CN102570924A - 磁悬浮装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种磁悬浮装置，其使得零功率控制的调整作业简单化并抑制伴随着零功率控制的停止的励磁电流的增加，降低成本提高可靠性。由外力范围检测器(135)检测对悬浮体(111)的外力，使得零功率控制回路(L2)中的电流积分器(159)的输入为零，同时切换间隙一定控制路径(L3)中的切换器(167)开始间隙长度一定控制。使得间隙长度变动的外力由状态观测器(149)推定，检测外力推定值收敛到规定的范围内以重新开始零功率控制。

Description

磁悬浮装置

本发明以日本专利申请2010-274224(申请日：12/9/2010)为基础，享受其优先权。本申请参考该申请，包含其所有内容。

技术领域

本发明的实施方式涉及一种非接触地支承对象物并将电磁铁的励磁电流收敛为零的磁悬浮装置。

背景技术

吸引式磁悬浮装置通过电磁铁对铁制导轨的吸引力非接触地支承对象物。非接触状态的保持一般通过检测对象物(悬浮体)的悬浮间隙长度和电磁铁线圈的电流、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”。该零功率控制中，当对悬浮体施加的外力为一定的时候，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非接触状态支承悬浮体。

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，这一优点例如可适用于电梯的轿厢等。

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，则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，也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动作的原因。因此，通常在电流积分器中设置限制器。

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值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出磁铁单元已经吸附于导轨的状态，并在此时将电流积分器的计算结果重设为零。但是，对于该重设方法，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)，具有不使悬浮体产生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到悬浮体已经吸附到引导构件的情况，并从初始值零开始重新进行电流积分器的计算的方法。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。该方法相比使用所述限制器的方法，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，防止吸附最好采用使用限制器的方法。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，如果为了调整悬浮状态而改变控制增益，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。

发明内容

如上所述，在以往的磁悬浮装置中，零功率控制的动作/停止由电流积分器的输出大小决定。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的限制器，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。

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。

本实施方式涉及的磁悬浮装置包括：

强磁性体形成的引导构件；

相对于该引导构件被非接触支承的悬浮体；

磁铁单元，其搭载于所述悬浮体，包括：具有留有空隙与所述引导构件相对的磁极的电磁铁；和配置为在所述空隙与所述电磁铁共有磁路的、且提供支承所述悬浮体所必要的磁通势的永磁铁；

传感器部，其包括：检测所述磁铁单元的所述电磁铁的励磁电流的电流传感器；和检测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；

状态观测部，其基于所述传感器部的输出推定施加于所述悬浮体的外力，并输出该推定值；

外力范围检测部，其检测所述状态观测部推定的外力是否在预先设定的范围内；

存储部，其存储基于所述外力范围检测部的输出的、用于将所述磁铁单元和所述引导构件之间的间隙收敛为预先设定的间隔的值。

支承控制部，其基于所述速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在相对于所述引导构件为非接触状态下稳定；

零功率控制部，其具有电流积分器，该电流积分器在通过所述支承控制部将所述悬浮体相对于所述引导构件非接触地支承的状态下，基于所述电流传感器的输出使得所述电磁铁的励磁电流收敛为零以使所述悬浮体的运动稳定化；

间隙长度一定控制部，其具有间隙长度偏差积分器，该间隙长度偏差积分器基于所述存储部存储的值维持所述间隙长度一定以使所述悬浮体的运动稳定化；

积分切换部，其为了基于所述外力范围检测部的输出在所述零功率控制部和所述间隙长度一定控制部之间切换，将所述电流积分器和所述间隙长度偏差积分器的输入交替切换为零。

根据这样构成的磁悬浮装置，可使得零功率控制的调整作业简便化，并抑制随着零功率控制的励磁电流的增加，降低费用提高可靠性。

附图说明

图1为用于说明磁悬浮装置的原理的概略构成图。

图2为显示第一实施方式涉及的磁悬浮装置的构成的框图。

图3是显示该实施方式中设于磁悬浮装置的外力范围检测器的构成的框图。

图4是显示该实施方式中设于磁悬浮装置的存储器的构成的框图。

图5是显示第二实施方式涉及的磁悬浮装置的整体构成的概略构成图。

图6是显示该实施方式中磁悬浮装置的框体部的构成的概略构成图。

图7是显示该实施方式的磁悬浮装置的引导单元的构成的概略构成图。

图8是显示该实施方式的磁悬浮装置的磁铁单元的构成的概略构成图。

图9是显示该实施方式中控制装置的整体构成的框图。

图10是显示该实施方式中控制装置内的模式控制电压计算电路的构成的框图。

图11是显示该实施方式中控制装置内的x，θ模式外力范围检测器的构成的框图。

图12是显示该实施方式中控制装置内的y，ξ，ψ模式外力范围检测器的构成的框图。

图13是显示该实施方式中控制装置内的x，θ模式存储器的构成的框图。

图14是显示该实施方式中控制装置内的y，ξ，ψ模式存储器的构成的框图。

图15是显示该实施方式中控制装置内的控制电压计算电路的构成的框图。

图16是显示第三实施方式涉及的磁悬浮装置的整体构成的概略构成图。

图17是显示该实施方式中磁悬浮装置的外力范围检测器的构成的框图。

具体实施方式

下面，参考附图对实施方式进行说明。

(磁悬浮装置的基本原理)

