CN110914551B - 真空泵和控制装置 - Google Patents

Abstract

【课题】提供在稳定运转时能进行高精度的稳定的控制并且耐干扰且泵的停止时间较短并谋求小型化的真空泵和控制装置。【解决方案】由减法运算器1计算出的位置偏差分别被输入到3个模式的PID22、32、42中。PID22是高偏置模式用的PID调节器，PID32是高刚性模式用的PID调节器，PID42是低刚性模式用的PID调节器。按PWM频率的每个时钟提取PID42的输出信号来作为指示电流的变化量，在计算部41中取几个时钟之间的指示电流的变化量的平均值ΔC。在此，通过切换控制部45运算平均化后的指示电流的变化量的平均值ΔC的大小是否比预先设定的规定值大，根据其结果，将α值以0至1的范围从切换控制部45输出。

Description

真空泵和控制装置

技术领域

本发明涉及真空泵和控制装置，特别是涉及在稳定运转时能进行高精度的稳定的控制并且耐干扰且泵的停止时间较短并谋求小型化的真空泵和控制装置。

背景技术

伴随着近年的电子学的发展，存储器或集成电路等半导体的需要急剧地增大。

对纯度极高的半导体基板掺杂杂质来提供电性质或者通过蚀刻在半导体基板上形成微细的电路等来制造这些半导体。

然后，为了避免由空气中的尘土等造成的影响，需要在高真空状态的腔内进行这些作业。在该腔的排气中通常使用真空泵，但是，特别是从残留气体较少且保养容易等方面出发，较多使用作为真空泵之中的一个的涡轮分子泵。

此外，在半导体的制造工序中，存在使各种工艺气体作用于半导体的基板的许多工序，涡轮分子泵不仅用于使腔内为真空，而且还用于将这些工艺气体从腔内排出。

进而，涡轮分子泵还被用于在电子显微镜等设备中为了防止由粉尘等的存在造成的电子束的折射等而使电子显微镜等的腔内的环境为高度的真空状态。

该涡轮分子泵具备磁轴承装置以便对旋转体进行磁悬浮控制。而且，在该磁轴承装置中，在旋转体的加速运转中通过共振点时或在恒定速度运转中产生干扰时等，需要进行高速且强的力下的旋转体的位置控制。

在图7中示出以往的磁轴承控制的例子。在图7中，通过径向位置传感器107、108检测转子轴113的半径方向的位置。由该径向位置传感器107、108检测出的半径方向的位置信号和移位指令值X₀被输入到减法运算器1中，通过该减法运算器1计算偏差。该偏差信号在被PID2调整后，通过加法运算器3与规定的稳定电流相加。然后，在此相加出的信号被输入到切换单元4中。离开该切换单元4的信号A在被放大器电路5以50V左右的高电压信号放大之后，经过混合器6对径向电磁铁104、105的电磁铁卷线流动电流。再有，在该电磁铁卷线中流动的电流被电流检测电路7检测并返回到放大器电路5的输入侧，由此，进行电流调整。

另一方面，由减法运算器1计算出的偏差信号也被输入到PID12中，在被该PID12调整后，通过加法运算器13与规定的稳定电流相加。然后，在此相加出的信号被输入到切换单元4中。离开该切换单元4的信号B在被放大器电路15以15V左右的低电压信号放大后，经过混合器6对径向电磁铁104、105的电磁铁卷线流动电流。再有，在该电磁铁卷线中流动的电流被电流检测电路7检测并返回到放大器电路15的输入侧，由此，进行电流调整。

像这样，作为电源，除了在通常运转时的15V左右的低电压以外，还使用50V左右的高电压，以使能够进行在电磁铁卷线中流动的电流的急速的增加。

然后，通过检测在电磁铁卷线中流动的电流的变化速度，从而在切换单元4中对从高电压电源供给电力的情况（以下，称为高电压模式）和从低电压电源供给电力的情况（以下，称为低电压模式）进行切换控制。

即，在需要低振动运转的状态下以低电压模式工作，在其以外的可能产生干扰的状态下以高电压模式工作，由此，即使突然产生干扰，也保护旋转体（参照专利文献1）。

此外，以往，通过使用电磁铁消耗再生电力，从而实现了去掉再生电阻或其周边电路而实现了省空间化和成本降低的小型泵（参照专利文献2）。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2004-286045号公报；

