JPH06229419A - 磁気軸受 - Google Patents

磁気軸受

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JPH06229419A
JPH06229419A JP16011593A JP16011593A JPH06229419A JP H06229419 A JPH06229419 A JP H06229419A JP 16011593 A JP16011593 A JP 16011593A JP 16011593 A JP16011593 A JP 16011593A JP H06229419 A JPH06229419 A JP H06229419A
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hysteresis
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switching
amplifier
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 簡単な構成でロータの位置を高精度に制御す
る。 【構成】 磁気軸受は、ロータ11を挟んで対向する位
置に配設された電磁石12a、12bと、電磁石12
a、12bに励磁電流を供給するヒステリシスアンプ1
3a、13bと、各ヒステリシスアンプ13a、13b
におけるスイッチングの波形の位相差を検出する位相比
較器14と、この位相比較器14の出力を直流電流に変
換して各ヒステリシスアンプ13a、13bに供給する
ループフィルタ15と、ヒステリシスアンプ13a、1
3bにおけるスイッチング周波数に比例した電圧信号を
得るF/Vコンバータ35a、35bと、これら電圧信
号の偏差を取る加算器36と、前記偏差からヒステリシ
スアンプ13a、13bを安定化制御する安定制御回路
37とを備えている。このようにフェイズロックトルー
プに周波数−電圧サーボ系を併用して、系全体の安定化
させている。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、電磁石の磁力の強弱を
制御することによりロータを浮上させると共に、ロータ
の浮上位置を検出することにより前記ロータの浮上位置
を一定に維持制御できる磁気軸受に関する。
【0002】
【従来の技術】近年、IC製造装置のように高度のクリ
ーン環境が要求される場所の搬送装置として、非接触的
に搬送することのできる磁気浮上装置が用いられてい
る。この磁気浮上装置では、浮上体としてのロータを電
磁石の磁力によって浮上させると共に、ロータの浮上位
置を検出することによりロータの浮上位置を一定に保つ
ように制御する磁気軸受が用いられている。
【0003】図16は従来の磁気軸受の構成を示すブロ
ック図である。この磁気軸受は、それぞれロータ41を
挟んで対向する位置に配設された2つの電磁石42a、
42bと、2つの位置センサ43a、43bとを備えて
いる。磁気軸受は、さらに、位置センサ43a、43b
の検出信号を入力するブリッジ回路44と、このブリッ
ジ回路44の出力信号と基準信号45とを比較する比較
器46と、この比較器46の出力信号の位相を進める等
の処理を行う信号処理回路47と、この信号処理回路4
7の出力信号を増幅して電磁石42a、42bに与える
増幅回路48a、48bとを備えている。
【0004】この磁気軸受では、ロータ41が電磁石4
2a、42bの磁力によって浮上保持される。ロータ4
1の位置は位置センサ43a、43bによって検出さ
れ、ブリッジ回路44によってロータ41の位置に応じ
た信号が得られ比較器46に送出される。比較器46で
は、ブリッジ回路44の出力信号と基準信号45とを比
較して基準の位置との差に応じた信号が得られ、この信
号が信号処理回路47で処理されて増幅回路48a、4
8bに与えられる。そして、この増幅回路48a、48
bによって電磁石42a、42bへ励磁電流が供給され
る。このようにして、ロータ41が所定の位置に維持さ
れるように制御されることになる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】ところで、従来の磁気
軸受では、位置センサを用いてロータの位置を検出して
いるが、位置センサによって精度良くロータの位置を検
出するのが技術的に難しく、またロータの位置を高精度
に制御するためには高精度の高価なセンサが必要になる
という問題点があった。
【0006】また、従来の磁気浮上系では、保持精度を
高めるために、積分要素をフィードバックループに挿入
することがよく行われる。しかし、このような積分要素
