DE112011103317T5

DE112011103317T5 - Steuervorrichtung für Linearmotor und Linearmotorvorrichtung

Info

Publication number: DE112011103317T5
Application number: DE112011103317T
Authority: DE
Inventors: Masashi Inoue
Original assignee: THK Co Ltd
Current assignee: THK Co Ltd
Priority date: 2010-09-30
Filing date: 2011-09-26
Publication date: 2013-08-29
Also published as: US8970142B2; CN103155406B; US20130187573A1; CN103155406A; WO2012043448A1; JP2012080605A; JP5711493B2

Abstract

Eine Steuervorrichtung (10) enthält eine Positionsdetektionseinheit (108), die eine Position eines bewegenden Elements eines Linearmotors (20) anhand einer Änderung eines Ausgangsignals von einem Magnetsensor (27) detektiert, eine Positionssteuereinheit (102) die einen Geschwindigkeitsbefehlswert anhand der Position des bewegenden Elements, die durch die Positionsdetektionseinheit (108) detektiert wird, und eines Positionsbefehlswerts einer externen Eingabe berechnet, eine Schätzeinheit (150), die eine Bewegungsgeschwindigkeit des bewegenden Elements aus einem Stromwert eines in die mehreren Spulen des Linearmotors (20) fließenden Stroms schätzt, eine Geschwindigkeitssteuereinheit (104), die einen Strombefehlswert anhand des Geschwindigkeitsbefehlswerts und der geschätzten Bewegungsgeschwindigkeit berechnet, und einen Leistungsumsetzer (106) der den mehreren Spulen in Übereinstimmung mit dem Strombefehlswert Leistung zuführt.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Steuervorrichtung für einen Linearmotor und eine Linearmotorvorrichtung.
Es wird die Priorität der japanischen Patentanmeldung Nr. 2010-220726 , eingereicht am 30. September 2010, deren Inhalt hier durch Bezugnahme vollständig mit aufgenommen ist, beansprucht.
Technischer Hintergrund
Bei der Positionierungssteuerung eines Linearmotors wird eine lineare Skala verwendet, um eine Positionierungsgenauigkeit zu erhöhen. Wenn jedoch ein bewegendes Element des Linearmotors einen langen Bewegungsbereich hat, ist es notwendig, die Länge der linearen Skala zu erhöhen. Außerdem ist es auch notwendig, eine lineare Skala mit geringerer Verwindung zu verwenden. Dadurch werden die Herstellungskosten des Linearmotors erhöht.
Folglich wird eine lineare Skala nur in einem Bewegungsbereich montiert, in dem eine Positionierungssteuerung erforderlich ist, um die Herstellungskosten zu verringern werden (Patentliteratur 1).
Außerdem wird das Magnetfeld eines Antriebsmagneten eines Linearmotors unter Verwendung eines MR-Sensors, der an einem bewegenden Element befestigt ist, detektiert, wobei eine Position des bewegenden Elements aus der detektierten Magnetfeldstärke berechnet wird, um die Positionierungssteuerung auszuführen.
Entgegenhaltungsliste
Patentliteratur

[Patentliteratur 1] Ungeprüfte japanische Patentanmeldung, erste Veröffentlichung Nr. 2004-023936 .

Zusammenfassung der Erfindung
Durch die Erfindung zu lösende Probleme
Wenn in der in der Patentliteratur 1 beschriebenen Technik eine Positionierungssteuerung im gesamten Bewegungsbereich erforderlich ist, wird im gesamten Bewegungsbereich eine lineare Skala montiert. Daher besteht das Problem, dass die Kosten nicht verringert werden.
Wenn die Position des bewegenden Elements durch Detektieren des Magnetfeldes des Antriebsmagneten unter Verwendung des MR-Sensors berechnet wird, treten ein Befestigungsfehler des MR-Sensors, ein Befestigungsfehler des Antriebsmagneten oder dergleichen auf. Daher besteht das Problem, dass die Genauigkeit der Positionierungssteuerung verringert ist, weil in der berechneten Position Fehler enthalten sein können, wodurch die Genauigkeit der Steuerung, die auf der aus der berechneten Position berechneten Geschwindigkeit beruht, verringert wird.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Steuervorrichtung für einen Linearmotor und eine Linearmotorvorrichtung zu schaffen, bei denen eine Positionierungsgenauigkeit des Linearmotors verbessert werden kann, ohne eine lineare Skala zu verwenden.
Mittel zum Lösen des Problems
Eine Steuervorrichtung für einen Linearmotor der vorliegenden Erfindung, der eine Magneteinheit, die mehrere Antriebsmagneten besitzt, deren N-Pole und S-Pole abwechselnd in einer Reihe angeordnet sind, und einen Anker, der mehrere Spulen aufweist, enthält und in dem der Anker oder die Magneteinheit ein bewegendes Element ist und das bewegende Element sich in einer Anordnungsrichtung, in der die Antriebsmagneten angeordnet sind, durch ein Magnetfeld bewegt, das erzeugt wird, indem in die mehreren Spulen des Ankers ein Strom fließen kann und durch die mehreren Antriebsmagneten der Magneteinheit ein Magnetfeld erzeugt wird, umfasst: eine Positionsdetektionseinheit, die eine Position der bewegenden Einheit anhand einer Änderung in einem Signal, das von einem Magnetsensor, den der Anker besitzt, ausgegeben wird, detektiert, wobei der Magnetsensor das Signal in Übereinstimmung mit einer Richtung des durch die Antriebsmagneten erzeugten Magnetfeldes ausgibt; eine Positionssteuereinheit, die einen Geschwindigkeitsbefehlswert anhand der Position der bewegenden Einheit, die durch die Positionsdetektionseinheit detektiert wird, und eines Positionsbefehlswerts, der von außerhalb der Steuervorrichtung eingegeben wird, berechnet; eine Schätzeinheit, die eine Bewegungsgeschwindigkeit der bewegenden Einheit aus einem Stromwert des in die mehreren Spulen des Linearmotors fließenden Stroms schätzt; eine Geschwindigkeitssteuereinheit, die einen Strombefehlswert anhand des Geschwindigkeitsbefehlswerts, der durch die Positionssteuereinheit berechnet wird, und der Bewegungsgeschwindigkeit der bewegenden Einheit, die durch die Schätzeinheit geschätzt wird, berechnet; und einen Leistungswandler, der den mehreren Spulen in Übereinstimmung mit dem durch die Geschwindigkeitssteuereinheit berechneten Strombefehlswert Leistung zuführt.