专利文献2：日本特开2014-110653号公报。

发明内容

发明要解决的课题

然而，像这样准备2种电源或放大器电路等成为控制装置的小型化或省电力化的妨碍。此外，2种电源或放大器电路等的任一方为用于驱动电磁铁的电路不进行工作的状态，因此，待机电力增加。

进而，以实测来检测在电磁铁卷线中流动的电流的变化速度容易受到由噪声造成的影响，此外，还存在产生控制响应的延迟的担忧。

进而，为了消耗涡轮分子泵的电动机的再生能量，通常连接有再生电阻。如果能够省略该再生电阻，则牵涉到控制装置的进一步的小型化，但是，当省略再生电阻时，到电动机停止为止的制动时间花费较长。

为了避免该方面，考虑了如专利文献2那样通过使用磁轴承的电磁铁卷线消耗能量而使制动时间短这样的对策，但是，存在以下担忧：为了进行这样的控制而设置独立的控制电路也会相应地牵涉到成本高。

此外，在该专利文献2的技术中，稳定电流（偏置电流）的设定值仅为一个。因此，需要使静止悬浮时或启动时的偏置电流也变大，在该情况下，担忧发热的问题。此外，推测：当相反使偏置电流变小时在再生时为轻负载，因此，制动时间变长。

本发明是鉴于这样的以往的课题而完成的，目的在于提供在稳定运转时能进行高精度的稳定的控制并且耐干扰且泵的停止时间较短并谋求小型化的真空泵和控制装置。

用于解决课题的方案

因此，本发明（权利要求1）是真空泵的发明，是一种真空泵，具备：旋转体，被电磁铁悬浮支承在空中；位置传感器，对该旋转体的径向或轴向的位置进行检测；以及励磁控制电路，对所述电磁铁进行励磁控制以使所述旋转体为规定的位置，所述真空泵的特征在于，所述励磁控制电路具有至少2种励磁控制模式，根据由所述位置传感器检测出的位置与移位指令值的差或者工作指令来选择励磁控制模式，基于在该选择的励磁控制模式下存在的比率来逐渐或瞬时切换。

此外，本发明（权利要求2）是真空泵的发明，是一种真空泵，其特征在于，具备：

旋转体，被电磁铁悬浮支承在空中；位置传感器，对该旋转体的径向或轴向的位置进行检测；减法运算器，运算由该位置传感器检测出的位置与移位指令值的差；高刚性模式调整单元，将该减法运算器的输出调整为高刚性；低刚性模式调整单元，将所述减法运算器的输出调整为低刚性；输出信号合成单元，将该低刚性模式调整单元的输出信号和所述高刚性模式调整单元的输出信号合成；以及放大单元，对由该输出信号合成单元合成出的输出信号进行放大，基于由该放大单元放大后的输出信号来对所述电磁铁的卷线流动电流，基于第一比率来调整由所述高刚性模式调整单元调整的信号和由所述低刚性模式调整单元调整的信号。

将低刚性模式调整单元的输出信号和高刚性模式调整单元的输出信号合成并输入到放大单元中，因此，放大单元为一个就行，该放大单元能够被一种直流电源驱动。因此，牵涉到装置的小型化或省电力化。此外，基于第一比率使用软件来调整由高刚性模式调整单元调整的信号和由低刚性模式调整单元调整的信号，因此，合成方法也简单。

进而，本发明（权利要求3）是真空泵的发明，其特征在于，具备信号提取单元，所述信号提取单元提取由低刚性模式调整单元调整的信号，基于由该信号提取单元提取出的信号来设定所述第一比率。

提取由低刚性模式调整单元调整的信号，基于该信号来设定第一比率，因此，不会如以往那样产生由于以实测来检测在电磁铁卷线中流动的电流的变化速度而造成的噪声的影响、或控制响应的延迟。

进而，本发明（权利要求4）是真空泵的发明，其特征在于，具备信号变化判断单元，所述信号变化判断单元判断由所述信号提取单元提取出的信号的变化是否为预先确定的规定值以上，在通过该信号变化判断单元判断为所述信号的变化为预先确定的规定值以上时，以PWM（脉宽调制）频率的时钟宽度的几倍的时间从利用所述低刚性模式调整单元的调整切换为利用所述高刚性模式调整单元的调整。

