JP2004132441A

JP2004132441A - 磁気軸受装置、それを用いたエキシマレーザ用貫流ファン装置、磁気軸受のフィードバック制御をコンピュータに実行させるためのプログラム、および磁気軸受のフィードバック制御をコンピュータに実行させるためのプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体

Info

Publication number: JP2004132441A
Application number: JP2002296466A
Authority: JP
Inventors: Koshi Yamada; 山田　耕嗣
Original assignee: NTN Corp; NTN Toyo Bearing Co Ltd
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 2002-10-09
Filing date: 2002-10-09
Publication date: 2004-04-30
Also published as: DE10346664A1; US7057319B2; US20040070358A1

Abstract

【課題】大きな負荷変動に対しても安定してファンを回転可能なように回転軸を保持する磁気軸受装置を提供する。
【解決手段】制御装置８０は、自身が出力する電流指令Ｉｒｅｆをローパスフィルタにより処理して磁気軸受５０に印加される負荷の大きさを推定する。そして、制御装置８０は、推定した負荷の大きさに応じて、磁気軸受５０のフィードバック制御における制御モデルを変更し、その変更した制御モデルにおけるゲインなどの制御パラメータを演算する。さらに、制御装置８０は、演算した制御パラメータを実際のフィードバック制御を行なうフィードバックコントローラ８１に設定する。
【選択図】　　　　図５

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、回転軸を保持する磁気軸受装置に関し、特に、回転軸に印加される負荷が変動しても回転軸を安定して回転可能な磁気軸受装置、それを備えるエキシマレーザ用貫流ファン装置、磁気軸受のフィードバック制御をコンピュータに実行させるためのプログラム、および磁気軸受のフィードバック制御をコンピュータに実行させるためのプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
磁気軸受は、工作機用スピンドルモータまたはターボ分子ポンプなどの数万回転以上の高速回転のスピンドル用に使用される。このような高速回転領域においては、回転軸の共振モードまたはジャイロ効果による回転の不安定化が問題となり、これらの問題に対して磁気軸受を制御する制御装置のゲインや制御パラメータを調整することが行われている。
【０００３】
また、工作機用のスピンドルとして、先端工具の変更により固有振動数が変化するのを補償することも行なわれている。
【０００４】
さらに、磁気軸受のコイル電流を用いて回転軸に印加される負荷を検出する技術、回転軸に印加される負荷、回転軸の位置偏差信号および回転数を検出し、その検出した負荷、位置偏差信号および回転数を用いて磁気軸受を制御する制御装置のゲインを変更する技術が提案されている（特許２８６９７２５号公報、特許２８６３６８９号公報、特開昭６０−１６１４９号公報、特開平１１−９３９５３号公報参照）。
【０００５】
しかし、従来の磁気軸受は、モータトルクが高々数［Ｎ・ｍ］であるため、負荷が磁気軸受の安定制御に及ぼす影響はわずかであり、負荷が磁気軸受に及ぼす影響を考慮して磁気軸受を安定制御する技術は、殆ど、提案されていない。
【０００６】
エキシマレーザの大きな負荷変動の補償を対象とした技術として、負荷を受ける磁気軸受の数を増加し（回転軸の自由度に対して冗長な磁気軸受を設ける）、回転軸に取り付けられたファンの回転数に応じて、磁気軸受の制御パラメータを変更する技術が特開２００２−０８９４８９号公報に開示されている。また、ＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ　Ｓｉｇｎａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）を用いた磁気軸受のデジタル制御系において、回転数に応じた制御パラメータを予めメモリに記録しておき、回転数に応じて制御パラメータを変化させる技術が提案されている。さらに、モータ駆動電流をセンサーにより検出し、その検出したモータ駆動電流に応じて磁気軸受の剛性を変化させる技術も提案されている。そして、この技術では、モータ電流の基準値を設けておき、モータ電流が基準値を超えると、磁気軸受の制御におけるゲインを上げる。
【０００７】
【特許文献１】
特許２８６９７２５号公報
【０００８】
【特許文献２】
特許２８６３６８９号公報
【０００９】
【特許文献３】
特開昭６０−１６１４９号公報
【００１０】
【特許文献４】
特開平１１−９３９５３号公報
【００１１】
【特許文献５】
特開２００２−０８９４８９号公報
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、回転軸に取り付けられたファンの負荷は大きく、回転軸を回転するためのモータのトルクは、十数［Ｎ・ｍ］以上にもなり、磁気軸受は、大きな負荷を受ける。また、磁気軸受は、真空中等の殆ど負荷が印加されない状態から最大負荷状態までの大きな負荷変動を受けるため、全ての状態において磁気軸受を安定制御することは困難であるという問題がある。
【００１３】
たとえ、安定制御を実現したとしても、微妙な調整が必要になったり、急な加減速を避けるためにサイクルタイムを落とす等のその他の性能が犠牲になるという問題がある。
【００１４】
そこで、この発明は、かかる問題を解決するためになされたものであり、その目的は、大きな負荷変動に対しても安定してファンを回転可能なように回転軸を保持する磁気軸受装置を提供することである。
【００１５】
また、この発明の別の目的は、大きな負荷変動に対しても安定してファンを回転可能なように回転軸を保持する磁気軸受装置を備えるエキシマレーザ用貫流ファン装置を提供することである。
【００１６】
さらに、この発明の別の目的は、大きな負荷変動に対しても安定してファンを回転可能なように回転軸を保持する磁気軸受の制御をコンピュータに実行させるためのプログラムを提供することである。
【００１７】
さらに、この発明の別の目的は、大きな負荷変動に対しても安定してファンを回転可能なように回転軸を保持する磁気軸受の制御をコンピュータに実行させるためのプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体を提供することである。
【００１８】
【課題を解決するための手段および発明の効果】
この発明によれば、磁気軸受装置は、回転軸と、モータと、磁気軸受と、制御手段とを備える。回転軸は、ガス圧が変化するチャンバ内で回転数が変化するファンが取付けられる。モータは、回転軸を回転駆動する。磁気軸受は、回転軸を保持する。制御手段は、磁気軸受が受ける負荷に応じて、ファンを安定性良く回転させる位置に回転軸を保持するためのフィードバック制御におけるパラメータを変更する。
【００１９】
好ましくは、磁気軸受は、回転軸を所定の位置に保持するための電磁石を含む。そして、制御手段は、電磁石を構成するコイルに流すコイル電流、またはコイル電流指令に基づいて負荷を検出し、その検出した負荷に応じてパラメータを変更する。
【００２０】
好ましくは、制御手段は、コイル電流またはコイル電流指令をローパスフィルタにより処理してコイル電流またはコイル電流指令の平均値を検出し、その検出した平均値に基づいて負荷を検出する。そして、ローパスフィルタの時定数は、回転軸の回転周期よりも大きい。
【００２１】
好ましくは、磁気軸受装置は、オブザーバをさらに備える。オブザーバは、少なくとも速度とステップ状の負荷とを推定可能なオブザーバである。制御手段は、状態フィードバックゲインを含む。そして、オブザーバは、負荷の変動に応じて自己が保持する参照モデルを変更して状態変数を推定する。状態フィードバックゲインは、オブザーバが推定した状態変数に基づいてゲインを変更する。
