JP2009106040A - リニアモータ駆動システムとその制御方法。 - Google Patents

Abstract

【課題】 高価な絶対値エンコーダやホールセンサを使用せず、短時間で磁極位置を同定し原点サーチのできるリニアモータ駆動システムとその制御方法を提供する。
【解決手段】 リニアモータ駆動システムにおいて、モータ制御装置（７）は、電源投入時に固定子巻線全てに通電して磁極位置を同定する磁極位置同定部（９）と、同定時の磁極位置を同定時磁極位置として記憶する同定時磁極位置記憶部（１０）と、原点サーチ指令を生成する原点サーチ指令生成部（１３）と、原点サーチ指令により固定子巻線全てに通電して原点をサーチするモータ駆動部（８）と、原点を見つけたら原点位置を記憶する原点位置記憶部（１１）と、原点位置と同定時磁極位置とから可動子の位置を演算し、通電すべき固定子巻線を選択して巻線選択信号を生成する巻線選択部（１２）と、を備え、
原点サーチ以後は、推力発生に有効な固定子巻線を選択して通電するようにした。
【選択図】 図１

Description

本発明は、マグネットを配置した可動子のリニアモータのリニアモータ駆動システムとその制御方法に関する。

リニアモータ駆動装置は大別して、ムービングコイル型とムービングマグネット型があり、ムービングマグネット型リニアモータは省電力化のため、可動子の有効範囲内の固定子巻線にのみ通電する巻線切替え方式を使用している。巻線の切替えには、可動子の位置情報が必要となり、電源投入時から通常駆動時まで様々な方法で可動子の位置を監視している。

従来の技術として、絶対値エンコーダを使用し、可動子の位置を電源投入時から監視する方式や、固定子側にホールセンサを備えることで固定子を検出する方法がある。特許文献１に開示された従来技術は、レーザ干渉計を用いて、可動子マグネットの固定子巻線列に対する相対的な変位情報により電流の方向を決定し、原点位置を設定するための遮光センサが配置されている位置まで、可動子マグネットを各相毎に独立駆動させることよって移動させる方式が用いられている。
図４に、特許文献１に開示された従来技術のブロック図を示す。図４のリニアモータ駆動装置は可動子マグネット１０１、Ａ相、Ｂ相の固定子巻線列ＣＡｎ−１，ＣＡｎ，ＣＡｎ＋１，ＣＢｎ，ＣＢｎ＋１、Ａ相、Ｂ相の巻線に対するスイッチＳＡｎ−１，ＳＡｎ，ＳＡｎ＋１，ＳＢｎ，ＳＢｎ＋１、インクリメンタル型のセンサであるレーザ干渉計Ｌ、反射ミラーＲ、Ａ相ドライバＤＡ、Ｂ相ドライバＤＢ、コントローラ１０９で構成されている。コントローラ１０９によって各スイッチＳＡｎ−１，ＳＡｎ，ＳＡｎ＋１，ＳＢｎ，ＳＢｎ＋１を制御して通電状態にし、Ａ相の全巻線ＣＡｎ−１，ＣＡｎ，ＣＡｎ＋１に対して正方向の微小電流を与え、レーザ干渉計Ｌによって固定子巻線に対する可動子マグネット１０１の相対的な位置変化の方向を検知し、移動方向を判断し、電流方向を決定し、駆動電流を印加する。原点位置を設定している遮光センサを遮光していない場合、同様にＢ相に微小電流を与え、移動方向を判断し、駆動電流を印加する。遮光センサを遮光していない場合、同様な手順で遮光センサを遮光するまで、Ａ相、Ｂ相に駆動電流を印加することにより、可動子マグネット１０１を原点位置に移動させている。

