CN102097980A - 磁悬浮装置 - Google Patents

Abstract

本发明的磁悬浮装置在零功率控制回路(L2)中设置切换器(157)，通过间隙长度范围检测器(135)事先检测相对引导构件(113)的接触并使得电流积分器(159)的输入为零，并将此时的间隙长度的偏差存储于存储器(137)。之后，通过切换器(167)使得间隙长度偏差积分器(169)作动，基于存储器(137)的输出开始间隙长度固定控制。又，通过状态观测器(149)推定外力，并在该推定值在规定范围内时重设存储器(137)。

Description

磁悬浮装置

技术领域

本发明的实施方式涉及常电导吸引式磁悬浮装置，尤其涉及将电磁铁的励磁电流收敛为零以非接触方式支承对象物的磁悬浮装置。

背景技术

吸引式磁悬浮装置通过电磁铁的吸引力，使得目标物相对于铁制导轨以非接触方式被支承。非接触状态的保持一般通过检测目标物(悬浮体)的悬浮间隙长度、电磁铁线圈的电流，控制电磁铁线圈的吸引力(励磁电流)来进行。

相应的，开发了以永磁铁和电磁铁构成磁铁单元的方法。在该方法中，采用了维持悬浮状态的稳定性，并使得电磁铁的励磁电流收敛为零的所谓“零功率控制”(例如，参见专利文献1)。该零功率控制中，当对悬浮体施加的外力为固定的时候，电磁铁的励磁电流收敛为零，仅在外力变动时，电磁铁中流过励磁电流。因此，在稳定状态，几乎不消耗电力就可以以接触非状态支承悬浮体。

又，由于在常温下进行，采用本方式的磁悬浮装置的称为“常电导吸引式磁悬浮装置”。

这样的磁悬浮装置，具有即使在导轨和磁铁单元之间的空隙长度较大的时候，也可以较小的励磁电流控制较大的电磁力的优点，例如可适用于电梯的轿厢等(例如，参考专利文献2)。

此处，零功率控制可用多种控制方法。从对于控制系统整体的参数变动能够可靠地使电磁铁的励磁电流收敛为零的方面看，通常采用通过积分器将电磁铁的励磁电流反馈到控制系统的方法。

零功率控制中，若对悬浮体施加外力，随着励磁电流收敛为零，维持永磁铁的吸引力和外力平衡的状态。因此，对于磁铁单元和导轨之间的间隙长度扩大方向的外力，则要减小间隙长度维持稳定状态。

由于该零功率控制独特的应答，如果由于过大的外力使得磁铁单元和导轨接触，来自导轨的反作用力朝着扩大间隙长度的方向作用。结果，控制使得间隙长度逐渐减小，这样磁铁单元会被吸附到导轨。当磁铁单元吸附到导轨之后，控制电磁铁励磁电流以便通过导轨的反作用力使得间隙长度减少。因此，即使除去外力，也不可能再以非接触方式支承悬浮体。

这样的现象是由于组装在反馈控制系统中的电流积分器一直作动的原因。因此，通常在电流积分器中设置限制器(例如，参考专利文献2)。

即，预先在电流积分器的输入侧设置切换电流信号和零信号的切换器。这样，当电流积分器的输出至超过限制器的上限时，在输入到电流积分器的电流信号为负时选择电流信号，除此以外的情况选择零信号。这样，可限制施加过大外力时的电流积分器的输出增加，防止磁铁单元吸附到导轨上。

又，考虑通过间隙传感器检测磁铁单元吸附于导轨的状态，并在此时将电流积分器的计算结果重设为零。但是，该重设方法，由于在重设电流积分器时电磁铁励磁电压突然改变，因此有悬浮体产生较大摇动的问题。相对的，采用限制器的方法，被称为积分反馈控制中的抗饱和(アンチワインドアツプ)，具有不使产生悬浮体的摇动就能防止吸附的优点。

其他的，还提出有通过间隙传感器检测悬浮体吸附到引导体的情况，并从初始值零开始重新进行电流积分器的计算的方法(例如，参考专利文献3)。该方法在重设电流积分器时，电磁铁励磁电压突然改变导致悬浮体产生较大的摇动，但具有能够容易地避免吸附状态的优点。

进一步的，还提出为抑制悬浮体的摇动，将状态观测器推定的外力反馈到电磁铁励磁电压的方法(例如，参考专利文献4)。该方法相比专利文献2的方法，虽然悬浮体的摇动较大，但是在悬浮体搭载负载重量等情况下，具有可抑制由其他机械因素造成的悬浮体的摇动的优点。

若考虑悬浮体的摇动，防止吸附最好采用专利文献2的方法。但是电流积分器的输出依赖于使得悬浮体稳定的反馈增益。因此，如果改变用于调整悬浮状态的控制增益，必须重新设定限制器的上下限值，这样的调整工作需要很多时间。且调整时间的增大意味着成本的提升。

又，如果对电流积分器输入零信号，停止零功率控制，则随着外力的增加悬浮间隙长度增大，结果导致励磁电流增加。励磁电流的增加导致电力消耗的增加，引起电气系统的容量增大、发热量的增加，从而导致装置的可靠性下降。

[专利文献1]日本专利公开昭61-102105号公報

[专利文献2]日本专利公开平2001-19286号公報

[专利文献3]日本专利公开昭62-7304号公報

[专利文献4]日本专利公开昭62-7303号公報

发明内容

发明所要解决的问题

如上所述，在以往的磁悬浮装置中，零功率控制的作动/停止由电流积分器的输出大小确定。因此，具有这样的问题：如果改变控制参数，必须重新设定电流积分器，调整悬浮状态需要耗费很多时间。而且，这样的问题使得调整费用增加，导致装置的成本增加。

又，如果停止零功率控制，电磁铁的励磁电流随着外力的施加而增加，因此还存在着装置大型化，和发热导致装置可靠性下降的问题。

因此，本发明的目的在于提供一种磁悬浮装置，其能在简化零功率控制的调整作业的同时，抑制随着零功率停止发生的励磁电流的增加，并谋求成本的降低和可靠性的提高。

解决问题的手段

本发明提供一种磁悬浮装置，包括：铁磁性体形成的引导件；隔着空隙与该引导件相对，并由在该空隙中有共有磁路的电磁铁和永磁铁所构成的磁铁单元；由作用于所述引导件的所述磁铁单元的吸引力以非接触方式被支承的悬浮体；传感器部，其由检测所述电磁铁的励磁电路的电流传感器和检测所述悬浮体悬浮时所述磁石单元和所述引导体之间的间隙长度的间隙传感器构成；间隙长度范围检测部，其检测所述间隙传感器的输出是否在预先设定的范围内；存储器，当通过所述间隙长度范围检测部检测出所述间隙传感器的输出为超出所述范围的状态时，将显示此时刻的间隙长度和基准值的偏差的间隙长度偏差存储于存储部；支承控制部，其基于所述传感器部的输出控制所述电磁铁的励磁电流，使得所述悬浮体的运动相对于所述引导件以非接触状态稳定；零功率控制部，其具有，在通过所述支承控制部将所述悬浮体相对于所述引导件以非接触状态支承的状态下，基于所述电流传感器的输出将所述电磁铁的励磁电流收敛为零使得所述悬浮体的运动稳定化的电流积分器；间隙长度固定控制部，其具有根据基于所述存储部中存储的间隙长度偏差将所述间隙长度维持在固定状态使得所述悬浮体的运动稳定的间隙长度偏差积分器；零积分切换部，其基于所述间隙长度范围检测部的输出在所述零功率控制部和所述间隙长度固定控制部之间切换，使得所述电流积分器和所述间隙长度偏差积分器的输入交互地为零；推定施加于所述悬浮体的外力的状态观测部；和基于所述状态观测部所推定的外力重设所述存储部的重设部。

附图说明

图1是对磁悬浮装置的原理进行说明的示意性结构图。

图2是显示第一实施方式涉及的磁悬浮装置的结构的框图。

图3是显示同实施方式的磁悬浮装置所设置的间隙长度范围检测器的结构的框图。

图4是显示同实施方式的磁悬浮装置所设置存储器的结构的框图。

图5是显示第二实施方式涉及的磁悬浮装置适用于电梯时的整体结构的立体图。

图6是显示同实施方式的磁悬浮装置的框架部的结构的立体图。

图7是显示同实施方式的磁悬浮装置的磁性单元周边的结构的立体图。

图8是显示同实施方式的磁悬浮装置的磁铁单元的结构的平面图。

图9是显示同实施方式的控制装置的整体结构的框图。

图10是显示同实施方式的控制装置中所设的控制电压计算电路的结构的框图。

图11是显示同实施方式的控制装置中所设的间隙长度范围检测器的结构的框图。

图12是显示同实施方式的控制装置中所设的x，θ方式存储器的结构的框图。

图13是显示同实施方式的控制装置中所设的y，ξ，ψ方式存储器的结构的框图。

图14是显示同实施方式的控制装置中所设的控制电压计算电路的其他结构的框图。

图15是显示第三实施方式涉及的磁悬浮装置的整体的结构的示意图。

具体实施方式

首先，对磁悬浮装置的原理进行说明。

图1是显示磁悬浮装置的基本结构的示意图，一质点系的磁悬浮装置的整体结构由符号1表示。

磁悬浮装置1具有：由永磁铁103和电磁铁105构成的磁铁单元107，由磁铁单元107和负载载重109构成的悬浮体111，通过图未示的结构构件被固定在地面上的引导构件113。

