TWI458251B - 線性同步電動機控制方法及控制裝置 - Google Patents

Description

線性同步電動機控制方法及控制裝置

本發明係關於在場磁鐵使用永久磁鐵之線性同步電動機之控制方法及控制裝置的技術領域。

以往，在藉由因永久磁鐵所造成的場磁鐵與由電樞所發生的移動磁場而使可動子作直進運動的線性同步電動機中，係使用位置感測器、速度感測器、磁極感測器等來控制可動子的位置或移動速度。

另一方面，以未使用如上所示之感測器而使線性同步電動機驅動的控制方法而言，一般係採用無感測器向量控制(例如專利文獻1)。在無感測器向量控制中，係將可動子的位置或移動速度，使用藉由線性同步電動機的旋轉而在電樞所產生的感應電動勢來進行推定的方法較為一般。

(專利文獻1)日本特開2002-223587號公報

但是，在感應電動勢變小的低速行走時或減速停止時，並無法正確推定可動子的位置或移動速度，因此難以控制可動子的位置或移動速度。因此，無感測器向量控制在必須進行可動子之定位的用途中並未被使用。

本發明係鑑於以上情形而研創者，目的在提供一種線性同步電動機控制方法及控制裝置，其未使用位置感測器而以等速域利用無感測器向量控制平順地使可動子移動，而且，亦可進行停止控制及低速域下的控制。

為了解決上述課題，請求項1之發明係一種線性同步電動機控制方法，係用以控制流至因由電樞所發生之磁場的移動而使可動子移動之線性同步電動機之該電樞的電流的線性同步電動機控制方法，其特徵為：當前述可動子的移動速度比可藉由預定的無感測器向量控制而使前述可動子與由前述電樞所發生之磁場的移動同步作移動之範圍內之預先設定的預定速度快時，係使用該無感測器向量控制，來控制流至前述電樞的電流，在從因原本以比前述預定速度快的速度移動的前述可動子的移動速度降低而前述移動速度變得比前述預定速度慢起、至前述可動子停止為止的期間，在將場磁鐵所形成之磁通方向設為d軸，將相對d軸前進π/2的相位設為q軸的d-q座標中，生成與位置指令相對應的d軸的電角度，而以在d軸電樞流通電流，而且在q軸電樞不流通電流的方式來控制d軸電樞電流及q軸電樞電流。

請求項2之發明係在請求項1之線性同步電動機控制方法中，若當前述可動子在前述可動子可移動範圍中，可藉由讀取線性標度來檢測前述可動子之位置的前述位置感 測器，來檢測該位置的範圍作移動時，使該可動子停止，係根據藉由該位置感測器所被檢測出的前述可動子的位置來控制流至前述電樞的電流。

請求項3之發明係一種控制裝置，係用以控制流至因由電樞所發生之磁場的移動而使可動子移動之線性同步電動機之該電樞的電流的控制裝置，其特徵為具備有：無感測器向量控制手段，使用預定的無感測器向量控制來控制流至前述電樞的電流；開迴路控制手段，使用開迴路控制來控制流至前述電樞的電流；及選擇手段，選擇控制流至前述電樞之電流的控制手段，前述開迴路控制手段係具有：相位生成手段，在將場磁鐵所形成之磁通方向設為d軸，將相對d軸前進π/2的相位設為q軸的d-q座標中，生成與位置指令相對應的d軸的電角度；電流檢測手段，檢測流至前述電樞的3相交流電流；3相交流/d-q座標轉換手段，根據前述相位生成手段所生成的前述電角度，將前述電流檢測手段所檢測到的3相交流電流作座標轉換成d軸電樞電流及q軸電樞電流；及電流控制手段，以在d軸電樞流通電流，而且在q軸電樞不流通電流的方式控制d軸電樞電流及q軸電樞電流，前述選擇手段係當前述可動子的移動速度比可藉由前述無感測器向量控制而使前述可動子與由前述電樞所發生之磁場的移動同步作移動之範圍內之預先設定的預定速度快時，係選擇前述無感測器向量控制手段，在從因原本以比前述預定速度快的速度移動的前述可動子的移動速度降低而前述移動速度變得 比前述預定速度慢起、至前述可動子停止為止的期間，選擇前述開迴路控制手段。

請求項4之發明係在請求項3之控制裝置中，另外具備有回授控制手段，其係根據藉由讀取線性標度來檢測前述可動子之位置的位置感測器所被檢測到的該位置，使用回授控制來進行流至前述電樞之電流的控制，前述選擇手段係若當前述可動子在前述可動子可移動範圍中，可藉由前述位置感測器來檢測該位置的範圍作移動時，使該可動子停止，即選擇前述回授控制手段。

藉由本發明，在可動子的移動速度比預定速度快時，係可藉由無感測器向量控制來進行可動子之移動的控制，因此此時，可藉由該無感測器向量控制而使可動子平順地移動，而且在可動子的移動速度比預定速度慢時，係生成與位置指令相對應的電角度，以在d軸電樞流通電流而且在q軸電樞不流通電流的方式進行控制，藉此亦可進行可動子的停止控制或在低速域下的控制。

以下一面參照圖示，一面說明用以實施本發明之較佳實施形態。其中，以下各實施形態並非為限定有關各請求項之發明者，而且各實施形態中所說明之特徵的所有組合並不一定在發明解決手段中為必須。

