JP4645171B2 - Ｄｃブラシレスモータ装置およびターボ分子ポンプ - Google Patents

Description

本発明は、ＤＣブラシレスモータ装置およびターボ分子ポンプに関する。

半導体製造装置等に用いられる真空ポンプとしてターボ分子ポンプがあるが、ターボ分子ポンプでは回転翼が形成されたロータをモータで回転駆動し、この回転翼を固定翼に対して高速回転させることにより気体分子を排気している。ロータを回転駆動するモータとしては、例えばＤＣブラシレスモータが用いられる。

ＤＣブラシレスモータには、ホールセンサ等を回転位置検出センサとして用いたセンサ付タイプのものと、回転位置検出センサを用いないセンサレス駆動方式のものとがある。一般的に、高温雰囲気中などのホールセンサを嫌う用途においては、センサレス駆動方式のＤＣブラシレスモータが用いられている。

センサレス駆動方式のＤＣブラシレスモータでは、各Ｕ，Ｖ，Ｗ相の固定子巻線の端子電圧と基準電位である中性点電位との電位差が正から負または負から正へと変化するゼロクロス点を検出し、検出したゼロクロス点から回転子磁極の位置情報を抽出する方法が用いられている（例えば、非特許文献１参照）。

見城尚志、永守重信著、「新・ブラシレスモータ」、総合電子出版社、２０００年７月、２．１３項 センサレスドライブ

しかしながら、従来のセンサレス駆動方式では、中性点電位のノイズ等によるオフセット変動がゼロクロス点の検出に影響を与え、回転周期に変動が生じる場合があり、高精度な制御が困難となる。

請求項１の発明は、回転子と固定子巻線とを有するＤＣブラシレスモータ装置において、前記固定子巻線の端子電圧が前記固定子巻線の中性点電位と一致するゼロクロス点を検出するゼロクロス点検出部と、前記ゼロクロス点検出部によりゼロクロス点が検出されるたびに、その検出されたゼロクロス点と前回検出されたゼロクロス点との間隔に基づいて、前記回転子の回転周期を算出する回転周期演算部と、前記回転周期演算部により算出された回転周期を逐次記憶していく記憶部と、前記ゼロクロス点検出部によりゼロクロス点が検出された現時点より過去に前記回転周期演算部が算出した直近ｋ個（ｋは２以上の整数）の回転周期を前記記憶部から読み出し、読み出したｋ個の回転周期の移動平均に基づいて、前記現時点から所定の電気角だけ遅延して生じさせる回転信号の回転周期を決定する回転制御部とを備えたことを特徴とする。
請求項２の発明は、請求項１に記載のＤＣブラシレスモータ装置において、
前記記憶部は、前記回転子の加速運転状態，定常運転状態および減速運転状態のうち少なくとも一つの運転状態に対応した回転周期設定条件を記憶しておき、
前記回転制御部は、前記記憶部に記憶された前記回転周期設定条件により回転周期を決定することを特徴とする。
請求項３の発明は、請求項１または２に記載のＤＣブラシレスモータ装置において、前記固定子巻線の中性点電位に代えて、前記固定子巻線に並列接続した疑似固定子巻線の中性点に生じる疑似中性点電位を用いる。
請求項４の発明は、請求項１ないし３のいずれか一項に記載のＤＣブラシレスモータ装置を、ポンプロータの回転駆動手段として有することを特徴とするターボ分子ポンプである。

本発明によれば、ＤＣブラシレスモータの回転周期を可変制御する構成を有しているので、回転ムラの少ない高精度な回転制御を行うことができる。

以下、図を参照して本発明を実施するための最良の形態について説明する。図１は本発明によるＤＣブラシレスモータ装置の一実施の形態を示す図であり、ＤＣブラシレスモータ装置の概略構成を示すブロック図である。ＤＣブラシレスモータ装置は、ＤＣブラシレスモータ１，ＤＣブラシレスモータ１を駆動するインバータ２、直流電源３，インバータ２を制御するための制御信号を生成する制御回路４を備えている。

図２は、ＤＣブラシレスモータを用いたターボ分子ポンプ本体の断面図を示したものである。ポンプ本体１のケーシング２０の内部には、複数段のロータ翼２１およびネジ溝部２２が形成されたロータ２９と、ロータ翼２１に対して交互に配設されるステータ翼２３と、上記ネジ溝部２２と対向するように配設される筒状部材２４とが設けられている。

