JP2018132167A - Magnetic bearing device and vacuum pump - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a low-vibration magnetic bearing device at low cost.SOLUTION: A magnetic bearing device includes: a vibration compensation unit 422 to which an estimated rotational speed and estimated electric angle of a motor 42 are input, and configured to process a displacement signal from a displacement sensor 50 so as to reduce a vibration component resulting from rotor rotation contained in electromagnet force of a magnetic bearing; and a floating control unit 423 configured to control current of the magnetic bearing based on the processed displacement signal processed by the vibration compensation unit 422. The vibration compensation unit 422 is configured to, when it is determined that the estimated rotational speed is within a predetermined rotational speed range containing a setting rotational speed, process a displacement signal based on a setting electric angle arithmetically generated from the setting rotational speed, and when it is determined that it is out of range, process a displacement signal based on the estimated electric angle.SELECTED DRAWING: Figure 3

Description

本発明は、磁気軸受装置および真空ポンプに関する。   The present invention relates to a magnetic bearing device and a vacuum pump.

磁気懸垂式ロータでは、ロータアンバランスがあると、そのロータアンバランスに起因する回転周波数成分の振動が発生し、電磁石力の反作用によりその振動がステータ側に伝達される。特許文献１には、このようなステータ側で発生する望ましくない振動を低減補償する磁気軸受制御装置が記載されている。   In the magnetically suspended rotor, if there is rotor unbalance, vibration of a rotational frequency component due to the rotor unbalance occurs, and the vibration is transmitted to the stator side by the reaction of the electromagnet force. Patent Document 1 describes a magnetic bearing control device that reduces and compensates for such undesirable vibration generated on the stator side.

特許文献１に記載の技術では、演算の基になる回転角度の生成については、回転数変換回路を設けている。一般的に、回転角度を生成する装置としては、例えば、磁気位置検出器（レゾルバ）等がある。そして、これらの装置で検出した磁極位置のパルス信号やサイン波信号から回転角度が生成される。   In the technique described in Patent Document 1, a rotation speed conversion circuit is provided for generating a rotation angle that is a basis of calculation. In general, an apparatus for generating a rotation angle includes, for example, a magnetic position detector (resolver). Then, the rotation angle is generated from the pulse signal and sine wave signal of the magnetic pole position detected by these devices.

特開昭５２−９３８５２号公報JP 52-93852 A

しかしながら、レゾルバ等は回転速度、位置情報の精度が高いが、高コストであるという課題があった。   However, although the resolver and the like have high rotational speed and position information accuracy, there is a problem of high cost.

本発明の好ましい実施形態による磁気軸受装置は、回転センサレス方式のモータにより一定の設定回転速度で回転駆動されるロータと、前記ロータを磁気浮上支持する磁気軸受と、前記ロータの浮上目標位置からの変位を検出して変位信号を出力する変位センサと、前記モータの推定回転速度および推定電気角が入力され、前記磁気軸受の電磁石力に含まれるロータ回転に起因する振動成分を低減するように前記変位信号を処理する信号処理部と、前記信号処理部で処理された処理後変位信号に基づいて前記磁気軸受の電流を制御する軸受電流制御部と、前記推定回転速度が前記設定回転速度を含む所定回転速度範囲の範囲内か否かを判定する判定部と、を備え、前記信号処理部は、前記判定部により範囲内と判定されると前記設定回転速度から演算生成される設定電気角に基づいて前記変位信号の処理を行い、前記判定部により範囲外と判定されると前記推定電気角に基づいて前記変位信号の処理を行う。
さらに好ましい実施形態では、前記信号処理部は前記変位信号から前記変位信号の回転成分を除去した第１信号成分を生成し、前記軸受電流制御部は、前記第１信号成分に基づいて前記磁気軸受の電流を制御する。
さらに好ましい実施形態では、前記信号処理部は、前記第１信号成分に加えて、前記変位の回転成分に起因する電磁石力を打ち消す電磁石力を発生させる第２信号成分を生成し、前記軸受電流制御部は、前記第１信号成分と前記第２信号成分とに基づいて前記磁気軸受の電流を制御する。
さらに好ましい実施形態では、前記変位センサにより検出されたセンサ位置変位を、前記磁気軸受の位置における軸受位置変位に変換する変位変換部を備え、前記信号処理部は、前記軸受位置変位の回転成分に起因する電磁石力を打ち消す電磁石力を発生させる第２信号成分を生成する。
さらに好ましい実施形態では、前記設定回転速度から設定電気角を演算生成する際に、前記推定電気角に基づいて前記変位信号の処理を行う期間においては、前記推定電気角のπから−πへの切り替わりに同期して前記設定電気角を−πへと位相補正する。
さらに好ましい実施形態では、前記設定電気角を前記軸受電流制御部における制御周期よりも短い周期で生成し、生成された設定電気角の内の前記制御周期に対応する設定電気角を前記変位信号の処理を行う際の設定電気角として用いる。
さらに好ましい実施形態では、値πから前記設定電気角を減算した結果が前記軸受電流制御部の制御周期における設定電気角の増分よりも小さい場合には、前記設定電気角に前記増分を加算しかつ値πを減算した結果を、前記設定電気角の生成から制御周期経過後の設定電気角とする。
さらに好ましい実施形態では、前記モータの相電圧および相電流に基づいて前記推定回転速度および前記推定電気角を推定し、前記推定回転速度および前記推定電気角に基づいて前記モータを制御するモータ制御部をさらに備え、前記モータ制御部は速度制御処理部および位置制御処理部を有し、前記判定部により範囲内と判定されると前記速度制御処理部および前記位置制御処理部による各処理を適用して前記モータを制御し、前記判定部により範囲外と判定されると前記速度制御処理部による処理のみを適用して前記モータを制御する。
本発明の好ましい実施形態による真空ポンプは、ポンプロータと、前記ポンプロータを回転駆動するモータと、前記ポンプロータのロータ軸を磁気浮上支持する上述の磁気軸受装置と、を備える。 A magnetic bearing device according to a preferred embodiment of the present invention includes a rotor that is rotationally driven by a rotation sensorless motor at a constant rotational speed, a magnetic bearing that supports the rotor magnetically levitated, A displacement sensor that detects displacement and outputs a displacement signal, and an estimated rotational speed and estimated electrical angle of the motor are input, and the vibration component due to rotor rotation included in the electromagnet force of the magnetic bearing is reduced. A signal processing unit for processing a displacement signal; a bearing current control unit for controlling a current of the magnetic bearing based on a post-processing displacement signal processed by the signal processing unit; and the estimated rotational speed includes the set rotational speed A determination unit that determines whether or not the rotation speed is within a predetermined rotation speed range, and the signal processing unit is configured to determine that the rotation speed is within the range by the determination unit. Performs processing of the displacement signal based on the set electrical angle are al operations generated, the process of the displacement signal based on the estimated electrical angle to be determined range by the determination unit.
In a further preferred embodiment, the signal processing unit generates a first signal component obtained by removing a rotational component of the displacement signal from the displacement signal, and the bearing current control unit generates the magnetic bearing based on the first signal component. To control the current.
In a further preferred embodiment, the signal processing unit generates, in addition to the first signal component, a second signal component that generates an electromagnetic force that cancels the electromagnetic force caused by the rotational component of the displacement, and the bearing current control The unit controls the current of the magnetic bearing based on the first signal component and the second signal component.
In a further preferred embodiment, the apparatus further comprises a displacement converter that converts the sensor position displacement detected by the displacement sensor into a bearing position displacement at the position of the magnetic bearing, and the signal processing unit uses the rotational component of the bearing position displacement as a rotational component. A second signal component that generates an electromagnet force that cancels the electromagnet force that is caused is generated.
In a more preferred embodiment, when the set electrical angle is calculated and generated from the set rotational speed, the estimated electrical angle is changed from π to −π during a period in which the displacement signal is processed based on the estimated electrical angle. The phase of the set electrical angle is corrected to −π in synchronization with the switching.
In a further preferred embodiment, the set electrical angle is generated in a cycle shorter than the control cycle in the bearing current control unit, and the set electrical angle corresponding to the control cycle among the generated set electrical angles is set to the displacement signal. Used as the set electrical angle when processing.
In a further preferred embodiment, when the result of subtracting the set electrical angle from the value π is smaller than the increment of the set electrical angle in the control period of the bearing current control unit, the increment is added to the set electrical angle and A result obtained by subtracting the value π is set as a set electrical angle after the control cycle has elapsed since the generation of the set electrical angle.
In a further preferred embodiment, a motor control unit that estimates the estimated rotational speed and the estimated electrical angle based on the phase voltage and phase current of the motor and controls the motor based on the estimated rotational speed and the estimated electrical angle. The motor control unit includes a speed control processing unit and a position control processing unit, and when the determination unit determines that it is within the range, the motor control unit applies each process by the speed control processing unit and the position control processing unit. The motor is controlled, and when the determination unit determines that the motor is out of the range, only the processing by the speed control processing unit is applied to control the motor.
A vacuum pump according to a preferred embodiment of the present invention includes a pump rotor, a motor that rotationally drives the pump rotor, and the above-described magnetic bearing device that magnetically supports the rotor shaft of the pump rotor.

本発明によれば、より低振動な磁気軸受装置を低コストで提供することができる。   According to the present invention, a magnetic bearing device with lower vibration can be provided at a low cost.

図１は、磁気軸受式ターボ分子ポンプの概略構成を示す図である。FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a magnetic bearing type turbo molecular pump. 図２は、コントロールユニットの概略構成を示すブロック図である。FIG. 2 is a block diagram showing a schematic configuration of the control unit. 図３は、磁気軸受制御系の機能ブロック図である。FIG. 3 is a functional block diagram of the magnetic bearing control system. 図４は、制御軸１軸分の磁気軸受の概略構成を示す模式図である。FIG. 4 is a schematic diagram showing a schematic configuration of magnetic bearings for one control shaft. 図５は、回転成分振動の低減補償制御を説明するブロック図である。FIG. 5 is a block diagram for explaining reduction compensation control of rotational component vibration. 図６は、センサレスモータ制御に関する主要構成を示すブロック図である。FIG. 6 is a block diagram showing a main configuration related to sensorless motor control. 図７は、電気角を説明する図である。FIG. 7 is a diagram illustrating the electrical angle. 図８は、第１の実施の形態の変形例を示す図である。FIG. 8 is a diagram illustrating a modification of the first embodiment. 図９は、第２の実施の形態を説明する図である。FIG. 9 is a diagram for explaining the second embodiment. 図１０は、第３の実施の形態を説明する図である。FIG. 10 is a diagram for explaining the third embodiment. 図１１は、変位変換処理を説明する図である。FIG. 11 is a diagram illustrating the displacement conversion process. 図１２は、設定部の変形例を示す図である。FIG. 12 is a diagram illustrating a modification of the setting unit. 図１３は、推定電気角θeから設定電気角θsへの切り替えタイミングを説明する図である。FIG. 13 is a diagram illustrating the switching timing from the estimated electrical angle θe to the set electrical angle θs. 図１４は、デジタル処理における離散時間誤差への対処を説明する図である。FIG. 14 is a diagram for explaining how to deal with discrete time errors in digital processing.

以下、図を参照して本発明を実施するための形態について説明する。
−第１の実施の形態−
図１は、磁気軸受装置を備えた磁気軸受式ターボ分子ポンプの概略構成を示す図である。ターボ分子ポンプ１は、図１に示すポンプ本体と、ポンプ本体を駆動制御するコントロールユニットとにより構成されている。なお、図１では、コントロールユニットの図示を省略した。 Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings.
-First embodiment-
FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a magnetic bearing type turbo molecular pump provided with a magnetic bearing device. The turbo molecular pump 1 includes a pump main body shown in FIG. 1 and a control unit that drives and controls the pump main body. In FIG. 1, the control unit is not shown.

ポンプロータ３に設けられたロータ軸５は、ラジアル磁気軸受４Ａ，４Ｂおよびアキシャル磁気軸受４Ｃによって非接触支持される。ラジアル磁気軸受４Ａ，４Ｂの各々は、ロータ軸５の径方向に配置された４つの磁気軸受電磁石を備えている。アキシャル磁気軸受４Ｃの磁気軸受電磁石は、ロータ軸５の下部に固定されたスラストディスク１０を軸方向に挟むように配置されている。   The rotor shaft 5 provided in the pump rotor 3 is supported in a non-contact manner by radial magnetic bearings 4A and 4B and an axial magnetic bearing 4C. Each of the radial magnetic bearings 4 </ b> A and 4 </ b> B includes four magnetic bearing electromagnets arranged in the radial direction of the rotor shaft 5. The magnetic bearing electromagnet of the axial magnetic bearing 4C is disposed so as to sandwich the thrust disk 10 fixed to the lower portion of the rotor shaft 5 in the axial direction.

ロータ軸５の変位は、ラジアル方向の変位センサ５０ｘ１，５０ｙ１，５０ｘ２，５０ｙ２，とアキシャル方向の変位センサ５１によって検出される。変位センサ５０ｘ１，５０ｙ１，５０ｘ２，５０ｙ２，５１には、センサコアにコイルを巻き回した構成のインダクタンス式変位センサが用いられている。   The displacement of the rotor shaft 5 is detected by a radial displacement sensor 50x1, 50y1, 50x2, 50y2, and an axial displacement sensor 51. For the displacement sensors 50x1, 50y1, 50x2, 50y2, and 51, inductance type displacement sensors having a configuration in which a coil is wound around a sensor core are used.

磁気軸受によって回転自在に磁気浮上されたポンプロータ３は、モータ４２により高速回転駆動される。モータ４２にはブラシレスＤＣモータ等が用いられる。なお、図１では、模式的にモータ４２と記載しているが、より詳細には、符号４２で示した部分はモータステータを構成し、ロータ軸５側にモータロータが設けられている。   The pump rotor 3 magnetically levitated by a magnetic bearing is rotated at high speed by a motor 42. A brushless DC motor or the like is used for the motor 42. In FIG. 1, the motor 42 is schematically described, but more specifically, a portion denoted by reference numeral 42 constitutes a motor stator, and a motor rotor is provided on the rotor shaft 5 side.