〔1.第1實施形態〕

以下，以線性同步電動機而言，針對在扁平型的線性同步電動機應用本發明之情形下的實施形態加以說明。

〔1.1 線性電動機系統之構成〕

首先，使用第1圖，說明第1實施形態之線性電動機系統1之構成。在此，第1圖係顯示第1實施形態之線性電動機系統1之概要構成圖。

如第1圖所示，線性電動機系統1係具備有：致動器2、及作為控制裝置的驅動器3。接著，致動器2係具備有：滑件(移動體)4、及滑動自如地支持滑件4的基座5。

以滑件4之驅動手段而言，係採用線性同步電動機6。線性同步電動機6係由：被安裝在滑件4下部之作為可動子的電樞6a、及被安裝在基座5底面之作為固定子的磁鐵板6b所構成。電樞6a係由：由磁性素材所構成的鐵芯、及被捲繞在鐵芯之凸極的3相線圈所構成。在3相線圈的各個係被供給有3相交流電流。磁鐵板6b係使複數永久磁鐵以在其表面交替呈現N極與S極之磁極的方式被排列在基座5的長邊方向所構成。若在3相線圈流通3相電流，則會發生朝紙面左右方向移動的移動磁場。電樞6a及滑件4係藉由移動磁場而獲得推力，與移動磁場的速度同步作直進運動。

流至電樞6a之3相線圈的3相電流係藉由驅動器3予以控制。由驅動器3所被輸出的3相電流係透過動力纜線51而被供給至電樞6a。在直動裝置並未安裝有線性標度及位置感測器。因此，驅動器3並不進行回授控制。取而代之，驅動器3係按照滑件4(電樞6a)的移動速度，一面選擇性地切換一面進行：無感測器向量控制、及以在d軸電樞流通電流而且在q軸電樞不流通電流的方式進行控制的開迴路控制。

〔1.2 本實施形態之開迴路控制的原理〕

接著，使用第2圖，說明在本實施形態中，驅動器3所進行之開迴路控制的原理。在此，第2圖係顯示用以說明第1實施形態之開迴路控制之同步電動機的概略圖。第3圖係顯示用以說明第1實施形態之開迴路控制之控制裝置之一例的方塊圖。

即使在場磁鐵作直線移動的線性同步電動機中，亦可使用旋轉座標的d-q座標系，來控制d、q軸電樞電流。同步電動機被固定的部分與可動的部分均轉換成進行旋轉的正交座標的是d-q轉換，其座標系為d-q座標系。q軸係位於相對d軸呈前進π/2的相位。d軸一般係採為場磁鐵所形成之磁通的方向。

在第2圖中，Vda、vqa係d、q軸電樞電壓，ida、iqa係d、q軸電樞電流，fa係電樞繞組鎖交磁通數，Ra係電樞繞組電阻，La係電樞繞組的自感(self inductance)。若由該等效電路求出電壓、電流、阻抗的關係式，亦即電路方程式，即成為 。該式右邊第2項係表示藉由永久磁鐵的場磁鐵而在d、q軸電樞繞組感應的速度起電力eda、eqa，eda=0、eqa．=ωrefa。第2圖係顯示電樞繞組如DC電動機般與整流子相連接而無數位於半徑方向，在該等通過以與場磁鐵相同的速度進行旋轉之被配置在d、q軸上的電刷而被施加Vda、Vqa，且流通ida、iqa。若將Vda、Vqa設為直流電壓，ida、iqa亦成為直流電壓，而以2軸直流進行處理。

若將數1式變形為狀態方程式(微分方程式)，即得 。該式意指可利用屬於d、q軸電樞電壓的Vda與Vqa來控制屬於d、q軸電樞電流的ida、iqa。

第3圖係用以說明第1實施形態之開迴路控制之控制裝置之一例的方塊圖。該控制裝置係在驅動同步電動機時，未使用位置檢測器，在同步電動機的d軸(永久磁鐵 的磁通方向)常時流動一定電流，而以開迴路驅動同步電動機。

控制裝置係具備有：接受位置指令的位置控制器11、控制q軸、d軸電樞電流的q軸電樞電流控制器12及d軸電樞電流控制器13、生成按照位置指令之電角度的相位檢測器14、按照q軸、d軸電樞電壓指令而對同步電動機供給電力的電壓形PWM(Pulse Width Modulation)反相器等電力轉換器15、作為3相交流/d-q座標轉換手段的向量旋轉器．3相交流/d-q座標轉換器16、檢測來自同步電動機20之反饋電流的電流檢測器17、及向量旋轉器．d-q座標/3相交流轉換器19。

由電腦等上位控制裝置，對位置控制器11供予位置指令θ*rm。位置控制器11係將位置指令θ*rm輸出至相位檢測器14。相位檢測器14係計算出與位置指令相對應的電角度θ*re，將電角度θ*re輸出至屬於3相交流/d-q座標轉換手段的向量旋轉器．3相交流/d-q座標轉換器16。向量旋轉器．3相交流/d-q座標轉換器16係根據電角度θ*re，將來自電流檢測器17的3相反饋電流值iu、iv、iw轉換成q軸電樞電流iqa與d軸電樞電流ida。

q軸電樞電流控制器12係取q軸電樞電流指令與q軸電樞電流iqa的偏差，運算q軸電樞電壓的指令值v*qa。在此，q軸電樞電流指令係被設定為0。q軸電樞電流控制器12係以q軸電樞電流iqa為0的方式來控制q軸電樞電流iqa。在習知的伺服電動機中，按照所需轉矩，q軸 電樞電流指令為可變，但是在本實施形態之開迴路控制中，具有q軸電樞電流指令經常被設定為0的特徵。

d軸電樞電流控制器13係取d軸電樞電流指令與d軸電樞電流ida的偏差，運算d軸電樞電壓的指令值v*da。在此，d軸電樞電流指令係被設定為一定電流值，例如同步電動機的額定電流。所謂額定電流係指即使在同步電動機長時間流通電流，同步電動機亦不會燒熱的電流值。在習知的伺服電動機中，d軸電流指令i*da係通常被設定為0，但是在本實施形態中，具有被設定為一定電流值的特徵。