Wirkungen der Erfindung
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, eine Positionierungsgenauigkeit eines Linearmotors ohne Verwendung einer linearen Skala zu verbessern.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 ist eine schematische Ansicht, die eine Linearmotorvorrichtung 1 einer ersten Ausführungsform zeigt.
2 ist eine perspektivische Ansicht, die ein Prinzip eines MR-Sensors 27 der ersten Ausführungsform zeigt.
3 ist eine perspektivische Ansicht eines Linearmotors 20 der ersten Ausführungsform.
4 ist eine Vorderansicht des Linearmotors 20 der ersten Ausführungsform.
5 ist eine Querschnittsansicht eines bewegenden Elements 25 der ersten Ausführungsform in einer Bewegungsrichtung eines bewegenden Elements 25.
6 ist eine schematische Ansicht, die relative Positionen zwischen dem MR-Sensor 27, Spulen 28u, 28v und 28w sowie Antriebsmagneten 24 der ersten Ausführungsform zeigt.
7 ist ein schematischer Blockschaltplan, der eine Konfiguration einer Steuervorrichtung 10 für den Linearmotor 20 der ersten Ausführungsform zeigt.
8 ist ein schematischer Blockschaltplan, der eine Konfiguration einer Steuervorrichtung 11 für einen Linearmotor 20 einer zweiten Ausführungsform zeigt.
Beschreibung von Ausführungsformen
Im Folgenden werden Ausführungsformen einer Steuervorrichtung für einen Linearmotor gemäß der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben.
(Erste Ausführungsform)
1 ist eine schematische Ansicht, die eine Linearmotorvorrichtung 1 einer ersten Ausführungsform zeigt. Die Linearmotorvorrichtung 1 besitzt eine Steuervorrichtung 10 und einen Linearmotor 20. Die Steuervorrichtung 10 ist eine Vorrichtung, die eine Steuerung ausführt, um den Linearmotor 20 anzutreiben. Der Linearmotor 20 ist mit einem langen Stator 21, einem bewegenden Element 25, das sich an dem Stator 21 bewegt, und einem Paar Führungsvorrichtungen 22, 22, auf denen der Stator 21 und das bewegende Element 25 montiert sind, versehen.
Die Führungsvorrichtung 22 ist aus einer Führungsschiene 23 und einem Gleitblock 26, die mit dazwischen eingefügten Kugeln zusammengefügt sind, gebildet. Die Führungsschiene 23 der Führungsvorrichtung 22 ist an einer Basis 54 des Stators 21 befestigt. Der Gleitblock 26 der Führungsvorrichtung 22 ist an dem bewegenden Element 25 befestigt. Daher wird das bewegende Element 25 längs der Führungsschiene 23 an dem Stator 21 frei geführt.
Der Stator 21 ist mit mehreren Antriebsmagneten 24 versehen, die zwischen dem Paar Führungsschienen 23, 23 angeordnet sind. Es sind mehrere Antriebsmagneten 24 vorgesehen, so dass Magnetpole von N-Polen und S-Polen in einer Bewegungsrichtung des bewegenden Elements 25 (im Folgenden als Bewegungsrichtung bezeichnet) abwechselnd angeordnet sind. Die jeweiligen Antriebsmagneten 24 besitzen in der Bewegungsrichtung die gleiche Länge, wodurch unabhängig von der Position des bewegenden Elements 25 eine konstante Schubkraft erhalten wird.
Das bewegende Element 25 ist mit einem Anker 60 versehen, der mehrere Spulen, einen Tisch 53, an dem ein bewegendes Ziel befestigt ist, und einen MR-Sensor (Sensor mit magnetoresistivem Element) 27 besitzt.
Der MR-Sensor 27 ist vom Typ eines Magnetsensors. Der MR-Sensor 27 gibt ein Signal entsprechend einer Richtung einer Magnetflusslinie eines Magnetfeldes, das durch die im Stator 21 angeordneten Antriebsmagneten 24 erzeugt wird, an die Steuervorrichtung 10 aus.
2 ist eine perspektivische Ansicht, die ein Prinzip des MR-Sensors 27 der ersten Ausführungsform zeigt.
Der MR-Sensor 27 besitzt ein Silizium-Substrat (Si-Substrat) oder Glassubstrat 271 und ein magnetoresistives Element 272, das auf dem Substrat 271 gebildet ist und aus einem ferromagnetischen Dünnschichtmetall oder einer Legierung, die ferromagnetische Metalle wie etwa Nickel (Ni) und Eisen (Fe) als Hauptkomponenten besitzt, hergestellt ist. Der Widerstandswert des magnetoresistiven Elements 272 ändert sich entsprechend einem Winkel, den eine Richtung des Stromflusses (Y-Achsenrichtung) und eine Richtung des Magnetflusses, der durch das magnetoresistive Element 272 verläuft, zueinander bilden.
Der MR-Sensor 27 besitzt zwei Vollbrückenschaltungen, die durch Kombinieren mehrerer magnetoresistiver Elemente 272 konfiguriert sind. Die zwei Vollbrückenschaltungen sind so angeordnet, dass sie zwei Signale (ein Kosinuswellensignal, ein Sinuswellensignal) mit einer Phasendifferenz von 90° ausgeben.
