JP2001140881A - 磁気浮上装置の制御装置および磁気浮上式ターボ分子ポンプ - Google Patents
磁気浮上装置の制御装置および磁気浮上式ターボ分子ポンプInfo
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Abstract
影響を小さくすることができ、PWMスイッチング信号
のデューティ比の影響を取り除いて容易に浮上位置測定
が行える磁気浮上装置の制御装置の提供。 【解決手段】 磁気浮上制御回路7の電流命令に基づい
て電流制御回路9から出力されるPWMスイッチングパ
ルス信号のデューティ比を、デューティ比変動回路10
によりPWMスイッチング周期より長い変動周期で変動
させ、変動されたPWMスイッチングパルス信号により
二象現駆動電流アンプ8を駆動する。そして、電流波形
検出器5で検出された電磁石電流の電流波形からデュー
ティ比変動周期に対応する周波数成分を同期検波回路6
により抽出し、その抽出結果に基づいて被支持体1の磁
気浮上を制御する。
Description
御装置、およびその制御装置を備える磁気浮上式ターボ
分子ポンプに関する。
ている磁気軸受装置等の磁気浮上装置では、電磁石によ
り非接触支持される被支持体の位置(移動量)を位置セ
ンサで検出し、位置センサからの信号に基づいて電磁石
コイルの電流を制御することにより、被支持体を所望の
位置に非接触支持している。位置センサとしては、例え
ば、インダクタンスの変化を利用した電磁誘導型センサ
が用いられており、電磁石の近傍に検出用のコイルを設
けて検出用の信号を印加するものである。このような位
置センサを用いる場合、電磁石の吸引力の作用点である
被支持体の部位と、位置センサの位置検出点である被支
持体の部位とを一致させることは構造上難しく、また、
専用のコイルや測定系などが必要であり構造が複雑とな
る欠点があった。
置センサを必要としない磁気軸受装置が提案されてい
る。そのような磁気軸受装置の一例として、電磁石電流
に交流電流を重畳させ、電磁石コイル両端に発生する交
流電圧を検出して被支持体の位置を測定する「重畳方
式」の磁気軸受装置が、特開平5−118329号公報
に開示されている。この装置では、軸受電源にパルス幅
変調(PWM)型の電源が用いられ、電磁石電流をパル
ス幅変調により供給する。そして、電磁石に流れるスイ
ッチングリップル電流を測定することにより、コイルの
インダクタンスの変化、すなわち被支持体の位置を検出
する。
たようなリップル成分を検出する磁気軸受制御方法で
は、以下に示すような欠点がある。通常、PWM軸受電
源においては10kHz〜100kHz程度のスイッチ
ング周波数が用いられるが、このスイッチング周波数が
高いと、電流アンプと電磁石とを接続するケーブルの線
間容量の影響を受けやすくなり、ケーブル長によって電
流アンプから見た電磁石のインダクタンスが大きく変化
したり、容量性になってしまったりするという不都合が
生じる。逆に、スイッチング周波数が低いと、スイッチ
ングによる被支持体の振動(スイッチング周波数と等し
い周波数の振動)が発生しやすくなる。
ルス信号のデューティ比の情報とコイルのインダクタン
スの情報とが含まれており、検出される電磁石電流のリ
ップル成分はデューティ比によって変化する。そのた
め、リップル成分をデューティ比に応じて補正する必要
があり正確な位置測定が難しいという欠点があった。
ーブルの線間容量の影響を小さくすることができ、PW
Mスイッチング信号のデューティ比の影響を取り除いて
容易に浮上位置測定が行える磁気浮上装置の制御装置お
よびその制御装置を備える磁気浮上式ターボ分子ポンプ
を提供することにある。
図1に対応付けて説明する。 (1)請求項1の発明は、電磁石2A,2Bの磁気力に
より被支持体1を非接触支持する磁気浮上装置の制御装
置に適用され、被支持体1を所定位置に非接触支持する
ために必要な電磁石電流を指令する指令手段7と、指令
手段7の指令に基づいたデューティ比を有する基準PW
Mスイッチング信号を生成するとともに、基準PWMス
イッチング信号に対して、基準PWMスイッチング信号
のデューティ比が基準PWMスイッチング周期より長い
周期で周期的に変動するような補正を加えて出力するP
WM信号出力手段9,10,11,12Aと、PWM信
号出力手段9,10,11,12AからのPWM信号で
