JP2019044894A - 磁気軸受制御装置および真空ポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】ゲインや位相の調整を行うことなく低振動化を図ることができる磁気軸受制御装置の提供。
【解決手段】磁気軸受制御装置は、少なくとも１軸の磁気軸受に対して、電流回転周波数成分の、基準回転信号に対する位相φ２および振幅値を算出する電流回転成分演算部６０、変位回転周波数成分の、基準回転信号に対する位相φ１および振幅値を算出する変位回転成分演算部６２、変位回転周波数成分により生じる力が電流回転周波数成分により生じる力で相殺される場合の、電流回転周波数成分の振幅と変位回転周波数成分の振幅との比I_Ｄを算出する電流直流成分演算部６１を備え、位相φ２が位相φ１に位相値１８０度を加算した値と等しくなり、かつ、電流回転周波数成分の振幅値が変位回転周波数成分と比I_Ｄとの積に等しくなるようにフィードバック制御する。
【選択図】図６

Description

本発明は、磁気軸受制御装置および真空ポンプに関する。

制御形磁気軸受で磁気浮上支持されるロータの場合、ロータにアンバランスがあるとそれ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伝達される望ましくない振動を低減することができる磁気軸受装置が記載されている。

特許文献１に記載の磁気軸受装置では、浮上制御に適用する変位信号から回転周波数成分をキャンセルした信号を磁気浮上制御器に入力して励磁電流の制御信号を生成することで、電磁石励磁電流に含まれる回転周波数成分の電流を除去している。さらに、磁気浮上制御器の出力信号に対して、ロータ変位の回転成分に起因して発生する電磁石力の変動を低減する為の信号を加算・減算することで、さらなる低振動化を図っている。

特開２０１７−０７５６６６号公報

ところで、上述した特許文献１に記載の技術では、ロータ変位の回転成分に起因して発生する電磁石力の変動を低減するために生成する信号に対して、ゲインおよび位相の補正が必要である。しかしながら、磁気浮上制御器の出力信号における回転周波数成分の信号残留を完全にゼロにするのは難しい。実際には残留する場合が多いので、出荷前に、機台ごとにゲイン変化、位相遅れを微調整する必要があった。

本発明の好ましい態様による磁気軸受制御装置は、回転軸を磁気浮上支持する制御形磁気軸受装置の少なくとも１軸の磁気軸受に対して、前記磁気軸受の励磁電流に含まれる電流回転周波数成分の、基準回転信号に対する電流回転成分位相値および電流回転成分振幅値を算出する第１演算部と、前記回転軸の変位信号に含まれる変位回転周波数成分の、基準回転信号に対する変位回転成分位相値および変位回転成分振幅値を算出する第２演算部と、前記変位回転周波数成分により生じる力が前記電流回転周波数成分により生じる力で相殺される場合の、前記電流回転周波数成分の振幅値と前記変位回転周波数成分の振幅値との比を算出する第３演算部と、を備え、前記電流回転成分位相値が前記変位回転成分位相値に位相値１８０度を加算した値と等しくなり、かつ、前記電流回転周波数成分の振幅値が前記変位回転周波数成分と前記比との積に等しくなるようにフィードバック制御する。
さらに好ましい態様では、前記加算した値と前記電流回転成分位相値との偏差を入力とする積分相当量を含む第１制御器と、前記変位回転周波数成分と前記比との積と前記電流回転周波数成分の振幅値との偏差を入力とする積分相当量を含む第２制御器と、前記第１制御器の出力値および前記第２制御器の出力値に基づいて電流回転成分正弦波信号を生成する第４演算部と、を備え、前記電流回転成分正弦波信号によりフィードバック制御する。
さらに好ましい態様では、前記少なくとも１軸の磁気軸受は、前記回転軸のラジアル方向の支持を行う２軸のラジアル磁気軸受であって、前記第２演算部は、前記２軸の各軸方向の前記変位信号に含まれる変位回転周波数成分の、基準回転信号に対する変位回転成分位相値および変位回転成分振幅値を算出する。
さらに好ましい態様では、前記加算した値と前記電流回転成分位相値との偏差を入力とする積分相当量を含む第１制御器と、前記変位回転周波数成分と前記比との積と前記電流回転周波数成分の振幅値との偏差を入力とする積分相当量を含む第２制御器と、前記第１制御器の出力値および前記第１制御器の出力値に基づいて、前記２軸のラジアル磁気軸受の一方に関するフィードバック制御信号として電流回転成分正弦波信号を生成し、前記２軸のラジアル磁気軸受の他方に関するフィードバック制御信号として電流回転成分余弦波信号を生成する第４演算部と、を備える。
さらに好ましい態様では、前記第３演算部は前記励磁電流の直流成分を抽出する抽出部を備え、抽出された前記直流成分に基づいて前記比を算出する。
さらに好ましい態様では、前記回転軸の浮上位置変位を検出する変位センサからのセンサ信号に基づいて、磁気軸受位置における変位に相当する変位信号を生成する変換部を備え、前記第２演算部は、前記変換部で生成された変位信号に基づいて変位回転成分位相値および変位回転成分振幅値を算出する。
本発明の好ましい態様による真空ポンプは、モータにより回転駆動されるポンプロータと、前記ポンプロータの回転軸を磁気浮上支持する磁気軸受装置と、前記磁気軸受装置を制御する上記態様の磁気軸受制御装置と、を備える。

