JPH0738542B2 - Power amplifier for generating magnetic attraction - Google Patents

Power amplifier for generating magnetic attraction

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JPH0738542B2
JPH0738542B2 JP62030688A JP3068887A JPH0738542B2 JP H0738542 B2 JPH0738542 B2 JP H0738542B2 JP 62030688 A JP62030688 A JP 62030688A JP 3068887 A JP3068887 A JP 3068887A JP H0738542 B2 JPH0738542 B2 JP H0738542B2
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magnetic attraction
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浩司 大畑
弘道 山田
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    • 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

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、非接触支持する磁気軸受装置や、磁気浮上
装置等に用いる磁気吸引力発生のための電流増幅用のパ
ワーアンプに関するものである。
Description: TECHNICAL FIELD The present invention relates to a magnetic bearing device for non-contact support, a power amplifier for current amplification for generating a magnetic attraction force, which is used in a magnetic levitation device and the like. .

〔従来の技術〕[Conventional technology]

摩擦を少なくして高精度位置決めを可能としたり、回転
体を高速で回すことを可能としたり、真空などの特殊環
境下での使用を可能とする支持方法として、磁気力を利
用した磁気軸受装置や磁気浮上装置が多く用いられるよ
うになった。
Magnetic bearing device that uses magnetic force as a supporting method that reduces friction and enables high-accuracy positioning, enables rotating bodies to rotate at high speed, and enables use in special environments such as vacuum. Magnetic levitation devices have become popular.

このような磁気力を発生させる方法の1つとして、電磁
石を使用したものがあり、電磁石コイルに電流を供給し
て生じる磁気吸引力が主に利用されている。その電流供
給手段、すなわちパワーアンプにはいくつかの方法があ
るが、そこで要求されるものは、主に応答性と、効率で
ある。
As one of the methods for generating such a magnetic force, there is a method using an electromagnet, and a magnetic attraction force generated by supplying a current to an electromagnet coil is mainly used. There are several methods for supplying the current, that is, a power amplifier, but what is required there is mainly responsiveness and efficiency.

ここで、従来の方法をみると、第1の方法として、特開
昭58-54220号公報に示されているプッシュプル方式のリ
ニヤアンプがある。この方法では、応答性を良くするに
は、電源電圧を上げねばならず、そうすれば供給電力の
ほとんどがトランジスタの発熱となって消費され、効率
が極めて悪くなるのみならず、熱容量の大きなトランジ
スタあるいは冷却装置が必要となり、高価となる欠点が
あった。また、発熱を減らすため電源電圧を下げれば、
それだけ電流の立上りが悪く、応答性が悪くなり、場合
によっては磁気軸受制御ループの応答性を極端に悪くす
るという欠点をも備えていた。
Looking at the conventional method, as a first method, there is a push-pull linear amplifier shown in Japanese Patent Laid-Open No. 58-54220. In this method, in order to improve the responsiveness, the power supply voltage must be increased, and most of the supplied power is consumed as heat generated by the transistor, resulting in extremely poor efficiency and a transistor with a large heat capacity. Alternatively, there is a drawback that a cooling device is required, which is expensive. Also, if the power supply voltage is lowered to reduce heat generation,
As a result, the rise of the current is poor, the responsiveness is poor, and in some cases, the responsiveness of the magnetic bearing control loop is extremely poor.

そこで、その改善案として例えば特開昭57-73223号公報
に示されるようなPWM方式のパワーアンプが考えられ
た。この方法によると、トランジスタをオンすると、電
磁石コイルの電流は与えられた直流電源電圧VDCに従
い、およそ で関係づけられる立上りをする。しかし、トランジスタ
をオフすると、フライホイール電流はダイオードとで作
られるループを循環する。ダイオードの順方向電圧Vdに
よって電流が減衰するが、Vdが1V以下であるので、 から非常にゆるい減衰しかできないのである。このこと
は、電流制御しようとしても応答性を高くすることは期
待できないことを意味しており、磁気軸受制御ループの
応答性はもとより、安定化も期待出来ないことを意味し
ている。
Therefore, as a proposal for improvement, a PWM type power amplifier as disclosed in, for example, Japanese Patent Laid-Open No. 57-73223 has been considered. According to this method, when the transistor is turned on, the current in the electromagnet coil follows the given DC power supply voltage V DC , Start up related by. However, when the transistor is turned off, the flywheel current circulates in a loop made with the diode. The current is attenuated by the forward voltage Vd of the diode, but since Vd is 1 V or less, Therefore, only very loose damping is possible. This means that even if an attempt is made to control the current, it cannot be expected that the response will be enhanced, and it means that stabilization cannot be expected as well as the response of the magnetic bearing control loop.