駆動され、前記指令に応じた電流を生成するPWM二象
現駆動回路8と、電磁石電流の電流波形からデューティ
比の変動周期に対応する周波数成分を抽出して被支持体
1の位置を検出する検出手段6とを備え、検出された位
置に基づいて被支持体1の磁気浮上を制御することによ
り上述の目的を達成する。 (2)請求項2の発明は、電磁石2A,2Bの磁気力に
により非接触支持された回転翼付きロータ1をモータに
より回転駆動して、真空排気を行う磁気浮上式ターボ分
子ポンプにおいて、請求項1に記載の制御装置を備え、
前記制御装置によりロータ1の磁気浮上を制御するよう
にしたものである。
解決するための手段の項では、本発明を分かり易くする
ために発明の実施の形態の図を用いたが、これにより本
発明が発明の実施の形態に限定されるものではない。
明の実施の形態を説明する。図1は本発明による制御装
置の一実施の形態を示すブロック図である。図1におい
て、磁気浮上装置の被支持体1は電磁石2A、2Bの吸
引力により非接触支持される。例えば、磁気浮上式ター
ボ分子ポンプであれば、被支持体1はターボ分子ポンプ
ロータに、電磁石2A、2Bはロータを支持する一対の
ラジアル電磁石にそれぞれ対応している。
られている5軸制御形磁気軸受の概念図であり、ロータ
34の回転軸Jがz軸に一致するように示した。図2に
示すように、5軸制御形磁気軸受では4対のラジアル電
磁石35x、35y、36x、36yと一対のアキシャ
ル電磁石37zを有している。なお、39はロータ34
を回転駆動するモータである。ラジアル電磁石35x、
35yはロータ上部に設けられており、ラジアル電磁石
35xがx1軸に沿ってロータ34を挟むように配設さ
れ、ラジアル電磁石35yがy1軸に沿ってロータ34
を挟むように配設されている。また、ラジアル電磁石3
6x、36yはロータ下部に設けられており、ラジアル
電磁石36xがx2軸に沿ってロータ34を挟むように
配設され、ラジアル電磁石36yがy2軸に沿ってロー
タ34を挟むように配設されている。アキシャル電磁石
37zはロータ34の下端に設けられたプレート38を
z軸に沿って挟むように対向して配設され、上側の電磁
石53zはプレート38を上方に吸引し、下側の電磁石
53zはプレート38を下方に吸引する。図1に示した
被支持体1がロータ34であり、電磁石2A、2Bは4
対のラジアル電磁石35x、35y、36x、36yの
内の何れか一つを示したものである。
調されたスイッチングリップル電流を供給するパルス幅
変調(PWM)型軸受電源部3と、電磁石コイル4のス
イッチングリップル電流を抵抗などを用いて電圧信号と
して出力する電流検出器5と、電流検出器5で検出され
た電流波形が入力される同期検波回路6と、同期検波回
路6からの信号に基づいてPWM型軸受電源部3を制御
する磁気浮上制御回路7とで構成されている。電流検出
器5の出力は同期検波回路6に入力されるとともに、P
WM型軸受電源部3の電流制御回路9(後述する)にフ
ィードバックされる。なお、図1では省略したが、一方
の電磁石2BにもPWM型軸受電源部3,電流検出器5
および同期検波回路6が同様に設けられており、各々の
PWM型軸受電源部3から電磁石2A、2Bにそれぞれ
供給される電流を共通の磁気浮上制御回路7によって制
御し、被支持体1を所定の位置に支持している。
磁石コイル4のインダクタンス、すなわち被支持体1と
電磁石2A、2BとのギャップXA,XBが各同期検波
回路6により検出されギャップXA,XBに比例する浮
上位置信号SA,SBがそれぞれ出力される。磁気浮上
制御回路7には浮上位置信号SAと浮上位置信号SBと
の差分(SA−SB)が差分器13から入力される。磁
気浮上制御回路7は、この差分(SA−SB)に応じた
電流命令信号(アナログ数値)を電流制御回路9に出力
する。
信号(電流波形)に電磁石電流の変化分を指示する磁気
浮上制御回路7からの信号を加算点14で加算したもの
が入力される。電流制御回路9は、入力された信号に基
づいたPWMスイッチングパルス信号をデューティ比変
動回路10およびカウンタ11へ出力する。図3は電流
制御回路9から出力されるPWMスイッチングパルス信
号を例示したものであり、(a)はパルス信号のデュー
ティ比が50%の場合を、(b)はパルス信号のデュー
ティ比が50%より大きい場合を、(c)はパルス信号
のデューティ比が50%より小さい場合を示している。
