JP3564595B2

JP3564595B2 - Magnetic levitation rotating device

Info

Publication number: JP3564595B2
Application number: JP01106498A
Authority: JP
Inventors: 拓知上山
Original assignee: Koyo Seiko Co Ltd
Current assignee: Koyo Seiko Co Ltd
Priority date: 1998-01-23
Filing date: 1998-01-23
Publication date: 2004-09-15
Anticipated expiration: 2018-01-23
Also published as: JPH11215870A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、回転体を磁気軸受により非接触支持して電動モータにより回転させる磁気浮上回転装置、たとえば半導体製造装置などに使用される磁気軸受を用いたターボ分子ポンプなどの磁気浮上回転装置に関する。
【０００２】
以下、磁気浮上回転装置としてターボ分子ポンプを例に説明する。
【０００３】
【従来の技術】
ターボ分子ポンプとして、ポンプを構成する回転体（ロータ）を制御型磁気軸受により非接触支持して高周波モータなどの電動モータにより回転させる機械本体（ポンプ本体）と、これを制御するコントローラとを備えているものが知られている。
【０００４】
このターボ分子ポンプにおいて、コントローラは、回転体の回転数を検出するための回転数センサの出力信号に基づき、インバータを介してモータを制御する。そして、ポンプの運転を開始するときには、まず、磁気軸受により回転体を浮上させて所定の目標位置に非接触支持し、その後、モータを起動し、回転体を所定の目標回転数（最高回転数）まで徐々に加速する。
【０００５】
ところで、この種のターボ分子ポンプでは、排気流体の流量によってモータの負荷が変化し、過負荷の場合には、回転体を十分に加速することができず、目標回転数まで到達できなかったり、目標回転数に到達するまでに非常に長い時間がかかったりすることがある。
【０００６】
そこで、従来は、モータの起動から回転体が所定の定格回転数（たとえば目標回転数の９０％）に到達するまでの時間を測定し、この時間が所定の規定時間（たとえば３０分）より長いときに、過負荷による加速不良などの異常が生じていると判定している。
【０００７】
しかしながら、このようにすると、少なくとも上記の規定時間が経過するまでは異常の判定ができないので、異常の判定までに長い時間がかかる。また、回転体が定格回転数に到達するまでの時間を測定して異常の有無を判定するために、専用のアナログ回路が必要であり、コントローラが高価で大型になる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
この発明の目的は、短時間で回転体の起動時の異常の判定ができる磁気浮上回転装置を提供することにある。
【０００９】
この発明の目的は、また、回転体の起動時の異常の判定のための専用のアナログ回路が不要でコントローラのコスト低減および小型化が可能な磁気浮上回転装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段および発明の効果】
この発明による磁気浮上回転装置は、回転体を非接触支持する磁気軸受および前記回転体を回転させる電動モータを有する機械本体と、前記機械本体を制御するコントローラとを備えている磁気浮上回転装置において、前記コントローラが、前記電動モータの起動時に、前記回転体の回転数を検出するための回転数センサの出力信号に基づいて前記回転体の加速特性を測定し、この加速特性の測定結果から前記回転体の起動時の異常の有無を判定する異常判定手段を備えており、前記異常判定手段が、前記回転数センサの出力信号に基づいて前記回転体の回転数および加速度を測定し、前記回転体の回転数が所定の定格回転数に達するまでの間に前記回転体の加速度が所定の判定値より小さくなったときに前記異常があると判定するものであることを特徴とするものである。
【００１１】
モータの起動時に過負荷による加速不良などの異常が生じた場合、回転体の加速特性が劣化する。このため、回転体の加速特性の測定結果から回転体の起動時の異常の有無を判定することができ、従来のように定格回転数に到達するまでの時間を測定するような必要がないので、モータの起動時の異常の有無の判定を短時間で行うことができる。
