电动机控制装置以及涡轮分子泵的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种电动机控制装置以及搭载着所述电动机控制装置的涡轮分子泵，所述电动机驱动控制装置即便在低速旋转时，运算出的旋转速度也稳定。本发明的电动机控制装置(200)的脉冲转换部(207)使从旋转角推定部(206)获得的电动机的旋转角推定值脉冲化(二值化)。速度计算部(208)根据所述经脉冲化的信号的周期而算出电动机(40)的旋转速度。
【专利说明】电动机控制装置以及涡轮分子泵
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种以无传感器（sensorless)方式驱动控制的电动机（motor)的控 制装置、以及使用所述电动机控制装置的润轮分子泵（turbo-molecularpump)。
【背景技术】
[0002] 当使无刷直流电动机（brushlessDCmotor)旋转时，必须高精度地检测或者推 定转子（rotor)的旋转角（磁极位置）。先前以来，已知有使用霍尔元件（Hallelement) 等旋转角检测元件来检测旋转角而驱动电动机的方法、以及不使用旋转角检测元件而利用 所谓的无传感器方式推定旋转角而驱动电动机的方法。近年来，能够以低成本（cost)获 得高速、高功能的微型计算机（microcomputer)或高速运算处理装置（数字信号处理器 (DigitalSignalProcessor,DSP))等运算元件，在此情况下，以无传感器方式驱动电动机 的方法被不断普及。
[0003] 在以无传感器方式驱动电动机的方法中，基于线圈（coil)电阻或线圈电感（coil inductance)等常数、以及对线圈施加的电压或在线圈中流动的电流等，而推定旋转角，进 而，根据该旋转角而算出旋转速度。然而，实际上线圈电阻或线圈电感的值并不稳定，严格 而言这些值并非常数。因此，在作为常数而设定的值与实际的值之间产生误差的情况下，特 别是在低速旋转区域会产生无法高精度地推定旋转角或旋转速度的问题。
[0004] 在专利文献1中，记载了消除在以无传感器方式进行控制时可能引起的运算的复 杂化的发明。
[0005] [【背景技术】文献]
[0006] [专利文献]
[0007] [专利文献1]日本专利特开2007-97263号公报
【发明内容】
[0008] 然而，在低速旋转区域也必须高精度地推定运算电动机旋转角而控制电动机。
[0009] (1)本发明的第一实施方式的电动机控制装置包括：旋转角推定部，不使用电动 机旋转角检测器，而基于DC无刷电动机（以下称为电动机）的电流、电压反复推定运算所 述电动机的旋转角；速度运算部，算出由旋转角推定部反复推定运算出的旋转角的信号波 形的周期，并基于周期而对电动机的实际旋转速度进行运算；驱动信号生成部，至少基于实 际旋转速度与目标旋转速度的偏差、以及旋转角，而生成驱动控制电动机的驱动信号；以及 切换（switching)电路，基于驱动信号进行切换，而对电动机供给驱动电力。
[0010] (2)本发明的第二实施方式的电动机控制装置优选的是，第一实施方式的所述速 度运算部包括：二值化部，使从旋转角推定部获得的旋转角的信号二值化；以及计算部，基 于利用二值化部获得的二值化信号而算出周期。
[0011] (3)本发明的第三实施方式的电动机控制装置优选的是，进而，在第二实施方式的 电动机控制装置中还包括：设定部，设定电动机的目标旋转速度；d轴/q轴电压运算部，基 于由设定部设定的目标旋转速度与由速度运算部运算出的实际旋转速度的偏差，而对d轴 电压与q轴电压进行运算；以及两相-三相转换部，将d轴电压与q轴电压转换成三相的a 轴电压、b轴电压及c轴电压。在该电动机控制装置中，驱动信号生成部基于利用两相-三 相转换部获得的a轴电压、b轴电压及c轴电压而生成驱动信号，并将该驱动信号送出至切 换电路，旋转角推定部基于d轴电流及q轴电流、d轴电压及q轴电压、以及实际旋转速度， 而反复推定运算电动机的旋转角，所述d轴电流及q轴电流是根据通过驱动信号被驱动的 电动机的电动机电流而算出，所述d轴电压及q轴电压是根据电动机的电动机电压而算出。
