JPH0712125A - 磁気軸受制御装置 - Google Patents

磁気軸受制御装置

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JPH0712125A
JPH0712125A JP5150691A JP15069193A JPH0712125A JP H0712125 A JPH0712125 A JP H0712125A JP 5150691 A JP5150691 A JP 5150691A JP 15069193 A JP15069193 A JP 15069193A JP H0712125 A JPH0712125 A JP H0712125A
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JP
Japan
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high voltage
magnetic bearing
pwm
switching element
width modulation
Prior art date
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Pending
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JP5150691A
Other languages
English (en)
Inventor
Kenji Hirouchi
健二 廣内
Koji Inoue
光二 井上
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Shimadzu Corp
Original Assignee
Shimadzu Corp
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Publication date
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Publication of JPH0712125A publication Critical patent/JPH0712125A/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
    • 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
    • F16C2360/00Engines or pumps
    • F16C2360/44Centrifugal pumps
    • F16C2360/45Turbo-molecular pumps

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

Abstract

(57)【要約】 【目的】 磁気軸受制御用の電磁石に流す電流のON/
OFF時間の制御により発生電磁力を制御するスイッチ
ング方式による磁気軸受制御装置において、スイッチン
グ素子をより高電圧電源に接続して駆動可能にし、大き
な電磁力でもって磁気軸受制御を行う。 【構成】 電力制御用ICとスイッチング素子との間に
絶縁素子および絶縁素子保護用ダイオードを接続する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、磁気浮上形ターボ分子
ポンプ、回転陽極X線管、遠心分離機などの磁気軸受の
制御装置に関する。
【0002】
【従来の技術】ターボ分子ポンプなど回転体を有する装
置ではその回転軸を非接触で支持できる磁気軸受が使用
される。一般に磁気軸受は、回転軸を電磁力を用いて空
間に浮遊させるため、電磁力発生用の電磁石が回転体の
回転軸近傍に取り付けられ、この電磁石に流す電流値を
回転軸の変位センサからの信号でフィードバック制御す
ることで発生電磁力を調整し、軸受としての動作をする
ようにしている。
【0003】この電磁石の電力増幅器の方式には、大別
してドロッパ方式とスイッチング方式とがある。ドロッ
パ方式は電磁石への電流供給回路中に可変抵抗を介在さ
せ、抵抗値を可変にすることにより所望の電流を流すよ
うにするものである。 一方、スイッチング方式は電流
供給回路中にpMOSなどのスイッチング素子を介在さ
せ、ON/OFFパルス電流を形成し、ON時間とOF
F時間との時間間隔を調整することにより、パルス形状
を変化させて実質的に平均電流値を変化させるものであ
る。
【0004】現在磁気軸受制御では主にドロッパ方式が
用いられているが、ドロッパ方式は(1) 消費電力が大き
い、(2) 大型電源、大型放熱板が必要となり、制御装置
の小化が図れないなどの問題があった。
【0005】これに対し、スイッチング方式は電磁石コ
イルのインダクタンスの電磁エネルギー蓄積効果を利用
しているため、消費電力が小さく、発熱も少ないので装