【００１３】
モータの起動時に異常が生じていない場合、回転体が定格回転数に到達するまでの間、回転体の加速度は所定値より大きい値に保たれ、異常が生じた場合は、回転体の加速度は上記の所定値より小さくなる。このため、回転体の加速度の測定結果に基づいて回転体の起動時の異常の有無を判定することができ、従来のように定格回転数に到達するまでの時間を測定するような必要がないので、モータの起動時の異常の有無の判定を短時間で行うことができる。
【００１４】
たとえば、前記コントローラがディジタル処理手段を備え、このディジタル処理手段が前記異常判定手段を備えている。
【００１５】
ディジタル処理手段としては、たとえばＭＰＵ（マイクロプロセッサ）、ディジタル信号処理プロセッサなどが使用される。この明細書において、ディジタル信号処理プロセッサ（ＤｉｇｉｔａｌＳｉｇｎａｌＰｒｏｃｅｓｓｏｒ）とは、ディジタル信号を入力してディジタル信号を出力し、ソフトウェアプログラムが可能で、高速実時間処理が可能な専用ハードウェアを指す。なお、以下、これをＤＳＰと略すことにする。
【００１６】
上記のようにすれば、モータの起動時の異常判定のための専用のアナログ回路を設ける必要がなく、コントローラのコスト低減、小型化が可能である。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、この発明の実施形態について説明する。
【００１８】
図１は、この発明による磁気浮上回転装置をターボ分子ポンプに適用した場合の構成を概略的に示している。
【００１９】
ターボ分子ポンプは、ポンプ本体を構成する機械本体（１）およびポンプ制御部を構成するコントローラ（２）を備えている。機械本体（１）には、ポンプを構成する回転体（ロータ）（３）、変位検出部（４）、制御型磁気軸受（５）、ビルトイン型電動モータ（６）および回転数センサ（７）が設けられている。コントローラ（２）には、変位演算回路（８）、磁気軸受駆動回路（９）、インバータ（１０）およびディジタル処理手段としてのＤＳＰ（１１）が設けられている。
【００２０】
磁気軸受（５）は、図示しない複数の電磁石の磁気吸引力により、回転体（３）の軸方向の１箇所において回転体（３）を軸方向の制御軸（アキシアル制御軸）方向に非接触支持するとともに、回転体（３）の軸方向の２箇所において、それぞれ、回転体（３）を互いに直交する２つの径方向の制御軸（ラジアル制御軸）方向に非接触支持するものである。変位検出部（４）は、図示は省略したが、回転体（３）の変位を検出するための複数の変位センサを備えている。変位演算回路（８）は、変位検出部（４）の複数の変位センサの出力信号に基づいて、回転体（３）のアキシアル制御軸方向の変位を演算するとともに、回転体（３）の軸方向の２箇所における前記２つのラジアル制御軸方向の変位を演算し、これらの変位に対応する変位信号をＤＳＰ（１１）に出力する。ＤＳＰ（１１）は、所定のサンプリング時間ごとに、変位演算回路（８）から回転体（３）の変位信号を入力し、それに基づいて、磁気軸受駆動回路（９）に磁気軸受（５）の各電磁石に対する制御電流信号を出力する。磁気軸受駆動回路（９）は、磁気軸受（５）の電磁石に対応する複数の電力増幅器などを備えており、ＤＳＰ（１１）から出力される制御電流信号に基づいて磁気軸受（５）の対応する電磁石に励磁電流を供給する。これにより、回転体（３）が所定の目標位置に非接触支持される。
【００２１】
モータ（６）は、磁気軸受（５）により非接触支持された回転体（３）を回転させるものであり、たとえば高周波モータよりなる。回転数センサ（７）は、回転体（３）の回転数を検出するためのものであり、たとえば、回転体（３）の１回転当り一定数（たとえば１つ）のパルス信号をＤＳＰ（１１）に出力する。ＤＳＰ（１１）は、回転数センサ（７）からのパルス信号から回転体（３）の回転数を演算し、これに基づいてインバータ（１０）に回転数指令信号を出力する。インバータ（１０）は、ＤＳＰ（１１）からの回転数指令信号に基づいて、モータ（６）の回転を制御する。
【００２２】
ポンプの運転を開始するときは、ＤＳＰ（１１）は、まず、上記のように磁気軸受（５）を制御して、回転体（３）を目標位置に非接触支持する。その後、モータ（６）を起動、制御して、回転体（３）を所定の目標回転数まで徐々に加速する。このようなモータ（６）の起動時に、ＤＳＰ（１１）は、次のように、回転体（３）の加速特性を測定し、その測定結果に基づいて、回転体（３）の過負荷による加速不良などの異常の有無を判定する。
