磁性軸承裝置及真空泵的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明關(guān)于一種磁性軸承裝置及真空泵，可以獲得基本上無尖峰噪聲影響的磁懸浮信息。磁性軸承裝置包括：多個(gè)激磁放大器，將重疊有傳感器載波信號的電磁鐵電流供給至各磁軸承電磁鐵；及控制部，對來自多個(gè)電流傳感器的電流檢測信號、及將與一對磁軸承電磁鐵相關(guān)的一對電流檢測信號相加所得的和信號進(jìn)行模擬數(shù)字采樣，而取得磁懸浮信息，基于磁懸浮信息而對激磁放大器進(jìn)行脈寬調(diào)制控制；且以使脈寬調(diào)制載波信號的接通占空比區(qū)間(Ton)的長度一直比規(guī)定時(shí)間范圍(Td)更長的方式進(jìn)行脈寬調(diào)制控制。由此，通過在從接通占空比區(qū)間(Ton)的開始時(shí)間起經(jīng)過規(guī)定時(shí)間(Td)之后進(jìn)行模擬數(shù)字采樣，而可以取得基本上無尖峰噪聲影響的磁懸浮信息。
【專利說明】磁性軸承裝置及真空泵
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種具有致動(dòng)(actuating)功能及傳感(sensing)功能的磁性軸承裝置，以及包括所述磁性軸承裝置的真空泵(vacuum pump)。
【背景技術(shù)】
[0002]關(guān)于搭載著磁性軸承裝置的真空泵，為了實(shí)現(xiàn)小型化(compact)、廉價(jià)化及可靠性提升，已知有一種構(gòu)成，不設(shè)置旋轉(zhuǎn)體的懸浮位移檢測用的位置傳感器(sensor)，而是使產(chǎn)生懸浮控制力的電磁鐵除具有以往的致動(dòng)功能以外還兼具傳感功能(例如，參照專利文獻(xiàn)I)。
[0003]以往,在磁性軸承裝置中，通過對電磁鐵線圈施加來自脈寬調(diào)制(Pulse WidthModulation, PWM)放大器(amplifier)的切換(switching)電壓,而供給激磁電流。在具有致動(dòng)功能及傳感功能的磁性軸承裝置中，通過檢測電磁鐵電流而取得旋轉(zhuǎn)體的懸浮位置信息。當(dāng)進(jìn)行切換時(shí)，電磁鐵電流會(huì)產(chǎn)生起因于浪涌電壓(surge voltage)等的尖峰狀(spike)的噪聲(noise),因此專利文獻(xiàn)I中記載的磁性軸承裝置在電壓切換的中間點(diǎn)規(guī)定電流的采樣時(shí)間(sample timing)。
[0004]然而，當(dāng)在PWM控制下接通占空比(on duty)接近O %或接近100%時(shí),在切換噪聲充分衰減之前便到了下一切換時(shí)間。在這種情況下，即便在電壓切換的中間點(diǎn)進(jìn)行采樣(sampling),也無法避免切換噪聲對采樣的影響。
[0005]【背景技術(shù)】文獻(xiàn)
[0006]專利文獻(xiàn)
[0007]專利文獻(xiàn)1:日本專利特開2009-275740號公報(bào)
【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的在于提供一種磁性軸承裝置及真空泵，可以獲得基本上無尖峰噪聲影響的磁懸浮信息。
[0009]本發(fā)明的目的是采用以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的。本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式的磁性軸承裝置包括:一對電磁鐵，針對多個(gè)控制軸的每一個(gè)而設(shè)置，且相對于旋轉(zhuǎn)軸而對向配置；多個(gè)激磁放大器，對施加至各電磁鐵的電壓進(jìn)行PWM控制，且將重疊有用來偵測旋轉(zhuǎn)軸的懸浮位置變化的傳感器載波信號(carrier signal)的電磁鐵電流供給至各電磁鐵；多個(gè)電流傳感器，檢測電磁鐵電流；及控制部，對來自多個(gè)電流傳感器的電流檢測信號、及將與一對電磁鐵相關(guān)的一對電流檢測信號相加所得的和信號進(jìn)行模擬數(shù)字(Analog-to-Digital，AD)采樣，而取得旋轉(zhuǎn)軸的磁懸浮信息，基于磁懸浮信息而對激磁放大器進(jìn)行PWM控制；且控制部是以使PWM載波信號的接通占空比(on duty)區(qū)間或斷開占空比(off duty)區(qū)間的長度一直比基于電磁鐵電流中產(chǎn)生的尖峰噪聲的衰減特性所得的規(guī)定時(shí)間范圍更長的方式進(jìn)行PWM控制，且在從接通占空比區(qū)間或斷開占空比區(qū)間的開始時(shí)間起經(jīng)過規(guī)定時(shí)間范圍之后進(jìn)行AD采樣。[0010]本發(fā)明的目的還可采用以下技術(shù)措施進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)。
[0011]而且，在優(yōu)選實(shí)施方式中，針對電流檢測信號包括具有比PWM載波頻率更高的帶域的低通濾波器(low-pass filter),且控制部對通過低通濾波器后的電流檢測信號進(jìn)行AD采樣。
[0012]此外,優(yōu)選為包括從和信號中去除直流成分的高通濾波器(high-pass filter),且控制部對通過高通濾波器后的和信號進(jìn)行AD采樣。
[0013]在更優(yōu)選的實(shí)施方式中，將PWM載波信號的頻率fpwm、傳感器載波信號的頻率fc、及AD采樣的頻率fs設(shè)定為整數(shù)倍的關(guān)系，且控制部同時(shí)總括地對與多個(gè)電磁鐵的每一個(gè)相關(guān)的多個(gè)電流檢測信號及和信號進(jìn)行AD采樣。
[0014]此外,優(yōu)選以fpwm>fs>fc的方式進(jìn)行設(shè)定。
[0015]本發(fā)明的目的還采用以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的。本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式的真空泵包括:泵轉(zhuǎn)子(pump rotor),形成有排氣功能部；電動(dòng)機(jī)(motor),對泵轉(zhuǎn)子進(jìn)行旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)；及所述磁性軸承裝置，對泵轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)軸進(jìn)行磁懸浮支撐。
[0016]借由上述技術(shù)方案，本發(fā)明的磁性軸承裝置及真空泵至少具有下列優(yōu)點(diǎn)及有益效果:根據(jù)本發(fā)明，可以獲得基本上無尖峰噪聲影響的磁懸浮信息。
[0017]上述說明僅是本發(fā)明技術(shù)方案的概述，為了能夠更清楚了解本發(fā)明的技術(shù)手段，而可依照說明書的內(nèi)容予以實(shí)施，并且為了讓本發(fā)明的上述和其他目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能夠更明顯易懂，以下特舉較佳實(shí)施例，并配合附圖，詳細(xì)說明如下。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1是表示真空泵的概略構(gòu)成的圖。
