JP3268322B2 - Inverter control device for magnetic bearing spindle device - Google Patents

Inverter control device for magnetic bearing spindle device

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JP3268322B2
JP3268322B2 JP25622692A JP25622692A JP3268322B2 JP 3268322 B2 JP3268322 B2 JP 3268322B2 JP 25622692 A JP25622692 A JP 25622692A JP 25622692 A JP25622692 A JP 25622692A JP 3268322 B2 JP3268322 B2 JP 3268322B2
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JP
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magnetic bearing
spindle
inverter control
inverter
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俊介 中浦
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Koyo Seiko Co Ltd
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    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16CSHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C2360/00Engines or pumps
    • F16C2360/44Centrifugal pumps
    • F16C2360/45Turbo-molecular pumps

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  • Magnetic Bearings And Hydrostatic Bearings (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】この発明は、工作機械やターボ分
子ポンプなどに使用される磁気軸受スピンドルのインバ
ータ制御装置に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an inverter control device for a magnetic bearing spindle used in a machine tool, a turbo molecular pump or the like.

【0002】[0002]

【従来の技術】磁気軸受とその内部に誘導モータを内蔵
した磁気軸受スピンドル装置において、インバータによ
りスピンドルの回転が制御されている。
2. Description of the Related Art In a magnetic bearing spindle device having a magnetic bearing and an induction motor built therein, the rotation of the spindle is controlled by an inverter.

【0003】ところが、このような磁気軸受スピンドル
装置を転がり軸受などを使用したスピンドル装置と比較
すると、回転数の低い周波数域で軸受剛性が低くなるた
めに、通常のインバータで運転する場合、軸受剛性不足
となり、振動が大きく、加速不良となる場合がある。
However, when such a magnetic bearing spindle device is compared with a spindle device using a rolling bearing or the like, the bearing rigidity is low in a frequency range where the rotational speed is low. Insufficient, vibration may be large and acceleration may be poor.

【0004】このため、スピンドルの全回転数域におい
て、インバータ制御出力を制限するようにしたインバー
タ制御装置が提案されている。
For this reason, there has been proposed an inverter control device in which the inverter control output is limited in the entire rotation speed range of the spindle.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ようにスピンドルの全回転数域においてインバータ制御
出力を制限すると、実用上最も大きな加速トルクが必要
とされる磁気軸受の剛性の高い高回転域においても、加
速トルクが小さく、加速不良となり、必要となるトルク
が得られない場合がある。
However, if the inverter control output is limited in the entire rotation speed range of the spindle as described above, the magnetic bearing in the high rotation speed range where the rigidity of the magnetic bearing requires the highest acceleration torque is high. However, the acceleration torque is too small, the acceleration is poor, and the required torque may not be obtained.

【0006】この発明の目的は、上記の問題を解決し、
低回転域における振動が小さく、しかも高回転域におけ
る加速トルクの大きい磁気軸受スピンドル装置のインバ
ータ制御装置を提供することにある。
An object of the present invention is to solve the above problems,
It is an object of the present invention to provide an inverter control device of a magnetic bearing spindle device which has a small vibration in a low rotation region and a large acceleration torque in a high rotation region.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】この発明による磁気軸受
スピンドルのインバータ制御装置は、磁気軸受により非
接触支持されたスピンドルの回転を制御する磁気軸受ス
ピンドル装置のインバータ制御装置であって、スピンド
ルの回転数により変化する磁気軸受の剛性に基づいて
回転域では小さくて高回転域では徐々に大きくなるよう
インバータ制御出力を制限する電流制限回路を備えて
いることを特徴とするものである。
SUMMARY OF THE INVENTION An inverter control device for a magnetic bearing spindle according to the present invention is an inverter control device for a magnetic bearing spindle device for controlling the rotation of a spindle that is non-contactly supported by a magnetic bearing. Low based on the stiffness of the magnetic bearing
It is small in the rev range and gradually increases in the high rev range
And a current limiting circuit for limiting the inverter control output.

【0008】磁気軸受の剛性の低い低回転域において
は、インバータ制御出力の制限値を小さくし、磁気軸受
の剛性の高い高回転域においては、インバータ制御出力
の制限値を徐々に大きくする。
In the low rotation range where the rigidity of the magnetic bearing is low, the limit value of the inverter control output is reduced, and in the high rotation range where the rigidity of the magnetic bearing is high, the limit value of the inverter control output is gradually increased.

【0009】磁気軸受の剛性の低い低回転域において、
インバータ制御出力の制限値を小さくすることにより、
加速時の振動を小さくすることができる。
In the low rotation range where the rigidity of the magnetic bearing is low,
By reducing the limit value of the inverter control output,
Vibration during acceleration can be reduced.