又，该磁悬浮装置1控制磁铁单元107的吸引力，并具有：计算用于稳定地非接触支承悬浮体111的电磁铁励磁电压的励磁电压计算部115；基于该励磁电压计算部115的输出对电磁铁105进行励磁的驱动器116。

又，125为辅助支承部。该辅助支承部125具有“コ字形”形状的截面，其下部内侧的上表面固定有磁铁单元107，并兼用作从地面侧被引导的防振台的台。

此处，由于以磁铁单元107的磁吸引力以非接触方式支承悬浮体111，因此引导构件113由铁磁性构件构成。

电磁铁105通过在铁芯117a，117b上卷装线圈119，119’而构成。永磁铁103的两磁极端部分别设有铁芯117a，117b。线圈119，119’串联连接为，通过电磁铁105的励磁，引导构件113～铁芯117a～永磁铁103～铁芯117b～引导构件113所形成的磁路的磁通增强(减弱)。

励磁电压计算部115，基于间隙传感器121所得到的悬浮间隙长度z和电流传感器123所得到的线圈电流值(即、励磁电流i_z)，计算用于对电磁铁105进行励磁的电压。

驱动器116基于该励磁电压计算部115计算得到的励磁电压，通过导线128将励磁电流提供给线圈119，119’。

此时，磁悬浮装置1的磁悬浮系统可在磁铁单元107的吸引力等于悬浮体111的重量时的悬浮间隙长度z₀的附近进行线性近似。具体来说，以以下的微分方程式表示。

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}\stackrel{\·\·}{z}=\frac{1}{m}\frac{{\∂F}_z}{\∂z}\mathrm{\Δz}+\frac{1}{m}\frac{\∂F_z}{\∂i_z}{\mathrm{\Δi}}_z+\frac{1}{m}{u}_s\\ \mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{i}}_z=-\frac{N}{L_{z0}}\frac{\∂\mathrm{\φ}}{\∂z}\mathrm{\Δ}\stackrel{\·}{z}-\frac{R}{L_{z0}}{\mathrm{\Δi}}_z+\frac{1}{L_{z0}}{e}_z\end{array}\right.\·\·\·\left(1\right)$

在式(1)中，F_z为磁铁单元107的吸引力，M为悬浮体111的质量，R为线圈119，119’和导线128串联时的电阻(以下，成为线圈电阻)，z为悬浮间隙长度，i_z为电磁铁105的励磁电流，φ为磁铁单元107的主磁通，e_z为电磁铁105的励磁电压，N为线圈119，119’的总卷绕数。

Δ为与正常悬浮状态(z＝z₀，i_z＝i_z0(正常悬浮状态下线圈电流为零时i_z＝Δi_z))的偏差，记号“·”表示关于时间的d/dt(一阶微分)，“··”表示同样地二阶微分。

偏微分为，正常悬浮状态(z＝z₀，i_z＝i_z0)下被偏微分函数各自的偏微分值。

L_z0为，L_∞设为间隙长度无限大时的电磁铁105自身的电感，如式(2)所示。

$L_{z0}=L_{\∞}+N\frac{\∂\mathrm{\φ}}{{\∂i}_z}\·\·\·\left(2\right)$

又，所述式(1)的悬浮系统模型，为如下的状态方程式。

$\left\{\begin{array}{c}\stackrel{\·}{x}=\mathrm{Ax}+{\mathrm{be}}_z+{\mathrm{du}}_s\\ y=C_x\end{array}\right.\·\·\·\left(3\right)$

但是，状态矢量x、系统行列A、控制行列b和外部干扰行列d如下所示。又，u_s表示外力。

$x=\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δz}\\ \mathrm{\Δ}\stackrel{\·}{z}\\ \mathrm{\Δ}{i}_z\end{array}\right],$ $A=\left[\begin{array}{ccc}0& 1& 0\\ a_{21}& 0& a_{23}\\ 0& a_{32}& a_{33}\end{array}\right],$ $b=\left[\begin{array}{c}0\\ 0\\ b_{31}\end{array}\right],$ $d=\left[\begin{array}{c}0\\ d_{21}\\ 0\end{array}\right]\·\·\·\left(4\right)$

此处，式(4)中的参数如下所示。

$a_{21}=\frac{1}{m}\frac{{\∂F}_z}{\∂z},$ $a_{23}=\frac{1}{m}\frac{\∂F_z}{\∂i_z},$ $a_{32}=-\frac{N}{L_{z0}}\frac{\∂\mathrm{\φ}}{\∂z},\·\·\·\left(5\right)$

$a_{33}=-\frac{R}{L_{z0}},$ $b_{31}=\frac{1}{L_{z0}},$ $d_{21}=\frac{1}{m}$

式(3)中的x的各要素为悬浮系统的状态量。C为输出行列，通过用于励磁电压e_z的计算的状态量的检测方法确定。

磁悬浮装置1中，采用间隙传感器121和电流传感器123，对间隙传感器121的信号进行微分得到速度时，C为单位行列。此处，x的比例增益F为，

F＝[F₁ F₂ F₃]

K_i为积分增益，励磁电压e_z为例如，

e_z＝-Fx-∫K_iΔi_zdt    …(6)

的话，悬浮体111以专利文献1的零功率控制进行悬浮。

此处，式(6)中，右边第二项是实现零功率控制用的电流积分器。又，关于该电流积分器，之后在图2附加符号159进行说明。

另一方面，以式(7)赋予励磁电压E_z时，对于外力u_s，间隙长度收敛为任意固定值，例如，z₀+z₁。

e_z＝-F_gx-∫K_g(Δz-z₁)dt    …(7)

此处，x的比例增益F_g为，

F_g＝[F_g1 F_g2 F_g3]

又，K_g为积分增益。

此时，式(7)的右边第二項为实现间隙长度固定控制用的间隙长度偏差积分器。又，关于该间隙长度偏差积分器，之后在图2中附加符号169进行说明。

在式(3)的系统中，根据间隙长度偏差Δz和励磁电流Δi_z推定外力u_s的状态观测器(observer)能够如式(8)那样构成。

$\left\{\begin{array}{c}\stackrel{\·}{\hat{z}}=\hat{A}\hat{z}+\hat{B}y+\hat{E}{e}_z\\ {\hat{x}}_d=\hat{C}\hat{z}+\hat{D}y\end{array}\right.\·\·\·\left(8\right)$

但是，控制输出y为，当输出行列C为，

$C=\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]$

时，如下所示。

y＝Cx

而且，各参数进行如下定义。

${\hat{x}}_d=\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δz}\\ \mathrm{\Δ}\widehat{\stackrel{\·}{z}}\\ \mathrm{\Δ}{i}_z\\ {\hat{u}}_s\end{array}\right],$ $\hat{z}=\left[\begin{array}{c}{Z}_{\mathrm{ob}1}\\ Z_{\mathrm{ob}2}\end{array}\right],$ $\hat{A}=\left[\begin{array}{cc}-{\mathrm{\α}}_{11}& d_{21}\\ -{\mathrm{\α}}_{21}& 0\end{array}\right],$ $\hat{B}=\left[\begin{array}{cc}{a}_{21}+d_{21}{\mathrm{\α}}_{21}-{\mathrm{\α}}_{11}^2& a_{23}\\ -{\mathrm{\α}}_{11}{\mathrm{\α}}_{21}& 0\end{array}\right],$

$\hat{C}=\left[\begin{array}{cc}0& 0\\ 1& 0\\ 0& 0\\ 0& 1\end{array}\right],$ $\hat{D}=\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ {\mathrm{\α}}_{11}& 0\\ 0& 1\\ {\mathrm{\α}}_{21}& 0\end{array}\right],$ $\hat{E}=\left[\begin{array}{c}0\\ 0\end{array}\right]$

这里，α₁₁，α₂₁：设计状态观测器时确定的参数，x_d^：状态观测器输出，z^：状态观测器内部变量。

又，「^」的记号表示推定值，称为「ハツト」。实际上，如数式所示，加在x和z等参数的正上方，但是文章中，为了表示的方便加在右上方。

式(8)是最小维度状态观测器(最小维度观测器)，根据间隙长度偏差Δz和励磁电流Δi_z计算间隙长度变化速度的推定值Δz’^和外力の推定值u_s^。又，最小维度状态观测器，之后在图2中施加符号149进行说明。

停止零功率控制时，为了消除对外力u_s的Δz的正常偏差，状态观测器输出x_d^的反馈常数F_e设为

F_e＝[F₁ F₂ F₃ F₄]

励磁电压e_z可以被赋予下式。

$e_z=-F_e{\hat{x}}_d$

但是，比例增益F₄如下所示。

$F_4=\frac{1}{{\mathrm{\α}}_{21}{a}_{23}{b}_{31}}\left({\mathrm{\α}}_{21}{d}_{21}(b_{31}{F}_3-a_{33})\right)\·\·\·\left(9\right)$

如所述专利文献4也论及的，零功率控制动作时，外力推定值u_s^的比例增益F₄被设定为下式。

$F_4=\frac{1}{a_{21}{a}_{23}{b}_{31}}({\mathrm{\α}}_{21}{d}_{21}(b_{31}{F}_3-a_{33})+{\mathrm{\α}}_{11}{b}_{31}{K}_i)\·\·\·\left(10\right)$