モータ４２によって回転駆動されるロータ軸５の下端には、センサターゲット２９が設けられている。上述したアキシャル方向の変位センサ５１は、センサターゲット２９の下面と対向する位置に配置されている。磁気軸受が動作していないときには、ロータ軸５は非常用のメカニカルベアリング２６ａ，２６ｂによって支持される。   A sensor target 29 is provided at the lower end of the rotor shaft 5 that is rotationally driven by the motor 42. The axial displacement sensor 51 described above is disposed at a position facing the lower surface of the sensor target 29. When the magnetic bearing is not operating, the rotor shaft 5 is supported by emergency mechanical bearings 26a and 26b.

ポンプロータ３には、回転側排気機能部を構成する複数段の回転翼３ａと円筒部３ｂとが形成されている。一方、固定側には、固定側排気機能部である固定翼２２とネジステータ２４とが設けられている。複数段の固定翼２２は、軸方向に対して回転翼３ａと交互に配置されている。ネジステータ２４は、円筒部３ｂの外周側に所定のギャップを隔てて設けられている。   The pump rotor 3 is formed with a plurality of stages of rotating blades 3a and a cylindrical portion 3b that constitute the rotation-side exhaust function unit. On the other hand, the fixed side is provided with a fixed blade 22 and a screw stator 24 which are fixed-side exhaust function units. The plurality of stages of fixed blades 22 are alternately arranged with the rotary blades 3a in the axial direction. The screw stator 24 is provided on the outer peripheral side of the cylindrical portion 3b with a predetermined gap.

各固定翼２２は、スペーサリング２３を介してベース２０上に載置される。ポンプケーシング２１の固定フランジ２１ｃをボルトによりベース２０に固定すると、積層されたスペーサリング２３がベース２０とポンプケーシング２１との間に挟持され、固定翼２２が位置決めされる。ベース２０には排気ポート２５が設けられ、この排気ポート２５にバックポンプが接続される。ポンプロータ３を磁気浮上させつつモータ４２により高速回転駆動することにより、吸気口２１ａ側の気体分子は排気ポート２５側へと排気される。   Each fixed wing 22 is placed on the base 20 via the spacer ring 23. When the fixing flange 21c of the pump casing 21 is fixed to the base 20 with a bolt, the stacked spacer ring 23 is sandwiched between the base 20 and the pump casing 21, and the fixed blade 22 is positioned. The base 20 is provided with an exhaust port 25, and a back pump is connected to the exhaust port 25. When the pump rotor 3 is magnetically levitated and driven at high speed by the motor 42, gas molecules on the intake port 21a side are exhausted to the exhaust port 25 side.

図２は、コントロールユニットの概略構成を示すブロック図である。外部からのＡＣ入力は、コントロールユニットに設けられたＤＣ電源４０によって交流から直流に変換される。ＤＣ電源４０は、インバータ４１用の電源、励磁アンプ４３用の電源、制御部４４用の電源をそれぞれ生成する。   FIG. 2 is a block diagram showing a schematic configuration of the control unit. The AC input from the outside is converted from alternating current to direct current by a DC power supply 40 provided in the control unit. The DC power source 40 generates a power source for the inverter 41, a power source for the excitation amplifier 43, and a power source for the control unit 44, respectively.

モータ４２に電力を供給するインバータ４１には、複数のスイッチング素子が備えられている。これらのスイッチング素子のオンオフを制御部４４によって制御することにより、モータ４２が駆動される。   The inverter 41 that supplies electric power to the motor 42 includes a plurality of switching elements. The motor 42 is driven by controlling the on / off of these switching elements by the control unit 44.

上述したように、ロータ軸５を磁気浮上支持する磁気軸受は、ラジアル方向に４軸、アキシャル方向に１軸を備える５軸制御型磁気軸受である。各軸毎に一対の磁気軸受電磁石が設けられているので、図２に示すように１０個の磁気軸受電磁石４５が設けられている。磁気軸受電磁石４５に電力を供給する励磁アンプ４３は、１０個の磁気軸受電磁石４５のそれぞれに設けられている。   As described above, the magnetic bearing that magnetically supports the rotor shaft 5 is a five-axis control type magnetic bearing having four axes in the radial direction and one axis in the axial direction. Since a pair of magnetic bearing electromagnets are provided for each axis, ten magnetic bearing electromagnets 45 are provided as shown in FIG. An excitation amplifier 43 that supplies power to the magnetic bearing electromagnet 45 is provided in each of the ten magnetic bearing electromagnets 45.

モータ４２の駆動および磁気軸受の駆動を制御する制御部４４は、例えば、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等のデジタル演算器とその周辺回路により構成される。モータ制御に関しては、インバータ４１に設けられている複数のスイッチング素子をオンオフ制御するためのＰＷＭ制御信号４１ａが、制御部４４からインバータ４１へ入力される。また、インバータ４１から制御部４４へは、モータ４２に関する相電圧および相電流に関する信号４１ｂが入力される。   The control unit 44 that controls the driving of the motor 42 and the driving of the magnetic bearing is constituted by, for example, a digital arithmetic unit such as an FPGA (Field Programmable Gate Array) and its peripheral circuits. Regarding motor control, a PWM control signal 41 a for on / off control of a plurality of switching elements provided in the inverter 41 is input from the control unit 44 to the inverter 41. In addition, a signal 41 b regarding the phase voltage and phase current related to the motor 42 is input from the inverter 41 to the control unit 44.

磁気軸受制御に関しては、励磁アンプ４３に設けられたスイッチング素子をオンオフ制御するためのＰＷＭゲート駆動信号４３ａが、制御部４４から各励磁アンプ４３へ入力される。また、各励磁アンプ４３から制御部４４へは、各磁気軸受電磁石４５の電流値に関する電流検出信号４３ｂが入力される。   As for the magnetic bearing control, a PWM gate drive signal 43 a for on / off control of the switching element provided in the excitation amplifier 43 is input from the control unit 44 to each excitation amplifier 43. Further, a current detection signal 43 b related to the current value of each magnetic bearing electromagnet 45 is input from each excitation amplifier 43 to the control unit 44.

各変位センサ５０ｘ１，５０ｙ１，５０ｘ２，５０ｙ２，５１には、センサ回路３３がそれぞれ設けられている。制御部４４から各センサ回路３３には、センサキャリア信号（搬送波信号）３０５が入力される。各センサ回路３３から制御部４４には、ロータ軸の変位により変調されたセンサ信号３０６が入力される。   Each displacement sensor 50x1, 50y1, 50x2, 50y2, 51 is provided with a sensor circuit 33, respectively. A sensor carrier signal (carrier wave signal) 305 is input from the control unit 44 to each sensor circuit 33. A sensor signal 306 modulated by the displacement of the rotor shaft is input from each sensor circuit 33 to the control unit 44.

図３は、図１に示したラジアル磁気軸受４Ａ，４Ｂに関する磁気軸受制御系の概略構成を示すブロック図である。図３において、磁気軸受電磁石４５はラジアル４軸分の８個の磁気軸受電磁石を表しており、同様に、変位センサ５０、センサ回路３３、励磁アンプ４３についても８個の磁気軸受電磁石に対応して各々設けられた８個の変位センサ、センサ回路、励磁アンプを表している。励磁アンプ４３から磁気軸受電磁石４５に供給される励磁電流は電流センサ４６によって検出される。   FIG. 3 is a block diagram showing a schematic configuration of a magnetic bearing control system related to the radial magnetic bearings 4A and 4B shown in FIG. In FIG. 3, the magnetic bearing electromagnet 45 represents eight magnetic bearing electromagnets for four radial axes. Similarly, the displacement sensor 50, the sensor circuit 33, and the excitation amplifier 43 also correspond to eight magnetic bearing electromagnets. 8 displacement sensors, sensor circuits, and excitation amplifiers provided respectively. The excitation current supplied from the excitation amplifier 43 to the magnetic bearing electromagnet 45 is detected by a current sensor 46.

制御部４４は、モータ４２を制御するモータ制御部４１０と、磁気軸受電磁石４５の励磁電流を制御する磁気軸受制御部４２０とを備えている。磁気軸受制御部４２０は、復調部４２１，振動補償部４２２および浮上制御部４２３を備えている。   The control unit 44 includes a motor control unit 410 that controls the motor 42 and a magnetic bearing control unit 420 that controls the excitation current of the magnetic bearing electromagnet 45. The magnetic bearing control unit 420 includes a demodulation unit 421, a vibration compensation unit 422, and a levitation control unit 423.

変位センサ５０で変調されたセンサ信号は、センサ回路３３に入力される。センサ回路３３では、ロータ軸５を挟んで対向配置された一対の変位センサ（後述する図４を参照）からのセンサ信号に関して差分が取られ、その差分信号はバンドパスフィルタ（不図示）によりフィルタ処理される。センサ回路３３から出力された差分信号は、制御部４４のＡＤコンバータ（不図示）によりＡＤサンプリングされ、磁気軸受制御部４２０の復調部４２１に入力されて復調処理が行われる。復調部４２１からは、変位センサ信号に基づく変位信号、すなわち、図１の変位センサ５０ｘ１，５０ｙ１の位置における変位を表す変位信号ｘs1，ｙs1および変位センサ５０ｘ２，５０ｙ２の位置における変位を表す変位信号ｘs2，ｙs2が出力される。なお、ＡＤサンプリング処理にて復調される、所謂ダイレクト検波方式の場合は、ＡＤコンバータ自体が復調部となる。   The sensor signal modulated by the displacement sensor 50 is input to the sensor circuit 33. In the sensor circuit 33, a difference is taken with respect to a sensor signal from a pair of displacement sensors (see FIG. 4 described later) arranged opposite to each other with the rotor shaft 5 interposed therebetween, and the difference signal is filtered by a band pass filter (not shown). It is processed. The differential signal output from the sensor circuit 33 is AD-sampled by an AD converter (not shown) of the control unit 44 and input to the demodulation unit 421 of the magnetic bearing control unit 420 to be demodulated. From the demodulator 421, displacement signals based on displacement sensor signals, that is, displacement signals xs1, ys1 representing displacement at the positions of the displacement sensors 50x1, 50y1 in FIG. 1 and displacement signal xs2 representing displacement at the positions of the displacement sensors 50x2, 50y2 are shown. , Ys2 are output. In the case of a so-called direct detection method that is demodulated by AD sampling processing, the AD converter itself is a demodulator.

振動補償部４２２は、復調部４２１から出力された変位信号に対して、ロータ振れ回りに起因する振動に関する補償制御を行う。振動補償部４２２にはモータ制御部４１０からロータ回転に関する電気角θが入力され、振動補償部４２２は電気角θに基づいて振動補償制御を行う。なお、振動補償部４２２における振動補償制御の詳細については後述する。   The vibration compensation unit 422 performs compensation control related to vibration caused by the rotor swing around the displacement signal output from the demodulation unit 421. The vibration compensation unit 422 receives an electrical angle θ related to rotor rotation from the motor control unit 410, and the vibration compensation unit 422 performs vibration compensation control based on the electrical angle θ. The details of the vibration compensation control in the vibration compensation unit 422 will be described later.

浮上制御部４２３では、振動補償部４２２から出力された信号に基づいて比例制御、積分制御および微分制御、位相補正、その他の制御補償を行い、浮上制御電流設定を生成する。励磁アンプ４３に設けられたスイッチング素子は、浮上制御電流設定に基づいてオンオフ制御される。その結果、オンオフ制御のスイッチングパターンに応じた電圧が磁気軸受電磁石４５のコイルに印加され、それにより磁気軸受電磁石４５の励磁電流が制御される。励磁電流は電流センサ４６により検出され、検出結果は浮上制御部４２３にフィードバックされる。   The levitation control unit 423 performs proportional control, integral control and differential control, phase correction, and other control compensation based on the signal output from the vibration compensation unit 422 to generate a levitation control current setting. The switching element provided in the excitation amplifier 43 is on / off controlled based on the levitation control current setting. As a result, a voltage corresponding to the switching pattern of the on / off control is applied to the coil of the magnetic bearing electromagnet 45, whereby the exciting current of the magnetic bearing electromagnet 45 is controlled. The exciting current is detected by the current sensor 46, and the detection result is fed back to the levitation control unit 423.

（振動補償について）
次に、振動補償部４２２における振動補償処理について説明する。図４は、磁気軸受電磁石４５の制御軸１軸分に関係する構成を示す模式図である。図４においては、図１のラジアル磁気軸受４Ａのｘ方向の一軸に関する構成を示した。ロータ軸５を挟むように、ラジアル方向の磁気浮上支持を行う一対の磁気軸受電磁石４５ｍ，４５ｐが対向配置されている。Ｊはロータ軸５を磁気浮上させる際の浮上目標位置である。各磁気軸受電磁石４５ｍ，４５ｐには、励磁アンプ４３ｍ，４３ｐが設けられている。磁気軸受電磁石４５ｍを流れる励磁電流は電流センサ４６ｍにより検出され、検出結果は浮上制御部４２３に入力される。磁気軸受電磁石４５ｐを流れる励磁電流は電流センサ４６ｐにより検出され、検出結果は浮上制御部４２３に入力される。また、磁気軸受電磁石４５ｍ，４５ｐに対応付けてラジアル方向の変位センサ５０ｘ１ｍ，５０ｘ１ｐが設けられている。 (About vibration compensation)
Next, vibration compensation processing in the vibration compensation unit 422 will be described. FIG. 4 is a schematic diagram showing a configuration related to one control axis of the magnetic bearing electromagnet 45. In FIG. 4, the structure regarding the one axis | shaft of the x direction of the radial magnetic bearing 4A of FIG. 1 was shown. A pair of magnetic bearing electromagnets 45m and 45p that support the magnetic levitation in the radial direction are disposed so as to sandwich the rotor shaft 5 therebetween. J is a levitation target position when the rotor shaft 5 is magnetically levitated. Excitation amplifiers 43m and 43p are provided in the magnetic bearing electromagnets 45m and 45p, respectively. The excitation current flowing through the magnetic bearing electromagnet 45m is detected by the current sensor 46m, and the detection result is input to the levitation control unit 423. The excitation current flowing through the magnetic bearing electromagnet 45p is detected by the current sensor 46p, and the detection result is input to the levitation control unit 423. Also, radial displacement sensors 50x1m and 50x1p are provided in association with the magnetic bearing electromagnets 45m and 45p.

