JP2007228686A - 磁気浮上装置 - Google Patents

Abstract

【課題】浮上体の動揺がコイル抵抗推定値に与える影響を考慮して常に安定した浮上制御を行なうことのできる磁気浮上装置を提供する。
【解決手段】センサ部１２３で検出する磁石ユニット１０７のコイル１１９，１１９’に流れる電流値ｉ_zと、前記センサ部１２３から得られるコイル電流値に基づいて前記磁石ユニットが形成する磁気回路を安定化させるための励磁電圧値を演算する励磁電圧演算部１２５の出力と、ガイド１１３に対向する磁石ユニット１０７の空隙の変動速度を検出する速度検出部としての姿勢推定部１３３で推定される前記変動速度に基づいて抵抗測定部１４０で前記コイルの抵抗値を演算する。この演算結果に基づいて姿勢推定部１３３および励磁電圧演算部１２５において浮上制御が行なわれる。これにより、浮上体１１１が動揺してもコイル抵抗推定値が揺らぐことがなく、その値に基づいて常に安定した浮上制御を行なうことができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、常電導吸引式磁気浮上により浮上体を非接触で支持する磁気浮上装置に関する。

常電導吸引式磁気浮上装置は、騒音や発塵がなく、超高速地表輸送機（以下、ＨＳＳＴ―High Speed Surface Transport―）やトランスラピッド等の鉄道や半導体工場でのクリーンルーム内搬送システムにおいて、既に実用化が図られている。また、この磁気浮上装置をエレベータの乗りかごの案内装置に適用すること（特許文献１参照）や、ドアへ適用することも試みられている。

このような磁気浮上装置は、電磁石を強磁性部材に対向させ、電磁石の励磁によって強磁性部材との間に生じる吸引力を利用して浮上体を浮上させる。このため、基本的に磁気浮上系が不安定であり、それを安定化させるための対策が必要となる。一般的には、ギャップセンサにより浮上ギャップ長を検出し、それを駆動系へフィードバック制御することで安定化を図っている。しかし、ギャップセンサにて浮上ギャップ長を検出する場合、使用するギャップセンサに適したセンサターゲットが必要であり、そのセンサターゲットを強磁性部材に付随して敷設しなければならない。

このように、磁気浮上系の安定化を図るためには、ギャップセンサやセンサターゲットといった部品が必要であり、その分コストが掛かると共に、その設置スペースを確保するために装置が大型化するといった問題があった。また、鉄道や搬送システムにおいては、強磁性ガイドで構成される軌道に分岐個所が設けられるため、センサターゲットとガイドが交差してギャップ長の検出を妨げないような仕組みが必要であり、システムが複雑化するといった問題もある。

このような問題を解決するため、ギャップセンサを必要としない様々な手法が提案されている。例えば、電磁石の励磁電流からオブザーバ（状態観測器）によりギャップ長を推定する方法（非特許文献１参照）や、磁気浮上により生じる電磁石の励磁電圧と励磁電流の位相差にギャップ情報を含ませ、これを励磁電圧にフィードバックする方法（非特許文献２参照）がある。また、電磁石の励磁電流値をヒステリシスコンパレータで基準値と比較し、励磁電流が基準値より大きい場合には励磁電圧を負に、小さい場合には励磁電圧を正に切替えることで、スイッチング周波数を浮上ギャップ長に比例させる方法（非特許文献３参照）がある。

しかし、このような解決策であっても、オブザーバを使用する場合にあっては、オブザーバが浮上状態における磁気浮上系の線型モデルから導出されるため、浮上状態にないときの浮上ギャップ長を推定することができない。そのため、浮上開始時の制御が困難となるという問題や、また、浮上体が他の構造物に一旦接触した場合に、再び浮上状態に復帰できないといった問題がある。また、ギャップ情報を含む物理量で電磁石の励磁電圧を制御する場合には、浮上制御系が非線形制御系になる。このため、制御系の安定判別が困難であり、浮上体の質量の変化や励磁による温度上昇で電磁石コイルに電気抵抗の変動があると、浮上状態の維持ができなくなるなどの問題がある。

このような問題に対処するため、電磁石の励磁電流からオブザーバによりギャップ長を推定するセンサレス化方法において、浮上体が浮上状態にない場合に浮上体の接触を検出してオブザーバの積分器を初期化すると共に、浮上体の接触状態から幾何学的に接触時のギャップ長を推定し、このギャップ長推定値に基づいてオブザーバの積分器に初期値を与えることで、浮上状態への復帰を行なう手法（特許文献２参照）がある。しかしながら、この手法をゼロパワー制御（特許文献４参照）に適用した場合には、以下のような問題が生じる。

すなわち、浮上体が定常浮上状態にあるときは、電磁石の励磁電流がゼロに収束しているため、何ら問題はないが、浮上体に大きな外力が長時間加えられた場合に、電磁石のコイルに過渡的な制御電流が流れ続け、コイルの温度が上昇することになる。この温度の上昇に伴い、コイルの電気抵抗が大きくなり、励磁電流から浮上ギャップ長を推定するオブザーバの出力誤差が大きくなる。その結果、浮上状態の維持が次第に困難になり、浮上体が接触してしまう。

なお、浮上体が接触した場合には、浮上状態への復帰制御が試みられるが、浮上状態に復帰しても浮上時の浮上ギャップ長推定値の誤差が大きいため、再び浮上体は接触し、接触状態と浮上状態が交互に繰返されることになる。こうした状態では、電磁石には大きな制御電流が流れ続けるため、電磁石のコイル抵抗値がさらに上昇し、ついには浮上体が接触したままで励磁電流が流れ続けることになる。その流れ続ける励磁電流が大きいと、浮上状態の信頼性が損なわれるばかりでなく、電磁石が発火する可能性がある。

一方、このようなセンサレスの磁気浮上における電磁石のコイル抵抗値の変動に関し、コイルの抵抗値を測定しながら浮上制御を行ない、その測定される抵抗値に基づいて、ギャップ長を推定するオブザーバのパラメータを変更する方法（特許文献３参照）が提案されている。また、電磁石に過渡的な励磁電流が流れ続ける場合に、コイル抵抗値の増加に加え、オフセット電圧が温度の上昇に伴って変動する問題がある。このオフセット電圧の変動は、前記コイル抵抗値の変動と同様に、浮上ギャップ長を推定するオブザーバの出力誤差を大きくする。

このような問題に対して、オブザーバの速度推定値の直流分をゼロにするための補償、すなわち、オブザーバに入力される励磁電圧にオフセット補償量を加算することで、オブザーバの出力誤差を抑制することができる。しかし、上述の対策を用いたとしても、オブザーバ中で用いるコイルの抵抗値については、これを励磁電圧と励磁電流の直流成分から算出すると、励磁電圧にオフセット電圧が混入して、正確な抵抗値を測定できなといった問題がある。

この問題に対しては、電流目標値がゼロのときの励磁電圧がその時点での磁気浮上制御系の閉ループに混入する全オフセット電圧の総和で表せることから、この励磁電圧値を記憶し、抵抗推定時に使用する励磁電圧値から記憶した励磁電圧値を減算すれば抵抗推定の精度を向上させることができる。
特開２００１−１９２８６号公報 特開２００３−２０４６０９号公報 特開２００５−１１７７０５号公報 特開昭６１−１０２１０５号公報 水野，他：「変位センサレス磁気軸受の実用化に関する研究」，電気学会論文集Ｄ分冊，１１６，Ｎｏ．１，３５（１９９６） 森山：「差動帰還形パワーアンプを用いたＡＣ磁気浮上」１９９７年電気学会全国大会予稿集，Ｎｏ．１２１５ 水野，他：「ヒステリシスアンプを利用したセルフセンシング磁気浮上」，計測自動制御学会論文集，３２，Ｎｏ．７，１０４３（１９９６）

上述したように、従来の磁気浮上装置にあっては、浮上体の安定な浮上状態を実現するために、ギャップセンサおよびセンサターゲットを必要とした。このため、装置が大型化して複雑になり、コストアップを招くなどの問題があった。

また、このような問題を避けるために、ギャップセンサを用いずにギャップ長の情報をフィードバック制御したとしても、浮上系の安定性がコイル抵抗値とオフセット電圧に依存するため、浮上体が大きく揺れると、それに伴うコイル電流および励磁電圧の変動により、コイル抵抗推定の精度が低下し、安定した制御を行なうことができなかった。

本発明は、かかる事情に基づきなされたもので、浮上体の揺れを考慮して常に良好な精度でコイル抵抗推定を行ない、浮上体の動揺にかかわらず安定した浮上制御を行なうことのできる磁気浮上装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するための手段として、本発明の基本構成に係る磁気浮上装置は、強磁性部材で構成されるガイドと、このガイドに空隙を介して対向する電磁石で構成される磁石ユニットと、前記ガイドに作用する前記磁石ユニットの吸引力により非接触で支持される浮上体と、前記電磁石のコイルに流れる電流値を検出するセンサ部と、前記センサ部により得られるコイル電流値に基づいて前記磁石ユニットが形成する磁気回路を安定化させるための励磁電圧値を演算する励磁電圧演算部と、前記空隙の変位の変動速度を検出する速度検出部と、前記励磁電圧演算部により得られた前記励磁電圧値、前記センサ部により得られた前記コイル電流値、前記速度検出部により得られた前記変動速度に基づいて、前記電磁石のコイル抵抗値を演算する抵抗測定部と、前記抵抗測定部により得られた前記コイル抵抗値を前記励磁電圧演算部にフィードバックして前記浮上体の浮上を制御する制御部とを具備したことを特徴とする。