置の小型化を図ることができる利点がある。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】図3は従来のスイッチ
ング方式の電力増幅器を有する磁気軸受制御回路であ
る。図において10は磁気軸受の電磁石コイルで、11
は電磁石コイルに電流を供給する高電圧電源、12はコ
イル電流を検出するための電流検出器、13はOFF時
にコイルに蓄積された電磁エネルギーを放電するための
リカバリーダイオード、20は高電圧電源と電磁コイル
との接続をON/OFF切り換えするpMOSなどのス
イッチング素子、30はスイッチング素子20のON/
OFF切り換え制御を行うPWM IC(パルス幅変調制御
用IC)である。このスイッチング素子2とPWM IC3
0とにより電力増幅部33が形成される。
【0007】PWM IC30には2つの検出器からの制御
信号が入力される。すなわち、まず、磁気軸受内の回転
軸の位置を検出する変位センサ41からの信号がセンサ
アンプ42によって増幅され、PID制御回路43に入
力され、所定の演算式で計算された電磁石電流制御量が
出力されてPWM IC30に正帰還される。また、PWMI
30はこの信号を受けてスイッチング素子20にON/
OFF信号を送るが、スイッチング素子20のON/O
FF動作により電磁石コイル10を流れる電流は電流検
出器12によって監視されており、出力されるべき所定
の制御値と実際の値との差を検出してPWM IC30に負
帰還される。
【0008】この2つのフィードバック信号を受けたPW
M IC30は前述したように所定のN/OFF信号をス
イッチング素子20に送り、スイッチング素子20の開
閉動作を行って高電圧電源11から電磁石コイル10へ
所定のパルスデューティの電流を流す。
【0009】このような制御においては発生電磁力は電
流のON時間の長さに依存するがこれとともに高電圧電
源の電圧値にも依存する。したがって、たとえば排気性
能向上のためターボ分子ポンプを大型化するときなどの
ように回転体の重量を大きくするような場合、磁気軸受
にはさらに大きな電磁力を発生させる必要が生じる。こ
の場合、高電圧電源の電圧値をさらに大きくすれば電磁
石コイルを流れる電流値が大きくなり発生電磁力を大き
くすることができるのであるが、この高電圧電源の電圧
はPWM ICのコレクタにも接続されていることからPWM
ICの最大出電圧または最大出力電流を越える問題があ
り、PWM ICの定格以上の高電圧の電を使用することが
できなかった。
【0010】本発明は上記問題を解決し、磁気軸受に大
きな電磁力を発生できるようにPWMCの定格以上の電圧
値を有する高電圧電源を用いて制御する磁気軸受制御装
置を提供することを目的とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】上記問題を解決するため
になされた本発明は、磁気軸受の電磁石コイルに流すパ
ルス電流を、コイル電流供給のための高電圧電源とこの
電磁石コイルとの間に設けたスイッチング素子のON/
OFF時間比を変動することにより制御する磁気軸受制
御装置において、磁気軸受にて制御される回転軸の変位
を検出する変位センサからのフィードバック信号とコイ
ル電流を供給する回路内に設けた電流検出器からのフィ
ードバック信号とを重ね合わせた信号を受けてこれを増
幅し、スイッチング素子をON/OFF駆動するパルス
幅変調制御用素子と、前記パルス幅変調制御用素子とス
イッチング素子との間に設けた絶縁素子と、前記絶縁素
子に直列に接続した絶縁素子保護用素子とを備え、スイ
ッチング素子に印加される高電圧がパルス幅変調制御用
素子に印加されないようにするとともに絶縁素子に高電
圧が印加されないようにしたことを特徴とする。
【0012】以下、この構造の磁気軸受制御装置がどの
ように作用するかを説明する。
【0013】
【作用】本発明の構成としたことにより、スイッチング
素子とPWM ICとが電気的に絶分離される。したがっ
て、電磁力を大きくするためスイッチング素子に高電圧
を印加してもPWM ICには高電圧が印加されず、これが
破損することはない。一方、絶縁素子には高電圧が印加
されるが絶縁素子にはこれと直列に絶縁素子保護用素子
を設けているので素子の耐電圧を越えることはない。
【0014】したがって、PWM ICの定格電圧とは関係
なく電磁石コイルドライブ用の高電電源の電圧値を定め
ることができる。
【0015】
【実施例】以下、本発明の実施例を図を用いて説明す
る。図1は本発明による一実施例を示した磁気軸受制御
装置の配線図を示す。図において10は磁気軸受の電磁
石コイルで、11は電磁石コイルに電流を供給する高電
圧電源、12はコイル電流を検出するための電流検出
器、13はスイッチOFF時にコイルに蓄積された電磁
エネルギーを放電するためのリカバリーダイオード、2
0は高電圧電源と電磁コイルとの接続をON/OFF切
り換えするpMOSを用いたスイッチング素子である。
【0016】このスイッチング素子20には図2に示す