図４に示すようにロータ軸５が変位Δｄrだけ磁気軸受電磁石４５ｐに近づいて、磁気軸受電磁石４５ｍ，４５ｐとロータ軸５とのギャップが変化すると、そのギャップ変化は一対の変位センサ５０ｘ１ｍ、５０ｘ１ｐによって検出される。磁気軸受電磁石４５ｐの励磁電流を減少させるとともに、反対側の磁気軸受電磁石４５ｍの励磁電流を増加させると、磁気軸受電磁石４５ｍの方向に引き寄せられる。その結果、浮上目標位置Ｊに対するロータ軸５の浮上位置のずれが小さくなるように制御される。   As shown in FIG. 4, when the rotor shaft 5 approaches the magnetic bearing electromagnet 45p by a displacement Δdr and the gap between the magnetic bearing electromagnets 45m and 45p and the rotor shaft 5 changes, the gap change is caused by a pair of displacement sensors 50x1m and 50x1p. Detected. When the exciting current of the magnetic bearing electromagnet 45p is decreased and the exciting current of the opposite magnetic bearing electromagnet 45m is increased, the magnetic bearing electromagnet 45m is attracted toward the magnetic bearing electromagnet 45m. As a result, control is performed so that the deviation of the floating position of the rotor shaft 5 from the floating target position J is reduced.

磁気軸受電磁石４５ｍ、４５ｐを流れる励磁電流には、所定の軸受剛性を確保するためのバイアス電流（ＤＣ電流成分）と、ロータ軸５の浮上位置を制御するための制御電流とが含まれている。すなわち、ロータ軸５の浮上位置に応じて制御電流が変化する。制御電流＝０のときのロータ軸５の浮上位置が浮上目標位置Ｊであったとした場合、図３に示すようにロータ軸５を磁気軸受電磁石４５ｐの側に変位させる場合には、磁気軸受電磁石４５ｐの制御電流を＋Δｉとし、反対側の磁気軸受電磁石４５ｍの制御電流を−Δｉとする。ここで、＋Δｉおよび−Δｉは励磁電流の電流変動分に相当する。   The excitation current flowing through the magnetic bearing electromagnets 45m and 45p includes a bias current (DC current component) for ensuring a predetermined bearing rigidity and a control current for controlling the flying position of the rotor shaft 5. . That is, the control current changes according to the floating position of the rotor shaft 5. When the floating position of the rotor shaft 5 when the control current = 0 is the floating target position J, as shown in FIG. 3, when the rotor shaft 5 is displaced toward the magnetic bearing electromagnet 45p, the magnetic bearing electromagnet The control current of 45p is set to + Δi, and the control current of the opposite side magnetic bearing electromagnet 45m is set to −Δi. Here, + Δi and −Δi correspond to the current fluctuation of the exciting current.

図４に示すような変位Δｄrおよび制御電流の変化（±Δｉ）に対して、磁気軸受電磁石４５ｐによる図示右方向の力Ｆp、および磁気軸受電磁石４５ｍによる図示左方向の力Ｆmは比例係数ｋを用いて次式（１），（２）のように表される。式（１），（２）において、Ｄはロータ軸５が浮上目標位置Ｊに磁気浮上されているときのギャップ寸法であり、Ｉは励磁電流に含まれるバイアス電流（ＤＣ電流成分）である。
Ｆp＝ｋ((Ｉ＋Δｉ)/(Ｄ−Δｄr))２ …（１）
Ｆm＝ｋ((Ｉ−Δｉ)/(Ｄ＋Δｄr))２ …（２） For the displacement Δdr and the change of the control current (± Δi) as shown in FIG. 4, the rightward force Fp in the figure by the magnetic bearing electromagnet 45p and the leftward force Fm in the figure by the magnetic bearing electromagnet 45m have a proportional coefficient k. It is expressed as the following equations (1) and (2). In equations (1) and (2), D is a gap dimension when the rotor shaft 5 is magnetically levitated to the levitated target position J, and I is a bias current (DC current component) included in the exciting current.
Fp = k ((I + Δi) / (D−Δdr)) 2 (1)
Fm = k ((I−Δi) / (D + Δdr)) 2 (2)

力Ｆp、Ｆmの変化分ΔＦp、ΔＦmを式（１）、（２）の線形近似により求めると、式（３）、（４）のようになる。よって、ロータ軸５に作用する電磁石力ΔＦ（＝Ｆp−Ｆm）は、次式（５）のように表される。
ΔＦp＝(２ｋＩ/Ｄ２)Δｉ＋(２ｋＩ２/Ｄ３)Δｄr …（３）
ΔＦm＝(−２ｋＩ/Ｄ２)Δｉ＋(−２ｋＩ２/Ｄ３)Δｄr …（４）
ΔＦ＝ΔＦp−ΔＦm
＝(４ｋＩ/Ｄ２)Δｉ＋(４ｋＩ２/Ｄ３)Δｄr …（５） When the changes ΔFp and ΔFm of the forces Fp and Fm are obtained by linear approximation of the equations (1) and (2), equations (3) and (4) are obtained. Therefore, the electromagnet force ΔF (= Fp−Fm) acting on the rotor shaft 5 is expressed by the following equation (5).
ΔFp = ( 2 kI / D 2 ) Δi + ( 2 kI 2 / D 3 ) Δdr (3)
ΔFm = (− 2 kI / D 2 ) Δi + (− 2 kI 2 / D 3 ) Δdr (4)
ΔF = ΔFp−ΔFm
= (4 kI / D 2 ) Δi + (4 kI 2 / D 3 ) Δdr (5)

式（５）に示すように、制御電流Δｉ（励磁電流の電流変動分）および変位Δｄrによる電磁石力ΔＦは、制御電流Δｉに依存する力(４ｋＩ/Ｄ２)Δｉと変位Δｄrに依存する力(４ｋＩ２/Ｄ３)Δｄrとの和として表される。これらの力の大きさは、式（６）のように励磁電流に起因する力のほうが大きい。
(４ｋＩ/Ｄ２)|Δｉ|＞(４ｋＩ２/Ｄ３)|Δｄr| …（６） As shown in the equation (5), the electromagnet force ΔF due to the control current Δi (excitation current fluctuation) and the displacement Δdr is a force (4 kI / D 2 ) Δi that depends on the control current Δi and a force that depends on the displacement Δdr. It is expressed as the sum of (4kI 2 / D 3 ) Δdr. The magnitudes of these forces are larger due to the excitation current as shown in Equation (6).
(4 kI / D 2 ) | Δi |> (4 kI 2 / D 3 ) | Δdr | (6)

ロータアンバランスによるロータ振れ回りが発生すると、ロータ振れ回りを抑えるように制御電流Δｉが流れるので、変位Δｄrに起因する電磁力（式（５）の第２項）に加えて、制御電流Δｉに起因する電磁石力（式（５）の第１項）が発生する。そして、その電磁石力の反作用により固定側であるポンプ本体が振動することになる。   When the rotor swing due to the rotor unbalance occurs, the control current Δi flows so as to suppress the rotor swing. Therefore, in addition to the electromagnetic force due to the displacement Δdr (the second term of the equation (5)), the control current Δi The resulting electromagnet force (the first term in equation (5)) is generated. And the pump main body which is a fixed side vibrates by reaction of the electromagnetism force.

ところで、制御電流Δｉは、変位センサの検出結果である変位信号Δｄsに基づいて生成される。磁気浮上制御系の伝達関数Ｇcontを用いると、入力である変位信号Δｄsと出力である制御電流Δｉとの関係は式（７）のように表される。式（７）を用いると、式（５）は式（８）のように表される。
Δｉ＝−Ｇcont・Δｄs …（７）
ΔＦ＝(４ｋＩ/Ｄ２)（−Ｇcont）Δｄs＋(４ｋＩ２/Ｄ３)Δｄr …（８） Incidentally, the control current Δi is generated based on the displacement signal Δds which is the detection result of the displacement sensor. When the transfer function Gcont of the magnetic levitation control system is used, the relationship between the displacement signal Δds that is an input and the control current Δi that is an output is expressed as in Expression (7). When Expression (7) is used, Expression (5) is expressed as Expression (8).
Δi = −Gcont · Δds (7)
ΔF = (4 kI / D 2 ) (− Gcont) Δds + (4 kI 2 / D 3 ) Δdr (8)

なお、変位信号Δｄsは、バンドパスフィルタ等のフィルタ処理によって変位センサ５０から出力された検出信号に対して位相ずれしている。そのため、変位信号Δｄsによって表される変位の位相は、一般的に実際の変位Δｄrとは異なることになる。   The displacement signal Δds is out of phase with the detection signal output from the displacement sensor 50 by a filter process such as a bandpass filter. Therefore, the displacement phase represented by the displacement signal Δds is generally different from the actual displacement Δdr.

式（７）、（８）から分かるように、制御電流Δｉを適当な値とすることによって、ΔＦ（＝ΔＦp−ΔＦm）を低減することができる。そこで、本実施形態では、以下に説明する振動補償制御により、ロータ振れ回りに起因する回転成分（回転周波数成分）の振動を低減するようにした。なお、これまで回転周波数成分について説明してきたが、回転周波数成分の整数倍の高調波成分に対しても同様に適用できる。また、以下の説明においても同様である。   As can be seen from the equations (7) and (8), ΔF (= ΔFp−ΔFm) can be reduced by setting the control current Δi to an appropriate value. Therefore, in this embodiment, the vibration of the rotational component (rotational frequency component) due to the rotor swing is reduced by vibration compensation control described below. Although the rotation frequency component has been described so far, the present invention can be similarly applied to a harmonic component that is an integral multiple of the rotation frequency component. The same applies to the following description.

図５は、回転成分振動の低減補償制御を説明するブロック図である。なお、図５は、図３の変位信号ｘs1，ｙs1，ｘs2，ｙs2に対応する４軸分の内の２軸分、すなわち、（変位信号ｘs1，ｙs1または変位信号ｘs2，ｙs2に関する構成を示したものである。上述した伝達関数Ｇcontは、図５に示す浮上制御部４２３と励磁アンプ４３とを合わせたものの伝達関数を表している。   FIG. 5 is a block diagram for explaining reduction compensation control of rotational component vibration. Note that FIG. 5 shows a configuration related to two of the four axes corresponding to the displacement signals xs1, ys1, xs2, and ys2 of FIG. 3, that is, (displacement signals xs1, ys1, or displacement signals xs2, ys2). The transfer function Gcont described above represents the transfer function of the combination of the levitation control unit 423 and the excitation amplifier 43 shown in FIG.

振動補償部４２２は、第１変換処理部６００、ローパスフィルタ６０１、第２変換処理部６０２および高調波電気角生成部６１０を備えている。モータ制御部４１０から入力された電気角θの信号は２つに分岐され、一つは高調波電気角生成部６１０に入力される。高調波電気角生成部６１０は、入力された電気角θから高調波の電気角ｎθを生成する。   The vibration compensation unit 422 includes a first conversion processing unit 600, a low-pass filter 601, a second conversion processing unit 602, and a harmonic electrical angle generation unit 610. The electrical angle θ signal input from the motor control unit 410 is branched into two, and one is input to the harmonic electrical angle generation unit 610. The harmonic electrical angle generation unit 610 generates a harmonic electrical angle nθ from the input electrical angle θ.

上述の式（８）で示した電磁石力ΔＦの内、ロータ振れ回りに関する電磁石力の回転成分ΔＦ(θ)は、Δｄs、Δｄrの回転成分に関する部分をΔｄs(θ)、Δｄr(θ)のように表すと、次式（９）のように表される。符号(θ)は、電気角θのｎ倍高調波の場合には電気角ｎθを表すものとする。
ΔＦ(θ)＝(４ｋＩ/Ｄ２)（−Ｇcont(θ)）Δｄs(θ)
＋(４ｋＩ２/Ｄ３)Δｄr(θ) …（９） Of the electromagnet force ΔF shown in the above equation (8), the rotation component ΔF (θ) of the electromagnet force related to the rotor swing is expressed as Δds (θ) and Δdr (θ). Is expressed as the following expression (9). The sign (θ) represents the electrical angle nθ in the case of the n-th harmonic of the electrical angle θ.
ΔF (θ) = (4 kI / D 2 ) (− Gcont (θ)) Δds (θ)
+ (4 kI 2 / D 3 ) Δdr (θ) (9)

振動補償部４２２における振動補償処理は、上述した各回転成分に対して行われる。すなわち、電気角θの回転成分に関する振動補償処理を行う場合には、モータ制御部４１０からの電気角θが第１および第２変換処理部６００，６０２の変換処理に用いられ、高調波の電気角ｎθの回転成分に関する振動補償処理を行う場合には、高調波電気角生成部６１０からの電気角ｎθが第１および第２変換処理部６００，６０２の変換処理に用いられる。さらに、回転成分およびそのｎ倍高調波成分の両方の機能を並列に設けて、回転成分およびそのｎ倍高調波成分の両方に対して振動低減することも可能である。   The vibration compensation process in the vibration compensation unit 422 is performed on each rotation component described above. That is, when the vibration compensation process related to the rotation component of the electrical angle θ is performed, the electrical angle θ from the motor control unit 410 is used for the conversion process of the first and second conversion processing units 600 and 602, and the harmonic electrical When performing the vibration compensation process related to the rotation component of the angle nθ, the electrical angle nθ from the harmonic electrical angle generation unit 610 is used for the conversion process of the first and second conversion processing units 600 and 602. Furthermore, it is also possible to reduce the vibration for both the rotation component and its n-th harmonic component by providing the functions of both the rotation component and its n-th harmonic component in parallel.