〔発明が解決しようとする問題点〕[Problems to be solved by the invention]

以上のように従来方法では、リニヤアンプにおける極め
て悪い効率や、スイッチング方式における極めて悪い応
答性が問題となっていたのである。そこでこの発明はそ
のような問題点のない磁気吸引力発生用パワーアンプを
提供しようとするものである。
As described above, in the conventional method, the extremely poor efficiency in the linear amplifier and the extremely poor responsiveness in the switching method pose a problem. Therefore, the present invention intends to provide a power amplifier for generating a magnetic attraction force without such a problem.

〔問題点を解決するための手段〕[Means for solving problems]

この発明は、これを改善するために、主回路の直流電源
とグランド間を、第1のスイッチングと電磁石コイルと
第2のスイッチング素子の順に接続し、アノードをグラ
ンドに接続した第1のダイオードのカソードを前記第1
のスイッチング素子と電磁石の接続部に接続し、カソー
ドを直流電源に接続した第2のダイオードのアノードを
前記電磁石コイルと第2のスイッチング素子の接続部に
接続するとともに、電磁石コイルの電流を検出する検出
手段を設け、電流指令値と該電流検出手段の検出信号を
受けた電流制御器がオン・オフ指令を出して、前記2つ
のスイッチング素子をオン・オフさせるようにし、電磁
石コイルに流れる電流が電流指令値に応じたものとなる
よう構成したのである。
In order to improve this, in the present invention, the first switching, the electromagnet coil, and the second switching element are sequentially connected between the DC power supply and the ground of the main circuit, and the anode of the first diode is connected to the ground. The cathode is the first
Connected to the connection part between the switching element and the electromagnet, and connecting the anode of the second diode whose cathode is connected to the DC power supply to the connection part between the electromagnet coil and the second switching element and detecting the current of the electromagnet coil. A detection means is provided, and the current controller which receives the current command value and the detection signal of the current detection means issues an on / off command to turn on / off the two switching elements, and the current flowing through the electromagnet coil is It is configured so as to correspond to the current command value.

〔作用〕[Action]

このように構成することにより、2つのスイッチング素
子がオンすると、電磁石コイルの両端には、直流電源電
圧VDCがかかり、 で関係づけられる変化率で電流が大きくなり、一方2つ
のスイッチング素子がオフすると、電磁石コイルの両端
には、直流電源圧VDCが逆向きにかかり、 でで関係づけられる変化率で電流が小さくなるのであ
る。このように電流の立上りと立下がりの両方において
同じ大きさの変化率で変化することができるので、全体
として電流制御の応答性をよくすることができるのであ
る。
With this configuration, when the two switching elements are turned on, the DC power supply voltage V DC is applied to both ends of the electromagnet coil, When the two switching elements are turned off, the DC power supply voltage V DC is applied to both ends of the electromagnet coil in the opposite direction. The current decreases at the rate of change related by. In this way, since the current can change at the same rate of change at both the rising and the falling of the current, the response of the current control can be improved as a whole.

〔実施例〕〔Example〕

第1図はこの発明の実施例を示すもので、OVは、主回路
のグランド線、VDCは主回路の直流電源であり、その電
圧を示すものである。直流電源に一方を接続した第1の
スイッチング素子11は、他方を第1のダイオード21のカ
ソードと、電磁石コイル3の一端と接続されている。
FIG. 1 shows an embodiment of the present invention. OV is a ground line of the main circuit, V DC is a DC power source of the main circuit, and its voltage is shown. The first switching element 11 having one side connected to the DC power source is connected to the cathode of the first diode 21 and the one end of the electromagnet coil 3 on the other side.

また、グランドに一方を接続した第2のスイッチング素
子12は、他方を第2のダイオード22のアノードと、電流
検出手段4の一端に接続されている。
The second switching element 12, one of which is connected to the ground, is connected to the anode of the second diode 22 and the other end of the current detecting means 4 on the other end.

