JP2014180081A - 真空ポンプ - Google Patents
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Abstract
【解決手段】真空ポンプは、PWM駆動指令に基づいてオンオフ制御される複数のスイッチング素子を有し、複数のスイッチング素子のオンオフにより生成される駆動電流をモータMに供給するインバータ43と、モータMの逆起電圧情報を含む信号を検出して、モータMの磁極電気角および回転速度を推定する回転速度・磁極位置推定部407と、モータMの低速回転領域において、インバータ43を介して電源からモータMに供給あるいは、モータMから電源へ回生される駆動電流の生成および遮断を繰り返し行わせる測定区間信号生成部408と、を備え、回転速度・磁極位置推定部407は、低速回転領域においては、電流供給遮断時の前記信号を検出して磁極電気角および回転速度を推定する。
【選択図】図4
Description
さらに好ましい実施形態では、駆動電流制御部は、前記領域において、PWM駆動指令に基づくオンオフ指令に基づく駆動電流の供給あるいは回生と、複数のスイッチング素子の全てをオフ状態にすることによる駆動電流の遮断とを繰り返し行わせ、推定部は、前記領域においては、遮断時のモータ相電圧を前記信号として検出し、磁極電気角および回転速度を推定する。
また、駆動電流制御部は、前記領域において、PWM駆動指令に基づくオンオフ指令に基づく駆動電流の供給あるいは回生と、モータの各相の電位を同一電位とする短絡制御による駆動電流の遮断とを繰り返し行わせ、推定部は、前記領域においては、遮断時のモータ相電流を前記信号として検出し、磁極電気角および回転速度を推定するようにしても良い。
さらに好ましい実施形態では、遮断の期間はPWM周期よりも長く、遮断は、遮断の期間における回転周期よりも短い繰り返し周期で繰り返し行われる。
さらに好ましい実施形態では、回転速度が前記所定回転速度よりも小さく、回転速度ゼロを挟んだ所定の正逆回転速度範囲が予め設定され、推定部で推定される回転速度が正逆回転速度範囲にある場合には、推定部は、推定した回転速度に代えて一定の回転速度値を出力すると共に、該回転速度値を用いて磁極電気角を生成する。
さらに好ましい実施形態では、ポンプロータを磁気浮上支持するラジアル磁気軸受およびアキシャル磁気軸受と、ラジアル磁気軸受およびアキシャル磁気軸受を制御する磁気軸受制御部と、をさらに備え、モータ始動時の回転速度が正逆回転速度範囲にある場合には、インバータ回路によるモータ駆動は停止され、磁気軸受制御部は、ラジアル磁気軸受の吸引力によりポンプロータをモータ正回転方向と逆方向に公転運動させるともにモータ正回転方向に自転運動させる。
さらに好ましい実施形態では、前記領域における繰り返し周期および遮断の期間を、モータの回転速度が大きくなるに従って短くなるように複数段階で切り換える。
さらに好ましい実施形態では、検出された逆起電圧情報を含む信号を増幅し、増幅ゲインが複数段で切り換え可能な増幅部と、前記領域において、回転速度が小さいほど増幅ゲインが大きくなるように、増幅部の増幅ゲインを切り換えるゲイン切換部と、を備える。
さらに好ましい実施形態では、検出された逆起電圧情報を含む信号を増幅し、増幅ゲインが複数段で切り換え可能な増幅部と、前記領域において、回転速度が小さいほど増幅ゲインが大きくなるように、増幅部の増幅ゲインを切り換えるゲイン切換部と、を備え、増幅ゲインの切換段数と繰り返し周期および遮断の期間の切換段数とが同一とされ、かつ、増幅ゲインの切換時回転速度と繰り返し周期および遮断の期間の切換時回転速度とが同一とされる。
−第1の実施の形態−
図1は、本実施の形態の真空ポンプを説明する図である。図1に示す真空ポンプは磁気浮上式ターボ分子ポンプであって、図1ではターボ分子ポンプのポンプユニット1の構成を示している。ターボ分子ポンプは、図1に示すポンプユニット1と、ポンプユニット1を駆動するコントロールユニット(不図示)とを備えている。
図4は、正弦波駆動制御部400を説明するブロック図である。図3においても説明したが、モータMに流れる3相電流は電流検知部50により検出され、検出された電流検知信号はローパスフィルタ409に入力される。一方、モータMの3相電圧は電圧検知部51により検出され、検出された電圧検知信号はローパスフィルタ410に入力される。
図6は、回転速度・磁極位置推定部407の詳細を示す図である。電圧検知部51から出力された相電圧検知信号vv,vu,vwは、ローパスフィルタ410を介して3相-2相変換部4072に入力される。3相-2相変換部4072は3相の電圧信号を2相の電圧信号vα’,vβ’に変換する。変換後の電圧信号vα’,vβ’は逆起電圧演算部4074に入力される。
Δφ=g1×(Ψ−π/2) :Ψ−π/2≠0の場合
