JP2012125067A - 磁気浮上装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ゼロパワー制御の調整作業を簡素化すると共にゼロパワー制御の停止に伴う励磁電流の増加を抑制して、コストの低減と信頼性の向上を図る。
【解決手段】浮上体１１１に対する外力を外力範囲検出器１３５で検出して、ゼロパワー制御ループＬ２中の電流積分器１５９の入力をゼロにすると共にギャップ一定制御ループＬ３中の切換え器１６７を切り換えてギャップ長偏差積分器１６９により、記憶器１３７の出力に基づいてギャップ長一定制御を開始する。ギャップ長を変動させた外力を状態観測器１４９で推定し、外力推定値が所定の範囲内に収まったことを検出して再びゼロパワー制御を開始する。
【選択図】 図２

Description

本発明の実施形態は、電磁石の励磁電流をゼロに収束させながら対象物を非接触に支持する磁気浮上装置に関する。

吸引式磁気浮上装置は、鉄製のガイドレールに対する電磁石の吸引力によって対象物を非接触で支持する。非接触状態の保持は、一般に対象物（浮上体）の浮上ギャップ長や電磁石コイルの電流を検出して、電磁石コイルの吸引力（励磁電流）を制御することによって行う。

これに対して、磁石ユニットを永久磁石と電磁石で構成する方式が開発された。この方式では、浮上状態の安定性を維持しながら、電磁石の励磁電流をゼロに収束させる所謂「ゼロパワー制御」が用いられる（例えば、特許文献１参照）。このゼロパワー制御では、浮上体に加えられる外力が一定のとき、電磁石の励磁電流はゼロに収束しており、外力が変動したときのみ、電磁石に励磁電流が流れる。このため、安定状態では、電力をほとんど消費することなく、浮上体を非接触で支持することができる。

なお、常温で扱えるので、本方式を用いた磁気浮上装置のことを「常電導吸引式磁気浮上装置」と呼んでいる。

このような磁気浮上装置は、ガイドレールと磁石ユニットとの間の空隙長が大きい場合でも、わずかな励磁電流で大きな電磁力を制御できるといった利点があり、例えばエレベータの乗りかごなどに適用される（例えば、特許文献２参照）。

ここで、ゼロパワー制御には、各種の制御方法がある。制御系全体のパラメータ変動に対して確実に電磁石の励磁電流をゼロに収束できるという点で、電磁石の励磁電流を積分器を介して制御系にフィードバックする手法を用いる場合が多い。

ゼロパワー制御では、浮上体に外力が加わると、励磁電流がゼロに収束するのに伴って、永久磁石の吸引力が外力とバランスするような状態が維持される。このため、磁石ユニットとガイドレールとの間のギャップ長を広げる方向の外力に対しては、ギャップ長が減少して安定状態が維持されることになる。

このゼロパワー制御独特の応答のため、過大な外力によって磁石ユニットとガイドレールが接触すると、ガイドレールからの反力がギャップ長を広げる方向に作用する。その結果、ますますギャップ長が減少するように制御が働き、ついには磁石ユニットがガイドレールに吸着してしまう。磁石ユニットがガイドレールに吸着した後も、ガイドレールからの反力によりギャップ長を減少させるように電磁石励磁電流が制御される。このため、外力を取り除いても、浮上体を再び非接触で支持することは不可能となる。

こうした現象は、フィードバック制御系に組み込まれた電流積分器がいつまでも動作していることに起因している。そこで、通常は、電流積分器にリミッタが設けられる（例えば、特許文献２参照）。

すなわち、電流積分器の入力側に電流信号とゼロ信号を切り換えるための切換え器を設けておく。そして、電流積分器の出力値がリミッタの上限を超える場合に、電流積分器に入力される電流信号が負のときに電流信号を選択し、それ以外ではゼロ信号を選択する。これにより、過大な外力が印加されたときの電流積分器の出力増加を制限して、磁石ユニットのガイドレールヘの吸着を防止することができる。

なお、磁石ユニットがガイドレールに吸着した状態をギャップセンサで検出し、そのときに電流積分器の演算結果をゼロにリセットすることも考えられる。しかし、このリセット手法では、電流積分器をリセットしたときに電磁石励磁電圧が急変するので、浮上体に大きな揺れが発生してしまう問題がある。これに対し、リミッタを用いる手法は、積分フィードバック制御におけるアンチワインドアップと呼ばれ、浮上体に揺れを生じさせることなく吸着を防止できるといった利点がある。

この他、浮上体がガイドに吸着したことをギャップセンサで検知し、電流積分器の演算を初期値ゼロからやり直す手法も提案されている（例えば、特許文献３参照）。この手法は、電流積分器がリセットされたときに、電磁石励磁電圧が急変し、浮上体に大きな揺れが生じるが、簡便に吸着状態を回避できるといった利点がある。

さらに、浮上体の揺れを抑制するため、状態観測器によって推定された外力を電磁石励磁電圧にフィードバックする手法も提案されている（例えば、特許文献４参照）。この手法は、前記特許文献２の手法に比べて、浮上体の揺れは大きいが、浮上体に負荷重量を搭載する場合など、他の機械的要因で生じる浮上体の揺れを抑制できるといった利点がある。

浮上体の揺れを考慮すると、吸着防止には、前記特許文献２の手法が好ましい。しかし、浮上体を安定化するためのフィードバックゲインに電流積分器の出力が依存する。このため、浮上状態のチューニングのために制御ゲインを変更すると、リミッタの上下限値を再設定しなければならず、その調整作業に多大な時間を要する。また、調整時間の増大はコストアップにつながる。

また、電流積分器にゼロ信号が入力されて、ゼロパワー制御が停止すると、外力の増加と共に浮上ギャップ長が増大し、結果として励磁電流が増加する。励磁電流の増加は電力消費量の増加を招き、電気系の容量アップや発熱量の増加を引き起こすため、装置の信頼性が低下する。

特開昭６１−１０２１０５号公報 特開平２００１−１９２８６号公報 特開昭６２−７３０４号公報 特開昭６２−７３０３号公報

上述したように、従来の磁気浮上装置にあっては、ゼロパワー制御の作動・停止を電流積分器の出力の大きさで決定していた。このため、制御パラメータを変更すると、電流積分器のリミッタを再設定しなければならず、浮上状態の調整に多大な時間を要するという問題があった。しかも、こうした問題は調整費を増大させ、装置のコストアップを招いていた。

また、ゼロパワー制御が停止すると、外力の印加に伴って電磁石の励磁電流が増大するため、装置の大型化や、発熱による装置の信頼性低下といった問題もあった。

そこで、ゼロパワー制御の調整作業を簡素化すると共にゼロパワー制御の停止に伴う励磁電流の増加を抑制して、コストの低減と信頼性の向上を図ることのできる磁気浮上装置が求められる。

本実施形態に係る磁気浮上装置は、強磁性体のガイドと、このガイドに対して非接触支持される浮上体と、この浮上体に搭載されて、前記ガイドと空隙を介して対向する磁極を有する電磁石と前記空隙において前記電磁石と磁路を共有するように配置されると共に前記浮上体を支持するのに必要な起磁力を供給する永久磁石とを有する磁石ユニットと、この磁石ユニットの前記電磁石の励磁電流を検出する電流センサと前記磁石ユニットと前記ガイドとの間のギャップ長を検出するギャップセンサとを有するセンサ部と、このセンサ部の出力に基づいて前記浮上体に印加される外力を推定し、その推定値を出力する状態観測手段と、この状態観測手段によって推定された外力が予め設定された範囲内にあるか否かを検出する外力範囲検出手段と、この外力範囲検出手段の出力に基づいて前記空隙を予め設定された間隔に収束させるための値を記憶する記憶手段と、前記センサ部の出力に基づいて前記電磁石の励磁電流を制御して、前記浮上体の運動を前記ガイドに対して非接触状態で安定化させる支持制御手段と、この支持制御手段によって前記浮上体が前記ガイドに対して非接触で支持されている状態で、前記電流センサの出力に基づいて前記電磁石の励磁電流をゼロに収束させて前浮上体の運動を安定化させる電流積分器を有するゼロパワー制御手段と、前記記憶手段に記憶された値に基づいて前記ギャップ長を一定の状態で維持して前記浮上体の運動を安定化させるギャップ長偏差積分器を有するギャップ長一定制御手段と、前記外力範囲検出手段の出力に基づいて前記ゼロパワー制御手段と前記ギャップ長一定制御手段を切り換えるべく、前記電流積分器および前記ギャップ長偏差積分器の入力を交互にゼロに切り換える積分切換え手段とを具備したことを特徴とする。