Mスイッチングパルス信号をカウントし、所定の変動周
期を有する信号をデューティ比変動量生成回路12Aお
よび同期検波回路6に出力する。例えば、電流制御回路
9から図4に示すようなPWMスイッチングパルス信号
がカウンタ11に入力されると、パルス1,2,3,
4,…に対して順に1,2,1,2,…と変化する信号
を出力する。
流制御回路9からの信号1を受信したらパルス1に与え
るべきパルス幅変動量−βを生成し、信号2を受信した
らパルス1に与えるべきパルス幅変動量+βを生成し、
順にデューティ比変動回路10に出力する。デューティ
比変動回路10は、デューティ比変動量生成回路12A
からパルス幅変動量−βが入力されたならパルス1のパ
ルス幅を−βだけ変動させて出力し、パルス幅変動量+
βが入力されたならパルス2のパルス幅を+βだけ変動
させる。同様な動作を電流制御回路9からのPWMスイ
ッチングパルス信号に対して順に行う。
明する回路図であり、デューティ比変動回路10から図
4に示す変動を受けたPWMスイッチングパルス信号が
入力されると、その変動を受けたPWMスイッチングパ
ルス信号に応じたスイッチングリップル電流を電磁石2
A、2Bに出力する。図5において、20は電磁石コイ
ル4に電圧を印加するための電源であり、スイッチング
素子21A,21Bはスイッチングパルス信号により同
時に開閉される。ここでは、スイッチング素子21A,
21Bはスイッチングパルス信号がOFFのときに開
き、スイッチングパルス信号がONのときに閉じるもの
とする。
流との関係を示す図であり、(a)はデューティ比50
%のスイッチングパルス信号を示し、(b)は電磁石電
流の変化を示す。図6(a)の時刻t1においてパルス
信号がOFFからONに変化すると、スイッチング素子
21A,21Bが閉じて電磁石コイル4に電源20の電
圧が印加される。このとき、電流iは図2(b)の矢印
方向に流れ、その値は図3(b)のaで示すように増加
する。次いで、時刻t2においてパルス信号がOFFに
変化すると、スイッチング素子21A,21Bが開く。
このとき、電磁石コイル4には電磁エネルギーが蓄積さ
れているため、そのエネルギーの放電によりダイオード
22A,22Bを介して図5(a)の矢印方向に電流i
が流れ、電磁石コイル4を流れる電流iの値は図6
(b)のbのように減少する。
の順方向損失、電磁石の抵抗などの損失要因が零であれ
ば、a,bの傾きの大きさは等しくなる。そのため、図
6(a)に示すようにスイッチングパルス信号のデュー
ティ比が50%のときには、電磁石コイル4を流れる電
流の値(ある時間幅で平均した値)が一定となる。一
方、デューティ比を50%より大きくすると、図6
(b)の電流が増加するa状態の時間(t2−t1)の
方が電流が減少するb状態の時間(t3−t2)より大
きくなるので、電磁石電流が増加する。逆に、デューテ
ィ比を50%より小さくすると、時間(t3−t2)の
方が時間(t2−t1)より大きくなるので、電磁石電
流が減少する。このように、二象現駆動電流アンプ8を
用いるPWM軸受電源部3では、スイッチングパルス信
号のデューティ比を増減させることにより電磁石電流の
増加・減少を制御する。現実にはこれらの損失要因は零
ではないので、50%より少し大きいデューティ比のと
き、電流一定となる。
動回路10で変動を受けたPWMスイッチングパルス信
号により駆動され、スイッチングリップル電流が電磁石
2A,2Bに供給される。この電磁石2A,2Bを流れ
る電流は電流検出器5で検出され、検出信号(電流波
形)が前述したように電流制御回路9にフィードバック
されるとともに同期検波回路6にも入力される。同期検
波回路6では、カウンタ11から入力される所定の変動
周期を有する信号を基準にして検出信号を同期検波する
ことにより電流のリップル成分から上記変動と同一周期
を有する周波数成分(変動周期周波数成分)を取り出
す。
チングパルス信号はスイッチング周期Tを有している
が、変動後のPWMスイッチングパルス信号にはスイッ
チング周期Tの他に変動の周期2Tが含まれている。す
なわち、パルス幅を変動させることにより、入力パルス
信号のスイッチング周波数を2分の1に分周した周波数
成分が生成される。これらの周波数成分の大きさは電磁
石コイル4のインダクタンスと変動量に依存している。
同期検波回路6は周期2Tの周波数成分を抽出し、その