[0019]圖2是表示控制單元的概略構(gòu)成的框圖。
[0020]圖3是表示磁軸承67、68所包括的針對一軸所設(shè)的磁軸承電磁鐵45的示意圖。[0021 ] 圖4是表示激磁放大器43的構(gòu)成的圖。
[0022]圖5是表示激磁放大器43的施加電壓(線LI)及電磁鐵線圈中流動(dòng)的電流(線L2)的一例的圖。
[0023]圖6是圖5的符號B所示的部分的放大圖。
[0024]圖7是控制部44的磁軸承控制的針對一軸的功能框圖。
[0025]圖8(a)、圖8(b)是表不電流檢測信號Ip、Im中所包含的尖峰噪聲C、與柵極信號及檢測時(shí)間的關(guān)系的圖。
[0026]圖9是表示各軸的柵極信號與總括提取的時(shí)間的示意圖。
[0027]圖10是表示在斷開占空比區(qū)間Toff進(jìn)行信號提取的情況下的各軸的柵極信號與總括提取的時(shí)間的示意圖。
[0028]圖11是表示控制部44中的作為同步化組件的時(shí)鐘電路420的構(gòu)成的框圖。
[0029]圖12是對電壓Vp、Vm、電流Ip、Im及信號的提取時(shí)間進(jìn)行說明的圖。
[0030]圖13是對濾波器的影響進(jìn)行說明的圖。
[0031]圖14是對使用帶通濾波器的以往的濾波器構(gòu)成進(jìn)行說明的圖。
[0032]圖15是對信號延遲、對提取時(shí)間的影響進(jìn)行說明的圖，且表示低通濾波器的帶域合適的情況。[0033]圖16是對信號延遲、對提取時(shí)間的影響進(jìn)行說明的圖，且表示低通濾波器的帶域在低頻側(cè)寬廣而不合適的情況。
[0034]【主要元件符號說明】
[0035]1:泵單元4:泵轉(zhuǎn)子
[0036]4a:旋轉(zhuǎn)葉片4b:圓筒部
[0037]5:軸40:DC 電源
[0038]41:逆變器42:電動(dòng)機(jī)
[0039]42a:電動(dòng)機(jī)定子42b:電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子
[0040]43:激磁放大器44:控制部
[0041]45:磁軸承電磁鐵55:轉(zhuǎn)子盤
[0042]60:基座60a:排氣口
[0043]61:泵殼61a:抽氣口
[0044]61b:卡止部61c:固定凸緣
[0045]62:固定葉片63:間隔環(huán)
[0046]64:螺紋定子65:排氣埤
[0047]66a、66b:機(jī)械軸承67~69:磁軸承
[0048]10ΙΑ、IOlB:電流傳感器400:AD轉(zhuǎn)換器
[0049]401p、401m:柵極信號產(chǎn)生部
[0050]403、404:低通濾波器405:高通濾波器
[0051]406:信號處理運(yùn)算部407:磁懸浮控制器
[0052]408p、408m:限流電路409p、409m:信號處理運(yùn)算部
[0053]410p、410m:放大控制器411:傳感器載波產(chǎn)生電路
[0054]412p、412m:PWM 運(yùn)算部420:時(shí)鐘電路
[0055]441:PWM 控制信號
[0056]442:與關(guān)于電動(dòng)機(jī)的相電壓及相電流相關(guān)的信號
[0057]443:PWM柵極驅(qū)動(dòng)信號444:電磁鐵電流信號
[0058]4201~4203:分頻電路BPF:帶通濾波器
[0059]Bffl:傳感器載波頻帶域BW2:懸浮控制成分的帶域
[0060]BW3:偏置成分的帶域BW4:PWM載波成分的帶域
[0061]BW5:噪聲成分的帶域BWlO:比PWM載波頻率更高的頻率
[0062]Bffll:低頻率范圍
[0063]Bff (BPF):受帶通濾波器所引起的延遲影響的帶域
[0064]C:尖峰噪聲d:位移
[0065]D10、D11:二極管E:位移信號調(diào)制帶域
[0066]fc:傳感器載波頻率fpwm:P麗載波頻率
[0067]fs:采樣頻率G:柵極信號
[0068]Ip、Im:電磁鐵電流J:懸浮中心軸
[0069]L1、L2、L20、L21:線η:當(dāng)前周期
[0070]η-1:前一次周期R:旋轉(zhuǎn)體單元[0071]SW10、SW11:開關(guān)元件t:時(shí)間
[0072]T:提取時(shí)間Ta:可提取區(qū)間
[0073]Td:衰減時(shí)間Tmin:提取最小區(qū)間
[0074]Toff:斷開占空比區(qū)間Ton:接通占空比區(qū)間
[0075]AToff:最小斷開占空比區(qū)間ΛΤοη:最小接通占空比區(qū)間
[0076]Vp、Vm:電壓
【具體實(shí)施方式】
[0077]為更進(jìn)一步闡述本發(fā)明為達(dá)成預(yù)定發(fā)明目的所采取的技術(shù)手段及功效，以下結(jié)合附圖及較佳實(shí)施例，對依據(jù)本發(fā)明提出的一種磁性軸承裝置及真空泵的【具體實(shí)施方式】、結(jié)構(gòu)、特征及其功效，詳細(xì)說明如后。
[0078]以下，參照附圖對用來實(shí)施本發(fā)明的方式進(jìn)行說明。圖1是對本實(shí)施方式的真空泵的概略構(gòu)成進(jìn)行說明的圖，且表示磁懸浮式潤輪分子泵(turbo molecular pump)的泵單元(pump unit) I的剖面的構(gòu)成。渦輪分子泵包括圖1所示的泵單元1、及對泵單元I進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的控制單元(control unit)(未圖示)。
[0079]泵單元I包括:渦輪泵段，由旋轉(zhuǎn)葉片4a與固定葉片62構(gòu)成；及牽引泵(dragpump)段(螺紋槽泵(thread groove pump)),由圓筒部 4b 與螺紋定子(screw stator) 64構(gòu)成。這里，在螺紋定子64側(cè)形成著螺紋槽，但也可以在圓筒部4b側(cè)形成螺紋槽。作為旋轉(zhuǎn)側(cè)排氣功能部的旋轉(zhuǎn)葉片4a及圓筒部4b形成在泵轉(zhuǎn)子4上。泵轉(zhuǎn)子4緊固在軸(shaft) 5上。由泵轉(zhuǎn)子4與軸5構(gòu)成旋轉(zhuǎn)體單元R。
[0080]多段固定葉片62在軸方向上與旋轉(zhuǎn)葉片4a交替配置。各固定葉片62隔著間隔環(huán)(spacer ring) 63而載置在基座(base) 60上。如果用螺釘(bolt)將泵殼(pump casing) 61的固定凸緣(flange)61c固定在基座60上,那么層疊的間隔環(huán)63夾在基座60與泵殼61的卡止部61b之間，而定位固定葉片62。
[0081]軸5由設(shè)置在基座60上的磁軸承67、68、69非接觸支撐。如后所述，磁軸承67、68、69是基于重疊著傳感器載波成分的電磁鐵電流而推定懸浮位置的變化的自傳感(self-sensing)的磁軸承。另外，構(gòu)成軸方向的磁軸承69的電磁鐵是以在軸方向上夾持設(shè)置在軸5的下端的轉(zhuǎn)子盤(rotor disc) 55的方式而配置。軸5由電動(dòng)機(jī)42旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)。
