JP3986293B2 - 磁気軸受け制御装置、ターボ分子ポンプおよび磁気軸受け制御方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、電磁石が発生する吸引力によって、軸を非接触状態で支持する磁気軸受けを制御する磁気軸受け制御装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
磁気軸受けによって軸を非接触状態で支持するためには、軸を、磁気軸受けを構成する電磁石のコアの端面間の中心に保つ必要がある。このため、軸と、電磁石のコアの端面との距離を一定に保つ制御が行われる。この制御は、軸と、電磁石のコアの端面との距離を検出し、検出した距離に応じて、電磁石が発生する吸引力を変化させることによって行われる。電磁石が発生する吸引力を変化させるには、電磁石をPWM制御すればよい。PWM制御とは、オン(ON)とオフ(OFF)とが繰り返される電流パルスによって電磁石を駆動し、電流パルスのオン(ON)時間とオフ(OFF)時間との比(デューティ)を変化させる制御のことである。
【0003】
ところで、軸と電磁石のコアの端面との距離を検出するためにセンサを設けるとコストアップ等の問題が発生するので、センサレスで軸と電磁石のコアの端面との距離を検出することが望ましい。ここで、軸と電磁石のコアの端面との距離は、PWM制御時に電磁石に流す電流の波形の時間微分値(電流の変化率)の絶対値に比例することが知られている。そこで、従来のセンサレスの磁気軸受け制御装置においては、PWM制御時に電磁石に流す電流の波形の時間微分値の絶対値に比例定数をかけることによって、軸と電磁石のコアの端面との距離を算出していた。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、磁気軸受けの定常剛性を変化させるため、電磁石に流す電流の波形の波高値(最大値)を変化させる必要がある場合がある。例えば、軸の姿勢すなわち軸が水平であるか垂直であるかによって、電磁石に流す電流の波形の波高値を変化させる必要がある場合がある。これは、軸が水平であれば、軸の重さを軸の上側に設けられた電磁石が発生する吸引力で支える必要があるが、軸が垂直であれば、そのような必要はないからである。また、軸に取り付けられる回転体の重さの偏り具合によって、電磁石に流す電流の波形の波高値を変化させる必要がある場合がある。
【0005】
電磁石に流す電流の波形の波高値を変化させると、軸と電磁石のコアの端面との距離と、PWM制御時に電磁石に流す電流の波形の時間微分値の絶対値との比率が変化する。すると、従来の方法では、軸と電磁石のコアの端面との正確な距離を算出することができなくなる。
【0006】
本発明は、上記の問題を解決するためになされたもので、電磁石に流す電流の波形の波高値を変化させた場合であっても、軸と電磁石のコアの端面との正確な距離を算出することができる磁気軸受け制御装置を提供するものである。
【0007】
【課題を解決するための手段】
請求項1に記載の発明は、電磁石に流す電流をPWM制御することによって、前記電磁石が発生する吸引力を変化させ、軸を非接触状態で支持する磁気軸受けを制御する磁気軸受け制御装置であって、前記電磁石に流れる電流を検出する電流検出手段と、この電流検出手段によって検出された電流から、前記軸と電磁石との距離を算出する演算手段と、この演算手段によって算出された距離に基づいて、前記電磁石に流す電流をPWM制御するPWM制御手段とを有し、前記演算手段は、前記電流検出手段によって検出された電流の時間微分値を算出する微分手段と、この微分手段によって算出された時間微分値の絶対値を算出する絶対値算出手段と、この絶対値算出手段によって算出された絶対値に定数をかけた値を算出する定数乗算手段と、この定数乗算手段によって算出された値に、補正係数B/(A×i 0 +B)をかけた値を、前記軸と電磁石との距離とする補正手段とを有することを特徴とする磁気軸受け制御装置である。ただし、前記i 0 は、前記電流検出手段によって検出された電流の波高値であり、前記AおよびBは、予め求められた定数である。