は程度の差こそあれ近似的なものである。例えば、積分
要素をアナログ回路で構成した場合、OPアンプのオフ
セットのため、直流ゲインを無限大にすることはできな
かった。また、ディジタル制御装置を用いて構成した場
合には、AD変換や計算機内部での量子化誤差のため、
ある程度の偏差が残っていた。このように、従来の磁気
浮上系では、積分要素の配置による保持精度の向上に
は、一定の限界があった。
【0007】そこで本発明の目的は、簡単な構成でロー
タの位置を高精度に制御することのできる磁気軸受を提
供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項1記載の発明による磁気軸受は、ロータを磁
力によって浮上させる電磁石と、この電磁石に励磁電流
を供給するヒステリシスアンプと、前記ヒステリシスア
ンプにおけるスイッチングの位相に応じて前記ヒステリ
シスアンプより供給される励磁電流を制御して前記ヒス
テリシスアンプにおけるスイッチングの周波数を制御す
るフェイズロックトループを用いて、ロータの位置を制
御する位置制御手段とを具備することを特徴とするもの
である。
【0009】上記目的を達成するために、請求項1記載
の発明による磁気軸受は、ロータを磁力によって浮上さ
せる電磁石と、二つのレベルの電圧をスイッチングによ
り切り換えて前記電磁石に与えることにより前記電磁石
に励磁電流を供給するヒステリシスアンプと、前記ヒス
テリシスアンプにおけるスイッチングの位相に応じて前
記ヒステリシスアンプより供給される励磁電流を制御し
て前記ヒステリシスアンプにおけるスイッチングの周波
数を制御するフェイズロックトループを用いて、ロータ
の位置を制御する位置制御手段とを具備することを特徴
とするものである。
【0010】上記目的を達成するために、請求項2記載
の発明による磁気軸受は、ロータを磁力によって浮上さ
せる電磁石と、二つのレベルの電圧をスイッチングによ
り切り換えて前記電磁石に励磁電流を供給するヒステリ
シスアンプと、前記ヒステリシスアンプにおけるスイッ
チングの位相に応じて前記ヒステリシスアンプより供給
される励磁電流を制御して前記ヒステリシスアンプにお
けるスイッチングの周波数を制御するフェイズロックト
ループと、前記ヒステリシスアンプにおけるスイッチン
グの周波数に応じた電圧を得て当該電圧を基に前記ヒス
テリシスアンプより供給される励磁電流を制御して前記
ヒステリシスアンプにおけるスイッチングの周波数を制
御する周波数−電圧サーボ系と、を併用してロータの位
置を制御する位置制御手段とを具備することを特徴とす
るものである。
【0011】
【作用】請求項1および請求項2記載の発明では、電磁
石を励磁するアンプとして、スイッチング周波数がイン
ダクタンスによって変化する性質を持つヒステリシスア
ンプを使用する。ヒステリシスアンプは、電磁石とロー
タ間のギャップ変化に応じてインダクタンスが変化し、
これに伴ってスイッチング周波数も変化する。本発明の
磁気軸受では、このようなヒステリシスアンプを利用し
て、位置センサを用いることなくロータの位置を検出で
きるようにしている。そして、フェイズロックトループ
を用いてスイッチング周波数が一定になるように制御す
ることによってロータを一定の位置に保持している。そ
して、検出したロータの位置を基に、フェイズロックト
ループを用いてスイッチング周波数が一定になるように
制御することによってロータを一定の位置に保持してい
る。
【0012】また、請求項3記載の発明では、請求項2
記載の発明のように、スイッチング周波数がインダクタ
ンスによって変化する性質を持つヒステリシスアンプを
使用し、このヒステリシスアンプのスイッチング周波数
が電磁石のロータに対する位置に応じて変化することを
利用して、位置センサを用いることなくロータの位置を
検出している。加えて、その検出したロータの位置に基
づいてフェイズロックトループを用いてスイッチング周
波数が一定になるように制御することによってロータを
一定の位置に保持すると共に、スイッチング周波数に応
じた電圧を得て、その電圧でもって周波数−電圧フィー
ドバック制御を行うことにより、フェイズロックトルー
プの誤同期を防止するようにしている。
【0013】
【実施例】以下本発明の磁気軸受における好適な実施例
について、図1から図15を参照して詳細に説明する。
図1は本発明の一実施例の磁気軸受の構成を示すブロッ
ク図である。この図に示すように本実施例の磁気軸受
は、ロータ11を挟んで対向する位置に配設された2つ
の電磁石12a、12bと、二つのレベルの電圧をスイ
ッチングにより切り換えて前記電磁石12a、12bに
印加することにより、前記電磁石12a、12bに励磁
電流を供給するヒステリシスアンプ13a、13bと、
