場合と同じ様な位相遅れ回路に近い特性で使用する
こともできる。さらにまた、第１の実施例のフィルタか
らなる位相制御器１と、第２の実施例のノッチフィルタ
［位相補償器］７の両方で構成してもよいことは明白で
ある。さらに、上記の第１および第２の実施例では、曲
げ１次の固有振動数について説明したが、曲げ２次以上
の固有振動数についても同様に対処できることも明らか
である。なお、これまでの説明は全てアナログ回路を用
いたが、それらに代えてデジタル回路を採用しても同様
の特性を得ることができる。

【００１３】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、ジ
ャイロ効果により変化する固有振動数に対してノッチフ
ィルタを用いず、あるいは従来のノッチフィルタの適用
手段を改善して、開ループ伝達特性の位相特性を、回転
軸の固有振動数が発振し拡大しない安定な範囲に設定す
ることにより、回転体を静止浮上から定格回転時まで安
定に支持でき、回転体の運転の信頼性が著しく向上し、
かつ経済的にも有利な手段となるという、特段の効果を
奏することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例におけフィードバック系
から成る回路構成図。

【図２】本発明の第１の実施例の特性を表すボード線
図。

【図３】本発明の第１の実施例に適用するローパスフィ
ルタの回路構成図，その特性を表すボード線図。

【図４】本発明の第１の実施例に適用するハイパスフィ
ルタの回路構成図，その特性を表すボード線図。

【図５】本発明の第２の実施例におけフィードバック系
から成る回路構成図。

【図６】本発明の第２の実施例の特性を表すボード線
図。

【図７】従来例の回路構成図。

【図８】従来例の特性を表すボード線図。

【図９】本発明が適用される磁気軸受の制御装置の概要
図と回転体の１次固有振動モードの説明図。

【図１０】本発明に採用されるノッチフィルタの特性を
表すボード線図。

【符号の説明】

１ 位相制御器 ２ 補償器 ２R 補償器 ２L 補償器 ３ 電磁石 ３R 電磁石 ３L 電磁石 ４ 回転体 ５ 変位センサ ５R 変位センサ ５L 変位センサ ６ 減算器 ７ 位相補償器 ７a ノッチフィルタ Ａ1 演算増幅器 Ａ2 演算増幅器 Ａ3 演算増幅器 Ｃ1 コンデンサ Ｃ2 コンデンサ Ｃ3 コンデンサ Ｃ4 コンデンサ Ｒ1 抵抗器 Ｒ2 抵抗器 Ｒ3 抵抗器 Ｒ4 抵抗器 Ｒ5 抵抗器 Ｒ6 抵抗器 Ｒ7 抵抗器 Ｒ8 抵抗器 Ｖin 入力電圧 Ｖout 出力電圧

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】回転体が回転自在に空隙を介して磁気的に
   支承されるように回転軸の両端付近の回りに配置した各
   端で２組の軸受用電磁石と、 回転体の変位を検出する変位センサと、 その変位センサからの検出変位信号と位置指令との変位
   偏差信号により電磁石に与える電流の位相を制御する位
   相制御器と、 その制御信号に基づき電磁石の電流を制御する補償器を
   備えた磁気軸受の制御装置において、 前記位相制御器を単段あるいは多段の位相進み回路ある
   いは位相遅れ回路で形成し、ジャイロ効果により変化す
   る回転体の曲げ固有振動数の範囲における開ループ伝達
   特性の位相が１８０°遅れあるいは１８０°進みになる
   範囲を除去するように構成したことを特徴とする磁気軸
   受の制御装置。
2. 【請求項２】請求項１における位相制御器を位相補償器
   とし、その位相補償器をジャイロ効果により変化する回
   転体の曲げ固有振動数の範囲外に帯域をもつ単段あるい
   は多段のノッチフィルタで形成し、ジャイロ効果により
   変化する回転体の曲げ固有振動数の範囲における開ルー
   プ伝達特性の位相が１８０°遅れあるいは１８０°進み
   になる範囲を除去するように構成したことを特徴とする
   磁気軸受の制御装置。