【0010】
請求項2に記載の発明は、前記AおよびBは、前記電流の波高値と、前記電流の時間微分値の絶対値を前記距離で割った値との関係から求められた定数であることを特徴とする請求項1に記載の磁気軸受け制御装置である。
【0011】
請求項3に記載の発明は、請求項1または2に記載の磁気軸受け制御装置を備えたことを特徴とするターボ分子ポンプである。
【0012】
請求項4に記載の発明は、電磁石に流す電流をPWM制御することによって、前記電磁石が発生する吸引力を変化させ、軸を非接触状態で支持する磁気軸受けを制御する磁気軸受け制御方法であって、前記電磁石に流れる電流を検出する電流検出ステップと、この電流検出ステップで検出された電流から、前記軸と電磁石との距離を算出する演算ステップと、この演算ステップで算出された距離に基づいて、前記電磁石に流す電流をPWM制御するPWM制御ステップとを有し、前記演算ステップは、前記電流検出ステップで検出された電流の時間微分値を算出する微分ステップと、この微分ステップで算出された時間微分値の絶対値を算出する絶対値算出ステップと、この絶対値算出ステップで算出された絶対値に定数をかけた値を算出する定数乗算ステップと、この定数乗算ステップで算出された値に、補正係数B/(A×i 0 +B)をかけた値を、前記軸と電磁石との距離とする補正ステップとを有することを特徴とする磁気軸受け制御方法である。ただし、前記i 0 は、前記電流検出ステップによって検出された電流の波高値であり、前記AおよびBは、予め求められた定数である。
【0013】
【発明の実施の形態】
図1は、本発明の一実施形態における磁気軸受け制御装置の構成を示す図である。軸1は、磁気軸受けにおける電磁石2が発生する吸引力によって、非接触状態で支持される。電磁石2が吸引力を発生するためには、電磁石2のコイルに電流iを流す必要があるが、この電流iは、ブリッジ回路3から供給される。
【0014】
ブリッジ回路3内には、トランジスタ4および5、ダイオード6および7、電流検出手段8が設けられている。トランジスタ4のドレインおよびダイオード6のカソードは電源電圧Eに接続されている。トランジスタ4のソースは、ダイオード7のカソードに接続されると共に、電流検出手段8を介して前記電磁石2のコイルの一端に接続される。前記電磁石2のコイルの他端は、ダイオード6のアノードに接続されると共に、トランジスタ5のドレインに接続される。トランジスタ5のソースおよびダイオード7のアノードは接地されている。
【0015】
トランジスタ4および5のゲートは相互に接続されている。すなわち、トランジスタ4および5は、同時にオン、オフされる。トランジスタ4および5は、前記電磁石2のコイルに流れる電流iをオン、オフする。電流検出手段8は、前記電磁石2のコイルに流れる電流iの値を検出し、電流検出値idを出力する。
【0016】
電流検出手段8から出力された電流検出値idは、演算手段9に入力される。演算手段9は、微分手段と、絶対値算出手段と、定数乗算手段と、補正手段とを内蔵している。微分手段は、演算手段9が入力した電流検出値idの時間微分値did/dtを算出する。絶対値算出手段は、微分手段が算出した時間微分値did/dtの絶対値|did/dt|を算出する。定数乗算手段は、絶対値算出手段が算出した絶対値|did/dt|に定数1/Bをかける。さらに、補正手段は、定数乗算手段が算出した値1/B×|did/dt|に、電流検出値idの波形の波高値(最大値)id0に応じた補正係数H=B/(Aid0+B)をかけ、その結果であるB/(Aid0+B)×1/B×|did/dt|を、前記電磁石2のコアの端面2aと軸1の表面との距離xの検出値すなわち距離検出値xdとして出力する。すなわち、演算手段9は、入力した電流検出値idを、次式(1)に代入し、距離検出値xdを算出する。
xd=B/(Aid0+B)×1/B×|did/dt| …(1)
【0017】
