KR20020020990A - 신속응답 자기베어링장치 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따르면, 저비용의, 빠른 응답속도를 가진 자기베어링장치가 제공된다. 상기 장치는 제어형 자기베어링의 전자석의 코일에 제어 전류를 공급하는 전력증폭기 및 전력증폭기의 제어 입력신호(S1)와 전류 피드백 신호(S2)가 더해지는 스테이지의 후방에 배치된 비선형 성분을 포함하여 이루어진다.

Description

신속응답 자기베어링장치{MAGNETIC BEARING APPARATUS OF QUICK RESPONSE}

본 발명은 고속 회전기계를 위한, 신속응답을 갖도록 요구되는 자기베어링장치에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 아무런 물리적 접촉없이 저속으로 대상물을 지지할 수 있는 장점을 갖고 자기회로로부터의 배출 가스를 감소시키는 통 요크 구조(solid yoke structure)를 가지며 내식성을 향상시키는, 예를 들어 CVD(화학적기상층착)장치용으로 적합한 자기베어링장치, RTP(급속 열처리)용 기판회전장치 및 가스순환팬과 같은, 반도체 디바이스 제조장치용 자기베어링장치에 관한 것이다.

2000년 9월 12일 자로 출원된 일본특허출원 제 2000-276845호에 개시된 명세서, 청구항, 도면 및 요약서를 포함한 모든 내용은 본 명세서에서 그 전체적인 참조자료로서 채용되고 있다.

반도체 디바이스 제조장치의 분야에서 자기베어링장치가 특히 광범위하게 사용되는 장치들 중에서 터보분자펌프가 잘 알려져 있다. 거의 모든 터보분자펌프에서 채용되고 있는 자기베어링장치는 제어형 자기베어링장치라고 불리운다. 도 1은 하나의 자유도로 그러한 제어형 자기베어링장치의 구조적 예시를 도시한다. 이 도면에 도시된 바와 같이, 자기베어링장치는 변위센서(1), 보상장치(2), 전력증폭기(3) 및 전자석(4)을 포함하여 이루어진다. 전력증폭기(3)가 전자석(4)의 둘레에 감긴 코일에 제어전류를 공급하여 자기력을 발생시키고 이 자기력은 제어되는 대상물(5)을 자기적으로 지지한다. 제어되는 대상물(5)에 의하여 생긴 변위(X)는 변위센서(1)에 의하여 검출되고 목표값(Xo)과 비교된다. X와 Xo 사이의 편차는 보상장치(2)를 통해 전력증폭기(3)에 입력된다.

전력증폭기(3)에 걸리는 부하는 전자석(4)이며, 따라서 지연부하(delaying load)이다. 전력증폭기(3)는 입력신호에 대응하는 출력전류에 의하여 전자석(4)을 구동한다. 그 결과, 입력신호와 출력전류간의 관계는 지연 특성을 나타낸다. 통상, 이러한 지연 특성을 개선하려면 전자석(4)의 코일에 공급된 코일 전류를 전력증폭기(3)의 입력에 피드백하기 위한 루프가 제공된다.

도 2는 전력증폭기(3)의 구조적 예시를 도시한다. 전력증폭기(3)는 제어 유닛(3-1), 구동 유닛(3-2), 전류 검출기(3-3) 및 전류 신호 피드백 루프(3-4)를 포함하여 이루어진다. 역할의 관점에서 보면, 전력증폭기(3)는 일반적으로 두 부분으로 구분되는데, 즉 제어 유닛(3-1)과 구동 유닛(3-2)이다. 제어 유닛(3-1)은 보상장치(2)(도 1)로부터 받은 입력신호(S1)와 전류 피드백 신호(S2)를 기초로 하여 구동 유닛(3-2)을 제어하는 신호(S)를 형성한다. 구동 유닛(3-2)은 제어 유닛(3-1)의 출력신호(S3)를 기초로 하여 전자석(4)의 코일에 코일 전류를 공급한다.