電流検出手段4の他端は、前記電磁石コイル3のもう一
端と接続され、2つのスイッチング素子11,12がオンで
あれば、VDCが供給する電流は、第1のスイッチング素
子11,電磁石コイル3,電流検出手段4,第2のスイッチン
グ素子12を通ってグランドOVに流れる。図にはそのもよ
うを実線の矢印で示している。そして、電磁石コイル3
に流れる電流に応じた信号が電流検出手段4によって得
られる。
The other end of the current detecting means 4 is connected to the other end of the electromagnet coil 3, and when the two switching elements 11 and 12 are on, the current supplied by VDC is the first switching element 11 and the electromagnet coil. 3, the current detection means 4, and the second switching element 12 to flow to the ground OV. In the figure, this is indicated by a solid arrow. And the electromagnet coil 3
A signal according to the current flowing through the current detection means 4 is obtained.

第1のダイオード21のアノードはグランドOVに接続さ
れ、第2のダイオード22のカソードは直流電源に接続さ
れている。
The anode of the first diode 21 is connected to the ground OV, and the cathode of the second diode 22 is connected to the DC power supply.

スイッチング素子11,12はスイッチング素子の駆動装置5
1,52により駆動され、その駆動装置51,52の入力信号が
オンのときスイッチング素子11,12はオンされ、駆動装
置の入力信号がオフのときはスイッチング素子11,12は
オフされる。このスイッチング素子11及び12がトランジ
スタであれば、駆動装置51,52は、ベース(ゲート)ド
ライブ回路であり、入出力間が絶縁されているもので構
成することもあるし、絶縁されていないもので構成する
こともできる。電流制御回路6は、電流の指令信号I
Sと、電流検出手段4によって得られる電磁石コイルの
電流に相当する検出信号の差により動作し、駆動装置5
1,52にオン−オフ指令を与えて電磁石コイル3に流れる
電流が指令信号ISに追従するよう制御される。
Switching elements 11 and 12 are switching element driving devices 5
When the input signals of the driving devices 51, 52 are turned on, the switching elements 11, 12 are turned on, and when the input signals of the driving device are turned off, the switching elements 11, 12 are turned off. If the switching elements 11 and 12 are transistors, the drive devices 51 and 52 are base (gate) drive circuits, and may be configured so that the input and output are insulated or not insulated. It can also be configured with. The current control circuit 6 uses the current command signal I
The drive device 5 operates by the difference between S and the detection signal corresponding to the current of the electromagnet coil obtained by the current detection means 4.
On the 1, 52 - the current flowing through the electromagnetic coil 3 giving off command is controlled so as to follow the command signal I S.

電流制御回路6は、少なくとも増幅器とコンパレータ及
び三角波またはノコギリ波発振器から成っている。
The current control circuit 6 comprises at least an amplifier, a comparator, and a triangular wave or sawtooth wave oscillator.

このような構成において、電流指令ISが与えられ、その
時の電磁石コイル3の電流がゼロであったとしよう。そ
の時、電流制御回路6の入力信号は+であり、電流制御
回路6の中のコンパレータ入力は+となる。従って、電
流制御回路6の出力はオンになり、駆動装置51,52が働
いて第1及び第2のスイッチング素子11,12がオンさ
れ、電磁石コイル3の電流が流れ始める。
In such a configuration, it is assumed that the current command I S is given and the current of the electromagnet coil 3 at that time is zero. At that time, the input signal of the current control circuit 6 is +, and the comparator input in the current control circuit 6 becomes +. Therefore, the output of the current control circuit 6 is turned on, the driving devices 51 and 52 are actuated, the first and second switching elements 11 and 12 are turned on, and the current of the electromagnet coil 3 starts to flow.

電磁石コイル3はインダクタンスであるため、 に従って電流が増加していく。Since the electromagnet coil 3 is an inductance, The current increases accordingly.

