JP2015033240A - リニアモータシステム - Google Patents

Abstract

【課題】長距離化に適したリニアモータシステムを提供する。
【解決手段】所定間隔をあけて複数の電機子巻線ユニットが配設された固定子と、永久磁石を有する可動子と、制御装置とを備える。制御装置は、可動子が対向する電機子巻線ユニットを給電対象とし、給電対象毎に速度指令に基づく給電制御の演算を行い、電機子巻線ユニットに順次給電する。また、制御装置は、給電対象を切り替える際の給電切替補償機能を有する。
【選択図】図２Ａ

Description

開示の実施形態は、リニアモータシステムに関する。

従来、複数の電機子巻線ユニットを有する固定子と、固定子と対向して配設された可動子と、固定子への給電制御を行う制御装置とを備えたリニアモータシステムがある（例えば、特許文献１を参照）。

かかるリニアモータシステムでは、電機子巻線ユニットが、可動子の移動方向に複数に分割されて連続して配置されており、複数の電機子巻線ユニットにそれぞれ対応する電力変換器が設けられている。制御装置は、可動子の現在位置に応じて電力変換器を切り替え、切り替えた電力変換器から可動子に対応する電機子巻線ユニットに駆動電力を供給して推力を発生させることにより、可動子を移動させる。

特開２０１１−１２０４５４号公報

しかしながら、上記リニアモータシステムは、長距離化を図ろうとすると、電機子巻線ユニットの数が増大するためコスト高になってしまう。

実施形態の一態様は、上記に鑑みてなされたものであって、長距離化に適したリニアモータシステムを提供することを目的とする。

実施形態の一態様に係るリニアモータシステムは、所定間隔をあけて列状に複数の電機子巻線ユニットが配設された固定子と、永久磁石を有し、前記固定子と対向して配設された可動子と、前記可動子を駆動する制御装置とを備える。前記制御装置は、前記可動子が対向する前記電機子巻線ユニットを給電対象とし、当該給電対象毎に速度指令に基づく給電制御の演算を行い、当該演算の結果に基づいて前記給電対象の前記電機子巻線ユニットに順次給電することによって前記可動子を駆動する。また、前記制御装置は、前記給電対象を切り替える際に、切り替え先の電機子巻線ユニットに対する前記給電制御の切替補償を行う給電切替補償機能を有する。

実施形態の一態様によれば、コスト高を抑制しつつ長距離化が図れ、かつ電機子巻線ユニットに対する給電制御の切替補償を行う給電切替補償機能を向上させることができる。

図１Ａは、実施形態に係るリニアモータシステムを示す説明図である。 図１Ｂは、実施形態に係るリニアモータシステムの具体的な構成例を示す図である。 図２Ａは、実施形態に係るリニアモータシステムの構成を示すブロック図である。 図２Ｂは、送り領域に配設された電機子巻線ユニットに対応する第２制御装置が備える速度・磁極演算部を示すブロック図である。 図３は、移動路の一部を示す説明図である。 図４は、給電切替補償部の構成を示すブロック図である。 図５は、センサレス制御を行う第２制御装置の給電制御部が備える推定部のブロック図である。 図６は、給電切替補償前の動作波形を示す図である。 図７は、給電切替補償後の動作波形を示す図である。 図８は、位置決め領域と送り領域とにおける速度指令および推力指令の変化を示す図である。 図９Ａは、トルク指令切替時における速度指令と速度偏差を比較例として示す図である。 図９Ｂは、実施形態に係るリニアモータシステムにおける速度指令切替時における速度指令と速度偏差を示す図である。

以下、本願の開示するリニアモータシステムの実施形態を、図面を参照しながら具体的に説明する。なお、以下に示す実施形態によりこの発明が限定されるものではない。

図１Ａは、実施形態に係るリニアモータシステムを示す説明図である。図１Ａに示すように、リニアモータシステム１００は、リニアモータ１と制御装置２とを備える。

本実施形態に係るリニアモータ１は、巻線の集合体である電機子巻線ユニット１１が複数配設された固定子１２と、固定子１２と対向して配設された可動子１３とを備える。

電機子巻線ユニット１１の設置数は適宜に設定可能であるが、以下では、説明を容易にするために、固定子１２は、６つの電機子巻線ユニット１１が配設された構成とする。なお、以下では、６つの電機子巻線ユニット１１を、便宜的に第１ユニット１１１〜第６ユニット１１６として表記する場合がある。

また、リニアモータ１は、いわゆるＭＭ（Moving Magnet）形リニアモータであり、可動子１３は永久磁石１３１を備える。

固定子１２は、６つの電機子巻線ユニット１１が所定間隔をあけて列状に配置され可動子１３の移動路３を構成する。すなわち、６つの電機子巻線ユニット１１が可動子１３の移動方向に間引いて配置される。そのため、省配線となりコスト低減を図ることができ、例えば長距離搬送用として好適に用いることができる。

図示するように、可動子１３の移動路方向長さは、各電機子巻線ユニット１１の移動路方向長さ以上に設定される。そして、６つの電機子巻線ユニット１１は、少なくとも１つの電機子巻線ユニット１１の全体が可動子１３に覆われるように配置される。

制御装置２は、給電制御機能を有し、対向する可動子１３に全体がかかるように位置する電機子巻線ユニット１１を給電対象として順次切替え、給電対象となった電機子巻線ユニット１１に順次給電することにより可動子１３を駆動する。