このような基本構成によれば、浮上体の揺れに対して変動の少ないコイル抵抗値を得ることができる。このため、励磁電圧演算部の演算結果が変動せず、外乱で浮上体に動揺が生じても、常に安定した浮上制御を行なうことができる。

第１構成に係る磁気浮上装置は、基本構成によるものにおいて、前記空隙内で前記電磁石と磁路を共有する永久磁石を備えた磁石ユニットと、前記電磁石の前記コイル電流の目標値をゼロ値または非ゼロ値に交互に設定する前記目標値設定部と、前記目標値設定部により設定された目標値に前記電磁石の前記コイル電流を収束させるコイル電流収束部と、前記コイル電流収束部による収束動作に伴い、前記センサ部により得られる前記コイル電流値に基づいて前記磁石ユニットが形成する磁気回路を安定化させるための励磁電圧値を演算する励磁電圧演算部と、前記目標値がゼロ値に設定されているときに前記励磁電圧演算部により得られた前記励磁電圧値、前記センサ部により得られた前記コイル電流値、前記速度検出部により得られた前記変動速度に基づいて前記励磁電圧値の直流分を演算するオフセット演算部と、前記オフセット演算部の演算結果を保存する電圧保存部と、前記電磁石の励磁電圧値から前記電圧保存部に保存された励磁電圧値をオフセット電圧値として減算することにより前記励磁電圧値の補償値を求める励磁電圧補償部と、をさらに具備したことを特徴とする。

第２構成に係る磁気浮上装置は、基本構成によるものにおいて、少なくとも前記コイル電流値と前記励磁電圧値とに基づいて前記強磁性部材に対する前記浮上体の姿勢および姿勢変化速度を推定する姿勢推定部をさらに備え、前記速度検出部は前記姿勢推定部により推定された前記姿勢変化速度に基づいて前記変動速度を演算することを特徴とする。

第３構成に係る磁気浮上装置は、第２構成によるものにおいて、前記浮上体が浮上状態にないときに前記浮上体と前記ガイドの位置関係を所定の状態に維持する補助支持部と、前記浮上体と前記ガイドとの接触を検出する接触検出部と、この接触検出部の出力に基づき接触時の前記ガイドに対する前記浮上体の姿勢を出力する姿勢演算部と、この接触検出部の出力に基づき接触時に前記姿勢推定部を初期化する推定初期化部と、前記姿勢推定部が初期化される際に前記姿勢演算部の出力値を前記姿勢推定部の初期値として設定する初期値設定部とをさらに備えたことを特徴とする。

第４構成に係る磁気浮上装置は、第２構成によるものにおいて、前記姿勢推定部によって得られる姿勢変化速度の推定値に所定のゲイン乗じて積分し、その積分結果を前記励磁電圧値に加算すると共に、その加算結果を新たな励磁電圧値として前記姿勢推定部にフィードバックする推定誤差補正部を備えたことを特徴とする。

第５構成に係る磁気浮上装置は、第２構成によるものにおいて、前記浮上体の運動の自由度に寄与する吸引力を発生させるための励磁電圧を所定のモード毎に演算するモード励磁電圧演算部と、前記浮上体の運動の自由度に寄与する吸引力を発生させるための励磁電流を所定のモード毎に演算するモード励磁電流演算部をさらに備え、前記姿勢推定部は、少なくとも前記モード励磁電流演算部と前記モード励磁電圧演算部の出力とに基づいて、前記浮上体の前記強磁性部材に対する姿勢および当該姿勢の時間変化を前記浮上体の運動の自由度毎に推定することを特徴とする。

第６構成に係る磁気浮上装置は、第５構成によるものにおいて、前記姿勢推定部によって得られる姿勢変化速度の推定値に所定のゲイン乗じて積分し、その積分結果を前記モード別励磁電圧値に加算すると共に、その加算結果を新たなモード別の励磁電圧値として前記姿勢推定部にフィードバックするモード推定誤差補正部を備えたことを特徴とする。

第７構成に係る磁気浮上装置は、基本構成によるものにおいて、前記抵抗測定部が、少なくとも前記励磁電圧値と前記コイル電流値の線形結合に前記コイル電流を乗じた電力演算結果を積分する積分器を備えていることを特徴とする。

本発明に係る磁気浮上装置によれば、何らかの外乱で浮上体に揺れが生じても、コイル抵抗値を正確に測定することができ、その測定値に基づいて浮上状態の安定性が維持できるように浮上制御パラメータを適応させることができる。これにより、磁気浮上系の安定性や外乱に対する過渡応答を常に設計時の状態に維持することができ、装置の信頼性が向上する。

以下、添付図面を参照しながら本発明に係る磁気浮上装置の実施形態について詳細に説明する。まず、本発明の基本的な原理について、図２を参照して説明する。図２は本発明の原理を説明するための磁気浮上装置の基本構成を示す図であり、一質点系の磁気浮上装置の全体構成が符号１で示されている。

磁気浮上装置１は、永久磁石１０３および電磁石１０５で構成される磁石ユニット１０７と、磁石ユニット１０７と負荷荷重１０９からなる浮上体１１１と、図示せぬ構造部材で地上に対して固定されるガイド１１３とを備える。また、この磁気浮上装置１は、磁石ユニット１０７の吸引力を制御して、浮上体１１１を安定に非接触支持するための吸引力制御部１１５と、この吸引力制御部１１５の出力に基づいて電磁石１０５を励磁するためのドライバ１１６とを備える。なお、１３１は補助支持部である。この補助支持部１３１は、コの字形状の断面を持ち、下部内側上面に磁石ユニット１０７が固定されると共に、例えば図示せぬリニアガイド等の上下方向に力が作用しない案内部で地上側から案内される防振台のテーブルを兼ねている。

ここで、磁石ユニット１０７の磁気的吸引力で浮上体１１１を非接触で支持するため、ガイド１１３は強磁性部材で構成されている。電磁石１０５は鉄心１１７ａ，１１７ｂにコイル１１９，１１９’を巻装して構成され、永久磁石１０３の両磁極端部にそれぞれ鉄心１１７ａ，１１７ｂが配置されている。コイル１１９，１１９’は電磁石１０５の励磁によってガイド１１３〜鉄心１１７ａ〜永久磁石１０３〜鉄心１１７ｂ〜ガイド１１３で形成される磁路の磁束が強まる（弱まる）ように直列に接続されている。また、吸引力制御部１１５は、励磁電圧演算部１２５を備えている。励磁電圧演算部１２５は、ギャップセンサ１２１で得られる浮上ギャップ長および電流センサ１２３で得られるコイル電流値に基づいて電磁石１０５を励磁する電圧を演算する。ドライバ１１６は、この励磁電圧演算部１２５によって演算された励磁電圧に基づいて、リード線１２８を介してコイル１１９，１１９’に励磁電流を供給している。

このとき、磁気浮上装置１の磁気浮上系は、磁石ユニット１０７の吸引力が浮上体１１１の重量と等しくなるときの浮上ギャップ長ｚ₀ の近傍で線型近似でき、以下の微分方程式で記述される。

Ｆ_z は磁石ユニット１０７の吸引力、ｍは浮上体１１１の質量、Ｒはコイル１１９，１１９’とリード線１２８とを直列に接続したときの電気抵抗（以下、コイル抵抗と記載する）、ｚは浮上ギャップ長、ｉ_z は電磁石１０５の励磁電流、φは磁石ユニット１０７の主磁束、ｅ_z は電磁石１０５の励磁電圧、Δは定常浮上状態（ｚ＝ｚ₀ ，ｉ_z ＝ｉ_z0（定常浮上状態でコイル電流がゼロの場合はｉ_z ＝Δｉ_z ））からの偏差、記号“・”はｄ／ｄｔ、偏微分∂／∂ｈ（ｈ＝ｚ，ｉ_z ）は定常浮上状態（ｚ＝ｚ₀ ，ｉ_z ＝ｉ_z0）における被偏微分関数のそれぞれの偏微分値である。Ｌ_z0は、Ｌ∞をｚが∞のときの電磁石１０５の自己インダクタンス、Ｎをコイル１１９、１１９’の総巻回数として、以下のように表わせる。

また、前記数１の浮上系モデルは、下記のような状態方程式となる。

ただし、状態ベクトルｘ、システム行列Ａ、制御行列ｂおよび外乱行列ｄは、以下のように表される。なお、ｕ_s は外力である。

ここで、数４中の各パラメータは、以下のようになる。

数３中のｘの各要素が浮上系の状態量であり、Ｃは出力行列であり、励磁電圧ｅ_z の計算に用いる状態量の検出方法により決定される。磁気浮上装置１では、ギャップセンサ１２１と電流センサ１２３を使用しており、ギャップセンサ１２１の信号を微分して速度を得る場合に、Ｃは単位行列となる。ここで、Ｆをｘの比例ゲイン、Ｋ_iをΔｉ_zの積分ゲインとして励磁電圧ｅ_z を例えば、

で与えれば、浮上体１１１はゼロパワー制御で浮上することになる。

なお、ゼロパワー制御については、例えば特許文献４に開示されているため、ここでは詳しい説明は省略する。また、励磁電圧演算部１２５において、前記数６が演算されることは言うまでもない。

