(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電磁石を介して制御対象である回転体の浮上制御を行う磁気軸受システムの制御系において、
前記制御対象を介在したフォアード信号系路における該制御対象の出力側に形成した第１引き出し点から該制御対象の入力側に形成した第１加え合わせ点に至り前記フォアード信号系路にプラス入力する第１フィードバック信号系路に、前記電磁石の不平衡剛性に起因するゲインＫＭを介在すると共に、
前記第１引き出し点から前記第１加え合わせ点に至り前記フォアード信号系路にマイナス入力する第２フィードバック信号系路に、前記電磁石の不平衡剛性ゲインＫＭを打ち消すための、伝達関数がｋの第２制御回路を介在し、また、
前記第２フィードバック信号系路における該第２制御回路の入力側に形成した第３引き出し点から該第２制御回路の出力側に形成した第３加え合わせ点に至り前記第２フィードバック系路にプラス入力する並列信号系路に、前記不平衡剛性が消去された前記制御対象を浮上制御する伝達関数がＣ´の第１制御回路を介在して、該第１制御回路と前記第２制御回路とが並列接続となるように制御系を形成し、さらに、
前記第１制御回路の入力側又は出力側のいずれかの信号線に、特性試験のための外部信号の入力線を接続するための第２加え合わせ点を形成すると共に、前記特性試験のための出力信号の出力線を接続するための第２引き出し点を、前記第２加え合わせ点の下流側の前記信号線に形成した磁気軸受システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はターボ分子ポンプやねじ溝真空ポンプ等の高速回転機械の分野その他に利用される磁気軸受システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
高速回転機械例えばターボ分子ポンプ等に利用される磁気軸受としては、スラスト方向及びラジアル方向の５自由度を全て電磁石により能動制御する５軸制御形が多く用いられている。
【０００３】
従来の能動制御形磁気軸受を使用した例として、例えば特許文献１に記載されている複合型真空ポンプのような例がある。
【０００４】
この従来の磁気軸受を用いた複合型真空ポンプの縦断面図の例を図７に示した。
【０００５】
図７において、ａは制御対象（浮上対象）であるロータ、ｂ及びｃは能動制御形磁気軸受のステータ、ｄ及びｅは位置センサー、ｆ及びｇは補助軸受である。
【０００６】
【特許文献１】特開平９−２１４２０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
磁気軸受における能動制御では、ＰＩＤ制御器（比例制御、積分制御、微分制御）、又はＰＤ制御器（比例制御、微分制御）で構成される浮上制御回路により、回転体を安定浮上させるようにしている。
【０００８】
磁気軸受には吸引形と反発形とがあって、反発形は相対する磁石の反発作用によって回転体を浮上させるように作動し、又、吸引形では相対する磁石の吸引作用によって回転体を浮上させるように作動する。
【０００９】
ここで吸引形磁気軸受は、一般に近接するほど吸引力が増す負の剛性（不平衡剛性）を持っている。
【００１０】
そしてこの不平衡剛性に対処するための回路を含んだＰＩＤ制御器又はＰＤ制御器で構成される浮上制御回路を有する従来の能動形磁気軸受制御システムの信号系統のブロック線図を図８に示す。
【００１１】
図８において
Ｆ：外乱等による負荷力
ｙ：制御対象（浮上対象）と電磁石間の変位
ＫＭ：電磁石の不平衡剛性に起因するゲイン
Ｐ：制御対象（ロータ）の伝達関数
ＫＥ：電磁石の制御ゲイン
Ａ：パワーアンプのゲイン
Ｃ：ＰＩＤ制御器又はＰＤ制御器の伝達関数
Ｓ：変位センサのゲイン
を示す。
【００１２】
