CN102001340A - 移动体系统和移动体的初期位置的决定方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种移动体系统和移动体的初期位置的决定方法。将直线电动机的可动元件设于移动体，并将直线电动机的定子和位置传感器设于地面侧。在位置传感器和位置传感器之间，以能够根据由定子与磁铁列之间的相互作用引起的电感变化判断可动元件的大致位置的方式配置多个定子。根据可动元件相对于定子的大致位置和位置传感器的信号，求出供给电源时的移动体的初期位置。

Description

移动体系统和移动体的初期位置的决定方法

技术领域

本发明涉及使用地上一次、机载二次的直线电动机(linear motor)的移动体系统，特别是涉及在系统的起动时等测量移动体的初期位置的情况。

背景技术

专利文献1(JP2007-82307A)公开了如下的技术：对于堆垛起重机等移动体，将直线电动机的可动元件设置于堆垛起重机上，将直线电动机的定子设置在地上，利用线性传感器(linear sensor)检测移动体的位置，从而对直线电动机进行控制。进而，离散地配置多个定子，并且线性传感器也离散地配置有多个，利用来自检测可动元件的线性传感器的信号求出移动体的位置。

此处，可动元件一般情况下由多个磁铁构成，通过对磁铁的数量进行计数求出线性传感器检测出第几个磁铁。为了能够不用对磁铁的数量进行计数就求出可动元件的位置，需要测量范围比可动元件长的线性电动机，在成本方面是不利的。然而，在系统的最初的起动时、以及停电后的恢复时等，处于移动体的初期位置不明的状态，因此需要对系统进行启动。在测量范围比可动元件的长度短的位置传感器中，当进行启动时无法根本地决定可动元件的位置。因此存在如下的需要：使用测量范围比可动元件短的位置传感器，并且当进行启动时能够根本地决定可动元件的位置。

发明内容

本发明的课题在于，使用测量范围比可动元件的磁铁列短的位置传感器，来根本地决定可动元件的绝对位置。

本发明中的追加课题在于，能够更可靠地决定可动元件的位置。

本发明中的另一个追加课题在于，提供一种用于决定可动元件的位置的具体方法。

本发明提供一种移动体系统，在移动体上设有直线电动机的可动元件，该可动元件包括磁铁列，并且，在地面侧设有所述直线电动机的定子和位置传感器，所述直线电动机的定子包括多个线圈，所述位置传感器用于检测可动元件的位置，且测量范围比可动元件的长度短，所述移动体系统的特征在于，

离散地配置有多个所述位置传感器，

并且，在位置传感器和位置传感器之间，以能够根据由所述定子与所述磁铁列之间的相互作用引起的定子的线圈的电感变化判断所述可动元件的大致位置的方式配置有多个所述定子，

还设有启动单元，该启动单元用于根据可动元件相对于定子的大致位置和位置传感器的信号，求出供给电源时的移动体的初期位置。

当可动元件的磁铁列与定子的线圈对置时，线圈的电感变化。例如，与可动元件对置的线圈的电感和不与可动元件对置的线圈的电感是不同的值。因此，在本发明中，能够根据由定子与磁铁列之间的相互作用引起的定子的线圈的电感的变化，判断可动元件的大致位置，并利用位置传感器决定精密的位置。因此，能够使用测量范围比可动元件的磁铁列短的位置传感器，根本地决定可动元件的绝对位置。另外，除了线圈的电感以外，还可利用位置传感器和可动元件是否面对、或者附属于定子的霍尔元件等是否与可动元件面对等辅助信息。

优选的是，使所述磁铁列的长度比所述定子的排列间距长，由此，当磁铁列的后端与后侧的定子的后端的线圈对置时，磁铁列的前端与前侧的定子的后端的线圈对置。这样，能够减少磁铁列仅与一个定子对置的状态，能够增加磁铁列与左右一对定子面对的状态。如果磁铁列与多个定子面对，则能够根据磁铁列与左右任一个定子都以相同的程度面对，磁铁列与一方的定子以较广的范围面对、而与另一方的定子以较窄的范围面对等，更加可靠地判别磁铁列的位置。

并且，优选的是，当供给电源时，通过对所述定子施加直流电流，所述启动单元大致地将所述可动元件定位于多个位置中的一个位置，并且在定位之后，通过对所述定子施加交流电流来测量所述电感的变化。这样，能够通过对线圈施加直流电流将可动元件大致地定位于多个位置内的一个位置，并通过对线圈施加交流电流来决定可动元件位于哪个大致位置。