各ヒステリシスアンプ13a、13bにおけるスイッチ
ングの波形を入力し、両波形の位相差を検出する位相比
較器14と、この位相比較器14の出力を直流電流に変
換して各ヒステリシスアンプ13a、13bに供給する
ループフィルタ15とを備えている。
【0014】この磁気軸受では、ヒステリシスアンプ1
3a、13bから電磁石12a、12bに励磁電流が供
給され、この電磁石12a、12bの磁力(吸引力
1 、F2 )によってロータ11が浮上保持される。ま
た、ヒステリシスアンプ13a、13bにおけるスイッ
チングの波形が位相比較器14に入力され、両波形の位
相差が検出される。そして、この位相比較器14の出力
がループフィルタ15によって直流電流に変換され、ヒ
ステリシスアンプ13a、13bに供給される。このよ
うに、ヒステリシスアンプ13a、13b、位相比較器
14およびループフィルタ15によってフェイズロック
トループ(PLL)が形成され、ロータ11の位置Xが
所定の位置に維持されるように制御される。
【0015】このように本実施例では、電磁石12(1
2a、12bを代表する。)を励磁するアンプとして、
スイッチング周波数がインダクタンスによって変化する
性質を持つヒステリシスアンプ13(13a、13bを
代表する。)を使用し、このヒステリシスアンプ13の
スイッチング周波数が電磁石12とロータ11とのギャ
ップ、すなわちロータ11の位置Xに応じて変化するこ
とを利用して、ヒステリシスアンプ13のスイッチング
周波数からロータ11の位置を求めている。従って、位
置センサが不要になる。
【0016】また、本実施例では、ヒステリシスアンプ
13a、13bにおけるスイッチング周波数がロータ1
1の位置を示すことから、これらスイッチング周波数を
フェイズロックトループに供給し、その得られたロータ
11の位置に応じてヒステリシスアンプ13のスイッチ
ング周波数が一定になるように制御することにより、ロ
ータ11を一定の位置に保持している。従って、制御誤
差を位相のレベルで検出できるので、ロータ11の位置
を高精度に制御することができる。特に、本実施例にお
けるフェイズロックトループ制御の積分要素は、位相が
角周波数を積分したものであるという数学的関係に基づ
いた理想的なものなので、本質的に誤差を生じず、高精
度な制御を行うことができる。
【0017】次に、図2および図3を用いて、ヒステリ
シスアンプ13の動作の概要について説明する。図2に
示すように、電磁石12のコイルにかかる電圧をV、コ
イルに流れる電流をIとする。また、電磁石12とロー
タ11とのギャップをxとする。
【0018】図3は上記電流Iと電圧Vの関係を示す波
形図である。この図に示すように、ヒステリシスアンプ
13は、目標電流値(制御分を含む。)I0 の上下に±
ΔIの幅を設けて、実際の電流値が上限I0 +ΔIp
達したらコイルにかかる電圧Vを−Vm に切り換え、実
際の電流値が下限I0 −ΔIm に達したらコイルにかか
る電圧VをVp に切り換える。本実施例では、このヒス
テリシスアンプ13の電圧のスイッチング周波数が電磁
石12とロータ11とのギャップxに略比例することを
利用して、スイッチング周波数からロータ11の位置を
検出する。
【0019】図4はヒステリシスアンプ13の構成を示
すブロック図である。この図に示すように、ヒステリシ
スアンプ13は、電流指令値I0 が入力される比較増幅
器21と、この比較増幅器21の出力Vが入力されるヒ
ステリシスコンパレータ22とを備えている。また、ヒ
ステリシスアンプ13は、ヒステリシスコンパレータ2
2の出力電圧V′が入力され、電源24から与えられる
2つのレベルの電圧を切り換えて電磁石12のコイル2
0に与えるスイッチング素子23と、電磁石12のコイ
ル20に流れる電流iを検出し、比較増幅器21へ与え
る電流検出回路25とを備えている。
【0020】電流指令値I0 は、電磁石12のコイル2
0に流したい電流の値で、一般的にはバイアス電流値と
制御用電流値の和で与えられる。また、この電流指令値
0は、図1のループフィルタ15により供給される。
比較増幅器21は、電流指令値I0 とコイル電流iとの
差に比例した電圧V(V=Kv (I0 −i):ただしK
v は定数)を出力する。ヒステリシスコンパレータ22
は、入力信号の履歴によってしきい値が変化するコンパ
レータで、例えば図5に示すような特性を持つ。ここ
で、このヒステリシスコンパレータ22の出力電圧V′
の高レベル側をVONとし、低レベル側を−VOFF とす
る。また、出力電圧が−VOFF からVONに変化するとき
の入力電圧をΔVp とし、出力電圧がVONから−VOFF
に変化するときの入力電圧を−ΔVmとする。