【0010】磁気軸受の剛性の高い高回転域において、
インバータ制御出力の制限値を徐々に大きくすることに
より、大きい加速トルクが得られ、実用上最も問題とさ
れる高回転時の必要トルクが得られる。
In the high rotation range where the rigidity of the magnetic bearing is high,
By gradually increasing the limit value of the inverter control output, a large acceleration torque can be obtained, and a necessary torque at a high speed, which is the most problematic in practical use, can be obtained.

【0011】[0011]

【実施例】以下、図面を参照して、この発明の実施例に
ついて説明する。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

【0012】図1および図2は、磁気軸受スピンドル装
置の主要部の電気的構成の1例を示している。
FIGS. 1 and 2 show an example of an electrical configuration of a main part of a magnetic bearing spindle device.

【0013】詳細な図示は省略したが、スピンドル装置
は、スピンドルを非接触支持する磁気軸受とスピンドル
を回転駆動する誘導モータ(高周波モータ)を内蔵して
いる。図1には、誘導モータ(1) とそのインバータ制御
装置の部分が示され、図2には、ラジアル磁気軸受の1
対の電磁石(2a)(2b)とその磁気軸受制御装置の部分が示
されている。
Although not shown in detail, the spindle device incorporates a magnetic bearing for supporting the spindle in a non-contact manner and an induction motor (high-frequency motor) for rotating and driving the spindle. FIG. 1 shows an induction motor (1) and its inverter control device, and FIG. 2 shows one of the radial magnetic bearings.
The pair of electromagnets (2a) (2b) and their magnetic bearing control device are shown.

【0014】誘導モータ(1) は内蔵型のものであり、図
示は省略したが、モータロータはスピンドル(3) に一体
状に形成され、モータステータはこのモータロータを取
り囲むようにスピンドル(3) の周囲のハウジングに固定
状に設けられる。
The induction motor (1) is of a built-in type, and although not shown, a motor rotor is formed integrally with the spindle (3), and a motor stator is provided around the spindle (3) so as to surround the motor rotor. Is fixedly provided in the housing.

【0015】図1に示すように、モータ(1) はインバー
タ(4) によって回転駆動され、インバータ(4) は回転数
制御回路(5) によって制御される。スピンドル(3) の周
囲のハウジングの部分に、その回転数を検出する回転セ
ンサ(6) が設けられている。回転センサ(6) とインバー
タ(4) の間に、スピンドル(3) の回転数に応じてインバ
ータ(4) の制御出力を制限するための電流制限回路(7)
が設けられている。この回路(7) は、F/V(周波数/
電圧)変換器(10)、オフセット回路(11)、クリッピング
回路(12)、加算器(13)およびオフセット設定回路(14)よ
り構成されている。
As shown in FIG. 1, the motor (1) is driven to rotate by an inverter (4), and the inverter (4) is controlled by a rotation speed control circuit (5). A rotation sensor (6) for detecting the number of rotations is provided on a portion of the housing around the spindle (3). A current limiting circuit (7) between the rotation sensor (6) and the inverter (4) to limit the control output of the inverter (4) according to the rotation speed of the spindle (3)
Is provided. This circuit (7) has an F / V (frequency /
A voltage) converter (10), an offset circuit (11), a clipping circuit (12), an adder (13), and an offset setting circuit (14).

【0016】図2に示すように、1対の電磁石(2a)(2b)
は、スピンドル(3) をラジアル方向両側から隙間をあけ
て挟むように対称に配置され、それぞれ電力増幅器(16
a)(16b)によって駆動される。スピンドル(3) の周囲
に、電磁石(2a)(2b)に対応して、スピンドル(3) のラジ
アル方向の位置を検出する1対の位置センサ(15a)(15b)
が設けられ、これらの位置センサ(15a)(15b)の出力が変
位検出回路(17)に入力する。変位検出回路(17)は、2つ
の位置センサ(15a)(15b)の出力の差を演算し、さらにこ
の演算結果と一定の基準信号(通常は0)との差を演算
することにより、スピンドル(3) のラジアル方向の変位
を検出する。変位検出回路(17)の出力はPID制御回路
(18)に入力し、PID制御回路(18)の出力に基づいて、
電力増幅器(16a)(16b)により電磁石(2a)(2b)が制御され
る。
As shown in FIG. 2, a pair of electromagnets (2a) (2b)
Are arranged symmetrically so as to sandwich the spindle (3) from both sides in the radial direction with a gap, and the power amplifier (16
a) Driven by (16b). A pair of position sensors (15a, 15b) that detect the radial position of the spindle (3) corresponding to the electromagnets (2a, 2b) around the spindle (3)
The outputs of these position sensors (15a) (15b) are input to a displacement detection circuit (17). The displacement detection circuit (17) calculates the difference between the outputs of the two position sensors (15a) and (15b), and further calculates the difference between the calculation result and a fixed reference signal (usually 0), thereby obtaining the spindle. (3) The displacement in the radial direction is detected. The output of the displacement detection circuit (17) is a PID control circuit
(18), and based on the output of the PID control circuit (18),
The electromagnets (2a) and (2b) are controlled by the power amplifiers (16a) and (16b).