本発明によれば、ゲインや位相の調整を行うことなく低振動化を図ることができる。

図１は、磁気軸受装置を備えたターボ分子ポンプのポンプ本体の概略構成を示す図である。 図２は、制御装置の概略構成を示すブロック図である。 図３は、ロータ軸に作用する力を説明する図である。 図４は、磁気軸受制御系の概略構成を示すブロック図である。 図５は、変位変換処理を説明する図である。 図６は、振動低減制御の詳細を示すブロック図である。 図７は、電流回転周波数成分を説明する図である。 図８は、変形例１を説明するブロック図である。

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。図１は、磁気軸受装置を備えた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に示すように、ポンプ本体１Ａと、ポンプ本体１Ａを駆動制御する制御装置１Ｂとにより構成されている。

ポンプ本体１Ａのポンプロータ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。

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。

磁気軸受によって回転自在に磁気浮上支持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、ポンプロータ３のロータ軸５側にモータロータが設けられている。

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。

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。

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。

図２は、制御装置１Ｂ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、制御装置１Ｂ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。

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。

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軸の制御形磁気軸受（active magnetic bearing,ＡＭＢ）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に励磁電流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。

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。

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。

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５の変位により変調されたセンサ信号３０６が入力される。

ところで、外部からの振動やロータ振れ回りによりロータ軸５の浮上位置が変化すると、励磁電流が一定であっても磁気軸受からロータ軸５に作用する力が変化する。例えば、ロータ軸５が磁気軸受電磁石４５に近づくと吸引力が大きくなり、逆に遠ざかると吸引力が小さくなる。そのため、ロータアンバランスによりロータ軸５が振れ回ると、ロータ軸５に作用する力の反作用によりポンプ振動が発生することになる。以下に説明するように、本実施の形態では、上述したロータアンバランスによるロータ変位（振動変位）に起因する力の変動を、励磁電流の変動に起因する力により相殺することで、アンバランス等に起因する振動を低減するようにした。

図３は、ロータ軸５に作用する力を説明する図である。図３は、ロータ軸５と、ラジアル軸受の内の一軸分（ｘ軸方向）を構成する磁気軸受電磁石４５ｐ，４５ｍと、それに対応して設けられた変位センサ５０x1p，５０x1mとを示す図である。磁気軸受電磁石４５ｐ，４５ｍに流れる励磁電流ｉｐ、ｉｍには、所定の軸受剛性を確保するための直流電流成分（バイアス電流とも呼ばれる）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、制御電流を変動させることで、ロータ軸５の浮上位置（以下では、ロータ浮上位置と呼ぶ）が目標浮上位置Ｊとなるように制御する。

ここで、励磁電流ｉｐの直流電流成分および電流変動成分（振動電流成分）をＩｐ，Δｉｐと表し、励磁電流ｉｍの直流電流成分および電流変動成分（振動電流成分）をＩｍ，Δｉｍと表す。一般に、Δｉｐ＝−Δｉｍ＝Δｉのように設定される。Δｄｒはロータ浮上位置の目標浮上位置Ｊからの変位（ｘ軸方向の変位）を表しており、磁気軸受電磁石４５ｐの方向への変位を正とする。なお、Ｄｐ，Ｄｍは、ロータ浮上位置が目標浮上位置Ｊに浮上している場合の、ロータ軸５と磁気軸受電磁石４５ｐ，４５ｍとのクリアランスである。

磁気軸受電磁石４５ｐの吸引力Ｆｐは次式（１）のように表され、磁気軸受電磁石４５ｍの吸引力Ｆｍは次式（２）のように表される。なお、係数ｋ[Ｎｍ^２／Ａ^２]は電磁石係数である。
Ｆp＝ｋ(Ｉp/Ｄp)^２ …（１）
Ｆm＝ｋ(Ｉm/Ｄm）^２ …（２）

図３では、吸引力Ｆｐの増加に対応する変位Δｄｒ（＞０）と電流変動成分Δｉを示している。このような変位Δｄｒおよび電流変動成分Δｉに対する吸引力Ｆｐ，Ｆｍの変動ΔＦｐ，ΔＦｍは、式（１）、（２）を用いて次式（３）、（４）のように表される。吸引力Ｆｐ，Ｆｍは互いに逆向きになっているので、ロータ軸５に作用する力の変動はΔＦｐ−ΔＦｍとなり、式（５）で表される。式（３）〜（５）において、右辺第１項は電流変動成分Δｉに起因する力の変動であって、右辺第２項は目標浮上位置からの変位Δｄｒに起因する力の変動である。
ΔＦp＝(２ｋ・Ｉp/Ｄp^２)Δｉ＋(２ｋ・Ｉp^２/Ｄp^３)Δｄr …（３）
ΔＦm＝(−２ｋ・Ｉm/Ｄm^２)Δｉ＋(−２ｋ・Ｉm^２/Ｄm^３)Δｄr …（４）
ΔＦp−ΔＦm＝{(２ｋ・Ｉp/Ｄp^２)＋(２ｋ・Ｉm/Ｄm^２)}Δｉ
＋{(２ｋ・Ｉp^２/Ｄp^３)＋(２ｋ・Ｉm^２/Ｄm^３)}Δｄr …（５）