【0021】スイッチング素子23は、入力信号のレベ
ル(VON、−VOFF )に応じて、コイル20にかかる電
圧を高電圧(Vp )から負の電圧(−Vm )あるいは十
分に小さい低電圧(VL )に切り換える素子(トランジ
スタ、FET、サイリスタ等)である。なお、図1にお
ける位相比較器14に供給されるスイッチングの波形
は、ヒステリシスコンパレータ22の出力波形でも良い
し、スイッチング素子23の出力波形でも良い。また、
電流検出回路25の出力を2値化した波形でも良い。
【0022】次に、ヒステリシスアンプ13の動作につ
いて説明する。図6に示すように、コイル20に流れる
電流は、目標値I0 を中心に、三角波状に変動する。そ
の理由を、以下で説明する。ある時点で、コイル電流が
I′(I0 −ΔIm <I′<I0 )で、ヒステリシスコ
ンパレータ22の出力がVON、コイル20にかかる電圧
がVp であったとする。
【0023】ここで、図7に示すように、コイル20は
インダクタンスLと抵抗Rの直列回路と考えることがで
き、Vp ≫(I0 +ΔIp )/Rと設定されているとす
る。この場合、コイル20のインダクタンスLのために
コイル電流は除々に上昇していき、やがてI0 に等しく
なる。同時に、比較増幅器21の出力電圧も符号が変化
する(例えば、正から負へ)。しかし、ヒステリシスコ
ンパレータ22のヒステリシス特性のため、しばらくは
ヒステリシスコンパレータ22の出力がVONのままであ
る。従って、電流はI0 を越えてさらに上昇していく。
やがて、比較増幅器21の出力電圧Vの値が−ΔVm
り小さくなると、ヒステリシスコンパレータ22の出力
が−VOFF に切り換わり、コイル20にかかる電圧もV
p から−Vm に切り換わる。このため、コイル20の電
流は減少し始める。このヒステリシスコンパレータ22
の出力が−VOFF に切り換わる点での電流の値をI0
ΔIp とすると、Kv ΔIp =ΔVm という関係が成立
している。
【0024】やがて、電流値はI0 まで低下するが、や
はりヒステリシスコンパレータ22のヒステリシス特性
のために、すぐにはVONに切り換わらず、電流値はさら
に低下する。やがて、比較増幅器21の出力電圧Vの値
がΔVp より大きくなると、ヒステリシスコンパレータ
22の出力はVONに切り換わるので、コイル20にかか
る電圧は再度Vp になり、電流が増加し始める。このヒ
ステリシスコンパレータ22の出力がVONに切り換わる
点での電流の値をI0 −ΔIm とすると、KvΔIm
ΔVp という関係が成立している。
【0025】ヒステリシスアンプ13は、以上の動作を
繰り返す。なお、図6に示すように、コイル20に流れ
る電流がI0 −ΔIm からI0 +ΔIp まで増加する時
間をt1 とし、I0 +ΔIp からI0 −ΔIm まで減少
する時間をt2 とすると、スイッチング周期Tはt1
2 、スイッチング周波数fは1/Tである。次に、ヒ
ステリシスアンプ13のスイッチング周波数が電磁石1
2とロータ11とのギャップxによって略比例的に変化
する理由について説明する。
【0026】図8に示すように、電磁石12のコイル2
0は、インダクタンスLと抵抗Rとが直列接続されたも
のと考えることができる。ここで、初期状態において、
コイル電流ia (0)=0として、コイル20の両端に
ステップ状の電圧Va をかけたとする。すなわち、図9
に示すように、時刻t<0のとき、Va =0、時刻t≧
0のとき、Va =Vh とする。すると、図10に示すよ
うに、コイル電流は最終的な値(Vh /R)まで増加し
ていく。t=0の近傍、すなわち、ia ≪(Vh /R)
のときには、電流の増加の割合は(R/L)・(Vh
R)=(Vh /L)である。
【0027】前述のようにヒステリシスアンプ13の動
作において、(I0 +ΔIp )≪(Vh /R)という関
係を満たすときには、I0 −ΔIm からI0 +ΔIp
で電流が増加する時間t1 は、(Vh /L)・t1
(ΔIp +ΔIm )より、t1=L(ΔIp +ΔIm
/Vh となる。同様に、I0 +ΔIp からI0 −ΔIm
まで電流が減少する時間t2 は、(I0 −ΔIp )+
(Vm /R)≫I0 +ΔIp という関係を満たすように
m が選定されている場合には、t2 =L(ΔIp +Δ
m )/Vm となる。従って、スイッチング周期T(=
1 +t2 )は、T=L(ΔIp +ΔIm )・(1/V
h +1/Vm )で与えられる。
【0028】一方、電磁石12において、コイル20の
インダクタンスLは電磁石12とロータ11とのギャッ
プxに略反比例する。詳しくは、図11に示すように、
電磁石12のコイル20の合計巻き数をN、コア30の