【0017】1つのラジアル磁気軸受は、ラジアル方向
に配置された1対の電磁石と、これと直交するラジアル
方向に配置されたもう1対の電磁石とを備えているが、
図2には、これらのうちの1対の電磁石(2a)(2b)だけが
示されており、もう1対の電磁石とその磁気軸受制御装
置の部分は省略されている。また、磁気軸受スピンドル
装置には、図2に一部が示されているラジアル磁気軸受
の他に、これからアキシアル方向に離れたもう1組のラ
ジアル磁気軸受と、スピンドル(3) をアキシアル方向に
非接触支持するアキシアル磁気軸受が設けられるが、こ
れらも省略されている。
One radial magnetic bearing includes a pair of electromagnets arranged in a radial direction and another pair of electromagnets arranged in a radial direction orthogonal to the magnet.
FIG. 2 shows only one pair of the electromagnets (2a) and (2b), and omits the other pair of electromagnets and the magnetic bearing control device. In addition to the radial magnetic bearing, a part of which is shown in FIG. 2, the magnetic bearing spindle device further includes another set of radial magnetic bearings that are axially separated from the radial magnetic bearing, and the spindle (3) is non-axially non-axial. An axial magnetic bearing for contact support is provided, but these are also omitted.

【0018】上記のスピンドル装置において、回転数制
御回路(5) からの出力によってインバータ(4) が制御さ
れ、インバータ(4) によってモータ(1) が回転駆動され
る。このとき、後述するように、電流制限回路(7) から
インバータ(4) に電流制限信号Si が出力され、これに
よってインバータ(4) の制御出力が制限される。
In the spindle device described above, the inverter (4) is controlled by the output from the rotation speed control circuit (5), and the motor (1) is driven to rotate by the inverter (4). At this time, as described later, a current limiting signal Si is output from the current limiting circuit (7) to the inverter (4), whereby the control output of the inverter (4) is limited.

【0019】スピンドル(3) が回転すると、回転センサ
(6) から回転数に比例するパルス信号がF/V変換器(1
0)に出力され、F/V変換器(10)からオフセット回路(1
1)に回転数に比例する電圧信号が出力される。F/V変
換器(10)の出力信号S1 は、回転周波数の変化によって
図3(a) に示すように変化する。オフセット回路(11)で
は、F/V変換器(10)の出力信号S1 が負方向にオフセ
ットされ、その出力信号S2 がクリッピング回路(12)に
入力する。オフセット回路(11)の出力信号S2は、回転
周波数の変化によって図3(b) に示すように変化する。
クリッピング回路(12)では、オフセット回路(11)の出力
信号S2 がクリップされ、この信号S2の負の部分が0
Vになる。クリッピング回路(12)の出力信号S3 は、回
転周波数の変化によって図3(c) に示すように変化す
る。クリッピング回路(12)の出力信号S3 は、加算器(1
3)の一方の入力端子に入力する。一方、オフセット設定
回路(14)において、一定の正のオフセット信号が設定さ
れ、これが加算器(13)の他方の入力端子に入力する。加
算器(13)では、クリッピング回路(12)の出力信号S3と
オフセット設定回路(14)からのオフセット信号とが加算
され、電流制限信号Si がインバータ(4) に出力され
る。電流制限信号Si は、回転周波数の変化によって図
3(d) に示すように変化する。
When the spindle (3) rotates, a rotation sensor
From (6), the pulse signal proportional to the rotation speed is converted to the F / V converter (1
0) from the F / V converter (10) to the offset circuit (1
In 1), a voltage signal proportional to the rotation speed is output. The output signal S1 of the F / V converter (10) changes as shown in FIG. In the offset circuit (11), the output signal S1 of the F / V converter (10) is offset in the negative direction, and the output signal S2 is input to the clipping circuit (12). The output signal S2 of the offset circuit (11) changes as shown in FIG.
In the clipping circuit (12), the output signal S2 of the offset circuit (11) is clipped, and the negative part of this signal S2 is set to 0.
V. The output signal S3 of the clipping circuit (12) changes as shown in FIG. The output signal S3 of the clipping circuit (12) is added to the adder (1
Input to one input terminal of 3). On the other hand, a constant positive offset signal is set in the offset setting circuit (14), and is input to the other input terminal of the adder (13). The adder (13) adds the output signal S3 of the clipping circuit (12) and the offset signal from the offset setting circuit (14), and outputs a current limiting signal Si to the inverter (4). The current limiting signal Si changes as shown in FIG.