上記の演算手段9は、コンピュータに内蔵されるハードウェアまたはソフトウェアによって実現されるものであってもよい。「ソフトウェアによって実現される」とは、上記の演算手段9の機能を有するプログラムをコンピュータ内のメモリにロードして実行することにより、上記の演算手段9の機能が実現されることを意味する。
【0018】
また、上記の演算手段9の機能を有するプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータに読み込ませ、実行することにより、上記の演算手段9の機能を実現してもよい。なお、ここで言う「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、CD−ROM、CD−R、CD−RW等の可搬媒体や、コンピュータに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことである。
【0019】
演算手段9から出力された距離検出値xdは、制御手段10に入力される。制御手段10は、入力した距離検出値xdに基づいてPID制御等により軸を非接触で支持する磁気軸受け制御を行う。すなわち、制御手段10は制御信号を出力し、出力された制御信号は駆動手段11に入力される。駆動手段11は、入力した制御信号に基づいて駆動パルスを出力する。すなわち、駆動手段11は、入力した制御信号に基づいて、出力する駆動パルスのオン(ON)時間とオフ(OFF)時間との比(デューティ)を変化させる。駆動手段11から出力された駆動パルスは、前記ブリッジ回路3内のトランジスタ4および5のゲートに入力され、トランジスタ4および5をオン、オフさせる。
【0020】
図2は、上記のトランジスタ4および5のゲートに入力される駆動パルスと、電磁石2のコイルに流れる電流iとの波形を示すグラフである。これらのグラフの横軸は時間tである。電流iが流れる電磁石2のコイルは自己インダクタンスLをもつので、電流iの波形における立ち上がりおよび立ち下がりには遅れが生じ、波形がなまる。電磁石2のコイルの自己インダクタンスLは、電磁石2のコアの端面2aと軸1の表面との距離xに応じて変化するので、電流iの波形の傾きすなわち時間微分値di/dtも変化する。すなわち、電流iの時間微分値の絶対値|di/dt|は、電磁石2のコアの端面2aと軸1の表面との距離xに比例する。そこで、電流iの時間微分値の絶対値|di/dt|と、距離xとの比|di/dt|/xを検出ゲインGとする。すなわち、次式(2)により検出ゲインGを定義する。
G=|di/dt|/x …(2)
【0021】
図3は、上記の検出ゲインGと、電流iの波形(電流パルス)の波高値(最大値)i0との関係を示すグラフである。このグラフの横軸は電流iの波形(電流パルス)の波高値(最大値)i0であり、縦軸は検出ゲインGである。すなわち、波高値i0を高くすると検出ゲインGが低下する。波高値i0と検出ゲインGとの関係は、次式(3)で表される。
G=Ai0+B …(3)
【0022】
上記の式(2)および(3)から|di/dt|を求めると、次式(4)が得られる。
|di/dt|=xAi0+xB …(4)
上記の式(4)との比較のため、di/dtの理論式を算出する。時刻tに電磁石2のコイルに流れる電流をi(t)、ブリッジ回路3内のトランジスタ4のドレインに印加される電源電圧をE、電磁石2のコイルの自己インダクタンスをL、抵抗分をRとすると、次式(5)が得られる。
【数1】
上記の式(5)の両辺を時間tで微分すると、次式(6)が得られる。
【数2】
すなわち、上記の式(4)と理論式(6)との傾向は一致している。
【0023】
なお、上記の式(4)、(3)または(1)における定数A、Bは、実際には、実機における測定から求める。これは、実際には、電磁石2のコイルの自己インダクタンスLが、軸と磁気受けとの組み付け状態で変わるからである。
【0024】
