(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
可変重量部を有する軸状の回転体を所定の位置に非接触状態で支持する電磁石と、前記回転体の位置を検出するセンサと、このセンサのセンサ信号により前記電磁石に流す駆動電流を制御する回路とを備えた磁気軸受装置であって、前記センサ信号に基づいて回転体の固有振動数成分を減衰させる固有振動数成分減衰部と、この固有振動数減衰部の出力信号を入力し、前記電磁石の駆動電流を制御するための制御信号を出力する位相補償部と、回転体に外乱を与える外乱発生手段と、入力された外乱に対する回転体の位置情報より、回転体の固有振動数を測定して前記固有振動数減衰部のパラメータを変更する固有振動数成分減衰部パラメータ設定部と、前記電磁石の駆動電流を入力して、回転体の重量を測定する可変重量部重量演算部と、この可変重量部重量演算部の出力信号により回転体の重心位置を演算する重心位置演算部と、重心位置演算部と可変重量部重量演算部との信号より、前記位相補償部に必要な制御パラメータを演算する制御パラメータ演算部と、この制御パラメータ演算部の出力に基づいて、前記位相補償部の各制御パラメータを、前記可変重量部に対応した値に変更する手段とを有し、前記固有振動数成分減衰部パラメータ設定部の出力が、前記固有振動数成分減衰部の入力の一系統であることを特徴とする磁気軸受装置。
【請求項２】
可変重量部を有する軸状の回転体を所定の位置に非接触状態で支持する電磁石と、前記回転体の位置を検出するセンサと、このセンサのセンサ信号により前記電磁石に流す駆動電流を制御する回路とを備えた磁気軸受装置であって、前記センサ信号に基づいて前記回転体の固有振動数成分を減衰させる固有振動数成分減衰部と、この固有振動数減衰部の出力信号を入力し、前記電磁石の駆動電流を制御するための制御信号を出力する位相補償部と、位相補償部の出力を入力し、前記電磁石に駆動電流を供給するパワー増幅回路と、前記回転体に外乱を与えるために、固有振動数成分減衰部の出力と共に位相補償部に入力する外乱発生手段と、前記センサ信号を微分処理した信号より固有振動数を演算する固有振動数演算部と、前記固有振動数演算部の出力信号より固有振動数成分減衰部のパラメータを変更する固有振動数成分減衰部パラメータ設定部と、前記電磁石の駆動電流を入力し、前記可変重量部の重量を測定する可変重量部重量演算部と、この可変重量部重量演算部の出力信号により回転体の重心位置を演算する重心位置演算部と、重心位置演算部と可変重量部重量演算部の出力より、位相補償部に必要な制御パラメータを演算する制御パラメータ演算部と、この制御パラメータ演算部の出力に基づいて、位相補償部の各制御パラメータを、前記可変重量部に対応した値に変更する手段とを有し、前記固有振動数成分減衰部パラメータ設定部の出力が、前記固有振動数成分減衰部の入力の一系統であることを特徴とする磁気軸受装置。
【請求項３】
可変重量部を有する軸状の回転体を所定の位置に非接触状態で支持する電磁石と、前記回転体の位置を検出するセンサと、このセンサのセンサ信号により前記電磁石に流す駆動電流を制御する回路とを備えた磁気軸受装置であって、前記センサ信号に基づいて前記回転体の固有振動数成分を減衰させる固有振動数成分減衰部と、この固有振動数減衰部の出力信号を入力し、前記電磁石の駆動電流を制御するための制御信号を出力する位相補償部と、位相補償部の出力を入力し、前記電磁石に駆動電流を供給するパワー増幅回路と、前記回転体に外乱を与えるために、固有振動数成分減衰部の出力と共に位相補償部に入力する外乱発生手段と、前記センサ信号より固有振動数を演算する固有振動数演算部と、前記固有振動数演算部の出力信号より固有振動数成分減衰部のパラメータを変更する固有振動数成分減衰部パラメータ設定部と、前記電磁石の駆動電流を入力し、前記可変重量部の重量を測定する可変重量部重量演算部と、この可変重量部重量演算部の出力信号により回転体の重心位置を演算する重心位置演算部と、重心位置演算部と可変重量部重量演算部の出力より、位相補償部に必要な制御パラメータを演算する制御パラメータ演算部と、この制御パラメータ演算部の出力に基づいて、位相補償部の各制御パラメータを、前記可変重量部に対応した値に変更する手段とを有し、前記固有振動数成分減衰部パラメータ設定部の出力が、前記固有振動数成分減衰部の入力の一系統であることを特徴とする磁気軸受装置。
【請求項４】
可変重量部を有する軸状の回転体を所定の位置に非接触状態で支持する電磁石と、前記回転体の位置を検出するセンサと、このセンサのセンサ信号により前記電磁石に流す駆動電流を制御する回路とを備えた磁気軸受装置であって、前記センサ信号に基づいて前記回転体の固有振動数成分を減衰させる固有振動数成分減衰部と、この固有振動数減衰部の出力信号を入力し、前記電磁石の駆動電流を制御するための制御信号を出力する位相補償部と、位相補償部の出力を入力し、前記電磁石に駆動電流を供給するパワー増幅回路と、前記回転体に外乱を与えるために、位相補償部の出力と共にパワー増幅回路に入力する外乱発生手段と、前記センサ信号を微分処理した信号より固有振動数を演算する固有振動数演算部と、前記固有振動数演算部の出力信号より固有振動数成分減衰部のパラメータを変更する固有振動数成分減衰部パラメータ設定部と、前記電磁石の駆動電流を入力し、前記可変重量部の重量を測定する可変重量部重量演算部と、この可変重量部重量演算部の出力信号により回転体の重心位置を演算する重心位置演算部と、重心位置演算部と可変重量部重量演算部の出力より、位相補償部に必要な制御パラメータを演算する制御パラメータ演算部と、この制御パラメータ演算部の出力に基づいて、位相補償部の各制御パラメータを、前記可変重量部に対応した値に変更する手段とを有し、前記固有振動数成分減衰部パラメータ設定部の出力が、前記固有振動数成分減衰部の入力の一系統であることを特徴とする磁気軸受装置。
