(57)【要約】【課題】三角波信号の直線性が低い値域でも正確なパルス幅変調を行うことができる増幅装置、及び、このような増幅装置を用いて安定した制御を実現する磁気軸受制御装置を提供する。【解決手段】増幅装置への入力信号が、三角波信号の直線性の低い値域にあるときは、ＰＷＭ増幅器９の前段の入力調整回路７により信号レベルをｎ倍又は１／ｎ倍して直線性の高い値域にシフトさせ、これに対してＰＷＭ増幅器９によりパルス幅変調を行い、その出力を、ＰＷＭ増幅器９の後段の出力調整回路１０により１／ｎ倍又はｎ倍して信号レベルを元に戻す処理を行う。【選択図】      図１
2004293703.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力信号が、比較の基準となる三角波信号の直線性の高い値域にあるか否かを判定する比較回路と、
前記比較回路の判定に基づいて、前記入力信号が直線性の高い値域にあるときはそのまま通過させ、前記入力信号が直線性の低い所定の値域にあるときはその信号レベルをＸ倍し、直線性の高い値域にシフトして出力する入力調整回路と、
前記入力調整回路から出力される信号を前記三角波信号と比較してパルス幅変調信号を出力するＰＷＭ増幅器と、
前記ＰＷＭ増幅器の出力信号を、前記入力調整回路において前記入力信号をそのまま通過させた場合はそのまま出力し、信号レベルをＸ倍にした場合は１／Ｘ倍にして出力する出力調整回路と
を備えたことを特徴とする増幅装置。
【請求項２】
電磁石により回転体を非接触支持する磁気軸受制御装置において、前記電磁石を励磁するための増幅装置は、
前記回転体の位置制御のための入力信号が、比較の基準となる三角波信号の直線性の高い値域にあるか否かを判定する比較回路と、
前記比較回路の判定に基づいて、前記入力信号が直線性の高い値域にあるときはそのまま通過させ、前記入力信号が前記三角波信号の下限値近傍における直線性の低い値域にあるときはその信号レベルをｎ倍に増大させ、直線性の高い値域にシフトして出力する入力調整回路と、
前記入力調整回路から出力される信号を前記三角波信号と比較してパルス幅変調信号を出力するＰＷＭ増幅器と、
前記ＰＷＭ増幅器の出力信号を、前記入力調整回路において前記入力信号をそのまま通過させた場合はそのまま出力し、信号レベルをｎ倍にした場合は１／ｎ倍に低減させて出力する出力調整回路と
を備えたことを特徴とする磁気軸受制御装置。
【請求項３】
前記入力調整回路は、前記入力信号が前記三角波信号の上限値近傍における直線性の低い値域にあるときはその信号レベルを１／ｎ倍に低減させ、直線性の高い値域にシフトして出力し、その場合における前記出力調整回路は、前記ＰＷＭ増幅器の出力信号をｎ倍に増大させて出力することを特徴とする請求項２記載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、パルス幅変調を行う増幅装置、及び、これを用いた磁気軸受制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＰＷＭ（パルス幅変調）増幅器は高効率のアンプとして知られており、例えば磁気軸受制御装置において回転体を非接触支持する電磁石を励磁するためのアンプとして使用される（特許文献１参照。）。また、電磁クラッチ等の駆動アンプとしても使用されている（特許文献２参照。）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平４−３２１８１２号公報（第２〜３頁、図１）
【特許文献２】
