JP5978924B2 - モータ駆動装置および真空ポンプ - Google Patents

Description

本発明は、モータを正弦波駆動するモータ駆動装置、および、そのモータ駆動装置を備える真空ポンプに関する。

ターボ分子ポンプ等の真空ポンプでは、ロータをＤＣブラシレスモータ等により高速回転させて真空排気を行っている。このように高速回転するロータにおいては、高速回転状態（定格回転）に達するまでの途中の回転領域に危険速度が存在する。特に能動型磁気軸受や永久磁石磁気軸受でロータを支持する構成の場合、軸受剛性が小さいので、比較的低い回転数に危険速度が存在し、その危険速度を通過する際に顕著な振れ回りが発生しやすい。

振れ回りは、ロータの質量アンバランスやモータロータに設けられた永久磁石の磁気偏芯等に起因しており、それらが大きいほどロータの振れ回りも大きくなる。その結果、ロータが非常用のタッチダウンベアリングに接触して、ダストの発生や、異音の発生等を引き起こすとともに、タッチダウンベアリングの寿命低下を招く。

このような、危険速度通過時の振動対策として、危険速度通過時に磁気浮上制御のゲインアップを行って振動を抑える技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００４−２７０７７８号公報

従来、危険速度通過時の過大な振動への対策としては、シビアなアンバランス調整が要求されるとともに、モータロータの磁気偏芯をより厳しく管理する必要があり、コストアップ要因となっていた。また、特許文献１に記載のように磁気浮上制御のゲインアップを行う構成の場合には、１台ごとにゲイン調整を行わなければならず、工数増加によるコストアップが避けられない。

請求項１の発明に係るモータ駆動装置は、複数のスイッチング素子を有し、モータを駆動するインバータと、モータ回転情報を検出する検出部と、モータ回転情報に基づいてモータロータの回転速度および磁極電気角を算出する演算部と、目標回転速度と前記回転速度とに基づいて電流指令を生成する電流指令生成部と、電流指令と回転速度とに基づいて、正弦波駆動制御におけるｄ軸電流指令およびｑ軸電流指令を設定する設定部と、ｄ軸電流指令，ｑ軸電流指令および磁極電気角に基づいて、複数のスイッチング素子をオンオフ制御するためのＰＷＭ制御信号を生成するＰＷＭ信号生成部と、を備え、設定部は、ロータ振れ回りが過大となる危険速度区間を表す情報に基づき、危険速度区間においてｄ軸電流指令を負の値に設定する。
請求項２の発明は、請求項１に記載のモータ駆動装置において、危険速度区間におけるｄ軸電流指令を回転速度の変化に対して連続的に変化させるようにしたものである。
請求項３の発明は、請求項１または２に記載のモータ駆動装置において、危険速度区間におけるｑ軸電流指令の値を危険速度区間外におけるｑ軸電流指令の値と同一に保持するようにしたものである。
請求項４の発明は、請求項１乃至３のいずれか一項に記載のモータ駆動装置において、危険速度区間を表す情報は予め設定されている回転速度範囲であって、回転速度範囲においてｄ軸電流指令を負の値に設定するようにしたものである。
請求項５の発明は、請求項１乃至３のいずれか一項に記載のモータ駆動装置において、危険速度区間を表す情報は、モータ加速開始時を基準として予め設定されている第１所定時間範囲、および、モータ減速開始時を基準として予め設定されている第２所定時間範囲であって、第１および第２所定時間範囲においてｄ軸電流指令を負の値に設定するようにしたものである。
請求項６の発明に係る真空ポンプは、排気機能部が形成されたポンプロータと、ポンプロータを回転駆動するモータと、モータを駆動する請求項１乃至５のいずれか一項に記載のモータ駆動装置と、を備える。

