JP2021090310A

JP2021090310A - 真空ポンプ

Info

Publication number: JP2021090310A
Application number: JP2019220420A
Authority: JP
Inventors: 伸幸平田; Nobuyuki Hirata
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2019-12-05
Filing date: 2019-12-05
Publication date: 2021-06-10
Anticipated expiration: 2039-12-05
Also published as: JP7367498B2

Abstract

【課題】ブレーキ動作時におけるインバータ電圧の過電圧を防止することができる真空ポンプの提供。【解決手段】真空ポンプ１は、ポンプロータ１０と、ポンプロータ１０を回転駆動するモータ１３と、モータ１３を制御するモータ制御部２２１と、モータ１３のブレーキ動作時に発生する回生電力を消費するブレーキ抵抗２４と、を備え、モータ制御部２２１は、ブレーキ動作時の電圧指令ベクトルを、電圧指令ベクトルのｄ軸成分とｑ軸成分との比が一定となるように設定する。【選択図】図１

Description

本発明は、真空ポンプに関する。

ターボ分子ポンプなどの軸流式真空ポンプは、真空排気するためにポンプロータを高速回転させる。このとき、稀薄ガスに対して圧縮仕事を行いながら排気するので、ポンプロータは一方向のみの回転となる。したがって、ポンプロータは、通常は、静止状態と正回転領域との間で加速・減速や、定常回転が行われる。

ポンプロータを回転駆動するモータとしては、例えば、回転子に永久磁石を備えた同期モータが用いられる。一般に真空ポンプでは、同期モータをベクトル制御により制御する際に励磁電流ベクトル成分ＩｄをＩｄ＝０とする制御が適用される。加速時にはＩｑ＞０に設定され、減速時にはＩｑ＜０に設定される。Ｉｑ＜０の減速時には、コントローラはモータから電力をもらい発電をすることになる。この発電した電力をコントローラに設けられたブレーキ抵抗で消費することで、モータのブレーキ動作を行うようにしている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１６−１４５５５５号公報

一般的に、ブレーキ動作時には発電によりインバータ電圧が上昇するので、インバータ電圧をモニタしながらインバータ電圧が電子部品の定格電圧を越えないようにｑ軸電流Ｉｑを制御している。しかしながら、ブレーキ動作時のＩｑ制御においてインバータ電圧が不安定になる場合があり、不安定現象に起因するインバータ電圧急上昇にＩｑ制御が対応できずに、インバータ電圧が定格電圧を越えてしまうおそれがあった。

本発明の態様による真空ポンプは、ポンプロータと、前記ポンプロータを回転駆動するモータと、前記モータを制御するモータ制御部と、前記モータのブレーキ動作時に発生する回生電力を消費するブレーキ抵抗と、を備え、前記モータ制御部は、ブレーキ動作時の電圧指令ベクトルを、前記電圧指令ベクトルのｄ軸成分とｑ軸成分との比が一定となるように設定する。

本発明によれば、ブレーキ動作時におけるインバータ電圧の過電圧を防止することができる。

図１は、真空ポンプの概略構成を示すブロック図である。図２は、モータ駆動制御系を示すブロック図である。図３は、ブレーキ動作時のインバータ電圧の従来例を示す図である。図４は、本実施の形態におけるブレーキ動作時のインバータ電圧の一例を示す図である。

以下、図を参照して本発明を実施するための形態について説明する。図１は、真空ポンプ１の概略構成を示すブロック図である。真空ポンプ１は磁気軸受式のターボ分子ポンプであり、ポンプロータ１０が設けられたポンプ本体１Ａと、ポンプ本体１Ａを駆動制御するコントローラ１Ｂを備えている。

ポンプロータ１０は回転軸１１に締結されている。回転軸１１は磁気軸受（ＭＢ）１２により磁気浮上支持され、モータ（Ｍ）１３によって回転駆動される。非通電時には、回転軸１１はメカニカルベアリング等の保護ベアリング１４によって支持される。図示は省略したが、ポンプ本体１Ａには、ポンプロータ１０に対してポンプステータが設けられている。