【００２３】
すなわち、ＤＳＰ（１１）は、モータ（６）を起動した後、これを徐々に加速するとともに、回転数センサ（７）からのパルス信号に基づいて、回転体（３）の回転数と加速度を繰返し演算し、回転数を回転体（３）の定格回転数（たとえば目標回転数の９０％）と比較するとともに、加速度を所定の判定値と比較する。そして、定格回転数に達するまでに加速度が判定値より小さくならなかったときは、加速不良などの異常がないと判定し、逆に、定格回転数に達するまでに加速度が判定値より小さくなったときは、加速不良などの異常があると判定する。異常がない場合は、そのまま、目標回転数まで回転体（３）を加速する。異常がある場合は、警告を発し、モータ（６）を停止させる。
【００２４】
図２は、モータ（６）起動時の回転体（３）の回転数と加速度との関係を表わしたグラフであり、（Ａ）は異常のない場合、（Ｂ）は異常のある場合を示している。異常のない場合、加速度は、モータ（６）の起動直後は、ほぼ一定であり、その後、徐々に大きくなった後に、徐々に小さくなり、回転数が目標回転数に達すると、０になる。したがって、モータ（６）起動直後の加速度より少し小さい値を判定値とし、正常時の加速特性を適当に設定することにより、図２の（Ａ）に示すように、定格回転数に達した後に加速度が判定値より小さくなるようにすることができる。このように正常時の加速特性を設定しても、異常がある場合には、図２の（Ｂ）に示すように、起動後しばらくすると、加速度は判定値より小さくなる。このため、上記のようにすることにより、従来のように定格回転数に到達するまでの時間を測定しなくても、起動時の異常の有無を短時間で正確に判定することができる。
【００２５】
ＤＳＰ（１１）における回転体（３）の回転数および加速度の測定には、一定のサンプリング時間ごとに測定する方法、回転数センサ（７）からパルス信号が出力されるたびに測定する方法など、任意の方法を採用することができるが、たとえば次のようにすることができる。すなわち、回転数センサ（７）からパルス信号が出力されてから次のパルス信号が出力されるまでの間の適当なクロックパルス（たとえば磁気軸受（５）の制御のサンプリング時間を決めるクロックパルス）の数をカウントすることにより、相前後する２つのパルス信号の間の経過時間（パルス間隔時間）を測定し、このパルス間隔時間の逆数から回転数を求める。そして、今回の回転数から前回の回転数を減算し、この減算結果を今回のパルス間隔時間で除算することにより、加速度を求める。
【００２６】
ターボ分子ポンプの各部の構成、制御の方法などは、上記実施形態のものに限らず、適宜変更可能である。
【００２７】
上記実施形態では、この発明による磁気浮上回転装置をターボ分子ポンプに適用した例を示したが、この発明は、この他にも、磁気軸受を用いたスピンドルを有する旋盤、マシニングセンタ、研削盤などの工作機械や、磁気軸受を用いたコンプレッサ、ブロアなどの流体機器や、フライホイールなど、回転体を支持する磁気軸受とこの回転体を回転させる電動モータとを有するあらゆる磁気浮上回転装置に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、この発明の実施形態を示すターボ分子ポンプの概略構成図である。
【図２】図２は、モータ起動時の回転体の回転数と加速度との関係を表わしたグラフである。
【符号の説明】
（１）機械本体
（２）コントローラ
（３）回転体
（５）磁気軸受
（６）電動モータ
（７）回転数センサ
（１１）ディジタル信号処理プロセッサ[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a magnetic levitation rotating device in which a rotating body is supported by a magnetic bearing in a non-contact manner and is rotated by an electric motor, for example, a magnetic levitation rotating device such as a turbo molecular pump using a magnetic bearing used in a semiconductor manufacturing device or the like.