本発明によれば、コストアップを抑えつつ、危険速度通過時の過大な振動を防止することができる。

図１は、真空ポンプに設けられたポンプユニット１の概略構成を示す断面図である。 図２は、コントロールユニットの概略構成を示すブロック図である。 図３は、モータＭに関するモータ駆動制御系を示す図である。 図４は、正弦波駆動制御部４００を説明するブロック図である。 図５は、ＰＷＭ正弦波駆動における相電圧および相電流の一例を示す図である。 図６は、ｄ軸およびｑ軸の方向を示す図である。 図７は、Ｉd,Ｉq設定部を説明する図である。 図８は、ｄ軸電流を説明する図である。 図９は、危険速度区間におけるｄ軸電流を説明する図である。 図１０は、モータ回転加速時および減速時におけるＩd，Ｉqの状態と振れ回りの変化の様子とを、従来の場合について示す模式図である。 図１１は、本実施の形態におけるＩd，Ｉqの状態と振れ回りの変化の様子とを示す模式図である。 図１２は、ｄ軸電流よるモータロータ永久磁石の弱め界磁状態を示す図である。 図１３は、加速時のＵ相電流Ｉuと磁極電気角θとを示す図である。 図１４は、危険速度区間における角度ξの設定例を示す図である。 図１５は、センサレス構成の場合の正弦波駆動制御部４００の構成を説明する図である。 図１６は、図１５における回転速度・磁極位置推定部４０７の構成を示す図である。 図１７は、ラジアル方向の変位センサ７０の配置を示す図である。

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、本実施の形態の真空ポンプの概略構成を説明する図であり、磁気浮上式ターボ分子ポンプのポンプユニット１の断面の構成を示す。ターボ分子ポンプは、図１に示すポンプユニット１と、ポンプユニット１を駆動するコントロールユニット（不図示）とを備えている。

ポンプユニット１は、回転翼４ａと固定翼６２とで構成されるターボポンプ段と、円筒部４ｂとネジステータ６４とで構成されるドラッグポンプ段（ネジ溝ポンプ）とを有している。ここではネジステータ６４側にネジ溝が形成されているが、円筒部４ｂ側にネジ溝を形成しても構わない。回転側排気機能部である回転翼４ａおよび円筒部４ｂはポンプロータ４に形成されている。ポンプロータ４はシャフト５に締結されている。ポンプロータ４とシャフト５とによって回転体ユニットＲが構成される。

複数段の固定翼６２は、軸方向に対して回転翼４ａと交互に配置されている。各固定翼６２は、スペーサリング６３を介してベース６０上に載置される。ポンプケーシング６１の固定フランジ６１ｃをボルトによりベース６０に固定すると、積層されたスペーサリング６３がベース６０とポンプケーシング６１の係止部６１ｂとの間に挟持され、固定翼６２が位置決めされる。

シャフト５は、ベース６０に設けられた磁気軸受６７，６８，６９によって非接触支持される。各磁気軸受６７，６８，６９は電磁石と変位センサとを備えている。変位センサによりシャフト５の浮上位置が検出される。なお、軸方向の磁気軸受６９を構成する電磁石は、シャフト５の下端に設けられたロータディスク５５を軸方向に挟むように配置されている。シャフト５はモータＭにより回転駆動される。

モータＭは同期モータであり、本実施の形態では、ＤＣブラシレスモータが用いられている。モータＭは、ベース６０に配置されるモータステータ１０と、シャフト５に設けられるモータロータ１１とを有している。モータロータ１１には、永久磁石が設けられている。磁気軸受が作動していない時には、シャフト５は非常用のメカニカルベアリング６６ａ，６６ｂによって支持される。

ベース６０の排気口６０ａには排気ポート６５が設けられ、この排気ポート６５にバックポンプが接続される。回転体ユニットＲを磁気浮上させつつモータＭにより高速回転駆動することにより、吸気口６１ａ側の気体分子は排気ポート６５側へと排気される。

図２は、コントロールユニット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、コントロールユニットに設けられたＡＣ／ＤＣコンバータ４０によってＤＣ出力（ＤＣ電圧）に変換される。ＡＣ／ＤＣコンバータ４０から出力されたＤＣ電圧はＤＣ／ＤＣコンバータ４１に入力され、ＤＣ／ＤＣコンバータ４１によって、モータＭ用のＤＣ電圧と磁気軸受用のＤＣ電圧とが生成される。

モータＭ用のＤＣ電圧はインバータ４３に入力される。磁気軸受用のＤＣ電圧は磁気軸受用のＤＣ電源４２に入力される。磁気軸受６７，６８，６９は５軸磁気軸受を構成しており、磁気軸受６７，６８は各々２対の電磁石４６を有し、磁気軸受６９は１対の電磁石４６を有している。５対の電磁石４６、すなわち１０個の電磁石４６には、それぞれに対して設けられた１０個の励磁アンプ４５から個別に電流が供給される。