向量旋轉器．d-q座標/3相交流轉換器19係根據該等電壓指令v*da、v*qa及電角度θ*re，來輸出3相電壓指令v*u、v*v、v*w。電力轉換器15係根據該等電壓指令，將輸出電壓作PWM控制，且控制流至同步電動機20的電流。

第4圖係以d-q座標所表示的同步電動機的動作圖。第4圖(a)顯示使用位置檢測器之習知之回授控制的動作圖，第4圖(b)顯示未使用位置檢測器之本實施形態之開迴路控制的動作圖。在習知之回授控制中，係以將d軸電樞電流設為0，且使q軸電樞電流成為配合所需轉矩的值的方式進行控制。藉由在q軸電樞流通電流，而發生轉矩，同步電動機20的永久磁鐵23即進行旋轉((a1)→(a2)→(a3))。d軸的位置(磁極位置)係根據位置檢測器所檢測出的位置資訊而被計算出。

相對於此，在本實施形態之開迴路控制中，首先，由位置指令計算出所驅動之永久磁鐵23的磁極位置指令22(d軸指令)。接著，以在d軸電樞流通一定電流，在q軸電樞不流通電流的方式來控制d軸電樞電流及q軸電樞電流。如此一來，永久磁鐵23的磁極位置(d軸的位置)係被磁極位置指令22拉近而在磁極位置指令22的位置停止。若以第4圖(b)中(b1)→(b2)→(b3)依序使磁極位置指令22改變時，永久磁鐵23會旋轉。在停止時，即會發生在同步電動機20流通額定電流時的保持力。

在本實施形態之開迴路控制中，由於在q軸電樞不流通電流，因此發生在同步電動機20的轉矩較小。因此，當對同步電動機20施加負載時，會有同步電動機20未追隨電角度之變化之虞。但是，藉由在同步電動機20流通額定電流，可加大同步電動機20的轉矩。此外，隨著慢慢加大電角度+5度、+10度、+15度等，在同步電動機20會慢慢作用較大轉矩(將電角度設為+90度時，會作用最大的轉矩)，因此藉由加大電角度，可使同步電動機動作。當同步電動機暫時動作時，之後係藉由其慣性而使同步電動機持續動作，因此最後可接近電角度。

〔1.3 驅動器之構成〕

接著，使用第5圖，說明本實施形態之驅動器3之構成。在此，第5圖係顯示第1實施形態之驅動器3之概要構成之一例的方塊圖。

如第5圖所示，驅動器3係具備有：接受位置指令的位置控制器31；控制線性同步電動機6之電樞6a之移動速度的速度控制器32；推定電樞6a之位置及移動速度的位置速度推定器33；作為控制q軸、d軸電樞電流之電流控制手段的q軸電樞電流控制器34及d軸電樞電流控制器35；作為生成與位置指令相對應之電角度的相位生成手段的相位檢測器36；按照q軸、d軸電樞電壓指令，對同步電動機供給電力之電壓形PWM反相器等電力轉換器37；作為3相交流/d-q座標轉換手段之向量旋轉器．3相交流/d-q座標轉換器39；作為檢測來自同步電動機20之反饋電流之電流檢測手段的電流檢測器38；向量旋轉器．d-q座標/3相交流轉換器40；及作為切換控制無感測器向量控制與開迴路控制之選擇手段的控制切換器41。

在此，位置控制器31、速度控制器32、位置速度推定器33、q軸電樞電流控制器34、d軸電樞電流控制器35、相位檢測器36、電力轉換器37、電流檢測器38、向量旋轉器．3相交流/d-q座標轉換器39及向量旋轉器．d-q座標/3相交流轉換器40係構成無感測器向量控制手段。此外，位置控制器31、q軸電樞電流控制器34、d軸電樞電流控制器35、相位檢測器36、電力轉換器37、電流檢測器38、向量旋轉器．3相交流/d-q座標轉換器39及向量旋轉器．d-q座標/3相交流轉換器40係構成開迴路控制手段。

位置控制器31係按照來自控制切換器41的控制指令 來進行2種控制。在該控制指令係有無感測器向量控制指令與開迴路控制指令。位置控制器31係當控制指令為無感測器向量控制指令時，根據由電腦等上位控制裝置所被輸出的位置指令θ*rm、和由位置速度推定器33所被輸出的推定位置θ^rm的偏差，來運算速度指令ω*rm，且將該速度指令ω*rm輸出至速度控制器32。另一方面，位置控制器31係當控制指令為開迴路控制指令時，則將由上位控制裝置所被輸出的位置指令θ*rm輸出至相位檢測器14。

