KR20200047523A - 진공 펌프 및 제어 장치 - Google Patents

진공 펌프 및 제어 장치 Download PDF

Info

Publication number
KR20200047523A
KR20200047523A KR1020207002922A KR20207002922A KR20200047523A KR 20200047523 A KR20200047523 A KR 20200047523A KR 1020207002922 A KR1020207002922 A KR 1020207002922A KR 20207002922 A KR20207002922 A KR 20207002922A KR 20200047523 A KR20200047523 A KR 20200047523A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
signal
mode
adjustment means
adjusted
vacuum pump
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
KR1020207002922A
Other languages
English (en)
Other versions
KR102589086B1 (ko
Inventor
요시마사 에자와
히데오 후카미
고우 사토
Original Assignee
에드워즈 가부시키가이샤
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 에드워즈 가부시키가이샤 filed Critical 에드워즈 가부시키가이샤
Publication of KR20200047523A publication Critical patent/KR20200047523A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102589086B1 publication Critical patent/KR102589086B1/ko
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D19/00—Axial-flow pumps
    • F04D19/02—Multi-stage pumps
    • F04D19/04—Multi-stage pumps specially adapted to the production of a high vacuum, e.g. molecular pumps
    • F04D19/048—Multi-stage pumps specially adapted to the production of a high vacuum, e.g. molecular pumps comprising magnetic bearings
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D27/00—Control, e.g. regulation, of pumps, pumping installations or pumping systems specially adapted for elastic fluids
    • F04D27/001—Testing thereof; Determination or simulation of flow characteristics; Stall or surge detection, e.g. condition monitoring
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D19/00—Axial-flow pumps
    • F04D19/02—Multi-stage pumps
    • F04D19/04—Multi-stage pumps specially adapted to the production of a high vacuum, e.g. molecular pumps
    • F04D19/042—Turbomolecular vacuum pumps
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D19/00—Axial-flow pumps
    • F04D19/02—Multi-stage pumps
    • F04D19/04—Multi-stage pumps specially adapted to the production of a high vacuum, e.g. molecular pumps
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/05—Shafts or bearings, or assemblies thereof, specially adapted for elastic fluid pumps
    • F04D29/056—Bearings
    • F04D29/058—Bearings magnetic; electromagnetic
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C32/00—Bearings not otherwise provided for
    • F16C32/04—Bearings not otherwise provided for using magnetic or electric supporting means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C32/00—Bearings not otherwise provided for
    • F16C32/04—Bearings not otherwise provided for using magnetic or electric supporting means
    • F16C32/0406—Magnetic bearings
    • F16C32/044—Active magnetic bearings
    • F16C32/0444—Details of devices to control the actuation of the electromagnets
    • F16C32/0446—Determination of the actual position of the moving member, e.g. details of sensors
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C32/00—Bearings not otherwise provided for
    • F16C32/04—Bearings not otherwise provided for using magnetic or electric supporting means
    • F16C32/0406—Magnetic bearings
    • F16C32/044—Active magnetic bearings
    • F16C32/0444—Details of devices to control the actuation of the electromagnets
    • F16C32/0451—Details of controllers, i.e. the units determining the power to be supplied, e.g. comparing elements, feedback arrangements with P.I.D. control
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C32/00—Bearings not otherwise provided for
    • F16C32/04—Bearings not otherwise provided for using magnetic or electric supporting means
    • F16C32/0406—Magnetic bearings
    • F16C32/044—Active magnetic bearings
    • F16C32/0444—Details of devices to control the actuation of the electromagnets
    • F16C32/0457—Details of the power supply to the electromagnets
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2240/00—Components
    • F05D2240/50—Bearings
    • F05D2240/51—Magnetic
    • F05D2240/515—Electromagnetic
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2270/00—Control
    • F05D2270/30—Control parameters, e.g. input parameters
    • F05D2270/305—Tolerances
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C2360/00—Engines or pumps
    • F16C2360/44—Centrifugal pumps
    • F16C2360/45—Turbo-molecular pumps

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Magnetic Bearings And Hydrostatic Bearings (AREA)
  • Non-Positive Displacement Air Blowers (AREA)

Abstract

정상 운전 시에는 고정밀도의 안정적인 제어를 행할 수 있음과 더불어, 외란에 강하고, 또한, 펌프의 정지 시간이 짧으며, 소형화가 도모된 진공 펌프 및 제어 장치를 제공한다.
감산기(1)로 산출된 위치 편차는 3개의 모드의 PID(22, 32, 42)에 각각 입력되도록 되어 있다. PID 22는 고바이어스 모드용 PID 조절기이고, PID 32는 고강성 모드용 PID 조절기이며, PID 42는 저강성 모드용 PID 조절기이다. PID 42의 출력 신호는 PWM 주파수의 클럭별로 지시 전류의 변화분으로서 추출이 되고, 산출부(41)에 있어서 수 클럭의 사이의 지시 전류의 변화분의 평균값(ΔC)이 취해지도록 되어 있다. 여기에서 평균화된 지시 전류의 변화분의 평균값(ΔC)의 크기가 미리 설정된 소정값보다 큰지 여부가 전환 제어부(45)로 연산되고, 그 결과에 따라 α값이 0으로부터 1의 범위에서 전환 제어부(45)로부터 출력되도록 되어 있다.

