(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転体と、
該回転体の半径方向位置及び／又は軸方向位置を検出する位置検出手段と、
該位置検出手段で検出された半径方向位置及び／又は軸方向位置を基に該半径方向位置及び／又は軸方向位置を電磁石により制御する磁気軸受手段と、
前記電磁石と電源との間を断接するスイッチング素子を含む励磁回路と、
前記電磁石を流れる電流を検出する電磁石電流検出手段と、
該電磁石電流検出手段で検出された検出電流値と電流指令値との電流誤差を算出する電流誤差算出手段と、
前記電磁石を流れる電流の大きさに対し前記電磁石のインダクタンスを補正する係数が予め関連付けされた関連付け手段と、
該関連付け手段を基に前記検出電流値から前記係数を算出する係数算出手段と、
該係数算出手段で算出した係数を基に前記電流誤差を補正する補正手段と、
該補正手段による補正された出力値を基に前記スイッチング素子をパルス制御するパルス幅を演算するパルス幅演算手段とを備えたことを特徴とする磁気軸受制御装置。
【請求項２】
回転体と、
該回転体の半径方向位置及び／又は軸方向位置を検出する位置検出手段と、
該位置検出手段で検出された半径方向位置及び／又は軸方向位置を基に該半径方向位置及び／又は軸方向位置を電磁石により制御する磁気軸受手段と、
前記電磁石と電源との間を断接するスイッチング素子を含む励磁回路と、
前記電磁石を流れる電流を検出する電磁石電流検出手段と、
該電磁石電流検出手段で検出された検出電流値と電流指令値との電流誤差を算出する電流誤差算出手段と、
前記位置検出手段で検出された前記回転体の位置から前記電磁石及び前記回転体間のエアギャップ長を算出するエアギャップ長算出手段と、
前記エアギャップ長に対し前記電磁石のインダクタンスを補正する係数が予め関連付けされた関連付け手段と、
該関連付け手段を基に前記エアギャップ長算出手段で算出されたエアギャップ長から前記係数を算出する係数算出手段と、
該係数算出手段で算出した係数を基に前記電流誤差を補正する補正手段と、
該補正手段による補正された出力値を基に前記スイッチング素子をパルス制御するパルス幅を演算するパルス幅演算手段とを備えたことを特徴とする磁気軸受制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は磁気軸受制御装置に係わり、特に電磁石電流の応答性を改善した磁気軸受制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
磁気軸受は半導体製造工程で使用されるターボ分子ポンプ等の回転機器に使用される。ターボ分子ポンプの磁気軸受の構成例に基づき、従来の磁気軸受励磁回路について説明する。
【０００３】
磁気軸受の構成例としてターボ分子ポンプの断面図を図４に示す。
図４において、ターボ分子ポンプは、ガスを排気するためのタービンブレードによる複数の回転翼１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃ…を多段に備えた回転体１０３を備える。
【０００４】
この回転体１０３を軸承するために、上側ラジアル方向電磁石１０５ａ、下側ラジアル方向電磁石１０７ａ及びアキシャル方向電磁石１０９ａを配設することにより磁気軸受が構成されている。また、上側ラジアル方向センサ１０５ｂ、下側ラジアル方向センサ１０７ｂ、アキシャル方向センサ１０９ｂを備える。
【０００５】
上側ラジアル方向電磁石１０５ａ及び下側ラジアル方向電磁石１０７ａは、それぞれの横断面図を示す図５のように構成された電磁石巻線により４個の電磁石が構成される。これらの４個の電磁石は、２個ずつ対向配置され、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の２軸の磁気軸受を構成する。
【０００６】