速度控制器32係按照來自控制切換器41的控制指令來進行2種控制。位置控制器31係當控制指令為無感測器向量控制指令時，根據由位置控制器31所被輸出的速度指令ω*rm、和由位置速度推定器33所被輸出的推定速度ω^rm的偏差，來運算推力指令，另外運算q軸電流指令i*qa。此外，速度控制器32係將該q軸電流指令i*qa輸出至q軸電樞電流控制器34，並且將d軸電流指令i*da通常設定為0而輸出至d軸電樞電流控制器35。另一方面，速度控制器32係當控制指令為開迴路控制指令時，將d軸電流指令i*da設定為例如額定電流且輸出至d軸電樞電流控制器35，並且將q軸電流指令i*qa設定為0且輸出至q軸電樞電流控制器34。

位置速度推定器33係由控制切換器41被輸出無感測器向量控制指令時進行動作。具體而言，位置速度推定器33係根據由向量旋轉器．3相交流/d-q座標轉換器39所 被輸出的d軸電樞電流ida及q軸電樞電流iqa、及由d軸電樞電流控制器所被輸出的d軸電樞電壓指令、及由q軸電樞電流控制器所被輸出的q軸電樞電壓指令，來運算推定位置θ^rm及推定速度ω^rm。推定位置及推定速度的推定方法係可適用一般無感測器向量控制所使用的方法。此外，亦可僅根據電壓指令及電樞電流之任何一者來運算推定位置及推定速度。位置速度推定器33係將推定位置θ^rm輸出至位置控制器31與相位檢測器36，並且將推定速度ω^rm輸出至速度控制器與控制切換器41。

在相位檢測器36係按照由控制切換器41而被輸出至位置控制器31及位置速度推定器33的控制指令而被供給有位置指令θ*rm或推定位置θ^rm。當控制指令為無感測器向量控制指令時，在相位檢測器36係由位置速度推定器33而被供給有推定位置θ^rm。另一方面，當控制指令為開迴路控制指令時，在相位檢測器36係被供給有位置指令θ*rm。接著，相位檢測器36係計算出與位置指令θ*rm或推定位置θ^rm相對應的電角度θ*re，將電角度θ*re輸出至向量旋轉器．3相交流/d-q座標轉換器39與向量旋轉器．d-q座標/3相交流轉換器40。

向量旋轉器．3相交流/d-q座標轉換器39係根據電角度θ*re，將來自電流檢測器38的3相反饋電流值iu、iv、iw轉換成q軸電樞電流iqa與d軸電樞電流ida。

q軸電樞電流控制器34係取得q軸電樞電流指令和q軸電樞電流iqa的偏差，運算q軸電樞電壓的指令值 v*qa，且將該指令值v*qa輸出至位置速度推定器33與向量旋轉器．d-q座標/3相交流轉換器40。

d軸電樞電流控制器35係取得d軸電樞電流指令和d軸電樞電流ida的偏差，運算d軸電樞電壓的指令值v*da，且將該指令值v*da輸出至位置速度推定器33與向量旋轉器．d-q座標/3相交流轉換器40。

向量旋轉器．d-q座標/3相交流轉換器40係根據由q軸電樞電流控制器34及d軸電樞電流控制器35而來的電壓指令v*da、v*qa及由相位檢測器36而來的電角度θ*re，來輸出3相電壓指令v*u、v*v、v*w。電力轉換器15係根據該等電壓指令，來對輸出電壓進行PWM控制，且對流至線性同步電動機6之電樞6a的電流進行控制。

控制切換器41係根據線性同步電動機6之電樞6a的移動速度，來決定是否進行無感測器向量控制或開迴路控制之何者，將作為其結果的控制指令輸出至位置控制器31、速度控制器32及位置速度推定器33。

基本上，相較於藉由本實施形態之開迴路控制來進行控制，藉由無感測器向量控制來控制電樞6a之移動者，電樞6a係較為平順地移動。但是，在電樞6a若移動速度變為低速時，則無感測器向量控制的控制會變得無效。亦即，藉由無感測器向量控制所進行之位置的推定及速度的推定係根據對於電樞6a的施加電壓或反饋電流來求出例如按照電樞6a的移動速度而發生在電樞6a的感應電動勢來進行，但是若電樞6a停止，或移動速度太低時，則無 法感測感應電動勢。如此一來，無法使由電樞6a所發生的磁場與電樞6a的移動同步移動。

因此，控制切換器41係以預先設定的速度α 來進行控制的切換。該速度α係在可使電樞6a的移動與藉由無感測器向量控制而由電樞6a所發生的磁場的移動同步移動的速度範圍內所被預先設定的速度，根據測試或模擬等的結果來作設定。當欲增加藉由無感測器向量控制所得之控制範圍時，即在可控制電樞6a之移動的範圍內將速度α設定為較低。

第6圖係顯示使電樞6a由磁鐵板6b之長邊方向一端移動至另一端為止時之移動時間與移動速度的關係的曲線圖，在該圖中，橫軸為移動時間，縱軸為移動速度。

如第6圖所示，電樞6a係由移動時間=0之時間點的停止狀態至開始移動，至時間t2的時間點為止進行加速，在時間t2~t3的期間係以等速度移動。之後，電樞6a係減速，且在時間te的時間點停止。在此，自電樞6a開始移動起，至移動速度到達速度α的時間t1為止的期間係進行開迴路控制。接著，由時間t1至t2及由t2至t3為止的期間係進行無感測器向量控制。接著，由時間t3至移動速度減至速度α的時間t4為止的期間係接著進行無感測器向量控制。時間t4至te之期間係進行開迴路控制。

