JPH10259824A - 磁気軸受装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 周期性外乱の周波数が変化しても常にその影
響を軽減でき、どの回転数領域においても安定性の高い
運転が可能で、高速回転が可能になる磁気軸受装置を提
供する。 【解決手段】 磁気軸受装置は、回転体１を非接触支持
する複数の電磁石2xa 、2xb を有する磁気軸受２と、回
転体１の変位を検出する変位検出装置4xと、変位検出装
置4xの出力信号に基づいて磁気軸受２の電磁石2xa 、2x
b の駆動電流を制御するための位置制御信号を出力する
電磁石制御装置5xと、変位検出装置4xの出力信号から周
期性外乱の周波数を推定してこの周期性外乱を抑制する
ための外乱抑制信号を出力する外乱抑制制御装置9xと、
位置制御信号と外乱抑制信号を加算して電磁石制御信号
を電磁石2xa 、2xb に供給する加算器10xa、10xbとを備
えている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、磁気軸受装置に
関する。

【０００２】

【従来の技術】磁気軸受装置を使用した工作機械用スピ
ンドル装置などの高速回転機械として、主軸などの回転
体の軸方向（アキシアル方向）の２箇所がラジアル磁気
軸受によって径方向（ラジアル方向）に非接触支持さ
れ、軸方向の１箇所がアキシアル磁気軸受によって軸方
向に非接触支持されたものが知られている。

【０００３】上記のような高速回転機械に使用されるラ
ジアル磁気軸受装置の１例が図１および図２に示されて
いる。図１はラジアル磁気軸受装置の機械的部分の横断
面図、図２はその制御部分のブロック図である。なお、
以下の説明において、軸方向の軸をＺ軸、Ｚ軸と直交す
るとともに互いに直交する２つの径方向の軸をＸ軸およ
びＹ軸とする。ラジアル磁気軸受装置は回転体の軸方向
の１箇所をＸ軸方向およびＹ軸方向に非接触支持するも
のであるが、図２にはＸ軸方向の制御部分だけが示され
ている。

【０００４】図１に示すように、ラジアル磁気軸受装置
は、回転体(1) をＸ軸方向およびＹ軸方向に非接触支持
する１組のラジアル磁気軸受(2) を備えている。磁気軸
受(2) は、回転体(1) をＸ軸方向の両側から挟んで外向
きに吸引する１対のＸ軸電磁石(2xa)(2xb)と、回転体
(1) をＹ軸方向の両側から挟んで外向きに吸引する１対
のＹ軸電磁石(2ya)(2yb)とを備えている。各Ｘ軸電磁石
(2xa)(2xb)の近傍に、回転体(2) をＸ軸方向の両側から
挟んで回転体(2) とのＸ軸方向の空隙の大きさを検出す
る１対のＸ軸変位センサ(3xa)(3xb)が設けられ、各Ｙ軸
電磁石(2ya)(2yb)の近傍に、回転体(2) をＹ軸方向の両
側から挟んで回転体(2) との空隙の大きさを検出する１
対のＹ軸変位センサ(3ya)(3yb)が設けられている。

【０００５】図２に示すように、ラジアル磁気軸受装置
のＸ軸方向の制御部分は、Ｘ軸変位検出装置(4x)、電磁
石制御装置(5x)および電力増幅器(6xa)(6xb)を備えてい
る。変位検出装置(4x)は、上記の２個のＸ軸変位センサ
(3xa)(3xb)と、演算部(7x)とを備えており、演算部(7x)
が、センサ(3xa)(3xb)の出力から回転体(1) のＸ軸方向
の変位を求めて、Ｘ軸変位信号Ｖx を出力する。電磁石
制御装置(5x)は、変位検出装置(4x)の出力信号である変
位信号Ｖx に基づいて各Ｘ軸電磁石(2xa)(2xb)の駆動電
流をそれぞれ制御するための位置制御信号Ｖcxa'、Ｖcx
b'を出力する。各位置制御信号Ｖcxa'、Ｖcxb'は、その
まま電磁石制御信号Ｖcxa 、Ｖcxb として対応する各電
力増幅器(6xa)(6xb)に入力する。各電力増幅器(6xa)(6x
b)は、電磁石制御信号Ｖcxa 、Ｖcxb を増幅して各Ｘ軸
電磁石(2xa)(2xb)にそれぞれ駆動電流Ｉcxa 、Ｉcxb を
供給する。そして、２個の電磁石(2xa)(2xb)にそれぞれ
駆動電流Ｉcxa 、Ｉcxb が供給されることにより、各電
磁石(2xa)(2xb)にＸ軸方向外向きの磁気吸引力が発生し
て、回転体(1) にＸ軸方向の磁気力Ｆcxが作用し、これ
により回転体(1) がＸ軸方向の所定位置に非接触支持さ
れる。