本実施形態においては、演算手段9内の補正手段が、電磁石2のコイルに流れる電流iの検出値である電流検出値idの波形の波高値(最大値)id0に応じて、上記の式(3)で表される検出ゲインGの低下を補正するので、電磁石2に流す電流iの波形の波高値(最大値)を変化させた場合であっても、電磁石2のコアの端面2aと軸1の表面との距離xの正確な検出値すなわち正確な距離検出値xdを算出することができる。
【0025】
この効果は、図4に示す軸1の姿勢すなわち図4(a)のように軸1が水平であるか図4(b)のように軸1が垂直であるかによる影響を受けない。
【0026】
上記の磁気軸受けによって支持される軸によって回転させられる回転体の一例として、ターボ分子ポンプのロータがある。図5は、ターボ分子ポンプPの構成の一例を示す図である。ターボ分子ポンプとは、ロータを高速で回転させることにより、気体分子を圧縮しつつ排気し、超高真空を作り出すポンプである。すなわち、ターボ分子ポンプは、例えば、半導体プロセスで利用されるCVD装置等に、ロータリポンプ、デフュージョンポンプ等と共に排気系の一部として付設され使用される。すなわち、CVD装置に同時に付設されるチャンバ内の排気を行うことを目的として利用される。
【0027】
図示したターボ分子ポンプPは、上半部101a及び下半部101bとからなるケーシング101内部に各種機器が備えられた構成となっている。このケーシング101においては、その上半部101aに吸気口101c、下半部101bに排気口101dが、それぞれ形成されている。
【0028】
ケーシング101内部におけるロータ室102には、ロータ104が配設されている。ロータ104は、鉛直に立設されたロータシャフト104aと、当該ロータシャフト104a周囲に放射状に配置された動翼105とを備えた構成となっている。また、ケーシング上半部101aには静翼103が固定されている。このロータ104は、後述するように高速回転する部材であるから、一般には軽量かつ応力強度の高いアルミニウム合金等をその材質として選択するのが好ましい。
【0029】
前記ロータシャフト104aの下端部には、スラスト磁気ディスク106が備えられている。このスラスト磁気ディスク106の上下面には、これに対向した形でスラスト磁気軸受け108が設けられている。また、ロータシャフト104aとケーシング下半部101bとの対向面における上方及び下方には、それぞれラジアル磁気軸受け107a、107bが設けられている。さらに、ロータシャフト104a上端部にラジアル用上部保護軸受けとして設けられたボールベアリング109、同下端ネック部にはラジアル及びスラスト用下部保護軸受けとして設けられたボールベアリング110が設けられている。そして、ケーシング下半部101bには、ロータ駆動用モータ111が設けられている。
【0030】
上記のターボ分子ポンプPは、上記構成から明らかなように、軸受けとして能動型磁気軸受けを有し、これらとロータ駆動用モータ111の発生する駆動力とにより、ロータ104の回転が実現されるものとなっている。このとき、ロータ104の回転速度は約90000rpm(1500回転/秒)になる。なお、本発明は、ターボ分子ポンプの構成に関して、上記の例に限定されるものではない。
【0031】
【実施例】
図6は、電磁石2のコイルに流れる電流iの波形の波高値i0と、検出ゲインGおよび補正係数Hとの関係をシミュレーションした結果を示すグラフである。このグラフの横軸は、電磁石2のコイルに流れる電流iの波形の波高値i0であり、左側の縦軸は検出ゲインGであり、右側の縦軸は補正係数Hである。
【0032】
本シミュレーションにおいては、電磁石2のコアの端面2aと軸1の表面との距離xが1、5、10、50、100μmであって、電磁石2のコイルに流れる電流iの波形(電流パルス)の波高値i0が0.203、0.774、1.293、1.814、2.330、3.368Aである場合の検出ゲインGを算出した。
【0033】
【発明の効果】
本発明によれば、電磁石に流す電流の波形の波高値を変化させた場合であっても、軸と電磁石のコアの端面との正確な距離を算出することができる。この効果は、軸の姿勢すなわち軸が水平であるか垂直であるかによる影響を受けない。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の一実施形態における磁気軸受け制御装置の構成を示す図である。