亦即，控制切換器41係當電樞6a的移動速度為速度α以上時，係輸出無感測器向量控制指令，當電樞6a的移 動速度未達速度α時，係輸出開迴路控制指令。

在此，當移動速度為速度α以上時，係可藉由位置速度推定器33來推定電樞6a的位置及移動速度，因此控制切換器41係根據由位置速度推定器33所被輸出的推定位置ω^rm，來決定要進行哪個的控制。其中，推定位置ω^rm係與電樞6a的移動速度為等效。

另一方面，若移動速度未達速度α時，會有無法藉由位置速度推定器33來正確地推定出電樞6a的位置及移動速度的可能性，因此控制切換器41係根據來自上位控制器的位置指令θ*rm來計算出電樞6a的移動速度。本實施形態之開迴路控制係生成與位置指令θ*rm相對應的電角度θ*re，隨著被連續供給的位置指令θ*rm，電角度θ*re會連續變化，藉此使電樞6a與該電角度θ*re的變化同步移動，因此根據位置指令θ*rm來求出電樞6a的移動速度。

其中，以使驅動器3辨識電樞6a之初期位置的方法而言，係有使用磁極感測器的方法。此外，無須使用磁極感測器，亦可使電樞6a強制性移動至所被設定的位置，藉此取代電樞6a之初期位置的辨識。此係例如以電樞6a之U相線圈的中心為基準，藉由以預定的電角度由驅動器3供給直流電流至電樞6a來進行。此時的電角度係可任意設定。藉由直流電流，使電樞6a被激磁，在與由U相線圈的中心分離前述電角度的位置的磁鐵板6b相對向的面呈現S極的磁極。由於該S極與磁鐵板6b的N極互相拉 引而使電樞6a移動，電樞6a係在電樞6a所呈現的S極位置與磁鐵板6b的N極位置相一致之處停止。藉此使電樞6a由基礎的初期位置移動至所被設定的位置。此時，電樞6a與磁鐵板6b之磁極的相位偏移最大為±180°，因此電樞6a係最大移動磁鐵板6b之磁極間距一半的距離。

〔1.4 驅動器的動作〕

接著，使用第7圖，說明本實施形態之驅動器3的動作。在此，第7圖係顯示第1實施形態之驅動器3之控制切換器41之處理例的流程圖。

如第7圖所示，控制切換器41係進行判定電樞6a的移動速度是否為速度α以上(步驟S1)。此時，控制切換器41係在移動速度為速度α以上時(步驟S1：YES)，決定進行無感測器向量控制(步驟S2)，且移至步驟S1。

在此，控制切換器41係將無感測器向量控制指令輸出至位置控制器31、速度控制器32及位置速度推定器33。如此一來，位置速度推定器33係對推定位置θ^rm及推定速度ω^rm進行運算，將推定位置θ^rm輸出至位置控制器31及相位檢測器36，並且將推定速度ω^rm輸出至控制切換器41及速度控制器32。位置控制器31係根據位置指令θ*rm與推定位置θ^rm，將速度指令ω*rm輸出至速度控制器32，另一方面，使位置指令θ*rm對於相位檢測器36的輸出呈停止狀態。速度控制器32係根據速度指 令ω*rm與推定速度ω^rm來對q軸電流指令i*qa進行運算。此外，速度控制器32係將q軸電流指令i*qa設定為0。相位檢測器36係計算出與推定位置θ^rm相對應的電角度θ*re。如上所示，驅動器3係進行無感測器向量控制。

另一方面，控制切換器41係當移動速度未達速度α時(步驟S1：NO)，即決定進行開迴路控制(步驟S3)，且移至步驟S1。

在此，控制切換器41係將開迴路控制指令輸出至位置控制器31、速度控制器32及位置速度推定器33。如此一來，位置速度推定器33係使動作停止。位置控制器31係將位置指令θ*rm輸出至相位檢測器36，另一方面，使速度指令ω*rm的運算停止。速度控制器32係將q軸電流指令i*qa設定為0，並且將d軸電流指令i*da設定為額定電流。相位檢測器36係計算出與位置指令θ*rm相對應的電角度θ*re。如上所示，驅動器3係進行在1.2項中所說明的開迴路控制。如上所示，控制切換器41係反覆控制迴路。

如以上說明所示，藉由本實施形態，切換控制部41在電樞6a的移動速度為速度α以上時係以進行無感測器向量控制的方式來控制各部，當電樞6a的移動速度未達速度α時，相位檢測器36生成與位置指令相對應的d軸的電角度，q軸電樞電流控制器34及d軸電樞電流控制器35以在d軸電樞流通電流而且在q軸電樞不流通電流的方 式來控制d軸電樞電流及q軸電樞電流的方式來控制各部，因此在電樞6a的移動速度為速度α以上中之等速域中，係可藉無感測器向量控制使電樞6a的移動平順地移動，而且亦可進行電樞6a的移動速度未達速度α 的停止控制或在低速域下的控制。此外，亦可進行由電樞6a停止狀態恢復的控制。

