磁轴承控制装置及真空泵

摘要

本发明提供一种磁轴承控制装置及真空泵。本发明的磁轴承控制装置包括：电流旋转成分运算部(60)，针对至少一轴的磁轴承，算出电流旋转频率成分相对于基准旋转信号的相位φ2及振幅值；位移旋转成分运算部(62)，算出位移旋转频率成分相对于基准旋转信号的相位φ1及振幅值；以及电流直流成分运算部(61)，算出由位移旋转频率成分所产生的力被由电流旋转频率成分所产生的力抵消的情况下，电流旋转频率成分的振幅与位移旋转频率成分的振幅之比I_D，并且，以相位φ2与将相位φ1加上相位值180度所得的值相等，且电流旋转频率成分的振幅值与位移旋转频率成分和比I_D之积相等的方式进行反馈控制。

权利要求

1.一种磁轴承控制装置，其特征在于包括：

第一运算部，针对磁浮支持旋转轴的控制式磁轴承装置的至少一轴的磁轴承，算出所述磁轴承的励磁电流所含的电流旋转频率成分相对于基准旋转信号的电流旋转成分相位值及电流旋转成分振幅值；

第二运算部，算出所述旋转轴的位移信号所含的位移旋转频率成分相对于基准旋转信号的位移旋转成分相位值及位移旋转成分振幅值；以及第三运算部，算出由所述位移旋转频率成分所产生的力被由所述电流旋转频率成分所产生的力抵消的情况下，所述电流旋转成分振幅值与所述位移旋转成分振幅值之比，并且以所述电流旋转成分相位值与将所述位移旋转成分相位值加上相位值180度所得的值相等，且所述电流旋转成分振幅值与所述位移旋转频率成分和所述比之积相等的方式进行反馈控制。

2.根据权利要求1所述的磁轴承控制装置，其特征在于包括：第一控制器，包含以所述加上相位值180度所得的值与所述电流旋转成分相位值的偏差作为输入的积分相应量；

第二控制器，包含以所述位移旋转频率成分和所述比之积与所述电流旋转成分振幅值的偏差作为输入的积分相应量；以及第四运算部，根据所述第一控制器的输出值及所述第二控制器的输出值而生成电流旋转成分正弦波信号，并且利用所述电流旋转成分正弦波信号进行反馈控制。

3.根据权利要求1所述的磁轴承控制装置，其特征在于：所述至少一轴的磁轴承为进行所述旋转轴的径向方向的支持的二轴的径向磁轴承，且所述第二运算部算出所述二轴的各轴方向的所述位移信号所含的位移旋转频率成分相对于基准旋转信号的位移旋转成分相位值及位移旋转成分振幅值。

4.根据权利要求3所述的磁轴承控制装置，其特征在于包括：第一控制器，包含以所述加上相位值180度所得的值与所述电流旋转成分相位值的偏差作为输入的积分相应量；

第二控制器，包含以所述位移旋转频率成分和所述比之积与所述电流旋转成分振幅值的偏差作为输入的积分相应量；以及第四运算部，根据所述第一控制器的输出值及所述第二控制器的输出值，生成电流旋转成分正弦波信号作为与所述二轴的径向磁轴承中的其中一个有关的反馈控制信号，且生成电流旋转成分余弦波信号作为与所述二轴的径向磁轴承中的其中另一个有关的反馈控制信号。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的磁轴承控制装置，其特征在于：所述第三运算部包括提取所述励磁电流的直流成分的提取部，根据所提取的所述直流成分而算出所述比。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的磁轴承控制装置，其特征在于：包括转换部，所述转换部根据来自检测所述旋转轴的悬浮位置位移的位移传感器的传感器信号，生成与磁轴承位置的位移相应的位移信号，所述第二运算部根据所述转换部所生成的位移信号而算出所述位移旋转成分相位值及所述位移旋转成分振幅值。

7.一种真空泵，其特征在于包括：

泵转子，由电机旋转驱动；

磁轴承装置，磁浮支持所述泵转子的旋转轴；以及

根据权利要求1至6中任一项所述的磁轴承控制装置，控制所述磁轴承装置。

说明书

磁轴承控制装置及真空泵

技术领域

[0001] 本发明涉及一种磁轴承控制装置及真空泵。

背景技术

[0002] 对于经控制式磁轴承磁浮支持的转子(rotor)来说，若转子存在不平衡(unbalance)则会产生由此所引起的旋转频率成分的振动，此振动因电磁石力的反作用而被传递到定子(stator)侧。专利文献1中记载了一种磁轴承装置，此磁轴承装置能减少此种在定子侧传递的不理想的振动。

[0003] 专利文献1所记载的磁轴承装置中，将从应用于悬浮控制的位移信号中消除旋转频率成分所得的信号输入到磁浮控制器中，生成励磁电流的控制信号，由此将电磁石励磁电流所含的旋转频率成分的电流除去。进而，针对磁浮控制器的输出信号，加上、减去用于减少因转子位移的旋转成分所产生的电磁石力变动的信号，由此实现进一步的低振动化。

[0004] [现有技术文献]

[0005] [专利文献]

[0006] [专利文献1]日本专利特开2017-075666号公报

发明内容

[0007] [发明所要解决的问题]

