JPH05168197A

JPH05168197A - 磁気軸受制御装置

Info

Publication number: JPH05168197A
Application number: JP33090691A
Authority: JP
Inventors: Kiyoshi Ishida; 田精石
Original assignee: Yaskawa Electric Corp
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 1991-12-13
Filing date: 1991-12-13
Publication date: 1993-07-02
Anticipated expiration: 2016-07-11
Also published as: JP3185938B2

Abstract

(57)【要約】（修正有）【目的】起動時や停止時の過度状態に生起する過大電
流によっても、スイッチング・ロスの少ないパワー・ト
ランジスタの破損を保護し、かつ起動時や停止時に回転
自在に支承されるロータにショックを与えない手段を備
えた、磁気軸受制御装置を提供する。【構成】ロータ１に浮上力を与える電磁石２１，２２
と、該電磁石に電流を供給する電力増幅器６と、浮上制
御をする位相制御器５と、ロータ１の浮上位置を検出す
る変位センサー３と、電力増幅用のパワー電源１１と、
位相制御器５及び電力増幅器６の制御電源とから成る制
御形磁気軸受において、起動時は、制御電源投入後一定
時間たってからパワー電源を投入する手段と、さらに一
定時間経過してから電力増幅器６の出力をｏｎにする手
段と、停止時は、電力増幅器６の出力をｏｆｆにし、そ
の後一定時間たってから制御電源１０をｏｆｆにする手
段を備える磁気軸受制御装置。