断面積をAとし、また、ロータ11が強磁性体(透磁率
μ≒∞)とすると、L≒N2 Aμ0 /2x=KL /xと
なる。ただし、μ0 は初透磁率、KL =N2 Aμ0 /2
である。従って、T=(KL /x)・(ΔIp +Δ
pm)・(1/Vh +1/Vm )となり、スイッチング
周波数f(=1/T)は、f=K′xとなる。ただし、
K′=(Vh ×Vm )/{KL (ΔIp +ΔIm )・
(Vh +Vm )}である。従って、スイッチング周波数
fはギャップxに略比例することとなる。
【0029】なお、本発明は上記実施例に限定されず、
例えば実施例では2つのヒステリシスアンプのスイッチ
ングの位相を比較してロータの位置を制御するようにし
たが、1つのヒステリシスアンプのスイッチングの位相
を所定の周波数の基準信号の位相と比較してロータの位
置を制御するようにしても良い。
【0030】図12は、ヒステリシスアンプの他の構成
を示すブロック図である。このヒステリシスアンプ11
3では、図4に示す比較増器21を省略したもので、図
1のループフィルタ15から供給される電流指令値I0
および、電流検出回路25の出力が直接ヒステリシスコ
ンパレータ122に入力されるようになっている。
【0031】そして、このヒステリシスコンパレータ1
22は、比較増幅機能を持つように構成されている。す
なわちヒステリシスコンパレータ122は、電流指令値
0とコイル電流iとの差に比例した電圧Vを出力する
と共に、その出力の履歴によってしきい値が変化するよ
うに構成されており、同様に、図5に示すような特性を
備えている。
【0032】図13は、本発明の磁気軸受における第2
の実施例の構成を表したものである。なお、説明の簡単
のため、図1に示す第1の実施例と同一の部分には同一
の符号を付して、適宜その説明を省略することとする。
この図13に示すように、この第2の実施例では、ロー
タ11の回転中心軸が水平方向となるように配置されて
いる。磁気軸受は、ロータ11の上部に配置された電磁
石12cと、この電磁石12cに励磁電流を供給するヒ
ステリシスアンプ13cを備えている。また、磁気軸受
は、基準信号を出力する基準信号出力回路131と、こ
の基準信号とヒステリシスアンプ13cにおけるスイッ
チングの波形とを入力し、両波形の位相差を検出する位
相比較器14と、この位相比較器14の出力を直流電流
に変換して各ヒステリシスアンプ13c、13bに供給
するループフィルタ15とを備えている。
【0033】この磁気軸受では、ヒステリシスアンプ1
3cから電磁石12cに励磁電流が供給され、この電磁
石12cの吸引力F1 によってロータ11が浮上保持さ
れる。ここで、電磁石12cの吸引力F1 の定常値は、
ロータ11が設定された位置にあるときにロータ11に
作用する重力F2 の影響を打ち消すように定められる。
なお、この第2の実施例では、図4および図12に示す
ヒステリシスアンプのいずれを使用してもよい。
【0034】図14は、本発明の磁気軸受における第3
の実施例の構成を表したものである。なお、説明の簡単
のため、図1に示す第1の実施例と同一の部分には同一
の符号を付して、適宜その説明を省略することとする。
図14に示す第3の実施例では、2つの電磁石12a、
12bと2つのヒステリシスアンプ13a、13bと、
位相比較器14と、ループフィルタ15とからなる回路
構成は図1に示す第1の実施例と全く同一であり、また
第3の実施例における前記回路構成部分に基づく動作も
図1に示す第1の実施例と基本的に同一である。
【0035】この第3実施例は、上述したように第1の
実施例と全く同一回路構成部分に対して、周波数−電圧
サーボ系30を付加したものである。この周波数−電圧
サーボ系30は、前記ヒステリシスアンプ13a、13
bにおけるスイッチング信号を取り込み、そのスイッチ
ング信号の周波数に比例した電圧信号を得る周波数−電
圧コンバータ(以下、「F/Vコンバータ」という)3
5a、35bと、これらF/Vコンバータ35a、35
bからの出力信号を減算する加算器36と、前記加算器
36からの偏差信号を基にサーボ信号を形成して前記各
ヒステリシスアンプ13a、13bに供給する安定化制
御回路37とを付加して構成したものである。
【0036】上記F/Vコンバータ35aは、前記ヒス
テリシスアンプ13aにおけるスイッチング信号を取り
込み、そのスイッチング信号の周波数に比例した電圧信
号を得ることができる。F/Vコンバータ35bも、前
記ヒステリシスアンプ13bにおけるスイッチング信号
を取り込み、そのスイッチング信号の周波数に比例した
電圧信号を得ることができる。これらF/Vコンバータ
35a、35bの各電圧信号は、加算器36により減算
される。前記加算器36からの各電圧信号の偏差は前記