特開平４−３２１８２１号公報（第２〜４頁、図１）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記のようなＰＷＭ増幅器は、入力信号と三角波信号とを比較してパルス幅変調を行うものであり、従って、比較の基準となる三角波信号の直線性が波形全体に確保されていることが重要である。しかしながら実際には、三角波信号の上限値近傍及び下限値近傍では直線性が低く、丸みを帯びた波形となる。従って、このような直線性の低い値域で入力信号との比較が行われると、パルス幅変調の精度が悪くなり、所望の出力が得られない。例えば、磁気軸受装置では、回転体に対向して配置された一対の電磁石の吸引により回転体の位置制御を行うため、各電磁石において電磁力を正確に発生させる必要がある。ところが、電磁石を制御するための入力信号が三角波信号の下限値近傍の微小信号である場合において、パルス幅変調の精度が悪いと、必要な電磁力が正確に発生せず、一対の電磁石間で電磁力のバランスが崩れる。その結果、回転体が振動し、制御が不安定になる。
【０００５】
上記のような従来の問題点に鑑み、本発明は、三角波信号の直線性が低い値域でも正確なパルス幅変調を行うことができる増幅装置、及び、このような増幅装置を用いて安定した制御を実現する磁気軸受制御装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の増幅装置は、入力信号が、比較の基準となる三角波信号の直線性の高い値域にあるか否かを判定する比較回路と、前記比較回路の判定に基づいて、前記入力信号が直線性の高い値域にあるときはそのまま通過させ、前記入力信号が直線性の低い所定の値域にあるときはその信号レベルをＸ倍し、直線性の高い値域にシフトして出力する入力調整回路と、前記入力調整回路から出力される信号を前記三角波信号と比較してパルス幅変調信号を出力するＰＷＭ増幅器と、前記ＰＷＭ増幅器の出力信号を、前記入力調整回路において前記入力信号をそのまま通過させた場合はそのまま出力し、信号レベルをＸ倍にした場合は１／Ｘ倍にして出力する出力調整回路とを備えたものである。
上記のように構成された増幅装置では、三角波信号の直線性の低い値域の入力信号をＸ倍して直線性の高い値域にシフトしてからパルス幅変調を行い、その後信号レベルを逆数倍して元の信号レベルに戻す。従って、直線性の低い値域の入力信号に対しても、正確なパルス幅変調を行うことができる。
【０００７】
また、本発明は、電磁石により回転体を非接触支持する磁気軸受制御装置において、前記電磁石を励磁するための増幅装置は、前記回転体の位置制御のための入力信号が、比較の基準となる三角波信号の直線性の高い値域にあるか否かを判定する比較回路と、前記比較回路の判定に基づいて、前記入力信号が直線性の高い値域にあるときはそのまま通過させ、前記入力信号が前記三角波信号の下限値近傍における直線性の低い値域にあるときはその信号レベルをｎ倍に増大させ、直線性の高い値域にシフトして出力する入力調整回路と、前記入力調整回路から出力される信号を前記三角波信号と比較してパルス幅変調信号を出力するＰＷＭ増幅器と、前記ＰＷＭ増幅器の出力信号を、前記入力調整回路において前記入力信号をそのまま通過させた場合はそのまま出力し、信号レベルをｎ倍にした場合は１／ｎ倍に低減させて出力する出力調整回路とを備えたものである。
上記のように構成された磁気軸受制御装置における増幅装置では、三角波信号の下限値近傍における直線性の低い値域の入力信号をｎ倍に増大して直線性の高い値域にシフトしてからパルス幅変調を行い、その後信号レベルを１／ｎ倍して元の信号レベルに戻す。従って、直線性の低い値域にある微小な入力信号に対しても、正確なパルス幅変調を行うことができ、これにより、電磁石の電磁力を弱く設定する場合でもその電磁力を正確に与えることができるので、安定した制御を実現することができる。
【０００８】
また、上記磁気軸受制御装置において、入力調整回路は、入力信号が三角波信号の上限値近傍における直線性の低い値域にあるときはその信号レベルを１／ｎ倍に低減させ、直線性の高い値域にシフトして出力し、その場合における出力調整回路は、ＰＷＭ増幅器の出力信号をｎ倍に増大させて出力するものであってもよい。