首先对磁悬浮装置的基本原理进行说明。

图1为显示磁悬浮装置的基本构成的示意图，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具有励磁电压计算部115和驱动器116。励磁电压计算部115控制磁铁单元107的吸引力，并计算用于稳定地非接触支承悬浮体111的电磁铁励磁电压。驱动器116基于该励磁电压计算部115的输出对电磁铁105进行励磁。

又，125为辅助支承部。该辅助支承部125具有“

字形”形状的截面，其下部内侧的上表面固定有磁铁单元107，并通过以不受到图未示的直线导轨等的上下方向的力的引导部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由强磁性构件构成。

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(或减弱)。

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。

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

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，称为线圈电阻)，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。

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

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

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＝[F₁F₂F₃]

K_i为积分增益，励磁电压e_z为例如，

e_z＝-Fx-∫K_iΔi_zdt    …(6)

这样的话，悬浮体111以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，以下述的式(7)提供励磁电压e_z时，对于外力u_s，间隙长度收敛为任意一定值，例如，收敛为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_g1F_g2F_g3]

又，K_g为积分增益。此时，式(7)的右边第二项为实现间隙长度一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。

进一步的，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)能够如下式(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，当输出行列C为，

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

时，控制输出y为如下所示，

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“帽子”(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observer)，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’^和外力的推定值u_s^。又，最小维度状态观测器，之后在图2中附加符号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＝[F₁F₂F₃F₄]

励磁电压e_z可以被赋予下式。

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

但是，

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

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。

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

励磁电压e_z设定为

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

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的话，则零功率控制为OFF时，即、电流积分器在停止的状态时，进行间隙长度一定控制。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_g1F_g2F_g3F_g4]， $F_{g4}=\frac{1}{{\mathrm{\α}}_{21}{a}_{23}{b}_{31}}\left({\mathrm{\α}}_{21}{d}_{21}(b_{31}{F}_{g3}-a_{33})\right)$

在式(7)的间隙长度一定控制中，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。

$e_z=k(-F_e{\hat{x}}_d-\∫n{K}_i\mathrm{\Δ}{i}_z\mathrm{dt})+(1-k)(-F_{\mathrm{eg}}{\hat{x}}_d-\∫(1-n)K_g(\mathrm{\Δz}-z_1)\mathrm{dt})...\left(13\right)$

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，在规定范围外时为零。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Δzu的话，可平稳地从零功率控制切换到间隙长度一定控制。

又，为与通常的间隙长度偏差Δz进行区别，将超出规定范围时的间隙长度偏差标记为Δzu。

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。此时，由于间隙长度一定控制进行动作，悬浮体111的间隙长度控制一定为间隙长度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Δzu重设为零，在间隙长度一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)的间隙长度一定控制的收敛速度。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设得稍大。

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F_e和F_eg，以便仅以式(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“支承控制部”。

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。间隙长度一定控制中，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一定控制用两组。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，可采用零功率控制用和间隙长度一定控制用中任何一种的状态观测器。

(第一实施方式)

(1)整体构成

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，外力范围检测器135，存储器137，减法器139，间隙长度一定控制器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111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和预先作为悬浮基准值而设定的间隙长度z₀之间的间隙长度偏差Δz。

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。

外力范围检测器135基于最小维度状态观测器149的输出，推定施加于悬浮体111的外力。该外力范围检测器135具有两个输出值，作为第一输出值，当该推定值在规定的范围内时输出1，在规定的范围外时输出0；作为第二输出值，当该推定值为正时输出-1，为负时输出1，为零时输出0。

存储器137存储基于外力范围检测器135的输出的、用于使得磁铁单元107和引导构件113之间的间隙收敛于预先设定的间隔的值(Δzu或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目标值z₁之间的差。

间隙长度一定控制器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一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对间隙长度一定控制器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和间隙长度一定控制器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的构成

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)计算间隙长度偏差Δz、间隙长度变化速度的推定值Δz′^、励磁电流Δi_z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在外力范围检测器135的输出为1时，直接输出减法器155的值，在外力范围检测器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之后输出。

减法器161从电流积分器159的输出中减去增益补偿器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用作“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，外力范围检测器135被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，替代间隙长度偏差Δzu，输出规定的初始值(例如，零)。

(3)间隙长度一定控制器141的构成

间隙长度一定控制器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)计算间隙长度偏差Δz、间隙长度变化速度的推定植Δz′^、励磁电流Δi_z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的输出中减去作为减法器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在外力范围检测器135的输出为零时，直接输出减法器165的值，当外力范围检测器135的输出值为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之后输出。

减法器171从间隙长度偏差积分器169的输出中减去增益补偿器151’的输出。从该减法器171输出用于进行间隙长度一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139～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“间隙长度一定控制部”。

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)外力范围检测器135的构成

图3是显示外力范围检测器135的结构的框图。

外力范围检测器135包括：最小外力设定器173，最大外力设定器175，减法器177，减法器179，切换器181，切换器183、乘法器185、切换器182、切换器184、加法器186。