図２に示すターボ分子ポンプは磁気軸受式のポンプであって、ロータ２９は、ラジアル電磁石５１，５２とアキシャル電磁石５３とを有する磁気軸受によって非接触支持される。ロータ２９を電磁石５１，５２，５３により非接触支持しつつＤＣブラシレスモータ１により回転駆動すると、吸気口側のガスは矢印Ｇ１のように背圧側に排気され、排気口フランジ２６に接続された補助ポンプにより排気される。

排気するガスがポンプ内に析出堆積しやすい場合には、ヒータで加熱しながら使用したり、ガス負荷が大きな場合には負荷により発熱したりするため、ＤＣブラシレスモータ１はセンサレス方式で制御される場合が多い。ターボ分子ポンプの場合、定常運転時は一定の回転速度で使用される。

図１に戻って、ＤＣブラシレスモータ１は、永久磁石を有する回転子１ａと、Ｕ相巻線，Ｖ相巻線およびＷ相巻線を有する固定子１ｂとを備えている。インバータ２には、Ｕ相巻線，Ｖ相巻線およびＷ相巻線に対応してスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６およびフライホイールダイオードＤ１〜Ｄ６が設けられており、電源３の直流電圧を交流電圧に変換してＤＣブラシレスモータ１を駆動する。

Ｕ〜Ｗ相巻線の端子電圧およびＮ点の電位（中性点電位）は制御回路４に読み込まれ、フィルタ回路４１により、端子電圧波形からＰＷＭ信号やノイズ等が除去される。そして、フィルタ回路４１からは図３の（ａ）に示すような電圧波形が出力される。なお、図３（ａ）はＵ〜Ｗ相の一相の電圧波形、例えば、Ｕ相の電圧波形を示したもので、Ｎ点の中性点電位を基準電位として示したものであり、横軸は電気角を表している。

図３（ａ）に示す端子電圧は、インバータ２により印加される電圧と誘起電圧との和になっている。位置検出回路４２では、ノイズ等を除去した端子電圧と中性点電位とを比較して、端子電圧と中性点電位との電位差が正から負または負から正へと変化するゼロクロス点を検出する。図３（ａ）において、中性点電位（Ｎレベル）とクロスする点Ｐ１〜Ｐ１２がゼロクロス点であり、点Ｐ１，Ｐ３，Ｐ５，Ｐ７，Ｐ９，Ｐ１１が電位差が正から負に変化する点で、点Ｐ２，Ｐ４，Ｐ６，Ｐ８，Ｐ１０，Ｐ１２が電位差が負から正に変化する点である。

位置検出回路４２では、ゼロクロス点を検出した後に、フライホイールダイオードＤ１〜Ｄ６のサージ電圧によって生じるゼロクロス点Ｐ１，Ｐ２，Ｐ４，Ｐ５，Ｐ７，Ｐ８，Ｐ１０，Ｐ１１を、ノイズ分としてマスク回路などで除去し、回転子磁極の位置情報のみを抽出する。図３（ｂ）は抽出したゼロクロス点を示したものであり、ここでは電位差が正から負に変化するときのゼロクロス点Ｐ３，Ｐ９を抽出している。このときのゼロクロス点は、電気角で３６０度毎に抽出される。

回転周期演算部４３では、位置検出回路４２で得られた位置情報に基づいてＤＣブラシレスモータ１の回転周期を算出する。回転周期算出方法については後述する。算出された回転周期は記憶部４５に記憶される。例えば、時系列順にｋ個の回転周期データを記憶し、ｋ＋１個目の回転周期データが得られたならば、最も古い回転周期データをｋ＋１個目の回転周期データで置き換える。

スイッチング信号発生回路４４は、回転周期演算部４３で算出された回転周期に基づいて回転信号を生成し、インバータ２のスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６をオンオフするためのスイッチング信号を発生する。モータ回転数を制御するためには印加電圧を制御して巻線に流れる電流を変化させるが、その場合、目標回転数に応じたＰＷＭ信号でスイッチング信号を変換して電圧を変化させる。

図３では、Ｕ相の電圧波形から抽出されるゼロクロス点を用いて回転信号を生成する例を示しており、ゼロクロス点を所定電気角（図３の場合には３０度）だけ位相シフト（遅延）して回転信号Ａを生成する。回転信号Ａは、一つ手前のゼロクロス点から現在のゼロクロス点までの時間から得られる回転周期に基づいて算出され、電気角１８０度に対応する期間はＶhighで、後半の１８０度はＶlowとなる。

