CN103155406A - 线性电动机的控制装置及线性电动机装置 - Google Patents

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Abstract

控制装置(10)具备：位置检测部(108)，其基于来自磁传感器(27)的输出信号的变化检测线性电动机(20)的动子的位置；位置控制部(102)，其基于位置检测部(108)检测出的动子的位置和外部输入位置指令值算出速度指令值；推定部(150)，其根据流过线性电动机(20)的多个线圈的电流值推定动子移动的速度；速度控制部(104)，其基于速度指令值和推定移动速度算出电流指令值；电力变换器(106)，其根据电流指令值向多个线圈供给电力。

Description

线性电动机的控制装置及线性电动机装置
技术领域
本发明涉及线性电动机的控制装置及线性电动机装置。
本申请基于2010年9月30日申请于日本的特愿2010-220726号主张优先权，并将其内容在此引用。
背景技术
在线性电动机的定位控制中，使用线性标度提高定位的精度。但是，在线性电动机的动子具有长条的活动区域的情况下，必须延长线性标度。还需要使用歪曲少的线性标度。因此，线性电动机的制造成本变高。
为此，通过只在需要定位控制的活动区域设置线性标度来进行制造成本的降低(专利文献1)。
另外，使用安装于动子的MR传感器检测线性电动机的驱动用磁铁的磁力，且利用检测出的磁力的强度算出动子的位置，由此进行定位控制。
专利文献1：日本特开2004-023936号公报
在专利文献1所记载的技术中，在全部的活动区域中需要定位控制的情况下，在全部的活动区域设置线性标度。因此，存在不能实现成本降低的问题。
在使用MR传感器检测驱动用磁铁的磁力并计算动子的位置的情况下，产生MR传感器的安装误差或驱动用磁铁的安装误差等。因此，有时在算出的位置中含有误差，存在基于由算出的位置而算出的速度的控制精度降低，且定位控制的精度差的问题。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种不使用线性标度而能够改善线性电动机的定位精度的线性电动机的控制装置及线性电动机装置。
本发明提供一种线性电动机的控制装置，所述线性电动机具备具有N极和S极交替排列成一列的多个驱动用磁铁的磁铁部和具有多个线圈的电枢，所述电枢或所述磁铁部的任一方为动子，利用在所述电枢具有的多个线圈中流过电流而产生的磁场和由所述磁铁部具有的多个驱动用磁铁产生的磁场，所述动子沿着所述驱动用磁铁排列的排列方向移动，所述线性电动机的控制装置的特征在于，具备：位置检测部，其基于从磁传感器输出的信号的变化来检测所述动子的位置，所述磁传感器是所述电枢具有的磁传感器，并输出与由所述驱动用磁铁产生的磁场方向相应的信号；位置控制部，其基于所述位置检测部检测出的所述动子的位置和由外部输入的位置指令值而算出速度指令值；推定部，其根据流过所述线性电动机的多个线圈的电流值而推定所述动子移动的速度；速度控制部，其基于所述位置控制部算出的速度指令值和所述推定部推定的所述动子移动的速度而算出电流指令值；电力变换器，其根据所述速度控制部算出的电流指令值而向所述多个线圈供给电力。
根据本发明，不使用线性标度就能够改善线性电动机的定位精度。
附图说明
图1是表示第一实施方式的线性电动机装置1的概略图；
图2是表示第一实施方式的MR传感器27的原理的立体图；
图3是第一实施方式的线性电动机20的立体图；
图4是第一实施方式的线性电动机20的主视图。
图5是表示沿着第一实施方式的动子25的移动方向的剖面图的图；
图6是表示第一实施方式的MR传感器27及线圈28u、28v、28w与驱动用磁铁24的相对位置的示意图；
图7是表示第一实施方式的线性电动机20的控制装置10的结构的概略方框图；
图8是表示第二实施方式的线性电动机20的控制装置11的结构的概略方框图。
具体实施方式
下面，参照附图对本发明线性电动机的控制装置的实施方式进行说明。
(第一实施方式)
图1是表示第一实施方式的线性电动机装置1的概略图。线性电动机装置1具备控制装置10和线性电动机20。控制装置10是进行驱动线性电动机20的控制的装置。线性电动机20具备：长条的定子21、在定子21上移动的动子25、组装定子21及动子25的一对导向装置22、22。
导向装置22由隔着滚珠组装的轨道滑轨23及滑块26构成。导向装置22的轨道滑轨23固定于定子21所具有的基座54上。导向装置22的滑块26固定于动子25上。由此，动子25在定子21上沿着轨道滑轨23被自如导向。
