JP2007043859A - 電動力変換装置および電動力変換方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 空気圧の変化やプラテンとモータ間のギャップが変化した場合でも、良好な位置制御性能を得る位置決め制御系の電動力変換装置および電動力変換方法を提供する
【解決手段】 推力指令をｄ−ｑ軸電流指令に変換し、３相電流をｄ−ｑ軸電流に座標変換演算し、ｄ−ｑ軸電流指令に前記ｄ−ｑ軸電流が追従するようにｄ−ｑ軸電圧指令を生成し、ｄ−ｑ軸電圧指令を３相電圧指令へ座標変換し、ｑ軸電流と前記ｑ軸電圧指令に基づいて推定ｑ軸電流と推定外乱値を外乱オブザーバで推定し、ｄ軸電流と電気角周波数と係数を乗算して補正電圧を生成し、推定外乱値から補正電圧を減算して推定誘起電圧を生成し、推定誘起電圧を電気角周波数で除算して推定磁束値をもとめる手順で処理する。
【選択図】図３

Description

本発明は、位置決め制御系の電動力変換装置および電動力変換方法に関する。

従来技術における平面サーボモータシステムを構築する位置決め制御装置は、図４のようになっている（例えば、特許文献１参照）。
図４において、１１はスライダであり、１２は格子プラテンであり、１３はＸ平面ミラーであり、１４はＹ平面ミラーであり、１５はモータ部であり、１６は上位コントローラ、１７はＸＹサーボドライバ部、１８はＸ１軸モータコア、１９はＸ２軸モータコア、２０はＸ１軸モータ、２１はＸ２軸モータ、２２はＹ１軸モータコア、２３はＹ２軸モータコア、２４はＹ１軸モータ、２５はＹ２軸モータ、３２は３軸レーザ干渉計、５５はＸ軸位置・速度制御部、５６はＹ軸位置・速度制御部、５７は姿勢制御部、５８はＸ１電流駆動インバータ、５９はＸ２電流駆動インバータ、６０はＹ１電流駆動インバータ、６１はＹ２電流駆動インバータ、６２は座標変換部である。スライダ１１は固定物であるプラテンに対し空気などで浮揚しており、Ｘ軸方向にＸ１軸モータ２０、Ｘ２軸モータ２１の２個のモータを搭載し、Ｙ軸方向にＹ１軸モータ２２、Ｙ２軸モータ２３を搭載して、２次元平面を駆動できるようにしてある。制御系については、３次元レーザ干渉計によりスライダ位置が計測されるが、Ｘ座標に関して並列に２箇所計測し、その差分を計測することでヨーイング角を算出する。以上により、Ｘ座標位置、Ｙ座標位置およびヨーイング座標θ角度を検出し、各座標ごとにフィードバック制御部５５、５６、６３を有し、目標位置との偏差を評価し、推力指令を決定する。また、あらかじめピッチング角、ローリング角を実験的に測定した結果をテーブルとして制御系内部に格納しておき、検出したＸ軸座標、Ｙ座標、θ座標に応じてピッチング角、ローリング角を考慮した電流指令を、姿勢制御部５７にて演算し、各電流駆動インバータ５８，５９，６０，６１に電流振幅指令、転流角指令を出力している。
このように、従来の位置決め制御装置は、浮揚したスライダの姿勢を安定化してスライダの位置決めを実行しているのである。
特開２００４−３８４２６号公報（第１２頁、図４）

従来の位置決め制御装置は、スライダのピッチング角およびローリング角をテーブルにより管理しているために、スライダ上に何らかの負荷が搭載され、質量中心がずれた場合に発生するピッチング角、ローリング角の変化をリアルタイムに修正することができない。そのため、プラテンとのギャップの変動により生じる各モータでの推力定数の変化により、安定した運動性能が得られず、位置決め性能が劣化するという問題があった。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、空気圧の変化および負荷変更によりプラテンとモータ間のギャップが変化した場合でも、良好な位置制御性能を得ることができる位置決め制御系の電動力変換装置および電動力変換方法を提供することを目的とする。