此係在本實施形態之開迴路控制中，磁鐵板6b的N極相對地被拉近於藉由與相位檢測器36所生成的電角度相對應的d軸電樞電流所產生的磁極而使電樞6a移動，因此藉由位置指令來控制電角度的旋轉速度，藉此亦可進行停止控制、在低速域下的控制及恢復時的控制。接著，由於進行與位置指令相對應的停止控制，因此亦可使其停止在所希望位置。

〔2.第2實施形態〕

接著，使用第8圖，說明第2實施形態。

〔2.1 線性電動機系統之構成〕

首先，使用第8圖，說明第2實施形態之線性電動機系統10之構成。在此，第8圖係顯示第2實施形態之線性電動機系統10之概要構成圖，在該圖中，關於與第1圖相同的要素，係標註相同的元件符號。

如第8圖所示，線性電動機系統10係具備有：致動器2、位置資訊切換裝置9、及作為控制裝置的驅動器 30。接著，致動器2係具備有：滑件4、滑動自如地支持滑件4的基座5、被安裝在滑件4的線性標度(linear scale)7、及讀取線性標度7以檢測滑件4(所被安裝的電樞)的位置的複數位置感測器8。

在此，與第1實施形態不同之處在於追加有線性標度7、位置感測器8及位置資訊切換裝置9。線性標度7係被安裝在滑件4的側面，開縫或磁極等係沿著基座5的長邊方向以一定間隔予以排列。

各位置感測器8係以光學或磁性讀取線性標度7，將表示電樞6a位置的位置資訊分別透過編碼器纜線52而輸出至位置資訊切換器9。在本實施形態中，以在滑件4可移動範圍中僅有包含事前所計畫之停止位置之用以進行該停止位置前後之定位的領域(以下稱為「停止領域」)可讀取線性標度7的方式安裝有位置感測器8。在第8圖所示之例中，在滑件4可移動範圍的兩端分別安裝有位置感測器8，並且在稍微中央安裝有1處位置感測器8。亦即，在致動器2中係設有3部位的停止領域。

停止領域以外的領域係僅由滑件4基本上通過的領域(以下稱之為「通過領域」)。但是，即使為通過領域，亦可視需要而使滑件4停止。在此，在被設在大約中央的停止領域中，滑件4依其移動順序的不同，而有停止的情形與通過的情形。

在第1實施形態中，藉由無感測器向量控制或開迴路控制來控制被供給至電樞6a的電流，但是在本實施形態 中，當滑件4位於停止領域內時，根據來自位置感測器8的位置資訊來進行向量控制。接著，當滑件4位於通過領域內時，進行無感測器向量控制或開迴路控制。

位置資訊切換器9係當滑件4進入至任一停止領域時，利用由驅動器30所被輸出的控制訊號，透過編碼器纜線53，將由被安裝在該停止領域的位置感測器8所被輸出的位置資訊輸出至驅動器30。

〔2.2 驅動器之構成〕

接著，使用第9圖，說明本實施形態之驅動器30。在此，第9圖係顯示第2實施形態之驅動器30之概要構成之一例的方塊圖，在該圖中，關於與第5圖相同的要素，係標註相同的元件符號。

如第9圖所示，驅動器30係具備有：位置控制器31、速度控制器32、位置速度推定器33、作為電流控制手段的q軸電樞電流控制器34及d軸電樞電流控制器35、作為相位生成手段的相位檢測器36、電力轉換器37、作為電流檢測手段的電流檢測器38、作為3相交流/d-q座標轉換手段的向量旋轉器．3相交流/d-q座標轉換器39、向量旋轉器．d-q座標/3相交流轉換器40、無感測器向量控制、將開迴路控制及向量控制進行切換控制之作為選擇手段的控制切換器41、位置檢測器42、及速度檢測器43。

在此，位置控制器31、速度控制器32、q軸電樞電流 控制器34、d軸電樞電流控制器35、相位檢測器36、電力轉換器37、電流檢測器38、向量旋轉器．3相交流/d-q座標轉換器39、向量旋轉器．d-q座標/3相交流轉換器40、位置檢測器42及速度檢測器43係構成回授控制手段。

與第1實施形態不同之處在於追加有位置檢測器42及速度檢測器43。由位置資訊切換器9所被輸出的位置資訊係被供給至位置檢測器42及速度檢測器43，並且亦被供給至相位檢測器36。位置檢測器42係根據位置資訊來運算表示電樞6a位置的位置反饋值θrm，且將該位置反饋值θrm輸出至位置控制器31與控制切換器41。速度檢測器43係根據位置資訊來運算表示電樞6a之移動速度的速度反饋值ωrm，且將該速度反饋值ωrm輸出至速度控制器32與控制切換器41。

位置控制器31在被供給有向量控制指令作為來自控制切換器41的控制指令時，係根據由上位控制裝置所被輸出的位置指令θ*rm、及由速度檢測器43所被輸出的位置反饋值θrm的偏差來運算速度指令ω*rm，且將該速度指令ω*rm輸出至速度控制器32。

速度控制器32在被供給有向量控制指令作為來自控制切換器41的控制指令時，係根據由位置控制器31所被輸出的速度指令ω*rm、及由位置檢測器42所被輸出的速度反饋值ωrm的偏差來運算推力指令，且另外運算q軸電流指令i*qa。

控制切換器41係根據線性同步電動機6之電樞6a的現在位置及移動速度，決定進行無感測器向量控制、開迴路控制或向量控制的何者，且將作為其結果的控制指令輸出至位置控制器31、速度控制器32及位置速度推定器33。在該控制指令中有：無感測器向量控制指令、開迴路控制指令及向量控制。