Description

진공 펌프 및 제어 장치
본 발명은 진공 펌프 및 제어 장치에 관한 것이고, 특히 정상 운전 시에는 고정밀도의 안정적인 제어를 행할 수 있음과 더불어, 외란에 강하며, 또한, 펌프의 정지 시간이 짧고, 소형화가 도모된 펌프 및 제어 장치에 관한 것이다.
최근의 일렉트로닉스의 발전에 따라, 메모리나 집적 회로와 같은 반도체의 수요가 급격하게 증대되고 있다.
이들 반도체는, 매우 순도가 높은 반도체 기판에 불순물을 도핑하여 전기적 성질을 부여하거나, 에칭에 의하여 반도체 기판 상에 미세한 회로를 형성하거나 하여 제조된다.
그리고, 이들 작업은 공기 중의 먼지 등에 의한 영향을 피하기 위하여 고진공 상태의 챔버 내에서 행해질 필요가 있다. 이 챔버의 배기에는, 일반적으로 진공 펌프가 이용되고 있지만, 특히 잔류 가스가 적고, 보수가 용이함 등의 점에서 진공 펌프 중 하나인 터보 분자 펌프가 많이 사용되고 있다.
또한, 반도체의 제조 공정에서는, 다양한 프로세스 가스를 반도체의 기판에 작용시키는 공정이 수많이 있고, 터보 분자 펌프는 챔버 내를 진공으로 할 뿐만 아니라, 이들 프로세스 가스를 챔버 내로부터 배기하는 데에도 사용된다.
또한, 터보 분자 펌프는, 전자 현미경 등의 설비에 있어서, 분진 등의 존재에 의한 전자 빔의 굴절 등을 방지하기 위하여, 전자 현미경 등의 챔버 내의 환경을 고도의 진공 상태로 하는 데에도 이용되고 있다.
이 터보 분자 펌프는 회전체를 자기 부상 제어하기 위하여 자기 베어링 장치를 구비하고 있다. 그리고, 이 자기 베어링 장치에서는, 회전체의 가속 운전 중에 공진점을 통과할 때나 정속 운전 중에 외란이 발생했을 때 등에, 고속이고 또한 강한 힘으로의 회전체의 위치 제어를 할 필요가 있다.
도 7에 종래의 자기 베어링 제어의 예를 나타낸다. 도 7에 있어서, 로터축(113)의 반경 방향의 위치를 경방향 위치 센서(107, 108)로 검출한다. 이 경방향 위치 센서(107, 108)로 검출한 반경 방향의 위치 신호와 변위 지령값(X0)이 감산기(1)에 입력되고, 이 감산기(1)로 편차가 산출된다. 이 편차 신호는 PID(2)로 조정된 후, 가산기(3)로 소정의 정상 전류와 가산된다. 그리고, 여기에서 가산된 신호는 전환 유닛(4)에 입력된다. 이 전환 유닛(4)을 나온 신호 A는 앰프 회로(5)로 50V 정도의 고전압에서 신호 증폭된 후, 혼합기(6)를 거쳐 경방향 전자석(104, 105)의 전자석 권선에 대하여 전류가 흐르게 된다. 또한, 이 전자석 권선을 흐르는 전류는 전류 검출 회로(7)로 검출되고, 앰프 회로(5)의 입력측으로 되돌려짐으로써 전류 조정이 된다.
한편, 감산기(1)로 산출된 편차 신호는 PID(12)에도 입력되고, 이 PID(12)로 조정된 후, 가산기(13)로 소정의 정상 전류와 가산된다. 그리고, 여기에서 가산된 신호는 전환 유닛(4)에 입력된다. 이 전환 유닛(4)을 나온 신호 B는 앰프 회로(15)로 15V 정도의 저전압에서 신호 증폭된 후, 혼합기(6)를 거쳐 경방향 전자석(104, 105)의 전자석 권선에 대하여 전류가 흐르게 된다. 또한, 이 전자석 권선을 흐르는 전류는 전류 검출 회로(7)로 검출되고, 앰프 회로(15)의 입력측으로 되돌려짐으로써 전류 조정이 된다.
이와 같이, 전원으로서는, 통상 운전 시에 있어서의 15V 정도의 저전압 이외에, 전자석 권선에 흐르게 하는 전류의 급속한 증가가 가능하도록 50V 정도의 고전압이 사용되고 있다.
그리고, 전자석 권선을 흐르는 전류의 변화 속도를 검출함으로써 고전압 전원으로부터 전력이 공급되는 경우(이하, 고전압 모드라고 한다)와, 저전압 전원으로부터 전력이 공급되는 경우(이하, 저전압 모드라고 한다)에 전환 유닛(4)에 있어서 전환 제어가 행해지고 있다.
즉, 저진동 운전을 필요로 하는 상태에서는 저전압 모드로 동작시키고, 이것 이외의 외란이 생길 수 있는 상태에서는 고전압 모드로 동작시킴으로써, 돌연 외란이 발생해도, 회전체를 보호하도록 하고 있다(특허문헌 1 참조).
또한, 종래, 회생 전력을 전자석으로 소비함으로써, 회생 저항이나 그 주변 회로를 없애 공간 절약화와 비용 절감을 실현한 소형 펌프가 실현되어 있다(특허문헌 2 참조).
일본국 특허공개 2004-286045호 공보 일본국 특허공개 2014-110653호 공보
그런데, 이와 같이 2종류의 전원이나 앰프 회로 등을 준비하는 것은 제어 장치의 소형화나 전력 절약화의 방해가 된다. 또한, 2종류의 전원이나 앰프 회로 등 중 어느 한쪽은, 전자석을 구동하기 위한 회로가 동작하지 않는 상태가 되기 때문에 대기 전력이 증가한다.
또한, 전자석 권선을 흐르는 전류의 변화 속도를 실측으로 검출하는 것은 노이즈에 의한 영향을 받기 쉽고, 또한, 제어 응답의 지연을 일으킬 우려도 있다.
또한, 터보 분자 펌프의 모터의 회생 에너지를 소비하기 위하여 일반적으로는 회생 저항이 접속되어 있다. 이 회생 저항을 생략할 수 있으면, 제어 장치의 가일층의 소형화로 이어지지만, 회생 저항을 생략하면 모터가 정지할 때까지의 브레이크 시간이 길게 걸리게 된다.
이 점을 회피하기 위하여, 특허문헌 2와 같이 자기 베어링의 전자석 권선으로 에너지를 소비시킴으로써 브레이크 시간을 짧게 한다고 하는 방책을 생각할 수 있지만, 이러한 제어를 행하기 위하여 독립적인 제어 회로를 설치하는 것은 그 만큼 고비용으로도 이어질 우려가 있다.
또한, 이 특허문헌 2의 기술에서는, 정상 전류(바이어스 전류)의 설정값은 하나뿐이다. 이 때문에, 정지 부상 시나 기동 시의 바이어스 전류도 크게 할 필요가 있고, 이 경우는 발열의 문제가 염려된다. 또한, 반대로 바이어스 전류를 작게 해 버리면 회생 시에 경부하가 되기 때문에, 브레이크 시간이 길어질 것이 추측된다.
본 발명은 이와 같은 종래의 과제를 감안하여 이루어진 것으로, 정상 운전 시에는 고정밀도의 안정적인 제어를 행할 수 있음과 더불어, 외란에 강하고, 또한, 펌프의 정지 시간이 짧으며, 소형화가 도모된 진공 펌프 및 제어 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
이 때문에 본 발명(청구항 1)은 진공 펌프의 발명이며, 전자석에 의하여 공중에 부상 지지되는 회전체와, 상기 회전체의 경방향 혹은 축방향의 위치를 검출하는 위치 센서와, 상기 회전체가 소정의 위치가 되도록 상기 전자석을 여자(勵磁) 제어하는 여자 제어 회로를 구비한 진공 펌프이고, 상기 여자 제어 회로는, 적어도 2종류의 여자 제어 모드를 가지며, 상기 위치 센서로 검출한 위치와 변위 지령값의 차 또는 동작 지령에 따라 여자 제어 모드를 선택하고, 그 선택된 여자 제어 모드에 있는 비율에 의거하여 서서히 또는 순식간에 전환하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명(청구항 2)은 진공 펌프의 발명이며, 전자석에 의하여 공중에 부상 지지되는 회전체와, 상기 회전체의 경방향 혹은 축방향의 위치를 검출하는 위치 센서와 상기 위치 센서로 검출한 위치와 변위 지령값의 차를 연산하는 감산기와, 상기 감산기의 출력을 고강성으로 조정하는 고강성 모드 조정 수단과, 상기 감산기의 출력을 저강성으로 조정하는 저강성 모드 조정 수단과, 상기 저강성 모드 조정 수단의 출력 신호와 상기 고강성 모드 조정 수단의 출력 신호를 합성하는 출력 신호 합성 수단과, 상기 출력 신호 합성 수단으로 합성된 출력 신호를 증폭하는 증폭 수단과, 상기 증폭 수단으로 증폭된 출력 신호에 의거하여 상기 전자석의 권선에 대하여 전류가 흐르게 되고, 상기 고강성 모드 조정 수단으로 조정되는 신호와 상기 저강성 모드 조정 수단으로 조정되는 신호가 제1 비율에 의거하여 조정되는 것을 특징으로 한다.