最小外力设定器173设定最小外力推定值。最大外力设定器175设定最大外力推定值。

减法器177从最小维度状态观测器149的外力推定值中减去最小外力设定器173的输出值。减法器179从最小维度状态观测器149的外力推定值中减去最大外力设定器175的输出值。

切换器181在减法器177的输出值为正时选择“1”、不为正时选择“零”并输出。切换器183在减法器179的输出值为正时选择“1”、不为正时选择“零”并输出。乘法器185计算切换器181的输出值和乘上切换器183的输出值的积。该乘法器185的运算结果输出到图2所示的存储器137、切换器157、切换器167。

切换器182输入最小维度状态观测器149的外力推定值，该值为正时选择-1并输出，不为正时选择零并输出。切换器184输入最小维度状态观测器149的外力推定值，该值为负是选择1并输出，不为负时选择零并输出。

加法器186计算切换器182的输出值和切换器184的输出值的和。该乘法器186的运算结果输出到图2所示的存储器137。

(5)存储器137的构成

图4是显示存储器137的结构的框图。

存储器137包括：间隙长度偏差设定器187，切换器189和乘法器195。

间隙长度偏差设定器187设定间隙长度偏差Δzu的绝对值。切换器189在乘法器185的输出值为零时输出1，在该乘法器185的输出值为1时输出零。乘法器195在间隙长度偏差设定器187的输出上乘上加法器186的输出和所述切换器189的输出。此处，切换器189作为使得存储器137的输出为初始值零的“重设部”。

(动作说明)

接着，对以上述构成的磁悬浮装置的动作进行说明。

假设当前装置电源为OFF，悬浮体111被吸附于引导构件113。在此状态下，一旦使得装置电源为ON，分别将励磁电流设定器153和间隙长度设定器163各自的设定值重设为零。从最小维度状态观测器149输出大于在最大外力设定器175处设定的最大外力推定值的值。

因此，在外力范围检测器135内部，切换器181选择1，切换器183选择0，乘法器185输出零。因此，乘法器185的零输出被输入到切换器157，电流积分器159被输入零。

另一方面，在外力范围检测器135中，最小维度状态观测器149的外力推定值被输入到切换器182、184。此时的外力推定值为正，因此，加法器186输出-1。乘法器185的输出输入到存储器137中的切换器189。相对于该乘法器185的零输出，切换器189输出1。

此处，切换器189的输出值与加法器186的输出一起被输出到乘法器195，因此存储器137输出间隙长度偏差目标值z₁(此处，z₁＝Δzu)

又，外力范围检测器135的乘法器185的输出被输入到切换器167。间隙长度偏差积分器169介由减法器165被输入减法器139的输出Δz-z₁(此处，z₁＝Δzu)，开始间隙长度一定控制。这样，悬浮体111开始向着悬浮间隙长度z₁-z₀悬浮。

一旦悬浮体111开始悬浮，来自引导构件113的反作用力消失。因此，从状态观测器149输出的外力推定值为零或比较小的值。这样，外力范围检测器135的乘法器185的输出值为1，切换器157介由减法器155将励磁电流-Δi_z输入到电流积分器159。

另一方面，外力范围检测器135的加法器186的输出和切换器189的输出值中的一个或两个为0，存储器137的输出值重设为零。又，外力范围检测器135的乘法器185的输出值被输入到切换器167，间隙长度偏差积分器169的输入为零。这样，从间隙长度一定控制切换到零功率控制。

此处，通过零功率控制对处于悬浮状态的悬浮体111的辅助支承部125的上表面施加负载载重，则最小维度状态观测器148推定的外力推定值增加。此时，一旦最小维度状态观测器推定的外力推定值比规定的最大外力推定值大，则外力范围检测器135的乘法器185选择零，加法器186选择-1，存储器137输出间隙长度偏差Δzu。

这样，从零功率控制切换到间隙长度一定控制。这样，相对之后负载载重的增加继续间隙长度一定控制，悬浮体111不与引导构件113接触。又，由于间隙长度一定控制动作，即使作为反馈增益的增益补偿器151、151’的值改变，励磁电流也不会大幅增加。

又，负载载重减少，小于规定的最大外力设定值的话，由于乘法器185输出零，所以存储器137的输出从Δzu重设为零。又，通过切换器157、167的作用，电流积分器159中被输入-Δi_z，间隙长度偏差积分器169中被输入零。这样，停止间隙长度一定控制，重新开始零功率控制。

又，将存储器137的输出值重设为零，是为了抑制最小维度状态观测器149’的外力推定值的过度响应，其是当施加的外力的方向反转时悬浮体111动摇的原因。

当操作结束，装置停止时，可使得励磁电流设定器153和间隙长度设定器163各自的设定值从零逐渐收敛到规定的负值。零功率控制时通过减少电流目标值、间隙长度一定控制时通过减少间隙长度偏差目标值，来减少悬浮体111的间隙长度，逐渐悬浮体111吸附到引导构件113。此时使得装置的电源为OFF并结束装置的运行。