定子21具备排列于一对轨道滑轨23、23之间的多个驱动用磁铁24。多个驱动用磁铁24以N极及S极的磁极在动子25移动的方向(下面称为移动方向)上交替的方式排列。各驱动用磁铁24在移动方向上具有相同的长度，无论动子25的位置如何，都得到恒定的推力。
动子25具备：具有多个线圈的电枢60、安装移动对象的工作台53、MR(Magnetoresitive Elements；磁阻元件)传感器27。
MR传感器27是磁传感器的一种。MR传感器27将与排列于定子21的驱动用磁铁24产生的磁场的磁通线方向相应的信号输出至控制装置10。
图2是表示第一实施方式的MR传感器27的原理的立体图。
MR传感器27具有硅(Si)或玻璃基板271和在其上形成的由以镍(Ni)、铁(Fe)等强磁性金属为主成分的合金强磁性薄膜金属形成的磁阻元件272。磁阻元件272根据通过磁阻元件272的磁通方向与电流流动的方向(Y轴方向)构成的角度，变化电阻值。
MR传感器27具有组合多个磁阻元件272而构成的两个全桥电路。该两个全桥电路以输出具有90°相位差的两个信号(余弦波信号、正弦波信号)的方式配置。
在特定的磁场方向上改变电阻值的元件称为AMR(AnisotropicMagneto-Resistance；各向异性磁阻元件)传感器(参考文献：“垂直型MR传感器技术资料”，[online]，2005年10月1日，浜松光电株式会社，“2010年8月30日检索”，因特网<URL；http://www.hkd.co.jp/technique/img/amr-note1.pdf>)。
如图1所示，控制装置10基于MR传感器27输出的信号，计算定子21上的动子25的位置及移动的速度。控制装置10根据算出的动子25的位置及速度和由上位控制装置输入的位置指令值，在电枢60所具有的多个线圈中流过电流。
由此，通过在多个线圈中产生的磁场和由配置于定子21的驱动用磁铁24产生的磁场的作用，沿着轨道滑轨23驱动动子25。
使用图3、图4对第一实施方式的线性电动机20的结构进行说明。
图3是第一实施方式的线性电动机20的立体图(包含工作台53的截面)。图4是第一实施方式的线性电动机20的主视图。
线性电动机20的定子21具备将N极或S极着磁的面朝向动子25排列的多个板状的驱动用磁铁24。线性电动机20是动子25相对于定子21相对进行直线运动的平面型的线性电动机。动子25的电枢60隔着间隙g与驱动用磁铁24对置。
定子21具有细长延伸的基座54。在基座54上，多个驱动用磁铁24沿移动方向排列成一列。基座54由底壁部54a、设于底壁部54a宽度方向的两侧的一对侧壁部54b构成。在底壁部54a上安装多个驱动用磁铁24。
在各驱动用磁铁24上，在与移动方向正交的方向(图4中上下方向)的两端面形成N极及S极。多个驱动用磁铁24分别以下述状态排列，即，对于相邻的一对驱动用磁铁24使磁极颠倒。
由此，当动子25相对于在动子25上安装的MR传感器27移动时，驱动用磁铁24的N极和S极的磁极交替对置。
在基座54的侧壁部54b上表面安装导向装置22的轨道滑轨23。在轨道滑轨23上可滑动地组装滑块26。在轨道滑轨23和滑块26之间夹设多个滚珠且使多个滚珠可滚动运动(未图示)。
在滑块26上设置用于使多个滚珠循环的磁道状的滚珠循环路径。
当滑块26相对于轨道滑轨23滑动时，多个滚珠在它们之间滚动运动。并且，多个滚珠在滚珠循环路径中进行循环。由此，滑块26可以进行顺畅的直线运动。
在导向装置22的滑块26上表面安装动子25的工作台53。工作台53由铝等非磁性材料构成。在工作台53上安装移动对象。电枢60悬挂于工作台53的下表面。
如图4的主视图所示，在驱动用磁铁24和电枢60之间设置间隙g。当电枢60相对于驱动用磁铁24进行相对移动时，导向装置22也将该间隙g维持为恒定。
图5是表示沿着第一实施方式的动子25的移动方向的剖面图的图。
电枢60隔着隔热材料63安装于工作台53的下表面。电枢60利用由硅钢等磁性材料构成的磁芯64和多个线圈构成。多个线圈具有卷绕于磁芯64的突极64u、64v、64w的线圈28u、28v、28w。
从控制装置10向线圈28u、28v、28w分别供给具有相位差的三相交流。
将3个线圈28u、28v、28w卷绕于突极64u、64v、64w。然后，将3个线圈28u、28v、28w进行树脂密封。
