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JPH09236122A - 磁気軸受制御装置 - Google Patents

磁気軸受制御装置

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Publication number
JPH09236122A
JPH09236122A JP8042570A JP4257096A JPH09236122A JP H09236122 A JPH09236122 A JP H09236122A JP 8042570 A JP8042570 A JP 8042570A JP 4257096 A JP4257096 A JP 4257096A JP H09236122 A JPH09236122 A JP H09236122A
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JP
Japan
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circuit
rotating body
natural frequency
signal
gain
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JP8042570A
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Toru Nakagawa
亨 中川
Isao Tashiro
功 田代
Yoshihiro Ikemoto
義寛 池本
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Panasonic Holdings Corp
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Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Publication date
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    • F16CSHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C32/00Bearings not otherwise provided for
    • F16C32/04Bearings not otherwise provided for using magnetic or electric supporting means
    • F16C32/0406Magnetic bearings
    • F16C32/044Active magnetic bearings
    • F16C32/0444Details of devices to control the actuation of the electromagnets
    • F16C32/0451Details of controllers, i.e. the units determining the power to be supplied, e.g. comparing elements, feedback arrangements with P.I.D. control
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16CSHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C2326/00Articles relating to transporting
    • F16C2326/10Railway vehicles

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
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  • Electromagnetism (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Magnetic Bearings And Hydrostatic Bearings (AREA)
  • Control Of Vehicles With Linear Motors And Vehicles That Are Magnetically Levitated (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 回転体を所定位置に支承する磁気軸受制御装
置において、高速回転体の前廻り後廻りの固有振動数が
変化する場合においても、その曲げ固有振動数を十分減
衰させかつ高剛性を得ることを目的とする。 【解決手段】 主回路とは別に、回転体の位置信号をセ
ンサ回路1から入力し、回転体の前廻り後廻りの固有振
動数範囲をほとんど位相を変化させることなくとりだす
帯域通過フィルタ5と、その出力信号にゲイン回路6は
ゲイン調整を施すとともに、固有振動数より低い周波数
成分を減衰させるノッチフィルタ回路B7に出力する。
このノッチフィルタ回路B7の出力信号を加算回路8を
通じて主回路に正帰還させることにより、固有振動数が
変化する場合においても十分な減衰効果を得られる。