励磁电压e_z设定为

$e_z=-F_e{\hat{x}}_d-\∫K_i{\mathrm{\Δi}}_z\mathrm{dt}\·\·\·\left(11\right)$

时，间隙长度相对于外力的变动得到抑制。

一般来说，式(9)和式(10)的值的差非常小。如果在式(9)或式(10)中设定比例增益F₄，零功率控制为OFF时，即、电流积分器在停止时，间隙长度固定控制作动。

然而，比例增益F₄依存于Δi_z的比例增益F₃的值，悬浮调整时变更F₃的话，需要重新设定F₄。

另一方面，式(7)的励磁电压e_z为

$e_z=-F_{\mathrm{eg}}{\hat{x}}_d-\∫K_g(\mathrm{\Δz}-z_1)\mathrm{dt}\·\·\·\left(12\right)$

但是，被赋予下式时，

F_eg＝[F_g1 F_g2 F_g3 F_g4]，

在式(7)的间隙长度固定控制中，可抑制间隙长度相对于外力的变动。

现在，考虑k设为0＜k＜1的常数，励磁电压e_z被赋予下式(13)的情形。

$e_z=k({-F}_e{\hat{x}}_d-\∫n{K}_i{\mathrm{\Δi}}_z\mathrm{dt})+(1-k)({-F}_{\mathrm{eg}}{\hat{x}}_d-\∫(1-n)K_g(\mathrm{\Δz}-z_1)\mathrm{dt})\·\·\·\left(13\right)$

此处，N是对积分器输入的输入开关值，间隙长度在规定范围内时为1，否则为零。

即，通过零功率控制对悬浮的悬浮体111施加较大的外力，间隙长度减小到规定范围以外，磁铁单元107接近引导构件113的话，n为零，对电流积分器的输入为零。

此时，对间隙长度偏差积分器的输入从零开始变为间隙长度偏差信号，因此如果式(13)的z₁(间隙长度偏差目标值)的值设定为间隙长度超出规定范围以外时的间隙长度偏差Δz_u的话，可平稳地从零功率控制切换到间隙长度固定控制。

又，为与通常的Δz进行区别，将超出规定范围时的间隙长度偏差标记为Δz_u。

又，采用式(8)的最小维度状态观测器(最小维度观测器)，在间隙长度超出规定范围时推定外力。

间隙长度为规定范围的临界值时的外力推定值为u_su^的话，此时计算得到的外力推定值u_s^具有u_s^＞u_su^的关系。间隙长度固定控制进行动作，悬浮体111的间隙长度固定为间隙长度z0+z1。这样，即使外力增加，磁铁单元107也不吸附于引导构件113。

若除去外力，观测器的计算得到的外力推定值为u_s^＜u_su^的关系。在该关系成立时，将间隙长度偏差目标值z₁从Δz_u重设为零，在间隙长度固定控制的作用下悬浮体111回到悬浮间隙长度z₀。

间隙长度返回途中，间隙长度再次进入到规定范围内，因此，式(13)的N从零替代为1，至电流积分器的输入从零变为电流偏差信号，同时至间隙长度偏差积分器的信号从间隙长度偏差信号开始变为零。这样，零功率控制再度开始，电磁铁105的励磁电流收敛为零。

此处，系数K规定了式(11)的零功率控制和式(12)的间隙长度固定控制的收敛速度。即，系数K大的话，则励磁电流朝向零的收敛就快，间隙长度朝着z₀+z₁的收敛慢。大多数情况下，施加大的外力是紧急的情况，因此为了发挥使励磁电流收敛为零的零功率控制特性，将K设得较大。

这样，电流积分器、间隙长度偏差积分器根据条件被输入零时，设定Fe和F_eg，以便仅式(11)和式(12)的右边第一项来维持磁悬浮系统的稳定性。包括这些反馈常数的项为使得磁悬浮系统稳定的支承控制手段。

一般来说，零功率控制中的悬浮体111的标准值是，间隙长度为z₀，励磁电流为零。间隙长度固定控制中，最好间隙长度为z₀+z₁，励磁电流为零。这样，式(8)的状态观测器，具有零功率控制用和间隙长度固定控制用两组。在图1中，励磁电压计算部115包括式(13)和两组式(8)。

又，对于重设z₁的外力推定值，显然可采用零功率控制用和间隙长度固定控制用中任何一种的状态观测器。

下面，对本发明的实施方式进行详细说明。

(第一实施方式)

(1)整体结构

图2是显示第一实施方式涉及的磁悬浮装置的结构的示意图，其整体结构以1’表示。

该磁悬浮装置1’与上述的磁悬浮装置1为相同结构，包括：悬浮体111，引导构件113，驱动器116，间隙传感器121，电流传感器123和励磁电压计算部115。此处，电流传感器123检测到的励磁电流i_z与目标值为零时的电流偏差Δi_z相同。

该磁悬浮装置1’中，励磁电压计算部115如下构成。

即，励磁电压计算部115包括：传感器部130，减法器131，零功率控制器133，间隙长度范围检测器135，存储器137，减法器139，间隙长度固定控制器141，增益乘法器143，增益乘法器145和加法器147。

传感器部130包括：检测悬浮体在悬浮时磁铁单元107和引导构件113之间的间隙长度的间隙传感器121，和检测电磁铁105的励磁电流的电流传感器123。

减法器131输入传感器部130所输出的间隙长度z，求得该间隙长度z和标准间隙长度z₀之间的间隙长度偏差Δz。标准间隙长度z₀作为悬浮的基准值预先被设定。

零功率控制器133输入减法器131所输出的间隙长度偏差Δz和传感器部130所输出的电流偏差Δi_z，根据上述式(11)计算电磁铁励磁电压e_i。

间隙长度范围检测器135输入传感器部130所输出的间隙长度z，当该间隙长度z在规定范围内时输出“1”，其他时候则输出“零”。

存储器137输入减法器131所输出的间隙长度偏差Δz，将间隙长度范围检测器135的输出从1变为零的瞬间的间隙长度偏差Δz的值存储为z₁。

减法器139计算当前的间隙长度偏差Δz和存储器137所输出的间隙长度偏差z₁之间的差分。

间隙长度固定控制器141输入减法器139的输出Δz-z₁和传感器部130所输出的电流偏差Δi_z，根据式(12)计算用于进行间隙长度固定控制的电磁铁励磁电压e_g。

增益乘法器143对零功率控制器133的输出e_i乘以规定的增益k(0＜k＜1)。增益乘法器145对间隙长度固定控制器141的输出e_g乘以规定的增益1-k。加法器147将增益乘法器143的输出加上增益乘法器145的输出。

又，增益补偿器143，145和加法器147作为计算零功率控制器133和间隙长度固定控制器141的输出的线性和的线性和计算部工作。基于该线性和计算部的输出，控制磁铁单元107的吸引力。

(2)零功率控制器133的结构

零功率控制器133包括：最小维度状态观测器149，增益补偿器151，励磁电流设定器153，减法器155，切换器157，电流积分器159，和减法器161。

最小维度状态观测器149输入来自减法器131的间隙长度偏差Δz和来自传感器部130的电流偏差Δi_z，根据上述式(8)计算间隙长度变化速度的推定值Δz’^和外力推定值u_s^。

增益补偿器151对最小维度状态观测器149输出的各信号分别乘上规定的比例增益并输出它们的总和。

励磁电流设定器153输出电磁铁105的励磁电流的规定的目标值(通常为零)。

减法器155从励磁电流设定器153的输出减去作为传感器部130的输出的励磁电流偏差Δi_z。

切换器157用作为对于电流积分器159的积分切换部。该切换器157在间隙长度范围检测器135的输出为1时，直接输出减法器155的值，在间隙长度范围检测器135的输出为零时输出“零”。

电流积分器159对切换器157的输出的值进行时间积分，并对该积分结果乘以规定的增益并输出。

减法器161从电流积分器159的输出减去所述增益补偿器151的输出。从该减法器161输出用于进行零功率控制的电磁铁励磁电压e_i。

在这样的结构中，从减法器131和电流传感器123至最小维度状态观测器149～增益补偿器151～减法器161的控制回路L1作为支承控制部。

又，从电流传感器123至减法器155～切换器157～电流积分器159～减法器161的控制回路L2用作为零功率控制部。

此处，存储器137输入由最小维度状态观测器149计算得到的外力推定值u_s^。这样，该外力推定值u_s^在规定范围内时，替代存储器137所存储的间隙长度偏差Δz_u，输出规定的初始值(例如，零)。

(3)间隙长度固定控制器141的结构

间隙长度固定控制器141包括：最小维度状态观测器149’，增益补偿器151’，间隙长度设定器163，减法器165，切换器167，间隙长度偏差积分器169，减法器171。

最小维度状态观测器149’输入来自减法器139的间隙长度偏差Δz-z₁和来自传感器部130的电流偏差Δi_z，并根据上述式(8)计算间隙长度变化速度的推定植Δz’^和外力的推定值u_s^。