詳細には、隣接する２個のコア凸部にそれぞれ巻回された電磁石巻線１１１、１１１を１組として互いに逆極性に配置することにより１つの電磁石が形成される。この電磁石は、回転体１０３を挟んで対向するコア凸部の電磁石巻線１１３、１１３による電磁石と１つの対を構成し、それぞれが回転体１０３をＸ軸の正方向又は負方向に吸引する。
【０００７】
また、Ｘ軸と直交するＹ軸方向においては、２個の電磁石巻線１１５、１１５と、これに対向する２個の電磁石巻線１１７、１１７についても、上記同様に、Ｙ軸方向について対向する電磁石として１つの対を構成する。
【０００８】
アキシャル方向電磁石１０９ａ、１０９ａは、その縦断面図を示す図６のように、回転体１０３のアーマチャ１０３ａを挟む２つの電磁石巻線１２１、１２３により、１つの対として構成される。各電磁石巻線１２１、１２３による２個の電磁石１０９ａ、１０９ａは、それぞれアーマチャ１０３ａを回転軸線の正方向又は負方向に吸引力を作用する。
【０００９】
また、上側ラジアル方向センサ１０５ｂ、下側ラジアル方向センサ１０７ｂは、上記電磁石１０５ａ、１０７ａと対応するＸＹ２軸に配置された４個のセンシングコイルからなり、回転体１０３の径方向変位を検出する。アキシャル方向センサ１０９ｂは回転体１０３の軸方向変位を検出する。これらセンサは、それぞれの検出信号を図示せぬ磁気軸受制御装置に送るように構成されている。
【００１０】
これらのセンサ検出信号に基づき、磁気軸受制御装置がＰＩＤ制御等により上側ラジアル方向電磁石１０５ａ、下側ラジアル方向電磁石１０７ａ及びアキシャル方向電磁石１０９ａ、１０９ａを構成する計１０個の電磁石の吸引力を個々に調節することにより、回転体１０３を磁気浮上支持するように構成されている。
【００１１】
次に、上述のように構成される磁気軸受の各電磁石を励磁駆動する磁気軸受励磁回路について説明する。電磁石巻線に流れる電流をパルス幅変調方式により制御する磁気軸受励磁回路の例を図７に示す。
【００１２】
図７において、１個の電磁石を構成する電磁石巻線１１１は、その一端がトランジスタ１３１を介して電源１３３の正極に接続され、他端がトランジスタ１３２を介して電源１３３の負極に接続されている。
【００１３】
そして、電流回生用のダイオード１３５のカソードが電磁石巻線１１１の一端に接続され、アノードが電源１３３の負極に接続されている。同様に、ダイオード１３６のカソードが電源１３３の正極に接続され、アノードが電磁石巻線１１１の他端に接続されている。電源１３３の正極と負極間には安定化のため電解コンデンサ１４１が接続されている。
【００１４】
また、トランジスタ１３２のソース側には電流検出回路１３９が介設され、この電流検出回路１３９で検出された電流が制御回路１３７に入力されるようになっている。
【００１５】
以上のように構成される励磁回路１１０は、電磁石巻線１１１に対応されるものであり、他の電磁石巻線１１３、１１５、１１７、１２１、１２３に対しても同じ励磁回路１１０が構成される。従って、５軸制御型磁気軸受の場合には、合計１０個の励磁回路１１０が電解コンデンサ１４１と並列に接続されている。
【００１６】
かかる構成において、トランジスタ１３１、１３２の両方をｏｎすると電流が増加し、両方をｏｆｆすると電流が減少する。そして、どちらか１個ｏｎするとフライホイール電流が保持される。フライホイール電流を流すことで、ヒステリシス損を減少させ、消費電力を低く抑えることができる。
【００１７】
また、高調波等の高周波ノイズを低減できる。そして、このフライホイール電流を電流検出回路１３９で測定することで電磁石巻線１１１を流れる電磁石電流ＩＬが検出可能である。  制御回路１３７は、電流指令値と電流検出回路１３９による検出値とを比較してパルス幅変調による１周期内のパルス幅を決め、トランジスタ１３１、１３２のゲートに信号送出する。
【００１８】
電流指令値が検出値より大きい場合には、図８に示すように１周期ＴＳ（例えばＴＳ＝１００μｓ）中で１回だけパルス幅時間Ｔｐ１に相当する時間分、トランジスタ１３１、１３２の両方をｏｎする。このとき電磁石電流ＩＬが増加する。