这样，根据本实施方式涉及的磁悬浮装置，可采用外力推定值确定零功率控制的ON/OFF，使得调整作业简单化。这样，可缩短调整时间，降低成本。

进一步的，一旦使得零功率控制OFF，间隙长度一定控制为ON，因此，悬浮体单元变得难以与引导构件113接触，同时相对于外力的增大电磁铁105的励磁电流的增加得到抑制。且，可排除引导构件113的不平整等导致的间隙传感器121的输出误差和噪声对零功率控制和间隙长度一定控制间的控制切换动作所造成的影响，使得能够进行没有误动作的控制切换。因此，由于误动作导致的零功率控制变为OFF的情况消失，电磁铁105也不会流过不必要的励磁电流。从而，装置可小型化，且能够降低电力消费并减少发热，提高装置的可靠性。

又，零功率控制和间隙长度一定控制的切换方法有基于位移的切换方法。

即，读取悬浮体111悬浮时磁铁单元107和引导构件113之间的间隙长度，如果该间隙长度在一定范围内则进行零功率控制。另一方面，由于外力作用悬浮体111发生位移，间隙长度超出一定的范围时，切换到间隙长度一定控制(即，直接控制位移的方法)。

但是，这样的基于位移的切换方法(关注间隙长度的切换方法)中，有时即使不是外力导致的位移变化(引导构件的不平整等)，也会误认为施加了较大外力，而白白保持当前的间隙长度。另外，还存在这样的缺点：间隙传感器121输出的间隙长度在任意时间读取，并将此时的间隙长度作为间隙长度一定控制的目标值时，在保持的时序上产生延迟，可能导致间隙长度一定控制的目标值大大偏离适当的值。

与之相对的，如本发明的实施方式那样，在基于外力的切换方法(关注外力范围的切换方法)中，采用作为控制器内状态观测器的计算结果而得到的外力推定值。因此，由于仅在外力推定值超出某个一定的范围时，才从零功率控制切换到间隙长度一定控制，因此不会由于不注意而被切换控制。又，通过将间隙长度一定控制的目标值预先设定好，即使偏离切换的时机，也可控制在适当的值。

又，在图2所示的构成中，间隙长度一定控制器141具有最小维度状态观测器149’和增益补偿器151’，但在寻求磁悬浮系统的稳定化的情况下，也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，基于前述的式(8)，以最小维度状态观测器作为推定施加于悬浮体111的外力的单元，但是可采用最小维度状态观测器149、149’中任一个。进一步的，对状态观测器的形态没有限定，也可采用同一维度的状态观测器或其他的外力推定方法。

(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每个模式进行励磁电压、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是显示该磁悬浮装置的引导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，以及四个引导单元18a～18d。导轨14、14’由强磁性构件构成，以规定的安装方法铺设于电梯井道12内。

移动体16相当于上述的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，在该框架部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。

如图7所示，引导单元18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。间隙传感器26、28作为检测引导单元18和导轨14、14’之间的间隙长度的传感器部。

磁铁单元30由中央铁芯32，永磁铁34、34’和电磁铁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的升降造成妨碍。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，在表示主要部分的标号上附加引导单元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。该控制方式为公知技术，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进行控制，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的实例中被分割，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44内的结构的框图，图10是显示控制装置44内模式控制电压计算电路86的结构的框图。又，在框图中，箭头线表示信号路径，直线表示线圈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的大电流供给等导致电源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由间隙传感器26a、26a’～26d、26d’，28a、28a’～28d、28d’，以及作为检测各线圈40的励磁电流的传感器部的电流检测器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模式对移动体16进行引导控制。此处，所述各模式是指，表示移动体16的重心沿y坐标的前后动的y模式(前后动模式)，表示沿x坐标的左右动的x模式(左右动模式)，表示绕移动体16的重心旋转的θ模式(旋转模式)，表示绕移动体16重心的俯仰的ξ模式(俯仰模式)，表示绕移动体16的重心偏转的ψ模式(偏转模式)。

又，除了以上模式，计算电路62对ζ模式(全吸模式)、δ模式(扭转模式)、γ模式(歪斜模式)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”这三个模式。

对于以上八个模式，通过将磁铁单元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，可通过间隙长度一定控制进行引导控制。

计算电路62具有：计算不同模式下的励磁电流的功能，该不同模式下的励磁电流产生对作为悬浮体的移动体16的运动自由度做出贡献的吸引力，并以各线圈40的励磁电流的线性结合来表示；和同样计算以各线圈40的励磁电压的线性结合来表示的、不同模式下的励磁电压的功能。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模式外力范围检测器68，y、ξ、ψ模式外力范围范围检测器69，x、θ模式存储器70，y、ξ、ψ模式存储器71。

间隙长度偏差坐标转换电路74基于间隙长度偏差信号Δx_a、Δx_a’～Δx_d、Δx_d’和Δy_a、Δy_a’～Δy_d、Δy_d’计算下列偏差：

·移动体16的重心在y方向运动的位置偏差Δy，x方向运动的位置偏差Δx

·绕移动体16重心旋转的角度偏差Δθ

·移动体16的俯仰的角度偏差Δξ

·绕移动体16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“模式励磁电流计算部”。该电流偏差坐标转换电路83基于电流偏差信号Δi_a、Δi_a’～Δi_d、Δi_d’计算以下电流偏差。