在本實施形態中，為了在電樞6a位於停止領域時進行向量控制，在未圖示的記憶體記憶有表示停止領域的範圍與電樞6a的位置的關係(例如座標x1~x2為第1停止領域、座標x3~x4為第2停止領域等)的停止領域座標資料。控制切換器41係藉由將電樞6a的現在位置與停止領域座標資料作比較，來判定電樞6a是否位於停止領域。在此，控制切換器41係將電樞6a的現在位置，在進行無感測器向量控制時係根據推定位置θ*rm而得，在進行開迴路控制時係根據位置指令θ*rm而得，在進行向量控制時係根據位置反饋值θrm而得。此外，控制切換器41係在進行向量控制時，由速度反饋值ωrm取得電樞6a的移動速度。

此外，控制切換部41係在根據停止領域座標資料而判斷出電樞6a的現在位置已進入至任何停止領域時，係以使由複數位置感測器8之中被安裝在電樞6a所位在的停止領域的位置感測器8而來的位置資訊輸出的方式來控制位置資訊切換器9。

上述以外之各部之構成及功能係與第1實施形態的情 形相同，故省略詳細說明。

〔2.3 驅動器的動作〕

接著，使用第10圖，說明本實施形態之驅動器30的動作。第10圖係顯示第2實施形態之驅動器30之控制切換器41之處理例的流程圖，在該圖中，關於與第7圖相同的要素，係標註相同的元件符號。

如第10圖所示，控制切換器41係進行判定電樞6a的現在位置是否已進入至停止領域(步驟S4)。此時，控制切換器41係當電樞6a的現在位置已進入至停止領域時(步驟S4：YES)，即決定進行向量控制(步驟S5)，且移至步驟S1。

在此，控制切換器41係將向量控制指令輸出至位置控制器31、速度控制器32及位置速度推定器33。如此一來，位置速度推定器33係使動作停止。位置控制器31係根據位置指令θ*rm與位置反饋值θrm，而將速度指令ω*rm輸出至速度控制器32，另一方面，位置指令θ*rm對於相位檢測器36之輸出係呈停止狀態。速度控制器32係根據速度指令ω*rm與速度反饋值ωrm來運算q軸電流指令i*qa。此外，速度控制器32係將q軸電流指令i*qa設定為0。相位檢測器36係計算出與來自位置資訊切換器9的位置資訊相對應的電角度θ*re。如上所示，驅動器30係進行向量控制。

另一方面，控制切換器41係當電樞6a的現在位置未 進入至停止領域時，亦即，電樞6a已進入至通過領域時(步驟S4：NO)，進行判定電樞6a的移動速度是否為速度α以上(步驟S1)。此時，控制切換器41係當移動速度為速度α以上時(步驟S1：YES)，即決定進行無感測器向量控制(步驟S2)，且移至步驟S1。此時各部的動作係與第1實施形態的情形相同。

另一方面，控制切換器41係當移動速度未達速度α時(步驟S1：NO)，即決定進行開迴路控制(步驟S3)，且移至步驟S1。此時各部的動作係與第1實施形態的情形相同。如上所示，控制切換器41係反覆控制迴路。

如以上說明所示，藉由本實施形態，控制切換器41當電樞6a的現在位置進入至停止領域時，係取代無感測器向量控制及開迴路控制，而根據藉由位置感測器8所被檢測到的電樞6a的位置來進行向量控制，因此可提高在停止領域中之電樞6a的停止精度。另一方面，當僅使其通過通過領域時，係可藉由無感測器向量控制而使電樞6a平順地移動，另一方面，即使在通過領域使電樞6a緊急停止等的情形下，亦可進行停止控制至所希望位置。此外，即使藉由緊急停止等而使電樞6a在通過領域內暫時停止，亦可使其恢復。

其中，在本實施形態中，在電樞6a的現在位置已進入至停止領域時，係必定進行向量控制，但是亦可例如僅在使電樞6a在停止領域內停止時，進行向量控制。此 時，若使電樞6a未在停止領域內停止時，即按照例如電樞6a的移動速度，來進行無感測器向量控制或開迴路控制即可。

此外，在本實施形態中，係將線性標度7安裝在滑件4，並且將位置感測器8安裝在基座5，但是亦可將線性標度7安裝在基座5的停止領域，並且將位置感測器8安裝在滑件4。若為該情形，位置感測器8為1個即可，此外，由於不需要將線性標度7安裝在通過領域，因此可刪減成本。