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制御装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】回転機械の性能向上のため、非接触支持
して高速回転可能とする磁気軸受が最近とみに用いられ
つつある。そこでは負荷荷重を高めるための電磁石の吸
引力が利用され、電磁石に電流を供給するための電力増
幅器が採用されることが多い。そして、その電気的ロス
を減らすためのスイッチング形が用いられ［図２に図
示］、スイッチングによる電流リップルを減らすためキ
ャリア周波数が高められる。キャリア周波数を高めるに
つれスイッチング・ロスが増えるので、スイッチング時
間の短い例えばパワーＭＯＳ- ＦＥＴが用いられる。パ
ワーＭＯＳ- ＦＥＴはスイッチング時間が短かく、発生
ロスが少ないという長所はあるものの過負荷に弱く、少
しの過負荷で破損すると言う短所も備えている。このよ
うな電力増幅器のほかに、ロータの浮上位置を検出する
変位センサと、ロータと、ロータに浮上力を与え該電力
増幅器により電流を供給される電磁石と、浮上位置指令
と浮上位置検出信号とを比較する比較器と、その比較後
の偏差信号に基づいて働く位相制御器と、制御用電源
と、電力増幅器の主回路パワー電源とより磁気軸受制御
系が構成されている。また、パワースイッチング素子と
してＦＥＴを採用した、具体的な従来例１に特開平2-16
3511号公報がある。この従来例１は図４に示し、回転軸
１に回転軸子継鉄２を固着させた回転子から微小隙間を
設けてケーシングに固着し起磁力を発生するコイルを備
えた固定子電磁石を持ち、先の回転軸１とケーシング間
の相対変位を測定する変位センサ３を有し、この変位セ
ンサ３からの出力信号を基に回転軸子継鉄２と固定子電
磁石との間に作用する磁気吸引力を制御する位相補償回
路211 と電力増幅器を具備しており、その電力増幅器と
してパルス増幅回路［PWM 波形増幅回路215a,215b]があ
りこの出力でｏｎ，ｏｆｆ動作するパワースイッチング
素子（FET2) を有するスイッチング回路[216a,216b] か
ら、固定子電磁石のコイル(204a,204b) に電流を供給す
るよう構成すると共に、所定周期の矩形波信号を発生す
る矩形波発生回路213 と、位相補償回路211 の出力を変
調入力信号として矩形波発生回路213 からの矩形波信号
のパルス幅を変調するパルス幅変調回路［PWM 回路214
a,214b]を設けており、そのPWM 回路[214a,214b] の出
力をPWM 波形増幅回路[215a,215b] に入力するように構
成し、更に固定子電磁石のコイル(204a,204b) に供給さ
れる電流を検出する電流検出手段を備え、この電流検出
手段の出力をPWM 回路(214a,214b) に負帰還させて成る
磁気軸受装置の制御装置である。通常のパワートランジ
スタを使用する従前手段では、そのパワートランジスタ
に常に大電流を流しており、そのためパワートランジス
タの素子寿命が短くなったり、大きい容量のヒートシン
ク用ファンを必要とする隘路があったのを払拭したのが
従来例１であると記している。さらに、従来例２として
特開平1-274635号公報があり、それを図５に表す。入力
信号Ｖi と出力信号Ｖb とを比較する入出力比較回路30
1 と、この入出力比較回路301 における比較結果（Ｖo)
に基づいてパルス幅変調をするPWM 変調回路302 とを備
えており、このPWM 変調回路302 よりのｏｎ，ｏｆｆ出
力信号によって駆動するスイッチング素子ＦＥＴ303
と、そのスイッチング素子303 の出力側に接続して検出
用抵抗（Ｒd)を直列に設けた負荷コイル304 と、検出用
抵抗（Ｒd)の端子間電圧を入力とする増幅手段［差動増
幅器305]とを具備し、この差動増幅器(305) の出力を入
出力比較回路301 に帰還させて出力信号（Ｖo)とする磁
気軸受用パワー増幅器を設けている。従前の装置はスイ
ッチング素子ＦＥＴ303 のソースs から直接帰還させて
いた手段を改良し、スイッチング素子ＦＥＴ303 がｏｎ
よりｏｆｆへ移行するときに、負荷コイル304 のインピ
ーダンスによる自己誘導作用に基づき、ＦＥＴ303 の保
護ダイオードｄ1 に順方向電流ｉ2 が過度的に流れ、サ
ーボ制御系の安定性を乱すその過度電流にも対応できる
帰還系に改良した手段である。なお、Ｌ，Ｒ4 は負荷
（電磁石）コイル304 のインダクタンス，抵抗である。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところが、このような
制御系を起動する時、変位センサと、比較器と、位相制
御器と、電力増幅器の制御回路の制御電源と、電力増幅
器の主回路のパワー電源を同時に投入すると、各要素の
構成素子、特にパワー素子にかかるパワー電源とそれに
ゲート信号を送るゲート回路の制御電源の印加のされ方
にバラツキが生じ、電力増幅器の主回路素子のｏｎ状態
がある時間同時に作られることがあり、過大電流が流れ
て、過負荷に弱いパワーＭＯＳ- ＦＥＴが破損するとい
う事故が発生していた。また、停止する時も、制御電源
とパワー電源をｏｆｆしようとする時、それぞれの電源
の落ち方にバラツキが生じて微妙な時間のずれが生起す
ることもあるので、起動時と同様に、ある瞬間、主回路
素子のｏｎ状態が同時に作られ、過大電流が流れてパワ
ー素子が破損するというトラブルが生じることがあっ
た。このように、起動停止時に制御電源とパワー電源を
同時にｏｎ，ｏｆｆすると、パワー素子がまれに破損す
るという現象が発生することがあったので、実用上極め
て問題であった。また、位相制御器には、浮上位置の定
常偏差を無くすため積分器が用いられている。電源投入
と同時に積分器が投入されれば、上記の電源電圧が安定
化するまでの間中ずっと継続して浮上していない状態か
らの偏差が積分されるので、積分器出力が早い時刻から
飽和してしまい、電力増幅器に与えられている大きな指
令のため過大な始動電流が流れ、浮上するロータにショ
ックがかかり、適用される機械に与える影響が大きく実
用上問題であった。ところで、従来例１および従来例２
は、いずれもパワートランジスタとしてＦＥＴを適用し
てスイッチング素子における電力損失を勘案はするが、
スイッチング素子そのものの破損あるいは寿命などへの
考慮はなかった。、そこで、本発明では、起動時や停止
時の過渡状態に生起する過大電流によっても、スイッチ
ング・ロスの少ないパワー・トランジスタの破損を保護
し、かつ起動時や停止時に回転自在に支承されるロータ
にショックを与えない手段を備えた、磁気軸受制御装置
を提供することを目的とする。

