(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
制御対象の振動状態量を検出するための検出手段と、
該手段の検出値に上記制御対象に生じる高次モードの周波数帯域で位相推移を与えるための、複素共役零点をｓ平面の右半平面、又はｚ平面の単位円外に配置した伝達関数を有する移相手段と、
該手段の出力に補償演算を施すための補償手段と、
該手段の出力に応じて制御対象を制御するための操作手段とを備えたことを特徴とする構造振動不安定化防止装置。
【請求項２】
制御対象の振動状態量を検出するための手段から出力される信号を、上記制御対象に生じる高次モードの周波数帯域で位相推移を有するように複素共役零点をｓ平面の右半平面、又はｚ平面の単位円外に配置した伝達関数を有する補償手段を介して上記振動状態量の制御手段にフィードバックすることを特徴とする構造振動不安定化防止方法。
【請求項３】
磁気軸受により支持されるロータの振動量を検出するための検出手段と、
該手段の検出値に上記ロータに生じる高次モードの周波数帯域で位相推移を与えるための、複素共役零点をｓ平面の右半平面、又はｚ平面の単位円外に配置した伝達関数を有する移相手段と、
該手段の出力に補償演算を施すための補償手段と、
該手段の出力に応じて制御対象を制御するための操作手段とを備えたことを特徴とする磁気軸受制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は構造系の振動を防止するための構造振動不安定化防止装置とその方法、及び磁気軸受制御装置に係わり、特に磁気軸受、磁気ディスクのヘッド、マニュピレータなどの位置決めに好適な構造振動不安定化防止装置とその方法、及び磁気軸受制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
磁気軸受、磁気ディスクのヘッドなどの位置決め制御装置においては、制御対象の位置、あるいは速度などの状態量を予め定められた目標関数に追従させるフィードバック制御系が用いられる。制御対象は機械的、構造的ダイナミクスを有しているので、制御系の設計においてはこれらの振動モードの安定化が必要である。
【０００３】
図４は磁気軸受制御系のブロック図である。ロータ１は互いに対向する電磁石３ａ、３ｂによって吸引され、空中で支持される。ロータ１を安定に支持するために、変位センサ２によって常にロータ１の位置を監視し、測定し、センサ変換器４、ノッチフィルタ９、安定化補償回路５（一般にはＰＩＤ制御回路）、正負選別器６、パワーアンプ７ａ、７ｂを介して電磁石３ａ、３ｂの電流を制御する。ノッチフィルタ９は、ロータの高次曲げモードの周波数帯を遮断して、高次曲げモードの発振を防ぐために用いられている。なお、この種の磁気軸受の基本技術は、「磁気浮上と磁気軸受（コロナ社１９９３年６月３０日発行）」に詳細に述べられている。
【０００４】
【本発明が解決しようとする課題】
前述の磁気軸受の制御系において、軸受の剛性あるいは減衰性の向上を図るために、安定化補償回路の位相進み量やフィードバック・ループの利得を大きくするとロータの高次モードが不安定化して発振を起こすことがあった。このような発振を回避するために、発振を起こす高次モードの周波数域帯を遮断するノッチフィルタを追加することが一般的に行なわれてる。ノッチフィルタの使われ方は、一般には発振成分を遮断するという利得安定化が殆んどの場合であるが、ノッチフィルタの位相推移特性を利用して位相安定化を行う場合もある。
【０００５】
しかしながら、フィードバック・ループの利得を曲げの固有振動周波数ω1で大きく落すことによって、ループがω1の近傍で発振しないようする利得安定化の方法では、周波数ω1で制御がきかないから、周波数ω1の外乱を抑圧できないという欠点がある。また、高次モードの振動応答の感度が低次モードの応答感度と同等程度に大きい場合には、ノッチフィルタによる遮断効果あるいは位相推移効果の不足のために、発振を抑えられない場合が出てくるという問題があった。
【０００６】
一方、ノッチフィルタの改善策として、特開平７−１１４４２０号に示されているように、周波数ω1でループの利得を持ち上げ、ω1でも制御可能とするとともに、発振を止めるのは位相調整による方法が提案されている。しかしながら、この方法は利得を持ち上げることで逆に安定化のための調整が難しくなる。
【０００７】
本発明の目的は、上述のノッチフィルタの欠点を補った移相回路を追加することにより、安定性に優れた構造振動不安定化防止装置とその方法、及び磁気軸受制御装置を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、制御対象の振動状態量を検出するための検出手段と、
該手段の検出値に上記制御対象に生じる高次モードの周波数帯域で位相推移を与えるための、複素共役零点をｓ平面の右半平面、又はｚ平面の単位円外に配置した伝達関数を有する移相手段と、
該手段の出力に補償演算を施すための補償手段と、
該手段の出力に応じて制御対象を制御するための操作手段とを備えたことを特徴とする構造振動不安定化防止装置開示する。
【０００９】
更に本発明は、制御対象の振動状態量を検出するための手段から出力される信号を、上記制御対象に生じる高次モードの周波数帯域で位相推移を有するように複素共役零点をｓ平面の右半平面、又はｚ平面の単位円外に配置した伝達関数を有する補償手段を介して上記振動状態量の制御手段にフィードバックすることを特徴とする構造振動不安定化防止方法を開示する。