図５に示すように、復調部４２１から振動補償部４２２に入力された変位信号ｘs，ｙs（ｘs1，ｙs1またはｘs2，ｙs2）は、振動補償部４２２において２つに分岐される。分岐された変位信号ｘs，ｙsの一方は第１変換処理部６００に入力される。第１変換処理部６００は、固定座標系における変位信号ｘs，ｙsを、電気角θ（または、ｎθ）で回転する回転座標系の信号へと変換する。上述したように、電気角θはモータロータの磁極位置を表す角度であり、モータ制御部４１０から入力される。なお、モータ制御部４１０における電気角生成の詳細は後述する。   As shown in FIG. 5, the displacement signals xs, ys (xs1, ys1 or xs2, ys2) input from the demodulator 421 to the vibration compensator 422 are branched into two in the vibration compensator 422. One of the branched displacement signals xs and ys is input to the first conversion processing unit 600. The first conversion processing unit 600 converts the displacement signals xs and ys in the fixed coordinate system into signals of a rotating coordinate system that rotates at the electrical angle θ (or nθ). As described above, the electrical angle θ is an angle representing the magnetic pole position of the motor rotor, and is input from the motor control unit 410. Details of the electrical angle generation in the motor control unit 410 will be described later.

次いで、第１変換処理部６００から出力された信号に対してローパスフィルタ６０１においてローパスフィルタ処理を行い、回転成分以外の周波数成分を除去する。磁気浮上制御では、第１変換処理部６００に入力される変位信号ｘs，ｙsは回転成分以外の信号も含まれるので、変換処理直後に回転成分以外の信号を除去するためのローパスフィルタ処理を必要とする。   Next, the low-pass filter 601 performs low-pass filter processing on the signal output from the first conversion processing unit 600 to remove frequency components other than rotation components. In the magnetic levitation control, since the displacement signals xs and ys input to the first conversion processing unit 600 include signals other than the rotation component, it is necessary to perform low-pass filter processing for removing signals other than the rotation component immediately after the conversion processing. And

第２変換処理部６０２では、ローパスフィルタ処理された信号に対して回転座標系から固定座標系への変換処理を行い、変位信号ｘs，ｙsの内の回転成分だけの信号（Δｄs(θ)）を生成する。そして、変位信号ｘs，ｙsから、第２変換処理部６０２から出力された回転成分だけの信号が減算される。この処理によって、変位信号ｘs，ｙsに含まれる回転成分（Δｄs(θ)）がキャンセルされることになる。ここで、変位信号ｘs，ｙsに含まれる回転成分は互いに９０°位相が異なる信号になるが、以下においても説明をシンプルにするため、ｘs，ｙsで区別せずにΔｄs(θ)で表す。   The second conversion processing unit 602 performs conversion processing from the rotational coordinate system to the fixed coordinate system on the low-pass filtered signal, and a signal (Δds (θ)) of only the rotational component of the displacement signals xs and ys. Is generated. And the signal of only the rotation component output from the 2nd conversion process part 602 is subtracted from displacement signal xs, ys. By this processing, the rotation component (Δds (θ)) included in the displacement signals xs and ys is cancelled. Here, the rotation components included in the displacement signals xs and ys are signals having phases different from each other by 90 °. However, in order to simplify the description below, they are represented by Δds (θ) without being distinguished by xs and ys.

振れ回り成分が除去された変位信号ｘs−Δｄs(θ)，ｙs−Δｄs(θ)は浮上制御部４２３に入力され、変位信号ｘs−Δｄs(θ)，ｙs−Δｄs(θ)に基づいて励磁アンプ４３のスイッチング動作が行われる。その結果、ロータ軸５が振れ回っていても、その振れ回りを抑えるための制御電流に起因する電磁石力（式（９）の右辺第１項の電磁石力）が除去され、ポンプ本体側へ伝達される振動が低減されることになる。   The displacement signals xs−Δds (θ) and ys−Δds (θ) from which the swing component has been removed are input to the levitation control unit 423 and excited based on the displacement signals xs−Δds (θ) and ys−Δds (θ). The switching operation of the amplifier 43 is performed. As a result, even if the rotor shaft 5 is swung, the electromagnet force (the electromagnet force of the first term on the right side of the equation (9)) due to the control current for suppressing the swirling is removed and transmitted to the pump body side. Vibration to be reduced.

（電気角θの生成について）
次に、モータ制御部４１０における電気角θの生成について説明する。図６は、センサレスモータ制御に関する主要構成を示すブロック図である。モータ４２は、インバータ４６によって駆動される。インバータ４６は、モータ制御部４１０からの制御信号により制御される。 (About generation of electrical angle θ)
Next, generation of the electrical angle θ in the motor control unit 410 will be described. FIG. 6 is a block diagram showing a main configuration related to sensorless motor control. The motor 42 is driven by an inverter 46. The inverter 46 is controlled by a control signal from the motor control unit 410.

モータ４２に流れる３相電流は電流検知部６０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４０８に入力される。一方、モータ４２の３相電圧は電圧検知部６１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４０９に入力される。ローパスフィルタ４０８を通過した電流検知信号およびローパスフィルタ４０９を通過した電圧検知信号は、それぞれモータ制御部４１０の回転速度・電気角推定部４１７に入力される。回転速度・電気角推定部４１７は、電流検知信号および電圧検知信号に基づいて、モータ４２の推定回転速度ωeおよび磁極位置である推定電気角θeを演算する。   The three-phase current flowing through the motor 42 is detected by the current detection unit 60, and the detected current detection signal is input to the low-pass filter 408. On the other hand, the three-phase voltage of the motor 42 is detected by the voltage detection unit 61, and the detected voltage detection signal is input to the low-pass filter 409. The current detection signal that has passed through the low-pass filter 408 and the voltage detection signal that has passed through the low-pass filter 409 are respectively input to the rotation speed / electrical angle estimation unit 417 of the motor control unit 410. The rotational speed / electrical angle estimation unit 417 calculates the estimated rotational speed ωe of the motor 42 and the estimated electrical angle θe, which is the magnetic pole position, based on the current detection signal and the voltage detection signal.

なお、回転速度・電気角推定部４１７における推定電気角θeおよび推定回転速度ωeの演算方法については、例えば、特開２０１４−１４７１７０号公報等に開示されている公知の方法が用いられる。推定回転速度ωeは速度制御部４１１、等価回路電圧変換部４１３および切替指令部４１８に入力される。また、推定電気角θeはdq−２相電圧変換部４１４、位置制御部４１９および切替部４３４に入力される。   As a method of calculating the estimated electrical angle θe and the estimated rotational speed ωe in the rotational speed / electrical angle estimation unit 417, for example, a known method disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 2014-147170 is used. The estimated rotation speed ωe is input to the speed control unit 411, the equivalent circuit voltage conversion unit 413, and the switching command unit 418. In addition, the estimated electrical angle θe is input to the dq-2 phase voltage conversion unit 414, the position control unit 419, and the switching unit 434.

モータ制御部４１０は、設定部４３２にて予め設定された目標回転速度（以下では、設定回転速度と呼ぶ）ωsにモータ４２を制御する。設定部４３２では、θs＝∫ωsｄtで算出される目標電気角（以下では、設定電気角と呼ぶ）θsが設定される。また、本実施の形態では、後述する所定の条件の下においては、設定電気角θsに基づく位置制御出力も考慮してモータ４２の制御が行われる。設定電気角θsは位置制御部４１９および切替部４３４に入力される。設定回転速度ωsは、切替指令部４１８および速度制御部４１１に入力される。   The motor control unit 410 controls the motor 42 to a target rotational speed (hereinafter referred to as a set rotational speed) ωs set in advance by the setting unit 432. The setting unit 432 sets a target electrical angle (hereinafter referred to as a set electrical angle) θs calculated by θs = ∫ωsdt. In the present embodiment, the motor 42 is controlled in consideration of a position control output based on the set electrical angle θs under a predetermined condition described later. The set electrical angle θs is input to the position control unit 419 and the switching unit 434. The set rotation speed ωs is input to the switching command unit 418 and the speed control unit 411.

ところで、回転速度ωからθ＝∫ωｄtにより算出される電気角θは、回転速度ωとの間に図７（ａ）に示すような関係がある。図７（ｂ）は、設定回転速度ωsに基づく設定電気角θsと、回転速度・電気角推定部４１７で算出される推定電気角θeと実際の電気角θrealとの関係を模式的に示したものである。設定電気角θsおよび設定回転速度ωsは実際の電気角θrealおよび回転速度ωrealからずれており、演算される推定電気角θeおよび推定回転速度ωeも実際の電気角θrealおよび回転速度ωrealからずれている。さらに、推定電気角θeおよび推定回転速度ωeは、実際の電気角θrealおよび回転速度ωrealに対してオフセット誤差以外にリップル誤差も含んでいる。図７（ｂ）では、斜めの一点鎖線に対する上下への変化がリップル誤差を表している。   Incidentally, the electrical angle θ calculated from the rotational speed ω by θ = ∫ωdt has a relationship as shown in FIG. 7A with the rotational speed ω. FIG. 7B schematically shows the relationship between the set electrical angle θs based on the set rotational speed ωs, the estimated electrical angle θe calculated by the rotational speed / electrical angle estimation unit 417, and the actual electrical angle θreal. Is. The set electrical angle θs and the set rotational speed ωs are deviated from the actual electrical angle θreal and the rotational speed ωreal, and the calculated estimated electrical angle θe and the estimated rotational speed ωe are also deviated from the actual electrical angle θreal and the rotational speed ωreal. . Further, the estimated electrical angle θe and the estimated rotational speed ωe include a ripple error in addition to the offset error with respect to the actual electrical angle θreal and the rotational speed ωreal. In FIG. 7B, the change up and down with respect to the oblique one-dot chain line represents a ripple error.

回転センサレス方式でモータ駆動制御を行う場合には、回転速度の１０倍程度以上速い制御周期にて推定電気角θeおよび推定回転速度ωeの推定演算を行っているので、図７（ｂ）のように、推定電気角θeおよび推定回転速度ωeはオフセット誤差および回転周波数よりも高い周波数成分のリップル誤差を含んでいる。そして、実際の回転速度ωrealおよび電気角θrealの変化が緩慢な場合には、すなわち、推定回転速度ωeが設定回転速度ωsに近い場合には、推定値（θe、ωe）の変動誤差が相対的にきわだつことになる。   When the motor drive control is performed by the rotation sensorless system, the estimated calculation of the estimated electrical angle θe and the estimated rotation speed ωe is performed in a control cycle that is about 10 times faster than the rotation speed, as shown in FIG. In addition, the estimated electrical angle θe and the estimated rotation speed ωe include an offset error and a ripple error of a frequency component higher than the rotation frequency. When the actual rotational speed ωreal and the electrical angle θreal change slowly, that is, when the estimated rotational speed ωe is close to the set rotational speed ωs, the fluctuation error of the estimated values (θe, ωe) is relative. It will be annoying.

そのため、推定電気角θeを上述した振れ回りの回転成分を除去する軸受制御の電気角θに適用する場合、制御電流に起因する電磁石力を上述した磁気軸受制御で数分の１の振動レベルに低減することは可能であるが、（Ａ）制御電流起因の電磁石力（式（９）の右辺第１項）をより改善して０に近づける際には精度および安定性の確保という課題がでてくる。また、さらに要求が厳しい（Ｂ）低振動環境で使用される際には、制御電流起因の電磁石力の１／１０以下のレベルである変位起因の電磁石力（式（９）の右辺第２項）への配慮も課題となる。なお、課題（Ｂ）への対策は後述する第２の実施の形態において説明する。   Therefore, when applying the estimated electrical angle θe to the electrical angle θ of the bearing control that removes the rotational component of the swinging motion described above, the electromagnetic force caused by the control current is reduced to a fraction of the vibration level by the magnetic bearing control described above. Although it is possible to reduce this, (A) when the electromagnetic force caused by the control current (the first term on the right side of Equation (9)) is further improved to approach 0, there is a problem of ensuring accuracy and stability. Come. Further, when used in a more demanding (B) low-vibration environment, the displacement-induced electromagnet force (the second term on the right side of Equation (9)), which is a level of 1/10 or less of the electromagnet force due to the control current. ) Is also an issue. A countermeasure to the problem (B) will be described in a second embodiment described later.

第１の実施の形態では、上述した課題（Ａ）の制御電流起因の電磁石力を０に近づける際の精度および安定性を確保するために、推定回転速度ωeが設定回転速度ωsの近傍にある場合（|ωe−ωs|＜ε：εは所定の閾値）には、振動補償部４２２の処理における電気角θとして、リップル誤差を含む推定電気角θeではなく設定電気角θsを適用するようにした。すなわち、推定角速度ωeが定格回転に相当する設定回転速度ωsの近傍に安定して留まっている場合には、設定電気角θsを適用して精度および安定性を確保する。一方、推定回転速度ωeが設定回転速度ωsの近傍外の場合（|ωe−ωs|≧ε）には、例えば、設定回転速度ωsへ加速・減速を行っている場合や、外乱等により推定回転速度ωeが設定回転速度ωsから乖離した場合には、推定電気角θeを適用する。   In the first embodiment, the estimated rotational speed ωe is in the vicinity of the set rotational speed ωs in order to ensure the accuracy and stability when the electromagnet force caused by the control current due to the problem (A) described above is brought close to zero. In the case (| ωe−ωs | <ε: ε is a predetermined threshold), the set electrical angle θs is applied as the electrical angle θ in the processing of the vibration compensator 422 instead of the estimated electrical angle θe including the ripple error. did. That is, when the estimated angular velocity ωe remains stably in the vicinity of the set rotational speed ωs corresponding to the rated rotation, the set electrical angle θs is applied to ensure accuracy and stability. On the other hand, when the estimated rotational speed ωe is outside the vicinity of the set rotational speed ωs (| ωe−ωs | ≧ ε), for example, when the acceleration / deceleration is performed to the set rotational speed ωs, or the estimated rotational speed When the speed ωe deviates from the set rotational speed ωs, the estimated electrical angle θe is applied.