增益补偿器151’对最小维度状态观测器149’所输出的各信号分别乘上规定的比例增益并输出它们的总和。

间隙长度设定器163输出悬浮间隙长度偏差的规定的目标值(通常为零)。

减法器165从间隙长度设定器163的输出减去作为减法器139的输出的间隙长度偏差Δz-z₁。

切换器167用作为对于间隙长度偏差积分器169的积分切换部。该切换器167在间隙长度范围检测器135的输出为零时，直接输出减法器165的值，当间隙长度范围检测器135的输出为1时，输出“零”。

间隙长度偏差积分器169对从切换器167输出的值进行时间积分，并对积分结果乘上规定的增益输出。

减法器171从间隙长度偏差积分器169的输出减去增益补偿器151’的输出。从该减法器171输出用于进行间隙长度固定控制的电磁铁励磁电压e_g。

在这样的结构中，从减法器131和电流传感器123到最小维度状态观测器149’～增益补偿器151’～减法器171的控制回路L1’用作为支承控制部。

又，从减法器131到减法器165～切换器167～间隙长度偏差积分器169～减法器171的控制回路L3用作为间隙长度固定控制部。

又，具有同样结构的部件附加同样的符号，并通过’进行区别。又，矢量输出信号为双条线，标量输出信号以单条线加以区别。

(4)间隙长度范围检测器135的结构

图3是显示间隙长度范围检测器135的结构的框图。

间隙长度范围检测器135包括：最小间隙长度设定器173，最大间隙长度设定器175，减法器177，减法器179，切换器181，切换器183和乘法器185。

最小间隙长度设定器173设定最小间隙长度。最大间隙长度设定器175设定最大间隙长度。

减法器177输入间隙传感器121的信号减去最小间隙长度设定器173的输出。减法器179输入间隙传感器121的信号减去最大间隙长度设定器175的输出。

切换器181在减法器177的输出为正时选择“1”，在减法器177的输出不为正时选择“零”并输出。切换器183在减法器179的输出为正时选择“1”，当减法器179的输出不为正时选择“零”并输出。乘法器185，将切换器181的输出乘上切换器183的输出并进行输出。

(5)存储器137的结构

图4是存储器137的结构的框图。

存储器137包括：下降沿检测器187，储存元件189，切换器191，外力范围测定器193，乘法器195。

下降沿检测器187输入间隙长度范围检测器135的输出，当对输出值0.5检测出下降沿时输出“1”，否则输出“零”。

储存元件189将初始值设为零并存储切换器191的输出。

切换器191在下降沿检测器187为1时选择间隙传感器121的输出，在下降沿检测器187不为1时选择储存元件189的输出。

外力范围测定器193输入最小维度状态观测器149的外力推定值u_s^，该外力推定值u_s^的值在规定范围内时输出“零”，否则输出“1”。乘法器195将储存元件189的输出乘上外力范围测定器193的输出。外力范围测定器193和乘法器195构成使得存储器137的输出为初始值零的重设部。

(下降沿检测器187的结构)

下降沿检测器187包括：减法器197，延迟元件201，切换器203，切换器205，乘法器207，切换器209，切换器211，和乘法器213。

减法器197从间隙长度范围检测器135的输出减去0.5。延迟元件201使得减法器197的输出在例如数字控制中仅延迟1个采样时间并输出。

切换器203在延迟元件201的输出为正时输出“1”，除此以外的时候选择“-1”并输出。切换器205在减法器197的输出为正时选择“1”，在减法器197的输出不为正时选择“-1”并输出。乘法器207将切换器203的输出乘上切换器205的输出并进行输出。

切换器209在乘法器207的输出为正时选择“零”，在乘法器207的输出不为正时选择“1”并输出。切换器211在减法器197的输出为正时选择“零”，在减法器197的输出不为正时选择“1”并输出。乘法器213将切换器209的输出和切换器211的输出相乘并输出。该乘法器213的输出作为下降沿检测器的输出。

(外力范围测定器193的结构)

外力范围测定器193包括：最小外力设定器215，最大外力设定器217，减法器219，减法器221，切换器223，切换器225，和加法器227。

最小外力设定器215设定规定的最小外力。最大外力设定器217设定规定的最大外力。

减法器219从最小维度状态观测器149的外力推定值u_s^减去最小外力设定器215的设定值。减法器221从最小维度状态观测器的外力推定值u_s^减去最大外力设定器217的设定值。

切换器223在减法器219的输出为正时选择“零”，在减法器219的输出不为正时选择“1”，并进行输出。切换器225在减法器221的输出为正时选择“零”，在减法器221的输出不为正时选择“1”，并进行输出。

加法器227将切换器223的输出与切换器225的输出相加并输出。该加法器227的输出为外力范围测定器193的输出。

(动作说明)

接着，对以上述结构构成的磁悬浮装置的动作进行说明。

使得装置电源为OFF，悬浮体111被吸附于引导构件113。在此状态下，使得装置电源为ON，悬浮体111为吸附状态，因此从间隙传感器121输出比由最小间隙长度设定器173所设定的最小间隙长度小的值。

从而，在图3所示的间隙长度范围检测器135内部，切换器181选择-0.5，切换器183选择0.5，从加法器185输出零。

另一方面，从存储器137输出初始值零。然后间隙长度范围检测器135的零输出分别被输入切换器157，167，从而对电流积分器159输入零。

又，对间隙长度偏差积分器169输入减法器139的输出Δz-z₁(此处，z₁＝0)，间隙长度固定控制开始。此时，励磁电流设定器153中，设定从规定的负值开始随着时间经过逐渐接近零的励磁电流目标值，间隙长度设定器163中，分别设定从吸附时的间隙长度偏差的值(规定的负值)逐渐接近零的间隙长度目标值。这样，悬浮体111以稳定的应答朝着规定的间隙长度z₀开始悬浮。

之后，悬浮间隙长度变得比由最小间隙长度设定器173所设定的最小间隙长度大时，间隙长度范围检测器135输出“1”。这样，间隙长度偏差积分器169停止积分计算动作，电流积分器159开始积分计算，从间隙长度固定控制切换到零功率控制。

此处，通过零功率控制对悬浮状态的悬浮体111的辅助支承部125的上表面施加负载载重时，永磁铁103的吸引力和悬浮体总重力平衡，间隙长度減少。进一步增加负载载重的话，间隙长度进一步減少，最终小至比最小间隙长度设定器173所设定的最小间隙长度更小。

此时，在图4所示的存储器137中，最小维度状态观测器149所推定得到的外力推定值u_s^比最大外力设定器217的设定值更大时，切换器223选择零，切换器227选择1，因此，外力范围测定器193输出1。

另一方面，下降沿检测器187中，仅在间隙长度范围检测器135的输出从1变为零的瞬间输出“1”。因此，间隙长度变得比最小间隙长度的设定值小的瞬间的实际的间隙长度偏差z₁通过切换器191被存储于储存元件189。这样，从存储器137输出间隙长度偏差z₁。

此时，由于间隙长度变得比最小间隙长度的设定值小，则从零功率控制切换到间隙长度固定控制。之后，对于负载载重的增加继续间隙长度固定控制，悬浮体111不与引导构件113接触。

又，由于间隙长度固定控制动作，即使改变作为反馈增益的增益补偿器151，151’的值，也不会大幅增加励磁电流。

又，负载载重減少，悬浮间隙长度小于最大外力设定值的话，由于切换器225选择“零”，所以存储器137的输出从z₁重设为零。这样，在间隙长度偏差积分器169对间隙长度偏差Δz进行积分，悬浮体111朝着规定的间隙长度z₀移动。从而，悬浮间隙长度增加，变得比最小间隙长度的设定值大，而重新进行零功率控制。

在结束操作，停止装置后，也将励磁电流设定器153和间隙长度设定器163各自的设定值从零开始逐渐收敛为规定的负值。在零功率控制时通过电流目标值的减少，在间隙长度固定性控制时通过间隙长度偏差目标值的减少来减少悬浮体111的间隙长度，最终悬浮体111被吸附于引导构件113。在该时刻使装置的电源为OFF并结束装置的运转。

如上，通过本实施方式的磁悬浮装置，可采用间隙长度确定零功率控制的ON/OFF，使得调整作业简单化。这样，可使得调整时间缩短，成本降低。

进一步的，如果使得零功率控制OFF则间隙长度固定控制为ON，这样悬浮体很难和引导构件接触，可相对于外力增大抑制电磁铁励磁电流的增加。这样，装置小型化，电力消费降低的同时可减少发热，可提高装置的可靠性。

又，在本实施方式中，间隙长度固定控制器141具有最小维度状态观测器149’和增益补偿器151’，但是在谋求磁悬浮系统稳定化的情况下，可省略最小维度状态观测器149’，增益补偿器151’和减法器171。

又，在本实施方式中，作为推定施加到悬浮体111的外力的单元，采用根据式(8)的最小维度状态观测器。对状态观测器的状态没有任何限定，也可采用同一维度状态观测器或其他的外力推定方法。

又，在本实施方式中，虽然是将从减法器131输出的间隙长度偏差Δz输入到存储器137的结构，但是也可在将间隙长度z存储到存储器137后，求得间隙长度z和标准间隙长度z₀的间隙长度偏差Δz。

(第二实施方式)