次に、特許文献２に開示された従来技術を図５を用いて説明する。図５ において、２０１ は制御器、２０２ は巻線切替信号、２０３ はスイッチ、２０４ は巻線切替リニアモータを構成する巻線（ 固定子） 、２０５ は巻線切替リニアモータの移動量を検出する検出器（リニアスケール） 、２０６ は巻線切替リニアモータを構成するマグネット（ 可動子） 、２０７ は検出器２０５ の出力である検出信号である。巻線切替リニアモータは、巻線（ 固定子） ２０４ と、巻線を短絡・開放するスイッチ２０３ と、マグネット（ 可動子） ２０６ で構成されている。巻線切替リニアモータの初期磁極検出を行い、巻線切替リニアモータを駆動する場合、制御器２０１ で、巻線切替リニアモータの一部を通電する巻線切替信号２０２ を生成し、巻線（ 固定子） を短絡・開放するスイッチ２０３ を開閉して巻線切替リニアモータの一部を通電する。このとき、巻線切替信号２０２ を制御器２０１ 内で記憶する。巻線（ 固定子） を通電している状態で、制御器２０１ から初期磁極検出を行う。初期磁極検出が失敗した場合、他の巻線（ 固定子） を通電し、初期磁極検出を行う。初期磁極検出が成功した時点で、初期磁極検出位置（ 位相） を制御器２０１ 内に記憶する。制御器２０１ 内に記憶した、初期磁極検出成功時の巻線切替信号２０２ と初期磁極検出位置（ 位相） を用いて巻線切替リニアモータ可動子の絶対位置を算出する。その後、初期磁極検出位置（ 位相） と巻線切替リニアモータの絶対位置と、検出器（ リニアスケール） ２０５ の出力信号である検出信号２０７ を用いて、巻線切替リニアモータを駆動するというものである。
特開２００４−１２０９６２号公報 特開２００７−０４９８３１号公報

しかしながら、絶対値エンコーダを使用して、可動子の位置を確認する方法は、絶対値エンコーダが高価なため、リニアモータのストロークが長くなるほど、コストが大きくなる問題がある。また、固定子側にホールセンサを備える方法もストロークが長くなるほどコストが大きくなる問題がある。
特許文献１に開示された従来技術では、リニアモータ装置の負荷が大きい場合、駆動電流が不足し、可動子マグネットが動作しない場合が起こりうるだけでなく、負荷が小さい場合、加減速が激しくなるという問題点がある。また、可動子マグネットと原点位置が大きく離れている場合、Ａ相、Ｂ相の駆動電流を交互に何度も流す必要があり、検出終了までに時間がかかってしまうという問題点がある。
また従来技術２に開示された従来技術では、負荷が大きい場合に可動マグネットが動作しないのか、有効な巻線選択ができなかったのか判定ができないという問題点と、初期磁極検出が失敗した場合他の巻線に通電するという動作を繰り返すために磁極位置同定にかなりの時間がかかってしまうという問題点がある。

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、高価な絶対値エンコーダやホールセンサを使用せず、短時間で磁極位置を同定し原点サーチのできるリニアモータ駆動システムとその制御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、次のように構成したのである。
請求項１に記載の発明は、マグネットを配置した可動子と分割した固定子巻線と原点検出器とからなるリニアモータと、可動子の位置を検出する位置検出器と、巻線選択信号により前記固定子巻線を選択して通電する巻線選択スイッチと、前記リニアモータを制御するモータ制御装置と、を備えたリニアモータ駆動システムにおいて、前記モータ制御装置は、電源投入時に前記固定子巻線全てに通電して磁極位置を同定する磁極位置同定部と、同定時の磁極位置を同定時磁極位置として記憶する同定時磁極位置記憶部と、原点サーチ指令を生成する原点サーチ指令生成部と、前記原点サーチ指令により前記固定子巻線全てを駆動して原点をサーチするモータ駆動部と、原点を見つけた時の原点位置を記憶する原点位置記憶部と、前記原点位置と前記同定時磁極位置とから前記可動子の位置を演算し、通電すべき固定子巻線を選択して前記巻線選択信号を生成する巻線選択部と、を備え、原点サーチ以後は、推力発生に有効な固定子巻線を選択して通電することを特徴とするものである。
請求項２に記載の発明は、請求項１記載のリニアモータ駆動システムにおいて、前記固定子巻線は３相であることを特徴とするものである。

