JP2010514991A - 磁気浮揚の負減衰補正のための制御システム及び方法 - Google Patents

Abstract

磁気浮揚制御システム（１００）は、電磁石と台との間の間隙を測定し間隙測定信号を生成するセンサー（１０６）を有する。間隙フィルター（１１２）は、間隙測定信号を受信し、間隙測定信号と補正動作との間の遅延を推定し考慮する位相進み信号を生成する。推定ブロック（１１４）は、位相進み信号を受信し、負の剛性と負減衰の効果が制御システム内で補正されるように位相進み信号に従って補正動作を提供する。

Description

本願明細書は、磁気浮揚に関し、より詳細には負減衰を補正する制御システム及び方法に関する。

磁気浮揚（Ｍａｇｌｅｖ）は、磁界を用いて１又は複数の物体を押し返し、例えば重力のような他の力と対抗して平衡をとるシステム又は装置を表す。Ｍａｇｌｅｖは、車両が浮揚しレールの上を進む輸送システムで利用される。他の用途には、半導体処理（例えば、ウェハの支持圧盤のを浮かせる）、非接触型ベアリング（例えば、磁気的に浮揚するシャフト）、又は医療機器（例えば、ＣＴスキャナ）がある。

剛性は、材料が押されたときに、例えばバネが圧縮に抵抗するときに、押し返す能力である。この性質は、材料の強度及び振動を抑制する能力を決定する。これは、正の剛性である。ある材料又はシステムは、「負の剛性」を有する。このような材料又はシステムは、圧力が加えられた場合に、蓄えたエネルギーが同一の方向に更に圧縮を引き起こすように歪むかねじ曲げられる。例えば、バネを押し始めると、自然に崩れてしまうようなものである。

磁気浮揚では、磁気コアと浮揚されている物体との間の間隙は、本来、負の剛性を有する。負の剛性は、負の剛性の影響を弱める較正式により、磁気浮揚システムで補正されうる。しかしながら、間隙が測定された時間と間隙が補正される時間との間に導入される遅延は、屡々、負減衰をもたらす。負減衰は、負の剛性と同様には較正することができない。従って、磁気浮揚システムで負減衰を補正する必要がある。

本実施例では、磁気浮揚制御システムは、電磁石と台との間の間隙を測定し間隙測定信号を生成するセンサーを有する。間隙フィルターは、間隙測定信号を受信し、間隙測定信号と補正動作との間の遅延を推定し考慮する位相進み信号を生成する。推定ブロックは、位相進み信号を受信し、負の剛性と負減衰の影響が制御システム内で補正されるように位相進み信号に従って補正動作を提供する。

磁気浮揚システムの間隙を制御する方法であって：台を浮揚するための磁界を生成し、前記台と前記電磁コアとの間の間隙を実現した電流に従って維持する段階；前記間隙を測定し、間隙測定信号を出力する段階；前記間隙測定信号と補正動作との間の遅延を考慮するために、過去の測定値に従って位相進み信号を提供するために前記間隙測定信号をフィルタリングする段階、及び前記間隙を調整するときに負の剛性と負減衰が補正されるように、前記位相進み信号に従って前記実現した電流を生成する段階；を有する方法。

別の実施例では、間隙測定は、必要がある場合に再構成され、センサーを設けることなく、間隙測定の推定を可能にする。実現された電流は、望ましくは、位相進み信号に従って生成される。また、位相進み信号に基づく推定ブロックから出力された計算した電流は、増幅される。方法は、フィルタリング段階により導入された雑音を低減する段階を有して良い。方法は、前の間隙測定遅延から遅延を推定する段階を更に有し、前記位相進み信号は前記推定した遅延に基づく。

本開示のこれら及び他の目的、特徴及び利点は、添付の図面と関連して読まれるべき説明のための実施例の以下の詳細な説明から明らかになるだろう。

本願明細書は、添付の図面を参照して、以下に好適な実施例を詳細に記載する。

ある実施例による磁気浮揚システムのブロック／フロー図である。 更に詳細な実施例による磁気浮揚システムのブロック／フロー図である。 図２の基準信号と異なる構成の間隙フィルターの応答を示す、大きさ（ｄＢ）又は位相角（度）対周波数のグラフである。 磁気浮揚システムの間隙を制御する説明のための方法を示すフロー図である。