コントローラ１Ｂには、商用電源２からの交流電力が供給される。入力された交流電力は、ＡＣ／ＤＣコンバータ２０により直流電力に電力変換される。ＡＣ／ＤＣコンバータ２０の出力側の直流ラインには、３相インバータ２１が接続されている。３相インバータ２１は、ＡＣ／ＤＣコンバータ２０から供給された直流電力を交流電力に変換して、モータ１３を駆動する。３相インバータ２１は、モータ１３の回転に必要な周波数の交流電力が出力されるように、制御部２２に設けられたモータ制御部２２１によって制御される。なお、モータ１３はセンサレスの永久磁石同期モータであって、モータロータには永久磁石が設けられている。

ＤＣ／ＤＣコンバータ２３は、直流ラインからの直流電力の電圧を降圧して制御部２２に供給する。制御部２２は磁気軸受１２およびモータ１３の制御を行うデジタル演算器であり、例えば、中央演算装置（CPU）、読み出し専用メモリ（ROM）、ランダムアクセスメモリ（RAM）、及び入出力インタフェース（ I/O インタフェース）を備えたマイクロコンピュータやＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等で構成される。

制御部２２に設けられた軸受制御部２２２は、ポンプ本体１Ａに設けられた磁気軸受１２に駆動制御する。磁気軸受１２には、回転軸１１の変位を検出する変位センサ（不図示）が設けられている。軸受制御部２２２は、回転軸１１が所望の位置に非接触支持されるように、変位センサの検出情報に基づいて磁気軸受１２の駆動電力を制御する。

ポンプロータ１０の回転を停止する際には、３相インバータ２１を回生制御し、回生ブレーキにより回転減速を行わせる。そのため、直流ラインには、ブレーキ抵抗２４とスイッチ素子（トランジスタ等）２５との直列回路が３相インバータ２１に対して並列に設けられている。スイッチ素子２５のオンオフは、モータ制御部２２１によって制御される。回生ブレーキ時にはスイッチ素子２５がオンされ、回生電力がブレーキ抵抗２４によって消費される。直流ラインには回生電力逆流防止用のダイオード２６が設けられている。

また、停電等によって商用電源２からの電力供給が停止した場合には、回生電力がＤＣ／ＤＣコンバータ２３に入力される。その結果、モータ制御部２２１および軸受制御部２２２は回生電力によって動作し、回生電力によって回転軸１１の磁気浮上が維持される。なお、回生電力をモータ制御部２２１および軸受制御部２２２に供給する際には、スイッチ素子２５はオフされる。

図２は、モータ１３に関するモータ駆動制御系を示す図である。モータ駆動制御系には、制御部２２に設けられたモータ制御部２２１、図１では図示していない電流検知器５０および電圧検知器５１等を含む。図示しないが、３相インバータ２１は、複数のスイッチング素子と、それらをオンオフ駆動するためのゲートドライブ回路とを備えている。モータ１３のＵ，Ｖ，Ｗ相コイルに流れる電流は電流検知器５０によってそれぞれ検出され、検出結果としての電流検知信号はローパスフィルタ４０９を介してモータ制御部２２１の回転速度・磁極位置推定部４０７に入力される。また、Ｕ，Ｖ，Ｗ相コイルの各端子および中性点の電圧は電圧検知器５１によって検出され、検出結果としての電圧検知信号はローパスフィルタ４１０を介してモータ制御部２２１の回転速度・磁極位置推定部４０７に入力される。

回転速度・磁極位置推定部４０７は、電流検知信号および電圧検知信号に基づいて、モータロータの回転速度ωおよび磁極位置（電気角θ）を推定する。なお、モータロータの磁極位置は電気角θで表されるので、以下では、磁極位置のことを磁極電気角θと呼ぶことにする。算出された回転速度ωは速度制御部４０１，Ｉd・Ｉq設定部４０２および等価回路電圧変換部４０３に入力される。また、算出された磁極電気角θはdq−２相電圧変換部４０４に入力される。

