CN100439707C

CN100439707C - 一种泵***

Info

Publication number: CN100439707C
Application number: CNB2005800035832A
Authority: CN
Inventors: L·M·菲利普; A·J·维尔德
Original assignee: BOC Group Ltd
Current assignee: BOC Group Ltd
Priority date: 2004-02-03
Filing date: 2005-01-27
Publication date: 2008-12-03
Anticipated expiration: 2025-01-27
Also published as: ATE412117T1; TWI408280B; CN1914420A; EP1718868A1; DE602005010553D1; GB0402330D0; KR20060130163A; KR101143064B1; US20080038118A1; US7999502B2; WO2005075827A1; EP1718868B1; JP2007525613A; JP5114059B2; TW200532112A

Abstract

本发明提供了一种泵***(6)，包括：泵机构(64)；驱动泵机构的马达(51)；控制所述马达的驱动控制器(50)；和机构(52)，可监控***的至少一个状态；其中为了改进***的性能，驱动控制器使***在过载条件下操作短暂时间，过载可导致监控的状态超过预定的操作限度，当在所述过载条件下操作时，所述驱动控制器根据监控状态的水平控制马达的能量，避免了状态超过所述操作限度。

Description

一种泵***

技术领域

本发明涉及一种泵***或泵，其包括：泵机构，驱动泵机构的马达，和控制马达的驱动控制器。

背景技术

泵***，具体是包括真空泵机构的***，广泛用于半导体加工***。典型的泵***60在图7显示。加工半导体晶片在真空下进行，或在腔62中进行。加工期间加工腔中生产气体的压力通过真空泵或泵机构64保持在较低的加工压力。压力一般保持在加工压力相当长的时间，允许周期性地恢复到大气压力，例如进行设备的修理和维护时。未加工的晶片引入加工腔，加工后的晶片通过负荷锁定腔(loadlock chamber)从加工腔中取出。负荷锁定腔的压力通过真空泵来控制，使得当负荷锁定腔处于大气压力下，晶片可传递到半导体加工***和从半导体加工***取出。当负荷锁定腔已经抽空到加工压力时，晶片可在负荷锁定腔和加工腔或多个腔之间传递。当选择真空泵用于半导体加工***的腔时，必须确定泵所要求的能量。选择驱动控制器50，包括可变速度驱动器，具有适当的能量要求，以控制泵的马达51。一般地，驱动器和泵的能量要求是相同的。

因此，要求真空泵能够(a)降低腔中压力到加工压力和(b)可保持腔中的加工压力。当真空泵保持腔中加工压力时，要防止大气压力从泵的下游进入腔中。这样称为极限操作。极限操作对泵功率有较少要求。泵操作将腔从大气压抽到加工压力(抽气)要求较多的功率。一般要选择真空泵以及驱动器的功率容量满足抽气的要求，即使抽气可能只占到真空泵的有效寿命的，例如，2到3％。泵的驱动器的价格和尺寸随功率要求增加而增加，即使增加的功率只在操作的很小部分使用。

参考图1，显示了现有技术的驱动控制器，其包括变速驱动器50，用于控制输送到马达51的功率。驱动器50包括第一模块52，用于监控马达的热负荷(MTL)。如现有技术已知的，马达电流(I_motor)输入到第一模块，其估计马达的热负荷。I_rated是额定电流，在额定电流下马达操作不会过热。第一模块计算出I_rated除I_motor后的平方，用作一阶低通滤波器52(具有时间常数τ和拉普拉斯算子s)计算马达的热负荷。可使用作为输入电流平方的函数的一阶***以及温度得到马达的热模型。

模块52的一阶低通滤波器是数字式的，也可选择将马达温度用模拟方式模型化。高阶滤波器可得到更高的精度。

第二模块54包括电流控制模块56，用于传递电能到马达51，如表示电能到马达的箭头所示。可通过控制提供到马达的电流来控制电能，并可通过调节马达电压的频率和/或幅度来控制。程序化的内部驱动电流限度58输出驱动电流限度到控制模块56，用于限制传递到马达的电能。比较器57比较马达热负荷MTL和预定的马达热负荷，预定马达热负荷保持在预先设定的跳闸值存储器60。如果确定马达热负荷超过预定的跳闸值，跳闸指令传输到控制模块56，切断供应给马达的能量。跳闸涉及到马达能量突然和即刻减少到零，其目的是保护马达不受损害。