[0008] 此外，所述专利文献1所记载的技术中，对于为了减少因转子位移的旋转成分所产生的电磁石力变动而生成的信号，需要进行增益(gain)及相位的修正。然而，难以在磁浮控制器的输出信号中使旋转频率成分的信号残留完全为零。实际上大多情况下会残留，因此需要在出货前对每个机台进行增益变化、相位延迟的微调整。

[0009] [解决问题的技术手段]

[0010] 本发明的优选实施方式的磁轴承控制装置包括：第一运算部，针对磁浮支持旋转轴的控制式磁轴承装置的至少一轴的磁轴承，算出所述磁轴承的励磁电流所含的电流旋转频率成分相对于基准旋转信号的电流旋转成分相位值及电流旋转成分振幅值；第二运算部，算出所述旋转轴的位移信号所含的位移旋转频率成分相对于基准旋转信号的位移旋转成分相位值及位移旋转成分振幅值；以及第三运算部，算出由所述位移旋转频率成分所产生的力被由所述电流旋转频率成分所产生的力抵消的情况下，所述电流旋转频率成分的振幅值与所述位移旋转频率成分的振幅值之比，并且，以所述电流旋转成分相位值与将所述位移旋转成分相位值加上相位值180度所得的值相等，且所述电流旋转频率成分的振幅值与所述位移旋转频率成分和所述比之积相等的方式进行反馈控制。

[0011] 进而优选的实施方式中包括：第一控制器，包含以所述加上相位值180度所得的值与所述电流旋转成分相位值的偏差作为输入的积分相应量；第二控制器，包含以所述位移旋转频率成分和所述比之积与所述电流旋转频率成分的振幅值的偏差作为输入的积分相应量；以及第四运算部，根据所述第一控制器的输出值及所述第二控制器的输出值而生成电流旋转成分正弦波信号，并且，利用所述电流旋转成分正弦波信号进行反馈控制。

[0012] 进而优选的实施方式中，所述至少一轴的磁轴承为进行所述旋转轴的径向方向的支持的二轴的径向磁轴承，所述第二运算部算出所述二轴的各轴方向的所述位移信号所含的位移旋转频率成分相对于基准旋转信号的位移旋转成分相位值及位移旋转成分振幅值。

[0013] 进而优选的实施方式中包括：第一控制器，包含以所述加上相位值180度所得的值与所述电流旋转成分相位值的偏差作为输入的积分相应量；第二控制器，包含以所述位移旋转频率成分和所述比之积与所述电流旋转频率成分的振幅值的偏差作为输入的积分相应量；以及第四运算部，根据所述第一控制器的输出值及所述第二控制器的输出值，生成电流旋转成分正弦波信号作为与所述二轴的径向磁轴承中的其中一个有关的反馈控制信号，并且生成电流旋转成分余弦波信号作为与所述二轴的径向磁轴承中的其中另一个有关的反馈控制信号。

[0014] 进而优选的实施方式中，所述第三运算部包括提取所述励磁电流的直流成分的提取部，根据所提取的所述直流成分而算出所述比。

[0015] 进而优选的实施方式中包括转换部，所述转换部根据来自检测所述旋转轴的悬浮位置位移的位移传感器的传感器信号，生成与磁轴承位置的位移相应的位移信号，所述第二运算部根据所述转换部所生成的位移信号而算出位移旋转成分相位值及位移旋转成分振幅值。

[0016] 本发明的优选实施方式的真空泵包括：泵转子，由电机旋转驱动；磁轴承装置，磁浮支持所述泵转子的旋转轴；以及所述实施方式的磁轴承控制装置，控制所述磁轴承装置。

[0017] [发明的效果]

[0018] 根据本发明，能在不进行增益或相位调整的情况下实现低振动化。

附图说明

[0019] 图1为表示具备磁轴承装置的涡轮分子泵的泵本体的概略构成的图。

[0020] 图2为表示控制装置的概略构成的方框图。

[0021] 图3为对作用于转子轴的力进行说明的图。

[0022] 图4为表示磁轴承控制系统的概略构成的方框图。

[0023] 图5为对位移转换处理进行说明的图。

[0024] 图6为表示振动减少控制的详细情况的方框图。

[0025] 图7为对电流旋转频率成分进行说明的图。

[0026] 图8为对变形例1进行说明的方框图。

[0027] [符号的说明]

[0028] 1：涡轮分子泵

[0029] 1A：泵本体

[0030] 1B：控制装置

[0031] 3：泵转子

[0032] 4A、4B：径向磁轴承

[0033] 4C：轴向磁轴承

[0034] 5：转子轴

[0035] 33：传感器电路

[0036] 40：DC电源

[0037] 41：相反器

[0038] 42：电机

[0039] 43：励磁放大器

[0040] 44：控制部

[0041] 45：磁轴承电磁石

[0042] 50x1、50x2、50y1、50y2、51：位移传感器

[0043] 60：电流旋转成分运算部

[0044] 61：电流直流成分运算部

[0045] 62：位移旋转成分运算部

[0046] 64：振幅控制信号生成器

[0047] 65：相位控制信号生成部

[0048] 66：控制输出运算部

[0049] 417：磁浮控制器

[0050] 420：电机控制部

[0051] 442：位移转换部

[0052] 443：振动减少控制部

[0053] 611：低通滤波器

具体实施方式

[0054] 以下，参照图对用于实施本发明的方式进行说明。图1为表示具备磁轴承装置的涡轮分子泵的概略构成的图。如图1所示那样，涡轮分子泵1是由泵本体1A及驱动控制泵本体1A的控制装置1B所构成。