·移动体16的重心在y方向运动的电流偏差Δi_y

·在x方向运动的电流偏差Δi_x

·绕移动体16的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

·绕移动体16的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为各模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“模式励磁电压计算部”。该控制电压计算电路84，根据所述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各模式计算在各模式下使移动体16稳定地磁悬浮的电磁铁控制电压e_y、e_x、e_θ、e_ξ、e_ψ、e_ζ、e_δ、e_γ。

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、e_θ、e_ξ、e_ψ、e_ζ、e_δ、e_γ，计算所述磁铁单元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’被赋予给功率放大器63a、63a’～63d、63d’。

x、θ模式外力范围检测器68输入来自控制电压计算电路84的外力推定值u_sx^、u_sθ^，当移动体16的x方向外力u_sx和θ方向干扰转矩u_sθ在规定范围内时输出1，在规定范围以外时输出零。又，根据外力推定值的正负输出±1或零。

y、ξ、ψ模式外力范围检测器69，输入来自控制电压计算电路84的外力推定值u_sy^、u_sξ^、u_sψ^，当移动体16的y方向外力u_sy、ξ方向干扰转矩u_sξ和ψ方向干扰转矩u_sψ在规定的范围内时输出1，在规定的范围以外时输出零。又，根据外力推定值的正负，输出±1或零。

x、θ模式存储器70当所述x、θ模式外力范围检测器68的输出值为1时，输出施加规定的外力(干扰转矩)时的位置偏差Δx_u、角度偏差Δθ_u。又，所述x、θ模式外力范围检测器68的输出值为零时，将这些输出值重设为零。

y、ξ、ψ模式存储器71当所述y、ξ、ψ模式外力范围检测器69的输出值为1时，输出施加规定外力(干扰转矩)时的位置偏差Δy_u、角度偏差Δξ_u、Δψ_u。又，所述y、ξ、ψ模式外力范围检测器69的输出值为零时，将这些输出值重设为零。

进一步的，控制电压计算电路84由前后动模式控制电压计算电路86a、左右动模式控制电压计算电路86b、旋转模式控制电压计算电路86c、俯仰模式控制电压计算电路86d、偏转模式控制电压计算电路86e、全吸模式控制电压计算电路88a、扭转模式控制电压计算电路88b、歪斜模式控制电压计算电路88c构成。

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

全吸模式控制电压计算电路88a根据Δi_ζ计算ζ模式的电磁铁控制电压e_ζ。扭转模式控制电压计算电路88b根据Δi_δ计算δ模式的电磁铁控制电压e_δ。歪斜模式控制电压计算电路88c根据Δi_γ计算γ模式的电磁铁控制电压e_γ。

这些各模式控制电压计算电路86a～86c、88a～88c中，对于y、x、θ、ξ、ψ模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，各模式的间隙长度偏差Δy、Δx、Δθ、Δξ、Δψ、Δζ、Δδ、Δγ以Δz表示，同样的，电流偏差Δi_y、Δi_x、Δi_θ、Δi_ξ、Δi_ψ、Δi_ζ、Δi_δ、Δi_γ以Δi_z表示。

这里，以前后动模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，前后动模式控制电压计算电路86a包括：零功率控制器133，减法器139，间隙长度一定控制器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模式存储器71的输出z₁。

间隙长度一定控制器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)计算进行间隙长度一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对间隙长度一定控制器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和间隙长度一定控制器141的输出的线性和的“线性和计算部”。

此处，俯仰模式控制电压计算电路86d，偏转模式控制电压计算电路86e中，输入到上述的减法器139的信号z₁为y、ξ、ψ模式存储器71的输出。另一方面，左右动模式控制电压计算电路86b和旋转模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模式存储器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输入来自间隙长度偏差坐标转换电路74的间隙长度偏差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)输出间隙长度偏差Δy、间隙长度变化速度的推定值Δy’^、励磁电流Δi_y和外力推定值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输出前后动模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的输出中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模式外力范围检测器69的输出为1时，直接输出减法器155的值，在y、ξ、ψ模式外力范围检测器69的输出为零时，输出“零”。

电流积分器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的输出中减去增益补偿器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模式外力范围检测器69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us^在规定范围内时，y、ξ、ψ模式存储器71输出间隙长度偏差Δzu(Δy_u，Δξ_u，Δψ_u)，如果在范围之外，则输出规定的初始值(例如，零)。

另一方面，x、θ模式外力范围检测器68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，x、θ模式存储器70输出间隙长度偏差Δz_u(Δx_u，Δθ_u)，在范围之外时输出规定的初始值(例如，零)。

间隙长度一定控制器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的电流偏差输出，根据上述式(8)计算间隙长度偏差Δy、间隙长度变化速度的推定值Δy’^、励磁电流Δi_y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输出前后动模式中间隙长度偏差的规定目标值(通常为零)。

减法器165从间隙长度设定器163的输出中减去作为减法器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模式外力范围检测器69的输出为零时，直接输出减法器165的输出值，当y、ξ、ψ模式外力范围检测器69的输出值为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的输出中减去增益补偿器151’的输出。