도 3에 도시된 바와 같이, 현재 널리 채용되고 있는 PWM(펄스폭변조)시스템의 예를 들어 제어 유닛(3-1)을 설명한다. 제어 유닛(3-1)은 신호 조절기(3-1-1,3-1-2), 가감산 장치(3-1-3), 이득 증폭기(3-1-4), PWM 캐리어 신호 발생기(3-1-5) 및 PWM장치(비교기)(3-1-6)를 포함하여 이루어진다. 신호 조절기(3-1-1, 3-1-2), 가감산 장치(3-1-3) 및 이득 증폭기(3-1-4)는 전체적으로 3-1A로 표시된 신호 합성 및 조절 유닛을 형성한다. 제어 유닛(3-1)에서, 입력신호(S1) 및 전류 피드백 신호(S2), 즉 전자석(4)의 네거티브 피드백 코일 전류는 신호 조절기(3-1-1, 3-1-2)를 거쳐 비교적 큰 이득(10-100)을 갖는 이득 증폭기(3-1-4)로 공급된다. 그 후, PWM장치(비교기)(3-1-6)는 이득 증폭기(3-1-4)의 출력을 PWM 캐리어 신호 발생기(3-1-5)로부터의, 삼각파 신호와 같은, 기준 캐리어 신호와 비교하며 펄스폭 변조된 신호인 출력신호(S3)를 만들어낸다. 펄스폭 변조된 신호(S3)는 구동 유닛(3-2)으로 공급되며, 이에 따라 전자석(4)의 코일에 공급될 코일 전류(I)를 발생시킨다.

이제 증폭 응답 성능(출력전류 대 입력신호)을 고려하면, 입력신호(S1)에 대한 코일 전류(I)의 피드백의 양의 비가 1과 같다면 이득은 1[A/V]이다. 이득은 코일 전류(I)가 얼마나 피드백되었는지에 반비례한다. 응답의 속도(후속 응답)는 입력신호(S1)에 대한 코일 전류(I)의 피드백의 양의 비에 비례하며 이득 증폭기(3-1-4)의 비교적 큰 이득에 비례한다.

자기베어링장치의 응답(응답의 속도)을 향상시키기 위해서 코일 전류(I)의 피드백의 양 및/또는 이득 증폭기(3-1-4)의 이득이 큰 값으로 설정되면, PWM 캐리어 신호 성분도 증폭되어 그 결과 펄스폭 변조 비교기(3-1-6)의 동작이 불안정해진다. 또한, 이득 증폭기(3-1-4)의 응답은 그 이득의 크기에 반비례하므로, 이득을증가시키는 것을 현실적으로 불가능하다. 더욱이, 코일 전류(I)의 피드백의 양이 증가되면, 전력 증폭기(3)의 증폭 응답 성능(출력전류 대 입력신호)은 감소된다. 따라서, 피드백의 비는 통상 1보다 작은 값으로 설정된다.

이득 증폭기(3-1-4)의 응답(응답의 속도)은 신호 진폭에 반비례한다. 따라서, 코일 전류(I)가 전력 증폭기(3)의 입력신호(S1)로부터 너무 지연되면, 입력신호(S1)와 전류 피드백 신호(S2)의 (이들간의 편차의) 합은 증가된다. 상기 합은 가감산 장치(3-1-3)의 출력이며 S1 = S2 이면 0이다. 편차가 커지면 이득 증폭기(3-1-4)의 입력 진폭은 증가하고 이득 배율에 따라 포화될 수 있다. 이러한 포화 현상은 또한 응답(응답의 속도) 저하의 한 요인이다.

상술한 바와 같이, 응답(응답의 속도)을 향상시키는 데에는 많은 문제점들이 있다. 구동 유닛(3-2)의 구동 전압(Ed)을 증가시키는 것이 일반적인 해결책으로 채택되어 왔다. 그러나, 이러한 구동전압(Ed)의 증가는 고전압이 스위칭될 필요가 있으며 전자기 소음의 증가를 피할 수 없도록 된다는 점에서 불리하다.

본 발명은 상기 서술된 문제점의 시각에서 제안되었으며, 본 발명의 목적은 신속응답이 되는 저비용의 자기베어링장치를 제공하는 것이다.