[0055] 设于泵本体1A的泵转子3的转子轴5是由径向磁轴承4A、径向磁轴承4B及轴向磁轴承4C非接触地支持。径向磁轴承4A、径向磁轴承4B各自具备配置在转子轴5的径方向上的四个磁轴承电磁石。轴向磁轴承4C的磁轴承电磁石是以在轴方向上隔着推力盘(thrust disk)10的方式配置，所述推力盘10固定在转子轴5的下部。

[0056] 转子轴5的位移是由径向方向的位移传感器50x1、位移传感器50y1、位移传感器50x2、位移传感器50y2及轴向方向的位移传感器51所检测。关于位移传感器50x1、位移传感器50y1、位移传感器50x2、位移传感器50y2、位移传感器51，可使用在传感器芯上卷绕线圈的构成的电感式位移传感器。

[0057] 经磁轴承旋转自如地磁浮支持的泵转子3是由电机42高速旋转驱动。关于电机42，可使用无刷直流(Direct Current，DC)电机等。此外，图1中示意性地记载为电机42，但更详细而言，符号42所示的部分构成电机定子，在泵转子3的转子轴5侧设有电机转子。

[0058] 在由电机42旋转驱动的转子轴5的下端，设有传感器靶29。所述轴向方向的位移传感器51是配置在与传感器靶29的下表面对向的位置。当磁轴承不动作时，转子轴5是由备用的机械轴承26a、机械轴承26b支持。

[0059] 在泵转子3中，形成有构成旋转侧排气功能部的多段旋转叶片3a及圆筒部3b。另一方面，关于固定侧，设有作为固定侧排气功能部的固定叶片22及螺杆定子24。多段固定叶片22在轴方向上与旋转叶片3a交替配置。螺杆定子24是在圆筒部3b的外周侧空开规定间隙而设置。

[0060] 各固定叶片22经由间隔环(spacer ring)23而载置在基座(base)20上。若利用螺钉将泵壳21的固定凸缘21c固定于基座20，则将经层叠的间隔环23夹持于基座20与泵壳21之间，对固定叶片22进行定位。在基座20上设有排气口25，在此排气口25上连接背部泵(back pump)。通过一边使泵转子3磁浮一边利用电机42进行高速旋转驱动，而将吸气口21a侧的气体分子向排气口25侧排气。

[0061] 图2为表示控制装置1B的概略构成的方框图。利用设于控制装置1B的DC电源40，将来自外部的交流(Alternating Current，AC)输入从交流转换成直流。DC电源40分别生成相反器41用的电源、励磁放大器43用的电源、控制部44用的电源。

[0062] 对电机42供给电力的相反器41中具备多个开关元件。通过利用控制部44来控制这些开关元件的通断而驱动电机42。

[0063] 如上文所述那样，磁浮支持转子轴5的磁轴承为在径向方向上具备四轴、且在轴向方向上具备一轴的五轴控制式磁轴承(主动磁轴承(active magnetic bearing，AMB))。对各轴分别设有一对磁轴承电磁石，因此如图2所示那样设有10个磁轴承电磁石45。对10个磁轴承电磁石45分别设置向磁轴承电磁石45供给励磁电流的励磁放大器43。

[0064] 控制电机42的驱动及磁轴承的驱动的控制部44例如是由现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array，FPGA)等数字运算器及其周边电路所构成。关于电机控制，从控制部44向相反器41输入脉宽调制(Pulse Width Modulation，PWM)控制信号41a，此PWM控制信号41a用于对设于相反器41的多个开关元件进行通断控制。另外，从相反器41向控制部44输入信号41b，此信号41b与和电机42有关的相电压及相电流有关。

[0065] 关于磁轴承控制，从控制部44向各励磁放大器43输入PWM门驱动信号43a，此PWM门驱动信号43a用于对设于励磁放大器43的开关元件进行通断控制。另外，从各励磁放大器43向控制部44输入与各磁轴承电磁石45的电流值有关的电流检测信号43b。

[0066] 针对各位移传感器50x1、50y1、50x2、50y2、51，分别设有传感器电路33。从控制部44对各传感器电路33输入传感器载波信号(carrier signal)(载波信号)305。从各传感器电路33对控制部44输入根据转子轴5的位移而经调制的传感器信号306。

[0067] 此外，若转子轴5的悬浮位置因来自外部的振动或转子涡动而变化，则虽然励磁电流一定，但由磁轴承作用于转子轴5的力变化。例如，若转子轴5靠近磁轴承电磁石45则吸力变大，反之若远离则吸力变小。因此，若由转子不平衡导致转子轴5涡动，则会因作用于转子轴5的力的反作用而产生泵振动。如以下将说明那样，本实施形态中，利用励磁电流变动所引起的力将由所述转子不平衡导致的转子位移(振动位移)所引起的力的变动抵消，由此减少不平衡等所引起的振动。

[0068] 图3为对作用于转子轴5的力进行说明的图。图3为表示转子轴5、构成径向轴承中的一轴(x轴方向)的磁轴承电磁石45p、磁轴承电磁石45m、以及与其对应地设置的位移传感器50x1p、位移传感器50x1m的图。磁轴承电磁石45p、磁轴承电磁石45m中流动的励磁电流ip、励磁电流im中，包含用于确保规定的轴承刚性的直流电流成分(也称为偏置电流)、及用于控制转子轴5的悬浮位置的控制电流。即，通过使控制电流变动，而以转子轴5的悬浮位置(以下称为转子悬浮位置)成为目标悬浮位置J的方式控制。