制御部４４はモータおよび磁気軸受の制御を行うデジタル演算器であり、例えば、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等が用いられる。制御部４４は、インバータ４３に対しては、インバータ４３に含まれ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４４１を出力し、各励磁アンプ４５に対しては、各励磁アンプ４５に含まれる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４４２をそれぞれ出力する。また、制御部４４には、後述するようにモータＭに関する相電圧および相電流に関する信号４４３や、磁気軸受に関する励磁電流信号および変位信号４４４が入力される。

図３は、モータＭに関するモータ駆動制御系を示す図である。インバータ４３は、複数のスイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ６と、スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ６をオンオフ駆動するためのゲートドライブ回路４３０とを備えている。スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ６には、MOSFETやIGBTなどのパワー半導体素子が用いられる。なお、スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ６の各々には、環流ダイオードＤ１〜Ｄ６が並列接続されている。

制御部４４に設けられた正弦波駆動制御部４００は、回転センサ５１で検出されたロータ回転情報に基づいて、スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ６をオンオフ制御するためのＰＷＭ制御信号を生成する。回転センサ５１には、ホールセンサ、インダクタンスセンサ等が用いられる。ゲートドライブ回路４３０は、ＰＷＭ制御信号に基づいてゲート駆動信号を生成し、スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ６をオンオフする。これにより、正弦波に変調されＰＷＭ化された電圧が、Ｕ，Ｖ，Ｗ相コイルにそれぞれ印加され、Ｕ，Ｖ，Ｗ相コイルに正弦波駆動電流が流れる。

図５は、ＰＷＭ正弦波駆動において、モータＭに印加されるＧＮＤ基準のＵ相電圧、およびモータＭに流れるＵ相電流の一例を示す図である。ラインＬ３はＵ相電流を示しており、ラインＬ３の上側に示したラインＬ４は、Ｕ相コイルに印加されるＧＮＤ基準の電圧を示している。相電圧Ｌ４はＰＷＭ変調された矩形波状波形を有しており、矩形波の幅（オンデューティ）は正弦波的に変化している。その結果、Ｕ相コイルに流れるＵ相電流も正弦波的な変化を示している。

図４は、正弦波駆動制御部４００を説明するブロック図である。回転センサ５１の検出信号は、回転速度・磁極位置推定部４０７に入力される。回転速度・磁極位置推定部４０７は、回転センサ５１の検出信号に基づいてモータＭの回転速度ωおよび磁極位置（電気角θ）を推定する。ここでは、実際の回転速度及び磁極位置に対して、回転センサで検出した信号から算出した回転速度及び磁極位置が一般的に誤差を有する値であることから推定と表現する。なお、磁極位置は電気角θで表されるので、以下では、磁極位置のことを磁極電気角θと呼ぶことにする。

速度制御部４０１は、入力された目標回転速度ωiと推定された現在の回転速度ωとの差分に基づいて、ＰI制御（比例制御および積分制御）あるいはＰ制御（比例制御）を行い、電流指令Iを出力する。Ｉd・Ｉq設定部４０２は、電流指令Ｉおよび回転速度・磁極位置推定部４０７で推定された回転速度ωに基づき、ｄ-ｑ軸回転座標系における電流指令Ｉd，Ｉqを設定する。なお、Ｉd・Ｉq設定部４０２における詳細処理については後述する。図６に示すように、ｄ-ｑ軸回転座標のｄ軸は、回転しているモータロータ１１のＮ極を正方向とする座標軸である。ｑ軸はｄ軸に対して９０度進みの直角方向の座標軸で、その向きは逆起電圧方向となる。

等価回路電圧変換部４０３は、回転速度・磁極位置推定部４０７で算出された回転速度ωおよびモータＭの電気等価回路定数に基づく次式（１）を用いて、電流指令Ｉd，Ｉqをｄ-ｑ軸回転座標系における電圧指令Ｖd，Ｖqに変換する。式（１）において、ｒはモータの抵抗成分、Ｌはモータのインダクタンス成分である。