大きさを浮上位置信号SAおよびSBとして出力する。
前述したように、磁気浮上制御回路7には、電磁石2A
に関する浮上位置信号SAから電磁石2Bに関する浮上
位置信号SBを引いた差が入力される。
9から出力されたPWMスイッチングパルス信号を二象
現駆動電流アンプ3に直接入力し、図6(b)に示すよ
うな電磁石電流iのリップル成分の大きさDを検出する
ことにより、被支持体1の位置を算出していた。しか
し、上述したようにリップル成分の大きさDがデューテ
ィ比に依存しているため、例えば同じ大きさのリップル
成分が得られたとしても、それぞれの値が得られたとき
のデューティ比が異なると、実際のギャップXA,XB
は異なっていることになる。そのため、デューティ比に
応じてリップル成分の大きさの補正を行う必要があっ
た。
変動周期周波数成分は、スイッチング周期Tを整数倍し
た変動周期でパルス幅に変動を与えたことによって生じ
たものであり、その成分の大きさは変動幅(βなどの大
きさ)には依存するが、デューティ比にはほとんど依存
しない。すなわち、図4に示した例では変動前のパルス
信号のデューティ比は50%であるが、例えばこのデュ
ーティ比が70%であったとしても、与える変動量が全
く同じ−β,+β,−β,+β,…であれば、変動周期
周波数成分の大きさは等しくなる。そのため、従来のよ
うに検出されたリップル成分をデューティ比に応じて補
正する必要がなく、デューティ比の変化に影響されるこ
となく浮上位置を容易に求めることができる。
ッチングパルス信号のスイッチング周期Tに対して、変
動後のPWMスイッチングパルス信号は周期2Tを有し
ている。そのため、スイッチング周波数を有する従来の
リップル成分に比べ、上述した変動周期周波数はスイッ
チング周波数より低いので、変動周期周波数成分は二象
現駆動電流アンプ8と電磁石コイル4とを接続するケー
ブルの線間容量の影響を受けにくいという利点がある。
である。図7(a)では、パルス信号の各パルスに対し
て、0,+β,0,−β,0,+β,…のような変動量
を与える。また、図7(b)では、パルス信号の各パル
スに対して、+β,+β,−β,−β,+β,+β,−
β,−β,…のような変動量を与える。さらに、変動量
は一定でなくても良く、図5(c)のように、+α,+
2α,+3α,+2α,+α,+2α,+3α,…のよ
うな変動量でもよい。いずれの場合も、変動周期は4倍
の4Tとなる。なお、変動周期は偶数倍だけではなく奇
数倍に設定することもできる。さらに、図8に示すよう
に、デューティ比の変動周期をスイッチングの周期Tよ
り十分長くして変動量を正弦波的に変化させると、電流
リップルの変化が正弦波に近づいて電流リップルの周波
数成分は変動周期周波数で大きなピークを有し、より正
確な位置測定が行える。なお、図8は各スイッチングパ
ルス信号に与える変動量の変化を示した図であり、縦軸
が変動量、横軸が時間を表している。
となると、スイッチングがなくなってスイッチング成分
がなくなるので、浮上位置信号を得られなくなり、磁気
浮上制御ができなくなる。そのため、電流制御回路9が
出力するPWMパルス列のデューティ比は、±β等の変
動を加えられてもデューティ比が0%より大きく100
%より小さくなるような範囲に制限される。
形例を示すブロック図であり、図1と同一の部分には同
一の符号を付し、異なる部分を中心に説明する。上述し
た図1の装置では、電流制御回路9からのPWMスイッ
チングパルス信号のデューティ比をデューティ比変動回
路10で変動し、その変動されたパルス信号を二象現駆
動電流アンプ8に入力するような構成とした。一方、図
9に示す装置では、カウンタ11から信号がデューティ
比変動量生成回路12Bに入力されると、デューティ比
変動量生成回路12Bは上述した変動量(−βや+β)
に応じた電圧信号(変動周期を有する信号)を出力す
る。
からの電流命令信号に電流検出回路5からの検出信号お
よびデューティ比変動量生成回路12Bからの電圧信号
を各々加算点14で加算したものが入力される。この加
算された信号は上記電圧信号が持っていた変動周期を周
期成分として有しており、電流制御回路9から出力され
るPWMスイッチング信号も変動周期を有することにな
る。
β,0,+β,0,…とし、変動量を加算するタイミン
グにおける磁気浮上制御回路7の電流命令信号をa,