【０００６】ラジアル磁気軸受装置のＹ軸方向の制御部
分も、図２のＸ軸方向の制御部分と同様の構成を有す
る。

【０００７】上記のような高速回転機械に使用されるア
キシアル磁気軸受装置の１例が図３および図４に示され
ている。図３はアキシアル磁気軸受装置の機械的部分の
縦断面図、図４はその制御部分のブロック図である。

【０００８】図３に示すように、アキシアル磁気軸受装
置は、回転体(1) をＺ軸方向に非接触支持する１組のア
キシアル磁気軸受(8) を備えている。磁気軸受(8) は、
回転体(1) のフランジ部(1a)をＺ軸方向の両側から挟ん
で反対向きに吸引する１対のＺ軸電磁石(8za)(8zb)を備
えている。回転体(1) の端面の近傍に、この端面とのＺ
軸方向の空隙の大きさを検出する１個のＺ軸変位センサ
(3z)が設けられている。

【０００９】図４に示すように、アキシアル磁気軸受装
置の制御部分は、Ｚ軸変位検出装置(4z)、電磁石制御装
置(5z)および電力増幅器(6za)(6zb)を備えている。変位
検出装置(4z)は、上記の１個のＺ軸変位センサ(3z)と、
演算部(7z)とを備えており、演算部(7z)が、センサ(3z)
の出力から回転体(1) のＺ軸方向の変位を求めて、Ｚ軸
変位信号Ｖz を出力する。電磁石制御装置(5z)は、変位
検出装置(4z)の出力信号である変位信号Ｖz に基づいて
各Ｚ軸電磁石(8za)(8zb)の駆動電流をそれぞれ制御する
ための位置制御信号Ｖcza'、Ｖczb'を出力する。各位置
制御信号Ｖcza'、Ｖczb'は、そのまま電磁石制御信号Ｖ
cza 、Ｖczb として対応する各電力増幅器(6za)(6zb)に
入力する。各電力増幅器(6za)(6zb)は、電磁石制御信号
Ｖcza 、Ｖczb を増幅して各Ｚ軸電磁石(8za)(8zb)にそ
れぞれ駆動電流Ｉcza 、Ｉczb を供給する。そして、２
個の電磁石(8za)(8zb)にそれぞれ駆動電流Ｉcza 、Ｉcz
bが供給されることにより、各電磁石(8za)(8zb)にＺ軸
方向反対向きの磁気吸引力が発生して、回転体(1) にＺ
軸方向の磁気力Ｆczが作用し、これにより回転体(1) が
Ｚ軸方向の所定位置に保持される。

【００１０】上記のようなラジアル磁気軸受装置および
アキシアル磁気軸受装置を備えた高速回転機械におい
て、回転中の回転体(1) には、各磁気軸受装置による磁
気力の他に外乱が作用する。図２において、外乱のＸ軸
成分をＦdxで示し、図４において、外乱のＺ軸成分をＦ
dzで示している。Ｘ軸方向については、磁気力Ｆcxと外
乱のＸ軸成分Ｆdxを合わせた力Ｆx が回転体(1) に作用
する。Ｙ軸方向についても同様である。Ｚ軸方向につい
ては、磁気力Ｆczと外乱のＺ軸成分Ｆdzを合わせた力Ｆ
z が回転体(1) に作用する。

【００１１】外乱には種々のものがあるが、周期性を持
つものが多い。

【００１２】径方向の外乱として、たとえば、回転体
(1) のアンバランスによるものがある。この場合、定格
回転時の回転体にそのアンバランス量に比例した振れ回
りが発生し、これが回転精度や制御の安定性に悪影響を
及ぼすことが多い。その解決方法として、たとえば、回
転センサにより回転数に比例した参照信号を発生させ、
この参照信号を基に、回転数に同期した信号のみを制御
しないようにしたいわゆる慣性中心制御が知られてい
る。ところが、この場合は、エンコーダなどの回転セン
サが別に必要になり、他の回転数領域で使用したときに
は外乱を抑制することができない。また、一定の周波数
（回転数）についてのみ軸受剛性を大きくするいわゆる
ピークオブゲイン制御も知られているが、この場合も、
他の回転数領域で使用したときには外乱を抑制すること
ができない。