ロータ11と各電磁石12a、12bのギャップ(位
置)を表しており、その偏差がゼロなら前記ロータ11
と各電磁石12a、12bのギャップが適正状態を、そ
の偏差が正又は負の値を示せば前記ロータ11が例えば
前記電磁石12a又は前記電磁石12bのいずれかの側
に偏っていることを表している。
【0037】すなわち、前記加算器36からの偏差信号
は、ロータ11の変位Xに比例する信号が得られること
になる。したがって、安定化制御回路37は、前記加算
器36からの偏差信号を基に、ヒステリシスアンプ13
a、13bに対して例えば比例積分(PD)制御を行う
ことにより系全体を安定化させることができる。
【0038】この第3の実施例による磁気軸受でも、既
述したように、ヒステリシスアンプ13a、13bによ
り2つのレベルの電圧をスイッチングして電磁石12
a、12bに印加することによって電磁石12a、12
bに励磁電流を供給し、これら電磁石12a、12bの
磁力(吸引力F1 、F2 )によってロータ11を浮上保
持しているが、この際に第1の実施例によるPLL制御
に対して、F/Vサーボ系(F/Vコンバータ35a,
35b、加算器36、安定化制御回路37)を併用する
ことにより、前記PLL制御による例えば運転初期時等
に発生する同期引込みの遅れや、誤り同期を防止して、
系全体の安定化を図るようにしている。
【0039】この第3の実施例において、まず第1の実
施例で使用したと同様のPLL制御系では、ヒステリシ
スアンプ13a、13bにおけるスイッチング信号を位
相比較器14に入力して両波形の位相差を検出し、この
位相比較器14の出力をループフィルタ15によって直
流電流に変換して、ヒステリシスアンプ13a、13b
に供給し、ヒステリシスアンプ13a、13bのスイッ
チング周波数の安定化を、すなわちロータ11の位置X
が所定の位置に維持されるように制御するようにしてい
る。
【0040】そして、この第3の実施例においては、上
記PLL制御に加えて、F/Vサーボ系により、ヒステ
リシスアンプ13a、13bからのスイッチング信号を
F/Vコンバータ35a,35bでそれぞれ周波数に比
例した電圧信号に変換し、これら電圧信号の偏差を加算
器36でとり、その偏差に基づいて安定化制御回路37
でヒステリシスアンプ13a、13bにPD制御をかけ
て、ヒステリシスアンプ13a、13bのスイッチング
周波数の安定化を、すなわちロータ11の位置Xが所定
の位置に維持されるように制御している。
【0041】このように上記第3の実施例では、電磁石
12(12a、12bを代表する。)を励磁するアンプ
として、スイッチング周波数がインダクタンスによって
変化する性質を持つヒステリシスアンプ13(13a、
13bを代表する。)を使用し、このヒステリシスアン
プ13のスイッチング周波数が電磁石12とロータ11
とのギャップ、すなわちロータ11の位置Xに応じて変
化することを利用して、ヒステリシスアンプ13のスイ
ッチング周波数からロータ11の位置を求めている。ま
た、その周波数がロータ11の位置を示すことから、こ
れら周波数に基づき、PLL制御にF/Vサーボ系を併
用して、系全体の安定化を図るようにしたものである。
また、第3の実施例でも、位置センサは不要である。
【0042】図15は第3の実施例の動特性を示すブロ
ック図であり、図15(a)が同第3の実施例の動特性
の例を、図15(b)が同第3の実施例の動特性の簡易
な例をそれぞれ示している。図14で示す第3の実施例
は、図15(a)に示すような動特性ブロックで示すこ
とができる。図15(a)において、ブロック〔b/
(S2 −a)〕301からの出力(ロータ11の変位
X)は、ブロック(Kf)302a,302bを介して
位相比較器14に入力される。位相比較器14は、位相
比較用の減算器303と、減算器303からの位相偏差
から位相検波する位相検波器(Kd/S)304とから
なる。
【0043】前記ブロック302a,302bからのス
イッチング波形は、位相比較用の減算器303で位相比
較されて、その比較結果は、位相検波器304で位相検
波される。この位相検波器304からの出力は、ループ
フィルタ15を表すブロック〔a0 /(S+b0 )〕3
05に入力される。このブロック305の出力は、加算
器306に印加される。加算器306の出力は、各ヒス
テリシスアンプ13a、13bを表すブロック(Ka)
307a,307bにそれぞれ入力される。ブロック3
07a,307bの出力は、加算器308で加算されて
ブロック301に作用する。
【0044】一方、ブロック301の出力(ロータ11
の変位X)は、ブロック(Kf)302a,302bを
介して各F/Vコンバータ35a、35bを表すブロッ