速度制御部４０１は、入力された目標回転速度ωiと推定された現在の回転速度ωとの差分に基づいて、ＰＩ制御（比例制御および積分制御）あるいはＰ制御（比例制御）を行い、電流指令Ｉを出力する。Ｉd・Ｉq設定部４０２は、電流指令Ｉに基づき、回転座標ｄｑ系における励磁電流ベクトル成分（以下ではｑ軸電流と呼ぶ）Ｉｑおよびトルク電流ベクトル成分（以下ではｄ軸電流と呼ぶ）Ｉｄを設定する。回転座標ｄｑ系のｄ軸は、回転しているモータロータのＮ極を正方向とする座標軸である。ｑ軸はｄ軸に対してπ/２［rad］進みの直角方向の座標軸で、その向きは正回転時の逆起電圧方向となる。

一般に、ターボ分子ポンプにおけるモータ制御においては、ｄ軸電流ＩｄはＩｄ＝０のように制御される。本実施の形態では、ブレーキ動作時を除く加速時や定常回転時には、等価回路電圧変換部４０３は、予め記憶されている回転センサレス制御のパラメータＫe［Ｖ0-pk/(rad/t)］、ｒ［Ω］、Ｌ［ｍＨ］に基づいて、次式（１），（２）で表される回転座標ｄｑ系における電圧指令ベクトル（Ｖｄ，Ｖｑ）を求め、それをｄｑ-２相電圧変換部４０４に入力する。
Ｖｄ＝−ω×Ｌ×Ｉｑ …（１）
Ｖｑ＝ｒ×Ｉｑ＋Ｋe×ω …（２）

ｄｑ-２相電圧変換部４０４は、電圧指令ベクトル（Ｖｄ，Ｖｑ）と回転速度・磁極位置推定部４０７から入力された磁極電気角θとに基づいて、回転座標ｄｑ系における電圧指令Ｖd，Ｖqを固定座標αβ系の電圧指令Ｖα，Ｖβに変換する。２相-３相電圧変換部４０５は、２相の電圧指令Ｖα，Ｖβを３相電圧指令Ｖu，Ｖv，Ｖwに変換する。ＰＷＭ信号生成部４０６は、３相電圧指令Ｖu，Ｖv，Ｖwに基づいて、３相インバータ２１に設けられたスイッチング素子をオンオフ（導通または遮断）するためのＰＷＭ制御信号を生成する。３相インバータ２１は、ＰＷＭ信号生成部４０６から入力されたＰＷＭ制御信号に基づいてスイッチング素子をオンオフし、モータ１３に駆動電圧を印加する。

（ブレーキ動作の説明）
上述したように、加速時や定常回転時における電圧指令Ｖｄ，Ｖｑは式（１），（２）により与えられる。一方、回転を停止する際のブレーキ動作時には、本実施の形態では次式（３），（４）に示すような電圧指令Ｖｄ，Ｖｑをｄｑ-２相電圧変換部４０４に入力し、３相インバータ２１を回生制御する。ここで、ｒはモータ線全体の巻き線抵抗、Ｋeは逆起電力定数、ωモータの角周波数である。
Ｖｄ＝０ …（３）
Ｖｑ＝ｒ×Ｉｑ＋Ｋe×ω …（４）

回生制御によりモータ１３による発電が行われると、モータ１３からインバータ側に電流が戻ってきてインバータ電圧（３相インバータ２１の直流ライン側の電圧）が上昇する。そして、インバータ電圧が所定値に上昇するとスイッチ素子２５を導通状態とし、ブレーキ抵抗２４に電流を流して電力を消費させる。ブレーキ動作時に、インバータ電圧がモータ１３の発電により上がり過ぎてコントローラ１Ｂを構成する電子部品の定格電圧を超過してしまうと、それらを破損してしまうおそれがある。そのため、インバータ電圧が上がり過ぎないように、インバータ電圧をモニタしながらｑ軸電流Ｉqを制御するようにしている。