도 1은 하나의 자유도로 자기베어링장치의 구조적 예시를 도시한 블럭도,

도 2는 도 1에 도시된 전력증폭기의 구조적 예시를 도시한 블럭도,

도 3은 도 2에 도시된 제어 유닛의 구조적 예시를 도시한 블럭도,

도 4는 본 발명에 따른 자기베어링장치의 전력증폭기의 구조를 도시한 블럭도,

도 5(a) 및 도 5(b)는 본 발명에 따른 자기베어링장치의 비선형 성분의 예시를 도시하며, 도 5(c)는 비선형 성분의 입출력 특성을 도시한 그래프,

도 6은 본 발명에 따른 자기베어링장치의 전력증폭기 내부의 성분들의 예시를 도시한 도면,

도 7은 본 발명에 따른 자기베어링장치의 변위센서 캐리어 주파수 신호 성분을 제거하는 방식을 도시한 블럭도,

도 8은 본 발명에 따른 자기베어링장치에서 변위센서 캐리어 주파수 신호 성분 및 PWM 주파수 신호 성분을 제거하는 방식을 도시한 블럭도,

도 9(a) 내지 도 9(c)는 본 발명에 따른 자기베어링장치용으로 사용되는 제거기를 설명하는 도면,

도 10(a) 내지 도 10(c)는 본 발명에 따른 자기베어링장치용으로 사용되는제거기의 구조적 예시를 도시한 도면,

도 11(a) 및 도 11(b)는 본 발명에 따른 자기베어링장치용으로 사용되는 제거기의 다른 구조적 예시를 도시한 도면,

상기 목적으로 이루기 위하여, 본 발명은 제어형 자기베어링의 전자석의 코일에 제어 전류를 공급하는 전력증폭기를 구비한 자기베어링 장치를 제공하며, 상기 장치는 전력증폭기의 제어 입력신호와 전류 피드백 신호가 더해지는 스테이지의뒤에 비선형 성분이 제공되는 것을 특징으로 한다.

비선형 성분은 비교기 회로인 것이 바람직할 수 있다.

비선형 성분이 전력증폭기의 제어 입력신호와 전류 피드백 신호가 더해지는 스테이지의 뒤에 배치되기 때문에, 전력증폭기의 응답 속도를 향상시킬 수 있다. 특히, 기준 전위를 비교하여 논리적으로 높거나 낮은 상수값을 갖는 출력을 생성할 수 있는 비교기가 비선형 성분으로 사용되면, 전력증폭기의 응답 속도를 향상시킬 수 있다. 이것은 비교기가 기준 전압의 부근에 있는 입력신호에 대하여 거의 무한의 이득 배율을 가진 증폭기와 등가이기 때문이다.

본 발명에 따른 자기베어링장치는 비선형 성분의 뒤에 제공된 변위센서 캐리어 주파수 신호대역을 제거하는 제거기를 더욱 구비할 수 있다.

상술한 바와 같이, 비선형 성분의 출력측에 변위센서 캐리어 주파수 신호 성분을 제거하는 제거기가 제공되기 때문에, 비선형 성분의 직사각형 출력신호에 포함된 더 높은 차수의 고조파 성분으로부터 변위센서 캐리어 주파수 신호 성분이 제거될 수 있다.

본 발명에 따른 자기베어링장치는, 비선형 성분의 앞에 제공되어 펄스폭변조(PWM) 전력 증폭기 캐리어 주파수 신호대역을 제거하는 제거기를 더욱 구비할 수 있다.

전자석의 코일 전류로부터 얻어진 검출 신호는 더 많은 혹은 더 적은 PWM 캐리어 주파수 신호 성분을 포함한다. 이러한 신호 성분은 피드백 전에 제거되어야 하지만 어떠한 경우에는 충분히 제거되지 않을 수도 있다. 비선형 성분의 앞에 PWM캐리어 주파수 신호 성분을 제거하는 제거기를 제공함으로써 PWM 캐리어 주파수 신호 성분이 제거될 수 있다.

본 발명에 따른 자기베어링장치는 비선형 성분의 앞에서 펄스폭변조(PWM) 전력 증폭기 캐리어 주파수 신호 대역을 제거하는 제1제거기 및 비선형 성분에 뒤이어 변위센서 캐리어 주파수 신호 대역을 제거하는 제2제거기를 제공할 수 있다.