一般地，马达和驱动器可在100％额定功率下长时间操作。但是也可能短时间过载，如达到额定功率的200％(或更多)。

图2显示了变速驱动器50的电流(I_motor)相对时间的图表。虚线62表示马达热负荷超过预先设定值的时间和跳闸的时间。虚线根据电流和马达热负荷之间的关系绘制。马达的额定功率是马达在此功率下长时间工作不会发生过热和不会发生跳闸。在额定功率，额定电压和额定频率下工作的马达可画出额定电流I_rated，涉及到图1的各机构。

图2显示了额定电流I_rated(如100％)，其是可长时间维持马达不会过热的电流。从图2可看到，当驱动控制器50在电流为200％的过载条件下操作时，马达在时间t_trip(200％)发生跳闸。在电流为X％的过载条件下工作导致马达在时间t_trip(X％)发生跳闸。应当理解，发生跳闸的时间取决于过载电流量(即电流超过额定电流的范围)。

因此，可以在过载条件下操作马达以减少半导体加工***真空泵的抽气时间。但是这样带来的问题是如果过载保持时间过长或过高驱动器会跳闸。这是缺点，因为如果马达停止动作，半导体加工晶片可能损坏。

本发明寻求在过载条件下通过短时间精确地操作***，改进泵***的性能，且没有跳闸的可能性。

发明内容

在第一方面，本发明提供了一种泵***，包括：泵机构；驱动泵机构的马达；控制所述马达的驱动控制器；和机构，可监控***的至少一个状态；其中为了改进***的性能，所述驱动控制器使***在过载条件下短时间操作，所述过载可导致所述监控的状态超过预定的操作限度，当在过载条件下操作时，所述驱动控制器根据所述监控的状态的水平控制马达的能量，避免了所述状态超过所述操作限度。这种泵机构可以是真空泵机构。

性能的改进最好通过所述驱动控制器增加提供给马达的能量到一定水平，所示能量水平可导致所述监控状态超过预定的操作限度。驱动控制器最好使得***在马达载荷要求增加供给马达能量的过载条件下工作。

驱动控制器最好不限制能量，除非所述状态超过了预定下限。超过所述预定下限时，所述驱动控制器可根据所述监控的状态逐渐减少或增加能量。

驱动控制器最好包括增益电路，其设置成：增益为1时不限制马达能量，增益为0时限制马达的能量为0，增益在1和0之间时，所述增益电路根据与所述状态的预定关系控制增益。

在优选实施例中，驱动控制器通过调节供给马达的电压频率和/或电压幅度，限制提供给马达的电流，来控制马达的能量。驱动控制器包括可编程的机构，可设定马达的最大允许电流，从而设定***过载的范围。

所述状态可以是***内的温度。所述状态是计算出的马达或驱动器或泵***任何部分的热负荷。在这种情况下，驱动控制器根据下面公式估计马达热负荷：

{(\frac{I_{Motor}}{I_{rated}})}^{2} \times \frac{1}{1 + sτ}

其中，I_motor是马达的电流；I_rated是额定电流，超过额定电流马达在过载状态下操作；τ是时间常数，和s是拉普拉斯算子。

或者，所述监控的***状态是压力，电流，电压，阻抗或温度中的任一个或多个。驱动控制器可包括机构，接受来自一个或多个用于监控一个或多个所述***状态的传感器的输入，当所述驱动控制器使得***在过载条件下短时间操作时，对马达的能量进行控制，避免所述一个或多个状态超过预定的操作限度。例如，一个或多个传感器可感应***的气体压力，温度，电压或阻抗中的一个或多个。