【００１３】一方、回転体が高速になると、回転体の固
有振動数（剛性モード、１次曲げモード、２次曲げモー
ド）は回転数の上昇とともに変化しかつ分岐するという
特性すなわちジャイロ作用を有する。そして、各固有振
動数に相当する回転数において、外乱などによるジャイ
ロ振動が発生する。このため、ある状態における固有振
動数に対する補償を行なったとしても、他の状態におけ
る固有振動数に相当する振動数においてジャイロ振動が
発生する。高速回転する回転体については、実際の回転
数と固有振動数との差をできるだけ大きくする必要があ
るが、上記のような事情より、回転数を高くすることは
困難である。

【００１４】軸方向の外乱として、たとえば、磁気軸受
装置を研削盤などの工作機械のスピンドル装置に使用す
る場合が考えられる。研削盤のスピンドル装置では、主
軸（回転体）に軸方向に一定周波数のオシレーション
（振動）を与えて加工を行なう場合が多いが、オシレー
ション周波数が軸受剛性の低い領域に設定されることが
あり、その場合、軸受の剛性不足により主軸が軸方向に
大きく振動し、加工精度に悪影響を及ぼすことがある。
その対策として、前記のピークオブゲイン制御が知られ
ているが、この場合は、前記のように、他の回転数領域
で使用したときには外乱を抑制することができない。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】この発明の目的は、上
記の問題を解決し、周期性外乱の周波数が変化しても常
にその影響を軽減でき、どの回転数領域においても安定
性の高い運転が可能で、高速回転が可能になる磁気軸受
装置を提供することにある。

【００１６】

【課題を解決するための手段および発明の効果】この発
明による磁気軸受装置は、回転体を非接触支持する複数
の電磁石を有する磁気軸受と、前記回転体の変位を検出
する変位検出手段と、前記変位検出手段の出力信号に基
づいて前記磁気軸受の電磁石の駆動電流を制御するため
の位置制御信号を出力する電磁石制御手段と、前記変位
検出手段の出力信号から周期性外乱の周波数を推定して
この周期性外乱を抑制するための外乱抑制信号を出力す
る外乱抑制制御手段と、前記位置制御信号と前記外乱抑
制信号を加算して電磁石制御信号を前記電磁石に供給す
る加算手段とを備えていることを特徴とするものであ
る。

【００１７】周期性外乱の周波数を推定してこの周期性
外乱を抑制するための外乱抑制信号を出力し、これを位
置制御信号に加算して電磁石制御信号として電磁石に供
給するため、外乱の周波数が変化しても、常にその影響
を低減することができる。このため、どの回転数領域に
おいても、外乱による回転体の振動を抑制して、安定性
の高い制御ができ、高速回転が可能になる。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、図５〜図１１を参照して、
この発明の実施形態について説明する。

【００１９】図５は、この発明をラジアル磁気軸受装置
に適用した第１実施形態を示している。図５は従来技術
を示す図２に相当するものであり、図２のものと同じ部
分には同一の符号を付している。また、第１実施形態に
おけるラジアル磁気軸受装置の機械的部分の構成は、図
１に示す従来技術と同じである。

【００２０】第１実施形態において、Ｘ軸変位検出装置
(4x)は回転体(1) のＸ軸方向の変位を検出するＸ軸変位
検出手段を、電磁石制御装置(5x)は変位検出装置(4x)の
出力信号である変位信号Ｖx に基づいて各Ｘ軸電磁石(2
xa)(2xb)の駆動電流Ｉcxa 、Ｉcxb をそれぞれ制御する
ための位置制御信号Ｖcxa'、Ｖcxb'を出力するＸ軸電磁
石制御手段をそれぞれ構成している。