ロータ軸５に作用する力の変動（ΔＦp−ΔＦm）をゼロとするためには、式（５）の右辺がゼロとなれば良い。すなわち、励磁電流ｉｐ、ｉｍの電流変動成分Δｉを式（６）のように設定することで、変位Δｄｒに起因する力の変動を電流変動成分Δｉに起因する力の変動で打ち消すことができる。式（６）における変位Δｄｒは、図２のセンサ回路３３から出力されるセンサ信号３０６に基づいて算出される。
Δｉ＝−{(Ｉp^２/Ｄp^３＋Ｉm^２/Ｄm^３)/(Ｉp／Ｄp^２＋Ｉm／Ｄm^２)}Δｄr …（６）

なお、式（６）において{(Ｉp^２/Ｄp^３＋Ｉm^２/Ｄm^３)/(Ｉp／Ｄp^２＋Ｉm／Ｄm^２)}は励磁電流ｉｐ、ｉｍの内の直流電流成分Ｉｐ，Ｉｍに基づく定数であり、ここでは符号I_Ｄで表すことにする。クリアランスＤｐ，Ｄｍは、精度良く製作されている場合には設計値を用いることができる。一般には、目標浮上位置は磁気軸受電磁石４５ｐ，４５ｍの中間位置に設定されるのでＤｐ＝Ｄｍ＝Ｄとなり、I_Ｄは次式（７）のようになる。
I_Ｄ＝(１/Ｄ)・{(Ｉp^２＋Ｉm^２)/(Ｉp＋Ｉm)} …（７）

ここで、変位Δｄｒの内の角振動数Ωを有する周波数成分である変位回転周波数成分Δｄｒ(Ω)は、回転基準信号θ（＝Ω・ｔ）を用いて次式（８）のように表される。また、電流変動成分Δｉの内の角振動数Ωを有する周波数成分である電流回転周波数成分Δｉ(Ω)は、回転基準信号θを用いて次式（９）のように表される。
Δｄｒ(Ω)＝|ｄｒ(Ω)|cos(θ＋φ1) …（８）
Δｉ(Ω)＝|ｉ(Ω)|cos(θ＋φ2) …（９）

なお、回転基準信号θは、ロータ軸５の回転速度（角振動数）Ωを用いてθ＝Ω・ｔと表される基準電気角であり、本実施形態では図４に示すように、モータ駆動系のモータ制御部４２０から入力される基準電気角θが用いられる。モータ駆動系では、回転センサ、例えば、モータ磁極位置を検出するホールセンサ等を備える場合にはその検出信号から基準電気角θを生成され、センサレス構成の場合にはモータ起電圧を利用して基準電気角θが生成される。本実施形態では、基準電気角θの生成方法については特に限定されない。

変位回転周波数成分Δｄｒ(Ω)に起因する力の変動を電流回転周波数成分Δｉ(Ω)に起因する力の変動で打ち消して回転成分の振動を除去するためには、式（８），（９）の振幅については次式（１０）で表される条件を満たす必要がある。また、位相については式（１１）で表される条件を満たす必要がある。
|ｉ(Ω)|＝I_Ｄ・|ｄｒ(Ω)| …（１０）
θ＋φ2＝θ＋φ1＋π …（１１）

図４は磁気軸受制御系の概略構成を示すブロック図であり、図３に示す一軸分の制御に関する構成を示したものである。センサ回路３３から出力されたセンサ信号は、磁気浮上制御器４１７および変位変換部４４２に入力される。磁気浮上制御器４１７は、センサ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、浮上制御電流設定量を生成する。

さらに、浮上制御電流設定量にバイアス電流設定量が加算される。ｐ側の制御には、浮上制御電流設定量にマイナス符号を付したものにバイアス電流設定量が加算したものが用いられる。ｍ側の制御には、浮上制御電流設定量にバイアス電流設定量を加算したものが用いられる。

例えば、図３のようにロータ軸５がｐ側の磁気軸受電磁石４５ｐに近づいた場合、磁気軸受電磁石４５ｐに近づくほど磁気浮上制御器４１７から出力される浮上制御電流設定量は大きくなり、（バイアス電流設定量）−（浮上制御電流設定量）は小さくなる。すなわち、電流リミッタ回路４４０ｐに入力される電流設定量は励磁電流を小さくするような設定となる。通常、電流下限値はゼロに設定されるが、電磁石自体でロータ変位を検出する、所謂、セルフセンシング方式においては、電流リミッタ回路４４０ｐは、浮上制御電流設定量が過大になった場合でも、励磁電流がゼロにならないように出力に下限を設けて出力を設定することがある。ｍ側の電流リミッタ回路４４０ｍも、ロータ軸５がｍ側の磁気軸受電磁石４５ｍに近づき過ぎた場合に、電流リミッタ回路４４０ｐと同様の動作をする。