Ein Element mit einem Widerstandswert, der sich mit einer bestimmten Magnetfeldrichtung verändert, wird als ein AMR-Sensor (Sensor mit anisotropem magnetoresistivem Element) bezeichnet (Referenzliteratur: "Vertical-Type MR Sensor Technical Data", [online], 1. Oktober 2005, KOHDEN Co., Ltd., "retrieval an August 30, 2010", Internet <URL; http://www.hkd.co.jp/technique/img/amr-notel.pdf>).
Wie in 1 gezeigt ist, berechnet die Steuervorrichtung 10 eine Position und eine Bewegungsgeschwindigkeit des bewegenden Elements 25 am Stator 21 anhand eines Signals, das von dem MR-Sensor 27 ausgegeben wird. Die Steuervorrichtung 10 lässt einen Stromfluss in die mehreren Spulen des Ankers 60 in Übereinstimmung mit der berechneten Position und der berechneten Geschwindigkeit des bewegenden Elements 25 und mit einem Positionsbefehlswert, der von einer Steuervorrichtung höherer Ebene eingegeben wird, zu.
Daher wird das bewegende Element 25 längs der Führungsschiene 23 durch die Wirkung eines Magnetfeldes, das in den mehreren Spulen erzeugt wird, und eines Magnetfeldes, das durch die in dem Stator 21 angeordneten Antriebsmagneten 24 erzeugt wird, angetrieben.
Unter Verwendung der 3 und 4 wird eine Konfiguration des Linearmotors 20 der ersten Ausführungsform beschrieben.
3 ist eine perspektivische Ansicht des Linearmotors 20 der ersten Ausführungsform (die einen Querschnitt des Tisches 53 enthält). 4 ist eine Vorderansicht des Linearmotors 20 der ersten Ausführungsform.
In dem Linearmotor 20 ist der Stator 21 mit mehreren plattenförmigen Antriebsmagneten 24 versehen, die so angeordnet sind, dass ihre Oberflächen, die als N-Pol oder als S-Pol magnetisiert sind, dem bewegenden Element 25 zugewandt sind. Der Linearmotor 20 ist ein Linearmotor des flachen Typs, in dem sich das bewegende Element 25 relativ zu dem Stator 21 geradlinig bewegt. Der Anker 60 des bewegenden Elements 25 befindet sich gegenüber dem Antriebsmagneten 24, wobei dazwischen ein Spalt g angeordnet ist.
Der Stator 21 besitzt eine langgestreckte Basis 54. Die mehreren Antriebsmagneten 24 sind in einer Reihe in der Bewegungsrichtung auf der Basis 54 angeordnet. Die Basis 54 ist aus einem Bodenwandabschnitt 54a und einem Paar Seitenwandabschnitte 54b, die in Breitenrichtung beiderseits des Bodenwandabschnitts 54a angeordnet sind, gebildet. Die mehreren Antriebsmagneten 24 sind an dem Bodenwandabschnitt 54a befestigt.
Die jeweiligen Antriebsmagneten 24 besitzen einen N-Pol und einen S-Pol, die an beiden Stirnflächen in einer Richtung senkrecht zu der Bewegungsrichtung (einer vertikalen Richtung in 4) ausgebildet sind. Die mehreren Antriebsmagneten 24 sind in einem Zustand angeordnet, in dem Magnetpole eines Paars Antriebsmagneten 24, die einander benachbart sind, relativ zueinander umgekehrt sind.
Wenn sich daher das bewegende Element 25 bewegt, werden die Magnetpole mit N-Polen und S-Polen der Antriebsmagneten 24 abwechselnd gegenüber dem an dem bewegenden Element 25 befestigten MR-Sensor 27 angeordnet.
Die Führungsschiene 23 der Führungsvorrichtung 22 ist an einer oberen Oberfläche des Seitenwandabschnitts 54b der Basis 54 befestigt. Der Gleitblock 26 ist an der Führungsschiene 23 so montiert, dass er darauf gleiten kann. Zwischen die Führungsschiene 23 und den Gleitblock 26 sind mehrere (nicht gezeigte) Kugeln so eingefügt, dass sie rollen können.
Der Gleitblock 26 ist mit einem schienenähnlichen Kugelumlaufkanal versehen, in dem die mehreren Kugeln umlaufen können.
Wenn der Gleitblock 26 an der Führungsschiene 23 gleitet, rollen die mehreren Kugeln zwischen der Führungsschiene 23 und dem Gleitblock 26. Außerdem laufen die mehreren Kugeln in dem Kugelumlaufkanal um. Daher können sich die Gleitblöcke 26 auf einer geraden Linie gleichmäßig bewegen.
Der Tisch 53 des bewegenden Elements 25 ist an einer oberen Oberfläche des Gleitblocks 26 der Führungsvorrichtung 22 befestigt. Der Tisch 53 ist aus einem nichtmagnetischen Material wie etwa Aluminium hergestellt. An dem Tisch 53 ist ein sich bewegendes Ziel befestigt. Der Anker 60 ist an einer unteren Oberfläche des Tisches 53 aufgehängt.
Wie in der Vorderansicht von 4 gezeigt ist, ist zwischen dem Antriebsmagneten 24 und dem Anker 60 ein Spalt g gebildet. Die Führungsvorrichtung 22 hält außerdem den Spalt g konstant, wenn sich der Anker 60 relativ zu dem Antriebsmagneten 24 bewegt.
5 ist eine Querschnittsansicht des bewegenden Elements 25 der ersten Ausführungsform in der Bewegungsrichtung des bewegenden Elements 25.