저강성 모드 조정 수단의 출력 신호와 고강성 모드 조정 수단의 출력 신호를 합성하여 증폭 수단에 입력하도록 했기 때문에, 증폭 수단은 하나면 되고, 이 증폭 수단은 한 종류의 직류 전원에 의하여 구동되는 것이 가능하다. 이 때문에, 장치의 소형화나 전력 절약화로 이어진다. 또한, 고강성 모드 조정 수단으로 조정되는 신호와 저강성 모드 조정 수단으로 조정되는 신호가 제1 비율에 의거하여 소프트웨어로 조정되므로 합성 방법도 간단하다.
또한, 본 발명(청구항 3)은 진공 펌프의 발명이며, 저강성 모드 조정 수단으로 조정되는 신호를 추출하는 신호 추출 수단과, 상기 신호 추출 수단으로 추출된 신호에 의거하여 상기 제1 비율이 설정되는 것을 특징으로 한다.
저강성 모드 조정 수단으로 조정되는 신호를 추출하고, 이 신호에 의거하여 제1 비율을 설정하도록 했으므로, 종래와 같이 전자석 권선을 흐르는 전류의 변화 속도를 실측으로 검출하는 것에 의한 노이즈의 영향이나, 제어 응답의 지연이 생기는 경우는 없다.
또한, 본 발명(청구항 4)은 진공 펌프의 발명이며, 상기 신호 추출 수단으로 추출된 신호의 변화가 미리 정한 소정값 이상인지 여부를 판단하는 신호 변화 판단 수단을 구비하고, 상기 신호 변화 판단 수단으로 상기 신호의 변화가 미리 정한 소정값 이상이라고 판단되었을 때, 상기 저강성 모드 조정 수단에 의한 조정으로부터 상기 고강성 모드 조정 수단에 의한 조정으로 PWM(pulse width modulation) 주파수의 클럭폭의 수배의 시간에 전환되는 것을 특징으로 한다.
신호 추출 수단으로 추출된 신호의 변화가 미리 정한 소정값 이상일 때에 외란이 작용했다고 판단한다. 이 경우에 저강성 모드 조정 수단에 의한 조정으로부터 고강성 모드 조정 수단에 의한 조정으로, PWM(pulse width modulation) 주파수의 클럭폭의 수배의 시간에 순식간에 전환되도록 했다.
이것에 의하여, 외란을 신속하게 억제할 수 있다.
또한, 본 발명(청구항 5)은 진공 펌프의 발명이며, 상기 신호 변화 판단 수단에 있어서의 신호의 변화가 상기 전자석의 권선에 흐르게 되는 전류에 대한 전류 지령값, 그 전류 지령값의 증감값, 또는, 상기 클럭폭 이상의 기간에 있어서의 지시 전류의 변화분의 평균값 중 어느 하나에 의거하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명(청구항 6)은 진공 펌프의 발명이며, 상기 회전체의 브레이크 신호가 입력되었을 때에, 상기 감산기의 출력을 고바이어스로 조정하는 고바이어스 모드 조정 수단을 더 구비하고, 상기 고바이어스 모드 조정 수단으로 조정되는 신호와 상기 출력 신호 합성 수단으로 합성된 출력 신호가 제2 비율에 의거하여 조정되며, 그 조정된 신호가 상기 증폭 수단에 입력되는 것을 특징으로 한다.
고바이어스 모드 조정 수단으로 조정되는 신호와 출력 신호 합성 수단으로 합성된 출력 신호가 제2 비율에 의거하여 조정되고, 이 조정된 신호가 증폭 수단에 입력되도록 했으므로, 증폭 수단은 하나면 되고, 이 증폭 수단은 한 종류의 직류 전원에 의하여 구동되는 것이 가능하다. 이 때문에, 장치의 소형화나 전력 절약화로 이어진다. 또한, 회생 저항도 생략되어 있기 때문에 가일층의 소형화로 이어진다. 제2 비율에 의거하여 고바이어스 모드 조정 수단으로 조정되는 신호를 조정했으므로 브레이크 시간을 짧게 할 수 있다.
또한, 본 발명(청구항 7)은 진공 펌프의 발명이며, 상기 제1 비율과 상기 제2 비율이 시간의 경과와 더불어 0~1의 범위에서 변화되고, 상기 고강성 모드 조정 수단에 의한 조정으로부터 상기 저강성 모드 조정 수단에 의한 조정으로의 전환, 또는, 상기 고강성 모드 조정 수단에 의한 조정, 혹은, 상기 저강성 모드 조정 수단에 의한 조정으로부터 상기 고바이어스 모드 조정 수단에 의한 조정으로의 전환은 수 초에 걸쳐 천천히 행해지는 것을 특징으로 한다.
이와 같이 제1 비율과 제2 비율을 수 초에 걸쳐 천천히 변화시킴으로써, 제어를 안정적으로 행할 수 있다.
또한, 본 발명(청구항 8)은 진공 펌프의 발명이며, 상기 고강성 모드 조정 수단으로 조정되는 신호가 상기 감산기의 출력을 PID 조절된 신호에 대하여 고강성용으로 설정된 정상 전류가 가해져 생성되고, 상기 저강성 모드 조정 수단으로 조정되는 신호가 상기 감산기의 출력을 PID 조절된 신호에 대하여 상기 저강성용으로 설정된 정상 전류가 가해져 생성되며, 상기 고바이어스 모드 조정 수단으로 조정되는 신호가 상기 감산기의 출력을 PID 조절된 신호에 대하여 상기 고바이어스용으로 설정된 정상 전류가 가해져 생성되는 것을 특징으로 한다.
각각의 모드에 적합한 정상 전류를 가함으로써, 안정적인 제어를 행할 수 있다.
또한, 본 발명(청구항 9)은 진공 펌프의 발명이며, 상기 각 정상 전류의 크기의 관계가, 상기 저강성용으로 설정된 정상 전류가 상기 고강성용으로 설정된 정상 전류 이하이고, 또한, 상기 고강성용으로 설정된 정상 전류가 상기 고바이어스용으로 설정된 정상 전류보다 작은 것을 특징으로 한다.
고바이어스용으로 설정된 정상 전류를 크게 설정한 것에 의하여, 전자석 권선의 부하로 브레이크 시의 회생 에너지를 소비할 수 있다.
또한, 본 발명(청구항 10)은 제어 장치의 발명이며, 청구항 2 내지 청구항 9 중 어느 한 항에 기재된 진공 펌프에 기재된 상기 감산기, 상기 고강성 모드 조정 수단, 상기 저강성 모드 조정 수단, 상기 출력 신호 합성 수단, 상기 증폭 수단을 구비한 것을 특징으로 한다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 저강성 모드 조정 수단의 출력 신호와 고강성 모드 조정 수단의 출력 신호를 합성하여 증폭 수단에 입력하도록 구성했기 때문에, 증폭 수단은 하나면 되고, 이 증폭 수단은 한 종류의 직류 전원에 의하여 구동되는 것이 가능하다. 이 때문에, 장치의 소형화나 전력 절약화로 이어진다. 또한, 고강성 모드 조정 수단으로 조정되는 신호와 저강성 모드 조정 수단으로 조정되는 신호가 제1 비율에 의거하여 소프트웨어로 조정되므로 합성 방법도 간단하다.
도 1은 터보 분자 펌프의 구성도이다.
도 2는 본 발명인 제어 시에 있어서의 강성 전환의 블록도이다.
도 3은 본 발명의 강성 전환의 처리를 나타내는 플로차트도이다.
도 4는 저강성 모드와 고강성 모드와 고바이어스 모드 간의 상태 천이도이다.
도 5는 3개의 모드에 있어서의 제어 게인과 정상 전류의 관계이다.
도 6은 전류 지령값의 타임 차트의 예이다.
도 7은 종래의 자기 베어링 제어의 예이다.
이하, 본 발명의 실시 형태에 대하여 설명한다. 도 1에 터보 분자 펌프의 구성도를 나타낸다.
도 1에 있어서, 펌프 본체(100)의 원통형의 외통(127)의 상단에는 흡기구(101)가 형성되어 있다. 외통(127)의 안쪽에는, 가스를 흡인 배기하기 위한 터빈 블레이드에 의한 복수의 회전 날개(102a, 102b, 102c…)를 둘레부에 방사형 또는 다단으로 형성한 회전체(103)를 구비한다.