請求項３に記載の発明は、請求項１記載のリニアモータ駆動システムにおいて、前記モータ駆動部は、位置指令と可動子位置に基づいて速度指令を生成する位置制御部と、前記速度指令と可動子速度に基づいて推力指令を生成する速度制御部と、前記推力指令に基づいて電流指令を生成し、前記電流指令と固定子巻線電流に基づいて電圧指令を生成し、電力増幅して前記リニアモータを駆動する電流制御部と、を備え、原点サーチ指令に基づいて設定可能な速度プロファイルで原点サーチをすることを特徴とするものである。
請求項４に記載の発明は、請求項３記載のリニアモータ駆動システムにおいて、前記電流制御部は、電流制御比例ゲインと電流制御積分ゲインを有し、全ての固定子巻線駆動時は前記電流制御比例ゲインを選択巻線駆動時よりも約（１／固定子巻線並列数）に下げることを特徴とするものである。
請求項５記載の発明は、請求項１記載のリニアモータ制御システムにおいて、前記巻線選択部は、巻線選択を切替えるときに選定可能な重なり時間を設けることを特徴とするものである。

請求項６記載の発明は、マグネットを配置した可動子と分割した固定子巻線と原点検出器とからなるリニアモータと、可動子の位置を検出する位置検出器と、巻線選択信号により前記固定子巻線を選択して通電する巻線選択スイッチと、前記リニアモータを制御するモータ制御装置と、を備えたリニアモータ駆動システムの制御方法において、電源投入時に前記固定子巻線全てに通電して磁極位置を同定するステップと、同定時の磁極位置を同定時磁極位置として記憶するステップと、原点サーチ指令により前記固定子巻線全てを駆動して原点をサーチするステップと、原点を見つけたら原点位置を記憶するステップと、前記原点位置と前記同定時磁極位置とから前記可動子の位置を演算するステップと、前記可動子位置により通電すべき固定子巻線を選択して前記巻線選択信号を生成するステップと、推力発生に有効な固定子巻線を選択して通電するステップと、を備えることを特徴とするものである。
請求項７記載の発明は、請求項６記載のリニアモータ駆動システムの制御方法において、前記固定子巻線全てに通電するときは電流制御比例ゲインを選択巻線駆動時よりも約（１／固定子巻線並列数）にすることを特徴とするものである。

請求項１乃至５記載の発明によると、高価な絶対値エンコーダやホールセンサを使用せず、短時間で磁極位置を同定し原点サーチのできるリニアモータ駆動システムを提供することができる。
請求項６および７記載の発明によると、高価な絶対値エンコーダやホールセンサを使用せず、短時間で磁極位置を同定し原点サーチのできるリニアモータ駆動システムの制御方法を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

図１は本発明の構成を示すブロック図である。図１において、１はリニアモータ、２は可動子、３は固定子巻線、４は位置検出器、５は原点検出器、６は巻線選択スイッチである。また、７はモータ制御装置、８はモータ駆動部、９は磁極位置同定部、１０は同定時磁極位置記憶部、１１は原点位置記憶部、１２は巻線選択部、１３は原点サーチ指令生成部、１４は位置レジスタ、１５は可動子速度生成部、１６は位置制御部、１７は速度制御部、１８は電流制御部、１９は磁極位置生成部である。

次に動作原理について説明する。図２は、１対の主マグネットとそのサイドに補助マグネットを配置した可動子とフルピッチに配置された固定子巻線により構成されたリニアモータの例であり、各固定子巻線の可動子移動距離に対する鎖交磁束と原点より離れる方向を正としたときの推力定数の図である。鎖交磁束は移動距離に対して２サイクル現れ中央の１サイクルが主マグネットを鎖交する区間である。推力定数は原点から離れる方向の移動距離で鎖交磁束を微分して求められる。各固定子巻線が推力を発生できるのは、図２に示した推力定数が現れた区間であり、可動子が有効区間以外に位置するときには通電しても推力は発生せず、ジュール損失を発生させるだけである。本発明は中央の１サイクルの区間に可動子があるときの固定子巻線を選択して通電するようにしたものである。図２の矢印は、Ｕ相固定子巻線の切替えタイミングを表している。図３は２対の主マグネットを１対の補助マグネットで構成された可動子の例である。