[0012] (4)本发明的第四实施方式的电动机控制装置优选的是，进而，第三实施方式的电 动机控制装置还包括：低通滤波器（lowpassfilter)，将运算出的实际旋转速度的高频成分 去除；以及差分器，算出经低通滤波器去除高频成分后的实际旋转速度与目标旋转速度的 差分。
[0013] (5)本发明的第五实施方式是将第一实施方式至第四实施方式中任一实施方式的 电动机控制装置应用于涡轮分子泵，该第五实施方式的涡轮分子泵包括：转子组装体，包含 轴（shaft)以及形成着转子叶片的转子；定子（stator)叶片，与转子叶片隔开规定的间隔 而配设；电动机，用来使转子组装体旋转；以及第一发明至第四发明中任一项所述的电动 机控制装置。
[0014] [发明的效果]
[0015] 根据本发明，能够以简单的控制系统（system)在低速旋转区域也算出稳定的旋 转速度，从而能够进行高精度的电动机驱动控制。另外，能够提高无传感器方式的涡轮分子 泵的低速时的精度以及响应性。
【专利附图】
【附图说明】
[0016] 图1是本发明的涡轮分子泵100的剖视图。
[0017] 图2是本发明的电动机控制装置200的系统构成图。
[0018] 图3(a)?图3(d)是表示本发明的旋转速度ω的计算方法的图。
[0019] 图4是表示利用现有方法算出的在高速旋转区域的旋转速度ω的图。
[0020] 图5是表示利用现有方法算出的在低速旋转区域的旋转速度ω的图。
[0021] 【主要元件符号说明】
[0022] 10 :转子组装体 12 :转子
[0023] 14:轴 18:圆筒部
[0024] 20:转子叶片 30:抽气口
[0025] 40:电动机 44 :定子叶片
[0026] 48:螺纹定子 50:间隔件
[0027] 52:外壳 54:基座
[0028]56:排气口 62:上部径向电磁铁
[0029] 64:下部径向电磁铁 66:推力电磁铁
[0030] 100:涡轮分子泵 200:电动机控制装置
[0031] 201:目标速度设定部 202 :Vd，Vq运算部
[0032] 203:第一参数转换部 204:第二参数转换部
[0033] 205:电动机驱动信号生成部206:旋转角推定部
[0034] 207:脉冲转换部 208:速度计算部
[0035] 209:低通滤波器 210:比较元件
[0036] 211:切换电路 212:电流检测部
[0037] 213:电流运算部 214:电压检测部
[0038] 215:电压运算部 Id:d轴电流
[0039] Iq:q轴电流 P:脉冲波形
[0040]T:周期 t:时间
[0041] Va、Vb、Vc、Va、νβ:电压
[0042] Vd、Vd，：d轴电压 Vq、Vq，：q轴电压
[0043] Θ:旋转角 ω、ω':旋转速度
【具体实施方式】
[0044] 图1是表示涡轮分子泵100的概略构成的剖视图。在涡轮分子泵100的外壳 (casing) 52内，旋转自如地设置着转子组装体10 (转子组件（rotorassembly) 10)。润轮 分子泵100是磁轴承式泵，转子组装体10由上部径向（radial)电磁铁62、下部径向电磁铁 64、以及推力（thrust)电磁铁66非接触地支撑。