[0002]
Hereinafter, a turbo molecular pump will be described as an example of the magnetic levitation rotating device.
[0003]
[Prior art]
A turbo molecular pump includes a machine body (pump body) in which a rotating body (rotor) constituting the pump is non-contact supported by a control type magnetic bearing and rotated by an electric motor such as a high frequency motor, and a controller for controlling the same. Are known.
[0004]
In this turbo molecular pump, the controller controls the motor via the inverter based on the output signal of the rotation speed sensor for detecting the rotation speed of the rotating body. When the operation of the pump is started, first, the rotating body is levitated by a magnetic bearing to be supported in a non-contact manner at a predetermined target position, and then the motor is started to rotate the rotating body at a predetermined target rotation speed (maximum rotation speed). ) To gradually accelerate.
[0005]
By the way, in this type of turbo molecular pump, the load of the motor changes depending on the flow rate of the exhaust fluid, and in the case of overload, the rotating body cannot be sufficiently accelerated and cannot reach the target rotational speed, It may take a very long time to reach the target rotation speed.
[0006]
Therefore, conventionally, the time from when the motor is started to when the rotating body reaches a predetermined rated rotation speed (for example, 90% of the target rotation speed) is measured, and this time is longer than a predetermined specified time (for example, 30 minutes). Sometimes, it is determined that an abnormality such as poor acceleration due to overload has occurred.
[0007]
However, in this case, since it is not possible to determine the abnormality at least until the above-mentioned specified time has elapsed, it takes a long time to determine the abnormality. In addition, a dedicated analog circuit is required to measure the time required for the rotating body to reach the rated rotation speed and determine the presence or absence of an abnormality, so that the controller is expensive and large.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a magnetic levitation rotating device capable of determining an abnormality at the time of starting a rotating body in a short time.
[0009]
It is another object of the present invention to provide a magnetic levitation rotating apparatus that does not require a dedicated analog circuit for determining an abnormality at the time of starting a rotating body and that can reduce the cost and size of a controller.
[0010]
Means for Solving the Problems and Effects of the Invention
Magnetic levitation rotating device according to the present invention includes a machine body having an electric motor for rotating the magnetic bearing and the rotating body in a non-contact support the rotating body, the magnetic levitation rotating device and a controller for controlling the machine body The controller measures the acceleration characteristics of the rotating body based on an output signal of a rotation speed sensor for detecting the rotation speed of the rotating body when the electric motor is started, and from the measurement result of the acceleration characteristics, An abnormality determining unit that determines whether there is an abnormality at the time of starting the rotating body , wherein the abnormality determining unit measures a rotation speed and an acceleration of the rotating body based on an output signal of the rotation speed sensor; When the acceleration of the rotating body becomes smaller than a predetermined determination value before the rotation speed of the body reaches a predetermined rated rotation speed, it is determined that the abnormality is present. It is characterized in.
[0011]
If an abnormality such as poor acceleration due to overload occurs at the start of the motor, the acceleration characteristics of the rotating body deteriorate. For this reason, it is possible to determine the presence or absence of abnormality at the time of startup of the rotating body from the measurement result of the acceleration characteristic of the rotating body, and it is not necessary to measure the time until reaching the rated speed as in the conventional case. In addition, it is possible to determine whether there is an abnormality at the time of starting the motor in a short time.
[0013]
If no abnormality occurs at the time of starting the motor, the acceleration of the rotating body is kept at a value larger than a predetermined value until the rotating body reaches the rated rotation speed, and if an abnormality occurs, the acceleration of the rotating body is increased. It becomes smaller than the predetermined value. For this reason, it is possible to determine the presence or absence of an abnormality at the time of startup of the rotating body based on the measurement result of the acceleration of the rotating body, and it is not necessary to measure the time until reaching the rated rotation speed unlike the related art. Therefore, it can be determined in a short time whether there is an abnormality at the time of starting the motor.
[0014]
For example, the controller includes digital processing means, and the digital processing means includes the abnormality determination means.