[0082]電動(dòng)機(jī)42是同步電動(dòng)機(jī),在本實(shí)施方式中使用直流無刷電動(dòng)機(jī)(DC brushlessmotor)。電動(dòng)機(jī)42包括配置在基座60上的電動(dòng)機(jī)定子42a、及設(shè)置在軸5上的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子42b。在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子42b上設(shè)置著永久磁鐵。當(dāng)磁軸承未運(yùn)作時(shí)，軸5由非常用的機(jī)械軸承(mechanical bearing) 66a、66b 支撐。
[0083]在基座60的排氣口 60a設(shè)置著排氣埠(port) 65，在所述排氣埠65上連接著后置泵(back pump)。通過一邊使旋轉(zhuǎn)體單元R磁懸浮一邊由電動(dòng)機(jī)42進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng),而將抽氣口 61a側(cè)的氣體分子向排氣埠65側(cè)排氣。
[0084]圖2是表示控 制單元的概略構(gòu)成的框圖。由設(shè)置在控制單元的直流(DC)電源40將來自外部的交流(AC)輸入從交流轉(zhuǎn)換為直流。DC電源40分別產(chǎn)生逆變器(inverter) 41用電源、激磁放大器43用電源、控制部44用電源。
[0085]對電動(dòng)機(jī)42供給電流的逆變器41中包括多個(gè)開關(guān)元件。通過由控制部44控制這些開關(guān)元件的接通或斷開，而驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)42。
[0086]圖2所不的10個(gè)磁軸承電磁鐵45表不設(shè)置在各磁軸承67、68、69的磁軸承電磁鐵。圖1所示的渦輪分子泵中所使用的磁軸承是五軸控制型磁軸承，徑方向的磁軸承67、68分別是兩軸的磁軸承，且分別包括兩對(四個(gè))磁軸承電磁鐵45。另外，軸方向的磁軸承69是一軸的磁軸承，且包括一對(兩個(gè))磁軸承電磁鐵45。對磁軸承電磁鐵45供給電流的激磁放大器43針對10個(gè)磁軸承電磁鐵45的每一個(gè)而設(shè)置，從而控制單元中包括共10個(gè)激磁放大器43。
[0087]對電動(dòng)機(jī)42的驅(qū)動(dòng)及磁軸承的驅(qū)動(dòng)進(jìn)行控制的控制部44，例如由現(xiàn)場可編程門陣列(Field Programmable Gate Array, FPGA)等數(shù)字運(yùn)算器與其外圍電路構(gòu)成?？刂撇?4對逆變器41輸出用來對設(shè)置在逆變器41的多個(gè)開關(guān)元件進(jìn)行接通或斷開控制的PWM控制信號441，且對各激磁放大器43分別輸出用來對各激磁放大器43中所包含的開關(guān)元件進(jìn)行接通或斷開控制的PWM柵極(gate)驅(qū)動(dòng)信號443。而且，如后所述，對控制部44輸入與關(guān)于電動(dòng)機(jī)42的相電壓及相電流相關(guān)的信號442、及與磁軸承相關(guān)的電磁鐵電流信號444。
[0088]圖3是表示磁軸承67、68所包括的針對控制軸的一軸所設(shè)的磁軸承電磁鐵45的示意圖。兩個(gè)磁軸承電磁鐵45是以隔著懸浮中心軸(懸浮目標(biāo)位置)J的方式對向配置。如上所述，針對各磁軸承電磁鐵45分別設(shè)置著激磁放大器43。圖3中，將靠近P側(cè)(圖示右側(cè))的磁軸承電磁鐵45的位移d設(shè)為正。將位移為負(fù)側(cè)的磁軸承電磁鐵45稱為M側(cè)的磁軸承電磁鐵45。
[0089](電磁鐵電流Ip、Im的說明)
[0090]在本實(shí)施方式的五軸控制型磁軸承中，各磁軸承電磁鐵45的電磁鐵電流如果按功能分成分，那么包含偏置電流(bias current) ib、懸浮控制電流ic及位置檢測用傳感器載波成分的電流is。如果將P側(cè)的磁軸承電磁鐵45中流動(dòng)的電流設(shè)為Ip，將M側(cè)的磁軸承電磁鐵45中流動(dòng)的電流設(shè)為Im，那么如下述式(I)所示。isp為P側(cè)的傳感器載波成分，ism為M側(cè)的傳感器載波成分。其中，isp與ism的振幅的符號相反。
[0091]Ip=ib+ic+isp
[0092]Im=ib-1c+ism...(I)
[0093]偏置電流ib為直流或極低的頻帶，用于與作用于旋轉(zhuǎn)體單元R的重力的抗衡力、懸浮力的線性改善、位移傳感的偏置用途。
[0094]懸浮控制電流ic是用于使軸5 (也就是旋轉(zhuǎn)體單元R)懸浮在規(guī)定位置的控制力用途的電流。懸浮控制電流ic根據(jù)懸浮位置的變動(dòng)而變化，因此所述懸浮控制電流ic的頻帶為直流至IkHz左右。
[0095]傳感器載波成分is是用于軸5的懸浮位置位移(也就是旋轉(zhuǎn)體單元R的懸浮位置位移)的檢測的電流成分。為了盡量抑制懸浮控制力的影響，傳感器載波成分is通常使用數(shù)kHz?幾十kHz (IkHz《fc ((IOOkHz)的頻帶內(nèi)的頻率。
[0096]通常，在工業(yè)用途的磁軸承中，應(yīng)用電壓控制型的PWM放大器作為激磁放大器43。也就是說，通過對施加至磁軸承電磁鐵45的電磁鐵線圈的電壓進(jìn)行控制，而進(jìn)行電磁鐵電流的控制。
[0097]施加至電磁鐵線圈的電壓Vp、Vm內(nèi)的傳感器載波成分vsp、vsm因?yàn)槭欠謩e以相反的相位施加的，所以如下述式(2)所示。其中，《c=2Jifc，fc為傳感器載波頻率。而且，t為時(shí)間，V為固定振幅值。
[0098]vsp=-v X sin (ω c X t)
[0099]vsm=v X sin (ω c X t)...(2)
[0100]另外，因?yàn)榇泡S承電磁鐵45與軸5之間的間隙(gap)(參照圖3)與電磁鐵線圈的電感(inductance)成反比,所以關(guān)于P側(cè)電磁鐵線圈及M側(cè)電磁鐵線圈的電感Lp、Lm,下述式(3)成立。另外，D為軸5位于懸浮中心軸(懸浮目標(biāo)位置)時(shí)的間隙，d為距懸浮目標(biāo)位置的位移。A為常數(shù)。
[0101]I / Lp=AX (D-d)
[0102]I / Lm = AX (D+d)...(3)
[0103]關(guān)于傳感器載波成分，在施加至電磁鐵線圈的電壓與電磁鐵線圈中流動(dòng)的電流之間有下述式(4)所示的關(guān)系。其中，忽略線圈電阻。
[0104]vsp=LpXd(isp) / dt
[0105]Vsm=LmXd(ism) / dt...(4)
[0106]根據(jù)所述式⑵、式(3)、式(4)，電磁鐵線圈中流動(dòng)的電流的傳感器載波成分isp、ism如下述式(5)所示。另外，B=vXA / ω Co如上所述，隨位移d的時(shí)間變化對傳感器載波成分isp、ism進(jìn)行振幅調(diào)制。另一方面，因?yàn)槠秒娏鱥b、懸浮控制電流ic的頻率低，所以可以忽略位移變動(dòng)的影響。
[0107]isp=_vX sin (ω c X t_ π / 2) / (ω c X Lp) =_Β (D_d) X sin (ω c X t_ π / 2)