【００２２】
好ましくは、制御手段は、モータを駆動するモータ駆動装置の出力に基づいて負荷を検出し、その検出した負荷に応じてパラメータを変更する。
【００２３】
好ましくは、制御手段は、フィードバック制御における一巡伝達関数における交差周波数付近の周波数成分の大きさを検出し、その検出した周波数成分のうち低周波数側の周波数成分の大きさが大きくなったときゲインを一定量大きくし、検出した周波数成分のうち高周波数側の周波数成分の大きさが大きくなったときゲインを一定量小さくする。
【００２４】
好ましくは、制御手段は、フーリエ変換理論に基づいて、対象とする周波数成分のみを畳み込んで計算することにより周波数成分の大きさを検出する。
【００２５】
好ましくは、制御手段は、周波数成分の畳み込み計算を制御周期ごとに計算する。そして、フーリエ変換されるデータのデータ長は、データ長＝対象周波数における周期の整数倍／制御周期を満たす。
【００２６】
好ましくは、制御手段は、回転軸に印加される負荷による制御モデルの変化を低減させるように磁気軸受をさらに制御し、変化が低減された制御モデルに基づいてパラメータを変更する。
【００２７】
好ましくは、磁気軸受は、複数の磁気軸受対からなる。制御手段は、複数の磁気軸受対に流れる複数の電流、または複数の電流指令に基づいて前記回転軸に印加される負荷の方向を検出し、その検出した負荷の方向と反対方向へ回転軸の浮上位置を変える。
【００２８】
好ましくは、制御手段は、複数の磁気軸受対に対応し、磁気軸受対ごとに印加される複数の力を検出し、その検出した複数の力を合成して付加の方向を検出する。
【００２９】
好ましくは、磁気軸受は、複数の磁気軸受対からなる。複数の磁気軸受対は、回転軸の重力による負荷とファンによる最大負荷との合力を均等に受ける位置に配置される。
【００３０】
また、この発明によれば、ガス圧が変化するチャンバ内で回転数が変化するファンが取付けられた回転軸を前記ファンが安定性良く回転する位置に保持するように磁気軸受のフィードバック制御をコンピュータに実行させるためのプログラムは、磁気軸受が受ける負荷を検出する第１のステップと、検出した負荷に応じてフィードバック制御におけるパラメータを変更する第２のステップと、変更したパラメータを用いてフィードバック制御を行なう第３のステップとをコンピュータに実行させるためのプログラムである。
【００３１】
好ましくは、磁気軸受は、回転軸を所定の位置に保持するための電磁石を含む。プログラムの第１のステップは、電磁石を構成するコイルに流すコイル電流、またはコイル電流指令に基づいて負荷を検出する。
【００３２】
好ましくは、プログラムの第１のステップは、コイル電流をローパスフィルタにより処理してコイル電流の平均値を検出し、その検出した平均値に基づいて負荷を検出する。そして、ローパスフィルタの時定数は、回転軸の回転周期よりも大きい。
【００３３】
好ましくは、プログラムの第２のステップは、少なくとも速度とステップ状の負荷とを推定可能なオブザーバにより負荷の変動に応じてオブザーバの参照モデルを変更して状態変数を推定する第１のサブステップと、状態フィードバックゲインによりオブザーバが推定した状態変数に基づいてゲインを変更する第２のサブステップとを含む。
【００３４】
好ましくは、プログラムの第１のステップは、モータを駆動するモータ駆動装置の出力に基づいて負荷を検出する。
【００３５】
好ましくは、プログラムの第１のステップは、フィードバック制御における一巡伝達関数における交差周波数付近の周波数成分の大きさを検出し、第２のステップは、検出した周波数成分のうち低周波数側の周波数成分の大きさが大きくなったときゲインを一定量大きくし、検出した周波数成分のうち高周波数側の周波数成分の大きさが大きくなったときゲインを一定量小さくする。
【００３６】
好ましくは、第１のステップは、フーリエ変換理論に基づいて、対象とする周波数成分のみを畳み込んで計算することにより周波数成分の大きさを検出する。
【００３７】
好ましくは、プログラムの第１のステップは、データ長＝対象周波数における周期の整数倍／制御周期を満たすデータ長を有するデータに基づいて周波数成分の畳み込み計算を制御周期ごとに計算する。
【００３８】
好ましくは、プログラムは、検出した負荷による制御モデルの変化を低減するように磁気軸受を制御する第４のステップをさらにコンピュータに実行させ、第２のステップは、変化が低減された制御モデルに基づいてゲインを変更する。
【００３９】
好ましくは、磁気軸受は、複数の磁気軸受対からなる。プログラムの第４のステップは、複数の磁気軸受対に流れる複数の電流、または複数の電流指令に基づいて回転軸に印加される負荷の方向を検出する第１のサブステップと、検出した負荷の方向と反対方向へ回転軸の浮上位置を変える第２のサブステップとを含む。
【００４０】
好ましくは、プログラムの第１のサブステップは、複数の磁気軸受対に対応し、磁気軸受対ごとに印加される複数の力を検出するステップと、検出した複数の力を合成して負荷の方向を検出するステップとを含む。
【００４１】
さらに、この発明によれば、プログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体は、請求項１３から請求項２３のいずれか１項に記載のプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体である。
【００４２】
さらに、この発明によれば、エキシマレーザ用貫流ファン装置は、請求項１から請求項１２のいずれか１項に記載の磁気軸受装置を備えるエキシマレーザ用貫流ファン装置である。
【００４３】
この発明においては、磁気軸受に印加される負荷の大きさが検出され、その検出された負荷の大きさに応じて制御モデルが変更される。そして、変更された制御モデルにおけるコントローラのゲインなどの制御パラメータが演算され、その演算された制御パラメータに基づいて、実際の磁気軸受のフィードバック制御が行なわれる。
【００４４】
また、この発明においては、磁気軸受に印加される負荷による制御モデルの変化が小さくなるように磁気軸受が制御される。
【００４５】
したがって、この発明によれば、磁気軸受に印加される負荷が変動しても磁気軸受を安定して制御できる。
【００４６】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。
【００４７】
［実施の形態１］
図１は、この発明の実施の形態１による磁気軸受装置を備えるエキシマレーザ用貫流ファンの断面構造を示す。図１を参照して、エキシマレーザ用貫流ファン１００は、チャンバー１０と、ラジエータ２０と、ファン３０と、回転軸４０と、磁気軸受５０，７０と、モータ６０と、制御装置８０と、モータ駆動装置９０とを備える。
【００４８】
チャンバー１０は、エキシマレーザ用の循環ガスが導入される。そして、チャンバー１０内の圧力は、レーザの出力に応じて変えられる。ラジエータ２０は、チャンバー１０内のファン３０の周辺部に設置され、チャンバー１０内に導入された循環ガスを冷却する。
【００４９】
ファン３０は、回転軸４０に取付けられ、チャンバー１０内に配置される。そして、ファン３０は、回転軸４０が回転することにより回転し、チャンバー１０内の循環ガスを循環する。
【００５０】
回転軸４０は、チャンバー１０の両側に配置された磁気軸受５０，７０によって所定の位置に浮上され、ファン３０が安定性良く回転可能な位置に保持される。そして、回転軸４０は、その一方端がモータ６０のロータ６３に固定され、ロータ６３が回転することにより回転する。
【００５１】
磁気軸受５０は、電磁石５１，５２と、ターゲット５５とを含む。電磁石５１，５２は、それぞれ、コイル５１１，５２１を含み、コイル電流がコイル５１１，５２１に流れることにより、ターゲット５５方向への磁力を発生し、回転軸４０を浮上させる。電磁石５１，５２は、１つの電磁石対を構成する。なお、図１においては、図示されていないが、磁気軸受５０は、もう１つの電磁石対を含む。
