JP2009284567A

JP2009284567A - 磁気浮上制御装置

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Publication number: JP2009284567A
Application number: JP2008130975A
Authority: JP
Inventors: Takashi Manba; 崇萬羽
Original assignee: Yaskawa Electric Corp
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 2008-05-19
Filing date: 2008-05-19
Publication date: 2009-12-03
Anticipated expiration: 2028-05-19
Also published as: JP5217623B2

Abstract

【課題】任意の位置でゼロパワー制御が可能な磁気浮上制御装置を提供する。
【解決手段】可動部，浮上アクチュエータ，位置センサ，およびコントローラとを備えた磁気浮上制御装置において、前記浮上アクチュエータは永久磁石２３による吸引力または反発力を可変とした永久磁石磁力可変モータであり、該永久磁石磁力可変モータは永久磁石２３による吸引力または反発力を変化させるためのアクチュエータである磁力操作モータ１５を備え、コントローラ１００は磁力操作モータ１５の可動子位置を制御する磁力操作モータ制御器１９５を備え、磁力操作モータ１５の可動子位置を操作することによって永久磁石磁力可変モータの発生する推力を操作する。
【選択図】図１

Description

本発明は，任意の位置でのゼロパワー制御が可能な磁気浮上制御装置に関する。

従来の磁気浮上制御装置は、可動部の重量と永久磁石による吸引力が釣り合うような位置へ可動部を移動させることにより、電磁石に流す電流値を定常状態でほぼ零にしていた。この制御方法はゼロパワー制御と呼ばれ、消費電力を最小限に抑える効果がある。従来のゼロパワー制御では、例えば負荷重量が大きくなって可動部の重量が永久磁石による吸引力よりも大きくなった場合には、永久磁石による磁束の磁路にある空隙が小さくなる方向に可動部を移動させて釣り合いを保つ。（例えば、特許文献１および２参照）。また、空隙を挟む可動部と固定部の鉄心に歯列とよぶ凹凸を設け、歯列同士が整列するように推力が発生することを利用して歯列方向すなわち水平方向にも制御できるよう第２の起磁力発生手段を備えているものもある（例えば、特許文献３参照）。

図１３において、２０１は搬送車であり、浮上支持される制御対象である。２００は磁気支持ユニットであり、搬送車２０１の上面四隅位置に配置され、搬送車２０１を浮上支持するための推力を発生するアクチュエータである。磁気支持ユニット２００は永久磁石２０４，電磁石２０２，２０３，ギャップセンサ１３からなる。１２はガイドレールであり、磁気支持ユニット２００との間に推力を発生するための鉄心である。永久磁石２０４によってつくられる磁束は、電磁石２０２，ガイドレール１２，電磁石２０３という経路を通り磁気支持ユニット２００とガイドレール１２との間に推力を発生させる。この永久磁石２０４による吸引力Ｆとギャップ長ｇとの関係は図１４のようになる。負荷重量が小さいとき、搬送車２０１の重量を浮上支持するために必要な推力をＦ１とすると、ギャップ長をｇ１に維持すれば搬送車２０１は永久磁石２０４の吸引力だけで浮上状態を維持することができる。電磁石２０２および２０３に電流を流すと、永久磁石によって生じている磁束を増減でき、推力を増減することができる。ギャップ長ｇ１の位置からずれた時のみ、電磁石２０２および２０３に流す電流を一時的に操作することによりギャップ長がｇ１となる位置へ戻すようにして、この位置で搬送車２０１を維持すれば、永久磁石２０４による吸引力だけで、つまり電磁石２０２および２０３の定常電流が零の状態で搬送車２０１を浮上状態に維持することができる。さらに被搬送物を積載して搬送車２０１の総重量がＦ２に変わった場合には、ギャップ長がｇ２となるように電磁石２０２および２０３のコイル電流を制御してやれば、再び電磁石２０２および２０３のコイルの定常電流が零の状態で搬送車２０１を浮上状態に維持することができる。このようないわゆるゼロパワー制御の具体的な実現方法は例えば特許文献２に詳しく述べられている。
このように、従来の磁気浮上制御装置は、負荷重量が変化した場合、制御対象の総重量が永久磁石による吸引力と等しくなるようなギャップ長の位置に制御対象を移動させてゼロパワー制御するのである。
特許２５０１８０８号公報（第６頁、第５図）特許２９６７８２２号公報（第９頁、第２図）特許２６６２６９７号公報（第１１頁、第１図）