Description

【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承す
る磁気軸受制御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制御装置の回路と
しては、特開昭59−212519号公報に開示された
ものがある。図6はこの磁気軸受制御装置の回路構成を
示すブロック図である。
【0003】図示するように、磁気軸受制御装置は、変
位センサ回路101、位相補償回路102、帯域消去フ
ィルタ回路103、加算回路104、パワー増幅回路1
05、帯域通過フィルタ回路106、ゲイン調整器10
7、加算回路108、位相進み回路109、ノッチフィ
ルタ110及び制御対象111で構成されている。
【0004】変位センサ回路101の出力信号は、位相
補償回路102によって位相補償された後、帯域消去フ
ィルタ回路103を通して加算回路104に送る。帯域
消去フィルタ回路103は回転軸の固有振動数を含む所
定範囲の周波数の帯域のゲインが殆ど零または小さい値
となっている。また、変位センサ回路101を入力とす
る帯域通過フィルタ回路106は帯域消去フィルタ回路
103と逆に上記所定範囲の局周波数を通過させるよう
になっている。帯域通過フィルタ回路106の出力とゲ
イン調整器107の出力は加算回路108により加算さ
れる。加算回路108の出力は、位相進み回路109に
よって少なくとも上記所定の帯域において、完全に進相
するようにその位相を進相させ、より適したゲイン・位
相特性を得るためにノッチフィルタ110を通し加算回
路104に送る。加算回路104の出力はパワー増幅回
路105を通して増幅され、制御対象111に出力され
る。
【0005】上記構成の磁気軸受制御回路は高速スピン
ドルなどの工作機械に用いられているもので、回転体の
固有振動数に減衰を与え、且つ高剛性を得る回路構成と
なっている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記従来
の構成では、以下のような課題を有していた。
【0007】回転体の曲げ固有振動数は、即ち前廻り、
後廻りの周波数は回転体の回転数に応じて変化する。工
作機械のスピンドルにおいても低速からより高速で運転
させようとした場合、回転体の曲げ固有振動数は変化す
る。このとき前記従来例では、帯域通過フィルタ回路1
06や位相進み回路109が回転体の一定の固有振動数
に対してのみ、十分に減衰させるよう構成されているた
め、回転体の固有振動数が変化する場合、十分な減衰効
果が得られないという問題点を有していた。
【0008】本発明は、上記従来の問題点を解決するも
ので、回転体の曲げ固有振動数が変化する場合において
も、その曲げ固有振動数を十分減衰させる磁気軸受制御
装置を提供することを目的としている。
【0009】
【課題を解決するための手段】この課題を解決するため
に本発明は、回転体の位置を検出するセンサと、該セン
サ信号により電磁石に流す電流を制御する回路と、前記
回転体を所定の位置に設定する電磁石から構成され、外
乱による回転体の振動を極力抑制し、高速で回転する回
転体を高剛性に支持する必要がある磁気軸受制御装置に
おいて、前記センサ信号から回転体の固有振動数成分を
減衰させるノッチフィルタ回路Aと、この出力と回転体
の位置基準信号の差を演算する偏差回路と、該偏差信号
を位相補償する位相補償回路からなる主回路と、前記セ
ンサ信号から回転体の固有振動数の前廻り後廻りを含む
周波数範囲の成分をとりだすとともに、該周波数範囲内
で位相の進みおよび遅れを抑える機能を有した帯域通過
フィルタと、この出力信号のゲイン調整をするゲイン回
路と、ゲイン調整された信号に対して回転体の固有振動
数より低い周波数成分を減衰させるノッチフィルタ回路
Bからなる第2回路と、前記主回路の出力と第2回路の
出力を加算する加算回路を有することを特徴とする。
【0010】この構成によって、所定の曲げ固有振動数
の前廻り後廻りを含む周波数範囲のセンサ出力信号につ
いて位相をほとんど変化させることなく帯域通過フィル
タで取り出し、ゲイン調整、そしてノッチフィルタ回路
Bにより回転体固有振動数より低い一定の周波数域のゲ
インを殆んど零にして、第2回路の出力とする。ところ
で、加工等の外乱により、回転体が曲げ固有振動数で振
動する場合に、この制振のためには位相を180°反転
した制御信号をパワー増幅回路に入力すればよいことが
判明している。したがって第2回路の出力信号を主回路
の出力信号に対して加算回路へポジティブフィードバッ
クで返せば、制振効果を得ることができる。
【0011】この本発明によれば、前廻り後廻り作用に
より曲げ固有振動数が変化する場合においても、第2回
路はほぼ一定の位相、ゲイン特性を有し、変化する曲げ
固有振動数を十分減衰させることができる。
【0012】
【発明の実施の形態】以下、本発明の好ましい実施の形
態について、図1から図4を用いて説明する。
【0013】図1は、本発明の磁気軸受制御装置の回路
構成を示すブロック図である。図示するように、磁気軸
受制御装置の回路は、センサ回路1,ノッチフィルタ回
路A2,偏差回路3、位相補償回路4、帯域通過フィル
タ5、ゲイン回路6、ノッチフィルタB7、加算器8、
パワー増幅回路9および制御対象10で構成されてい
る。
【0014】上記回路構成の磁気軸受制御回路におい
て、制御対象10である回転体の位置を検出するセンサ
回路1の出力信号をノッチフィルタ回路A2により、回
転体の前廻り後廻りの固有振動数範囲で減衰させ、偏差
回路3にフィードバックする。偏差回路3は回転体の位