上記問題を解決するため、本発明は、次のようにしたのである。

請求項１に記載の発明は、位置検出器付き同期電動機で平面上を空気浮揚移動するスライダを駆動する位置決め制御系に含まれ、前記位置決め制御系の位置決め制御器が生成する推力指令に基づき前記同期電動機に電力を供給する電動力変換装置であって、前記同期電動機の電流を検出する電流検出器と、前記推力指令をｄ−ｑ座標系のｄ−ｑ軸電流指令に変換する指令変換器と、前記電流をｄ−ｑ座標系のｄ−ｑ軸電流へ座標変換する第１座標変換器と、前記ｄ−ｑ軸電流指令にｄ−ｑ軸電流が追従するようにｄ−ｑ軸電圧指令を生成する電流制御器と、前記ｄ−ｑ軸電圧指令を３相電圧指令へ座標変換する第２座標変換器と、前記３相電圧指令に基づいて前記同期電動機に電圧を印加するインバータとを有する電動力変換装置において、前記ｄ−ｑ軸電流と前記ｑ軸電圧指令と電気角周波数に基づいて推定磁束を演算するオブザーバを備えることを特徴とするものである。

また、請求項２に記載の発明は、請求項１記載の電動力変換装置において、前記オブザーバは、前記オブザーバは、前記ｑ軸電流と前記ｑ軸電圧指令に基づいて推定ｑ軸電流と推定外乱値を生成する外乱オブザーバと、前記ｄ軸電流と電気角周波数と係数とを乗算し補正電圧を生成する乗算手段と、前記推定外乱値から前記補正電圧を減算し推定誘起電圧を生成する減算手段と、前記推定誘起電圧を前記電気角周波数で除し推定磁束値を生成する除算手段と、を備えることを特徴としたものである。

また、請求項３に記載の発明は、位置検出器付き同期電動機で平面上を空気浮揚移動するスライダを駆動する位置決め制御系に含まれ、前記位置決め制御系の位置決め制御器が生成する推力指令に基づき前記同期電動機に電力を供給する電動力変換装置の電動力変換方法であって、前記同期電動機の電流を検出する電流検出器と、前記推力指令をｄ−ｑ座標系のｄ−ｑ軸電流指令に変換する指令変換器と、前記電流をｄ−ｑ座標系のｄ−ｑ軸電流へ座標変換する第１座標変換器と、前記ｄ−ｑ軸電流指令にｄ−ｑ軸電流が追従するようにｄ−ｑ軸電圧指令を生成する電流制御器と、前記ｄ−ｑ軸電圧指令を３相電圧指令へ座標変換する第２座標変換器と、前記３相電圧指令に基づいて前記同期電動機に電圧を印加するインバータとを有する電動力変換装置の電力変換方法において、前記ｑ軸電流と前記ｑ軸電圧指令に基づいて推定ｑ軸電流と推定外乱値を外乱オブザーバで生成し、前記ｄ軸電流と電気角周波数と係数と乗算して補正電圧を生成し、前記推定外乱値から前記補正電圧を減算して推定誘起電圧を生成し、前記推定誘起電圧を前記電気角周波数で除算して推定磁束値を生成し、前記推定磁束値を、変換係数Ｋｔに用いることを特徴とするものである。

また、請求項４に記載の発明は、前記推定磁束値を用いて、前記推力指令を前記電流指令のｑ軸電流指令に変換する変換係数Ｋｔは、

であり、ｄ軸電流指令は０にするものである。

請求項１および請求項２および請求項３に記載の発明によると、電流ループ内に設けられたオブザーバを用いて推力／電流変換係数に関わる磁束値を常に推定し、推力指令から電流指令に変換する際にその推定磁束値を用いるので、スライダとプラテンとのギャップの程度に応じた推力／電流変換係数を常時補償でき、空気圧の変化および負荷変更によりプラテンとモータ間のギャップが変化した場合でも、良好な位置制御性能を得ることができる。
また、請求項４に記載の発明によると、オブザーバに用いる各状態変数が有するノイズなどの影響により推定磁束値が真値からあまりに外れた場合でも、その値を用いることなくノミナル値に切り替えるので、検出系にノイズなどが存在しても安定して電動力変換を実施することができる。

