(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転子と、前記回転子とエアギャップを介して固定された電磁石を備えた固定子と、前記エアギャップを検出する変位センサと、前記変位センサの信号を調整する変位信号調整回路と、浮上位置指令信号と前記変位信号調整回路で信号調整された変位センサの信号とを比較する比較器と、前記比較器の出力信号を受けて位相制御する浮上制御器と、前記浮上制御器の出力信号を分配する分配器と、分配された前記出力信号を増幅して前記電磁石に電流を供給するアンプとからなる磁気軸受制御装置において、
前記浮上制御器をアナログ回路で構成し、前記浮上制御器と前記変位信号調整回路の入出力特性をディジタル設定し、前記入出力特性に対応したアナログ信号に変換して出力する定数指令器を設け、前記アナログ回路の入出力特性を決定するために予め設定された定数を、前記アナログ信号によって修正できることを特徴とする磁気軸受制御装置。
【請求項２】
浮上制御器はフィルタと、位相制御器からなり、前記フィルタは電圧制御形のアナログ回路で構成され、前記フィルタの定数を前記定数指令器からの指令信号によって修正可能とし、
前記位相制御器は比例増幅器、微分器、積分器などの補償器から構成され、各補償器の重みを決める定数を、前記定数指令器の出力信号によって修正可能としたことを特徴とする請求項１の磁気軸受制御装置。
【請求項３】
前記変位信号調整回路は、前記変位センサが検出した信号にバイアスを加え、さらに一定比率で定数倍する乗算器を備え、
前記バイアスと前記一定比率を設定する定数を、前記定数指令器の出力信号によって修正可能な構成としたことを特徴とする請求項１および２の磁気軸受制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電磁石の吸引力によって回転子を非接触浮上制御する磁気軸受の制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、電磁石を用いる磁気軸受の制御装置は、回転子と、該回転子とエアギャップを介して対向して固定された電磁石からなる固定子と、前記エアギャップを検出する変位センサと、固定子に電流を供給するアンプと、浮上位置指令信号と変位センサの信号を比較する比較器と、比較器の信号を受けて位相制御しアンプに指令を与える浮上制御器とで構成されていた。
前記浮上制御器は位相制御器を備えており、その位相制御器の定数は制御系全体の動特性を考慮して設定され、全アナログ方式または全デジタル方式が採用されていた。
全アナログ方式の位相制御器は、比例演算器、微分器、積分器等のアナログ回路を並列ないし直列接続して構成されていた。また、これに加えて、軸やフレームなどの機械共振を回避したり、軸受の減衰を向上させるため、ノッチフィルタなどのフィルタ類が併設される場合もあった。
特公昭６３ー３５８４９は全アナログ方式の一例として挙げたもので、一部特殊な機能がデジタル回路になっているが、浮上制御に必要な主要回路は全てアナログ回路で構成されている。
このように構成されているため、位相制御器の入力信号の位相と振幅は周波数に応じて制御され、フィルタが併用された場合は特定の周波数帯域で信号が減衰したり通過したりする。その結果、磁気軸受の制御系全体が安定化され、ゲインを高くすることができるので、高い軸受剛性を持つ浮上特性が得られる。
全デジタル方式の位相制御器は、Ａ／Ｄコンバータと、中央処理装置（ＣＰＵ）と、主記憶装置と、Ｄ／Ａコンバータとで構成されていた。中央処理装置には積和演算を高速で処理するＤＳＰ（デジタル  シグナル  プロセッサ）と呼ばれる形式の演算素子が用いられることもある。
特開平３ー２１３７１６はその一例で、オブザーバを軸の状態に応じて調整するものである。すなわち、軸の振動状態に応じてデータテーブルから必要なデータを取り出してオブザーバに渡し、得られた状態推定量をレギュレータを介してフィードバックするものである。ここで、レギュレータはアナログ方式の制御器に相当するが、このアナログ方式は回路が複雑になり、実用性は無い。明細書に記載されているように、この例はデジタル方式で容易に実現できることから、本公開公報の例は全デジタル方式とみなされる。
このように構成されているので、変位センサのアナログ信号を入力すると、Ａ／Ｄコンバータでデジタル信号に変換されて中央処理装置に取り込まれ、予め主記憶装置に格納されたプログラムの演算手順に従って演算され、演算結果がＤ／Ａコンバータでアナログ信号に変換されて出力され、この信号がパワーアンプに入力されて軸受に電流を供給し、浮上力を発生する。デジタル方式の位相制御器での演算内容は、制御系の入出力特性が、前記のアナログ回路の場合と概ね同じになるようにプログラムされている。