接着，对第二实施方式进行说明。

在第二实施方式中，对悬浮体的运动坐标系的各方式进行励磁电压、励磁电流的计算。这里，以将本发明的磁悬浮装置适用于电梯时的情况为例进行说明。

图5是显示第二实施方式涉及的磁悬浮装置的结构的示意图，该磁悬浮装置适用于电梯时的结构整体以符号10表示。

又，图6是显示该磁悬浮装置的框架部的结构的立体图，图7是显示磁悬浮装置的磁铁单元周边结构的立体图，图8是显示该磁悬浮装置的磁铁单元的结构的平面图。

如图5所示，电梯井道12的内面构成有导轨14，14’，移动体16，四个引导单元18a～18d。导轨14，14’由铁磁性构件构成，以规定的安装方法铺设于电梯井道12内。

移动体16相当于磁悬浮装置的悬浮体。该移动体16沿着导轨14，14’，通过例如缆索15的卷扬机等的图未示的驱动结构在上下方向移动。引导单元18a～18d安装于移动体16，以非接触的方式相对于导轨14，14’对移动体16进行引导。

移动体16上设有，轿厢20和引导单元18a～18d。移动体16包括，具有能够保持引导单元18a～18d规定的位置关系的强度的框架部22。如图6所示，该框架部22的四个角部，以规定的方法安装与导轨14，14’相对的引导单元18a～18d。

引导单元18，如图7所示，是在非磁性材料(例如铝或不锈钢)或塑料制的基座24上以规定方法安装x方向间隙传感器26(26b，26b’)，y方向间隙传感器28(28b，28b’)和磁铁单元30而构成的。

磁铁单元30由中央铁芯32、永磁铁34，34’、电磁铁36，36’构成，如图8所示，在永磁铁34、34’的同极之间隔着中央铁芯32相对状态下整体组装为E字形状。

电磁铁36，36’，在将L字形状的铁芯38(38’)插入线圈40(40’)之后，在铁芯38(38’)的顶端部安装平板形状的铁芯42。在中央铁芯32和电磁铁36，36’的顶端部设有个体润滑构件43。

个体润滑构件43设置为，在电磁铁36，36’没有被励磁时，防止磁铁单元30由于永磁铁34，34’的吸引力吸附固定于导轨14(14’)，且，在即便吸附状态下也不对移动体16的升降妨碍。作为该个体润滑构件43，是含有例如特氟龙(注册商标)、石墨或二硫化钼等的材料。

以下，为了简便起见，表示主要部分的标号附加引导单元18a～18d的字母(a～d)进行说明。

磁铁单元30b，通过分别对线圈40b，40b’进行励磁，可在y方向和x方向独立控制作用于导轨14’的吸引力。对于该控制方式，由于记载于专利文献2，此处省略详细说明。

引导单元18a～18d的各吸引力，通过用作上述励磁电压计算部115的控制装置44控制，轿厢20和框架部22相对于导轨14，14’以非接触方式被引导。

又，控制装置44在图5中被分割，也可如图9所示构成一体。

图9是显示同实施方式的控制装置内的结构的框图，图10是显示控制装置内方式控制电压计算电路的结构的框图。又，在框图中，箭头线表示信号路径，棒线表示线圈40周边的电力路径。

该控制装置44包括：传感器部61，计算电路62，功率放大器63a，63a’～63d，63d’，通过它们在x轴，y轴独立控制四个磁铁单元30a～30d的吸引力。

计算电路62用作为励磁电压计算部，其基于来自该传感器部61的信号计算为了非接触地引导移动体16而对各线圈40a，40a’～40d，40d’励磁的施加电压。功率放大器63a，63a’～63d，63d’用作为，基于该计算电路62的输出对各线圈40提供电力的励磁部。

又，电源46在对功率放大器63a，63a’～63d，63d’提供电力的同时也对恒压发生装置48提供电力。该电源46具有将为了照明和门开闭而通过图未示的电源线从电梯井道12外提供的交流转换为适合提供给功率放大器的直流的功能。

恒压发生装置48，即使对功率放大器63的大电流供给等使得电源46的电压变动，也总是以固定的电压对计算电路62和间隙传感器26a，26a’～26d，26d’，28a，28a’～28d，28d’提供电力。这样，计算电路62和间隙传感器26a，26a’～26d，26d’，28a，28a’～28d，28d’总能正常工作。

传感器部61通过间隙传感器26a、26a’～26d、26d’，28a、28a’～28d、28d’，以及检测各线圈40的励磁电流的电流检测器66a、66a’～66d、66d’构成。

又，间隙传感器26a、26a’～26d、26d’，28a、28a’～28d、28d’，调整各偏置电压，以轿厢20相对导轨14，14’按规定的位置关系被引导时的悬浮间隙长度为基准进行了校正，输出与该悬浮间隙长度的偏差。

另外，还包括设于各引导单元18的分别对两个x方向间隙传感器的输出和两个y方向间隙传感器的输出进行平均的平均化部27、27’。这样，得到x、y各方向的磁铁单元30和导轨14、14’之间的悬浮间隙长度偏差Δx_a、Δy_a～Δx_d、Δy_d。

计算电路62就图5所示的运动坐标系的各方式对移动体16进行引导控制。此处，所述各方式是指，表示移动体16的重心沿y坐标的前后动的y方式(前后动方式)，表示沿x坐标的左右动的x方式(左右动方式)，表示绕移动体16的重心旋转的θ方式(旋转方式)，表示绕移动体16重心的俯仰的ξ方式(俯仰方式)，表示绕移动体16的重心偏转的ψ方式(偏转方式)。

又，除了以上方法，计算电路62对ζ方式(全吸方式)、δ方式(扭转方式)、γ方式(歪斜方式)也进行引导控制。即，磁铁单元30a～30d对于导轨14，14’的「全吸力」；磁铁单元30a～30d对于框架部22的绕z轴的「扭转转矩」；磁铁单元30a，30d对于框架部22的旋转转矩、磁铁单元30b，30C对于框架部22的旋转转矩使框架部22相对z轴左右对称地歪斜的「歪斜力」这三个方式。

对于以上八个方式，磁铁单元30a～30d的线圈电流收敛为零。如果负载的偏差在规定范围内，不管该偏载重转矩如何，进行仅以永磁铁34的吸引力稳定支承移动体的零功率控制，当偏载重转矩较大的时候，可通过间隙长度固定控制进行引导控制。

计算电路62具有：计算产生对作为悬浮体的移动体16的运动的自由度做出贡献的吸引力的各线圈40的励磁电流的线性结合所表示的不同方式下的励磁电流的功能；和同样根据以各线圈40的励磁电压的线性结构所表示的不同方式来计算励磁电压的功能。具体来说为如下结构。

即，如图9所示，计算电路62包括：间隙长度偏差坐标转换电路74，电流偏差坐标转换电路83，控制电压计算电路84，控制电压坐标逆转换电路85，x，θ方式间隙长度范围检测器68，y，ξ，ψ方式间隙长度范围检测器69，x，θ方式存储器70，y，ξ，ψ方式存储器71。

间隙长度偏差坐标转换电路74通过间隙长度偏差信号Δy_a、Δy_a’～Δy_d、Δy_d’计算：移动体16的重心的y方向运动的位置偏差Δy；x方向运动的位置偏差Δx；绕同重心的旋转的角度偏差Δθ；移动体16的俯仰的角度偏差Δξ；绕同重心的偏转的角度偏差Δψ，对框架部22施加应力的ζ，δ，γ的各偏差Δζ，Δδ，Δγ。

电流偏差坐标转换电路83用作为方式励磁电流计算部。该电流偏差坐标转换电路83通过电流偏差信号Δi_a，Δi_a’～Δi_d，Δi_d’计算：移动体16的重心的y方向运动的电流偏差Δi_y；x方向运动的电流偏差Δi_x；绕同重心的旋转的电流偏差Δi_θ；移动体16的俯仰的电流偏差Δi_ξ；绕同重心的偏转的电流偏差Δi_ψ；对框架部22施加应力的ζ，δ，γ的电流偏差Δi_ζ，Δi_δ，Δi_γ。

此处，适用零功率控制时，各电流检测器的检测值进行坐标转换之后的计算结果i_y～i_γ为各方式中偏离零目标值的电流偏差Δi_y～Δi_γ。

控制电压计算电路84用作为方式励磁电压计算部。该控制电压计算电路84，根据间隙长度偏差坐标转换电路74和所述电流偏差坐标转换电路83的输出Δy～Δγ，Δi_y～Δi_γ，针对y，x，θ，ξ，ψ，ζ，δ，γ各方式计算在各方式下使移动体16稳定地磁悬浮的电磁铁控制电压e_y，e_x，eθ，eξ，eψ，eζ，eδ，eγ。