また、磁気浮上装置１においてギャップセンサ１２１を使用せずに、励磁電流Δｉ_z から浮上ギャップ長偏差Δｚおよびその速度ｄ（Δｚ）／ｄｔを推定するための推定手段として、例えば同一次元状態観測器（以下、オブザーバと称す）を適用する場合を考える。このとき、線型制御理論によれば、オブザーバは、以下のような式で表される。

で与えられる。ただし、

はオブザーバの推定値状態ベクトル，α₁，α₂，α₃はオブザーバの極を決定するパラメータ

である。

この場合、数７の状態観測器の推定誤差は、数３および数７の演算開始時の初期値をそれぞれ、

および

とすれば、

このとき、励磁電圧演算部１２５においては、例えば、

が演算され、磁気浮上系の安定化が達成される．ただし、Tは転置行列であり、

である。

一般に、常電導吸引式磁気浮上系は不安定なため、状態観測器の推定値に誤差があると安定化が非常に困難となるが、数１２から明らかなようにあらかじめオブザーバが動作を開始するときの

すなわち、浮上ギャップ長偏差Δz、その速度dΔz)/dtおよび励磁電流Δiの値が既知であればオブザーバの初期値

をできるだけ

に等しく設定することで推定当初から誤差が少ない状態で励磁電流Δi_zから浮上ギャップ長偏差Δzおよびその速度d(Δz)/dtを推定することができる。

ここで、推定当初の誤差が大きいと、数９で異常な励磁電圧が演算されるため、浮上状態の安定化ができなくなる。

以下、本発明の具体的な実施形態について、図面を参照して詳しく説明する。

（第１実施形態）
図１は本発明の第１実施形態に係る磁気浮上装置の構成を示す図であり、その全体構成が１’で示されている。この磁気浮上装置１’にあっては、ギャップセンサ１２１が省略されている。その代わりに、浮上体１１１およびその浮上体１１１の近傍に接触検出部１３０が備えられる。接触検出部１３０は、浮上体１１１が非接触状態から接触状態になったことを、例えば圧電ゴム１２９を用いて検出する。

また、吸引力制御部１１５には、前記接触検出部１３０に加えて、姿勢推定部１３３、姿勢演算部１３５、推定初期化部１３７、初期値設定部１３９が備えられている。姿勢推定部１３３は、励磁電流Δｉ_z から浮上ギャップ長偏差Δｚおよびその速度ｄ（Δｚ）／ｄｔを推定するものであり、例えばオブザーバで構成される。姿勢演算部１３５は、補助支持部１３１で維持された姿勢から浮上状態へ移行する場合のオブザーバの初期値となるべきｘ₀ を演算する。推定初期化部１３７は、接触によりオブザーバの出力値を初期状態に戻す。初期値設定部１３９は、初期化されたオブザーバに姿勢演算部１３５で計算されたｘ₀ を初期値として設定する。

励磁電流Δｉ_zおよび姿勢推定部１３３によって推定された浮上ギャップ長偏差Δｚおよびその速度ｄ（Δｚ）／ｄｔは励磁電圧演算部１２５に入力され、この励磁電圧演算部１２５の出力によりドライバ１１６を介して電磁石１０５が励磁される。

このように、オブザーバを初期化すると共に所定の初期値を与えることにより、浮上体１１１が停止状態から浮上する場合や、外力やその他の理由により浮上状態から接触状態になった場合でも、励磁電流Δｉ_z から浮上ギャップ長偏差Δｚおよびその速度ｄ（Δｚ）／ｄｔを推定当初から誤差を抑えて推定することができる。その結果、浮上体１１１を確実に浮上状態へ移行させて、その浮上状態を維持することができる。

しかしながら、浮上状態にある浮上体１１１に過渡的な外力が持続的に加えられると、その外力に対して浮上状態を保つための吸引力制御がなされるため、コイル１１９，１１９’には励磁電流が持続的に流れて、コイル１１９，１１９’の温度が上昇し、それに伴いコイル抵抗Ｒが増加する。すると、数４中のパラメータａ₃₃が増大するが、その一方で数７により説明したオブザーバでは、パラメータａ₃₃が設定時のままとなる。このため、実際の磁気浮上系とオブザーバの間に差異が生じ、励磁電流Δｉ_z 、浮上ギャップ長偏差Δｚおよびその速度ｄ（Δｚ）／ｄｔの実際の値と推定値が乖離することになる。本来不安定な常電導吸引式磁気浮上系では、実際の値と推定値の乖離はフィードバック制御による浮上状態の安定化を非常に困難なものにする。

ここで、例えば特許文献４のように、磁気浮上装置１’には、コイル１１９，１１９’の抵抗Ｒを測定するための抵抗測定部１４０が備えられている。この抵抗測定部１４０は以下のようにしてコイル抵抗Ｒを測定する。

励磁電圧ｅ_z がコイルに印加された場合の電圧方程式は、

であるから両辺にコイル電流ｉ_zを掛けると次の電力方程式を得る。

Ｒがある時刻に測定値ｒ₀として測定された場合、数１６の右辺には次式で示す残差εが発生する。

残差εは測定値ｒ₀がＲより大きい場合には正、小さい場合には負となるから、λ_rを適当な残差ゲインとして測定値ｒを

で新たに定義すると、残差εが正の場合はｒが小さくなり、負の場合はｒが大きくなるように調整され、最終的に残差εはゼロとなり、ｒ＝Ｒが成立して測定値は真値に等しくなる。このとき、数１１ではギャップ長ｚの変化速度

による磁石ユニットの発電エネルギーが含まれており、浮上体１１１の揺れで速度

が変化しても残差εが揺れの影響を受けることはない。数１２を数１３に代入し、最終的に測定値ｒは次式で計算することができる。

ここで、数２０の演算には速度

が必要となるが、本実施例では速度

を検出する手段がない。しかし、速度

は浮上ギャップ長偏差Δｚの変化速度に等しいので、姿勢推定部１３３において推定される速度推定値

を用いて数１４が演算できる。そして、数２０の入力（コイル電流、速度推定値、励磁電圧）や出力に、例えば、低域通過フィルタや平均値演算等の適当なノイズ除去処理を施せば、コイル抵抗Ｒの値を高精度で測定することができる。

このようにして得られたコイル抵抗値を抵抗測定部１４０から出力し、前記姿勢推定部１３３に導入して数７中のパラメータａ₃₃を変更すれば、温度上昇により増大した数４中のパラメータａ₃₃の値と数７中のパラメータａ₃₃の値が一致する。よって、実際の磁気浮上系とオブザーバの間に構造上の差異が生じることがなく、励磁電流Δｉ_z 、浮上ギャップ長偏差Δｚおよびその速度ｄ（Δｚ）／ｄｔの実際の値と推定値が乖離することもない。

さらに、本発明では、過渡的な外力の印加等により励磁電流が増加し、その影響でドライバ１１６にオフセット電圧が発生しても、当該オフセット電圧の発生が浮上ギャップ長偏差の推定値や速度推定値に誤差を生じないように推定誤差補正部１４２が備えられている。

この推定誤差補正部１４２は、姿勢推定部１３３の速度推定値に所定のゲインλ_OSを乗じるゲイン補償器１４４と、ゲイン補償器１４４の出力を積分する積分器１４６と、積分器１４６の出力と励磁電圧演算部１２５の励磁電圧値を加算する加算器１４８とからなる。そして、加算器１４８の出力を前記姿勢推定部１３３に導入される励磁電圧値として出力する。このような構成により、温度変動によりオフセット電圧が変化したとしても、姿勢推定値への影響を最小限に抑えることができる。

これに加えて本発明においては、図３に示すように、コイル抵抗値を測定する際に、前記オフセット電圧が測定値に影響しないように、励磁電圧演算部１２５に目標値設定部１５０とコイル電流収束部１５２が備えられている。目標値設定部１５０は、コイル電流の目標値を所定の時間間隔でゼロまたは非ゼロの値に交互に設定する。コイル電流収束部１５２は、センサ出力であるコイル電流値を前記目標値設定部１５０によって設定される目標値に収束させる。また、抵抗値測定部１４０においては、電圧保存部１５４と、電圧入力補償部１５６と、抵抗演算部１５８とが備えられている。

電圧保存部１５４は、前記目標値設定部１５０が目標値をゼロ設定しているときの励磁電圧値を保存する。電圧入力補償部１５６は、センサ出力であるコイル電流値に基づいて得られる電磁石１０５の励磁電圧値から電圧保存部１５４の出力であるオフセット電圧値を減算した値を励磁電圧の補償値として出力する。抵抗演算部１５８は、その励磁電圧補償値およびコイル電流値を用いて、前記数１４に従ってコイル抵抗Ｒを測定する。

このような構成において、電圧保存部１５４は、目標値設定部１５０がゼロを出力する度に、その間の励磁電圧値の直流成分を検出し、前記目標値設定部１５０がゼロから非ゼロ値に出力を変更する度に、前記直流成分の値を電圧入力補償部１５６に出力する。したがって、抵抗演算部１５８から出力されるコイル抵抗値は目標値設定部１５０がゼロから非ゼロ値に出力を変更する度に前記直流成分の最新値に基づいて演算されることになる。