以下、本発明の具体的実施例について、図に基づいて説明する。

図１は、本発明の電動力変換装置例の構成を示す概略図である。図において１０１は電動力変換装置、１０２はスライダの一隅、１０３はスライダに搭載された同期電動機、１０４は前記同期電動機の位置もしくは速度を検出する位置もしくは速度検出器、１０５は指令変換器、１０６は電流制御器、１０７は電流制御器から得られたｄ−ｑ軸電圧指令を３相電圧指令へ座標変換する第２座標変換器、１０８は電流検出器により得られた電流をｄ−ｑ座標系のｄ−ｑ軸電流へ座標変換する第１座標変換器、１０９はｄ−ｑ軸電流とｑ軸電圧指令値と電気角周波数とに基づいて推定磁束値を演算するオブザーバ、１１０は３相電圧指令に基づいて前記同期電動機に電圧を印加するインバータ、１１１は電流検出器である。
本発明が特許文献１と異なっているのは、電流制御を行っている箇所にオブザーバを備えた部分である。これにより、スライダと平面とのギャップが異なることにより、磁束値が変化し、推力定数が異なったとしても、オンラインで推力／電流変換係数が調整されるため、ギャップ変動に対応することができる。

図２は前記オブザーバ内の具体的構成例を示しているブロック図である。図２において、１２１は外乱オブザーバ、１２２は電気角周波数とｄ軸電流と係数を乗算し補正電圧を生成する乗算手段、１２３は推定外乱値から補正電圧を減算し推定誘起電圧を生成する減算手段、１２４は係数、１２５は除算手段、１２６は除算手段、その他同符号は図１と同じであるので重複説明を省略する。
例えばｄ−ｑ座標系における電流値と磁束値を状態変数としてオブザーバを構成してもよいが、（例えば国際公開番号ＷＯ２００２／０９１５５８）、それでは演算負荷が多くなり、高速な制御を実現することが難しくなる。そこで、図２のように、ｄ−ｑ軸座標系のｑ軸のみに着目し、オブザーバを構成することで、高速な演算を実現することができ、その結果、高性能な制御を実現することができる。

図３は本発明の電動力変換方法を示すブロック図である。図３において、３０１は指令変換部、３０２は電流制御部、３０３は電流制御部から得られたｄ−ｑ軸電圧指令を３相電圧指令へ変換する第２座標変換部、３０４は電流検出器により得られた電流をｄ−ｑ座標系のｄ−ｑ軸電流へ変換する第１座標変換部、３０５は外乱オブザーバ部、３０６は乗算手段、３０７は係数Ｌ、３０８は減算手段、３０９は除算手段である。
ここで、電流制御部における制御則は、通常よく用いられるフィードバック制御則でよく、例えば、比例積分制御則でよい。また、前記第１および第２座標変換部においても、いわゆるベクトル制御で用いられる２相／３相変換でよい。
一般に、ｄ−ｑ座標系おける同期電動機の電動機モデルは（１）式、（２）式のように表される。

ここで外乱オブザーバの状態変数を、ｉ_ｄ、ｉ_ｑ、φ_ｍａｇとして、オブザーバを構成してもよいが（例えば国際公開番号ＷＯ２００２／０９１５５８）、ここでは簡便に（２）式にのみ着目する。ここで、ｉ_ｑのみを状態変数として外乱オブザーバを構成すれば、高速なオブザーバを実現できる。そのオブザーバの構成は例えば文献「システム制御理論入門」（小郷寛、美多勉共著、実教出版株式会社（１９７９））などに掲載されているものでよい。（２）式より、外乱オブザーバにより推定される外乱ｄは、（３）式であるので、

システムマトリクスの定数として電気角周波数である−ω_Ｒ、電動機パラメータであるＬ_ｑ、電流検出値であるｉ_ｄを用いれば、推定外乱より乗算手段により補正電圧−Ｌ_ｑ・ω_Ｒ・ｉ_ｄ を演算することにより、外乱より差し引くことで推定誘起電圧−φ_ｍａｇ・ω_Ｒを抽出することができ、その結果、電気角周波数ω_Ｒを用いてφ_ｍａｇを推定することができる。推力／電流変換係数は１／φ_ｍａｇと表すことができるので、指令変換手段の推力／電流変換係数Ｋｔを推定されたφ_ｍａｇにあわせて調整すればよい。
係数Ｌは外乱オブザーバゲインとともに最適な値に調整されるゲインであり、理想的にはｑ軸インダクタンスに近い値になる。そこで、あらかじめｑ軸インダクタンスを測定しておき、測定した値を初期値として用いても良い。

