KR20010086234A - 자기 베어링 제어기 - Google Patents

Abstract

제어 자기력을 사용함으로써 제어 대상을 안정하게 부양할 수 있는 자기 베어링 제어기를 제공하는 것이 본 발명의 목적이다. 회전체를 소정 위치에 부양시키기 위해 전자석에 제어 전류를 공급하는 자기 베어링 제어기로서, 상기 제어기는 상태 검출기 유닛에서 사용되는 주파수 영역의 주파수 성분을 제거하는 제거기 유닛을 구비한다. 상기 제거기 유닛은 제어 전류를 발생시키는 전력 증폭기 유닛과 신호 증폭기 유닛의 사이에 삽입된다.

Description

자기 베어링 제어기 {MAGNETIC BEARING CONTROLLER}

최근에, 자기 베어링 장치는 회전 기계로서 각종 분야에서 폭넓게 사용되고 있다. 자기 베어링 장치는 전자석에서 발생된 자기력에 의해 아무런 접촉없이 회전체를 부양시키고 지지한다. 자기 베어링이 장치된 회전 기계는, 마모 분진(abrasion dust)의 미생성, 윤활유 미사용으로 인한 유지비용의 절감, 고속의 회전도 및 잡음 감소 등의 이점이 있다.

또한 반도체 제조를 위한 청정실과 같이, 극도로 청결한 분위기에 회전 기계를 장치할 경우에는 자기 베어링을 사용하는 것이 적합하다. 자기 베어링은 윤활유가 필요없고 마모 분진을 발생시키지 않기 때문에 반도체 웨이퍼의 오염을 방지하게 된다. 따라서 자기 베어링은 청정 공간, 진공 공간 등에서 사용되어질 경우에 유리하다. 특히 진공 공간에서는 통상의 기계 베어링의 마찰 계수가 극도로 커진다. 자기 베어링 장치가 접촉 없이 회전축을 지지하는 데 아무런 문제가 없기 때문에, 자기 베어링이 적합하다.

도 1은 부양된 회전체의 동작을 전자석으로의 전류 공급을 제어함으로써 제어하는 자기 베어링 제어기의 전체적인 회로 구성을 나타낸다. 상기 전자석은 회전체의 주변 가까이에 배치되어 회전체에 자기력을 인가한다. 회전체가 전자석에서 발생된 자기력에 의해 부양되고 지지될 경우, 이 시스템에서의 제어 대상은 회전체이며, 예를 들어 회전체의 위치이다. 명령 위치(X₀)에 대한 회전체의 변위(X)가 상태 검출기 유닛(이 경우에 변위 센서 유닛(11)에 해당)에 의해 검출된다. 검출된 위치(X)는 편차회로에서 명령 위치(X₀)와 비교되어, 검출된 위치(X)와 명령 위치(X₀)의 차(ΔX)가 보상기 유닛(12)에 입력된다.

상기 보상기 유닛(12)은 PID(Proportional plus Integral plus Derivative) 제어 회로와 같은 제어 회로로 이루어지며, 검출 위치(X)와 명령 위치(X₀)의 차(ΔX)가 0이 되도록 제어하기 위한 출력 신호를 발생시킨다. 보상기 유닛(12)의 출력 신호는 신호 증폭기 유닛(13)에 입력되어, 여기서 상기 신호가 증폭되고 상기 신호의 진폭이 리미터 회로(리미터)에 의해 제한된다.

전력 증폭기 유닛(14)은 신호 증폭기 유닛(13)의 출력 신호에 대응하여 전자석(15)에 인가할 제어 전류를 발생시킨다. 상기 전력 증폭기 유닛(14)은 펄스 폭 변조되어 전자석(15)의 코일로 공급되는 제어 전류를 공급하는 펄스 폭 변조 회로를 포함한다. 전자석(15)은 제어 전류의 양에 따른 자기 흡인력을 발생시킨다. 상기 자기 흡인력은 제어 대상(16), 즉 이 경우 회전체에 인가되고, 상기 제어 대상은 검출 위치(X)와 명령 위치(X₀)의 차(ΔX)가 줄어 0이 되도록 즉, 검출 위치(X)가 명령 위치(X₀)에 오도록 이동된다. 상술한 피드백 제어에 의하여, 비록 제어 대상(16)을 그 위치에 오지 못하게 하는 방해력이 외부로부터 제어 대상(16)으로 인가된다 하더라도, 상기 제어 대상(16)(이 경우는 회전체)은 명령 위치(X₀)에 안정하게 위치되도록 제어된다.