【請求項５】
可変重量部を有する軸状の回転体を所定の位置に非接触状態で支持する電磁石と、前記回転体の位置を検出するセンサと、このセンサのセンサ信号により前記電磁石に流す駆動電流を制御する回路とを備えた磁気軸受装置であって、前記センサ信号に基づいて前記回転体の固有振動数成分を減衰させる固有振動数成分減衰部と、この固有振動数減衰部の出力信号を入力し、前記電磁石の駆動電流を制御するための制御信号を出力する位相補償部と、位相補償部の出力を入力し、前記電磁石に駆動電流を供給するパワー増幅回路と、前記回転体に外乱を与えるために、位相補償部の出力と共にパワー増幅回路に入力する外乱発生手段と、前記センサ信号より固有振動数を演算する固有振動数演算部と、前記固有振動数演算部の出力信号より固有振動数成分減衰部のパラメータを変更する固有振動数成分減衰部パラメータ設定部と、前記電磁石の駆動電流を入力し、前記可変重量部の重量を測定する可変重量部重量演算部と、この可変重量部重量演算部の出力信号により回転体の重心位置を演算する重心位置演算部と、重心位置演算部と可変重量部重量演算部の出力より、位相補償部に必要な制御パラメータを演算する制御パラメータ演算部と、この制御パラメータ演算部の出力に基づいて、位相補償部の各制御パラメータを、前記可変重量部に対応した値に変更する手段とを有し、前記固有振動数成分減衰部パラメータ設定部の出力が、前記固有振動数成分減衰部の入力の一系統であることを特徴とする磁気軸受装置。
【請求項６】
固有振動数演算部により求めた曲げ１次の固有振動数以下の所定の割合に回転体の最高回転数を制限するように構成した請求項２〜５の何れかに記載の磁気軸受装置。
【請求項７】
回転体が水平に配置され、この回転体がラジアル磁気軸受とスラスト磁気軸受とにより非接触状態に支持され、可変重量部重量演算部が前記ラジアル磁気軸受の駆動電流を測定することにより可変重量部の重量を算出することを特徴とする請求項１〜６の何れかに記載の磁気軸受装置。
【請求項８】
可変重量部が回転体の本体端部に装着される工具であり、この回転体が請求項７に記載の磁気軸受装置により支持されるものである磁気軸受スピンドル装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は磁気軸受を構成する電磁石に流す電流を制御し、回転体を所定位置に支持する磁気軸受装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の磁気軸受スピンドル装置としては、特公平６−７６８０８号公報に公告されたものがある。図７はこの磁気軸受装置の制御系のブロック図である。
【０００３】
図７に示すように、磁気軸受装置は、回転軸１０４に取り付けられた回転子ヨーク１０５と、この回転子ヨーク１０５から微小間隔の距離を置いてケーシング１０１に取り付けられた電磁石固定子１０２と、前記回転軸１０４とケーシング間１０１の相対変位を測定する変位センサ１０６と、この変位センサ１０６からの変位信号をもとに前記回転子ヨーク１０５と前記電磁石固定子１０２との間に作用する磁気吸引力を制御する補償回路１０７および電力増幅器１０８と、予め定められた回転軸系の伝達関数を設定する伝達関数設定部１１１と、この伝達関数設定部１１１で設定する伝達関数を模擬し前記補償回路１０７または電力増幅器１０８の出力を入力することにより擬似信号を発生する適応ディジタルフィルタ１１５と、この適応ディジタルフィルタ１１５の入力側あるいは出力側に設けられたハイパス回路１１６と、前記変位信号から前記擬似信号を減算した信号に基づき前記磁気吸引力を制御する補償回路１０７と、前記変位信号から前記擬似信号を減算した信号を同定誤差検出回路１１７で検出し、この誤差が小さくなるように前記適応ディジタルフィルタ１１５を逐次修正するシステム同定回路１１０とから構成されている。
【０００４】
次に、この磁気軸受装置の動作を説明する。伝達関数設定部１１１中のパルス発生器１１３で発生したパルスは加算器１２３に入力され、電力増幅器１０８を経由して、ケーシング１０１に固定された電磁石固定子１０２に巻かれたコイル１０３に電流を流し、電磁石固定子１０２から回転軸１０４に電磁力による外乱を与え、その時の回転軸１０４の変位を変位センサ１０６で測定する。そして、ここでパルス発生器１１３によって発生するパルスはシステム同定用のパルスまたは、ホワイトノイズあるいはチャープ信号であり、回転軸系の伝達関数の測定のためのものである。変位センサ１０６の出力は伝達関数測定器１１２に入力され、回転軸系の伝達関数が伝達関数測定器１１２によって測定され、その測定された伝達関数は適応ディジタルフィルタ１１５に入力される。適応ディジタルフィルタ１１５は伝達関数測定器１１２よりの回転軸系の伝達関数に基づいて、擬似信号を発生する。そして、この擬似信号はハイパス回路１１６によって、制御周波数、例えば回転周波数以下の低周波部分がカットされ高周波成分のみの擬似信号が加算器１２１に減算入力される。加算器１２１では変位センサの出力信号である擬似信号が減算され、この減算された信号は同定誤差検出回路１１７に入力され、これによって変位信号と擬似信号との誤差が小さくなるように、適応ディジタルフィルタ１１５が逐次修正される。また、加算器１２１に入力され、ここで回転軸１０４の位置目標値から減算され、この減算された信号が補償回路１０７に入力され、この補償回路１０７からの出力によって電力増幅器１０８が動作し、コイル１０３に電流を流し、電磁石固定子１０２と回転子ヨーク１０５との間に生じる電磁吸引力によって回転軸１０４の位置を制御する。