在由信号提取单元提取出的信号的变化为预先确定的规定值以上时，判断为干扰进行了作用。在该情况下以PWM（pulse width modulation，脉宽调制）频率的时钟宽度的几倍的时间从利用低刚性模式调整单元的调整瞬时切换为利用高刚性模式调整单元的调整。

由此，能够迅速地抑制干扰。

进而，本发明（权利要求5）是真空泵的发明，其特征在于，所述信号变化判断单元中的信号的变化基于针对在所述电磁铁的卷线中流动的电流的电流指令值、该电流指令值的增减值、或所述时钟宽度以上的期间内的指示电流的变化量的平均值的任一个。

进而，本发明（权利要求6）是真空泵的发明，其特征在于，还具备高偏置模式调整单元，所述高偏置模式调整单元在所述旋转体的制动信号被输入时将所述减法运算器的输出调整为高偏置，基于第二比率来调整由该高偏置模式调整单元调整的信号和由所述输出信号合成单元合成出的输出信号，该调整后的信号被输入到所述放大单元中。

基于第二比率来调整由高偏置模式调整单元调整的信号和由输出信号合成单元合成的输出信号，该调整后的信号被输入到放大单元中，因此，放大单元为一个就行，该放大单元能够被一种直流电源驱动。因此，牵涉到装置的小型化或省电力化。此外，也能够省略再生电阻，因此，牵涉到进一步的小型化。由于基于第二比率来调整由高偏置模式调整单元调整的信号，所以能够使制动时间变短。

进而，本发明（权利要求7）是真空泵的发明，其特征在于，所述第一比率和所述第二比率随着时间的经过在0~1的范围内变化，花费几秒缓慢进行从利用所述高刚性模式调整单元的调整向利用所述低刚性模式调整单元的调整的切换、或者从利用所述高刚性模式调整单元的调整或利用所述低刚性模式调整单元的调整向利用所述高偏置模式调整单元的调整的切换。

像这样，通过使第一比率和第二比率花费几秒缓慢地变化，从而能稳定地进行控制。

进而，本发明（权利要求8）是真空泵的发明，其特征在于，对将所述减法运算器的输出进行PID调节后的信号加上供高刚性用而设定的稳定电流来生成由所述高刚性模式调整单元调整的信号，对将所述减法运算器的输出进行PID调节后的信号加上供低刚性用而设定的稳定电流来生成由所述低刚性模式调整单元调整的信号，对将所述减法运算器的输出进行PID调节后的信号加上供高偏置用而设定的稳定电流来生成由所述高偏置模式调整单元调整的信号。

通过加上适于各个模式的稳定电流，从而能进行稳定的控制。

进而，本发明（权利要求9）是真空泵的发明，其特征在于，所述各稳定电流的大小的关系是：所述供低刚性用而设定的稳定电流为所述供高刚性用而设定的稳定电流以下，并且，该供高刚性用而设定的稳定电流比所述供高偏置用而设定的稳定电流小。

通过将供高偏置用而设定的稳定电流设定得较大，从而能够使用电磁铁卷线的负载消耗制动时的再生能量。

进而，本发明（权利要求10）是控制装置的发明，其特征在于，具备：根据权利要求2~9的任一项所述的真空泵所记载的所述减法运算器、所述高刚性模式调整单元、所述低刚性模式调整单元、所述输出信号合成单元、所述放大单元。

发明效果

如以上说明的那样，根据本发明，构成为将低刚性模式调整单元的输出信号和高刚性模式调整单元的输出信号合成并输入到放大单元中，因此，放大单元为一个就行，该放大单元能够被一种直流电源驱动。因此，牵涉到装置的小型化或省电力化。此外，基于第一比率使用软件来调整由高刚性模式调整单元调整的信号和由低刚性模式调整单元调整的信号，因此，合成方法也简单。

附图说明

图1是涡轮分子泵的结构图。

图2是作为本发明的控制时的刚性切换的框图。

图3是示出本发明的刚性切换的处理的流程图。

图4是低刚性模式、高刚性模式和高偏置模式间的状态转变图。

图5是3个模式下的控制增益与稳定电流的关系。

图6是电流指令值的时间图的例子。

图7是以往的磁轴承控制的例子。

具体实施方式

以下，对本发明的实施方式进行说明。在图1中示出涡轮分子泵的结构图。

在图1中，在泵主体100的圆筒状的外筒127的上端形成有吸气口101。在外筒127的内侧具备旋转体103，在所述旋转体103中在周部呈放射状且多级地形成有利用用于对气体进行吸引排出的涡轮叶片（turbine blade）的多个旋转翼102a、102b、102c…。