[0015]
As the digital processing means, for example, an MPU (microprocessor), a digital signal processor or the like is used. In this specification, a digital signal processor (Digital Signal Processor) refers to dedicated hardware that inputs a digital signal, outputs a digital signal, is software-programmable, and is capable of high-speed real-time processing. Hereinafter, this is abbreviated as DSP.
[0016]
According to the above configuration, it is not necessary to provide a dedicated analog circuit for determining an abnormality at the time of starting the motor, and thus the cost and size of the controller can be reduced.
[0017]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0018]
FIG. 1 schematically shows a configuration in which a magnetic levitation rotating apparatus according to the present invention is applied to a turbo molecular pump.
[0019]
The turbo molecular pump includes a machine body (1) constituting a pump body and a controller (2) constituting a pump control unit. The machine body (1) includes a rotating body (rotor) (3), a displacement detection unit (4), a control type magnetic bearing (5), a built-in type electric motor (6), and a rotation speed sensor (7) which constitute a pump. Is provided. The controller (2) is provided with a displacement calculation circuit (8), a magnetic bearing drive circuit (9), an inverter (10), and a DSP (11) as digital processing means.
[0020]
The magnetic bearing (5) causes the rotating body (3) to be in non-contact with the axial control axis (axial control axis) at one location in the axial direction of the rotating body (3) due to the magnetic attractive force of a plurality of electromagnets (not shown). In addition to supporting the rotating body (3), the rotating body (3) is non-contactly supported in two axial control axes (radial control axes) orthogonal to each other at two positions in the axial direction of the rotating body (3). is there. Although not shown, the displacement detector (4) includes a plurality of displacement sensors for detecting the displacement of the rotating body (3). The displacement calculation circuit (8) calculates the displacement of the rotating body (3) in the axial control axis direction based on the output signals of the plurality of displacement sensors of the displacement detecting section (4), and also calculates the displacement of the rotating body (3). Displacements in the two radial control axial directions at two axial positions are calculated, and displacement signals corresponding to these displacements are output to the DSP (11). The DSP (11) inputs a displacement signal of the rotating body (3) from the displacement calculation circuit (8) every predetermined sampling time, and based on the signal, inputs a signal of the magnetic bearing (5) to the magnetic bearing drive circuit (9). It outputs a control current signal for each electromagnet. The magnetic bearing drive circuit (9) includes a plurality of power amplifiers and the like corresponding to the electromagnets of the magnetic bearing (5), and controls the magnetic bearing (5) based on a control current signal output from the DSP (11). An exciting current is supplied to the magnetite that is activated. Thereby, the rotating body (3) is supported in a non-contact manner at the predetermined target position.
[0021]
The motor (6) rotates the rotating body (3) which is supported in a non-contact manner by the magnetic bearing (5), and is, for example, a high frequency motor. The rotation speed sensor (7) is for detecting the rotation speed of the rotating body (3). For example, the DSP (11) outputs a fixed number (for example, one) of pulse signals per rotation of the rotating body (3). ). The DSP (11) calculates the rotation speed of the rotating body (3) from the pulse signal from the rotation speed sensor (7), and outputs a rotation speed command signal to the inverter (10) based on this. The inverter (10) controls the rotation of the motor (6) based on a rotation speed command signal from the DSP (11).
[0022]
When starting the operation of the pump, the DSP (11) first controls the magnetic bearing (5) as described above to support the rotating body (3) in a non-contact manner at the target position. Thereafter, the motor (6) is started and controlled to gradually accelerate the rotating body (3) to a predetermined target rotation speed. When such a motor (6) is started, the DSP (11) measures the acceleration characteristics of the rotating body (3) as described below, and based on the measurement result, causes the overload of the rotating body (3). Determine the presence or absence of abnormalities such as poor acceleration.