次にリニアモータ駆動システムの磁極位置同定と原点サーチについて説明する。電源投入時は可動子がどの位置にあるか不定であり、位置検出器も絶対値方式ではないために、位置０を指示する。磁極位置同定部９は巻線選択部１２に全ての固定子巻線を選択する選択信号を生成するとともに、磁極同定指令をモータ駆動部８に与える。モータ駆動部８は磁極同定指令に基づいてＵ相固定子巻線の磁軸と可動子の磁軸が一致する位置を磁極原点位置を見つけるように動作する。磁極位置同定は、例えば固定子磁軸がＵ相磁軸に一致するように３相固定子巻線に通電したり、あるいは可動子の移動を電気角で数度以下に抑えながら３相電流の配分を変化させて固定子磁軸を可動子磁軸に一致させる。一致したときの３相電流配分により可動子磁軸の位置が判定できる。可動子磁軸をＵ相磁軸に一致させた場合は磁極位置同定部９は、磁極原点位置を同定時磁極位置記憶部１０にトリガ信号を出力する。

同定時磁極位置記憶部１０は、トリガ信号により検出器４と位置レジスタ１４が生成した位置データをラッチして同定時磁極位置として記憶する。固定子磁軸を可動子磁軸に一致させた場合は３相電流の配分により固定子磁軸とＵ相磁軸の間の電気角をもとめ同定時磁極位置記憶部に出力する。同定時磁極位置記憶部は、電気角と位置データとを対応させ磁極原点位置を演算し記憶する。磁極位置生成部１９は、位置データと磁極原点位置から磁極位置を生成する。電流制御部１８は、磁極位置に基づき３相電流の位相を生成し、電流を制御してモータを駆動する。原点サーチ指令生成部１３は原点サーチ指令を生成し、モータ駆動部８に与える。モータ駆動部８は原点サーチ指令を受けて、設定された速度で移動し原点をサーチする。所定時間経過しても原点がサーチできない場合は、反対方向に移動し、原点をサーチする。原点がサーチされると、原点位置記憶部は位置データをラッチして原点位置をして記憶する。原点サーチが終了すると、これ以後巻線選択部１２は、原点位置と磁極原点位置から推力発生に有効な固定子巻線を選択して巻線選択信号を生成する。巻線選択スイッチ６は巻線選択信号に基づいてオンオフして推力発生に有効な固定子巻線に通電する。

次にモータ駆動部８の動作について説明する。位置制御部１８は位置指令を可動子位置の位置偏差に基づいて速度指令を生成する。速度制御部１７は速度指令と可動子速度の速度偏差に基づいて推力指令を生成する。電流制御部１８は推力指令をｄｑ軸電流指令に変換し、固定子巻線電流を磁極位置に基づいてｄｑ軸電流に変換し、ｄｑ軸電流指令とｄｑ軸電流の電流偏差に基づいてｄｑ軸電圧指令を生成し、ｄｑ軸電圧指令を磁極位置に基づいて３相電圧指令に変換し、３相電圧指令をパルス幅変調して電力増幅し固定子巻線を駆動する。また、電流制御部１８は、全巻線選択時の電流制御比例ゲインを有効巻線選択時に対して電流制御比例ゲインを、約（１／固定子巻線並列数）にする。インダクタンスＬが減少し電流制御ループゲインＫｃ／Ｌが増大し不安定になるのを防ぐためである。ここでＫｃは電流制御比例ゲインである。

図６は本発明の制御方法を示すフローチャートである。図６において、ステップＳＴ１で電源投入時に固定子巻線全てに通電して磁極位置を同定し、ステップＳＴ２で同定時の磁極位置を同定時磁極位置として記憶し、ステップＳＴ３で原点サーチ指令により固定子巻線全てを駆動して原点をサーチし、ステップＳＴ４で原点を見つけたら原点位置を記憶し、ステップＳＴ５で原点位置と同定時磁極位置とから可動子の位置を演算し、ステップＳＴ６で可動子位置により通電すべき固定子巻線を選択し巻線選択信号を生成する。