在该旋转体103的中心安装有转子轴113，该转子轴113例如被所谓的5轴控制的磁轴承悬浮支承在空中且位置控制。

在上侧径向电磁铁104中，4个电磁铁被成对地配置于转子轴113的径向的坐标轴即彼此正交的X轴和Y轴。与该上侧径向电磁铁104接近且对应地设置有由4个电磁铁构成的上侧径向传感器107。该上侧径向传感器107被构成为检测转子轴113的径向移位并将其送到控制装置200中。

在控制装置200中，基于上侧径向传感器107检测出的移位信号，经由具有PID调节功能的补偿电路来控制上侧径向电磁铁104的励磁，调整转子轴113的上侧的径向位置。关于包括该补偿电路的控制回路（相当于励磁控制电路），在后面进行叙述。

转子轴113由高磁导率材料（铁等）等形成，被上侧径向电磁铁104的磁力吸引。在X轴方向和Y轴方向上分别独立地进行这样的调整。

此外，与上侧径向电磁铁104和上侧径向传感器107同样地配置下侧径向电磁铁105和下侧径向传感器108，与上侧的径向位置同样地调整转子轴113的下侧的径向位置。

进而，以将在转子轴113的下部设置的圆板状的金属盘111上下夹持的方式配置轴向电磁铁106A、106B。金属盘111由铁等高磁导率材料构成。为了检测转子轴113的轴向移位而设置轴向传感器109，其被构成为将该轴向移位信号送到控制装置200中。

然后，基于该轴向移位信号经由控制装置200的具有PID调节功能的补偿电路来励磁控制轴向电磁铁106A、106B。关于包括该补偿电路的控制回路，也在后面进行叙述。轴向电磁铁106A和轴向电磁铁106B通过磁力将金属盘111分别吸引到上方和下方。

像这样，控制装置200适当地调节该轴向电磁铁106A、106B施加到金属盘111的磁力，使转子轴113沿轴向磁悬浮，在空间中以非接触的方式对其进行保持。

电动机121具备以包围转子轴113的方式呈周状配置的多个磁极。利用控制装置200控制各磁极以使经由在与转子轴113之间进行作用的电磁力来旋转驱动转子轴113。

与旋转翼102a、102b、102c…间隔些许空隙地配设有多个固定翼123a、123b、123c…。关于旋转翼102a、102b、102c…，由于分别利用碰撞将排气气体的分子向下方向输送，所以以从与转子轴113的轴线垂直的平面倾斜规定的角度的方式形成。

此外，固定翼123也同样地以从与转子轴113的轴线垂直的平面倾斜规定的角度的方式形成，并且以朝向外筒127的内侧且与旋转翼102的级彼此不同的方式配设。

然后，固定翼123的一端以嵌插到多个堆叠（stacking）后的固定翼间隔物125a、125b、125c…之间的状态被支承。

固定翼间隔物125是环状的构件，由例如铝、铁、不锈钢、铜等金属或包括这些金属来作为成分的合金等金属构成。

在固定翼间隔物125的外周间隔些许空隙固定有外筒127。在外筒127的底部配设底座（base）部129，在固定翼间隔物125的下部与底座部129之间配设有带螺钉间隔物131。然后，在底座部129中的带螺钉间隔物131的下部形成排气口133，其与外部连通。

带螺钉间隔物131是由铝、铜、不锈钢、铁或将这些金属作为成分的合金等金属构成的圆筒状的构件，在其内周面刻入设置有螺旋状的多个螺钉槽131a。

螺钉槽131a的螺旋的方向是在排气气体的分子沿旋转体103的旋转方向移动时该分子向排气口133的方向输送的方向。

在接着旋转体103的旋转翼102a、102b、102c…的最下部垂下圆筒部102d。该圆筒部102d的外周面是圆筒状，并且朝向带螺钉间隔物131的内周面突出，与该带螺钉间隔物131的内周面间隔规定的间隙接近。