【０００５】
このようにして、変位信号が擬似信号によって減算された後の信号は回転軸１０４の制御に必要な制御周波数以下の成分を主に持ち、この信号をもとに磁気軸受を制御することにより、高周波成分の回転軸の曲げ固有モードの成分が除去されることにより、不必要な制御を行わないようになり、結果的に回転軸１０４の振動、発振の問題を除去した制御を行えることになる。なお、図７中のＳ−１は変位センサ１０６で検出した変位信号のスペクトルを示し、Ｓ−２は擬似信号のスペクトルを示している。Ｓ−１の高周波領域のピークは、回転軸１０４の曲げ固有モードによる極を示す。Ｓ−２の制御周波数より大きい回転軸の曲げ固有モードの極が適応ディジタルフィルタ１１５の模擬により形成され、且つハイパス回路１１６で低周波成分が除去されていることが示されている。Ｓ−３は変位信号から疑似信号を減算した後のスペクトルで、制御周波数より小さい周波数では回転軸１０４の制御に本来必要な変位信号のままであり、制御周波数以上では従来問題となっていた曲げ固有モードのピークがなくなるか、逆に窪んだスペクトルとなる。
【０００６】
上記構成の磁気軸受装置は、回転軸１０４の曲げ固有モードによる振動、発振の原因となった、制御周波数以上の高周波成分のスペクトル上のピークが除去されることから、回転軸１０４の制御を安定に行うことのできる磁気軸受装置を実現する構成となっている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
回転軸１０４としての主軸の一端に可変重量部、例えば工作機械における工具が装着される場合、可変重量部が変更されると可変重量部の変化により、主軸と可変重量部を合わせた回転体全体の重量、重心位置、固有振動数が変化する。回転体の固有振動数は、主軸のもつ固有振動数と可変重量部のもつ固有振動数が融合した固有振動数となる。磁気軸受の制御特性は回転体がある一定の状態で最適になるように設定されているため、可変重量部が変化し回転体の重量、重心位置、固有振動数が変化すると、回転時における回転体の振れ回りの増大や、回転体の発振現象といった制御の不安定現象が発生する。
【０００８】
この制御の不安定現象は、回転体の重量、重心位置の変化により、制御対象である磁気軸受スピンドル装置と制御回路に設定されている制御ゲインとのマッチングにずれが生じることや、回転体の固有振動数の変化により、例えば固有振動数成分を減衰させるための１手段であるノッチフィルタの設定周波数と固有振動数とにずれが生じるために発生する。
【０００９】
このような不安定現象に対して、上記従来例では伝達関数を測定し、その伝達関数測定器の出力の回転軸系の伝達関数に基づいて適応ディジタルフィルタ１１５より擬似信号を発生し、制御周波数以上の信号を変位センサ信号から減算することにより安定化を図っている。しかし、固有振動数の変化に対する安定化を図っているのみで、可変重量部の重量が変化した場合に生じる、制御ゲインと制御対象とのマッチングのずれによる不安定化という問題点が解消されない。
【００１０】
そこで、可変重量部の変化に伴う回転体の重量、重心位置、固有振動数の変化に応じて、制御特性および固有振動数成分減衰部の特性を自動的に変更して最適な制御を行うことのできる実用性の高い磁気軸受制御装置を提供することが望まれる。
【００１１】
このような不安定現象に対して、本出願人が先に出願した特願２０００−１１０５２３号に記載した磁気軸受装置の技術がある。
図５は本発明の技術および前記特願２０００−１１０５２３号に示される磁気軸受装置を共通して適用可能な磁気軸受スピンドル装置の構成であり、図８は前記特願２０００−１１０５２３号に記載した磁気軸受装置の制御系の構成を示すブロック図である。図５において６７は主軸５０（本体）の一端に工具を装着した回転体、５１はモータロータ、５２はモータステータである。５３と５４はフロント側ラジアル軸受、５５と５６はリア側ラジアル軸受、５７と５８はスラスト軸受である。これら軸受５３〜５８は、それぞれ回転側のロータと固定側のステータとから構成され、回転体６７を所定位置に非接触状態で支持している。固定側の軸受５４，５６，５８は電磁石からなり、ラジアル軸受５４、５６は回転体６７の周囲に、例えば９０゜の中心角で左右に４個ずつ配置されている。またスラスト軸受は回転体５０を取り巻くリング状配置とされている。
【００１２】
５９，６０はフロント側とリア側のラジアル変位センサ、６１はスラスト変位センサ、６２，６３は保護ベアリング、６４はケーシングである。回転体５０の軸心からの変位はセンサ５９，６０により、スラスト方向の変位はセンサ６１により検出される。センサ５９，６０，６１としては、よく知られた、渦電流形センサ、静電容量形センサ、光センサなどが用いられる。
【００１３】