优选的是，所述交流电流的频率是移动体不会追随着交流电流移动的频率，当供给电源时，当对所述定子施加直流电流时，所述启动单元测量定子的各个线圈的直流电阻，求出各个线圈相对于交流电流的交流阻抗，通过从求出的交流阻抗中除去所述直流电阻来求出各个线圈的电感。这样，能够简单地求出各个线圈的电感。

并且，优选的是，所述定子在左右具有霍尔元件，所述启动单元，根据霍尔元件的输出或者所述位置传感器的输出检测定子的周围是否存在可动元件，仅对周围存在可动元件的定子施加直流电流和交流电流。这样，不用对不需要的定子施加直流电流或者交流电流。

在本发明的移动体的初期位置的决定方法中，用于求出下述系统中的移动体的初期位置，在该系统中，在移动体上设有直线电动机的可动元件，该可动元件包括磁铁列，并且，在地面侧设有所述直线电动机的定子和位置传感器，所述直线电动机的定子包括多个线圈，所述位置传感器用于检测可动元件的位置，且测量范围比可动元件的长度短，所述移动体的初期位置的决定方法执行以下步骤：

离散地配置多个所述位置传感器的步骤；

在位置传感器和位置传感器之间，以能够根据由所述定子与所述磁铁列之间的相互作用引起的定子的线圈的电感变化判断所述可动元件的大致位置的方式配置多个所述定子的步骤；

利用启动单元，根据可动元件相对于定子的大致位置和位置传感器的信号，求出供给电源时的移动体的初期位置的步骤。

在该说明书中，与移动体系统有关的记载能够直接适用于移动体的初期位置的决定方法，反之，与移动体的初期位置的决定方法有关的记载也能够直接适用于移动体系统。

附图说明

图1是实施例的移动体系统的框图。

图2是示出实施例的移动体系统启动时的处理的流程图。

图3是实施例中的三相交流电动机和控制用的模块的框图。

图4是示意性地示出在实施例中当进行启动时施加的直流电流和高频电流的波形图，1)示出将朝U相施加的电流均匀地分配给V相和W相的例子，2)示出使朝U相施加的电流朝V相流动的例子。

图5是示出实施例中的移动体的可动元件和地上侧的定子以及位置传感器的配置的图。

图6是示出变形例中的移动体的可动元件和地上侧的定子以及位置传感器的配置的图。

图7是示出实施例中的可动元件的位置测量的图，1)示出定位的例子，2)～5)示出当进行定位时针对可动元件的各个位置进行位置测量的方法。

标记说明

2：移动体系统；4：可动元件；6：定子；7：霍尔元件；8：位置传感器；10：IPM；12：LAN；14：地面侧控制器；16：位置存储部；18：速度计算部；20：位置控制部；22：速度控制部；24：指令生成部；26：启动部；31～36：步骤；38：电源；39：控制部；40～45：功率元件；46、47：电流传感器。

具体实施方式

以下示出用于实施本发明的最佳实施例。本发明的范围应当基于权利要求书的记载、参考说明书的记载和本领域中的公知技术，并根据本领域技术人员的理解确定。

图1～图7示出实施例的移动体系统2及其变形。在图中，4是直线电动机的可动元件，该可动元件设于未图示的移动体，移动体例如是堆垛起重机、桥式行走车、地面行走的有轨台车、输送器、机械设备的可动部等。可动元件4中的磁极的数量、即朝向定子侧的磁极的数量例如大约为6～11极。6是直线电动机的定子，该定子沿着移动体的移动路径设在地面侧。定子6例如由U、V、W的三相同步电动机构成，例如在定子6的前后具备一对霍尔元件7、7等磁传感器。

8是位置传感器，该位置传感器例如具备一对用于检测位置的线圈S1、S2和控制电路，用于检测可动元件4的磁铁，测量范围(range)比可动元件4的磁铁列的长度短。另外，当提到可动元件4的长度时，意味着可动元件4的磁铁列的长度。虽然位置传感器8没有判别检测到可动元件4的第几个磁铁的能力，但是，只要清楚可动元件4的大概位置、例如刚才的位置，就能够判别检测到哪个磁铁，能够输出可动元件4的绝对位置。此处，绝对位置是以系统上的适当的原点作为基准的位置。并且，位置传感器是针对可动元件4的位置输出线性信号的线性传感器。