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到减法器139～最小维度状态观测器149’～增益补偿器151’～减法器171的控制回路作为“支承控制部”。

又，从间隙长度偏差坐标转换电路74到减法器139～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“间隙长度一定控制部”。

此处，即使在俯仰模式控制电压计算电路86d、偏转模式控制电压计算电路86e中，从外部输入到切换器157、167的信号作为y、ξ、ψ模式外力范围检测器69的输出。另一方面，左右动模式控制电压计算电路86b和旋转模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模式外力范围检测器68的输出。

对于其他的控制电压计算电路，即，左右动模式控制电压计算电路86b、旋转模式控制电压计算电路86c、俯仰模式控制计算电路86d和偏转模式控制计算电路86e，也与前后动模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是显示控制装置44内的x、θ模式外力范围检测器68的构成的框图。

x、θ模式外力范围检测器68是在图3所示的外力范围检测器135上加上增益乘法器191、加法器193和低通滤波器72而构成的。

增益乘法器191输入旋转模式控制电压计算电路86c的最小维度状态观测器149推定的外力推定值u_sθ^，在此乘上1/(2·L_ξ)，其中L_ξ表示磁铁单元30的高度方向的安装间隔。

加法器193输入左右动模式控制电压计算电路86b的最小维度状态观测器149推定的外力推定值u_sx^，在此加上增益乘法器191的输出。低通滤波器72通过加法器193的输出的低频成分。

图12是表示控制装置44内的y，ξ，ψ模式外力范围检测器69的构成的框图。

y、ξ、ψ模式外力范围检测器69是在图3所示的外力范围检测器135上增加增益乘法器191、增益乘法器191’、加法器193’、低通滤波器72而构成的。

增益乘法器191输入俯仰模式控制电压计算电路86d的最小维度状态观测器149所推定的外力推定值u_sξ^，在此乘上1/(2·L_ξ)，其中L_ξ表示磁铁单元30的高度方向的安装间隔。

增益乘法器191’输入俯仰模式控制电压计算电路86e的最小维度状态观测器149所推定的外力推定值u_sψ^，在此乘上1/(2·L_θ)，其中L_θ表示磁铁单元30的左右方向的安装间隔。

加法器193’输入前后动模式控制电压计算电路86a的最小维度状态观测器149所推定的外力推定值u_sy^，在此加上增益乘法器191、191’的输出。低通滤波器72通过加法器193’的输出的低频成分。

图13是显示控制装置44内的x，θ模式存储器70的构成的框图。

x，θ模式存储器70构成为将所述第一实施方式中的存储器137设置两组而构成。又，涉及左右动模式控制电压计算电路86b的附加字母b、涉及旋转模式控制电压计算电路86c的附加字母c，省略对其详细说明。此处，对间隙长度偏差设定器187b、187c分别设定间隙长度偏差Δx_u和Δθ_u。

图14是显示控制装置44内y，ξ，ψ模式存储器71的构成的框图。

y，ξ，ψ模式存储器71构成为将所述第一实施方式中的存储器137设置三组而构成。又，涉及前后动模式控制电压计算电路86a的附加字母a、涉及俯仰模式控制电压计算电路86d的附加字母d、涉及偏转模式控制电压计算电路86e的附加字母e，省略对其详细说明。此处对间隙长度偏差设定器187a、187d、187e分别设定间隙长度偏差Δy_u、Δξ_u和Δψ_u。

另一方面，ζ，δ和γ三个模式的控制电压计算电路88a～88c的构成如图15所示。

控制电压计算电路88a～88c为相同构成，又，具有与前后动模式控制电压计算电路86a相同的构成要素。此处，对与前后动模式控制电压计算电路86a相同的部分赋予同一符号，并附加’进行区别。但是，由于为标量，设定被乘上电流偏差的增益的增益补偿器以增益补偿器81为例。

下面，对上述构成的磁悬浮装置的动作进行说明。

本装置为停止状态时，磁铁单元30a、30d的中央铁芯32的端部介由固体润滑部件43吸附于导轨14的相对面，电磁铁36a’、36d’的端部介由固体润滑部件43吸附于导轨14的相对面。此时，通过固体润滑部件43的动作，不会妨碍移动体16的升降。

在此状态下，启动本装置，控制装置44通过传感器部61和计算电路62的动作，在各电磁铁36a、36a’～36d、36d’中产生与永磁铁34产生的磁通相同方向或反方向的磁通。又，控制各线圈40中流过的电流以维持磁铁单元30a～30d与导轨14、14’之间规定的空隙长度。

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的路径构成的磁路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’的路径构成的磁路Mc’。

此时，空隙G、G’、G”的间隙长度为：永磁铁34的磁通势产生的各磁铁单元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、x方向左右力，通过移动体16的重心的绕x轴的转矩、绕y轴的转矩及绕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，达成移动体16的非接触支承。

此处，乘客或负载偏倚、乘客上下等原因导致对移动体16施加过大外力。此时，在适用零功率控制的情况下，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，导轨的不平整直接传递到轿厢，乘坐的舒适感会极端恶化。