이 회전체(103)의 중심에는 로터축(113)이 장착되어 있고, 이 로터축(113)은, 예를 들면, 이른바 5축 제어의 자기 베어링에 의하여 공중에 부상 지지되고 또한 위치 제어되어 있다.
상측 경방향 전자석(104)은, 4개의 전자석이, 로터축(113)의 경방향의 좌표축이며 서로 직교하는 X축과 Y축에 쌍을 이루어서 배치되어 있다. 이 상측 경방향 전자석(104)에 근접하고 또한 대응되어 4개의 전자석으로 이루어지는 상측 경방향 센서(107)가 구비되어 있다. 이 상측 경방향 센서(107)는 로터축(113)의 경방향 변위를 검출하여, 제어 장치(200)로 보내도록 구성되어 있다.
제어 장치(200)에 있어서는, 상측 경방향 센서(107)가 검출한 변위 신호에 의거하여, PID 조절 기능을 갖는 보상 회로를 통하여 상측 경방향 전자석(104)의 여자를 제어하고, 로터축(113)의 상측의 경방향 위치를 조정한다. 이 보상 회로를 포함한 제어 루프(여자 제어 회로에 상당한다)에 대해서는 후술한다.
로터축(113)은, 고투자율재(철 등) 등에 의하여 형성되고, 상측 경방향 전자석(104)의 자력에 의하여 흡인되도록 되어 있다. 이러한 조정은, X축 방향과 Y축 방향으로 각각 독립적으로 행해진다.
또한, 하측 경방향 전자석(105) 및 하측 경방향 센서(108)가, 상측 경방향 전자석(104) 및 상측 경방향 센서(107)와 동일하게 배치되고, 로터축(113)의 하측의 경방향 위치를 상측의 경방향 위치와 동일하게 조정하고 있다.
또한, 축방향 전자석(106A, 106B)이, 로터축(113)의 하부에 구비한 원판형의 금속 디스크(111)를 상하로 끼고 배치되어 있다. 금속 디스크(111)는, 철 등의 고투자율재로 구성되어 있다. 로터축(113)의 축방향 변위를 검출하기 위하여 축방향 센서(109)가 구비되고, 그 축방향 변위 신호가 제어 장치(200)로 보내지도록 구성되어 있다.
그리고, 축방향 전자석(106A, 106B)은, 이 축방향 변위 신호에 의거하여 제어 장치(200)의 PID 조절 기능을 갖는 보상 회로를 통하여 여자 제어되도록 되어 있다. 이 보상 회로를 포함한 제어 루프에 대해서도 후술한다. 축방향 전자석(106A)과 축방향 전자석(106B)은, 자력에 의하여 금속 디스크(111)를 각각 상방과 하방으로 흡인한다.
이와 같이, 제어 장치(200)는, 이 축방향 전자석(106A, 106B)이 금속 디스크(111)에 미치는 자력을 적당하게 조절하고, 로터축(113)을 축방향으로 자기 부상시켜, 공간에 비접촉으로 유지하도록 되어 있다.
모터(121)는, 로터축(113)을 둘러싸도록 둘레 형상으로 배치된 복수의 자극을 구비하고 있다. 각 자극은, 로터축(113)과의 사이에 작용하는 전자력을 통하여 로터축(113)을 회전 구동하도록, 제어 장치(200)에 의하여 제어되고 있다.
회전 날개(102a, 102b, 102c…)와 약간의 공극을 두고 복수 장의 고정 날개(123a, 123b, 123c…)가 배치되어 있다. 회전 날개(102a, 102b, 102c…)는, 각각 배기 가스의 분자를 충돌에 의하여 아래 방향으로 이송하기 위하여, 로터축(113)의 축선에 수직인 평면으로부터 소정의 각도만큼 경사져 형성되어 있다.
또한, 고정 날개(123)도, 동일하게 로터축(113)의 축선에 수직인 평면으로부터 소정의 각도만큼 경사져 형성되고, 또한 외통(127)의 안쪽을 향하여 회전 날개(102)의 단과 엇갈리게 배치되어 있다.
그리고, 고정 날개(123)의 일단은, 복수의 단(段) 쌓기된 고정 날개 스페이서(125a, 125b, 125c…)의 사이에 끼워 넣어진 상태로 지지되어 있다.
고정 날개 스페이서(125)는 링형의 부재이며, 예를 들면 알루미늄, 철, 스테인리스, 구리 등의 금속, 또는 이들 금속을 성분으로서 포함하는 합금 등의 금속에 의하여 구성되어 있다.
고정 날개 스페이서(125)의 외주에는, 약간의 공극을 두고 외통(127)이 고정되어 있다. 외통(127)의 바닥부에는 베이스부(129)가 배치되고, 고정 날개 스페이서(125)의 하부와 베이스부(129)의 사이에는 나사를 갖는 스페이서(131)가 배치되어 있다. 그리고, 베이스부(129) 중의 나사를 갖는 스페이서(131)의 하부에는 배기구(133)가 형성되어, 외부에 연통되어 있다.
나사를 갖는 스페이서(131)는, 알루미늄, 구리, 스테인리스, 철, 또는 이들 금속을 성분으로 하는 합금 등의 금속에 의하여 구성된 원통형의 부재이며, 그 내주면에 나선형의 나사 홈(131a)이 복수 줄 새겨져 형성되어 있다.
나사 홈(131a)의 나선의 방향은, 회전체(103)의 회전 방향으로 배기 가스의 분자가 이동했을 때에, 이 분자가 배기구(133) 쪽으로 이송되는 방향이다.
회전체(103)의 회전 날개(102a, 102b, 102c…)에 계속되는 최하부에는 원통부(102d)가 수하(垂下)되어 있다. 이 원통부(102d)의 외주면은, 원통형이고, 또한 나사를 갖는 스페이서(131)의 내주면을 향하여 돌출되어 있으며, 이 나사를 갖는 스페이서(131)의 내주면과 소정의 간극을 두고 근접되어 있다.
베이스부(129)는, 터보 분자 펌프(10)의 기저부를 구성하는 원반형의 부재이며, 일반적으로는 철, 알루미늄, 스테인리스 등의 금속에 의하여 구성되어 있다.
베이스부(129)는 터보 분자 펌프(10)를 물리적으로 유지함과 더불어, 열의 전도로(傳導路)의 기능도 겸비하고 있으므로, 철, 알루미늄이나 구리 등의 강성이 있고, 열전도율도 높은 금속이 사용되는 것이 바람직하다.
이러한 구성에 있어서, 회전 날개(102)가 모터(121)에 의하여 구동되어 로터축(113)과 함께 회전하면, 회전 날개(102)와 고정 날개(123)의 작용에 의하여, 흡기구(101)를 통하여 챔버로부터의 배기 가스가 흡기된다.
흡기구(101)로부터 흡기된 배기 가스는, 회전 날개(102)와 고정 날개(123)의 사이를 통과하여, 베이스부(129)로 이송된다. 이때, 배기 가스가 회전 날개(102)에 접촉 또는 충돌할 때에 생기는 마찰열이나, 모터(121)에서 발생한 열의 전도나 복사 등에 의하여, 회전 날개(102)의 온도는 상승하지만, 이 열은, 복사 또는 배기 가스의 기체 분자 등에 의한 전도에 의하여 고정 날개(123)측에 전달된다.
고정 날개 스페이서(125)는, 외주부에서 서로 접합하고 있고, 고정 날개(123)가 회전 날개(102)로부터 받은 열이나 배기 가스가 고정 날개(123)에 접촉 또는 충돌할 때에 생기는 마찰열 등을 외통(127)이나 나사를 갖는 스페이서(131)에 전달한다.
나사를 갖는 스페이서(131)에 이송되어 온 배기 가스는, 나사 홈(131a)에 안내되면서 배기구(133)로 보내진다.
다음으로, 본 발명인 제어 시에 있어서의 강성(전자석의 여자 제어 모드에 상당한다) 전환 방법에 대하여 설명한다. 도 2에 강성 전환의 블록도를 나타낸다. 또한, 도 7과 동일 요소의 것에 대해서는 동일 부호를 붙이고 설명은 생략한다.
이 강성 전환의 블록도는 수학식 1에 의거하는 제어를 구현화한 것이다. 수학식 1은 큰 외란을 검출하거나 브레이크 상태를 검출함으로써 α, β의 값이 연산되고, 이 값에 의거하여 전류 지령값이 산출되는 것을 의미하고 있다.
(수학식 1)