在工作台53的下表面，夹持着电枢60而安装有一对辅助磁芯67。辅助磁芯67是为了降低在线性电动机20中产生的齿槽效应(コギング)而设置的。
图6是表示第一实施方式的MR传感器27及线圈28u、28v、28w与驱动用磁铁24的相对位置的示意图。
在定子21上，在基座54的底壁部54a等间隔地排列一列驱动用磁铁24。将使N极朝向MR传感器27配置的驱动用磁铁24N和使S极朝向MR传感器27配置的驱动用磁铁24S交替排列。
在动子25中，线圈28u、28v、28w在下述直线上通过而排列，所述直线通过配置于定子21的驱动用磁铁24的中心且与移动方向平行。MR传感器27与线圈28u、28v、28w同样地安装。MR传感器27被安装于通过下述直线上的位置处，所述直线通过各驱动用磁铁24的中心且与移动方向平行。由此，能够使MR传感器27通过驱动用磁铁24产生的磁场最强的位置。
图7是表示第一实施方式的线性电动机20的控制装置10的结构的概略方框图。
控制装置10具备减法器101、位置控制部102、减法器103、速度控制部104、电流控制部105、电力变换器106、变流器107、位置检测部108、推定部150。
减法器101通过由未图示的上位控制装置输入的位置指令值θrm减去从位置检测部108输入的检测位置θ而算出位置偏差。
检测位置θ表示在将预先确定的位置设为原点的情况下的线性电动机20的动子25的位置。
位置控制部102基于减法器101算出的位置偏差，算出使线性电动机20的动子25移动到由位置指令值θrm表示的位置的速度指令值ωrm。
减法器103从位置控制部102算出的速度指令值ωrm减去由推定部150输入的动子25的推定速度ωMO。减法器103算出减法结果(速度偏差)。
推定速度ωMO是推定部150根据施加于线性电动机20的电压和流过线性电动机20的电流推定的动子25的移动速度。
速度控制部104基于减法器103算出的速度偏差，以线性电动机20的动子25的移动速度成为与速度指令值ωrm相同值的方式算出表示流过线性电动机20的线圈28u、28v、28w的电流值的电流指令值。
速度控制部104以将速度偏差设为“0”的方式算出电流指令值。速度控制部104通过例如PI控制或PID控制等，以动子25的移动速度成为与速度指令值ωrm相同值的方式算出电流指令值。
速度控制部104通过进行矢量控制，从速度指令值输出旋转坐标系中的包含d轴和q轴的两个电流值的电流指令值。
电流控制部105对速度控制部104算出的电流指令值进行2相3相变换。电流控制部105算出施加于线性电动机20的线圈28u、28v、28w的电压值。
电力变换器106将从外部供给的电压变换成电流控制部105算出的电压值。电力变换器106将变换后的电压施加于线性电动机20的线圈28u、28v、28w，驱动线性电动机20。电力变换器106向推定部150施加变换后的电压。
电力变换器106具有根据线性电动机20的线圈28u、28v、28w的数量设置的上臂及下臂。该上臂及下臂具有开关元件。
此时，电力变换器106根据从电流控制部105输入的电压，通过切换开关元件的接通/断开的PWM控制，经由开关元件向电枢60的线圈28u、28v、28w供给电力，驱动动子25。
开关元件使用例如IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor；绝缘栅双极晶体管)等半导体元件。
变流器107安装于连接电力变换器106和线性电动机20的电力线上。变流器107检测流过线性电动机20的电流的电流值i。
位置检测部108根据线性电动机20的MR传感器27输出的两个信号(余弦波信号及正弦波信号)检测动子25的位置。位置检测部108将表示检测到的位置的检测位置θ输出至减法器101。
推定部150具有电动机模型部151、减法器152、速度推定部153、低通滤波器部154。
电动机模型部151基于电力变换器106施加于线性电动机20的电压、速度推定部153推定的动子25的推定移动速度、预先设定的线性电动机20的电动机常数，算出流过线性电动机20的推定电流值iM。
电动机常数例如是线性电动机20的电阻值、d轴的电感值、q轴的电感值、感应电压系数等。
减法器152通过从变流器107检测出的电流值i减去电动机模型部151算出的推定电流值iM而算出电流偏差Δi。
速度推定部153根据减法器152算出的电流偏差Δi，算出线性电动机20的动子25的推定移动速度。速度推定部153将表示算出的推定移动速度的信号输出至电动机模型部151和低通滤波器部154。
