(57)【要約】【課題】リップル電流に起因する電力損失を低減することができるモータ駆動装置の提供。【解決手段】モータ駆動装置は、速度制御部４０１、Ｉd・Ｉq設定部４０２、等価回路電圧変換部４０３および電圧変換部４０４，４０５により正弦波駆動指令を生成し、その正弦波駆動指令に基づいてＰＷＭ信号生成部４０６でＰＷＭ制御信号（ＰＷＭ駆動指令）を生成し、そのＰＷＭ制御信号に基づいて複数のスイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ６をオンオフ制御する。そして、モータ負荷判定部４０８は、モータＭの負荷を算出し、算出された負荷が軽負荷か否かを判定する。さらに、モータ負荷判定部４０８は、負荷が所定閾値以下である判定すると、モータＭに出力される駆動電流Ｉu，Ｉv，Ｉwを所定時間遮断する動作が繰り返されるように、切替部４１０を制御する。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
正弦波駆動指令を生成する正弦波駆動指令生成部と、
前記正弦波駆動指令に基づいてＰＷＭ駆動指令を生成するＰＷＭ駆動指令生成部と、
前記ＰＷＭ駆動指令に基づいてオンオフ制御される複数のスイッチング素子を有し、前記複数のスイッチング素子のオンオフにより生成される駆動電流を同期モータに出力するインバータ回路と、
前記同期モータの負荷を算出する負荷演算部と、
前記負荷演算部により算出された負荷が所定値以下の場合に、前記同期モータに入力される前記駆動電流を一部期間遮断する動作を繰り返し行わせる駆動電流制御部と、を備えるモータ駆動装置。
【請求項２】
請求項１に記載のモータ駆動装置において、
前記駆動電流制御部は、正弦波駆動の１周期における所定区間において前記駆動電流を遮断する、モータ駆動装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載のモータ駆動装置において、
前記駆動電流制御部は、前記複数のスイッチング素子を全てオフして遮断状態とすることにより前記駆動電流を遮断する、モータ駆動装置。
【請求項４】
請求項２または３に記載のモータ駆動装置において、
前記同期モータの回転に関する情報に基づいて、該同期モータの回転子の回転位置を演算する回転位置演算部をさらに備え、
前記所定区間は前記回転位置演算部で算出された回転位置に基づいて設定される、モータ駆動装置。
【請求項５】
排気機能部が形成されたロータと、
前記ロータを回転駆動する同期モータと、
前記同期モータを駆動する請求項１乃至４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。
【請求項６】
請求項５に記載の真空ポンプにおいて、
前記同期モータのモータ電流を検出する電流検出部をさらに備え、
前記負荷演算部は、前記電流検出部で検出されたモータ電流値に基づいて前記同期モータの負荷を算出する、真空ポンプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、モータ駆動装置および真空ポンプに関する。
【背景技術】
【０００２】
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。そのようなターボ分子において、モータをＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御により回転駆動するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
ターボ分子ポンプは、上述のように真空排気するためにロータを高速回転させるが、その高速回転（定格回転）まで到達させるために大きなモータトルクを発生させて加速を行う。また、高速回転時にガス負荷が掛かった場合にも、大きなトルクが必要となる。一方、ガス負荷が無く、所定の回転数（通常は定格回転数）で高真空を維持する場合には、軸受損失や永久磁石同期モータの永久磁石回転に伴う損失に起因する比較的小さなトルクに対抗できる程度の低トルク駆動で充分となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−６９７８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、ＰＷＭ制御によりモータ電流を制御する場合、ＰＷＭキャリアによるリップル電流が発生する。モータを正弦波駆動する場合、必要トルクを生成する基本波の電流振幅はガス負荷の大小に伴って大小の変化を生じる。しかし、ＰＷＭキャリアによるリップル電流の振幅は、ガス負荷の大小によって顕著には変化しない。そのため、低負荷時には、電力損失に占めるリップル電流に起因する損失（例えば、渦電流損）の割合が大きくなる。さらに、低負荷運転時間はガス負荷運転時間に比べて長いので、リップル電流起因の損失が無視できない大きさとなる。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