此外，在上述各實施形態中，係將電樞6a安裝在滑件4，並且將磁鐵板6b安裝在基座5，但是亦可將電樞6a安裝在基座5，並且將磁鐵板6b安裝在滑件4。

此外，在上述各實施形態中，係在扁平型的線性同步電動機應用本發明，但是亦可應用在桿型的線性同步電動機。

1、10‧‧‧線性電動機系統

2‧‧‧致動器

3、30‧‧‧驅動器

4‧‧‧滑件

5‧‧‧基座

6‧‧‧線性同步電動機

6a‧‧‧電樞

6b‧‧‧磁鐵板

7‧‧‧線性標度

8‧‧‧位置感測器

9‧‧‧位置資訊切換器

11‧‧‧位置控制器

12‧‧‧q軸電樞電流控制器

13‧‧‧d軸電樞電流控制器

14‧‧‧相位檢測器

15‧‧‧電力轉換器

16‧‧‧向量旋轉器．3相交流/d-q座標轉換器

17‧‧‧反饋電流的電流檢測器

19‧‧‧向量旋轉器．d-q座標/3相交流轉換器

20‧‧‧同步電動機

31‧‧‧位置控制器

32‧‧‧速度控制器

33‧‧‧位置速度推定器

34‧‧‧q軸電樞電流控制器

35‧‧‧d軸電樞電流控制器

36‧‧‧相位檢測器

37‧‧‧電力轉換器

38‧‧‧電流檢測器

39‧‧‧向量旋轉器．3相交流/d-q座標轉換器

40‧‧‧向量旋轉器．d-q座標/3相交流轉換器

41‧‧‧控制切換器

42‧‧‧位置檢測器

43‧‧‧速度檢測器

51‧‧‧動力纜線

52‧‧‧編碼器纜線

53‧‧‧編碼器纜線

第1圖係顯示第1實施形態之線性電動機系統1之概要構成圖。

第2圖係顯示用以說明第1實施形態之開迴路控制之同步電動機的概略圖。

第3圖係顯示用以說明第1實施形態之開迴路控制之控制裝置之一例的方塊圖。

第4圖係以d-q座標表示之同步電動機的動作圖，(a) 係使用位置檢測器之習知之回授控制的動作圖，(b)係未使用位置檢測器之本實施形態之開迴路控制的動作圖。

第5圖係顯示第1實施形態之驅動器3之概要構成之一例的方塊圖。

第6圖係顯示在第1實施形態中，使電樞6a由磁鐵板6b的長邊方向的一端移動至另一端時之移動時間與移動速度之關係的曲線圖。

第7圖係顯示第1實施形態之驅動器3之控制切換器41之處理例的流程圖。

第8圖係顯示第2實施形態之線性電動機系統10之概要構成圖。

第9圖係顯示第2實施形態之驅動器30之概要構成之一例的方塊圖。

第10圖係顯示第2實施形態之驅動器30之控制切換器41之處理例的流程圖。

Claims (4)

1. 一種線性同步電動機控制方法，係用以控制流至因由電樞所發生之磁場的移動而使可動子移動之線性同步電動機之該電樞的電流的線性同步電動機控制方法，其特徵為：當前述可動子的移動速度比可藉由預定的無感測器向量控制而使前述可動子與由前述電樞所發生之磁場的移動同步作移動之範圍內之預先設定的預定速度快時，係使用該無感測器向量控制，來控制流至前述電樞的電流，在從因原本以比前述預定速度快的速度移動的前述可動子的移動速度降低而前述移動速度變得比前述預定速度慢起、至前述可動子停止為止的期間，在將場磁鐵所形成之磁通方向設為d軸，將相對d軸前進π/2的相位設為q軸的d-q座標中，生成與位置指令相對應的d軸的電角度，而以在d軸電樞流通電流，而且在q軸電樞不流通電流的方式來控制d軸電樞電流及q軸電樞電流。
2. 如申請專利範圍第1項之線性同步電動機控制方法，其中，若當前述可動子在前述可動子可移動範圍中，可藉由讀取線性標度來檢測前述可動子之位置的位置感測器，來檢測該位置的範圍作移動時，使該可動子停止，係根據藉由該位置感測器所被檢測出的前述可動子的位置來控制流至前述電樞的電流。
3. 一種控制裝置，係用以控制流至因由電樞所發生之磁場的移動而使可動子移動之線性同步電動機之該電樞的 電流的控制裝置，其特徵為具備有：無感測器向量控制手段，使用預定的無感測器向量控制來控制流至前述電樞的電流；開迴路控制手段，使用開迴路控制來控制流至前述電樞的電流；及選擇手段，選擇控制流至前述電樞之電流的控制手段，前述開迴路控制手段係具有：相位生成手段，在將場磁鐵所形成之磁通方向設為d軸，將相對d軸前進π/2的相位設為q軸的d-q座標中，生成與位置指令相對應的d軸的電角度，電流檢測手段，檢測流至前述電樞的3相交流電流；3相交流/d-q座標轉換手段，根據前述相位生成手段所生成的前述電角度，將前述電流檢測手段所檢測到的3相交流電流作座標轉換成d軸電樞電流及q軸電樞電流；及電流控制手段，以在d軸電樞流通電流，而且在q軸電樞不流通電流的方式控制d軸電樞電流及q軸電樞電流，前述選擇手段係當前述可動子的移動速度比可藉由前述無感測器向量控制而使前述可動子與由前述電樞所發生之磁場的移動同步作移動之範圍內之預先設定的預定速度快時，係選擇前述無感測器向量控制手段，在從因原本以比前述預定速度快的速度移動的前述可動子的移動速度降 低而前述移動速度變得比前述預定速度慢起、至前述可動子停止為止的期間，選擇前述開迴路控制手段。
4. 如申請專利範圍第3項之控制裝置，其中，另外具備有回授控制手段，其係根據藉由讀取線性標度來檢測前述可動子之位置的位置感測器所被檢測到的該位置，使用回授控制來進行流至前述電樞之電流的控制，前述選擇手段係若當前述可動子在前述可動子可移動範圍中，可藉由前述位置感測器來檢測該位置的範圍作移動時，使該可動子停止，即選擇前述回授控制手段。