低通滤波器部154消除速度推定部153算出的推定移动速度中包含的高频脉动成分。低通滤波器部154将消除了脉动成分的推定移动速度(推定速度ωMO)输出到减法器103。
通过这种结构，推定部150基于施加于线性电动机20的电压值和流过线性电动机20的电流值i，算出线性电动机20的动子25移动的速度推定值(推定移动速度)(参考文献：武田洋次，松井信行，森本茂雄，本田幸夫著，“内置式磁铁同步电动机的设计和控制”，第一版第三次印刷，株式会社欧姆社，平成16年7月，p.111-p.115)。
线性电动机装置1具备位置控制部102和速度控制部104，位置控制部102进行使用由MR传感器27检测出的检测位置θ算出速度指令值的位置控制，速度控制部104进行使用由推定部150推定的推定速度ωMO算出电流指令值的速度控制。由此，即使在检测位置θ中包含误差的情况下，线性电动机装置1通过使用推定速度ωMO，也能够降低该误差对电流指令值造成的影响。
与只根据检测位置θ的变化量算出动子25的速度的情况相比，第一实施方式的线性电动机装置1能够降低电流指令值的算出中的检测位置θ的误差影响。
由此，不使用线性标度，就能够提高控制线性电动机20的精度，能够进行线性电动机20的动子25的准确的重复定位控制，能够改善定位精度。
控制装置10并行进行使用由MR传感器27检测出的检测位置θ算出速度指令值的位置控制和使用由推定部150推定出的推定速度ωMO算出电流指令值的速度控制。控制装置10不需要像专利文献1所记载的技术那样进行切换控制。控制装置10能够减少动子25的移动速度的不均，能够顺畅地控制线性电动机20。
(第二实施方式)
图8是表示第二实施方式的线性电动机20的控制装置11的结构的概略方框图。第二实施方式的控制装置11在具备速度计算部111和速度选择部112这一点上与第一实施方式的控制装置10不同。
下面，对速度计算部111和速度选择部112进行说明。另外，对与第一实施方式相同的其它结构标注相同的符号并省略其说明。
速度计算部111根据位置检测部108检测的检测位置θ的每单位时间的变化算出动子25的移动速度。
速度选择部112基于变流器107检测的电流值i的大小，选择从推定部150的低通滤波器部154输出的推定速度ωMO、速度计算部111算出的移动速度的任一方的速度，并输出至减法器103。
减法器103从位置控制部102算出的速度指令值ωrm减去速度选择部112选择的速度。减法器103将减法结果作为速度偏差输出至速度控制部104。
在变流器107检测到的电流值i比预先确定的电流值(阈值)小的情况下，速度选择部112选择速度计算部111算出的移动速度。在电流值i为阈值以上的情况下，速度选择部112选择推定部150算出的推定速度ωMO。
通过这种结构，第二实施方式的线性电动机装置实现与第一实施方式的线性电动机装置1相同的效果。第二实施方式的线性电动机装置具备位置控制部102和速度控制部104，所述位置控制部102进行使用由MR传感器27检测出的检测位置θ算出速度指令值的位置控制，所述速度控制部104进行使用由推定部150推定出的推定速度ωMO算出电流指令值的速度控制。由此，即使在检测位置θ中含有误差的情况下，第二实施方式的线性电动机装置通过使用推定速度ωMO，也能够降低该误差对电流指令值造成的影响。
第二实施方式的线性电动机装置的控制装置11基于变流器107检测的电流值i的大小，选择推定部150推定的推定速度ωMO和基于MR传感器27输出的信号算出的移动速度的任一方的速度。控制装置11使用选择出的速度进行速度控制。
在变流器107检测出的电流值i比阈值小的情况下，由于推定部150算出的推定速度ωMO的推定误差容易变大，因此，控制装置11使用速度计算部111算出的移动速度控制线性电动机20。另一方面，在变流器107检测的电流值i为阈值以上的情况下，由于推定部150算出的推定速度ωMO的推定误差不容易变大，因此，控制装置11使用推定速度ωMO控制线性电动机20。
由此，当推定速度ωMO的推定误差容易变大的流过线性电动机20的电流值i较小时，控制装置11使用基于MR传感器27输出的信号的速度进行速度控制。因此，能够防止线性电动机20的控制精度降低，能够改善定位精度。
在第一及第二实施方式中，说明了控制装置10、11对具备电枢60的动子25相对于具备驱动用磁铁24的定子21相对进行直线运动的平面型线性电动机20进行控制的结构。但是，不限于控制平面型线性电动机20的结构。