請求項１の発明に係るモータ駆動装置は、正弦波駆動指令を生成する正弦波駆動指令生成部と、正弦波駆動指令に基づいてＰＷＭ駆動指令を生成するＰＷＭ駆動指令生成部と、ＰＷＭ駆動指令に基づいてオンオフ制御される複数のスイッチング素子を有し、複数のスイッチング素子のオンオフにより生成される駆動電流を同期モータに出力するインバータ回路と、同期モータの負荷を算出する負荷演算部と、負荷演算部により算出された負荷が所定値以下の場合に、同期モータに入力される駆動電流を一部期間遮断する動作を繰り返し行わせる駆動電流制御部と、を備える。
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、正弦波駆動の１周期における所定区間において前記駆動電流を遮断す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、複数のスイッチング素子を全てオフして遮断状態とすることにより駆動電流を遮断するようにしたものである。
請求項４の発明は、請求項２または３に記載のモータ駆動装置において、同期モータの回転に関する情報に基づいて、該同期モータの回転子の回転位置を演算する回転位置演算部をさらに備え、所定区間が回転位置演算部で算出された回転位置に基づいて設定されるようにしたものである。
請求項５の発明に係る真空ポンプは、排気機能部が形成されたロータと、ロータを回転駆動する同期モータと、同期モータを駆動する請求項１乃至４のいずれか一項に記載のモータ駆動装置と、を備える。
請求項６の発明は、請求項５に記載の真空ポンプにおいて、同期モータのモータ電流を検出する電流検出部を備え、負荷演算部は、電流検出部で検出されたモータ電流値に基づいて同期モータの負荷を算出するものである。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、リップル電流に起因する電力損失を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は、本実施の形態の真空ポンプを説明する図である。
【図２】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】図３は、モータ駆動制御系を説明する図である。
【図４】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】図５は、ｄ軸およびｑ軸の方向を示す図である。
【図６】図６は、Ｕ相電流（ラインＬ１）と電気角θ（ラインＬ２）とを示す図である。
【図７】図７は、ＰＷＭ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８】図８は、電気角θに関して、０deg＜θ＜２０deg，１６０deg＜θ＜２００deg，３４０deg＜θ＜３６０degを遮断区間とした場合の、相電流Ｉu，Ｉv，Ｉwを示す図である。
【図９】図９は、電流遮断構成の他の例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
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、ポンプユニット１の構成を示す図である。真空ポンプは、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。なお、図１に示す真空ポンプは、磁気浮上式ターボ分子ポンプである。
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
モータＭは同期モータであって、例えば、永久磁石同期モータが用いられる。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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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制御信号を出力し、各励磁アンプ４５には、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制御信号をそれぞれ出力する。
【００１８】
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。モータ駆動制御系は、正弦波駆動制御部４００およびインバータ４３を有する。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。Ｄ１〜Ｄ６は環流ダイオードである。モータステータ１０に設けられたＵ，Ｖ，Ｗ相コイルに流れる電流は、電流センサ５０Ｕ，５０Ｖ，５０Ｗによってそれぞれ検出される。
【００１９】
正弦波駆動制御部４００は、電流センサ５０Ｕ，５０Ｖ，５０Ｗによって検出された電流値（３相電流Ｉu，Ｉv，Ｉw）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。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、Ｕ，Ｖ，Ｗ相コイルに正弦波駆動電流が供給される。
