(57)【要約】【課題】高周波数の電流駆動指令が入力された場合でも、駆動電流が意図した電流値よりも減少するのを防止することができる二象限駆動回路の提供。【解決手段】二象限駆動回路３５には、一対のスイッチング素子３５１，３５２と一対のフライバックダイオード３５３，３５４とコンバータ３５６とコンデンサ３５５とを備える。コンバータ３５６およびコンデンサ３５５はフライバックダイオード３５６と電源ラインＶＰとの間に設けられ、フライバック動作時には、駆動電流ｉＭはダイオード３５６から帰還ラインＶＦへ返される。そして、帰還ラインＶＦの電力はコンデンサ３５５に蓄えられ、コンバータ３５６により電源ラインＶＰに返される。電圧ＶＦの大きさを駆動電流ｉＭに基づいて設定することで、二象限駆動回路３５における駆動電流ｉＭを減少させる作用と増加させる作用とを等しくすることができる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対のスイッチング素子と一対のフライバックダイオードとを備え、電流駆動指令に基づいて、２つのスイッチング素子が共にオンされた第１の状態と前記２つのスイッチング素子が共にオフされた第２の状態とを繰り返し生成し、電磁石に駆動電流を供給する二象限駆動回路において、
前記フライバックダイオードのいずれか一方と該フライバックダイオードが接続される電源ラインとの間に設けられ、それらの間の電圧を所定電圧に保持する保持手段を備えたことを特徴とする二象限駆動回路。
【請求項２】
請求項１に記載の二象限駆動回路において、
前記電磁石の駆動電流に基づいて前記所定電圧を設定する設定手段を備えたことを特徴とする二象限駆動回路。
【請求項３】
請求項１に記載の二象限駆動回路において、
前記一対のスイッチング素子を駆動する電流駆動指令に基づいて前記所定電圧を設定する設定手段を備えたことを特徴とする二象限駆動回路。
【請求項４】
磁気浮上用電磁石に駆動電流を供給する二象限駆動回路として、請求項１〜３のいずれか一項に記載の二象限駆動回路を備えたことを特徴とする磁気浮上制御装置。
【請求項５】
請求項４に記載の磁気浮上制御装置おいて、
複数の電磁石と、
前記複数の電磁石毎に設けられた複数の前記二象限駆動回路と、
前記複数の二象限駆動回路の少なくとも二つが並列に接続される一つの前記保持手段とを備えることを特徴とする磁気浮上制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電磁石に駆動電流を供給する二象限駆動回路、およびその二象限駆動回路を備えた磁気浮上制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ターボ分子ポンプ等の高速回転軸を備える装置では、回転軸を非接触で軸支するために磁気軸受が採用されている。このような磁気軸受に設けられた電磁石の駆動回路として、二象限駆動回路が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
二象限駆動回路では、２つのスイッチングトランジスタを同時にオン／オフさせて駆動動作を行う。両方のトランジスタをオンすると電磁石の電流が増加し、両方のトランジスタをオフすると電磁石の電流が減少する。すなわち、オン／オフのデューティ比を変化させることによって、電磁石の電流を保持・増加・減少させる。
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−１４０８８１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、電磁石電流が追随できないような周波数が高く振幅が大きな電流駆動命令が二象限駆動回路に入力された場合、二象限駆動回路は１００％デューティと０％デューティとを繰り返すことになる。しかしながら、二象限駆動回路では、電磁石電流を増加させる作用よりも減少させる作用の方が大きいため、電磁石電流の平均値は意図した平均電流値よりも減少する傾向がある。そのため、二象限駆動回路を磁気浮上装置に用いた場合、電磁石電流の平均値が減少して磁気浮上系の全体利得が低下し、大きな外乱に対して弱くなるという問題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