控制装置10也可以适用于具备棒型驱动用磁铁的动子相对于具备电枢(线圈)的定子进行相对直线运动的棒型线性电动机。
另外，在第一及第二实施方式中，对驱动用磁铁24在直线上排列成一列的结构进行了说明，但不限于此。驱动用磁铁24也可以根据线性电动机20的用途曲线状地排列成一列。
第一及第二实施方式的控制装置10、11也可以在内部具有计算机系统。在该情况下，减法器、位置控制部、速度控制部、电流控制部、推定部、位置检测部、速度计算部、速度选择部的各处理过程以程序的形式存储于计算机可读取的记录介质中。于是，通过计算机读出并执行该程序而进行上述处理。
计算机可读取的记录介质是指磁盘、光盘、CD-ROM、DVD-ROM、半导体存储器等。也可以通过通信线路向计算机发送该计算机程序，由接收到该发信的计算机执行该计算机程序。
符号说明
1…线性电动机装置、10、11…控制装置、20…线性电动机、21…定子、24、24N、24S…驱动用磁铁、25…动子、27…MR传感器(磁传感器)、101、103、152…减法器、102…位置控制部、104…速度控制部、105…电流控制部、106…电力变换器、107…变流器、108…位置检测部、111…速度计算部、112…速度选择部、150…推定部、151…电动机模型部、152…减法器、153…速度推定部、154…低通滤波器部

Claims (4)

1.一种线性电动机的控制装置，所述线性电动机具备具有N极和S极交替排列成一列的多个驱动用磁铁的磁铁部和具有多个线圈的电枢，所述电枢或所述磁铁部的任一方为动子，利用在所述电枢具有的多个线圈中流过电流而产生的磁场和由所述磁铁部具有的多个驱动用磁铁产生的磁场，所述动子沿着所述驱动用磁铁排列的排列方向移动，
所述线性电动机的控制装置的特征在于，具备：
位置检测部，其基于从磁传感器输出的信号的变化来检测所述动子的位置，所述磁传感器是所述电枢具有的磁传感器，并输出与由所述驱动用磁铁产生的磁场方向相应的信号；
位置控制部，其基于所述位置检测部检测出的所述动子的位置和由外部输入的位置指令值而算出速度指令值；
推定部，其根据流过所述线性电动机的多个线圈的电流值而推定所述动子移动的速度；
速度控制部，其基于所述位置控制部算出的速度指令值和所述推定部推定的所述动子移动的速度而算出电流指令值；
电力变换器，其根据所述速度控制部算出的电流指令值而向所述多个线圈供给电力。
2.如权利要求1所述的线性电动机的控制装置，其特征在于，
所述推定部具有：
电动机模型部，其基于施加于所述多个线圈的电压、推定所述动子移动的速度的推定速度、所述线性电动机的电动机常数，算出流过所述多个线圈的电流值；
速度推定部，其使用从流过所述多个线圈的电流值减去所述电动机模型部算出的电流值而得到的电流偏差来计算所述推定速度；
低通滤波器部，其从所述速度推定部算出的推定速度中消除高频脉动成分。
3.如权利要求2所述的线性电动机的控制装置，其特征在于，
所述控制装置还具备：
速度计算部，其根据所述位置检测部检测出的所述动子的位置变化算出所述动子移动的速度；
速度选择部，其在流过所述多个线圈的电流值比预先确定的阈值小的情况下，选择所述速度计算部算出的速度，而在所述电流值为所述阈值以上的情况下，选择所述推定速度，
所述速度控制部基于所述位置控制部算出的速度指令值和所述速度选择部选择的速度而算出所述电流指令值。
4.一种线性电动机装置，其特征在于，具备：
线性电动机，其具备具有N极和S极交替排列成一列的多个驱动用磁铁的磁铁部和具有多个线圈的电枢，所述电枢或所述磁铁部的任一方为动子，利用在所述电枢具有的多个线圈中流过电流而产生的磁场和由所述磁铁部具有的多个驱动用磁铁产生的磁场，所述动子沿着所述驱动用磁铁排列的排列方向移动；
控制装置，其包括：位置检测部，其基于从磁传感器输出的信号的变化来检测所述动子的位置，所述磁传感器是所述电枢具有的磁传感器，并输出与由所述驱动用磁铁产生的磁场方向相应的信号；位置控制部，其基于所述位置检测部检测出的所述动子的位置和由外部输入的位置指令值而算出速度指令值；推定部，其根据流过所述线性电动机的多个线圈的电流值而推定所述动子移动的速度；速度控制部，其基于所述位置控制部算出的速度指令值和所述推定部推定的所述动子移动的速度而算出电流指令值；电力变换器，其根据所述速度控制部算出的电流指令值而向所述多个线圈供给电力。
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