ここで、オブザーバの入力である各電流値、電気角周波数などに存在するノイズの影響や、オブザーバ駆動初期の過渡状態時の推定値の挙動を考慮し、推定値に閾値を用いて

（４）式のように、変換係数を制限することにより、さらに安定した指令変換を実施することができる。ここでＫｔｎ、Ｋｔｎ１、Ｋｔｎ２は設計者により適当に調整されたものでよいが、例えばＫｔｎは電動機設計上求められるノミナル値、Ｋｔｎ１およびＫｔｎ２は、最大または最小ギャップから演算される変換係数制限値としてもよい。

図５は、本発明の電動力変換方法を示すフローチャートである。図５において、ステップＳＴ１で、推力指令をｄ−ｑ軸電流指令に変換し、ステップＳＴ２で３相電流をｄ−ｑ軸電流に座標変換し、ステップＳＴ３でｄ−ｑ軸電流指令にｄ−ｑ軸電流が追従するようにｄ−ｑ軸電圧指令を生成する。次に、ステップＳＴ４でｄ−ｑ軸電圧指令を３相電圧に座標変換し、ステップＳＴ５でｑ軸電流とｑ軸電圧指令に基づき、推定外乱値を生成し、ステップＳＴ６でｄ軸電流と電気角周波数と係数Ｌを乗算して補正電圧を生成する。次に、ステップＳＴ７で推定外乱値から補正電圧を減算して推定誘起電圧を生成し、ステップＳＴ８で推定誘起電圧を電気角周波数で除算して推定磁束値を生成し、ステップＳＴ９で推定磁束値を変換係数Ｋｔとする。

このように、簡便なオブザーバにより磁束を推定し、推力／電流変換係数を修正するので、ギャップ変動による推力定数の変動にオンラインで対応でき、その結果、良好な制御性能を得ることができる。また、推力／電流変換係数の修正に、閾値による切換機能を搭載することにより、状態変数の有するノイズやオブザーバの過渡応答により制御性能が劣化するのを防ぐことができる。

固定された平面、例えば平面モータシステムのプラテンとスライダ間のギャップ変動にも対応可能なように電動力変換を行うので、平面モータシステムの位置決め用途用の電動力変換装置にも適用できる。

本発明請求項１の実施例を示すブロック図 本発明請求項２の実施例を示すブロック図 本発明請求項３の実施例を示すブロック図 従来の装置構成を表した概略構成図 本発明の電動力変換方法を示すフローチャート

符号の説明

１１ スライダ
１２ 格子プラテン
１３ Ｘ平面ミラー
１４ Ｙ平面ミラー
１５ モータ部
１６ 上位コントローラ
１７ ＸＹサーボドライバ部
１８ Ｘ１軸モータコア
１９ Ｘ２軸モータコア
２０ Ｘ１軸モータ
２１ Ｘ２軸モータ
２２ Ｙ１軸モータコア
２３ Ｙ２軸モータコア
２４ Ｙ１軸モータ
２５ Ｙ２軸モータ
３２ ３軸レーザ干渉計
５５ Ｘ軸位置・速度制御部
５６ Ｙ軸位置・速度制御部
５７ 姿勢制御部
５８ Ｘ１電流駆動インバータ
５９ Ｘ２電流駆動インバータ
６０ Ｙ１電流駆動インバータ
６１ Ｙ２電流駆動インバータ
６２ 座標変換部
１０１ 電動力変換装置
１０２ スライダの一隅
１０３ スライダに搭載された同期電動機
１０４ 前記同期電動機の位置もしくは速度を検出する位置もしくは速度検出器
１０５ 指令変換器
１０６ 電流制御器
１０７ 電流制御器から得られたｄ−ｑ軸電圧指令を３相電圧指令へ座標変換する第２座 標変換器
１０８ 電流検出器により得られた電流をｄ−ｑ座標系のｄ−ｑ軸電流へ座標変換する第１座標変換器
１０９ ｄ−ｑ軸電流とｑ軸電圧指令値と電気角周波数とに基づいて推定磁束値を演算するオブザーバ
１１０ ３相電圧指令に基づいて前記同期電動機に電圧を印加するインバータ
１１１ 電流検出器
１２１ 外乱オブザーバ
１２２ 電気角周波数とｄ軸電流と係数を乗算し補正電圧を生成する乗算手段
１２３ 推定外乱値から補正電圧を減算し推定誘起電圧を生成する減算手段
１２４ 係数
１２５ 除算手段
１２６ 除算手段
３０１ 指令変換部
３０２ 電流制御部
３０３ 電流制御部から得られたｄ−ｑ軸電圧指令を３相電圧指令へ変換する第２座標変換部
３０４ 電流検出器により得られた電流をｄ−ｑ座標系のｄ−ｑ軸電流へ変換する第１座標変換部
３０５ 外乱オブザーバ部
３０６ 乗算手段
３０７ 係数
３０８ 減算手段
３０９ 除算手段