[0069] 此处，将励磁电流ip的直流电流成分及电流变动成分(振动电流成分)表示为Ip、Δip，将励磁电流im的直流电流成分及电流变动成分(振动电流成分)表示为Im、Δim。通常设定为Δip＝-Δim＝Δi。Δdr表示转子悬浮位置距目标悬浮位置J的位移(x轴方向的位移)，将向磁轴承电磁石45p的方向的位移设为正。此外，Dp、Dm为转子悬浮位置悬浮到目标悬浮位置J的情况下，转子轴5与磁轴承电磁石45p、磁轴承电磁石45m的间隔。

[0070] 磁轴承电磁石45p的吸力Fp是如下式(1)那样表示，磁轴承电磁石45m的吸力Fm是2 2
如下式(2)那样表示。此外，系数k[Nm/A]为电磁石系数。

[0071] Fp＝k(Ip/Dp)2···(1)

[0072] Fm＝k(Im/Dm)2···(2)

[0073] 图3中，示出与吸力Fp的增加对应的位移Δdr(＞0)及电流变动成分Δi。吸力Fp、吸力Fm相对于此种位移Δdr及电流变动成分Δi的变动ΔFp、变动ΔFm是使用式(1)、式(2)如下式(3)、下式(4)那样表示。吸力Fp、吸力Fm互为反向，因此作用于转子轴5的力的变动成为ΔFp－ΔFm，是由式(5)表示。式(3)～式(5)中，右边第一项为电流变动成分Δi所引起的力的变动，右边第二项为距目标悬浮位置的位移Δdr所引起的力的变动。

[0074] ΔFp＝(2k·Ip/Dp2)Δi+(2k·Ip2/Dp3)Δdr···(3)

[0075] ΔFm＝(-2k·Im/Dm2)Δi+(-2k·Im2/Dm3)Δdr···(4)

[0076] ΔFp－ΔFm＝{(2k·Ip/Dp2)+(2k·Im/Dm2)}Δi+{(2k·Ip2/Dp3)+(2k·Im2/Dm3)}Δdr···(5)

[0077] 为了将作用于转子轴5的力的变动(ΔFp－ΔFm)设为零，只要式(5)的右边成为零即可。即，通过如式(6)那样来设定励磁电流ip、励磁电流im的电流变动成分Δi，能利用电流变动成分Δi所引起的力的变动将位移Δdr所引起的力的变动抵消。式(6)中的位移Δdr是根据从图2的传感器电路33输出的传感器信号306而算出。

[0078] Δi＝-{(Ip2/Dp3+Im2/Dm3)/(Ip/Dp2+Im/Dm2)}Δdr···(6)

[0079] 此外，式(6)中，{(Ip2/Dp3+Im2/Dm3)/(Ip/Dp2+Im/Dm2)}为基于励磁电流ip、励磁电流im中的直流电流成分Ip、直流电流成分Im的常数，此处可由符号I_D表示。间隔(clearance)Dp、间隔Dm在高精度地制作的情况下能使用设计值。通常目标悬浮位置是设定为磁轴承电磁石45p、磁轴承电磁石45m的中间位置，因此成为Dp＝Dm＝D，I_D成为如下式(7)那样。

[0080] I_D＝(1/D)·{(Ip2+Im2)/(Ip+Im)}···(7)

[0081] 此处，位移Δdr中的作为具有角频率Ω的频率成分的位移旋转频率成分Δdr(Ω)是使用旋转基准信号θ(＝Ω·t)如下式(8)那样表示。另外，电流变动成分Δi中的作为具有角频率Ω的频率成分的电流旋转频率成分Δi(Ω)是使用旋转基准信号θ如下式(9)那样表示。

[0082] Δdr(Ω)＝∣dr(Ω)∣cos(θ+φ1)···(8)

[0083] Δi(Ω)＝∣i(Ω)∣cos(θ+φ2)···(9)

[0084] 此外，旋转基准信号θ为使用转子轴5的旋转速度(角频率)Ω表示为θ＝Ω·t的基准电角，本实施形态中如图4所示那样，使用从电机驱动系统的电机控制部420输入的基准电角θ。电机驱动系统中，在具备旋转传感器、例如检测电机磁极位置的霍尔传感器(Hall sensor)等的情况下，根据其检测信号而生成基准电角θ，无传感器构成的情况下，利用电机电动势生成基准电角θ。本实施形态中，基准电角θ的生成方法并无特别限定。

[0085] 为了利用电流旋转频率成分Δi(Ω)所引起的力的变动将位移旋转频率成分Δdr(Ω)所引起的力的变动抵消而除去旋转成分的振动，式(8)、式(9)的振幅需要满足下式(10)所表示的条件。另外，相位需要满足式(11)所表示的条件。

[0086] ∣i(Ω)∣＝I_D·∣dr(Ω)∣···(10)

[0087] θ+φ2＝θ+φ1+π···(11)

[0088] 图4为表示磁轴承控制系统的概略构成的方框图，示出与图3所示的一轴的控制有关的构成。将从传感器电路33输出的传感器信号输入到磁浮控制器417及位移转换部442中。磁浮控制器417根据传感器信号进行比例控制、积分控制及微分控制、相位修正、其他控制补偿，生成悬浮控制电流设定量。