【００２１】第１実施形態の場合、ラジアル磁気軸受装
置のＸ軸方向の制御部分において、外乱抑制制御手段と
しての外乱抑制制御装置(9x)が電磁石制御装置(5x)と並
列に設けられている。外乱抑制制御装置(9x)は、後に詳
しく説明するように、変位信号Ｖx から周期性外乱の周
波数を推定し、この周期性外乱を抑制するための外乱抑
制制御信号Ｖrxa 、Ｖrxb を出力する。外乱抑制制御装
置(9x)は、ＤＳＰ（ディジタル信号処理プロセッサ）を
備えている。ディジタル信号処理プロセッサ（Digital
Signal Processor）とは、ディジタル信号を入力してデ
ィジタル信号を出力し、ソフトウェアプログラムが可能
で、高速実時間処理が可能な専用ハードウェアを指す。
そして、後に説明する外乱抑制制御装置(9x)における処
理は、ＤＳＰのプログラムを実行することにより行なわ
れる。電磁石制御装置(5x)からの一方の位置制御信号Ｖ
cxa'と外乱抑制制御装置(9x)からの一方の外乱抑制制御
信号Ｖrxa とは、加算手段を構成する一方の加算器(10x
a)により加算され、電磁石制御信号Ｖcxa として一方の
電力増幅器(6xa) に供給される。電磁石制御装置(5x)か
らの他方の位置制御信号Ｖcxb'と外乱抑制制御装置(9x)
からの他方の外乱抑制制御信号Ｖrxb とは、加算手段を
構成する他方の加算器(10xb)により加算され、電磁石制
御信号Ｖcxb として他方の電力増幅器(6xb) に供給され
る。他は、図１および図２の従来技術の場合と同様であ
る。

【００２２】次に、図６および図７のフローチャートを
参照して、外乱抑制制御装置(9x)の動作の１例を説明す
る。

【００２３】図６において、まず、Ｘ軸変位信号Ｖx の
サンプリングを所定時間行う（ステップ101 ）。そし
て、このサンプリング結果に基づいて、周期性外乱の周
波数ωの推定を行う（ステップ102 ）。

【００２４】次に、ωの推定アルゴリズムの１例につい
て説明する。

【００２５】このアルゴリズムは、周期がτ^* である信
号ｄ（ｔ）を考え、次の式(1) で表わされる評価関数Ｊ
（τ）の勾配最小化法に基づいた方法である。

【００２６】

【数１】 ここで、Ｔ_max ＞τ^* である。式(1) より、直観的に、
τがｄ（ｔ）の周期と一致すれば、評価関数Ｊは最小
で、０となる。そして、この評価関数Ｊを最小にする連
続的な勾配適応アルゴリズムは次の式(2) のように与え
られる。

【００２７】

【数２】 サンプリング時間をΔＴとすると、Ｔ_max とτはΔＴで
次の式(3) のように表わされる。

【００２８】Ｔ_max ＝ＬΔＴ，τ＝ηΔＴ …… (3) ただし、Ｌは整数で、ηは実数である。実数ηの整数部
分を｜η｜と定義すると、ηと隣接の両整数は｜η｜と
（｜η｜＋１）である。

【００２９】サンプリング時間がΔＴである離散データ
（ｄ₁ ，・・・・，ｄ_L ，・・・・，ｄ_2L+2）に対し
て、η＝τ／ΔＴは整数ではないので、点τにおいて評
価関数を次の式(4) および式(5) のように近似できる。

【００３０】

【数３】 また、上記の両整数点における評価関数Ｊの偏微分は、
次の式(6) および式(7) のように表わされる。

【００３１】

【数４】 そして、点τ＝ηΔＴにおける評価関数Ｊの偏微分は、
上記の点｜η｜ΔＴと（｜η｜＋１）ΔＴにおける評価
関数Ｊの偏微分の線形補間により次の式(8) のように求
められる。

【００３２】

【数５】 この式(8) を用いて、前記の式(2) は次の式(9) のよう
に書き直せる。

【００３３】

【数６】 次に、図７のフローチャートを参照して、上記のω推定
のアルゴリズムについて説明する。

【００３４】図７において、まず、前記の式(1) で表わ
される評価関数Ｊについて、前記の式(6) および式(7)
を用いて、点｜η｜ΔＴと点（｜η｜＋１）ΔＴにおけ
る偏微分を計算する（ステップ201 ）。次に、これらの
偏微分の計算値と前記の式(8) を用いて、線形補間によ
り、点ηδＴにおけるＪの偏微分を計算する（ステップ
202 ）。次に、前記の式(9) を用いて、η（ｔ）の更新
値η（ｔ＋１）を計算する（ステップ203 ）。次に、Ｊ
と微小値εとを比較し（ステップ204 ）、Ｊがε以上で
あれば、ステップ201 に戻り、ステップ201 〜204 を繰
返す。ステップ204 において、Ｊがεより小さければ、
ステップ205 に進み、次の式(10)を用いて、周期τを計
算する。そして、このτを周波数ωに換算し（ステップ
206 ）、処理を終了する。