上記固定側のラジアル軸受５４，５６およびスラスト軸受５８の電磁石への駆動電流を、図８に示す磁気軸受制御回路２３により制御することにより、磁気軸受制御装置２９が磁気軸受スピンドル装置７の空間的位置を制御することができる。
【００１４】
前記特願２０００−１１０５２３号における磁気軸受制御装置２９の構成は、端部に可変重量部を有する軸上の回転体６７を所定の位置に非接触状態で支持する電磁石（ラジアル軸受５４，５６およびスラスト軸受５８）と、前記回転体６７の位置を検出するセンサ５９，６０，６１（図８においてはセンサ回路１として図示している）と、このセンサ５９，６０，６１のセンサ信号により前記電磁石（ラジアル軸受５４，５６およびスラスト軸受５８）に流す駆動電流を制御する回路とを備えた磁気軸受装置において、前記センサ回路１から第１Ａ／Ｄ変換器２を介して出力されたセンサ信号から前記回転体６７の固有振動数成分を減衰させる固有振動数成分減衰部３と、この固有振動数成分減衰部３の出力信号を入力し、前記電磁石５４，５６，５８の駆動電流を制御するための制御信号を出力するコントロール部２１と、電磁石の駆動電流を入力し、前記可変重量部の重量を測定する可変重量部重量演算部（図８においては工具重量演算部と記載する）１８と、この可変重量部重量演算部１８の出力信号により、回転体６７の重心位置を演算する重心位置演算部１９と、可変重量部重量演算部１８の出力信号により、回転体６７の固有振動数を演算する固有振動数演算部２２と、重心位置演算部１９、固有振動数演算部２２および可変重量部重量演算部１８の出力により、前記固有振動数成分減衰部３とコントロール部２１に必要な制御パラメータをそれぞれ演算する制御パラメータ演算部２０と、この制御パラメータ演算部２０の出力に基づいて、コントロール部２１と固有振動数成分減衰部３の各制御パラメータを、前記可変重量部６５の変更信号に対応した値に設定する制御パラメータ設定手段とを有することを特徴とするものである。
【００１５】
この磁気軸受制御装置２９では、回転体６７の固有振動数の変化に対して、固有振動数演算部２２が、電磁石の駆動電流から可変重量部重量演算部１８によって求めた回転体の重量ｍより、回転体の重量ｍを変数とした関数ｆ（ｍ）によって回転体６７の固有振動数を演算して制御パラメータ演算部２０へ出力し、制御パラメータ演算部２０の演算結果を用いて固有振動数成分減衰部３のパラメータの変更を行い、回転体６７の固有振動数の変化に対応していた。回転体６７の固有振動数は、例えば、回転体６７の構造の変わる点で主軸を輪切りにして１つ１つのＳＥＣＴとし、それぞれのＳＥＣＴについて断面積、断面２次モーメント、ヤング率、ポアソン比、密度を与え、ビーム要素に近似して演算する方法などがあり、回転体６７のモデル化の条件によりその重量ｍの関数とすることができる。
【００１６】
しかし、この磁気軸受制御装置２９を備えた磁気軸受スピンドル装置を工作機械のスピンドルとして適用した場合には、工具交換において、工具径や工具の長さ等により回転体６７の固有振動数が微妙に変化した場合、上記のような演算によって求めた固有振動数と実際の固有振動数とに誤差が発生する。つまり、単に固有振動数演算部２２の演算結果を用いて固有振動数成分減衰部３のパラメータを変更するので、固有振動数の演算結果に誤差が発生する場合には、依然として固有振動数成分減衰部３であるノッチフィルタの設定周波数と実際の固有振動数とにずれが生じ、固有振動数の変化による不安定現象という問題が解決されない場合がある。
【００１７】
本発明は上記問題を解決するもので、工具交換に伴う回転体の固有振動数が微妙に変化した場合でも、制御特性および固有振動数成分減衰部の特性を自動的に変更して最適な制御を行うことのできる実用性の高い磁気軸受装置を提供することを目的とするものである。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
上記問題を解決するために請求項１記載の発明は、可変重量部を有する軸状の回転体を所定の位置に非接触状態で支持する電磁石と、前記回転体の位置を検出するセンサと、このセンサのセンサ信号により前記電磁石に流す駆動電流を制御する回路とを備えた磁気軸受装置であって、前記センサ信号に基づいて回転体の固有振動数成分を減衰させる固有振動数成分減衰部と、この固有振動数減衰部の出力信号を入力し、前記電磁石の駆動電流を制御するための制御信号を出力する位相補償部と、回転体に外乱を与える外乱発生手段と、入力された外乱に対する回転体の位置情報より、回転体の固有振動数を測定して前記固有振動数減衰部のパラメータを変更する固有振動数成分減衰部パラメータ設定部と、前記電磁石の駆動電流を入力して、回転体の重量を測定する可変重量部重量演算部と、この可変重量部重量演算部の出力信号により回転体の重心位置を演算する重心位置演算部と、重心位置演算部と可変重量部重量演算部との信号より、前記位相補償部に必要な制御パラメータを演算する制御パラメータ演算部と、この制御パラメータ演算部の出力に基づいて、前記位相補償部の各制御パラメータを、前記可変重量部に対応した値に変更する手段とを有し、前記固有振動数成分減衰部パラメータ設定部の出力が、前記固有振動数成分減衰部の入力の一系統であることを特徴とする。
【００１９】