Claims (4)

1. 位置検出器付き同期電動機で平面上を空気浮揚移動するスライダを駆動する位置決め制御系に含まれ、前記位置決め制御系の位置決め制御器が生成する推力指令に基づき前記同期電動機に電力を供給する電動力変換装置であって、前記同期電動機の電流を検出する電流検出器と、前記推力指令をｄ−ｑ座標系のｄ−ｑ軸電流指令に変換する指令変換器と、前記電流をｄ−ｑ座標系のｄ−ｑ軸電流へ座標変換する第１座標変換器と、前記ｄ−ｑ軸電流指令にｄ−ｑ軸電流が追従するようにｄ−ｑ軸電圧指令を生成する電流制御器と、前記ｄ−ｑ軸電圧指令を３相電圧指令へ座標変換する第２座標変換器と、前記３相電圧指令に基づいて前記同期電動機に電圧を印加するインバータとを有する電動力変換装置において、
   前記ｄ−ｑ軸電流と前記ｑ軸電圧指令と電気角周波数に基づいて推定磁束を演算するオブザーバを備えることを特徴とした電動力変換装置。
2. 前記オブザーバは、前記ｑ軸電流と前記ｑ軸電圧指令に基づいて推定ｑ軸電流と推定外乱値を生成する外乱オブザーバと、
   前記ｄ軸電流と電気角周波数と係数とを乗算し補正電圧を生成する乗算手段と、
   前記推定外乱値から前記補正電圧を減算し推定誘起電圧を生成する減算手段と、
   前記推定誘起電圧を前記電気角周波数で除し推定磁束値を生成する除算手段と、
   を備えることを特徴とした請求項１記載の電動力変換装置。
3. 位置検出器付き同期電動機で平面上を空気浮揚移動するスライダを駆動する位置決め制御系に含まれ、前記位置決め制御系の位置決め制御器が生成する推力指令に基づき前記同期電動機に電力を供給する電動力変換装置の電動力変換方法であって、前記同期電動機の電流を検出する電流検出器と、前記推力指令をｄ−ｑ座標系のｄ−ｑ軸電流指令に変換する指令変換器と、前記電流をｄ−ｑ座標系のｄ−ｑ軸電流へ座標変換する第１座標変換器と、前記ｄ−ｑ軸電流指令にｄ−ｑ軸電流が追従するようにｄ−ｑ軸電圧指令を生成する電流制御器と、前記ｄ−ｑ軸電圧指令を３相電圧指令へ座標変換する第２座標変換器と、前記３相電圧指令に基づいて前記同期電動機に電圧を印加するインバータとを有する電動力変換装置の電力変換方法において、
   前記ｑ軸電流と前記ｑ軸電圧指令に基づいて推定ｑ軸電流と推定外乱値を外乱オブザーバで生成し、
   前記ｄ軸電流と電気角周波数と係数と乗算して補正電圧を生成し、
   前記推定外乱値から前記補正電圧を減算して推定誘起電圧を生成し、
   前記推定誘起電圧を前記電気角周波数で除算して推定磁束値を生成し、
   前記推定磁束値を、変換係数Ｋｔに用いる、
   ことを特徴とする電動力変換方法。
4. 前記変換係数Ｋｔは、
   
   
   
   であり、ｄ軸電流指令を０とすることを特徴とする請求項３記載の電動力変換方法。