前記ブロック線図において、前記負荷力Ｆから前記変位ｙへのフォアード信号系路１に制御対象（浮上対象）の伝達関数Ｐのブロックが介在し、又、該フォアード信号系路１の変位ｙ側、即ち、制御対象の出力側の第１引き出し点２から該フォアード信号系路１の負荷力Ｆ側、即ち、制御対象の入力側の第１加え合わせ点３に至る第１フィードバック信号系路４に電磁石の不平衡剛性に起因するゲインＫＭのブロックが介在し、前記第１加え合わせ点３において、前記第１フィードバック信号系路４からの信号が前記フォアード信号系路１の信号にプラスで入力している。
【００１３】
又、前記第１引き出し点２から前記第１加え合わせ点３に至る第２フィードバック信号系路５に、変位センサーのゲインＳのブロックとＰＩＤ制御器又はＰＤ制御器の伝達関数ＣのブロックとパワーアンプのゲインＡのブロックと電磁石の制御ゲインＫＥのブロックを順次直列に接続して介在し、前記第１加え合わせ点３において、前記第２フォードバック信号系路５からの信号が前記フォアード信号系路１の信号にマイナスで入力している。
【００１４】
尚、前記センサーのゲインＳのブロックからＰＩＤ制御器又はＰＤ制御器の伝達関数Ｃのブロックへの前記フィードバック信号系路５に第２加え合わせ点６と第２引き出し点７を順次介在し、該第２加え合わせ点６に特性試験のための外部信号入力Ｅをプラスで入力可能にすると共に前記第２引き出し点７から特性試験のための信号出力Ｖ１を得るようにしている。
【００１５】
そして前記変位ｙから前記電磁石の制御ゲインＫＥの作用後である電磁石の出力即ち制御力までの伝達関数は、前記電磁石の不平衡剛性に起因するゲインＫＭを用いて次の（１）式のように表すことができる。
0005115105.tif 000002
但し、ＫＰ：比例制御のゲイン
ＫＤ：微分制御のゲイン
【００１６】
この従来の磁気軸受制御システムの入力である負荷力Ｆから出力である前記変位ｙまでの閉ループ伝達関数Ｇｃ（ｓ）は図８と等価なブロック線図９により計算すると（２）式の如くなる。
0005115105.tif 000003
但し、制御対象（ロータ）の伝達関数Ｐ＝１／ｍｓ２
【００１７】
この従来の能動制御形磁気軸受システムでは、前記（１）式で示したように、前記不平衡剛性に対処するための回路をＰＩＤ制御器又はＰＤ制御器で構成される浮上制御回路の中に含んでおり、このため該制御回路は複雑で且つ臨機応変の修正が難しいという問題があった。
【００１８】
又、磁気軸受のフィードバックを有する制御系の安定性を調べるために、制御系にホワイトノイズ又は正弦波を入力してその出力を計測し、これらの計測データをもとに該制御系のボード線図を描いて、その位相余裕や利得余裕を算出して系の安定度を判別する方法が一般に行なわれている。
【００１９】
しかし従来の測定では、前記不平衡剛性の影響により、位相余裕や利得余裕が一意的には決まらず、このため系の減衰率を過剰に設計したり或いは機種ごとの制御系に対してそれぞれ安定判別の基準を設定する必要があって煩わしい等の問題があった。
【００２０】
本発明はこれらの問題点を解消し、磁気軸受の制御系において不平衡剛性の予想値が変化しても容易に対応することができると共に、不平衡剛性を考慮せずに制御系の位相余裕や利得余裕等の特性値の測定ができるような磁気軸受システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
本発明は上記の目的を達成すべく、電磁石を介して制御対象である回転体の浮上制御を行う磁気軸受システムの制御系において、
前記制御対象を介在したフォアード信号系路における該制御対象の出力側に形成した第１引き出し点から該制御対象の入力側に形成した第１加え合わせ点に至り前記フォアード信号系路にプラス入力する第１フィードバック信号系路に、前記電磁石の不平衡剛性に起因するゲインＫＭを介在すると共に、
前記第１引き出し点から前記第１加え合わせ点に至り前記フォアード信号系路にマイナス入力する第２フィードバック信号系路に、前記電磁石の不平衡剛性ゲインＫＭを打ち消すための、伝達関数がｋの第２制御回路を介在し、さらに、