図１は磁気浮上装置の原理を説明するための概略構成図である。 図２は第１の実施形態に係る磁気浮上装置の構成を示すブロック図である。 図３は同実施形態における磁気浮上装置に設けられた外力範囲検出器の構成を示すブロック図である。 図４は同実施形態における磁気浮上装置に設けられた記憶器の構成を示すブロック図である。 図５は第２の実施形態に係る磁気浮上装置の全体の構成を示す概略構成図である。 図６は同実施形態における磁気浮上装置のフレーム部の構成を示す概略構成図である。 図７は同実施形態における磁気浮上装置の案内ユニットの構成を示す概略構成図である。 図８は同実施形態における磁気浮上装置の磁石ユニットの構成を示す概略構成図である。 図９は同実施形態における制御装置の全体的な構成を示すブロック図である。 図１０は同実施形態における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。 図１１は同実施形態における制御装置内のｘ，θモード外力範囲検出器ギャップ長範囲検出器の構成を示すブロック図である。 図１２は同実施形態における制御装置内のｙ，ξ，ψモードギャップ長範囲検出器の構成を示すブロック図である。 図１３は同実施形態における制御装置内のｘ，θモード記憶器の構成を示すブロック図である。 図１４は同実施形態における制御装置内のｙ，ξ，ψモード記憶器の構成を示すブロック図である。 図１５は同実施形態における制御装置内の制御電圧演算回路の構成を示すブロック図である。 図１６は第３の実施形態に係る磁気浮上装置の全体の構成を示す概略構成図である。 図１７は同実施形態における磁気浮上装置の外力範囲検出器の構成を示すブロック図である。

以下、図面を参照して実施形態を説明する。

まず、磁気浮上装置の基本的な原理について説明する。

図１は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電磁石励磁電圧を演算する励磁電圧演算部１１５と、この励磁電圧演算部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、１２５は補助支持部である。この補助支持部１２５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、励磁電圧演算部１１５は、ギャップセンサ１２１で得られる浮上ギャップ長ｚおよび電流センサ１２３で得られるコイル電流値つまり励磁電流ｉ_ｚに基づいて、電磁石１０５を励磁する電圧を演算している。ドライバ１１６は、この励磁電圧演算部１１５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ｚ_０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を直列に接続したときの電気抵抗（以下、コイル抵抗と称す）、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、Ｎはコイル１１９，１１９’の総巻回数である。

Δは定常浮上状態（ｚ＝ｚ_０，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“・”は時間に関するｄ／ｄｔ（１階微分）、“・・”は同２階微分を表わす。偏微分∂／∂ｈ（ｈ＝ｚ，ｉ_ｚ）は、定常浮上状態（ｚ＝ｚ_０，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_∞をギャップ長無限大とした場合の電磁石１０５の自己インダクタンスとして、式２のように表せる。

また、前記式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、式４中のパラメータは、以下のようになる。

式３中のｘの各要素が浮上系の状態量である。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、ｘの比例ゲインＦを、

Ｋ_ｉを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は特許文献１に見られるゼロパワー制御で浮上する。ここで、式６において、右辺第二項がゼロパワー制御を実現するための電流積分器である。なお、この電流積分器については、後に図２で符号１５９を付して説明する。

一方、励磁電圧ｅ_ｚを次の式７で与えると、外力ｕ_ｓに対してギャップ長が任意の一定値、例えば、ｚ_０＋ｚ１に収束する。

ここで、ｘの比例ゲインＦ_ｇは、

であり、Ｋ_ｇは積分ゲインである。この場合、式７の右辺第二項がギャップ長一定制御を実現するためのギャップ長偏差積分器である。なお、このギャップ長偏差積分器については、後に図２で符号１６９を付して説明する。

さらに、式３のシステムでは、ギャップ長偏差Δｚおよび励磁電流Δｉ_ｚから外力ｕ_ｓを推定する状態観測器（オブザーバ）を次の式８のように構成できる。

ただし、制御出力ｙは出力行列Ｃを、

として、

である。さらに、

と定義されており、ここに、α_１１，α_２１：オブザーバ設計時に決定されるパラメータ、ｘ_ｄ ^{^}：オブザーバ出力、ｚ^{^}：オブザーバ内部変数である。

なお、「＾」の記号は推定値を表し、「ハット」と呼ぶ。実際には、数式中に示されているように、ｘやｚなどのパラメータの真上に付加されるものであるが、文章中では便宜的に右上に付加するものとする。

式８は最小次元状態観測器（最小次元オブザーバ）であり、ギャップ長偏差Δｚおよび励磁電流Δｉ_ｚからギャップ長変化速度の推定値Δｚ^{’^}および外力の推定値ｕ_ｓ ^{^}を演算する。なお、この最小次元状態観測器については、後に図２で符号１４９を付して説明する。

ゼロパワー制御が停止しているときに、外力ｕ_ｓに対してΔｚの定常偏差をなくすには、オブザーバ出力ｘ_ｄ ^{^}に係るフィードバック定数Ｆ_ｅを

とし、励磁電圧ｅ_ｚを次式で与えてやればよい。

ただし、

である。

前記特許文献４でも述べられているように、ゼロパワー制御が動作している場合には、外力推定値ｕ_ｓ ^{^}の比例ゲインＦ_４を

と設定し、励磁電圧を

で与えると、外力に対するギャップ長の変動が抑制される。

一般に、式９と式１０の値の差はわずかであり、式９もしくは式１０で比例ゲインＦ_４を設定すれば、ゼロパワー制御がＯＦＦのとき、つまり電流積分器が停止中のときにはギャップ長一定制御が作動する。しかし、Ｆ_４はΔｉ_ｚの比例ゲインＦ_３の値に依存しており、浮上調整の際にＦ_３が変更されると、Ｆ_４を再設定しなければならない。

一方、式７の励磁電圧を

ただし、

で与えると、式７のギャップ長一定制御において、外力に対するギャップ長の変動を抑えることができる。

いま、ｋを０＜ｋ＜１の定数とし、励磁電圧ｅ_ｚを次式で与える場合を考える。

ここで、ｎは積分器への入力スイッチであり、ギャップ長が所定の範囲内にあるときは１、そうでないときはゼロとなる。つまり、ゼロパワー制御で浮上する浮上体１１１に大きな外力が印加され、ギャップ長が減少して所定の範囲から外れ、磁石ユニット１０７がガイド１１３に接近すると、ｎがゼロとなり、電流積分器への入力がゼロになる。

このとき、ギャップ長偏差積分器への入力はゼロからギャップ長偏差信号となる。したがって、式１３のｚ１（ギャップ長偏差目標値）をギャップ長が所定の範囲から外れた時点のギャップ長偏差Δｚｕに設定すれば、ゼロパワー制御からギャップ長一定制御にスムーズに切り替わることができる。

なお、通常のギャップ長偏差Δｚと区別するために、所定の範囲から外れた時点のギャップ長偏差をΔｚｕと表記している。

ギャップ長が所定の範囲の限界値となる外力推定値をｕ_ｓｕ ^{^}とすれば、このときに演算されている外力推定値ｕ_ｓ ^{^}は│ｕ_ｓ ^{^}│＞│ｕ_ｓｕ ^{^}│の関係にある。そのとき、ギャップ長一定制御が動作しているので、浮上体１１１のギャップ長はギャップ長ｚ０＋ｚｌで一定となる。これにより、外力が増加しても磁石ユニット１０７がガイド１１３に吸着することはない。

外力が取り除かれると、オブザーバの演算する外力推定値は│ｕ_ｓ ^{^}│＜│ｕ_ｓｕ ^{^}│の関係となる。この関係が成立した時点で、ギャップ長偏差目標値ｚ_ｌをΔｚｕからゼロにリセットすると、ギャップ長一定制御の作用により、浮上体１１１は浮上ギャップ長ｚ_０に戻ることになる。

ギャップ長が戻る途中では、ギャップ長が再び所定の範囲内に入るので、式１３のｎがゼロから１に代わり、電流積分器への入力がゼロから電流偏差信号になり、同時にギャップ長偏差積分器への信号がギャップ長偏差信号からゼロになる。すると、再びゼロパワー制御が開始され、電磁石１０５の励磁電流はゼロに収束する。

ここで、係数ｋは式１１のゼロパワー制御と式１２のギャップ長一定制御の収束の速さを規定する。つまり、係数ｋが大きければ、励磁電流のゼロヘの収束が早くなり、ギャップ長ｚ_０＋ｚ_ｌへの収束が遅くなる。多くの場合、大きな外力が印加されるのは緊急の場合であるので、励磁電流をゼロに収束させるゼロパワー制御の特性を生かすため、ｋは大きめに設定される。

このように、電流積分器やギャップ長偏差積分器に条件によってゼロが入力される場合には、式１１および式１２の右辺第一項のみで磁気浮上系の安定性が維持できるようにＦ_ｅやＦ_ｅｇが設定されており、これらフィードバック定数を含む項が磁気浮上系を安定化させる支持制御手段となる。

一般に、ゼロパワー制御における浮上体１１１のノミナル値は、ギャップ長がｚ_０で、励磁電流がゼロの場合である。ギャップ長一定制御では、ギャップ長がｚ_０＋ｚ_ｌで励磁電流がゼロの場合とすることが望ましい。このため、式８の状態観測器は、ゼロパワー制御用とギャップ長一定制御用の２組が備えられることになる。図１では、励磁電圧演算部１１５において、式１３とこれら２組の式８が備えられることになる。

なお、ｚ_ｌをリセットする外力推定値については、ゼロパワー制御用とギャップ長一定制御用のどちらの状態観測器を用いてもよい。

（第１の実施形態）
（１）全体構成
図２は第１の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’は上述した磁気浮上装置１と同一の構成であり、浮上体１１１、ガイド１１３、ドライバ１１６、ギャップセンサ１２１、電流センサ１２３および励磁電圧演算部１１５を備えている。ここで、電流センサ１２３で検出される励磁電流ｉ_z は目標値をゼロとした場合の電流偏差Δｉ_z と同じである。