但是，根据本实施方式，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一定控制，移动体16不接触导轨。如果过大偏载重转矩减少，则会切换到零功率控制，因此也不会浪费电力。

进一步的，在零功率控制和间隙长度一定控制切换时，在具有x、θ模式外力范围检测器68(y、ξ、ψ模式外力范围检测器69)的低通滤波器72的作用下，可防止切换的频繁发生，因此可维持良好的乘坐舒适感。

又，即使在偏载重转矩过大的情况下，也有可能发生移动体16通过导轨14、14’的尺寸精度较差处时，间隙长度发生较大变动磁铁单元30a～30d中的任一个与导轨14、14’发生暂时接触的情况。此时，外力范围检测器68、69没有检测到过大偏载重转矩，继续零功率控制，可抑制向间隙长度一定控制切换导致的移动体16的摇动。

这样，不仅可维持良好的乘坐感受，且能够降低电力消耗量提高装置的可靠性。

本装置在结束运转停止时，前后动模式控制电压计算电路86a和左右动模式控制电压计算电路86b的励磁电流设定器153和间隙长度设定器163的设定值逐渐从零变为负值。这样，移动体16慢慢朝向y轴、x轴方向移动。最终，磁铁单元30a、30d的中央铁芯32的端部和电磁铁36a’、36d’的端部介由固体润滑部件43吸附于导轨14的相对面。

一旦本装置在此状态下停止，励磁电流设定器153和间隙长度设定器163的设定值都被重设为零，同时维持移动体16吸附于导轨的状态。

如上所述，本装置中，通过仅在外力范围检测器68、69中设定最小外力值和最大外力值，可设定从零功率控制到间隙长度一定控制的切换条件。因此，和电梯一样具有多个控制轴，移动体采取各种姿势的装置的切换调整变得极为简便。又，可削减调整时间，降低成本。

当如同电梯一样抑制移动体的摇动重要时，对导轨的安装要求较高的尺寸精度，但是本实施方式中的导轨的尺寸精度没有很高的要求。因此，可缩短工期，并降低成本。

又，此处例示了采用x，y，θ，ξ，ψ全模式的外力推定值对零功率控制和间隙长度一定控制切换的实例，也可构成为仅适用于其中一部分模式。

尤其是，电梯中由负载造成的外部干扰，大多以θ模式和ξ模式作用。因此，可通过使本构成仅适用于θ模式和ξ模式以简化控制系统。此时，向外力范围检测器68、69的输入仅为θ模式和ξ模式的外力推定值，可省略增益乘法器191、加法器193。此时，存储器70、71的输出仅作为θ、ξ模式，其他模式通过以往的控制方法进行控制。

(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16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16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，直线导轨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

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

字形状，通过例如铁等强磁性构件形成。作为悬浮体的防振台306将引导构件304设置在其底部的上表面，整体形成为字形状。直线导轨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连接到基于励磁电压计算部115的输出对磁铁单元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，但外力范围检测器135的构成不同。因此，省略除了外力范围检测器135以外的说明，并将外力范围检测器135作为外力范围检测器135’进行说明。

图17为显示磁悬浮装置300的外力范围检测器135’的构成的框图。

磁悬浮装置300的外力范围检测器135’包括：最小外力设定器173、最大外力设定器175、减法器177、减法器179、切换器181、切换器183、乘法器185、最小外力设定器173’、最大外力设定器175’、减法器177’、减法器179’、切换器181’、切换器183’、乘法器185’。

最小外力设定器173设定第一最小外力推定值。最大外力设定器175设定第一最大外力推定值。

减法器177从最小维度状态观测器149的外力推定值减去最小外力设定器173的输出值。减法器179从最小维度状态观测器149的外力推定值减去最大外力设定器175的输出值。

切换器181在减法器177的输出值为正时选择1输出、不为正时选择零输出。切换器183在减法器179的输出值为正时选择1输出、不为正时选择零输出。乘法器185计算切换器181，183的输出值的积。

最小外力设定器173’设定第二最小外力推定值。最大外力设定器175’设定第二最大外力推定值。

减法器177’从最小维度状态观测器149的外力推定值减去最小外力设定器173’的输出值。减法器179’从最小维度状态观测器149的外力推定值减去最大外力设定器175’的输出值。

切换器181’在减法器177’的输出值为正时选择1输出，不为正时，选择零输出。切换器183’在减法器179’的输出值为正时选择1输出，不为正时选择零输出。乘法器185’计算切换器181’，183’的输出值的积。

此处，第一最小外力推定值为比第二最小外力推定值小的值、第一最大外力推定值为比第二最大外力推定值大的值。

又，外力范围检测器135’包括切换器182、切换器184、加法器186。

切换器182输入最小维度状态观测器149的外力推定值，该值为正时选择-1输出、不为正时选择零输出。切换器184输入最小维度状态观测器149的外力推定值，该值为负时选择1输出、不为负时选择零输出。加法器186计算切换器182，184的输出值的和。