【００２０】
本実施の形態では、電流センサ５０Ｕ〜５０Ｗで検出されたモータ電流に基づいて回転速度、磁極位置を推定している。すなわち、電流センサ５０Ｕ〜５０Ｗは、モータロータ１１の回転位置に関する情報を検出する回転検出部としても機能している。なお、本実施の形態のように、モータロータ１１の回転位置を検出する回転センサを有しないセンサレスのモータの場合には、モータ電流またはモータ電圧に基づいて回転速度、磁極位置を推定するのが一般的である。また、回転センサを有するモータであれば、回転検出部はホールセンサ、インダクタンスセンサ等である。
【００２１】
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。なお、電流センサ５０は、図３の電流センサ５０Ｕ〜５０Ｗに対応している。回転速度・磁極位置推定部４０７は、電流センサ５０で検出された３相電流Ｉu，Ｉv，Ｉw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。
【００２２】
速度制御部４０１は、入力された目標回転速度ω0と実際の回転速度ωとの差分に基づいて、ＰI制御（比例制御および積分制御）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。図５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。
【００２３】
等価回路電圧変換部４０３は、モータＭの電気等価回路定数に基づいて、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。電圧変換部４０４は、回転速度・磁極位置推定部４０７で推定された磁極位置（電気角θ）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。
【００２４】
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。図６は、Ｕ相電流（ラインＬ１）と電気角θ（ラインＬ２）とを示す図である。図６において、横軸は時間を示し、縦軸は電流値（ラインＬ１の場合）および角度deg（ラインＬ２の場合）を示している。
【００２５】
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。ＰＷＭ信号生成部４０６から出力されたＰＷＭ制御信号は、切替部４１０を介してインバータ４３に入力される。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。
【００２６】
図７は、ＰＷＭ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。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相電圧を示している。相電圧Ｌ４はＰＷＭ変調された矩形波になっており、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。なお、矩形波相電圧の振幅は、インバータ４３に入力されるＤＣ電圧の電圧値である。Ｕ相電流Ｌ３の基本波振幅はＡで、相電圧Ｌ４のオンオフ（矩形波の立ち上がり、立ち下がり）に対応してリップル振幅Ｂが発生している。このリップル電流の部分は損失になってしまう。図示は省略したが、Ｖ相およびＷ相に関しても同様である。
【００２７】
本実施の形態では、このリップル電流による損失を低減するために、必要トルクが低い軽負荷時には、インバータ４３からモータＭへの電流を所定時間遮断する動作を繰り返し実行することで、リップル電流による損失を低減するようにした。
【００２８】
図４に示す例では、リップル電流損失低減のために、モータ負荷判定部４０８、オフ信号発生部４０９および切替部４１０を正弦波駆動制御部４００に設けた。モータ負荷判定部４０８は電流センサ５０で検知されたモータ電流に基づいてガス負荷、すなわち、モータ負荷を推定する。そして、モータ負荷判定部４０８は、推定されたモータ負荷と所定の閾値とを比較し、モータ負荷が軽負荷であるか否かを判定する。ここで、軽負荷とは、例えば、ガス負荷＝０の状態で、かつ、定格回転数で回転している場合のモータ負荷状態を意味する。そして、この軽負荷よりも若干大きい負荷を所定閾値とする。モータ負荷判定部４０８は、軽負荷と判定すると、回転速度・磁極位置推定部４０７で推定された磁極位置（電気角θ）が正弦波一周期の所定の電気角範囲の時に、切替部４１０の接続をＰＷＭ信号生成部４０６からオフ信号発生部４０９に切り替える。
【００２９】
オフ信号発生部４０９は、全てのスイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ６をオフ（遮断）する制御信号（遮断信号）を発生する。モータ負荷判定部４０８からの信号によって切替部４１０が切り替えられると、オフ信号発生部４０９からの制御信号がインバータ４３に入力され、スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ６はオフ状態とされる。その結果、正弦波一周期の所定の電気角範囲において、モータＭの全ての相電流がゼロとなる。