[0108]ism=vX sin (ω c X t_ π / 2) / (ω c X Lm) =B (D+d) X sin (ω c X t_ π / 2)...(5)
[0109]綜合以上的結(jié)果，如果檢測出傳感器載波成分isp、ism，那么獲得位移d的信息。P側(cè)及M側(cè)的磁軸承電磁鐵45中流動(dòng)的總電流Ip、Im如下述式(6)所示。
[0110]Ip=ib+ic_B (D_d) X sin (ω c X t_ π / 2)
[0111]Im=ib_ic+B(D+d)X sin(ωcXt_π / 2)...(6)
[0112]( 二象限激磁放大器的說明)
[0113]圖4是表示對應(yīng)各磁軸承電磁鐵45而設(shè)置的激磁放大器43的構(gòu)成的圖。激磁放大器43是將兩個(gè)由串聯(lián)的開關(guān)元件與二極管(diode)串聯(lián)而成的組件進(jìn)一步并聯(lián)而成。磁軸承電磁鐵45連接在開關(guān)元件SWlO及二極管DlO的中間、與開關(guān)元件SWll及二極管Dll的中間之間。
[0114]從控制部44對開關(guān)元件SW10、Sffll輸入用來控制偏置電流ib、懸浮控制電流ic及傳感器載波成分is的PWM控制信號(圖2的PWM柵極驅(qū)動(dòng)信號443)作為柵極信號(柵極驅(qū)動(dòng)電壓)。開關(guān)元件SW10、SW11同時(shí)進(jìn)行接通或斷開，當(dāng)兩開關(guān)元件均接通時(shí)，電流(所述電流Ip、Im)如實(shí)線箭頭所示那樣流動(dòng)，當(dāng)兩開關(guān)元件均斷開時(shí)，電流(所述電流Ip、Im)如虛線箭頭所示那樣流動(dòng)。接通時(shí)的電流值由電流傳感器IOlA測量，斷開時(shí)的電流值由電流傳感器IOlB測量。電流傳感器101A、101B中例如使用分流電阻器(shunt resistor),且將分流電阻器的電壓用作電流檢測信號。電流檢測信號被輸入至控制部44。
[0115]圖5是表示激磁放大器43對電磁鐵線圈的施加電壓(線LI)及電磁鐵線圈中流動(dòng)的電流(線L2)的一例的圖。如果使兩個(gè)開關(guān)元件SW10、SWll接通，那么電壓被施加至電磁鐵線圈，從而電流增加。另外，如果使開關(guān)元件SW10、SW11斷開，那么通過二極管D10、Dll的導(dǎo)通而對電磁鐵線圈施加反向電壓，從而電流減少。因此，電流線L2表示在PWM載波一周期內(nèi)的電流的增加及減少、與周期更長的正弦波式變化這兩方面。所述正弦波式變化相當(dāng)于傳感器載波成分的變化。
[0116]圖6是圖5的符號B所示的部分的放大圖。可知當(dāng)將開關(guān)元件SWlO、SWlI從接通狀態(tài)(上升線)切換為斷開狀態(tài)(下降線)時(shí)、及當(dāng)從斷開狀態(tài)(下降線)切換為接通狀態(tài)(上升線)時(shí)，產(chǎn)生起因于浪涌電壓等的尖峰狀的噪聲C。在以往的磁性軸承裝置中，所述噪聲成分的影響會(huì)導(dǎo)致位移檢測時(shí)的信噪(Signal-to-Noise，S / N)比下降。因此，在本實(shí)施方式中，為了抑制磁軸承控制時(shí)的噪聲成分的影響，而進(jìn)行以下所說明的控制。
[0117]圖7是控制部44的磁軸承控制的功能框圖，且針對控制軸五軸內(nèi)的一軸予以表示。以下，首先說明控制整體的概略，之后對用來抑制噪聲影響的構(gòu)成進(jìn)行說明。
[0118]如上所述，針對控制軸的一軸設(shè)置著一對(P側(cè)及M側(cè))磁軸承電磁鐵45，且針對各磁軸承電磁鐵45分別設(shè)置著激磁放大器43。從10個(gè)激磁放大器43分別輸出電流檢測信號。以下，考慮將一個(gè)磁軸承電磁鐵45視為一軸，將與10個(gè)磁軸承電磁鐵45相關(guān)的控制視為與10軸相關(guān)的控制。
[0119]控制部44的柵極信號產(chǎn)生部401p產(chǎn)生用來驅(qū)動(dòng)P側(cè)的激磁放大器43的開關(guān)元件的柵極信號。同樣，柵極信號產(chǎn)生部401m產(chǎn)生用來驅(qū)動(dòng)M側(cè)的激磁放大器43的開關(guān)元件的柵極信號。如果基于柵極信號對各激磁放大器43的開關(guān)元件進(jìn)行接通或斷開控制，那么會(huì)對磁軸承電磁鐵45的電磁鐵線圈施加電壓，流動(dòng)所述電流Ip、Im。從P側(cè)的激磁放大器43的電流傳感器101AU01B輸出P側(cè)的磁軸承電磁鐵45中流動(dòng)的電流Ip的電流檢測信號(以與電流相同的Ip表不)。另一方面，從M側(cè)的激磁放大器43的電流傳感器101A、IOlB輸出M側(cè)的磁軸承電磁鐵45中流動(dòng)的電流Im的電流檢測信號(以與電流相同的Im表不)。
[0120]從電流傳感器101A、101B輸出的電流檢測信號Ip、Im分別經(jīng)由低通濾波器403、404而輸入至AD轉(zhuǎn)換器(converter) 400。而且,經(jīng)由高通濾波器405對AD轉(zhuǎn)換器400輸入通過低通濾波器403、404后的電流檢測信號Ip、Im的和信號(Ip+Im)。因?yàn)殡娏鳈z測信號Ip、Im可以如式(6)所示那樣表示，所以和信號(Ip+Im)可以由下述式(7)表示。另外，這些信號對應(yīng)于圖2的電磁鐵電流信號444。AD轉(zhuǎn)換器400以采樣頻率fs提取電流檢測信號Ip、Im及和信號(Ip+Im)。
[0121]Ip+Im=2 X ib+2 XBX dX sin (ω c X t_ π / 2)...(7)
[0122]之后再對低通濾波器403、404及高通濾波器405的詳細(xì)內(nèi)容進(jìn)行敘述，如果使電流檢測信號Ip、Im通過低通濾波器403、404，那么高頻率的噪聲成分被去除。而且，如果使和信號(Ip+Im)通過高通濾波器405，那么和信號(Ip+Im)中所包含的偏置成分(2Xib)被去除。
[0123]經(jīng)AD轉(zhuǎn)換器400采樣的和信號(Ip+Im)被輸入至信號處理運(yùn)算部406。信號處理運(yùn)算部406基于采樣數(shù)據(jù)(sampling data)對軸5的位移信息進(jìn)行運(yùn)算。在磁懸浮控制器407中，基于來自信號處理運(yùn)算部406的位移信息，通過比例控制、積分控制及微分控制等而產(chǎn)生懸浮控制電流設(shè)定值。P側(cè)的控制是使用從偏置電流設(shè)定量中減去懸浮控制電流設(shè)定值所得的值，M側(cè)的控制是使用在偏置電流設(shè)定量上加上懸浮控制電流設(shè)定值所得的值。
[0124]此外，分別設(shè)置著限流電路(current limit circuit) 408p、408m,以使得即便在對泵施加了過大的外部干擾等而軸5大幅位移時(shí)，也不會(huì)產(chǎn)生如下情況:相對向的磁軸承電磁鐵45的其中一磁軸承電磁鐵(例如P側(cè))的激磁電流變大,另一磁軸承電磁鐵(在此情況下為M側(cè))的激磁電流成為零，而傳感器載波成分電壓僅施加至單側(cè)。通過設(shè)置限流電路408p、408m，而可以一直對磁軸承電磁鐵45施加傳感器載波電壓。