本発明の構成を示すブロック図 本発明の動作を説明するための図 本発明の動作を説明するための図 従来技術の構成を示すブロック図 従来技術の構成を示すブロック図 本発明の制御方法を示すフローチャート

符号の説明

１ リニアモータ
２ 可動子
３ 固定子巻線
４ 位置検出器
５ 原点検出器
６ 巻線選択スイッチ
７ モータ制御装置
８ モータ駆動部
９ 磁極位置同定部
１０ 同定時磁極位置記憶部
１１ 原点位置記憶部
１２ 巻線選択部
１３ 原点サーチ指令生成部
１４ 位置レジスタ
１５ 可動子速度生成部
１６ 位置制御部
１７ 速度制御部
１８ 電流制御部
１９ 磁極位置生成部

Claims (7)

1. マグネットを配置した可動子と分割した固定子巻線と原点検出器とからなるリニアモータと、可動子の位置を検出する位置検出器と、巻線選択信号により前記固定子巻線を選択して通電する巻線選択スイッチと、前記リニアモータを制御するモータ制御装置と、を備えたリニアモータ駆動システムにおいて、
   前記モータ制御装置は、電源投入時に前記固定子巻線全てに通電して磁極位置を同定する磁極位置同定部と、同定時の磁極位置を同定時磁極位置として記憶する同定時磁極位置記憶部と、原点サーチ指令を生成する原点サーチ指令生成部と、前記原点サーチ指令により前記固定子巻線全てを駆動して原点をサーチするモータ駆動部と、原点を見つけた時の原点位置を記憶する原点位置記憶部と、前記原点位置と前記同定時磁極位置とから前記可動子の位置を演算し通電すべき固定子巻線を選択して前記巻線選択信号を生成する巻線選択部と、を備え、
   原点サーチ以後は、推力発生に有効な固定子巻線を選択して通電することを特徴とするリニアモータ駆動システム。
2. 前記固定子巻線は３相であることを特徴とする請求項１記載のリニアモータ駆動システム。
3. 前記モータ駆動部は、位置指令と可動子位置に基づいて速度指令を生成する位置制御部と、前記速度指令と可動子速度に基づいて推力指令を生成する速度制御部と、前記推力指令に基づいて電流指令を生成し、前記電流指令と固定子巻線電流に基づいて電圧指令を生成し、電力増幅して前記リニアモータを駆動する電流制御部と、を備え、
   原点サーチ指令に基づいて設定可能な速度プロファイルで原点サーチをすることを特徴とする請求項１記載のリニアモータ駆動システム。
4. 前記電流制御部は、電流制御比例ゲインと電流制御積分ゲインを有し、全ての固定子巻線駆動時は前記電流制御比例ゲインを選択巻線駆動時よりも約（１／固定子巻線並列数）に下げることを特徴とする請求項３記載のリニアモータ駆動システム。
5. 前記巻線選択部は、巻線選択を切替えるときに選定可能な重なり時間を設けることを特徴とする請求項１記載のリニアモータ制御システム。
6. マグネットを配置した可動子と分割した固定子巻線と原点検出器とからなるリニアモータと、可動子の位置を検出する位置検出器と、巻線選択信号により前記固定子巻線を選択して通電する巻線選択スイッチと、前記リニアモータを制御するモータ制御装置と、を備えたリニアモータ駆動システムの制御方法において、
   電源投入時に前記固定子巻線全てに通電して磁極位置を同定するステップと、
   同定時の磁極位置を同定時磁極位置として記憶するステップと、
   原点サーチ指令により前記固定子巻線全てを駆動して原点をサーチするステップと、
   原点サーチが完了したら原点位置を記憶するステップと、
   前記原点位置と前記同定時磁極位置とから前記可動子の位置を演算するステップと、
   前記可動子位置により通電すべき固定子巻線を選択して前記巻線選択信号を生成するステップと、
   推力発生に有効な固定子巻線を選択して通電するステップと、
   を備えることを特徴とするリニアモータ駆動システムの制御方法。
7. 前記固定子巻線全てに通電するときは電流制御比例ゲインを選択巻線駆動時よりも約（１／固定子巻線並列数）にすることを特徴とする請求項６記載のリニアモータ駆動システムの制御方法。

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