[0089] 进而，将悬浮控制电流设定量加上偏置电流设定量。关于p侧的控制，使用对悬浮控制电流设定量标注负号并加上偏置电流设定量所得的量。关于m侧的控制，使用将悬浮控制电流设定量加上偏置电流设定量所得的量。

[0090] 例如，在如图3那样转子轴5靠近p侧的磁轴承电磁石45p的情况下，越靠近磁轴承电磁石45p，从磁浮控制器417输出的悬浮控制电流设定量越变大，(偏置电流设定量)－(悬浮控制电流设定量)越变小。即，输入到电流限制电路440p的电流设定量成为减小励磁电流那样的设定。通常将电流下限值设定为零，但在利用电磁石自身来检测转子位移的所谓自检测(self-sensing)方式中，即便在悬浮控制电流设定量变得过大的情况下，电流限制电路440p有时也以励磁电流不成为零的方式对输出设置下限而设定输出。在转子轴5过于靠近m侧的磁轴承电磁石45m的情况下，m侧的电流限制电路440m也进行与电流限制电路440p相同的动作。

[0091] 另一方面，若从传感器电路33向位移转换部442输入传感器信号，则位移转换部442将传感器位置中的转子轴5的位移转换为电磁石位置的位移。详细情况将于下文中描述，但如图3所示那样，位移传感器50x1p、位移传感器50x1m与磁轴承电磁石45p、磁轴承电磁石45m的轴方向(z方向)位置不同，因此若转子轴5倾斜，则基于传感器信号的位移与磁轴承电磁石45p、磁轴承电磁石45m的位移产生偏差。位移转换部442根据传感器信号算出电磁石位置的位移，并将其输出到振动减少控制部443。

[0092] 振动减少控制部443中输入所述电磁石位置的位移，并且输入励磁电流ip、励磁电流im的检测信号。此处，将这些检测信号也称为励磁电流ip、励磁电流im。振动减少控制部443根据电磁石位置的位移、励磁电流ip、励磁电流im及转子旋转的基准旋转信号θ，输出与所述式(6)所表示的Δi相应的电流相应控制信号。此外，本实施形态中，关于基准旋转信号θ，使用从电机控制部420输入的基准电角θ。

[0093] 从电流限制电路440p、电流限制电路440m输出的电流设定分别取与所反馈的励磁电流信号的差分，进而加上从振动减少控制部443输出的电流相应控制信号。现有的磁轴承控制中，以电流设定与所反馈的励磁电流成分的差分成为零的方式，电流控制器441p、电流控制器441m通过比例积分(Proportion Integration，PI)运算而生成励磁电流信号，但本实施形态中，根据将差分信号加上电流相应控制信号的信号来生成励磁电流信号，由此实现泵振动的减少。

[0094] (位移转换部442)

[0095] 参照图5对位移转换部442的处理进行说明。图5表示转子轴5倾斜的情况下的x轴方向的位移，使转子轴5的目标悬浮位置J与z轴一致而图示。关于z轴方向，将上侧的位移传感器位置设为zs1，将下侧的位移传感器位置设为zs2，将上侧的电磁石位置设为zm1，将下侧的电磁石位置设为zm2。将转子轴5视为刚体，将转子轴5的中心轴J1的各位置zs1、zs2、zm1、zm2的x坐标设为xs1、xs2、xm1、xm2。

[0096] 另外，将转子轴5悬浮到目标悬浮位置J的情况下的泵转子3(参照图1)的重心位置设为CG。将从重心位置CG到位移传感器位置zs1、位移传感器位置zs2的距离设为L1、L2，将从重心位置CG到电磁石位置zm1、电磁石位置zm2的距离设为l1、l2。

[0097] 图5中，使目标悬浮位置J与z轴一致，因此位移传感器位置zs1、位移传感器位置zs2的x坐标xs1、x坐标xs2表示由位移传感器所检测的传感器位置位移。同样地，电磁石位置zm1、电磁石位置zm2的x坐标xm1、x坐标xm2表示电磁石位置zm1、电磁石位置zm2的磁石位置位移。

[0098] 此时，磁石位置位移xm1、磁石位置位移xm2是使用传感器位置位移xs1、传感器位置位移xs2如下式(12)、下式(13)那样表示。此外，式(12)、式(13)中，将位移xs1、位移xs2、位移xm1、位移xm2记载为时间t的函数。同样地，y轴方向的磁石位置位移ym1(t)、磁石位置位移ym2(t)是使用位移传感器位置中的y轴方向的传感器位置位移ys1(t)、传感器位置位移ys2(t)如下式(14)、下式(15)那样表示。

[0099] xml(t)＝(l1－L1)/(L1+L2)×{xs1(t)－xs2(t)}+xs1(t)···(12)

[0100] xm2(t)＝(-l2－L1)/(L1+L2)×{xs1(t)－xs2(t)}+xs1(t)···(13)

[0101] yml(t)＝(l1－L1)/(L1+L2)×{ys1(t)－ys2(t)}+ys1(t)···(14)

[0102] ym2(t)＝(-l2－L1)/(L1+L2)×{ys1(t)－ys2(t)}+ys1(t)···(15)

[0103] (振动减少控制部443)

[0104] 图6为表示振动减少控制部443的详细控制的方框图。振动减少控制部443中具备：电流旋转成分运算部60，运算电流信号所含的旋转成分；电流直流成分运算部61，运算电流信号所含的直流成分；以及位移旋转成分运算部62，运算来自传感器电路33的传感器信号
306所含的旋转成分。