前記第２フィードバック信号系路における該第２制御回路の入力側に形成した第３引き出し点から該第２制御回路の出力側に形成した第３加え合わせ点に至り前記第２フィードバック系路にプラス入力する並列信号系路に、前記不平衡剛性が消去された前記制御対象を浮上制御する伝達関数がＣ´の第１制御回路を介在して、該第１制御回路と前記第２制御回路とが並列接続となるように制御系を形成し、さらに、
前記第１制御回路の入力側又は出力側のいずれかの信号線に、特性試験のための外部信号の入力線を接続するための第２加え合わせ点を形成すると共に、前記特性試験のための出力信号の出力線を接続するための第２引き出し点を、前記第２加え合わせ点の下流側の前記信号線に形成した。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によると、磁気軸受の能動形制御システムにおいて、不平衡剛性の予想値が変化した場合の制御回路の対応が容易となり、且つ制御系の回路の位相余裕や利得余裕等の特性値の測定が容易となるので、安価で効率的な磁気軸受システムを提供できる効果を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
本発明を実施するための最良の形態の実施例を次に示す。
【実施例１】
【００２４】
本発明の磁気軸受制御システムの信号系統のブロック線図を図１に示す。
【００２５】
本発明では、電磁力の不平衡剛性を打ち消すための不平衡剛性消去回路（第２制御回路
）を磁気軸受の浮上制御回路（第１制御回路）とは別に設けていて、該第１制御回路は、不平衡剛性が消去された制御対象の浮上制御だけをＰＤ制御（又はＰＩＤ制御）するようにした点が特徴である。
【００２６】
即ち、図８の従来のブロック線図の前記第２フィードバック信号系路５に介在していた
ＰＩＤ制御器又はＰＤ制御器の伝達関数Ｃのブロックの代りに不平衡剛性を打ち消す第２
制御回路の伝達関数ｋのブロックを前記第２フィードバック信号系路５に介在し、更に該
第２フィードバック信号系路５の前記センサーの伝達関数Ｓのブロックと前記第２制御回
路の伝達関数ｋのブロック間、即ち、該第２制御回路の入力側に第３引き出し点８を介在すると共に、該第２制御回路の伝達関数ｋのブロックと前記パワーアンプＡのブロックの間、即ち、該第２制御回路の出力側の前記第２フィードバック信号系路５に第３加え合わせ点９を介在し、前記第３引き出し点８から該第３加え合わせ点９までの間に該第２フィードバック信号系路５と並列に並列信号系路１０を接続し、該並列信号系路１０に、不平衡剛性が消去された制御対象の浮上制御だけを行うＰＩＤ制御器又はＰＤ制御器で構成される第１制御回路の伝達関数Ｃ´のブロックを介在した。
【００２７】
そして前記第３加え合わせ点９において前記並列信号線１０からの信号が前記第２フィードバック信号系路５の信号にプラスで入力している。
【００２８】
又、前記第１制御回路の伝達関数Ｃ´のブロックの入力側の前記並列信号系路１０に前記第２加え合わせ点６と第２引き出し点７を順次介在し、該第２加え合わせて点６に特性試験のための外部信号入力Ｅをプラスで入力可能にすると共に前記第２引き出し点７から特性試験のための信号出力Ｖ１を得るようにしている。
【００２９】
尚、その他の信号系路及び各ブロックは前記従来の信号系統のブロック線図と同様である。
【００３０】
図１の信号系統において、前記第２フィードバック信号系路５の伝達関数は、前記第１制御回路のない場合は次の（３）式のように表すことができ、又前記第２制御回路のない場合は次の（４）式のように表すことができる。
0005115105.tif 000004
0005115105.tif 000005
但し、
ｋ  ：第２制御回路のゲイン
Ｃ´：第１制御回路の伝達関数
である。
【００３１】
又、本発明の磁気軸受制御システムの前記負荷力である入力Ｆから前記変位である出力ｙまでの閉ループ伝達関数Ｇｃ（ｓ）は（５）式の如くなる。
0005115105.tif 000006
【００３２】
これは従来の方法における伝達関数式（２）と同じである。