かかる給電制御機能は、具体的には、給電対象となる電機子巻線ユニット１１毎に、速度指令に基づく給電制御の演算を行い、かかる演算の結果に基づいて、給電対象となる電機子巻線ユニット１１に順次給電する機能である。こうして、制御装置２は、可動子１３を駆動することができる。

また、制御装置２は、給電対象である電機子巻線ユニット１１を切り替える際に、切り替え先の電機子巻線ユニット１１に対する給電制御の切替補償を行う給電切替補償機能を有する。

すなわち、本実施形態に係るリニアモータシステム１００の制御装置２は、給電対象である電機子巻線ユニット１１を切り替える際に、給電制御の処理についても給電対象毎に順次切り替える。

かかる給電制御の処理を切り替える際に、可動子１３の速度変化によって生じる衝撃、いわゆる切替えショックが発生するおそれがある。そこで、給電切替補償機能を付加することにより、実施形態に係るリニアモータシステム１００では、給電対象である電機子巻線ユニット１１が切り替わる際の切替えショックを効果的に抑制することができる。

ここで、実施形態に係るリニアモータシステム１００について、制御装置２をより具体的な構成例で示した図１Ｂを参照して説明する。図１Ｂは、本実施形態に係るリニアモータシステム１００の具体的な構成例を示す図である。

図１Ｂに示すように、制御装置２は、６つの電機子巻線ユニット１１にそれぞれ対応して設けられた６つの第２制御装置２２と、これら第２制御装置２２の上位装置となる第１制御装置２１とを備える。

第１制御装置２１は、速度指令を第２制御装置２２へ出力するとともに、可動子１３が対向した電機子巻線ユニット１１に対応する第２制御装置２２を給電制御対象として順次選択する。

６つの電機子巻線ユニット１１である第１ユニット１１１〜第６ユニット１１６にそれぞれ対応する６つの第２制御装置２２は、１対１で対応する電機子巻線ユニット１１に電力を供給する。各第２制御装置２２は、給電制御対象として選択された場合、第１制御装置２１から出力される速度指令に基づいて給電制御の演算を行い、当該演算の結果に基づいて対応する電機子巻線ユニット１１に給電する。また、給電制御の演算を行う際には、給電制御処理に対して前述の切替補償を行う。なお、以下の説明では、６つの第２制御装置２２を、第１ユニット１１１〜第６ユニット１１６にそれぞれ１対１で対応する第１アンプ２２１〜第６アンプ２２６と表す場合がある。

図１Ｂに示すように、可動子１３の現在位置に応じて、間引き配置された第１ユニット１１１〜第６ユニット１１６に対し、それぞれ１対１で対応する６つの第１アンプ２２１〜第６アンプ２２６から順次駆動電力が供給される。例えば、図１Ｂに示すように、可動子１３が対向する第２制御装置２２が、第５ユニット１１５から第６ユニット１１６に移って行く場合、電力を供給する第２制御装置２２は、第５アンプ２２５から第６アンプ２２６へと切り替わる。

また、図１Ｂに示すように、可動子１３の移動路３における複数の電機子巻線ユニット１１の配設領域は、位置決め領域３１と送り領域３２とに区画される。

位置決め領域３１は、後述する位置センサの検出信号を用いて、可動子１３の高精度な位置決めがなされる領域である。一方、送り領域３２は、位置センサからの検出信号を用いることなく、可動子１３を略一定速で移動させる領域である。

本実施形態に係るリニアモータシステム１００では、図示するように、可動子１３がリニアスケール４を備えており、位置決め領域３１に配設された電機子巻線ユニット１１に、位置センサの一例であるスケール検出ヘッド５が設けられる。ここでは、図示するように、スケール検出ヘッド５は、それぞれ位置決め領域３１に配設された第１、第２ユニット１１１，１１２および第５、第６ユニット１１５，１１６に設けられる。

スケール検出ヘッド５は、リニアスケール４を磁気的あるいは光学的に検出するように構成されており、リニアスケール４を検出した結果に基きパルス信号からなる位置検出信号を生成する。そして、スケール検出ヘッド５は、第２制御装置２２とケーブル５１を介して電気的に接続されており、スケール検出ヘッド５から出力される位置検出信号は第２制御装置２２に入力される。

このように、制御装置２は、位置決め領域３１においては、スケール検出ヘッド５からの位置検出信号の入力に基づいて、可動子１３の位置を導出し、その駆動を制御している。

一方、送り領域３２に配設された電機子巻線ユニット１１にはスケール検出ヘッド５は設けられない。送り領域３２では、制御装置２は、スケール検出ヘッド５による位置検出信号を用いないセンサレス制御を行うようにしている。かかるセンサレス制御については後に詳述する。

上述してきたように、本実施形態に係るリニアモータシステム１００では、可動子１３にリニアスケール４を設け、かかるリニアスケール４を、複数のスケール検出ヘッド５により検出するようにしている。したがって、リニアスケール４を短くすることができ、スケール歪みなどの心配がなくなるとともに、コスト低減にも寄与することができる。

また、上述したように、本実施形態に係るリニアモータシステム１００では、位置決め領域３１に配設された電機子巻線ユニット１１にスケール検出ヘッド５を設けるようにした。しかし、位置決め領域３１を拡大したり、あるいは可動子１３の移動路３に位置決め領域３１を増やしたりする場合に備え、送り領域３２に配設した電機子巻線ユニット１１についてもスケール検出ヘッド５を設置しておくこともできる。