[0105] 如图4所示那样，在振动减少控制部443中输入p侧及m侧的励磁电流信号两者，但电流旋转成分运算部60中使用励磁电流信号ip(t)、励磁电流信号im(t)的任一个进行运算。将图4的磁浮控制器417的输出信号加上与偏置电流设定量(直流成分)有关的信号，但在将泵本体设为水平姿势的情况那样直流电流成分Ip、直流电流成分Im的非对称性大的情况下，具备用于限制电流的电流限制电路440p、电流限制电路440m。

[0106] 通过设置电流限制电路440p、电流限制电路440m，例如若p侧的励磁电流信号ip(t)的直流成分成为偏置电流设定量的2倍以上，则将m侧的直流电流成分设为0[A]。如此这样，有时单侧成为0[A]，但在成为0[A]的一侧无法提取电流旋转成分。图6所示的例子表示直流电流成分为Ip＞Im那样的情况，此情况下，使用直流电流成分不成为0[A]的p侧的励磁电流信号ip(t)来提取电流旋转成分。如此这样，在提取电流旋转成分的情况下，需要必定从直流电流成分大的一侧的励磁电流信号中提取。

[0107] 在电流旋转成分运算部60的信号乘法部601中输入p侧的励磁电流信号ip(t)。信号乘法部601中，根据旋转基准信号θ生成信号cosθ、信号sinθ，为了提取旋转成分，将所输入的励磁电流信号ip(t)分别乘以信号cosθ、信号sinθ。

[0108] 例如，想到ip(t)相对于旋转基准信号θ而如ip(t)＝i0·cos(θ+φ2)那样变动的情况。此处，φ2表示相对于旋转基准信号θ的相位偏移。此时，ip(t)是如下式(16)那样表示，因此将其乘以cosθ、sinθ是如下式(17)、下式(18)那样表示。

[0109] ip(t)＝i0(cosθcosφ2－sinθsinφ2)···(16)

[0110] ip(t)cosθ＝(i0/2){cosφ2·(1+cos2θ)－sinφ2sin2θ}···(17)

[0111] ip(t)sinθ＝(i0/2){cosφ2sin2θ－sinφ2·(1-cos2θ)}···(18)

[0112] 若利用低通滤波器602对式(17)、式(18)所表示的信号进行滤波，则包含2θ的项被除去，从式(17)的ip(t)cosθ中提取ai＝(i0/2)cosφ2作为直流成分，且从式(18)的ip(t)sinθ中提取bi＝-(i0/2)sinφ2作为直流成分。ai及bi与式(16)中的cosθ成分及sinθ成分的各振幅值对应。

[0113] 如图7所示那样，电流变动成分Δi中的电流旋转频率成分Δi(Ω)是由以基准相位θ旋转的坐标上的箭头线矢量表示。其中，ai、bi为式(16)的cosθ、sinθ的振幅的1/2倍的值，因此通过如下式(19)那样对各振幅值ai、bi的平方和的平方根取2倍，而获得电流旋转频率成分Δi(Ω)的振幅∣i(Ω)∣。

[0114] 另外，相位φ2是由下式(20)提供。

[0115]

[0116] φ2＝arctan(-bi/ai)···(20)

[0117] 通过滤波而提取的振幅值ai、振幅值bi被输入到振幅运算部603及相位运算部604中，在振幅运算部603中算出振幅∣i(Ω)∣，在相位运算部604中算出相位φ2。

[0118] 电流直流成分运算部61中，利用低通滤波器611对励磁电流信号ip(t)、励磁电流信号im(t)进行滤波而提取直流电流成分Ip、直流电流成分Im。在设置泵本体后，只要不变更设置姿势，则直流电流成分基本上不变化，因此使用将角频率设定为极低频率(例如0.1Hz以下)的低通滤波器611。

[0119] I_D运算部612使用所提取的直流电流成分Ip、直流电流成分Im，算出式(7)所表示的I_D值。此外，间隔D是预先存储在未图示的存储部中。

[0120] I_D＝(1/D)·{(Ip2+Im2)/(Ip+Im)}···(7)

[0121] 在位移旋转成分运算部62的信号乘法部621中，输入所检测出的位移信号(传感器信号)dr(t)。信号乘法部621中，根据旋转基准信号θ生成信号cosθ、信号sinθ，为了提取旋转成分，将所输入的位移信号dr(t)分别乘以信号cosθ、信号sinθ。然后，与电流旋转成分运算部60的情况同样地，利用低通滤波器622对将位移信号dr(t)乘以信号cosθ、信号sinθ所得的信号进行滤波。结果，提取cosθ成分及sinθ成分的各振幅值ad、bd。

[0122] 振幅值ad、振幅值bd与所述振幅值ai、振幅值bi对应，因此通过完全相同的运算而在振幅运算部623中如下式(21)那样算出振幅∣dr(Ω)∣，在相位运算部624中如下式(22)那样算出相对于旋转基准信号θ的相位φ1。

[0123]

[0124] φ1＝arctan(-bd/ad)···(22)

[0125] 在乘法器63中，将I_D运算部612中算出的I_D值与振幅运算部623中算出的振幅∣dr(Ω)∣相乘。进而，将振幅目标值设为I_D·∣dr(Ω)∣而取与电流旋转成分振幅∣i(Ω)∣的偏差，振幅控制信号生成器64针对振幅偏差“I_D·∣dr(Ω)∣－∣i(Ω)∣”，通过至少包含积分元素的例如PI(比例+积分)控制而生成振幅控制信号。