驱动控制器包括变速驱动器，用于根据监控状态的水平控制马达的能量，从而避免了状态超过所述操作限度。

驱动控制器包括模拟机构，用于根据所监控状态的水平，控制马达的能量，从而避免所述状态超过操作状态。

驱动控制器可防止所述***在过载条件下工作。

在第二方面，本发明提供了一种控制泵***的方法，泵***包括：泵机构；驱动泵机构的马达；控制马达能量的驱动控制器；所述方法包括使***在可导致所述监控状态超过预定操作限度的过载条件下操作短暂时间，来改进***的性能，在所述过载条件下操作时，所述驱动控制器根据监控状态的水平控制给马达的能量，避免所述状态超过所述操作限度。

上面针对本发明的***方面介绍的特征同样可应用于方法的特征，反之依然。

附图说明

为了更好地了解本发明，现在将参考附图介绍本发明的两个以示例方式给出的实施例，附图中：

图1显示了泵***的驱动控制器的已知设置；

图2显示了已知驱动控制器的电流相对时间的图表；

图3显示了根据本发明的第一实施例的驱动控制器；

图3a是显示与马达电流和马达热负荷相关的增益函数的图表；

图4显示了第一实施例的电流相对时间的图表；

图5显示了马达的扭矩相对速度的图表，比较了普通***和根据本发明实施例的设置的马达性能；

图6显示了本发明的第二实施例；和

图7是泵***的示意图。

具体实施方式

图3显示了根据本发明的第一实施例的形式为变速驱动器8的驱动控制器。第一和第二模块10，12类似图1所示的第一和第二模块52，54。第一模块10利用前面提到的I_motor，I_rated，τ和s之间的关系监控马达热负荷MTL。马达热负荷输入到增益电路单元14。单元14根据与马达热负荷的预定关系计算增益，并输出增益到乘法器32，其还接受来自可编程内部驱动电流限度单元20的输入。乘法器32输出经调节的电流限度到电流控制模块16。乘法器32的电流限度输出限制马达30的能量。

增益电路单元14根据与马达热负荷MTL的预定关系确定输出到乘法器32的增益。该关系嵌入到运算法则，一个示例在图3a显示(下面进一步详细介绍)。

图4显示了驱动器8的电流相对时间的图表。图4的虚线62表示现有技术的马达热负荷超过预定操作限度的时间，以及发生跳闸的时间，以防止马达损坏(如图2所示)。实线40表示根据本发明的马达的操作边界，实线40与虚线62间隔开，提供了安全余量。

驱动控制器8的增益电路单元14可通过减少电流，限制提供给马达的能量。增益电路可规定，增益为1不限制马达能量，增益为0不允许能量输送到马达，增益在1和0之间，在不限制和不输送能量之间调节输送到马达的能量。因此，提供给马达的电流得到控制，使得马达热负荷不会超过预定的操作限度(如不超过虚线62)。

如图3a所示，当热负荷低于预定的下限时，单元14的增益为1。当增益为1时提供给马达的能量不受限制。图4中的虚线62和实线40之间的安全余量由选择的下限决定。当马达热负荷增加超过下限时，单元14根据图3a所示的马达热负荷和增益之间的关系逐渐减少增益。在所示的示例中，增益为0.5时到达平衡点(当I_motor＝I_rated)。当马达热负荷超过平衡点时，不允许马达在过载条件下操作。当马达热负荷达到预定的上限时，增益逐渐减少到零。因此，驱动控制器8可在过载条件下(当马达热负荷小于平衡点时)短时间操作马达，然后减少马达的能量到维持值，马达不会跳闸。

如图4所示，如果泵的负荷比较高(如在半导体***中抽气时)，驱动器8使得电流达到马达额定电流的200％输送到马达一段时间t_{overload(200％)}，受益于增加的能量，使***的性能改进。在t_{overload(200％)}期间，增益电路单元14探测到马达热负荷超过预定的下限，可根据预定的马达热负荷和增益之间的关系逐渐减少输出到乘法器32的增益为小于1。因此，控制模块16限制了马达30的能量，因此稳定马达热负荷和马达能量于额定点。当***载荷下降和马达热负荷减少时，增益电路单元14增加增益(如可能达到1)，使得需要时较大能量可再次输送到马达30。