請求項２記載の発明は、可変重量部を有する軸状の回転体を所定の位置に非接触状態で支持する電磁石と、前記回転体の位置を検出するセンサと、このセンサのセンサ信号により前記電磁石に流す駆動電流を制御する回路とを備えた磁気軸受装置であって、前記センサ信号に基づいて前記回転体の固有振動数成分を減衰させる固有振動数成分減衰部と、この固有振動数減衰部の出力信号を入力し、前記電磁石の駆動電流を制御するための制御信号を出力する位相補償部と、位相補償部の出力を入力し、前記電磁石に駆動電流を供給するパワー増幅回路と、前記回転体に外乱を与えるために、固有振動数成分減衰部の出力と共に位相補償部に入力する外乱発生手段と、前記センサ信号を微分処理した信号より固有振動数を演算する固有振動数演算部と、前記固有振動数演算部の出力信号より固有振動数成分減衰部のパラメータを変更する固有振動数成分減衰部パラメータ設定部と、前記電磁石の駆動電流を入力し、前記可変重量部の重量を測定する可変重量部重量演算部と、この可変重量部重量演算部の出力信号により回転体の重心位置を演算する重心位置演算部と、重心位置演算部と可変重量部重量演算部の出力より、位相補償部に必要な制御パラメータを演算する制御パラメータ演算部と、この制御パラメータ演算部の出力に基づいて、位相補償部の各制御パラメータを、前記可変重量部に対応した値に変更する手段とを有し、前記固有振動数成分減衰部パラメータ設定部の出力が、前記固有振動数成分減衰部の入力の一系統であることを特徴とする。
【００２０】
請求項３記載の発明は、可変重量部を有する軸状の回転体を所定の位置に非接触状態で支持する電磁石と、前記回転体の位置を検出するセンサと、このセンサのセンサ信号により前記電磁石に流す駆動電流を制御する回路とを備えた磁気軸受装置であって、前記センサ信号に基づいて前記回転体の固有振動数成分を減衰させる固有振動数成分減衰部と、この固有振動数減衰部の出力信号を入力し、前記電磁石の駆動電流を制御するための制御信号を出力する位相補償部と、位相補償部の出力を入力し、前記電磁石に駆動電流を供給するパワー増幅回路と、前記回転体に外乱を与えるために、固有振動数成分減衰部の出力と共に位相補償部に入力する外乱発生手段と、前記センサ信号より固有振動数を演算する固有振動数演算部と、前記固有振動数演算部の出力信号より固有振動数成分減衰部のパラメータを変更する固有振動数成分減衰部パラメータ設定部と、前記電磁石の駆動電流を入力し、前記可変重量部の重量を測定する可変重量部重量演算部と、この可変重量部重量演算部の出力信号により回転体の重心位置を演算する重心位置演算部と、重心位置演算部と可変重量部重量演算部の出力より、位相補償部に必要な制御パラメータを演算する制御パラメータ演算部と、この制御パラメータ演算部の出力に基づいて、位相補償部の各制御パラメータを、前記可変重量部に対応した値に変更する手段とを有し、前記固有振動数成分減衰部パラメータ設定部の出力が、前記固有振動数成分減衰部の入力の一系統であることを特徴とする。
【００２１】
請求項４記載の発明は、可変重量部を有する軸状の回転体を所定の位置に非接触状態で支持する電磁石と、前記回転体の位置を検出するセンサと、このセンサのセンサ信号により前記電磁石に流す駆動電流を制御する回路とを備えた磁気軸受装置であって、前記センサ信号に基づいて前記回転体の固有振動数成分を減衰させる固有振動数成分減衰部と、この固有振動数減衰部の出力信号を入力し、前記電磁石の駆動電流を制御するための制御信号を出力する位相補償部と、位相補償部の出力を入力し、前記電磁石に駆動電流を供給するパワー増幅回路と、前記回転体に外乱を与えるために、位相補償部の出力と共にパワー増幅回路に入力する外乱発生手段と、前記センサ信号を微分処理した信号より固有振動数を演算する固有振動数演算部と、前記固有振動数演算部の出力信号より固有振動数成分減衰部のパラメータを変更する固有振動数成分減衰部パラメータ設定部と、前記電磁石の駆動電流を入力し、前記可変重量部の重量を測定する可変重量部重量演算部と、この可変重量部重量演算部の出力信号により回転体の重心位置を演算する重心位置演算部と、重心位置演算部と可変重量部重量演算部の出力より、位相補償部に必要な制御パラメータを演算する制御パラメータ演算部と、この制御パラメータ演算部の出力に基づいて、位相補償部の各制御パラメータを、前記可変重量部に対応した値に変更する手段とを有し、前記固有振動数成分減衰部パラメータ設定部の出力が、前記固有振動数成分減衰部の入力の一系統であることを特徴とする。
【００２２】
請求項５記載の発明は、可変重量部を有する軸状の回転体を所定の位置に非接触状態で支持する電磁石と、前記回転体の位置を検出するセンサと、このセンサのセンサ信号により前記電磁石に流す駆動電流を制御する回路とを備えた磁気軸受装置であって、前記センサ信号に基づいて前記回転体の固有振動数成分を減衰させる固有振動数成分減衰部と、この固有振動数減衰部の出力信号を入力し、前記電磁石の駆動電流を制御するための制御信号を出力する位相補償部と、位相補償部の出力を入力し、前記電磁石に駆動電流を供給するパワー増幅回路と、前記回転体に外乱を与えるために、位相補償部の出力と共にパワー増幅回路に入力する外乱発生手段と、前記センサ信号より固有振動数を演算する固有振動数演算部と、前記固有振動数演算部の出力信号より固有振動数成分減衰部のパラメータを変更する固有振動数成分減衰部パラメータ設定部と、前記電磁石の駆動電流を入力し、前記可変重量部の重量を測定する可変重量部重量演算部と、この可変重量部重量演算部の出力信号により回転体の重心位置を演算する重心位置演算部と、重心位置演算部と可変重量部重量演算部の出力より、位相補償部に必要な制御パラメータを演算する制御パラメータ演算部と、この制御パラメータ演算部の出力に基づいて、位相補償部の各制御パラメータを、前記可変重量部に対応した値に変更する手段とを有し、前記固有振動数成分減衰部パラメータ設定部の出力が、前記固有振動数成分減衰部の入力の一系統であることを特徴とする。