図６の切替指令部４１８，切替部４３３，４３４は、そのような推定電気角θeと設定電気角θsとの切り替えのために設けたものである。切替部４３４には、設定電気角θsと、回転速度・電気角推定部４１７で算出された推定電気角θeとが入力される。切替指令部４１８には、設定回転速度ωsと回転速度・電気角推定部４１７で算出された推定回転速度ωeとが入力される。位置制御部４１９は、設定電気角θsと推定電気角θeとの差分＝θs−θeに基づくＰＩ制御により位置制御出力値を出力する。   The switching command unit 418 and the switching units 433 and 434 in FIG. 6 are provided for switching between the estimated electrical angle θe and the set electrical angle θs. The switching unit 434 receives the set electrical angle θs and the estimated electrical angle θe calculated by the rotational speed / electrical angle estimation unit 417. The switching command unit 418 receives the set rotational speed ωs and the estimated rotational speed ωe calculated by the rotational speed / electrical angle estimating unit 417. The position control unit 419 outputs a position control output value by PI control based on the difference between the set electrical angle θs and the estimated electrical angle θe = θs−θe.

（|ωe−ωs|≧εの場合）
回転速度・電気角推定部４１７で算出される推定電気角θeが|ωe−ωs|≧εを満たす場合には、切替指令部４１８は切替部４３３をオフすると共に切替部４３４を推定電気角θe側へ切り替える。その結果、推定電気角θeが振動補償部４２２に入力される。また、速度制御部４１１には、推定回転速度ωeと目標回転速度である設定回転速度ωsとが入力され、位置制御部４１９からの位置制御出力値は入力されない。 (If | ωe−ωs | ≧ ε)
When the estimated electrical angle θe calculated by the rotation speed / electrical angle estimation unit 417 satisfies | ωe−ωs | ≧ ε, the switching command unit 418 turns off the switching unit 433 and sets the switching unit 434 to the estimated electrical angle θe. Switch to the side. As a result, the estimated electrical angle θe is input to the vibration compensation unit 422. In addition, the estimated rotation speed ωe and the set rotation speed ωs that is the target rotation speed are input to the speed control unit 411, and the position control output value from the position control unit 419 is not input.

速度制御部４１１は、入力された設定回転速度ωsと推定回転速度ωeとの差＝ωs−ωeに基づいて、ＰＩ制御（比例制御および積分制御）あるいはＰ制御（比例制御）を行い、電流指令Ｉを出力する。Ｉd・Ｉq設定部４１２は、電流指令Ｉに基づき、回転座標dq系における電流指令Ｉd，Ｉqを設定する。   The speed control unit 411 performs PI control (proportional control and integral control) or P control (proportional control) based on the difference between the input set rotational speed ωs and the estimated rotational speed ωe = ωs−ωe, and a current command I is output. The Id / Iq setting unit 412 sets the current commands Id and Iq in the rotation coordinate dq system based on the current command I.

等価回路電圧変換部４１３は、回転速度・電気角推定部４１７で算出された推定回転速度ωeおよびモータ４２の電気等価回路定数に基づく次式（１０）を用いて、電流指令Ｉd，Ｉqを回転座標dq系における電圧指令Ｖd，Ｖqに変換する。ここに、Ｌ、ｒはモータ巻き線のインダクタンスと抵抗、Ｋｅはモータ自体が誘起する逆起電圧の定数である。

Figure 2018132167
The equivalent circuit voltage conversion unit 413 rotates the current commands Id and Iq using the following equation (10) based on the estimated rotation speed ωe calculated by the rotation speed / electrical angle estimation unit 417 and the electric equivalent circuit constant of the motor 42. The voltage is converted into voltage commands Vd and Vq in the coordinate dq system. Here, L and r are the inductance and resistance of the motor winding, and Ke is a constant of the back electromotive force induced by the motor itself.
Figure 2018132167

dq-２相電圧変換部４１４は、変換後の電圧指令Ｖd，Ｖqと回転速度・電気角推定部４１７から入力された推定電気角θeとに基づいて、回転座標dq系における電圧指令Ｖd，Ｖqを固定座標αβ系の電圧指令Ｖα，Ｖβに変換する。２相-３相電圧変換部４１５は、２相の電圧指令Ｖα，Ｖβを３相電圧指令Ｖu，Ｖv，Ｖwに変換する。ＰＷＭ信号生成部４１６は、３相電圧指令Ｖu，Ｖv，Ｖwに基づいて、インバータ４６に設けられたスイッチング素子をオンオフ（導通または遮断）するためのＰＷＭ制御信号を生成する。インバータ４６は、ＰＷＭ信号生成部４１６から入力されたＰＷＭ制御信号に基づいてスイッチング素子をオンオフし、モータ４２に駆動電圧を印加する。   The dq-2 phase voltage conversion unit 414 generates voltage commands Vd, Vq in the rotation coordinate dq system based on the converted voltage commands Vd, Vq and the estimated electrical angle θe input from the rotation speed / electrical angle estimation unit 417. Is converted into voltage commands Vα and Vβ in the fixed coordinate αβ system. The two-phase / three-phase voltage converter 415 converts the two-phase voltage commands Vα and Vβ into three-phase voltage commands Vu, Vv, and Vw. The PWM signal generation unit 416 generates a PWM control signal for turning on / off (conducting or interrupting) a switching element provided in the inverter 46 based on the three-phase voltage commands Vu, Vv, Vw. The inverter 46 turns on and off the switching element based on the PWM control signal input from the PWM signal generation unit 416 and applies a drive voltage to the motor 42.

（|ωe−ωs|＜εの場合）
一方、推定回転速度ωeが|ωe−ωs|＜εを満たす場合には、切替指令部４１８は、切替部４３３をオンすると共に切替部４３４を設定電気角θs側へ切り替える。その結果、設定電気角θsが振動補償部４２２に入力されると共に、位置制御部４１９からの位置制御出力値が速度制御部４１１に入力される。すなわち、|ωe−ωs|＜εの場合には、速度制御部４１１は、設定回転速度ωs、位置制御出力値および推定回転速度ωeに基づいて電流指令Ｉを演算する。なお、Ｉd・Ｉq設定部４１２以降のブロックにおける処理は上述した|ωe−ωs|≧εの場合と同様であり、ここでは説明を省略する。 (If | ωe−ωs | <ε)
On the other hand, when the estimated rotational speed ωe satisfies | ωe−ωs | <ε, the switching command unit 418 turns on the switching unit 433 and switches the switching unit 434 to the set electrical angle θs side. As a result, the set electrical angle θs is input to the vibration compensation unit 422, and the position control output value from the position control unit 419 is input to the speed control unit 411. That is, when | ωe−ωs | <ε, the speed control unit 411 calculates the current command I based on the set rotational speed ωs, the position control output value, and the estimated rotational speed ωe. The processing in the blocks subsequent to the Id / Iq setting unit 412 is the same as in the case of | ωe−ωs | ≧ ε described above, and the description thereof is omitted here.

さて、設定電気角θsと推定電気角θeを切り替え選択して使用することを説明したが、より良い精度、安定性を確保する観点で設定電気角θsの信号生成について２点説明する。   Now, it has been described that the set electrical angle θs and the estimated electrical angle θe are switched and used. However, two points of signal generation of the set electrical angle θs will be described from the viewpoint of ensuring better accuracy and stability.

まず１点目は、推定電気角θeから設定電気角θsへの切り替えタイミングにおいて、両電気角間で位相ずれが大きい場合である。例えば、図１３（ａ）のような場合であり、θe適用期間からθs適用期間に切り替わる際に、電気角の位相が急激に大きく変化する。なお、図１３（ａ），（ｂ）においては、破線で示すラインが切替前後の電気角の推移を示している。電気角としてこのような信号が速度制御器４１１が入力されると、位相ずれの影響で設定回転速度ωsに対する推定回転速度ωeのズレが大きくなって、再び|ωe−ωs|＜εを満たせなくなる可能性がある。   The first point is when the phase shift between the electrical angles is large at the switching timing from the estimated electrical angle θe to the set electrical angle θs. For example, as shown in FIG. 13A, the phase of the electrical angle changes drastically when the θe application period is switched to the θs application period. In FIGS. 13A and 13B, a line indicated by a broken line indicates the transition of the electrical angle before and after switching. When such a signal as an electrical angle is input to the speed controller 411, the deviation of the estimated rotational speed ωe with respect to the set rotational speed ωs becomes large due to the influence of the phase shift, so that | ωe−ωs | <ε cannot be satisfied again. there is a possibility.

このような状況を防ぐためには、設定電気角θsへの切り替えタイミングにおいて、予め両電気角の位相を確実にそろえておく必要がある。そのために、図１２に示すように、設定部４３２へ切替司令部４１８からの切替信号および推定電気角θeをさらに入力して対処する。   In order to prevent such a situation, it is necessary to ensure that the phases of both electrical angles are aligned in advance at the timing of switching to the set electrical angle θs. For this purpose, as shown in FIG. 12, the switching signal from the switching command unit 418 and the estimated electrical angle θe are further input to the setting unit 432 to deal with it.

例えば、図１３（ｂ）に示すように、|ωe−ωs|≧ε状態（θe適用期間）において予め設定電気角θsの信号生成にあたり、推定電気角θeと位相を一致させる処理を設ける。図１３（ｂ）では、推定電気角θeが＋πから−πへ立ち下がるタイミングにて毎周期位相をそろえる、すなわち−πへ強制的に合わせ込む。つまり、予め定めたタイミングにおける推定電気角θeと∫ωｓｄtの位相差をΔψとすると、毎周期ごとにΔψを∫ωｓｄtに加算して設定電気角θsを生成する。これに対して、|ωe−ωs|<εの状態（θs適用期間）では毎周期の位相を強制的にそろえる処理をストップする。つまり、切替直前の周期（|ωe−ωs|≧εの最後の周期）で決まったΔψをその後一定のまま加算する。そうすることで切り替え時の電気角の不連続を低減できる。   For example, as shown in FIG. 13B, in the signal generation of the preset electrical angle θs in the | ωe−ωs | ≧ ε state (θe application period), a process for matching the phase with the estimated electrical angle θe is provided. In FIG. 13B, the phases of the periodic periods are aligned at the timing when the estimated electrical angle θe falls from + π to −π, that is, forcibly adjusted to −π. That is, if the phase difference between the estimated electrical angle θe and ∫ωsdt at a predetermined timing is Δψ, Δψ is added to ∫ωsdt every period to generate the set electrical angle θs. On the other hand, in the state of | ωe−ωs | <ε (θs application period), the processing for forcibly aligning the phases of each cycle is stopped. That is, Δψ determined in the cycle immediately before switching (the last cycle of | ωe−ωs | ≧ ε) is added while being constant thereafter. By doing so, the electrical angle discontinuity at the time of switching can be reduced.

次いで、２点目としては、信号生成がデジタル処理のために生じる離散時間誤差へ対処すると、より精度、安定性を確保できる。図１４（ａ）は、離散時間誤差への対処を行わない場合の一例を示す。制御周期Ｔの離散時間で演算処理するため電気角の値も当然ながら離散値となり、＋πから−πへ立ち下がる時に誤差が生じる。この離散時間誤差に対しては、図１４（ｂ）に示すように、一旦制御周期の１０倍程度速い周期（すなわち、１／１０程度の短い周期）で設定電気角θsを生成演算し、その高サンプリングの設定電気角θsデータ（小さな黒丸）から、もとの制御周期Ｔで間引いたデータ（大きな黒丸）を抽出することで周期誤差を低減できる。その際、演算処理も少ないため処理負荷は比較的小さくできる。なお、図１４（ｂ）に示す例ではＴ／１０の周期で高サンプリングをしている。   Next, as a second point, if the discrete time error caused by the digital generation of the signal is dealt with, more accuracy and stability can be secured. FIG. 14 (a) shows an example of a case where a discrete time error is not dealt with. Since the arithmetic processing is performed in the discrete time of the control cycle T, the value of the electrical angle naturally becomes a discrete value, and an error occurs when the value falls from + π to −π. For this discrete time error, as shown in FIG. 14B, the set electrical angle θs is generated and calculated once in a cycle that is about 10 times faster than the control cycle (that is, a cycle that is about 1/10), By extracting the data (large black circles) thinned out in the original control cycle T from the high sampling set electrical angle θs data (small black circles), the cycle error can be reduced. At this time, the processing load can be made relatively small since there are few arithmetic processes. In the example shown in FIG. 14B, high sampling is performed at a period of T / 10.

ただし、処理負荷が無視できず、もとの制御周期で処理する場合には、例えば、図１４（ｃ）に示すような処理を行う。予め制御周期Ｔにおける位相角増分Δθ＝ωs＊Ｔを求めておき、現在の制御周期ｋのデータθs_kに対して＋π−θs_k＜Δθの場合は、次回周期ｋ＋１に−πからでなく、−π＋(θs_k＋Δθ−π)から開始するようにする。   However, when the processing load cannot be ignored and processing is performed in the original control cycle, for example, processing as shown in FIG. 14C is performed. If the phase angle increment Δθ = ωs * T in the control cycle T is obtained in advance, and + π−θs_k <Δθ with respect to the data θs_k of the current control cycle k, the next cycle k + 1 is not from −π, but −π + Start from (θs_k + Δθ−π).