電磁石コイル3の電流が増加して、電流検出手段4の出
力がISをこえると電流制御回路6の入力信号は−とな
り、電流制御回路6の中のコンパレータ入力も−とな
る。従って電流制御回路6の出力はオフとなり、駆動装
置51,52が働いてスイッチング素子11,12がオフされる。
このとき、電磁石コイル3はインダクタンスでありフラ
イホイール電流が流れるので、電磁石コイル3の上側は
OVより低く、電磁石コイル3の下側はVDCより高くな
り、グランド−第1のダイオード21−電磁石コイル3−
電流検出手段4−第2のダイオードの順に通ってVDC
流れ込む。電流の流れのもようを破線の矢印で図示して
いる。電磁石コイル3の両端にはおよそ−VDCの電圧が
かかるので、 に従って電流が減少していく。
When the current of the electromagnet coil 3 increases and the output of the current detecting means 4 exceeds I S , the input signal of the current control circuit 6 becomes negative and the comparator input in the current control circuit 6 also becomes negative. Therefore, the output of the current control circuit 6 is turned off, the driving devices 51 and 52 work, and the switching elements 11 and 12 are turned off.
At this time, since the electromagnet coil 3 is an inductance and a flywheel current flows, the upper side of the electromagnet coil 3 is
It is lower than OV and the lower side of the electromagnet coil 3 is higher than V DC , and the ground-first diode 21-electromagnet coil 3-
The current detection means 4-flows to V DC through the second diode in this order. The flow path of the electric current is shown by a dashed arrow. Since a voltage of approximately -V DC is applied to both ends of the electromagnet coil 3, The current decreases accordingly.

電磁石コイル3の電流が減少して電流検出手段4の出力
がISを下まわると電流制御回路6の入力信号は+となり
以下上記の手順に従って同じことをくり返すのである。
When the current of the electromagnet coil 3 decreases and the output of the current detecting means 4 falls below I S , the input signal of the current control circuit 6 becomes + and the same procedure is repeated according to the above procedure.

電流制御回路6のコンパレータの部分では、コンパレー
タの入力の一方は位相補償器の信号をうけ、他方を別途
設けた基準となる三角波またはノコギリ波発振器の信号
をうける構成としてもよいし、その他の構成であっても
よい。
In the comparator part of the current control circuit 6, one of the inputs of the comparator may receive the signal of the phase compensator, and the other may receive the signal of a triangular wave or sawtooth wave oscillator serving as a reference separately provided, or other configuration. May be

以上のように第1及び第2のスイッチング素子11,12が
オンしても、オフしても電磁石コイル3に流れる電流の
変化率の大きさがVDC/Lで増加又は減少するので、指令
信号ISの変化率が大であっても電磁石コイル3の電流は
追従することができ、電流制御の応答性を高くすること
ができるのである。
As described above, even if the first and second switching elements 11 and 12 are turned on or off, the rate of change of the current flowing through the electromagnet coil 3 increases or decreases at V DC / L. Even if the rate of change of the signal I S is large, the current of the electromagnet coil 3 can follow up, and the responsiveness of current control can be improved.

〔発明の効果〕〔The invention's effect〕

以上のように電磁石コイル3の両端にかかる電圧はVDC
か−VDCとなるので、電流の立上り又は立下がりが大き
く、電流制御の応答性を高くすることができる。従って
磁気軸受の応答性もよくすることができる。
As described above, the voltage applied to both ends of the electromagnet coil 3 is V DC.
Since it becomes −V DC , the rise or fall of the current is large, and the response of the current control can be improved. Therefore, the response of the magnetic bearing can be improved.

また、スイッチング素子11,12がオンすると、そこに電
流が流れるものの、各々にかかる電圧は小さく(例えば
トランジスタであれば1V以下)スイッチング素子11,12
の消費するロスは極めて小さいのである。従って、ロス
の小さなアンプを構成できるのである。
Further, when the switching elements 11 and 12 are turned on, a current flows there, but the voltage applied to each is small (for example, 1 V or less for a transistor).
The loss consumed by is extremely small. Therefore, an amplifier with low loss can be configured.

更にスイッチング素子11,12の熱容量を小さくすること
ができ、冷却装置も不要とできるので、コストの低減を
も可能とする効果がある。
Further, since the heat capacities of the switching elements 11 and 12 can be reduced and the cooling device can be eliminated, the cost can be reduced.