一般に、常電導吸引式の磁気浮上装置では、前記励磁電流ｉ_z を検出するために電流センサ１２３を使用する。今、電流センサ１２３およびドライバ１１６でそれぞれの温度に依存する出力オフセットを考える。前者のオフセットを電流オフセットｉ_zoff、後者のオフセットを電圧オフセットｅ_zoffとする。

浮上体１１１が浮上状態にあり、目標値設定部１５０からゼロが出力されている場合には、ドライバ１１６への励磁電圧の値をｅ_zz、電流センサ１２３の検出電流をｉ_m0とすれば、以下の電圧方程式が成立する。

この間、電圧保存部１５４は、目標値設定部１５０よりゼロが出力されていることを報知する信号を受けて、ｅ_zzの直流成分値を抽出すると共に前回の抽出結果を出力する。
ここで、ｅ_zzの直流成分値は次のようにして抽出される。
数１５中、直流成分をｅ_DCとすれば、

であるから、数２２は

と変形できる。

ｅ_DCがある時刻に測定値ｅ_dc0として測定された場合、数２４の右辺には次式で示す残差εが発生する。

残差εは測定値ｅ_dc0がｅ_DCより大きい場合には正、小さい場合には負となるから、λ_dcを適当な残差ゲインとして測定値ｅ_dcを

で新たに定義すると、残差εが正の場合はｅ_dcが小さくなり、負の場合はｅ_dcが大きくなるように調整され、最終的に残差εはゼロとなり、ｅ_dc＝ｅ_DCが成立して測定値は真値に等しくなる。このとき、数１７ではギャップ長ｚの変化速度

による磁石ユニットの発電エネルギーが含まれており、浮上体１１１の揺れで速度

が変化しても残差εが揺れの影響を受けることはない。数２５を数２６に代入し、最終的に測定値ｅ_dcは次式で計算することができる。

数２７は数５の記号を用いれば、

と表せる。

ここで、数２０および数２１の演算には速度

が必要となるが、本実施例では速度

を検出する手段がない。しかし、速度

は浮上ギャップ長偏差Δｚの変化速度に等しいので、姿勢推定部１３３において推定される速度推定値

を用いて数２７および数２８が演算できる。そして、数２７の入力（コイル電流、速度推定値、励磁電圧）や出力に、例えば低域通過フィルタや平均値演算等の適当なノイズ除去処理を施せば、目標値設定部１５０からゼロが出力されている場合の励磁電圧ｅ_zzの直流成分ｅ_DCを高精度で測定することができる。この直流成分 ｅ_DCを演算する電圧保存部１５４の構成を図４に示す。

電圧保存部１５４は、抵抗演算部１５８より入力される抵抗値Rと電流センサ１２３より入力される電流値ｉ_m0を乗算する乗算器１６０と、乗算器１６０が出力するコイル抵抗部の電圧降下Ｒｉ_m0からコイル電流収束部１５２より導入される励磁電圧ｅ_zzを減じる減算器１６２と、姿勢推定部１３３から得られる速度推定値

にゲインａ₃₂／ｂ₃₁を乗じるゲイン補償器１６４と、減算器１６２の出力からゲイン補償器１６４の出力および励磁電圧ｅ_zzの直流成分ｅ_dcの演算結果を減じる減算器１６６と、減算器１６６の出力を積分する積分器１６８と、電流値ｉ_m0にゲイン１／ｂ₃₁を乗じてコイルの自己インダクタンスによる逆起電力を出力するゲイン補償器１７０と、ゲイン補償器１７０および積分器１６８の出力を加算する加算器１７２と、加算器１７２の出力に直流成分ｅ_dcの収束の速さにかかわる収束ゲインλ_dcを乗じるゲイン補償器１７４と、直流成分ｅ_dcの初期値を出力する初期値設定器１７６と、ゲイン補償器１７４の出力と初期値設定器１７６の出力を加算して加算結果を直流成分ｅ_dcの演算結果とするとともに前記減算器１６６にその出力結果が導入される加算器１７７と、目標値設定部１５０から導入される電流目標値を２乗する乗算器１７８と、乗算器１７８の出力がゼロから立ち上がる時刻でのみ１を出力する立ち上がり検出器１８０と、前記検出器１８０の出力を参照し当該出力が１になる時のみ接点ｂを選択し、他の場合は接点ａを選択するスイッチ１８２と、スイッチ１８２の出力を記憶するメモリ１８４とで構成されている。ここで、スイッチ１８２の接点ａにはメモリ１８４の出力が導入され、接点ｂにはノイズ除去用のローパスフィルタ１８６を介して加算器１７７の出力が導入されている。このような構成により電圧保存部１５４は目標設定部の出力がゼロから非ゼロ値に移行する瞬間の直流成分ｅ_dcをメモリ１８４から出力する。これにより、目標設定部１５０がゼロを出力する間に数２７の演算が収束し、励磁電圧e_zzの直流成分ｅ_DCが電圧入力補償部１５６に出力される。また、ローパスフィルタ１８６は入力信号の入力端に挿入しても良い。

次に、目標値設定部１５０が非ゼロの値を出力しているとき、ドライバ１１６へ入力される電圧信号ｅ_z について、以下の電圧方程式が成立する。

数２９の両辺から直流成分ｅ_DCを減じると、

より、

となる。

目標値設定部１５０が非ゼロの値を出力しているとき、電圧保存部１５４では、目標値設定部１５０がゼロを出力しているときに抽出された電圧値ｅ_dcが電圧保持部１５４に記憶されると共に、その値がオフセット電圧として電圧入力補償部１５６に出力される。励磁電圧補償部１５６では、入力される電圧保存部１５４の出力値ｅ_dcおよびドライバ１１６への電圧信号ｅ_z を用いて、次式に従って補償励磁電圧ｅ_zmを演算する。

数３１はｅ_zmを用いて、

と表せる。また、数５の記号を用いれば、次式となる。

ｉ_zoffは電流センサのオフセット電流であるからその時間微分値はゼロであり、数１５においてｅ_zをｅ_zmに、ｉ_zをｉ_z ＋ｉ_zoffに置き換えたものが数３３に一致する。電流センサ１２３のオフセットを含む検出値ｉmは、

であるから、抵抗演算部１５８では、励磁電圧補償部１５６から出力される補償励磁電圧ｅ_zmと、電流センサ１２３の検出値ｉ_mに基づいて上述の数２０に関わるアルゴリズムでコイル抵抗Ｒが演算される。すなわち、数２０は

となり、数３６でコイル抵抗を演算すれば、測定結果はコイル抵抗値Ｒに一致する。ここで、数３６の演算には速度

が必要となるが、本実施例では速度

を検出する手段がない。しかし、速度

は浮上ギャップ長偏差Δｚの変化速度に等しいので、姿勢推定部１３３において推定される速度推定値

を用いて数３６が演算できる。そして、数３６の入力（コイル電流、速度推定値、励磁電圧）や出力に、例えば、低域通過フィルタや平均値演算等の適当なノイズ除去処理を施せば、コイル抵抗Ｒの値を高精度で測定することができる。コイル抵抗Ｒを演算する抵抗演算部１５８の構成を図５に示す。

抵抗演算部１５８は、電流センサ１２３より入力される電流値ｉ_mとコイル抵抗の演算結果である測定値ｒを乗算する乗算器１８８と、乗算器１８８の出力から電圧入力補償部１５６の補償電圧ｅ_zmを減じる減算器１９０と、姿勢推定部１３３から得られる速度推定値

にゲインａ₃₂／ｂ₃₁を乗じるゲイン補償器１９２と、減算器１９０の出力からゲイン補償器１９２の出力を減じる減算器１９４と、減算器１９４の出力に前記電流値ｉ_mを乗算する乗算器１９６と、乗算器１９６の出力を積分する積分器１９８と、電流値ｉ_mにゲイン１／（２ｂ₃₁）を乗じてコイルに蓄えられる磁気エネルギーを出力するゲイン補償器２００と、ゲイン補償器２００および積分器１９８の出力を加算する加算器２０２と、加算器１７２の出力に測定値ｒの収束の速さにかかわる収束ゲインλ_rを乗じるゲイン補償器２０４と、測定値ｒの初期値を出力する初期値設定器２０６と、ゲイン補償器２０４の出力と初期値設定器２０６の出力を加算して加算結果を測定値ｒの演算結果とするとともに前記乗算器１８８にその出力結果が導入される加算器２０７と、加算器２０７の出力からノイズを除去するローパスフィルタ２０８とで構成されている。このような構成により、抵抗演算部１５８は数３６に基づいた演算を行ない、演算結果である測定値ｒは真のコイル抵抗値Ｒに収束する。そして、演算結果はローパスフィルタ２０８を介して姿勢推定部１３３およびコイル電流収束部１５２に出力される。なお、ローパスフィルタ２０８を介して入力信号を抵抗演算部１５８に導入しても何ら差し支えない。

以上述べたように、抵抗演算部１５８において、電圧入力補償部１５６の出力値ｅ_zmを用いてドライバ１１６に接続されるコイル抵抗の値を測定すると、電流オフセットｉ_zoff、および電圧オフセットｅ_zoffが変動したとしても、浮上体１１１のギャップ変動にかかわらず測定結果を常に真値に一致させることができる。言い換えれば、温度変動等より電流検出部（電流センサ１２３）や励磁部（ドライバ１１６）にオフセット電圧が発生しても、そのオフセット電圧に応じた励磁電圧の補償値を用いて常に正しい抵抗値を測定することができる。また、浮上開始前に目標値設定部１５０よりゼロを出力して直流成分ｅ_DCを測定すれば、目標値設定部１５０よりゼロが出力されていることからｉ_m0はゼロで、速度