一方、センサ回路３３から変位変換部４４２にセンサ信号が入力されると、変位変換部４４２はセンサ位置におけるロータ軸５の変位を電磁石位置における変位に変換する。詳細は後述するが、図３に示すように変位センサ５０x1p，５０x1mと磁気軸受電磁石４５ｐ、４５ｍとは、軸方向（ｚ方向）の位置が異なっているので、ロータ軸５が傾くと、センサ信号に基づく変位と磁気軸受電磁石４５ｐ、４５ｍにおける変位とにずれが生じる。変位変換部４４２は、センサ信号に基づいて電磁石位置における変位を算出し、それを振動低減制御部４４３に出力する。

振動低減制御部４４３には、上述した電磁石位置における変位とともに、励磁電流ｉｐ、ｉｍの検出信号が入力される。ここでは、これらの検出信号も励磁電流ｉｐ、ｉｍと呼ぶことにする。振動低減制御部４４３は、電磁石位置における変位と、励磁電流ｉｐ、ｉｍと、ロータ回転の基準回転信号θとに基づいて、上述した式（６）で表されるΔｉに相当する電流相当制御信号を出力する。なお、本実施の形態では、基準回転信号θには、モータ制御部４２０から入力される基準電気角θが用いられる。

電流リミッタ回路４４０ｐ，４４０ｍから出力された電流設定は、それぞれフィードバックされた励磁電流信号との差分がとられ、さらに、振動低減制御部４４３から出力される電流相当制御信号が加算される。従来の磁気軸受制御では、電流設定とフィードバックされた励磁電流成分との差分がゼロとなるように電流制御器４４１ｐ，４４１ｍはＰＩ演算により励磁電流信号を生成するが、本実施の形態では、差分信号に電流相当制御信号を加算した信号に基づいて励磁電流信号を生成することにより、ポンプ振動の低減を図るようにしている。

（変位変換部４４２）
図５を参照して変位変換部４４２の処理について説明する。図５は、ロータ軸５が傾いている場合におけるｘ軸方向の変位を示したものであり、ロータ軸５の目標浮上位置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。

また、ロータ軸５が目標浮上位置Ｊに浮上している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。

図５では、目標浮上位置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。

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（１２）、（１３）のように表される。なお、式（１２）、（１３）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（１４）（１５）のように表される。
ｘm1(t)＝(ｌ１−Ｌ１)/(Ｌ１＋Ｌ２)×{ｘs1(t)−ｘs2(t)}＋ｘs1(t)…（１２）
ｘm2(t)＝(−ｌ２−Ｌ１)/(Ｌ１＋Ｌ２)×{ｘs1(t)−ｘs2(t)}＋ｘs1(t)…（１３）
ｙm1(t)＝(ｌ１−Ｌ１)/(Ｌ１＋Ｌ２)×{ｙs1(t)−ｙs2(t)}＋ｙs1(t)…（１４）
ｙm2(t)＝(−ｌ２−Ｌ１)/(Ｌ１＋Ｌ２)×{ｙs1(t)−ｙs2(t)}＋ｙs1(t)…（１５）

（振動低減制御部４４３）
図６は、振動低減制御部４４３における制御の詳細を示すブロック図である。振動低減制御部４４３には、電流信号に含まれる回転成分を演算する電流回転成分演算部６０と、電流信号に含まれる直流成分を演算する電流直流成分演算部６１と、センサ回路３３からのセンサ信号３０６に含まれる回転成分を演算する変位回転成分演算部６２とを備えている。

図４に示したように振動低減制御部４４３にはｐ側およびｍ側の励磁電流信号の両方が入力されるが、電流回転成分演算部６０においては励磁電流信号ｉｐ(t)、ｉｍ(t)のいずれか一方を用いて演算を行う。図４の磁気浮上制御器４１７の出力信号にはバイアス電流設定量（直流成分）に関する信号が加算されているが、ポンプ本体を水平姿勢とした場合のように直流電流成分Ｉｐ，Ｉｍの非対称性が大きい場合に電流を制限するための電流リミッタ回路４４０ｐ、４４０ｍを備えている。

電流リミッタ回路４４０ｐ、４４０ｍを設けたことにより、例えばｐ側の励磁電流信号ｉｐ(t)の直流成分がバイアス電流設定量の２倍以上になると、ｍ側の直流電流成分は０[Ａ]とされる。このように片側が０[Ａ]になる場合があるが、０[Ａ]になった側では電流回転成分を抽出することができない。図６に示す例は直流電流成分がＩｐ＞Ｉｍのような場合を示しており、この場合、直流電流成分が０[Ａ]とならないｐ側の励磁電流信号ｉｐ(t)を用いて電流回転成分を抽出する。このように、電流回転成分を抽出する場合には、必ず直流電流成分が大きい側の励磁電流信号から抽出する必要がある。

電流回転成分演算部６０の信号乗算部６０１にはｐ側の励磁電流信号ｉｐ(t)が入力される。信号乗算部６０１では、回転基準信号θに基づいて信号cosθ，sinθが生成され、回転成分を抽出するために、入力された励磁電流信号ｉｐ(t)に信号cosθ，sinθがそれぞれ乗算される。