【００３５】図６において、ステップ102 の周波数ωの
推定が終了したならば、外乱抑制信号を生成するため
に、ステップ103 以下の処理を行う。この処理について
説明する前に、図８〜図１０を参照して、外乱抑制信号
生成の原理について説明する。

【００３６】図８は、制御系の全体構成を概略的に示し
ている。図８において、(11)は制御対象であり、第１実
施形態のラジアル磁気軸受(2) に相当する。(12)は、第
１実施形態の外乱抑制制御装置(9x)に相当する外乱抑制
制御装置である。ｄは、第１実施形態の外乱Ｆdxに相当
する外乱である。ｅは制御対象(11)の出力である誤差信
号であり、第１実施形態の変位信号Ｖx に相当する。ｒ
は外乱抑制制御装置(12)の出力信号すなわち制御対象(1
1)への制御入力であり、第１実施形態の外乱抑制制御信
号Ｖrxa 、Ｖrxb に相当する。

【００３７】図９は外乱抑制制御装置(12)においてＤＳ
Ｐのプログラムを実行することにより行われている処理
をブロック図で表わしたものであり、制御装置(12)にお
ける処理は同期エネルギ計算手段(13)、フーリエ係数計
算手段(14)および信号生成手段(15)より構成されてい
る。

【００３８】図１０は同期エネルギ計算手段(13)におけ
る処理をブロック図で表わしたものであり、この手段(1
3)における処理は２つの乗算器(16)(17)と２つの低域通
過フィルタ(18)(19)より構成されている。

【００３９】外乱ｄを次の式(10)にように与え、制御対
象(11)の伝達関数Ｇ（ｓ）が次の式(11)のようであると
する。

【００４０】 ｄ＝α_d ｓｉｎ（ωｔ）＋β_d ｃｏｓ（ωｔ） …… (10) Ｇ（ｊｗ）＝Ａｅ^jθ …… (11) すると、制御対象(11)への制御入力ｒは次の式(12)によ
うに与えられる。

【００４１】 ｒ＝α（ｔ）ｓｉｎ（ωｔ）＋β（ｔ）ｃｏｓ（ωｔ） …… (12) 制御入力ｒに対して、制御対象(11)の定常出力ｙと誤差
信号ｅは次の式(13)および式(14)のようになる。

【００４２】 ｙ＝Ａ〔α（ｔ）ｓｉｎ（ωｔ＋θ）＋β（ｔ）ｃｏｓ（ωｔ＋θ）〕 …… (13) ｅ＝Ａ〔α（ｔ）ｓｉｎ（ωｔ＋θ）＋β（ｔ）ｃｏｓ（ωｔ＋θ）〕 ＋α_d ｓｉｎ（ωｔ）＋β_d ｃｏｓ（ωｔ） …… (14) 同期エネルギ計算手段(13)は、誤差信号ｅを処理して、
ｎ₁ （ｔ）およびｎ₂（ｔ）を生成する。一方の乗算器
(16)において、ｅ（ｔ）とｓｉｎ（ωｔ）との積が演算
され、この積ｅ（ｔ）ｓｉｎ（ωｔ）が一方のフィルタ
(18)に通されて、その出力としてｎ₁ （ｔ）が生成され
る。同様に、他方の乗算器(17)において、ｅ（ｔ）とｃ
ｏｓ（ωｔ）との積が演算され、この積ｅ（ｔ）ｃｏｓ
（ωｔ）が他方のフィルタ(19)に通されて、その出力と
してｎ₂ （ｔ）が生成される。フィルタ(18)(19)のカッ
トオフ周波数ω_B は、ω_B ＜＜２ωの関係を満たすよう
に選ばれる。ここで、ゲインの非常に小さい高周波成分
を無視すると、定常状態のフィルタ(18)(19)の出力は近
似的に次の式(15)および式(16)にように表わされる。