従来の磁気浮上制御装置は、永久磁石によって発生する磁束の磁路はギャップ長のみによって決定され、電磁石２０２および２０３に流す電流が零の時、永久磁石による吸引力を図１４の曲線上の点以外に変えることができないので、ゼロパワー制御時にはギャップ長を任意の位置に変えることができいという問題があった。あるいは、ギャップ長を任意の位置に制御したい場合には消費電力を零にできない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、任意の位置でゼロパワー制御が可能な磁気浮上制御装置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ものである。
請求項１に記載の磁気浮上制御装置の発明は、浮上支持される可動部と、該可動部を浮上支持する力を発生するための少なくとも１つの浮上アクチュエータと、前記可動部の位置を検出するための位置センサと、該位置センサにより検出された位置を元に前記浮上アクチュエータの発生すべき推力の指令である浮上アクチュエータ電流指令を生成するコントローラとを備えた磁気浮上制御装置において、
前記浮上アクチュエータは永久磁石による吸引力または反発力を可変とした永久磁石磁力可変モータであり、該永久磁石磁力可変モータは前記永久磁石による吸引力または反発力を変化させるためのアクチュエータである磁力操作モータを備え、
前記コントローラは前記磁力操作モータの可動子位置を制御する磁力操作モータ制御器を備え、前記磁力操作モータの可動子位置を操作することによって前記永久磁石磁力可変モータの発生する推力を操作するものである。
また、請求項２に記載の発明は、請求項１記載の磁気浮上制御装置において、前記コントローラが前記可動部の浮上位置が指令された浮上位置と一致している時に前記永久磁石による吸引力または反発力と前記可動部の重量が等しくなるように前記永久磁石磁力可変モータの可動子位置を操作するものである。
また、請求項３に記載の発明は、請求項１記載の磁気浮上制御装置において、前記永久磁石磁力可変モータが電磁石を備え、前記コントローラは少なくとも前記磁力操作モータへの電流指令と前記電磁石への電流指令とを生成するものである。
また、請求項４に記載の発明は、請求項３記載の磁気浮上制御装置において、前記コントローラが永久磁石推力指令から永久磁石推力までの遅れモデルを備え、前記永久磁石推力指令を前記遅れモデルの入力とし、前記永久磁石推力指令と前記遅れモデルの出力との差を不足アクチュエータ推力とし、前記不足アクチュエータ推力から不足鉛直推力，不足ロールモーメント，不足ピッチモーメントのうちの少なくとも1つを算出し、前記不足鉛直推力，前記不足ロールモーメント，前記不足ピッチモーメントのうちの少なくとも1つから電磁石推力指令を算出するものである。

また、請求項５に記載の発明は、請求項１記載の磁気浮上制御装置において、前記永久磁石磁力可変モータが前記磁力操作モータにより回転する永久磁石と、棒状鉄心２本と、コの字型鉄心と、固定子側鉄心とを備え、
前記永久磁石の着磁方向が水平方向の時には前記永久磁石と前記棒状鉄２本と前記固定子側鉄心とが輪状の磁路を構成し、前記永久磁石の着磁方向が鉛直方向の時には前記永久磁石とコの字型鉄心とが輪状磁路を構成するものである。
また、請求項６に記載の発明は、請求項１記載の磁気浮上制御装置において、前記永久磁石磁力可変モータが前記磁力操作モータにより直動する永久磁石と、固定子側鉄心とを備えたものである。
また、請求項７に記載の発明は、請求項１記載の磁気浮上制御装置において、前記永久磁石磁力可変モータが前記磁力操作モータにより回転する永久磁石と、Ｅの字型鉄心と、固定子側鉄心とを備え、
前記永久磁石の着磁方向が水平方向の時には前記永久磁石と前記Ｅの字型鉄心の外側とが輪状の磁路を構成し、前記永久磁石の着磁方向が鉛直方向の時には前記永久磁石と前記Ｅの字型鉄心と前記固定子側鉄心とが２つの輪状磁路を構成するものである。
また、請求項８に記載の発明は、請求項１記載の磁気浮上制御装置において、前記永久磁石磁力可変モータが前記磁力操作モータにより回転する永久磁石と、回転しない固定永久磁石と、棒状鉄心２本と、固定子側鉄心とを備え、
前記固定永久磁石の着磁方向が前記永久磁石の回転軸と直角方向に配置されており、前記永久磁石と前記固定永久磁石と前記棒状鉄心２本とが輪状の磁路を構成可能に配置され、前記固定子側鉄心は前記棒状鉄心のうちの一方を挟んで前記固定永久磁石のＮ極またはＳ極の延長上に位置するように配置されているものである。
また、請求項９に記載の発明は、請求項５乃至８のいずれかに記載の磁気浮上制御装置において、前記永久磁石磁力可変モータがウォームギヤまたはハイポイドギヤを用いたものである。

請求項１および２に記載の発明によると、任意のギャップで浮上支持するための消費電力をほぼ０にすることができ、発熱を抑えることができる。
また、請求項３に記載の発明によると、永久磁石の推力の変化が遅い場合でも電磁石によって浮上支持することができる。
また、請求項４に記載の発明によると、永久磁石による吸引力の作用点と電磁石による吸引力の作用点が異なる構成であっても、少ない消費電力で浮上支持することができる。
また、請求項５乃至８に記載の発明によると、永久磁石による吸引力を可変とすることができる。
また、請求項９に記載の発明によると、逆伝達率が低くなり、永久磁石の位置を維持するために必要な電力を小さく抑えることができる。