例えば、ｉｐ(t)が回転基準信号θに対してｉｐ(t)＝ｉ0・cos(θ＋φ2)のように変動している場合を考える。ここで、φ２は回転基準信号θに対する位相ずれを表す。このとき、ｉｐ(t)は次式（１６）のように表されるので、これにcosθ、sinθを乗算したものは次式（１７），（１８）のように表される。
ｉｐ(t)＝ｉ0(cosθcosφ2−sinθsinφ2) …（１６）
ｉｐ(t)cosθ＝(ｉ0/２){cosφ2・(１＋cos2θ)−sinφ2 sin2θ} …（１７）
ｉｐ(t)sinθ＝(ｉ0/２){cosφ2 sin2θ−sinφ2・(１−cos2θ)} …（１８）

式（１７），（１８）で表される信号をローパスフィルタ６０２でフィルタリングすると、２θを含む項は除去され、式（１７）のｉｐ(t)cosθからは直流成分としてａｉ＝(ｉ0/２)cosφ2が抽出され、式（１８）のｉｐ(t)sinθからは直流成分としてｂｉ＝−(ｉ0/２)sinφ2が抽出される。ａｉおよびｂｉは、式（１６）におけるcosθ成分およびsinθ成分の各振幅値に対応するものである。

電流変動成分Δｉの内の電流回転周波数成分Δｉ(Ω)は、図７に示すように基準位相θで回転する座標上の矢線ベクトルで表される。ただし、ａｉ，ｂｉは式（１６）のcosθ、sinθの振幅の１／２倍の値なので、次式（１９）のように各振幅値ａｉ，ｂｉの二乗和の平方根を２倍することで、電流回転周波数成分Δｉ(Ω)の振幅|ｉ(Ω)|が得られる。また、位相φ２は次式（２０）で与えられる。
|ｉ(Ω)|＝２√(ａｉ^２＋ｂｉ^２) …（１９）
φ2＝arctan(−ｂｉ/ａｉ) …（２０）

フィルタリングにより抽出された振幅値ａｉ，ｂｉは振幅演算部６０３および位相演算部６０４に入力され、振幅演算部６０３において振幅|ｉ(Ω)|が算出され、位相演算部６０４において位相φ２が算出される。

電流直流成分演算部６１では、励磁電流信号ｉｐ(t)，ｉｍ(t)をローパスフィルタ６１１によりフィルタリングして直流電流成分Ｉｐ，Ｉｍを抽出する。直流電流成分はポンプ本体の設置後は、設置姿勢を変更しない限り基本的に変化しないので、極めて低い周波数（例えば、０．１Ｈｚ以下）にコーナー周波数を設定したローパスフィルタ６１１が用いられる。

Ｉ_Ｄ演算部６１２は、抽出された直流電流成分Ｉｐ，Ｉｍを用いて、式（７）で表されるI_Ｄ値を算出する。なお、クリアランスＤは予め不図示の記憶部に記憶されている。
I_Ｄ＝(１/Ｄ)・{(Ｉp^２＋Ｉm^２)/(Ｉp＋Ｉm)} …（７）

変位回転成分演算部６２の信号乗算部６２１には、検出された変位信号（センサ信号）ｄｒ(t)が入力される。信号乗算部６２１では、回転基準信号θに基づいて信号cosθ，sinθが生成され、回転成分を抽出するために、入力された変位信号ｄｒ(t)に信号cosθ，sinθがそれぞれ乗算される。そして、電流回転成分演算部６０の場合と同じように、変位信号ｄｒ(t)に信号cosθ，sinθを乗算した信号をローパスフィルタ６２２によりフィルタリングする。その結果、cosθ成分およびsinθ成分の各振幅値ａｄ，ｂｄが抽出される。

振幅値ａｄ，ｂｄは上述した振幅値ａｉ，ｂｉに対応するもので、全く同様の演算により、振幅演算部６２３において振幅|ｄｒ(Ω)|が次式（２１）のように算出され、位相演算部６２４において回転基準信号θに対する位相φ１が次式（２２）のように算出される。
|ｄｒ(Ω)|＝２√(ａｄ^２＋ｂｄ^２) …（２１）
φ１＝arctan(−ｂｄ/ａｄ) …（２２）

Ｉ_Ｄ演算部６１２で算出されたI_Ｄ値と、振幅演算部６２３で算出された振幅|ｄｒ(Ω)|とは乗算器６３において乗算される。さらに、振幅目標値をI_Ｄ・|ｄｒ(Ω)|として電流回転成分振幅|ｉ(Ω)|との偏差を取り、振幅制御信号生成器６４は、振幅偏差「I_Ｄ・|ｄｒ(Ω)|−|ｉ(Ω)|」に対して少なくとも積分要素を含む、例えば、ＰＩ（比例＋積分）制御により振幅制御信号を生成する。

振幅制御信号生成器６４から出力される振幅制御信号は、変位Δｄｒに起因する力の変動を電流変動成分Δｉに起因する力の変動で打ち消して回転成分の振動を除去するための条件式（１０）、（１１）の内、振幅に関する式（１０）に対応するものである。例えば、I_Ｄ・|ｄｒ(Ω)|に比例した値を振幅制御信号として出力する。この振幅制御信号は最終的には磁気浮上制御器４１７の浮上制御電流設定量と共に電流制御器４４１ｐ，４４１ｍへ入力しフィードバックされるが、磁気浮上制御器４１７の入力信号（センサ信号）には残留した回転成分信号が乗ってくるので、その残留成分をキャンセルするための分（ここではγと表す）も鑑みて、I_Ｄ・|ｄｒ(Ω)|＋γと表した値を振幅制御信号とする。