【００５２】
モータ６０は、ステータ６１，６２と、ロータ６３とを含む。ステータ６１，６２は、ロータ６３の周囲に配置される。そして、ステータ６１，６２は、それぞれ、コイル６１１，６１２；６２１，６２２を含み、コイル電流がコイル６１１，６１２；６２１，６２２に流れることにより磁力を発生し、ロータ６３を回転する。ロータ６３は、回転軸４０を保持し、ステータ６１，６２からの磁力を受けて回転する。なお、モータ６０は、十数［Ｎ・ｍ］以上のトルクを出力可能である。
【００５３】
磁気軸受７０は、電磁石７１，７２とターゲット７３とを含む。電磁石７１，７２は、電磁石５１，５２と同じ構成からなり、コイル電流がコイルに流れることによりターゲット７３方向への磁力を発生し、回転軸４０を浮上させる。
【００５４】
磁気軸受７０の安定制御のため回転軸４０の浮上位置を位置センサー（図示せず）により検出し、その検出した浮上位置に基づいて制御装置（図示せず）がコイル電流を制御する。
【００５５】
制御装置８０は、電磁石５１，５２からの回転軸４０の浮上位置を位置センサー（図示せず）により検出し、その検出した浮上位置に基づいて、ファン３０が安定性良く回転可能な平衡位置に回転軸４０を浮上させるように磁気軸受５０をフィードバック制御する。そして、制御装置８０は、このフィードバック制御において、電磁石５１，５２のコイル５１１，５２１に流れるコイル電流に基づいて、磁気軸受５０が受ける負荷を検出し、その検出した負荷に応じて、後述する方法によってフィードバック制御における制御ゲインを変更する。そして、制御装置８０は、変更した制御ゲインを用いて磁気軸受５０をフィードバック制御する。
【００５６】
回転軸のスラスト方向にも磁気軸受装置（図示せず）が設けられ、前記回転軸が所定のスラスト位置に保たれる。
【００５７】
モータ駆動装置９０は、所定のトルクを出力するようにモータ６０を駆動する。
【００５８】
図２および図３を参照して、磁気軸受５０の配置方法について詳細に説明する。図２を参照して、ターゲット５５は、回転軸４０に固定される。そして、電磁石５１〜５４は、ターゲット５５の周りに配置される。電磁石５１，５２は、１つの電磁石対を構成し、電磁石５３，５４は、もう１つの電磁石対を構成する。電磁石５１は、回転軸４０を中心にして電磁石５２と対称な位置に配置され、電磁石５３は、回転軸４０を中心として電磁石５４と対称な位置に配置される。
【００５９】
電磁石５１，５２からなる１つの電磁石対は、電磁石５３，５４からなるもう１つの電磁石対と直交座標を構成するように配置される。すなわち、電磁石５１，５２が配置される方向は、電磁石５３，５４が配置される方向と９０度の角度を成す。
【００６０】
図２においては、電磁石５１，５２が配置される方向および電磁石５３，５４が配置される方向は、回転軸４０に作用する重力ｍｇの方向と４５度±２２．５度の角度を成すように決定される。そして、ファン３０が停止しているとき、電磁石５１，５２による磁力Ｆ１および電磁石５３，５４による磁力Ｆ２は、回転軸４０に作用する重力ｍｇを支える。
【００６１】
図３を参照して、電磁石５１〜５４は、電磁石５１，５２が配置される方向が重力ｍｇの方向と直交し、電磁石５３，５４が配置される方向が重力ｍｇの方向に一致するように配置されてもよい。図３においては、ファン３０が停止しているとき、電磁石５３，５４による磁力Ｆ１が重力ｍｇを支える。
【００６２】
図４は、エキシマレーザ用貫流ファン１００の一部を示す断面図である。回転軸４０に作用する重力ｍｇを支えるように電磁石５１，５２のコイル５１１，５２１に所定のコイル電流が流れ、磁気軸受５０は、回転軸４０を所定の位置に浮上させる。
【００６３】
そして、モータ６０が所定のトルクを出力するように、ステータ６１，６２のコイル６１１，６１２；６２１，６２２に所定のコイル電流が流れると、ロータ６３は、ステータ６１，６２からの磁力を受けて所定の回転数で回転する。これにより、回転軸４０は、所定の回転数で回転する。そして、ファン３０は、回転軸４０の回転に応じてチャンバー１０内で回転し、循環ガスを循環させる。
【００６４】
エキシマレーザ用貫流ファン１００においては、エキシマレーザの運転状態に応じてチャンバー１０内の循環ガスの圧力が大きく変化する。したがって、チャンバー１０内の循環ガスの圧力が高くなると、ファン３０はチャンバー１０内で回転し難くなり、回転軸４０は、ファン３０から負荷を受ける。また、モータ６０のステータ６１，６２は、電磁石であるため回転軸４０は、ステータ６１，６２からの吸引力も受ける。さらに、回転軸４０の回転数も大きく変化する。
【００６５】
したがって、磁気軸受５０は、エキシマレーザ用貫流ファン１００の駆動状態に応じて異なる負荷を受け、磁気軸受５０におけるギャップ、すなわち、電磁石５１とターゲット５５との距離ｘ（「位置ｘ」とも言う。）は、磁気軸受５０が受ける負荷によって変化する。
【００６６】
そこで、ファン３０が回転している状態において、ファン３０を安定性良く回転させるための平衡位置Ｘに回転軸４０を浮上させるために、位置ｘが検出され、その検出された位置ｘが平衡位置Ｘになるように磁気軸受５０がフィードバック制御される。そして、フィードバック制御における制御ゲインが磁気軸受５０に印加される負荷に応じて変更される。
【００６７】
図５は、この発明による磁気軸受装置のブロック図を示す。図５を参照して、位置センサー１１０は、磁気軸受５０の位置、すなわち、電磁石５１を基準にしたターゲット５５の位置ｘを検出し、その検出した位置ｘを減算器１２０へ出力する。なお、位置センサー１１０が位置ｘを検出する方式は、どのような方式であってもよい。
【００６８】
減算器１２０は、指令値ｒと位置センサー１１０からの位置ｘとの偏差を演算し、その演算した偏差を制御装置８０へ出力する。
【００６９】
制御装置８０は、フィードバックコントローラ８１を含む。制御装置８０は、減算器１２０から受けた偏差に基づいて、磁気軸受５０を安定制御できるような電流指令Ｉｒｅｆをフィードバックコントローラ８１によってアンプ１３０へ出力する。アンプ１３０は、フィードバックコントローラ８１からの電流指令Ｉｒｅｆに一致するように電流Ｉを磁気軸受５０のコイル５１１，５２１に流す。
【００７０】
回転体１４０は、ファン３０、回転軸４０およびモータ６０からなる。モータ駆動装置９０は、回転体１４０を構成するモータ６０を駆動する。磁気軸受５０は、コイル５１１，５２１に電流Ｉが流れることにより、ファン３０およびモータ６０のロータ６３が取付けられた回転軸４０を浮上させ、回転軸４０を平衡位置Ｘに保持する。
【００７１】
上述したように、磁気軸受５０は、ファン３０、回転軸４０およびモータ６０から負荷を受ける。そして、磁気軸受５０の運動方程式は、次式により表わされる。
【００７２】
【数１】

【００７３】
ただし、ｍは回転軸４０の質量であり、ｇは重力加速度であり、ｋ，ｘ０は磁気軸受５０の定数であり、ｘは上述した磁気軸受５０のギャップであり、ｉは、電磁石５１〜５４に流れる電流であり、Ｆｆはファン３０からの負荷に応じた大きさを有する定常外乱であり、Ｆｍ（ｘ）はモータ６０の吸引力である。なお、Ｆｍ（ｘ）は、ギャップｘの関数である。
【００７４】
式（１）から明らかなように、磁気軸受５０は、非線型な制御対象であり、磁気軸受５０のフィードバック制御を行なうコントローラを設計するには、平衡点近傍における線形化処理が必要である。
【００７５】
回転軸４０が浮上位置Ｘに浮上されたときの浮上位置Ｘと浮上時の平衡電流Ｉとの関係は、次式により表わされる。
【００７６】
【数２】

【００７７】
そこで、式（２）を用いて、ギャップｘについて平衡電流Ｉの近傍での線形化処理を行なうと、式（１）に基づいて計算された磁気軸受５０の伝達関数は次式により表わされる。
【００７８】
【数３】

【００７９】
ただし、ｓはラプラス演算子であり、Δは磁気軸受５０の中心とモータ６０の磁気的中心との偏差であり、Ｂｇはモータ６０の磁束密度であり、ｑはモータ６０の定数である。
【００８０】