請求項１の発明は、一対のスイッチング素子と一対のフライバックダイオードとを備え、電流駆動指令に基づいて、２つのスイッチング素子が共にオンされた第１の状態と２つのスイッチング素子が共にオフされた第２の状態とを繰り返し生成し、電磁石に駆動電流を供給する二象限駆動回路に適用され、フライバックダイオードのいずれか一方と該フライバックダイオードが接続される電源ラインとの間に設けられ、それらの間の電圧を所定電圧に保持する保持手段を備えたことを特徴とする。
請求項２の発明は、請求項１に記載の二象限駆動回路において、電磁石の駆動電流に基づいて所定電圧を設定する設定手段を備えたものである。
請求項３の発明は、請求項１に記載の二象限駆動回路において、一対のスイッチング素子を駆動する電流駆動指令に基づいて所定電圧を設定する設定手段を備えたものである。
請求項４の発明に係る磁気浮上制御装置は、磁気浮上用電磁石に駆動電流を供給する二象限駆動回路として、請求項１〜３のいずれか一項に記載の二象限駆動回路を備えたことを特徴とする。
請求項５の発明は、請求項４に記載の磁気浮上制御装置おいて、複数の電磁石と、複数の電磁石毎に設けられた複数の二象限駆動回路と、複数の二象限駆動回路の少なくとも二つが並列に接続される一つの保持手段とを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、高周波数の電流駆動指令が入力された場合でも、駆動電流が意図した電流値よりも減少するのを防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
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は本発明による磁気浮上制御装置の一実施の形態を示すブロック図である。図１に示す磁気浮上制御装置は、図２に示すような磁気軸受式ターボ分子ポンプ１の制御装置を示したものであり、４５はターボ分子ポンプの回転軸である。
【０００９】
図２はターボ分子ポンプ１の詳細を示す断面図であり、回転軸４５には、複数段の回転翼４１およびネジロータ部４２が形成された回転体４が固定されている。複数段形成された回転翼４１の軸方向には、回転翼４１に対して固定翼４３が交互に配設されている。また、ベース３には、回転するネジロータ部４２と対向するようにネジステータ部４４が配設されている。
【００１０】
回転軸４５は、５軸制御型磁気軸受を構成する電磁石５１，５２および電磁石５３により非接触支持されるとともに、モータ６により回転駆動される。なお、電磁石５１，５２および電磁石５３は一対の電磁石から成る。これらの電磁石５１〜５３に対応して、回転軸４５の位置を検出するための変位センサ５５〜５７が設けられている。各電磁石５１〜５３には、個別に駆動電流を供給するための電流制御回路が各々設けられている。
【００１１】
図１に戻って、電流制御回路１０５は一対の電磁石５１の一方に関するものであり、このような電流制御回路１０５が電磁石毎に設けられている。電流制御回路１０５は、電流指令部１０２，駆動電流供給部１０３および電流センサ１０６を備えている。変位センサ５５は、回転軸４５との間のギャップＬｇの変化を検出するセンサであり、例えば、インダクタンス式の変位センサが用いられる。電流センサ１０６には、例えば、ホール素子を利用した電流センサが用いられる。
【００１２】
電流制御回路１０５は、変位センサ５５の出力信号から算出されるギャップＬｇが予め設定した設定距離となるように、変位センサ５５の出力信号に基づいて電磁石５１の駆動電流を供給するものである。変位センサ５５の出力信号は、電流指令部１０２のセンサ回路２１に入力される。センサ回路２１は、変位センサ５５からの出力信号に基づくインダクタンス変化を電圧信号に変化し、センサ信号としてＰＩＤ制御回路２２へと出力する。
【００１３】