本願明細書は、磁気浮揚システムで用いられる制御システムを記載する。当該磁気浮揚システムでは、浮揚される部分（以下では、機械設備とも称する）又は装置と磁気コア（以下では、設備コアとも称する）との間の間隙の変動の測定と補正との間の遅延を予測することにより、負減衰が補正される。ある有用な実施例では、システムに生じる負減衰に対抗する位相進みを提供する間隙フィルターにより、遅延が予測される。間隙フィルターの代わり又は加えて、間隙をより正確に予測し負減衰の除去を支援するために、過去の測定又は間隙の予測基準が用いられる。理解されるべき点は、本発明は特定の磁気浮揚システムに関して記載されるが、本発明の教示は広範であり、帰還ループに遅延が導入された結果として負減衰を有する如何なる磁気浮揚システムにも適用可能であることである。更に理解されるべき点は、説明のための例である回路は追加の要素を有してもよく、或いは当該要素は１又は複数の集積回路チップに統合されてもよい。また、示された要素は、ソフトウェアで、又は独立型の装置若しくは回路で実施されてもよい。特に有用な実施例では、図示された要素は、ハードウェアとソフトウェアの種々の組み合わせで実施され、単一の要素又は複数の要素の組み合わせである機能を提供してもよい。

図中の同様の参照符号は、同一又は同様の要素を示す。先ず図１を参照する。図１は、ある説明のための実施例による磁気浮揚システム１０の高次元のブロック図を示す。電磁コア２６は、補正された電流を受信しコア２６により生成された磁界を調整する巻線又はコイル２４を有する。増幅器２２からの補正された電流は、帰還として機能し、コア２６と台１２との間の間隙１４を調整する。間隙１４は、位置センサー１６により測定される。

電磁コア（Ｅコア）２６を用いて磁気浮揚される台１２は、固有の負の剛性を示す。較正方式は、負の剛性の影響を打ち消すために用いられ、所定の較正遅延の導入を含む。これは、力Ｆを有効間隙ｚ及び電流Ｉの関数として表す支配方程式の較正定数又はパラメーターである。回転と間隙の欠陥を含む更に複雑な方式も、この負の剛性を補正するために用いられる。負の剛性が位置の測定と当該位置を用いた力の生成との間の遅延を打ち消す場合、負減衰が現れる。

間隙の小さな外乱に対し、減衰は、間隙１４の位置の測定と当該位置の補正のための使用との間の遅延により乗算された剛性と等しい。剛性が負なので、減衰も負である。

ここで、Ｆ１は時間ｔで浮揚されている物体の加圧能力、Ｆ_ｔ−１は時間ｔ−１の加圧能力、Ｆは瞬間力、Δｔは測定と補正との間の遅延、ｚは瞬間の間隙、

は瞬間の間隙の変化、

は剛性、

は負減衰の減衰係数である。減衰は絶対値であり、磁気浮揚の公称剛性に依存し、補正された剛性には依存しない。

簡略化した較正式は、剛性が本来負であることを示す。

ここで、Ｃｉは較正定数、Ｉはコイル電流である。剛性は、力の関数の微分の結果、負になる。式（１）の剛性は負なので、減衰も負である。本発明の原理によると、本願明細書に記載される実施例は、負減衰の補正を提供する。補正モジュール１８は、負の剛性だけでなく負減衰の補正を提供するために設けられる。位置センサー１６からの間隙測定信号が補正された後、補正された信号は、制御部２０により出力コイル電流を決定するために用いられる。コイル電流は、コイル２４にエネルギーを与えるために用いられる前に、増幅器２２により増幅される。

