TW438943B - Magnetic bearing controlling device - Google Patents

Description

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五、發明說明（l) [發明所屬的技術領域] 本發明為關於磁性轴承控制裝晉， 發生源的電磁鐵之線圈由檢出控制 了為關於對磁力 由供給經脈衝幅調變（PWM)的控制雷冷^之變位等的狀態而 制對象實施可動的控制之磁性軸承控·制工制其磁力而對控 [習用的技術] 、 近年來使用電磁鐵的磁力以非接 ，磁性轴承涵漸普i上述以= 免維護化，高速旋轉化，嗓音的滑油等而在軸承的 優點。 哚θ的低減化等面有其相當大的 又例如極為適合於半導體製造裝置 淨的環境使用之旋轉利器的轴承 於極為局“ 潤滑油，又不發生磨損粉，而可防==軸：不需 積污。因此磁性軸承其為、裔人认 半導日日圈等發生 ⑵此艰r王神承甚為適合於 領域，尤其在其空中，通當的紅&受π淨二間及真空荨的 幅#声λ，1¾] tl· π& 、軸承之接觸部的磨擦係數大 合。 二 式支持的磁性軸承甚為適 第7圖表示可動型磁性軸承控制裝置之一 例。例如為將旋轉軸以其配置 又的構成 浮上而支持時，則控制對象二磁鐵的磁力使其 X為由狀態檢出器，於此： = 準位置的變位 ^ X ^ ^ v ^ ^ 此為變位感測器11檢出。檢出的變 位X於加減异器與目標位置1。比較，盆 輸入於補償器1 2。 ，、差刀汛號△ X則

Γ4389 4 3 五、發明說明（2) -------- 補償器1 2為作成使實際位置χ與目標位置。之差八 X為零之將控制對象安定的支持於任意的目標位置之ς 訊號的控制電路，為由PID(比例積分微分）控制電路等才出 成。補償器12之輸出為輸入於訊號放大器13，於此將訊 放大成適當大小的輸入於次段之包含脈衝幅調變電路的^ 力放大器，並由波幅限制器（limiter)限制其波幅。 電力放大器14產生依據訊號放大_器13之輪出的控制 流而供給於電磁鐵15。電力放大器14包含脈衝幅調變電 路，供給經脈衝幅調變的控制電流於電磁鐵丨5的線圈。 磁鐵1 5將對應於該控制電流之磁性吸引力施加於控制對 1 6之例如為旋轉軸，使實際浮上位置χ接近目標位置χ 〇。由上述的圖援控制而使控制對象丨6受到外力發生 時，亦可將控制對象16之旋轉軸安定的決定浮上位 標位置X〇。 、 上述的磁性軸承控制裝置之用以檢出控制對象丨6之狀 悲的狀悲檢出器11通常為使用檢出旋轉軸之目標位置的變 位X的變位感測器。代表性的變位感測器有電感式的變位 感測器。此為於磁性材的磁芯捲繞線圈，備有以旋轉軸側 為目標的磁性材，利用對應於該磁性材之變位時之線圈的 電感之變化以計測其變位的感測器。 ▲第8圖詳細表示上述之訊號放大器13與包含脈衝幅調 變電路之電力放大器14的部分。訊號放大器13以補償器輸 出為輸入訊號予以輸入，而為由波幅限制器25，加減算器 27，訊號放大器28及波幅限制器29等所構成，偏置（bias)

438343 五、發明說明（3) ----— 電流設定用直流訊號發生器26之輸出為輸入於加減算器 27。電=放大器14為由比較器（c〇mparat〇r)31與三角波訊 號發生器32形成的脈衝幅調雙電路及將其輸出訊號做電 放大的放大器35所構成。 放大器3 5之輸出電流做為控制電流供給於電磁鐵2丨的 線圈γ由此使磁力作用於控制對象的旋轉軸22，而旋轉軸 2 2的汙上位置則由狀態檢出器的電感-型的變位感測器2 3檢 出。供給於電磁鐵線圈的控制電流由電流檢出器3 6檢出， 經由用以除去相當於脈衝幅調變訊號之頻率成分的高頻領 域的濾波器3 9，其低頻波成分則回授至訊號放大器丨3之加 減算器2 7 〇 如上述於脈衝幅調變電路的發段插入有由實行補償器 輸出訊號之放大及波幅限制的限制器等構成之訊號放大 1 3，其理由為因需將感應性的負載的電磁鐵線圈做高速的 驅動，對於補償器輸出則脈衝幅調變電路輸入需要1 〇至 100倍程度之比較大的增益之故。 [發明所欲解決的課題] 然而訊號放大器13之輸入訊號由於通過加減算器27、 訊號放大器2 8及波幅限制器2 9而發生其波形變形為矩形波 狀的問題。第9圖表示該狀態。即（a)為表示輸入訊號波 形，表示1kHz的正弦波輸入訊號。相應的（b)為表示流通 於電確鐵線圈的控制電流波形，如圖所示成為1 kH z的矩形 波狀。其原因為於加減算器27其輸入訊號與電流回授訊號 之間發生相位差，包含其差分的輸出訊號由訊號放大器2 8