ＰＩＤ制御回路２２は、センサ信号をＰ（比例），Ｉ（積分），Ｄ（微分）制御して、ギャップＬｇが予め設定された設定距離となるように電流駆動指令を、駆動電流供給部１０３へと出力する。駆動電流供給部１０３は電流駆動指令に応じた駆動電流を生成し、その駆動電流を電磁石５１に供給する。
【００１４】
図３は、駆動電流供給部１０３の概略構成を示すブロック図である。駆動電流供給部１０３は、ＰＷＭ信号発生回路３２，二象限駆動回路３５，電源３６およびＶＦ設定部３７を備えている。なお、ＲＭ，ＬＭは電磁石５１の抵抗およびインダクタンスである。二象限駆動回路３５には、スイッチング素子としての２つのトランジスタ３５１，３５２と、２つのフライバックダイオード３５３，３５４と、電圧変換部Ｃとが設けられている。電圧変換部Ｃは、コンデンサ３５５，コンバータ３５６を備えている。
【００１５】
コンバータ３５６は電圧をＶＦからＶＰに昇圧するコンバータであり、ＶＦ設定部３７からのＶＦ設定値に基づいて電圧変換を行う。ＶＦ設定部３７は、電流センサ１０６からの検出（ｉＭ）信号とＰＩＤ制御回路２２からの電流駆動指令とに基づいてＶＦ設定値を算出し、それをコンバータ３５６に出力する。ＰＷＭ信号発生回路３２は、ＰＩＤ制御回路２２からの電流駆動指令に基づいてパルス信号Ｇ１，Ｇ２を発生する。信号Ｇ１，Ｇ２はトランジスタ３５１，３５２に入力され、トランジスタ３５１，３５２のオン／オフ動作をそれぞれ制御する。
【００１６】
（従来の二象限駆動回路についての説明）
本実施の形態では、二象限駆動回路３５にコンデンサ３５５，コンバータ３５６を設けた点が従来と異なる。そこで、その効果を説明するために、先ず、図４に示す従来の二象限駆動回路４５による動作について説明する。二象限駆動回路４５は、トランジスタ３５１，３５２と２つのフライバックダイオード３５３，３５４とから成る。なお、図４ではトランジスタ３５１，３５２をスイッチ記号で表した。
【００１７】
二象限駆動回路４５では、図４（ａ）に示すように両方のトランジスタ３５１，３５２がオンの状態と、図４（ｂ）のようにトランジスタ３５１，３５２がオフの状態とが交互に繰り返され、オンとオフとのデューティを変化させることで電磁石５１の電流値を制御している。図４において、ｉＭは電磁石電流、ＶＱ１，ＶＱ２はトランジスタ３５１，３５２がオンの時の電圧降下、ＶＤ１，ＶＤ２はダイオード３５３，３５４の順方向電圧降下であり、ＶＰは電源電圧である。
【００１８】
図４（ａ）に示すオン状態では、トランジスタ３５２，３５２がともにオンなので、電流ｉＭはトランジスタ３５１→電磁石５１→トランジスタ３５２と流れる。一方、オン状態から図４（ｂ）に示すオフ状態Ｂになりトランジスタ３５１，３５２がともにオフとなった時には、電磁石コイルに電磁エネルギーが蓄積されているため、そのエネルギーの放出により、ダイオード３５３→電磁石５１→ダイオード３５４のように電流ｉＭが流れることになる。
【００１９】
図５は、電流値を一定に保つような電流駆動指令が入力された場合の、信号Ｇ１，Ｇ２および電流ｉＭを示したものである。オン状態では、電流ｉＭはトランジスタ３５１→電磁石５１→トランジスタ３５２のように流れる。一方、オフ状態では、電流ｉＭはダイオード３５３→電磁石５１→ダイオード３５４のように流れる。そのため、オン状態の場合の電流直線の傾きをＡ、オフ状態の場合の電流直線の傾きをＢとすると、それらは次式（１），（２）で与えられる。
Ａ＝（ＶＰ−ＶＱ１−ＶＱ２−ＲＭ・ｉＭ）／ＬＭ      …（１）
Ｂ＝−（ＶＰ＋ＶＤ１＋ＶＤ２＋ＲＭ・ｉＭ）／ＬＭ      …（２）
【００２０】
ここで、ＶＰ，ＶＱ１，ＶＱ２，ＶＤ１，ＶＤ２，ＲＭ・ｉＭは全て正値であり、一般的に、ＶＰは１２Ｖ以上、ＶＱ１，ＶＱ２は０〜１Ｖ、ＶＤ１，ＶＤ２は０．５〜１Ｖ、ＲＭは数Ω以下である。その結果、傾きＢの大きさ（絶対値）は、傾きＡの大きさよりも常に大きくなり、従来の二象限駆動回路では電磁石電流を増加させる作用よりも減少させる作用のほうが大きい。
【００２１】