（変形例）
図８は、上述した第１の実施の形態の変形例を示す図である。変形例では、フィードバックラインで回転成分Δｄs(θ)を抽出して、それとゲイン定数Ｂとの積を変位信号ｘs、ｙsから差し引くような構成とした。この構成の場合、振動補償部４２２から浮上制御部４２３へは、Ｂ／（１＋Ｂ）・Δｄs(θ)がキャンセルされた変位信号ｘs−Ｂ／（１＋Ｂ）・Δｄs(θ)、ｙs−Ｂ／（１＋Ｂ）・Δｄs(θ)が入力されることになる。ゲイン定数Ｂの値を大きく設定することで、回転成分（振れ回り成分）が図５に示す構成の場合と同程度キャンセルされる。 (Modification)
FIG. 8 is a diagram showing a modification of the above-described first embodiment. In the modification, the rotation component Δds (θ) is extracted from the feedback line, and the product of the rotation component Δds (θ) and the gain constant B is subtracted from the displacement signals xs and ys. In the case of this configuration, the displacement signal xs−B / (1 + B) · Δds (θ), ys−B / from which the B / (1 + B) · Δds (θ) is canceled is transmitted from the vibration compensation unit 422 to the levitation control unit 423. (1 + B) · Δds (θ) is input. By setting the gain constant B to a large value, the rotational component (swing component) is canceled to the same extent as in the configuration shown in FIG.

（Ｃ１）以上のように、本実施の形態では、回転センサレス方式のモータ４２により一定の設定回転速度ωsで回転駆動されるロータ軸５を備える磁気軸受装置において、モータ４２の推定回転速度ωeおよび推定電気角θeが入力され、磁気軸受の電磁石力に含まれるロータ回転に起因する振動成分を低減するように変位センサ５０からの変位信号を処理する振動補償部４２２と、振動補償部４２２で処理された処理後変位信号（例えば、図５に示す信号ｘs−Δｄs(θ)，ｙs−Δｄs(θ)）に基づいて磁気軸受の電流を制御する浮上制御部４２３と、推定回転速度ωeが設定回転速度ωsを含む所定回転速度範囲の範囲内か否か、すなわち、|ωe−ωs|＜εか否かを判定する切替指令部４１８と、を備え、振動補償部４２２は、切替指令部４１８により|ωe−ωs|＜εと判定されると設定回転速度ωsから演算生成される設定電気角θsに基づいて変位信号の処理を行い、切替指令部４１８により|ωe−ωs|≧εと判定されると推定電気角θeに基づいて変位信号の処理を行う。 (C1) As described above, in the present embodiment, in the magnetic bearing device including the rotor shaft 5 that is rotationally driven by the rotation sensorless motor 42 at the constant set rotational speed ωs, the estimated rotational speed ωe of the motor 42 and The estimated electrical angle θe is input, and the vibration compensation unit 422 that processes the displacement signal from the displacement sensor 50 so as to reduce the vibration component caused by the rotor rotation included in the electromagnet force of the magnetic bearing, and the vibration compensation unit 422 Based on the processed displacement signal (for example, the signals xs−Δds (θ), ys−Δds (θ) shown in FIG. 5), the levitation control unit 423 for controlling the current of the magnetic bearing and the estimated rotational speed ωe are set. A switching command unit 418 that determines whether or not | ωe−ωs | <ε, which is within a predetermined rotational speed range including the rotational speed ωs, and the vibration compensation unit 422 includes a switching command unit 418. By | ωe−ωs | If it is determined that <ε, the displacement signal is processed based on the set electrical angle θs generated from the set rotational speed ωs, and if it is determined by the switching command unit 418 that | ωe−ωs | ≧ ε, the estimated electrical angle Displacement signal processing is performed based on θe.

変位センサからの変位信号にはロータ軸５の振れ回りに起因する振動成分（回転成分）が含まれているが、上述のように磁気軸受の電磁石力に含まれる推定回転速度ωeに関する振動成分を低減するように変位センサ５０からの変位信号を処理することで、ポンプ振動の低減を低コストで達成することができる。特に、|ωe−ωs|＜εの場合に、すなわち、定格回転数付近で安定的に回転している場合に、オフセット誤差や回転周波数よりも高い周波数成分のリップル誤差を含む推定電気角θeに代えて設定電気角θsに基づいて変位信号の処理を行うことで、制御電流に起因する振動をより低減することができる。   The displacement signal from the displacement sensor includes a vibration component (rotation component) due to the swing of the rotor shaft 5, but as described above, the vibration component related to the estimated rotation speed ωe included in the electromagnet force of the magnetic bearing is obtained. By processing the displacement signal from the displacement sensor 50 so as to reduce it, reduction of pump vibration can be achieved at low cost. In particular, when | ωe−ωs | <ε, that is, when rotating stably around the rated speed, the estimated electrical angle θe including the offset error and the ripple error of the frequency component higher than the rotation frequency is set. Instead, the vibration caused by the control current can be further reduced by processing the displacement signal based on the set electrical angle θs.

（Ｃ２）振動補償部４２２における補償制御としては、図５に示すように、変位信号ｘs，ｙsから変位信号の回転成分Δｄs(θ)を除去した信号ｘs−Δｄs(θ)，ｙs−Δｄs(θ)を生成し、信号ｘs−Δｄs(θ)，ｙs−Δｄs(θ)に基づいて磁気軸受の電流を生成するようにしても良い。その結果、変位信号ｘs、ｙsに含まれる回転成分に起因する電磁石力を除去することができ、ポンプ振動の低減を図ることができる。 (C2) As compensation control in the vibration compensator 422, as shown in FIG. 5, signals xs−Δds (θ), ys−Δds () obtained by removing the rotational component Δds (θ) of the displacement signal from the displacement signals xs, ys. θ) may be generated, and the magnetic bearing current may be generated based on the signals xs−Δds (θ) and ys−Δds (θ). As a result, the electromagnet force caused by the rotational component included in the displacement signals xs and ys can be removed, and the pump vibration can be reduced.

−第２の実施の形態−
図９は、本発明の第２の実施の形態を説明する図であり、振動補償制御に関係する構成を示すブロック図である。上述した第１の実施の形態では、制御電流起因の電磁石力から回転成分を除去したが、第２の実施の形態では変位に起因する電磁石力についても考慮することで、前述した課題（Ｂ）を解決してポンプ本体の振動低減をさらに図るようにした。 -Second Embodiment-
FIG. 9 is a diagram for explaining a second embodiment of the present invention, and is a block diagram showing a configuration related to vibration compensation control. In the first embodiment described above, the rotational component is removed from the electromagnet force caused by the control current. However, in the second embodiment, the electromagnet force caused by the displacement is also taken into consideration, and the above-described problem (B) This has been solved to further reduce the vibration of the pump body.

図９に示す振動補償部４２２は、図５に示した第１変換処理部６００，ローパスフィルタ６０１，第２変換処理部６０２および高調波電気角生成部６１０に加えて、第３変換処理部６０３，補正部６０４および位相補正部６１１を備えている。   The vibration compensation unit 422 illustrated in FIG. 9 includes a third conversion processing unit 603 in addition to the first conversion processing unit 600, the low-pass filter 601, the second conversion processing unit 602, and the harmonic electrical angle generation unit 610 illustrated in FIG. , A correction unit 604 and a phase correction unit 611 are provided.

（位相補正部６１１について）
振動補償部４２２には、モータ制御部４１０から回転速度ωおよび電気角θが入力される。入力される回転速度ωおよび電気角θについては、|ωe−ωs|≧εの場合には推定回転速度ωeおよび推定電気角θeが入力され、|ωe−ωs|＜εの場合には設定回転速度ωsおよび設定電気角θsが入力される。位相補正部６１１には回転速度ω、電気角θおよび高調波電気角生成部６１０からの高調波電気角ｎθが入力される。 (About the phase correction unit 611)
The rotation speed ω and the electrical angle θ are input from the motor control unit 410 to the vibration compensation unit 422. As for the input rotational speed ω and electrical angle θ, the estimated rotational speed ωe and the estimated electrical angle θe are input when | ωe−ωs | ≧ ε, and the set rotation when | ωe−ωs | <ε. The speed ωs and the set electrical angle θs are input. The phase correction unit 611 receives the rotational speed ω, the electrical angle θ, and the harmonic electrical angle nθ from the harmonic electrical angle generation unit 610.

上述したように、振動補償部２２２に入力される変位信号ｘs、ｙsは、センサ回路３３におけるバンドパスフィルタの影響により位相ずれが発生しており、さらに、伝達関数Ｇcontによっても位相ずれが発生する。位相補正部６１１ではこの位相ずれを補正し、補正された補正電気角θ１を出力する。例えば、位相ずれが位相遅延であれば、入力された電気角θと位相ずれに基づく進み位相φ(ω)を用いて次式（１１）のように算出される。なお、振動補償部４２２おいて高調波成分について処理する場合には、位相補正部６１１は、高調波電気角生成部から入力された高調波電気角ｎθに基づいて補正電気角θ１を生成する。
θ１＝θ＋φ(ω) …（１１） As described above, the displacement signals xs and ys input to the vibration compensator 222 are out of phase due to the influence of the bandpass filter in the sensor circuit 33, and further out of phase due to the transfer function Gcont. . The phase correction unit 611 corrects this phase shift and outputs a corrected electrical angle θ1. For example, if the phase shift is a phase delay, it is calculated by the following equation (11) using the input electrical angle θ and the leading phase φ (ω) based on the phase shift. When processing the harmonic component in the vibration compensation unit 422, the phase correction unit 611 generates a corrected electrical angle θ1 based on the harmonic electrical angle nθ input from the harmonic electrical angle generation unit.
θ1 = θ + φ (ω) (11)

本実施の形態における振動補償部４２２では、第１の実施の形態で説明した式（９）のΔＦ(θ)をΔＦ(θ)＝０とする目的で、制御電流Δｉを決定するΔｄs(θ)の部分が、Δｄs(θ)→「Δｄs(θ)−Δｄs(θ)＋ＡΔｄs’(θ)」となるように、変位信号ｘs，ｙsに対する補償処理を行う。ここで、式「Δｄs(θ)−Δｄs(θ)＋ＡΔｄs’(θ)」において、−Δｄs(θ)の部分は、第１変換処理部６００，ローパスフィルタ６０１および第２変換処理部６０２が設けられたラインの補償処理（第１補償処理と呼ぶ）が対応する。一方、＋ＡΔｄs’(θ)の部分は、第１変換処理部６００，ローパスフィルタ６０１，第３変換処理部６０３および補正部６０４が設けられたラインの補償処理（第２補償処理と呼ぶ）が対応している。   In the vibration compensation unit 422 in the present embodiment, Δds (θ that determines the control current Δi is set for the purpose of setting ΔF (θ) in the equation (9) described in the first embodiment to ΔF (θ) = 0. ) Is compensated for the displacement signals xs and ys so that Δds (θ) → Δds (θ) −Δds (θ) + AΔds ′ (θ) ”. Here, in the expression “Δds (θ) −Δds (θ) + AΔds ′ (θ)”, the portion of −Δds (θ) is provided by the first conversion processing unit 600, the low-pass filter 601, and the second conversion processing unit 602. Compensation processing (referred to as first compensation processing) for the line thus performed corresponds. On the other hand, the + AΔds ′ (θ) portion corresponds to a line compensation process (referred to as a second compensation process) in which the first conversion processing unit 600, the low-pass filter 601, the third conversion processing unit 603, and the correction unit 604 are provided. doing.

このとき、振動補償部４２２から出力された信号に基づいて生成される補償後の電磁石力の変動ΔＦ’(θ)は、次式（１２）のように表される。第２補償処理によるＡΔｄs’(θ)は、式（１２）の第１項「(４ｋＩ/Ｄ２)（−Ｇcont(θ)）{ＡΔｄs’(θ)}」と第２項「(４ｋＩ２/Ｄ３)Δｄr(θ)」とが打ち消し合うように設定される。
ΔＦ’(θ)＝(４ｋＩ/Ｄ２)（−Ｇcont(θ)）{Δｄs(θ)−Δｄs(θ)＋ＡΔｄs’(θ)}
＋(４ｋＩ２/Ｄ３)Δｄr(θ)
＝(４ｋＩ/Ｄ２)（−Ｇcont(θ)）{ＡΔｄs’(θ)}
＋(４ｋＩ２/Ｄ３)Δｄr(θ) …（１２） At this time, the compensated electromagnet force fluctuation ΔF ′ (θ) generated based on the signal output from the vibration compensation unit 422 is expressed by the following equation (12). AΔds ′ (θ) by the second compensation processing is calculated using the first term “(4 kI / D 2 ) (− Gcont (θ)) {AΔds ′ (θ)}” and the second term “(4 kI 2 ) in Expression (12). / D 3 ) Δdr (θ) ”is set to cancel each other.
ΔF ′ (θ) = (4 kI / D 2 ) (− Gcont (θ)) {Δds (θ) −Δds (θ) + AΔds ′ (θ)}
+ (4 kI 2 / D 3 ) Δdr (θ)
= (4 kI / D 2 ) (− Gcont (θ)) {AΔds ′ (θ)}
+ (4 kI 2 / D 3 ) Δdr (θ) (12)

一方、第２補償処理は、上述したように振れ回りによる実際の変位Δｄrに依存する電磁石力の変動、すなわち式（９）の右辺第２項をキャンセルするために設けられた補償処理である。図９の第３変換処理部６０３では、ローパスフィルタ６０１から入力された変位信号ｘs(θ)，ｙs(θ)に対して回転座標系から固定座標系への変換処理を行う。   On the other hand, the second compensation process is a compensation process provided to cancel the fluctuation of the electromagnet force depending on the actual displacement Δdr due to the swing, that is, the second term on the right side of the equation (9) as described above. In the third conversion processing unit 603 in FIG. 9, the displacement signals xs (θ) and ys (θ) input from the low-pass filter 601 are converted from a rotating coordinate system to a fixed coordinate system.

ところで、変位信号ｘs，ｙsは、上述したようにバンドパスフィルタ等の影響で位相ずれが生じており、また、浮上制御部４２３および励磁アンプ４３の処理においても、伝達関数Ｇcontに応じたゲインおよび位相のずれが発生する。そのため、変位Δｄrによる電磁石力の変動を第２補償処理によりキャンセルするために、第３変換処理部６０３の変換の際に補正された電気角θ１を用いて位相ずれを補正し、補正部６０４でゲイン補正を行う。   By the way, the displacement signals xs and ys are out of phase due to the influence of the bandpass filter or the like as described above. Also in the processing of the levitation control unit 423 and the excitation amplifier 43, the gain and the gain corresponding to the transfer function Gcont A phase shift occurs. Therefore, in order to cancel the fluctuation of the electromagnet force due to the displacement Δdr by the second compensation process, the phase shift is corrected using the electrical angle θ1 corrected at the time of the conversion of the third conversion processing unit 603, and the correction unit 604 Perform gain correction.