および速度推定値

もゼロであり、このときの直流成分ｅ_DCはコイル抵抗Ｒや自己インダクタンスＬ_z0に依存しない。その後、目標値設定部１５０より非ゼロ値を出力すれば、浮上開始前の直流成分ｅ_DCを用いてもコイル抵抗Ｒは精度の良く測定できる。その後再び目標値設定部１５０からはゼロ目標値が出力され、励磁電圧ｅ_zzの直流成分ｅ_DCの測定が開始されるが、その場合はコイル抵抗値Ｒが既に測定済みであるため、浮上開始後であっても抵抗演算部１５８の出力を用いて数２７もしくは数２９に基づく直流成分ｅ_DCが測定されることは言うまでもない。

さらに、姿勢推定部１３３では、その抵抗値に基づいて常に正しいギャップ長推定値およびその速度推定値を出力することができる。これにより、温度変動や浮上体１１１への外乱に対して常に安定した浮上状態を維持することが可能となる。

また、本発明では、抵抗測定部１４０で測定されたコイル抵抗Ｒは励磁電圧演算部１２５に導入されている。励磁電圧演算部１２５では、外乱に対して所定の過渡応答が得られるように、例えば数１３中のフィードバック定数Ｆが決定されている。制御系設計時のコイル抵抗Ｒの関数でＦが与えられるときには、コイル抵抗Ｒに基づいてＦの値を変更すれば、外乱に対する浮上体の過渡応答が温度変動に対して一定になる。

以上のように、本発明では、抵抗測定部１４０で測定されたコイル抵抗Ｒに基づいてコイル電流収束部１５２中でフィードバック定数Ｆの値を変更しているので、浮上体１１１の応答が温度変動に対して一定となり、浮上状態の安定性が確保できる。また、抵抗測定の際には浮上体１１１の浮上ギャップ長の変化速度が考慮されており、その結果、信頼性の向上が図れると共に、ギャップセンサを不要として装置の簡素化や小型化、コストの低減化を実現できる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について説明する。

第２実施形態では、浮上体の運動座標系のモード毎に励磁電圧、励磁電流を演算することを特徴とする。ここでは、本発明の磁気浮上装置をエレベータに適用した場合を例にして説明する。

図６は本発明の第２実施形態に係る磁気浮上装置の構成を示す図であり、この磁気浮上装置をエレベータに適用した場合の構成が全体として符号１０で示されている。また、図７はその磁気浮上装置のフレーム部の構成を示す斜視図、図８はその磁気浮上装置の磁石ユニット周辺の構成を示す斜視図、図９はその磁気浮上装置の磁石ユニットの構成を示す立面図である。

図６に示すように、エレベータシャフト１２の内面にガイドレール１４，１４’と、移動体１６と、４つの案内ユニット１８ａ〜１８ｄが構成されている。ガイドレール１４，１４’は、強磁性部材で構成され、エレベータシャフト１２内に所定の取り付け方法で敷設されている。

移動体１６は、上述した磁気浮上装置の浮上体に相当する。この移動体１６は、ガイドレール１４，１４’に沿って、例えばロープ１５の巻上げ機等の図示しない駆動機構を介して上下方向に移動する。案内ユニット１８ａ〜１８ｄは、移動体１６に取り付けられており、この移動体１６をガイドレール１４，１４’に対して非接触で案内する。

移動体１６には、乗りかご２０と案内ユニット１８ａ〜１８ｄが取り付けられる。移動体１６は、案内ユニット１８ａ〜１８ｄの所定の位置関係を保持可能な強度を有するフレーム部２２を備えている。図５に示すように、このフレーム部２２の四隅には、ガイドレール１４，１４’と対向する案内ユニット１８ａ〜１８ｄが所定の方法で取り付けられている。

案内ユニット１８は、図８に示すように、非磁性材料（例えばアルミやステンレス）もしくはプラスチック製の台座２４にｘ方向近接センサ２６（２６ｂ，２６ｂ’）、ｙ方向近接センサ２８（２８ｂ，２８ｂ’）および磁石ユニット３０を所定の方法で取り付けて構成されている。近接センサ２６，２８は案内ユニット１８とガイドレール１４，１４’の接触を検出する接触検出部として機能する。

磁石ユニット３０は、中央鉄心３２、永久磁石３４，３４’、電磁石３６，３６’で構成されており、図９にも示されているように、永久磁石３４，３４’の同極同士が中央鉄心３２を介して向かい合う状態で全体としてＥ字形状に組み立てられている。

電磁石３６，３６’は、Ｌ字形状の鉄心３８（３８’）をコイル４０（４０’）に挿入後、鉄心３８（３８’）の先端部に平板形状の鉄心４２を取り付けて構成されている。中央鉄心３２および電磁石３６，３６’の先端部には、個体潤滑部材４３が取付けられている。この個体潤滑部材４３は電磁石３６，３６’が励磁されていない時に永久磁石３４，３４’の吸引力で磁石ユニット３０がガイドレール１４（１４’）に吸着して固着することを防止し、かつ、吸着状態でも移動体１６の昇降に支障が出ないようにするために設けられている。この個体潤滑部材４３としては、例えばテフロン（登録商標）や黒鉛あるいは二硫化モリブデン等を含有する材料がある。

以下では、簡単のために、主要部分を示す番号に案内ユニット１８ａ〜１８ｄのアルファベット（ａ〜ｄ）を付して説明する。

磁石ユニット３０ｂでは、コイル４０ｂ，４０ｂ’を個別に励磁することでガイドレール１４’に作用する吸引力をｙ方向とｘ方向に関して独立に制御することができる。この制御方式の詳細は特許文献１に記載されているため、ここでは詳しい説明を省略する。

案内ユニット１８ａ〜１８ｄの各吸引力は、上述した吸引力制御部として用いられる制御装置４４により制御され、乗りかご２０およびフレーム部２２がガイドレール１４，１４’に対して非接触に案内される。

なお、制御装置４４は図６の例では分割されているが、例えば図１０に示すように、全体として１つに構成されていても良い。

図１０は同実施形態における制御装置内の構成を示すブロック図、図１１はその制御装置内のモード制御電圧演算回路の構成を示すブロック図である。なお、ブロック図において、矢印線は信号経路を、棒線はコイル４０周辺の電力経路を示している。

制御装置４４は、センサ部６１と、演算回路６２と、パワーアンプ６３ａ，６３ａ’〜６３ｄ，６３ｄ’とで構成されており、これらで４つの磁石ユニット３０ａ〜３０ｄの吸引力をｘ軸，ｙ軸について独立に制御している。

センサ部６１は、乗りかご２０に取付けられて磁石ユニット３０ａ〜３０ｄによって形成される磁気回路中の起磁力あるいは磁気抵抗、もしくは、移動体１６の運動の変化を検出する。

演算回路６２は、このセンサ部６１からの信号に基づいて移動体１６を非接触案内させるべく、各コイル４０ａ，４０ａ’〜４０ｄ，４０ｄ’を励磁するための印加電圧を演算する吸引力制御部として用いられる。パワーアンプ６３ａ，６３ａ’〜６３ｄ，６３ｄ’は、この演算回路６２の出力に基づいて各コイル４０に電力を供給する励磁部として用いられる。

また、電源４６は、パワーアンプ６３ａ，６３ａ’〜６３ｄ，６３ｄ’に電力を供給すると同時に定電圧発生装置４８にも電力を供給している。なお、この電源４６は、照明やドアの開閉のために図示せぬ電源線でエレベータシャフト１２外から供給される交流をパワーアンプへの電力供給に適した直流に変換する機能を有している。

定電圧発生装置４８は、パワーアンプ６３への大電流の供給などによって電源４６の電圧が変動しても、常に一定の電圧で演算回路６２および近接センサ２６ａ，２６ａ’〜２６ｄ，２６ｄ’，２８ａ，２８ａ’〜２８ｄ，２８ｄ’に電力を供給する。これにより、演算回路６２および近接センサ２６ａ，２６ａ’〜２６ｄ，２６ｄ’，２８ａ，２８ａ’〜２８ｄ，２８ｄ’は常に正常に動作する。

センサ部６１は、前述した近接センサ２６ａ，２６ａ’〜２６ｄ，２６ｄ’，２８ａ，２８ａ’〜２８ｄ，２８ｄ’と、各コイル４０の励磁電流を検出する電流検出器６６ａ，６６ａ’〜６６ｄ，６６ｄ’で構成されている。

演算回路６２は、図６に示される運動座標系の各モードで移動体１６の案内制御を行なっている。ここで、前記各モードとは、移動体１６の重心のｙ座標に沿った前後動を表すｙモード（前後動モード）、ｘ座標に沿った左右動を表すｘモード（左右動モード）、移動体１６の重心回りのローリングを表すθモード（ロールモード）、移動体１６の重心回りのピッチングを表すξモード（ピッチモード）、移動体１６の重心回りのヨーイングを表すψモード（ヨーモード）である。