底座部129是构成涡轮分子泵10的基底部的圆盘状的构件，通常由铁、铝、不锈钢等金属构成。

底座部129物理性地保持涡轮分子泵10，并且还兼备热的传导路径的功能，因此，优选使用铁、铝或铜等具有刚性且热传导率也高的金属。

在这样的结构中，当旋转翼102被电动机121驱动而与转子轴113一起旋转时，由于旋转翼102和固定翼123的作用，通过吸气口101吸入来自腔的排气气体。

从吸气口101吸入的排气气体通过旋转翼102与固定翼123之间，并将其向底座部129输送。此时，由于在排气气体与旋转翼102接触或者碰撞时产生的摩擦热、或由电动机121产生的热的传导或辐射等，旋转翼102的温度上升，但是，该热通过辐射或者利用排气气体的气体分子等的传导而被传递到固定翼123侧。

固定翼间隔物125在外周部彼此接合，向外筒127或带螺钉间隔物131传递固定翼123从旋转翼102接受的热或在排气气体与固定翼123接触或者碰撞时产生的摩擦热等。

向带螺钉间隔物131输送来的排气气体被引导到螺钉槽131a并向排气口133送出。

接着，对作为本发明的控制时的刚性（相当于电磁铁的励磁控制模式）切换的方法进行说明。在图2中示出刚性切换的框图。再有，对与图7相同要素的部分标注相同附图标记，并省略说明。

该刚性切换的框图是将基于数式1的控制具体化后的图。数式1意味着通过检测大干扰或检测制动状态（brake state）来运算α、β的值并且基于该值来计算电流指令值。

（数式1）

。

在此，

α：相当于低刚性电流指令值与高刚性电流指令值的比例

β：相当于低刚性电流指令值和高刚性电流指令值的合成结果与高偏置电流指令值的比例。

在图2的刚性切换框图中，由减法运算器1计算出的位置偏差分别被输入到3个模式的PID22、32、42中。PID22是相当于高偏置模式调整单元的高偏置模式用的PID调节器，PID32是相当于高刚性模式调整单元的高刚性模式用的PID调节器，PID42是相当于低刚性模式调整单元的低刚性模式用的PID调节器。由PID22调节后的信号在加法运算器23中与后述的高偏置稳定电流相加，并作为高偏置指示电流从加法运算器23输出。此外，由PID32调节后的信号在加法运算器33中与后述的高刚性稳定电流相加，并作为高刚性指示电流从加法运算器33输出。进而，由PID42调节后的信号在加法运算器43中与后述的低刚性稳定电流相加，并作为低刚性指示电流从加法运算器43输出。

然后，按PWM（pulse width modulation，脉宽调制）频率的每个时钟提取PID42的输出信号来作为指示电流的变化量，在计算部41中取1个时钟至几个时钟之间的指示电流的变化量的平均值ΔC。在此，通过切换控制部45运算平均化后的指示电流的变化量的平均值ΔC是否比预先设定的规定值大，根据其结果，将相当于第一比率的α值以0至1的范围从切换控制部45输出。其中，关于指示电流的变化量，也可以不平均化而直接利用每个时钟的值。

再有，在以往的图7中的控制中，通过检测在电磁铁卷线中流动的电流的变化速度，从而在切换单元4中对高电压模式和低电压模式进行切换控制，但是，在本发明中，通过软件检测指示电流的变化量的平均值ΔC，因此，没有由噪声造成的影响或相位的延迟。因此，能够以快速的响应进行切换。

基于由切换控制部45运算出的α值，在乘法运算器34中对高刚性指示电流乘以（1-α）倍。此外，在乘法运算器44中对低刚性指示电流乘以α倍。

乘法运算器34的输出信号和乘法运算器44的输出信号被相当于输出信号合成单元的加法运算器35相加。

另一方面，在从未图示的监视装置（SuperVisor，监控器）发出制动（brake）指示的情况下，通过切换控制部46运算相当于第二比率的β值并将其以0至1的范围输出。

关于由该切换控制部46运算出的β值，在乘法运算器26中对高偏置指示电流乘以β倍。此外，在乘法运算器36中对加法运算器35的输出信号乘以（1-β）倍。然后，乘法运算器26的输出信号和乘法运算器36的输出信号被加法运算器27相加。加法运算器27的输出相当于数式1的电流指令值。被该加法运算器27相加出的信号被输入到相当于放大单元的放大器电路29中。该放大器电路29由一种直流电源驱动。