[0125]另一方面，經(jīng)AD轉(zhuǎn)換器400米樣的電流檢測信號Ip、Im被分別輸入至對應(yīng)的信號處理運(yùn)算部409p、409m。信號處理運(yùn)算部409p、409m基于采樣數(shù)據(jù)對與有助于懸浮控制力的電流成分(偏置電流ib、懸浮控制電流ic)相關(guān)的信息進(jìn)行運(yùn)算。
[0126]信號處理運(yùn)算部409p的運(yùn)算結(jié)果在通過放大控制器410p后，對來自限流電路408p的輸出進(jìn)行減法運(yùn)算處理。而且，將來自傳感器載波產(chǎn)生電路411的傳感器載波成分(V X sin (ω c X t))對所述減法運(yùn)算處理結(jié)果進(jìn)行減法運(yùn)算，基于該減法運(yùn)算結(jié)果而在PWM運(yùn)算部412p中產(chǎn)生PWM控制信號。柵極信號產(chǎn)生部401p基于PWM運(yùn)算部412p中產(chǎn)生的PWM控制信號而產(chǎn)生柵極驅(qū)動(dòng)電壓(柵極信號)。
[0127]另外，信號處理運(yùn)算部409m的運(yùn)算結(jié)果在通過放大控制器410m后，對來自限流電路40Sm的輸出進(jìn)行減法運(yùn)算處理。而且，將來自傳感器載波產(chǎn)生電路411的傳感器載波成分(VXsin(CocXt))對所述減法運(yùn)算處理結(jié)果進(jìn)行加法運(yùn)算，基于該加法運(yùn)算結(jié)果而在PWM運(yùn)算部412m中產(chǎn)生PWM控制信號。柵極信號產(chǎn)生部401m基于PWM運(yùn)算部412m中產(chǎn)生的PWM控制信號而產(chǎn)生柵極驅(qū)動(dòng)電壓。
[0128]接下來，對用來抑制尖峰噪聲影響的構(gòu)成進(jìn)行說明。首先第一，在本實(shí)施方式中，為了抑制尖峰噪聲成分的影響，而即便在軸5的懸浮位置因外部干擾等引起變動(dòng)而PWM占空比發(fā)生變化的情況下，也要確保規(guī)定的最小接通占空比區(qū)間(或最小斷開占空比區(qū)間)。通過確保所述最小接通占空比區(qū)間(或最小斷開占空比區(qū)間)，而可以在PWM載波一周期內(nèi)取得噪聲成分充分衰減的可提取區(qū)間。接著，在所述可提取區(qū)間內(nèi)，將所述電流檢測信號Ip、Im及和信號(Ip+Im)提取至AD轉(zhuǎn)換器400。
[0129]第二，針對10軸全部(10個(gè)激磁放大器43的全部電流檢測信號)，使所述可提取區(qū)間的時(shí)間一致。也就是說，使PWM載波頻率fpwm、電壓上所重疊的傳感器載波頻率fc、及將信號提取至AD轉(zhuǎn)換器400時(shí)的采樣頻率fs以具有整數(shù)倍的關(guān)系(fpwm=nXfc，fs=kXfc)的方式同步化。接著，針對10軸全部而總括地提取至AD轉(zhuǎn)換器400。
[0130]第三，以信號的延遲不會(huì)對AD轉(zhuǎn)換器400的總括提取的時(shí)間產(chǎn)生影響的方式構(gòu)成與要提取至AD轉(zhuǎn)換器400的電流檢測信號Ip、Im及和信號(Ip+Im)相關(guān)的濾波器。
[0131 ](關(guān)于第一構(gòu)成)
[0132]首先，對第一構(gòu)成進(jìn)行說明。通過對開關(guān)元件SWlO、Sffll進(jìn)行PWM控制而控制電流的激磁放大器43是通過改變圖5所示的PWM載波一周期內(nèi)的PWM控制信號的接通占空t匕，而控制電流的增加及減少。因此，例如在開關(guān)元件SW10、SW11接通的區(qū)間(稱為接通占空比區(qū)間)內(nèi)進(jìn)行采樣時(shí)，如果接通占空比區(qū)間非常短，那么切換時(shí)產(chǎn)生的尖峰噪聲在所述區(qū)間內(nèi)未充分地衰減，會(huì)將包含尖峰噪聲影響的信號提取至AD轉(zhuǎn)換器400。在斷開占空比區(qū)間內(nèi)采樣信號時(shí)也同樣，如果斷開占空比區(qū)間非常短，那么采樣取得的信號中包含尖峰噪聲的影響。
[0133]因此，在本實(shí)施方式中，對于接通占空比的持續(xù)時(shí)間，設(shè)定如圖8(a)所示的最小接通占空比區(qū)間ΛΤοη。另一方面，在斷開占空比區(qū)間內(nèi)采樣信號時(shí)，設(shè)定如圖8(b)所示的最小斷開占空比區(qū)間Λ Toff。[0134]圖8(a)、圖8(b)是表示電流檢測信號Ip、Im中所包含的尖峰噪聲C、與柵極信號及檢測時(shí)間的關(guān)系的圖。線L20表示電流檢測信號，符號C所示的部分為尖峰噪聲。圖8(a)表示在接通占空比區(qū)間內(nèi)將電流檢測信號提取至AD轉(zhuǎn)換器400的情況，圖8 (b)表示在斷開占空比區(qū)間內(nèi)將電流檢測信號提取至AD轉(zhuǎn)換器400的情況。在任一情況下，均在線L20的下側(cè)示出兩種柵極信號。
[0135]在圖8(a)的情況下，最小接通占空比區(qū)間ΛΤοη是在尖峰噪聲C的衰減時(shí)間Td上加上用來向AD轉(zhuǎn)換器400進(jìn)行提取的提取最小區(qū)間Tmin而成的區(qū)間(Λ Ton=Td+Tmin)。衰減時(shí)間Td表示從尖峰噪聲產(chǎn)生到噪聲成分衰減且影響不成問題為止的時(shí)間。如果在從施加電壓的上升(柵極信號向高電平(high level)的切換)開始經(jīng)過衰減時(shí)間Td后的提取最小區(qū)間Tmin內(nèi)提取信號，那么可提取基本上無尖峰噪聲影響的信號。在本實(shí)施方式中，當(dāng)進(jìn)行PWM控制時(shí)，以使接通占空比區(qū)間大于最小接通占空比區(qū)間ΛΤοη的方式產(chǎn)生柵極信號。
[0136]將接通占空比的持續(xù)時(shí)間(接通占空比區(qū)間)Ton控制在Λ Ton≤Ton≤Tpwm(PWM載波一周期)的范圍內(nèi)。圖8(a)的上側(cè)的柵極信號表示接通占空比區(qū)間Ton長于最小接通占空比區(qū)間ΛΤοη的情況。另一方面，下側(cè)的柵極信號表示將接通占空比區(qū)間Ton控制為最小而成為Ton=ATon的情況。
[0137]另一方面，圖8(b)的情況的最小斷開占空比區(qū)間AToff也與最小接通占空比區(qū)間ΛΤοη同樣，設(shè)定為AToff=Td+Tmin。另外，電流檢測信號向AD轉(zhuǎn)換器400的提取可以在提取最小區(qū)間Tmin內(nèi)的任一時(shí)間進(jìn)行。最小接通占空比區(qū)間ΔΤοη及最小斷開占空比區(qū)間AToff內(nèi)的衰減時(shí)間Td例如是通過實(shí)際測量尖峰噪聲C的衰減時(shí)間，基于所述實(shí)際測量結(jié)果而得。另外，就PWM控制的控制性的觀點(diǎn)而言，ATofT越小越好，因此提取最小區(qū)間Tmin在由AD轉(zhuǎn)換器400可提取的范圍內(nèi)越小越好。
[0138]在本實(shí)施方式中，因?yàn)橐允筆WM控制時(shí)的接通占空比成為最小接通占空比區(qū)間ΔΤοη以上的方式進(jìn)行控制，所以可確實(shí)地確保不受尖峰噪聲的影響地提取信號的提取最小區(qū)間Tmin。另外，在斷開占空比區(qū)間內(nèi)提取信號的構(gòu)成的情況下，也可以通過對斷開占空比設(shè)定最小斷開占空比區(qū)間Λ Toff，而同樣地確保不受尖峰噪聲的影響地提取信號的提取最小區(qū)間Tmin0