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4389 4 3 五、發明說明（4) 放大，以致或飽和於訊號放大器的電源電壓（土 15V)等， 使得脈衝幅調變器31的輸入訊號非為本來的正弦波，而可 認為由此變成矩形波狀的訊號。 而由流通於電磁鐵線圈的電流成為包含多數的η次高 諧波的電流，其頻率波譜分佈為如第9圖（c )所示。如圖所 示’對於1 kH ζ的基本波成分產生η次的高諧波，其高諧波 存在的帶域為如圖中圓圈所示超過丨〇JcHz。又i〇〇kHz附近 的波譜則為由脈衝幅調變電路的基本頻率產生。 又第10(a)、（b)、（c)圖各為表示輸入訊號為5 00Hz時 之輸入訊號波形、電磁鐵線圈的電流波形、及頻率波譜分 佈。於此亦如於1 kHz的狀態同樣，正弦波的輸入訊號成為 矩f波狀的控制電流波形，其頻率波譜分佈含有多數的11 次高讀波，包含超越10kHz之高頻域的頻率領域。尤其成 為問題的部分為圖中圓圈所示1〇kHz近邊的帶域。 第11圖表示上述磁性轴承控制裝置使用之頻率使用領 域的區分。如圖所示，帶域（1)為數kHz以下的變位量檢出 領域（控制電流的控制領域），為本來的控制電流使用的頻 率領域。亦即由磁性轴承的電磁鐵的電磁力浮上支持之旋 轉軸為以該頻率領域動作。 帶域（2)為電感式變位感測器的使甩領域。舉}例，電 感式變位感測器為以10kHz為基本頻率，以電感的變化對 於基本頻率實施波幅（AM)調變，而為將其檢波以檢出目標 的變位。 因此於10kHz近邊的頻帶域分佈有頻率波譜。而帶域 C:\Program Files\Patent\310378· ptd 第 7 頁 4389 4 3 五、發明說明（5)

此為由於使用90kHz為脈衝幅調 而為脈衝幅調變（PWM)波形之基 (3)為90kHz以上的帶域， 變（PWM)電路的基本頻率 本波及其南讀波的頻帶域 第I 2圖表不對於第Qng + 圖或第l 0圖所示控制雷流的槪、玄> 波譜分佈重疊以變位感測$ β π @ α 剌冤",L的頻率 ^闻张-皆β 、] 15之使用帶域的頻率波譜分佈。 如圖所不，電感式變位碭、％丨 ^ 後闽夕执生Α埶測15的使用領域為重疊於電磁鐵 線圈之控制電流的η次高增、、由#々、从 現 础突拎山杖，古姑★Α 波成份的領域，結果在變位感 測1§輸出搭上同諸波雜訊 4口 e絲土 作也，彳貝及旋轉轴的浮上位置之拎 制，有時並構成旋轉軸不易浮上。 ^ 本發明為鑑於上述的問韻 、；担说 义幻問碭，以棱供使用比較低的頻 為狀態檢出器之基本波頻率，介容中 馮丰亦犯女疋的將控制對象以磁 力使，、洋上之磁性轴承控制裝置為目的。 [解決課題的手段] 本發明的磁性轴承控制裝置為以具備：做為磁力發生 源的電磁鐵；對於該電磁鐵供給經脈衝幅調變之控制電流 的電流放大器；用以放大輸入至該電力放大器之訊號的訊 號放大器；以及用以檢出以前述電磁鐵的磁力控制之控制 對象的狀態之狀態檢出器的磁性轴承控制裝置，而以於前 述訊號放大器與電力放大器之間設置用以除去前述狀態檢 出器使用之頻率帶域的訊號成分之除去器為其特徵。 依上述本發明的構成，由於在訊號放大器與脈衝幅調 變電路之間設置有用以除去狀態檢出器使用之頻率帶域之 訊號成分的除去器，因此供給於電磁鐵的控制電流中不存 在於狀態檢出器使用之頻率帶域的訊號成分。由此得以防