ここで、図２Ａ〜図４を参照しながら、本実施形態に係るリニアモータシステム１００の構成について、より具体的に説明する。図２Ａは、本実施形態に係るリニアモータシステム１００の構成を示すブロック図、図２Ｂは、送り領域３２に配設された電機子巻線ユニット１１に対応する第２制御装置２２が備える速度・磁極演算部を示すブロック図である。また、図３は、移動路３の一部を示す説明図、図４は、給電切替補償部の構成を示すブロック図である。

図２Ａに示すように、リニアモータシステム１００は、リニアモータ１と制御装置２とを備える。

リニアモータ１は、図示を省略した複数の電機子巻線ユニット１１を備える固定子１２（図１Ａ、図１Ｂを参照）と可動子１３とを備える。また、制御装置２は、複数の第２制御装置２２と、これら第２制御装置２２の上位装置である第１制御装置２１とを備える。

なお、複数の第２制御装置２２は、図１Ａ、１Ｂに示した可動子１３の移動方向を示すＸ軸方向（移動路３の長手方向）に間引いて配置された複数の電機子巻線ユニット１１にそれぞれ対応して配置される。

そして、これら複数の第２制御装置２２は、第１制御装置２１との通信接続用バス２３を介して互いにそれぞれ接続される。また、ここにおいても、電機子巻線ユニット１１の配設領域は、位置決め領域３１と送り領域３２とに区画されている（図１Ｂを参照）。

図示するように、第１制御装置２１は、各第２制御装置２２に速度指令Ｓｐｄ^＊を出力する速度指令出力部２１１と、可動子１３の位置を演算する可動子位置演算部２１３と、ＩＤを出力する制御アンプ選択部２１２（以下、「選択部２１２」と表す）とを備える。

すなわち、第１制御装置２１は、可動子１３の位置に応じて、複数の第２制御装置２２の中から電機子巻線ユニット１１への給電制御を行う第２制御装置２２を給電制御対象として選択し、給電制御のための指令を出力する。

このとき、可動子位置演算部２１３は、給電制御対象であることを示すＩＤを第２制御装置２２に出力する。かかるＩＤは、第２制御装置２２の選択番号を示すものである。例えば、第２制御装置２２として６つの電機子巻線ユニット１１にそれぞれ対応する第１アンプ２２１〜第６アンプ２２６がある場合（図１Ｂ参照）、ＩＤ１〜ＩＤ６が第１アンプ２２１〜第６アンプ２２６に対応する。

可動子位置演算部２１３は、通信接続用バス２３を介して得た可動子１３の位置検出信号Ｐｏｓ１〜６に基き、可動子１３の位置を示す位置信号Ｐｏｓを選択部２１２に出力する。

本実施形態に係るリニアモータシステム１００では、リニアスケール４は移動路３の全体に亘ってではなく、可動子１３にのみ設けられている。そのため、このままでは可動子１３の位置を得ることができない。そこで、第１制御装置２１は、スケール検出ヘッド５からの位置検出信号を入力する第２制御装置２２を切り替えながら、２つの第２制御装置２２から得られる位置情報に基づいて可動子１３の位置を演算している。

図３は、移動路３の一部を示した説明図である。ここでは、複数の電機子巻線ユニット１１を、図１Ａ、図１Ｂと同容に、第１ユニット１１１、第２ユニット１１２、第３ユニット１１３・・と区別して表している。また、同様に、第２制御装置２２についても、第１アンプ２２１、第２アンプ２２２、第３アンプ２２３・・と区別して表している。

ここでは、図示するように、可動子１３が、位置決め領域３１にあって、第１ユニット１１１から第２ユニット１１２の方へ移動する場合とする。第１アンプ２２１からは、スケール検出ヘッド５から得たスケール情報が初期値Ｐｏｓ（Ａ）として出力される。一方、第２ユニット１１２に対応する第２アンプ２２２からは、リニアスケール４から得られる差分位置がｄＰｏｓ（Ｂ）として出力される。

第１制御装置２１の可動子位置演算部２１３は、上述した２つの位置情報から、次の式（１）に基づいて可動子１３の位置（Ｐｏｓｉ）を得る。

Ｐｏｓｉ＝Ｐｏｓ（Ａ）＋ｄＰｏｓ（Ｂ）・・・・・・・（１）

他方、可動子１３が送り領域３２にある場合、可動子位置演算部２１３は、スケール検出ヘッド５による位置検出信号はないため、第２制御装置２２で推定した位置情報に基づいて可動子１３の位置（Ｐｏｓｉ）を導出することになる。なお、送り領域３２における第２制御装置２２による可動子１３の位置推定については後述する。

可動子位置演算部２１３から、可動子１３の位置（Ｐｏｓｉ）を示す位置信号Ｐｏｓを入力した選択部２１２は、かかる位置信号Ｐｏｓに基き、可動子１３が対向した電機子巻線ユニット１１を給電対象に切り替えるためのＩＤを第２制御装置２２に出力する。

すなわち、選択部２１２は、可動子１３の位置を示す位置信号Ｐｏｓによって、給電対象となる電機子巻線ユニット１１を識別する。そして、これに対応する給電制御対象としての第２制御装置２２を選択し、選択した給電対象を示すＩＤを第２制御装置２２に出力して給電制御を実行させる。

ところで、図２Ａにおいて、速度指令Ｓｐｄ^＊およびＩＤの信号伝達は、便宜上、第１制御装置２１から所定の第２制御装置２２のみに直接出力されているように示したが、実際には通信接続用バス２３を介して全ての第２制御装置２２へ通信されるものである。