ｄｑ-２相電圧変換部４０４は、等価回路電圧変換部４０３から出力された電圧指令Ｖd，Ｖqと回転速度・磁極位置推定部４０７で推定された磁極電気角θとに基づいて、ｄ-ｑ軸回転座標系における電圧指令Ｖd，Ｖqを２軸固定座標系（α-β座標系）の電圧指令Ｖα，Ｖβに変換する。

２相-３相電圧変換部４０５は、２相の電圧指令Ｖα，Ｖβを３相電圧指令Ｖu，Ｖv，Ｖwに変換する。ＰＷＭ信号生成部４０６は、３相電圧指令Ｖu，Ｖv，Ｖwに基づいて、インバータ４３に設けられた６つのスイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ６をオンオフ（導通または遮断）するためのＰＷＭ制御信号を生成する。インバータ４３は、ＰＷＭ信号生成部４０６から入力されたＰＷＭ制御信号に基づいてスイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ６をオンオフし、モータＭに駆動電圧を印加する。

ところで、前述したように、ターボ分子ポンプのようにロータを高速回転する真空ポンプにおいては、危険速度となる回転数が定格回転数よりも低いところに存在する。特に、本実施の形態のような能動型磁気軸受式の真空ポンプや、永久磁石磁気軸受タイプの真空ポンプの場合には、軸受剛性が小さいことから、比較的低回転数に危険速度が存在し、顕著な振れ回りが発生しやすい。その結果、図１に示したシャフト５がメカニカルベアリング６６ａ，６６ｂと接触し、異音発生やダストの発生を招くとともに、メカニカルベアリング６６ａ，６６ｂの寿命低下を招くことになる。ロータの振れ回りの大きさは、ロータの質量アンバランスや、モータロータ１１に設けられた永久磁石の磁気偏芯に依存する。

そこで、本実施の形態では、危険速度区間において、ロータ磁石の磁束を打ち消すような磁界を発生させることで磁気偏芯を低減し、振れ回りを低減するようにした。図７〜１４は、本実施の形態における磁気偏芯低減方法を説明する図である。

図７は、図４のＩd,Ｉq設定部４０２を説明する図である。Ｉd,Ｉq設定部４０２は、速度制御部４０１からの電流指令Ｉが入力されるＩd設定部４０２１およびＩq設定部４０２２と、回転速度・磁極位置推定部４０７から回転速度ωが入力されるξ設定部４０２３とを備える。ξ設定部４０２３は、入力される回転速度ωの大きさに応じて後述するような角度ξを出力する。なお、角度ξは、図８（ａ）に示す電流ベクトル（電流指令）Ｉとｄ軸との成す角である。Ｉd設定部４０２１は、入力された角度ξに基づいて、電流ベクトルＩのｄ軸成分であるｄ軸電流指令Ｉd（＝Ｉ・cosξ）を生成する。一方、Ｉq設定部４０２２は、入力された角度ξに基づいて、電流ベクトルＩのｑ軸成分であるｑ軸電流指令Ｉq（＝Ｉ・sinξ）を生成する。

ξ設定部４０２３では、角度ξを以下のように設定する。
（Ａ）回転速度ωが危険速度区間内（ω１≦ω≦ω２）の場合
モータ回転加速時：ξ＞＋９０deg
モータ回転減速時：ξ＜−９０deg
（Ｂ）回転速度ωが危険速度区間外（ω＜ω１またはω＞ω２）の場合
モータ回転加速時：ξ＝＋９０deg
モータ回転減速時：ξ＝−９０deg

図８（ｂ）および図８（ｃ）は、回転速度ωが危険速度区間外（ω＜ω１またはω＞ω２）の場合を示す。図８（ｂ）の場合、Ｉd設定部４０２１から出力されるＩd，Ｉqは、Ｉd＝０，Ｉq＞０となる。図８（ｃ）の場合、Ｉd設定部４０２１から出力されるＩd，Ｉqは、Ｉd＝０，Ｉq＜０となる。

一方、回転速度ωが危険速度区間内（ω１≦ω≦ω２）の場合、電流ベクトルＩは図９のようになる。図９（ａ）はモータ回転加速時を示しており、Ｉd設定部４０２１から出力されるＩd，Ｉqは、Ｉd＜０，Ｉq＞０となっている。図９（ｂ）はモータ回転減速時を示しており、Ｉd設定部４０２１から出力されるＩd，Ｉqは、Ｉd＜０，Ｉq＜０となっている。