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止^雜訊使狀態檢出器發生誤動作的問題，而得到安定又 具高速應答性的磁性轴承控制器裝置的動作。 前述脈衝幅調變電路為由用以比較三角波基準訊號斑 輸入訊號之比較器構成，而以連接前述除去器於前述比較 器的前段為宜。由此可於脈衝幅調變電路的前段對於狀熊 檢出器使用之頻率成分除去作用為雜訊的頻率成份。〜 又狀態檢出器以感應型的變位感·測器為宜。由此可使 用一般的感應型之變位感測器為可動型的磁性軸承控制裝 置之變位感測器，並可將該變位感測器之基本波頻率比較 的降低使用。 又除去器以使用波帶除去濾波器（band eliminate filler)為宜。由此可將狀態檢出器之基本波頻率成份之^ 次尚諸波成份有效的，並以簡單的構成除去。 [發明的實施形態] 以下參照第1圖至第7圖說明本發明的實施形態。各圖 中之同一符號為表示同一或相當的部分。 第1圖表示本發明之一實施形態的磁性軸承控制裝置 的訊號放大器及電力放大器部分之構成。本實施形態中之 磁性轴承為由磁力發生源的電磁鐵2丨與由電磁鐵的磁力控 制其浮上位置的旋轉轴2 2所構成，圖上只表示對應於1個 電磁鐵之控制裝置部分。電感型的變位感測器2 3用以檢出 由電磁鐵21的磁力所控制之旋轉轴22的浮上位置，該變位 感測器之檢出訊號為輸入於未圖示的補償器，由其輸出將 旋轉轴保持於目標浮上位置的控制訊號的動作則如上所

C:\Program Files\Patent\310378· ptd 第 9 頁 4389^3 五、發明說明（7) 述° 上述補償器輸出訊號為輸入波幅限制器（limiter) 2 5，將訊號之波幅範圍限制於上下一預定範圍内。然後其 輸出訊號與偏置電流設定用直流訊號發生器26的直流訊號 於加減算器2 7實行加算處理，由以附與偏置電壓。然後由 訊號放大器28放大為10至100倍程度。

實際上為如第2圖所示，直流訊號發生器26與加減算 器27及訊號放大器28為使用演算放大器構成一體以實行加 算，放大及訊號波幅的限制等。波幅限制器（1 i mi t er) 2 5 為由演算放大器’透納二極體及電阻分割電路所構成，對 於預定範圍以上的輸入電壓將其波幅限制於一預定值。偏 置電流设疋用直k訊號發生|§26為利用可變電阻5|等的直 流電壓訊號發生電路。加減算器27為連接演算放^器28a 之一侧的輸入端子，對該端子並連接上述直流訊號發生器 26之輸出電壓，波幅限制器25的輪出訊號以及電磁鐵之回 授訊號的電流回授器39的輸出訊號。訊號放大器28為由演 算放大器28a與電阻的結合構成。又波幅限制器29為 納二極體與演算放大器2 8a所構成》 '.

比較器31由比較三角波訊發生器32的輸出盥輸入 以作成脈衝幅調變訊號。第3圖表示脈衝幅調變電路°旦 體例，為由比較器31比較三角波基準訊號與輪入而、 成脈衝幅調變波形的電路。如第3圖（3)所示對於 (comparator )31輸入為輸入訊號之調變波與為三二 調變波而形成脈衝幅調變波（PffM)波形。該動作為如^