10是用于对定子6进行控制的IPM(智能功率模块，intelligent power module)，是定子6的电源电路的例子。12是LAN，连接多个定子6和位置传感器8与地面侧控制器14，可以相对于移动体系统2的整体设置一个控制器14，也可以针对将系统2划分成多个的区域的各个区域分别设置一个控制器14。控制器14具有位置存储部16和速度计算部18，位置存储部16存储来自位置传感器8的位置信号，速度计算部18对存储的位置进行时间微分，以计算移动体的速度。指令生成部24以预定的时间间隔生成移动体的位置指令或者速度指令，位置控制部20产生与移动体的位置和位置指令之间的误差对应的输出。速度控制部22根据移动体的速度和指令上的速度之间的误差、以及来自位置控制部20的输出产生针对IPM 10的控制指令。进而，IPM 10通过对定子的三相同步电动机施加与来自速度控制部22的信号对应的频率的电流而使可动元件4移动。

地面侧控制器14具有启动部26，当最开始对移动体系统2供给电源时、以及在停电后的恢复等而供给电源时，测量移动体的初期位置、即可动元件的初期位置。该测量包含以下两个步骤：

·相对于定子6，将可动元件4大致地定位于多个位置中的某个位置的步骤；以及

·在定位后，根据由定子6的线圈和可动元件4的磁铁之间的磁相互作用引起的电感的变化判断可动元件4被定位于哪个位置，并求出可动元件4的大致位置的步骤。

进而，在求出大致位置的同时、或者在求出大致位置之后，根据位置传感器8的信号决定可动元件4的初期位置。

并且，在定位以及电感的测量中，例如通过以下方法决定使哪个定子6动作：

·使各个定子6无差别地动作；

·利用霍尔元件7选择面对可动元件4的定子6；以及

·对定子6施加短高频，以判断该定子6是否与可动元件4对置，等等。除此之外，启动部26例如还存储定子6的各个线圈的电阻等，一个定子6中的三个线圈的电阻基本相等。并且，启动部26还将线圈的阻抗转换成电感。

图2中示出实施例中的供给电源时的移动体的定位算法，在步骤31～36中，步骤32、步骤35也可以省略。在最初的步骤31中，对直线电动机的定子进行直流励磁，将可动元件粗略地定位于多个大致位置中的某一个。即，当对定子的线圈施加直流电流时，通过与可动元件的磁铁之间的吸引或者排斥，可动元件被大致定位于几个能够大致定位的位置中的某一个。此时，由于施加直流电流，因此线圈的阻抗不会受到磁铁列的影响，所以可以像步骤32所示那样在施加直流电流的同时根据直流电源的电压和电流值测量线圈的直流电阻。另外，也可以省略步骤32，而预先在启动部存储各个线圈的电阻值。

在定位后，对直线电动机的定子的各个线圈施加高频电流，此时的频率是高至移动体不会追随着高频移动的高频率，具体地说是1KHz以上或者10KHz以上等的频率。另外，由于可动元件的位置测量在极短的时间内进行，因此也可以对定子6施加低频的交流电，允许可动元件移动微小的距离。并且，也可以根据脉冲式地对定子施加直流电压时的电流值求出交流阻抗。当对定子的各个线圈施加交流电流、或者施加以该交流电流为基准的电流时，根据与可动元件的磁铁列对置的对置位置，线圈的电感变化，能够测量该变化作为阻抗的变化。进而，由于线圈的直流电阻值已经测量完毕、或者已经存储，因此能够将阻抗转换为电感。以这种方式测量线圈的电感，并决定与可动元件4的磁铁列之间的对置关系(步骤33)。

根据可动元件的位置不同，有时无法仅根据定子的线圈的电感决定定子相对于可动元件的大致位置。因此还利用位置传感器是否与可动元件对置(步骤34)、或者定子等的霍尔元件是否与可动元件对置(步骤35)等辅助信息。根据定子的线圈的电感和从位置传感器或者霍尔元件得到的辅助信息决定可动元件相对于定子的大致位置。由于位置传感器的测量范围比可动元件的全长短，因此无法检测可动元件的绝对位置。但是，只要判明了可动元件的大致位置，位置传感器就能够决定可动元件的绝对位置(步骤36)。

图3中示出定子6的三相交流同步电动机和IPM 10的结构，定子6具有U相、V相、W相的三个线圈以及a、b、c三个接点。IPM 10具有电源38和控制部39，控制部39根据信号a1～c2使例如六个功率元件40～45接通/截止，从而驱动定子6。根据信号a1～c2，能够在任意的方向对定子6施加直流电流，并且能够施加任意频率的交流电流。进一步，控制部39利用霍尔元件等电流传感器46、47监视流过接点a、b的电流，并利用流过接点a、b的电流值的和确定流过接点c的电流值。并且，求出的电流值被发送给控制器以用于计算阻抗。