図１０，１１は、モータ回転加速時および減速時におけるＩd，Ｉqの状態と振れ回りの変化の様子とを示す模式図である。図１０は従来の場合を示し、図１１は本実施の形態の場合を示す。図１０（ｂ）に示すように、従来の場合、加速時はＩd＝０，Ｉq＞０とされ、減速時にはＩd＝０，Ｉq＜０とされる。ｑ軸電流Ｉqはモータトルクを与える電流であり、定格回転に達すると、ｑ軸電流Ｉqを下げてモータ回転を一定に保持できる程度の電流値に低下させる。図１０（ａ）は加減速時におけるロータ振れ回り変位を示した図であり、振れ回り変位を示す曲線Ｌ０は危険速度区間（ω１≦ω≦ω２）において大きなピークを有している。

一方、本実施の形態の場合には、図１１（ｂ）に示すように、危険速度区間（ω１≦ω≦ω２）においてはｄ軸電流ＩdをＩd＜０のように設定している。ｄ軸電流は磁束方向の電流を表しており、Ｉd＜０はいわゆる弱め界磁の状態であり、モータロータ１１の永久磁石による磁束を打ち消す方向に界磁が発生する。

図１２は、２極モータを例として、ｄ軸電流によるモータロータ永久磁石の弱め界磁状態を示している。磁気偏芯Δφを、モータロータのＮ極磁石とモータステータ間で発生する磁束をφN、Ｓ極磁石とモータステータ間で発生する磁束をφSとして、簡易的にΔφ＝φN―φSで表す。磁気偏芯が無い理想的な場合の磁束をφとすると、φN＝φS＝φとなり、Δφ＝０。磁気偏芯によるモータロータとモータステータ間の吸引力ΔＦは、Ｎ極磁石、Ｓ極磁石による吸引力の差となるので、ΔＦ＝α（φN＾２−φS＾２）と表わせる。ここでαは係数で、＾２は２乗を表す。磁気偏芯が無い場合は、ΔＦ＝０である。

従来は、回転速度ωが危険速度であるか否かに関係なく、ｄ軸電流Ｉdおよびｑ軸電流Ｉqは図８（ｂ）および図８（ｃ）のように設定されていた。この場合、Ｉd＝０であるので、上記の通り永久磁石の磁束のみとなる。

一方、本実施の形態では、危険速度区間においてはＩd＜０と設定されるので、界磁は逆方向で、Ｌ|id|となり、永久磁石の磁束と合わせてトータルの磁束はφt＝φ−Ｌ|id|と減少する。ここで、Ｎ極、Ｓ極における各々のトータル磁束φtN，φtSは、φtN＝φN−Ｌ|id|、φtS＝φS−Ｌ|id|と表せる。

さらに、磁気偏芯Δφtは、Δφt＝φtN−φtSと簡略化して表せるので、Δφt＝Δφである。また、磁束偏芯によって発生する力ΔＦtはΔＦt＝α（φtN＾２−φtS＾２）より、ΔＦt＝ΔＦ−２αΔφ×Ｌ|id|となる。ΔＦとΔφは同符号なので、｜ΔＦt｜＜｜ΔＦ｜となり、トータル磁束が減少することにより磁気偏芯力も減少することになる。

その結果、ロータ振れ回りに対する磁気偏芯の寄与分が小さくなり、図１１（ａ）の曲線Ｌ１に示すように、危険速度区間における振れ回り変位が低下する。その結果、危険速度区間におけるシャフト５とメカニカルベアリング６６ａ，６６ｂとの接触が防止され、異音発生やダストの発生を防止するとともに、メカニカルベアリング６６ａ，６６ｂの寿命向上を図ることができる。

なお、図１１（ｂ）では、危険速度区間においてｑ軸電流Ｉq（＝Ｉ・sinξ）が若干低下している。これは、電流指令Ｉを一定として考えているので、危険速度区間においてξ＞＋９０degまたはξ＜−９０degとした際に、ｑ軸電流Ｉq（＝Ｉ・sinξ）が若干低下するからである。