以下、本発明の実施の形態について図１〜１２を参照して説明する。

図１は、本発明の第１実施例を示す磁気浮上式の多自由度ステージシステムを斜め下から見た構成図である。同図において、１０は制御対象となる多自由度ステージであり、鉛直方向を磁気浮上支持され、浮上方向および推進方向の位置と姿勢角を制御される。１１は推進モータ可動子であり、図示しない推進モータ固定子との間に推進方向の推力を発生する。図１は、推進方向左右にモータを１つずつ配置した例である。１４は永久磁石磁力可変モータ可動子であり、ガイドレール１２との間に吸引力を発生し、多自由度ステージ１０を浮上支持するためのアクチュエータである。図１は、永久磁石磁力可変モータ可動子１４を３カ所に配置した例である。永久磁石磁力可変モータ可動子１４は、通常、磁気浮上に用いられるボイスコイルモータなどのアクチュエータではなく、永久磁石による吸引力を変化させられる構造とする。永久磁石磁力可変モータ固定子は、３つの永久磁石磁力可変モータ可動子１４にそれぞれ１対１に対応して設置する必要はなく、本実施例では、ガイドレール１２がその役割を果たしている。推進方向に対し左側のガイドレール１２は、２つの永久磁石磁力可変モータ可動子１４に対応する固定子となっている。本実施例では、可動子側に永久磁石を含み、磁路の構造を変化させることにより吸引力を変化させるが、固定子側に永久磁石を配置したり、固定子側の構造を変化させるようにしても良い。本発明では、このように永久磁石による吸引力または反発力を変化させられる構造としたアクチュエータの固定子と可動子の組を永久磁石磁力可変モータと呼ぶ。すなわち，本実施例では、永久磁石磁力可変モータ可動子１４とガイドレール１２の組が永久磁石磁力可変モータを構成している。永久磁石磁力可変モータ可動子１４の構造については後述する。

１５は磁力操作モータであり永久磁石磁力可変モータ可動子１４の永久磁石による吸引力を変化させるためのアクチュエータである。１３はギャップセンサであり、多自由度ステージ１０の浮上方向位置およびロール・ピッチ角姿勢を検出するためのセンサである。図示しないコントローラは、ギャップセンサ１３によって検出された情報を用いてフィードバック制御し、多自由度ステージ１０が、指令された通りの浮上方向位置およびロール・ピッチ角姿勢で磁気浮上支持されるように、磁力操作モータ１５の電流指令を決定する。図示していないが、浮上方向と推進方向の両方に直交する左右方向位置についても、永久磁石の反発力を利用して非接触支持するか、他のアクチュエータを用意して制御してもよい。あるいは、浮上方向のモータは、浮上力を発生させる際に左右方向の位置のずれを戻す作用もあるため、この作用を用いれば、左右方向位置を支持または制御するアクチュエータや永久磁石を配置しなくてもよい。
本発明が従来技術と異なる点は、浮上用のアクチュエータとして、永久磁石による吸引力を可変とした永久磁石磁力可変モータを用いている部分と、永久磁石による吸引力を変化させるためのアクチュエータである磁力操作モータ１５を備えた部分と、指令された任意の浮上位置に多自由度ステージ１０を維持するように磁力操作モータ１５を操作して永久磁石による吸引力を操作するコントローラを備えた部分である。
このような構成にすることによって、永久磁石による吸引力（または反発力）を自由に変化させることができるので、どのような位置にいても定常状態では永久磁石による吸引力（または反発力）のみで多自由度ステージ１０の重量を支えることができ、消費電力をほぼ零の状態にすることができる。

次に、図２を用いて永久磁石磁力可変モータ可動子１４の構造の一例とその動作原理を説明する。図２において、１２はガイドレール、１５は磁力操作モータである。磁力操作モータ１５は、ステッピングモータを用いるか、あるいは光学式エンコーダや可変抵抗などを備え、回転角を検出してフィードバック制御するサーボモータを用いる。磁力操作モータ１５には、トルクを高めるために減速機を備えてもよい。
永久磁石磁力可変モータ可動子１４は、積層珪素綱板などでつくられるコアａ２０，コアｂ２１，コアｃ２２と、永久磁石２３から成る。実際には永久磁石磁力可変モータ可動子１４および磁力操作モータ１５を多自由度ステージ１０に固定するためのジグも必要であるが、図が煩雑となるのでここでは省略している。永久磁石２３は回転可能となっており、その角度を磁力操作モータ１５により制御する。コアは空気に比べ透磁率が高いため、コアの位置が図２の（ａ）図のような状態の時、永久磁石２３によってつくられる磁束のほとんどは永久磁石２３のＮ極から出て、コアａ２０，ガイドレール１２，コアｂ２１の順に通過し、永久磁石２３のＳ極に戻る。一方、図２の（ｂ）図のような状態の時には、永久磁石２３によってつくられる磁束のほとんどはコアｃ２２を通過し、コアａ２０，コアｂ２１やガイドレール１２は通過しない。コアａ２０，コアｂ２１とガイドレール１２との間の空隙を通過する磁束は、空隙を縮めるように吸引力を発生する。その吸引力は空隙を通過する磁束が大きいほど強い。そのため、永久磁石磁力可変モータ可動子１４とガイドレール１２の間に生じる吸引力は、図２の（ａ）図のような状態の時最大であり、（ｂ）図のような状態の時が最小である。その間で、永久磁石２３の角度を変化させることにより、吸引力を操作することが可能である。コアｃ２２は、（ｂ）図の状態の時の吸引力を小さくするためのものであり、なくてもよい。永久磁石２３の角度を維持するためにトルクを加え続ける必要がある場合、結局は消費電力が零にならなくなってしまうため、減速器には逆伝達率の低いウォームギヤやハイポイドギヤなどを用いると良い。あるいは，機械的なブレーキを備え、定常状態ではブレーキをかけておいても良い。