回転軸４０の回転停止時はＦｆ＝Ｆｍ＝０である。また、回転軸４０の回転時はＦｆ≠０，Ｆｍ（ｘ）≠０であるため、ファン３０およびモータ６０からの負荷によって制御対象の制御モデルが大きく変動する。
【００８１】
したがって、制御装置８０は、自身が出力する電流指令Ｉｒｅｆをローパスフィルタにより処理し、電流指令Ｉｒｅｆの平均値を演算する。そして、制御装置８０は、演算した平均値に基づいて、磁気軸受５０に印加される負荷の大きさを推定する。
【００８２】
回転軸４０が回転することにより、磁気軸受５０はファン３０およびモータ６０から負荷を受け、ギャップｘを変動させようとする。そして、磁気軸受５０のターゲット５５を平衡位置Ｘに浮上させるための平衡電流Ｉは、磁気軸受５０が受ける負荷の大きさに応じて変動する。すなわち、磁気軸受５０が受ける負荷が大きいほど、磁気軸受５０の電磁石５１〜５４に流れる平衡電流Ｉは大きくなる。
【００８３】
したがって、磁気軸受５０が受ける負荷の大きさは、磁気軸受５０の電磁石５１〜５４に流れる平衡電流Ｉにより推定可能である。そこで、電磁石５１〜５４に流れる平衡電流Ｉを検出することにより、磁気軸受５０が受ける負荷を推定することにしたものである。
【００８４】
なお、電磁石５１〜５４に流れる平衡電流Ｉを検出するには、アンプ１３０から出力される平衡電流Ｉを検出する必要があるが、アンプ１３０から出力される平衡電流Ｉは、制御装置８０が出力する電流指令Ｉｒｅｆに定常的に一致するので、電流指令Ｉｒｅｆに基づいて磁気軸受５０が受ける負荷の大きさを推定することにしたものである。これにより、アナログ信号である平衡電流Ｉをデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器を設ける必要がなくなる。
【００８５】
また、制御装置８０が電流指令Ｉｒｅｆをローパスフィルタにより処理する際のローパスフィルタの時定数は、回転軸４０の回転周期よりも十分大きく設定される。より具体的には、ローパスフィルタの時定数は、回転軸４０の回転周期に対して１０倍以上大きく設定され、０．１〜２．０ｓｅｃの範囲である。
【００８６】
このように、ローパスフィルタの時定数を回転軸４０の回転周期に対して１０倍以上大きく設定するのは次の理由による。磁気軸受５０が受ける負荷変動、つまり、回転軸４０の回転数の変化、または循環ガスのガス圧力の変化は、数百ｍｓｅｃ〜数ｓｅｃのオーダーであるため、制御装置８０は、磁気軸受５０が受ける負荷の大きさを推定するために電流の瞬時値が必要なわけではなく、電流の平均値で十分なためである。そして、電流の平均値により負荷の大きさを推定することにより、周期的に現れる回転軸４０の回転のアンバランスによる負荷の影響を除去でき、ファン３０からの負荷およびモータ６０の吸引力による負荷変動のみを推定することが可能となる。
【００８７】
制御装置８０は、磁気軸受５０が受ける負荷の大きさを推定すると、その推定した負荷の大きさに応じて、式（３）におけるパラメータを変更し、磁気軸受５０の制御モデルを再構築する。そして、制御装置８０は、再構築した制御モデルにおけるゲインを演算し、その演算したゲインに合うようにフィードバックコントローラ８１における制御ゲインを調整する。
【００８８】
つまり、この発明においては、制御装置８０は、フィードバック制御の対象である磁気軸受５０に印加される負荷の大きさを推定し、その推定した大きさの負荷が磁気軸受５０に印加された場合に、回転軸４０が安定して回転可能な平衡位置Ｘに磁気軸受５０のターゲット５５を浮上させるように磁気軸受５０をフィードバック制御するための制御モデルを再構築し、その再構築した制御モデルに合うように実際の磁気軸受５０のフィードバック制御における制御パラメータを調整する。
【００８９】
これにより、磁気軸受５０に印加される負荷の大きさが変動しても、磁気軸受５０に印加される負荷の大きさに適合したゲインなどの制御パラメータを設定して磁気軸受５０を安定制御できる。
【００９０】
上述したように、この発明においては、磁気軸受５０が受ける負荷の大きさを推定し、その推定した負荷の大きさに応じて、制御モデルを再構築し、フィードバックコントローラ８１における制御ゲインを調整することを特徴とするが、このように磁気軸受５０のフィードバック制御における制御装置８０を負荷の大きさに応じて変えることにした理由について図６を参照して説明する。
【００９１】
図６は、磁気軸受５０の制御モデルにおける一巡伝達関数を示す。なお、フィードバックコントローラ８１は、回転軸４０の回転停止時、すなわち、磁気軸受５０に負荷が印加されないときの制御モデルに適合するように設計されている。
【００９２】
図６において、縦軸は、ゲインおよび位相を示し、横軸は、周波数を示す。曲線ｋ１は、磁気軸受５０に負荷が印加されない場合のゲインの周波数依存性を示し、曲線ｋ２は、磁気軸受５０に負荷が印加された場合のゲインの周波数依存性を示し、曲線ｋ３は、位相の周波数依存性を示す。
【００９３】
磁気軸受５０に負荷が印加されると、低周波数側の位相交差周波数ｆｅｘ１付近のゲインが大きく低下するとともに、曲線ｋ２は、広い領域で平坦な特性（ゲインの周波数勾配がほぼ零）を持ち、周波数領域全体で殆ど安定余裕が無くなる。また、曲線ｋ２においては、高周波領域におけるゲインが大きくなり、安定余裕を改善するために制御ゲインを上げることは、回転軸の曲げ１次モードの影響または実システムのノイズの影響により、必ずしも好ましくない。
【００９４】
全体の制御ゲインを上げずに安定余裕を改善するためには、制御理論の一般的なルールにより、（Ａ）平坦な特性の領域よりも遥かに広い周波数領域で位相を進めるコントローラを設計する、（Ｂ）積分ゲインが大きいコントローラを設計して、低周波領域における制御ゲインを上げる、の２つの方法がある。
【００９５】
しかし、磁気軸受５０の制御モデルにおいては、上述したように、平坦なゲイン特性により、（Ａ）の方法では、低周波数領域のゲインが全体的に低くなるため、あまり効果がない。また、極端に広く位相を進めると、磁気軸受５０の剛性が低下し、ファン３０の大きな負荷に耐えられなくなる。また、（Ｂ）の方法では、平坦なゲイン特性を補償するためには、積分ゲインをかなり大きくしなければならず、その結果、位相を進める周波数領域が狭くなり、同時に位相余裕も減少する。そして、図６において、位相が−１８０度よりも小さくなる領域に存在する曲げの１次モードで発振し易くなったり、磁気軸受５０自体の安定化が困難になるという問題が顕著になる。
【００９６】
そこで、安定余裕を改善して磁気軸受５０の安定制御を実現するために、上述したように、フィードバックコントローラ８１を含む制御装置８０を変更させることにしたものである。
【００９７】
上記においては、制御装置８０は、自身が出力する電流指令Ｉｒｅｆを用いて磁気軸受５０に印加される負荷の大きさを推定すると説明したが、この発明においては、制御装置８０は、アンプ１３０が出力する平衡電流Ｉを受け、その受けた平衡電流Ｉをローパスフィルタにより処理して平均電流値を求め、その求めた平均電流値に基づいて磁気軸受５０が受ける負荷の大きさを推定するようにしてもよい。アンプ１３０は、電流のフィードバックループを有するため、アンプ１３０から出力された平衡電流Ｉは、制御装置８０へ入力される。
【００９８】
また、制御装置８０は、モータ駆動装置９０の出力をモニタリングし、そのモニタリングした出力に基づいて、磁気軸受５０が受ける負荷の大きさを推定するようにしてもよい。ファン３０から印加される負荷が大きくなると、回転軸４０を所定の回転数で回転させるには、その負荷の増加に応じてモータ６０を駆動するためのトルクを大きくする必要がある。したがって、モータ駆動装置９０からの出力が大きいことは磁気軸受５０が受ける負荷が大きいを意味するので、モータ駆動装置９０の出力に基づいて磁気軸受５０が受ける負荷の大きさを推定可能である。
【００９９】
電流指令Ｉｒｅｆに代えてアンプ１３０から出力される平衡電流Ｉまたはモータ駆動装置９０の出力を用いて磁気軸受５０が受ける負荷の大きさを推定する場合、制御装置８０は、上述したように、ローパスフィルタにより平衡電流Ｉの平均値またはモータ駆動装置９０の出力の平均値を求め、その求めた平衡電流Ｉの平均値または出力の平均値に基づいて磁気軸受５０が受ける負荷の大きさを推定する。そして、ローパスフィルタにおける時定数は、上述した範囲に設定される。