[0023]
That is, after starting the motor (6), the DSP (11) gradually accelerates the motor (6) and, based on the pulse signal from the rotation speed sensor (7), calculates the rotation speed and acceleration of the rotating body (3). By repeatedly calculating, the rotation speed is compared with the rated rotation speed of the rotating body (3) (for example, 90% of the target rotation speed), and the acceleration is compared with a predetermined determination value. When the acceleration does not become smaller than the determination value before reaching the rated rotation speed, it is determined that there is no abnormality such as poor acceleration, and conversely, the acceleration becomes smaller than the determination value before reaching the rated rotation speed. At this time, it is determined that there is an abnormality such as poor acceleration. If there is no abnormality, the rotating body (3) is accelerated to the target rotation speed. If there is any abnormality, a warning is issued and the motor (6) is stopped.
[0024]
FIG. 2 is a graph showing the relationship between the rotation speed and the acceleration of the rotating body (3) when the motor (6) is started, wherein (A) shows the case where there is no abnormality and (B) shows the case where there is an abnormality. ing. When there is no abnormality, the acceleration is almost constant immediately after the start of the motor (6), then gradually increases, then gradually decreases, and becomes zero when the rotation speed reaches the target rotation speed. Therefore, by setting a value slightly smaller than the acceleration immediately after the start of the motor (6) as the judgment value and appropriately setting the acceleration characteristics in the normal state, as shown in FIG. The acceleration can be made smaller than the determination value. Even if the normal acceleration characteristic is set as described above, if there is an abnormality, the acceleration becomes smaller than the determination value some time after the start, as shown in FIG. 2B. For this reason, by performing the above, it is possible to accurately determine whether there is an abnormality at the time of startup in a short time without measuring the time required to reach the rated speed as in the related art.
[0025]
For measuring the rotation speed and acceleration of the rotating body (3) in the DSP (11), a method of measuring at a constant sampling time, a method of measuring each time a pulse signal is output from the rotation speed sensor (7), and the like. Any method can be adopted. For example, the following method can be used. That is, an appropriate clock pulse (for example, a clock pulse that determines the sampling time for control of the magnetic bearing (5)) between the output of the pulse signal from the rotation speed sensor (7) and the output of the next pulse signal. By counting the number, the elapsed time (pulse interval time) between two consecutive pulse signals is measured, and the number of revolutions is determined from the reciprocal of the pulse interval time. Then, the acceleration is obtained by subtracting the previous rotation speed from the current rotation speed and dividing the subtraction result by the current pulse interval time.
[0026]
The configuration of each part of the turbo molecular pump, the control method, and the like are not limited to those in the above-described embodiment, and can be appropriately changed.
[0027]
In the above embodiment, an example in which the magnetic levitation rotating device according to the present invention is applied to a turbo molecular pump has been described. However, the present invention also includes a lathe having a spindle using a magnetic bearing, a machining center, a grinding machine, and the like. The present invention can be applied to any magnetic levitation rotating apparatus having a magnetic bearing that supports a rotating body and an electric motor that rotates the rotating body, such as a machine tool, a fluid device such as a compressor or a blower using a magnetic bearing, a flywheel, or the like.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a turbo-molecular pump showing an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a graph showing a relationship between a rotation speed of a rotating body and an acceleration when a motor is started.
[Explanation of symbols]
(1) Machine body (2) Controller (3) Rotating body (5) Magnetic bearing (6) Electric motor (7) Rotation speed sensor (11) Digital signal processor

Claims

A magnetic levitation rotating device including a magnetic body that supports the rotating body in a non-contact manner and a machine body having an electric motor that rotates the rotating body, and a controller that controls the machine body.
The controller measures an acceleration characteristic of the rotating body based on an output signal of a rotation speed sensor for detecting a rotation speed of the rotating body when the electric motor is started. It is provided with abnormality determination means for determining whether there is an abnormality at the time of starting the body ,
The abnormality determination unit measures the rotation speed and acceleration of the rotating body based on the output signal of the rotation speed sensor, and measures the rotation speed of the rotating body until the rotation speed of the rotating body reaches a predetermined rated rotation speed. A magnetic levitation rotating device for determining that the abnormality is present when the acceleration becomes smaller than a predetermined determination value .

2. The magnetic levitation rotating apparatus according to claim 1 , wherein the controller includes digital processing means, and the digital processing means includes the abnormality determination means.