図２に、本発明の原理の概念を説明するために例として図示された磁気浮揚システム１００を示す。当業者に知られている、システム・アーキテクチャを構成する個々のブロック構成要素の詳細については、本発明を理解するために十分な詳細事項だけを記載する。システム１００の部分又は全ては、中央動き計算機（例えば、パーソナル・コンピューター）に実装されるか、又は独立型制御部に分散される。システム１００は、磁気コア又は設備コア１０２を有する。設備コア１０２は、Ｅコア又は帰還電流に反応する、例えば周囲に巻線（図示しない）を有する他の磁気装置を有する。巻線は、以下に詳細に説明される増幅され補正された信号を有する電流Ｉ_{Ｒｅａｌｉｚｅｄ}を受信する。設備コア１０２は、磁力Ｆ_Ｒｅａｌを機械設備装置又は装置（台）１０４に及ぼす。機械設備１０４は、車両、プラットフォーム、例えば半導体処理の圧盤、回転軸、等を含んでよい。間隙Ｇａｐ_Ｒｅａｌは、設備コア１０２と設備機械１０４との間で維持される。設備コア１０２と設備機械１０４は、システム１００の内部ループ１２０を有する。内部ループ１２０は、システム１００の機械的／物理的特徴をモデル化する。内部ループ１２０は、実際の物理的構成要素を含むか、又はデジタルでモデル化された構成要素を含んでよい。Ｇａｐ_Ｒｅａｌは、動作状態の結果として、変動、回転、又は他の偏位を経験する。これらの偏位は、外部ループ１３０に従い決定され較正され又は補正される。

外部ループ１３０は、少なくとも１つのセンサー１０６を有する。センサー１０６は、光センサー、誘導性センサー、機械的センサー、又は他の如何なる装置若しくはソフトウェア・モジュールを有し、間隙の距離及び間隙の経時偏位を除去してよい。センサー１０６は、位置を測定する如何なる装置（例えば、誘導性センサー）であってもよい。センサー１０６は、測定した間隙Ｇａｐ_{Ｍｅｓｕｒｅｄ}を出力する。間隙の測定値はアナログ又はデジタル信号であって良い。信号がアナログの場合、アナログ−デジタル変換器１０８によりデジタル信号に変換されることが望ましい。間隙再構成モジュール１１０は、センサー１０６がＥコア１０２の間隙と一緒に用いられる必要をなくす。間隙再構成１１０は、間隙測定が実際の間隙と一緒に用いられるときは任意である。センサー１０６がＥコア１０２の間隙と一緒に用いられない場合、間隙再構成１１０は、位置の差分を考慮して間隙（Ｇａｐ_{ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ}）を計算する。

内部ループ１２０（実際の設備）に対する外部ループ１３０（例えば計算ループ）の如何なる遅延も、負減衰を引き起こす。間隙フィルター１１２は、位相進み信号１１３を生成し間隙の遅延を補正するために用いられる。ある用途では、台１０４は、操縦されるか又は方向、力、若しくは加速度を変更される。この瞬間に、間隙フィルター１１２の間隙再構成１１０からの間隙の推定が必要である。間隙フィルター１１２は、測定された間隙（Ｇａｐ_{Ｍｅａｓｕｒｅｄ}）とＩ_{Ｒｅａｌｉｚｅｄ}信号との間の遅延を考慮するために、Ｇａｐ_{ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ}信号を生じる。間隙フィルター１１２は、簡易なリード・フィルター、高次フィルター（良好な精度のため）であってよく、又は幾つかの過去の測定に基づき将来の間隙を推定してよい。間隙フィルター１１２は、システム内に生じる全ての遅延を補正するように実装される。

間隙フィルター１１２からの位相を調整された出力は、予測ブロック１１４に入力される。予測ブロック１１４は、出力電流Ｉ_{ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ}を、台１０４に加えられた力Ｆと間隙（位相進み信号１１３）との関数として予測し、所望の復元力を提供する。間隙フィルター１１２が存在するので、遅延は補正され、結果としてより正確な電流推定をもたらす。これは負減衰を低減又は除去する。実装に依存するが、Ｉ_{ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ}は、デジタルであり、デジタル−アナログ変換器１１６によりアナログ信号（電圧又は電流）に変換される。増幅器１１８は、Ｉｃａｌｕｃｕｌａｔｅｄを増幅し又は変更するために用いられ、Ｉ_{Ｒｅａｌｉｚｅｄ}を内部ループ１２０のコア１０２に提供する。