控制电压坐标逆转换电路85，根据控制电压计算电路84的输出e_y，e_x，eθ，eξ，eψ，eζ，eδ，eγ，计算磁铁单元30a～30d的各个电磁铁励磁电压e_a，e_a’～e_d，e_d’。该控制电压坐标逆转换电路85的计算结果，即、e_a，e_a’～e_d，e_d被赋予功率放大器63a，63a’～63d，63d’。

x，θ方式间隙长度范围检测器68和y，ξ，ψ方式间隙长度范围检测器69用作为间隙长度范围检测部。

x，θ方式间隙长度范围检测器68输入来自平均化部27的间隙长度偏差信号Δx_a～Δx_d，在移动体16的x方向间隙传感器所检测到的各磁铁单元30的间隙长度偏差在规定范围内时输出“1”，否则输出“零”。

y，ξ，ψ方式间隙长度范围检测器69，输入来自平均化部27’的间隙长度偏差信号Δy_a～Δy_d，在由移动体16的y方向间隙传感器所检测到的各磁铁单元30的间隙长度偏差在规定范围内时输出“1”，否则输出“零”。

x，θ方式存储器70输入作为平均化部27的输出的间隙长度偏差Δx_a～Δx_d，存储x，θ方式间隙长度范围检测器68的输出从1变为零时的Δx_a～Δx_d的值并输出。又，该x，θ方式存储器70基于控制电压计算电路84计算得到的x，θ方式中的外力推定值将输出的值重设为零。

y，ξ，ψ方式存储器71输入作为平均化部27’的输出的间隙长度偏差Δy_a～Δy_d，存储所述y，ξ，ψ方式间隙长度范围检测器69的输出从1变为零时的Δy_a～Δy_d的值并输出。又，基于控制电压计算电路84计算得到的y，ξ，ψ方式的外力推定值重设输出值为零。

进一步的，控制电压计算电路84包括：前后动方式控制电压计算电路86a、左右动方式控制电压计算电路86b、旋转方式控制电压计算电路86c、俯仰方式控制电压计算电路86d、偏转方式控制电压计算电路86e、全吸方式控制电压计算电路88a、扭转方式控制电压计算电路88b、歪斜方式控制电压计算电路88c。

前后动方式控制电压计算电路86a根据Δy和Δi_y计算y方式的电磁铁控制电压e_y。左右动方式控制电压计算电路86b根据Δx和Δi_x计算x方式的电磁铁控制电压e_x。旋转方式控制电压计算电路86c根据Δθ和Δi_θ计算θ方式的电磁铁控制电压e_θ。俯仰方式控制电压计算电路86d根据Δξ和Δi_ξ计算ξ方式的电磁铁控制电压e_ξ。偏转方式控制电压计算电路86e根据Δψ和Δi_ψ计算ψ方式的电磁铁控制电压e_ψ。

全吸方式控制电压计算电路88a根据Δi_ζ计算ζ方式的电磁铁控制电压E_ζ。扭转方式控制电压计算电路88b根据Δi_δ计算δ方式的电磁铁控制电压E_δ。歪斜方式控制电压计算电路88c根据Δi_γ计算γ方式的电磁铁控制电压e_γ。

这些各方式控制电压计算电路86a～86c、88a～88C中，对于y，x，θ，ξ，ψ方式具有与第一实施方式的励磁电压计算部115相同的结构。从而，在以下的图中，同一部件赋予同样的标记，并省略说明。

简化起见，各方式的间隙长度偏差Δy，Δx，Δθ，Δξ，Δψ，Δζ，Δδ，Δγ以Δz表示，同样的，电流偏差Δiy，Δix，Δiθ，Δiξ，Δiψ，Δiζ，Δiδ，Δiγ以Δiz表示。

以前后动方式控制电压计算电路86a为代表，对此结构进行说明。

如图10所示，前后动方式控制电压计算电路86a包括：零功率控制器133，减法器139，间隙长度固定控制器141，增益乘法器143，增益乘法器145，和加法器147。

零功率控制器133输入，作为间隙长度偏差坐标转换电路74的输出的间隙长度偏差Δy和作为电流偏差坐标转换电路83的输出的电流偏差Δi_y，根据上述式(11)计算电磁铁励磁电压e_i

减法器139从间隙长度偏差Δy减去y，ξ，ψ方式存储器71的输出z₁。

间隙长度固定控制器141输入，减法器139的输出Δz-z₁和来自电流偏差坐标转换电路83的电流偏差Δi_y，并根据上述的式(12)计算进行间隙长度固定控制的电磁铁励磁电压e_g。

增益乘法器143对零功率控制器133的输出e_i乘上规定的增益k(0＜k＜1)。增益乘法器145，对间隙长度固定控制器141的输出e_g乘上规定的增益1-k。加法器147对增益乘法器143的输出和增益乘法器145的输出进行相加。

又，本实施方式中，增益补偿器143，145和加法器147也作为计算零功率控制器133和间隙长度固定控制器141的输出的线性和的线性和计算部。

此处，俯仰方式控制电压计算电路86d，偏转方式控制电压计算电路86e中，输入到减法器139的信号z₁为y，ξ，ψ方式存储器71的输出。另一方面，左右动方式控制电压计算电路86b和旋转方式控制电压计算电路86c中，输入到减法器139的信号z₁为x，θ方式存储器70的输出。

零功率控制器133包括最小维度状态观测器149，增益补偿器151，励磁电流设定器153，减法器155，切换器157，电流积分器159，减法器161。

最小维度状态观测器149输入间隙长度偏差坐标转换电路74的输出Δy和来自电流偏差坐标转换电路83的电流偏差Δi_y，根据上述式(8)计算间隙长度变化速度的推定值Δy’^和外力的推定值u_sy^。

增益补偿器151分别对最小维度状态观测器149输出的各信号乘以规定的比例增益并输出它们的总和。

励磁电流设定器153输出前后动方式励磁电流的规定的目标值(通常为零)。

减法器155从励磁电流设定器153的输出减去作为电流偏差坐标转换电路83的输出的励磁电流偏差Δi_y。

切换器157用作为对于电流积分器159的积分切换部。该切换器157在y，ξ，ψ方式间隙长度范围检测器69的输出为1时，直接输出减法器155的值，在y，ξ，ψ方式间隙长度范围检测器69的输出为零时，输出“零”。

电流积分159对切换器157输出的值进行时间积分，并对积分结果乘以规定的增益并输出。

减法器161从电流积分器159的输出减去所述增益补偿器151的输出。该减法器161输出用于进行零功率控制的电磁铁励磁电压e_i。

在这样的结构中，从间隙长度偏差坐标转换电路74和电流偏差坐标转换电路83至最小维度状态观测器149～增益补偿器151～减法器161的控制回路用作为支承控制部。又，从电流偏差坐标转换电路83至减法器155～切换器157～电流积分器159～减法器161的回路用作为零功率控制部。

此处，y，ξ，ψ方式存储器71中输入由最小维度状态观测器149所计算的外力的推定值u_s^(u_sy^，u_sξ^，u_sψ^)。这样，当该外力推定值u_s^在规定范围内时，不输出存储器71所存储间隙长度偏差Δz_u(Δy_u，Δξ_u，Δψ_u)，而是输出规定的初始值(例如，零)。

另一方面，x，θ方式存储器70中输入由最小维度状态观测器149所计算的外力推定值u_s^(u_sx^，u_sθ^)。这样，当该外力推定值u_s^在规定范围内时，不输出存储器70所存储的间隙长度偏差Δz_u(Δx_u，Δθ_u)，而是输出规定的初始值(例如，零)。

间隙长度固定控制器141包括：最小维度状态观测器149’，增益补偿器151’，间隙长度设定器163，减法器165，切换器167，间隙长度偏差积分器169，减法器171。

最小维度状态观测器149’输入减法器139的输出和来自电流偏差坐标转换电路83的电流偏差信号，根据上述式(8)计算间隙长度变化速度的推定值Δy’^和外力的推定值u_sy^。

增益补偿器151’对最小维度状态观测器149’输出的各信号分别乘以规定的比例增益并输出它们的总和。

间隙长度设定器163输出前后动方式间隙长度偏差的规定的目标值(通常为零)。

减法器165从间隙长度设定器163的输出减去作为减法器139的输出的间隙长度偏差Δz-z₁。

切换器167用作为对于间隙长度偏差积分器169的积分切换部。该切换器167在y，ξ，ψ方式间隙长度范围检测器69的输出为零时，直接输出减法器165的值，当y，ξ，ψ方式间隙长度范围检测器69的输出为1时输出“零”。

间隙长度偏差积分器169对切换器167所输出的值进行时间积分并对积分结果乘上规定的增益并输出。

减法器171从间隙长度偏差积分器169的输出减去增益补偿器151’的输出。该减法器171输出用于进行间隙长度固定控制的电磁铁励磁电压e_g。

在这样的结构中，从减法器131和电流传感器123至最小维度状态观测器149’～增益补偿器151’～减法器171的控制回路用作为支承控制部。又，从减法器131至减法器165～切换器167～间隙长度偏差积分器169～减法器171的回路作为间隙长度固定控制部。

此处，俯仰方式控制电压计算电路86d、偏转方式控制电压计算电路86e中，从外部输入切换器157，167的信号作为y，ξ，ψ方式间隙长度范围检测器69的输出。另一方面，左右动方式控制电压计算电路86b和旋转方式控制电压计算电路86c中，从外部输入到切换器157，167的信号作为x，θ方式间隙长度范围检测器68的输出。

对于其他的控制电压计算电路，即，左右动方式控制电压计算电路86b、旋转方式控制电压计算电路86c、俯仰方式控制计算电路86d和偏转方式控制计算电路86，也与上下动方式控制电压计算电路86a为相同结构，此处，对应的输入输出信号以信号名显示，省略说明。

图11是显示间隙长度范围检测器68(69)的结构的框图。

x，θ方式间隙长度范围检测器68(y，ξ，ψ方式间隙长度范围检测器69)包括：对应于平均化部27(27’)的四个输出Δx_a～Δx_d(Δy_a～Δy_d)的间隙长度范围检测器135a～135d，加法器72，减法器73，和切换器75。