Der Anker 60 ist an der unteren Oberfläche des Tisches 53 befestigt, wobei dazwischen ein Wärmeisolator 63 eingefügt ist. Der Anker 60 ist aus einem Kern 64, der aus einem magnetischen Material wie etwa Siliziumstahl hergestellt ist, und aus mehreren Spulen gebildet. Die mehreren Spulen umfassen Spulen 28u, 28v und 28w, die um vorstehende Pole 64u, 64v bzw. 64w des Kerns 64 gewickelt sind.
Die Spulen 28u, 28v und 28w werden von der Steuervorrichtung 10 mit einem Dreiphasen-Wechselstrom, der eine Phasendifferenz besitzt, versorgt.
Die drei Spulen 28u, 28v und 28w werden um die vorstehenden Pole 64u, 64v bzw. 64w gewickelt. Dann werden die drei Spulen 28u, 28v und 28w mit einem Harz versiegelt.
An der unteren Oberfläche des Tisches 53 ist ein Paar Hilfskerne 67 befestigt, wobei dazwischen der Anker 60 angeordnet ist. Der Hilfskern 67 ist vorgesehen, um einen Versatz, der in dem Linearmotor 20 auftritt, zu verringern.
6 ist eine schematische Ansicht, die relative Positionen zwischen dem MR-Sensor 27, den Spulen 28u, 28v und 28w und den Antriebsmagneten 24 der ersten Ausführungsform zeigt.
In dem Stator 21 sind die Antriebsmagneten 24 in einer Reihe in regelmäßigen Intervallen auf dem Bodenwandabschnitt 54a der Basis 54 angeordnet. Die Antriebsmagneten 24N, deren N-Poloberflächen dem MR-Sensor 27 zugewandt sind, und die Antriebsmagneten 24S, deren S-Poloberflächen dem MR-Sensor 27 zugewandt sind, sind abwechselnd angeordnet.
In dem bewegenden Element 25 sind die Spulen 28u, 28v und 28w so angeordnet, dass sie sich längs einer geraden Linie bewegen, die durch die jeweilige Mitte der in dem Stator 21 angeordneten Antriebsmagneten 24 verläuft und zu der Bewegungsrichtung parallel ist. Der MR-Sensor 27 ist wie in den Fällen der Spulen 28u, 28v und 28w befestigt. Der MR-Sensor 27 ist an einer Position befestigt, die durch die Mitte jedes Antriebsmagneten 24 verläuft und längs einer geraden Linie parallel zu der Bewegungsrichtung verläuft. Daher kann sich der MR-Sensor 27 durch eine Position des stärksten Magnetfeldes, das durch die Antriebsmagneten 24 erzeugt wird, bewegen.
7 ist ein schematischer Blockschaltplan, der eine Konfiguration der Steuervorrichtung 10 für den Linearmotor 20 der ersten Ausführungsform zeigt.
Die Steuervorrichtung 10 ist mit einem Subtrahierer 101, einer Positionssteuereinheit 102, einem Subtrahierer 103, einer Geschwindigkeitssteuereinheit 104, einer Stromsteuereinheit 105, einem Leistungsumsetzer 106, einem Stromtransformator 107, einer Positionsdetektionseinheit 108 und einer Schätzeinheit 150 versehen.
Der Subtrahierer 101 berechnet eine Positionsabweichung durch Subtrahieren einer Detektionsposition θ, die von der Positionsdetektionseinheit 108 eingegeben wird, von einem Positionsbefehlswert θrm, der von der (nicht gezeigten) Steuervorrichtung höherer Ebene eingegeben wird.
Die Detektionsposition θ gibt eine Position des bewegenden Elements 25 des Linearmotors 20 an, wenn der Ursprung eine vorgegebene Position ist.
Die Positionssteuereinheit 102 berechnet einen Geschwindigkeitsbefehlswert ωrm für die Bewegung des bewegenden Elements 25 des Linearmotors 20 in eine Position, die durch den Positionsbefehlswert θrm angegeben wird, anhand der durch den Subtrahierer 101 berechneten Positionsabweichung.
Der Subtrahierer 103 subtrahiert eine Schätzgeschwindigkeit ωMO des bewegenden Elements 25, die von der Schätzeinheit 150 eingegeben wird, von dem Geschwindigkeitsbefehlswert ωrm, der durch die Positionssteuereinheit 102 berechnet wird. Der Subtrahierer 103 berechnet ein Subtraktionsergebnis (eine Geschwindigkeitsabweichung).
Die Schätzgeschwindigkeit ωMO ist eine Bewegungsgeschwindigkeit des bewegenden Elements 25, die durch die Schätzeinheit 150 aus der Spannung, die an den Linearmotor 20 angelegt wird, und aus dem Strom, der in den Linearmotor 20 fließt, geschätzt wird.
Die Geschwindigkeitssteuereinheit 104 berechnet einen Strombefehlswert, der einen Stromwert eines Stroms, der in die Spulen 28u, 28V und 28w des Linearmotors 20 fließt, angibt, anhand der durch den Subtrahierer 103 berechneten Geschwindigkeitsabweichung, so dass die Bewegungsgeschwindigkeit des bewegenden Elements 25 des Linearmotors 20 gleich dem Geschwindigkeitsbefehlswert ωrm ist.
Die Geschwindigkeitssteuereinheit 104 berechnet den Strombefehlswert so, dass die Geschwindigkeitsabweichung ”null” wird. Die Geschwindigkeitssteuereinheit 104 berechnet den Strombefehlswert so, dass die Bewegungsgeschwindigkeit des bewegenden Elements 25 gleich dem Geschwindigkeitsbefehlswert ωrm ist, beispielsweise durch PI-Steuerung, PID-Steuerung oder dergleichen.
Die Geschwindigkeitssteuereinheit 104 führt eine Vektorsteuerung aus, um den Strombefehlswert auszugeben, der zwei Stromwerte auf einer d-Achse und einer q-Achse eines Drehkoordinatensystems des Geschwindigkeitsbefehlswerts enthält.