[0045] 转子组装体10包括转子12以及轴14。在转子12设置着多级转子叶片20以及圆 筒部18。在多级转子叶片20之间，沿轴向设置着多级定子叶片44,在圆筒部18的外周侧 设置着螺纹定子（threadstator) 48。各定子叶片44隔着间隔件（spacer) 50而配设在基 座（base) 54上。如果将外壳52固定在基座54,层叠的间隔件50会被夹在基座54与外壳 52之间，从而将各定子叶片44定位。
[0046] 在涡轮分子泵100连接着电动机控制装置200。另外，电动机控制装置200也可以 与涡轮分子泵100为一体型。电动机控制装置200用来控制使转子组装体10旋转的直流 电动机40 (DC无刷电动机40,以下简称为电动机40)。
[0047] 在基座54设置着排气口 56,在该排气口 56连接着前级泵（backingpump)。一面 通过上部径向电磁铁62、下部径向电磁铁64、推力电磁铁66使转子组装体10磁悬浮，一面 通过电动机40使转子组装体10高速旋转，由此将抽气口 30侧的气体分子向排气口 56侧 排出。
[0048] 图2是以本发明的电动机控制装置200为中心的系统构成图。电动机控制装置200 包括目标速度设定部201、Vd，Vq运算部202、第一参数（parameter)转换部203、第二参数 转换部204、电动机驱动信号生成部205、切换电路211、旋转角推定部206、脉冲（pulse)转 换部207、速度计算部208、低通滤波器209、以及比较元件（差分器）210。本发明的一实施 方式的电动机控制装置200的主要特征在于包含脉冲转换部207以及速度计算部208。以 下，参照图2及图3(a)?图3(d)，对旋转角推定部206、脉冲转换部207、以及速度计算部 208进行说明。
[0049] 此外，在图2中，切换电路211是由绝缘栅双极型晶体管（InsulatedGate BipolarTransistor,IGBT)等构成，且通过由电动机驱动信号生成部205生成的电动机 驱动信号被驱动，将直流电压转换成交流电压而驱动电动机。符号212是检测电动机的 线圈中流动的电流的电流检测部。通常是通过设置在电动机驱动电路的分流电阻（shunt resistance)来检测电流，但本发明对检测方法并无任何限定。符号213是基于由电流检 测部212检测出的电流而对d轴电流Id与q轴电流Iq进行运算的电流运算部。符号214 是检测对电动机的线圈施加的电压的电压检测部。通常是通过设置在电动机驱动电路的分 压电阻来检测电压，但本发明对检测方法并无任何限定。符号215是基于由电压检测部214 检测出的电压而对d轴电压VcT与q轴电压V进行运算的电压运算部。
[0050]目标速度设定部201设定目标旋转速度。比较元件210将从后述低通滤波器209 输出的实际旋转速度ω'(以下也称为旋转速度ω')与目标旋转速度进行比较。Vd，Vq 运算部202根据所述比较结果而对d轴电压Vd与q轴电压Vq进行运算。如果实际旋转速 度ω'大于目标旋转速度，便减小d轴电压Vd与q轴电压Vq，如果实际旋转速度ω'小于 目标旋转速度，便增大d轴电压Vd与q轴电压Vq。如果实际旋转速度ω'等于目标旋转 速度，便维持目前的d轴电压Vd与q轴电压Vq。也就是说，Vd，Vq运算部202输出基于dq 轴坐标系统的电压即电压VcU电压Vq。
[0051]第一参数转换部203使用后述旋转角Θ，将由vd，Vq运算部202输出的旋转正交 坐标系统（dq坐标系统）的电压即电压VcU电压Vq转换成双轴固定坐标系统（αβ轴坐 标系统）的电压即电压Va、电压νβ。进而，第二参数转换部204将电压Va、电压νβ转 换成三相固定坐标系统（abc轴坐标系统）的电压即电压Va、电压Vb、电压Vc。第一参数 转换部203与第二参数转换部204构成两相-三相转换部。电动机驱动信号生成部205基 于abc轴坐标系统的电压即电压Va、电压Vb、电压Vc，而生成使上下臂（arm)(未图示）接 通或断开的三相的电动机驱动信号。电动机驱动信号被输入至切换电路211而驱动电动机 40。