本実施の形態では上述したように電圧指令ＶｄをＶd＝０と設定する点が特徴であるが、従来は、式（１），（２）に従ってｑ軸電流Ｉqを制御してブレーキ動作を行うのが一般的である。式（１），（２）におけるパラメータＫe，ｒ，Ｌは実機のモータ１３の値に現合調整される。しかしながら、パラメータＫe，Ｌは、モータ１３の回転速度ωに応じて変化するという特性を有している。そのため、式（１），（２）では一定値とみなしているパラメータＫe，Ｌの値が実際にはｑ軸電流Ｉｑの制御に伴って変化し、インバータ電圧が不安定に変化することになる。

図３は、式（１），（２）に基づいてブレーキ動作を行った場合のインバータ電圧の一例を示す図である。ｔ＝ｔ１においてブレーキ動作を開始する。パラメータＫe，Ｌの値が回転速度ωに応じて変化するために下記（ａ）〜（ｄ）の処理が繰り返されることになり、図３に示すような電圧波形となる。
（ａ）インバータ電圧を上げるためにｑ軸電流Ｉｑ＝−｜Ｉｑ｜の値｜Ｉｑ｜を増加させる。｜Ｉｑ｜が小さいと電圧指令Ｖｄも小さく回生効率が悪い（ｔ＝ｔ２）。
（ｂ）インバータ電圧を上げるためにさらに｜Ｉｑ｜を増加させると、電圧指令Ｖｄが大きくなり回生効率が良くなる（ｔ＝ｔ３）。
（ｃ）インバータ電圧が急上昇するので（領域Ａ）、過電圧を防止するために｜Ｉｑ｜を小さくする。
（ｄ）領域Ｂに示すようにインバータ電圧が減少する。

図３において、インバータ電圧の増加・減少が繰り返される符号Ｃの区間はブレーキがかかりにくいので、減速時間が延びてしまうことになる。また、インバータ電圧の急上昇に対応しきれない場合、インバータ電圧が電子部品の定格電圧を越えてしまうおそれがあった。

一方、本実施の形態のように式（３）、（４）に基づいてブレーキ制御を行った場合には、インバータ電圧は図４に示すように変化する。ｔ＝ｔ１でブレーキ動作が開始され、ほぼｔ＝ｔ１１からインバータ電圧が増加し始め、ｔ＝１２以後はインバータ電圧が安定する。図３のようなＩq制御におけるインバータ電圧の不安定性は、｜Ｉq｜を増加させたときのＫｅ、Ｌの変化に起因して、電圧指令ベクトル（Ｖｄ，Ｖｑ）の電気角が変動することが原因と考えられる。本実施の形態では、式（３）のようにＶｄ＝０と設定することにより、Ｉｑ制御時の電圧指令ベクトル（Ｖｄ，Ｖｑ）の電気角の変動が防止され、図４に示すような安定したインバータ電圧に制御することが可能となる。その結果、ブレーキ動作時におけるインバータ電圧の過電圧を防止することができると共に、減速時間の短縮を図ることができる。

なお、Ｉｑ制御における電圧指令ベクトル（Ｖｄ，Ｖｑ）の電気角の変動を防止する方法としては、より一般的に、（Ｖｄ，Ｖｑ）のｄ軸成分Ｖｄとｑ軸成分Ｖｑとの比を「Ｖｄ/Ｖｑ＝一定」のように設定しても良い。これは、式（３）に代えて、Ｄ＝定数を使用した次式（５）を用いることを意味する。電圧指令Ｖｄ＝０の設定は、Ｄ＝０とした場合に対応する。
Ｖｄ＝Ｄ×（ｒ×Ｉｑ＋Ｋe×ω） …（５）