置基準信号と前記ノッチフィルタ回路A2の出力信号の
差を演算し、その偏差信号を位相補償回路4に出力し、
PID等(比例,積分,微分)の位相補償を施す。セン
サ回路1,ノッチフィルタ回路A2、偏差回路3、位相
補償回路4からなる回路を主回路とし、これは、磁気軸
受支持を全般的に担う回路である。また、センサ回路1
の出力信号から、帯域通過フィルタ5により、回転体の
固有振動数の前廻り後廻りの周波数範囲成分を取り出
す。このとき、帯域通過フィルタ5は、該周波数範囲内
で、位相をほとんど変化させないように構成されてい
る。例えば、図2に示す帯域通過フィルタは中心周波数
の異る4つの帯域通過フィルタを結合して構成されてお
り、図3にそのゲイン位相特性を示す。図中のDの周波
数範囲内ではゲイン、位相ともほぼ一定の特性とするこ
とができている。このDの周波数範囲を回転体の固有振
動数の前廻り後廻りの周波数範囲とすることは容易であ
る。このようにしてとり出された周波数成分信号は、ゲ
イン回路6によりゲイン調整され、回転体の固有振動数
より低い周波数でのゲイン特性を低下させるために、ノ
ッチフィルタ回路B7に入力する。帯域通過フィルタ
5、ゲイン回路6、ノッチフィルタ回路B7からなる回
路を第2回路とする。第2回路のゲイン位相特性を図4
に示す。加算回路8は、主回路の出力信号と第2の回路
の出力信号を加算し、パワー増幅回路9に出力する。パ
ワー増幅回路9は該加算信号をもとに、制御対象10内
の電磁石に電流を供給する。
【0015】ところで、本発明によれば、第2回路を通
過した回転体の固有振動数成分はポジティブフィードバ
ックされ、一見固有振動数成分を増幅する働きがあるか
に思える。しかし、第2回路を除いた主回路のみを動作
させ、位置基準信号を回転体の固有振動数成分の正弦波
信号に変更すると、回転体は、固有振動成分で振動する
が、このとき、パワー増幅回路9への入力信号とセンサ
回路1の出力信号は位相が全く反転してしまう。つま
り、正弦波信号と回路体共振状態となるのである。した
がって、回転体の固有振動数成分を制振しようとした場
合、本発明の第2回路からの信号はポジティブフィード
バックする必要がある。磁気軸受制御装置の回路を上記
の如く構成することにより、回転体の曲げ固有振動数が
前廻り後廻り周波数に変化しても、十分な減衰効果を得
るものである。
【0016】次に、本発明の具体的な実験例を説明す
る。工作機械用の高速磁気軸受スピンドルに本発明を適
用し、実際にエンドミル加工を実施した。この場合、ス
ピンドル回転数3000rpm、回転体の固有振動数
1.07KHzである。本発明を適用しない場合、加工
切り込み量を大きくしていき加工負荷を増大させると、
加工時にビビリ振動が発生し、加工面性状の劣化をきた
した。この加工時のビビリ振動は加工外乱により回転体
が固有振動数で振動したものであった。図5(a)、に
このときの回転体の振動状態の観測結果を示す。同条件
の加工に本発明を適用した結果を図5(b)、に示す。
回転体の固有振動数5=1.07KHzの振動は消滅
し、回転体のアンバランスによる振れ廻り(500H
z,2μmP−P)のみになっている。加工面性状も劣
化をきたさなくなった。
【0017】
【発明の効果】以上のように本発明によれば、回転体の
固有振動数が前廻り後廻りを含む周波数で変化しても、
その固有振動数を十分減衰させる高剛性の磁気軸受を得
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係る磁気軸受制御装置の
回路構成を示すブロック図
【図2】本発明の一実施形態に係る磁気受制御装置の中
で、帯域通過フィルタの回路構成の一例を示すブロック
【図3】同上の帯域通過フィルタの特性を示すゲイン位
相線図
【図4】本発明の一実施形態に係る磁気軸受制御装置の
中で、第2回路の特性を示すゲイン位相線図
【図5】本発明の一実施形態に係る磁気軸受制御装置に
おける回転体の振動を示す図
【図6】従来の磁気軸受制御装置の回路構成を示すブロ
ック図
【符号の説明】
1 センサ回路 2 ノッチフィルタ回路A 3 偏差回路 4 位相補償回路 5 帯域通過フィルタ回路 6 ゲイン回路 7 ノッチフィルタ回路B 8 加算回路 9 パワー増幅回路 10 制御対象

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 回転体の位置を検出するセンサと、該セ
    ンサ信号により電磁石に流す電流を制御する回路と、前
    記回転体を所定の位置に設定する電磁石から構成され、
    外乱による回転体の振動を極力抑制し、高速で回転する
    回転体を高剛性に支持する必要がある磁気軸受制御装置
    において、前記センサ信号から回転体の固有振動数成分
    を減衰させるノッチフィルタ回路Aと、この出力と回転
    体の位置基準信号の差を演算する偏差回路と、該偏差信
    号を位相補償する位相補償回路からなる主回路と、前記
    センサ信号から回転体の固有振動数の前廻り後廻りを含
    む周波数範囲の成分をとりだすとともに、該周波数範囲
    内で位相の進みおよび遅れを抑える機能を有した帯域通
    過フィルタと、この出力信号のゲイン調整をするゲイン
    回路と、ゲイン調整された信号に対して回転体の固有振
    動数より低い周波数成分を減衰させるノッチフィルタ回
    路Bからなる第2回路と、前記主回路の出力と第2回路
    の出力を加算する加算回路を有することを特徴とする磁
    気軸受制御装置。
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