类似地，增益电路单元14探测到马达热负荷已经超过预定的限度和增益减少之前，X％(在100％和200％之间)的过载电流可提供较长时间t_{overload(X％)}

图5显示了扭矩(Nm)相对马达速度(RPM)的图表，以显示实施例的优点。绘制马达扭矩相对转动速度的曲线，并显示出最大过载扭矩T_max。可看到马达额定扭矩明显小于T_max，在额定扭矩下马达可长时间操作不会损坏。图1所示的现有技术驱动控制器设置成在驱动额定扭矩下面的区域操作马达，否则会有马达跳闸的危险。通过使马达在指示200％扭矩的直线下区域操作，受益于扭矩和能量增加，驱动器8可改进***的性能，不会产生马达损坏或***跳闸的危险。在真空腔抽气期间，当马达的载荷要求增加提供给马达的能量时，驱动器8可使得或有意迫使马达在过载条件下操作。

虽然显示出增益电路单元14可调节输送到马达的能量数量，但是可使用任何适合的机构根据马达的特定要求来驱动和/或泵送。

在实施例中，马达热负荷用于选择适当的增益输出。因此，实施例使得马达在过载条件下操作，马达不会过热和不会跳闸。但是除了或代替马达热负荷，本发明还考虑泵***的操作，以防止驱动器、马达或泵的状态(如电压、电流、功率、频率或阻抗)超过各自的操作限度。具体地，变速驱动器可在过载达到200％额定功率下操作，可通过类似上面详细介绍的马达热载荷(MTL)的方式确定驱动器热载荷(DTL)进行保护。

第一实施例，通过使用测量马达电流来决定马达热负荷以及马达温度的方式，采用了所谓的间接方式。但是，还可以通过嵌入到泵***的传感器的反馈，如直接测量马达线圈温度，泵体温度，废气压力，气体温度，前级管道压力等方式，选择使驱动控制器工作于直接方式。

图6显示了第二实施例，其中采用了直接方式。该机构确定了泵***的内部状态并控制马达功率，以防止状态超过预定的操作限度。例如，泵机构的温度可通过位于泵中的传感器进行监控，以防止机构过热。感应的状态用于调节电流限度以及马达功率，从而防止泵机构过热。

图6显示了驱动控制器，其形式为变速驱动器28，可输送电能到马达30，驱动泵，尤其是真空泵的泵送机构。驱动器28类似于驱动器8，除了设置了一个或多个调节器26，以确定来自泵***的一个或多个传感器24的传感信息。来自传感器24的数据通过各自调节器26输送，调节器将数据转变为驱动器28可理解的信息。传感器24监控泵的内部状态(如泵体温度，废气温度或马达线圈温度)。调节的传感器信息输入到增益电路，或其他适合的调节机构，对增益进行确定，限制马达30的能量。

在结合了多个传感器输入的机构中，可设置指示器，以告诉使用者哪个传感器使能量输出得到控制。该信息可用来提供正在发生问题的预先警告，在现有技术该问题可导致***跳闸。

上面显示的实施例使得可选择驱动控制器和马达在过载条件下短时间，例如在抽气期间，操作，因此对于特定的泵送要求，可选择比适合这种要求的现有技术的马达/驱动器组件较便宜的马达/驱动器组件。此外，增加扭矩，如图5所示，允许有更高的起始扭矩和更高的灰尘处理能力。对选择购买的真空泵进行了第一实施例和现有技术的马达/驱动器组件的比较，其结果在表一中显示。

表一

性能测量	真空泵X(现有技术)	真空泵X(实施例的)	改进
性能测量	真空泵X(现有技术)	真空泵X(实施例的)	改进	起始扭矩	5Nm	8Nm	60％
抽气10L	8.4秒	3.5秒	58％	起始扭矩	5Nm	8Nm	60％
抽气10L	8.4秒	3.5秒	58％	抽气50L	32.9秒	25.2秒	23％

在上面的示例中，应当看到实现了性能的重大改进。

在上面介绍的实施例中，驱动控制器具有数字变速驱动器的形式。但是，驱动控制器可包括一个过多个模拟机构，如模拟电路，来确定***的状态和控制马达功率。

可能还希望驱动控制器可防止所述***在过载条件下工作。因此可设置开关机构，在根据本发明的操作和上面参考现有技术所介绍的操作之间转换驱动控制器。这样的机构是有用的，如果某些应用不希望***在过载条件下工作。