このように、第１制御装置２１は、可動子１３の位置に基づいて、可動子１３が対向した電機子巻線ユニット１１に対応する第２制御装置２２を給電制御対象として順次切り替えて行くことができる。そして、給電対象となった電機子巻線ユニット１１に第２制御装置２２から順次給電させて推力を発生させることにより、可動子１３を駆動することができる。

次に、第２制御装置２２について説明する。第２制御装置２２は、上述した第１制御装置２１からの速度指令Ｓｐｄ^＊に基き、ＩＤを入力して給電制御対象として選択されたときに、対応する電機子巻線ユニット１１に対する給電制御を行う。かかる第２制御装置２２は、例えば、図１Ｂに示した第１アンプ２２１〜第６アンプ２２６として機能するもので、１対１で対応する電機子巻線ユニット１１に給電する。

複数の第２制御装置２２は、それぞれ、給電制御部２４と、給電切替補償部２５とを備える。

給電制御部２４は、速度・磁極演算部２４１（以下、単に「演算部２４１」とする場合がある）と、減算部２４２と、速度制御部２４３と、乗算部２４４と、電流制御部２４５とを備える。

そして、給電制御部２４は、第１制御装置２１の速度指令出力部２１１から出力される速度指令Ｓｐｄ^＊に基づいて給電制御の演算を行い、かかる演算結果に基づき、所定の電圧Ｖuvwで対応する電機子巻線ユニット１１に給電する。

演算部２４１は、通信接続用バス２３を介して、給電対象として切り替わる前の電機子巻線ユニット１１に対応する第２制御装置２２の位置情報であるＸ軸の位置パルスＰｏｓｘ（Ｐｏｓｘ’）を入力する。そして、かかる位置パルスＰｏｓｘ（Ｐｏｓｘ’）を差分演算などで速度に変換して可動子１３の速度信号Ｓｐｄｘを減算部２４２に出力するとともに、可動子１３の磁極位置θを演算して電流制御部２４５に出力する。なお、ここで、Ｘ軸とは移動路３における可動子１３の移動方向を示す。

ここで、位置パルスＰｏｓｘ、Ｐｏｓｘ’、および速度フィードバック値Ｓｐｄｘ’について説明を加える。なお、以下の説明では、可動子１３が対向した電機子巻線ユニット１１に対応する第２制御装置２２を自局装置と表し、それ以外を他局装置と表す場合がある。

位置パルスＰｏｓｘは、スケール検出ヘッド５から出力される信号であり、自局装置がスケール検出ヘッド５を介して入力する情報、つまり、可動子１３の移動路３上の位置を制御するための位置情報に相当する。一方、位置パルスＰｏｓｘ’は、他局装置が、自局装置がスケール検出ヘッド５を介して入力する信号を通信接続用バス２３を介して入力する信号である。あるいは、位置パルスＰｏｓｘ’は、自局装置以外の他局装置が推定演算した信号である。

また、速度フィードバック値Ｓｐｄｘ’は、他の第２制御装置２２（他局装置）から得られる可動子１３の推定速度、または可動子１３が対向した電機子巻線ユニット１１に対応する第２制御装置２２（自局装置）に入力された信号を微分演算した信号である。

また、図２Ｂに示すように、送り領域３２に配設された電機子巻線ユニット１１に対応する第２制御装置２２の演算部２４１は、所定の検出器により検出された電流値Iuvwと、電流制御部２４５から出力される電圧指令Ｖuvw^＊とを入力する。そして、後述する推定部７１（図５参照）で推定位相θ＾［ｋ］および推定速度ω＾_lpf［ｋ］を推定するとともに、推定した推定位相θ＾［ｋ］および推定速度ω＾_lpf［ｋ］に基づき、可動子位置ｐｏｓｘ＾［ｋ］および可動子速度ｓｐｄｘ＾［ｋ］を推定する。さらに、可動子位置ｐｏｓｘ＾［ｋ］と、上記した位置パルスＰｏｓｘ’とから磁極θを算出するとともに、可動子速度ｓｐｄｘ＾［ｋ］と、上記した速度フィードバック値Ｓｐｄｘ’とから可動子速度ｓｐｄｘを算出する。

減算部２４２は、通信接続用バス２３を介して得た第１制御装置２１からの速度指令Ｓｐｄ^＊と、演算部２４１から入力された速度信号Ｓｐｄｘとを比較して、速度指令Ｓｐｄ^＊と速度信号Ｓｐｄｘとの偏差、すなわち速度偏差を速度制御部２４３に出力する。

速度制御部２４３は、減算部２４２からの速度偏差と、後述する給電切替補償部２５の積分値補償部２５１から入力されるＸ軸の積分補償値Ｉntg compとを入力して演算し、所定のトルク指令Ｆ^＊を出力する。

かかる速度制御部２４３は、図４に示すように、積分器ＴｓＫｉと加算器２４６とトルクフィルタ２４８を備えており、減算部２４２から入力される速度偏差を積分した速度積分値を用いてトルク指令Ｆｘ^＊を生成する。

乗算部２４４は、速度制御部２４３からのトルク指令Ｆ^＊と、後述する給電切替補償部２５の分配率演算部２５２から出力される分配率αとを乗算し、補償された適切なトルク指令Ｆ^＊を電流制御部２４５に出力する。