【００２３】
請求項６記載の発明は、請求項２〜５の何れかに記載の磁気軸受装置において、固有振動数演算部により求めた曲げ１次の固有振動数以下の所定の割合に回転体の最高回転数を制限するように構成したことを特徴とする。
【００２４】
請求項７記載の発明は、請求項１〜６の何れかに記載の磁気軸受装置において、回転体が水平に配置され、この回転体がラジアル磁気軸受とスラスト磁気軸受とにより非接触状態に支持され、可変重量部重量演算部が前記ラジアル磁気軸受の駆動電流を測定することにより可変重量部の重量を算出することを特徴とする。
【００２５】
本発明の請求項８記載の磁気軸受スピンドル装置は、可変重量部が回転体の本体端部に装着される工具であり、この回転体が請求項７に記載の磁気軸受装置により支持されるものであることを特徴とする。
【００２６】
本発明によれば、外乱発生手段の出力を位相補償部（もしくはパワー増幅回路）に入力することにより回転体に外乱を与え、そのときのセンサ信号の値から固有振動数演算部により固有振動数を演算し、演算した固有振動数に対応した固有振動数成分減衰部のパラメータを自動的に変更することにより、固有振動数が変化した場合でも、安定した制御特性を得ることができる。また、可変重量部重量演算部で、回転体の重量を演算するとともに、重心位置演算部で重心位置を演算し、演算した重量、重心位置に基づいた制御パラメータを演算し、位相補償部の制御パラメータを自動的に変更することにより、回転体の重量、重心位置が変化した場合でも安定した制御特性を得ることができる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図１〜図６を用いて説明する。
図１は、第１の実施の形態の構成を示すブロック図である。この磁気軸受装置により支持される磁気軸受スピンドル装置は、図５に示すように、本体の端部に可変重量部（工具）６５を装着して水平に配置された回転体６７と、その回転体６７を所定の位置に非接触支持する磁気軸受とを備えたものである。
【００２８】
図１に示すように、磁気軸受スピンドル装置７を制御する磁気軸受制御装置２４は、回転体６７の位置を検出するセンサ回路１と、センサ回路１からのセンサ信号により磁気軸受の駆動電流を制御する磁気軸受制御回路（ディジタル演算処理部）１４とを備えている。
【００２９】
上記磁気軸受制御回路としてのディジタル演算処理部１４で行われる演算はディジタル演算により行われるため、ＭＰＵ（Micro  Processing  Unit）にソフトウェアプログラムとして格納されている。
【００３０】
この磁気軸受制御装置２４の制御動作を図１を参照して詳しく説明する。まず、制御対象となる磁気軸受スピンドル装置７のうち、制御の主体である回転体６７の位置を検出するセンサ回路１の出力を第１Ａ／Ｄ変換器２によりディジタル信号に変換し、固有振動数成分減衰部３に出力する。第１Ａ／Ｄ変換器２の出力信号は、固有振動数成分減衰部３により回転体の曲げの固有振動数成分を減衰させ、固有振動数成分減衰部３の出力は第１加算部８に入力されて位置指令データから減算処理される。第１加算部８の出力は位相補償部４に入力される。
【００３１】
固有振動数成分減衰部３は複数個のディジタルノッチフィルタで構成され、ディジタルノッチフィルタの設定周波数は回転体６７の固有振動数に設定されている。回転体６７の固有振動数は主軸５０の曲げの固有振動数と可変重量部６５の固有振動数とが融合された周波数である。位相補償部４は、第１加算部８の出力を入力し、磁気軸受を構成する電磁石の駆動電流を制御するための制御信号を出力する。位相補償部４は、第１加算部８の出力信号を比例，微分，積分演算し、それぞれの演算結果に状態フィードバック係数をかけてＤ／Ａ変換器５に出力し、Ｄ／Ａ変換器５でアナログ信号に変換される。Ｄ／Ａ変換器５の出力はパワー増幅回路６に入力され、パワー増幅回路６は磁気軸受スピンドル装置７内の電磁石（ラジアル軸受５４，５６およびスラスト軸受５８）に駆動電流を供給する。
【００３２】
次に、固有振動数の測定動作について説明する。外乱発生手段３０のうちのパルス発生器１３で発生したパルスは、第１加算器８に位置指令値、固有振動数成分減衰器３の出力と共に入力され、位相補償器４、Ｄ／Ａ変換器５、パワー増幅回路６を経由して磁気軸受スピンドル装置７内の電磁石から回転体６７に電磁力によって外乱が与えられる。磁気軸受において、外力に対する変位の周波数特性は、制御周波数以上の領域（慣性領域）では４０ｄＢ／ｄｅｃとなるため、パルス発生器１３からのパルス信号は位相補償部４の微分処理を経由させることにより制御周波数以上の領域に確実に外乱を与えることができる。ここで、パルス発生器１３によって発生されるパルスは、チャープ信号、Ｓｗｅｐｔ  Ｓｉｎｅ、パルス信号、ホワイトノイズである。そして、パルス発生器１３での外乱入力時に、センサ回路１の出力を第１微分器９に入力して微分処理し、第１微分器９の出力を第２Ａ／Ｄ変換器１０によりディジタル信号に変換する。第１微分器９は、第１Ａ／Ｄ変換器２の出力をディジタル演算による微分器により構成してもよい。そして、第２Ａ／Ｄ変換器１０の出力を固有振動数演算部１１に入力して固有振動数を演算する。