例えば、電磁石電流を一定に保持するような電流駆動指令がＰＷＭ信号発生回路３２に入力された場合、ＰＷＭ信号発生回路３２は、図５に示すように平均電流値が一定となるのに必要なオン状態時間（ｔ２−ｔ１）とオフ状態時間（ｔ３−ｔ２）とを与える信号Ｇ１、Ｇ２を出力する。この場合、オン状態のデューティ比「（ｔ２−ｔ１）／（ｔ３−ｔ１）」は５０％よりも大きな値となる。デューティ比がこの値よりも大きいと平均の電磁石電流値は増加し、反対にこの値よりも小さいと電磁石電流値は減少する。
【００２２】
しかしながら、電磁石が追従できないような高周波・大振幅の電流駆動指令が入力された場合、オン状態とオフ状態が図６（ａ）に示すように繰り返され、電磁石電流の平均値は意図した平均電流値より減少するという傾向がある。電磁石電流の平均が減少すると磁気浮上系の全体利得が低下し、大きな外乱などに対して弱くなるという問題が生じる。
【００２３】
（本実施の形態の二象限駆動回路３５の説明）
一方、図３に示した二象限駆動回路３５では、ダイオード３５４のカソード側は、電源ラインＶＰではなく独立した帰還ラインＶＦに接続されている。電圧ＶＦの帰還ラインの電力は平滑用コンデンサ３５５に蓄えられ、コンバータ３５６により電圧ＶＰの電源ラインに返される。図７は二象限駆動回路３５の動作を説明する図であり、（ａ）は両方のトランジスタ３５１，３５２がオン状態とされた場合を示し、（ｂ）は両方のトランジスタ３５１，３５２がオフ状態とされた場合を示す。
【００２４】
図７（ａ）のオン状態の場合には、従来の二象限駆動回路４５の場合と同様に、電磁石電流ｉＭはトランジスタ３５１→電磁石５１→トランジスタ３５２のように流れる。そのため、オン状態の場合の電流直線の傾きＡは、上述した式（１）で与えられる。一方、オフ状態のフライバック時には、電磁石電流ｉＭは、ダイオード３５３→電磁石５１→ダイオード３５４と流れた後に帰還ライン（ＶＦ）のコンデンサ３５５に返されて蓄えられ、コンバータ３５６によって電流ｉＦＢとして電源ライン（ＶＰ）に返される。このときの電流直線の傾きＢは、次式（３）で与えられる。
Ｂ＝−（ＶＦ＋ＶＤ１＋ＶＤ２＋ＲＭ・ｉＭ）／ＬＭ      …（３）
【００２５】
ここで、帰還ライン電圧ＶＦを次式（４）のように設定して、電源ライン電圧ＶＰよりも低くなるようにコンバータ３５６を動作させるようにすれば、図８に示すようにオフ状態の傾きＢをＢ＝―Ａとすることができる。なお、＜ｉＭ＞は、電磁石電流ｉＭの平均値である。
ＶＦ＝ＶＰ−ＶＱ１−ＶＱ２−ＶＤ１−ＶＤ２−２ＲＭ・＜ｉＭ＞    …（４）
【００２６】
すなわち、二象限駆動回路３５において、電磁石電流を減少させる作用と増加させる作用とを等しくすることができ、電磁石電流ｉＭを一定に保持する際のデューティ比をちょうど５０％とすることができる。また、このように制御することで、図６（ｂ）に示すように電磁石が追従できないような高周波・大振幅の電流駆動指令が入力された場合であっても、電磁石電流の平均値が意図した平均電流値より減少する傾向を防ぐことができる。その結果、磁気浮上系の全体利得の低下を防止できる。
【００２７】
帰還ライン電圧ＶＦの設定はＶＦ設定部３７により行われる。ＶＦ設定部３７は、電流センサ１０６からの検出（ｉＭ）信号とＰＩＤ制御回路２２からの電流駆動指令とに基づいてＶＦ設定値を算出する。このような制御を行うことにより、磁気軸受に対する荷重が大きく変化して電磁石電流＜ｉＭ＞が大きく変動しても、電磁石電流＜ｉＭ＞を一定に保持するときのデューティ比を常に５０％に保つことができる。すなわち、式（１），（３）にはｉＭを含む項があるので、電磁石電流が大きく変動すると傾きＡ，Ｂも変化するが、電圧ＶＦを式（４）のように設定することで傾きＡ，Ｂの大きさを等しくすることができる。
【００２８】
もちろん、電磁石電流＜ｉＭ＞が大きく変化しないような場合には、電圧ＶＦを予め定められた値に設定するようにしてもかまわない。例えば、式(４)における＜ｉＭ＞の値を、定常運転時の電磁石電流値に設定する。
【００２９】