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五、發明說明（8) (b)所示，於調變波（輸入訊號）與被調變波（三角波相交之 間斷續的輸出直瀹，將其經由輸出電晶體Q1、q2放大而形 成脈衝幅調變的訊號。 脈衝幅調變（PtfM)動作的基本條件為例如於比較器 31 ’所比較之三角波的波幅Vb與輸入訊號波幅Va之關係例 如為三角波訊號Vb比輸入訊號Va為大的條件時為輸出 + Vcc ’反則輸出一 Vcc。於此之三角波_的振盪頻率為與上述 同樣的採用90kHz。 於該比較器3 1之訊號輸入與限制器29之間插入用以除 去於狀態檢出器使用之頻率帶域的除去器30。該除去器3〇 為由波帶除去濾波器（BEF)或低通濾波器（LP，Low pass filter)所構成。比較器31之輸出為經由光隔離器 (op to isolator)輸入於電力放大器35，於此形成供給於電 磁鐵2 1之線圈的控制電流。 控制電流的大小為由電流檢出器3 6檢出，並由電流回 授器39回授至加減算器27實行減算處理。電流回授器39檢 出流通電磁鐵線圈之激磁電流的低頻波成分而回授至訊號 放大器2 8的輸入侧，而為由電流檢出放大器2 8 a、低通7慮 波器（LPF)28b、偏移（〇ffset)調整器28c、增益調整器28d 等構成。於此之低通濾波器（LPF ) 28 b為用於除去脈衝幅調 變（PWM)開關（switching)頻率成分。 第4圖表示插入於脈衝幅調變電路之前段的波帶除去 濾波器的特性。於本實施形態為使用於9. 55kHz得到一 3 ldB程度之衰減量者。該波帶除去濾波器30為設定與狀態

C:\Program Files\Patent\310378. ptd 第 11 頁 4 3 8 3 α 3 五、發明說明（9) ~' 檢出器之電感型變位感測器2 3的基本頻率近傍的頻率領域 因此由該除去器30可將電感型變位感測器之基本頻率 成分近邊之頻率領域的訊號除去。如上所述訊號放大器28 及波幅限制器2 9的輸出波形成為含有多數之對於輸入訊號 波形相當失真的η次高諧波成分的矩形波狀的波形。因此 其頻率波譜分佈為如第9圖或第1 〇圖所示其高諧波成分將 刀佈至與電感型變位感測器之基本頻率成分相重的領域則 為如上所述。因而由波帶除去遽波器3〇將該訊號放大器輸 出之高諧波成分除去，使其輸出訊號不含該頻率帶域的成 刀。如上述的經除去狀態檢出器使用之頻率成分的訊號受 到脈衝幅調變’然後由電力放大器3 5以控制電流供給於電 磁鐵2 1的線圈。由於此使狀態檢出器的電感型變位感測器 23不致檢出該頻率帶域的成分，而能正常的檢出旋轉轴22 的變位。 如上所述’如第1 2圖所示之電磁鐵之控制電流的η次 高諧波成分與狀態檢出器之基本波成分重疊的問題得以解 決，其各所使用的頻率帶域為如第η圖所示分離而存在。 由此可防止因電感型變位感測器引起之誤動作，使安定的 旋轉轴之浮上控制為可能。 第5圖表示將除去器插入於脈衝幅調變電路之輸入部 時的實驗結果，（a)表示ikHz之正弦波輸入訊號，（b)表示 電磁鐵線圈的電流波形，（c )表示電磁鐵線圈之電流的頻 率波譜分佈。如（b )所示，電磁鐵線圈之控制電流去除了