【００３３】
固有振動数演算部１１は、例えば高速フーリエ変換（ＦＦＴ）により回転体６７の固有振動数を演算する。求められた固有振動数は共振倍率の大きいものから決められた個数を固有振動数成分減衰部３における設定周波数とし、固有振動数成分減衰部パラメータ設定部１２に出力する。
【００３４】
固有振動数成分減衰部パラメータ設定部１２では、固有振動数演算部１１からの出力である固有振動数に対応した固有振動数成分減衰部３のパラメータの設定を行う。具体的には、複数のディジタルノッチフィルタのパラメータを固有振動数ごとに設定する。設定の方法は、パラメータを再計算して求める方法と、予め設定周波数に対するパラメータのテーブルを用意し、固有振動数に対応したパラメータをテーブルより取得する方法とがある。固有振動数成分減衰部パラメータ設定部１２の出力により固有振動数成分減衰部３のパラメータが変更されると、回転体６７の特性に応じたノッチフィルタが設定されて安定した制御特性を得ることができる。図６に可変重量部６５をＡからＢに変更した場合のノッチフィルタの特性を示す。
【００３５】
次に、回転体６７の端部に設けられている可変重量部６５（図５参照）の重量を測定する動作について説明する。本実施の形態の磁気軸受スピンドル装置７では、主軸５０が水平に配置されているので、固定側のラジアル軸受５４，５６の駆動電流を第３Ａ／Ｄ変換器１７によりディジタル信号に変換して可変重量演算部１８に入力する。可変重量演算部１８では電磁石の磁気吸引力Ｆと電磁石駆動電流Ｉとの関係Ｆ＝Ｋ・（Ｉ／Ｚ）2を用いて可変重量部６５の重量を演算し、可変重量情報を出力する。ここで、Ｋは電磁石によって決まる定数で、予めわかっている。また、Ｚは回転体６７と電磁石とのギャップであり、回転体６７を一定の位置に支持している状態では一定であり、予めわかっている。
【００３６】
上記のような横置きタイプの磁気軸受スピンドル装置７では、２組のラジアル軸受５４，５６の鉛直方向に対をなすＸ軸方向の電磁石の磁気吸引力の差によって回転体６７の重量が支持され、上側の電磁石による上向きの磁気吸引力と下側に電磁石による下向きの磁気吸引力との差が回転体６７の重量となる。従って、電磁石の駆動電流の変化を測定することにより、回転体６７の重量の変化を演算することができる。主軸５０の一端に可変重量部６５を装着しない場合の電磁石の駆動電流は予めわかっているので、回転体６７がある基準の状態、例えば可変重量部６５が装着されていない状態の電磁石の駆動電流がわかっていれば、回転体６７全体の重量の変化が、可変重量部重量演算部１８により演算できる。また、可変重量部６５を装着しない主軸５０のみの場合の重量との差をとって可変重量部６５の重量を演算してもよい。可変重量部重量演算部１８の出力は、重心位置演算部１９に入力される。
【００３７】
重心位置演算部１９は、回転体６７の重量ｍを変数とした関数ｆ（ｍ）により回転体６７の重心位置を演算し出力する。その重心位置は、例えば、回転体６７の構造の変わる点で主軸５０を輪切りにして１つ１つのＳＥＣＴとし、それぞれのＳＥＣＴのモーメントをつなぎ合わせることにより重心位置を演算する。
【００３８】
制御パラメータ演算部２０は、可変重量部重量演算部１８、重心位置演算部１９の各出力を入力する。回転体６７の重量および重心位置の変化は磁気軸受のモデルが変化することであるので、制御パラメータ演算部２０では変化したモデルに対応した制御パラメータを演算して出力する。制御パラメータの演算方法は、例えば、磁気軸受のモデルに対して最適レギュレータの手法を用い、評価関数Ｊの値を最小にする最適な制御入力を演算し、状態フィードバック係数を求める方法などがある。制御パラメータ演算部２０からの状態フィードバック係数は位相補償部４に出力される。
【００３９】
この構成において、可変重量部６５が変更され、磁気軸受制御装置２４に可変重量部変更信号が入力されると、外乱発生手段３０、固有振動数演算部１１、固有振動数成分減衰部パラメータ設定部１２、可変重量部重量演算部１８、重心位置演算部１９、制御パラメータ演算部２０でそれぞれ演算が行われ、位相補償部４では、変更された可変重量部６５に対応した状態フィードバック係数が、固有振動数成分減衰部３では可変重量部６５に対応したディジタルノッチフィルタの各パラメータがそれぞれ自動的に変更され、常に最適な制御が行われる。可変重量変更信号は、例えば工作機械の場合、加工機に搭載されている数値制御装置であるＮＣ装置より入力される。
【００４０】
これにより、可変重量部の重量変更例えば、工具の種類の変更に伴って回転体６７の固有振動数が微妙に変化した場合でも、回転体６７の固有振動数の変化に対して固有振動数成分減衰部３の特性（パラメータ）を自動的に変更させる。これにより、回転体６７の固有振動数と固有振動数減衰部３の設定周波数とを常に一致させて、安定な特性を得ることができ、回転体６７の発振現象の発生を防止することができる。そして、回転体の重量、重心位置の変化に応じて、制御特性が自動的に変更されるため、可変重量部６５の重量変更に応じて最適に制御を行うことができる。
【００４１】
次に、本発明の第２の実施の形態を図２に示し、この第２の実施の形態の磁気軸受制御装置２５では、第１Ａ／Ｄ変換器２の出力を固有振動数演算部１１に入力して固有振動数を演算するようにしている。なお、それ以外の構成は第１の実施の形態と同様である。
【００４２】