電流制御部２４５は、インバータ回路などからなる図示しない電力変換部などを備えている。かかる電流制御部２４５は、速度指令Ｓｐｄ^＊に応じたトルク指令Ｆ^＊に基づき、対応する電機子巻線ユニット１１への給電電流を制御して、所定の電圧Ｖuvwで固定子１２を構成する電機子巻線ユニット１１に給電する。

次に、給電切替補償部２５について説明する。給電切替補償部２５は、第１制御装置２１から出力されたＩＤが入力される際に、給電制御部２４に対する切替補償を行う機能を有する。すなわち、給電制御部２４による給電制御の演算を補償する機能を有する。

本実施形態に係る切替補償は、例えば、積分値補償や分配率演算であり、図２に示すように、給電切替補償部２５は、積分値補償部２５１および分配率演算部２５２を備える。

本実施形態に係る積分値補償部２５１は、直前に給電制御対象として選択された第２制御装置２２が有する速度積分値を、切り替え先である第２制御装置２２の速度制御部２４３の速度積分値として設定するようにしている。例えば、図１Ｂを参照して説明すると、可動子１３が第５ユニット１１５を通過して第６ユニット１１６に移動する場合、積分値補償部２５１は、第５アンプ２２５が有する速度積分値を、第６アンプ２２６の速度制御部２４３で用いる速度積分値として設定する。

積分値補償部２５１は、図４に示すように、スイッチ部２５５と、加算部２５６とを備える。かかる積分値補償部２５１による処理が実行されるタイミングは、第１制御装置２１から出力されたＩＤを入力したときである。

図示するように、本実施形態に係る積分値補償部２５１は、第１制御装置２１から給電対象として選択されたことを示すＩＤを入力すると、スイッチ部２５５が切り替わるように構成される。

そして、前述したように、例えば、可動子１３が第５ユニット１１５を通過して第６ユニット１１６に移動する場合であれば、第６アンプ２２６の速度制御部２４３で用いる速度積分値として、第５アンプ２２５の速度偏差積分値Ｉntgx’が入力される。その後、スイッチ部２５５が切り替えられて通常のループとなり、積分値補償部２５１から速度制御部２４３にＸ軸の積分補償値Ｉntg compが速度積分値として出力される。

このように、本実施形態に係るリニアモータシステム１００は、給電制御対象として切り替えられる２つの第２制御装置２２、２２の間で、切替直前の速度積分値が引き継がれることにより、切替時のショックが抑制される。なお、切り替え前の第２制御装置２２から速度偏差積分値Ｉntgx’が入力される構成としては、必ずしもスイッチ部２５５を備える必要はない。給電制御対象が切り替えられるタイミングで切替直前の第２制御装置２２の速度偏差積分値Ｉntgx’が入力されるのであればいかなる構成であっても構わない。

また、分配率演算部２５２は、分配率演算器２５８を備えており、例えば、可動子１３が移動する際に、可動子１３が円滑に移動できるようにトルクの分配率を演算して、第２制御装置２２同士の出力干渉を抑制する。

すなわち、分配率演算部２５２は、第１制御装置２１から給電対象として選択されたことを示すＩＤを入力すると、直前に給電制御対象として選択された第２制御装置２２との間の制御干渉を抑制するために、可動子１３の位置関係でトルク分配率αを決定する。そして、かかるトルク分配率αが、電流制御部２４５に入力されるトルク指令Ｆ^＊に乗算部２４４で乗算されることによって切替補償がなされる。

例えば、図１Ｂに示すように、移動中の可動子１３が、第５ユニット１１５と第６ユニット１１６に跨った状態になるときを想定する。分配率演算部２５２は、第５ユニット１１５および第６ユニット１１６の推力の立上がり、立下りが線形になるトルク指令Ｆ^＊が電流制御部２４５に出力されるように、トルク分配率αを決定する。

すなわち、分配率演算部２５２は、可動子１３と第５ユニット１１５および第６ユニット１１６とのそれぞれの距離に応じたトルク分配率αを決定し、第５ユニット１１５と第６ユニット１１６との間での制御干渉を抑制させるようにしている。

そのため、第５ユニット１１５では推力が所定の傾きで漸次減少し、第６ユニット１１６では推力が所定の傾きで漸次増加するように切替補償が行われ、その結果、可動子１３は、第５ユニット１１５から第６ユニット１１６の間をスムーズに移動することになる。

このように、本実施形態に係る給電切替補償部２５は、電機子巻線ユニット１１が給電対象に切り替わる際に、直前に給電制御対象として選択された第２制御装置２２の制御状態に基づいて、切り替え先の電機子巻線ユニット１１に対する給電制御の切替補償を行う。したがって、給電対象である電機子巻線ユニット１１が切り替わる際の可動子１３に対する切替えショックを抑制することができる。

ここで、可動子１３が略一定速度で移動する送り領域３２に配設された電機子巻線ユニット１１に対応する第２制御装置２２が実行するセンサレス制御について説明するとともに、かかる推定部７１による推定結果を利用した切替補償について説明する。

図５は、センサレス制御を行う第２制御装置２２の給電制御部２４が演算部２４１内に備える推定部７１のブロック図である。なお、この場合の第２制御装置２２は、図１Ｂにおいて、送り領域３２に配設された第３ユニット１１３および第４ユニット１１４にそれぞれ対応する第２制御装置２２である第３アンプ２２３と第４アンプ２２４とした。よって、図５の上段に示されるのは第３アンプ２２３の推定部７１であり、下段に示されるのは第４アンプ２２４の推定部７１である。なお、これら２つの推定部７１の構成はいずれも同じである。