また、これらのモードに加えて、演算回路６２は、ζモード（全吸引モード）、δモード（ねじれモード）、γモード（歪モード）についても案内制御を行なっている。すなわち、磁石ユニット３０ａ〜３０ｄがガイドレール１４，１４’に及ぼす「全吸引力」、磁石ユニット３０ａ〜３０ｄがフレーム部２２に及ぼすｚ軸周りの「ねじれトルク」、磁石ユニット３０ａ，３０ｄがフレーム部２２に、磁石ユニット３０ｂ，３０ｃがフレーム部２２に及ぼす回転トルクでフレーム部２２をｚ軸に対して左右対称に歪ませる「歪力」に関する３つのモードである。

以上のような８つのモードに対し、磁石ユニット３０ａ〜３０ｄのコイル電流をゼロに収束させることで、積荷の重量に関わらず永久磁石３４の吸引力だけで移動体を安定に支持する、いわゆる「ゼロパワー制御」にて案内制御を行なっている。

演算回路６２は、浮上体である移動体１６の運動の自由度に寄与する吸引力を発生させる励磁電流の線形結合で表させるモード別励磁電流を演算する機能と、同じく励磁電圧の線形結合で表させるモード別励磁電圧を演算する機能を備える。具体的には、次のように構成される。

すなわち、図１０に示すように、演算回路６２は、目標値設定部７４と、抵抗測定部６４と、電流偏差座標変換回路８３と、制御電圧演算回路８４、制御電圧座標逆変換回路８５と、速度推定値座標逆変換回路８７とで構成されている。

目標値設定部７４は、前記８つの各モードのうち、ζモード（全吸引モード）の励磁電流目標値として所定の周期で交互にゼロまたは非ゼロの値を出力すると共に、ｙモードおよびｘモードにおいては後述の装置停止の際に所定の値を出力する。

抵抗測定部６４は、各コイル４０ａ，４０ａ’〜４０ｄ，４０ｄ’の励磁電流検出値と演算回路６２の各パワーアンプ６３ａ，６３ａ’〜６３ｄ，６３ｄ’への励磁電圧信号ｅａ，ｅａ’〜ｅｄ，ｅｄ’と前記目標値設定部７４の出力値および速度推定値座標逆変換回路８７の出力値に基づいて、それぞれのコイルの電気抵抗値を出力する。

電流偏差座標変換回路８３は、モード励磁電流演算部として、電流偏差信号Δｉａ，Δｉａ’〜Δｉｄ，Δｉｄ’により移動体１６の重心のｙ方向の運動に関わる電流偏差Δｉｙ、ｘ方向の運動に関わる電気偏差Δｉｘ、同重心のまわりのローリングに関わる電流偏差Δｉθ、移動体１６のピッチングに関わる電流偏差Δｉξ、同重心のまわりのヨーイングに関わる電流偏差Δｉψ、フレーム部２２に応力をかけるζ，δ，γに関する電流偏差Δｉζ，Δｉδ，Δｉγを演算する。

制御電圧演算回路８４は、モード励磁電圧演算部として、前記抵抗測定部６４、前記目標値設定部７４および前記電流偏差座標変換回路８３の出力Δｉｙ，Δｉｘ，Δｉθ，Δｉξ，Δｉψ，Δｉζ，Δｉδ，Δｉγよりｙ，ｘ，θ，ξ，ψ，ζ，δ，γの各モードにおいて移動体１６を安定に磁気浮上させるモード別電磁石制御電圧ｅｙ，ｅｘ，ｅθ，ｅξ，ｅψ，ｅζ，ｅδ，ｅγを演算する。

制御電圧座標逆変換回路８５は制御電圧演算回路８４の出力ｅｙ，ｅｘ，ｅθ，ｅξ，ｅψ，ｅζ，ｅδ，ｅγより前記磁石ユニット３０ａ〜３０ｄのそれぞれの電磁石励磁電圧ｅａ，ｅａ’〜ｅｄ，ｅｄ’を演算する。この制御電圧座標逆変換回路８５の演算結果つまりｅａ，ｅａ’〜ｅｄ，ｅｄ’はパワーアンプ６３ａ，６３ａ’〜６３ｄ，６３ｄ’に与えられる。

速度推定値座標逆変換回路８７は、制御電圧演算回路８４のｙ，ｘ，θ，ξ，ψの各モード別制御電圧演算回路８６で演算されるモード別変位速度推定値

より前記磁石ユニット３０ａ〜３０ｄのそれぞれのギャップ長変位速度推定値

を演算する。この速度推定値座標逆変換回路８７の演算結果つまり

は、抵抗測定部６４に与えられる。

なお、目標値設定部７４は、前記第１実施形態における少なくとも１つの目標値設定部１４０で構成することでも良い。また、複数の目標値設定部１４０で当該目標値設定部７４を構成する場合には、それぞれの出力値がゼロになる周期に位相のずれが存在しないことは言うまでもない。

また、非ゼロ値を出力する周期においては、すべてのコイルに抵抗測定用の微小電流を供給するという目的から少なくとも１つのモードの目標値が非ゼロ値であれば良く、目標値設定部７４が励磁電流目標値として常にゼロを出力するモードがあっても何ら差し支えない。

ここで、本実施形態では、ζモード（全吸引モード）が非ゼロ値になるように目標値設定部７４を構成しており、この場合、すべてのコイルに同じ値の励磁電流を供給することができる。しかも、その際に発生する吸引力は前記フレーム部２２への応力として作用するので、移動体１６の姿勢が変化することがなく、目標値設定部７４の出力値の変化に対して乗り心地が悪化することはない。

なお、後述の説明のため、図１０の電流偏差座標変換回路８３、制御電圧演算回路８４および制御電圧座標逆変換回路８５を浮上制御演算部６５とする。

さらに、制御電圧演算回路８４は、前後動モード制御電圧演算回路８６ａ、左右動モード制御電圧演算回路８６ｂ、ロールモード制御電圧演算回路８６ｃ、ピッチモード制御電圧演算回路８６ｄ、ヨーモード制御電圧演算回路８６ｅ、全吸引モード制御電圧演算回路８８ａ、ねじれモード制御電圧演算回路８８ｂ、歪モード制御電圧演算回路８８ｃで構成されている。

前後動モード制御電圧演算回路８６ａは、Δｉｙよりｙモードの電磁石制御電圧ｅｙを演算する。左右動モード制御電圧演算回路８６ｂは、Δｉｘよりｘモードの電磁石制御電圧ｅｘを演算する。ロールモード制御電圧演算回路８６ｃは、Δｉθよりθモードの電磁石制御電圧ｅθを演算する。ピッチモード制御電圧演算回路８６ｄは、Δｉξよりξモードの電磁石制御電圧ｅξを演算する。ヨーモード制御電圧演算回路８６ｅは、Δｉψよりψモードの電磁石制御電圧ｅψを演算する。

全吸引モード制御電圧演算回路８８ａは、Δｉζよりζモードの電磁石制御電圧ｅζを演算する。ねじれモード制御電圧演算回路８８ｂは、Δｉδよりδモードの電磁石制御電圧ｅδを演算する。歪モード制御電圧演算回路８８ｃは、Δｉγよりγモードの電磁石制御電圧ｅγを演算する。

これらモードの制御電圧演算回路が図２および図３に示す吸引力制御部１１５と同様の構成を備えている。

すなわち、前後動モード制御電圧演算回路８６ａは、図１１に示すように、抵抗値平均化部９０、ゲイン補償器９１、抵抗値アンバランス補正部９２、減算器９３、積分補償器９４、加算器９５、減算器９６、推定誤差補正部１４２、姿モード姿勢推定部９７、推定初期化部９８、姿勢演算部９９、初期値設定部１００および加算器１０１で構成されている。

抵抗値平均化部９０は抵抗測定部６４で測定されたコイル４０ａ，４０ａ’〜４０ｄ，４０ｄ’の抵抗値の平均値を演算する。ゲイン補償器９１は、Δｙ，Δｙの推定値（図中＾で表示）およびΔｉｙに適当なフィードバックゲインを乗じる。抵抗値アンバランス補正部９２は、当該前後動モード以外の７つのモード別励磁電流（Δｉｘ〜Δｉγ）に抵抗測定部６４の出力に基づいて、各コイル抵抗値の線形結合で得られるモード別抵抗補正ゲインを乗算すると共にそれら７つの乗算結果の総和を出力する。

減算器９３は、Δｉｙを目標値設定部７４の出力より減じる。積分補償器９４は、減算器９３の出力値を積分し適当なフィードバックゲインを乗じる。加算器９５は、ゲイン補償器９１の出力値の総和を演算する。減算器９６は、加算器９５の出力値を積分補償器９４の出力値より減じてｙモード（前後動モード）の第１のモード別励磁電圧ｅｙ１を出力する。

推定誤差補正部１４２は、モード推定誤差補正部として、モード毎の第１のモード別励磁電圧におけるパワーアンプ６３のオフセット電圧成分を補正する。モード姿勢推定部９７は、姿勢推定部１３３と同様に推定誤差補正部１４２の出力値とモード別電流偏差ΔｉｙからΔｙ，Δｙ，Δｉｙの推定値を演算する。

推定初期化部９８は、１６個の近接センサ信号のＯＮ／ＯＦＦに基づいてモード姿勢推定部９７中の積分演算を初期化する。姿勢演算部９９は、１６個の近接センサ信号のＯＮ／ＯＦＦに基づいて移動体１６の接触時の姿勢を演算して各磁石ユニット３０のモード別位置偏差を出力する。初期値設定部１００は、姿勢演算部９９の演算結果をモード姿勢推定部９７の初期化時に積分動作の初期値として設定する。加算器１０１は、前記第１のモード別励磁電圧ｅｙ１と前記抵抗値アンバランス補正部９２の出力を加算し、その加算結果を第２のモード別励磁電圧ｅｙとして出力する。