位相進みを生成する如何なる間隙フィルター１１２も、大体は雑音を増幅する。しかしながら、これは、知られている方法を用いて増幅器１１８のアナログ・フィルターにより弱められる。結果として、利得に明らかな悪影響を及ぼすことなく、位相進みと減衰が補正される。システム１００は、例えば、車両システム、半導体処理装置、非接触ベアリング・システム、医療撮像装置等の多くの異なる用途に用いられる。

図３を参照すると、間隙フィルターの種々の実装の効果がボード線図に示される。基準の曲線２０２は、間隙フィルターがない場合に、推定ブロックに入力された遅延の大きさと位相を示す。曲線２０４、２０６、２０８は、異なる構成の間隙フィルターを有する場合に、推定ブロックに入力された遅延の大きさと位相、及び位相遅延が次第に補正されている様子を示す。更なる補正には、間隙フィルターの更に高い利得が必要である。また、この場合には、曲線が水平になっている曲線の左側で、負の剛性２１１が残存しているのが分かる。大きさは、全ての曲線でほぼ同じである。

図４は、磁気浮揚システムの間隙を制御する方法を説明する。ブロック３０２で、磁界が生成され、台を浮揚し、台と電磁コアとの間の間隙を、実現された電流に従って維持する。電磁コアは、実現された電流によりエネルギーを供給され間隙を調整するコイル巻線を有する。ブロック３０４で、間隙は、１又は複数のセンサーにより測定され、間隙測定信号が出力される。ブロック３０６で、間隙測定は、必要がある場合に任意的に再構成され、測定段階とフィルタリング段階との間で間隙測定の較正を可能にする。これは、信号変換、又は間隙測定信号が間隙フィルターによりフィルターされる前の間隙測定の他の遅延若しくは変化の結果である。

ブロック３０８で、間隙測定信号は間隙フィルターによりフィルターされ、例えば過去の測定値／履歴を用いて、遅延に従い位相進み信号を供給する。フィルターは、間隙測定信号と補正動作との間の遅延を考慮する。補正動作は、望ましくは、間隙を調整／維持するための巻線電流の出力電流を計算する推定ブロックにより実行される。ブロック３１０で、遅延量（例えば、位相シフト）は、前の間隙測定値から推定される。従って、位相進み信号は推定された遅延に基づく。これは、過去の履歴に基づき動作を決定又は推定するために、ルックアップ・テーブル又は他の記憶装置を用いて実施される。ブロック３１０は任意的である。

ブロック３１２で、補正電流又は計算した電流（若しくは電圧）が、推定ブロックにより、間隙を調整するときに負の合成と負減衰を補正するために、位相進み信号に従って生成される。（電流は電圧により表される。）ブロック３１４で、補正電流は、位相進み信号に従って生成される。ブロック３１４は、計算した電流が位相進み信号に基づく推定ブロックからの計算した電流出力を増幅する段階も含む。増幅器は、計算した（補正）電流出力を増幅するために用いられ、ブロック３１６のフィルタリング段階により導入された雑音を低減する。実現した電流は、ブロック３１８で、増幅器から出力される。

添付の請求項を解釈する際、以下の点が理解されるべきである：（ａ）「有する」の表現は、与えられた請求項に列挙された以外の他の構成要素又は動作の存在を排除しない。（ｂ）要素に付される単数表記の語は、当該要素の複数の存在を排除しない。（ｃ）請求項中の如何なる参照符号も請求項の範囲を限定しない。（ｄ）幾つかの「手段」は、同一の項目又はハードウェア又はソフトウェアで実施された構造又は機能により表されて良い。（ｅ）如何なる特定の動作シーケンスも、特に示さない限り必要ない。

磁気浮揚における負減衰補正のための制御システム及び方法の実施例が記載されたが（当該実施例は説明を目的とし、限定的ではない）、留意すべき点は、変更及び変形が上述の教示を考慮して当業者により成され得ることである。従って、理解されるべき点は、特許請求の範囲に纏められ本願明細書にかいじされた実施例の範囲と精神の範囲内で、開示された特定の実施例に変更が成されて良いことである。特許法の要求により上述の詳細事項及び記載を開示したが、請求の範囲、及び特許証により保護されることを要求する事項は、特許請求の範囲に記載される。