【０１００】
さらに、制御装置８０は、再構築した制御モデルにおけるゲインを実際に演算しなくてもよく、電流指令Ｉｒｅｆ（または平衡電流Ｉまたはモータ駆動装置９０の出力）と制御モデルにおけるゲインとのテーブルを作成して保持し、入力された電流指令Ｉｒｅｆ（または平衡電流Ｉまたはモータ駆動装置９０の出力）に対応するゲインに合うようにフィードバックコントローラ８１における制御ゲインを調整するようにしてもよい。
【０１０１】
さらに、制御装置８０は、図６に示す周波数依存性に基づいて、フィードバックコントローラ８１における制御ゲインを調整してもよい。図６に示すように、交差周波数は、低周波数側の交差周波数ｆｅｘ１と高周波数側の交差周波数ｆｅｘ２とから成る。そこで、制御装置８０は、交差周波数ｆｅｘ１，ｆｅｘ２付近の周波数成分のみをフーリエ変換で抽出し、低周波数側の周波数成分の振動および高周波数側の周波数成分の振動を検出する。
【０１０２】
磁気軸受５０が受ける負荷が大きくなると、交差周波数ｆｅｘ１付近の振動が観測され、磁気軸受５０が受ける負荷が小さくなると、交差周波数ｆｅｘ２付近の振動が観測される。
【０１０３】
したがって、制御装置８０は、交差周波数ｆｅｘ１付近の振動が観測されれば、フィードバックコントローラ８１における制御ゲインを一定量高く設定し、交差周波数ｆｅｘ２付近の振動が観測されれば、フィードバックコントローラ８１における制御ゲインを一定量低く設定する。
【０１０４】
つまり、制御装置８０は、磁気軸受５０のフィードバック制御系における伝達関数の位相の周波数依存性に基づいて、磁気軸受５０に印加される負荷の大きさを推定し、その推定した負荷の大きさに応じてフィードバックコントローラ８１における制御ゲインを調整する。
【０１０５】
ここで、制御ゲインの変更方法について説明する。検出された低周波数側の周波数成分の大きさをＰＬ、高周波数側の周波数成分をＰＨとし、予め決定された最適値の下限値をそれぞれＰＬｍｉｎ，ＰＨｍｉｎとして、最適値の上限値をそれぞれＰＬｍａｘ，ＰＨｍａｘとする。
【０１０６】
ＰＬは、ＰＨとトレードオフの関係にあり、磁気軸受５０が受ける負荷が小さくなり、制御系のゲインが高くなると、ＰＨは大きくなり、かつ、ＰＬは小さくなる。一方、磁気軸受５０が受ける負荷が大きくなり、制御系のゲインが低くなると、ＰＬは大きくなり、かつ、ＰＨは小さくなる。
【０１０７】
そこで、ＰＬ＜ＰＬｍｉｎまたはＰＨ＞ＰＨｍａｘの場合、制御ゲインが高すぎると判断され、制御ゲインは、予め決定された一定量だけ低くされる。また、ＰＬ＞ＰＬｍａｘまたはＰＨ＜ＰＨｍｉｎの場合、制御系のゲインは低すぎると判断され、制御ゲインは、予め決定された一定量だけ高くされる。
【０１０８】
制御装置８０は、周波数成分の検出周期ごとに、上述した判断を行なうので、たとえば、ＰＬ＞ＰＬｍａｘが連続すれば、制御ゲインはどんどん高くなる。そこで、制御ゲインが高くなりすぎたり、低くなりすぎないようにするために、予め決定された制御ゲインの上限値および下限値に達したら、それ以上制御ゲインは変更されない。
【０１０９】
このように、制御装置８０は、予め決定された下限値から上限値までの範囲で、検出した周波数成分の振動に応じて制御ゲインを変更する。そして、制御装置８０が変更する制御ゲインの一定量は、３〜５ｓｅｃの間、同じ条件が連続した場合、ファン３０からの負荷が磁気軸受５０に印加されないときの制御ゲインの半分または２倍になる程度である。
【０１１０】
制御装置８０は、低周波数側の周波数成分の大きさおよび高周波数側の周波数成分の大きさを検出するとき、ＦＦＴ（Ｆａｓｔ　Ｆｏｕｒｉｅｒ　Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ：高速フーリエ変換）のように、全ての周波数成分についてフーリエ変換を演算するのではなく、必要な周波数成分についてのみフーリエ変換を演算する。つまり、制御装置８０は、畳み込み演算を行なう。
【０１１１】
磁気軸受５０に印加される負荷の変動は、制御周期よりも十分に遅いため、制御装置８０は、制御周期ごとに１回の畳み込み演算を行なうことにより、演算時間の短縮とメモリの節約が可能となる。
【０１１２】
そして、制御装置８０は、データ長＝対象周波数における周期の整数倍／制御周期を満たすデータ長を有するデータについてフーリエ変換を行ない、周波数成分の振動を検出する。これにより、対象周波数によって、制御ゲインの更新時期が異なるが、異なる周波数における周波数成分の大きさの評価を等しくすることができる。
【０１１３】
たとえば、回転軸４０が１０Ｈｚと５０Ｈｚで回転中の場合、制御装置８０が回転１周期分のデータを取り込むために必要な時間は異なる。したがって、回転の周波数に拘わらず、データを取り込むための時間を一定にすると、低周波数側におけるデータは、高周波数側のデータに比べ、少なくなる。その結果、低周波数側の周波数成分は、高周波数側の周波数成分に比べ、少ないデータ量に基づいて評価されることになる。このような事態を回避し、各周波数において、少なくとも１回転分のデータが取り込まれるようにするため、制御装置８０は、データ長＝対象周波数における周期の整数倍／制御周期を満たすデータ長を有するデータについてフーリエ変換を演算することにしたものである。
【０１１４】
なお、制御装置８０は、低周波数側の周波数成分および高周波数側の周波数成分のうち、いずれか一方の周波数成分が一定になるように制御ゲインを調整してもよい。
【０１１５】
このように、制御装置８０は、図６に示す周波数依存性に基づいて、低周波数側の周波数成分および高周波数側の周波数成分についてフーリエ変換を演算して低周波数側の周波数成分の振動または高周波数側の周波数成分を検出し、その検出した周波数成分の振動に応じてフィードバックコントローラ８１における制御ゲインを調整する。
【０１１６】
この場合、制御装置８０が低周波数側の周波数成分の振動または高周波数側の周波数成分の振動を検出することは、磁気軸受５０が受ける負荷の大きさを推定することに相当する。
【０１１７】
したがって、周波数成分の振動に応じて制御ゲインを調整する制御は、磁気軸受５０が受ける負荷の大きさを推定し、その推定した負荷の大きさに応じて制御ゲインを調整することに含まれる概念である。
【０１１８】
図７を参照して、制御ゲインを調整する制御装置８０の動作について説明する。制御ゲインを調整する動作が開始されると、制御装置８０は、自身が出力した電流指令Ｉｒｅｆをローパスフィルタにより処理して電流指令Ｉｒｅｆの平均電流値を演算し、その演算した平均電流値に基づいて磁気軸受５０に印加される負荷の大きさを推定する（ステップＳ１０）。
【０１１９】
その後、制御装置８０は、推定した負荷の大きさに応じて、磁気軸受５０のフィードバック制御における制御モデルの伝達関数のパラメータ（式（３）のパラメータ）を変更する（ステップＳ２０）。そして、制御装置８０は、磁気軸受５０のフィードバック制御における制御モデルを、変更したパラメータを反映した制御モデルに変更する（ステップＳ３０）。
【０１２０】
そうすると、制御装置８０は、変更した制御モデルにおけるゲインなどの制御パラメータを演算し（ステップＳ４０）、その演算したゲインなどのコントローラパラメータをフィードバックコントローラ８１に設定する。そして、制御装置８０は、調整した制御パラメータを用いて磁気軸受５０のフィードバック制御を行なう（ステップＳ５０）。これにより、制御パラメータを調整する動作は終了する。
【０１２１】
この発明による磁気軸受装置のブロック図は、図８に示すブロック図であってもよい。図８に示すブロック図は、図５に示すブロック図の制御装置８０を制御装置８０Ａに代え、オブザーバ１５０を追加したものであり、その他は、図５に示すブロック図と同じである。
【０１２２】