[0052] 旋转角推定部206使用后述式（3)反复运算而推定电动机40的旋转角Θ(转子 组装体10的旋转角Θ)。此外，这里的旋转角θ设为以电角度表示时的角度（下同）。为 了导出式（3)，将作为电动机40的电压方程式的式（1)、式⑵示于以下。
[0053][数1]
[0054] Vd =r·Id-ω·Lq ·Iq+kE ·ω·sinΘ(I)
[0055][数2]
[0056] Vq =ω·Ld ·Id+r·Iq+kE ·ω·cosθ(2)
[0057] 这里，r、LcULq、kE是电动机40固有的电动机常数，可以通过预先对电动机40进 行测定而获得。通常，不论运转状态如何，这些参数均设为固定值。关于VcUVq是分别输入 由电压运算部215运算出的d轴电压VcT与q轴电压V。关于Id、Iq是分别输入由电 流运算部213运算出的d轴电流Id与q轴电流Iq。另外，ω是电动机40的旋转速度,关 于所述ω是输入从后述低通滤波器209输出的旋转速度ω'。
[0058] 如果根据式（1)、式（2)求解旋转角Θ，会成为以下的式（3)。
[0059][数 3]
【权利要求】
1. 一种电动机控制装置，其特征在于包括： 旋转角推定部，不使用电动机旋转角检测器，而基于电动机的电流、电压反复推定运算 所述电动机的旋转角； 速度运算部，算出由所述旋转角推定部反复推定运算出的所述旋转角的信号波形的周 期，并基于所述周期而对所述电动机的实际旋转速度进行运算； 驱动信号生成部，至少基于所述实际旋转速度与目标旋转速度的偏差、以及所述旋转 角，而生成驱动控制所述电动机的驱动信号；以及 切换电路，基于所述驱动信号进行切换，而对所述电动机供给驱动电力。
2. 根据权利要求1所述的电动机控制装置，其特征在于，所述速度运算部包括： 二值化部，使从所述旋转角推定部获得的所述旋转角的信号二值化；以及 计算部，基于利用所述二值化部获得的二值化信号而算出所述周期。
3. 根据权利要求2所述的电动机控制装置，其特征在于还包括： 设定部，设定所述电动机的目标旋转速度； d轴/q轴电压运算部，基于由所述设定部设定的目标旋转速度与由所述速度运算部运 算出的实际旋转速度的偏差，而对d轴电压与q轴电压进行运算；以及 两相-三相转换部，将所述d轴电压与q轴电压转换成三相的a轴电压、b轴电压以及 c轴电压；且 所述驱动信号生成部基于利用两相-三相转换部获得的a轴电压、b轴电压以及c轴 电压而生成所述驱动信号，并将所述驱动信号送出至所述切换电路， 所述旋转角推定部基于d轴电流及q轴电流、d轴电压及q轴电压、以及所述实际旋转 速度，而反复推定运算所述电动机的旋转角，所述d轴电流及q轴电流是根据通过所述驱动 信号而被驱动的所述电动机的电动机电流而算出，所述d轴电压及q轴电压是根据所述电 动机的电动机电压而算出。
4. 根据权利要求3所述的电动机控制装置，其特征在于还包括： 低通滤波器，将运算出的所述实际旋转速度的高频成分去除；以及 差分器，算出经所述低通滤波器去除高频成分后的实际旋转速度与目标旋转速度的差 分。
5. -种涡轮分子泵，其特征在于包括： 转子组装体，包含轴以及形成着转子叶片的转子； 定子叶片，与所述转子叶片隔开规定的间隔而配设； 电动机，用来使所述转子组装体旋转；以及 权利要求1至4中任一项所述的电动机控制装置。
【文档编号】H02P21/14GK104426449SQ201410320314
【公开日】2015年3月18日 申请日期:2014年7月3日 优先权日:2013年8月30日
【发明者】森山伸彦 申请人:株式会社岛津制作所