上述したΔｄs’(θ)は、補正後の変位信号である。この変位信号Δｄs’(θ)はバンドパスフィルタや伝達関数Ｇcontによる位相ずれが補正されているので、変位信号Δｄs’(θ)により生成される制御電流Δｉは、実際の変位Δｄrと逆位相になる。そのために、第３変換処理部６０３の変換処理においては、モータ制御部４１０から出力される電気角θを上記位相ずれの分だけ補正した補正電気角θ1を用いて、変換処理を行う。   Δds ′ (θ) described above is a displacement signal after correction. Since the displacement signal Δds ′ (θ) is corrected for the phase shift due to the band-pass filter or the transfer function Gcont, the control current Δi generated by the displacement signal Δds ′ (θ) is in phase opposite to the actual displacement Δdr. Become. Therefore, in the conversion process of the third conversion processing unit 603, the conversion process is performed using the corrected electrical angle θ1 obtained by correcting the electrical angle θ output from the motor control unit 410 by the amount of the phase shift.

補正部６０４では、補正係数Ａにより信号ｘs(θ)，ｙs(θ)の振幅補正を行う。補正係数Ａは、伝達関数Ｇcont(θ)によるゲインのずれを補正し、変位信号ＡΔｄs’(θ)による電磁石力の大きさを変位Δｄrによる電磁石力と同じ大きさに補正するものである。理論的には、Ａ＝（Ｉ/Ｄ）/｜Ｇcont(θ)｜と表される。第３変換処理部６０３で補正電気角θ１を用いて変換を行っているので、変位信号Δｄs’(θ)により生成される制御電流Δｉは変位Δｄrと逆位相になっている。そのため、変位Δｄrによる電磁石力は変位信号ＡΔｄs’(θ)による電磁石力により相殺される。   The correction unit 604 corrects the amplitude of the signals xs (θ) and ys (θ) using the correction coefficient A. The correction coefficient A corrects a gain shift caused by the transfer function Gcont (θ) and corrects the magnitude of the electromagnet force due to the displacement signal AΔds ′ (θ) to the same magnitude as the electromagnet force caused by the displacement Δdr. Theoretically, A = (I / D) / | Gcont (θ) |. Since the third conversion processing unit 603 performs conversion using the corrected electrical angle θ1, the control current Δi generated by the displacement signal Δds ′ (θ) is in an opposite phase to the displacement Δdr. Therefore, the electromagnet force due to the displacement Δdr is offset by the electromagnet force due to the displacement signal AΔds ′ (θ).

なお、上述のようにバンドパスフィルタおよび伝達関数Ｇcont(θ)の位相ずれは周波数によって異なるので、高周波電気角ｎθを補正する際の位相ずれには、周波数に対応した位相ずれが採用される。また、補正係数Ａは伝達関数Ｇcont(θ)のゲインに依存するが、伝達関数Ｇcont(θ)のゲインも周波数によって異なるので、補正係数Ａは周波数に応じて設定されている。   As described above, since the phase shift of the bandpass filter and the transfer function Gcont (θ) varies depending on the frequency, a phase shift corresponding to the frequency is employed as the phase shift when correcting the high-frequency electrical angle nθ. Further, although the correction coefficient A depends on the gain of the transfer function Gcont (θ), the gain of the transfer function Gcont (θ) varies depending on the frequency, so the correction coefficient A is set according to the frequency.

（Ｃ３）上述した第２の実施の形態では、信号ｘs−Δｄs(θ)，ｙs−Δｄs(θ)に加えて、ロータ軸５の変位Δｄrの回転成分Δｄr(θ)に起因する電磁石力を打ち消す電磁石力を発生させる信号ＡΔｄs’(θ)を生成し、信号ｘs−Δｄs(θ)，ｙs−Δｄs(θ)と信号ＡΔｄs’(θ)とに基づいて磁気軸受の電流を制御するようにした。その結果、変位Δｄrの回転成分Δｄr(θ)に起因する電磁石力による本体振動も除去され、より低振動な磁気軸受装置を提供することができる。 (C3) In the second embodiment described above, in addition to the signals xs−Δds (θ) and ys−Δds (θ), the electromagnetic force caused by the rotational component Δdr (θ) of the displacement Δdr of the rotor shaft 5 is increased. A signal AΔds ′ (θ) that generates an electromagnetic force to cancel is generated, and the current of the magnetic bearing is controlled based on the signals xs−Δds (θ), ys−Δds (θ) and the signal AΔds ′ (θ). did. As a result, the main body vibration due to the electromagnet force caused by the rotational component Δdr (θ) of the displacement Δdr is also eliminated, and a magnetic bearing device with lower vibration can be provided.

なお、上述した第１および第２の実施形態は、ラジアル磁気軸受を対象に説明したが、軸方向１軸のみのアキシャル磁気軸受に対しても同様に適応可能である。   In addition, although 1st and 2nd embodiment mentioned above demonstrated radial magnetic bearing as object, it is applicable similarly to the axial magnetic bearing of only one axial direction.

−第３の実施の形態−
図１０は、本発明の第３の実施の形態を説明する図である。第２の実施の形態の図９に示す振動補償制御では、第２補償処理において変位Δｄｒに起因する電磁石力を除去する補償処理を行っている。この場合、変位Δｄｒは電磁石位置における変位を表している。そのため、図４における変位センサ５０ｘ１ｐ，５０ｘ１ｍの軸方向位置と磁気軸受電磁石４５ｐ、４５ｍの軸方向位置とが一致しない場合には、第２補償処理に関する部分の構成を図１０に示すような構成とするのが好ましい。すなわち、変位センサ位置における変位を表している変位信号ｘs，ｙsを、変位変換部６１２で電磁石位置における変位信号ｘr，ｙrに変換し、電磁石位置における変位信号ｘr，ｙrに関して第２補償処理を行う。 -Third embodiment-
FIG. 10 is a diagram for explaining a third embodiment of the present invention. In the vibration compensation control shown in FIG. 9 of the second embodiment, compensation processing for removing the electromagnet force caused by the displacement Δdr is performed in the second compensation processing. In this case, the displacement Δdr represents the displacement at the electromagnet position. Therefore, when the axial positions of the displacement sensors 50x1p and 50x1m in FIG. 4 and the axial positions of the magnetic bearing electromagnets 45p and 45m do not coincide with each other, the configuration relating to the second compensation processing is as shown in FIG. It is preferable to do this. That is, the displacement signals xs and ys representing the displacement at the displacement sensor position are converted into the displacement signals xr and yr at the electromagnet position by the displacement converter 612, and the second compensation processing is performed on the displacement signals xr and yr at the electromagnet position. .

変位変換部６１２から出力された電磁石位置における変位信号ｘr，ｙrは、第４変換処理部６１３において、固定座標系から補正電気角θ２で回転する回転座標系の信号へと変換される。その後、ローパスフィルタ６１４においてフィルタ処理が行われ、第３変換処理部６０３により固定座標系の信号に変換される。なお、位相補正部６１１は、センサ回路３３のバンドパスフィルタの影響による位相ずれ、浮上制御部４２３の伝達関数Ｇｃおよび励磁アンプ４３の伝達関数Ｇmによる位相ずれを補正し、補正された補正電気角θ２を出力する。上述した、第４変換処理部６１３および第３変換処理部６０３においては、位相補正部６１１から出力された補正電気角θ２を用いて変換処理が行われる。   The displacement signals xr and yr at the electromagnet position output from the displacement conversion unit 612 are converted by the fourth conversion processing unit 613 from a fixed coordinate system to a rotational coordinate system signal that rotates at the corrected electrical angle θ2. Thereafter, the low-pass filter 614 performs filtering, and the third conversion processing unit 603 converts the signal into a fixed coordinate system signal. The phase correction unit 611 corrects the phase shift caused by the influence of the bandpass filter of the sensor circuit 33, the phase shift caused by the transfer function Gc of the levitation control unit 423 and the transfer function Gm of the excitation amplifier 43, and the corrected corrected electrical angle. θ2 is output. In the above-described fourth conversion processing unit 613 and third conversion processing unit 603, the conversion process is performed using the corrected electrical angle θ2 output from the phase correction unit 611.

第３変換処理部６０３から出力された信号は補正部６０４においてゲイン補正され、補正部６０４から信号ＡΔｄr’(θ)が出力される。補正部６０４から出力された信号ＡΔｄr’(θ)は、浮上制御部４２３から出力された信号に対して減算処理される。よって、補償後の電磁石力の回転成分ΔＦ’(θ)は、次式（１３）のように表される。
ΔＦ’(θ)
＝(４ｋＩ/Ｄ２)(−Ｇc(θ)Ｇm(θ)）{Δｄs(θ)−Δｄs(θ)}
−(４ｋＩ/Ｄ２)Ｇm(θ)ＡΔｄr’(θ)
＋(４ｋＩ２/Ｄ３)Δｄr(θ)
＝(４ｋＩ/Ｄ２)(−Ｇm(θ)){ＡΔｄr’(θ)}＋(４ｋＩ２/Ｄ３)Δｄr(θ)…（１３） The signal output from the third conversion processing unit 603 is gain-corrected by the correction unit 604, and the signal AΔdr ′ (θ) is output from the correction unit 604. The signal AΔdr ′ (θ) output from the correction unit 604 is subtracted from the signal output from the levitation control unit 423. Therefore, the rotational component ΔF ′ (θ) of the compensated electromagnet force is expressed by the following equation (13).
ΔF '(θ)
= (4 kI / D 2 ) (− Gc (θ) Gm (θ)) {Δds (θ) −Δds (θ)}
− (4 kI / D 2 ) Gm (θ) AΔdr ′ (θ)
+ (4 kI 2 / D 3 ) Δdr (θ)
= (4 kI / D 2 ) (− Gm (θ)) {AΔdr ′ (θ)} + (4 kI 2 / D 3 ) Δdr (θ) (13)

図１１は、変位変換部６１２における変位変換処理を説明する図である。図１１はｘ軸方向の変位に関して示したものであり、ロータ軸５の浮上目標位置Ｊをｚ軸に一致させて図示した。ｚ軸方向に関して、上側の変位センサ位置をｚs1、下側の変位センサ位置をｚs2とし、上側の電磁石位置をｚm1、下側の電磁石位置をｚm2とする。ロータ軸５は剛体とみなし、ロータ軸５の中心軸Ｊ１の各位置ｚs1，ｚs2，ｚm1，ｚm2におけるｘ座標をｘs1，ｘs2，ｘm1，ｘm2とする。   FIG. 11 is a diagram for explaining the displacement conversion processing in the displacement conversion unit 612. FIG. 11 shows the displacement in the x-axis direction, and the floating target position J of the rotor shaft 5 is shown to coincide with the z-axis. With respect to the z-axis direction, the upper displacement sensor position is zs1, the lower displacement sensor position is zs2, the upper electromagnet position is zm1, and the lower electromagnet position is zm2. The rotor shaft 5 is regarded as a rigid body, and the x coordinates at the positions zs1, zs2, zm1, and zm2 of the central axis J1 of the rotor shaft 5 are xs1, xs2, xm1, and xm2.

また、ロータ軸５が浮上目標位置Ｊに浮上している場合（ただし、垂直状態の場合）のポンプロータ３（図１参照）の重心位置をＣＧとする。重心位置ＣＧから変位センサ位置ｚs1，ｚs2までの距離をＬ1，Ｌ2とし、重心位置ＣＧから電磁石位置ｚm1，ｚm2までの距離をｌ１，ｌ２とする。   Further, the center of gravity position of the pump rotor 3 (see FIG. 1) when the rotor shaft 5 is floating at the floating target position J (in the vertical state) is defined as CG. The distances from the center of gravity position CG to the displacement sensor positions zs1 and zs2 are L1 and L2, and the distances from the center of gravity position CG to the electromagnet positions zm1 and zm2 are l1 and l2.

図１１では、浮上目標位置Ｊをｚ軸と一致させているので、変位センサ位置ｚs1，ｚs2におけるｘ座標ｘs1，ｘs2は、変位センサにより検出されるセンサ位置変位を表している。同様に、電磁石位置ｚm1，ｚm2におけるｘ座標ｘm1，ｘm2は、電磁石位置ｚm1，ｚm2における磁石位置変位を表している。   In FIG. 11, since the flying target position J coincides with the z-axis, the x coordinates xs1, xs2 at the displacement sensor positions zs1, zs2 represent sensor position displacements detected by the displacement sensor. Similarly, x-coordinates xm1 and xm2 at the electromagnet positions zm1 and zm2 represent magnet position displacements at the electromagnet positions zm1 and zm2.