すなわち、第１の実施の形態では、センサ回路１の出力である変位信号を第１微分器９に入力し、速度信号に変換してから固有振動数演算部１１で固有振動数を演算していたが、第２の実施の形態の磁気軸受制御装置２５では変位信号を固有振動数演算部１１に入力して固有振動数を演算しており、この第２の実施の形態でも第１の実施の形態と同様の効果が得られる。
【００４３】
第３の実施の形態を図３に示す。この第３の実施の形態の磁気軸受制御装置２６では、第２微分器１５によりパルス発生器１３の出力を微分した信号を位相補償部４の出力に加算して回転体６５へ外乱を与えるようにしている。なお、それ以外の構成は第１の実施の形態と同様である。
【００４４】
このように、パルス発生器１３の出力を第２微分器１５で微分処理し、第２微分器１５の出力を加算器１６に入力することにより、パワー増幅回路６を経由して磁気軸受スピンドル装置７内の電磁石から回転体６７に電磁力によって外乱が与えられる。したがって、第１の実施の形態と同様に固有振動数を演算することにより、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【００４５】
このように、各実施の形態の磁気軸受制御装置２４〜２６の構成に示すように、入力しやすいポイントに外乱発生手段３０の出力を入力すればよい。ただし、第３の実施の形態では、高周波領域を確実に加振するために、パルス発生器１３の出力を微分した信号を入力する必要がある。
【００４６】
第４の実施の形態を図４に示す。この第４の実施の形態の磁気軸受制御装置２７では、第１Ａ／Ｄ変換器２の出力を固有振動数演算部１１に入力して固有振動数を演算するように構成しており、それ以外の構成は第３の実施の形態と同様である。
【００４７】
すなわち、第１の実施の形態では、センサ回路１の出力である変位信号を第１微分器９に入力し、速度信号に変換してから固有振動数演算部１１で固有振動数を演算していたが、この第４の実施形態では変位信号を固有振動数演算部１１に入力して固有振動数を演算しており、この第４の実施の形態でも第２の実施の形態と同様の効果が得られる。
【００４８】
なお、上記実施の形態などを種々の態様に適用することができる。例えば、固有振動数演算部１１内の演算結果のうち、回転体６７の曲げ１次の固有振動数の例えば７０％の周波数を演算し、図１〜図４に示すように、工作機械の加工制御手段としてのＮＣ装置２８にモータ最高回転数信号として出力するようにしてもよい。この場合に、モータ最高回転数は曲げ１次の固有振動数の６０％〜８０％に設定するのが望ましい。このような処理により、主軸５０の回転数が曲げ１次の固有振動数（危険速度）に近づくことを防止でき、安定な回転を保つことができる。なお、モータ最高回転数信号の出力対象はＮＣ装置２８に限るものではないことは勿論である。
【００４９】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、可変重量部の重量変更、例えば、工具の種類の変更に伴う回転体の固有振動数の変化に対して固有振動数成分減衰部の特性を自動的に変更することができ、これにより、回転体の固有振動数と固有振動数成分減衰部の設定周波数とを常に一致させて、安定な特性を得ることができ、回転体の発振現象の発生を防止することができる。また、これに伴い、回転体の重量、重心位置の変化に応じて制御特性を自動的に変更し、可変重量部の重量変更に応じて最適に制御を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る磁気軸受装置における制御系の構成を示すブロック図。
【図２】本発明の第２の実施の形態に係る磁気軸受装置における制御系の構成を示すブロック図。
【図３】本発明の第３の実施の形態に係る磁気軸受装置における制御系の構成を示すブロック図。
【図４】本発明の第４の実施の形態に係る磁気軸受装置における制御系の構成を示すブロック図。
【図５】本発明の磁気軸受装置を用いた磁気軸受スピンドル装置の構成を示す断面図。
【図６】本発明の実施形態に係る磁気軸受装置における固有振動数成分減衰部の一例を示すゲイン線図。
【図７】従来の磁気軸受装置の制御系を示すブロック図。
【図８】従来の磁気軸受制御装置の構成を示すブロック図。
【符号の説明】
１      センサ回路
３      固有振動数成分減衰部
４      位相補償部
６      パワー増幅回路
７      磁気軸受スピンドル装置
９      第１微分器
１１    固有振動数演算部
１２    固有振動数成分減衰部パラメータ設定部
１３    パルス発生器
１５    第２微分器
１８    可変重量部重量演算部
１９    重心位置演算部
２０    制御パラメータ演算部
２４〜２７  磁気軸受制御装置
５０  主軸（回転体本体）
５３、５５，５７  回転側の磁気軸受
５４、５６、５８  固定側の磁気軸受（電磁石）
６５    可変重量部（工具）
６７    回転体
【図１】
0004436555.tif 000002
【図２】
0004436555.tif 000003
【図３】
0004436555.tif 000004
【図４】
0004436555.tif 000005
【図５】
0004436555.tif 000006
【図６】
0004436555.tif 000007
【図７】
0004436555.tif 000008
【図８】
0004436555.tif 000009