Die Stromsteuereinheit 105 führt eine Zweiphasen-in-Dreiphasen-Umsetzung des durch die Geschwindigkeitssteuereinheit 104 berechneten Strombefehlswerts aus. Die Stromsteuereinheit 105 berechnet einen Spannungswert einer Spannung, die an die Spulen 28u, 28V und 28w des Linearmotors 20 angelegt wird.
Der Leistungsumsetzer 106 setzt eine Spannung, die Von außerhalb zugeführt wird, in einen Spannungswert um, der durch die Stromsteuereinheit 105 berechnet wird. Der Leistungsumsetzer 106 legt die umgesetzte Spannung an die Spulen 28u, 28v und 28w des Linearmotors 20 an, um den Linearmotor 20 anzutreiben. Der Leistungsumsetzer 106 legt die umgesetzte Spannung an die Schätzeinheit 150 an.
Der Leistungsumsetzer 106 besitzt einen oberen Arm und einen unteren Arm, die entsprechend der Anzahl der Spulen 28u, 28v und 28w des Linearmotors 20 vorgesehen sind. Der obere Arm und der untere Arm besitzen ein Schaltelement.
Zu diesem Zeitpunkt führt der Leistungsumsetzer 106 den Spulen 28u, 28v und 28w des Ankers 60 über das Schaltelement durch PWM-Steuerung zum EIN/AUS-Schalten des Schaltelements in Übereinstimmung mit der Spannung, die von der Stromsteuereinheit 105 eingegeben wird, Leistung zu, um das bewegende Element 25 anzutreiben.
Beispielsweise wird als das Schaltelement ein Halbleiterelement wie etwa ein Bipolartransistor mit isoliertem Gate (IGBT) verwendet.
Der Stromtransformator 107 ist an einer leistungsführenden Leitung befestigt, die den Leistungsumsetzer 106 mit dem Linearmotor 20 verbindet. Der Stromtransformator 107 detektiert einen Stromwert i des zu dem Linearmotor 20 fließenden Stroms.
Die Positionsdetektionseinheit 108 detektiert eine Position des bewegenden Elements 25 aus zwei Signalen, (einem Kosinuswellensignal, einem Sinuswellensignal), die von dem Magnetsensor 27 des Linearmotors 20 ausgegeben werden. Die Positionsdetektionseinheit 108 gibt eine Detektionsposition θ, die die detektierte Position angibt, zu dem Subtrahierer 101 aus.
Die Schätzeinheit 150 besitzt eine Motormodelleinheit 151, einen Subtrahierer 152, eine Geschwindigkeitsschätzeinheit 153 und eine Tiefpassfiltereinheit 154.
Die Motormodelleinheit 151 berechnet einen Schätzstromwert iM eines Stroms, der in den Linearmotor 20 fließt, anhand einer Spannung, die an den Linearmotor 20 durch den Leistungsumsetzer 106 angelegt wird, einer Schätzbewegungsgeschwindigkeit des bewegenden Elements 25, die durch die Geschwindigkeitsschätzeinheit 153 geschätzt wird, und einer vorgegeben Motorkonstante des Linearmotors 20.
Die Motorkonstante ist beispielsweise ein Widerstandswert des Linearmotors 20, ein Induktivitätswert der d-Achse, ein Induktivitätswert der q-Achse, ein Koeffizient der induzierten Spannung oder dergleichen.
Der Subtrahierer 152 berechnet eine Stromabweichung Δi durch Subtrahieren des Schätzstromwerts iM, der durch die Motormodelleinheit 151 berechnet wird, von dem Stromwert i, der durch den Stromtransformator 107 detektiert wird.
Die Geschwindigkeitsschätzeinheit 153 berechnet die Schätzbewegungsgeschwindigkeit des bewegenden Elements 25 des Linearmotors 20 aus der Stromabweichung Δi, die durch den Subtrahierer 152 berechnet wird. Die Geschwindigkeitsschätzeinheit 153 gibt ein Signal, das die berechnete Schätzbewegungsgeschwindigkeit angibt, zu der Motormodelleinheit 151 und zu der Tiefpassfiltereinheit 154 aus.
Die Tiefpassfiltereinheit 154 entfernt eine Hochfrequenz-Pulsationskomponente, die in der durch die Geschwindigkeitsschätzeinheit 153 berechneten Schätzbewegungsgeschwindigkeit enthalten ist. Die Tiefpassfiltereinheit 154 gibt die Schätzbewegungsgeschwindigkeit, aus der die Pulsationskomponente entfernt ist (eine Schätzgeschwindigkeit ωMO), zu dem Subtrahierer 103 aus.
Aufgrund dieser Konfiguration berechnet die Schätzeinheit 150 eine Schätzung der Bewegungsgeschwindigkeit des bewegenden Elements 25 des Linearmotors 20 (eine Schätzbewegungsgeschwindigkeit) anhand des Spannungswerts der Spannung, die an den Linearmotor 20 angelegt wird, und des Stromwerts i des Stroms, der in den Linearmotor 20 fließt (Referenzliteratur: Yoji Takeda, Nobuyuki Matsui, Shigeo Morimoto und Yukio Honda, "Design and Control of Interior Permanent Magnet Synchronous Motor", dritte Auflage der ersten Ausgabe, Ohmsha, Juli 2004, S. 111–115).
Die Linearmotorvorrichtung 1 umfasst die Positionssteuereinheit 102, die eine Positionssteuerung zum Berechnen des Geschwindigkeitsbefehlswerts unter Verwendung der durch den MR-Sensor 27 detektierten Detektionsposition θ ausführt, und die Geschwindigkeitssteuereinheit 104, die eine Geschwindigkeitssteuerung zum Berechnen des Strombefehlswerts unter Verwendung der durch die Schätzeinheit 150 geschätzten Schätzgeschwindigkeit ωMO ausführt. Selbst wenn daher die Detektionsposition θ einen Fehler enthält, kann die Linearmotorvorrichtung 1 einen Einfluss des Fehlers auf den Strombefehlswert unter Verwendung der Schätzgeschwindigkeit ωMO verringern.