図示するように、推定部７１は、誘起電圧推定部７１１と、位相推定部７１２と、位相演算部７１３とを備える。誘起電圧推定部７１１は、例えば、誘起電圧推定器やオブザーバなどであり、推定誘起電圧Ｅ＾_γ，Ｅ＾_δを位相推定部７１２に出力する。

位相推定部７１２は、ＰＬＬ回路を備えており、入力した推定誘起電圧Ｅ＾_γ，Ｅ＾_δに基づいて、推定速度ω＾_lpf［ｋ］を出力する。また、推定速度ω＾_lpf［ｋ］を位相演算部７１３に入力して積分することにより、推定位相θ＾［ｋ］を出力する。また、推定部７１は、前述したように、推定位相θ＾［ｋ］および推定速度ω＾_lpf［ｋ］に基づき、磁極θを算出するための可動子位置ｐｏｓｘ＾［ｋ］と、可動子速度ｓｐｄｘを算出するための可動子速度ｓｐｄｘ＾［ｋ］を推定する。図示するように、可動子位置ｐｏｓｘ＾［ｋ］は、第１演算部７１４により、磁極−可動子位置の変換係数であるＫ１を乗算して得られる。また、可動子速度ｓｐｄｘ＾［ｋ］は、第２演算部７１５により、電気角速度−可動子速度の変換係数Ｋ２を乗算して得られる。

かかる推定部７１において、給電対象として切り替わる前の電機子巻線ユニット１１に対応する第２制御装置２２の推定部７１で演算された推定位相θ＾［ｋ］および推定速度ω＾_lpf［ｋ］を第２制御装置２２同士で受け渡すようにしている（矢印ａ１を参照）。つまり、推定部７１により推定した推定位相θ＾［ｋ］および推定速度ω＾_lpf［ｋ］を、給電対象である電機子巻線ユニット１１を切り替える際に、第２制御装置２２同士で受け渡すのである。こうして、給電対象として切り替わる前の推定位相θ＾［ｋ］および推定速度ω＾_lpf［ｋ］が、そのまま切り替え後の推定位相θ＾［ｋ］および推定速度ω＾_lpf［ｋ］として設定されることになる。

そして、かかる推定位相θ＾［ｋ］および推定速度ω＾_lpf［ｋ］に基づく推定位置パルスＰｏｓｘ’を推定位置情報として出力する。すなわち、送り領域３２に配設された電機子巻線ユニット１１に対応する第２制御装置２２は、スケール検出ヘッド５からの位置パルスＰｏｓｘを用いることができない。そのため、スケール検出ヘッド５からの位置パルスＰｏｓｘに代わる情報として、推定部７１により推定した推定位置パルスＰｏｓｘ’を出力するようにしている。

なお、かかる推定部７１による推定結果を利用した切替補償の実行タイミングは、第１制御装置２１からＩＤが出力されるタイミングよりも若干早いタイミング、すなわち、積分値補償や分配率演算による補償よりも早いタイミングとすることが好ましい。そのためには、例えば、可動子１３が送り領域３２にあると第１制御装置２１が判断した場合、上述したＩＤとは別に、推定部７１による切替補償の実行タイミングの指令となる信号を出力するなど、適宜の方法を採用することができる。

このように、本実施形態に係るリニアモータシステム１００では、センサレス制御を行う第２制御装置２２の給電制御部２４が備える推定部７１についても、給電切替補償部の一例として機能することになる。かかる切替補償を行うことにより、センサレス制御を行う送り領域３２において、給電制御対象の切替時における立ち上げを早くすることができ、センサレス制御における応答性を高めて推定誤差を可及的に早く収束させることができる。

ところで、上述した例では、矢印ａ１で示したように、給電対象として切り替わる前の電機子巻線ユニット１１に対応する第２制御装置２２の推定部７１で演算された推定位相θ＾［ｋ］および推定速度ω＾_lpf［ｋ］を第２制御装置２２同士で受け渡すようにした。しかし、例えば、図５中の矢印ａ２で示すように、速度推定部７１２で得られる推定速度ω＾［ｋ］を第２制御装置２２同士で受け渡すこともできる。

このように、位置決め領域３１に配設された電機子巻線ユニット１１に対応する第２制御装置２２と、送り領域３２に配設された電機子巻線ユニット１１に対応する第２制御装置２２とでは、給電制御部２４の演算部２４１による処理の設定のみが異なる。本実施形態に係るリニアモータシステム１００では、複数の第２制御装置２２の構成は共通のものとしている。その上で、送り領域３２に配設された電機子巻線ユニット１１に対応する第２制御装置２２の演算部２４１については、可動子１３の推定位相θ＾［ｋ］と推定速度ω＾_lpf［ｋ］とを推定させるようにしている。勿論、送り領域３２に配設された電機子巻線ユニット１１に対応する第２制御装置２２と、位置決め領域３１に配設された電機子巻線ユニット１１に対応する第２制御装置２２とで、互いに構成を異ならせてもよい。

図６は、給電切替補償前の動作波形を示す図、図７は、給電切替補償後の動作波形を示す図である。図７に示すように、本実施形態に係るリニアモータシステム１００は、給電切替補償部２５を備えるため、給電対象の切替前後において速度偏差を示す動作波形が安定し、急激な変動は生じない。すなわち、図６に示す給電切替補償前の動作波形と比較して、給電切替補償後は、図７に示すように、動作波形の変動が穏やかになる。