进一步的，外力范围检测器135’包括下降沿检测器310、上升沿检测器312、OR计算器314、加减法器316、切换器324、切换器326、存储器元件320。

下降沿检测器310检测乘法器185的输出值从1切换到0的情况、仅在该瞬间输出1。上升沿检测器312检测乘法器185’的输出值从0切换到1的情况、仅在该瞬间输出1。OR计算器314对下降沿检测器310和上升沿检测器312的输出值进行或计算。加减法器316，对于存储器元件320的输出值，当下降沿检测器310的输出为1时，从存储器元件320的输出值减去下降沿检测器310的输出值(即1)，当上升沿检测器312的输出为1时，对存储器元件320的输出值加上上升沿检测器312的输出值(即1)。

当OR计算器314的输出值为0时，切换器324选择存储器元件320的值，当OR计算器314的输出值为1时，切换器324选择加减法器316的输出值。切换器326当切换器324的输出值为正时输出1、为0以下时输出0。

这样，假设第一最小外力设定值＜第二最小外力设定值＜外力推定值＜第二最大外力设定值＜第一最大外力设定值，进行上述计算。这样，当最小维度状态观测器149输出的外力推定值超出第一最小外力设定值和第一最大外力设定值所定义的范围时，使存储器元件320输出零。又，当外力推定值回到第二最小外力设定值和第二最大外力设定值定义的范围内时，使存储器元件320输出1。

即，从零功率控制切换到间隙长度一定控制所需要的外力推定值，相比从间隙长度一定控制切换到零功率控制时的，其绝对值要大。此处，外力范围为1个时，外力推定值与最大或最小外力设定值一致时，则在零功率控制和间隙长度一定控制之间的切换造成抖振(チヤタリング)，悬浮体产生不必要的振动。但是，如图17的实例所示，如果设定两个外力范围，则能够防止控制切换时的抖振，提高悬浮状态的稳定性。

又，如图16所示，通过将磁铁单元107设置在地上侧，可省略来自可动部即防振台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，本发明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)形的构成。

根据上述的至少一个实施方式，提供一种磁悬浮装置，其使得零功率控制的调整作业简单化，同时能够抑制伴随这零功率控制停止的励磁电流的增加，降低成本提高可靠性。

虽然说明了本发明的几个实施方式，但这些实施方式只是作为实例被提出，并不是用于限定发明的范围。这些实施方式能够以其它各种各样的形态来实施，在不脱离发明的要旨的范围内，可以进行各种省略、替换、变更。这些实施方式及其变形包含于发明的范围、主旨内，同样也包含于记载于专利权利要求书的发明及其同等的范围内。

Claims (7)

1.一种磁悬浮装置，其特征在于，包括：

强磁性体形成的引导构件；

相对于该引导构件被非接触支承的悬浮体；

磁铁单元，其搭载于所述悬浮体，包括：具有留有空隙与所述引导构件相对的磁极的电磁铁；和配置为在所述空隙与所述电磁铁共有磁路的、且提供支承所述悬浮体所必要的磁通势的永磁铁；

传感器部，其包括：检测所述磁铁单元的所述电磁铁的励磁电流的电流传感器；和检测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；

状态观测部，其基于所述传感器部的输出推定施加于所述悬浮体的外力，并输出该推定值；

外力范围检测部，其检测所述状态观测部推定的外力是否在预先设定的范围内；

存储部，其存储基于所述外力范围检测部的输出的、用于将所述磁铁单元和所述引导构件之间的间隙收敛为预先设定的间隔的值；

支承控制部，其基于所述速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在相对于所述引导构件为非接触状态下稳定；

零功率控制部，其具有电流积分器，该电流积分器在通过所述支承控制部将所述悬浮体相对于所述引导构件非接触地支承的状态下，基于所述电流传感器的输出使得所述电磁铁的励磁电流收敛为零以使所述悬浮体的运动稳定化；

间隙长度一定控制部，其具有间隙长度偏差积分器，该间隙长度偏差积分器基于所述存储部存储的值维持所述间隙长度一定以使所述悬浮体的运动稳定化；

积分切换部，其为了基于所述外力范围检测部的输出在所述零功率控制部和所述间隙长度一定控制部之间切换，将所述电流积分器和所述间隙长度偏差积分器的输入交替切换为零。

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，在所述状态观测部输出的外力推定值在所述外力范围检测部的所述设定范围内时，将基于励磁电流的值输入到所述电流积分器，同时使所述间隙长度偏差积分器的输入为零，当超出所述设定范围时，使所述电流积分器的输入为零，同时将基于间隙长度偏差的值输入到所述间隙长度偏差积分器，在所述零功率控制部和所述间隙长度一定控制部之间切换。

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：

对所述零功率控制部的输出和间隙长度一定控制部的输出的线性和进行计算的线性和计算部，

所述磁悬浮装置基于所述线性和计算部的输出对所述磁铁单元的吸引力进行控制。

4.如权利要求1所述的磁悬浮装置，其特征在于，进一步包括：

基于所述状态观测部输出的外力推定值，对所述存储部所存储的值进行重设的重设部。

5.如权利要求1所述的磁悬浮装置，其特征在于，所述外力范围检测部将所述状态观测部输出的外力推定值通过低通滤波器输入。

6.如权利要求1所述的磁悬浮装置，其特征在于，所述外力范围检测部具有两个不同的外力检测范围。

7.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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