この磁気浮上装置１’にあっては、励磁電圧演算部１１５が次のように構成されている。

すなわち、励磁電圧演算部１１５は、センサ部１３０と、減算器１３１と、ゼロパワー制御器１３３と、外力範囲検出器１３５と、記憶器１３７と、減算器１３９と、ギャップ長一定制御器１４１と、ゲイン乗算器１４３と、ゲイン乗算器１４５と、加算器１４７とを備えている。

センサ部１３０は、浮上体１１１の浮上時における磁石ユニット１０７とガイド１１３との間のギャップ長を検出するギャップセンサ１２１と、電磁石１０５の励磁電流を検出する電流センサ１２３とからなる。

減算器１３１は、センサ部１３０から出力されるギャップ長ｚを入力して、そのギャップ長ｚと予め浮上の基準値として設定されたギャップ長ｚ₀ とのギャップ長偏差Δｚを求める。

ゼロパワー制御器１３３は、減算器１３１から出力されるギャップ長偏差Δｚおよびセンサ部１３０から出力される電流偏差Δｉ_zを入力して、上述した式１１に従って電磁石励磁電圧ｅ_iを演算する。

外力範囲検出器１３５は、最小次元状態観測器１４９からの出力に基づいて浮上体１１１に加わる外力を推定し、その推定値が所定の範囲内のときに１、そうでないときはゼロを出力すると共に、その推定値が正のとき−１を、負のとき１を、ゼロのとき０を出力する。

記憶器１３７は、外力範囲検出手器１３５の出力に基づいて磁石ユニット１０７とガイド１１３との間のギャップを予め設定された間隔に収束させるための値（Δｚｕもしくはｚ１）を記憶する。

減算器１３９は、現在のギャップ長偏差Δｚと記憶器１３７から出力されるギャップ長偏差目標値ｚ１ との差分を減算する。

ギャップ長一定制御器１４１は、減算器１３９の出力Δｚ−ｚ１ およびセンサ部１３０から出力される電流偏差Δｉ_z を入力して、上述の式１２に従ってギャップ長一定制御を行うための電磁石励磁電圧ｅ_g を演算する。

ゲイン乗算器１４３は、ゼロパワー制御器１３３の出力ｅ_i に所定のゲインｋ（０＜ｋ＜１）を乗算する。ゲイン乗算器１４５は、ギャップ長一定制御器１４１の出力ｅg に所定のゲイン１−ｋを乗算する。加算器１４７は、ゲイン乗算器１４３の出力とゲイン乗算器１４５の出力とを加算する。

なお、ゲイン乗算器１４３，１４５および加算器１４７は、ゼロパワー制御器１３３とギャップ長一定制御器１４１の出力の線形和を演算するための線形和演算手段として動作している。この線形和演算手段の出力に基づいて、磁石ユニット１０７の吸引力が制御される。

（２）ゼロパワー制御器１３３の構成
ゼロパワー制御器１３３は、最小次元状態観測器１４９と、ゲイン補償器１５１と、励磁電流設定器１５３と、減算器１５５と、切換え器１５７と、電流積分器１５９と、減算器１６１とを備えている。

最小次元状態観測器１４９は、減算器１３１からのギャップ長偏差Δｚおよびセンサ部１３０からの電流偏差Δｉ_z を入力して、上述した式８に従ってギャップ長偏差Δｚ，ギャップ長変化速度の推定値Δｚ^{'^} ，励磁電流Δｉ_z ，および外力の推定値ｕ_s ^{^} を演算する。

ゲイン補償器１５１は、最小次元状態観測器１４９から出力される各信号のそれぞれに所定の比例ゲインを乗じて、それらの総和を出力する。

励磁電流設定器１５３は、電磁石１０５の励磁電流の所定の目標値（通常はゼロ）を出力する。

減算器１５５は、励磁電流設定器１５３の出力からセンサ部１３０の出力である励磁電流偏差Δｉ_z を減算する。

切換え器１５７は、電流積分器１５９に対する積分切換え手段として用いられる。この切換え器１５７は、ギャップ長範囲検出器１３５の出力値が１のとき、減算器１５５の値をそのまま出力し、ギャップ長範囲検出器１３５の出力値がゼロのときはゼロを出力する。

電流積分器１５９は、切換え器１５７から出力される値を時間積分すると共に、その積分結果に所定のゲインを乗じて出力する。

減算器１６１は、電流積分器１５９の出力からゲイン補償器１５１の出力を減算する。この減算器１６１からゼロパワー制御を行うための電磁石励磁電圧ｅ_ｉが出力される。

このような構成において、減算器１３１および電流センサ１２３から最小次元状態観測器１４９〜ゲイン補償器１５１〜減算器１６１に至る制御ループＬ１が支持制御手段として用いられる。また、電流センサ１２３から減算器１５５〜切換え器１５７〜電流積分器１５９〜減算器１６１に至る制御ループＬ２がゼロパワー制御手段として用いられる。

ここで、外力範囲検出器１３５には、最小次元状態観測器１４９で演算される外力の推定値ｕ_s ^{^} が入力されている。これにより、当該外力推定値ｕ_s ^{^} が所定の範囲内にある場合には、ギャップ長偏差Δｚｕ に代えて、所定の初期値（たとえば、ゼロ）が出力されることになる。

（３）ギャップ長一定制御器１４１の構成
ギャップ長一定制御器１４１は、最小次元状態観測器１４９’と、ゲイン補償器１５１’と、ギャップ長設定器１６３と、減算器１６５と、切換え器１６７と、ギャップ長偏差積分器１６９と、減算器１７１とを備える。

最小次元状態観測器１４９’は、減算器１３９からのギャップ長偏差Δｚ−ｚ１およびセンサ部１３０からの電流偏差Δｉ_ｚを入力して、上述した式８に従ってギャップ長偏差Δｚ，ギャップ長変化速度の推定値Δｚ^{'^} ，励磁電流Δｉ_z ，および外力の推定値ｕ_s ^{^} を演算する。

ゲイン補償器１５１’は、最小次元状態観測器１４９’ から出力される各信号のそれぞれに所定の比例ゲインを乗じて、それらの総和を出力する。

ギャップ長設定器１６３は、浮上ギャップ長偏差の所定の目標値（通常はゼロ）を出力する。

減算器１６５は、ギャップ長設定器１６３の出力から減算器１３９の出力であるギャップ長偏差Δｚ−ｚ１を減算する。

切換え器１６７は、ギャップ長偏差積分器１６９に対する積分切換え手段として用いられる。この切換え器１６７は、外力範囲検出器１３５の出力値がゼロのときは減算器１６５の値をそのまま出力し、ギャップ長範囲検出器１３５の出力値が１のときはゼロを出力する。

ギャップ長偏差積分器１６９は、切換え器１６７から出力される値を時間積分すると共に積分結果に所定のゲインを乗じて出力する。

減算器１７１は、ギャップ長偏差積分器１６９の出力からゲイン補償器１５１’の出力を減算する。この減算器１７１からギャップ長一定制御を行うための電磁石励磁電圧ｅ_ｇが出力される。

このような構成において、減算器１３１および電流センサ１２３から最小次元状態観測器１４９’〜ゲイン補償器１５１’〜減算器１７１に至る制御ループＬ１’が支持制御手段として用いられる。また、減算器１３１から減算器１３９〜減算器１６５〜切換え器１６７〜ギャップ長偏差積分器１６９〜減算器１７１に至る制御ループＬ３がギャップ長一定制御手段として用いられる。

なお、同一構成を有する箇所には同一番号を付し、’により区別している。また、ベクトル出力信号は二重線、スカラー出力信号は一重線で区別している。

（４）外力範囲検出器１３５の構成
図３は外力範囲検出器１３５の構成の構成を示すブロック図である。

外力範囲検出器１３５は、最小外力設定器１７３と、最大外力設定器１７５と、減算器１７７と、減算器１７９と、切換え器１８１と、切換え器１８３と、乗算器１８５と、切換え器１８２、切換え器１８４、加算器１８６とを備えている。

最小外力設定器１７３は、最小の外力推定値を設定する。最大外力設定器１７５は、最大の外力推定値を設定する。

減算器１７７は、最小次元状態観測器１４９の外力推定値から最小外力設計器１７３の出力値を減算する。減算器１７９は、最小次元状態観測器１４９の外力推定値から最大外力長設計器１７５の出力値を減算する。

切換え器１８１は、減算器１７７の出力値が正のときに１を、そうでないときはゼロを選択して出力する。切換え器１８３は、減算器１７９の出力値が正のときに１を、そうでないときはゼロを選択して出力する。乗算器１８５は、切換え器１８１の出力値と切換え器１８３の出力値との積を演算する。この乗算器１８５の演算結果は、図２に示した記憶器１３７、切換え器１５７、切換え器１６７に出力される。

切換え器１８２は、最小次元状態観測器１４９の外力推定値を入力し、その値が正のとき−１を選択して出力し、そうでないときはゼロを選択して出力する。切換え器１８４は、最小次元状態観測器１４９の外力推定値を入力し、その値が負のとき１を選択して出力し、そうでないときはゼロを選択して出力する。