変位回転成分演算部６２の位相演算部６２４において算出された位相φ１はπが加算され、位相目標値をφ１＋πとして電流回転成分演算部６０の位相演算部６０４において算出された位相φ２との偏差が取られる。位相制御信号生成部６５は、その位相偏差「φ１＋π−φ２」に対して少なくとも積分要素を含む、例えば、ＰＩ（比例＋積分）制御により位相制御信号を生成する。この場合も、磁気浮上制御器４１７の入力信号に残留する回転成分信号をキャンセルするための値ξが加算された位相制御信号が、位相制御信号生成部６５から出力される。そして、位相制御信号に回転基準信号θを加算したものが制御出力演算部６６に入力される。

制御出力演算部６６は、入力された振幅制御信号と位相制御信号とに基づいて、フィードバック制御信号である電流相当制御信号、すなわち、電流相当の回転成分の正弦波出力を生成する。すなわち、式（９）で示したΔｉ(Ω)＝|ｉ(Ω)|cos(θ＋φ2)および式（８）で示したΔｄｒ(Ω)＝|ｄｒ(Ω)|cos(θ＋φ1)に相当する振幅、位相情報を抽出し、変位Δｄｒに起因する力の変動を相殺する電流相当制御信号を出力する自動調整機構を作り込む。ここでは、［I_Ｄ・|ｄｒ(Ω)|＋γ］cos(θ＋φ１＋π＋ξ)が、変位Δｄｒに起因する力の変動を残留成分も含めて相殺する電流相当制御信号として出力される。出力された電流相当制御信号は、図４に示すように、ｐ側にはそのまま加算され、ｍ側にはマイナス符号を付けて加算される（すなわち、減算される）。

なお、上述した磁気浮上制御器４１７の入力に残留する回転成分は、フィードバック制御に対する一種の定常的な外乱となる。本実施の形態では、外乱相当部を除去する振幅分γおよび位相分ξもＰＩ制御出力に定常的に出力偏差として生成され、この外乱に関しても自動調整される。

（Ｃ１）上述した実施形態では、制御装置１Ｂの制御部４４は、電流回転成分演算部６０において、励磁電流に含まれる電流回転周波数成分Δｉ(Ω)の、基準回転信号θに対する位相φ２および振幅値|ｉ(Ω)|を算出し、変位回転成分演算部６２において、変位信号に含まれる変位回転周波数成分Δｄｒ(Ω)の、基準回転信号θに対する位相φ１および振幅値|ｄｒ(Ω)|を算出し、電流直流成分演算部６１において、変位回転周波数成分Δｄｒ(Ω)により生じる力が電流回転周波数成分Δｉ(Ω)により生じる力で相殺される場合の、電流回転周波数成分Δｉ(Ω)の振幅|ｉ(Ω)|と変位回転周波数成分Δｄｒ(Ω)の振幅|ｄｒ(Ω)|との比I_Ｄを算出し、位相φ２が位相φ１に位相値１８０度を加算した値と等しくなり、かつ、電流回転周波数成分Δｉ(Ω)の振幅値|ｉ(Ω)|が変位回転周波数成分Δｄｒ(Ω)と比I_Ｄとの積に等しくなるようにフィードバック制御する。

このようなフィードバック制御を行うことで、従来のようにゲイン調整や位相調整を行わなくても、ロータアンバランスによる振れ回り変位Δｄｒに起因する電磁石からの力を、変位Δｄｒに対応して生成する励磁電流変動に起因する電磁力によって相殺することができる。

（Ｃ２）さらに、位相制御信号生成部６５および振幅制御信号生成器６４に積分相当量（積分要素）を含むように構成することで、残留成分の除去をより効果的に行うことができる。

また、電流直流成分演算部６１は励磁電流の直流成分Ｉｐ，Ｉｍを検出するローパスフィルタ６１１を備え、抽出された直流成分Ｉｐ，Ｉｍに基づいて比I_Ｄを算出しているので、磁気軸受搭載装置の重力に対する設置姿勢がユーザによって任意に設定された場合でも、設置姿勢の変更による直流成分Ｉｐ，Ｉｍの変化が比I_Ｄに反映される。その結果、設置姿勢によらず低振動化を図ることができる。

さらに、変位変換部４４２において、ロータ軸５の浮上位置変位を検出する変位センサからのセンサ信号に基づき磁気軸受位置における変位に相当する変位信号を生成し、その変位信号に基づいて位相φ１および振幅|ｄｒ(Ω)|を算出するようにしたので、ロータ変位の検出精度が向上し振動低減効果が向上する。

なお、図１，２に示す構成では、ロータ位置を変位センサで検出する構成であるが、電磁石自体でロータ変位を検出する、いわゆるセルフセンシング方式の磁気軸受装置にも本発明は適用することができる。

図４，６に示した制御系は一軸に関して示したものであるが、制御形磁気軸受の全ての軸に対して図４，６に示した制御系を設け、全ての軸に上述した制御を適用しても良い。本実施の形態の場合には、図１に示すように５軸制御形であるので、５組の制御系を適用する。また、ロータの軸方向のみの振動を低減したい場合には、アキシャル軸のみに上述した制御を適用すれば良い。さらにまた、予め振動の大きい特定軸が分かっている場合には、その特定軸にのみ上述した制御を適用しても大きな振動低減効果が得られる。

