資料

汎用デジタル制御形磁気軸受システムの開発
宮川裕豊

谷口 学

Development of Active Magnetic Bearing System with Digital Control
Y. MIYAGAWA

M. TANIGUCHIThe active magnetic bearings(AMB) are used for several high speed machine spindles. In KOYO, thedigital controlled AMB system has been developed with the latest technology of digital signalprocessor(DSP).
The digital control has some advantages mentioned in this paper, and it is possible to apply them toseveral AMB systems.
This paper presents the structure, functions and advantages of the digital controlled AMB system.

1．はじめに
2．デジタル制御形磁気軸受の構成

3.2
3.3FFCによる慣性中心制御
ゲインスケジュールコント
ロール

2.1

5軸制御形磁気軸受

2.2

デジタル制御形磁気軸受の構成

3.4

シリアルインターフェースによる遠隔監視

2.3

制御系の設計3.5

磁気軸受システムの小型化，コストダウン

3．デジタル制御の特徴
3.1

高次数コントローラによる安定制御

4．応用製品
5．おわりに1．はじめに制御形磁気軸受(以下AMBと称す)はその非接触モリのコントロールパラメータを書き換えること

支持，メンテナンスフリー等の特徴から，高速回によって多種のAMB装置に対応可能であり，汎転機器の軸受や低損失軸受として採用されている．

用性が増している．

1)

現在当社では，ターボ分子ポンプ用の磁気軸受 を

本報では当社が開発を進めてきたデジタル制御量産しており，その他にも工作機械用スピンドル2)3)形磁気軸受の構成，機能，特徴について述べる．

4)や電力貯蔵用フライホイール ，コンプレッサ用等の磁気軸受システムの開発を行っている．このよ

2．デジタル制御形磁気軸受の構成

うに磁気軸受の用途が多岐に広がりつつあるた

2.1め，汎用性があり，複雑構造の回転体に対しても安定に磁気浮上させることができるコントローラの開発が望まれている．
そこで当社では，従来の磁気軸受制御の主流であったアナログ回路によるPID制御方式を経て，DSP(デ ジ タ ル シ グ ナ ル プ ロ セ ッ サ )を 組 込 ん だ
DSPコントロールボードによるデジタル制御方式への開発を進めてきた．デジタル制御方式では，高次数の制御系設計が容易であり，さらにDSPコ5軸制御形磁気軸受５軸制御形磁気軸受の構成を図 1 に示す．５軸制御形磁気軸受とは，XおよびY軸方向の回転，並進運動，Z軸方向の並進運動の5自由度を制御する軸受を指す．各電磁石に供給される制御電流は，各変位センサにより検出された主軸の変位信号をもとにDSPで演算された制御信号により決定される．また，互いに対向配置された電磁石はその吸引力の線形化を保つため，あるバイアス電流を基準に制御電流が供給されるシステムとなっている．

ントロールボードに内蔵されているフラッシュメ

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ラジアル電磁石（X2,Y2）

ラジアルセンサ

2.3
アキシアル電磁石

ラジアル電磁石（X1,Y1）AMP
Y

制御系の設計磁気軸受制御系の設計最適化は図 3 の設計手
順によって行われる．まず，制御対象である回X転体シミュレーションモデルをFEM手法によりZ主軸作成し，次にセンサ回路，フィルタ回路を含めた連続系のコントロールパラメータの伝達マト＋−

浮上位置信号

DSP

アキシアル
センサ

AMPのシミュレーションデータをもとに磁気軸受シ−
ラジアルセンサ

変位信号

図 1 制御形磁気軸受の構成
Structure of AMB

2.2

リクスによるコントローラ設計を行う．これら

レーションを実施し，コントロールパラメータを決定する．シミュレーションの結果例として
300r/secクラスのターボ分子ポンプにおける回転体のシミュレーションモデルを図 4 に示す．

デジタル制御形磁気軸受の構成

デジタル制御の構成を図 2 に示す．
磁気浮上システム

ステムとしての安定解析，軸受動剛性のシミュモデリング
回転体シミュレーション
修正
モデリング

電気回路
アクチュエータモデリング

A.M.B.
A.M.B.