なお、図６および図７の上段のグラフは速度偏差を示し、図６および図７の下段のグラフは推力指令を示す。また、図６および図７の上段のグラフにおいて、給電制御対象である第２制御装置２２の切替えがなされるタイミング２５０を含む領域を円状に囲って示した。

図８は、本実施形態に係るリニアモータシステム１００における位置決め領域３１と送り領域３２とにおける速度指令および推力指令の変化を示す図である。図８の上段のグラフが速度指令の変化、下段のグラフが推力指令の変化を示す。なお、図において、送り動作区間（センサレス）と示した領域が送り領域３２に相当し、高精度位置決め区間（センサ付）と示した領域が位置決め領域３１に相当する。

図示するように、本実施形態に係るリニアモータシステム１００によれば、送り領域３２では、速度指令に応じて推力指令は変動する。例えば、スケール検出ヘッド５による検出信号を用いないセンサレス制御が実行される送り領域３２において、速度指令に応じて一定速度で可動子１３は移動するが、そのときの推力指令は、図示するように、極めて変動が小さいことが分かる。

すなわち、本実施形態に係るリニアモータシステム１００では、給電制御対象となる第２制御装置２２が切替えられるタイミングＴを含む送り領域３２においても、上述した切替補償がなされるため、切替えショックが抑制されていることが分かる。

ところで、図２Ａで示した構成からなる本実施形態に係るリニアモータシステム１００では、速度指令に基づいて電機子巻線ユニット１１への給電制御を行うようにしている。これに対し、上位の制御装置からのトルク指令によって、下位装置であるアンプが給電対象となる電機子巻線ユニット１１への給電制御を行うこともある。

ここで、図９Ａと図９Ｂとを比較しながら、速度指令に基づく給電制御の優位性について説明する。図９Ａは、トルク指令切替における速度指令と速度偏差を比較例として示す図であり、図９Ｂは、実施形態に係るリニアモータシステム１００おける速度指令切替における速度指令と速度偏差を示す図である。なお、図９Ａ、図９Ｂのそれぞれにおいて、上段のグラフは速度指令に対する応答の速度を示し、下段のグラフが速度偏差を示す。

図９Ａの比較例に示すように、上位装置と下位装置との間を、通信接続用バス２３を介して接続しているため、通信遅れに起因して、速度偏差を示す信号の変動が大きくなっている。したがって、制御の精度を高めることが難しいことが分かる。

それに対し、図９Ｂに示すように、速度指令に基づく給電制御の場合、速度偏差は比較的安定する。したがって、速度指令に基づく給電制御が、トルク指令に基づく給電制御に比べてより高精度の制御が実現可能であることが分かる。

以上、説明したように、本実施形態に係るリニアモータシステム１００は、永久磁石を有する可動子１３を備えたＭＭ（Moving Magnet）形リニアモータを用い、電機子巻線ユニット１１を、可動子１３の移動方向に間引いて配置した。したがって、本リニアモータシステム１００は、省配線化が実現でき、コスト低減を図ることができるため、長距離搬送用として好適に用いることができる。

また、本実施形態に係るリニアモータシステム１００は、複数の第２制御装置２２が、第１制御装置２１との通信接続用バス２３を介して互いにそれぞれ接続されている。そして、給電制御対象として選択される第２制御装置２２の給電切替補償部２５は、直前に給電制御対象として選択された第２制御装置２２が給電制御に用いた制御値を切替前後で引き継いで切替補償を行うように構成される。

したがって、給電制御の切替補償精度を高めることができ、リニアモータシステム１００において、より安定した給電制御が可能となる。そして、切替補償の実行タイミングとしては、上述した例に限らず、適宜設定することができる。

ところで、リニアモータシステム１００における移動路３における位置決め領域３１および送り領域３２の数や設定位置は、上述した実施形態の態様に限定されることはなく、自由に設定することができる。

また、さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。このため、本発明のより広範な態様は、以上のように表しかつ記述した特定の詳細および代表的な実施形態に限定されるものではない。したがって、添付の特許請求の範囲およびその均等物によって定義される総括的な発明の概念の精神または範囲から逸脱することなく、様々な変更が可能である。

１ リニアモータ
２ 制御装置
４ リニアスケール
５ スケール検出ヘッド（位置センサ）
１１ 電機子巻線ユニット
１２ 固定子
１３ 可動子
２３ 通信接続用バス
２４ 給電制御部
２５ 給電切替補償部
３１ 位置決め領域
３２ 送り領域
７１ 推定部
１００ リニアモータシステム
１１１ 第１ユニット
１１２ 第２ユニット
１１３ 第３ユニット
１１４ 第４ユニット
１１５ 第５ユニット
１１６ 第６ユニット
２１１ 速度指令出力部
２１２ 制御アンプ選択部
２２１ 第１アンプ
２２２ 第２アンプ
２２３ 第３アンプ
２２４ 第４アンプ
２２５ 第５アンプ
２２６ 第６アンプ
２４３ 速度制御部
２４５ 電流制御部