[0139]當(dāng)然，在如圖8(a)的上側(cè)的柵極信號那樣Τοη> Λ Ton的情況下，也可以在提取最小區(qū)間以后提取信號，也就是在從提取最小區(qū)間Tmin到柵極信號被切換為低電平(lowlevel)之間提取信號。圖8(b)的情況也相同。
[0140](關(guān)于第二構(gòu)成)
[0141]接下來，對第二構(gòu)成進(jìn)行說明。所謂10軸全部的可提取區(qū)間的時(shí)間一致，是指如圖9所示那樣對于各激磁放大器43的柵極信號的PWM載波一周期一致。為了如圖9所示那樣使各信號的PWM載波一周期一致，在本實(shí)施方式中，使10軸全部的PWM載波頻率fpwm相同，且進(jìn)行同步化。
[0142]圖9是示意性地表示各軸的柵極信號與總括提取的時(shí)間的圖。另外，圖9中，僅示出與10軸(10個(gè)柵極信號)內(nèi)的磁軸承67的X軸方向上所配置的一對磁軸承電磁鐵45 (67xp)、45 (67xm)及磁軸承69的z軸方向上所配置的一對磁軸承電磁鐵45 (69p)、45 (69m)相關(guān)的柵極信號。[0143]對各激磁放大器43分別輸入如圖9所示的柵極信號，從而同樣的矩形波電壓被施加至各磁軸承電磁鐵45。結(jié)果，在各施加電壓的上升時(shí)分別產(chǎn)生具有寬范圍的頻率成分的尖峰噪聲C。各柵極信號的虛線所示的區(qū)間表示各尖峰噪聲C的衰減區(qū)間，最上段所示的線L20的尖峰噪聲C表示磁軸承電磁鐵45 (67xm)的電流中產(chǎn)生的尖峰噪聲。
[0144]圖9所示的例表示10軸內(nèi)對于磁軸承電磁鐵45 (67xm)的柵極信號的接通占空比區(qū)間最短的情況。因?yàn)榻油ㄕ伎毡葏^(qū)間Ton被設(shè)定為最小接通占空比區(qū)間ΛΤοη以上，所以可以在經(jīng)過衰減時(shí)間Td后到各接通占空比區(qū)間Ton的右端為止的可提取區(qū)間Ta內(nèi)，總括地提取10軸的信號(從10個(gè)激磁放大器43輸出的信號)。
[0145]在磁軸承電磁鐵45 (67xm)的柵極信號的情況下，因?yàn)門on=ATon,所以Ta=Tmin。另外，在接通占空比區(qū)間如圖9的磁軸承電磁鐵45(69p)的柵極信號那樣的情況下，可提取區(qū)間Ta為TaXTmin。如上所述，在本實(shí)施方式中，因?yàn)樵诋a(chǎn)生尖峰噪聲C后經(jīng)過比衰減時(shí)間Td更長的時(shí)間之后提取信號，所以提取的任一信號均為基本上無噪聲影響的信號。
[0146]圖10是在斷開占空比區(qū)間Toff內(nèi)進(jìn)行信號的提取的情況且對應(yīng)于圖9的圖。在此情況下，也由斷開占空比區(qū)間Toff最短的磁軸承電磁鐵45(67xm)的柵極信號來決定提取時(shí)間。也就是說，針對磁軸承電磁鐵45(67xm)的柵極信號，在從斷開占空比區(qū)間Toff的開始時(shí)間起經(jīng)過衰減時(shí)間Td后的時(shí)間點(diǎn)與斷開占空比區(qū)間Toff結(jié)束的時(shí)間點(diǎn)之間，對10軸的信號全部總括地進(jìn)行提取。
[0147]例如，當(dāng)PWM載波頻率為80kHz時(shí)，PWM載波一周期為12.5ps。因?yàn)榍袚Q噪聲的衰減需要0.5ys?Iys左右,所以所述衰減時(shí)間相當(dāng)于12.5ps的4%?8%。由此,最小接通占空比區(qū)間ΛΤοη(或最小斷開占空比區(qū)間AToff)優(yōu)選比所述衰減時(shí)間長且確保為12.5μ s的5%?20%左右。因此，提取最小區(qū)間Tmin為0.1ys?Iys左右。如果在該區(qū)間內(nèi)提取信號，那么可以不受噪聲的影響地提取信號。
[0148]此外，當(dāng)如圖9、圖10所示那樣針對10軸全部進(jìn)行總括提取時(shí)，為了可以采樣最合適的信號作為電流檢測信號Ip、Im及和信號(Ip+Im)，而使PWM載波頻率fpwm、電壓上所重疊的傳感器載波頻率fc、以及將電流檢測信號Ip、Im及和信號(Ip+Im)提取至AD轉(zhuǎn)換器400時(shí)的采樣頻率fs以具有整數(shù)倍的關(guān)系(fpwm=nXfc, fs = kXfc)的方式同步化。
[0149]圖11是表示控制部44中的作為同步化組件的時(shí)鐘電路(clock circuit)420的構(gòu)成的框圖。分頻電路4201對來自PWM占空比用振蕩時(shí)鐘的信號進(jìn)行分頻，而產(chǎn)生PWM載波用(fpwm)的脈沖信號。分頻電路4202對來自分頻電路4201的信號進(jìn)行分頻，而產(chǎn)生傳感器載波用(fc)的脈沖信號。分頻電路4203對來自分頻電路4201的信號進(jìn)行分頻，而產(chǎn)生AD轉(zhuǎn)換用(fs)的脈沖信號。這些信號適用于各軸。
[0150]圖12是對施加至磁軸承電磁鐵45的線圈的電壓Vp、Vm、線圈中流動(dòng)的電流Ip、Im、及信號的提取時(shí)間進(jìn)行說明的圖。另外，圖12中，針對控制軸的一軸(P側(cè)與M側(cè))，表示PWM載波頻率fpwm、傳感器載波頻率fc、AD轉(zhuǎn)換器400的提取采樣頻率fs、專門針對傳感器載波成分的柵極信號、線圈施加電壓、線圈激磁電流、和信號(也就是位移信號)的關(guān)系。即，針對電壓Vp、Vm及電流Ip、Im的傳感器載波成分予以表示。
[0151]fpwm、fs及fc是以fpwm>fs>fc的方式進(jìn)行設(shè)定。在圖12所示的例中，設(shè)為fpwm=8X fc, fs=2Xfc。而且 fpwm>fs>fc。周期 Tpwm、Ts、Tc 的關(guān)系為 8Tpwm=2Ts=Tc,以PWM載波每四周期一次的比例進(jìn)行采樣，且是以載波信號每一周期兩次的比例進(jìn)行采樣。當(dāng)fpwm 為 80kHz (Tpwm=12.5 μ m)時(shí)，fc 為 IOkHz (Tc=IOO μ s), fs 為 20kHz (Ts=50 μ s)。
[0152]如圖12所示，傳感器載波成分的電壓、電流的振幅相位均一致。關(guān)于傳感器載波成分，如式(4)所示可忽略電阻成分，因此電流相對于電壓而為大致90度(deg)相位延遲的關(guān)系。
[0153]vsp=LpXd(isp) / dt
[0154]Vsm=LmXd(ism) / dt...(4)
[0155]考慮該延遲，在最靠近P側(cè)、M側(cè)的電流振幅最大的時(shí)間的可提取區(qū)間內(nèi)，將所有軸的電流檢測信號Ip、Im及各個(gè)和信號(Ip+Im)同時(shí)總括地提取至AD轉(zhuǎn)換器400。在圖12所示的例中，粗箭頭為提取時(shí)間。如果將采樣周期(I / fs)的當(dāng)前周期設(shè)為n，那么前一次周期為n-1。n-1的提取時(shí)間(左側(cè)的箭頭)位于傳感器載波的正相位區(qū)域，且為PWM第四周期的將要向下一周期移行之前的可提取區(qū)間。另外，當(dāng)前周期η的提取時(shí)間位于傳感器載波的反相位區(qū)域，且為PWM第八周期的將要向下一周期移行之前的可提取區(qū)間。因?yàn)榭刂戚S的每一軸有三個(gè)信號(Ip、Im、Ip+Im)，所以在五軸控制的情況下，要提取5X3 =15個(gè)信號。