【００４３】 ｎ₁ （ｔ）＝０．５〔Ａαｃｏｓ（θ）＋α_d −Ａβｓｉｎ（θ）〕 …… (15) ｎ₂ （ｔ）＝０．５〔Ａβｃｏｓ（θ）＋β_d −Ａαｓｉｎ（θ）〕 …… (16) 一般に、位相角θは未知であるから、制御入力ｒのフー
リエ係数α（ｋ）とβ（ｋ）は次の式(17)および式(18)
のようになる。

【００４４】 α（ｋ＋１）＝α（ｋ）−μ₁ （ｋ＋１）ｎ₁ （ｋ） …… (17) β（ｋ＋１）＝β（ｋ）−μ₂ （ｋ＋１）ｎ₂ （ｋ） …… (18) ここで、μ_i はステップサイズである。また、ｎ₁ （ｋ
＋１）およびｎ₂ （ｋ＋１）は、次の式(19)および式(2
0)のようになる。

【００４５】 ｎ₁ （ｋ＋１）＝ｎ₁ （ｋ） ＋０．５Ａ〔μ₂ （ｋ＋１）ｎ₂ （ｋ）ｓｉｎ（θ） −μ₁ （ｋ＋１）ｎ₁ （ｋ）ｃｏｓ（θ）〕 …… (19) ｎ₂ （ｋ＋１）＝ｎ₂ （ｋ） −０．５Ａ〔μ₂ （ｋ＋１）ｎ₂ （ｋ）ｃｏｓ（θ） ＋μ₁ （ｋ＋１）ｎ₁ （ｋ）ｓｉｎ（θ）〕 …… (20) ただし、μ₁ （ｋ＋１）およびμ₂ （ｋ＋１）は、次の
式(21)および式(22)のとおりである。

【００４６】 μ₁ （ｋ＋１）＝μ₁ （ｋ）ｓｇｎ〔ｎ₁ ² （ｋ−１）−ｎ₁ ² （ｋ）〕 …… (21) μ₂ （ｋ＋１）＝μ₂ （ｋ）ｓｇｎ〔ｎ₂ ² （ｋ−１）−ｎ₂ ² （ｋ）〕 …… (22) 上式は非線形系であるが、一定の条件下でこの非線形系
が漸近安定であることがわかっている。また、前記の式
(15)、式(16)および式(14)より、ｎ₁ （ｔ）とｎ
₂ （ｔ）が０に収束すると、誤差信号ｅ（ｔ）は０に収
束することがわかる。

【００４７】図６において、ステップ103 で、ｓｉｎ
（ωｔ）の計算が行われる。次に、Ｖ_x とｓｉｎ（ω
ｔ）の積が演算され（ステップ104 ）、この積Ｖ_x ｓｉ
ｎ（ωｔ）が低域通過フィルタ(18)に通されて、ｎ
₁ （ｔ）、ｎ₁ （ｋ）が求められる（ステップ105 ）。
次に、ｎ₁ ² が演算されて、これがＹ₁ とされる（ステ
ップ106 ）。次に、Ｙ₁ （ｋ）とＹ₁ （ｋ−１）とが比
較され（ステップ107 ）、Ｙ₁（ｋ）がＹ₁ （ｋ−１）
より大きければ、ステップ108 に進み、そうでなけれ
ば、ステップ109 に進む。ステップ108 では、次の式(2
3)によりμ₁ （ｋ＋１）を求め、ステップ110 に進む。

【００４８】 μ₁ （ｋ＋１）＝−μ₁ （ｋ） …… (23) ステップ109 では、次の式(24)によりμ₁ （ｋ＋１）を
求め、ステップ110 に進む。

【００４９】μ₁ （ｋ＋１）＝μ₁ （ｋ） …… (24) 上記のステップ103 〜ステップ109 が実行されている間
に、同時に、同様のステップ111 〜ステップ117 が実行
される。