【００１９】
一方、電流指令値が検出値より小さい場合には、図９に示すように１周期ＴＳ中で１回だけパルス幅時間Ｔｐ２に相当する時間分、トランジスタ１３１、１３２の両方をｏｆｆする。このとき電磁石電流ＩＬが減少する。
【００２０】
ここに、パルス幅Ｔｐは電流指令値ＩＲ、電磁石電流ＩＬ、電磁石インダクタンスＬｍ、電磁石抵抗Ｒｍ、電源電圧Ｖｄから求める。キルヒホッフの法則によれば、電磁石巻線１１１を流れる電磁石電流ＩＬと電源電圧Ｖｄの間には、数１が成立する。
【００２１】
【数１】
0004017383.tif 000002
【００２２】
従って、ＩＲ−ＩＬだけ電流値を変化させるのに必要なパルス幅Ｔｐは、数２のように求められる。
【００２３】
【数２】
0004017383.tif 000003
【００２４】
このように、励磁回路１１０をデジタル制御する場合、電磁石巻線１１１及びケーブルの抵抗とインダクタンス値を定数として補正演算し、電磁石電流ＩＬの電流指令値ＩＲに対する応答性を改善することができる（特許第３１７６５８４号公報）。
【００２５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、磁気軸受は回転体１０３が目標位置から変位した場合、電磁石巻線１１１の定常電流が変化して、回転体１０３を目標位置に引き戻す。その際、定常電流が変化すると電磁石のインダクタンス値は大きく変化する。そのため、デジタル制御で電磁石のインダクタンス値を定数として補正演算しても補正誤差が生じ、電磁石電流の応答性が十分改善されない場合があった。
【００２６】
本発明はこのような従来の課題に鑑みてなされたもので、電磁石電流の応答性を改善した磁気軸受制御装置を提供することを目的とする。
【００２７】
【課題を解決するための手段】
このため本発明は、回転体と、該回転体の半径方向位置及び／又は軸方向位置を検出する位置検出手段と、該位置検出手段で検出された半径方向位置及び／又は軸方向位置を基に該半径方向位置及び／又は軸方向位置を電磁石により制御する磁気軸受手段と、前記電磁石と電源との間を断接するスイッチング素子を含む励磁回路と、前記電磁石を流れる電流を検出する電磁石電流検出手段と、該電磁石電流検出手段で検出された検出電流値と電流指令値との電流誤差を算出する電流誤差算出手段と、前記電磁石を流れる電流の大きさに対し前記電磁石のインダクタンスを補正する係数が予め関連付けされた関連付け手段と、該関連付け手段を基に前記検出電流値から前記係数を算出する係数算出手段と、該係数算出手段で算出した係数を基に前記電流誤差を補正する補正手段と、該補正手段による補正された出力値を基に前記スイッチング素子をパルス制御するパルス幅を演算するパルス幅演算手段とを備えて構成した。
【００２８】
関連付け手段では、電磁石を流れる電流の大きさに対し電磁石のインダクタンスを補正する係数を予め関連付けする。この関連付けは、特性曲線としてメモリ等に記憶されてもよいし、折れ線グラフとして近似された形で記憶されてもよい。
【００２９】
また、テーブルにより記憶されてもよい。この関連付けから、検出された電磁石電流の大きさを基に電磁石インダクタンスを補正するための係数を算出する。この係数を基に、検出電流値と電流指令値との電流誤差が補正される。そして、この補正結果を基にパルス幅が演算される。
【００３０】
以上により、電磁石電流の応答性が改善される。このため、回転体は発振しにくくなり、回転体の制御剛性を高くできる。回転体が外乱で変位した場合の収束が改善される。
【００３１】