【００１０】
更に本発明は、磁気軸受により支持されるロータの振動量を検出するための検出手段と、
該手段の検出値に上記ロータに生じる高次モードの周波数帯域で位相推移を与えるための、複素共役零点をｓ平面の右半平面、又はｚ平面の単位円外に配置した伝達関数を有する移相手段と、
該手段の出力に補償演算を施すための補償手段と、
該手段の出力に応じて制御対象を制御するための操作手段とを備えたことを特徴とする磁気軸受制御装置を開示する。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を実施の形態を用いて詳細に説明する。
図１は本発明になる磁気軸受制御装置の例を示すブロック図である。本図は図４とほゞ同じあり、図４と共通する引用番号は図４に示す制御系と同じ部分を示し、唯一の相異点はノッチフィルタ回路９の代りに本発明の特徴である移相回路８が設けられていることである。移相回路の出力を受けて補償回路５はＰＩＤ制御あるいは位相進み／遅れ演算を行う。パワーアンプ７ａ、７ｂは正負選別器６によって正負に分けられた信号を受けて電磁石３ａ、３ｂに供給する電流を制御する。
【００１２】
移相回路８の伝達関数は次式のように設計される。
【数１】
H(s)＝(s２−2ζ２ω２s＋ω２２)／(s２＋2ζ１ω１s＋ω１２)
こゝで、ζ２＞０、ζ１＞０とし、また、通常はω２≧ω１となるように設計する。（数１）の分子に表れる複素共役零点は（ζ２ω２、±ｊω２（１−ζ２２）１／２）であり、ζ２に負号を付したことで、移相回路８の零点はｓ平面上の右半平面に配置されたことになり、非最小位相推移系の位相特性を有することになる。なお、ζ２＝０、ω２＝ω１とすると、通常のノッチフィルタ回路となる。
【００１３】
図２は、（数１）の周波数特性例を実線で示したもので、比較のために通常のノッチフィルタ回路の周波数特性例を破線で示した。移相回路８の位相は０から−２πまで連続的に推移するのに対し、ノッチフィルタの位相は一πを含む範囲の値となることはなく、それ以外の範囲でしか推移しないことが分かる。一方振幅特性の方は、曲げモードの固有振動周波数ω1においてある程度減衰しているが、ノッチフィルタのように完全に周波数ω1の成分をカットするものではない。従って移相回路８は、位相特性を調節することにより、安定化を行う。このためには、位相特性を任意に調節することが望ましいが、上記のように移相回路８は０から−２πまでの位相推移が得られ、理想的である。ノッチフィルタを使った位相調整では本発明よりも狭い範囲の調整しかできない。
【００１４】
図３は本発明になる磁気軸受制御装置の周波数特性と、ロータの周波数特性例を示したものである。磁気軸受制御装置の特性というのは、図１のループ一巡の周波数特性である。ロータの曲げ１次および曲げの２次の固有振動数ω1、ω2に対して、曲げ２次の固有振動数ω2の手前で、位相が急峻に推移して、周波数ω2では再び位相進み（2nπ＜θ＜(2n+1)π、ｎは整数）になっている。磁気軸受の制御系では通常の場合、位相進みにすることで安定化が得られるが、本発明の構成によると容易に所望の位相進みを実現でき、安定化が図られたことになる。
【００１５】
なお、本発明の特徴とする移相回路を実際に作る場合、オペアンプ等を使って、アナログ回路で構成することもできるが、ディジタル処理を使ってＩＩＲ（ Infinite Impulse Response ）フィルタとして実現した方が容易である。ＩＩＲフィルタの演算係 数はｓ−ｚ変換を使って求めることができる。このｓ−ｚ変換により、ｓ平面上の右半平面に配置された複素共役零点は、ｚ平面の単位円外へと配置される。このことは数学上から当然の結果である。すなわち、(数１）において、例えば次式のような変換を行う。
【数２】
s＝(2/T)・(1-1/z)／(1+1/z)
こゝで、Ｔはディジタル処理のサンプリング時間で、１／ｚは１サンプル遅らせる演算子である。この変換を(数１)に施して、１／ｚの係数を求めればＩＩＲフィルタとして本発明の移相回路を実現することができる。
【００１６】
【発明の効果】
零点を上記のように配置するとフィルタが非最小位相推位系となり、位相推移量がノッチフィルタよりも広範囲に変えられる。したがって、制御系の位相特性の調整が広範囲にできるようになり、高次の曲げモードの発振を効果的に防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明になる磁気軸受制御装置の構成例を示すブロック図である。
【図２】図１の移相回路とノッチフィルタ回路の周波数特性を比較する図である。
【図３】図１の制御装置の周波数特性例とロータの特性図を示す図である。
【図４】従来の磁気軸受制御系の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
１  ロータ
２  変位センサ
３ａ、３ｂ  電磁石
４  センサ変換器
５  補償回路
６  正負選別器
７ａ、７ｂ  パワーアンプ
８  移相回路
９  ノッチフィルタ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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