次に、図４を用いて本実施例の多自由度ステージ磁気浮上制御演算の詳細を説明する。図４において、１１０は多自由度ステージシステムであり、図１に示した永久磁石磁力可変モータ可動子１４，磁力操作モータ１５，ギャップセンサ１３，ガイドレール１２，推進モータ可動子１１などを含んだ制御対象全体を指す。また、推進モータ，磁力操作モータ１５に流れる電流を制御する電流制御装置も含んでおり、それぞれの電流指令を与えると指令通りに電流を生成する。さらに、光学式エンコーダや可変抵抗など磁力操作モータ１５の回転量を検出するためのセンサを含んでおり、磁力操作モータの回転位置を出力する。多自由度ステージシステム１１０は、推進モータ電流と磁力操作モータ電流によって位置および姿勢が変化する。多自由度ステージの現在位置および姿勢は位置センサにより検出され、位置センサ信号として出力される。位置センサは、浮上方向と推進方向の位置および姿勢を検出するためのセンサであり、静電容量センサ，リニアスケール，レーザー干渉計などを用いることができる。

本発明の特徴は浮上方向の制御部分にあり、推進方向のアクチュエータ構成，センサ構成，制御方法は従来の多自由度ステージと同様のものを用いることができる。１００はコントローラであり、位置センサ信号を元に各モータに流す電流を変化させ、多自由度ステージシステム１１０の位置および姿勢を制御する。コントローラ１００は、指令生成器１４０，制御演算器１５０，推力変換演算器１６０，推進モータ電流変換演算器１７０，位置演算器１８０，磁力操作モータ指令変換器１９０，磁力操作モータ制御器１９５よりなる。指令生成器１４０は、多自由度ステージの位置および姿勢の指令を与える。位置指令は、Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸方向の位置と、ロール，ピッチ，ヨーの姿勢とを合わせた６自由度で与える。それぞれ使用者が与える位置決めコマンドを元に制御周期ごとに補完して生成するか、あらかじめ決められた動作を制御周期ごとの位置指令として与える。位置演算器１８０は、センサ信号を受け取り、多自由度ステージ１１０の位置および姿勢を演算する。位置演算器１８０での演算の内容は、多自由度ステージシステム１１０のセンサ構成によって異なる。各種センサ構成に対応した多自由度ステージの位置姿勢算出方法が考案されている。（例えば、特開２００６−２０１０９２号参照）。制御演算器１５０は、位置演算器１８０により算出された位置および姿勢を、指令生成器１４０が生成した指令に追従させるように操作量を決定する。ここで言う操作量とは、具体的には重心位置の並進推力と重心まわりのモーメントなどである。指令生成器１４０の生成する指令を速度指令とし、制御演算器１５０は、位置および姿勢の微分に相当する量を算出して、位置および姿勢の微分相当量を指令に追従させるように操作量を決定する速度制御系としてもよい。制御演算器１５０の詳細については後述する。推力変換演算器１６０は、制御演算器１５０が算出した操作量を実現するために各アクチュエータが出すべき推力を算出する。これは幾何学的な位置関係から求めることができる。本実施例では、浮上方向の推力は全て永久磁石による吸引力によってつくられるため、推力変換演算器１６０は推進モータ推力指令と永久磁石推力指令のみを算出する。

推力変換演算器１６０では、各アクチュエータの推力指令を以下のように算出する。Ｘ軸方向の力を発生するアクチュエータを１つ、Ｙ軸方向の力を発生する推進モータを２つ、Ｚ軸方向の力を発生する永久磁石磁力可変モータを３つ備えたアクチュエータ構成であるとする。制御する自由度とアクチュエータの数が一致しているため、この場合の推力変換演算式は以下のように求められる。重心位置を（ｘＧ,ｙＧ,ｚＧ）、Ｘ軸アクチュエータの位置を（ｘｘ１,ｙｘ１,ｚｘ１）、２つのＹ軸推進モータの位置をそれぞれ（ｘｙ１,ｙｙ１,ｚｙ１），（ｘｙ２,ｙｙ２,ｚｙ２），３つのＺ軸永久磁石磁力可変モータの位置をそれぞれ（ｘｚ１,ｙｚ１,ｚｚ１），（ｘｚ２,ｙｚ２,ｚｚ２），（ｘｚ３,ｙｚ３,ｚｚ３）とする。Ｘ軸アクチュエータの推力をＦｘ１、２つのＹ軸推進モータの推力をそれぞれＦｙ１，Ｆｙ２、３つのＺ軸永久磁石磁力可変モータの推力をそれぞれＦｚ１，Ｆｚ２，Ｆｚ３とする。重心位置の並進推力のＸ軸成分，Ｙ軸成分，Ｚ軸成分をそれぞれＦｘ，Ｆｙ，Ｆｚとし、重心まわりのモーメントのＸ軸成分，Ｙ軸成分，Ｚ軸成分をそれぞれＴｘ，Ｔｙ，Ｔｚする。このとき（１）式が成り立つ。