자기 베어링 제어기에서 이 경우에는 명령 위치(X₀)에 대한 변위(X)인 상태를 검출하기 위한 상태 검출기 유닛(11)으로서 통상 변위 센서가 사용된다. 일반적인 변위 센서 중의 하나로는 그것에 감겨진 코일을 구비한 자기 재료의 코어를 갖는 유도형 변위 센서가 있다. 상기 유도형 변위 센서에 의하여, 그 위에 고정된 자기 물질을 구비하는 제어 대상의 변위가 코일의 인덕턴스 변화의 검출로서 측정된다.

도 2는 PWM(Pulse Width Modulation) 회로를 포함한 전력 증폭기 유닛(14)의 일부 및 신호 증폭기 유닛(13)을 상세히 도시한다. 보상기 유닛(12)의 출력은 진폭 리미터(25), 편차 회로(27), 신호 증폭기(28), 또다른 진폭 리미터(29) 등으로 구성된 신호 증폭기 유닛(13)에 입력된다. 바이어스 DC 전류를 설정하는 DC 신호 발생기(26)의 출력 신호는 편차 회로(27)에 상기 출력 신호를 합산하도록 편차회로(27)에 입력된다. 전력 증폭기 유닛(14)은 비교기 회로(31) 및 삼각파 발생기(chopping wave generator)(32)를 구비한 PWM 회로와, 보상기 회로(31)의 출력 신호를 전자석(21)의 코일에 공급될 실제 전류로 증폭하는 전력 증폭기 회로(35)로이루어진다.

전력 증폭기(35)의 출력 전류는 제어 전류로서 전자석(21)의 코일에 공급되어, 제어 자기력이 전자석(21)에 의해 발생되고, 제어 대상(회전체)(22)에 인가되어 그것의 위치를 제어한다. 제어 대상(22)의 부양된 실제 위치는 상태 검출기 즉, 이 경우는 유도형 변위 센서(23)에 의해 검출된다. 전자석의 코일에 인가되는 제어 전류는 전류 센서(36)에 의해 검출되고, 상기 전류 센서의 출력 신호 중에서 저주파 성분은 제어 전류의 PWM 신호의 주파수 성분에 대응하는 고주파 성분을 차단하는 저역 필터(39)를 통해 피드 백 루프를 따라 편차 회로(27)에 복귀된다.

상술한 바와 같이, 신호 증폭기 유닛(13)은 보상기 유닛(12)의 출력 신호를 증폭하기 위한 신호 증폭기(28)와 상기 증폭기(28)에 의해 증폭된 신호의 진폭을 제한하기 위한 진폭 리미터(29)로 구성된다. 이들 회로는 비교기(31) 및 삼각파 발생기(32)로 구성된 PWM 회로의 전단에 삽입된다. 유도성 부하인 전자석(21)의 코일을 구동하기 위해서는, 전력 증폭기 유닛(14)의 PWM 회로(31)에 입력될 보상기 유닛(12)의 출력 신호를 증폭하는 신호 증폭기(28)에 의해 비교적 큰 이득, 예를 들어 10 내지 100 배의 증폭이 요구된다.

그러나, 신호 증폭기 유닛(13)의 출력 신호는 편차 회로(27), 신호 증폭기(28), 및 진폭 리미터(29)를 통과함에 따라 정현파형 입력 신호가 사각파형으로 변형되는 문제가 있다. 도 3A 내지 도 3C는 파형의 변형 및 이렇게 변형된 파형의 주파수 스펙트럼을 나타낸다. 도 3A는 신호 증폭기 유닛(13)에 입력되는 1㎑의 정현파형 입력신호를 나타낸다. 도 3B는 사각형 형태인 전자석의 코일에 흐르는도 3A에 대응하는 1㎑의 제어 전류의 파형을 나타낸다. 상기 파형의 그러한 변형의 원인은 상기 편차 회로(27)에서 입력 신호와 피드백 신호간에 위상 차가 발생되고, 편차 회로의 출력신호가 상기 위상 차를 가지고 신호 증폭기(28)에서 증폭되며 전원 전압(±15V)에 의해 포화되기 때문이라고 여겨진다. 따라서, PWM 회로(31)의 입력 신호는 신호 증폭기 유닛(13)을 통과하면서 최초의 정현파형으로부터 사각파형으로 된다.