また、本発明は、回転体と、該回転体の半径方向位置及び／又は軸方向位置を検出する位置検出手段と、該位置検出手段で検出された半径方向位置及び／又は軸方向位置を基に該半径方向位置及び／又は軸方向位置を電磁石により制御する磁気軸受手段と、前記電磁石と電源との間を断接するスイッチング素子を含む励磁回路と、前記電磁石を流れる電流を検出する電磁石電流検出手段と、該電磁石電流検出手段で検出された検出電流値と電流指令値との電流誤差を算出する電流誤差算出手段と、前記位置検出手段で検出された前記回転体の位置から前記電磁石及び前記回転体間のエアギャップ長を算出するエアギャップ長算出手段と、前記エアギャップ長に対し前記電磁石のインダクタンスを補正する係数が予め関連付けされた関連付け手段と、該関連付け手段を基に前記エアギャップ長算出手段で算出されたエアギャップ長から前記係数を算出する係数算出手段と、該係数算出手段で算出した係数を基に前記電流誤差を補正する補正手段と、該補正手段による補正された出力値を基に前記スイッチング素子をパルス制御するパルス幅を演算するパルス幅演算手段とを備えて構成した。
【００３２】
位置検出手段で検出された回転体の位置から電磁石及び回転体間のエアギャップ長を算出する。関連付け手段では、エアギャップ長に対し電磁石のインダクタンスを補正する係数を予め関連付けしておく。この関連付けは、特性曲線としてメモリ等に記憶されてもよいし、折れ線グラフとして近似された形で記憶されてもよい。
【００３３】
また、テーブルにより記憶されてもよい。係数算出手段では、関連付け手段を基に、エアギャップ長算出手段で算出されたエアギャップ長から係数を算出する。そして、この係数を基に電流誤差を補正する。この補正結果を基にパルス幅が演算される。
【００３４】
以上により、電磁石電流の応答性が改善される。なお、本発明を請求項１の構成と組み合わせることにより一層の効果を得ることができる。
【００３５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について説明する。本発明の実施形態の全体構成図は図７と同じである。
まず、電流指令値ＩＲが検出された電磁石電流ＩＬより大きい場合（モード１）について、数１を基に制御回路１３７のソフトウェアにより展開された演算式は数３のようになる。
【００３６】
【数３】
0004017383.tif 000004
【００３７】
ここに、Ｐ（ｎ）は極性であり、ＩＬ（記号ハット）（ｎ＋１）はタイミングｎの次のタイミングにおける電磁石電流の推定値を意味する。同様に、電流指令値ＩＲが検出された電磁石電流ＩＬより小さい場合（モード２）における制御回路１３７のソフトウェアにより展開される演算式は数４のようになる。
【００３８】
【数４】
0004017383.tif 000005
【００３９】
従って、数３と数４より数５が成立する。
【００４０】
【数５】
0004017383.tif 000006
【００４１】
これより、タイミングｎにおけるパルス幅Ｔｐ（ｎ）が小だとモード１でも電流が減る。
また、数６が成立する。
【００４２】
【数６】
0004017383.tif 000007
【００４３】
パルス幅Ｔｐ（ｎ＋１）をまとめなおすと、数７のようになる。
【００４４】
【数７】
0004017383.tif 000008
【００４５】
但し、ＫＡはフィードバックゲイン、電流指令値ＩＲ（ｎ＋１）はタイミングｎの次のタイミングにおける電流指令値、ＩＬ（ｎ）は今回実測された電磁石電流値である。
【００４６】
このＰ（ｎ＋１）の極性をパルス幅Ｔｐ（ｎ＋１）が正になるようにすればよい。従って、Ｐ（ｎ＋１）＞０ならばモード１とし、一方Ｐ（ｎ＋１）≦０ならばモード２とする。
【００４７】
電磁石インダクタンスＬｍはコイル巻数Ｎ、ギャップ長ｌ、ギャップ面積Ｓ、透磁率μを用いて数８のように導出される。
【００４８】
【数８】
0004017383.tif 000009
【００４９】
ここに、透磁率μはヒステリシス特性により、電磁石電流ＩＬにより大きく変化するので、パルス幅Ｔｐ（ｎ＋１）を別の形に表現すると、数９のようになる。
【００５０】
【数９】
0004017383.tif 000010
【００５１】
ＫＬはインダクタンス補正ゲインで、検出される電磁石電流ＩＬの大きさにより電磁石インダクタンスの基準値Ｌ0を補正するための補正係数である。電磁石電流ＩＬの定常電流値が大きいほど電磁石インダクタンスＬｍが減少するので、インダクタンス補正ゲインを減少させる必要がある。