전류 지령값=(1-β)×(α×저강성 전류 지령값+(1-α)×고강성 전류 지령값)+β×고바이어스 전류 지령값
여기서,
α: 저강성 전류 지령값과 고강성 전류 지령값의 비율
β: 저강성 전류 지령값과 고강성 전류 지령값의 합성 결과와 고바이어스 전류 지령값의 비율에 상당한다.
도 2의 강성 전환 블록도에 있어서, 감산기(1)로 산출된 위치 편차는 3개의 모드의 PID(22, 32, 42)에 각각 입력되도록 되어 있다. PID 22는 고바이어스 모드 조정 수단에 상당하는 고바이어스 모드용 PID 조절기이고, PID 32는 고강성 모드 조정 수단에 상당하는 고강성 모드용 PID 조절기이며, PID 42는 저강성 모드 조정 수단에 상당하는 저강성 모드용 PID 조절기이다. PID 22로 조절된 신호는 가산기(23)에 있어서 후술하는 고바이어스 정상 전류와 가산되고, 가산기(23)로부터 고바이어스 지시 전류로서 출력되도록 되어 있다. 또한, PID 32로 조절된 신호는 가산기(33)에 있어서 후술하는 고강성 정상 전류와 가산되고, 가산기(33)로부터 고강성 지시 전류로서 출력되도록 되어 있다. 또한, PID 42로 조절된 신호는 가산기(43)에 있어서 후술하는 저강성 정상 전류와 가산되어, 가산기(43)보다 저강성 지시 전류로서 출력되도록 되어 있다.
그리고, PID 42의 출력 신호는 PWM(pulse width modulation) 주파수의 클럭별로 지시 전류의 변화분으로서 추출이 되고, 산출부(41)에 있어서 1클럭으로부터 수 클럭의 사이의 지시 전류의 변화분의 평균값(ΔC)이 취해지도록 되어 있다. 여기에서 평균화된 지시 전류의 변화분의 평균값(ΔC)이 미리 설정된 소정값보다 큰지 여부가 전환 제어부(45)로 연산되고, 그 결과에 따라 제1 비율에 상당하는 α값이 0으로부터 1의 범위에서 전환 제어부(45)로부터 출력되도록 되어 있다. 단, 지시 전류의 변화분은 평균화하지 않고 클럭별 값을 그대로 이용하도록 되어도 된다.
또한, 종래의 도 7에 있어서의 제어에서는, 전자석 권선을 흐르는 전류의 변화 속도를 검출함으로써 고전압 모드와, 저전압 모드로 전환 유닛(4)에 있어서 전환 제어를 행하고 있었지만, 본 발명에서는 지시 전류의 변화분의 평균값(ΔC)을 소프트웨어로 검출하도록 했으므로, 노이즈에 의한 영향이나 위상의 지연이 없다. 이 때문에, 신속한 응답으로 전환할 수 있다.
전환 제어부(45)로 연산된 α값을 바탕으로, 승산기(34)에서는 고강성 지시 전류에 대하여 (1-α)배가 곱해져 있다. 또한, 승산기(44)에서는 저강성 지시 전류에 대하여 α배가 곱해져 있다.
승산기(34)의 출력 신호와 승산기(44)의 출력 신호는 출력 신호 합성 수단에 상당하는 가산기(35)로 가산되도록 되어 있다.
한편, 도시하지 않은 감시 장치(SuperVisor)로부터 브레이크 지시가 내보내진 경우에는 전환 제어부(46)로 제2 비율에 상당하는 β값이 연산되어 0으로부터 1의 범위에서 출력되도록 되어 있다.
이 전환 제어부(46)로 연산된 β값은 승산기(26)에 있어서 고바이어스 지시 전류에 대하여 β배로 곱해져 있다. 또한, 승산기(36)에 있어서 가산기(35)의 출력 신호에 대하여 (1-β)배로 곱해져 있다. 그리고, 승산기(26)의 출력 신호와 승산기(36)의 출력 신호가 가산기(27)로 가산되도록 되어 있다. 가산기(27)의 출력이 수학식 1의 전류 지령값에 상당한다. 이 가산기(27)로 가산된 신호는 증폭 수단에 상당하는 앰프 회로(29)에 입력되도록 되어 있다. 이 앰프 회로(29)는 한 종류의 직류 전원에 의하여 구동되고 있다.
도 3에 본 발명의 강성 전환의 처리를 플로차트에 나타낸다. 또한, 도 4에 저강성 모드와 고강성 모드와 고바이어스 모드 간의 상태 천이도를 나타낸다.
도 3의 단계 1(도면 중 S1로 나타낸다. 이하 동일)에서 본 처리가 시스템의 전원 투입에 의하여 시작된다. 이 전원 투입 직후에는, 도 4의 상태 천이도에 나타내는 바와 같이 고강성 모드(2: High bias)로 이행한다(도 4 중 부호 0의 천이).
이 정지 부상 직후는 고강성 모드(2: High rigid)로, 외란이 없으면 이 고강성 모드로부터 저강성 모드(1: Low rigid)로 회전체를 정상적인 부상 위치에 안정적으로 지지하기 위하여 수 초 내에 서서히 상태 천이한다(도 4 중 부호 2a의 천이). 일례로서 수 초란 1~10초로 설정한다(이하, 동일). 이때, β를 0으로 하고 α를 0으로부터 1로 서서히 전환한다.
도 3의 단계 1에서의 시작 시에 있어서의 동작이 완료되면, 단계 2로 진행되고, 지시 전류의 변화분의 평균값(ΔC)이 PWM 주파수의 클럭별로 검출된다. 단계 3에서는 브레이크 지시가 있는지 여부가 판단되고, 브레이크 지시가 없는 경우에는 단계 4로 진행되어 지시 전류의 변화분의 평균값(ΔC)의 크기가 미리 설정된 소정값(CS) 이상인지 여부가 전환 제어부(45)에서 판단된다. 그리고, 지시 전류의 변화분의 평균값(ΔC)의 크기가 미리 설정된 소정값(CS) 이상이었던 경우에는 외란이 있었다고 판단되고, 단계 5로 진행되어 지금의 상태가 저강성 모드인지 여부가 판단된다.
지금의 상태가 저강성 모드일 때에는 단계 6으로 진행되어 고강성 모드로 즉시 전환된다(도 4 중 부호 1a의 천이). 이때, β는 0인 채로 α를 1로부터 0으로 즉시 전환한다. 이때의 전환 시간에 대해서는 후술한다. 한편, 단계 5에서, 지금의 상태가 저강성 모드가 아닐 때에는 지금의 상태를 유지하고, 단계 2로 되돌아가 지시 전류의 변화분의 평균값(ΔC)의 크기가 검출된다.
단계 4에서 지시 전류의 변화분의 평균값(ΔC)의 크기가 미리 설정된 소정값(CS) 미만이었던 경우에는 단계 7로 진행되어 지금의 상태가 고강성 모드인지 여부가 판단된다. 지시 전류의 변화분의 평균값(ΔC)의 크기가 미리 설정된 소정값(CS) 미만인 경우는, 외란이 없고, 안정적인 운전이 가능한 상태이다. 따라서, 지금의 상태가 고강성 모드일 때에는 단계 8로 진행되어 저강성 모드에 수 초에 걸쳐 서서히 전환된다(도 4 중 부호 2a의 천이). 이때, β는 0인 채로 α를 0으로부터 1로 서서히 전환한다.
한편, 단계 7에서 지금의 상태가 고강성 모드가 아닐 때에는 지금의 상태를 유지하고, 단계 2로 되돌아가 지시 전류의 변화분의 평균값(ΔC)의 크기가 검출된다.
또한, 단계 3에서 브레이크 지시가 있었을 때에는, 단계 9로 진행되어 고바이어스 모드로의 전환이 행해진다. 저강성 모드로 동작 중에 브레이크 지시가 있었을 때에는 고바이어스 모드로 수 초에 걸쳐 서서히 전환된다(도 4 중 부호 1b의 천이). 이때, β를 0으로부터 1로 서서히 전환한다.
또한, 고강성 모드로 동작 중에 브레이크 지시가 있었을 때에는 고바이어스 모드로 수 초에 걸쳐 서서히 전환된다(도 4 중 부호 2b의 천이). 이때, β를 0으로부터 1로 서서히 전환한다.
일단 고바이어스 모드가 되면, 브레이크 지시가 없어지더라도 이 고바이어스 모드로부터 갑자기 저강성 모드로는 진행될 수 없다. 고바이어스 모드로부터 일단 고강성 모드를 거치고 나서 저강성 모드로 천이를 이동시킬 필요가 있다(도 4 중 부호 3b와 부호 2a의 천이). 고바이어스 모드로부터 고강성 모드로 천이시킬 때에는, α를 0으로 하고, β를 1로부터 0으로 서서히 전환한다. 이와 같이 처리하고 있는 것은, 고바이어스 모드로부터 갑자기 저강성 모드로 하면 외란이 들어갔을 때에 수속하지 않게 될 우려가 있기 때문이다.