在图3中将本发明的刚性切换的处理示出为流程图。此外，在图4中示出低刚性模式、高刚性模式和高偏置模式间的状态转变图。

在图3的步骤1（图中示出为S1。以下同样）中通过***的电源接通而开始本处理。在该电源接通稍后，如图4的状态转变图所示那样转移到高刚性模式（2：高偏置（Highbias））（图4中附图标记0的转变）。

在该静止悬浮稍后，如果在高刚性模式（2：高刚性）下没有干扰，则在几秒内逐渐从该高刚性模式向低刚性模式（1：低刚性（Low rigid））状态转变以便将旋转体稳定地支承在正常的悬浮位置（图4中附图标记2a的转变）。作为一个例子，几秒是指设定为1~10秒（以下，相同意思）。此时，使β为0而将α从0向1逐渐切换。

当图3的步骤1中的开始时的工作完成时，前进到步骤2，按PWM频率的每个时钟检测指示电流的变化量的平均值ΔC。在步骤3中判断是否存在制动指示，在没有制动指示的情况下前进到步骤4，通过切换控制部45判断指示电流的变化量的平均值ΔC的大小是否为预先设定的规定值C_S以上。然后，在指示电流的变化量的平均值ΔC的大小为预先设定的规定值C_S以上的情况下判断为存在干扰，前进到步骤5，判断现在的状态是否为低刚性模式。

在现在的状态为低刚性模式时前进到步骤6而立即切换为高刚性模式（图4中附图标记1a的转变）。此时，β保持0的状态而将α从1立即切换为0。关于此时的切换时间，在后面进行叙述。另一方面，在步骤5中，在现在的状态不是低刚性模式时维持现在的状态并返回到步骤2，检测指示电流的变化量的平均值ΔC的大小。

在步骤4中指示电流的变化量的平均值ΔC的大小为不足预先设定的规定值C_S的情况下前进到步骤7，判断现在的状态是否为高刚性模式。指示电流的变化量的平均值ΔC的大小为不足预先设定的规定值C_S的情况是没有干扰且能够进行稳定的运转的状态。因此，在现在的状态为高刚性模式时前进到步骤8，花费几秒逐渐切换为低刚性模式（图4中附图标记2a的转变）。此时，β保持0的状态而将α从0逐渐切换为1。

另一方面，在步骤7中现在的状态不是高刚性模式时维持现在的状态并返回到步骤2，检测指示电流的变化量的平均值ΔC的大小。

再有，在步骤3中存在制动指示时，前进到步骤9，进行向高偏置模式的切换。在低刚性模式下在工作中存在制动指示时，花费几秒逐渐向高偏置模式切换（图4中附图标记1b的转变）。此时，将β从0逐渐切换为1。

此外，在高刚性模式下在工作中存在制动指示时花费几秒逐渐向高偏置模式切换（图4中附图标记2b的转变）。此时，将β从0逐渐切换为1。

当暂且变为高偏置模式时，即使制动指示消失，也不会从该高偏置模式突然前进到低刚性模式。需要使转变从高偏置模式暂且经过高刚性模式之后向低刚性模式移动（图4中附图标记3b和附图标记2a的转变）。在从高偏置模式向高刚性模式转变时，使α为0而将β从1逐渐切换为0。像这样处理是因为：当从高偏置模式突然为低刚性模式时，存在在加入干扰时不收敛的担忧。

再有，在β=0时，相当于不是高偏置模式时，数式1如数式2那样变得简洁，关于电流指令值，低刚性电流指令值和高刚性电流指令值以规定的比例进行作用。

（数式2）

。

此外，在0＜β≤1时是向高偏置模式转移中，在为β=1时，数式1如数式3那样变得简洁，关于电流指令值，仅高偏置电流指令值进行作用。

（数式3）

。

接着，对高偏置模式、高刚性模式、低刚性模式的各个模式下的控制增益与稳定电流的关系进行说明。在图5中示出这些3个模式下的控制增益与稳定电流的关系。

低刚性模式是通过进行使控制增益变小、使稳定电流变小的控制而适于低振动时的控制的模式。高刚性模式是用于使控制增益变大来使针对干扰的响应变好的模式。此外，高偏置模式是使用径向电磁铁104、105或轴向电磁铁106的电磁铁卷线的负载来消耗制动时的再生能量的模式。