加算器１８６は、切換え器１８２の出力値と切換え器１８４の出力値の和を演算する。この乗算器１８６の演算結果は、図２に示した記憶器１３７に出力される。

（５）記憶器１３７の構成
図４は記憶器１３７の構成を示す図である。

記憶器１３７は、ギャップ長偏差設定器１８７と、切換え器１８９と、乗算器１９５とを備える。

ギャップ長偏差設定器１８７は、ギャップ長偏差Δｚｕの絶対値を設定する。切換え器１８９は、乗算器１８５の出力値がゼロならば１を、１ならばゼロを出力する。乗算器１９５は、ギャップ長偏差設定器１８７の出力に加算器１８６の出力と前記切換え器１８９の出力とを乗じる。ここで、切換え器１８９は記憶器１３７の出力を初期値のゼロにするためのリセット手段を構成している。

（動作説明）
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。

いま、装置の電源がＯＦＦであり、浮上体１１１がガイド１１３に吸着しているとする。この状態で、装置の電源をＯＮにすると、励磁電流設定器１５３およびギャップ長設定器１６３のそれぞれの設定値がゼロにリセットされる。最小次元状態観測器１４９からは、最大外力設定器１７５に設定されている最大外力推定値よりも大きい値が出力される。

このため、外力範囲検出器１３５内部において、切換え器１８１では１が選択され、切換え器１８３では０が選択され、乗算器１８５はゼロを出力する。そして、乗算器１８５のゼロ出力が切換え器１５７に入力されるため、電流積分器１５９にはゼロが入力されることになる。

一方、外力範囲検出器１３５において、最小次元状態観測器１４９の外力推定値は切換え器１８２，１８４に入力されている。この場合の外力推定値は正であるので、加算器１８６は−１を出力する。乗算器１８５の出力は記憶器１３７中の切換え器１８９に入力されており、この乗算器１８５のゼロ出力に対して、切換え器１８９は１を出力する。ここで、加算器１８６の出力と共に切換え器１８９の出力値が乗算器１９５に入力されているため、記憶器１３７からはギャップ長偏差目標値ｚ１（ここで、ｚ１＝Δｚｕ ）が出力される。

また、外力範囲検出器１３５の乗算器１８５の出力は切換え器１６７に入力されている。ギャップ長偏差積分器１６９には、減算器１３９の出力Δｚ−ｚ１（ここで、ｚ１＝Δｚｕ ）が減算器１６５を介して入力されて、ギャップ長一定制御が開始される。これにより、浮上体１１１は浮上ギャップ長ｚ１−ｚ₀に向かって浮上を開始する。

浮上体１１１が浮上を開始すると、ガイド１１３からの反作用がなくなる。このため、状態観測器１４９から出力される外力推定値がゼロもしくは比較的小さな値となる。すると、外力範囲検出器１３５の乗算器１８５の出力値が１となり、切換え器１５７，減算器１５５を介して電流積分器１５９に励磁電流−Δｉ_z が入力される。

一方、外力範囲検出器１３５の加算器１８６の出力および切換え器１８９の出力値のどちらか、もしくは両方が０となり、記憶器１３７の出力値がゼロにリセットされる。また、外力範囲検出器１３５の乗算器１８５の出力値が切換え器１６７に入力されるため、ギャップ長偏差積分器１６９の入力がゼロとなる。これにより、ギャップ長一定制御からゼロパワー制御に切り換わる。

ここで、ゼロパワー制御で浮上状態にある浮上体１１１の補助支持部１２５の上面に負荷荷重が印加されると、最小次元状態観測器１４９で推定される外力推定値が増加する。

このとき、最小次元状態観測器で推定される外力推定値が所定の最大外力推定値よりも大きくなっていると、外力範囲検出器１３５の乗算器１８５ではゼロが選択され、加算器１８６では−１が選択され、記憶器１３７はギャップ長偏差Δｚｕ を出力する。

これにより、ゼロパワー制御からギャップ長一定制御に切り換わる。こうなると、その後の負荷荷重の増加に対してギャップ長一定制御が継続し、浮上体１１１がガイド１１３に接触することはない。また、ギャップ長一定制御が動作するので、フィードバックゲインであるゲイン補償器１５１，１５１’の値を変更しても励磁電流が大きく増加することがない。

負荷荷重が減少し、所定の最大外力設定値より小さくなると、乗算器１８５がゼロを出力するため、記憶器１３７の出力はΔｚｕ からゼロにリセットされる。また、切換え器１５７，１６７の作用により、電流積分器１５９には−Δｉ_z が入力され、ギャップ長偏差積分器１６９にはゼロが入力される。こうなると、ギャップ長一定制御が停止し、ゼロパワー制御が再開する。

なお、記憶器１３７の出力値をゼロにリセットするのは、印加される外力の方向が反転した場合に浮上体１１１の動揺の要因となる最小次元状態観測器１４９'の外力推定値の過渡応答を抑制するためである。

操作が終了し、装置を停止する場合には、励磁電流設定器１５３およびギャップ長設定器１６３のそれぞれの設定値をゼロから所定の負の値に徐々に収束させればよい。ゼロパワー制御時は電流目標値の減少により、ギャップ長一定性制御時はギャップ長偏差目標値の減少により浮上体１１１のギャップ長が減少し、やがて浮上体１１１はガイド１１３に吸着する。この時点で装置の電源をＯＦＦにして装置の運転が終了する。

以上のように、本実施形態に係る磁気浮上装置によれば、外力推定値を用いてゼロパワー制御のＯＮ／ＯＦＦを決定することができ、調整作業が簡素化される。これにより、調整時間が短縮され、コストの低減を図ることができる。

さらに、ゼロパワー制御がＯＦＦになると、ギャップ長一定制御がＯＮになるため、浮上体がガイド１１３に接触しにくくなるとともに、外力の増大に対して電磁石１０５の励磁電流の増加が抑制される。加えて、ガイド１１３の不整などに起因するギャップセンサ１２１の出力誤差やノイズがゼロパワー制御とギャップ長一定制御間の制御切換え動作に及ぼす影響を排除でき、誤動作のない制御切換えが可能となる。このため、誤動作によってゼロパワー制御がＯＦＦにされることがなくなり、電磁石１０５に不必要な励磁電流が流れることもない。したがって、装置を小型化でき、かつ電力消費が低減されると共に発熱も少なくなり、装置の信頼性向上を図ることができる。

なお、ゼロパワー制御とギャップ長一定制御を切り換える方法として、変位ベースの切換え方法がある。

すなわち、浮上体１１１の浮上時における磁石ユニット１０７とガイド１１３との間のギャップ長を読み込み、そのギャップ長が一定の範囲内にあればゼロパワー制御を行う。一方、外力により浮上体１１１が変位して、ギャップ長が一定の範囲を越えたときにギャップ長一定制御（つまり、変位を直接制御する方法）に切り換える。

しかしながら、このような変位ベースの切換え方法（ギャップ長に着目した切換え方法）では、外力によらない変位変化（ガイドの不整など）でも、大きな外力が加わったものと誤認識して、現在のギャップ長を無駄にホールドしてしまうことがある。また、ギャップセンサ１２１から出力されるギャップ長をその都度読み込み、そのときのギャップ長をギャップ長一定制御の目標値として設定する場合、ホールドするタイミングに遅れが生じることがあり、ギャップ長一定制御の目標値が適切な値から大きくずれる可能性があるという欠点がある。

これに対し、本実施形態のように、外力ベースの切換え方法（外力の範囲に着目した切換え方法）では、コントローラ内のオブザーバの計算結果として得られる外力推定値を用いる。そのため、外力推定値がある一定の範囲を超えた場合にのみ、ゼロパワー制御からギャップ長一定制御への切り換えがなされるので、不用意に制御切り換えを行うこともない。また、ギャップ長一定制御の目標値を予め設定しておくことにより、切り換えのタイミングがずれた場合でも、適切な値に制御することができる。

なお、図２に示した構成では、ギャップ長一定制御器１４１が最小次元状態観測器１４９’およびゲイン補償器１５１’を備えているが、磁気浮上系の安定化が図れる場合には最小次元状態観測器１４９’，ゲイン補償器１５１’および減算器１７１を省略してなんら差し支えない。

また、浮上体１１１に印加される外力を推定する手段として、前記式８に基づく最小次元状態観測器を用いているが、最小次元状態観測器１４９、１４９’のどちらを用いてもよい。さらに、状態観測器の形態をなんら限定するものでなく、同一次元の状態観測器や他の外力推定手法を用いてもよい。

（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態について説明する。

第２の実施形態では、浮上体の運動座標系の各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５は第２の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６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７はその磁気浮上装置の案内ユニット周辺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の構成を示す立面図である。

図５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せぬ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６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７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方向ギャップセンサ２６（２６ｂ，２６ｂ’）、ｙ方向ギャップセンサ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。ギャップセンサ２６，２８は、案内ユニット１８とガイドレール１４，１４’間のギャップ長を検出するセンサ部として機能する。

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８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。この制御方式については、特許文献２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、上述した励磁電圧演算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５の例では分割されているが、例えば図９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９は同実施形態における制御装置４４内の構成を示すブロック図、図１０はその制御装置４４内のモード制御電圧演算回路８６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。

この制御装置４４は、センサ部６１と、演算回路６２と、パワーアンプ６３ａ，６３ａ’〜６３ｄ，６３ｄ’とを備えており、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。