なお、モード姿勢推定部９７、推定初期化部９８、姿勢演算部９９および初期値設定部１００については特許文献４に詳細に開示されている。また、推定誤差補正部１４２および抵抗値アンバランス補正部９２については本願発明の特徴的な構成の前提となる構成要素であり、本願出願人の先願に詳細に記述されているので詳しい説明は省略する。

また、左右動モード制御電圧演算回路８６ｂ、ロールモード制御電圧演算回路８６ｃ、ピッチモード制御演算回路８６ｄおよびヨーモード制御演算回路８６ｅについても、前記上下動モード制御電圧演算回路８６ａと同様の構成であり、対応する入出力信号を信号名で示し、その説明は省略するものとする。

一方、ζ，δおよびγの３つの各モード制御電圧演算回路８８ａ〜８８ｃはすべて同じ構成であり、また、上下動モード制御電圧演算回路８６ａと同じ構成要素を有するので、同一部分に同一符号を付すと共に、区別するために「’」を付して図１２にその構成を示す。本実施形態では、図１２に示した減算器９３，９３’、ゲイン補償器９１，９１’、積分補償器９４，９４’、減算器９６，９６’および加算器９５がモード励磁電流収束部を形成している。

次に、以上のように構成された磁気浮上装置の動作について説明する。

装置が停止状態にあるときは、磁石ユニット３０ａ，３０ｄの中央鉄心３２の先端が、固体潤滑部材４３を介してガイドレール１４の対向面に、電磁石３６ａ’，３６ｄ’の先端が固体潤滑部材４３を介してガイドレール１４の対向面にそれぞれ吸着している。このときに固体潤滑部材４３の働きにより、移動体１６の昇降が妨げられることはない。

この状態でこの装置を起動させると、制御装置４４は浮上制御演算部６５の働きにより永久磁石３４が発生する磁束と同じ向きまたは逆向きの磁束を各電磁石３６ａ，３６ａ’〜３６ｄ，３６ｄ’に発生させると共に、磁石ユニット３０ａ〜３０ｄとガイドレール１４，１４’の間に所定の空隙長を維持させるべく各コイル４０に流す電流を制御する。

これによって、図９に示すように、永久磁石３４〜鉄心３８，４２〜空隙Ｇ〜ガイドレール１４（１４’）〜空隙Ｇ”〜中央鉄心３２〜永久磁石３４の経路からなる磁気回路Ｍｃおよび永久磁石３４’〜鉄心３８、４２〜空隙Ｇ’〜ガイドレール１４（１４’）〜空隙Ｇ”〜中央鉄心３２〜永久磁石３４の経路からなる磁気回路Ｍｃ’が形成される。

このとき、空隙Ｇ，Ｇ’，Ｇ”におけるギャップ長は、永久磁石３４の起磁力による各磁石ユニット３０ａ〜３０ｄの磁気的吸引力が移動体１６の重心に作用するｙ軸方向前後力、同ｘ方向左右力、移動体１６の重心を通るｘ軸回りのトルク、同ｙ軸回りのトルクおよび同ｚ軸回りのトルクと丁度釣合うような長さになる。

制御装置４４はこの釣合いを維持すべく移動体１６に外力が作用すると電磁石３６ａ，３６ａ’〜３６ｄ，３６ｄ’の励磁電流制御を行なう。これによって、いわゆるゼロパワー制御がなされる。今、ゼロパワー制御で非接触案内されている移動体１６が図示せぬ巻上げ機によってガイドレール１４，１４’に沿って昇降を開始した場合に、ガイドレール１４，１４’の歪曲等により移動体１６に揺れが生じたとする。このよう場合でも、磁石ユニット３０ａ〜３０ｄが空隙中で電磁石と磁路を共有する永久磁石を備えているため、電磁石コイルの励磁により速やかに磁石ユニット３０ａ〜３０ｄの吸引力を制御して揺れを抑えることができる。

また、人員や積荷の偏った移動、もしくは地震等に起因するロープの揺れ等が原因で移動体１６に過大な外力が加えられたとする。このような場合、磁石ユニット３０ａ〜３０ｄの電磁石の温度が上昇し、電磁石コイルの電気抵抗およびパワーアンプや電流検出器のオフセット電圧が変動する。特に、電力消費を極端に抑制できるゼロパワー制御が用いられている場合には、過大な外力で大きな励磁電流が流れると各電磁石コイルやパワーアンプが急激に発熱し、ギャップ長一定制御などの他の制御方式よりも抵抗値の変動が大きくなる。こうなると、各運動モードでギャップ長推定値とその速度推定値の誤差が増大し、乗り心地が極端に悪化する。

しかし、本発明によれば、による目標値設定部７４および抵抗測定部６４の作用によりパワーアンプおよび電流検出器のオフセット電圧が数２８で正確に演算されるとともに、数３６に基づいて移動体１６の動揺を考慮した上でコイル４０の抵抗値が正確に測定される。

したがって、抵抗測定部６４の出力値で調整されるモード姿勢推定部９７や抵抗値アンバランス補正部９２，９２’のパラメータが正確に調整されると共にゲイン補償器９１，９１’、積分補償器９４，９４’で抵抗値をパラメータとしたゲイン設定が可能である。よって、前記オフセット電圧やコイル抵抗値の変動に対して非接触案内の安定性が維持されるばかりでなく、良好で常に一定な乗り心地を持続させることができる。

また、パワーアンプのオフセット電圧の変動に対してはモード別変位およびモード別変位速度において、推定誤差が生じるが、推定誤差補正部１４２の動作によってもこれらの誤差はゼロになる。しかし、モード姿勢推定部９７の推定値が真値に収束する速さはコイル抵抗測定値の正確性に依存しているため、抵抗測定部６７でオフセット電圧を考慮した正確な抵抗測定を行なうことにより、モード姿勢推定部９７の推定値が真値に迅速に収束する。さらに、推定誤差補正部１４２の動作でモード別変位速度の推定値に誤差が生じないため、数２８および数３６においても正確な演算を行なうことができる。

本装置が運転を終えて停止する場合には、目標値設定部７４において、ｙモードおよびｘモードの目標値をゼロから徐々に負の値とする。これにより、移動体１６は、ｙ軸、ｘ軸方向に徐々に移動し、最終的に磁石ユニット３０ａ，３０ｄの中央鉄心３２の先端が、固体潤滑部材４３を介してガイドレール１４の対向面に電磁石３６ａ’，３６ｄ’の先端が固体潤滑部材４３を介してガイドレール１４の対向面にそれぞれ吸着する。この状態で装置を停止させると、目標値設定部７４の出力がすべてゼロにリセットされると共に移動体１６がガイドレールに吸着する。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について説明する。

前記第１および第２実施形態では、磁石ユニットが浮上体側に取付けられていたが、これは磁石ユニットの取付け位置をなんら限定するものでなく、図１３に示すように、磁石ユニットを地上側に配置しても良い。なお、説明の簡単化のために、以下、第１および第２実施形態と共通する部分には同一の符号を用いて説明する。

図１３は本発明の第３実施形態に係る磁気浮上装置の構成を示す図であり、その全体の構成が符号３００で示されている。

磁気浮上装置３００は、補助支持部３０２、磁石ユニット１０７、ガイド３０４、防振台テーブル３０６、リニアガイド３０８、吸引力制御部１１５、パワーアンプ３１３、電流センサ１２３を備えている。

補助支持部３０２は、断面がコ字形状をなし、例えばアルミ部材などの非磁性体で形成される。この補助支持部３０２は地上に設置されており、磁石ユニット１０７は補助支持部３０２の上部下面に下向きに取付けられている。ガイド３０４は、磁石ユニット１０７に対向する断面がコ字形状をなし、例えば鉄などの強磁性部材で形成されている。防振台テーブル３０６は、このガイド３０４を底部上面に備えており、全体としてコ字形状に形成されている。リニアガイド３０８は、防振台テーブル３０６の側面に取付けられ、地上に対して垂直方向にのみ動きの自由度を防振台テーブル３０６に付与する。

吸引力制御部１１５は、磁石ユニット１０７の吸引力を制御して防振テーブル３０６を非接触で支持するための制御を行なう。パワーアンプ３１３は、吸引力制御部１１５の出力に基づいて磁石ユニット１０７を励磁するための図示せぬ電源に接続されている。電流センサ１２３は、磁石ユニット１０７の励磁電流を検出する。

ここで、吸引力制御部１１５は以下のような構成を有する。すなわち、吸引力制御部１１５は、抵抗測定部１４０、接触検出部１３０、姿勢演算部１３５、姿勢推定部１３３、初期値設定部１３９、推定初期化部１３７、励磁電圧演算部１２５を備えている。

抵抗測定部１４０は、磁石ユニット１０７への励磁電流および励磁電圧からリード線１２８およびコイル１１９および１１９’の直列抵抗値を測定する。接触検出部１３０は、補助支持部３０２の底部上面に取付けられたマイクロスイッチ３１０と磁石ユニット１０７の磁極面に貼られた圧電ゴム３１２を備える。