따라서, 전자석(21)의 코일에 흐르는 제어 전류는 입력 정현파의 기본 주파수의 n배인 고조파 성분을 갖고, 그 주파수 스펙트럼의 분포가 도 3C에 도시되어 있다. 도 3C에 도시된 바와 같이, n배의 고조파 성분은 1㎑의 입력 정현파의 기본 주파수로부터 발생된다. 상기 고조파 성분이 분포되어 있는 주파수 영역은 도 3C에 원으로 표시된 바와 같이 10㎑ 이상을 초과한다. 또한, 100㎑를 초과하는 주파수 스펙트럼의 분포는 예를 들어 90㎑ 초핑 주파수로 변조된 펄스 폭 변조 제어 전류를 발생시키는 PWM 회로(31)에 의해 야기된다.

도 4A는 신호 증폭기 유닛(13)에 입력되는 500㎐ 정현파형의 입력 신호를 나타낸다. 도 4B는 사각형 형상인 전자석의 코일을 흐르는 도 4A에 대응하는 500㎐의 제어 전류의 파형을 나타낸다. 도 4C는 도 4B의 500㎐에 대응하는 제어 전류의 주파수 스펙트럼 분포를 나타낸다. 1㎑ 입력 신호의 형태와 동일한 방식으로, 정현파 입력 신호는 신호 증폭기 유닛(13)을 통과함에 따라 사각파형으로 변형되고, 전자석의 코일을 흐르는 제어 전류는 상기 변형된 파형에 부합하도록 변조된다. 상기 주파수 스펙트럼 분포는 10㎑이상을 초과하는 고주파 영역에서의 다수의 n배의 고조파 성분을 포함한다. 고조파 성분이 도 4C에서 원으로 도시된 10㎑ 주파수 영역의 부근에 분포하고 있는 것이 문제이다.

도 5는 자기 베어링 제어기에서 사용되는 주파수 영역을 보여준다. 영역 ①은 변위 센서의 검출 신호 및 전자석의 코일에 흐르는 초기 제어 전류로 사용되는 수 ㎑이하의 주파수 영역이다. 즉, 영역 ①은 변위 센서에 의해 검출되고 전자석의 코일에 흐르는 제어된 전류에 의해 접촉없이 자기력에 의해 제어되는 회전체를 제어하는 데 사용된다.

영역 ②는 유도형 변위 센서에 사용되는 주파수 영역이다. 유도형 변위 센서는 기본 주파수로서 예를 들어 주파수가 10㎑인 진폭 변조된 신호를 사용한다. 인덕턴스 변화의 양에 따라, 기본 주파수를 가진 파의 진폭이 진폭 변조되고, 그 후 인덕턴스의 변화에 의해 회전체의 위치가 검출되며 즉, 상기 변조된 신호의 진폭을 검출한다. 따라서, 주파수 스펙트럼은 유도형 변위 센서의 작용에 의해 10㎑ 부근에 분포된다.

영역 ③은 PWM 회로(31)에서 전자석의 코일에 공급되는 제어 전류를 발생시키는 데 사용되는 주파수 영역이다. 상기 PWM 회로(31)가 기본 주파수로서 90㎑의 삼각파를 사용하는 경우, 90㎑를 넘어 폭 넓게 분포되는 PWM 파형에 의해 기본 주파수 성분 및 고조파 주파수 성분이 발생된다.

도 6은 도 3C 또는 도 4C에 도시된 주파수 스펙트럼 분포가 중첩되어 있는, 1㎑ 이상의 주파수 스펙트럼 분포를 나타낸다. 유도형 변위 센서는 10㎑ 기본파 주파수의 진폭 변조에 의해 회전체의 변위를 검출하기 위해서 10㎑ 부근의 주파수 영역을 사용한다. 그러나, 상기 유도형 변위 센서에서 사용되는 주파수 영역은 전자석의 코일에 흐르는 제어 전류의 n배의 고조파 성분과 중첩된다. 두 종류의 주파수 영역이 중첩된 신호는 변위 센서의 출력 신호가 제어 전류의 고조파 잡음에 의해 변형되거나 간섭되게 하며, 이것은 자기 베어링의 제어능력에 심각한 손상을 입히는 요인이 된다. 따라서 심한 경우에는 자기 베어링 제어기가 부양될 회전체를 제어하지 못할 수도 있다.