NO
回転体センサ

固有値実測

コントローラ設計

OK
安定解析
動剛性シミュレーション

センサ

X

NO

OK
メモリ
磁気浮上

TMS320C50

OK

D/A

DSP

A/D

完了

Power
Amp.

u＋

図 3 デジタル制御形磁気軸受設計フロー図
Design flow chart of digital controlled AMB

DSPコントロール
ボード

＋
x：変位

1次剛体モード 45.7Hz
2次剛体モード 119.9Hz

80バイアス電流u：制御出力各変位センサからの変位信号はDSPコントロー

軸径，mm

40

図 2 デジタル制御形磁気軸受の構成
Structure of digital controlled AMB

0−40

ルボード用のＡ/Ｄコンバータによりデジタル信号に変換され，DSPにより演算処理された後Ｄ/−80

1次曲げモード 995.3Hz
2次曲げモード 2 662Hz

Ａコンバータを介し磁気軸受電磁石駆動用パワーアンプにアナログ信号として供給される．

0

ここで，DSPは近傍に設置されたフラッシュメモリ等に格納されたコントロールパラメータにもとづき信号処理を行う．ソフトウェアのイ

50100

150200250

軸長さ，mm

図4

回転体のシミュレーションモデル
Simulation model of the rotor

ンストール，アップデートは，PCとのシリアルインターフェースにより専用のソフトウェアを介して実施される．

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3．デジタル制御の特徴

5

デジタル制御は，ソフトウェアによりその制4減衰比制御系設計が容易である．以下にデジタル制御

後ろ回り

32

前回り化することによるメリット，特徴について述べる．

3.1

料x10 −3

御系を構成するため新たなハードウェア追加の必要がなく，そのアプリケーションに対応した

資

1

高次数コントローラによる安定制御

01

従来のアナログ制御回路では，回転体をより

図 5 １次曲げモード減哀比Damping ratio of first bending mode

子回路定数の設定，調整が困難になる．一方，
デジタル制御ではそのコントローラ設定が，図 4

リクス係数をDSPコントロールボード上のフラッシュメモリにインストールすることで実現される．それにより高次数コントローラの実現においてもソフトウェア上のパラメータ設定により変更でき，従来のハードウェア追加等が全く

x104（2）デジタルコントローラようとすると，ハードウェアが煩雑になり，電ルにおいて決定したフィードバック系伝達マト3

回転数，min−1

安定に支持するために高次元の制御系を実現しに示すようにあらかじめシミュレーションモデ

23.2

FFCによる慣性中心制御

回転体は一般に，幾何学的中心で回転させられる場合が多い．その結果，回転体の残留アンバランスは回転数の上昇とともに増加し，ハウジング等の振動となって発生し，用途によっては悪影響をもたらす場合が多い．
従来のアナログ制御回路ではノッチフィルタ不要となる．
例として，図 5 に300r/secクラスのターボ分子ポンプにおいて，従来のアナログ回路によるコントローラとデジタル制御を用いて設計したコントローラでの安定性解析の結果を示す．各図は回転時の回転体の1次曲げモードについての減衰比を表している．固有振動数は回転により発生するジャイロ作用により回転数の上昇にともない前回りと後ろ回りの固有振動数に分岐する．特に１次前回り曲げモードに対してはデジタ
ル制御の高次コントローラの方が減衰比が大きく，安定であることが分かる．

等により残留アンバランスを制御していた場合が多く，ある回転数領域のみで慣性中心制御を実現していた．
一方，磁気軸受支持による回転体は，特殊制御により回転体の残留アンバランスに左右されない回転体の慣性中心回りに回転させることが可能である．
デジタル制御においては，従来の方式とは全く異なるFFC (フィードフォワード制御）方式により回転数に追従した慣性中心制御が可能であり，さらに低回転領域(50sec−1程度)から実現できる．

5x10−3図 6 にFFCがON，OFFされた場合の回転体振れ回り量と，その制御電流の比較を示す．特にFFCがONされることにより，回転体の振れ回り減衰比4量は約半分に改善される．この慣性中心制御は後ろ回り3アンバランスキャンセル制御ともいわれハウジング側に振動を発生させないのが特徴である．

2前回り

10123x104

回転数，min−1（1）アナログコントローラ

図 5 １次曲げモード減哀比Damping ratio of first bending mode

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上部AMB

回転体振れ回り量，μm

510
FFC制御OFF500−5−5FFC制御ON

10−10−100下部AMB

デジタル制御の最大の特徴は，信号処理をルインターフェースで接続することによってPC上で状態をモニタすることが可能となる点である．
010

図 8 に遠隔監視システムの構成を示す．通常
RS232Cポートを利用しDSPに直接アクセスし，AMB制御電流(A)0.5

シリアルインターフェースによる遠隔監視DSPで行っているため，DSPとPCを直接シリア−10−10103.4

コントロールパラメータ設定等のチューニング0.5を実施する．また同様に，モデムを利用するこFFC制御OFFとで通常の電話回線を経由し遠隔地からのモニ
00

タ，故障診断，またはソフトウェアアップデー
トが可能となる．

FFC制御ON−0.5−0.50

この機能により，海外のプラントに設置された−0.5−0.50.5

00.5-1（回転数10 000 min ）図63.3

FFCによる回転体振れ回り
Rotational runout by FFC

磁気軸受システムに直接アクセスすることでシス
テムの故障診断，運転状況のモニタ等がリアルタイムで可能となる．従来，現場調査が必要であった作業も本機能により大幅に削減される．