상술한 바와 같이, 비선형 성분의 앞에는 펄스폭변조(PWM) 전력 증폭기 캐리어 주파수 신호 대역을 제거하는 제1제거기가 제공되고 비선형 성분의 뒤에는 변위센서 캐리어 주파수 신호 대역을 제거하는 제2제거기가 제공되기 때문에, 본 발명은 비선형 성분의 전방 및 후방에 제거기가 위치되는 때에 각각 가져오게 되는 장점들을 결합한 장점을 드러낼 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명한다. 도 4는 본 발명에 따른 자기베어링장치의 전력증폭기의 구조적 예시를 도시한다. 전력증폭기는 도 1에 도시된 전력증폭기(3)에 대응한다. 도 4에 도시된 바와 같이, 전력증폭기(3)의 응답 속도를 향상시키기 위해서, 신호 합성 및 조절 유닛(3-1A)과 비교기 회로(3-1-6)의 사이에 비선형 성분(7)이 삽입되어 있다. 신호 합성 및 조절 유닛(3-1A)은 도 3에 도시된 것과 동일한 구조를 갖는다. 비선형 성분(7)으로는 예를 들어, 비교기가 사용된다. 특히, 기준 전위와 비교하여 "높은" 또는 "낮은" 상수값을 출력할 수 있는 비교기는 응답 속도가 뛰어나며 기준 전압의 부근에 있는 입력신호에 대하여 거의 무한의 이득 배율을 갖는 증폭기와 대등하여, 전력증폭기의 응답 속도가 향상되게 한다.

도 5(a) 및 도 5(b)는 비선형 성분(7)의 예시를 도시하며, 도 5(a)는 연산증폭기(7-1)가 사용된 경우를 도시하고 도 5(b)는 개방 컬렉터 출력을 가진 비교기가 사용된 경우를 도시한다. 도 5(c)는 도 5(a) 및 도 5(b)에 도시된 비선형 성분(7)의 입력-출력 특성을 도시한다. 비선형 성분(7)은 입력이 0이거나 그 부근에 있을 때 거의 무한의 이득을 가진 증폭기와 등가이다. 비선형 성분(7)은 도 5(a) 및 도 5(b)에 도시된 바와 같은 구조에 국한되지 않으며 디지털 수치계산 수단을 이용하여 쉽게 실현될 수 있다.

도 3에 도시된 제어 유닛(3-1)내에 있는 신호 조절기(3-1-1)의 일부, 신호 조절기(3-1-2)의 일부, 가감산 장치(3-1-3) 및 이득 증폭기(3-1-4)는 도 6에 도시된 바와 같이 연산증폭기(107) 및 수동소자(저항기(101, 102, 103), 캐패시턴스(104) 및 제너다이오드(105, 106))로 이루어진 아날로그 회로로 쉽게 구현될 수 있다. 전류 피드백 신호(S2) 대 입력신호(S1)의 비는 후술하는 바와 같이 이득 증폭기(3-1-4)의 이득 배율과 서로 연동된다. 따라서, 주 목적은 전류 피드백 신호(S2) 대 입력신호(S1)의 비를 결정하는 것이며, 이득 배율은 연산 증폭기(107)의 내부 포화를 피하기 위해서 비교적 작은 값(1-10배 또는 그 정도)으로 설정되는 것이 바람직하다.

도 6에서, 전류 피드백 신호(S2) 대 입력신호(S1)의 비는 저항기(101, 102)의 각각의 저항값(R1, R2)에 의하여 결정된다. 이득 배율은 R3/R1 및 R3/R2 로 결정된다. R3는 저항기(103)의 저항값이다. 따라서, 입력신호(S1)와 전류 피드백 신호(S2)는 저항값 R1 및 R2에 반비례한다. 연산증폭기(107)의 내부 진동을 피하기위하여 캐패시턴스(104)가 제공된다. 제너다이오드(105, 106)는 출력 전압의 최대 진폭을 제한하기 위한 목적으로 제공된다. 이러한 제한 과정의 목적은 출력 전압을 PWM 캐리어 신호 발생기(3-1-5)로부터 공급된 기준 캐리어 신호(S4)의 진폭보다 낮게 유지하기 위함이다.