この場合、三角波信号の下限値近傍及び上限値近傍において、直線性不良に起因する制御の不安定性を排除することができ、三角波信号の値域の０〜１００％まで実質的に直線性を確保することができる。従って、電磁力の大小にかかわらず、常に安定した磁気軸受の制御を行うことができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の一実施形態による増幅装置を含む、磁気軸受制御装置の構成を示すブロック図である。図において、回転体１は、磁気軸受の電磁石２により非接触支持される。回転体１の変位（例えばラジアル方向の変位）は、変位センサ３によって検出される。なお、実際にはラジアル方向に複数対の電磁石２及び変位センサ３が設けられ、また、アキシャル方向にも電磁石及び変位センサが設けられるが、ここでは説明の簡略化のため、各一個の電磁石２及び変位センサ３のみを図示している。
【００１０】
変位センサ３から出力されたアナログ変位信号は、Ａ／Ｄ変換器４によってディジタル変位信号に変換され、ＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｓｉｇｎａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）５に入力される。ＤＳＰ５は、入力されたディジタル変位信号に基づいて演算を行い、磁気軸受の電磁石制御のための制御信号を出力する。Ｄ／Ａ変換器６はこれをアナログ信号に変換して、入力調整回路７及び比較回路８に与える。入力調整回路７の出力信号は、三角波（鋸歯状波）信号を出力する発振器９１とコンパレータ９２〜９４とにより構成されるＰＷＭ増幅器９によってパルス幅変調され、さらにその出力は出力調整回路１０に与えられる。電磁石２は、この出力調整回路１０の出力信号に基づいて励磁され、回転体１の位置制御を行う。増幅装置は、上記入力調整回路７、比較回路８、ＰＷＭ増幅器９及び出力調整回路１０によって構成されている。
【００１１】
上記入力調整回路７は、比較回路８の出力によって制御される切換回路７１と、１／ｎ倍増幅器７２と、ｎ倍増幅器７３とによって構成されている。ここで、ｎの値は三角波信号の直線性によっても異なるが、例えば５〜１０の範囲の実数である。比較回路８は、閾値を２つ持っており、ＰＷＭ増幅器９における三角波信号の上限値を１００％、下限値を０％としたとき、例えば１０％を第１閾値ＶＬ、９０％を第２閾値ＶＨとする。ここで、三角波信号が優れた直線性を有しているのは１０％〜９０％の値域であり、１０％未満及び９０％を超える値域では直線性が劣る。Ｄ／Ａ変換器６から切換回路７１及び比較回路８への入力信号をＶｓとするとき、比較回路８は、
（１）Ｖｓ＜ＶＬ
（２）ＶＬ≦Ｖｓ≦ＶＨ
（３）ＶＨ＜Ｖｓ
の３つの場合に応じて切換回路７１を制御し、切換動作を行わせる。具体的には切換回路７１の出力は、（１）の場合にはｎ倍増幅器７３に、（２）の場合にはそのままＰＷＭ増幅器９に、（３）の場合には１／ｎ倍増幅器７２に、それぞれ接続される。従って、ＰＷＭ増幅器９へ入力される信号は、（１）の場合ｎ・Ｖｓ、（２）の場合Ｖｓ、（３）の場合Ｖｓ／ｎ、となる。
【００１２】
また、同時に、比較回路８は出力調整回路１０の切換回路１０１を制御して切換動作を行わせる。具体的にはＰＷＭ増幅器９の出力は、（１）の場合には１／ｎ倍増幅器１０３に、（２）の場合にはそのまま電磁石２に、（３）の場合にはｎ倍増幅器１０２に、それぞれ接続される。従って、ＰＷＭ増幅器９の増幅率をＡとすると、電磁石２に対して出力される信号は、（１）の場合ｎ・Ｖｓ・Ａ・（１／ｎ）＝Ｖｓ・Ａ、（２）の場合Ｖｓ・Ａ、（３）の場合（Ｖｓ／ｎ）・Ａ・ｎ＝Ｖｓ・Ａ、となる。すなわち、いずれの場合も、電磁石２に対して出力される信号は、Ｄ／Ａ変換器６から切換回路７１に入力される入力信号ＶｓがＰＷＭ増幅器９でＡ倍に増幅されたものとなる。
【００１３】