【００３０】
図８は、電気角θに関して、０deg＜θ＜２０deg，１６０deg＜θ＜２００deg，３４０deg＜θ＜３６０degを遮断区間とした場合の、相電流Ｉu，Ｉv，Ｉwを示したものである。上述した遮断区間では、Ｉu＝Ｉv＝Ｉw＝０となっている。なお、相電流Ｉu，Ｉv，Ｉwの基本波成分は、遮断分だけトルク維持のために振幅が増える。しかし、リップル振幅はほぼ変化しないので、遮断区間のリップル電流が減少した分だけリップル電流による損失が低減される。
【００３１】
なお、図４に示す例では、インバータ４３に入力される制御信号を、切替部４１０によってＰＷＭ信号生成部４０６のＰＷＭ制御信号からオフ信号発生部４０９の遮断信号に切り替えることにより、遮断区間を生成した。しかし、遮断方法としてはこれに限らず、例えば、モータ負荷判定部４０８の判定結果をＰＷＭ信号生成部４０６に入力し、ＰＷＭ信号生成部４０６でＰＷＭ制御信号を生成する際に遮断区間を生成するようにしても良い。また、図９に示すように、インバータ４３の出力ライン（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）に電流遮断用の開放スイッチ（例えば、半導体スイッチング素子で構成）５２を設けて、遮断区間においてＵ相電流、Ｖ相電流およびＷ相電流の全てを遮断するようにしても良い。
【００３２】
また、モータ負荷判定部４０８は、電流センサ５０で検出されたモータ電流に基づいてモータ負荷を判定したが、ＰＷＭ信号生成部４０６で生成するＰＷＭ制御信号に基づいて、モータ負荷が軽負荷か否かを判定するようにしても良い。
【００３３】
さらにまた、図８に示す例では、電気角一周期の所定区間を遮断区間とし、各周期の同じ区間で電流を遮断するようにしたが、遮断区間の設定方法はこれに限らない。例えば、数周期に１回の割合で一周期分を遮断区間としても良い。
【００３４】
上述したように、本実施の形態では、速度制御部４０１、Ｉd・Ｉq設定部４０２、等価回路電圧変換部４０３および電圧変換部４０４，４０５により正弦波駆動指令を生成し、その正弦波駆動指令に基づいてＰＷＭ信号生成部４０６でＰＷＭ制御信号（ＰＷＭ駆動指令）を生成し、そのＰＷＭ制御信号に基づいて複数のスイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ６をオンオフ制御する。モータ負荷判定部４０８は、モータＭの負荷を算出し、算出された負荷が軽負荷か否かを判定する。モータ負荷判定部４０８は、負荷が所定閾値以下である判定すると、モータＭに出力される駆動電流Ｉu，Ｉv，Ｉwを一部期間遮断する動作が繰り返されるように、切替部４１０を制御する。
【００３５】
その結果、遮断動作時にはリップル電流による電力損失が避けられるので、遮断動作を繰り返し実行することで、軽負荷駆動時のモータ損失を低減することができる。
【００３６】
遮断区間としては、図８に示すように、正弦波駆動の１周期の所定区間でも良いし、複数周期の内の１周期であっても良い。所定区間は例えばモータの負荷に応じて可変でもよい。また、駆動電流Ｉu，Ｉv，Ｉwの遮断方法としては、図４に示すように遮断区間を含むＰＷＭ制御信号をインバータ４３に入力して、その遮断区間において全てのスイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ６をオフするようにしても良いし、図９に示すように、インバータ４３とモータＭとのあいだで、全ての駆動電流Ｉu，Ｉv，Ｉwを遮断するようにしても良い。
【００３７】
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、磁気浮上式ターボ分子ポンプのモータ駆動装置を例に説明したが、これに限らず、ポンプロータをモータで駆動する種々の真空ポンプに適用することができる。また、本発明は、真空ポンプに限らず、正弦波駆動制御される種々の同期モータで、軽負荷状態で回転していて、時々、重負荷状態で用いられるような場合にも適用することができる。
【符号の説明】
【００３８】
１：ポンプユニット、４：ポンプロータ、４ａ：回転翼、４ｂ：円筒部、５：シャフト、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、５０，５０Ｕ〜５０Ｗ：電流センサ、６２：固定翼、６４：ネジステータ、４００：正弦波駆動制御部、４０１：速度制御部、４０２：Ｉd・Ｉq設定部、４０３：等価回路電圧変換部、４０４，４０５：電圧変換部、４０７：回転速度・磁極位置推定部、４０８：モータ負荷判定部、４０９：オフ信号発生部、４１０：切替部、４３０：ゲートドライブ回路、Ｍ：モータ、Ｒ：回転体ユニット、ＳＷ１〜ＳＷ６：スイッチング素子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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