【００５０】ステップ111 では、ｃｏｓ（ωｔ）の計算
が行われる。次に、Ｖ_x とｃｏｓ（ωｔ）の積が演算さ
れ（ステップ112 ）、この積Ｖ_x ｃｏｓ（ωｔ）が低域
通過フィルタ(19)に通されて、ｎ₂ （ｔ）、ｎ₂ （ｋ）
が求められる（ステップ113）。次に、ｎ₂ ² が演算さ
れて、これがＹ₂ とされる（ステップ114 ）。次に、Ｙ
₂ （ｋ）とＹ₂ （ｋ−１）とが比較され（ステップ115
）、Ｙ₂ （ｋ）がＹ₂（ｋ−１）より大きければ、ステ
ップ116 に進み、そうでなければ、ステップ117 に進
む。ステップ116 では、次の式(25)によりμ₂ （ｋ＋
１）を求め、ステップ110 に進む。

【００５１】 μ₂ （ｋ＋１）＝−μ₂ （ｋ） …… (25) ステップ117 では、次の式(26)によりμ₂ （ｋ＋１）を
求め、ステップ110 に進む。

【００５２】μ₂ （ｋ＋１）＝μ₂ （ｋ） …… (26) ステップ110 では、前記の式(17)および式(18)によりα
（ｋ＋１）およびβ（ｋ＋１）が求められ、これらを用
いて、次の式(27)により制御入力ｒが計算される（ステ
ップ111 ）。

【００５３】 ｒ＝α（ｋ＋１）ｓｉｎ（ωｔ）＋β（ｋ＋１）ｃｏｓ（ωｔ） …… (27) そして、このｒから外乱抑制制御信号Ｖrxa 、Ｖrxb が
生成され、加算器(10xa)(10xb)に供給される。

【００５４】第１実施形態では、外乱抑制制御装置(9x)
において、周期性外乱の周波数を推定してこの周期性外
乱を抑制するための外乱抑制信号Ｖrxa 、Ｖrxb を出力
し、加算器(10xa)(10xb)において、外乱抑制信号Ｖrxa
、Ｖrxb を位置制御信号Ｖcxa'、Ｖcxb'に加算し、そ
れを電磁石制御信号Ｖcxa 、Ｖcxb として電力増幅器(6
xa)(6xb)に供給し、これにより電磁石(2xa)(2xb)の駆動
電流Ｉcxa 、Ｉcxb を制御しているため、外乱の周波数
が変化しても、常にその影響を低減することができる。
このため、どの回転数領域においても、外乱による回転
体(1) の振動を抑制して、安定性の高い制御ができ、高
速回転が可能になる。

【００５５】図１１は、この発明をアキシアル磁気軸受
装置に適用した第２実施形態を示している。図１１は従
来技術を示す図４に相当するものであり、図４のものと
同じ部分には同一の符号を付している。また、第２実施
形態におけるアキシアル磁気軸受装置の機械的部分の構
成は、図３に示す従来技術と同じである。

【００５６】第２実施形態において、Ｚ軸変位検出装置
(4z)は回転体(1) のＺ軸方向の変位を検出するＺ軸変位
検出手段を、電磁石制御装置(5z)は変位検出装置(4z)の
出力信号である変位信号Ｖz に基づいて各Ｚ軸電磁石(8
za)(8zb)の駆動電流Ｉcza 、Ｉczb をそれぞれ制御する
ための位置制御信号Ｖcza'、Ｖczb'を出力するＺ軸電磁
石制御手段をそれぞれ構成している。

【００５７】第２実施形態の場合、アキシアル磁気軸受
装置の制御部分において、外乱抑制制御手段としての外
乱抑制制御装置(9z)が電磁石制御装置(5z)と並列に設け
られている。外乱抑制制御装置(9z)は、第１実施形態に
おける外乱抑制制御装置(9x)と同様の構成を有し、前記
同様に、変位信号Ｖz から周期性外乱の周波数ωを推定
し、この周期性外乱を抑制するための外乱抑制制御信号
Ｖrza 、Ｖrzb を出力する。電磁石制御装置(5z)からの
一方の位置制御信号Ｖcza'と外乱抑制制御装置(9z)から
の一方の外乱抑制制御信号Ｖrza とは、加算手段を構成
する一方の加算器(10za)により加算され、電磁石制御信
号Ｖcza として一方の電力増幅器(6za)に供給される。
電磁石制御装置(5z)からの他方の位置制御信号Ｖczb'と
外乱抑制制御装置(9z)からの他方の外乱抑制制御信号Ｖ
rzb とは、加算手段を構成する他方の加算器(10zb)によ
り加算され、電磁石制御信号Ｖczb として他方の電力増
幅器(6xb) に供給される。他は、図３および図４の従来
技術ならびに第１実施形態の場合と同様である。