【００５２】
ＫＬと電磁石電流ＩＬの関係を図１に示す。但し、この関係曲線は、折れ線グラフとして近似されてもよい。又は、この関係をテーブル化してメモリに記憶するようにしてもよい。
【００５３】
このように、検出される電磁石電流ＩＬの大きさにより電磁石インダクタンスＬｍを補正してパルス幅Ｔｐを算出することで、電磁石電流ＩＬの応答性が改善される。応答性が改善されるので、回転体１０３は発振しにくくなり、回転体１０３の制御剛性を高くできる。回転体１０３が外乱で変位した場合の収束が改善される。
【００５４】
なお、電磁石インダクタンスＬｍとエアギャップ長ｌには、数８の通り逆数の関係がある。従って、回転体１０３の位置に応じてエアギャップ長ｌが変化することによる電磁石インダクタンスＬｍの変化を補正した方が好ましい。
そのため、数９を更に数１０のように拡張する。
【００５５】
【数１０】
0004017383.tif 000011
【００５６】
ここでＫｇはエアギャップ長ｌに対するインダクタンス補正ゲインである。Ｋｇとエアギャップ長ｌの関係を図２に示す。但し、この関係曲線は、折れ線グラフとして近似されてもよい。又は、この関係をテーブル化してメモリに記憶するようにしてもよい。
【００５７】
また、このエアギャップ長ｌは、図３のように、回転体１０３の位置とエアギャップ長ｌの関係を予めグラフ化しておくことにより、上側ラジアル方向センサ１０５ｂ、下側ラジアル方向センサ１０７ｂ、アキシャル方向センサ１０９ｂで取得した回転体１０３の位置から簡単に求めることができる。
【００５８】
このように、エアギャップ長ｌの大きさにより電磁石インダクタンスＬｍを補正してパルス幅Ｔｐを算出することで、電磁石電流ＩＬの応答性が改善される。更に、数１０に示すように、電磁石インダクタンスＬｍの補正を、先述の電磁石電流ＩＬの大きさによる補正（インダクタンス補正ゲインＫＬ）と共に、エアギャップ長ｌの大きさによる補正（インダクタンス補正ゲインＫｇ）も同時に行うことで電磁石電流ＩＬの応答性は一層改善される。
【００５９】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、関連付け手段により検出された電磁石電流の大きさを基に電磁石インダクタンスを補正し、この補正結果を基にパルス幅を演算するように構成したので、電磁石電流の応答性が改善される。このため、回転体は発振しにくくなり、回転体の制御剛性を高くできる。回転体が外乱で変位した場合の収束が改善される。
【図面の簡単な説明】
【図１】  インダクタンス補正ゲインＫＬと電磁石電流の関係を示す図
【図２】  インダクタンス補正ゲインＫｇとエアギャップ長ｌの関係を示す図
【図３】  回転体の位置とエアギャップ長ｌの関係を示す図
【図４】  ターボ分子ポンプの断面図
【図５】  ラジアル方向電磁石の横断面図
【図６】  アキシャル方向電磁石の縦断面図
【図７】  磁気軸受励磁回路の例
【図８】  電流指令値が検出値より大きい場合の制御を示すタイムチャート
【図９】  電流指令値が検出値より小さい場合の制御を示すタイムチャート
【符号の説明】
１０３  回転体
１１０  励磁回路
１３１、１３２  トランジスタ
１０５ａ  上側ラジアル方向電磁石
１０７ａ  下側ラジアル方向電磁石
１０９ａ  アキシャル方向電磁石
１１１、１１３、１１５、１１７、１２１、１２３  電磁石巻線
【図１】
0004017383.tif 000012
【図２】
0004017383.tif 000013
【図３】
0004017383.tif 000014
【図４】
0004017383.tif 000015
【図５】
0004017383.tif 000016
【図６】
0004017383.tif 000017
【図７】
0004017383.tif 000018
【図８】
0004017383.tif 000019
【図９】
0004017383.tif 000020