〔変形例〕[Modification]

第1図における電流検出手段は、ホール効果を利用した
ホール素子により電流を検出するのでもよいし、電磁石
コイル3と第1のスイッチング素子11の間にシャント抵
抗を接続し、その両端電圧を差動増幅あるいは絶縁増幅
してもよい。
The current detecting means in FIG. 1 may detect the current by a Hall element utilizing the Hall effect, or a shunt resistor may be connected between the electromagnet coil 3 and the first switching element 11 so that the voltage across the shunt resistor is different. Dynamic amplification or insulation amplification may be performed.

シャントの位置は第1のダイオード21と第2のスイッチ
ング12の下側に2つ設け、各々に生じる−と+の電圧の
差をとってもよい。
Two shunt positions may be provided below the first diode 21 and the second switching 12, and the difference between the − and + voltages generated in each may be taken.

また第1のダイオード21と第2のスイッチング素子12の
下側を接続し、その接点とグランド間にシャントを設
け、シャントの上側電圧を絶対値増幅してもよい。
Alternatively, the first diode 21 and the lower side of the second switching element 12 may be connected to each other, and a shunt may be provided between the contact and the ground to amplify the upper side voltage of the shunt in absolute value.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

第1図はこの発明の実施例のブロック図である。 11……第1のスイッチング素子 12……第2のスイッチング素子 21……第1のダイオード 22……第2のダイオード 3……電磁石コイル 4……電流検出手段 51……第1のスイッチング素子の駆動装置 52……第2のスイッチング素子の駆動装置 6……電流制御回路 FIG. 1 is a block diagram of an embodiment of the present invention. 11 ... First switching element 12 ... Second switching element 21 ... First diode 22 ... Second diode 3 ... Electromagnetic coil 4 ... Current detection means 51 ... First switching element Drive device 52 ...... Drive device for second switching element 6 ... Current control circuit

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭57−73223(JP,A) 特開 昭58−54220(JP,A) 特開 昭59−94906(JP,A) 実開 昭57−195215(JP,U) ─────────────────────────────────────────────────── --Continued from the front page (56) Reference JP-A-57-73223 (JP, A) JP-A-58-54220 (JP, A) JP-A-59-94906 (JP, A) Actual development Sho-57- 195215 (JP, U)

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】磁気吸引力により非接触支持する磁気軸受
装置や、磁気浮上装置等に用いられる電流増幅用パワー
アンプにおいて、直流電源とグランド間を第1のスイッ
チング素子と電磁石コイルと第2のスイッチング素子の
順に接続し、アノードをグランドに接続した第1のダイ
オードのカソードを、前記第1のスイッチング素子と電
磁石コイルの接続部に接続し、カソードを直流電源に接
続した第2のダイオードのアノードを前記電磁石コイル
と第2のスイッチング素子の接続部に接続し、電磁石コ
イルの電流を検出する電流検出手段によって、前記2つ
のスイッチング素子のオン・オフ指令を得るようにした
ことを特徴とする磁気吸引力発生用パワーアンプ。
1. A magnetic bearing device for supporting in a non-contact manner by a magnetic attraction force, a power amplifier for current amplification used in a magnetic levitation device, etc., wherein a first switching element, an electromagnet coil, and a second coil are provided between a DC power supply and a ground. An anode of a second diode in which a cathode of a first diode, which is connected in the order of switching elements and whose anode is connected to ground, is connected to a connecting portion between the first switching element and an electromagnet coil, and whose cathode is connected to a DC power source. Is connected to a connecting portion between the electromagnet coil and the second switching element, and an ON / OFF command for the two switching elements is obtained by a current detection unit that detects a current of the electromagnet coil. Power amplifier for generating suction force.
【請求項2】スイッチング素子がトランジスタであるこ
とを特徴とする特許請求の範囲第1項記載の磁気吸引力
発生用パワーアンプ。
2. The power amplifier for generating magnetic attraction force according to claim 1, wherein the switching element is a transistor.
【請求項3】電流検出手段がホール素子を利用したもの
であることを特徴とする特許請求の範囲第1項記載の磁
気吸引力発生用パワーアンプ。
3. The power amplifier for generating magnetic attraction force according to claim 1, wherein the current detecting means uses a Hall element.
【請求項4】電流検出手段がシヤント抵抗の電位差を利
用したものであることを特徴と求の範囲第1項記載の磁
気吸引力発生用パワーアンプ。
4. A power amplifier for generating magnetic attraction force according to claim 1, wherein the current detecting means utilizes a potential difference of a shunt resistance.
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