본 발명은 자기 베어링 제어기에 관한 것으로서, 특히 전자석에 제어 전류를 인가함으로써 발생되는 자기력을 제어함으로써 부양된 회전체의 동작을 제어하는 자기 베어링 제어기에 관한 것이며, 여기서 상기 전류는 펄스 폭 변조에 의해 제어되며, 회전체는 검출된 변위 센서 신호 등의 상태 신호에 따라 제어된다.

도 1은 자기 베어링 제어기의 일반적인 회로 구성을 나타내는 블럭도;

도 2는 종래의 자기 베어링 제어기의 한 부분의 상세한 구성을 나타내는 개략도.

도 3A는 1㎑ 정현파의 입력 파형 그래프, 도 3B는 전자석의 코일에 흐르는 종래의 제어 전류의 파형 그래프, 도 3C는 상기 제어 전류의 종래의 주파수 스펙트럼 분포 그래프;

도 4A는 500㎐ 정현파의 입력 파형 그래프, 도 4B는 전자석의 코일에 흐르는 일반적인 제어 전류의 파형 그래프, 도 4C는 상기 제어 전류의 일반적인 주파수 스펙트럼 분포 그래프;

도 5는 전자석의 코일에 흐르는 제어 전류에서 초기에 사용되는 주파수 영역 ①, 상태 검출기(변위 센서)에서 사용되는 주파수 영역 ②, 및 상기 제어 전류의 PWM 파형에서 사용되는 주파수 영역 ③을 나타내는 그래프;

도 6은 종래의 제어기를 통해서 주파수 영역 ①과 주파수 영역 ②가 서로 중첩된 경우의 주파수 영역을 나타내는 그래프;

도 7은 본 발명에 따른 실시예로서 자기 베어링 제어기의 한 부분의 상세한 구성을 나타내는 개략도;

도 8은 도 7에 도시된 자기 베어링 제어기의 신호 증폭기 유닛 및 전력 증폭기 유닛의 일부의 상세한 구성을 나타내는 개략도;

도 9A는 PWM 회로의 회로도, 도 9B는 도 9A에 도시된 상기 회로의 작동을 나타내는 그래프;

도 10은 도 7에 도시된 제거기의 주파수 특성을 나타내는 그래프;

도 11A는 본 발명에 따른 1㎑ 정현파의 입력 파형 그래프, 도 11B는 본 발명에 따른 전자석의 코일에 흐르는 제어 전류의 파형 그래프, 도 11C는 본 발명에 따른 제어 전류의 주파수 스펙트럼 분포 그래프; 및

도 12A는 본 발명에 따른 500㎐ 정현파의 입력 파형 그래프, 도 12B는 본 발명에 따른 전자석의 코일에 흐르는 제어 전류의 파형 그래프; 및 도 12C는 본 발명에 따른 제어 전류의 주파수 스펙트럼 분포 그래프.

따라서 본 발명의 목적은, 상태 검출기 유닛이 제어 대상의 상태를 검출하기 위해 상대적으로 낮은 기본 주파수를 사용하더라도, 제어된 자기력을 사용하여 제어 대상을 안정하게 부양할 수 있는 자기 베어링 제어기를 제공하는 것이다.

본 발명에 따르면, 소정 위치에 회전체를 부양시키기 위해서 전자석에 제어 전류를 공급하는 자기 베어링 제어기를 제공함에 있어, 상기 제어기는, 제어 전류를 통해 자기력을 발생시키는 전자석과; 상기 전자석에 펄스 폭 변조된 제어 전류를 공급하는 전력 증폭기 유닛과; 전력 증폭기에 입력되기 전에 신호를 증폭하기 위한 신호 증폭기 유닛과; 제어 전류를 통해 전자석에서 발생되는 자기력에 의해 부양되는 회전체의 상태를 검출하기 위한 상태 검출기 유닛과; 상태 검출기 유닛에 의해 사용되는 주파수 영역의 주파수 성분을 제거하고 상기 신호 증폭기 유닛과 전력증폭기 유닛의 사이에 삽입되는 제거기 유닛을 포함하여 이루어진다.