図１３は、加速時のＵ相電流Ｉuと磁極電気角θとを示す図である。図１３（ａ）は危険速度区間外においてξ＝９０degと設定した場合を示し、図１３（ｂ）は危険速度区間においてξ＝１３５degと設定した場合を示す。図１３（ａ）ではＵ相電流＝０のタイミングと磁極電気角θ＝０のタイミングとが一致している(磁極位置に対してＵ相電流が９０deg進み)が、図１３（ｂ）では、Ｕ相電流＝０の位置が図示左側にずれている。すなわち、界磁の回転に対してロータ回転が遅れている。これは、図１１（ｂ）の危険速度区間においてｄ軸電流Ｉdが負値、ｑ軸電流Ｉqが正値であることを示している。なお、Ｉd，Ｉq設定部４０２でＩd，Ｉqを設定する際に、危険速度区間においてＩd＜０と設定するとともに、危険速度区間内外においてはＩq＝一定が満足されるように、電流ベクトルＩの大きさを変化させるようにしても良い。

危険速度区間における角度ξの値は、Ｉd＜０を満足するものであれば、どのように設定しても構わない。例えば、図１４（ａ）のように危険速度区間の中央（最も振れ回り変位の大きな領域）をξのピークとし、その中央から離れるにつれて直線的に減少するラインＬ１１とすることで、ピーク低減を効果的に行うことができる。また、より簡単に、図１４（ｂ）のように回転速度ωによらず一定としても良い。

また、回転センサ５１を使用しないセンサレスタイプのモータ駆動装置や真空ポンプにも適用することができる。この場合、モータ回転情報としてモータ電流情報およびモータ電圧情報を取得し、それらに基づいて回転速度ωおよび磁極電気角θを推定する。図１５、１６は、そのような構成とした場合の正弦波駆動制御部４００の一例を示したものである。図１５は上述した図４に対応する図であり、図１６は回転速度・磁極位置推定部４０７の詳細を示す図である。以下では、図４と異なる部分を中心に説明する。

電流検知部５２は、モータＭに流れる３相電流は検出する。検出された電流検知信号は、ローパスフィルタ４０９を介して正弦波駆動制御部４００の回転速度・磁極位置推定部４０７に入力される。電圧検知部５３は、モータＭの端子電圧を検出する。検出された電圧検知信号は、ローパスフィルタ４１０を介して正弦波駆動制御部４００の回転速度・磁極位置推定部４０７に入力される。

図１６に示すように、相電圧検知信号ｖv，ｖu，ｖwはローパスフィルタ４１０を介して回転速度・磁極位置推定部４０７の３相-２相変換部４０７２に入力される。３相-２相変換部４０７２は３相の電圧信号を２相の電圧信号ｖα’，ｖβ’に変換する。変換後の電圧信号ｖα’，ｖβ’は逆起電圧演算部４０７４に入力される。

一方、相電流検知信号ｉv，ｉu，ｉwは、ローパスフィルタ４０９を介して回転速度・磁極位置推定部４０７の３相-２相変換部４０７１に入力される。３相-２相変換部４０７１は、３相の電流検知信号ｉv，ｉu，ｉwを２相の電流信号ｉα，ｉβに変換する。変換後の電流信号ｉα，ｉβは等価回路電圧変換部４０７３に入力される。

等価回路電圧変換部４０７３は、モータＭの電気等価回路定数に基づく次式（２）を用いて、電流信号ｉα，ｉβを電圧信号ｖα，ｖβに変換する。変換後の電圧信号ｖα，ｖβは逆起電圧演算部４０７４に入力される。なお、等価回路は抵抗成分ｒおよびインダクタンス成分Ｌに分けられる。ｒ、Ｌの値はモータ仕様等から得られ、予め記憶部に記憶されている。

逆起電圧演算部４０７４は、モータ３相電圧に基づく電圧信号ｖα’，ｖβ’とモータ３相電流に基づく電圧信号ｖα，ｖβとに基づいて、次式（３）を用いて逆起電圧Ｅα，Ｅβを算出する。

電気角演算部４０７５は、モータロータ１１の磁極位置を電気角で表した磁極電気角θを、逆起電圧Ｅα，Ｅβに基づいて次式（４）により算出する。磁極電気角θは、磁極ＮとＵ相電流の位相＝０とが一致するタイミングがθ＝０に設定される。算出された磁極電気角θは、回転速度演算部４０７６および図１５に示したｄｑ-２相電圧変換部４０4にそれぞれ入力される。