ク(Kv)310a,310bに入力される。これらブ
ロック310a,310bは、変位Xに比例した電圧信
号を出力する。これら電圧信号は、加算器36を表すブ
ロック311で減算され、その偏差が安定化制御回路3
7を表すブロック(Pd+SPv)312に入力され
る。このブロック312からのサーボ信号は、ブロック
306に印加されて、PLL制御系の制御信号を補正し
て、系全体を安定化する。
【0045】上述した図15(a)に示す制御ブロック
は、図15(b)に示すように簡易化して表すことがで
きる。これは、計算を簡単化するために示すものであ
り、図15(a)におけるKa、Kf、Kvを一つとし
て表すことにより、図15(b)に示すように示してい
る。すなわち、図15(b)に示す構成は、ブロック3
02a,302bを一つとしてブロック302とし、ブ
ロック307a,307bを一つとしてブロック307
とし、ブロック310a,310bを一つとしてブロッ
ク310とし、かつブロック303,308,311を
省略して表したものである。
【0046】上述の図15(b)に示す構成において、
スイッチング信号にF/V変換した信号を利用して例え
ばPD制御を採用し、フィードバック係数を自由に設定
できるものとし、かつループフィルタ(ブロック30
4)15としては1次のローパスプィルタを用いるとす
ると、図15(b)で示す系の閉ループの伝達関数は、
数式1に示すようになる。
【0047】
【数1】T(S)=〔b(S2 +b0 )〕/〔S4
(a2 +b0 )S3 +(a1 +a2 0 )S2 +a1
0 S+a0 b〕 ただし、a1 =bPd−a,a2 =bPv ここで、閉ループ系の特性多項式を次の数式2によって
指定する。
【0048】
【数2】 g(S)=S4 +g3 3 +g2 2 +g1 S+g0 このとき、フィルタの各係数およびフィードバック係数
は、次の数式3に示すように
【0049】
【数3】g3 =a2 +b0 、g2 =a1 +a2 0 、g
1 =a1 0 、g0 =a0 b の関係から定めることができる。
【0050】このように第3の実施例は、PLL制御
に、F/Vサーボを併用することにより図15(b)の
動特性ブロックで表すことができ、しかも自励式チョッ
パ回路であるヒステリシスアンプ13a、13bを使用
し、そのスイッチング周波数fが電磁石12a、12b
とロータ11とのギャップxに対してほぼ比例している
関係を利用し、ロータ11の位置Xが所定の位置に維持
されるように制御している。
【0051】これは、この第3の実施例におけるフェイ
ズロックトループ制御(PLL制御)の積分要素が、位
相が角周波数を積分したものであるという数学的関係に
基づいた理想的なものなので、本質的に誤差を生じず、
高精度な制御を行うことができることに加えて、運転初
期等において速やかにPLL制御で同期状態に引き込む
ことが困難な点や誤り同期を引き起こす点を、F/Vサ
ーボ系を併用することによって速やかにかつ正確に同期
状態に引き込むことが可能にしたものである。
【0052】なお、この第3の実施例でも、図4および
図12に示すヒステリシスアンプのいずれを使用しても
よいことはいうまでもない。また、上記第3の実施例に
おいて、FVサーボ系では、F/Vコンバータ35a、
35bから出力される電圧の偏差が加算器36でとられ
るが、その偏差がロータ11の変位Xに比例する信号と
なることは既に説明したとおりである。そこで、この加
算器36からの偏差を利用し、ヒステリシスアンプ13
a、13bを例えば偏差に基づいてPD制御等をすれ
ば、上記PLL制御系を使用することなく、当該FVサ
ーボ系のみでロータ11の安定な浮上状態を得ることの
できる第4の実施例を実現することができる。この第4
の実施例によっても、センサが不要で、かつロータ11
の安定な浮上状態を得ることができることになる。
【0053】
【発明の効果】以上説明したように請求項1および請求
項2記載の発明によれば、ヒステリシスアンプのスイッ
チング周波数からロータの位置を検出することができる
ので、位置センサが不要になり、また、フェイズロック
トループにより制御誤差を位相のレベルで検出できるの
で、簡単な構成で、ロータの位置を高精度に制御するこ
とができるという効果がある。また、請求項3記載の発
明によれば、ヒステリシスアンプのスイッチング周波数
からロータの位置を検出することができるので、位置セ
ンサが不要になることに加えて、フェイズロックトルー
プにより制御誤差を位相のレベルで検出できると共に、
フェイズロックトループ制御に対して周波数−電圧サー
ボ系を併用することにより、簡単な構成で、ロータの位
置を高精度に制御することができると共にフェイズロッ