图4示出供给电源时施加于定子的线圈的电流波形，最初的波形是直流，用于临时定位定子。随后的波形是高频，用于以不使可动元件移动的方式测量各个线圈的电感。在图4的1)中，对定子的U相施加+的电位，对V相和W相分别施加-的电位，使从U相供给的直流电流分别朝V相和W相各流动1/2。在2)中，例如使W相截止，将从U相施加的直流电流从V相取出。定位时对定子施加的直流电流的模式是任意的。

图5示出可动元件4和定子6之间的位置关系，相对于着眼的定子6，设位于该定子6的右侧的定子为6R。并且，以U1、V1、W1表示着眼的定子6的线圈，以U2、V2、W2表示右侧的定子6R的线圈。定子6和位置传感器8在直线区间等中以利用恒定的间距交替显示的方式配置，定子6的排列间距和位置传感器8的排列间距相等。上述排列间距比可动元件4的磁铁列的长度短，当定子6的左端的线圈U1与可动元件4的左端的磁铁对置时，右侧的定子6R的左端的线圈U2与可动元件4的右端的磁铁至少部分对置。

在通常的可动元件4中，磁铁的N极的数量和S极的数量是相同的数量，但是，例如也可以像图6的可动元件4’那样使磁铁的N极和S极的数量不同。即便在该情况下，当定子6的线圈U1与可动元件4’的左端的磁铁对置时，定子6R的线圈U2与可动元件4’的右端的磁铁对置。另外，此处磁极的数量是朝向定子6侧的磁极的数量。

图7示出可动元件4的定位。在图7的1)中示出对定子6、6R施加直流电流，通过以图示的方式对线圈进行励磁而大致地对可动元件4进行定位的例子。通过对定子6施加直流电流，可动元件4能够大致的定位的位置有多个，可动元件4例如大致地被定位于2)～5)这四种位置中的任一个位置。此处，可动元件的大致位置的可能的数量是可动元件4中的N极和S极的磁极对的数量(磁铁为偶数的情况)、或者是(可动元件4的磁铁的数量-1)×1/2(磁铁为奇数的情况)等。并且，利用基于直流电流的定位来测量线圈的电阻值。

接着，决定可动元件4位于上述大致位置中的哪个位置。在图7的2)的情况下，线圈U1、U2都面对可动元件4，除了该情况之外再没有这样的位置。并且，线圈V1、W1也面对可动元件4，但是线圈V2、W2并不面对可动元件4。在该情况下，仅利用来自定子6、6R的信号就能够决定大致位置，精密的位置能够由来自位置传感器8R的信号决定。

在图7的3)的配置中，仅利用来自定子6的信号无法决定可动元件4的大致位置。但是，定子6的左右的位置传感器8L、8R同时检测到可动元件4，除了该情况之外再没有这样的大致位置，因此能够判断位置。在该情况下也能够利用位置传感器8L、8R的任一个的信号决定可动元件4的精密位置，以下也同样。

在4)的位置处，仅利用定子6的信号无法决定可动元件4的大致位置。但是，由于左侧的位置传感器8L与可动元件4对置、而右侧的位置传感器8R与可动元件4不对置，因此能够决定大致位置。另外，即便不使用位置传感器8L、8R，由于在左侧的定子6L中仅线圈W3与可动元件4对置，因此能够决定大致位置。进一步，能够利用定子6的左右的霍尔元件7L、7R都与可动元件4对置的情况，作为用于决定大致位置的辅助信息。

在图7的5)的位置处，在定子6的线圈U1、V1和线圈W1中的电感不同。并且，位置传感器8L与可动元件4对置、而位置传感器8R与可动元件4不对置。进一步，在左侧的定子6L中，线圈V3、W3都与可动元件4对置。并且，定子6的左侧的霍尔元件7L与可动元件4对置、而右侧的霍尔元件7R与可动元件4不对置。由于上述情况，能够与2)～4)的状态区分而确定5)的状态。如果能够通过上述方式决定可动元件4相对于定子6的大致位置，则能够利用位置传感器8决定详细位置。

另外，由于一般情况下可动元件4的数量比定子6的数量少，因此对所有的定子6施加直流电流和高频电流是浪费的。因此，例如可以采取如下的方式：对利用霍尔元件7检测到可动元件4的定子和其左右的定子施加直流电流和高频。此处，代替霍尔元件7而使用位置传感器8，检测周围是否存在可动元件也同样。并且，在施加高频电流的情况下，如果对定子6施加三相交流高频电流，并针对三个线圈(U相、V相、W相)中的各个线圈测量电感的话，则能够利用于区分图7的4)和5)。