したがって、この全デジタル方式では、予め書き込まれたプログラムによって機能が与えられるので、フィルタ、位相制御器等に必要な全ての演算をさせることができる。
このように、デジタル回路の場合は、予め書き込んであるプログラムの内容によって演算するので、複雑な演算であってもプログラムを書き換えることによって容易に実現することができる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、位相制御器のほか、必要な演算回路の全てにアナログ回路を用いる全アナログ方式の場合は次のような問題があった。前述のように、位相制御器については、比例演算器や微分器、積分器の定数を磁気軸受の機械定数に見合うように予め調整しておかなければならず、機械の共振周波数に対応するフィルタ類の定数も同様に予め調整しておかなければならない。しかし、機械定数はほぼ予測できるものの、機械系はどうしても設計どうりには製作されないので、出来上がった実物の機械系は必ずしも予測通りの機械定数とはならない。このため、磁気軸受制御装置を機械設備と組み合わせて試運転した時点で定数を再度調整し直すことが多い。このような構成のアナログ方式では、可変抵抗によるアナログ回路の調整箇所が多く、大変な手間ひまがかかり、実用上性大きな問題となっていた。
一方、全デジタル方式の場合は次のような欠点があった。デジタル演算するには、基準となるクロックに同調してプログラムを進行させていくため、単純な演算であれば時間がかからないが、クロックに同調して１ステップずつプログラムを進めるため、少し複雑な演算になると時間がかかってしまい、高い周波数特性を得ることが困難となってくる。この傾向は演算が複雑になるほど、また、制御軸数を多くするほど顕著になり、磁気軸受制御の性能を向上する上で大きな問題となっていた。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記問題を解決するため、本発明による磁気軸受制御装置の第一の装置は、回転子と、前記回転子とエアギャップを介して固定された電磁石を備えた固定子と、前記エアギャップを検出する変位センサと、前記変位センサの信号を調整する変位信号調整回路と、浮上位置指令信号と前記変位信号調整回路で信号調整された変位センサの信号とを比較する比較器と、前記比較器の出力信号を受けて位相制御する浮上制御器と、前記浮上制御器の出力信号を分配する分配器と、分配された前記出力信号を増幅して前記電磁石に電流を供給するアンプとからなる磁気軸受制御装置において、
前記浮上制御器をアナログ回路で構成し、前記浮上制御器と前記変位信号調整回路の入出力特性をディジタル設定し、前記入出力特性に対応したアナログ信号に変換して出力する定数指令器を設け、前記アナログ回路の入出力特性を決定するために予め設定された定数を、前記アナログ信号によって修正できるようにしたものである。
本発明による磁気軸受制御装置の第二の装置は、浮上制御器はフィルタと、位相制御器からなり、前記フィルタは電圧制御形のアナログ回路で構成され、前記フィルタの定数を前記定数指令器からの指令信号によって修正可能とし、前記位相制御器は比例増幅器、微分器、積分器などの補償器から構成され、各補償器の重みを決める定数を、前記定数指令器の出力信号によって修正可能としたものである。
本発明による磁気軸受制御装置の第三の装置は、前記変位信号調整回路は、前記変位センサが検出した信号にバイアスを加え、さらに一定比率で定数倍する乗算器を備え、前記バイアスと前記一定比率を設定する定数を、前記定数指令器の出力信号によって修正可能な構成としたものである。
【０００５】
【実施例】
本発明は、上記手段により、磁気軸受の制御に必要な演算を全てアナログ回路で行うので、制御系の周波数特性を高めて軸受の性能を高くすることができ、アナログ回路の定数をデジタル設定するので、定数を高速で書き換えることができて制御系の調整を高速かつ容易にすることができる。
以下、本発明の実施例を図に基づいて説明する。
図１は本発明が適用された磁気軸受制御系のブロック図、図２、図３、図４、図５は図１を説明するための補助図である。