上述した例示的な実施の形態および変形例は、以下の態様の具体例であることが当業者により理解される。

［１］一態様に係る真空ポンプは、ポンプロータと、ポンプロータを回転駆動するモータと、モータを制御するモータ制御部と、モータのブレーキ動作時に発生する回生電力を消費するブレーキ抵抗と、を備える真空ポンプにおいて、モータ制御部は、ブレーキ動作時の電圧指令ベクトルを、前記電圧指令ベクトルのｄ軸成分とｑ軸成分との比が一定となるように設定する。電圧指令ベクトルのｄ軸成分とｑ軸成分との比を一定に設定することにより、Ｉｑ制御時の電圧指令ベクトル（Ｖｄ，Ｖｑ）の電気角の変動が防止され、安定したインバータ電圧に制御することが可能となる。その結果、ブレーキ動作時におけるインバータ電圧の過電圧を防止することができると共に、減速時間の短縮を図ることができる。

［２］上記［１］に記載の真空ポンプにおいて、前記モータ制御部は、前記電圧指令ベクトルのｄ軸成分をブレーキ動作時に、Ｖｄ＝Ｄ×（ｒ×Ｉｑ＋Ｋe×ω）に設定しても良い。ここで、Ｋeは逆起電力定数、ｒはモータ線全体の巻線抵抗、ωはモータの角周波数、Ｄは定数である。ブレーキ動作時のＶｑはＶｑ＝ｒ×Ｉｑ＋Ｋe×ωのように制御されるので、Ｖｄ＝Ｄ×（ｒ×Ｉｑ＋Ｋe×ω）と設定することで、電圧指令ベクトルのｄ軸成分とｑ軸成分との比が一定となる。

［３］上記［１］または［２］に記載の真空ポンプにおいて、モータ制御部は、前記電圧指令ベクトルのｄ軸成分をブレーキ動作時にはゼロに設定する。電圧指令ベクトルのｄ軸成分Ｖｄとｑ軸成分Ｖｑとの比を一定に設定する場合には、２つの電圧指令Ｖｄ，Ｖｑを「Ｖｄ/Ｖｑ＝一定」を満たすように調整する必要があるが、ここでは電圧指令ＶｄをＶｄ＝０としてしまうので、制御がより簡単になる。

［４］上記［１］から［３］のいずれか一項に記載の真空ポンプにおいて、前記モータ制御部は、前記電圧指令ベクトルのｑ軸成分をブレーキ動作時にＶｑ＝ｒ×Ｉｑ＋Ｋe×ωに設定するようにしても良い。

上記では、種々の実施の形態および変形例を説明したが、本発明はこれらの内容に限定されるものではない。本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の態様も本発明の範囲内に含まれる。

１…真空ポンプ、１Ａ…ポンプ本体、１Ｂ…コントローラ、１０…ポンプロータ、１１…回転軸、１３…モータ、２１…３相インバータ、２２…制御部、２４…ブレーキ抵抗、２５…スイッチング素子、２２１…モータ制御部、Ｉｄ…ｄ軸電流、Ｉｑ…ｑ軸電流、Ｖｄ，Ｖｑ…電圧指令

Claims

ポンプロータと、
前記ポンプロータを回転駆動するモータと、
前記モータを制御するモータ制御部と、
前記モータのブレーキ動作時に発生する回生電力を消費するブレーキ抵抗と、を備え、
前記モータ制御部は、ブレーキ動作時の電圧指令ベクトルを、前記電圧指令ベクトルのｄ軸成分とｑ軸成分との比が一定となるように設定する、真空ポンプ。
請求項１に記載の真空ポンプにおいて、
前記モータ制御部は、前記電圧指令ベクトルのｄ軸成分をブレーキ動作時に、Ｖｄ＝Ｄ×（ｒ×Ｉｑ＋Ｋe×ω）に設定する、真空ポンプ。ここで、Ｋeは逆起電力定数、ｒはモータ線全体の巻線抵抗、ωはモータの角周波数、Ｄは定数である。
請求項１または２に記載の真空ポンプにおいて、
前記モータ制御部は、前記電圧指令ベクトルのｄ軸成分をブレーキ動作時にはゼロに設定する、真空ポンプ。
請求項１から３のいずれか一項に記載の真空ポンプにおいて、
前記モータ制御部は、前記電圧指令ベクトルのｑ軸成分をブレーキ動作時にＶｑ＝ｒ×Ｉｑ＋Ｋe×ωに設定する、真空ポンプ。