[0156]另外，在圖7所示的信號處理運(yùn)算部406、409p、409m中，基于當(dāng)前周期η的數(shù)據(jù)與前一次提取周期n-Ι的數(shù)據(jù)進(jìn)行如下運(yùn)算。
[0157]首先，在信號處理運(yùn)算部409p、409m中，以采樣周期(I / fs)對檢測電流信號Ip、Im進(jìn)行移動(dòng)平均處理。如圖12所示，以采樣周期(I / fs)在當(dāng)前周期η提取的電流檢測信號Ipn、Imn、與已在前一次周期n-1提取的電流檢測信號Ipn_l、Imn-1的傳感器載波成分的振幅均大致為最大振幅，且互為反相位關(guān)系。
[0158]另一方面，偏置成分、懸浮控制成分及位移變動(dòng)成分的頻帶域大致為IkHz以下。如上所述，偏置成分、懸浮控制成分及位移變動(dòng)成分的頻帶域以傳感器載波成分的情況的I / 10左右緩慢地變化，因此在采樣一周期(I / fs)內(nèi)基本上無變化，可以認(rèn)為是固定的。因此，通過進(jìn)行如下述式(8)的移動(dòng)平均處理，而可以僅將除傳感器載波成分以外的有助于懸浮控制力的電流成分(偏置電流ib、懸浮控制電流ic)抽出。
[0159]P 側(cè)電流=(Ipn+Ipn_l) / 2
[0160]M 側(cè)電流=(Imn+Imn-l) / 2...(8)
[0161]另外，如果反饋(feed back)控制的放大控制器410p、410m(參照圖7)的一部分構(gòu)成數(shù)字低通濾波器，那么在fs=2Xfc的情況下，可以獲得對作為fs的一半頻率的fc具有陡峭的衰減特性的低通濾波器。因此，可以去除反饋的傳感器載波成分，所以可以改善傳感器載波成分的定壓性。
[0162]在信號處理運(yùn)算部406中，進(jìn)行如下運(yùn)算。圖7中，如果使和信號(Ip+Im)通過高通濾波器405，那么成為偏置成分被刪去的信號。所述信號為以位移進(jìn)行調(diào)制后的位移信號。
[0163]關(guān)于圖12的單點(diǎn)劃線所示的和信號(Ip+Im)，與電流檢測信號的情況同樣地，以采樣周期(I / fs)在當(dāng)前周期η提取的和信號(η)與在前一次周期n-1提取的和信號(n-Ι)大致為最大振幅，且為反相位關(guān)系。其中，在實(shí)線(Im)及虛線(Ip)所示的電流檢測信號的情況下，將傳感器載波成分刪去，而在位移信號的情況下，必須從傳感器載波成分中抽出具有符號的位移。[0164]在圖12中，因?yàn)楫?dāng)前周期η為傳感器載波反相位區(qū)間，和信號的振幅與位移d符號相反，所以在取平均時(shí)必須進(jìn)行符號反轉(zhuǎn)。因此，在利用PWM產(chǎn)生電壓控制輸出的過程中，當(dāng)電壓Vp的相位Θ大致為θ=π時(shí)判斷為正相位，在大致為Θ =2 Ji (或O)的情況下判斷為反相位。也就是說，位移η是使用在當(dāng)前周期η提取的和信號(η)與在前一次周期n-Ι提取的和信號(n-Ι)，如下述式(9)那樣算出。其中，當(dāng)η為傳感器載波反相位區(qū)間時(shí)，在式(9)的運(yùn)算前實(shí)施和信號(η)=_和信號(η)的反轉(zhuǎn)處理。
[0165]位移(η)=(和信號(η)+ 和信號(n-1)) /2...(9)
[0166]另外，為了修正P側(cè)及M側(cè)的電磁鐵線圈的特性偏差、或規(guī)定的懸浮位置的誤差等，而必須進(jìn)行增益偏移(gain / offset)調(diào)整的情況下，進(jìn)行與以往的傳感信號的修正的情況相同的修正處理。
[0167](關(guān)于第三構(gòu)成)
[0168]接下來，對第三構(gòu)成進(jìn)行說明。圖13是對濾波器的影響進(jìn)行說明的圖。圖13中，BW2、BW3、BW4、BW5所示的帶域分別表示懸浮控制成分的帶域、偏置成分的帶域、PWM載波成分的帶域、噪聲成分的帶域。而且，符號E所示的帶域表示位移信號調(diào)制帶域。
[0169]如圖7所示，針對電流檢測信號Ip、Im設(shè)置著低通濾波器403、404。在本實(shí)施方式中，為了去掉切換噪聲,低通濾波器403、404應(yīng)用僅去掉如圖13所示那樣比PWM載波頻率更高的頻率(BWlO)的低通濾波器。
[0170]另外，針對作為位移信號的和信號(Ip+Im)設(shè)置著高通濾波器405。和信號(Ip+Im)由所述的下述式(7)表示。通過應(yīng)用高通濾波器405對該和信號(Ip+Im)去掉(cut)低頻率范圍(BWll)，而可以去除偏置成分ib。
[0171]Ip+Im=2 X ib+2 XBX dX sin (ω c X t_ π / 2)...(7)
[0172]以往，如圖14所示，通常應(yīng)用以傳感器載波頻率為中心頻率的帶通濾波器(bandpass filter) 0然而，因?yàn)閷σ蚤g隙位移進(jìn)行振幅調(diào)制后的傳感器載波頻帶域BWl使用帶通濾波器BPF，所以根據(jù)帶通濾波器增益特性的陡峭度，檢波后的傳感信號產(chǎn)生些許延遲。圖14中，BW(BPF)表示受帶通濾波器BPF所引起的延遲影響的帶域。
[0173]另一方面，在本實(shí)施方式中，只是使用距傳感器載波頻帶域非常遠(yuǎn)的高域用的低通濾波器403、404、與低域的高通濾波器405。也就是說，設(shè)為如下構(gòu)成:設(shè)置具有比PWM載波頻率高數(shù)倍的帶域的濾波器，且至少不使用PWM載波頻率以下的低通濾波器。低通濾波器403、404為了使尖峰噪聲在所需最低限度的確保占空比(duty)中盡快衰減以確保無尖峰噪聲的狀態(tài)，而將帶域提高。高通濾波器405是使用具有比傳感器載波頻率低兩位數(shù)以上的帶域的高通濾波器。如圖13所示，高通濾波器405所影響的帶域如箭頭F(HPF)所示那樣為低域，低通濾波器403、404所影響的帶域?yàn)榧^F(LPF)所示的高域。結(jié)果，在位移信號調(diào)制帶域E內(nèi)可忽略延遲影響。由此，尤其可以增加懸浮控制時(shí)對高次彈性振動(dòng)的穩(wěn)定性。
[0174]而且，通過抑制信號延遲，可以防止信號延遲對提取時(shí)間的影響。圖15及圖16是說明信號延遲對提取時(shí)間影響的圖。圖15示出本實(shí)施方式的低通濾波器403、404的情況下的柵極信號G、通過低通濾波器之前的電流檢測信號L20及通過低通濾波器之后的電流檢測信號L21。圖16示出低通濾波器的帶域在低頻側(cè)寬廣而不合適的情況下的電流檢測信號 L20、L21。[0175]圖15表示本實(shí)施方式的情況，且為低通濾波器403、404的轉(zhuǎn)角頻率(cornerfrequency)比PWM載波頻率高一位數(shù)的情況。在可提取區(qū)間Ta內(nèi)噪聲的影響充分地衰減，可以在提取時(shí)間T提取基本上無噪聲影響的信號。
[0176]另一方面，圖16表示低通濾波器的帶域在低頻側(cè)寬廣而不合適的情況(轉(zhuǎn)角頻率下降至PWM載波頻率程度的情況)。因低通濾波器的影響，提取時(shí)間T附近的線L21的波形與圖15所示的波形不同，可知無法提取合適的信號。