図１において、１は回転軸に固定された積層鉄心からなる回転子、２１、２２は固定側に固定されて、コイルを巻いた電磁石を有した固定子である。固定子２１、２２は互いに対向し、回転子１の外周にエアギャップを介して対面している。３は前記固定子２１、２２の近傍に固定されて回転子１の浮上位置を検出する変位センサ、３１は変位センサ３の信号変換器であり、変位センサ３と信号変換器３１とでいわゆる変位センサとして機能する。３２は変位信号のオフセットとゲインを調整する変位信号調整回路、４は浮上位置指令信号Ｘｓと前記変位信号調整回路３２の信号Ｘｆを比較する比較器、５はフィルタ５１や位相制御器５２を備えた浮上制御器、６は前記浮上制御器の信号を後述のアンプ７１、７２に振り分ける分配器、７１、７２は電力を増幅するアンプ、８は浮上制御器５と変位信号調整回路３２の定数を変更する信号を出力する定数指令器である。
図１において、浮上制御器５を構成するフィルタ５１は、浮上する回転軸の固有振動数やモータ全体の共振周波数などによる制御系の不安定動作を安定化するローパスフィルタやノッチフィルタなど、能動形フィルタで構成されている。また、位相制御器５２はＰＩＤ補償器など信号の位相と大きさを調整する補償器から成っている。図では、フィルタ５１と位相制御器５２を直列接続したものを示しているが、複数のフィルタを並列接続したり直列接続したりする方法もあり、何れの組合わせを用いても良い。
また、浮上制御器５と変位信号調整回路３２の回路は基準となる定数が設定されており、定数指令器８から出力される指令は前記基準となる定数で設定される信号に対して、バイアス信号として作用する。
図２は変位信号調整回路３２の回路構成の１例で、３２１、３２３、３２４は加算器、３２２は乗算器である。加算器３２１の一方の入力は信号変換器３１の出力に接続され、他方の入力は加算器３２３の出力に接続されている。加算器３２３の一方の入力は一定信号ａ１を入力とし、他方の入力は定数指令器８の出力ｃ３２１を入力としている。乗算器３２２の一方の入力は加算器３２１の出力に接続されており、他方の入力は加算器３２４の出力に接続されている。加算器３２４の一方の入力は一定信号ａ２を入力とし、他方の入力は定数指令器８の出力ｃ３２２を入力としている。
図３は浮上制御器５を構成するフィルタ５１の回路構成の１例を示している。図において、フィルタ５１はフィルタ５１１、５１２、５１３・・・等複数の直列接続されたフィルタから成っている。各フィルタは並列接続でもよいし、並列と直列の組合わせで構成してもよい。
フィルタ５１を構成する複数のフィルタの一例として、左端のフィルタ５１１の回路構成を図示している。フィルタ５１１は状態変数形のローパスフィルタであり、乗算器５１１Ａと加算器５１１Ｂを構成要素の一部として用いている。乗算器５１１Ａの一方の入力は加算器５１１Ｂの出力に接続されており、加算器５１１Ｂの一方の入力は定数ｂ１を入力とし、もう一方の入力は定数指令器８の信号ｃ５１１を入力としている。フィルタ５１１の折点周波数は定数ｂ１で決まるように設計されているが、定数指令器８の信号ｃ５１１はバイアスとして作用するので、信号ｃ５１１を調整することにより第１のフィルタ５１１の折点周波数を変更することができる。
図４は浮上制御器５を構成する位相制御器５２の回路構成の１例を示しており、５２１は比例補償器、５２２は微分補償器、５２３は積分補償器である。また、５２４、５２５、５２６は乗算器、６２１、６２２、６２３、６２４、６２５は加算器である。
図において、各補償器の出力はそれぞれ乗算器５２４、５２５、５２６に入力され、各乗算器５２４、５２５、５２６の他方の入力は加算器６２３、６２４、６２５に接続されている。加算器６２３、６２４、６２５の一方の入力には定数ｃ１、ｃ２、ｃ３が入力されており、他方の入力には定数指令器８の出力ｃ５２１、ｃ５２２、ｃ５２３が入力されている。前記乗算器５２５、５２６の出力は加算器６２２に接続され、前記乗算器５２４の出力と加算器６２２の出力は加算器６２１に接続されている。なお、図では補償器を並列配置した並列配置型の位相制御器を示しているが、補償器の配置はこれに限定されるものではない。
図５は定数指令器８の回路構成の一例で、８１はキーボード他のインターフェース、８２はメモリー、８３は中央演算素子、８４はＤ／Ａ変換器を内蔵したインターフェースである。インターフェース８１はキーボードとＣＲＴからなり、これらを使って人がデータを入力する。キーボードとＣＲＴの代わりに他の信号入力装置でもよい。中央演算素子８３は、メモリー８２に記憶されたプログラムに基づいて演算処理し、その結果をインターフェース８４からアナログ信号（図２、３、４の例では、ｃ３２１、ｃ３２２、ｃ５１１、ｃ５１２、ｃ５１３、ｃ５１４、ｃ５２１、ｃ５２２、ｃ５２３等が相当する）を出力する。