이에 따라, 상태 검출기 유닛에서 사용되는 주파수 영역의 주파수 성분을 제거하기 위한 제거기가 신호 증폭기 유닛과 전력증폭기 유닛의 사이에 삽입되므로써, 신호 증폭기 유닛에 의해 발생된 고조파 성분은 상기 제거기에서 제거된다. 그 후, 전력 증폭기 유닛에 입력되는 신호는 상태 검출기 유닛에서 사용되는 주파수 영역의 주파수 성분을 포함하지 않고, 전력 증폭기 유닛에 의해 전자석으로 공급되는 제어 전류도 상태 검출기 유닛에서 사용되는 주파수 영역의 주파수 성분을 포함하지 않는다. 따라서, 신호 증폭기 유닛에 의해 발생되는 고조파 성분에 의해 초래되는 상태 검출기 유닛의 기능장애를 방지하고, 상기 자기 베어링 제어기가 제어 대상을 제어함에 있어 안정하고 신속하게 작동될 수 있다.

전력 증폭기 유닛에는 삼각파 신호와 입력 신호를 비교하는 비교기를 포함하는 펄스 폭 변조 회로가 제공되고, 상기 비교기의 전단에 제거기가 연결된다. 이에 따라, 상태 검출기 유닛에서 사용되는 주파수 영역의 고조파 성분이 상기 펄스 폭 변조 회로의 전단에서 제거되고, 제어 전류에 포함된 고조파 잡음에 의해 상태 검출기가 방해받는 것이 방지된다.

상기 상태 검출기는 유도형 변위 센서이다. 따라서, 쉽고 유용하게 일반적으로 폭넓게 산업에서 이용되는 상태 검출기로서의 유도형 변위 센서가 이용될 수 있다. 또한, 캡슐화된 캔형 자기 베어링 같은 것에 사용하기 적합하도록 상기 센서의 기본 주파수가 낮아질 수 있다.

상기 제거기는 대역 제거기 필터(band eliminator filter)이다. 따라서, 상태 검출기 유닛에서 사용되는 주파수 영역의 고조파 성분이 효과적으로 쉽게 제거된다.

도 7은 본 발명에 따른 신호 증폭기 유닛 및 전력 증폭기 유닛의 회로 구성의 실시예를 나타낸다. 도 7에 도시된 바와 같이, 자기 베어링은 자기력을 생성하는 전자석(21) 및 전자석(21)에서 발생된 자기력에 의해 부양되고 지지되는 회전체(22)로 구성되어, 상기 회전체(22)의 부양된 위치가 전력 증폭기 유닛(14)에 의해 공급되는 제어 전류에 의해 능동적으로 제어된다. 도 7은 상기 제어기 회로 구성의 한 부분 즉, 전자석(21) 및 그에 대응하는 회로 부분만을 보여준다. 유도형 변위 센서(23)는 회전체(22)의 부근에 배치되어 회전체(22)의 위치(X)를 검출한다. 상기 변위 센서(23)의 출력 신호는 도 1과 관련하여 전술한 바와 같이 회전체(22)의 부양 위치가 명령 위치에 유지되도록 제어 신호를 발생시키는 보상기 유닛(12)(도 7에는 도시되지 않음)에 입력된다.

상기 보상기 유닛의 출력 신호는 진폭 리미터 회로(25)에 입력되고, 도 7에 도시된 바와 같이 신호의 진폭이 소정 범위로 제한된다. 상기 리미터(25)의 출력신호는 편차 회로(27)에 입력되고, 여기에 바이어스 전류 설정을 위한 DC 신호 발생기(26)의 DC 신호가 합산되어 바이어스 전압을 제공한다. 상기 편차 회로(27)의 출력 신호는 상기 신호가 10배 내지 100배의 증폭 이득으로 증폭되는 신호 증폭기(28)에 입력된다.