回転速度演算部４０７６は、入力された磁極電気角θに基づいて、次式（５）により回転速度ωを算出する。算出された回転速度ωは、等価回路電圧変換部４０７３、図１５に示す速度制御部４０１，等価回路電圧変換部４０３およびＩd・Ｉq設定部４０２に入力される。

以上説明した実施の形態によれば、以下に示すような作用効果を奏することができる。
（１）モータを正弦波駆動制御するモータ駆動装置において、電流指令Ｉに基づいてｄ-ｑ軸回転座標系における電流指令Ｉd，Ｉqを設定するＩd・Ｉq設定部４０２は、ロータ振れ回りが過大となる危険速度区間を表す情報に基づき、危険速度区間においてｄ軸電流指令を負の値に設定する。電流指令Ｉdが負の値に設定されると、モータロータ１１の永久磁石による磁束を打ち消す方向に界磁が発生する。その結果、ロータ振れ回りに関する磁気偏芯の寄与分が小さくなり、図１１（ａ）のラインＬ１で示すように危険速度区間における振れ回りが低減される。

例えば、危険速度区間を表す情報が、図１１（ａ）に示すような予め設定されている回転速度範囲（ω１≦ω≦ω２）である場合には、その回転速度範囲においては、ｄ軸電流指令は負の値に設定される。

また、危険速度区間を表す情報が、図１１（ａ）に示すように、モータ加速開始時ｔ０を基準として予め設定されている所定時間範囲（図１１（ａ）に示すｔ１≦ｔ≦ｔ２）、および、モータ減速開始時ｔ０’を基準として予め設定されている所定時間範囲（ｔ３≦ｔ≦ｔ４）である場合には、その所定時間範囲（ｔ１≦ｔ≦ｔ２、および、ｔ３≦ｔ≦ｔ４）においては、ｄ軸電流指令は負の値に設定される。加速時には負荷（ガス負荷）がほとんど掛かっていないので、毎回の加速時間はほぼ同一となる。減速時についても同様である。そのため、上述のように危険速度区間を時間で設定することが可能であり、危険速度区間を回転速度で設定した場合と同様の効果を奏することができる。

さらにまた、危険速度区間を表す情報として、磁気軸受の変位センサから得られる変位信号を利用して、危険速度区間を表す情報を設定するようにしても良い。ラジアル軸受である磁気軸受６７、６８の場合、各磁気軸受６７、６８に対して４つの変位センサがそれぞれ設けられている。図１７は、ラジアル方向の変位センサ７０（合計で８つ）の配置を示す図である。図１７に示すように、各磁気軸受６７、６８に設けられている４つの変位センサ７０は回転軸Ｊと直交する平面内に配置され、互いに直交する２軸に沿って、シャフト５を挟むように配置されている。

変位センサ７０は、シャフト５の目標浮上位置からの変位を検出するセンサであって、危険速度区間においてシャフト５の振れ回り変位が大きくなると、変位センサ７０によって検出される変位量も大きくなる。そこで、危険速度区間を表す情報として変位量の閾値を予め定めておき（例えば、図１１（ａ）のω１およびω２における変位量）、変位センサ７０で検出される変位量がその閾値以上となったならば、ｄ軸電流指令を負の値に設定する。

（２）なお、危険速度区間において、電流指令Ｉdを回転速度ωの変化に対して連続的に変化させるのが好ましい。例えば、図１１（ｂ）に示すように、振れ回り変位がピークとなる回転速度ωにおいて電流指令Ｉdの絶対値が最も大きくなるように連続的に変化させる。また、危険速度区間（ω１≦ω≦ω２）において、角度ξを図１４（ａ）のように連続的に変化させても良い。この場合も、電流指令Ｉdは連続的に変化する。

（３）さらに、危険速度区間において電流指令Ｉdを負の値に設定する際に、その設定の前後で、すなわち危険速度区間と危険速度区間外とで、電流指令Ｉqの値を一定に保持するようにしてもよい。電流指令Ｉqの値を一定に保持することで、図１１（ｂ）に示すような危険速度区間におけるモータトルクの急低下が防止され、危険速度通過時間の短縮が図られる。