実施形態の一態様に係る関節機構は所定間隔をあけて列状に複数の電機子巻線ユニットが配設された固定子と、永久磁石を有し、前記固定子と対向して配設された可動子と、前記可動子が対向する前記電機子巻線ユニットを給電対象とし、当該給電対象毎に速度指令に基づく給電制御の演算を行い、当該演算の結果に基づいて前記給電対象の前記電機子巻線ユニットに順次給電することにより前記可動子を駆動する制御装置とを備える。前記制御装置は、第１制御装置と、前記複数の電機子巻線ユニットにそれぞれ対応して設けられるとともに、前記第１制御装置との通信接続を介して互いにそれぞれ接続される複数の第２制御装置とを備える。前記複数の第２制御装置のそれぞれは、給電制御対象として選択された場合、前記第１制御装置から出力される速度指令に基づいて給電制御の演算を行い、当該演算の結果に基づいて対応する電機子巻線ユニットに給電する給電制御部と、前記給電制御部が前記給電制御の演算を行う際に、前記給電制御部に対して切替補償を行う給電切替補償部とを有する。前記給電制御部は、前記速度指令と前記可動子の速度との偏差を積分した速度積分値を用いてトルク指令を生成する速度制御部を有する。前記給電切替補償部は、直前に前記給電制御対象として選択された前記第２制御装置が有する前記速度積分値を前記速度制御部の速度積分値として設定する積分値補償部と、直前に前記給電制御対象として選択された前記第２制御装置との間の前記可動子の位置関係でトルク分配率を決定する分配率演算部とを有する。

Claims (9)

1. 所定間隔をあけて列状に複数の電機子巻線ユニットが配設された固定子と、
   永久磁石を有し、前記固定子と対向して配設された可動子と、
   前記可動子が対向する前記電機子巻線ユニットを給電対象とし、当該給電対象毎に速度指令に基づく給電制御の演算を行い、当該演算の結果に基づいて前記給電対象の前記電機子巻線ユニットに順次給電することにより前記可動子を駆動する制御装置と
   を備え、
   前記制御装置は、
   前記給電対象を切り替える際に、切り替え先の電機子巻線ユニットに対する前記給電制御の切替補償を行う給電切替補償機能を有する
   ことを特徴とするリニアモータシステム。
2. 前記制御装置は、
   第１制御装置と、前記複数の電機子巻線ユニットにそれぞれ対応して設けられる複数の第２制御装置とを備え、
   前記第１制御装置は、
   前記速度指令を前記第２制御装置へ出力する速度指令出力部と、
   前記可動子が対向した電機子巻線ユニットに対応する第２制御装置を給電制御対象として順次選択する選択部を有し、
   前記複数の第２制御装置のそれぞれは、
   前記給電制御対象として選択された場合、前記第１制御装置から出力される速度指令に基づいて給電制御の演算を行い、当該演算の結果に基づいて対応する電機子巻線ユニットに給電する給電制御部と、
   前記給電制御部が前記給電制御の演算を行う際に、前記給電制御部に対して前記切替補償を行う給電切替補償部と
   を有することを特徴とする請求項１に記載のリニアモータシステム。
3. 前記可動子の位置を検出する位置センサを備え、
   前記選択部は、
   前記位置センサからの検出信号に基づいて、前記可動子が対向した電機子巻線ユニットに対応する第２制御装置を前記給電制御対象として選択する
   ことを特徴とする請求項２に記載のリニアモータシステム。
4. 前記複数の電機子巻線ユニットの配設領域は、位置決め領域と送り領域とに区画され、
   前記位置決め領域に配置された電機子巻線ユニットに対応する前記第２制御装置は、前記位置センサによる位置検出信号を用いた位置制御を行う一方、前記送り領域に配置された電機子巻線ユニットに対応する前記第２制御装置は、前記位置検出信号を用いないセンサレス制御を行う
   ことを特徴とする請求項３に記載のリニアモータシステム。
5. 前記位置センサは、前記電機子巻線ユニットに設けられ、前記可動子に設けられたリニアスケールを検出することにより前記可動子の位置を検出するスケール検出ヘッドである
   ことを特徴とする請求項３または４に記載のリニアモータシステム。
6. 前記複数の第２制御装置は、前記第１制御装置との通信接続を介して互いにそれぞれ接続されており、
   前記給電制御対象として選択される第２制御装置の給電切替補償部は、直前に前記給電制御対象として選択された第２制御装置の給電制御の状態に基づいて前記切替補償を行う
   ことを特徴とする請求項２〜５のいずれか１つに記載のリニアモータシステム。
7. 前記給電制御部は、
   前記速度指令と前記可動子の速度との偏差を積分した速度積分値を用いてトルク指令を生成する速度制御部を有し、
   前記給電切替補償部は、
   直前に前記給電制御対象として選択された第２制御装置が有する前記速度積分値を前記速度制御部の速度積分値として設定することにより、前記切替補償を行う
   ことを特徴とする請求項６に記載のリニアモータシステム。
8. 前記給電制御部は、
   前記可動子の推定位相および推定速度を演算する推定部を有し、
   前記給電切替補償部は、
   直前に前記給電制御対象として選択された第２制御装置で演算された前記推定位相および前記推定速度を前記推定部の推定位相および推定速度として設定することにより、前記切替補償を行う
   ことを特徴とする請求項６または７に記載のリニアモータシステム。
9. 前記給電制御部は、
   前記速度指令に応じたトルク指令に基づき、対応する電機子巻線ユニットへの給電電流を制御する電流制御部を有し、
   前記給電切替補償部は、
   直前に前記給電制御対象として選択された第２制御装置との間の前記可動子の位置関係で決定されるトルク分配率を、前記電流制御部に入力されるトルク指令に乗算することにより、前記切替補償を行う
   ことを特徴とする請求項６〜８のいずれか１つに記載のリニアモータシステム。

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