또한, β=0일 때는 고바이어스 모드가 아닐 때에 상당하고, 수학식 1은 수학식 2와 같이 간결해져, 전류 지령값은 저강성 전류 지령값과 고강성 전류 지령값이 소정의 비율로 작용하게 된다.
(수학식 2)
전류 지령값=α×저강성 전류 지령값+(1-α)×고강성 전류 지령값
또한, 0<β≤1일 때는 고바이어스 모드로 이행 중이고, β=1이 되었을 때, 수학식 1은 수학식 3과 같이 간결해지며, 전류 지령값은 고바이어스 전류 지령값만이 작용하게 된다.
(수학식 3)
전류 지령값=고바이어스 전류 지령값
다음으로, 고바이어스 모드, 고강성 모드, 저강성 모드의 각각의 모드에 있어서의 제어 게인과 정상 전류의 관계에 대하여 설명한다. 도 5에 이들 3개의 모드에 있어서의 제어 게인과 정상 전류의 관계를 나타낸다.
저강성 모드는, 제어 게인을 작게, 정상 전류를 작게 한 제어를 행함으로써 저진동 시의 제어에 적합한 모드이다. 고강성 모드는, 제어 게인을 크게 하고, 외란에 대한 응답을 양호하게 하기 위한 모드이다. 또한, 고바이어스 모드는, 경방향 전자석(104, 105)이나 축방향 전자석(106)의 전자석 권선의 부하로 브레이크 시의 회생 에너지를 소비하는 모드이다.
여기에서, 제어 게인의 크기의 관계는 수학식 4와 같다.
(수학식 4)
LRM<HBM≤HRM
도 5를 보고 알 수 있는 바와 같이, 고강성 모드의 제어 게인 쪽을 고바이어스 모드의 제어 게인보다 높게 설정하고 있지만, 이것은, 고바이어스 모드에서의 정상 전류와 제어 게인을 모두 크게 하면 발진(發振)하여 제어가 불안정하게 될 우려가 있기 때문이다.
또한, 정상 전류의 크기의 관계는 수학식 5와 같다.
(수학식 5)
LRM≤HRM<HBM
정상 전류와 제어 게인이 작을수록 저진동의 펌프이지만, 베어링 강성이 약해지기 때문에, 큰 외란 시에 불안정해진다. 일례로서 고바이어스 정상 전류는 0.85A, 고강성 정상 전류는 0.5A, 저강성 정상 전류는 0.4A 정도로 설정한다.
이상의 조건으로 가산기(27)의 출력인 전류 지령값의 타임 차트의 예를 도 6에 나타낸다.
도 6에 있어서, 먼저 저강성 모드로 운전 중에 시각 t1에서 외란이 들어갔다고 한다. 이때, 저강성 모드로부터 고강성 모드로 수십 kHz의 PWM 주파수의 클럭폭의 수배 정도의 시간에 순식간에 전환한다. 여기에서 수배란 1~10배가 바람직하다. 이 전환은 β가 0으로 유지된 채로, α를 1로부터 0으로 신속하게 변화시킴으로써, 예를 들면 도 6 중의 시각 t1로부터 t2 사이와 같이 일차 직선적으로 변화를 시킨다. 이 경우의 일차 직선적인 변화는, 예를 들면, 클럭별로 α를 100%로부터 0%에 이르기까지 20%씩 작게 해 간다고 하는 바와 같이 제어하는 것이 바람직하다. 이와 같이 신속하게 변화시키는 것은, 외란 등에 대한 지지 강성 확보를 위해서이다.
이 전환이 느리면 수속성이 나빠져 로터축(113)이 베어링에 대하여 접촉하여 따라 회전하거나 한다. 이 때문에, 불안정해지지 않을 최단 시간에 전환이 행해지는 것이 바람직하다.
그리고, 시각 t2로부터 t3 사이에서 고강성 모드를 계속하여 외란을 억제한다. 이때, β가 0, α가 0이고 고강성 모드를 유지한다. 외란이 수속되면, 시각 t3에 있어서 다시 저강성 모드로 시각 t3으로부터 시각 t4에 걸쳐 서서히 전환한다. 이 전환은 β을 0으로 하고, α를 0으로부터 1로 서서히 수 초 정도에 걸쳐 변화시킴으로써, 예를 들면 시각 t3으로부터 t4 사이와 같이 일차 직선적으로 변화를 시킨다. 이 경우의 일차 직선적인 변화는, 예를 들면, 클럭별로 α를 0%로부터 100%까지 0.1%씩 크게 해 나간다고 하는 것과 같이 제어하는 것이 바람직하다. 수 초에 걸쳐 서서히 변화시키는 것은 제어의 안정성을 도모하기 위해서이다.
또한, 시각 t3으로부터 t4 사이의 도중에 외란이 들어간 경우에는, 시각 t1로부터 t2 사이와 동일하게 순식간에 고강성 모드로 전환된다. 시각 t4로부터는 β가 0, α가 1이며 저강성 모드가 유지되어, 안정적인 제어가 행해진다.
이와 같이, 큰 외란 시에는 안정적인 수속이 가능하고, 또한 안정 시에는 저진동인 펌프를 실현 가능하다. 그 후, 시각 t5에 있어서 브레이크 신호를 받은 경우에는 고바이어스 모드가 되고, β를 0으로부터 1로 수 초에 걸쳐 서서히 변화시킴으로써, 예를 들면 시각 t5로부터 t6 사이와 같이 일차 직선적으로 변화를 시킨다. 수 초에 걸쳐 서서히 변화시키는 것은 제어의 안정성을 도모하기 위해서이다.
또한, 이상의 제어는 경방향의 제어와 축방향의 제어 모두에 동일하게 적용 가능하다. 따라서, 5축 제어의 자기 베어링에 있어서, 큰 외란이 가해지거나, 브레이크 지시를 받은 경우여도 저강성 모드와 고강성 모드와 고바이어스 모드의 α, β의 각각의 설정 비율을 변화시킴으로써 PID의 비율을 변화시켜 각 운전 상황에 맞추어 항상 안정적인 제어가 가능해진다.
도 7로부터 알 수 있는 바와 같이, 종래에는 저전압용 앰프 회로(15)와 고전압용 앰프 회로(5)의 2계통의 회로로 구성되어 있었지만, 본 발명에서는 1계통의 전원과 앰프 회로(29)만으로 구성 가능하다. 그리고, 저강성 모드와 고강성 모드와 고바이어스 모드를 운전 상황에 따라 각각의 전류 지령값의 비율을 시계열로 변화시키면서 합성함으로써, 소프트웨어에 의하여 간결한 제어를 실현했으므로 기판을 작게 할 수 있다.
즉, 본 발명의 제어에서는, 저강성 모드와 고강성 모드와 고바이어스 모드의 파라미터를 전환하는 경우, 제어의 연속성을 고려하여, 각 천이 모드에서 변화율을 최적으로 변화시키고 있다. 예를 들면, 고강성으로부터 저강성으로 변화할 때는 2개의 파라미터를 순식간에 스위치하지 않고, 고강성과 저강성의 전류 지령값에 각각 변화율을 곱한 것을 모두 더한다. 그 변화율을 제어 주기별로 서서히 바꾸어 감으로써 저강성 모드로 천이시키고 있다. 이와 같이, 제어 방식을 바꿀 필요가 있는 경우여도, 변화율을 서서히 바꿈으로써 제어가 불안정해지기 어렵게 하고 있다. 또한, 각 천이 모드에서 변화율을 최적으로 변화시키고 있으므로, 소비 전력이나 발열을 억제하는 것이 가능하다.
또한, 본 발명의 제어에서는 회생용 브레이크 저항을 배치하지 않아도 고바이어스 모드에서 서서히 고바이어스 정상 전류를 흐르게 하여 자기 베어링측에 회생시켜 소비시킬 수 있으므로, 브레이크 시간을 단축할 수 있다.
또 본 발명은 강성 전환 이외에도 사용할 수 있다. 예를 들면, 완전히 상이한 제어를 조합한 경우에 있어서도 설정 비율을 변화시킴으로써, 안정적인 제어 전환을 실현하는 것이 가능하다.
또한, 본 발명은, 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 한 다양한 개변을 이룰 수 있고, 그리고, 본 발명이 당해 개변된 것에도 미치는 것은 당연하다.
1 감산기
22, 32, 42 PID 조절기
23, 27, 33, 35, 43 가산기
26, 34, 36, 44 승산기
29 앰프 회로
41 산출부
45, 46 전환 제어부
100 펌프 본체
103 회전체
104 상측 경방향 전자석
105 하측 경방향 전자석
106 축방향 전자석
107 상측 경방향 센서
108 하측 경방향 센서
109 축방향 센서
113 로터축
200 제어 장치