【図2】 トランジスタ4および5のゲートに入力される駆動パルスと、電磁石2のコイルに流れる電流iとの波形を示すグラフである。
【図3】 検出ゲインGと、電流iの波形(電流パルス)の波高値(最大値)i0との関係を示すグラフである。
【図4】 軸1の姿勢を示す図である。
【図5】 ターボ分子ポンプPの構成の一例を示す図である。
【図6】 電磁石2のコイルに流れる電流iの波形の波高値i0と、検出ゲインGおよび補正係数Hとの関係をシミュレーションした結果を示すグラフである。
【符号の説明】
1 軸 2 電磁石
3 ブリッジ回路
4、5 トランジスタ(PWM制御手段)
6、7 ダイオード 8 電流検出手段
9 演算手段
10 制御手段(PWM制御手段)
11 駆動手段(PWM制御手段)
P ターボ分子ポンプ 101 ケーシング
101a 上半部 101b 下半部
101c 吸気口 101d 排気口
102 ロータ室 103 静翼
104 ロータ 104a ロータシャフト
105 動翼 106 スラスト磁気ディスク
107a、107b ラジアル磁気軸受け
108 スラスト磁気軸受け
109、110 ボールベアリング
111 ロータ駆動用モータ
Claims (4)
- 電磁石に流す電流をPWM制御することによって、前記電磁石が発生する吸引力を変化させ、軸を非接触状態で支持する磁気軸受けを制御する磁気軸受け制御装置であって、
前記電磁石に流れる電流を検出する電流検出手段と、
この電流検出手段によって検出された電流から、前記軸と電磁石との距離を算出する演算手段と、
この演算手段によって算出された距離に基づいて、前記電磁石に流す電流をPWM制御するPWM制御手段とを有し、
前記演算手段は、
前記電流検出手段によって検出された電流の時間微分値を算出する微分手段と、
この微分手段によって算出された時間微分値の絶対値を算出する絶対値算出手段と、
この絶対値算出手段によって算出された絶対値に定数をかけた値を算出する定数乗算手段と、
この定数乗算手段によって算出された値に、補正係数B/(A×i 0 +B)をかけた値を、前記軸と電磁石との距離とする補正手段とを有することを特徴とする磁気軸受け制御装置。ただし、前記i 0 は、前記電流検出手段によって検出された電流の波高値であり、前記AおよびBは、予め求められた定数である。 - 前記AおよびBは、前記電流の波高値と、前記電流の時間微分値の絶対値を前記距離で割った値との関係から求められた定数であることを特徴とする請求項1に記載の磁気軸受け制御装置。
- 請求項1または2に記載の磁気軸受け制御装置を備えたことを特徴とするターボ分子ポンプ。
- 電磁石に流す電流をPWM制御することによって、前記電磁石が発生する吸引力を変化させ、軸を非接触状態で支持する磁気軸受けを制御する磁気軸受け制御方法であって、
前記電磁石に流れる電流を検出する電流検出ステップと、
この電流検出ステップで検出された電流から、前記軸と電磁石との距離を算出する演算ステップと、
この演算ステップで算出された距離に基づいて、前記電磁石に流す電流をPWM制御するPWM制御ステップとを有し、
前記演算ステップは、
前記電流検出ステップで検出された電流の時間微分値を算出する微分ステップと、
この微分ステップで算出された時間微分値の絶対値を算出する絶対値算出ステップと、
この絶対値算出ステップで算出された絶対値に定数をかけた値を算出する定数乗算ステップと、
この定数乗算ステップで算出された値に、補正係数B/(A×i 0 +B)をかけた値を、前記軸と電磁石との距離とする補正ステップとを有することを特徴とする磁気軸受け制御方法。ただし、前記i 0 は、前記電流検出ステップによって検出された電流の波高値であり、前記AおよびBは、予め求められた定数である。
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