（１）式は正方行列となっており逆行列を求めることができるため、それをＧとおけば（２）式が得られる。

推力変換演算器１６０で（２）式の演算をすることにより、多自由度ステージの操作量から推進モータ推力指令および永久磁石推力指令を算出できる。冗長なアクチュエータを持つ場合についても、推力指令を分配する方法が考案されており（例えば，特開２００６−７２３９８号参照）、その場合でも本発明の技術を同様に使用できる。
推進モータ電流変換演算器１７０は、推力変換演算器１６０から受け取った推進モータ推力指令通りの推力を発生するように電流指令を生成する。磁力操作モータ指令変換器１９０は、推力変換演算器１６０から受け取った永久磁石推力指令通りの推力を発生するように磁力操作モータ位置指令を生成する。この演算は、あらかじめ磁力操作モータの回転位置と永久磁石磁力可変モータの吸引力との関係を測定しておき、多項式などでモデル化しておくことで実現できる。磁力操作モータ制御器１９５は、磁力操作モータ指令変換器１９０によってつくられた磁力操作モータ位置指令と光学式エンコーダなどで検出された磁力操作モータの回転位置とが一致するように磁力操作モータ電流指令を生成する。この演算の内容は、従来より知られているＰＩＤ制御などとすればよい。

次に、図５を用いて制御演算器１５０の詳細を説明する。図５は制御演算器１５０の一例である。図５に示す従来例の制御演算器１５０は、Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸，θｘ軸（ピッチ軸），θｙ軸（ロール軸），θｚ軸（ヨー軸）の６自由度を制御する。指令は６自由度の位置指令であり、位置および姿勢は同じ６自由度の位置フィードバックである。５０乃至５５は６自由度それぞれの制御演算であり、６自由度の位置指令と位置フィードバックより６自由度の推力指令を生成する。位置Ｘ，Ｙ，Ｚの指令およびフィードバックを多自由度ステージシステム１１０の重心で与えることにより、それぞれの制御演算は干渉することなく独立して演算することができる。６自由度各軸の制御演算は同じ演算内容とすればよく、図６はその演算内容の一例を示す。
図６において６０は、図５の５０乃至５５に相当する６自由度各軸の制御演算を表す。６１はフィードフォワード制御部であり、位置指令よりフィードフォワード操作量を算出する。この演算は、例えば位置指令を二階微分したものをフィードフォワード操作量とすればよい。６２はフィードバック制御部であり、位置指令と位置フィードバックを用いてフィードバック操作量を算出する。演算の内容は、従来より知られている位置ＰＩＤ制御や、位置ＰＩ制御・速度Ｐ制御のカスケード制御，位置Ｐ制御・速度ＰＩ制御のカスケード制御などとすればよい。６３は加算器であり、フィードフォワード操作量とフィードバック操作量を足してフィルタ前操作量を生成する。６４はフィルタであり、高周波成分をカットする一次遅れフィルタや、制御対象の共振周波数などの特定の周波数のみをカットするノッチフィルタなどを組み合わせたものを用いればよい。６５は慣性であり、加速度指令に慣性をかけて推力指令を生成する。ここで、加速度指令にかける慣性の値は、Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸の制御演算５０乃至５２では制御対象の質量であり、θｘ軸の制御演算５３の場合は制御対象のＸ軸周り慣性モーメント、θｙ軸の制御演算５４の場合は制御対象のＹ軸周り慣性モーメント、θｚ軸の制御演算５５の場合は制御対象のＺ軸周り慣性モーメントである。これらは、ＣＡＤによる設計値か、測定値をあらかじめパラメータとして与えておく。

本発明の磁気浮上制御装置の実際の動作を、図８を用いて説明する。多自由度ステージに位置指令が与えられたとき、その位置でのギャップ長ｇ１は幾何学的に決定する。ギャップ長ｇ１を維持した状態で、多自由度ステージ可動部の重量を浮上支持するために必要な推力をＦ１とすると、永久磁石２３の吸引力がＦ１となるように磁力操作モータを制御する。この状態でのギャップ長と吸引力の関係は図８の下側の曲線のようになる。ギャップ長が短いほど吸引力が大きくなり、さらにギャップ長を短くする方向に力が発生するため、ギャップ長ｇ１を維持するためには、かなり高速に磁力操作モータを制御する必要がある。この問題を解決するために、電磁石を追加した場合の例は次の実施例２で述べる。位置指令がそのままで、被搬送物を積載して多自由度ステージ可動部の総重量を浮上支持するために必要な推力がＦ２に変わったとすると、ギャップ長ｇ１を維持した状態で、永久磁石２３の吸引力がＦ２となるように磁力操作モータを制御する。例えば図２のアクチュエータであれば、より（ａ）図の状態に近づける。この状態でのギャップ長と吸引力の関係は図８の上側の曲線のようになる。
本発明が従来技術と異なる部分は、浮上用のアクチュエータとして、永久磁石による吸引力を可変とした永久磁石磁力可変モータを用いている部分と、永久磁石による吸引力を変化させるためのアクチュエータである磁力操作モータ１５を備えた部分と、指令された任意の浮上位置に多自由度ステージ１０を維持したままで消費電流が０となるように永久磁石による吸引力を制御するコントローラ１００を備えた部分である。