【０００４】

【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、ロータに浮上力を与える電磁石と、
該電磁石に電流を供給する電力増幅器と、浮上制御をす
る位相送制御器と、ロータの浮上位置を検出する変位セ
ンサーと、電力増幅用のパワー電源と、位相制御器及び
電力増幅器の制御電源とから成る制御形磁気軸受におい
て、起動時には、制御電源とパワー電源を投入後一定時
間たってからパワー電源の出力をｏｎにし、電力増幅器
の出力をｏｎにして出力電流ゼロの状態にし、さらに一
定時間をおいてから積分作用のない位相制御器からの出
力をｏｎし、さらに一定時間をおいてから積分作用のあ
る位相制御器の状態にする手段を設け、停止時は、電力
増幅器の出力をｏｆｆすると同時にパワー電源をｏｆｆ
し、その後一定時間おいて制御電源をｏｆｆにする手段
を備える磁気軸受制御装置である。

【０００５】

【作用】本発明はこのように構成することにより、電力
増幅器の起動停止時には制御電源がｏｎの状態でパワー
電源がｏｎ，ｏｆｆされるので、主回路の動作が正常に
保たれ、過大電流が流れると言うトラブルが発生するこ
とはない。また、電力増幅器が正常動作している時に出
力がｏｎされ、ロータが浮上後に積分作用がｏｎするの
で、積分された浮上偏差指令が過大となることはなく、
小さな偏差で浮上し、起動時に過大な電流を供給するこ
となくスムーズな起動をすることができる。