次に、上記のように入力信号Ｖｓに応じてＰＷＭ増幅器９の前後で信号増幅処理（低減的増幅も含む。）を行うことの意義について説明する。図２の（ａ）は、上記（２）の場合の入力信号Ｖｓ及び三角波信号の波形を示す図である。なお、三角波信号は理想的な形で図示しているが、実際には、上限値近傍（９０％超過〜１００％）及び下限値近傍（０〜１０％未満）の各値域で直線性が低下し、丸みを帯びた曲線的な形状となる。それ以外の値域（１０％〜９０％）では優れた直線性が得られる。
【００１４】
上記（２）の場合、入力信号Ｖｓは図１の切換回路７１からＰＷＭ増幅器９内のコンパレータ９３に送られ、ここで、三角波信号と比較される。そして、図２の（ｂ）に示すように、入力信号Ｖｓの方が三角波信号より高い値であるときＨレベル、そうでないときＬレベルとなるパルス列の出力が得られる。この場合の入力信号Ｖｓは、三角波信号の直線性が優れている値域（１０％〜９０％）にあり、パルス幅変調は極めて正確に行われる。この出力は、そのまま図１の切換回路１０１を通って電磁石２に供給される。従って、図２の（ｂ）に示すパルス列（ＰＷＭ信号）のオン時間の幅と高さとにより、電磁石２の発生する電磁力が決定される。
【００１５】
次に、図３の（ａ）は、上記（１）の場合の入力信号Ｖｓ（一定値とする。）及び三角波信号の波形を示す図である。この場合の入力信号Ｖｓは三角波信号の下限値近傍（０〜１０％未満）の直線性が低い値域にある微小信号であり、これを三角波信号と比較しても信頼性のあるパルス幅変調ができない。すなわち、仮に、理想的な三角波信号であれば（ｂ）に示すパルス列（パルス幅Ｗ１）が得られるところであるが、実際にはこのようなパルス列が得られない。そこで、図１の入力調整回路７におけるｎ倍増幅器７３により、入力信号Ｖｓを例えば５倍（ｎ＝５）し、図３の（ｃ）に示すように信号レベルを直線性の高い値域にシフトしてコンパレータ９４（図１）に入力する。この結果、コンパレータ９４の出力は（ｄ）に示すパルス列となり、パルス幅Ｗ２は、Ｗ１の５倍となる。
【００１６】
この（ｄ）に示すパルス列は、図１の出力調整回路１０における１／ｎ倍増幅器１０３において１／５倍に増幅される。その結果、（ｅ）に示すように、パルスの高さが１／５となり（パルス波形が若干崩れるがここでは簡略化して説明する。）、結局、（ｂ）との比較において、パルス幅が５倍で、高さが１／５となるので、積分値は同じであり、電磁石２に流れる電流は（ｂ）の場合と同じである。すなわち、理想的な三角波信号によって（ｂ）のパルス列を得たのと等価な出力を得ることができる。このようにして、直線性の劣る三角波信号下限値近傍の値域の信号を直線性の良い値域に一旦シフトして三角波信号と比較し、比較後に元のレベルに戻す処理をすることにより、三角波信号下限値近傍の値域の入力信号Ｖｓに対しても、正確なパルス幅変調を行うことができる。従って、三角波信号下限値近傍の直線性不良に起因する磁気軸受の制御の不安定性を排除することができる。とりわけ、上記（１）の場合には発生させる電磁力自体が弱く、ラジアル方向の一対の電磁石間で電磁力のバランスが失われ易いが、上記のようにして正確なパルス幅変調を行うことにより、安定した制御を行うことができる。
【００１７】
次に、図４の（ａ）は、上記（３）の場合の入力信号Ｖｓ（一定値とする。）及び三角波信号の波形を示す図である。この場合の入力信号Ｖｓは三角波信号の上限値近傍（９０％超過〜１００％）の直線性が低い値域にあり、三角波信号と比較しても信頼性のあるパルス幅変調ができない。すなわち、仮に、理想的な三角波信号であれば（ｂ）に示すパルス列（パルス幅Ｗ３）が得られるところであるが、実際にはこのようなパルス列が得られない。そこで、図１の入力調整回路７における１／ｎ倍増幅器７２により、入力信号Ｖｓを例えば１／５倍し、図４の（ｃ）に示すように信号レベルを直線性の高い値域にシフトしてコンパレータ９２（図１）に入力する。この結果、コンパレータ９２の出力は（ｄ）に示すパルス列となり、パルス幅Ｗ４は、Ｗ３の１／５となる。
【００１８】