磁気浮上制御のためには浮上用アクチュエータの推力を高速に変化させる必要があるが、永久磁石による吸引力を変化させるには、永久磁石等の位置関係を機械的に動かす必要があるため、永久磁石による吸引力を高速に変化させることは難しいことが多い。そのような場合、永久磁石磁力可変モータ可動子１４の内部に電磁石を備え、永久磁石と電磁石を併用して推力を発生するようにしてもよい。図３は第２実施例の永久磁石磁力可変モータ可動子１４の構造を示す図である。この電磁石コイル（コイルａ，コイルｂ）に流す電流を制御することにより吸引力を高速に変化させることができる。コントローラは、ギャップセンサ１３によって検出された情報を用いてフィードバック制御し、多自由度ステージ１０が、指令された通りの浮上方向位置およびロール・ピッチ角姿勢で磁気浮上支持され、なおかつ永久磁石磁力可変モータ可動子１４の電磁石部に流れる電流が定常的に零に収束するように、磁力操作モータ１５の電流指令、または永久磁石磁力可変モータ可動子１４に含まれる電磁石部のコイルａ３０，コイルｂ３１に流す電流指令を決定する。

次に，図７を用いて本実施例の多自由度ステージ磁気浮上制御演算の詳細を説明する。図７において、指令生成器１４０，制御演算器１５０，推進モータ電流変換演算器１７０，位置演算器１８０，磁力操作モータ指令変換器１９０，磁力操作モータ制御器１９５については図４と同じである。多自由度ステージシステム１１１は、推進モータ，磁力操作モータ１５の他に、永久磁石磁力可変モータ可動子１４内に電磁石を備えており、その電流を制御する電流制御装置も含んでいる点が図４と異なる。多自由度ステージシステム１１１は、推進モータ電流，磁力操作モータ電流，電磁石電流によって位置および姿勢が変化する。コントローラ１０１は、図４に加え、電磁石電流変換演算器１７５を含んでおり、電磁石電流指令を出力する。電磁石電流変換演算器１７５は、推力変換演算器１６１から受け取った電磁石推力指令通りの推力を発生するように電磁石電流指令を生成する。この演算は、あらかじめ電磁石電流と電磁石の吸引力との関係を測定しておき、多項式などでモデル化しておくことで実現できる。図３のように永久磁石と電磁石の磁路が共通の場合でも、磁気飽和のない範囲であれば線形性が保たれるため、永久磁石による吸引力と電磁石による吸引力を別々に考えることができる。多自由度ステージの浮上方向の推力は電磁石による吸引力と永久磁石による吸引力との和になる。推力変換演算器１６１は、制御演算器１５０が算出した操作量を実現するために各アクチュエータが出すべき推力を算出する。

ここで、図９を用いて推力変換演算器１６１の演算内容の詳細を説明する。本実施例では、浮上方向の推力は永久磁石による吸引力と電磁石による吸引力の和によってつくられるが、推力変換演算器１６１は、まず、推力変換行列Ａ１６２により電磁石による吸引力がないものとして推進モータ推力指令と永久磁石推力指令を算出する。これは前述の（２）式により求めることができる。この出力をそのまま推進モータ推力指令と永久磁石推力指令とする。しかし，永久磁石の推力指令を与えても、永久磁石による吸引力の応答は磁力操作モータの機械的な位置決めに要する時間だけ遅れる。そこで、各永久磁石推力の遅れを永久磁石１推力遅れモデル１６５，永久磁石２推力遅れモデル１６６，永久磁石３推力遅れモデル１６７としてモデル化し、永久磁石推力指令が与えられたときの実際の推力を推定する。これらは例えば１次遅れモデルで表せばよい。これらの出力と各永久磁石推力指令との差が不足する推力である。永久磁石の推力作用点と電磁石の推力作用点が同じであればこれをそのまま電磁石推力指令としてもよいが、ここではより一般化し、永久磁石の推力作用点と電磁石の推力作用点が一致しない場合でも正しく推力を発生できるように、以下のようにする。
前述の不足推力を推力変換行列Ｂにより不足Ｚ軸推力，不足θｘ軸モーメント，不足θｙ軸モーメントに換算する。この演算は、（１）式でＸ軸アクチュエータとＹ軸推進モータの推力を０とし、Ｚ軸推力として前述の不足推力を代入することで計算できる。算出された不足Ｚ軸推力，不足θｘ軸モーメント，不足θｙ軸モーメントから、推力変換行列Ｃ１６４を用いて電磁石推力指令を算出する。この演算は、（２）式でＺ軸アクチュエータ位置として電磁石の位置を用いることで計算できる。

