JPH0914265A

JPH0914265A - 磁気軸受補償回路

Info

Publication number: JPH0914265A
Application number: JP16117195A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Sato; 雄志佐藤
Original assignee: Shinko Electric Co Ltd
Current assignee: Shinko Electric Co Ltd
Priority date: 1995-06-27
Filing date: 1995-06-27
Publication date: 1997-01-14

Abstract

(57)【要約】【目的】制御系の安定度を向上させる磁気軸受補償回
路を提供する。【構成】バイクワッドフィルタの中心周波数ｆ３は、
分母中のＳの０次項で決定され、一方、そのＱ値は分母
中のＳの１次項で決定される。これらを比較すると、Ｑ
値を決定する可変抵抗Ｒ1は、中心周波数ｆ３を決定す
る分母中のＳの０次項に含まれていない。したがって、
可変抵抗Ｒ1を可変することによって中心周波数ｆ３と
独立にＱ値を決定することができる。この結果、中心周
波数を一定に保ったまま、Ｑ値を大きくして、低域周波
数領域において位相特性を改善し、位相余裕を拡大し、
制御系の安定度を向上することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、位相余裕を改善して
制御系の安定性を向上するのに好適な磁気軸受補償回路
を提供するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、超高速回転する回転軸の軸受
には、低振動、低摩擦、低騒音等に優れる磁気軸受が用
いられている。この磁気軸受にあっては、回転軸のぶれ
を防止するため、回転軸とのギャップ長が検出され、こ
れを一定に保つように制御が行われている。

【０００３】このため、従来より図３に示す磁気軸受制
御装置が提供されている。同図において、１は紙面と垂
直方向に回転する回転軸であり、その端部に設けられた
磁気軸受（図示せず）によって非接触状態で支持されて
いる。また、２はローターあり、回転軸１と同心の円柱
状に形成されている。また、３は変位センサであり、回
転軸１との距離を表す検出値Ｘを検出する。また、４，
５は電磁石であり、ローター２の近傍に配設され、この
電磁力によってローター２を変位させる。

【０００４】そして、変位センサ３で検出された検出値
Ｘと目標値Ｒとの差分値を求め、これに基づいて電磁石
４，５の電磁力を制御し、ローター２を変位させて、回
転軸１のラジアル方向の変位を補正している。ただし、
電磁石４，５およびローター２の応答特性を補償するた
め、ＰＩＤ補償回路（図示せず）で補償を行い応答特性
を改善している。このＰＩＤ補償回路は、積分補償、比
例補償及び微分補償を組み合わせて行うものである。

【０００５】次に、この制御装置のブロック図を図４に
示す。図において、１０は減算回路であり、目標値Ｒか
ら検出値Ｘを減算する。また、１１はＰＩＤ補償回路の
伝達関数であり、Ｇ1（Ｓ）で表される。また、１２は
電磁石４，５の伝達関数であり、また、１３はローター
２の伝達関数である。

【０００６】ここで、ＰＩＤ補償回路の周波数特性の一
例を図５に示す。図において、周波数ｆ１よりも低域の
周波数領域では、積分補償を行なうため、周波数が上昇
するにつれ、ゲインが下がる特性となっている。また周
波数ｆ２から周波数ｆ３までの周波数領域においては、
微分補償がなされている。さらに、周波数ｆ３よりも高
域の周波数領域では、雑音の増加や回転数に同期した周
期外乱によって制御系が飽和することを避けるため、ゲ
インが徐々に下がる特性となっている。このような周波
数特性を有するＰＩＤ補償回路を上記した制御系に適用
すると、制御系全体の周波数特性は図６に示すものとな
る。

【０００７】ところで、上記した図５中の周波数ｆ２よ
り高域の周波数領域における周波数特性を定めているの
はＰＩＤ補償回路中の微分回路である。この微分回路は
周波数ｆ３よりも高域の周波数領域において、ゲインが
減衰する特性を有するため、単純な微分回路ではなく、
図７に示すように微分回路にローパスフィルタを加えた
２次回路として一体構成されていた。この２次回路の伝
達関数は以下に示す式１で表され、また、その周波数特
性は図８に示すものとなる。

【数１】

【０００８】ここで、中心周波数ｆ３は、式１の分母
中、Ｓの０次の項で決定される。一方、周波数特性の先
鋭度を表すＱ値は、式１の分母中、Ｓの１次項で決定さ
れる。これらの定数を比較すると、いずれもＣa,Ｃb,Ｒ
a,Ｒbを含むため、中心周波数ｆ３とＱ値とを独立して
設定することができなかった。このため、中心周波数ｆ
３が定まると、Ｑ値も一意に定まり、高い値を取ること
ができなかった。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】ところで、極端に大き
な周期性の外乱が加わることを想定する場合には、周波
数ｆ３を比較的低く設定して、外乱が発生する周波数に
おける制御系のゲインを下げる必要がある。このよう
に、周波数ｆ３を比較的低く設定すると、Ｑ値の低さの
ため、比較的低域の周波数領域で微分回路の位相遅れが
大きくなる。この結果、制御系の位相余裕が減少し、そ
の安定度が低下するといった不都合があった。本発明は
上述した事情に鑑みてなされたものであり、制御系の安
定度を向上させる磁気軸受補償回路を提供することを目
的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
請求項１に記載の構成にあっては、磁気軸受によって支
持された回転軸の変位を制御する磁気軸受補償回路にお
いて、Ｑ値と中心周波数とを独立に設定できるように構
成され高域周波数成分を補償する帯域通過フィルタを備
えることを特徴とする。請求項２に記載の構成にあって
は、前記帯域通過フィルタをバイクワッドフィルタで構
成したことを特徴とする。