回転信号Ａは、ホールセンサを用いて回転位置を検出する場合と同一のタイミングに設定することが可能であり、ホールセンサと等価と見なすことができる。すなわち、図７に示すような論理変換により、各Ｕ，Ｖ，Ｗ相のスイッチング信号を発生することができる。図７において、符号ａで示す部分は図１のスイッチイング素子Ｓ２（Low Side)がオンとなり、符号ｂで示す部分はスイッチング素子Ｓ１(High Side)がオンとなる。

Ｖ相およびＷ相の回転信号Ｂ，Ｃも同様にして生成することができる。また、Ｕ相（Ｖ相でもＷ相でもかまわない）のみの端子電圧を検出して、図３の（ｄ），（ｅ）のように回転信号Ａを１２０度または２４０度位相シフトすることにより、Ｖ相，Ｗ相の回転信号Ｂ，Ｃを生成するようにしても良い。

ところで、従来はリアルタイムに抽出されたゼロクロス点の位置情報を用いて、回転周期を算出して回転信号Ａを生成していた。例えば、ｎ回目のゼロクロス点Ｐnを検出した場合、その前に検出されたゼロクロス点Ｐn-1からゼロクロス点Ｐnまでの時間間隔Ｔを回転周期とし、ゼロクロス点Ｐn検出時から所定電気角に対応する時間だけ遅延させて回転信号Ａを形成する。しかし、負荷変動により回転ムラが生じた場合や、ノイズ等によって中性点電位がずれた場合、回転周期Ｔは本来のあるべき回転周期からずれてしまうことになる。そこで、本実施の形態では、ｎ回目に抽出されたゼロクロス点Ｐnだけでなく、それ以前に抽出された複数のゼロクロス点による位置情報も利用して回転信号Ａを生成するようにした。

図４は、回転周期の算出方法を説明する図であり、一定の回転周期で駆動する場合を示す。図４においてＰnはゼロクロス点の検出位置を示しており、横軸は時間を表している。理想的に等速回転していれば、検出されるゼロクロス点の間の時間間隔は等間隔となる。ｎ番目のゼロクロス点Ｐnが検出されると、次式（１）に示すように過去ｋ回の回転周期の移動平均に基づいて回転周期Ｔn’を算出する。そして、この回転周期Ｔn’に基づいて回転信号を生成する。

このようにして、ゼロクロス点Ｐが得られるたびに式（１）を用いて回転周期Ｔn’を算出して、図４に示すような回転信号を次々と生成する。このように算出される回転周期Ｔn’を用いてｎ回目の駆動タイミングを生成することにより、例えば、Ｔnが本来の回転周期からずれていたとしても、過去のｋ回のデータを用いた平均をＴn’としているため、回転周期Ｔn’のズレは小さくなる。その結果、高精度な制御が可能となり、より滑らかな定速回転が実現される。

式（１）はモータ回転状態が等速回転の場合を示したが、モータの回転周期がΔＴずつ単調に増加するような減速状態では、式（２）のような平均操作をして回転周期Ｔn’を算出する。この場合も、直近の回転周期Ｔnだけでなく、記憶部４５に記憶されているｋ回前までの回転周期Ｔn-1，Ｔn-2，…，Ｔn-kを用いて回転周期Ｔn’を求めるようにする。ΔＴずつ単調減速する場合には、一周期毎に回転周期がΔＴずつ増加するため「Ｔn-1＋ΔＴ＝Ｔn」となり、ｋ回前の回転周期Ｔn-kをｎ回目の回転周期に適用する場合には、式（２）のようにＴn-k＋ｋ・ΔＴとする必要がある。

逆に、回転周期が単調に減少するような場合には、ΔＴを−ΔＴと置き換えれば同様の関係が成り立つ。図２に示したようなターボ分子ポンプの場合には、ロータの回転が一定の定常運転状態となってからポンプとしての使用を開始する。そのため、ポンプ使用開始前後の加速・減速時には、一定の割合で回転周期を変化させるのが一般的である。

例えば、定常運転状態に対する平均処理として式（１）を、一定の割合で減速する運転状態に対する平均処理として式（２）をそれぞれ記憶部４５に記憶しておく。そして、定常運転時には式（１）を選択して制御を行い、一定の割合で減速運転する時には式（２）を選択して制御を行う。その結果、運転状態に応じた最適の制御が行える。

この場合、平均回数ｋを大きく設定することにより、回転精度の向上を図ることができる。単調な加速・減速ではなく、回転数を変動させたりして加減速を繰り返すような使用状態の場合には、式（１），（２）においてｋ＝１と設定することで追随が可能となる。このように、運転状態に応じて平均の算出方法を変えたり、使用する過去のデータ数であるｋを変更することによって最適なモータ制御を行うことができる。