4389 4 3 五、發明說明（ίο) 矩形波的角部分成為帶有圓邊的波形，為接近正弦波的波 形。又如（c)所示，其接近101^1{2帶域之頻率成分則為大幅 的減少。 第6圖表示同樣為輪入5〇〇 Hz之正弦波的狀態。如（b) 所示其電磁鐵線圈的電流波形帶有圓邊，又如（c)所示其 頻率波譜分布在1 kHz以上的帶域之高諧波波譜成分大幅的 減少，並可瞭解其為幾乎不存在。_ 例如為罐密封磁性軸承，介以薄不銹鋼材的板使電磁 鐵的磁力作用於旋轉軸時，為要避免渦電流損等，感應式 變位感測器之基本波頻率有必要盡量使用較低的頻率帶 域。由於此’第11圖所示的帶域（1)與帶域（2)比較接近， 並因此於電力放大器的高頻波領域發生幾乎不能構成磁性 浮上的大小之雜訊，以致對旋轉轴的磁性浮上構成重大的 支障。然依本發明則由於電感型變位感測器使用之頻率帶 域的控制電流高諧波成分被除去，因此可使用1〇kHz程度 之比較低的頻率帶域。 ^ 又於上述實施形態為以插入一 3 〇dB程度之波帶除去濾 波器為例，，由插入複數段之該波帶除去濾波器，增加^ 減量，擴大衰減帶域則可更完全的減低η次高諧波成分。 又由使用低通濾波器（LPF)亦可期待同樣的效果。 [發明的效果] 如上所說明，依本發明為於磁性軸承控制裝置之訊號 放大器與電力放大器之脈衝幅調變電路間具備用以除去狀 態檢出器使用之頻率帶域的訊號成分之除去器，因而可防 C:\Program Files\Patent\310378.ptd 第 13 頁 _ 438943 一 五、發明說明（ll) 止電磁鐵控制電流之高諧波成分與狀態檢出器之使用頻率 帶域重疊。由此可達成以安定的磁力保持旋轉轴的浮上。 [圖面的簡單說明] 第1圖表示本發明之一實施形態的磁性軸承控制裝置 的要部說明圖。 第2圖表示第1圖之訊號放大器及電力放大器之電路構 成的詳細說明圖。 第3圖表示脈衝幅調變電路的說明圖，（a)為表示其電 路構成，（b)表示其動作原理。 第4圖表示第1圖所示除去器之頻率特性圖。 一 第5圖（a)表示1kHz之正弦波輸入訊號的波形，（b)表 不其電磁鐵控制電流的波形，（c )表示其電磁鐵控制電流 之頻率波譜分佈圖。 一第6圖（a)表示50 0Hz之正弦波輸入訊號的波形，（b)表 示其電磁鐵控制電流的波形，（c )表示其電磁鐵控制電流 之頻率波譜分佈圖。 第7圖表示一般之可動型磁性軸承控制裝置的構成 圖0 _

第8圖表示習_用之磁性轴承控制裝置的要部說明圖。 一第9圖（a)表示1kHz之正弦波輸入訊號的波形，（1〇表 不其電磁鐵控制電流的波形，（c )表示其電磁鐵控制電流 之頻率波譜分佈圖。 第10圖（a)表示500Hz之正弦波輸入訊號波形，（b)表 示其電磁鐵控制電流的波形，（c)表示其電磁鐵控制電流

438943 五、發明說明（12) 之頻率頻譜分佈圖

第11圖表示磁性轴承控制裝置之頻率 (1)為電磁鐵控制電流的使用帶域，（2)為狀=用帶域圖， 用帶域，（3)表示脈衝幅調變波的使用帶、域態檢出器的使 第12圖表示電磁鐵控制電流之頻率、二、 出器之頻率使用帶域為重疊的狀態。之用帶域與狀態檢 [符號的說明] 11，23 狀態檢出器（電感型 12 補償器 變位感測器） 13 14 電力放大器 U 16，22 控制對象（旋轉轴） 25，29 波幅限制器（1 imi ter) 26 直流訊號發生器 27 加減算器 28 3 0 除去器（波帶除去濾波器） 訊號放大器 電磁鐵 訊號放大器 31 比較器（comparator) 32 三角波訊號發生器 35 36 電流檢出器 39 放大器 電流回授器

Claims (1)

1. J 3 8!4 3 六、申請專利範圍 •種磁性轴承控制裝置，具備：用為磁力發生源的電 六鐵’對於該電磁鐵供給經脈幅調變的控制電流之電 =大，；將欲輸入於該電力放大器的訊號放大的訊 〜大器’以及用以檢出由前述電磁鐵之磁力所控制 之控制=象的狀態的狀態檢出器，而以 f刖述訊號放大器與電力放大器之間設置有用以 二=述狀態檢出器所使用之頻率帶域之訊號成分之 除去Is為其特徵者。 •如申：專利範圍第1項的磁性轴承控制裝置，而以 刖述電力放大器為具備脈衝幅調變電路，該脈衝 =調變電路為由用以比較三角波基準訊號與輸入訊： 、t較器所構成，以及前述除去器為連接於前述比 器之前段為其特徵者。 3·如申請專利範圍第1項或第2項的磁性軸承控制裝 而以 前述狀態檢出器以使用電感型之變位感 特徵者。 、裔馮其 4 ·如申請專利範圍第1項或第2項的磁性轴承控制奘 而以 衣罝， 前述除去器以使用波帶除去濾波器為其特徵者。