図８を参照して、オブザーバ１５０は、磁気軸受５０に負荷が印加されていないときの参照モデルに基づいて構成されている。そして、オブザーバ１５０は、制御装置８０Ａの状態フィードバックゲイン８２から出力される電流指令Ｉｒｅｆと、位置センサー１１０から出力される位置ｘとを受け、その受けた電流指令Ｉｒｅｆおよび位置ｘに基づいて、磁気軸受５０のフィードバック制御における外乱を推定する。すなわち、オブザーバ１５０は、少なくとも速度とステップ状の外乱を推定可能なオブザーバである。
【０１２３】
そして、オブザーバ１５０は、推定した外乱に基づいて参照モデルを変更し、その変更した参照モデルにおける状態変数を推定する。ここで、オブザーバ１５０が参照モデルを変更することにしたのは、外乱に応じて参照モデルを変更しない場合、オブザーバ１５０が推定する状態変数の推定誤差が増大してしまい、実際の制御モデルに適合したフィードバック制御を行なえなくなるからである。
【０１２４】
オブザーバ１５０は、最終的に、推定した状態変数を制御装置８０Ａの状態フィードバックゲイン８２へ出力する。
【０１２５】
制御装置８０Ａは、状態フィードバックゲイン８２を含む。そして、状態フィードバックゲイン８２は、オブザーバ１５０が推定した状態変数に対応するゲインに適合するように制御ゲインを調整する。そして、制御装置８０Ａは、調整した制御ゲインを用いて、磁気軸受５０のフィードバック制御を行なう。
【０１２６】
その他は、上述したとおりである。
このように、オブザーバ１５０と状態フィードバックゲイン８２とを用いても、磁気軸受５０に印加される負荷の大きさに応じて、制御モデルまたは制御ゲインを変更して磁気軸受５０の安定制御を実現することができる。
【０１２７】
制御ゲインを調整する制御装置８０Ａの動作も、図７に示すフローチャートに従って実行される。
【０１２８】
なお、制御装置８０，８０Ａにおける制御ゲインの調整は、実際にはＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　Ｕｎｉｔ）によって行なわれ、ＣＰＵは、図７に示すフローチャートの各ステップを備えるプログラムをＲＯＭ（Ｒｅａｄ　Ｏｎｌｙ　Ｍｅｍｏｒｙ）から読出し、その読出したプログラムを実行して図７に示すフローチャートに従って磁気軸受５０に印加される負荷の大きさを推定し、その推定した負荷の大きさに応じて制御ゲインを調整する。したがって、ＲＯＭは、図７に示すフローチャートの各ステップを備えるプログラムを記録したコンピュータ（ＣＰＵ）読取り可能な記録媒体に相当する。
【０１２９】
また、図７に示すステップＳ１０における負荷の大きさの推定は、電流指令Ｉｒｅｆに限らず、アンプ１３０が出力する平衡電流Ｉまたはモータ駆動装置９０の出力に基づいて行なわれてもよい。
【０１３０】
さらに、図７に示すステップＳ１０における負荷の大きさの推定は、磁気軸受５０のフィードバック制御における一巡伝達関数における低周波数側の周波数成分の大きさまたは高周波数側の周波数成分の大きさを検出することによって行なわれてもよい。そして、低周波数側の周波数成分の大きさまたは高周波数側の周波数成分の大きさが検出される場合、フーリエ変換は、データ長＝対象周波数における周期の整数倍／制御周期を満たすデータ長を有するデータに基づいて演算される。
【０１３１】
さらに、図７に示すステップＳ２０，Ｓ３０，Ｓ４０の動作は、上述したオブザーバおよび状態フィードバックゲインにより行なわれてもよい。
【０１３２】
さらに、回転軸４０、磁気軸受５０、モータ６０および制御装置８０は、「磁気軸受装置」を構成する。
【０１３３】
さらに、回転軸４０、磁気軸受５０、モータ６０、オブザーバ１５０および制御装置８０Ａは、「磁気軸受装置」を構成する。
【０１３４】
実施の形態１によれば、磁気軸受装置は、磁気軸受が受ける負荷の大きさを推定し、その推定した負荷の大きさに応じて、回転軸を安定浮上するように磁気軸受をフィードバック制御する際の制御パラメータを調整する制御装置を備えるので、磁気軸受に印加される負荷の大きさが変動しても磁気軸受を安定して制御できる。
【０１３５】
［実施の形態２］
図９は、実施の形態２による磁気軸受装置のブロック図を示す。図９に示すブロック図は、図５に示すブロック図の制御装置８０を制御装置８０Ｂに代えたものであり、その他は、図５に示すブロック図と同じである。
【０１３６】
制御装置８０Ｂは、上述した制御装置８０の機能に追加して、磁気軸受５０に印加される負荷の方向を検出し、その検出した負荷の方向と反対方向に回転軸４０を移動させるように磁気軸受５０を制御する機能を備える。
【０１３７】
磁気軸受５０を構成する電磁石５１〜５４は、図２および図３に示すように直交座標を構成するように配置されるので、電磁石５１〜５４の各々に流れる電流によりそれぞれの座標軸において正方向および負方向のいずれの方向に負荷が印加されているかを検出し、その検出した２つの方向を合成することによりファン３０から磁気軸受５０に印加される負荷の方向を検出することができる。
【０１３８】
再び、図３を参照して、負荷の方向を検出する方法について説明する。電磁石５１は、電磁石５２と対になり、電磁石５３は、電磁石５４と対になっている。そして、電磁石５２に流れる電流が電磁石５１に流れる電流よりも大きい場合、電磁石５１，５２が配置された方向の正方向に負荷が印加されていることになり、電磁石５３に流れる電流が電磁石５４に流れる電流よりも大きい場合、電磁石５３，５４が配置された方向の正方向に負荷が印加されていることになる。
【０１３９】
したがって、電磁石対を成す電磁石５１，５２間における電流の差を検出することにより電磁石５１，５２が配置された方向の正方向および負方向のいずれの方向に負荷が印加されているかを検出でき、電磁石対を成す電磁石５３，５４間における電流の差を検出することにより電磁石５３，５４が配置された方向の正方向および負方向のいずれの方向に負荷が印加されているかを検出できる。
【０１４０】
電磁石５１〜５４に流れる電流は、制御装置８０Ｂが電磁石５１〜５４に流そうとする電流指令Ｉｒｅｆ１，Ｉｒｅｆ２，Ｉｒｅｆ３，Ｉｒｅｆ４に等しい。したがって、制御装置８０Ｂは、自身が出力する電流指令Ｉｒｅｆ１と電流指令Ｉｒｅｆ２との差を演算して電磁石５１，５２が配置された方向の正方向および負方向のいずれの方向に負荷が印加されているかを検出し、自身が出力する電流指令Ｉｒｅｆ３と電流指令Ｉｒｅｆ４との差を演算して電磁石５３，５４が配置された方向の正方向および負方向のいずれの方向に負荷が印加されているかを検出する。なお、電流指令Ｉｒｅｆ１と電流指令Ｉｒｅｆ２との差および電流指令Ｉｒｅｆ３と電流指令Ｉｒｅｆ４との差は、ローパスフィルタにより処理した電流指令を用いて演算される。
【０１４１】
制御装置８０Ｂは、負荷の方向を検出すると、その検出した負荷の方向と反対方向へ回転軸４０を移動させるように磁気軸受５０を制御する。図１０を参照して、ファン３０からの負荷Ｆｆの方向が鉛直方向であると検出されると、制御装置８０Ｂは、回転軸４０の中心を点Ｃ１から点Ｃ２まで距離Δだけ移動させるように磁気軸受５０を制御する。
【０１４２】
回転軸４０の中心が距離Δだけステータ６１，６２側に移動した場合、ステータ６１，６２からの吸引力は次式により表わされる。
【０１４３】
【数４】

【０１４４】
そして、吸引力Ｆｍは、ファン３０からの負荷Ｆｆと一部相殺され、磁気軸受５０に印加される負荷が減少する。つまり、制御モデルの変化が低減される。
【０１４５】
なお、回転軸４０を移動させる距離Δは、ロータ６３がステータ６１，６２に接触しない範囲であり、ステータ６１，６２とロータ６３とのギャップの４分の１を目安にする。
【０１４６】
このように、実施の形態２においては、磁気軸受５０に印加される負荷の方向を検出し、その検出した負荷の方向と反対方向へ回転軸４０を移動させることによりモータ６０のステータ６１，６２からの吸引力Ｆｍをファン３０からの負荷Ｆｆと一部相殺させて磁気軸受５０に印加される負荷を減少することを特徴とする。
【０１４７】
ファン３０の停止時、すなわち、ファン３０からの負荷が磁気軸受５０に印加されない場合に電磁石５１〜５４に流す電流をＩ_０とし、ファン３０が回転しているときに電磁石５１〜５４に流す電流をＩ_Ｌとすると、ファン３０から磁気軸受５０に印加される負荷Ｆｆは、次式により表わされる。