间隙长度范围检测器135a～135d具有与所述第一实施方式同样的结构，检测悬浮间隙长度是否在规定范围内。加法器72计算这些间隙长度范围检测器135a～135d的各输出的总和。减法器73从加法器72的输出减去3.5。切换器75在减法器73的输出为正时选择“1”，在减法器73的输出不为正时选择“零”，并进行输出。

又，切换器75的输出为x，θ方式间隙长度范围检测器68(y，ξ，ψ方式间隙长度范围检测器69)的输出。

图12是显示x，θ方式存储器70的结构的框图。

x、θ方式存储器70具有：下降沿检测器187，两个切换器191b、191c，两个储存元件189b、189c，外力范围测定器193’，和两个乘法器77b、77c，两个低通滤波器78b、78c。

下降沿检测器187具有和所述第一实施方式同样的结构，输入x、θ方式间隙长度范围检测器68的信号。

切换器191b输入来自间隙长度偏差坐标转换电路74的Δx，并输入储存元件189b的信号，下降沿检测器187的输出为1时，选择Δx，不为1时，选择储存元件189b的输出。对于切换器191c也一样，根据下降沿检测器187的输出选择Δθ或储存元件189c的输出。

储存元件189b、189c分别将初始值设为零，存储切换器191b，191c的输出。

外力范围测定器193’基于控制电压计算电路84的外力推定值u_sx^和u_sθ^的值输出“1”或“零”。

乘法器77b、77c分别计算外力范围测定器193’的输出与储存元件189b，89c的输出的积。

低通滤波器78b，78c分别输入乘法器77b，77c的信号，除去规定的高频成分。

此处，对应于间隙长度偏差坐标转换电路74所输入的x，θ方式的间隙长度偏差的低通滤波器78b，78c的输出作为Δx_u，Δθ_u输入到x，θ方式的控制电压计算电路86b，86c的减法器139。

外力范围测定器193’包括：增益乘法器80b，80c，绝对值加法器79，低通滤波器76，最小外力设定器215，最大外力设定器217，减法器219，减法器221，切换器223，切换器225，和加法器227。

增益乘法器80b、80c分别对x，θ方式的控制电压计算电路86b，86c的最小维度状态观测器所推定的外力推定值u_sx^和u_sθ^乘以规定的增益。

绝对值加法器79对增益乘法器80b的输出的绝对值和增益乘法器80c的输出的绝对值进行相加。

低通滤波器76输入绝对值加法器79的信号，除去规定的高频成分。

最小外力设定器215设定规定的最小外力。最大外力设定器217设定规定的最大外力。

减法器219，从低通滤波器76的输出减去最小外力设定器215的输出。减法器221，从最大外力设定器215的输出减去低通滤波器76的输出。

切换器223在减法器219的输出为正时选择“1”，在减法器219的输出不为正时选择“零”并输出。切换器225在减法器221的输出为正时选择“1”，在减法器221的输出不为正时选择“零”并输出，

加法器227对切换器223的输出和切换器225的输出进行相加并输出。该加法器227的输出作为外力范围测定器193’的输出。

图13是显示y，ξ，ψ方式存储器71的结构的框图。

y，ξ，ψ方式存储器71具有：下降沿检测器187，三个切换器191a，191d，191e，三个储存元件189a，189d，189e，外力范围测定器193”，三个乘法器77a，77d，77e，和三个低通滤波器78a，78d，78e。

下降沿检测器187，具有与所述第一实施方式相同的结构，输y，ξ，ψ方式间隙长度范围检测器69的信号。

切换器191a从间隙长度偏差坐标转换电路74输入Δy，并输入储存元件189a的信号，下降沿检测器187的输出为1时，选择Δy，不为1时选择储存元件189a的输出。切换器191d、191e也一样，切换器191d根据下降沿检测器187的输出选择Δξ或储存元件189d的输出，切换器191e根据下降沿检测器187的输出选择Δψ或储存元件189e的输出。

储存元件189a、189d、189e分别将初始值设为零，存储切换器191a，191d，191e的输出。

外力范围测定193”基于来自控制电压计算电路84的外力推定值u_sy^，u_{s ξ}^和u_sψ^的值输出“1”或“零”。

乘法器77a、77d、77E分别计算外力范围测定器193”的输出与储存元件189a，189d，189E的输出的积。

低通滤波器78a、78d、78e分别输入乘法器77a，77d，77e的信号，除去规定的高频成分。

此处，无用多说，对应于从间隙长度偏差坐标转换电路74输入的y，ξ，ψ方式的间隙长度偏差的低通滤波器78a，78d，78e的输出，作为Δθ_u，Δξ_u，Δψ_u输入到y，ξ，ψ方式的控制电压计算电路86a，86d，86e的减法器139中。

外力范围测定器193”包括：增益乘法器80a、80d、80e，绝对值加法器79，低通滤波76，最小外力设定器215，最大外力设定器217，减法器219，减法器221，切换器223，切换器225，和加法器227。

增益乘法器80a、80d、80e分别对y，ξ，ψ方式的控制电压计算电路86a，86d，86e的最小维度状态观测器所推定的外力推定值u_sy^，u_sξ^，和u_{s ψ}^乘以规定的增益。

绝对值加法器79对增益乘法器80a，80d，80E的各输出的绝对值进行相加。

低通滤波器76输入绝对值加法器79的信号并除去规定的高频成分。

最小外力设定器215设定规定的最小外力。最大外力设定器217设定规定的最大外力。

减法器219从低通滤波器76的输出减去最小外力设定器215的输出。减法器221从最大外力设定器215的输出减去低通滤波器76的输出。

切换器223在减法器219的输出为正时选择“1”，在减法器219的输出不为正时选择“零”，并进行输出。切换器225在减法器221的输出为正时选择“1”，在减法器221的输出不为正时选择“零”，并进行输出。

加法器227对切换器223的输出和切换器225的输出进行相加并输出。该加法器227的输出作为外力范围测定器193”的输出。

通过将x，θ方式存储器70和y，ξ，ψ方式存储器71做成如此构成，对于电梯作动中移动体16所受到的各种外力，仅在视为施加恒定的过大偏载重转矩的情况下从零功率控制转到间隙长度固定控制并使得移动体16的相对于导轨14，14’的悬浮姿势固定并能防止接触。又，能可靠地检测可切换为零功率控制的过大偏载重转矩的減少。

又，移动体16所受到的各种外力，例如是在轿厢20中载置推车等重物时产生的力、或者由于轿厢20内的人或载置物的移动所产生的力。

另一方面，ζ，δ和γ三个方式的控制电压计算电路88a～88c的结构如图14所示。

控制电压计算电路88a～88c为相同结构，又，具有和上下动方式控制电压计算电路86a相同的构成元件。此处，在与上下动方式控制电压计算电路86a相同的部分上附加相同的符号，并附加’加以区别。但是，关于设定乘以电流偏差的增益的增益补偿器，由于是标量，因此设成增益补偿器81。

接着，对以上述结构构成的磁悬浮装置的动作进行说明。

当本装置为停止状态，磁铁单元30a，30d的中央铁芯32的顶端隔着固体润滑构件43与导轨14的相对面接触，电磁铁36a’、36d’的顶端隔着固体润滑构件43与导轨14的相对面接触。此时，通过固体润滑构件43的作用，使得无法防止移动体16的升降动作。

该状态下，启动本装置之后，在y方式和x方式下通过励磁电压调整部99的作动进行采用了间隙传感器的磁悬浮控制。控制装置44通过悬浮控制计算部65在各电磁铁36a，36a’～36d，36d’发生与永磁铁34所产生的磁通相同或相反方向的磁通，控制流过各线圈40的电流，以便在磁铁单元30a～30d和导轨14，14’之间维持规定的空隙长度。

这样，如图8所示，形成有由永磁铁34～铁芯38、42～空隙G～导轨14(14’)～空隙G”～中央铁芯32～永磁铁34的路径形成的磁路MC和由永磁铁34’～铁芯38、42～空隙G’～导轨14(14’)～空隙G”～中央铁芯32～永磁铁34的路径形成的磁路MC’。

此时，空隙G，G’，G”的间隙长度为，永磁铁34的起磁力产生的各磁铁单元30a～30d的磁性吸引力对移动体16的重心作用的y轴方向前后力、同x方向左右力，通过移动体16的重心的绕x轴的转矩、同绕y轴的转矩及同绕z轴的转矩正好平衡的长度。

控制装置44为了维持这些平衡，在对移动体16作用了外力时进行电磁铁36a，36a’～36d，36d’的励磁电流控制。这样，进行所谓的零功率控制，维持移动体16的非接触状态。

此处，由于轿厢20内的乗客或负载偏倚、乗客上下等原因导致对移动体16施加过大外力。此时，零功率控制中，磁铁单元30和导轨14，14’之间的间隙长度减少，最后减小至相互接触。这样，振动直接传递到轿厢20，因此乘坐的舒适感会极端恶化。

对此，在本实施方式中，如果施加了过大的偏载重转矩，则从零功率控制切换到间隙长度固定控制，这样可防止移动体16(磁铁单元30)接触导轨14，14’。如果减少偏载重转矩，则会再次返回到零功率控制，因此也不会浪费电力。