[0126] 在用于利用电流变动成分Δi所引起的力的变动将位移Δdr所引起的力的变动抵消而除去旋转成分的振动的条件式(10)、条件式(11)中，从振幅控制信号生成器64输出的振幅控制信号与和振幅有关的式(10)对应。例如，输出与I_D·∣dr(Ω)∣成比例的值作为振幅控制信号。此振幅控制信号最终与磁浮控制器417的悬浮控制电流设定量一起输入反馈给电流控制器441p、电流控制器441m，但由于磁浮控制器417的输入信号(传感器信号)上载有残留的旋转成分信号，因此也鉴于用于消除此残留成分的部分(此处表示为γ)，而将表示为I_D·∣dr(Ω)∣+γ的值作为振幅控制信号。

[0127] 将位移旋转成分运算部62的相位运算部624中算出的相位φ1加上π，将相位目标值设为φ1+π而取与电流旋转成分运算部60的相位运算部604中算出的相位φ2的偏差。相位控制信号生成部65针对此相位偏差“φ1+π－φ2”，通过至少包含积分元素的例如PI(比例+积分)控制而生成相位控制信号。此情况下，也从相位控制信号生成部65中输出加上了用于将磁浮控制器417的输入信号中残留的旋转成分信号消除的值ξ的相位控制信号。然后，将对相位控制信号加上旋转基准信号θ所得的信号输入到控制输出运算部66中。

[0128] 控制输出运算部66根据所输入的振幅控制信号及相位控制信号，生成作为反馈控制信号的电流相应控制信号、即电流相应的旋转成分的正弦波输出。即，形成自动调整机构，此自动调整机构提取与式(9)所示的Δi(Ω)＝∣i(Ω)∣cos(θ+φ2)及式(8)所表示的Δdr(Ω)＝∣dr(Ω)∣cos(θ+φ1)相应的振幅、相位信息，输出将位移Δdr所引起的力的变动抵消的电流相应控制信号。此处，输出[I_D·∣dr(Ω)∣+γ]cos(θ+φ1+π+ξ)作为也包括残留成分而将位移Δdr所引起的力的变动抵消的电流相应控制信号。关于所输出的电流相应控制信号，如图4所示那样，在p侧直接做加法，在m侧标上负号后做加法(即，做减法)。

[0129] 此外，所述磁浮控制器417的输入中残留的旋转成分为对反馈控制的一种恒常扰乱。本实施形态中，除去扰乱相应部的振幅部分γ及相位部分ξ也在PI控制输出中作为输出偏差而恒常地生成，关于此扰乱，也进行自动调整。

[0130] (C1)所述实施形态中，控制装置1B的控制部44在电流旋转成分运算部60中，算出励磁电流所含的电流旋转频率成分Δi(Ω)相对于基准旋转信号θ的相位φ2及振幅值∣i(Ω)∣，在位移旋转成分运算部62中，算出位移信号所含的位移旋转频率成分Δdr(Ω)相对于基准旋转信号θ的相位φ1及振幅值∣dr(Ω)∣，在电流直流成分运算部61中，算出由位移旋转频率成分Δdr(Ω)所产生的力被由电流旋转频率成分Δi(Ω)所产生的力抵消的情况下，电流旋转频率成分Δi(Ω)的振幅∣i(Ω)∣与位移旋转频率成分Δdr(Ω)的振幅∣dr(Ω)∣之比I_D，并且，以相位φ2与将相位φ1加上相位值180度所得的值相等，且电流旋转频率成分Δi(Ω)的振幅值∣i(Ω)∣与位移旋转频率成分Δdr(Ω)与比I_D之积相等的方式进行反馈控制。

[0131] 通过进行此种反馈控制，即便不像以前那样进行增益调整或相位调整，也能利用与位移Δdr对应地生成的励磁电流变动所引起的电磁力，将由转子不平衡导致的涡动位移Δdr所引起的来自电磁石的力抵消。

[0132] (C2)进而，以相位控制信号生成部65及振幅控制信号生成器64中包含积分相应量(积分元素)的方式构成，由此能更有效地进行残留成分的除去。

[0133] 另外，电流直流成分运算部61具备检测励磁电流的直流成分Ip、直流成分Im的低通滤波器611，根据所提取的直流成分Ip、直流成分Im而算出比I_D，因此即便在用户任意地设定磁轴承搭载装置相对于重力的设置姿势的情况下，也将由变更设置姿势导致的直流成分Ip、直流成分Im的变化反映在比I_D中。结果，能无关设置姿势而实现低振动化。

[0134] 进而，在位移转换部442中，根据来自检测转子轴5的悬浮位置位移的位移传感器的传感器信号而生成与磁轴承位置的位移相应的位移信号，并根据此位移信号而算出相位φ1及振幅∣dr(Ω)∣，因此转子位移的检测精度提高而振动减少效果提高。