도 8에 도시된 실제 회로에서는 연산 증폭기를 사용하여 DC 신호 발생기(26), 편차 회로(27) 및 신호 증폭기(28)가 일체로서 구성되고, 합산, 증폭 및 진폭 제한의 기능을 구비한다. 진폭 리미터 회로(리미터)(25)는 연산 증폭기, 제너 다이오드 및 인가 전압을 분할하기 위한 저항 회로를 포함하여 구성된다. 상기 리미터(25)는 입력 신호의 진폭이 소정 범위보다 클 경우, 그 진폭을 소정 범위 내의 값으로 제한시키는 기능을 수행한다. 바이어스 전류 설정을 위한 DC 신호 발생기(26)는 DC 전압 또는 DC 전류를 조절하기 위한 볼륨과 같은 가변 저항기를 포함한 DC 전압 신호 발생기로 이루어진다. 상기 편차 회로(27)는 연산 증폭기(28a)의 (-)쪽 단자 부분에 구성된다. DC 신호 발생기(26)의 출력 전압 단자, 리미터(25)의 출력 신호 라인 및 제어된 전류의 피드백 신호를 생성하는 전류 피드백 유닛(39)의 출력 신호 라인은 상기 연산 증폭기(28a)의 입력 단자(27)에 연결된다. 상기 신호 증폭기(28)는 연산 증폭기(28a) 및 이것에 연결된 저항기의 조합으로 이루어진다. 또한, 리미터(29)는 연산 증폭기(28a)와 제너 다이오드의 조합으로 이루어진다.

비교기(31)는 입력 신호와 삼각파 발생기(32)의 출력 신호를 비교하여 PWM 신호를 발생시킨다. 도 9A는 펄스 폭 변조기(31)의 회로 구성을 보여주는데, 여기에서 비교기(20)는 삼각파형 기준 신호와 입력 신호를 비교하므로써 PWM 신호 파형을 발생시킨다. 도 9B에 도시된 바와 같이, 기준 신호와 입력 신호의 교차점들의 간격이 DC 진폭을 갖고 불연속적으로 출력되어 PWM 파형을 형성한다. 전력 증폭기 유닛(14)에 입력된 아날로그 신호의 진폭은 삼각파 기준 신호에 의해 변조되어 펄스 폭 변조 출력 신호를 발생시킨다. 그 다음, 트랜지스터(Q₁및 Q₂)로 이루어진 증폭기에 의해 상기 신호가 증폭되어 PWM 출력 신호를 형성시킨다.

즉, 도 9B에 도시된 바와 같이, 상기 비교기(20)에서 기준 삼각파 신호(V_b)와 입력 신호(V_a)의 진폭을 비교함으로써 펄스 폭 변조가 수행된다. 기준 삼각파 신호(V_b)가 입력 신호(V_a)보다 높으면 +V_cc가 출력된다. 기준 삼각파 신호(V_b)가 입력 신호(V_a)보다 낮으면 -V_cc가 출력된다. 전술한 바와 같이, 상기 삼각파 기준 신호의 기본 주파수로서 90㎑ 주파수가 사용된다.

상태 검출기 유닛에서 사용되는 주파수 영역의 주파수 성분을 제거하기 위한 제거기(30)가 리미터(29)의 출력 단자와 비교기(PWM 변조기)(31)의 입력 사이에 삽입된다. 제거기(30)는 대역 제거 필터(BEF), 저역 필터(LPF) 등으로 이루어진다. 비교기(31)의 출력 신호는 광학 절연체(optical isolator)를 통하여 전력 증폭기(35)에 입력된다. 전력 증폭기(35)에서는 제어 전류가 발생되고 전자석의 코일에 공급되어 제어 대상의 상태를 제어한다.

전류 검출기(36)는 상기 제어 전류를 검출한다. 검출된 제어 전류 신호는 전류 피드백 유닛(39)에 의해 상기 편차 회로(27)로 피드백되고, 여기서 감산이 수행된다. 전류 피드백 유닛(39)은 전자석의 코일에 흐르는 제어 전류의 저주파 성분을 검출하여, 검출된 주파수 성분을 신호 증폭기(28)의 입력측에 피드백한다. 전류 피드백 유닛(39)은 전류 검출 및 증폭 유닛(28a), 저역 필터(LPF)(28b), 오프셋 조정 유닛(28c), 이득 조정 유닛(28d)등으로 이루어진다. 여기서, 저역 필터(LPF)(28b)는 제어 전류의 PWM 스위칭 주파수의 주파수 성분을 제거한다.