Die Linearmotorvorrichtung 1 der ersten Ausführungsform kann den Einfluss des Fehlers der Detektionsposition θ in der Berechnung des Strombefehlswerts im Vergleich zu dem Fall, in dem die Geschwindigkeit des bewegenden Elements 25 nur anhand eines Änderungsbetrags der Detektionsposition θ berechnet wird, verringern.
Daher wird die Genauigkeit der Steuerung des Linearmotors 20 ohne Verwendung einer linearen Skala verbessert, so dass es möglich ist, eine wiederholte Positionierungssteuerung des bewegenden Elements 25 des Linearmotors 20 genau auszuführen und die Positionierungsgenauigkeit zu verbessern.
Die Steuervorrichtung 10 führt eine Positionssteuerung zum Berechnen des Geschwindigkeitsbefehlswerts unter Verwendung der durch den MR-Sensor 27 detektierten Detektionsposition und eine Geschwindigkeitssteuerung zum Berechnen des Strombefehlswerts unter Verwendung der durch die Schätzeinheit 150 geschätzten Schätzgeschwindigkeit ωMO auf parallele Weise aus. Bei der Steuervorrichtung 10 besteht kein Bedarf an einem Umschalten der Steuerung wie in der in der Patentliteratur 1 beschriebenen Technik. Die Steuervorrichtung 10 kann eine Ungleichmäßigkeit der Bewegungsgeschwindigkeit des bewegenden Elements 25 verringern und den Linearmotor 20 gleichmäßig steuern.
(Zweite Ausführungsform)
8 ist ein schematischer Blockschaltplan, der eine Konfiguration einer Steuervorrichtung 11 für einen Linearmotor 20 einer zweiten Ausführungsform zeigt. Die Steuervorrichtung 11 der zweiten Ausführungsform unterscheidet sich von der Steuervorrichtung 10 der ersten Ausführungsform dadurch, dass eine Geschwindigkeitsberechnungseinheit 111 und eine Geschwindigkeitsauswahleinheit 112 vorgesehen sind.
Im Folgenden werden die Geschwindigkeitsberechnungseinheit 111 und die Geschwindigkeitsauswahleinheit 112 beschrieben. Außerdem sind andere Konfigurationen, die gleich jenen in der ersten Ausführungsform sind, mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet, ferner werden ihre Beschreibungen weggelassen.
Die Geschwindigkeitsberechnungseinheit 111 berechnet eine Bewegungsgeschwindigkeit des bewegenden Elements 25 aus einer Änderung pro Einheitszeit der Detektionsposition θ, die durch die Positionsdetektionseinheit 108 detektiert wird.
Die Geschwindigkeitsauswahleinheit 112 wählt entweder die Schätzgeschwindigkeit ωMO, die von der Tiefpassfiltereinheit 154 der Schätzeinheit 150 ausgegeben wird, oder die Bewegungsgeschwindigkeit, die durch die Geschwindigkeitsberechnungseinheit 111 berechnet wird, anhand einer Größe des Stromwertes i, der durch den Stromtransformator 107 detektiert wird, aus und gibt die Geschwindigkeit zu einem Subtrahierer 103 aus.
Der Subtrahierer 103 subtrahiert die durch die Geschwindigkeitsauswahleinheit 112 gewählte Geschwindigkeit von dem Geschwindigkeitsbefehlswert ωrm, der durch die Positionssteuereinheit 102 berechnet wird. Der Subtrahierer 103 gibt das Subtraktionsergebnis als die Geschwindigkeitsabweichung zu der Geschwindigkeitssteuereinheit 104 aus.
Wenn der durch den Stromtransformator 107 detektierte Stromwert i kleiner ist als ein vorgegebener Stromwert (ein Schwellenwert), wählt die Geschwindigkeitsauswahleinheit 112 die durch die Geschwindigkeitsberechnungseinheit 111 berechnete Bewegungsgeschwindigkeit aus. Wenn der Stromwert i größer oder gleich dem Schwellenwert ist, behält die Geschwindigkeitsauswahleinheit 112 die durch die Schätzeinheit 150 berechnete Schätzgeschwindigkeit ωMO.
Bei einer solchen Konfiguration erhält die Linearmotorvorrichtung der zweiten Ausführungsform die gleichen Wirkungen wie die Linearmotorvorrichtung 1 der ersten Ausführungsform. Die Linearmotorvorrichtung der zweiten Ausführungsform ist mit der Positionssteuereinheit 102 versehen, die eine Positionssteuerung zum Berechnen des Geschwindigkeitsbefehlswerts unter Verwendung der durch einen MR-Sensor 27 detektierten Detektionsposition θ aus, und ist mit der Geschwindigkeitssteuereinheit 104 versehen, die eine Geschwindigkeitssteuerung zum Berechnen des Strombefehlswerts unter Verwendung der durch die Schätzeinheit 150 geschätzten Schätzgeschwindigkeit ωMO ausführt. Selbst wenn daher die Detektionsposition θ einen Fehler enthält, kann die Linearmotorvorrichtung der zweiten Ausführungsform einen Einfluss des Fehlers auf den Strombefehlswert unter Verwendung der Schätzgeschwindigkeit ωMO verringern.
In der Linearmotorvorrichtung der zweiten Ausführungsform wählt die Steuervorrichtung 11 anhand der Größe des Stromwerts i, der durch den Stromtransformator 107 detektiert wird, entweder die Schätzgeschwindigkeit ωMO, die durch die Schätzeinheit 150 geschätzt wird, oder die Bewegungsgeschwindigkeit, die anhand des von dem Magnetsensor 27 ausgegebenen Signals berechnet wird, aus. Die Steuereinheit 11 führt eine Geschwindigkeitssteuerung unter Verwendung der gewählten Geschwindigkeit aus.