【００３３】
しかし本発明の磁気軸受制御システムの信号系統のブロック線図では、図１に示すように、第２フィードバック信号系路５において第２制御回路のゲインにｋのブロックと第１制御回路の伝達関数Ｃ´が並列の接続関係にあることが前記従来の磁気軸受制御システムの信号系統のブロック線図とは異なっている。
【００３４】
次に本発明の磁気軸受システムの作用及び効果について説明する。
【００３５】
従来の磁気軸受制御システムにおける閉ループ伝達関数Ｇｃ（ｓ）は前記（２）式に示した通りである。
【００３６】
この閉ループ伝達関数の特性方程式は次の（６）式の如くなる。
0005115105.tif 000007
この特性方程式を解いて極ｐを求めると、次の（７）式が得られる。
0005115105.tif 000008
極ｐから、制御システムの安定性の指標となる減衰率ζが（８）式の如く求まる。
0005115105.tif 000009
但し、
Ｒ（ｐ）：極ｐの実数部分
【００３７】
一方、測定により計測できる開ループ周波数特性Ｇ０（ｉｗ）は図８と等価なブロック線図９により計算すると（９）式の如く求まる。
0005115105.tif 000010
【００３８】
縦軸にゲイン｜Ｇ０｜（ｄＢ）及び位相角∠Ｇ０を目盛り、横軸に角周波ｗを対数目盛で目盛ったボード線図上に前記周波数特性の値をプロットして、制御システムの安定性を判定する指標となる位相余裕φｍ及び又はゲイン余裕ｇｍを該ボード線図より求めることが一般に行なわれている。
【００３９】
これは図８のブロック線図において、符号Ｅにホワイトノイズ又は正弦波の信号を入力し、符号Ｖ１からの出力によって当該システムの周波数特性を調べることにより行なわれる。
【００４０】
しかし従来の測定では、前記減衰率（ζ）と位相余裕φｍ或いはゲイン余裕ｇｍとは一意的に対応せず、これは前記電磁石の不平衡剛性の影響によるものであることが判った。
【００４１】
図３に、従来の磁気軸受制御システムにおけるボード線図の例を細い実線で示した。
【００４２】
図３のη＝０．５及びη＝１の矢印の示す線の如く、従来のシステムでは、ゲイン｜Ｇ０｜（ｄＢ）及び位相角∠Ｇ０（deg）はその値によって変化することが判る。
【００４３】
尚、ここでηは次の（１０）式の如く定義されている。
0005115105.tif 000011
【００４４】
又、図４には、ηに対する位相余裕φｍの減少の様子を示した。図３又は図４から判るように、従来の磁気軸受制御システムでは安定性を判定する指標となる位相余裕φｍと減衰率ζとは一意的に結びつかないという問題があった。
【００４５】
このため、従来の磁気軸受制御システムでは、制御システムの減衰率（ζ）を過剰に設計したり、又は機種ごとに安定判別の基準を設定したりして、制御システムが安全な範囲となるように余分なマージンをもった設計とする必要があった。
【００４６】
これに対し、本発明の磁気軸受制御システムでは、図１と等価なブロック線図２により計算すると測定可能な開ループ周波数特性Ｇ０（ｉｗ）は（１１）式の如く求まる。
0005115105.tif 000012
【００４７】
（１１）式には電磁石の不平衡剛性のゲインＫＭの項を含んでおらず、従って図３のfor all  ηの矢印が示す太い実線で示したように、本発明の磁気軸受制御システムのボード線図はηに関係なく一意的に定まるという特徴を有している。
【００４８】
即ち、図１に示す本発明の磁気軸受制御システムのブロック線図において、符号Ｅからホワイトノイズ又は正弦波の信号を入力し、符号Ｖ１からの出力によって当該システムの周波数特性を調べるが、前記Ｇ０（ｉｗ）が電磁石の不平衡剛性のゲインＫＭを含まないようにして、不平衡剛性が消去された状態での制御系の特性を測定できるようにしたので、減衰率（ζ）と位相余裕φｍの関係は機種によらず一定となる。
【００４９】