Δφ=0 :Ψ−π/2=0の場合 …(5)
Δφ=g1×(Ψ+π/2) :Ψ+π/2≠0の場合
Δφ=0 :Ψ+π/2=0の場合 …(6)
θs(次回)=積分値(次回)+Δφ …(9)
ところで、上述した逆起電圧算出に関する式(3)は、比較的電流、電圧の振幅の時間的な変動が小さい、定常応答と見なせる場合に成立する式であるが、通常の運転では、上記変動が十分に小さいとみなせるので適用可能である。電圧ベクトル(Eα,Eβ)の大きさE(=√ (Eα ^2+Eβ ^2))は回転数に比例する電圧で、超低速の回転領域(例えばモータ始動時)では微弱な電圧値となる。一方、インバータ43の出力電圧は、通常、PWM出力であるが、この電圧値は、定格回転における逆起電圧と同等以上の電圧値(ターボ分子ポンプの一例として、数十V)である。
上述した第1の実施の形態では、回転数が数十rps以下(例えば、30rps以下)という低速回転領域(ω<ω1の領域)において、回転速度ωおよび磁極電気角θを高精度に推定するために、上述したようなオープン区間やショート区間を設けて微弱信号(電圧、あるいは電流)を検出するようにした。しかしながら、このような測定を行っても、回転速度が極限的にゼロ(ロータ停止)に近い場合には、推定誤差が大きくなるのを避けることができない。
(a)回転速度ωs(出力される回転速度)の設定
ω<−ωO ・・・ ωs=ω(推定回転速度)
−ωO≦ω≦+ωO ・・・ ωs=ω2(所定の正の固定値)
+ωO<ω ・・・ ωs=ω(推定回転速度)
(b)磁極電気角θs(出力される磁極電気角)の設定
ω<−ωO ・・・ θs=θ(推定磁極電気角)
−ωO≦ω≦+ωO ・・・ θs=∫(ω2)dt
+ωO<ω ・・・ θs=θ(推定磁極電気角)
(c)Id=0とし、Iqは下記のように設定
ω<−ωO ・・・ Iq<0に設定(常に減速駆動)
−ωO≦ω≦+ωO ・・・ Iq<0に設定(駆動方向は不定)
+ωO<ω ・・・ Iq<0に設定(減速指令の場合)
Iq>0に設定(加速指令の場合)
回転速度・磁極位置推定部407で推定された回転速度ωがこの範囲である場合には、回転速度・磁極位置推定部407はこの推定されたωを回転速度ωsとして出力し、推定されたθを磁極電気角θsとして出力する。この場合、正回転(+ωO<ω)と推定されているので、Id・Iq設定部402は、減速指令の場合には回転速度が低下するようにIq<0に設定する。逆に、加速指令の場合には、回転速度が上昇するようにIq>0に設定する。
回転速度ωが強制区間(−ωO≦ω≦+ωO)である場合には、誤差が大きいので推定値の信頼性が非常に低く、正しい推定を行うのは不可能である。そのため、推定された回転速度ωに基づいて電流を設定した場合、モータ回転速度が−ωO≦ω≦+ωOに停留してしまうおそれがある。そこで、本実施の形態では、推定値ωには関係なく、予め決めた一定の回転速度ω2で強制的に回転磁界を形成し、モータ回転方向が正回転・逆回転のいずれであっても、強制区間(−ωO≦ω≦+ωO)から逆起電圧に基づく推定が可能な強制区間外へと速やかに移行させるようにした。
ω<−ωOの場合には、第1の実施の形態の方法を用いることで回転速度を推定することができるので、ω生成部4115は、推定した回転速度ωをωs=ωとして出力する。磁極電気角θsの設定に関しても、補正量Δφ演算部4077で推定された磁極位相ズレ補正量Δφと、上述の回転速度ωsとを用いて算出された磁極電気角(θ=∫(ωs)dt+Δφ)を磁極電気角θsに設定する。さらに、ω<−ωOは逆回転を示しているので、真空ポンプへの適用上、Id・Iq設定部402においてIq<0と設定して常に減速駆動させる。図12は、推定回転速度ωとIq設定との関係を示す図である。
上述した第1および第2の実施の形態では、低速回転領域(−ω1<ω<+ω1)において、インバータ43からの駆動電圧成分による悪影響の低減を図るために、図8、11に示すようにオープン区間(あるいはショート区間)を周期的に設けるようにした。しかしながら、オープン区間やショート区間においては、インバータ43からモータ駆動のための電流が流れないので、その分だけ駆動能力が落ちて始動開始後の起動時間が長くなってしまうという問題がある。
Ip×(dω/dt)+c×ω=Tt−Tr ・・・(12)
△ωd={(Tr+c×ω)/Ip}×T2 ・・・(13)
△ωu={(Tt−Tr−c×ω)/Ip}×(T1−T2) ・・・(14)
図21は、第4の実施の形態における正弦波駆動制御部400を説明するブロック図である。第4の実施の形態では、図21に示す信号増幅ゲイン設定部412をさらに設け、上述した第3の実施の形態の構成に、さらに以下に示すようなゲイン切換制御を加えるようにした。