【０００７】

【実施例】以下、本発明の具体的な一実施例を図１の回
路構成を表すブロック図の図面を用いて説明する。ま
た、図２は軸受支持用の磁気発生電磁石を励磁する電力
増幅器の内部の一部接続線図、図３は各部の出力のｏｎ
とｏｆｆを示すシーケンス図である。全ての図面におい
て、同一符号は同一もしくは相当部材を表す。ロータ１
は例えば２つの電磁石21,22 により浮上力Ｆを与えら
れ、その浮上位置Ｘをセンサ３が検出する。このセンサ
３によって検出された浮上位置信号Ｘf は比較器４によ
り位置指令値Ｘs と比較され、その偏差信号［ΔＸ＝Ｘ
s −Ｘf ］に応じてＰＩＤ制御の位相制御器５が働き、
パワースイッチング素子のプッシュプル接続から成る電
力増幅器６に指令を与えて、電磁石21,22 に電流Ｉが供
給される。10は位相制御器５と電力増幅器６とセンサー
３の制御要素［例えば、演算増幅器など］を能動的状態
におくための制御電源であり、11は電力増幅器６の主回
路電源用のパワー電源である。９は起動用のシーケンサ
であり図３に示す各部の出力のｏｎ，ｏｆｆのシーケン
スを司り例えばプリセットされ得るカウンタからなり、
制御電源10とともにＡＣ電源８に接続されマニュアルに
ナイフスイッチＭ0 を介して開閉が行われる。パワー電
源11はＡＣ電源８にナイフスイッチＭ0 と第１の接点Ｍ
1 を介して接続され、第３の接点Ｍ3 を経て電力増幅器
６と接続されている。起動用のシーケンサ９と位相制御
器５は第４の接点Ｍ4 および第５の接点Ｍ5 をそれぞれ
介して接続され、制御電源10は第２の接点Ｍ2 を介して
位相制御器５と電力増幅器６とに接続されている。電力
増幅器６は位相制御器５の指令に応じて電磁石21,22 の
電流を制御する。その電力増幅器６内の双方の主回路
は、図２に示すように、Ｈ形ブリッジを成す４っづつの
トランジスタＴr1, Ｔr2, Ｔr3, Ｔr4とトランジスタＴ
r5, Ｔr6, Ｔr7, Ｔr8がそれぞれ２っづっのゲート・ド
ライバ121,122 とゲート・ドライバ123,124 から駆動さ
れ、ブリッジの中間点から負荷の電磁石21と電磁石22に
接続されて形成されている。Ｐはパワ−電源の正、Ｎは
負［接地］を示し、51a,55a,61a,61b,,62a,62b,66a,67a
は接地である。ゲート・ドライバ121,122 とゲート・ド
ライバ123,124 は前段の回路で作られた方形波に応じて
それぞれ４つのトランジスタＴr1, Ｔr2, Ｔr3, Ｔr4と
トランジスタＴr5, Ｔr6, Ｔr7, Ｔr8をｏｎ，ｏｆｆさ
せ、出力電流Ｉが所望の大きさになるよう制御される
が、この挙動については公知のため省略する。ここで、
５つの接点Ｍ1,Ｍ2,Ｍ3,Ｍ4,Ｍ5 の動作シーケンスは、
例えばカウンタ−などの時間計数回路から成る起動用シ
ーケンサ９によって、次のように予め決められている。
ＡＣ電源８がマニュアルで投入されると一定時間後の時
点ｔ1 に第１の接点Ｍ1 と第２の接点Ｍ2 がｏｎ［導
通］し、位相制御器５と電力増幅器６とセンサ３に制御
電源10が供給され、それと同時にパワー電源11にＡＣ電
源８が接続される。そうして、一定時間を経た後、時点
ｔ2 で第３の接点Ｍ3 がｏｎしてパワー電源11により電
力増幅器６の主回路電源が供給され［図２の接点Ｍ3a,
Ｍ3bならびに接点Ｍ3c, Ｍ3dがｏｎする］、さらに一定
時間後の時点ｔ3 に第４の接点Ｍ4 がｏｎして位相制御
器５の信号が出力［位相制御器５の出力段にあるリレー
56がｏｎ］され、さらに一定時間後の時点ｔ4 で第５の
接点Ｍ5 がｏｎして位相制御器５内の積分器がｏｎ［つ
まり積分コンデンサ52が作動するようにリレー52の接点
がｏｆｆになる］される。このようなシーケンスにおけ
る始めのステップ、すなわち第１および第２の接点Ｍ1
およびＭ2 がオンされた時点ｔ1 の直後では、電力増幅
器６は主回路電源が供給されないため、位相制御器５か
ら指令が来ても電流は供給されない。図２に表す電力増
幅器６の主回路への入力段の方形波電圧波形の生成は、
図１に示すように位相制御器５からの出力信号と、電磁
石21および電磁石22を流れる負荷電流の電流を検出する
電流検出器［変流器21と22] からの検出信号と、三角波
発振器65からの三角波信号とを、おのおのコンパレータ
66および67における比較演算から得られる。そしてこの
方形波電圧波形のパルス幅に応じ、ゲートドライバ121,
122 およびゲートドライバ123,124 にパルスを与え、ト
ランジスタＴr1, Ｔr4とトランジスタＴr2, Ｔr3ならび
にトランジスタＴr5, Ｔr8とトランジスタＴr6, Ｔr7を
交互にｏｎするが、主回路電源が供給されないので電磁
石21と電磁石22には電流が流れない。第１および第２の
接点Ｍ1,Ｍ2 がｏｎになった後、一定時間（例えば0.5s
ec）した時点ｔ2 で第３の接点Ｍ3 がｏｎになると、ゲ
ートドライバ121,122 およびゲートドライバ123,124 が
交互に働き［なお、ゲートドライバ122,124 の入力段の
○印は電圧位相の反転記号を示す］、トランジスタＴr
1, Ｔr4とトランジスタＴr2, Ｔr3ならびにトランジス
タＴr5, Ｔr8とトランジスタＴr6, Ｔr7が交互にｏｎさ
れているので、主回路電源が印加されても、その瞬間に
過大電流が流れることはない。電磁石21ならびに電磁石
22に流れる電流は、リレー56がｏｆｆのため位相制御器
５から電力増幅器６へ信号がいかず、電力増幅器６がゼ
ロ電流を出力するため、ゼロとなる。さらに一定時間後
（例えば0.5sec) 時点ｔ3 で、第４の接点Ｍ4 がｏｎさ
れると位相制御器５の信号が電力増幅器６へ伝えられ、
比較器４、位相制御器５、電力増幅器６、電磁石21,22
、センサー３によって成る磁気軸受制御系の働きによ
り、ロータ１が浮上する。さらに一定時間後（例えば0.
5sec) 時点ｔ4 にて、第５の接点Ｍ5 がｏｎされるに及
び位相制御器５の積分器（積分コンデンサ52) がｏｎさ
れると、浮上位置の偏差ΔＸが積分され、指令値として
加算されて電力増幅器６に与えられるので、積分器投入
後除々に偏差ΔＸは小さくなり、大電流を流すことなく
偏差ΔＸはゼロとなり、スームズな浮上ができるのであ
る。浮上を停止する時は、図３に表すように、まず第
３，第４および第５の接点Ｍ3,Ｍ4 およびＭ5 が時点ｔ
5 でｏｆｆ［遮断］され、積分器の作用が解除されと同
時に、電力増幅器６の主回路電源が遮断される。電力増
幅器６の機能が正常な状態にある時に遮断されるので、
主回路内に異常な電流が流れることなく電磁石21,22 へ
供給される電流が停止させられ、主回路素子［ＦＥＴの
ｔr1〜ｔr8] にトラブルが生じることはない。そして、
第３，第４および第５の接点Ｍ3,Ｍ4 およびＭ5 がｏｆ
ｆされて一定時間後（例えば1sec) 時点ｔ6 で、第１，
第２の接点Ｍ1,Ｍ2 がｏｆｆされ、磁気軸受制御装置が
停止するのである。上記の実施例では、第４の接点Ｍ4
をｏｎにした［時点ｔ2]一定時間後［時点ｔ4]に第５の
接点Ｍ5 をオンにする手段を示したが、第４の接点Ｍ4
と第５の接点Ｍ5 を同時にｏｎしてもよい。第４の接点
Ｍ4 がｏｎされロータ１が浮上し始めると同時に、積分
器がｏｎされロータ１の浮上偏差ΔＸを積分しても、初
めは積分器出力がゼロであるため、いきなり過大な信号
を出力されるわけではなく、時間とともに大きくなる
が、同時にロータ１も浮上し偏差ΔＸが小さくなるの
で、総じて大きな信号とはならず、スムーズな浮上が可
能となるのである。