なお、本実施の形態の回転成分低減に関するフィードバック制御に加えて、特許文献１（特開２０１７−０７５６６６号公報）に記載のような回転成分低減に関するフィードフォワード制御を設けても構わない。

次のような変形も本発明の範囲内であり、変形例の一つ、もしくは複数を上述の実施形態と組み合わせることも可能である。
（変形例１）
図８は、変形例１を説明するブロック図である。図８に示す変形例１は、磁気軸受のラジアル軸の２つのペア、すなわちロータ上部のＸ−Ｙ軸とロータ下部のＸ−Ｙ軸において、重力の影響が各々のＸ−Ｙ軸に対して均等になる（すなわち、直流電流成分の大きい側および小さい側、かつ、ｘ軸、ｙ軸ともに同じになる）ようにポンプ本体が設置される場合に適用できる。すなわち、ｘｙ面の変位回転成分が均等に振れ回る場合に適用できる。もちろん、２つのペアの内の１ペアだけに適用しても良い。

図８に示す構成では、変位回転成分演算部６２における信号乗算部６２１および振幅演算部６２３と、制御出力演算部６６の処理が、図６における対応する箇所の処理内容と異なっている。電流回転成分演算部６０ではｘ軸の励磁電流信号ｉｘｐ(t)，ｉｘｍ(t)が用いられ、変位回転成分演算部６２では２軸の変位ｄｒｘ(t)、ｄｒｙ(t)に基づいて演算が行われる。

電流回転成分演算部６０はＩｐｘ＞Ｉｍｘの場合を示したものであり、信号乗算部６０１にはｐ側の励磁電流信号ｉｐ(t)が入力される。信号乗算部６０１、ローパスフィルタ６０２、振幅演算部６０３および位相演算部６０４における処理は、図６に示す場合と同様であり説明を省略するが、振幅演算部６０３からは振幅|ｉ(Ω)|が出力され、位相演算部６０４からは位相φ２が出力される。また、電流直流成分演算部６１のＩ_Ｄ演算部６１２からは、図６に示す場合と同様に直流電流成分Ｉｐ，Ｉｍに基づくI_Ｄ値が出力される。

変位回転成分演算部６２の信号乗算部６２１では、変位信号（ｄｒｘ(t)、ｄｒｙ(t)）の回転成分を抽出するための信号（図８に示すように行列で表される信号）を、入力された回転基準信号θに基づいて生成する。そして、変位信号（ｄｒｘ(t)、ｄｒｙ(t)）に抽出用の信号を作用させて得られる信号をローパスフィルタ６２２でフィルタリングすることにより、cosθ成分およびsinθ成分の各振幅値ａｄ，ｂｄが抽出される。振幅演算部６２３では、ａｄおよびｂｄに基づく振幅|ｄｒ(Ω)|＝√(ａｄ^２＋ｂｄ^２)が算出される。また、位相演算部６２４では、ａｄおよびｂｄに基づいて回転基準信号θに対する位相φ１＝arctan(ｂｄ/ａｄ)が算出される。

振幅制御信号生成器６４は振幅偏差「I_Ｄ・|ｄｒ(Ω)|−|ｉ(Ω)|」に基づいて振幅制御信号を生成し、位相制御信号生成部６５は、位相偏差「φ１＋π−φ２」に基づいて位相制御信号を生成する。制御出力演算部６６は、入力された振幅制御信号と位相制御信号とに基づいて、フィードバック制御信号である電流相当制御信号を、ｘ軸およびｙ軸の各々に対して出力する。例えば、ｘ軸のｐ側およびｍ側には［I_Ｄ・|ｄｒ(Ω)|＋γ］cos(θ＋φ１＋π＋ξ)が出力され、ｙ軸のｐ側およびｍ側には［I_Ｄ・|ｄｒ(Ω)|＋γ］sin(θ＋φ１＋π＋ξ)が出力される。ここで、γ、ξは、図６で説明した場合と同様に、磁気浮上制御器４１７の入力に残留する回転成分を除去するためのものである。

上述のような変形例１は、磁気軸受のラジアル軸の２つのペア、すなわちロータ上部のＸ−Ｙ軸とロータ下部のＸ−Ｙ軸において、重力の影響が各々のＸ−Ｙ軸に対して均等になる（すなわち、直流電流成分の大きい側および小さい側、かつ、ｘ軸、ｙ軸ともに同じになる）ようにポンプ本体が設置される場合に適用できる。すなわち、ｘｙ面の変位回転成分が均等に振れ回る場合に適用できる。もちろん、２つのペアの内の１ペアだけに適用しても良い。

（変形例２）
図６，８における説明では、図４の振動低減制御部４４３に入力される変位信号は、振幅低減および位相遅延が無い場合を例に説明した。しかしながら、特許文献１に記載されているようにセンサ回路３３のフィルタのゲイン変化および位相遅延が無視できない場合には、それらの値（補正ゲインＧβおよび補正位相φβ）を予め記憶しておき、振幅目標値をI_Ｄ・|ｄｒ(Ω)|→Ｇβ・I_Ｄ・|ｄｒ(Ω)|のように補正し、位相目標値をφ１＋π→φ１＋π＋φβのように補正すれば良い。その結果、変形例２を図６に適用した場合には、制御出力演算部６６から出力される電流相当制御信号は、［Ｇβ・I_Ｄ・|ｄｒ(Ω)|＋γ］cos(θ＋φ１＋π＋φβ＋ξ)となる。