また、ターボ分子ポンプの場合には、モータトルクに比べてロータ２９の慣性モーメントが大きいため加減速の時定数が制御周期に比べて極めて長く、上述した制御が適している。さらに、ターボ分子ポンプの場合には、放電ノイズ環境下で用いられることが多く、本実施の形態のＤＣブラシレスモータ１を使用することにより、ノイズに強いモータ制御が可能となる。

なお、上述した実施の形態では、図１に示したように巻線の中性点Ｎの電位を基準電位として用いたが、図５に示すように接続された疑似回路５を追加して、疑似中性点Ｎ’の電位を基準電位として用いるようにしても良い。図１の構成では、Ｕ，Ｖ，Ｗ相巻線の結節点の電位を計測するので配線の引き回しが面倒であるが、図５の構成では、Ｕ，Ｖ，Ｗ相巻線の端子に疑似回路５を接続し、疑似回路５の疑似中性点Ｎ’の電位を計測すれば良いので、計測が容易である。

［変形例］
上述した実施の形態では巻線の端子電圧のゼロクロス点から回転周期Ｔを求め、式（１），（２）によりｎ回目の回転周期Ｔn’を算出した。図６に示す変形例では、ゼロクロス点を検出する代わりに、ホールセンサＨを用いて回転子１ａの磁極を検出し、回転周期Ｔ’を求めるようにした。ホールセンサＨの信号は、回転周期演算部４３に入力される。また、ホールセンサＨに代えて、インダクタンス式回転センサや誘導コイルなどを用いて回転周期を検出するようにしても良い。

本発明によるＤＣブラシレスモータ装置の概略構成を示すブロック図である。 ＤＣブラシレスモータを用いたターボ分子ポンプの断面図である。 回転信号生成手順を説明する図であり、（ａ）はＵ相端子電圧波形、（ｂ）は抽出したゼロクロス点、（ｃ）〜（ｅ）は回転信号をそれぞれ示す。 回転周期の算出方法を説明する図である。 疑似中性点Ｎ’の電位を基準電位として用いた場合のブロック図である。 ホールセンサＨを用いた場合のブロック図である。 スイッチングタイミングチャートを示す図である。

符号の説明

１ ＤＣブラシレスモータ
１ａ 回転子
１ｂ 固定子
２ インバータ
３ 電源
４ 制御回路
５ 疑似回路
４１ フィルタ回路
４２ 位置検出回路
４３ 回転周期演算部
４４ スイッチング信号発生回路
４５ 記憶部
Ｈ ホールセンサ
Ｓ１〜Ｓ６ スイッチング素子

Claims (4)

1. 回転子と固定子巻線とを有するＤＣブラシレスモータ装置において、
   前記固定子巻線の端子電圧が前記固定子巻線の中性点電位と一致するゼロクロス点を検出するゼロクロス点検出部と、
   前記ゼロクロス点検出部によりゼロクロス点が検出されるたびに、その検出されたゼロクロス点と前回検出されたゼロクロス点との間隔に基づいて、前記回転子の回転周期を算出する回転周期演算部と、
   前記回転周期演算部により算出された回転周期を逐次記憶していく記憶部と、
   前記ゼロクロス点検出部によりゼロクロス点が検出された現時点より過去に前記回転周期演算部が算出した直近ｋ個（ｋは２以上の整数）の回転周期を前記記憶部から読み出し、読み出したｋ個の回転周期の移動平均に基づいて、前記現時点から所定の電気角だけ遅延して生じさせる回転信号の回転周期を決定する回転制御部とを備えたことを特徴とするＤＣブラシレスモータ装置。
2. 請求項１に記載のＤＣブラシレスモータ装置において、
   前記記憶部は、前記回転子の加速運転状態，定常運転状態および減速運転状態のうち少なくとも一つの運転状態に対応した回転周期設定条件を記憶しておき、
   前記回転制御部は、前記記憶部に記憶された前記回転周期設定条件により回転周期を決定することを特徴とするＤＣブラシレスモータ装置。
3. 請求項１または２に記載のＤＣブラシレスモータ装置において、
   前記固定子巻線の中性点電位に代えて、前記固定子巻線に並列接続した疑似固定子巻線の中性点に生じる疑似中性点電位を用いることを特徴とするＤＣブラシレスモータ装置。
4. 請求項１ないし３のいずれか一項に記載のＤＣブラシレスモータ装置を、ポンプロータの回転駆動手段として有することを特徴とするターボ分子ポンプ。
   

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