Wenn der Stromwert i, der durch den Stromtransformator 107 detektiert wird, kleiner ist als der Schwellenwert, nimmt der Schätzfehler der Schätzgeschwindigkeit ωMO, die durch die Schätzeinheit 150 berechnet wird, einfach zu. Daher steuert die Steuervorrichtung 11 den Linearmotor 20 unter Verwendung der durch die Geschwindigkeitsberechnungseinheit 111 berechneten Bewegungsgeschwindigkeit. Wenn andererseits der Stromwert i, der durch den Stromtransformator 107 detektiert wird, größer oder gleich dem Schwellenwert ist, nimmt der Schätzfehler der Schätzgeschwindigkeit ωMO, die durch die Schätzeinheit 150 berechnet wird, nicht einfach zu. Daher steuert die Steuervorrichtung 11 den Linearmotor 20 unter Verwendung der Schätzgeschwindigkeit ωMO.
Wenn daher der Stromwert i des Stroms, der in den Linearmotor 20 fließt, klein ist und der Schätzfehler der Schätzgeschwindigkeit ωMO einfach zunimmt, führt die Steuervorrichtung 11 eine Geschwindigkeitssteuerung unter Verwendung der Geschwindigkeit, die auf dem von dem Magnetsensor 27 ausgegebenen Signal beruht, aus. Somit ist es möglich, eine Verringerung der Steuergenauigkeit des Linearmotors 20 zu verhindern und die Positionierungsgenauigkeit zu verbessern.
In der ersten und in der zweiten Ausführungsform ist die Konfiguration beschrieben worden, in der die Steuervorrichtungen 10 bzw. 11 den Linearmotor 20 des flachen Typs steuern, indem sich das bewegende Element 25, das mit dem Anker 60 versehen ist, relativ zu dem Stator 21, der mit den Antriebsmagneten 24 versehen ist, geradlinig bewegt. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf die Konfiguration zum Steuern des Linearmotors 20 des flachen Typs eingeschränkt.
Die Steuervorrichtung 10 kann auch auf einen Linearmotor des Stabtyps angewendet werden, in dem sich ein bewegendes Element, das mit einem Antriebsmagneten des Stabtyps versehen ist, geradlinig relativ zu einem Stator bewegt, der mit einem Anker (einer Spule) versehen ist.
Außerdem ist in der ersten und in der zweiten Ausführungsform die Konfiguration beschrieben worden, in der die Antriebsmagneten 24 in einer Reihe auf einer geraden Linie angeordnet sind, die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht darauf eingeschränkt. Die Antriebsmagneten 24 können je nach Verwendung des Linearmotors 20 in einer Reihe mit gekrümmter Form angeordnet sein.
In den Steuervorrichtungen 10 und 11 der ersten und der zweiten Ausführungsform kann ein Computersystem vorgesehen sein. In diesem Fall sind die Prozesse der Subtrahierer, der Positionssteuereinheit, der Geschwindigkeitssteuereinheit, der Stromsteuereinheit, der Schätzeinheit, der Positionsdetektionseinheit, der Geschwindigkeitsberechnungseinheit und der Geschwindigkeitsauswahleinheit in einem computerlesbaren Speichermedium in Form eines Programms gespeichert. Wenn das Programm ausgelesen und von einem Computer ausgeführt wird, werden die oben beschriebenen Prozesse ausgeführt.
Das computerlesbare Speichermedium ist eine Magnetplatte, eine magnetooptische Platte, eine CD-ROM, eine DVD-ROM, ein Halbleiterspeicher oder dergleichen. Das Computerprogramm kann einem Computer durch eine Kommunikationsleitung zugeführt werden und der Computer, der die Lieferung empfängt, kann das Computerprogramm ausführen.
Bezugszeichenliste

1: Linearmotorvorrichtung
10, 11: Steuervorrichtung
20: Linearmotor
21: Stator
24, 24N, 24S: Antriebsmagnet
25: bewegendes Element
27: MR-Sensor (Magnetsensor)
101, 1103, 152: Subtrahierer
102: Positionssteuereinheit
104: Geschwindigkeitssteuereinheit
105: Stromsteuereinheit
106: Leistungsumsetzer
107: Stromtransformator
108: Positionsdetektionseinheit
111: Geschwindigkeitsberechnungseinheit
112: Geschwindigkeitsauswahleinheit
150: Schätzeinheit
151: Motormodelleinheit
152: Subtrahierer
153: Geschwindigkeitsschätzeinheit
154: Tiefpassfiltereinheit

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP 2010-220726 [0002]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

”Vertical-Type MR Sensor Technical Data”, [online], 1. Oktober 2005, KOHDEN Co., Ltd., ”retrieval an August 30, 2010”, Internet <URL; http://www.hkd.co.jp/technique/img/amr-notel.pdf> [0029]
Yoji Takeda, Nobuyuki Matsui, Shigeo Morimoto und Yukio Honda, ”Design and Control of Interior Permanent Magnet Synchronous Motor”, dritte Auflage der ersten Ausgabe, Ohmsha, Juli 2004, S. 111–115 [0074]

Claims

Steuervorrichtung für einen Linearmotor, der eine Magneteinheit, die mehrere Antriebsmagneten besitzt, bei denen N-Pole und S-Pole abwechselnd in einer Reihe angeordnet sind, und einen Anker, der mehrere Spulen besitzt, enthält, wobei entweder der Anker oder die Magneteinheit ein bewegendes Element ist und das bewegende Element sich in einer Anordnungsrichtung, in der die Antriebsmagneten angeordnet sind, durch ein Magnetfeld, das dadurch erzeugt wird, dass ein Strom in die mehreren Spulen des Ankers fließen kann, und durch ein Magnetfeld, das durch die mehreren Antriebsmagneten der Magneteinheit erzeugt wird, bewegt, wobei die Steuervorrichtung umfasst: eine Positionsdetektionseinheit, die eine Position des bewegenden Elements anhand einer Änderung eines Signals, das von einem Magnetsensor, den der Anker besitzt, ausgegeben wird, detektiert, wobei der Magnetsensor das Signal in Übereinstimmung mit einer Richtung des durch die Antriebsmagneten erzeugten Magnetfeldes ausgibt; eine Positionssteuereinheit, die einen Geschwindigkeitsbefehlswert anhand der Position des bewegenden Elements, die durch die Positionsdetektionseinheit detektiert wird, und eines Positionsbefehlswerts, der von außerhalb der Steuervorrichtung eingegeben wird, berechnet; eine Schätzeinheit, die eine Bewegungsgeschwindigkeit des bewegenden Elements aus einem Stromwert des in die mehreren Spulen des Linearmotors fließenden Stroms schätzt; eine Geschwindigkeitssteuereinheit, die einen Strombefehlswert anhand des durch die Positionssteuereinheit berechneten Geschwindigkeitsbefehlswerts und der Bewegungsgeschwindigkeit des bewegenden Elements, die durch die Schätzeinheit geschätzt wird, berechnet; und einen Leistungsumsetzer, der den mehreren Spulen in Übereinstimmung mit dem durch die Geschwindigkeitssteuereinheit berechneten Strombefehlswert Leistung zuführt.