[0177]如以上所作的說明，在本實(shí)施方式中包括:一對磁軸承電磁鐵45，針對多個(gè)控制軸的每一個(gè)而設(shè)置，且相對于軸5而對向配置；多個(gè)激磁放大器43，對施加至該磁軸承電磁鐵45的電壓進(jìn)行PWM控制，且將重疊著用來偵測軸5的懸浮位置變化的傳感器載波信號的電磁鐵電流分別供給至各磁軸承電磁鐵45 ;多個(gè)電流傳感器101A、101B，檢測電磁鐵電流；及控制部44，對來自多個(gè)電流傳感器101AU01B的電流檢測信號、及將與一對磁軸承電磁鐵45相關(guān)的一對電流檢測信號相加所得的和信號進(jìn)行AD采樣，而取得軸5的磁懸浮信息，基于磁懸浮信息而對激磁放大器43進(jìn)行PWM控制；且以PWM載波信號的接通占空比區(qū)間Ton成為最小接通占空比區(qū)間ΛΤοη以上的方式、或以斷開占空比區(qū)間Toff的長度成為最小斷開占空比區(qū)間Toff以上的方式進(jìn)行PWM控制。
[0178]結(jié)果,在任一接通占空比區(qū)間Ton內(nèi)，均可至少確保最小接通占空比區(qū)間ΔΤοη。由此，通過在從接通占空比區(qū)間Ton或斷開占空比區(qū)間Toff的開始時(shí)間起經(jīng)過規(guī)定時(shí)間范圍(衰減時(shí)間Td)之后進(jìn)行AD采樣，而可以取得基本上無尖峰噪聲影響的采樣信號(磁懸浮信息)。
[0179]此外，通過針對電流檢測信號Ip、Im包括具有比PWM載波頻率fpwm更高的帶域的低通濾波器403、404，而可以實(shí)現(xiàn)尖峰噪聲成分的減少，并且可以抑制對包含位移信息的信號成分的延遲影響，從而防止進(jìn)行AD采樣時(shí)的信號的延遲。
[0180]而且，通過包括從和信號(Ip+Im)中去除直流成分的高通濾波器405，而可以去除作為位移信號的和信號中所包含的偏置成分，從而可以取得更準(zhǔn)確的位移信息。
[0181]此外，通過將PWM載波信號的頻率fpwm、傳感器載波信號的頻率fc、及AD采樣的頻率fs設(shè)定為整數(shù)倍的關(guān)系，且將與多個(gè)磁軸承電磁鐵45的每一個(gè)相關(guān)的多個(gè)電流檢測信號Ip、Im及和信號(Ip+Im)同時(shí)總括地進(jìn)行AD采樣，而可以不受尖峰噪聲的影響地取得與多個(gè)磁軸承電磁鐵45相關(guān)的各個(gè)信號。
[0182]而且，通過以fpwm>fs>fc的方式設(shè)定PWM載波頻率fpwm、AD采樣頻率fs及傳感器載波頻率fc，而可以使控制部為便宜的構(gòu)成。在實(shí)用上，優(yōu)選設(shè)為fs=2Xfc，且將fpwm=nX fc 的 η 大致設(shè)為 8、10、12、14、16。
[0183]另外，以上的說明僅為一例，只要無損本發(fā)明的特征，本發(fā)明并不受到所述實(shí)施方式的任何限定。例如，在所述實(shí)施方式中以包括渦輪泵段與牽引泵段的渦輪分子泵為例進(jìn)行了說明，但全段為渦輪葉片型的渦輪分子泵、僅有牽引泵段的分子泵、以及由磁軸承支撐旋轉(zhuǎn)體的真空泵也可以同樣地予以應(yīng)用。
[0184]以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非對本發(fā)明作任何形式上的限制，雖然本發(fā)明已以較佳實(shí)施例揭露如上，然而并非用以限定本發(fā)明，任何熟悉本專業(yè)的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明技術(shù)方案范圍內(nèi)，當(dāng)可利用上述揭示的技術(shù)內(nèi)容作出些許更動(dòng)或修飾為等同變化的等效實(shí)施例，但凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對以上實(shí)施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種磁性軸承裝置，其特征在于包括: 一對電磁鐵，針對多個(gè)控制軸的每一個(gè)而設(shè)置，且相對于旋轉(zhuǎn)軸而對向配置； 多個(gè)激磁放大器，對施加至所述各電磁鐵的電壓進(jìn)行脈寬調(diào)制控制，且將重疊有用來偵測所述旋轉(zhuǎn)軸的懸浮位置變化的傳感器載波信號的電磁鐵電流供給至所述各電磁鐵；多個(gè)電流傳感器，檢測所述電磁鐵電流；及 控制部，對來自所述多個(gè)電流傳感器的電流檢測信號、及將與所述一對電磁鐵相關(guān)的一對所述電流檢測信號相加所得的和信號進(jìn)行模擬數(shù)字采樣，而取得所述旋轉(zhuǎn)軸的磁懸浮信息，基于所述磁懸浮信息而對所述激磁放大器進(jìn)行脈寬調(diào)制控制； 所述控制部是以使脈寬調(diào)制載波信號的接通占空比區(qū)間或斷開占空比區(qū)間的長度一直比基于電磁鐵電流中產(chǎn)生的尖峰噪聲的衰減特性所得的規(guī)定時(shí)間范圍更長的方式進(jìn)行脈寬調(diào)制控制，且在從所述接通占空比區(qū)間或所述斷開占空比區(qū)間的開始時(shí)間起經(jīng)過所述規(guī)定時(shí)間范圍之后進(jìn)行所述模擬數(shù)字采樣。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁性軸承裝置，其特征在于: 針對所述電流檢測信號，包括具有比脈寬調(diào)制載波頻率更高的帶域的低通濾波器，且 所述控制部對通過所述低通濾波器后的所述電流檢測信號進(jìn)行所述模擬數(shù)字采樣。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的磁性軸承裝置，其特征在于: 包括從所述和信號中去除直流成分的高通濾波器，且 所述控制部對通過所述高通濾波器后的所述和信號進(jìn)行模擬數(shù)字采樣。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的磁性軸承裝置，其特征在于: 將所述脈寬調(diào)制載波信號的頻率fpwm、所述傳感器載波信號的頻率fc、及所述模擬數(shù)字采樣的頻率fs設(shè)定為整數(shù)倍的關(guān)系，且 所述控制部同時(shí)總括地對與所述多個(gè)電磁鐵的每一個(gè)相關(guān)的多個(gè)所述電流檢測信號及所述和信號進(jìn)行模擬數(shù)字采樣。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的磁性軸承裝置，其特征在于: 以fpwm>fs>fc的方式設(shè)定脈寬調(diào)制載波頻率fpwm、模擬數(shù)字采樣頻率fs及傳感器載波頻率fc。
6.一種真空泵，其特征在于包括: 泵轉(zhuǎn)子，形成有排氣功能部； 電動(dòng)機(jī)，對所述泵轉(zhuǎn)子進(jìn)行旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng) '及 權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的磁性軸承裝置，對所述泵轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)軸進(jìn)行磁懸浮支撐。
【文檔編號】F04D29/058GK103939387SQ201310680615
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2013年12月12日 優(yōu)先權(quán)日:2013年1月17日
【發(fā)明者】小崎純一郎, 長野善宏 申請人:株式會(huì)社島津制作所