ようにPWM IC(パルス幅変調制御IC)30と、フォ
トカプラを用いた絶縁素子31と、フォトカプラの二次
側に直列に接続された保護用のダイオード32とが接続
され、これらによって電力増幅部33が形成される。
【0017】電力増幅部33の入力側には、回転軸の変
位を検出する変位センサ41とセンサ信号増幅器42
と、この変位信号を受けて制御量を計算するPID制御
回路43とからなる第1のフィードバック回路、電流検
出器12を流れる電流値を検出してフィードバックさせ
る第2のフィードバック回路が接続される。ただし、第
1のフィードバック回路と第2のフィードバック回路と
のいずれか一方が正のフィードバック、他方が負のフィ
ードバックとなるようにしてある。また、第1のフィー
ドバック回路のPID制御回路43には外部よりの初期
設定信号も入力される。
【0018】つぎに以上のように構成される磁気軸受制
御装置の動作を説明する。回転軸の目標位置などのPI
D制御に必要な初期値を設定後、磁気軸受制御回路を動
作させる。回転軸の位置は変位センサ41により検出さ
れ、検出信号がセンサアンプ42で信号増幅された後、
PID制御回路43に送られる。PID制御回路43で
は電磁石電流制御量を計算し、その値を電力増幅部33
に入力する。電力増幅部33ではPID制御回路43か
らの信号をPWM IC31(パルス幅変調制御用C)によ
り増幅するのであるがPWM IC31の出力側には絶縁素
子31としてのォトカプラが接続されているので、PWM
IC31は高電圧電源11から分離されいる。すなわ
ち、PWM IC31の出力は絶縁素子31であるフォトカ
プラの一次(発光素子側)につながれる。この一次側は
電圧がPWM IC31の定格以下の電に接続されている。
一方、フォトカプラの二次側(受光素子側)はスイッチ
ング素子20のドライブ電圧と同じ高電圧電源によって
ドライブされる。この高電圧電源は一次側とは絶縁され
ているため、PWM IC31を損傷することはない。
【0019】なお、フォトカプラの二次側には高電圧電
源からの高電圧が加わるが、これと直列に接続された保
護ダイオード32がフォトカプラに定格以上の電圧がか
かるのを防いでいるので絶縁素子であるフォトカプラが
破壊されることもない。
【0020】このようにして高電源電圧に接続されたス
イッチング素子20は絶縁素子31、絶縁素子保護用ダ
イオード32を含む電力増幅部33によって駆動される
ことでPWM ICの定格より大きい高電圧電源で電磁石の
ドライブが行える。
【0021】
【発明の効果】以上、説明したように本発明の磁気軸受
制御装置では、電力増幅部のPWM ICスイッチング素子
との間に絶縁素子を介在させ、高電圧がPWM ICにかか
らないうにするとともに、介在させた絶縁素子の保護素
子を備えたことにより、従来のスイッチング方式ではPW
M ICの定格の問題から印加できなかったような高電圧
源をスイッチング素子のドライブ電圧とすることがで
き、大電流を電磁石コイルに流すことができて、大きな
電磁力で荷重の大きい回転体の磁気軸受制御が可能とな
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例である磁気軸受制御装置の配
線図。
【図2】本発明の一実施例である磁気軸受制御装置の電
力増幅部の配線図。
【図3】従来よりの磁気軸受制御装置の配線図。
【符号の説明】
10:電磁石コイル 11:高電圧電源 12:電流検出器 20:スイッチング素子 30:パルス幅変調制御用IC 31:絶縁素子 32:絶縁素子保護用ダイオード 33:電力増幅部 41:変位センサ 43:PID制御回路

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】磁気軸受の電磁石コイルに流すパルス電流
    を、コイル電流供給のための高電圧電源とこの電磁石コ
    イルとの間に設けたスイッチング素子のON/OFF時
    間比を変動することにより制御する磁気軸受制御装置に
    おいて、磁気軸受にて制御される回転軸の変位を検出す
    る変位センサからのフィードバック信号とコイル電流を
    供給する回路内に設けた電流検出器からのフィードバッ
    ク信号とが重ね合わされた信号を受けてこれを増幅し、
    スイッチング素子をON/OFF駆動するパルス幅変調
    制御用素子と、前記パルス幅変調制御用素子とスイッチ
    ング素子との間に設けた絶縁素子と、前記絶縁素子に直
    列に接続した絶縁素子保護用素子とを備え、スイッチン
    グ素子に印加される高電圧がパルス幅変調素子に印加さ
    れないようにするとともに絶縁素子に高電圧が印加され
    ないようにしたことを特徴とする磁気軸受制御装置。
JP5150691A 1993-06-22 1993-06-22 磁気軸受制御装置 Pending JPH0712125A (ja)

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