在此，控制增益的大小的关系如数式4那样。

（数式4）

。

如观察图5可知那样，将高刚性模式的控制增益设定得比高偏置模式的控制增益更高，但是，这是因为：当使高偏置模式下的稳定电流和控制增益都变大时，存在进行振荡而控制变得不稳定的担忧。

此外，稳定电流的大小的关系如数式5那样。

（数式5）

。

稳定电流和控制增益越小，越是低振动的泵，但是，由于轴承刚性变弱，所以在大干扰时变得不稳定。作为一个例子，高偏置稳定电流设定为0.85A左右，高刚性稳定电流设定为0.5A左右，低刚性稳定电流设定为0.4A左右。

在图6中示出在以上的条件下作为加法运算器27的输出的电流指令值的时间图的例子。

在图6中，首先，假设在低刚性模式下在运转中在时刻t1处加入干扰。此时，从低刚性模式向高刚性模式以几十kHz的PWM频率的时钟宽度的几倍程度的时间瞬时切换。在此，几倍是指优选1~10倍。在该切换中，β被维持为0的状态，使α从1快速变化为0，由此，如例如图6中的时刻t1至t2间那样呈一次直线地变化。该情况下的一次直线的变化优选控制为例如按每个时钟使α从100%起20%20%地变小直到到0%这种。像这样快速地变化是为了确保针对干扰等的支承刚性。

当该切换较慢时，收敛性变差，转子轴113与轴承（bearing）接触而来回带动一类的。因此，优选在不会变得不稳定的最短时间内进行切换。

然后，在时刻t2至t3间持续高刚性模式来抑制干扰。此时，在β为0、α为0的情况下维持高刚性模式。在干扰收敛之后，在时刻t3处再次从时刻t3到时刻t4逐渐向低刚性模式切换。在该切换中，使β为0，使α花费几秒程度从0逐渐变化为1，由此，例如如时刻t3至t4间那样呈一次直线地变化。该情况下的一次直线的变化优选控制为例如按每个时钟使α从0%起0.1%0.1%地变大到100%这种。花费几秒逐渐变化是为了谋求控制的稳定性。

再有，在时刻t3至t4间的中途加入干扰的情况下，与时刻t1至t2间同样地瞬时向高刚性模式切换。从时刻t4起，在β为0、α为1的情况下维持低刚性模式，进行稳定的控制。

像这样，在大干扰时能够进行稳定的收敛，并且在稳定时能够实现低振动的泵。之后，在时刻t5处接收到制动信号的情况下变为高偏置模式，使β从0花费几秒逐渐变化为1，由此，如例如时刻t5至t6间那样呈一次直线地变化。花费几秒逐渐变化是为了谋求控制的稳定性。

再有，以上的控制都能够同样应用于径向的控制和轴向的控制。因此，在5轴控制的磁轴承中，即使在加入大干扰或接收到制动指示的情况下，也通过使低刚性模式、高刚性模式和高偏置模式的α、β的各个的设定比率发生变化，从而能够使PID的比例变化而配合各运转状况总是进行稳定的控制。

如从图7可知那样，以往由低电压用的放大器电路15和高电压用的放大器电路5这2个***的电路构成，但是，在本发明中能够仅由1个***的电源和放大器电路29构成。而且，根据运转状况使低刚性模式、高刚性模式和高偏置模式的电流指令值的比例按时间序列变化并合成低刚性模式、高刚性模式和高偏置模式，由此，利用软件实现简洁的控制，因此，能够使基板小。

即，在本发明的控制中，在对低刚性模式、高刚性模式和高偏置模式的参数进行切换的情况下，考虑控制的连续性而在各转变模式下使变化率最佳地变化。例如，在从高刚性向低刚性变化时，不会瞬时地切换2个参数，将对高刚性和低刚性的电流指令值分别乘以变化率后的值相加。通过按每个控制周期逐渐改变该变化率来向低刚性模式转变。像这样，即使在需要改变控制方式的情况下，也逐渐改变变化率，由此，控制难以变得不稳定。此外，在各转变模式下使变化率最佳地变化，因此，能够抑制功耗或发热。