また、上述した第1〜第4の実施の形態では、インバータ43のスイッチング素子SW1〜SW6のオンオフを制御してオープン区間またはショート区間を生成して遮断区間(T2)を形成した。しかし、遮断区間(T2)を生成する方法はこれに限らず、インバータ43とモータMとの間の動力ラインにスイッチを設けて、オープン状態またはショート状態を生成するようにしても良い。本実施の形態と第1〜第4の実施の形態との相違点は、オープン区間およびショート区間の生成機構のみが異なるので、以下では、オープン区間およびショート区間の生成動作のみを説明する。
Claims (9)
- ポンプロータを回転駆動するモータと、
正弦波駆動指令を生成する正弦波駆動指令生成部と、
前記正弦波駆動指令に基づいてPWM駆動指令を生成するPWM駆動指令生成部と、
前記PWM駆動指令に基づいてオンオフ制御される複数のスイッチング素子を有し、前記複数のスイッチング素子のオンオフにより生成される駆動電流をモータに供給あるいは、モータから回生するインバータ回路と、
前記モータの逆起電圧情報を含む信号を検出して、前記モータの磁極電気角および回転速度を推定する推定部と、
モータ始動時の加速動作あるいは停止時の減速動作の、停止状態から所定回転速度までの低速期間は、前記インバータ回路を介して電源から前記モータに供給あるいは、モータから電源へ回生される駆動電流の生成および遮断を繰り返し行わせる駆動電流制御部と、を備え、
前記推定部は、前記低速期間においては、前記遮断時の前記信号を検出して前記磁極電気角および回転速度を推定する、真空ポンプ。 - 請求項1に記載の真空ポンプにおいて、
前記駆動電流制御部は、前記低速期間において、前記PWM駆動指令に基づくオンオフ指令に基づく前記駆動電流の供給あるいは回生と、前記複数のスイッチング素子の全てをオフ状態にすることによる前記駆動電流の遮断とを繰り返し行わせ、
前記推定部は、前記低速期間においては、前記遮断時のモータ相電圧を前記信号として検出し、前記磁極電気角および回転速度を推定する、真空ポンプ。 - 請求項1に記載の真空ポンプにおいて、
前記駆動電流制御部は、前記低速期間において、前記PWM駆動指令に基づくオンオフ指令に基づく前記駆動電流の供給あるいは回生と、前記モータの各相の電位を同一電位とする短絡制御による前記駆動電流の遮断とを繰り返し行わせ、
前記推定部は、前記低速期間においては、前記遮断時のモータ相電流を前記信号として検出し、前記磁極電気角および回転速度を推定する、真空ポンプ。 - 請求項1乃至3のいずれか一項に記載の真空ポンプにおいて、
前記遮断の期間は前記PWM周期よりも長く、
前記遮断は、前記遮断の期間における回転周期よりも短い繰り返し周期で繰り返し行われる、真空ポンプ。 - 請求項1乃至4のいずれか一項に記載の真空ポンプにおいて、
回転速度が前記所定回転速度よりも小さく、回転速度ゼロを挟んだ所定の正逆回転速度範囲が予め設定され、
前記推定部で推定される回転速度が前記正逆回転速度範囲にある場合には、前記推定部は、推定した回転速度に代えて一定の回転速度値を出力すると共に、該回転速度値を用いて磁極電気角を生成する、真空ポンプ。 - 請求項1に記載の真空ポンプにおいて、
前記ポンプロータを磁気浮上支持するラジアル磁気軸受およびアキシャル磁気軸受と、
前記ラジアル磁気軸受およびアキシャル磁気軸受を制御する磁気軸受制御部と、をさらに備え、
モータ始動時の回転速度が前記正逆回転速度範囲にある場合には、
前記インバータ回路によるモータ駆動は停止され、
前記磁気軸受制御部は、前記ラジアル磁気軸受の吸引力により前記ポンプロータをモータ正回転方向と逆方向に公転運動させるともにモータ正回転方向に自転運動させる、真空ポンプ。 - 請求項1乃至6のいずれか一項に記載の真空ポンプにおいて、
前記低速期間における前記繰り返し周期および前記遮断の期間を、前記モータの回転速度が大きくなるに従って短くなるように複数段階で切り換える、真空ポンプ。 - 請求項1乃至6のいずれか一項に記載の真空ポンプにおいて、
検出された前記逆起電圧情報を含む信号を増幅し、増幅ゲインが複数段で切り換え可能な増幅部と、
前記低速期間において、回転速度が小さいほど増幅ゲインが大きくなるように、前記増幅部の増幅ゲインを切り換えるゲイン切換部と、を備える、真空ポンプ。 - 請求項7に記載の真空ポンプにおいて、
検出された前記逆起電圧情報を含む信号を増幅し、増幅ゲインが複数段で切り換え可能な増幅部と、
前記低速期間において、回転速度が小さいほど増幅ゲインが大きくなるように、前記増幅部の増幅ゲインを切り換えるゲイン切換部と、を備え、
前記増幅ゲインの切換段数と前記繰り返し周期および前記遮断の期間の切換段数とが同一とされ、かつ、前記増幅ゲインの切換時回転速度と前記繰り返し周期および前記遮断の期間の切換時回転速度とが同一とされる、真空ポンプ。
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