インターフェース８４は前記フィルタ５１と、前記位相制御器５２と、前記変位信号調整回路３２の中にある乗算器や加算器の数と同じ数の信号を出力し、それぞれ対応する乗算器および加算器に信号を送ってアナログ回路の各定数を調整することができる。
【０００６】
このような構成において、磁気軸受を有する機械装置と前記浮上制御装置が作動して浮上制御系全体が作用すると、変位信号調整回路３２と、フィルタ５１と、位相制御器５２の各定数は予め一定値を保持持しているので、回転子１を浮上させることができる。しかし、最初は定数指令器８が作動してないので出力がゼロであリ、この状態では、浮上制御系が最良の制御特性を実現してない。
前記アナログ回路の定数を調整して最良の制御特性にするためには、前記アナログ回路の定数を調整するめに適切なアナログ信号を、定数指令器８のインターフェース８１から変位信号調整回路３２、フィルタ５１、位相制御器５２等に入力する必要がある。
インターフェース８１からデータが入力されると、メモリー８２内のプログラムにより入力されたデータを演算し、各アナログ回路の定数を変更する信号が得られる。前記演算された信号はインターフェース８４からアナログ信号として出力され、変位信号調整回路３２と、浮上制御器５内のフィルタ５１と、位相制御器５２に送られる。
変位信号調整回路３２では、加算器３２３、３２４の一方の入力から前記アナログ信号ｃ３２１、ｃ３２２が入力されるので、結果として変位信号調整回路３２にオフセットが与えられ、同時にゲインが変更される。浮上制御器５のフィルタ５１を構成する第１のフィルタ５１１の場合、加算器５１１Ａの一方の入力から前記アナログ信号ｃ５１１が入力され、その結果フィルタの折点周波数が変更され、フィルタ５１全体の周波数特性が変更されることになる。
浮上制御器５の位相制御器５２では、加算器６２３、６２４、６２５の一方の入力に前記アナログ信号ｃ５２１、ｃ５２２、ｃ５２３が入力されるので、乗算器５２４、５２５、５２６の一方の入力の大きさが変更されて比例補償器５２１、微分補償器５２２、積分補償器５２３の信号の重みが変更されて、位相制御器５２の周波数特性が変更されることになる。
以上のように、磁気軸受の制御ループ内の回路がアナログ回路で構成されて、高い周波数特性を持たせる一方、インターフェース８１から得られる諸定数をデジタル演算し、インターフェース８４によりアナログ信号として出力され、このアナログ信号により変位信号調整回路３２、フィルタ５１、位相制御器５２の諸定数を変更することができるので、軸受の性能を高く維持したまま、容易にアナログ回路の特性を調整することができる。
【０００７】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、磁気軸受の制御ループ内の回路をアナログ回路としたので、高い周波数特性の制御系が得られて軸受けの性能を高く維持できるとともに、デジタル演算を適用した定数指令器を採用することにより、アナログ回路の調整に必要な多数の定数を容易に設定、変更することができるので、実用性が高い。
このように、本発明によれば、アナログ回路による高い周波数特性を維持したまま、ディジタル回路による定数を設定できるので、制御対象が変わっても、定数設定を容易に書き換えることができる
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施例を示す図
【図２】  変位信号調整回路３２の構成図
【図３】  フィルタ５１の構成図
【図４】  位相制御器５２の構成図
【図５】  定数指令器８の構成図
【符号の説明】
１  回転子
２１、２２  固定子
３  変位センサ
３１  信号変換器
３２  変位信号調整回路
３２１、３２３、３２４  加算器
３２２  乗算器
４  比較器
５  浮上制御器
５１、５１１  フィルタ
５１１Ａ  乗算器
５１１Ｂ  加算器
５２  位相制御器
５２１  比例補償器
５２２  微分補償器
５２３  積分補償器
５２４、５２５、５２６  乗算器
６２１、６２２、６２３、６２４、６２５  加算器
６  分配器
７１、７２  アンプ
８  定数指令器
８１、８４  インターフェース
８２  メモリー
８３  中央演算素子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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