在实施例中，能够利用测量范围比可动元件4的长度短的位置传感器8和定子6求出供给电源时的可动元件4的绝对位置。并且，通过使定子6的排列间距比可动元件4的磁铁列的长度短、并使可动元件4的两端的磁铁与左侧的定子6的后端的线圈和右侧的定子6的后端的线圈(U相和U相)、或者左侧的定子6的前端的线圈和右侧的定子6的前端的线圈(W相和W相)对置，能够从任意的初期位置对可动元件进行大致定位。进一步，通过在供给电源时对定子6施加直流电流，将可动元件4大致定位于多个位置中的某一个位置，接着，对定子6施加交流电流以测量线圈的电感，能够判别可动元件4位于多个大致位置中的哪一个位置。进而，如果能够判别大致位置，则能够在位置传感器8求出可动元件4的绝对位置。

在实施例中，通过测量线圈的阻抗并除去电阻成分而求出电感。但是，也可以通过改变对线圈施加的交流电的频率求出电感。并且，可以测量U相、V相、W相的各个线圈的电感，也可以仅测量U相、或者仅测量定子6的两端的U相和W相的电感。

在实施例中，在利用直流定位于某一个位置之后决定可动元件的位置，但是，也可以省略直流状态下的定位。为此，最初施加高频电流，判别式图7的2)～5)中的哪一个位置，并决定位置。由于该位置包含误差的可能性高，因此例如使移动体移动大约定子6的长度的量，并测量该期间内的线圈的电感。如果位置正确则电感以预定的模式变化，如果位置不正确则根据电感的变化模式进行更正，或者再次执行图7的处理。

Claims (6)

1.一种移动体系统，在移动体上设有直线电动机的可动元件，该可动元件包括磁铁列，并且，在地面侧设有所述直线电动机的定子和位置传感器，所述直线电动机的定子包括多个线圈，所述位置传感器用于检测可动元件的位置，且测量范围比可动元件的长度短，所述移动体系统的特征在于，

离散地配置有多个所述位置传感器，

并且，在位置传感器和位置传感器之间，以能够根据由所述定子与所述磁铁列之间的相互作用引起的定子的线圈的电感变化判断所述可动元件的大致位置的方式配置有多个所述定子，

还设有启动单元，该启动单元用于根据可动元件相对于定子的大致位置和位置传感器的信号，求出供给电源时的移动体的初期位置。

2.根据权利要求1所述的移动体系统，其特征在于，

使所述磁铁列的长度比所述定子的排列间距长，由此，当磁铁列的后端与后侧的定子的后端的线圈对置时，磁铁列的前端与前侧的定子的后端的线圈对置。

3.根据权利要求1所述的移动体系统，其特征在于，

当供给电源时，通过对所述定子施加直流电流，所述启动单元大致地将所述可动元件定位于多个位置中的一个位置，并且在定位之后，通过对所述定子施加交流电流来测量所述电感的变化。

4.根据权利要求3所述的移动体系统，其特征在于，

所述交流电流的频率是移动体不会追随着交流电流移动的频率，

当供给电源时，当对所述定子施加直流电流时，所述启动单元测量定子的各个线圈的直流电阻，求出各个线圈相对于交流电流的交流阻抗，通过从求出的交流阻抗中除去所述直流电阻来求出各个线圈的电感。

5.根据权利要求3所述的移动体系统，其特征在于，

所述定子在左右具有霍尔元件，

所述启动单元，根据霍尔元件的输出或者所述位置传感器的输出检测定子的周围是否存在可动元件，仅对周围存在可动元件的定子施加直流电流和交流电流。

6.一种移动体的初期位置的决定方法，用于求出下述系统中的移动体的初期位置，在该系统中，在移动体上设有直线电动机的可动元件，该可动元件包括磁铁列，并且，在地面侧设有所述直线电动机的定子和位置传感器，所述直线电动机的定子包括多个线圈，所述位置传感器用于检测可动元件的位置，且测量范围比可动元件的长度短，所述移动体的初期位置的决定方法的特征在于，执行以下步骤：

离散地配置多个所述位置传感器的步骤；

在位置传感器和位置传感器之间，以能够根据由所述定子与所述磁铁列之间的相互作用引起的定子的线圈的电感变化判断所述可动元件的大致位置的方式配置多个所述定子的步骤；

利用启动单元，根据可动元件相对于定子的大致位置和位置传感器的信号，求出供给电源时的移动体的初期位置的步骤。

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