JP3591111B2 - 磁気軸受制御装置 - Google Patents
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Description
【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１０５、帯域通過フィルタ回路１０６、ゲイン調整器１０７、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１０６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（５００Ｈｚ，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
【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
【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１０５、帯域通過フィルタ回路１０６、ゲイン調整器１０７、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１０６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（５００Ｈｚ，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
【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)
- 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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| JP04257096A JP3591111B2 (ja) | 1996-02-29 | 1996-02-29 | 磁気軸受制御装置 |
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Applications Claiming Priority (1)
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| JP04257096A JP3591111B2 (ja) | 1996-02-29 | 1996-02-29 | 磁気軸受制御装置 |
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| JPH09236122A JPH09236122A (ja) | 1997-09-09 |
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Family
ID=12639732
Family Applications (1)
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|---|---|---|---|
| JP04257096A Expired - Fee Related JP3591111B2 (ja) | 1996-02-29 | 1996-02-29 | 磁気軸受制御装置 |
Country Status (2)
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