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励磁電圧演算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り電源４６の電圧が変動しても常に一定の電圧で演算回路６２およびギャップセンサ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およびギャップセンサ２６ａ，２６ａ’〜２６ｄ，２６ｄ’，２８ａ，２８ａ’〜２８ｄ，２８ｄ’は常に正常に動作する。

センサ部６１は、ギャップセンサ２６ａ，２６ａ’〜２６ｄ，２６ｄ’，２８ａ，２８ａ’〜２８ｄ，２８ｄ’と、各コイル４０の励磁電流を検出するセンサ部としての電流検出器６６ａ，６６ａ’〜６６ｄ，６６ｄ’で構成されている。

なお、ギャップセンサ２６ａ，２６ａ’〜２６ｄ，２６ｄ’，２８ａ，２８ａ’〜２８ｄ，２８ｄ’は、各々のオフセット電圧を調整して、乗りかご２０がガイドレール１４，１４’に対して所定の位置関係で案内されている場合の浮上ギャップ長を基準として、当該浮上ギャップ長からの偏差を出力するように校正されている。また、各案内ユニット１８に取り付けられている２つのｘ方向ギャップセンサ出力および２つのｙ方向ギャップセンサ出力のそれぞれを平均する平均化部２７，２７’が備えられている。これにより、ｘ，ｙの各方向における磁石ユニット３０とガイドレール１４，１４’間の浮上ギャップ長偏差Δｘ_a ，Δｙ_a〜Δｘ_d ，Δｙ_d が得られる。

演算回路６２は、図５に示される運動座標系の各モードごとに移動体１６の案内制御を行っている。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、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、積荷の偏りが所定の範囲内であればその偏荷重トルク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ゼロパワー制御を行い、偏荷重トルクが大きい場合にはギャップ長一定制御にて案内制御を行っている。

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各コイル４０の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、同じく各コイル４０の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９に示すように、演算回路６２は、ギャップ長偏差座標変換回路７４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、ｘ，θモード外力範囲検出器６８と、ｙ，ξ，ψモード外力範囲検出器６９と、ｘ，θモード記憶器７０と、ｙ，ξ，ψモード記憶器７１と、を備えている。

ギャップ長偏差座標変換回路７４は、ギャップ長偏差信号Δｘ_a，Δｘ_a’〜Δｘ_d ，Δｘ_d’およびΔｙ_a，Δｙ_a’〜Δｙ_d ，Δｙ_d’により移動体１６の重心のｙ方向の運動に関わる位置偏差Δｙ、ｘ方向の運動に関わる位置偏差Δｘ、同重心のまわりのローリングに関わる角度偏差Δθ、移動体１６のピッチングに関わる角度偏差Δξ、同重心のまわりのヨーイングに関わる角度偏差Δψ、フレーム部２２に応力をかけるζ，δ，γに関する各偏差Δζ，Δδ，Δγを演算する。

電流偏差座標変換回路８３は、モード励磁電流演算手段として用いられる。この電流偏差座標変換回路８３は、電流偏差信号Δｉ_a ，Δｉ_a’〜Δｉ_d，Δｉ_d’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Δｉ_y 、ｘ方向の運動に関わる電気偏差Δｉ_x 、同重心のまわりのローリングに関わる電流偏差Δｉ_θ 、移動体１６のピッチングに関わる電流偏差Δｉ_ξ、同重心のまわりのヨーイングに関わる電流偏差Δｉ_ψ 、フレーム部２２に応力をかけるζ，δ，γに関する電流偏差Δｉ_ζ ，Δｉ_δ ，Δｉ_γ を演算する。

ここで、ゼロパワー制御が適用される場合、各電流検出器の検出値を座標変換した演算結果ｉ_y 〜ｉ_γ はそのまま各モードにおけるゼロ目標値からの電流偏差Δｉ_y 〜Δｉ_γ となる。

制御電圧演算回路８４は、モード励磁電圧演算手段として、前記ギャップ長偏差座標変換回路７４および前記電流偏差座標変換回路８３の出力Δｙ〜Δγ，Δｉ_y 〜Δｉ_γ 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ｅ_y ，ｅ_x ，ｅ_θ，ｅ_ξ，ｅ_ψ，ｅ_ζ，ｅ_δ，ｅ_γ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ｅ_y ，ｅ_x ，ｅ_θ，ｅ_ξ，ｅ_ψ，ｅ_ζ，ｅ_δ，ｅ_γ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ｅ_a ，ｅ_a’〜ｅ_d ，ｅ_d’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ｅ_a ，ｅ_a’〜ｅ_d ，ｅ_d’は、パワーアンプ６３ａ，６３ａ’〜６３ｄ，６３ｄ’に与えられる。

ｘ，θモード外力範囲検出器６８は、制御電圧演算回路８４からの外力推定値ｕ_sx ^{^} ，ｕ_sθ ^{^} を入力して移動体１６のｘ方向外力ｕ_sxおよびθ方向外乱トルクｕ_sθ が所定の範囲内のときに１を、そうでないときはゼロを出力する。また、外力推定値の正負に従い±１もしくはゼロを出力する。

ｙ，ξ，ψモード外力範囲検出器６９は、制御電圧演算回路８４からの外力推定値ｕ_sy ^{^} ，ｕ_sξ ^{^} ，ｕ_sψ ^{^} を入力して移動体１６のｙ方向外力ｕ_sy ，ξ方向外乱トルクｕ_sξ およびψ方向外乱トルクｕ_sψ が所定の範囲内のときに１を、そうでないときはゼロを出力する。また、外力推定値の正負に従い±１もしくはゼロを出力する。

ｘ，θモード記憶器７０は、前記ｘ，θモード外力範囲検出器６８の出力値が１のときは所定の外力（外乱トルク）が加わった場合の位置偏差Δｘ_u、角度偏差Δθ_uを出力し、前記ｘ，θモード外力範囲検出器６８の出力値がゼロのときはこれらの出力値をゼロにリセットする。

ｙ，ξ，ψモード記憶器７１は、前記ｙ，ξ，ψモード外力範囲検出器６９の出力値が１のときは所定の外力（外乱トルク）が加わった場合の位置偏差Δｙ_u、角度偏差Δξ_u ，Δψ_uを出力し、前記ｙ，ξ，ψモード外力範囲検出器６９の出力値がゼロのときはこれらの出力値をゼロにリセットする。

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、ΔｙおよびΔｉ_y よりｙモードの電磁石制御電圧ｅ_y を演算する。左右動モード制御電圧演算回路８６ｂは、ΔｘおよびΔｉ_x よりｘモードの電磁石制御電圧ｅ_x 演算する。ロールモード制御電圧演算回路８６ｃは、ΔθおよびΔｉ_θ よりθモードの電磁石制御電圧ｅ_θ 演算する。ピッチモード制御電圧演算回路８６ｄは、ΔξおよびΔｉ_ξ よりξモードの電磁石制御電圧ｅ_ξ 演算する。ヨーモード制御電圧演算回路８６ｅは、ΔψおよびΔｉ_ψよりψモードの電磁石制御電圧ｅ_ψ 演算する。

全吸引モード制御電圧演算回路８８ａは、Δｉ_ζ よりζモードの電磁石制御電圧ｅ_ζ を演算する。ねじれモード制御電圧演算回路８８ｂは、Δｉ_δ よりδモードの電磁石制御電圧ｅ_δ を演算する。歪モード制御電圧演算回路８８ｃは、Δｉ_γ よりγモードの電磁石制御電圧ｅ_γ を演算する。

これら各モードの制御電圧演算回路８６ａ〜８６ｃ，８８ａ〜８８ｃのうち、ｙ，ｘ，θ，ξ，ψのモードについては第１の実施形態における励磁電圧演算部１１５と同様の構成を備えている。したがって、以下の図中では、同一箇所には同一記号を付して説明は省略する。

また、煩雑さを避けるため、各モードのギャップ長偏差Δｙ，Δｘ，Δθ，Δξ，Δψ，Δζ，Δδ，ΔγをΔｚで表し、同じく電流偏差Δｉｙ，Δｉｘ，Δｉθ，Δｉξ，Δｉψ，Δｉζ，Δｉδ，ΔｉγをΔｉｚで表すことにする。

いま、前後動モード制御電圧演算回路８６ａを代表して、その構成を説明する。
図１０に示すように、前後動モード制御電圧演算回路８６ａは、ゼロパワー制御器１３３と、減算器１３９と、ギャップ長一定制御器１４１と、ゲイン乗算器１４３と、ゲイン乗算器１４５と、加算器１４７とを備えている。

ゼロパワー制御器１３３は、ギャップ長偏差座標変換回路７４の出力であるギャップ長偏差Δｙおよび電流偏差座標変換回路８３の出力である電流偏差Δｉ_y を入力して、上述した式１１に従って電磁石励磁電圧ｅ_i を演算する。

減算器１３９は、ギャップ長偏差Δｙからｙ，ξ，ψモード記憶器７１の出力ｚ１ を減算する。

ギャップ長一定制御器１４１は、減算器１３９の出力Δｚ−ｚ１ および電流偏差座標変換回路８３からの電流偏差Δｉ_y を入力して、上述した式１２に従ってギャップ長一定制御を行うための電磁石励磁電圧ｅ_g を演算する。