永久磁石磁力可変モータ可動子１４の別の構造の例を図１０に示す。図１０において、２８はボールねじであり、磁力操作モータ１５の回転動作を直動方向の動作に変える。永久磁石２３の位置はボールねじ２８によって上下方向に動く。これにより、永久磁石２３の位置と制御対象となる多自由度ステージ可動部の位置が変わるため、制御対象の浮上方向の位置が一定の時でも永久磁石２３による吸引力を操作できる。ボールねじ２８の部分はウォームギヤ，クランク等、従来の回転直動変換機構を用いることができる。

永久磁石磁力可変モータ可動子１４の別の構造の例を図１１に示す。図１１において、２５はコアｄであり透磁率の高い鉄心である。磁力操作モータ１５の回転動作によって永久磁石２３が回転する。図１１の（ａ）図のような状態の時、永久磁石２３によってつくられる磁束は、ガイドレール１２とコアｄ２５を（ａ）図の波線の矢印のように通過する。一方、図１１の（ｂ）図のような状態の時には、磁束の多くはコアｄ２５を（ｂ）図の矢印のように通過し、ガイドレール１２は通過しない。ガイドレール１２とコアｄ２５との間の空隙を通過する磁束が多いほど永久磁石２３による吸引力が強いため、（ａ）図の状態で最も吸引力が大きく、（ｂ）図の状態で最も吸引力が小さい。この間の位置で永久磁石２３の角度を制御することにより、永久磁石２３による吸引力を操作できる。本実施例では、コアｄ２５にコイルｃ３２，コイルｄ３３を備えることにより、電磁石による吸引力もつくることができる。

永久磁石磁力可変モータ可動子１４の別の構造の例を図１２に示す。図１２において、２４は固定永久磁石であり、回転動作せず、固定された永久磁石である。磁力操作モータ１５の回転動作によって永久磁石２３のみが回転する。図１２の（ａ）図のような状態の時、永久磁石２３と固定永久磁石２４によってつくられる磁束は同じ向きであるため、コアｅ２６とガイドレール１２を通過し、大気中を通過してＳ極に戻る。一方、図１２の（ｂ）図のような状態の時には、永久磁石２３と固定永久磁石２４によってつくられる磁束は逆向きであるため、磁束の多くは固定永久磁石２４，コアｅ２６，永久磁石２３，コアｆ２７の順に通過して固定永久磁石２４に戻る輪となり、ガイドレール１２には通過しない。ガイドレール１２とコアｅ２６との間の空隙を通過する磁束が多いほど永久磁石２３，２４による吸引力が強いため、図１２の（ａ）図の状態で最も吸引力が大きく、（ｂ）図の状態で最も吸引力が小さい。この間の位置で永久磁石２３の角度を制御することにより、永久磁石２３，２４による吸引力を操作できる。
このように、永久磁石による吸引力を変えられるような構成をしているので、任意の位置でほぼ消費電力零で多自由度ステージ可動部を浮上支持することができる。

永久磁石による吸引力を変えられるようにすることによって任意の位置で定常状態での消費電力を小さくすることができるので、発熱を抑えることができ、空気による熱伝達のない真空中での精密位置決めという用途にも適用できる。

本発明の第１実施例を示す多自由度ステージシステムの構成図本発明の第１実施例に用いる永久磁石磁力可変モータの原理構造図本発明の第２実施例に用いる永久磁石磁力可変モータの原理構造図本発明の第１実施例を示すコントローラの演算ブロック図本発明の第１実施例を示す制御演算器１５０の演算ブロック図本発明の第１実施例を示す制御演算（５０乃至５５）の演算ブロック図本発明の第２実施例を示すコントローラの制御ブロック図本発明のゼロパワー制御動作を示すギャップ長と吸引力の関係のグラフ本発明の第２実施例の推力変換演算器１６１の演算ブロック図本発明の第３実施例に用いる永久磁石磁力可変モータの原理構造図本発明の第４実施例に用いる永久磁石磁力可変モータの原理構造図本発明の第５実施例に用いる永久磁石磁力可変モータの原理構造図従来の磁気浮上制御装置の側断面図従来の磁気浮上制御装置のゼロパワー制御動作を示すギャップ長と吸引力の関係のグラフ