总之，应当理解，上面介绍的所有实施例和改进，当***状态超过操作限度时不需切断马达的能量至零(即跳闸)，驱动控制器可控制能量，使其逐渐减小，直至达到维持操作。因此，这些实施例可使马达或泵***(马达或变速驱动器或泵机构)在过载情况下(例如抽气期间)操作，不会使泵跳闸，从而停止操作。

应当理解，上面介绍的实施例只是示例，其他的改进仍属于所附权利要求的范围。

Claims

1.一种泵***，包括：泵机构；用于驱动泵机构的马达；控制所述马达的驱动控制器；和可监控所述***的至少一个状态的机构；其中，为了改进所述***的性能，所述驱动控制器可使所述***在过载条件下操作短暂时间，过载可导致监控的状态超过预定的操作限度，当在所述过载条件下操作时，所述驱动控制器根据所述监控的状态的水平来控制给所述马达的能量，从而避免所述状态超过所述操作限度。

2.根据权利要求1所述的***，其特征在于，通过所述驱动控制器增加提供给马达的能量到一定水平来改进性能，所述能量水平可使监控的状态超过预定的操作限度。

3.根据权利要求1或2所述的***，其特征在于，当马达负荷要求增加提供给马达的能量时，所述驱动控制器使***在过载条件下操作。

4.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述驱动控制器不对所述能量加以限制，除非所述状态超过预定下限。

5.根据权利要求4所述的***，其特征在于，超过所述预定下限时，所述驱动控制器根据监控的状态，逐渐减少或增加能量。

6.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述驱动控制器包括增益电路，其设置成：增益为1时不限制马达能量，增益为0时限制马达的能量为0，增益在1和0之间时，所述增益电路根据与所述状态的预定关系控制增益。

7.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述驱动控制器通过调节供应给马达的电压频率和/或电压幅度，限制提供给所述马达的电流，来控制马达的能量。

8.根据权利要求7所述的***，其特征在于，所述驱动控制器包括可编程的机构，可设定所述马达的最大允许电流，从而设定***过载的范围。

9.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述状态是***内的温度。

10.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述状态是计算出的马达或驱动器或泵***任何部分的热负荷。

11.根据权利要求10所述的***，其特征在于，所述驱动控制器根据下面公式估计马达热负荷：

{(\frac{I_{Motor}}{I_{rated}})}^{2} \times \frac{1}{1 + sτ}

其中，I_motor是马达的电流；

I_rated是额定电流，超过额定电流马达在过载状态下操作；

τ是时间常数，和

s是拉普拉斯算子。

12.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述监控的***状态是压力，电流，电压，阻抗或温度中的任一个或多个。

13.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述驱动控制器包括机构，接受来自一个或多个用于监控一个或多个所述***状态的传感器的输入，当所述驱动控制器使得***在过载条件下短时间操作时，对马达的能量进行控制，避免所述一个或多个状态超过预定的操作限度。

14.根据权利要求13所述的***，其特征在于，所述一个或多个传感器用于感应***的气压、温度、电压或阻抗中的一个或多个。

15.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述驱动控制器包括可变速度驱动器，用于根据监控的状态的水平控制马达的能量，从而避免所述状态超过所述操作限度。

16.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述驱动控制器包括模拟机构，用于根据所述监控状态的水平，控制马达的能量，从而避免所述状态超过所述操作限度。

17.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述驱动控制器可防止所述***在过载条件下操作。

18.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述泵机构是真空泵机构。

19.一种控制泵***的方法，所述泵***包括：泵机构；驱动所述泵机构的马达；控制马达能量的驱动控制器；所述方法包括，使所述***在可导致所述监控的状态超过预定操作限度的过载条件下操作短暂时间，来改进所述***的性能，在过载条件下操作时，所述驱动控制器根据所述监控的状态的水平控制给马达的能量，避免所述状态超过所述操作限度。