ゲイン乗算器１４３は、ゼロパワー制御器１３３の出力ｅ_i に所定のゲインｋ（０＜ｋ＜１）を乗算する。ゲイン乗算器１４５は、ギャップ長一定制御器１４１の出力ｅg に所定のゲイン１−ｋを乗算する。加算器１４７は、ゲイン乗算器１４３，１４５の出力を加算する。

なお、本実施形態においても、ゲイン補償器１４３，１４５および加算器１４７はゼロパワー制御器１３３とギャップ長一定制御器１４１の出力の線形和を演算する線形和演算手段として動作している。

ここで、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についても上述の減算器１３９に入力される信号ｚ１はｙ，ξ，ψモード記憶器７１の出力である。一方、左右動モード制御電圧演算回路８６ｂおよびロールモード制御電圧演算回路８６ｃについて上述の減算器１３９に入力される信号ｚ１はｘ，θモード記憶器７０の出力となる。

ゼロパワー制御器１３３は、最小次元状態観測器１４９と、ゲイン補償器１５１と、励磁電流設定器１５３と、減算器１５５と、切換え器１５７と、電流積分器１５９と、減算器１６１とを備えている。

最小次元状態観測器１４９は、ギャップ長偏差座標変換回路７４からのギャップ長偏差Δｙおよび電流偏差座標変換回路８３からの電流偏差Δｉ_y を入力し、上述した式８に従ってギャップ長偏差Δｙ，ギャップ長変化速度の推定値Δｙ^{'^} ，励磁電流Δｉ_y ，および外力の推定値ｕ_sy ^{^} を出力する。

ゲイン補償器１５１は、最小次元状態観測器１４９から出力された各信号に所定の比例ゲインを乗じてそれらの総和を出力する。

励磁電流設定器１５３は、前後動モードにおける励磁電流の所定の目標値（通常はゼロ）を出力する。

減算器１５５は、励磁電流設定器１５３の出力から電流偏差座標変換回路８３の出力である励磁電流偏差Δｉ_y を減算する。

切換え器１５７は、電流積分器１５９に対する積分切換え手段として用いられる。この切換え器１５７は、ｙ，ξ，ψモードギャップ長範囲検出器６９の出力値が１のときは、減算器１５５の値をそのまま出力し、ｙ，ξ，ψモードギャップ長範囲検出器６９の出力値がゼロのときはゼロを出力する。

電流積分器１５９は、切換え器１５７から出力される値を時間積分すると共に、その積分結果に所定のゲインを乗じて出力する。

減算器１６１は、電流積分器１５９の出力からゲイン補償器１５１の出力を減算する。この減算器１６１からゼロパワー制御を行うための電磁石励磁電圧ｅ_ｉが出力される。

このような構成において、ギャップ長偏差座標変換回路７４および電流偏差座標変換回路８３から最小次元状態観測器１４９〜ゲイン補償器１５１〜減算器１６１に至る制御ループが支持制御手段として用いられる。また、電流偏差座標変換回路８３から減算器１５５〜切換え器１５７〜電流積分器１５９〜減算器１６１に至るループがゼロパワー制御手段として用いられる。

ここで、ｙ，ξ，ψモード外力範囲検出器６９には、最小次元状態観測器１４９で演算される外力の推定値ｕ_s ^{^} （ｕ_sy ^{^} ，ｕ_sξ ^{^} ，ｕ_sψ ^{^} ）が入力されている。これにより、当該外力推定値ｕ_s ^{^} が所定の範囲内にある場合には、ｙ，ξ，ψモード記憶器７１がギャップ長偏差Δｚｕ （Δｙ_u ，Δξ_u ，Δψ_u ）を出力し、範囲外であれば所定の初期値（たとえば、ゼロ）が出力されることになる。

一方、ｘ，θモード外力範囲検出器６８には、最小次元状態観測器１４９で演算される外力の推定値ｕ_s ^{^} （ｕ_sx ^{^} ，ｕ_sθ ^{^} ）が入力されている。これにより、当該外力推定値ｕ_s ^{^} が所定の範囲内にある場合には、ｘ，θモード記憶器７０がギャップ長偏差Δｚｕ （Δｘ_u ，Δθ_u ）を出力し、範囲外であれば所定の初期値（たとえば、ゼロ）が出力されることになる。

ギャップ長一定制御器１４１は、最小次元状態観測器１４９’と、ゲイン補償器１５１’と、ギャップ長設定器１６３と、減算器１６５と、切換え器１６７と、ギャップ長偏差積分器１６９と、減算器１７１とを備えている。

最小次元状態観測器１４９’は、減算器１３９の出力および電流偏差座標変換回路８３からの電流偏差出力を入力して、上述の式８に従ってギャップ長偏差Δｙ，ギャップ長変化速度の推定値Δｙ^{'^} ，励磁電流Δｉ_ｙ ，および外力の推定値ｕ_sy ^{^} を出力する。

ゲイン補償器１５１’は、最小次元状態観測器１４９’から出力されて各信号のそれぞれに所定の比例ゲインを乗じて、それらの総和を出力する。

ギャップ長設定器１６３は、前後動モードにおけるギャップ長偏差の所定の目標値（通常はゼロ）を出力する。

減算器１６５は、ギャップ長設定器１６３の出力から減算器１３９の出力であるギャップ長偏差Δｚ−ｚ１を減算する。

切換え器１６７は、ギャップ長偏差積分器１６９に対する積分切換え手段として用いられる。この切換え器１６７は、ｙ，ξ，ψモードギャップ長範囲検出器６９の出力値がゼロのときは減算器１６５の出力値をそのまま出力し、ｙ，ξ，ψモードギャップ長範囲検出器６９の出力値が１のときはゼロを出力する。

ギャップ長偏差積分器１６９は、切換え器１６７から出力される値を時間積分すると共に積分結果に所定のゲインを乗じて出力する。

減算器１７１は、ギャップ長偏差積分器１６９の出力からゲイン補償器１５１’の出力を減算する。

このような構成において、ギャップ長偏差座標変換回路７４および電流偏差座標変換回路８３から減算器１３９〜最小次元状態観測器１４９’〜ゲイン補償器１５１’〜減算器１７１に至る制御ループが支持制御手段と用いられる。また、ギャップ長偏差座標変換回路７４から減算器１３９〜減算器１６５〜切換え器１６７〜ギャップ長偏差積分器１６９〜減算器１７１に至るループがギャップ長一定制御手段として用いられる。

ここで、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においても、外部から切換え器１５７，１６７に入力される信号はｙ，ξ，ψモード外力範囲検出器６９の出力となる。一方、左右動モード制御電圧演算回路８６ｂおよびロールモード制御電圧演算回路８６ｃについては、外部から切換え器１５７，１６７に入力される信号はｘ，θモード外力範囲検出器６８の出力となる。

他の制御電圧演算回路である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、前後動モード制御電圧演算回路８６ａと同様の構成であり、ここでは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。

図１１は制御装置４４内のｘ，θモード外力範囲検出器６８の構成を示すブロック図である。

ｘ，θモード外力範囲検出器６８は、ゲイン乗算器１９１と、加算器１９３と、ローパスフィルタ７２とを図３に示した外力範囲検出器１３５に追加して構成されている。

ゲイン乗算器１９１は、ロールモード制御電圧演算回路８６ｃの最小次元状態観測器１４９で推定される外力推定値ｕ_sθ ^{^} を入力し、これに磁石ユニット３０の高さ方向の取り付け間隔をＬ_ξとして１／（２・Ｌ_ξ）を乗じる。

加算器１９３は、左右動モード制御電圧演算回路８６ｂの最小次元状態観測器１４９で推定される外力推定値ｕ_sx ^{^} を入力し、これにゲイン乗算器１９１の出力を加算する。ローパスフィルタ７２は、加算器１９３の出力の低周波数成分を通過させる。

図１２は制御装置４４内のｙ，ξ，ψモードギャップ長範囲検出器６９の構成を示すブロック図である。

ｙ，ξ，ψモードギャップ長範囲検出器６９は、ゲイン乗算器１９１と、ゲイン乗算器１９１’と、加算器１９３’と、ローパスフィルタ７２とを図３に示した外力範囲検出器１３５に追加して構成されている。

ゲイン乗算器１９１は、ピッチモード制御電圧演算回路８６ｄの最小次元状態観測器１４９で推定される外力推定値ｕ_sξ ^{^} を入力し、これに磁石ユニット３０の高さ方向の取り付け間隔をＬ_ξとして１／（２・Ｌ_ξ）を乗じる。

ゲイン乗算器１９１’は、ヨーモード制御電圧演算回路８６eの最小次元状態観測器１４９で推定される外力推定値ｕ_sψ ^{^} を入力し、これに磁石ユニット３０の左右方向の取り付け間隔をＬ_θとして１／（２・Ｌ_θ）を乗じる。

加算器１９３’は、前後動モード制御電圧演算回路８６ａの最小次元状態観測器１４９で推定される外力推定値ｕ_sｙ ^{^} を入力し、これにゲイン乗算器１９１，１９１’の出力を加算する。ローパスフィルタ７２は、加算器１９３’の出力の低周波数成分を通過させる。