b,c,d,e,f,g,h,…とすると、加算された
信号は、a−β,b+0,c+β,d+0、e−β,f
+0,g+β,h+0,…となる。磁気浮上装置の場
合、PWMスイッチング周期は磁気浮上制御回路7の信
号の変動に比べて十分に速いので、a,b,c,…の隣
接するもの同士はほぼ等しい値となる。そのため、βを
この隣接する信号の差より十分に大きく設定すれば、同
期検波による磁気浮上の位置検出が可能となる。他の構
成については、図1の装置と同様であり、この変形例の
装置においても上述した実施の形態と同様の効果を得る
ことができる。
ボ分子ポンプを例に説明したが、例えば、磁気浮上搬送
装置のような磁気浮上装置の制御装置にも適用すること
ができる。なお、上述した同期検波回路6に代えて、変
動周期周波数の狭帯域フィルタを通した後にAM検波す
る方法でも良い。また、DSP(Digital Signal Proce
ssor)を用いてPWMスイッチングパルス信号を生成す
る場合には、デューティ比変動処理をソフトウェア的に
実現できるという利点がある。
の要素との対応において、磁気浮上制御回路7は指令手
段を、同期検波回路6は検出手段を、図1の電流制御回
路9,デューティ比変動回路10,カウンタ11,デュ
ーティ比変動量生成回路12A、および図2の電流制御
回路9,カウンタ11,デューティ比変動量生成回路1
2BはPWM信号出力手段をそれぞれ構成する。
電磁石電流の電流波形から抽出されるデューティ比変動
周期に対応する周波数成分はPWMスイッチング信号の
デューティ比に依存しないので、従来のようにデューテ
ィ比による補正を行う必要が無く、被支持体の浮上位置
を容易に測定することができる。また、デューティ比変
動の周波数はPWMスイッチング信号のスイッチング周
波数より低くするすることができるので、制御装置と電
磁石とを接続するケーブルの線間容量の影響を低減する
ことができる。
ロック図である。
5軸制御形磁気軸受の概念図。
ングパルス信号を示した図であり、(a)はデューティ
比が50%の場合、(b)はデューティ比が50%より
大きい場合、(c)はデューティ比が50%より小さい
場合である。
係を示す図。
図である。
ッチング用パルス信号を示す図で、(b)は電磁石電流
の変化を示す図である。
(a)〜(b)に3種類のスイッチングパルス信号を示
した。
図である。
Claims (2)
- 【請求項1】 電磁石の磁気力により被支持体を非接触
支持する磁気浮上装置の制御装置において、 前記被支持体を所定位置に非接触支持するために必要な
電磁石電流を指令する指令手段と、 前記指令手段の指令に基づいたデューティ比を有する基
準PWMスイッチング信号を生成するとともに、前記基
準PWMスイッチング信号に対して、前記基準PWMス
イッチング信号のデューティ比が基準PWMスイッチン
グ周期より長い周期で周期的に変動するような補正を加
えて出力するPWM信号出力手段と、 前記PWM信号出力手段からのPWM信号で駆動され、
前記指令に応じた電流を生成するPWM二象現駆動回路
と、 電磁石電流の電流波形から前記デューティ比の変動周期
に対応する周波数成分を抽出して前記被支持体の位置を
検出する検出手段とを備え、検出された前記位置に基づ
いて前記被支持体の磁気浮上を制御することを特徴とす
る磁気浮上装置の制御装置。 - 【請求項2】 電磁石の磁気力により非接触支持された
回転翼付きロータをモータにより回転駆動して、真空排
気を行う磁気浮上式ターボ分子ポンプにおいて、 請求項1に記載の制御装置を備え、前記制御装置により
前記ロータの磁気浮上を制御することを特徴とする磁気
浮上式ターボ分子ポンプ。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP32130599A JP4284791B2 (ja) | 1999-11-11 | 1999-11-11 | 磁気浮上装置の制御装置および磁気浮上式ターボ分子ポンプ |
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---|---|---|---|
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Cited By (12)
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