符号の説明

１０多自由度ステージ
１１推進モータ可動子
１２ガイドレール
１３ギャップセンサ
１４永久磁石磁力可変モータ可動子
１５磁力操作モータ
２０コアａ
２１コアｂ
２２コアc
２３永久磁石
２４固定永久磁石
２５コアｄ
２６コアｅ
２７コアｆ
２８ボールねじ
３０コイルａ
３１コイルｂ
３２コイルｃ
３３コイルｄ
５０Ｘ軸制御演算
５１Ｙ軸制御演算
５２Ｚ軸制御演算
５３ θｘ軸制御演算
５４ θｙ軸制御演算
５５ θｚ軸制御演算
６１フィードフォワード制御部
６２フィードバック制御部
６３加算器
６４フィルタ
６５慣性
１１０，１１１多自由度ステージシステム
１４０指令生成器
１５０制御演算器
１６０，１６１推力変換演算器
１６２推力変換行列Ａ
１６３推力変換行列Ｂ
１６４推力変換行列Ｃ
１６５永久磁石１推進遅れモデル
１６６永久磁石２推進遅れモデル
１６７永久磁石３推進遅れモデル
１７０推進モータ電流変換演算器
１７５電磁石電流変換演算器
１８０位置演算器
１９０磁力操作モータ指令変換器
１９５磁力操作モータ制御器
２００磁気支持ユニット
２０１搬送車
２０２，２０３電磁石
２０４永久磁石

Claims

浮上支持される可動部と、該可動部を浮上支持する力を発生するための少なくとも１つの浮上アクチュエータと、前記可動部の位置を検出するための位置センサと、該位置センサにより検出された位置を元に前記浮上アクチュエータの発生すべき推力の指令である浮上アクチュエータ電流指令を生成するコントローラとを備えた磁気浮上制御装置において、
前記浮上アクチュエータは永久磁石による吸引力または反発力を可変とした永久磁石磁力可変モータであり、該永久磁石磁力可変モータは前記永久磁石による吸引力または反発力を変化させるためのアクチュエータである磁力操作モータを備え、
前記コントローラは前記磁力操作モータの可動子位置を制御する磁力操作モータ制御器を備え、前記磁力操作モータの可動子位置を操作することによって前記永久磁石磁力可変モータの発生する推力を操作することを特徴とする磁気浮上制御装置。
前記コントローラは前記可動部の浮上位置が指令された浮上位置と一致している時に前記永久磁石による吸引力または反発力と前記可動部の重量が等しくなるように前記永久磁石磁力可変モータの可動子位置を操作することを特徴とする請求項１記載の磁気浮上制御装置。
前記永久磁石磁力可変モータは電磁石を備え、前記コントローラは少なくとも前記磁力操作モータへの電流指令と前記電磁石への電流指令とを生成することを特徴とする請求項１記載の磁気浮上制御装置。
前記コントローラは永久磁石推力指令から永久磁石推力までの遅れモデルを備え、前記永久磁石推力指令を前記遅れモデルの入力とし、前記永久磁石推力指令と前記遅れモデルの出力との差を不足アクチュエータ推力とし、前記不足アクチュエータ推力から不足鉛直推力，不足ロールモーメント，不足ピッチモーメントのうちの少なくとも1つを算出し、前記不足鉛直推力，前記不足ロールモーメント，前記不足ピッチモーメントのうちの少なくとも1つから電磁石推力指令を算出することを特徴とする請求項３記載の磁気浮上制御装置。
前記永久磁石磁力可変モータは前記磁力操作モータにより回転する永久磁石と、棒状鉄心２本と、コの字型鉄心と、固定子側鉄心とを備え、
前記永久磁石の着磁方向が水平方向の時には前記永久磁石と前記棒状鉄２本と前記固定子側鉄心とが輪状の磁路を構成し、前記永久磁石の着磁方向が鉛直方向の時には前記永久磁石とコの字型鉄心とが輪状磁路を構成することを特徴とする請求項１記載の磁気浮上制御装置。
前記永久磁石磁力可変モータは前記磁力操作モータにより直動する永久磁石と、固定子側鉄心とを備えたことを特徴とする請求項１記載の磁気浮上制御装置。
前記永久磁石磁力可変モータは前記磁力操作モータにより回転する永久磁石と、Ｅの字型鉄心と、固定子側鉄心とを備え、
前記永久磁石の着磁方向が水平方向の時には前記永久磁石と前記Ｅの字型鉄心の外側とが輪状の磁路を構成し、前記永久磁石の着磁方向が鉛直方向の時には前記永久磁石と前記Ｅの字型鉄心と前記固定子側鉄心とが２つの輪状磁路を構成することを特徴とする請求項１記載の磁気浮上制御装置。
前記永久磁石磁力可変モータは前記磁力操作モータにより回転する永久磁石と、回転しない固定永久磁石と、棒状鉄心２本と、固定子側鉄心とを備え、
前記固定永久磁石の着磁方向が前記永久磁石の回転軸と直角方向に配置されており、前記永久磁石と前記固定永久磁石と前記棒状鉄心２本とが輪状の磁路を構成可能に配置され、前記固定子側鉄心は前記棒状鉄心のうちの一方を挟んで前記固定永久磁石のＮ極またはＳ極の延長上に位置するように配置されていることを特徴とする請求項１記載の磁気浮上制御装置。
前記永久磁石磁力可変モータはウォームギヤまたはハイポイドギヤを用いたことを特徴とする請求項５乃至８のいずれかに記載の磁気浮上制御装置。