クトループの同期引込み遅れや、誤り同期を防止するこ
とができる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の磁気軸受における一実施例の構成を示
すブロック図である。
【図2】一実施例における電磁石とロータを示す説明図
である。
【図3】図2の電磁石のコイルに流れる電流と印加され
る電圧の関係を示す波形図である。
【図4】図1におけるヒステリシスアンプの構成を示す
ブロック図である。
【図5】図4におけるヒステリシスコンパレータの特性
を示す特性図である。
【図6】図4に示すヒステリシスアンプによってコイル
に流される電流を示す波形図である。
【図7】一実施例における電磁石のコイルの等価回路を
示す回路図である。
【図8】図7に示す回路に印加される電圧と流れる電流
を示すための説明図である。
【図9】図8に示す回路に印加するステップ状の電圧を
示す波形図である。
【図10】図8に示す回路に図9に示すステップ状の電
圧を印加したときの電流の変化を示す特性図である。
【図11】一実施例における電磁石とロータを示す説明
図である。
【図12】ヒステリシスアンプの他の構成を示すブロッ
ク図である。
【図13】本発明の磁気軸受における他の実施例の構成
を示すブロック図である。
【図14】本発明の第3の実施例を示すブロック図であ
る。
【図15】同第3の実施例の動特性を示すブロック図で
ある。
【図16】従来の磁気軸受の構成を示すブロックであ
る。
【符号の説明】
11 ロータ 12a、12b、12c 電磁石 13a、13b、13c、113 ヒステリシスアンプ 14 位相比較器 15 ループフィルタ 20 電磁石コイル 21 比較増幅器 22、122 ヒステリシスコンパレータ 23 スイッチング素子 24 電源 25 電流検出回路 35a、35b F/Vコンバータ 36 加算器 37 安定化制御回路 131 基準信号出力回路

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 ロータを磁力によって浮上させる電磁石
    と、 この電磁石に励磁電流を供給するヒステリシスアンプ
    と、 前記ヒステリシスアンプにおけるスイッチングの位相に
    応じて前記ヒステリシスアンプより供給される励磁電流
    を制御して前記ヒステリシスアンプにおけるスイッチン
    グの周波数を制御するフェイズロックトループを用い
    て、ロータの位置を制御する位置制御手段とを具備する
    ことを特徴とする磁気軸受。
  2. 【請求項2】 ロータを磁力によって浮上させる電磁石
    と、 二つのレベルの電圧をスイッチングにより切り換えて前
    記電磁石に与えることにより前記電磁石に励磁電流を供
    給するヒステリシスアンプと、 前記ヒステリシスアンプにおけるスイッチングの位相に
    応じて前記ヒステリシスアンプより供給される励磁電流
    を制御して前記ヒステリシスアンプにおけるスイッチン
    グの周波数を制御するフェイズロックトループを用い
    て、ロータの位置を制御する位置制御手段とを具備する
    ことを特徴とする磁気軸受。
  3. 【請求項3】 ロータを磁力によって浮上させる電磁石
    と、 二つのレベルの電圧をスイッチングにより切り換えて前
    記電磁石に励磁電流を供給するヒステリシスアンプと、 前記ヒステリシスアンプにおけるスイッチングの位相に
    応じて前記ヒステリシスアンプより供給される励磁電流
    を制御して前記ヒステリシスアンプにおけるスイッチン
    グの周波数を制御するフェイズロックトループと、前記
    ヒステリシスアンプにおけるスイッチングの周波数に応
    じた電圧を得て当該電圧を基に前記ヒステリシスアンプ
    より供給される励磁電流を制御して前記ヒステリシスア
    ンプにおけるスイッチングの周波数を制御する周波数−
    電圧サーボ系と、を併用してロータの位置を制御する位
    置制御手段とを具備することを特徴とする磁気軸受。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2005045266A1 (ja) * 2003-11-05 2005-05-19 Jtekt Corporation 電力増幅装置および磁気軸受
JP2015526670A (ja) * 2012-08-23 2015-09-10 アンバー キネティクス, インコーポレイテッドAmber Kinetics, Inc. 回転子軸受の負荷を磁気的に除去する装置及び方法

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