図１３は制御装置４４内のｘ，θモード記憶器７０の構成を示すブロック図である。

ｘ，θモード記憶器７０は、前記第1の実施形態における記憶器１３７を２組にして構成されている。なお、左右動モード制御電圧演算回路８６ｂに関わるものには添え字ｂを、ロールモード制御電圧演算回路８６ｃに関わるものには添え字ｃを付して、これらの詳説は省略する。ここで、ギャップ長偏差設定器１８７ｂ，１８７ｃには、ギャップ長偏差Δｘ_u およびΔθ_u がそれぞれ設定されている。

図１４は制御装置４４内のｙ，ξ，ψモード記憶器７１の構成を示すブロック図である。

ｙ，ξ，ψモード記憶器７１は、前記第1の実施形態における記憶器１３７を３組にして構成されている。なお、前後動モード制御電圧演算回路８６ａに関わるものには添え字ａを、ピッチモード制御電圧演算回路８６ｄに関わるものには添え字ｃを、ヨーモード制御電圧演算回路８６ｅに関わるものには添え字ｅを付して、これらの詳説は省略する。ここで、ギャップ長偏差設定器１８７ａ，１８７ｄ，１８７ｅには、ギャップ長偏差Δｙ_u ，Δξ_u およびΔψ_u がそれぞれ設定されている。

一方、ζ，δおよびγの３つのモードの制御電圧演算回路８８ａ〜８８ｃの構成を図１５に示す。

制御電圧演算回路８８ａ〜８８ｃは同じ構成であり、また、前後動モード制御電圧演算回路８６ａと同じ構成要素を有する。ここでは、前後動モード制御電圧演算回路８６ａと同一部分には同一符号を付し、’を付して区別する。ただし、電流偏差に乗せられるゲインを設定するゲイン補償器についてはスカラー量であるため、ゲイン補償器８１とした。

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。

本装置が停止状態にあるときに、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の対向面に吸着し、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の対向面に吸着しているとする。このとき、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、本装置を起動させると、制御装置４４はセンサ部６１と演算回路６２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。また、磁石ユニット３０ａ〜３０ｄとガイドレール１４，１４’と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８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に外力が作用したときに電磁石３６ａ，３６ａ’〜３６ｄ，３６ｄ’の励磁電流制御を行う。これによって、いわゆるゼロパワー制御がなされ、移動体１６の非接触支持が達成される。

ここで、人員や積荷の偏った移動や乗り降り等が原因で移動体１６に過大な外力が加えられたとする。このような場合、ゼロパワー制御が適用されている場合には、磁石ユニット３０とガイドレール１４，１４’間のギャップ長が減少し、ついには接触に至ることになる。こうなると、ガイドレールの不整が乗りかごに直接伝播するので乗り心地が極端に悪化する。

しかし、本実施形態によれば、過大な偏荷重トルクが印加されると、ゼロパワー制御がギャップ長一定制御に切り換わり、移動体１６がガイドレールに接触することはない。また、過大偏荷重トルクが減少すると、ゼロパワー制御に切り換わるので電力が無駄に消費されることもない。

さらに、ゼロパワー制御とギャップ長一定制御の切換え時には、ｘ，θモード外力範囲検出器６８（ｙ，ξ，ψモード外力範囲検出器６９）に備えられたローパスフィルタ７２の作用により切換えの頻発が防止されるので、良好な乗り心地が維持される。

また、偏荷重トルクが過大でない場合でも、ガイドレール１４,１４’の寸法精度が悪い箇所を移動体１６が通過する際には、ギャップ長が大きく変動して一次的に磁石ユニット３０ａ〜３０ｄのいずれかがガイドレール１４，１４’に接触することがある。そのような場合には、外力範囲検出器６８，６９で過大偏荷重トルクが検出されないので、ゼロパワー制御が継続され、ギャップ長一定制御への切り換えによる移動体１６の揺動を抑制できる。

このように、良好な乗り心地が維持されるばかりでなく、電力消費量の低減や装置の信頼性向上を図ることができる。

本装置が運転を終えて停止する場合には、前後動モード制御電圧演算回路８６ａおよび左右動モード制御電圧演算回路８６ｂの励磁電流設定器１５３およびギャップ長設定器１６３の設定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する。そして、最終的に磁石ユニット３０ａ，３０ｄの中央鉄心３２の先端および電磁石３６ａ’３６ｄ’の先端が固体潤滑部材４３を介してガイドレール１４の対向面に吸着する。

この状態で本装置を停止させると、励磁電流設定器１５３およびギャップ長設定器１６３の設定値がすべてゼロにリセットされると共に、移動体１６のガイドレールへの吸着状態が維持される。

上述のように、本装置では、外力範囲検出器６８，６９における最小外力値と最大外力値を設定するだけで、ゼロパワー制御からギャップ長一定制御への切換え条件を設定できる。このため、エレベータのように多くの制御軸を有し、移動体が様々な姿勢をとる装置にあっては、切換え調整が極端に簡便になる。このため、調整時間が削減でき、コストの低減を図ることができる。

また、エレベータのように移動体の揺れを抑えることが重要な場合には、ガイドレールの据付に高精度な寸法精度が要求されるが、本実施形態ではガイドレールの寸法精度に高精度を要求されない。このため、工期の短縮が図れ、さらなるコストの低減が可能となる。

なお、ここではｘ，ｙ，θ，ξ，ψ全モードの外力推定値を用いてゼロパワー制御とギャップ長一定制御を切り換える例を示したが、その一部のモードのみに適用する構成としてもよい。特に、エレベータでは積載による外乱は、そのほとんどがθモードおよびξモードに作用する。したがって、θ，ξモードにのみ本構成を適用することで制御系の簡略化を図ることができる。その場合、外力範囲検出器６８、６９への入力はθ，ξモードの外力推定値のみとなり、ゲイン乗算器１９１、加算器１９３を省略することができる。またそのとき、記憶器７０、７１の出力はθ，ξモードのみとなり、他のモードについては従来の制御手法により制御される。

（第３の実施形態）
次に、第３の実施形態について説明する。

前記第１および第２の実施形態では、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１６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の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１６は第３の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、励磁電圧演算部１１５、パワーアンプ３１３、ギャップセンサ１２１および電流センサ１２３を備えている。

補助支持部３０２は、断面がコの字形状をなし、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の字形状をなし、例えば鉄などの強磁性部材で形成されている。浮上体としての防振台テーブル３０６は、このガイド３０４を底部上面に備えており、全体としてコの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に付与している。

励磁電圧演算部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う。パワーアンプ３１３は、励磁電圧演算部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。ギャップセンサ１２１は、磁石ユニット１０７とガイド３０４間の浮上ギャップ長を防振台テーブル３０６と補助支持部３０２間の距離を測定することで検出している。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、励磁電圧演算部１１５は前記第1の実施形態と同一の構成をとっているが、外力範囲検出器１３５の構成が異なっている。したがって、ここでは外力範囲検出器１３５以外の説明を省略すると共に、この外力範囲検出器１３５を外力範囲検出器１３５’として以下に説明する。

図１７は磁気浮上装置３００の外力範囲検出器１３５’の構成を示すブロック図である。

磁気浮上装置３００の外力範囲検出器１３５’は、最小外力設定器１７３と、最大外力設定器１７５と、減算器１７７と、減算器１７９と、切換え器１８１と、切換え器１８３と、乗算器１８５と、最小外力設定器１７３’と、最大外力設定器１７５’と、減算器１７７’と、減算器１７９’と、切換え器１８１’と、切換え器１８３’と、乗算器１８５’とを備えている。

最小外力設定器１７３は、第１の最小外力推定値を設定する。最大外力設定器１７５は、第１の最大外力推定値を設定する。

減算器１７７は、最小次元状態観測器１４９の外力推定値から最小外力設計器１７３の出力値を減算する。減算器１７９は、最小次元状態観測器１４９の外力推定値から最大外力長設計器１７５の出力値を減算する。

切換え器１８１は、減算器１７７の出力値が正のときに１を選択して出力し、そうでないときはゼロを選択して出力する。切換え器１８３は、減算器１７９の出力値が正のときに１を選択して出力し、そうでないときはゼロを選択して出力する。乗算器１８５は、切換え器１８１，１８３の出力値の積を演算する。

最小外力設定器１７３’は、第２の最小外力推定値を設定する。最大外力設定器１７５’は、第２の最大外力推定値を設定する。

減算器１７７’は、最小次元状態観測器１４９の外力推定値から最小外力設計器１７３’の出力値を減算する。減算器１７９’は、最小次元状態観測器１４９の外力推定値から最大外力長設計器１７５’の出力値を減算する。

切換え器１８１’は、減算器１７７’の出力値が正のときに１を選択して出力し、そうでないときはゼロを選択して出力する。切換え器１８３’は、減算器１７９’の出力値が正のときに１を、そうでないときはゼロを選択して出力する。乗算器１８５’は、切換え器１８１’，１８３’の出力値の積を演算する。

ここで、第１の最小外力推定値は、第２の最小外力推定値より小さい値であり、第１の最大外力推定値は第２の最大外力推定値より大きい値となっている。

また、この外力範囲検出器１３５’は、切換え器１８２と、切換え器１８４と、加算器１８６とを備えている。

切換え器１８２は、最小次元状態観測器１４９の外力推定値を入力し、その値が正のときは−１を選択して出力し、そうでないときはゼロを選択して出力する。切換え器１８４は、最小次元状態観測器１４９の外力推定値を入力して、その値が負のとき１を選択して出力し、そうでないときはゼロを選択して出力する。加算器１８６は、切換え器１８２，１８４の出力値の和を演算する。