进而，在本发明的控制中，即使未配设再生用的制动电阻，也能够在高偏置模式下逐渐流动高偏置稳定电流而再生在磁轴承侧并消耗，因此，能够缩短制动时间。

此外，本发明在刚性切换以外也能够使用。例如，在组合完全不同的控制的情况下，也能够通过使设定比率变化来实现稳定的控制切换。

再有，关于本发明，只要不偏离本发明的精神，则能够进行各种改变，而且，本发明当然也包含该改变后的发明。

附图标记的说明

1 减法运算器

22、32、42 PID调节器

23、27、33、35、43 加法运算器

26、34、36、44 乘法运算器

29 放大器电路

41 计算部

45、46 切换控制部

100 泵主体

103 旋转体

104 上侧径向电磁铁

105 下侧径向电磁铁

106 轴向电磁铁

107 上侧径向传感器

108 下侧径向传感器

109 轴向传感器

113 转子轴

200 控制装置。

Claims (9)

1.一种真空泵，其特征在于，具备：

旋转体，被电磁铁悬浮支承在空中；

位置传感器，对该旋转体的径向或轴向的位置进行检测；

减法运算器，运算由该位置传感器检测出的位置与移位指令值的差；

高刚性模式调整单元，将该减法运算器的输出调整为高刚性；

低刚性模式调整单元，将所述减法运算器的输出调整为低刚性；

输出信号合成单元，将该低刚性模式调整单元的输出信号和所述高刚性模式调整单元的输出信号合成；以及

放大单元，对由该输出信号合成单元合成出的输出信号进行放大，

基于由该放大单元放大后的输出信号，电流在所述电磁铁的卷线中流动，

基于第一比率来调整由所述高刚性模式调整单元调整的信号和由所述低刚性模式调整单元调整的信号。

2.根据权利要求1所述的真空泵，其特征在于，具备信号提取单元，所述信号提取单元提取由所述低刚性模式调整单元调整的信号，

基于由该信号提取单元提取出的信号来设定所述第一比率。

3.根据权利要求2所述的真空泵，其特征在于，具备信号变化判断单元，所述信号变化判断单元判断由所述信号提取单元提取出的信号的变化是否为预先确定的规定值以上，

在通过该信号变化判断单元判断为所述信号的变化为预先确定的规定值以上时，以PWM频率的时钟宽度的几倍的时间从利用所述低刚性模式调整单元的调整切换为利用所述高刚性模式调整单元的调整。

4.根据权利要求3所述的真空泵，其特征在于，所述信号变化判断单元中的信号的变化基于针对在所述电磁铁的卷线中流动的电流的电流指令值、该电流指令值的增减值、或所述时钟宽度以上的期间内的指示电流的变化量的平均值的任一个。

5.根据权利要求1~4的任一项所述的真空泵，其特征在于，还具备高偏置模式调整单元，所述高偏置模式调整单元在所述旋转体的制动信号被输入时将所述减法运算器的输出调整为高偏置，

基于第二比率来调整由该高偏置模式调整单元调整的信号和由所述输出信号合成单元合成出的输出信号，基于所述第二比率调整后的信号被输入到所述放大单元中。

6.根据权利要求5所述的真空泵，其特征在于，所述第一比率和所述第二比率随着时间的经过在0~1的范围内变化，

花费几秒缓慢进行从利用所述高刚性模式调整单元的调整向利用所述低刚性模式调整单元的调整的切换、或者从利用所述高刚性模式调整单元的调整或利用所述低刚性模式调整单元的调整向利用所述高偏置模式调整单元的调整的切换。

7.根据权利要求5所述的真空泵，其特征在于，

对将所述减法运算器的输出进行PID调节后的信号加上供高刚性用而设定的稳定电流来生成由所述高刚性模式调整单元调整的信号，

对将所述减法运算器的输出进行PID调节后的信号加上供低刚性用而设定的稳定电流来生成由所述低刚性模式调整单元调整的信号，

对将所述减法运算器的输出进行PID调节后的信号加上供高偏置用而设定的稳定电流来生成由所述高偏置模式调整单元调整的信号。

8.根据权利要求7所述的真空泵，其特征在于，各所述稳定电流的大小的关系是：所述供低刚性用而设定的稳定电流为所述供高刚性用而设定的稳定电流以下，并且，该供高刚性用而设定的稳定电流比所述供高偏置用而设定的稳定电流小。

9.一种在权利要求1~8的任一项所述的真空泵中具备的控制装置，其特征在于，所述控制装置具备：所述减法运算器、所述高刚性模式调整单元、所述低刚性模式调整单元、所述输出信号合成单元、所述放大单元。

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