도 10은 PWM 변조기(31)의 전단에 삽입된 대역 제거기 필터(30)의 이득 및 위상의 주파수 특성을 나타낸다. 본 예시에서는 9.55㎑에서 -31㏈의 감쇠가 얻어진다. 상기 감쇠의 주파수 대역폭은, 본 실시예에서의 유도형 변위 센서인, 상태 검출기 유닛에서 사용하는 주파수 대역폭과 일치한다.

따라서, 유도형 변위 센서에서 사용하는 기본 주파수 및 그 부근의 주파수 영역은 대역 제거기 필터(30)에 의해 제거된다. 전술한 바와 같이, 상기 제거기(29) 및 신호 증폭기(28)의 출력 파형은 입력된 정현파형 신호로부터 변형되어 다량의 n배의 고조파 성분을 포함한 사각형의 파형이 된다. 따라서 도 3C 또는 도 4C에 도시된 바와 같이, 주파수 스펙트럼 분포에서 제어 전류의 고조파 성분은 유도형 변위 센서에서 사용되는 주파수 영역으로 확장된다. 상기 대역 제거기 필터(30)에 의해서, 신호 증폭기 유닛(13)의 출력 신호의 고조파 성분은 10㎑ 부근에서 제거되고, 따라서 전력 증폭기 유닛(14)에 입력되는 신호는 그러한 주파수 영역의 주파수 성분을 포함하지 않는다. 이제 상기 신호는 상태 검출기 유닛에서 사용되는 주파수 영역과 일치하는 고조파 성분을 갖고 있지 않다. 그런 다음, 상기신호는 비교기(31)에 의해 펄스 폭 변조되고, 제어 전류로서 전력 증폭기(35)를 거쳐 전자석(21)에 공급되어 회전체에 작용되는 제어 자기력을 발생시킨다. 따라서, 상태 검출기 유닛으로서의 상기 유도형 변위 센서는 그의 기본 주파수 부근 주파수 영역의 주파수 성분을 검출하지 않고, 제어 전류의 고조파 성분에 의한 어떠한 방해 없이 회전체(22)의 변위를 검출할 수 있다.

이에 따라, 도 6에 도시된 바와 같이, 제어 전류의 고조파 성분이 변위 센서에서 사용되는 주파수 영역과 중첩되는 문제가 해결된다. 도 5에 도시된 바와 같이, 영역 ① 및 영역 ②의 두 주파수 영역이 명확히 분리된다. 따라서, 유도형 변위 센서가 고조파 성분에 의해 간섭되는 것이 예방되고 오작동되는 것이 방지된다. 이것은 제어기가 외부의 방해력이 작용되더라도 회전체가 명령위치에서 안정하게 부양되도록 제어할 수 있게 한다.

도 11A 내지 도 11C는 PWM 변조기의 앞에 제거기를 삽입한 자기 베어링 제어기를 통한 실험 결과를 보여준다. 도 11A는 신호 증폭기 유닛에 입력되는 1㎑ 정현파의 신호 파형을 보여준다. 도 11B는 도 11A의 상기 입력 신호에 따라 전자석의 코일에 흐르는 제어 전류의 파형을 보여준다. 도 11C는 도 11B의 제어 전류에 따른 제어 전류의 주파수 스펙트럼 분포를 보여준다. 도 11B에 도시된 바와 같이, 사각형 파형의 모서리가 도 3B와 비교할 때 각진 부분이 느슨해져 둥근 형태가 되며, 입력 정현파의 파형과 비슷하다. 또한 도 11C에 도시된 바와 같이, 주파수 스펙트럼 분포에서 10㎑ 부근 주파수 영역의 주파수 성분이 각각 감소되고, 상기 주파수 영역은 유도형 변위 센서에서 사용된다.

도 12A 내지 도 12C는 입력 신호를 500㎐ 정현파로 하여 같은 실험을 한 결과를 보여준다. 도 12B에 도시된 바와 같이, 사각파형의 모서리부가 도 11B의 모서리부보다 더 둥글게 된다. 도 12C에 도시된 바와 같이, 제어 전류의 고조파 성분이 주파수 스펙트럼 분포의 1㎑이상의 주파수 영역에서 상당히 감소되어, 유도형 변위 센서에서 사용되는 10㎑ 부근 주파수 영역에서는 거의 0이다.