このとき、磁石位置変位ｘm1，ｘm2は、センサ位置変位ｘs1，ｘs2を用いて次式（１４）、（１５）のように表される。なお、式（１４）、（１５）では、変位ｘs1，ｘs2，ｘm1，ｘm2を時間ｔの関数として記載した。同様に、ｙ軸方向の磁石位置変位ｙm1(t)，ｙm2(t)は、変位センサ位置におけるｙ軸方向のセンサ位置変位ｙs1(t)，ｙs2(t)を用いて次式（１６）（１７）のように表される。
ｘm1(t)＝(ｌ１−Ｌ１)/(Ｌ１＋Ｌ２)×{ｘs1(t)−ｘs2(t)}＋ｘs1(t)…（１４）
ｘm2(t)＝(−ｌ２−Ｌ１)/(Ｌ１＋Ｌ２)×{ｘs1(t)−ｘs2(t)}＋ｘs1(t)…（１５）
ｙm1(t)＝(ｌ１−Ｌ１)/(Ｌ１＋Ｌ２)×{ｙs1(t)−ｙs2(t)}＋ｙs1(t)…（１６）
ｙm2(t)＝(−ｌ２−Ｌ１)/(Ｌ１＋Ｌ２)×{ｙs1(t)−ｙs2(t)}＋ｙs1(t)…（１７） At this time, the magnet position displacements xm1 and xm2 are expressed by the following equations (14) and (15) using the sensor position displacements xs1 and xs2. In equations (14) and (15), the displacements xs1, xs2, xm1, and xm2 are described as a function of time t. Similarly, the magnet position displacements ym1 (t) and ym2 (t) in the y-axis direction are expressed by the following equation (16) using the sensor position displacements ys1 (t) and ys2 (t) in the y-axis direction at the displacement sensor position. 17).
xm1 (t) = (l1−L1) / (L1 + L2) × {xs1 (t) −xs2 (t)} + xs1 (t) (14)
xm2 (t) = (− 12−L1) / (L1 + L2) × {xs1 (t) −xs2 (t)} + xs1 (t) (15)
ym1 (t) = (l1−L1) / (L1 + L2) × {ys1 (t) −ys2 (t)} + ys1 (t) (16)
ym2 (t) = (− 12−L1) / (L1 + L2) × {ys1 (t) −ys2 (t)} + ys1 (t) (17)

（Ｃ４）本実施の形態では、図１０に示すように、変位センサにより検出されたセンサ位置変位を、磁気軸受の位置における軸受位置変位に変換する変位変換部６１２を備え、振動補償部４２２は、軸受位置変位の回転成分に起因する電磁石力を打ち消す電磁石力を発生させる信号ＡΔｄr’(θ)を生成する。そして、信号ｘs−Δｄs(θ)，ｙs−Δｄs(θ)と信号ＡΔｄr’(θ)とに基づいて磁気軸受の電流を制御するようにした。これにより磁気軸受位置とセンサ位置との不一致による誤差を低減でき、回転成分に関する振動をより低減することができる。 (C4) In the present embodiment, as shown in FIG. 10, the displacement compensator 612 that converts the sensor position displacement detected by the displacement sensor into the bearing position displacement at the position of the magnetic bearing is provided. Then, a signal AΔdr ′ (θ) for generating an electromagnet force that cancels the electromagnet force caused by the rotational component of the bearing position displacement is generated. Then, the current of the magnetic bearing is controlled based on the signals xs−Δds (θ), ys−Δds (θ) and the signal AΔdr ′ (θ). As a result, an error due to a mismatch between the magnetic bearing position and the sensor position can be reduced, and vibration related to the rotational component can be further reduced.

（Ｃ８）さらに、図６に示すように、モータ制御部４１０は、モータ４２の相電圧および相電流に基づいてロータ軸５の推定回転速度ωeおよび推定電気角θeを推定する回転速度・電気角推定部４１７、速度制御部４１１および位置制御部４１９を備え、|ωe−ωs|＜εと判定されると速度制御部４１１および位置制御部４１９による各処理を適用してモータ４２を制御し、|ωe−ωs|≧εと判定されると速度制御部４１１による処理のみを適用してモータ４２を制御するのが好ましい。これにより、設定回転速度ωs近傍におけるモータ制御をより精度良く行うことができる。 (C8) Further, as shown in FIG. 6, the motor control unit 410 estimates the estimated rotational speed ωe and the estimated electrical angle θe of the rotor shaft 5 based on the phase voltage and phase current of the motor 42. An estimation unit 417, a speed control unit 411, and a position control unit 419, and when it is determined that | ωe−ωs | <ε, each process by the speed control unit 411 and the position control unit 419 is applied to control the motor 42; When it is determined that | ωe−ωs | ≧ ε, it is preferable to control the motor 42 by applying only the processing by the speed control unit 411. Thereby, the motor control in the vicinity of the set rotational speed ωs can be performed with higher accuracy.

なお、上述した実施の形態では、回転翼３ａおよび固定翼２２とで構成されるターボポンプ部と、円筒部３ｂとネジステータ２４とで構成されるドラッグポンプ部とを有するターボ分子ポンプを例に説明したが、ポンプロータを磁気軸受装置で磁気浮上支持する構成の真空ポンプであれば、本発明を同様に適用することができる。さらに、本発明に係る磁気軸受装置は、真空ポンプに限らずブロアなどの種々の回転装置の軸受機構に適用することができる。   In the above-described embodiment, a turbo molecular pump having a turbo pump section composed of the rotary blade 3a and the fixed blade 22 and a drag pump section composed of the cylindrical portion 3b and the screw stator 24 will be described as an example. However, the present invention can be similarly applied to any vacuum pump having a configuration in which the pump rotor is magnetically levitated and supported by the magnetic bearing device. Furthermore, the magnetic bearing device according to the present invention can be applied not only to a vacuum pump but also to a bearing mechanism of various rotating devices such as a blower.

上記では、種々の実施の形態および変形例を説明したが、本発明はこれらの内容に限定されるものではない。本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の態様も本発明の範囲内に含まれる。   Although various embodiments and modifications have been described above, the present invention is not limited to these contents. Other embodiments conceivable within the scope of the technical idea of the present invention are also included in the scope of the present invention.

１…ターボ分子ポンプ、３…ポンプロータ、４Ａ，４Ｂ…ラジアル磁気軸受、４Ｃ…アキシャル磁気軸受、５…ロータ軸、３３…センサ回路、４２…モータ、４３，４３ｍ，４３ｐ…励磁アンプ、４４…制御部、４５，４５ｍ，４５ｐ…磁気軸受電磁石、５０，５０ｘ１，５０ｙ１，５０ｘ２，５０ｙ２，５１…変位センサ、４１０…モータ制御部、４１７…回転速度・電気角推定部、４１８…切替指令部、４１９…位置制御部、４２０…磁気軸受制御部、４２２…振動補償部、４２３…浮上制御部、４３２…設定部、４３３，４３４…切替部、６１２…変位変換部   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Turbo molecular pump, 3 ... Pump rotor, 4A, 4B ... Radial magnetic bearing, 4C ... Axial magnetic bearing, 5 ... Rotor shaft, 33 ... Sensor circuit, 42 ... Motor, 43, 43m, 43p ... Excitation amplifier, 44 ... 45, 45m, 45p ... magnetic bearing electromagnet, 50, 50x1, 50y1, 50x2, 50y2, 51 ... displacement sensor, 410 ... motor control unit, 417 ... rotational speed / electrical angle estimation unit, 418 ... switching command unit, 419 ... Position control unit, 420 ... Magnetic bearing control unit, 422 ... Vibration compensation unit, 423 ... Levitation control unit, 432 ... Setting unit, 433, 434 ... Switching unit, 612 ... Displacement conversion unit

Claims (9)

回転センサレス方式のモータにより一定の設定回転速度で回転駆動されるロータと、
前記ロータを磁気浮上支持する磁気軸受と、
前記ロータの浮上目標位置からの変位を検出して変位信号を出力する変位センサと、
前記モータの推定回転速度および推定電気角が入力され、前記磁気軸受の電磁石力に含まれるロータ回転に起因する振動成分を低減するように前記変位信号を処理する信号処理部と、
前記信号処理部で処理された処理後変位信号に基づいて前記磁気軸受の電流を制御する軸受電流制御部と、
前記推定回転速度が前記設定回転速度を含む所定回転速度範囲の範囲内か否かを判定する判定部と、を備え、
前記信号処理部は、前記判定部により範囲内と判定されると前記設定回転速度から演算生成される設定電気角に基づいて前記変位信号の処理を行い、前記判定部により範囲外と判定されると前記推定電気角に基づいて前記変位信号の処理を行う、磁気軸受装置。 A rotor that is driven to rotate at a constant rotational speed by a rotation sensorless motor;
A magnetic bearing for magnetically levitating and supporting the rotor;
A displacement sensor that detects a displacement of the rotor from the flying target position and outputs a displacement signal;
An estimated rotational speed and an estimated electrical angle of the motor, and a signal processing unit that processes the displacement signal so as to reduce a vibration component caused by rotor rotation included in the electromagnet force of the magnetic bearing;
A bearing current control unit that controls a current of the magnetic bearing based on a post-processing displacement signal processed by the signal processing unit;
A determination unit that determines whether or not the estimated rotational speed is within a predetermined rotational speed range including the set rotational speed,
The signal processing unit processes the displacement signal based on a set electrical angle calculated and generated from the set rotation speed when the determination unit determines that the value is within the range, and the determination unit determines that the value is out of the range. And a magnetic bearing device that processes the displacement signal based on the estimated electrical angle. 請求項１に記載の磁気軸受装置において、
前記信号処理部は前記変位信号から前記変位信号の回転成分を除去した第１信号成分を生成し、
前記軸受電流制御部は、前記第１信号成分に基づいて前記磁気軸受の電流を制御する、磁気軸受装置。 The magnetic bearing device according to claim 1,
The signal processing unit generates a first signal component obtained by removing a rotational component of the displacement signal from the displacement signal;
The said bearing current control part is a magnetic bearing apparatus which controls the electric current of the said magnetic bearing based on the said 1st signal component. 請求項２に記載の磁気軸受装置において、
前記信号処理部は、前記第１信号成分に加えて、前記変位の回転成分に起因する電磁石力を打ち消す電磁石力を発生させる第２信号成分を生成し、
前記軸受電流制御部は、前記第１信号成分と前記第２信号成分とに基づいて前記磁気軸受の電流を制御する、磁気軸受装置。 The magnetic bearing device according to claim 2,
The signal processing unit generates, in addition to the first signal component, a second signal component that generates an electromagnetic force that cancels the electromagnetic force caused by the rotational component of the displacement,
The bearing current control unit is a magnetic bearing device that controls a current of the magnetic bearing based on the first signal component and the second signal component. 請求項３に記載の磁気軸受装置において、
前記変位センサにより検出されたセンサ位置変位を、前記磁気軸受の位置における軸受位置変位に変換する変位変換部を備え、
前記信号処理部は、前記軸受位置変位の回転成分に起因する電磁石力を打ち消す電磁石力を発生させる第２信号成分を生成する、磁気軸受装置。 The magnetic bearing device according to claim 3,
A displacement converter that converts the sensor position displacement detected by the displacement sensor into a bearing position displacement at the position of the magnetic bearing;
The said signal processing part is a magnetic bearing apparatus which produces | generates the 2nd signal component which generates the electromagnet force which negates the electromagnet force resulting from the rotation component of the said bearing position displacement. 請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載の磁気軸受装置において、
前記設定回転速度から設定電気角を演算生成する際に、前記推定電気角に基づいて前記変位信号の処理を行う期間においては、前記推定電気角のπから−πへの切り替わりに同期して前記設定電気角を−πへと位相補正する、磁気軸受装置。 In the magnetic bearing device according to any one of claims 1 to 4,
When the set electrical angle is calculated and generated from the set rotation speed, the displacement signal is processed based on the estimated electrical angle, and the estimated electrical angle is synchronized with switching from π to −π in the period in which the displacement signal is processed. A magnetic bearing device that corrects the phase of the set electrical angle to -π. 請求項１から請求項５までのいずれか一項に記載の磁気軸受装置において、
前記設定電気角を前記軸受電流制御部における制御周期よりも短い周期で生成し、生成された設定電気角の内の前記制御周期に対応する設定電気角を前記変位信号の処理を行う際の設定電気角として用いる、磁気軸受装置。 In the magnetic bearing device according to any one of claims 1 to 5,
The set electrical angle is generated at a cycle shorter than the control cycle in the bearing current control unit, and the set electrical angle corresponding to the control cycle among the generated set electrical angles is set when processing the displacement signal Magnetic bearing device used as an electrical angle. 請求項１から請求項５までのいずれか一項に記載の磁気軸受装置において、
値πから前記設定電気角を減算した結果が前記軸受電流制御部の制御周期における設定電気角の増分よりも小さい場合には、前記設定電気角に前記増分を加算しかつ値πを減算した結果を、前記設定電気角の生成から制御周期経過後の設定電気角とする、磁気軸受装置。 In the magnetic bearing device according to any one of claims 1 to 5,
When the result of subtracting the set electrical angle from the value π is smaller than the increment of the set electrical angle in the control cycle of the bearing current control unit, the result of adding the increment to the set electrical angle and subtracting the value π Is a set electrical angle after the control cycle has elapsed since the generation of the set electrical angle. 請求項１から請求項７までのいずれか一項に記載の磁気軸受装置において、
前記モータの相電圧および相電流に基づいて前記推定回転速度および前記推定電気角を推定し、前記推定回転速度および前記推定電気角に基づいて前記モータを制御するモータ制御部をさらに備え、
前記モータ制御部は速度制御処理部および位置制御処理部を有し、前記判定部により範囲内と判定されると前記速度制御処理部および前記位置制御処理部による各処理を適用して前記モータを制御し、前記判定部により範囲外と判定されると前記速度制御処理部による処理のみを適用して前記モータを制御する、磁気軸受装置。 In the magnetic bearing device according to any one of claims 1 to 7,
A motor controller that estimates the estimated rotational speed and the estimated electrical angle based on the phase voltage and phase current of the motor, and controls the motor based on the estimated rotational speed and the estimated electrical angle;
The motor control unit includes a speed control processing unit and a position control processing unit. When the determination unit determines that the range is within the range, the motor control unit applies each process by the speed control processing unit and the position control processing unit. A magnetic bearing device that controls and controls the motor by applying only the processing by the speed control processing unit when it is determined to be out of range by the determination unit. ポンプロータと、
前記ポンプロータを回転駆動するモータと、
前記ポンプロータのロータ軸を磁気浮上支持する請求項１から請求項５までのいずれか一項に記載の磁気軸受装置と、を備える真空ポンプ。 A pump rotor,
A motor for rotationally driving the pump rotor;
A vacuum pump comprising: the magnetic bearing device according to any one of claims 1 to 5 that supports the magnetically levitated rotor shaft of the pump rotor.
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