Claims (20)

1. 磁気浮揚制御システムであって：
   電磁石と台との間の間隙を測定し、間隙測定信号を生成するセンサー；
   前記間隙測定信号を受信し、前記間隙測定信号と補正動作との間の遅延を推定し考慮に入れる位相進み信号を供給する間隙フィルター；
   前記位相進み信号を受信し、前記位相進み信号に従って前記補正動作を提供し、負の剛性と負減衰との影響が前記制御システム内で補正されるようにする推定ブロック；を有する制御システム。
2. 測定時間と前記間隙フィルターのフィルター時間との間の較正を提供する間隙再構成モジュール、を更に有する請求項１記載の制御システム。
3. 前記補正動作は、前記位相進み信号に従って変更された出力信号を有する、請求項１記載の制御システム。
4. 前記出力信号を受信する増幅器、を更に有する、請求項３記載の制御システム。
5. 前記増幅器は、前記間隙フィルターにより導入された雑音を低減する、請求項４記載の制御システム。
6. 前記間隙フィルターは、前の間隙測定遅延から遅延を推定し、前記位相進み信号は前記推定した遅延に基づく、請求項１記載の制御システム。
7. 磁気浮揚システムであって：
   台を浮揚するための磁界を生成し、前記台と前記電磁コアとの間の間隙を実現した電流に従って維持する電磁コア；
   前記間隙を測定し、間隙測定信号を生成するセンサー；
   前記間隙測定信号を受信し、前記間隙測定信号と補正動作との間の遅延を考慮するために、過去の測定値に従って位相進み信号を提供するために前記間隙測定信号を調整する、及び
   前記位相進み信号を受信し、負の剛性と負減衰が前記制御システム内で補正されるように、前記実現した電流を供給するために増幅された計算した電流を出力する推定ブロック；を有するシステム。
8. 測定時間と前記間隙フィルターのフィルター時間との間の較正を提供する間隙再構成モジュール、を更に有する請求項７記載のシステム。
9. 前記計算した電流は、前記位相進み信号に従って変更される、請求項７記載のシステム。
10. 前記増幅器は、前記間隙フィルターにより導入された雑音を低減する、請求項７記載のシステム。
11. 前記間隙フィルターは、前の間隙測定遅延から遅延を推定し、前記位相進み信号は前記推定した遅延に基づく、請求項７記載のシステム。
12. 前記電磁コア及び前記台は、車両システムに用いられる、請求項７記載のシステム。
13. 前記電磁コア及び前記台は、半導体処理装置に用いられる、請求項７記載のシステム。
14. 前記電磁コア及び前記台は、非接触ベアリング・システムに用いられる、請求項７記載のシステム。
15. 前記電磁コア及び前記台は、医療撮像システムに用いられる、請求項７記載のシステム。
16. 磁気浮揚システムの間隙を制御する方法であって：
    台を浮揚するための磁界を生成し、前記台と前記電磁コアとの間の間隙を実現した電流に従って維持する段階；
    前記間隙を測定し、間隙測定信号を出力する段階；
    前記間隙測定信号と補正動作との間の遅延を考慮するために、過去の測定値に従って位相進み信号を提供するために前記間隙測定信号をフィルタリングする段階、及び
    前記間隙を調整するときに負の剛性と負減衰が補正されるように、前記位相進み信号に従って前記実現した電流を生成する段階；を有する方法。
17. センサーを配置することなく、前記間隙測定の推定を可能にするために、前記間隙測定を再構成する段階、を更に有する請求項１６記載の方法。
18. 前記位相進み信号に従って実現した電流を生成する段階は、計算した電流が位相進み信号に基づく推定ブロックから出力された前記計算した電流を増幅する段階、を有する請求項１６記載の方法。
19. 前記フィルタリングする段階により導入された雑音を低減する段階、を更に有する請求項１８記載の方法。
20. 前の間隙測定遅延から遅延を推定する段階を更に有し、前記位相進み信号は前記推定した遅延に基づく、請求項１６記載の方法。

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