【００５８】回転体が２組のラジアル磁気軸受と１組の
アキシアル磁気軸受で非接触支持されて高速回転させら
れる高速回転機械にこの発明を適用する場合、回転体の
アンバランスなどによる径方向の振れ回りだけが問題に
なるときは、２組のラジアル磁気軸受を第１実施形態の
ように構成すればよい。このようにすれば、どの回転数
領域においても、外乱による回転体の径方向の振動を抑
制することができる。そして、従来の慣性中心制御の場
合のようなエンコーダなどの回転センサを必要としな
い。また、外乱によりいくつかの固有振動数においてジ
ャイロ振動が現われても、これが短時間で抑制され、安
定回転、高速回転が可能となる。また、回転体（主軸）
に軸方向に一定周波数のオシレーションを与えて加工を
行う研削盤のスピンドル装置に適用するときは、アキシ
アル磁気軸受を第２実施形態のように構成すればよい。
このようにすれば、オシレーション周波数にかかわらず
に、オシレーションによる回転体の軸方向の振動を抑制
することができ、高精度の加工が可能になる。その場
合、ラジアル磁気軸受は従来のものでもよいが、ラジア
ル磁気軸受も第１実施形態のように構成して径方向の外
乱による振動も抑制するようにするのが望ましい。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、ラジアル磁気軸受装置の機械的構成の
１例を示す横断面図である。

【図２】図２は、従来のラジアル磁気軸受装置のＸ軸方
向の制御部分の構成を示すブロック図である。

【図３】図３は、アキシアル磁気軸受装置の機械的構成
の１例を示す縦断面図である。

【図４】図４は、従来のアキシアル磁気軸受装置の制御
部分の構成を示すブロック図である。

【図５】図５は、本願発明の第１実施形態を示すラジア
ル磁気軸受装置のＸ軸方向の制御部分のブロック図であ
る。

【図６】図６は、外乱抑制制御装置の処理の１例を示す
フローチャートである。

【図７】図７は、図６の周期性外乱の周波数の推定の部
分の処理の１例を示すフローチャートである。

【図８】図８は、外乱抑制制御装置の処理を説明するた
めの制御系のブロック図である。

【図９】図９は、外乱抑制制御装置における処理を示す
ブロック図である。

【図１０】図１０は、図９の同期エネルギ計算手段にお
ける処理を示すブロック図である。

【図１１】図１１は、本願発明の第２実施形態を示すア
キシアル磁気軸受装置の制御部分のブロック図である。

【符号の説明】

(1) 回転体 (2) ラジアル磁気軸受 (2xa)(2xb) Ｘ軸電磁石 (2ya)(2yb) Ｙ軸電磁石 (4x) Ｘ軸変位検出装置（Ｘ軸変位検出手
段） (4z) Ｚ軸変位検出装置（Ｚ軸変位検出手
段） (5x) Ｘ軸電磁石制御装置（Ｘ軸電磁石制
御手段） (5z) Ｚ軸電磁石制御装置（Ｚ軸電磁石制
御手段） (8) アキシアル磁気軸受 (8za)(8zb) Ｚ軸電磁石 (9x) Ｘ軸外乱抑制制御装置（Ｘ軸外乱抑
制制御手段） (9z) Ｚ軸外乱抑制制御装置（Ｚ軸外乱抑
制制御手段） (10xa)(10xb) 加算器（加算手段）

フロントページの続き (72)発明者 谷口 学 大阪市中央区南船場三丁目５番８号 光洋 精工株式会社内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】回転体を非接触支持する複数の電磁石を有
   する磁気軸受と、前記回転体の変位を検出する変位検出
   手段と、前記変位検出手段の出力信号に基づいて前記磁
   気軸受の電磁石の駆動電流を制御するための位置制御信
   号を出力する電磁石制御手段と、前記変位検出手段の出
   力信号から周期性外乱の周波数を推定してこの周期性外
   乱を抑制するための外乱抑制信号を出力する外乱抑制制
   御手段と、前記位置制御信号と前記外乱抑制信号を加算
   して電磁石制御信号を前記電磁石に供給する加算手段と
   を備えていることを特徴とする磁気軸受装置。