【０１４８】
【数５】

【０１４９】
したがって、制御装置８０Ｂは、式（５）に基づいてファン３０からの負荷Ｆｆを演算し、その演算した負荷Ｆｆの大きさに応じて、回転軸４０の中心を負荷Ｆｆの方向と反対方向に移動させる距離Δを決定してもよい。これにより、負荷Ｆｆが大きくなれば、距離Δが増加し、モータ６０の吸引力Ｆｍ（Δ）が増加するので、負荷Ｆｆが吸引力Ｆｍ（Δ）により相殺される量が増加する。その結果、負荷Ｆｆが変化しても制御モデルの変化は小さくなる。
【０１５０】
負荷Ｆｆの方向と反対方向に回転軸４０を移動させた後、実施の形態１における負荷Ｆｆの大きさに応じた制御モデルやそれに基づく制御パラメータの変更を行ない、磁気軸上５０の安定制御を行なう。
【０１５１】
図１１を参照して、制御パラメータを調整する制御装置８０Ｂの動作について説明する。図１１に示すフローチャートは、図７に示すフローチャートのステップＳ１０をステップＳ１１〜Ｓ１３に代えたものであり、その他は、図７に示すフローチャートと同じである。
【０１５２】
制御パラメータを調整する動作が開始されると、制御装置８０Ｂは、自身が出力する電流指令Ｉｒｅｆ１，Ｉｒｅｆ２，Ｉｒｅｆ３，Ｉｒｅｆ４に基づいて、磁気軸受５０に印加される負荷の方向を検出する（ステップＳ１１）。そして、制御装置８０Ｂは、検出した負荷の方向と反対方向へ回転軸４０を距離Δだけ移動させるように磁気軸受５０を制御する（ステップＳ１２）。
【０１５３】
回転軸４０が負荷の方向と反対方向へ移動されると、制御装置８０Ｂは、自身が出力する電流指令Ｉｒｅｆに基づいて、磁気軸受５０に印加される負荷の大きさを検出する（ステップＳ１３）。そして、上述したステップＳ２０，Ｓ３０，Ｓ４０，Ｓ５０，Ｓ６０が実行されて実施の形態２における制御パラメータを調整する動作が終了する。
【０１５４】
なお、ステップＳ１１，Ｓ１２の動作は、検出した負荷による制御モデルの変化を低減するように磁気軸受５０を制御することに相当する。
【０１５５】
制御装置８０Ｂは、少なくともステップＳ１１〜Ｓ１３を実行する制御装置であればよい。すなわち、制御装置８０Ｂは、磁気軸受５０に印加される負荷の方向を検出し、その検出した負荷の方向と反対方向へ回転軸４０を移動させるように磁気軸受５０を制御する制御装置であればよい。
【０１５６】
なお、制御装置８０Ｂにおける制御ゲインの調整は、実際にはＣＰＵによって行なわれ、ＣＰＵは、図１１に示すフローチャートの各ステップを備えるプログラムをＲＯＭから読出し、その読出したプログラムを実行して図１１に示すフローチャートに従って磁気軸受５０に印加される負荷の方向を検出し、その検出した負荷の方向と反対方向へ回転軸４０を移動させ、制御モデルの変化を低減して負荷の大きさに応じて制御ゲインを調整する。したがって、ＲＯＭは、図１１に示すフローチャートの各ステップを備えるプログラムを記録したコンピュータ（ＣＰＵ）読取り可能な記録媒体に相当する。
【０１５７】
また、回転軸４０、磁気軸受５０、モータ６０および制御装置８０Ｂは、「磁気軸受装置」を構成する。
【０１５８】
さらに、負荷の方向が既知の場合、予め決められた方向に回転軸４０を移動させてもよい。
【０１５９】
実施の形態２によれば、磁気軸受装置は、磁気軸受が受ける負荷の方向を検出し、その検出した負荷の方向と反対方向へ回転軸を移動させて制御モデルの変化が小さくなるように磁気軸受を制御する制御装置を備えるので、磁気軸受に印加される負荷の大きさが変動しても磁気軸受を安定して制御できる。また、磁気軸受の能力を見かけ上、高めることができる。
【０１６０】
［実施の形態３］
図１２は、実施の形態３による磁気軸受装置のブロック図を示す。図１２に示すブロック図は、図５に示すブロック図の磁気軸受５０を磁気軸受５０Ａに代えたものであり、その他は図５に示すブロック図と同じである。
【０１６１】
磁気軸受５０Ａは、自身に印加される最大の負荷を均等に受ける磁気軸受である。
【０１６２】
図１３を参照して、チャンバー１０内に設置されたファン３０が矢印１１の方向に回転した場合、ファン３０が磁気軸受５０に印加する負荷Ｆｆの方向は、矢印１２で示す方向になる。そして、ファン３０が横流ファンの場合、負荷Ｆｆの方向は、ファン３０の回転数またはチャンバー１０内のガス圧力によって殆ど変化せず、チャンバー１０またはファン３０の羽根形状等によってほぼ一定の方向に決定される。
【０１６３】
したがって、ファン３０からの負荷Ｆｆと重力ｍｇとの合力が、１つの電磁石対が配置された方向ともう１つの電磁石対が配置された方向とに均等に印加されるように４つの電磁石の配置位置が調整される。
【０１６４】
すなわち、図１４を参照して、磁気軸受５０Ａは、電磁石５１Ａ〜５４Ａと、ターゲット５５とから成る。回転軸４０は、重力ｍｇを鉛直方向に受ける。また、負荷Ｆｆが矢印１２で示す方向に印加される。そして、重力ｍｇと負荷Ｆｆとの合力Ｆｓ１が、電磁石５３Ａ，５４Ａが配置される方向の負荷Ｆ１と電磁石５１Ａ，５２Ａが配置される方向の負荷Ｆ２との合力Ｆｓ２と釣り合うように電磁石５１Ａ〜５４Ａを配置する。
【０１６５】
この場合、負荷Ｆｆは、ファン３０から磁気軸受５０Ａに印加される最大の負荷である。したがって、合力Ｆｓ１も最大になり、電磁石５１Ａ〜５４Ａは、磁気軸受５０Ａに印加される最大の負荷を均等に受けるように配置される。
【０１６６】
図１５を参照して、重力ｍｇの方向を通常の直交座標のｙ軸方向に取り、そのｙ軸に直交する方向をｘ軸方向とする。そうすると、負荷Ｆ１が印加される方向、つまり、電磁石５３Ａ，５４Ａが配置される方向は、ｙ軸方向と角度θをなす。そして、この発明においては、角度θは、０〜４５度の範囲である。
【０１６７】
このように、実施の形態３においては、磁気軸受５０Ａに印加される最大の負荷が２つの電磁石対に均等に印加されるように電磁石５１Ａ〜５４Ａを配置することを特徴とする。これにより、磁気軸受の制御モデルの変化を最小にできる。
【０１６８】
そして、負荷が均等に印加されるように電磁石５１Ａ〜５４Ａを配置した後、実施の形態１を適用して磁気軸受５０Ａに印加される負荷の大きさを推定し、その推定した負荷の大きさに応じて、磁気軸受５０Ａの制御モデルを変更して、それに基づく制御パラメータを調整するようにしてもよい。
【０１６９】
実施の形態３によれば、磁気軸受装置は、印加される最大の負荷を均等に受ける電磁石を有する磁気軸受を備えるので、磁気軸受の制御モデルの変化を最小にできる。
【０１７０】
上述した実施の形態２および３は、磁気軸受に印加される負荷による磁気軸受の制御モデルの変化を小さくする手段である。したがって、この発明による磁気軸受装置は、磁気軸受に印加される負荷による磁気軸受の制御モデルの変化を小さくする手段を備える磁気軸受装置であれば、どのような磁気軸受装置であってもよい。
【０１７１】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態１による磁気軸受装置を備えるエキシマレーザ用貫流ファンの断面構造図である。
【図２】図１に示す磁気軸受の配置方法を説明するための図である。
【図３】図１に示す磁気軸受の配置方法を説明するための他の図である。
【図４】図１に示すエキシマレーザ用貫流ファンの一部を示す断面図である。
【図５】実施の形態１による磁気軸受装置のブロック図である。
【図６】図１に示す磁気軸受の制御モデルにおける一巡伝達関数の周波数依存性を示す図である。
【図７】実施の形態１における制御パラメータを調整する動作を説明するためのフローチャートである。
【図８】実施の形態１による磁気軸受装置の他のブロック図である。
【図９】実施の形態２による磁気軸受装置のブロック図である。
【図１０】回転軸の移動を説明するための断面図である。
【図１１】実施の形態２における制御パラメータを調整する動作を説明するためのフローチャートである。
【図１２】実施の形態３による磁気軸受装置のブロック図である。
【図１３】図１に示すチャンバーにおける断面図である。
【図１４】図１２に示す磁気軸受を説明するための図である。