예를 들어, 캡슐화된 캔형 자기 베어링에서 얇은 스텐레스 강판을 통해 자기력이 회전체에 작용될 경우, 스텐레스 강판에 의한 와전류손실(eddy current loss)을 피하기 위해서는 유도형 변위 센서의 기본 주파수가 낮아야 한다. 따라서 도 5에 도시된 바와 같이 주파수 영역 ①과 주파수 영역 ②가 근접하게 되고, 이것은 주파수 영역 ②상에 주파수 영역 ①의 고조파 잡음이 중첩되어 자기 베어링의 안정된 작동을 방해하는 문제를 야기한다. 심각한 경우에는, 전력 증폭기 유닛에 의해 증폭된 제어 전류가 주파수 영역 ②에 속하는 고조파 잡음을 너무나 많이 포함하고 있어 상기 자기 베어링이 회전체를 부양시킬 수 없게 된다. 본 발명에 따르면, 제어 전류의 고조파 성분이 유도형 변위 센서에서 사용되는 주파수 영역 ②에서 제거된다. 따라서, 이것은 어떠한 문제도 야기시키지 않으면서 유도형 변위 센서의 기본 주파수로서 약 10㎑의 관련 저주파 영역 ②을 사용할 수 있다.

상술한 실시예에서는, 약 -30㏈의 감쇠도를 가지고 있는 단일 대역 제거 필터가 삽입되지만, 상기 필터를 여러 단계에 삽입시키는 것도 가능하다. 이것은 감쇠도 및 그 대역 폭을 증가시킴으로써 제어 전류의 n배의 고조파 성분을 보다 완벽히 제거하게 할 것이다. 또한 대역 제거 필터(BEF) 대신에 저역 필터(LPF)를 사용하는 것이 가능하며, 그에 따라서도 동일한 결과를 기대할 수 있다.

본 발명에 따르면, PWM 회로를 구비한 전력 증폭기 유닛과 신호 증폭기 유닛의 사이에 제거기가 삽입되어 상태 검출기 유닛에서 사용되는 주파수 영역의 주파수 성분을 제거한다. 제어 전류의 고조파 성분이 상기 상태 검출기 유닛에서 사용되는 주파수 영역에 중첩되는 것을 방지한다. 따라서, 이것은 외부의 방해력이 작용된다하더라도 제어 자기력에 의해 회전체가 명령 위치에 정확히 부양되도록 하는 자기 베어링 제어기의 안정된 작동을 가능하게 한다.

본 발명은 회전 기계에 장치되어 아무런 접촉없이 회전체를 지지하는 자기 베어링을 위해 유용하다. 자기 베어링을 구비하는 회전 기계는 다양한 산업 분야에 사용되기에 적합하다.

Claims (4)

1. 회전체를 소정 위치에 부양시키기 위해 전자석에 제어 전류를 공급하는 자기 베어링 제어기로서,

   상기 제어 전류에 의해 자기력을 발생시키는 전자석과;

   상기 제어 전류를 펄스 폭 변조하여 상기 전자석에 제어 전류를 공급하는 전력 증폭기 유닛과;

   상기 전력 증폭기에 입력되기 전에 신호를 증폭하는 신호 증폭기 유닛과;

   상기 제어 전류에 따라 상기 전자석에 의해 발생되는 자기력에 의해 부양되는 회전체의 상태를 검출하는 상태 검출기 유닛과;

   상기 신호 증폭기 유닛과 상기 전력 증폭기 유닛 사이에 삽입되어, 상기 상태 검출기 유닛에서 사용되는 주파수 영역의 주파수 성분을 제거하기 위한 제거기 유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 베어링 제어기.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 전력 증폭기 유닛에는, 입력신호를 삼각파 신호와 비교하는 비교기를 포함하여 구성되는 펄스 폭 변조 회로가 제공되며, 상기 제거기가 상기 비교기의 전단에 연결되는 것을 특징으로 하는 자기 베어링 제어기.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 상태 검출기가 유도형 변위 센서인 것을 특징으로 하는 자기 베어링 제어기.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 제거기가 대역 제거기 필터인 것을 특징으로 하는 자기 베어링 제어기.