なお、以上の説明はあくまでも一例であり、発明を解釈する際、上記実施の形態の記載事項と特許請求の範囲の記載事項の対応関係に何ら限定も拘束もされない。例えば、上述した実施の形態では、本発明によるモータ駆動装置を磁気軸受式のターボ分子ポンプに適用した場合を例に説明したが、これに限らず、ボールベアリング式のターボ分子ポンプや、永久磁石磁気軸受によるロータを支持する真空ポンプ等、高速回転を必要とする真空ポンプにも本発明を適用することができる。

また、モータ相電流、相電圧検出をどちらも３相入力で図示しているが、公知の通り、２相のみ入力して、残りの１相は他２相より計算しても良い。Ｕ相、Ｖ相のみ電流、電圧ともに検出の場合は、残りＷ相については、各々、iw=-iu-iv、vw=-vu-vvにて算出できる。ここでは、２極モータ（図６）についてのみ記述したが、本発明は、２極モータに限定されるものでなく、４極モータなど多極モータにも電気角などを多極対応に置き換えることで適用可能である。

１：ポンプユニット、４：ポンプロータ、１０：モータステータ、１１：モータロータ、４３：インバータ、４４：制御部、５１：回転センサ、５２：電流検知部、５３：電圧検知部、７０：変位センサ、４００：正弦波駆動制御部、４０１：速度制御部、４０２：Ｉd・Ｉq設定部、４０３，４０７３：等価回路電圧変換部、４０４：ｄｑ-２相電圧変換部、４０５：２相-３相電圧変換部、４０６：ＰＷＭ信号生成部、４０７：回転速度・磁極位置推定部、４０９、４１０：ローパスフィルタ、４０２１：Ｉd設定部、４０２２：Ｉq設定部、４０２３：ξ設定部、ＳＷ１〜ＳＷ６：スイッチング素子

Claims (6)

1. 複数のスイッチング素子を有し、モータを駆動するインバータと、
   モータ回転情報を検出する検出部と、
   前記モータ回転情報に基づいてモータロータの回転速度および磁極電気角を算出する演算部と、
   目標回転速度と前記回転速度とに基づいて電流指令を生成する電流指令生成部と、
   前記電流指令と前記回転速度とに基づいて、正弦波駆動制御におけるｄ軸電流指令およびｑ軸電流指令を設定する設定部と、
   前記ｄ軸電流指令，ｑ軸電流指令および前記磁極電気角に基づいて、前記複数のスイッチング素子をオンオフ制御するためのＰＷＭ制御信号を生成するＰＷＭ信号生成部と、を備え、
   前記設定部は、ロータ振れ回りが過大となる危険速度区間を表す情報に基づき、前記危険速度区間において前記ｄ軸電流指令を負の値に設定する、モータ駆動装置。
2. 請求項１に記載のモータ駆動装置において、
   前記設定部は、前記危険速度区間における前記ｄ軸電流指令を前記回転速度の変化に対して連続的に変化させる、モータ駆動装置。
3. 請求項１または２に記載のモータ駆動装置において、
   前記設定部は、前記危険速度区間における前記ｑ軸電流指令の値を危険速度区間外における前記ｑ軸電流指令の値と同一に保持する、モータ駆動装置。
4. 請求項１乃至３のいずれか一項に記載のモータ駆動装置において、
   前記危険速度区間を表す情報は予め設定されている回転速度範囲であって、
   前記設定部は前記回転速度範囲において前記ｄ軸電流指令を負の値に設定する、モータ駆動装置。
5. 請求項１乃至３のいずれか一項に記載のモータ駆動装置において、
   前記危険速度区間を表す情報は、モータ加速開始時を基準として予め設定されている第１所定時間範囲、および、モータ減速開始時を基準として予め設定されている第２所定時間範囲であって、
   前記設定部は、前記第１および第２所定時間範囲において前記ｄ軸電流指令を負の値に設定する、モータ駆動装置。
6. 排気機能部が形成されたポンプロータと、
   前記ポンプロータを回転駆動するモータと、
   前記モータを駆動する請求項１乃至５のいずれか一項に記載のモータ駆動装置と、を備える真空ポンプ。

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