또한, 도 7에 도시된 바와 같이, 비선형 성분(7)의 출력측에는 변위센서 캐리어 주파수 신호 성분(도1)을 제거하는 제거기(8)가 제공되어 (도 1에 도시된) 변위센서(1)를 보호하도록 하는 것이 바람직하다. 비선형 성분(7)의 출력은 사각형파 신호이다. 만일 변위센서 캐리어 주파수 신호 성분이 사각형파 신호의 더 높은 차수의 고조파에 포함되어 있으면, 상기 캐리어 주파수 신호는 변위센서의 기능을 저하시킬 수 있다(일본특허공개 제 46296/98호 참조).

또한, 도 8에 도시된 바와 같이 비선형 성분(7)의 앞에는 PWM 캐리어 주파수 신호 성분을 제거하는 제거기(9)가 제공되는 것이 바람직하다. 전자석(4)의 코일 전류(I)를 검출하는 전류 검출기(3-3)(도 4)의 출력신호는 PWM 캐리어 주파수 신호 성분을 다소 포함한다. 포함된 PWM 캐리어 주파수 신호 성분은 피드백 전에 제거되어야 하지만, 이러한 신호 성분이 충분히 제거되지 않을 수도 있다. 신호 합성 및 조절 유닛(3-1A) 내의 이득 증폭기(3-1-4)는 가감산 장치(3-1-3)로부터의 신호를 증폭하도록 동작하기 때문에, PWM 캐리어 주파수 신호 성분을 제거하는 제거기(9)는 비선형 성분(7)의 앞에 배치되는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 자기베어링장치의 제어 유닛에는, 도 4에 도시된 바와 같이, 이득 증폭기의 응답 속도를 향상시키기 위해서 신호 합성 및 조절 유닛(3-1A)과 비교기 회로(3-1-6)의 사이에 비선형 성분(7)이 삽입되어 있다. 비선형 성분(7)의 출력측에는 변위센서 캐리어 주파수 신호 성분을 제거하는 제거기(8)가 제공되고, 비선형 성분의 앞에는 PWM 캐리어 주파수 신호 성분을 제거하는 제거기(9)가 제공된다. 이러한 구조는 신속응답을 가진 자기베어링장치의 제공을 가능케 하고 다음의 문제점들을 극복할 수 있다.

1. 전자석(4)의 코일 전류의 피드 백의 양과 이득 증폭기(3-1-4)의 이득이 응답 속도를 향상시키기 위해서 큰 값으로 설정되면, 코일 전류에 포함된 PWM 캐리어 주파수 신호 성분도 증폭되고, 따라서 펄스 변조용 비교기 회로(3-1-6)의 동작이 불안정해진다.

2. 이득 증폭기의 응답(응답 속도)은 그것의 이득에 반비례하기 때문에 이득 증폭기(3-1-4)의 이득은 큰 값이 될 수 없다.

3. 상술한 바와 같이, 이득 증폭기의 응답(응답 속도)은 그 이득에 반비례하기 때문에, 전자석(4)의 코일 전류가 전력 증폭기의 입력신호로부터 너무 지연되면 입력신호(S1)와 코일 전류(I)의 전류 피드백 신호(S2)의 합(편차)이 커진다. 그 결과, 이득 증폭기(3-1-4)의 입력 진폭은 커지고 이득 증폭기는 이득 배율에 따라 포화될 수도 있고 이것은 응답(응답 속도)을 저하시키는 요인 중 하나이다.

4. 응답(응답 속도)을 향상시키기 위해서 구동 유닛(3-2)의 구동 전압(Ed)을 증가시키면, 고전압이 스위칭되고 그 결과 전자기 소음이 증가된다. 또한, 변위센서에 나쁜 영향을 주어 위치제어 성능을 저하시킨다.

도 9(a) 내지 도 9(c)는 제거기(8, 9)를 설명하기 위한 도면이다. 도 9(a)는제거기(110), 입력신호(Sin) 및 출력신호(Sout)를 나타내며, 도 9(b) 및 도 9(c)는 각각 주파수에 대한 저대역통과필터(LPF)의 전달비(G = Sout/Sin)와 대역제거필터(BEF)의 전달비와의 관계를 나타낸다. 이들 도면에서, A는 통과 영역을, B는 거절 영역을 표시한다.