以上説明した実施の形態および変形例では、回転周波数成分の基本波を例に説明したが、基準回転信号をθから高調波のｎθに置き換えることで、高調波についても基本波の場合と同等の処理が行われる。

また、予め重力に対する磁気軸受装置の設置方向が分かっている場合には、励磁電流の直流電流成分は予めわかるので、直流電流成分を検出するためのローパスフィルタ６１１を省略することができる。

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。また、磁気軸受装置を搭載する装置として真空ポンプを例に説明したが、真空ポンプに限定されるものではない。

１…ターボ分子ポンプ、１Ａ…ポンプ本体、１Ｂ…制御装置、３…ポンプロータ、５…ロータ軸、４Ａ，４Ｂ…ラジアル磁気軸受、４Ｃ…アキシャル磁気軸受、３３…センサ回路、４２…モータ、４３…励磁アンプ、４４…制御部、４５…磁気軸受電磁石、５０ｘ１，５０ｘ２，５０ｙ１，５０ｙ２，５１…変位センサ、６０…電流回転成分演算部、６１…電流直流成分演算部、６２…変位回転成分演算部、６４…振幅制御信号生成器、６５…位相制御信号生成部、６６…制御出力演算部、４１７…磁気浮上制御器、４４２…変位変換部、４４３…振動低減制御部、６１１…ローパスフィルタ

Claims (7)

1. 回転軸を磁気浮上支持する制御形磁気軸受装置の少なくとも１軸の磁気軸受に対して、
   前記磁気軸受の励磁電流に含まれる電流回転周波数成分の、基準回転信号に対する電流回転成分位相値および電流回転成分振幅値を算出する第１演算部と、
   前記回転軸の変位信号に含まれる変位回転周波数成分の、基準回転信号に対する変位回転成分位相値および変位回転成分振幅値を算出する第２演算部と、
   前記変位回転周波数成分により生じる力が前記電流回転周波数成分により生じる力で相殺される場合の、前記電流回転周波数成分の振幅値と前記変位回転周波数成分の振幅値との比を算出する第３演算部と、を備え、
   前記電流回転成分位相値が前記変位回転成分位相値に位相値１８０度を加算した値と等しくなり、かつ、前記電流回転周波数成分の振幅値が前記変位回転周波数成分と前記比との積に等しくなるようにフィードバック制御する、磁気軸受制御装置。
2. 請求項１に記載の磁気軸受制御装置において、
   前記加算した値と前記電流回転成分位相値との偏差を入力とする積分相当量を含む第１制御器と、
   前記変位回転周波数成分と前記比との積と前記電流回転周波数成分の振幅値との偏差を入力とする積分相当量を含む第２制御器と、
   前記第１制御器の出力値および前記第２制御器の出力値に基づいて電流回転成分正弦波信号を生成する第４演算部と、を備え、
   前記電流回転成分正弦波信号によりフィードバック制御する、磁気軸受制御装置。
3. 請求項１に記載の磁気軸受制御装置において、
   前記少なくとも１軸の磁気軸受は、前記回転軸のラジアル方向の支持を行う２軸のラジアル磁気軸受であって、
   前記第２演算部は、前記２軸の各軸方向の前記変位信号に含まれる変位回転周波数成分の、基準回転信号に対する変位回転成分位相値および変位回転成分振幅値を算出する、磁気軸受制御装置。
4. 請求項３に記載の磁気軸受制御装置において、
   前記加算した値と前記電流回転成分位相値との偏差を入力とする積分相当量を含む第１制御器と、
   前記変位回転周波数成分と前記比との積と前記電流回転周波数成分の振幅値との偏差を入力とする積分相当量を含む第２制御器と、
   前記第１制御器の出力値および前記第２制御器の出力値に基づいて、前記２軸のラジアル磁気軸受の一方に関するフィードバック制御信号として電流回転成分正弦波信号を生成し、前記２軸のラジアル磁気軸受の他方に関するフィードバック制御信号として電流回転成分余弦波信号を生成する第４演算部と、を備える磁気軸受制御装置。
5. 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制御装置において、
   前記第３演算部は前記励磁電流の直流成分を抽出する抽出部を備え、抽出された前記直流成分に基づいて前記比を算出する、磁気軸受制御装置。
6. 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制御装置において、
   前記回転軸の浮上位置変位を検出する変位センサからのセンサ信号に基づいて、磁気軸受位置における変位に相当する変位信号を生成する変換部を備え、
   前記第２演算部は、前記変換部で生成された変位信号に基づいて変位回転成分位相値および変位回転成分振幅値を算出する、磁気軸受制御装置。
7. モータにより回転駆動されるポンプロータと、
   前記ポンプロータの回転軸を磁気浮上支持する磁気軸受装置と、
   前記磁気軸受装置を制御する請求項１から請求項６までのいずれか一項に記載の磁気軸受制御装置と、を備える真空ポンプ。

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