この（ｄ）に示すパルス列は、図１の出力調整回路１０におけるｎ倍増幅器１０２において５倍に増幅される。その結果、（ｅ）に示すように、パルスの高さが５倍となり（パルス波形が若干崩れるがここでは簡略化して説明する。）、結局、（ｂ）との比較において、パルス幅が１／５で、高さが５倍となるので、積分値は同じであり、電磁石２に流れる電流は（ｂ）の場合と同じである。すなわち、理想的な三角波信号によって（ｂ）のパルス列を得たのと等価な出力を得ることができる。このようにして、直線性の劣る三角波信号上限値近傍の値域の信号を直線性の良い値域に一旦シフトして三角波信号と比較し、比較後に元のレベルに戻す処理をすることにより、三角波信号上限値近傍の値域の入力信号Ｖｓに対しても、正確なパルス幅変調を行うことができる。従って、三角波信号上限値近傍の直線性不良に起因する磁気軸受の制御の不安定性を排除することができる。
【００１９】
このようにして、三角波信号の下限値近傍及び上限値近傍において、直線性不良に起因する制御の不安定性を排除することができ、三角波信号の値域の０〜１００％まで実質的に直線性を確保することができる。従って、電磁力の大小にかかわらず、常に安定した磁気軸受の制御を行うことができる。
【００２０】
なお、上記実施形態では、三角波信号の下限値近傍の値域及び上限値近傍の値域の双方においてＰＷＭ増幅器９の前後で信号レベルのＸ倍（ｎ倍又は１／ｎ倍）及びその逆数倍の処理を行う構成としたが、前述のように磁気軸受制御装置としては下限値近傍の値域における処理の方が重要であるので、上限値近傍の値域における処理は省略することも可能である。
【００２１】
また、上記実施形態では、磁気軸受制御装置における増幅装置について説明したが、このようにして三角波信号の直線性の劣る値域の信号について直線性を確保する処理を行う増幅装置は、他にも、スイッチングレギュレータやインバータ等、各種目的におけるパルス幅変調式の増幅装置として使用することができる。
また、上記実施形態における直線性の良否の値域は一例であり、閾値ＶＬ，ＶＨは、三角波信号の直線性に応じて適宜設定される。
【００２２】
【発明の効果】
以上のように構成された本発明の増幅装置によれば、三角波信号の直線性の低い値域の入力信号をＸ倍して直線性の高い値域にシフトしてからパルス幅変調を行い、その後信号レベルを逆数倍して元の信号レベルに戻すので、直線性の低い値域の入力信号に対しても、正確なパルス幅変調を行うことができる。
また、本発明の磁気軸受制御装置によれば、その増幅装置が、三角波信号の下限値近傍における直線性の低い値域の入力信号をｎ倍に増大して直線性の高い値域にシフトしてからパルス幅変調を行い、その後信号レベルを１／ｎ倍して元の信号レベルに戻すので、直線性の低い値域にある微小な入力信号に対しても、正確なパルス幅変調を行うことができる。これにより、電磁石の電磁力を弱く設定する場合でもその電磁力を正確に与えることができるので、安定した制御を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態による増幅装置を含む、磁気軸受制御装置の構成を示すブロック図である。
【図２】三角波信号の直線性の高い値域にある入力信号Ｖｓ及び当該三角波信号と、パルス幅変調によって得られた信号とを示す図である。
【図３】三角波信号の下限値近傍にある入力信号Ｖｓ及び当該三角波信号と、これに対してパルス幅変調の前後に信号増幅を含む処理を施して（ｅ）の信号を得る過程とを示す図である。
【図４】三角波信号の上限値近傍にある入力信号Ｖｓ及び当該三角波信号と、これに対してパルス幅変調の前後に信号増幅を含む処理を施して（ｅ）の信号を得る過程とを示す図である。
【符号の説明】
１    回転体
２    電磁石
７    入力調整回路
８    比較回路
９    ＰＷＭ増幅器
１０    出力調整回路
【図１】
2004293703.tif 000003
【図２】
2004293703.tif 000004
【図３】
2004293703.tif 000005
【図４】
2004293703.tif 000006