姿勢演算部１３５は、接触検出部１３０の接触検出信号から防振テーブル３０６の補助支持部３０２もしくは磁石ユニット１０７への接触時の浮上ギャップ長を計算する。姿勢推定部１３３は、抵抗測定部１３０の出力および磁石ユニット１０７への励磁電流、励磁電圧から防振テーブル３０６の浮上姿勢を推定する。

初期値設定部１３９は、姿勢演算部１３５の出力に基づいて姿勢推定部１３３に推定初期値を設定する。推定初期化部１３７は、接触検出部１３０の出力に基づいて姿勢推定部１３３を初期化する。励磁電圧演算部１２５は、姿勢推定部１３３の出力に基づいて防振テーブル３０６を磁気浮上させるための磁石ユニット１０７への励磁電圧を演算する。

このような構成によれば、磁石ユニット１０７を地上側に配置したことにより、可動部である防振テーブル３０６からの配線がなくなり、装置の信頼性が向上するといった利点がある。

（第４実施形態）
次に、第４実施形態について説明する。前記第１ないし第３実施形態では、ギャップセンサを必要としないセンサレス磁気浮上装置に本発明を適用した場合について説明した。しかしながら、本発明はセンサレス磁気浮上装置への適用を限定するものではなく、図１４に示すように、ギャップセンサを用いた吸引式磁気浮上装置に適用することでも良い。なお、説明の簡単化のために、以下、第１ないし第３実施形態と共通する部分には同一の符号を用いて説明する。

図１２は第４実施形態に係る磁気浮上装置の構成を示す図であり、その全体の構成が符号４００で示されている。第４実施形態における磁気浮上装置４００では、磁気浮上系の安定化のために用いられる浮上ギャップ長およびその速度の情報を前記第１実施形態の姿勢推定部１３３ではなく、ギャップセンサ１２１および擬似微分器４０２を用いて取得する。ギャップセンサ１２１の出力は、浮上ギャップ長の情報として励磁電圧演算部１２５に直接入力されると共に、擬似微分器４０２を介して速度信号に変換されて励磁電圧演算部１２５に入力される。また、電流センサ１２３によりコイル１１９，１１９’の励磁電流が励磁電圧演算部１２５に入力される。

ここで、励磁電圧演算部１２５中の目標値設定部１５０および抵抗測定部１４０の機能により、本実施形態においても前記第１実施形態と同様にして浮上体１１１の動揺やパワーアンプ３１３および電流センサ１２３のオフセット電圧を考慮したコイル抵抗値の測定がなされる。そして、コイル電流収束部１２５において、そのコイル抵抗値に基づいて浮上体１１１を安定かつ一定の過渡応答で浮上させる励磁電圧が演算される。このような構成によれば、簡便な制御装置にて温度変動に対して常に安定した浮上状態を維持することができる。

なお、前記各実施形態では、磁気浮上を行なう制御装置（吸引力制御部１１５）がアナログ的な構成として説明されているが、本発明は、アナログの制御方式に限定されるものではなく、デジタル制御にて構成することも可能である。また、励磁部の構成としてパワーアンプを用いているが、これはドライバの方式を何ら限定するものではなく、例えばパルス幅変調（ＰＷＭ―Pulse Width Modulation―）形のものでも何ら差し支えない。

この他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。要するに、本発明は前記各実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、前記各実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の形態を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を省略してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

本発明の第１実施形態に係る磁気浮上装置の構成を示す図である。 本発明の原理を説明するための磁気浮上装置の基本構成を示す図である。 第１実施形態の装置の吸引力制御部の詳細な構成を示すブロック図である。 第１実施形態の装置の吸引力制御部の詳細な構成を示すブロック図である。 第１実施形態の装置の吸引力制御部の詳細な構成を示すブロック図である。 本発明の第２実施形態に係る磁気浮上装置の構成を示す図である。 第２実施形態の磁気浮上装置のフレーム部の構成を示す斜視図である。 第２実施形態に係る装置の磁石ユニット周辺の構成を示す斜視図である。 第２実施形態に係る装置の磁石ユニットの構成を示す立面図である。 第２実施形態に係る装置の制御装置の詳細構成を示すブロック図である。 第２実施形態の制御装置内のモード制御電圧演算回路の構成を示すブロック図である。 第２実施形態による磁気浮上装置の制御装置内の他のモード制御電圧演算回路の構成を示すブロック図である。 第３実施形態に係る磁気浮上装置の構成を示す図である。 第４実施形態に係る磁気浮上装置の構成を示す図である。

符号の説明

１０７ 磁石ユニット
１１１ 浮上体
１１３ ガイド
１１５ 制御部（吸引力制御部）
１１９ コイル
１２３ センサ部
１２５ 励磁電圧演算部
１３３ 姿勢推定部
１４０ 抵抗測定部

Claims (8)

1. 強磁性部材で構成されるガイドと、
   このガイドに空隙を介して対向する電磁石で構成される磁石ユニットと、
   前記ガイドに作用する前記磁石ユニットの吸引力により非接触で支持される浮上体と、
   前記電磁石のコイルに流れる電流値を検出するセンサ部と、
   前記センサ部により得られるコイル電流値に基づいて前記磁石ユニットが形成する磁気回路を安定化させるための励磁電圧値を演算する励磁電圧演算部と、
   前記空隙の変位の変動速度を検出する速度検出部と、
   前記励磁電圧演算部により得られた前記励磁電圧値、前記センサ部により得られた前記コイル電流値、前記速度検出部により得られた前記変動速度に基づいて、前記電磁石のコイル抵抗値を演算する抵抗測定部と、
   前記抵抗測定部により得られた前記コイル抵抗値を前記励磁電圧演算部にフィードバックして前記浮上体の浮上を制御する制御部と
   を具備したことを特徴とする磁気浮上装置。
2. 前記空隙内で前記電磁石と磁路を共有する永久磁石を備えた磁石ユニットと、
   前記電磁石の前記コイル電流の目標値をゼロ値または非ゼロ値に交互に設定する目標値設定部と、
   前記目標値設定部により設定された目標値に前記電磁石の前記コイル電流を収束させるコイル電流収束部と、
   前記コイル電流収束部による収束動作に伴い、前記センサ部により得られる前記コイル電流値に基づいて前記磁石ユニットが形成する磁気回路を安定化させるための励磁電圧値を演算する励磁電圧演算部と、
   前記目標値がゼロ値に設定されているときに前記励磁電圧演算部により得られた前記励磁電圧値、前記センサ部により得られた前記コイル電流値、前記速度検出部により得られた前記変動速度に基づいて前記励磁電圧値の直流分を演算するオフセット演算部と、
   前記オフセット演算部の演算結果を保存する電圧保存部と、
   前記電磁石の励磁電圧値から前記電圧保存部に保存された励磁電圧値をオフセット電圧値として減算することにより前記励磁電圧値の補償値を求める励磁電圧補償部と、
   を具備したことを特徴とする請求項１に記載の磁気浮上装置。
3. 少なくとも前記コイル電流値と前記励磁電圧値とに基づいて前記強磁性部材に対する前記浮上体の姿勢および姿勢変化速度を推定する姿勢推定部をさらに備え、前記速度検出部は前記姿勢推定部により推定された前記姿勢変化速度に基づいて前記変動速度を演算することを特徴とする請求項１に記載の磁気浮上装置。
4. 前記浮上体が浮上状態にないときに前記浮上体と前記ガイドの位置関係を所定の状態に維持する補助支持部と、
   前記浮上体と前記ガイドとの接触を検出する接触検出部と、
   この接触検出部の出力に基づき接触時の前記ガイドに対する前記浮上体の姿勢を出力する姿勢演算部と、
   この接触検出部の出力に基づき接触時に前記姿勢推定部を初期化する推定初期化部と、
   前記姿勢推定部が初期化される際に前記姿勢演算部の出力値を前記姿勢推定部の初期値として設定する初期値設定部と
   をさらに備えたことを特徴とする請求項３に記載の磁気浮上装置。
5. 前記姿勢推定部によって得られる姿勢変化速度の推定値に所定のゲイン乗じて積分し、その積分結果を前記励磁電圧値に加算すると共に、その加算結果を新たな励磁電圧値として前記姿勢推定部にフィードバックする推定誤差補正部を備えたことを特徴とする請求項３に記載の磁気浮上装置。
6. 前記浮上体の運動の自由度に寄与する吸引力を発生させるための励磁電圧を所定のモード毎に演算するモード励磁電圧演算部と、
   前記浮上体の運動の自由度に寄与する吸引力を発生させるための励磁電流を所定のモード毎に演算するモード励磁電流演算部をさらに備え、
   前記姿勢推定部は、少なくとも前記モード励磁電流演算部と前記モード励磁電圧演算部の出力とに基づいて、前記浮上体の前記強磁性部材に対する姿勢および当該姿勢の時間変化を前記浮上体の運動の自由度毎に推定することを特徴とする請求項３に記載の磁気浮上装置。
7. 前記姿勢推定部によって得られる姿勢変化速度の推定値に所定のゲイン乗じて積分し、その積分結果を前記モード別励磁電圧値に加算すると共に、その加算結果を新たなモード別の励磁電圧値として前記姿勢推定部にフィードバックするモード推定誤差補正部を備えたことを特徴とする請求項６に記載の磁気浮上装置。
8. 前記抵抗測定部が、少なくとも前記励磁電圧値と前記コイル電流値の線形結合に前記コイル電流を乗じた電力演算結果を積分する積分器を備えていることを特徴とする請求項１に記載の磁気浮上装置。

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