进一步的，在零功率控制和间隙长度固定控制切换时，在具有x，θ方式存储器70和y，ξ，ψ方式存储器71的低通滤波器76，78的作用下，可防止切换频率和间隙长度目标值的突然改变，维持良好的乘坐舒适感。

在本装置结束运转并停止时，目标值设定部74的y方式和x方式的目标值逐渐从零变为负值。这样，移动体16逐渐朝y轴，x轴方向移动。最终磁铁单元30a，30d的中央铁芯32的顶端隔着固体润滑构件43吸附于导轨14的相对面，且电磁铁36a’、36d’的顶端隔着固体润滑构件43吸附于导轨14的相对面。如果本装置以该状态停止，则目标值设定部74的输出都重设为零，移动体14吸附于导轨14。

如上所述，本装置中，仅通过设定最小间隙长度和最大间隙长度，可设定从零功率控制切换到间隙长度固定控制的切换条件。这样，在适用于如电梯那样具有多个控制轴、且移动体具有各种姿势的装置的情况下，切换调整变得简便，并可减少调整时间，降低成本。

(第三实施方式)

接着，对第三实施方式进行说明。

所述第一和第二实施方式中，磁铁单元安装于悬浮体侧，但这并不是限定磁铁单元的安装位置的，如图15所示，磁铁单元也可设置于地面侧。又，为了说明简单，以下，与第一和第二实施方式共同的部分以相同的符号说明。

图15是显示第三实施方式涉及的磁悬浮装置的结构的示意图，其整体的结构以符号300表示。

磁悬浮装置300具有：辅助支承部302，磁铁单元107，引导构件304，防振台306，线性引导构件308，励磁电压计算部115，功率放大器313，间隙传感器121和电流传感器123。

辅助支承部302的截面为コ字形状，通过例如铝制构件等非磁性体形成。该辅助支承部302设置于地面，磁铁单元107朝下设置在辅助支承部302的上部下表面。

引导构件304形成为与磁铁单元107相对截面为コ字形状，通过例如鉄等铁磁性构件形成。防振台306将引导构件304设置在其底部的上表面，整体形成为コ字形状。线性引导构件308安装于防振台306的侧面，并赋于防振台306仅在地面的垂直方向上运动的自由度。

励磁电压计算部115控制磁铁单元107的吸引力，进行以非接触形式支承防振台306的控制。功率放大器313基于励磁电压计算部115的输出，连接到用于对磁铁单元107进行励磁的图未示的电源。间隙传感器121通过测定防振台306和辅助支承部302之间的距离来检测检测磁铁单元107和引导构件304之间的悬浮间隙长度。电流传感器123检测磁铁单元107的励磁电流。

此处，励磁电压计算部115为与第一实施方式相同的结构，此处省略对其说明。

根据本实施方式，具有如下优点：通过将磁铁单元107设置于地面侧，可省去作为可动部的防振台306的布线，提高装置的可靠性。

又，在所述各实施方式中，对进行磁悬浮的控制装置(励磁电压计算部115)说明了其模拟构成，本发明并不限定于模拟控制方式，也可通过数字控制构成。

又，采用功率放大器作为励磁部的构成，但是这不是用于对驱动器的方式进行任何限定，也可采用例如PWM(Pulse Width Modulation)形的。

另外，在不脱离本发明的主旨的范围内可做出种种变更。简言之，本发明不是仅仅限定为上述各实施方式，在实施阶段可以在不脱离主旨的范围内对构成要素进行各种变形并具体化。又，通过对所述各实施方式揭示的多个结构要素的适当组合，可形成各种实施例。例如，可省略实施方式中揭示的各构成要素中的几个。进一步还可组合不同实施方式的构成要素。

通过以上的实施方式，可通过间隙长度来确定零功率控制的ON/OFF，使得调整作业简化。从而达到缩短调整时间、降低成本的目的。

进一步的，由于零功率控制为OFF，间隙长度固定控制为ON，悬浮体难以接触到引导构件，可对于外力的增大抑制电磁铁励磁电流的增加。这样，在使得装置小型化降低电力消耗的同时可减少发热，并提高装置的稳定性。

符号说明

L1，L1’…支承控制部，L2…零功率控制部，L3…间隙固定控制部，1，1’，10，300…磁悬浮装置，103，34，34’…永磁铁，105，36，36’…电磁铁，107，30…磁铁单元，109…负载载重，111…悬浮体，113，304…引导构件，115…励磁电压计算部，116…驱动器，125，302…辅助支承部，117，38，38’，42…铁芯，119，119’，40，40’…线圈，121…间隙传感器，123…电流传感器，128…导线，130，61…传感器部，131，139，155，161，165，171，177，179，197，219，221，73…减法器，133…零功率控制器，135…间隙长度范围检测器，137…存储器，141…间隙长度固定控制器，143，145，80…增益乘法器，147，227，72…加法器，149，149’…最小维度状态观测器，151，151’，81…增益补偿器，153…励磁电流设定器，157，167，75，181，183，191，203，205，209，211，223，225…切换器，159…电流积分器，163…间隙长度设定器，169…间隙长度偏差积分器，173…最小间隙长度设定器，175…最大间隙长度设定器，185，195，77，207…乘法器，187…下降沿检测器，189…储存元件，193，193’，193”…外力范围测定器，201…延迟元件，215…最小外力设定器，217…最大外力设定器，12…电梯井道，14，14’…导轨，16…移动体，18a～18d…引导单元，15…缆索，20…轿厢，22…框架部，24…基座，26…x方向间隙传感器，28…y方向间隙传感器，32…中央铁芯，43…个体润滑构件，44…控制装置，62…计算电路，63，63’，313…功率放大器，46…电源，48…恒压发生装置，66…电流检测器，27，27’…平均化部，74…间隙长度偏差坐标转换电路，83…电流偏差坐标转换电路，84…控制电压计算电路，85…控制电压坐标逆转换电路，68…x，θ方式间隙长度范围检测器，69…y，ξ，ψ方式间隙长度范围检测器，70…x，θ方式存储器，71…y，ξ，ψ方式存储器，86a…前后动方式控制电压计算电路，86b…左右动方式控制电压计算电路，86c…旋转方式控制电压计算电路，86d…俯仰方式控制电压计算电路，86e…偏转方式控制电压计算电路，88a…全吸方式控制电压计算电路，88b…扭转方式控制电压计算电路，88c…歪斜方式控制电压计算电路，78，76…低通滤波器，79…绝对值加法器，306…防振台，308…线性引导构件。

Claims (6)

1.一种磁悬浮装置，其特征在于，包括：

铁磁性体形成的引导构件；

磁铁单元，其隔着空隙与该引导构件相对，并由在该空隙中共有磁路的电磁铁和永磁铁所构成；

悬浮体，通过作用于所述引导构件的所述磁铁单元的吸引力以非接触方式被支承；

传感器部，其由检测所述电磁铁的励磁电流的电流传感器和检测所述悬浮体悬浮时的所述磁铁单元和所述引导构件之间的间隙长度的间隙传感器构成；

间隙长度范围检测部，其检测所述间隙传感器的输出是否在预先设定的范围内；

存储器，当通过所述间隙长度范围检测部检测出所述间隙传感器的输出超出了所述范围的状态时，对表示此时刻的间隙长度和基准值的偏差的间隙长度偏差进行存储；

支承控制部，其基于所述传感器部的输出控制所述电磁铁的励磁电流，使得所述悬浮体的运动相对于所述引导构件以非接触状态稳定化；

零功率控制部，其具有电流积分器，在通过所述支承控制部相对于所述引导构件以非接触状态支承所述悬浮体的状态下，该电流积分器基于所述电流传感器的输出使所述电磁铁的励磁电流收敛为零，使得所述悬浮体的运动稳定化；

间隙长度固定控制部，其具有根据存储于所述存储部中的间隙长度偏差将所述间隙长度维持在固定状态以使得所述悬浮体的运动稳定化的间隙长度偏差积分器；

积分切换部，其为了基于所述间隙长度范围检测部的输出对所述零功率控制部和所述间隙长度固定控制部进行切换，使得所述电流积分器和所述间隙长度偏差积分器的输入交互地为零；

推定施加于所述悬浮体的外力的状态观测部；和

重设部，基于所述状态观测部所推定的外力重设所述存储部。

2.如权利要求1所述的磁悬浮装置，其特征在于，所述积分切换部，在所述间隙长度范围检测部检测到所述间隙传感器的输出超出了所述范围的状态时，使所述电流积分器的输入为零，从所述零功率控制部切换到所述间隙长度固定控制部。

3.如权利要求1所述的磁悬浮装置，其特征在于，进一步包括：

计算所述零功率控制部的输出和所述间隙长度固定控制部的输出的线性和的线性和计算部；

基于所述线性和计算部的输出，控制所述磁铁单元的吸引力。

4.如权利要求1所述的磁悬浮装置，其特征在于，将由所述状态观测部推定得到的外力通过低通滤波器输入到所述存储部。

5.如权利要求1所述的磁悬浮装置，其特征在于，将所述存储部所存储的间隙长度偏差通过低通滤波器输出。

6.如权利要求1所述的磁悬浮装置，其特征在于，所述悬浮体为电梯的轿厢。

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