さらに、この外力範囲検出器１３５’は、立下り検出器３１０、立上り検出器３１２、ＯＲ演算器３１４、加減算器３１６、切換え器３２４、切換え器３２６、メモリ要素３２０とを備えている。

立下り検出器３１０は、乗算器１８５の出力値が１から０へ切り替わったことを検出し、その瞬間のみ１を出力する。立上り検出器３１２は、乗算器１８５’の出力値が０から１へ切り替わったことを検出し、その瞬間のみ１を出力する。ＯＲ演算器３１４は、立下り検出器３１０、立上り検出器３１２の出力値のＯＲを演算する。加減算器３１６は、メモリ要素３２０の出力値に対して、立下り検出器３１０の出力が１のときに値を減算し、立上り検出器３１２の出力が１のときに値を加算する。

切換え器３２４は、ＯＲ演算器３１４の出力値が０のときにメモリ要素３２０の値を選択し、１のときに加減算器３１６の出力値を選択する。切換え器３２６は、切換え器３２４の出力値が正のときに１を出力し、０以下のときに０を出力する。

このように、第１の最小外力設定値＜第２の最小外力設定値＜外力推定値＜第２の最大外力設定値＜第１の最大外力設定値を設定し、上述した演算を行う。これにより、メモリ要素３２０に対して、最小次元状態観測器１４９から出力される外力推定値が第１の最小外力設定値と第１の最大外力設定値で定義される範囲を超えたときにゼロを出力させ、外力推定値が第２の最小外力設定値と第２の最大外力設定値で定義される範囲内に戻ったときに１を出力させることができる。

つまり、ゼロパワー制御からギャップ長一定制御への切り換えに必要な外力推定値は、ギャップ長一定制御からゼロパワー制御へ切り換えるときよりも、その絶対値が大きくなる。ここで、外力範囲が１つの場合には、外力推定値が最大あるいは最小の外力設定値と一致すると、ゼロパワー制御とギャップ長一定制御間の切り換えにチャタリングが生じ、浮上体に不要な振動が生じることになる。しかし、図１７の例のように、２つの外力範囲を設定すると、制御切換えのチャタリングを防止でき、浮上状態の安定性が高められるという利点がある。

また、図１６に示したように、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もある。

なお、前記各実施形態では、磁気浮上を行う制御装置（励磁電圧演算部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ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）形のものであって何ら差し支えない。

以上のように、これらの実施形態によれば、ゼロパワー制御の調整作業を簡素化すると共に、ゼロパワー制御の停止に伴う励磁電流の増加を抑制して、コストの低減と信頼性の向上を図ることのできる磁気浮上装置が提供される。

なお、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

Ｌ１，Ｌ１’…支持制御ループ、Ｌ２…ゼロパワー制御ループ、Ｌ３…ギャップ一定制御ループ、１，１’，１０，３００…磁気浮上装置、１０３，３４，３４’…永久磁石、１０５，３６，３６’…電磁石、１０７，３０…磁石ユニット、１０９…負荷荷重、１１１…浮上体、１１３，３０４…ガイド、１１５…励磁電圧演算部、１１６…ドライバ、１２５，３０２…補助支持部、１１７，３８，３８’，４２…鉄心、１１９，１１９’，４０，４０’…コイル、１２１…ギャップセンサ、１２３…電流センサ、１２８…リード線、１３０，６１…センサ部、１３１，１３９，１５５，１６１，１６５，１７１，１７７，１７７’，１７９，１７９’…減算器、１３３…ゼロパワー制御器、１３５，１３５’…外力範囲検出器、１３７…記憶器、１４１…ギャップ長一定制御器、１４３，１４５，８０…ゲイン乗算器、１４７，２２７，７２…加算器、１４９，１４９’…最小次元状態観測器、１５１，１５１’，８１，１９１，１９１’…ゲイン補償器、１５３…励磁電流設定器、１５７，１６７，７５，１８１，１８３，２０３，２０５，２０９，２１１，２２３，２２５…切換え器、１５９…電流積分器、１６３…ギャップ長設定器、１６９…ギャップ長偏差積分器、１７３，１７３’…最小外力設定器、１７５，１７５’…最大外力設定器、１８５，１８５’，１９５…乗算器、３１８…立上り検出器、１３５，１３５’…外力範囲検定器、１２…エレベータシャフト、１４，１４’…ガイドレール、１６…移動体、１８ａ〜１８ｄ…案内ユニット、１５…ロープ、２０…乗りかご、２２…フレーム部、２４…台座、２６…ｘ方向ギャップセンサ、２８…ｙ方向ギャップセンサ、３２…中央鉄心、４３…個体潤滑部材、４４…制御装置、６２…演算回路、６３，６３’，３１３…パワーアンプ、４６…電源、４８…定電圧発生装置、６６…電流検出器、２７，２７’…平均化部、７４…ギャップ長偏差座標変換回路、８３…電流偏差座標変換回路、８４…制御電圧演算回路、８５…制御電圧座標逆変換回路、６８…ｘ，θモードギャップ長範囲検出器、６９…ｙ，ξ，ψモードギャップ長範囲検出器、７０…ｘ，θモード記憶器、７１…ｙ，ξ，ψモード記憶器、８６ａ…前後動モード制御電圧演算回路、８６ｂ…左右動モード制御電圧演算回路、８６ｃ…ロールモード制御電圧演算回路、８６ｄ…ピッチモード制御電圧演算回路、８６ｅ…ヨーモード制御電圧演算回路、８８ａ…全吸引モード制御電圧演算回路、８８ｂ…ねじれモード制御電圧演算回路、８８ｃ…歪モード制御電圧演算回路、７２…ローパスフィルタ、３０６…防振台テーブル、３０８…リニアガイド、３１０…立下り検出器、３１２…立上り検出器、３１４…ＯＲ演算器、３１６…加減算器、３２４…切換え器、３２６…切換え器、３２０…メモリ要素。

Claims (7)

1. 強磁性体のガイドと、
   このガイドに対して非接触支持される浮上体と、
   この浮上体に搭載されて、前記ガイドと空隙を介して対向する磁極を有する電磁石と前記空隙において前記電磁石と磁路を共有するように配置されると共に前記浮上体を支持するのに必要な起磁力を供給する永久磁石とを有する磁石ユニットと、
   この磁石ユニットの前記電磁石の励磁電流を検出する電流センサと前記磁石ユニットと前記ガイドとの間のギャップ長を検出するギャップセンサとを有するセンサ部と、
   このセンサ部の出力に基づいて前記浮上体に印加される外力を推定し、その推定値を出力する状態観測手段と、
   この状態観測手段によって推定された外力が予め設定された範囲内にあるか否かを検出する外力範囲検出手段と、
   この外力範囲検出手段の出力に基づいて前記磁石ユニットと前記ガイドとの間のギャップを予め設定された間隔に収束させるための値を記憶する記憶手段と、
   前記センサ部の出力に基づいて前記電磁石の励磁電流を制御して、前記浮上体の運動を前記ガイドに対して非接触状態で安定化させる支持制御手段と、
   この支持制御手段によって前記浮上体が前記ガイドに対して非接触で支持されている状態で、前記電流センサの出力に基づいて前記電磁石の励磁電流をゼロに収束させて前記浮上体の運動を安定化させる電流積分器を有するゼロパワー制御手段と、
   前記記憶手段に記憶された値に基づいて前記ギャップ長を一定の状態で維持して前記浮上体の運動を安定化させるギャップ長偏差積分器を有するギャップ長一定制御手段と、
   前記外力範囲検出手段の出力に基づいて前記ゼロパワー制御手段と前記ギャップ長一定制御手段を切り換えるべく、前記電流積分器および前記ギャップ長偏差積分器の入力を交互にゼロに切り換える積分切換え手段と
   を具備したことを特徴とする磁気浮上装置。
2. 前記積分切換え手段は、前記状態観測手段から出力される外力の推定値が前記外力範囲検出手段の前記設定範囲内にあるときは前記電流積分器に励磁電流に基づいた値を入力するとともにギャップ長偏差積分器の入力をゼロにし、前記設定範囲から外れた場合に、前記電流積分器の入力をゼロにするとともにギャップ長偏差積分器にギャップ長偏差に基づく値を入力して、前記ゼロパワー制御手段と前記ギャップ長一定制御手段とを切り換えることを特徴とする請求項１記載の磁気浮上装置。
3. 前記ゼロパワー制御手段の出力とギャップ長一定制御手段の出力の線形和を演算する線形和演算手段をさらに具備し、
   前記線形和演算手段の出力に基づいて、前記磁石ユニットの吸引力を制御する請求項１記載の磁気浮上装置。
4. 前記状態観測手段から出力される外力の推定値に基づいて、前記記憶手段に記憶されている値をリセットするリセット手段をさらに具備したことを特徴とする請求項１記載の磁気浮上装置。
5. 前記外力範囲検出手段は、前記状態観測手段から出力される外力の推定値をローパスフィルタを介して入力することを特徴とする請求項１記載の磁気浮上装置。
6. 前記外力範囲検出手段は、２つの異なる外力の検出範囲を有することを特徴とする請求項１記載の磁気浮上装置。
7. 前記浮上体は、エレベータの乗りかごであることを特徴とする請求項１記載の磁気浮上装置。

Images