Claims (10)

  1. 전자석에 의하여 공중에 부상 지지되는 회전체와,
    상기 회전체의 경방향 혹은 축방향의 위치를 검출하는 위치 센서와,
    상기 회전체가 소정의 위치가 되도록 상기 전자석을 여자(勵磁) 제어하는 여자 제어 회로를 구비한 진공 펌프로서,
    상기 여자 제어 회로는, 적어도 2종류의 여자 제어 모드를 갖고, 상기 위치 센서로 검출한 위치와 변위 지령값의 차 또는 동작 지령에 따라 여자 제어 모드를 선택하며, 그 선택된 여자 제어 모드에 있는 비율에 의거하여 서서히 또는 순식간에 전환하는 것을 특징으로 하는 진공 펌프.
  2. 전자석에 의하여 공중에 부상 지지되는 회전체와,
    상기 회전체의 경방향 혹은 축방향의 위치를 검출하는 위치 센서와,
    상기 위치 센서로 검출한 위치와 변위 지령값의 차를 연산하는 감산기와,
    상기 감산기의 출력을 고강성으로 조정하는 고강성 모드 조정 수단과,
    상기 감산기의 출력을 저강성으로 조정하는 저강성 모드 조정 수단과,
    상기 저강성 모드 조정 수단의 출력 신호와 상기 고강성 모드 조정 수단의 출력 신호를 합성하는 출력 신호 합성 수단과,
    상기 출력 신호 합성 수단으로 합성된 출력 신호를 증폭하는 증폭 수단과,
    상기 증폭 수단으로 증폭된 출력 신호에 의거하여 상기 전자석의 권선에 대하여 전류가 흐르게 되고,
    상기 고강성 모드 조정 수단으로 조정되는 신호와 상기 저강성 모드 조정 수단으로 조정되는 신호가 제1 비율에 의거하여 조정되는 것을 특징으로 하는 진공 펌프.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 저강성 모드 조정 수단으로 조정되는 신호를 추출하는 신호 추출 수단과,
    상기 신호 추출 수단으로 추출된 신호에 의거하여 상기 제1 비율이 설정되는 것을 특징으로 하는 진공 펌프.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 신호 추출 수단으로 추출된 신호의 변화가 미리 정한 소정값 이상인지 여부를 판단하는 신호 변화 판단 수단을 구비하고,
    상기 신호 변화 판단 수단으로 상기 신호의 변화가 미리 정한 소정값 이상이라고 판단되었을 때, 상기 저강성 모드 조정 수단에 의한 조정으로부터 상기 고강성 모드 조정 수단에 의한 조정으로 PWM(pulse width modulation) 주파수의 클럭폭의 수배의 시간에 전환되는 것을 특징으로 하는 진공 펌프.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 신호 변화 판단 수단에 있어서의 신호의 변화가 상기 전자석의 권선에 흐르게 되는 전류에 대한 전류 지령값, 그 전류 지령값의 증감값, 또는, 상기 클럭폭 이상의 기간에 있어서의 지시 전류의 변화분의 평균값 중 어느 하나에 의거하는 것을 특징으로 하는 진공 펌프.
  6. 청구항 2 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 회전체의 브레이크 신호가 입력되었을 때에, 상기 감산기의 출력을 고바이어스로 조정하는 고바이어스 모드 조정 수단을 더 구비하고,
    상기 고바이어스 모드 조정 수단으로 조정되는 신호와 상기 출력 신호 합성 수단으로 합성된 출력 신호가 제2 비율에 의거하여 조정되며, 그 조정된 신호가 상기 증폭 수단에 입력되는 것을 특징으로 하는 진공 펌프.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 제1 비율과 상기 제2 비율이 시간의 경과와 더불어 0~1의 범위에서 변화되고,
    상기 고강성 모드 조정 수단에 의한 조정으로부터 상기 저강성 모드 조정 수단에 의한 조정으로의 전환, 또는, 상기 고강성 모드 조정 수단에 의한 조정, 혹은, 상기 저강성 모드 조정 수단에 의한 조정으로부터 상기 고바이어스 모드 조정 수단에 의한 조정으로의 전환은 수 초에 걸쳐 천천히 행해지는 것을 특징으로 하는 진공 펌프.
  8. 청구항 6 또는 청구항 7에 있어서,
    상기 고강성 모드 조정 수단으로 조정되는 신호가 상기 감산기의 출력을 PID 조절된 신호에 대하여 고강성용으로 설정된 정상 전류가 가해져 생성되고,
    상기 저강성 모드 조정 수단으로 조정되는 신호가 상기 감산기의 출력을 PID 조절된 신호에 대하여 저강성용으로 설정된 정상 전류가 가해져 생성되며,
    상기 고바이어스 모드 조정 수단으로 조정되는 신호가 상기 감산기의 출력을 PID 조절된 신호에 대하여 상기 고바이어스용으로 설정된 정상 전류가 가해져 생성되는 것을 특징으로 하는 진공 펌프.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 각 정상 전류의 크기의 관계가, 상기 저강성용으로 설정된 정상 전류가 상기 고강성용으로 설정된 정상 전류 이하이고, 또한, 상기 고강성용으로 설정된 정상 전류가 상기 고바이어스용으로 설정된 정상 전류보다 작은 것을 특징으로 하는 진공 펌프.
  10. 청구항 2 내지 청구항 9 중 어느 한 항에 기재된 진공 펌프에 기재된 상기 감산기, 상기 고강성 모드 조정 수단, 상기 저강성 모드 조정 수단, 상기 출력 신호 합성 수단, 상기 증폭 수단을 구비한 것을 특징으로 하는 제어 장치.
KR1020207002922A 2017-08-31 2018-08-24 진공 펌프 및 제어 장치 Active KR102589086B1 (ko)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JPJP-P-2017-167896 2017-08-31
JP2017167896A JP7148230B2 (ja) 2017-08-31 2017-08-31 真空ポンプ及び制御装置
PCT/JP2018/031269 WO2019044674A1 (ja) 2017-08-31 2018-08-24 真空ポンプ及び制御装置