도 10(a) 및 도 10(b)는 수동 제거기로서 LPF의 구조와 그 특성을 도시한다. 이들 도면에서, R은 저항기를, C는 캐패시턴스를, L은 인덕턴스를, E는 접지(기준 전압)를, 그리고 f는 주파수를 표시한다.

도 11(a) 및 도 11(b)는 능동 제거기로서 LPF의 구조와 그 특성을 도시한다. 이들 도면에서, R은 저항기를, C는 캐패시턴스를, L은 인덕턴스를, E는 접지(기준 전압)를, f는 주파수를, 그리고 111은 연산 증폭기를 표시한다.

상시 서술된 내용으로부터 본 발명이 다음과 같은 여러 가지 장점들을 가져올 수 있음을 이해할 수 있다. 예를 들어,

1. 전력증폭기의 제어 입력신호와 전류 피드백 신호가 더해지는 스테이지의 뒤에 비선형 성분이 제공되기 때문에, 전력증폭기의 응답 속도를 향상시킬 수 있다. 특히, "높은" 또는 "낮은" 상수값을 출력하도록 기준 전위를 비교하기 위하여 비선형 성분으로 사용되는 비교기는, 상기 비교기가 거의 무한의 이득 배율을 가진 증폭기와 등가이기 때문에 전력증폭기의 응답 속도를 향상시킬 수 있다.

2. 비선형 성분의 출력측에 변위센서 캐리어 주파수 신호 대역을 제거하는 제거기를 제공함으로써, 비선형 성분으로부터의 삼각 출력신호에 포함된 더 높은 차수의 고조파내의 캐리어 주파수 신호 성분을 제거할 수 있고 변위센서의 기능 저하를 피할 수 있다.

3. 비선형 성분의 앞에 PWM 캐리어 주파수 신호 대역을 제거하는 제거기를 제공함으로써, 캐리어 주파수 신호 성분을 제거할 수 있고 펄스 변조를 위한 비교기의 동작이 안정될 수 있다.

4. 비선형 성분의 앞에는 PWM 캐리어 주파수 신호 대역을 제거하는 제1제거기를 제공하고 비선형 성분의 출력측에는 변위센서 캐리어 주파수 신호 대역을 제거하는 제2제거기를 제공함으로써, PWM 캐리어 주파수 신호 성분 및 변위센서 캐리어 주파수 신호 성분을 제거할 수 있고 펄스 변조를 위한 비교기의 작동이 안정될 수 있으며 변위센서의 기능 저하를 피할 수 있다.

본 발명의 특정 실시예에 관하여 본 발명이 서술되었지만 본 발명이 개시된 실시예에 국한되는 것은 아니다. 당업자라면 본 발명에 대한 변형례가 있을 수 있음을 이해할 것이다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면 신속응답이 되는 저비용의 자기베어링장치가 제공된다.

Claims (5)

1. 제어형 자기베어링의 전자석의 코일에 제어 전류를 공급하는 전력증폭기를 구비한 자기베어링장치로서,

   상기 전력증폭기의 제어 입력신호와 전류 피드백 신호가 더해지는 스테이지의 뒤에 비선형 성분이 제공되는 것을 특징으로 하는 자기베어링장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 비선형 성분은 비교기 회로인 것을 특징으로 하는 자기베어링장치.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 비선형 성분의 출력측에 변위센서 캐리어 주파수 신호 대역을 제거하는 제거기가 제공되는 것을 특징으로 하는 자기베어링장치.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 비선형 성분의 입력측에 펄스폭변조(PWM) 전력증폭기 캐리어 주파수 신호 대역을 제거하는 제거기가 제공되는 것을 특징으로 하는 자기베어링장치.
5. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 비선형 성분의 입력측에는 펄스폭변조(PWM) 전력증폭기 캐리어 주파수신호 대역을 제거하는 제1제거기가 제공되고, 상기 비선형 성분의 출력측에는 변위센서 캐리어 주파수 신호 대역을 제거하는 제2제거기가 제공되는 것을 특징으로 하는 자기베어링장치.