【図１５】図１４に示す４つの電磁石の配置位置を説明するための図である。
【符号の説明】
１０　チャンバー、１１，１２　矢印、２０　ラジエータ、３０　ファン、４０　回転軸、５０，５０Ａ，７０　磁気軸受、５１〜５４，５１Ａ〜５４Ａ，７１，９２　電磁石、５５，７３　ターゲット、６０　モータ、６１，６２　ステータ、６３　ロータ、８０，８０Ａ，８０Ｂ，８０Ｃ　制御装置、８１　フィードバックコントローラ、８２　状態フィードバックゲイン、９０　モータ駆動装置、１００　エキシマレーザ用貫流ファン、１１０　位置センサー、１２０　減算器、１３０　アンプ、１４０　回転体、１５０　オブザーバ、５１１，５２１，６１１，６１２，６２１，６２２　コイル。

Claims

ガス圧が変化するチャンバ内で回転数が変化するファンが取付けられた回転軸と、
前記回転軸を回転駆動するモータと、
前記回転軸を保持する磁気軸受と、
前記磁気軸受が受ける負荷に応じて、前記ファンを安定性良く回転させる位置に前記回転軸を保持するためのフィードバック制御におけるパラメータを変更する制御手段とを備える磁気軸受装置。
前記磁気軸受は、前記回転軸を所定の位置に保持するための電磁石を含み、
前記制御手段は、前記電磁石を構成するコイルに流すコイル電流、またはコイル電流指令に基づいて前記負荷を検出し、その検出した負荷に応じて前記パラメータを変更する、請求項１に記載の磁気軸受装置。
前記制御手段は、前記コイル電流または前記コイル電流指令をローパスフィルタにより処理して前記コイル電流または前記コイル電流指令の平均値を検出し、その検出した平均値に基づいて前記負荷を検出し、
前記ローパスフィルタの時定数は、前記回転軸の回転周期よりも大きい、請求項２に記載の磁気軸受装置。
少なくとも速度とステップ状の負荷とを推定可能なオブザーバをさらに備え、
前記制御手段は、状態フィードバックゲインを含み、
前記オブザーバは、前記負荷の変動に応じて自己が保持する参照モデルを変更して状態変数を推定し、
前記状態フィードバックゲインは、前記オブザーバが推定した状態変数に基づいて前記ゲインを変更する、請求項１に記載の磁気軸受装置。
前記制御手段は、前記モータを駆動するモータ駆動装置の出力に基づいて前記負荷を検出し、その検出した負荷に応じて前記パラメータを変更する、請求項１に記載の磁気軸受装置。
前記制御手段は、前記フィードバック制御における一巡伝達関数における交差周波数付近の周波数成分の大きさを検出し、その検出した周波数成分のうち低周波数側の周波数成分の大きさが大きくなったとき前記ゲインを一定量大きくし、前記検出した周波数成分のうち高周波数側の周波数成分の大きさが大きくなったとき前記ゲインを一定量小さくする、請求項１に記載の磁気軸受装置。
前記制御手段は、フーリエ変換理論に基づいて、対象とする周波数成分のみを畳み込んで計算することにより前記周波数成分の大きさを検出する、請求項６に記載の磁気軸受装置。
前記制御手段は、前記周波数成分の畳み込み計算を制御周期ごとに計算し、
前記フーリエ変換されるデータのデータ長は、データ長＝対象周波数における周期の整数倍／制御周期を満たす、請求項７に記載の磁気軸受装置。
前記制御手段は、前記回転軸に印加される負荷による制御モデルの変化を低減させるように前記磁気軸受をさらに制御し、前記変化が低減された制御モデルに基づいて前記パラメータを変更する、請求項１に記載の磁気軸受装置。
前記磁気軸受は、複数の磁気軸受対からなり、
前記制御手段は、前記複数の磁気軸受対に流れる複数の電流、または複数の電流指令に基づいて前記回転軸に印加される負荷の方向を検出し、その検出した負荷の方向と反対方向へ前記回転軸の浮上位置を変える、請求項９に記載の磁気軸受装置。
前記制御手段は、前記複数の磁気軸受対に対応し、前記磁気軸受対ごとに印加される複数の力を検出し、その検出した複数の力を合成して前記付加の方向を検出する、請求項１０に記載の磁気軸受装置。
前記磁気軸受は、複数の磁気軸受対からなり、
前記複数の磁気軸受対は、前記回転軸の重力による負荷と前記ファンによる最大負荷との合力を均等に受ける位置に配置される、請求項９に記載の磁気軸受装置。
ガス圧が変化するチャンバ内で回転数が変化するファンが取付けられた回転軸を前記ファンが安定性良く回転する位置に保持するように磁気軸受のフィードバック制御をコンピュータに実行させるためのプログラムであって、
前記磁気軸受が受ける負荷を検出する第１のステップと、
前記検出した負荷に応じて前記フィードバック制御におけるパラメータを変更する第２のステップと、
前記変更したパラメータを用いて前記フィードバック制御を行なう第３のステップとをコンピュータに実行させるためのプログラム。
前記磁気軸受は、前記回転軸を所定の位置に保持するための電磁石を含み、
前記第１のステップは、前記電磁石を構成するコイルに流すコイル電流、またはコイル電流指令に基づいて前記負荷を検出する、請求項１３に記載のコンピュータに実行させるためのプログラム。
前記第１のステップは、前記コイル電流をローパスフィルタにより処理して前記コイル電流の平均値を検出し、その検出した平均値に基づいて前記負荷を検出し、
前記ローパスフィルタの時定数は、前記回転軸の回転周期よりも大きい、請求項１４に記載のコンピュータに実行させるためのプログラム。
前記第２のステップは、
少なくとも速度とステップ状の負荷とを推定可能なオブザーバにより前記負荷の変動に応じて前記オブザーバの参照モデルを変更して状態変数を推定する第１のサブステップと、
状態フィードバックゲインにより前記オブザーバが推定した状態変数に基づいて前記ゲインを変更する第２のサブステップとを含む、請求項１３に記載のコンピュータに実行させるためのプログラム。
前記第１のステップは、前記モータを駆動するモータ駆動装置の出力に基づいて前記負荷を検出する、請求項１３に記載のコンピュータに実行させるためのプログラム。
前記第１のステップは、前記フィードバック制御における一巡伝達関数における交差周波数付近の周波数成分の大きさを検出し、
前記第２のステップは、前記検出した周波数成分のうち低周波数側の周波数成分の大きさが大きくなったとき前記ゲインを一定量大きくし、前記検出した周波数成分のうち高周波数側の周波数成分の大きさが大きくなったとき前記ゲインを一定量小さくする、請求項１３に記載のコンピュータに実行させるためのプログラム。
前記第１のステップは、フーリエ変換理論に基づいて、対象とする周波数成分のみを畳み込んで計算することにより前記周波数成分の大きさを検出する、請求項１８に記載のコンピュータに実行させるためのプログラム。
前記第１のステップは、データ長＝対象周波数における周期の整数倍／制御周期を満たすデータ長を有するデータに基づいて前記周波数成分の畳み込み計算を制御周期ごとに計算する、請求項１９に記載のコンピュータに実行させるためのプログラム。
前記検出した負荷による制御モデルの変化を低減するように前記磁気軸受を制御する第４のステップをさらにコンピュータに実行させ、
前記第２のステップは、前記変化が低減された制御モデルに基づいて前記ゲインを変更する、請求項１３に記載のコンピュータに実行させるためのプログラム。
前記磁気軸受は、複数の磁気軸受対からなり、
前記第４のステップは、
前記複数の磁気軸受対に流れる複数の電流、または複数の電流指令に基づいて前記回転軸に印加される負荷の方向を検出する第１のサブステップと、
前記検出した負荷の方向と反対方向へ前記回転軸の浮上位置を変える第２のサブステップとを含む、請求項２１に記載のコンピュータに実行させるためのプログラム。
前記第１のサブステップは、
前記複数の磁気軸受対に対応し、前記磁気軸受対ごとに印加される複数の力を検出するステップと、
前記検出した複数の力を合成して前記負荷の方向を検出するステップとを含む、請求項２２に記載のコンピュータに実行させるためのプログラム。
請求項１３から請求項２３のいずれか１項に記載のプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
請求項１から請求項１２のいずれか１項に記載の磁気軸受装置を備えるエキシマレーザ用貫流ファン装置。