【0020】図3(d) から明らかなように、電流制限信
号Si は、低回転域では小さく、高回転域になると徐々
に大きくなる。そして、回転周波数の全範囲において、
インバータ(4) の制御出力がそのときの電流制限信号S
i に対応する電流制限値を越えないように、インバータ
(4) が制御される。前述のように、磁気軸受の剛性は、
低回転域では低く、高回転域では高くなる。したがっ
て、上記のように回転数に基づいてインバータ(4) の制
御出力を制限することにより、磁気軸受の剛性に基づい
てインバータ(4) の制御出力を制限することになる。そ
して、磁気軸受の剛性の低い低回転域において、インバ
ータ(4) の制御出力の制限値を小さくすることにより、
加速トルクは小さくなるが、加速時の振動を小さくする
ことができる。また、磁気軸受の剛性の高い高回転域に
おいて、インバータ制御出力の制限値を大きくすること
により、大きい加速トルクが得られる。たとえば、ター
ボ分子ポンプなどにおいて、これを用いた半導体製造装
置でのガス負荷運転などにメリットが大きい。
As is apparent from FIG. 3D, the current limit signal Si is small in the low rotation range and gradually increases in the high rotation range. And, in the whole range of the rotation frequency,
The control output of the inverter (4) is the current limit signal S at that time.
i so that the current limit corresponding to i is not exceeded.
(4) is controlled. As mentioned above, the rigidity of the magnetic bearing is
It is low in the low rotation range and high in the high rotation range. Therefore, by limiting the control output of the inverter (4) based on the rotational speed as described above, the control output of the inverter (4) is limited based on the rigidity of the magnetic bearing. By reducing the limit value of the control output of the inverter (4) in the low rotation range where the rigidity of the magnetic bearing is low,
Although the acceleration torque is reduced, vibration during acceleration can be reduced. Also, in a high rotation range where the rigidity of the magnetic bearing is high, a large acceleration torque can be obtained by increasing the limit value of the inverter control output. For example, in a turbo molecular pump or the like, there is a great merit in a gas load operation in a semiconductor manufacturing apparatus using the same.

【0021】[0021]

【発明の効果】この発明の磁気軸受スピンドル装置のイ
ンバータ制御装置によれば、上述のように、低回転域に
おける振動を小さくし、しかも高回転域における加速ト
ルクを大きくすることができる。
According to the inverter control device of the magnetic bearing spindle device of the present invention, as described above, the vibration in the low rotation range can be reduced, and the acceleration torque in the high rotation range can be increased.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】この発明の実施例を示す磁気軸受スピンドル装
置のインバータ制御装置の部分の電気ブロック図であ
る。
FIG. 1 is an electric block diagram of a part of an inverter control device of a magnetic bearing spindle device showing an embodiment of the present invention.

【図2】この発明の実施例を示すスピンドル装置の磁気
軸受の部分の電気ブロック図である。
FIG. 2 is an electric block diagram of a magnetic bearing portion of the spindle device showing the embodiment of the present invention.

【図3】電流制限回路の各部の信号の回転周波数による
変化を示すグラフである。
FIG. 3 is a graph showing a change in a signal of each part of the current limiting circuit depending on a rotation frequency.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

(1) 誘導モータ (2a)(2b) 電磁石 (3) スピンドル (4) インバータ (7) 電流制限回路 (1) Induction motor (2a) (2b) Electromagnet (3) Spindle (4) Inverter (7) Current limiting circuit

フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) F16C 32/04 H02K 7/09 H02M 7/00 - 7/40 H02P 5/408 - 5/412 H02P 7/628 - 7/632 Continuation of the front page (58) Field surveyed (Int.Cl. 7 , DB name) F16C 32/04 H02K 7/09 H02M 7/00-7/40 H02P 5/408-5/412 H02P 7/628-7 / 632

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】磁気軸受により非接触支持されたスピンド
ルの回転を制御する磁気軸受スピンドル装置のインバー
タ制御装置であって、スピンドルの回転数により変化す
る磁気軸受の剛性に基づいて低回転域では小さくて高回
転域では徐々に大きくなるようにインバータ制御出力を
制限する電流制限回路を備えていることを特徴とする磁
気軸受スピンドル装置のインバータ制御装置。
An inverter control device of a magnetic bearing spindle device for controlling rotation of a spindle non-contact supported by a magnetic bearing, wherein the inverter control device is small in a low rotation range based on a rigidity of a magnetic bearing that changes according to a rotation speed of the spindle. High times
An inverter control device for a magnetic bearing spindle device, comprising a current limiting circuit for limiting an inverter control output so as to gradually increase in a shift range .
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