上述した例では、電磁石電流＜ｉＭ＞をフィードバックして電圧ＶＦを決めることで、デューティ比が５０％になるようにしているが、実際のデューティ比を知ることができれば、その情報から生成される信号Ｇ１，Ｇ２のデューティ比を変更することができる。例えば、電流制御回路１０５をＤＳＰのようなデジタル制御回路で構成する場合には、信号Ｇ１，Ｇ２を生成する演算部の演算結果から実際のデューティ比を知ることができる。そのため、電磁石電流＜ｉＭ＞の変化が小さい場合には、得られたデューティ比情報（信号Ｇ１，Ｇ２）に基づいて、実際のデューティ比が５０％になるように帰還ライン電圧ＶＦをフィードバック制御することができる。
【００３０】
また、上述した実施の形態では、図３に示したように電圧変換部（コンデンサ３５５，コンバータ３５６）を二象限駆動回路３５の各々に設けているが、図９に示すように複数の二象限駆動回路に対して一つの電圧変換部Ｃを設けるようにしても良い。図９では、一つの電圧変換部Ｃに対して２つの二象限駆動回路が並列に接続されているが、３つ以上の二象限駆動回路を並列に接続するようにしても良い。このような構成とすることで、各々に電圧変換部を設けることによって回路が大規模になるという弊害を避けることができる。この場合、全ての二象限駆動回路において、電磁石電流＜ｉＭ＞を一定に保持するときのデューティ比を正確に５０％にすることはできないが、従来に比べればより５０％に近くなる。
【００３１】
なお、上述した実施の形態では、電圧変換部Ｃを正側（ダイオード３５４のカソード側）に設けたが、図１０に示すように負側（ダイオード３５３のアノード側）に設けても良い。また、本実施の形態の二象限駆動回路は、ターボ分子ポンプの磁気軸受装置に限らず、磁気軸受を含む種々の磁気浮上制御装置に適用することができる。
【００３２】
以上説明した実施の形態と特許請求の範囲の要素との対応において、電圧変換部Ｃは保持手段を、ＶＦ設定部３７は設定手段をそれぞれ構成する。また、請求項３の設定手段はデジタル制御回路で構成された電流制御回路１０５に対応する。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。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明による磁気浮上制御装置の一実施の形態を示すブロック図である。
【図２】ターボ分子ポンプ本体１の詳細を示す断面図である。
【図３】駆動電流供給部１０３の概略構成を示すブロック図である。
【図４】従来の二象限駆動回路４５の動作を説明する図であり、（ａ）はオン状態を、（ｂ）はオフ状態を示す。
【図５】従来の二象限駆動回路４５において電流値を一定に保つような電流駆動指令が入力された場合の、信号Ｇ１，Ｇ２および電流ｉＭを示す図である。
【図６】高周波・大振幅の電流駆動指令が入力された場合の電磁石電流を示す図であり、（ａ）は従来の場合、（ｂ）は本実施の形態の場合を示す。
【図７】本実施の形態の二象限駆動回路３５の動作を説明する図であり、（ａ）はオン状態を示し、（ｂ）はオフ状態を示す。
【図８】本実施の形態の二象限駆動回路３５において電流値を一定に保つような電流駆動指令が入力された場合の、信号Ｇ１，Ｇ２および電流ｉＭを示す図である。
【図９】２つの二象限駆動回路に対して一つの電圧変換部を兼用して設けた場合を示す図である。
【図１０】電圧変換部Ｃを負側に設けた場合の二象限駆動回路を示す図である。
【符号の説明】
【００３４】
１：ターボ分子ポンプ、２１：センサ回路、２２：ＰＩＤ制御回路、３１：クロック発生回路、３２：ＰＷＭ信号発生回路、３５，４５：二象限駆動回路、３７：ＶＦ設定部、５１〜５３：電磁石、１０２：電流指令部、１０３：駆動電流供給部、１０５：電流制御回路、１０６：電流センサ、３５１，３５２：トランジスタ、３５３，３５４：フライバックダイオード、３５５：コンデンサ、３５６：コンバータ、Ｃ：電圧変換部
【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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【図１０】
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