【００１３】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、制
御電源投入後、一定時間経過して主回路電源を投入する
ようにし、停止時も電磁石に負荷電流を加える主回路電
源をｏｆｆした後、制御回路を能動的にさせる制御電源
を遮断するようにしたので、起動停止時の過度状態に過
大電流が流れることを防止し、パワー素子が破損するこ
とを防ぐことが可能となり、磁気軸受制御装置の信頼性
を一段と向上する特有の効果が認められる。また、浮上
後または浮上と同時に積分器をｏｎするので、過大な起
動電流が生ぜず、ロータにショックを与えることなく浮
上させ、磁気軸受が適用される回転電気の信頼性が著し
く増大するという、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の実施例におけ回路構成図。

【図２】本発明の第１の実施例の電力増幅器の一部結線
図。

【図３】本発明の第１の実施例に適用する各部動作のｏ
ｎ，ｏｆｆのタイムチャート。

【図４】従来例１の回路構成図。

【図５】従来例２の回路構成図。

【符号の説明】

１ロータ 21 電磁石 22 電磁石３センサー４比較器５位相制御器６電力増幅器８ＡＣ電源９起動シーケンサ 10 制御電源 11 パワー電源 51 演算増幅器 51a 接地 52 積分コンデンサ 53 リレー 54 コンデンサ 55 演算増幅器 55a 接地 56 リレー 61 電力増幅器 61a 接地 61b 接地 62 電力増幅器 62a 接地 62b 接地 63 電流検出器（変流器） 64 電流検出器（変流器） 65 三角波発振器 66 コンパレータ 66a 接地 67 コンパレータ 67a 接地 121 ゲート・ドライバ 122 ゲート・ドライバ 123 ゲート・ドライバ 124 ゲート・ドライバＭ1 第１の接点Ｍ2 第２の接点Ｍ3 第３の接点Ｍ4 第４の接点Ｍ5 第５の接点Ｔr1 トランジスタＴr2 トランジスタＴr3 トランジスタＴr4 トランジスタＴr5 トランジスタＴr6 トランジスタＴr7 トランジスタＴr8 トランジスタ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ロータに浮上力を与える電磁石と、該電磁
石に電流を供給する電力増幅器と、浮上制御をする位相
制御器と、ロータの浮上位置を検出する変位センサー
と、電力増幅用のパワー電源と、位相制御器及び電力増
幅器の制御電源とから成る制御形磁気軸受において、起動時は、制御電源投入後一定時間たってからパワー電
源をｏｎにし出力電流ゼロの電力増幅器を立上げる手段
と、その後一定時間たってから位相制御器の出力をｏｎにす
る手段と、停止時は、電力増幅器の出力をｏｆｆにし、その後一定
時間たってから制御電源をｏｆｆにする手段をそれぞれ
備えることを特徴とする磁気軸受制御装置。
【請求項２】位相制御器に積分器を設け、起動時は、位
相制御器の出力をｏｎにする直前までは積分器の積分作
用をｏｆｆとし、位相制御器の出力をｏｎにした後一定
時間後または同時に積分器の積分作用をｏｎとする手段
を具備したことを特徴とする請求項１に記載の磁気軸受
制御装置。