【００１１】

【作用】請求項１に記載の構成にあっては、磁気軸受補
償回路は、磁気軸受によって支持された回転軸の変位を
制御する。そして、この磁気軸受補償回路を構成する帯
域通過フィルタは、Ｑ値と中心周波数とを独立に設定で
きるように構成され高域周波数成分を補償するから、中
心周波数を一定としたまま、Ｑ値のみを可変して、低域
の位相遅れを改善できる。この結果、制御系の位相余裕
を大きくでき、安定度を向上できる。また、請求項２に
記載のこの発明にあっては、前記帯域通過フィルタは、
バイクワッドフィルタで構成されるので、Ｑ値と中心周
波数とを独立に設定できる。

【００１２】

【実施例】以下、図面を参照してこの発明の一実施例に
ついて説明する。この実施例による磁気軸受制御装置
は、ＰＩＤ補償回路中の微分回路を除いて、従来の技術
で説明した磁気軸受制御装置と同一であるので、この点
について説明する。図１は本実施例の磁気軸受制御装置
に用いられるＰＩＤ補償回路中の微分回路の回路図であ
る。図において１００，２００，３００は反転増幅器を
構成するオぺアンプである。また、２１〜２６は抵抗器
であり、その抵抗値は各々Ｒ1〜Ｒ6である。また、３
１，３２はコンデンサであり、そのコンデンサ値は各々
Ｃ1,Ｃ2である。この微分回路Ａでは、オぺアンプ３０
０の出力が、オペアンプ１００の−端子に抵抗器２３を
介してフィードバックされて、バイクワッドフィルタが
構成される。

【００１３】このバイクワッドフィルタの伝達関数は以
下に示す式２によって表される。

【数２】

【００１４】式２において、バイクワッドフィルタの中
心周波数ｆ３は、分母中のＳの０次項で決定され、一
方、そのＱ値は分母中のＳの１次項で決定される。これ
らを比較すると、Ｑ値を決定する抵抗値Ｒ1は、中心周
波数ｆ３を決定する分母中のＳの０次項に含まれていな
い。したがって、抵抗値Ｒ1を適宜設定すれば、中心周
波数ｆ３と独立にＱ値を変更することができる。そこ
で、本実施例においては、従来の微分回路よりもＱ値が
高くなるように抵抗値Ｒ1を設定する。この結果、バイ
クワッドフィルタの周波数特性は図２に示すものとな
る。

【００１５】同図において、実線で示した特性が、本実
施例によるバイクワッドフィルタの特性であり、一方、
点線で示した特性が、従来の微分回路によって得られる
特性である。すなわち、本実施例では、従来の微分回路
と同一の周波数となるよう中心周波数ｆ３を設定し、こ
れとは独立にＱ値を高くするよう抵抗値Ｒ1を設定した
ので、中心周波数ｆ３よりも低域の周波数領域におい
て、位相遅れを少なくできる。

【００１６】これにより、本実施例による磁気軸受制御
装置では、制御系の位相余裕が改善され、制御系の安定
度が向上する。したがって、回転に同期した外乱に応答
しないように中心周波数ｆ３を低く設定した場合にも、
Ｑ値を大きくして、安定度を向上させることができ、例
えば、外乱が加わった際にハンチングを発生させること
なく、速やかに目標値に収束させることができる。

【００１７】なお、上述した本実施例において、オペア
ンプ２００，抵抗器２２及びコンデンサ３２と、オペア
ンプ３００，抵抗器２５及び抵抗器２６とを入れ換えて
もよい。また、Ｑ値を一定としたまま中心周波数ｆ３を
変更する場合には、コンデンサ値Ｃ2、または抵抗値Ｒ
2,Ｒ3,Ｒ5,Ｒ6を適宜設定すればよい。

【００１８】なお、上述した本実施例において、微分回
路の中心周波数ｆ３とそのＱ値とを独立して設定するこ
とができるので、抵抗器やコンデンサに可変素子を適宜
用いれば、電磁石やローターに変更に伴って制御特性が
変更された場合においても、同一のＰＩＤ補償回路で対
応することができる。

【００１９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の構成によ
れば、Ｑ値と中心周波数とを独立に設定できるから、中
心周波数を一定にしてＱ値のみを可変して、中心周波数
より低域の周波数領域において位相遅れを低減させるこ
とができ、これにより位相余裕を改善し、制御系の安定
度を向上することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の構成を示す回路図であ
る。

【図２】バイクワッドフィルタの周波数特性を示す図
である。

【図３】磁気軸受制御装置の断面図である。

【図４】磁気軸受制御装置のブロック図である。

【図５】ＰＩＤ補償回路の周波数特性を示す図であ
る。

【図６】制御系全体の周波数特性を示す図である。

【図７】従来の微分回路の構成を示す回路図である。

【図８】従来の微分回路の周波数特性を示す図であ
る。

【符号の説明】

１回転軸Ａ微分回路（帯域通過フィルタ，バイクワッドフィル
タ）ｆ３中心周波数

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】磁気軸受によって支持された回転軸の変
位を制御する磁気軸受補償回路において、Ｑ値と中心周波数とを独立に設定できるように構成され
高域周波数成分を補償する帯域通過フィルタを備えるこ
とを特徴とする磁気軸受補償回路。
【請求項２】前記帯域通過フィルタをバイクワッドフ
ィルタで構成したことを特徴とする請求項１に記載の磁
気軸受補償回路。