第２制御回路の出力を磁気軸受部で予想される不平衡剛性よりも小さな値にすることが好ましい。これは、不平衡剛性と不平衡剛性打消し回路のゲインに誤差がある場合、特に不平衡剛性打消し回路のゲインが不平衡剛性より大きい場合には減衰率の低下を招くので、不平衡剛性の推定に誤差がある場合には不平衡剛性打消し回路のゲインを小さく設計すれば減衰率の低下を避けることができる。
【００５０】
又、前記第１制御回路の比例ゲインを少なくとも２段階に切り替えられるようにすることが好ましい。即ち、不平衡剛性の打消し誤差ＫＭΔがある場合の開ループ周波数特性Ｇ０（ｉｗ）は（１２）式の如く求まる。
0005115105.tif 000013
【００５１】
ここで、ゲイン交差の条件｜Ｇ０｜＝１より、ゲイン交差周波数をｗｇｃとすると、
0005115105.tif 000014
の関係が求まる。
【００５２】
よって、ＰＤ又はＰＩＤ制御器の比例ゲインＫＰとゲイン交差周波数ｗｇｃの自乗とは略一次式の関係にあり、また、図６に示すように、グラフ上の座標軸切片が不平衡剛性の打消し誤差ＫＭΔ、即ち不平衡剛性打消し回路の誤差に対応しているので、比例ゲインＫＰを少なくとも２段階（ＫＰ１、ＫＰ２）に切り替えてゲイン交差周波数（ｗｇｃ１、ｗｇｃ２）を測定すれば、グラフ上から誤差を確認でき、不平衡剛性打消し回路のゲインｋを調整して精確な制御を行うことができる。
【００５３】
尚、本実施例では図１のブロック線図に示す如く、ホワイトノイズ又は正弦波の信号の入力信号Ｅの入力点６及び出力信号Ｖ１の出力点を前記並列信号系路１０において前記第１制御回路の伝達関数Ｃ´のブロックの入力側に介在させたが、前記入力信号Ｅの入力点６及び前記出力信号Ｖ１の出力点７を、図５のブロック線図の如く前記並列信号系路１０において前記第１制御回路の伝達関数Ｃ´の出力側に介在させてもよい。
【００５４】
又、前記伝達関数Ｃ´は、ＰＤ制御器の代りにＰＩＤ制御器であってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
本発明は、ターボ分子ポンプやねじ溝真空ポンプ等の高速回転機械その他で使用されている磁気軸受システムに利用される。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明の磁気軸受制御システムの信号系統の一例のブロック線図である。
【図２】本発明の磁気軸受制御システムの信号系統の一例のブロック線図に等価なブロック線図である。
【図３】従来の磁気軸受制御システム及び本発明の磁気軸受制御システムの各開ループ伝達関数のボード線図である。
【図４】従来の磁気軸受制御システムの減衰率と位相余裕の関係を示すグラフである。
【図５】前記信号系統の他の例のブロック線図である。
【図６】比例ゲインＫＰとゲイン交差周波数ωｇｃの自乗との関係を示すグラフである。
【図７】従来の磁気軸受を用いた複合型真空ポンプの一例の縦断面図である。
【図８】従来の磁気軸受制御システムの信号系統の一例のブロック線図である。
【図９】従来の磁気軸受制御システムの信号系統の一例のブロック線図に等価なブロック線図である。
【符号の説明】
【００５７】
１      フォアード信号系路
２      第１引き出し点
３      第１加え合わせ点
４      第１フィードバック信号系路
５      第２フィードバック信号系路
６      第２加え合わせ点
７      第２引き出し点
８      第３引き出し点
９      第３加え合わせ点
１０    並列信号系路
【図１】
0005115105.tif 000015
【図２】
0005115105.tif 000016
【図３】
0005115105.tif 000017
【図４】
0005115105.tif 000018
【図５】
0005115105.tif 000019
【図６】
0005115105.tif 000020
【図７】
0005115105.tif 000021
【図８】
0005115105.tif 000022
【図９】
0005115105.tif 000023