ゲインスケジュールコントロール
ターボ分子ポンプ

デジタル制御ではDSPの演算能力を利用して，ジャイロ補償器のフィードバックゲインを回転数に応じて最適値に変化させることが可能であり，より安定な回転が得られる．
図 7 にジャイロ補償器ゲインを低回転時と高A/D回転時で切替えた時の安定性を解析した結果を

D/A
DSP

パワーアンプ

センサ

示す．低回転時のコントローラでは，ジャイロ

RS232C作用により回転体の１次剛体モード固有振動数

磁気軸受コントローラ

シリアルインターフェースが分岐し不安定になっていくが，ジャイロ補償チューニング

ゲインをある割合で加えた高回転時コントロー（モデム）
電話回線

ラでは，減衰比が大きく回復し，より安定にな

シリアルインターフェースっていることが分かる．

故障診断／モニタ（モデム）

通常デジタル制御ではジャイロ補償器ゲイン

図 8 遠隔監視システム
Remote monitor systemを回転数に応じて多段階に切替えを行っており，スムーズな切替えを実現している．
低回転時のコントローラ

高回転時のコントローラ

3.50.5
2次剛体モード
減衰比0.4

DSPコントロールボードは全ての磁気軸受システムに使用可能であり，システムの共通化が0.31次剛体モード

0.20.10磁気軸受システムの小型化，コストダウン

1次曲げモード
2次曲げモード
4 000

8 000

12 000

16 000

回転数，min-1

図 7 ゲインスケジュールコントロールによる減哀比
Damping ratio with gain scheduled controller

可能となる．現在，DSPコントロールボードの機能はLED，LCDの直接駆動，磁気軸受センサ回路機能，シリアル通信機能，またインバータコントロール機能までも可能となる．図 9 にそのシステム概略と図 10 にDSPコントロールボードの外観を示す．
ほとんど全ての制御をDSPコントロールボードで行うことにより，ハードウェアで構成していた電子回路部を大幅に削減し，コントローラ本体の小型化とコストダウンを実現する．

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LED

LCD

DSPコントロール
ボード

料

変位センサ

変位センサ回路LEDドライブ LCDドライブ

資

回転センサ回路

回転センサ

A.M.B.コントロール

AMP

A.M.B.
電磁石

モータコントロール

モータドライバ

モータ

シリアルリンク

シリアルCOMポート

コントローラスピンドル

図 9 DSPコントロールボード構成
System of DSP control board

図 12 工作機器スピンドル
Machine tool spindle

図 10 DSPコントロールボード
DSP control board

4．応用製品
代表的な当社の磁気軸受応用製品としては，
qターボ分子ポンプ，ドラッグ分子ポンプ
w工作機械用スピンドルeフライホイール電力貯蔵装置等が挙げられる．
上記はいずれもDSPコントロールボードによ図 13 0.5kWh 級 FW システム
0.5kWh class FW system

5．おわりにるデジタル制御方式で一部製品化されており，当社が磁気軸受の研究開発に携わって以降，今後さらにデジタル制御の機能を生かした製品時代の要求，技術の進歩に合わせてアナログ制開発を行う予定である．図 11 〜 13 にその代表

御方式の開発を経て早々にデジタル制御方式へ的なデジタル制御応用製品を示す．と開発を進めてきた．
顧客からの要求，製品性能の向上，機能充実を考慮するとデジタル制御方式は最も適した方法であり，今後他のアプリケーションへの応用も期待される．

参考文献
1） 光 洋 精 工 (株 )： 制 御 形 磁 気 軸 受 ス ピ ン ド ル
CAT. NO. 133-3.
2）IBAG Zurich AG：商品カタログ(High Frequency
Motor Spindles with Active Magnetic Bearings
for Milling， Drilling and Grinding).

図 11 ターボ分子ポンプ（2 000r/sec クラス）
Turbo Molecular Pump
（2 000r/sec class ）3） 谷 口 学 ， 上 山 拓 知 ： KOYO EngineeringJournal, no. 151 (1997) 41.
4）高畑良一, 上山拓知, 宮川裕豊, 亀野浩徳：
KOYO Engineering Journal, no. 151 (1997) 12.

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筆者

宮川裕豊*

谷口 学*

Y. MIYAGAWA

M. TANIGUCHI*総合技術研究所 基礎技術開発センター
機械システム開発部

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