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20200047523A true KR20200047523A (ko) 2020-05-07
KR102589086B1 KR102589086B1 (ko) 2023-10-13

Family

ID=65525533

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020207002922A Active KR102589086B1 (ko) 2017-08-31 2018-08-24 진공 펌프 및 제어 장치

Country Status (6)

Country Link
US (1) US11680572B2 (ko)
EP (1) EP3677785B1 (ko)
JP (1) JP7148230B2 (ko)
KR (1) KR102589086B1 (ko)
CN (1) CN110914551B (ko)
WO (1) WO2019044674A1 (ko)

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP7148230B2 (ja) * 2017-08-31 2022-10-05 エドワーズ株式会社 真空ポンプ及び制御装置
CN111473049B (zh) * 2020-04-17 2021-08-20 河海大学 一种实心定子磁悬浮励磁电流的控制方法
CN112196896B (zh) * 2020-10-10 2021-11-19 珠海格力电器股份有限公司 一种磁悬浮控制方法、系统、控制器及存储介质
JP7543972B2 (ja) * 2021-04-23 2024-09-03 株式会社島津製作所 真空ポンプおよび真空ポンプの制御方法
JP2025136764A (ja) * 2024-03-08 2025-09-19 エドワーズ株式会社 磁気軸受装置、ターボ分子ポンプおよび磁気軸受部の制御方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004270778A (ja) * 2003-03-07 2004-09-30 Shimadzu Corp 磁気軸受装置
JP2004286045A (ja) 2003-03-19 2004-10-14 Boc Edwards Kk 磁気軸受装置及び該磁気軸受装置を搭載したポンプ装置
JP2013130180A (ja) * 2011-12-22 2013-07-04 Shimadzu Corp 真空ポンプ
JP2014110653A (ja) 2012-11-30 2014-06-12 Edwards Kk 電磁回転装置及び該電磁回転装置を備えた真空ポンプ

Family Cites Families (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS60245443A (ja) * 1984-05-18 1985-12-05 Ntn Toyo Bearing Co Ltd 制御式ラジアル磁気軸受装置
JPH01116318A (ja) * 1987-10-28 1989-05-09 Natl Aerospace Lab 能動形磁気軸受
US5696412A (en) * 1993-10-20 1997-12-09 Iannello; Victor Sensor-less position detector for an active magnetic bearing
JP3114089B2 (ja) * 1996-07-18 2000-12-04 セイコー精機株式会社 磁気軸受装置
JP3793856B2 (ja) * 1996-08-01 2006-07-05 株式会社ジェイテクト 磁気軸受装置
JP4110305B2 (ja) * 1998-09-02 2008-07-02 株式会社ジェイテクト 磁気軸受装置
JP4036567B2 (ja) * 1999-01-27 2008-01-23 株式会社荏原製作所 制御形磁気軸受装置
JP4927000B2 (ja) * 2000-09-18 2012-05-09 エドワーズ株式会社 センサレスブラシレスモータの制御回路、センサレスブラシレスモータ装置、及び真空ポンプ装置
FR2829200B1 (fr) 2001-09-06 2004-12-31 Mecanique Magnetique Sa Dispositif et procede de compensation automatique de perturbations synchrones
JP4287213B2 (ja) * 2002-09-03 2009-07-01 エドワーズ株式会社 振動抑制機能を有する磁気軸受装置、振動推定機能を有する磁気軸受装置及び該磁気軸受装置を搭載したポンプ装置
US20050174087A1 (en) * 2004-02-10 2005-08-11 Koyo Seiko Co., Ltd. Control magnetic bearing device
JP2004132441A (ja) * 2002-10-09 2004-04-30 Ntn Corp 磁気軸受装置、それを用いたエキシマレーザ用貫流ファン装置、磁気軸受のフィードバック制御をコンピュータに実行させるためのプログラム、および磁気軸受のフィードバック制御をコンピュータに実行させるためのプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体
JP4558367B2 (ja) * 2004-03-31 2010-10-06 エドワーズ株式会社 真空ポンプ及びその制御方法
JP6144527B2 (ja) * 2013-04-16 2017-06-07 エドワーズ株式会社 磁気軸受装置、及び該磁気軸受装置を備えた真空ポンプ
JP6321949B2 (ja) * 2013-11-29 2018-05-09 エドワーズ株式会社 磁気軸受装置、及び真空ポンプ
JP6613793B2 (ja) * 2015-10-16 2019-12-04 株式会社島津製作所 磁気軸受装置およびロータ回転駆動装置
JP7148230B2 (ja) * 2017-08-31 2022-10-05 エドワーズ株式会社 真空ポンプ及び制御装置

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004270778A (ja) * 2003-03-07 2004-09-30 Shimadzu Corp 磁気軸受装置
JP2004286045A (ja) 2003-03-19 2004-10-14 Boc Edwards Kk 磁気軸受装置及び該磁気軸受装置を搭載したポンプ装置
JP2013130180A (ja) * 2011-12-22 2013-07-04 Shimadzu Corp 真空ポンプ
JP2014110653A (ja) 2012-11-30 2014-06-12 Edwards Kk 電磁回転装置及び該電磁回転装置を備えた真空ポンプ

Also Published As

Publication number Publication date
US11680572B2 (en) 2023-06-20
JP2019044681A (ja) 2019-03-22
CN110914551B (zh) 2022-09-20
EP3677785A1 (en) 2020-07-08
CN110914551A (zh) 2020-03-24
EP3677785A4 (en) 2021-05-26
JP7148230B2 (ja) 2022-10-05
WO2019044674A1 (ja) 2019-03-07
US20210018005A1 (en) 2021-01-21
EP3677785B1 (en) 2024-09-11
KR102589086B1 (ko) 2023-10-13

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR20200047523A (ko) 진공 펌프 및 제어 장치
KR101050336B1 (ko) 자기 베어링 장치 및 이 자기 베어링 장치를 탑재한 펌프장치
JP5606315B2 (ja) 磁気軸受装置及び該磁気軸受装置を搭載した真空ポンプ
JP6077286B2 (ja) 電磁回転装置及び該電磁回転装置を備えた真空ポンプ
KR20120054564A (ko) 진공 펌프
KR20040082954A (ko) 자기 베어링 장치 및 이 자기 베어링 장치를 탑재한 터보분자 펌프
CN100446416C (zh) 磁轴承装置和搭载有该磁轴承装置的涡轮分子泵
JP2005083316A (ja) モータ制御システム及び該モータ制御システムを搭載した真空ポンプ
KR20060044556A (ko) 자기베어링장치 및 이 자기베어링장치를 탑재한터보분자펌프
JP6015000B2 (ja) 真空ポンプ
KR20240052741A (ko) 자기 베어링 장치 및 진공 펌프
JP7214805B1 (ja) 磁気軸受装置及び真空ポンプ
JP2005094852A (ja) モータ制御システム及び該モータ制御システムを搭載した真空ポンプ
JP4376645B2 (ja) 磁気軸受装置及び該磁気軸受装置を搭載したターボ分子ポンプ
JP6937671B2 (ja) 磁気軸受制御装置及び真空ポンプ
JP2006112490A (ja) 磁気軸受装置
JP2006071069A (ja) 磁気軸受装置及び該磁気軸受装置が搭載されたターボ分子ポンプ

Legal Events

Date Code Title Description
PA0105 International application

Patent event date: 20200130

Patent event code: PA01051R01D

Comment text: International Patent Application

PG1501 Laying open of application
PA0201 Request for examination

Patent event code: PA02012R01D

Patent event date: 20210722

Comment text: Request for Examination of Application

E902 Notification of reason for refusal
PE0902 Notice of grounds for rejection

Comment text: Notification of reason for refusal

Patent event date: 20230207

Patent event code: PE09021S01D

E701 Decision to grant or registration of patent right
PE0701 Decision of registration

Patent event code: PE07011S01D

Comment text: Decision to Grant Registration

Patent event date: 20230818

GRNT Written decision to grant
PR0701 Registration of establishment

Comment text: Registration of Establishment

Patent event date: 20231010

Patent event code: PR07011E01D

PR1002 Payment of registration fee

Payment date: 20231011

End annual number: 3

Start annual number: 1

PG1601 Publication of registration