Steuervorrichtung für den Linearmotor nach Anspruch 1, wobei die Schätzeinheit umfasst: eine Motormodelleinheit, die einen Stromwert des in die mehreren Spulen fließenden Stroms anhand einer Spannung, die an die mehreren Spulen angelegt wird, einer Schätzgeschwindigkeit, die durch Schätzen der Bewegungsgeschwindigkeit des bewegenden Elements erhalten wird, und einer Motorkonstante des Linearmotors berechnet; eine Geschwindigkeitsschätzeinheit, die die Schätzgeschwindigkeit unter Verwendung einer Stromabweichung, die durch Subtrahieren des durch die Motormodelleinheit berechneten Stromwerts von dem Stromwert des in die mehreren Spulen fließenden Stroms erhalten wird, berechnet; und eine Tiefpassfiltereinheit, die eine Hochfrequenz-Pulsationskomponente aus der Schätzgeschwindigkeit, die durch die Geschwindigkeitsschätzeinheit berechnet wird, entfernt.
Steuervorrichtung für den Linearmotor nach Anspruch 2, die ferner umfasst: eine Geschwindigkeitsberechnungseinheit, die eine Bewegungsgeschwindigkeit des bewegenden Elements aus einer Änderung der Position des bewegenden Elements, die durch die Positionsdetektionseinheit detektiert wird, berechnet; und eine Geschwindigkeitsauswahleinheit, die die Bewegungsgeschwindigkeit, die durch die Geschwindigkeitsberechnungseinheit berechnet wird, auswählt, wenn der Stromwert des in die mehreren Spulen fließenden Stroms kleiner als ein vorgegebener Schwellenwert ist, und die Schätzgeschwindigkeit auswählt, wenn der Stromwert größer oder gleich dem Schwellenwert ist, wobei die Geschwindigkeitssteuereinheit den Strombefehlswert anhand des durch die Positionssteuereinheit berechneten Geschwindigkeitsbefehlswerts und der durch die Geschwindigkeitsauswahleinheit ausgewählten Geschwindigkeit berechnet.
Linearmotorvorrichtung, die umfasst: einen Linearmotor, der eine Magneteinheit, die mehrere Antriebsmagneten besitzt, bei denen N-Pole und S-Pole abwechselnd in einer Reihe angeordnet sind, und einen Anker, der mehrere Spulen besitzt, enthält, wobei entweder der Anker oder die Magneteinheit ein bewegendes Element ist und das bewegende Element sich in einer Anordnungsrichtung, in der die Antriebsmagneten angeordnet sind, durch ein Magnetfeld, das dadurch erzeugt wird, dass ein Strom in die mehreren Spulen des Ankers fließen kann, und durch ein Magnetfeld, das durch die mehreren Antriebsmagneten der Magneteinheit erzeugt wird, bewegt; und eine Steuervorrichtung, die eine Positionsdetektionseinheit, die eine Position des bewegenden Elements anhand einer Änderung eines Signals, das von einem Magnetsensor, den der Anker besitzt, ausgegeben wird, detektiert, wobei der Magnetsensor das Signal in Übereinstimmung mit einer Richtung des durch die Antriebsmagneten erzeugten Magnetfeldes ausgibt, eine Positionssteuereinheit, die einen Geschwindigkeitsbefehlswert anhand der Position des bewegenden Elements, die durch die Positionsdetektionseinheit detektiert wird, und eines Positionsbefehlswerts, der von außerhalb der Steuervorrichtung eingegeben wird, berechnet, eine Schätzeinheit, die eine Bewegungsgeschwindigkeit des bewegenden Elements aus einem Stromwert des in die mehreren Spulen des Linearmotors fließenden Stroms schätzt, eine Geschwindigkeitssteuereinheit, die einen Strombefehlswert anhand des durch die Positionssteuereinheit berechneten Geschwindigkeitsbefehlswerts und der Bewegungsgeschwindigkeit des bewegenden Elements, die durch die Schätzeinheit geschätzt wird, berechnet, und einen Leistungsumsetzer, der den mehreren Spulen in Übereinstimmung mit dem durch die Geschwindigkeitssteuereinheit berechneten Strombefehlswert Leistung zuführt, umfasst.