[0135] 此外，图1、图2所示的构成中利用位移传感器来检测转子位置，但也能将本发明应用于利用电磁石自身来检测转子位移的所谓自检测方式的磁轴承装置。

[0136] 图4、图6所示的控制系统是关于一轴而示出，但也可对控制式磁轴承的所有轴设置图4、图6所示的控制系统，对所有轴应用所述控制。本实施形态的情况下，如图1所示那样为五轴控制式，因此应用五组控制系统。另外，在仅欲减少转子的轴方向的振动的情况下，只要仅对轴向轴应用所述控制即可。而且，在预先得知振动大的特定轴的情况下，即便仅对此特定轴应用所述控制，也可获得大的振动减少效果。

[0137] 此外，也可除了本实施形态的与旋转成分减少有关的反馈控制以外，还设置专利文献1(日本专利特开2017-075666号公报)所记载那样的与旋转成分减少有关的前馈(feed forward)控制。

[0138] 如下变形也在本发明的范围内，也能将一个或多个变形例与所述实施形态组合。

[0139] (变形例1)

[0140] 图8为对变形例1进行说明的方框图。图8所示的变形例1能应用于以下情况：以磁轴承的两对径向轴、即转子上部的X-Y轴与转子下部的X-Y轴中，重力的影响对各X-Y轴均等(即，直流电流成分较大一侧及较小一侧并且x轴、y轴均相同)的方式设置泵本体。即，能应用于xy面的位移旋转成分均等地涡动的情况。当然，也可仅应用于两对中的一对。

[0141] 图8所示的构成中，位移旋转成分运算部62中的信号乘法部621及振幅运算部623、以及控制输出运算部66的处理与图6中的对应部位的处理内容不同。电流旋转成分运算部60中使用x轴的励磁电流信号ipx(t)、励磁电流信号imx(t)，位移旋转成分运算部62中根据二轴的位移drx(t)、dry(t)进行运算。

[0142] 电流旋转成分运算部60表示Ipx＞Imx的情况，在信号乘法部601中输入p侧的励磁电流信号ip(t)。信号乘法部601、低通滤波器602、振幅运算部603及相位运算部604的处理与图6所示的情况相同，省略说明，但从振幅运算部603输出振幅∣i(Ω)∣，从相位运算部604输出相位φ2。另外，与图6所示的情况同样地，从电流直流成分运算部61的I_D运算部612输出基于直流电流成分Ip、直流电流成分Im的I_D值。

[0143] 位移旋转成分运算部62的信号乘法部621中，根据所输入的旋转基准信号θ而生成用于提取位移信号(drx(t)、dry(t))的旋转成分的信号(如图8所示那样以矩阵表示的信号)。然后，利用低通滤波器622对使提取用的信号作用于位移信号(drx(t)、dry(t))所得的信号进行滤波，由此提取cosθ成分及sinθ成分的各振幅值ad、bd。振幅运算部623中，算出基于ad及bd的振幅 另外，相位运算部624中，根据ad及bd算出相对于旋转基准信号θ的相位φ1＝arctan(bd/ad)。

[0144] 振幅控制信号生成器64根据振幅偏差“I_D·∣dr(Ω)∣－∣i(Ω)∣”而生成振幅控制信号，相位控制信号生成部65根据相位偏差“φ1+π－φ2”而生成相位控制信号。控制输出运算部66根据所输入的振幅控制信号及相位控制信号，对x轴及y轴各自输出作为反馈控制信号的电流相应控制信号。例如，在x轴的p侧及m侧输出[I_D·∣dr(Ω)∣+γ]cos(θ+φ1+π+ξ)，在y轴的p侧及m侧输出[I_D·∣dr(Ω)∣+γ]sin(θ+φ1+π+ξ)。此处，γ、ξ与图6中说明的情况相同，用于除去磁浮控制器417的输入中残留的旋转成分。

[0145] 所述那样的变形例1能应用于以下情况：以磁轴承的两对径向轴、即转子上部的X-Y轴及转子下部的X-Y轴中，重力的影响对各X-Y轴均等(即，直流电流成分较大一侧及较小一侧并且x轴、y轴均相同)的方式设置泵本体。即，能应用于xy面的位移旋转成分均等地涡动的情况。当然，也可仅应用于两对中的一对。

[0146] (变形例2)

[0147] 图6、图8的说明中，以输入到图4的振动减少控制部443中的位移信号不存在振幅减少及相位延迟的情况为例进行了说明。但是，在如专利文献1所记载那样无法忽视传感器电路33的滤波器的增益变化及相位延迟的情况下，只要预先存储这些值(修正增益Gβ及修正相位φβ)，如I_D·∣dr(Ω)∣→Gβ·I_D·∣dr(Ω)∣那样修正振幅目标值，如φ1+π→φ1+π+φβ那样修正相位目标值即可。结果，在将变形例2应用于图6的情况下，从控制输出运算部66输出的电流相应控制信号成为[Gβ·I_D·∣dr(Ω)∣+γ]cos(θ+φ1+π+φβ+ξ)。

[0148] 以上所说明的实施形态及变形例中，以旋转频率成分的基波为例进行了说明，但通过将基准旋转信号由θ替换为高谐波的nθ，而对高谐波也进行与基波的情况相同的处理。

[0149] 另外，在预先得知磁轴承装置相对于重力的设置方向的情况下，由于预先得知励磁电流的直流电流成分，因此也能省略用于检测直流电流成分的低通滤波器611。

[0150] 上文中对各种实施形态及变形例进行了说明，但本发明不限定于这些内容。本发明的技术思想的范围内能想到的其他实施方式也包括在本发明的范围内。另外，作为搭载磁轴承装置的装置，以真空泵为例进行了说明，但不限定于真空泵。