JP2017079569A - 可動磁石型リニアモータ制御システム - Google Patents

Abstract

【課題】複数のコイルユニットが台車に力を印加する場合でも台車を高精度に制御することの可能な可動磁石型リニアモータ制御システムを提供する。【解決手段】可動磁石型リニアモータ制御システムは、複数のコイルを有する複数のコイルユニットと、複数のコイルユニットに沿って移動する複数の台車の位置を検出する位置検出部と、複数の台車の位置、複数のコイルユニットのそれぞれのインピーダンス及び推力特性に基づき、複数のコイルユニットのそれぞれに供給する電流の比率を決定する制御部とを備える。【選択図】図２

Description

本発明は、ファクトリーオートメーション（ＦＡ）用搬送装置の台車の駆動等に用いられるリニアモータ制御システムに関する。より具体的には可動磁石型リニアモータの制御システムに関する。

一般に工業製品を組み立てるためのファクトリーオートメーション化された生産ラインでは、部品等を搬送する搬送システムが用いられる。このような搬送システムとして、複数個の永久磁石を搭載した可動子、可動子の移動経路に沿って配列したコイル、及びコイルに電流を供給する電流制御器を備えた可動磁石型リニアモータシステムが提案されている。

特許文献１では垂直式リニアモータのドライバ制御装置が提案されている。このドライバ制御装置は、複数の電機子コイルを有し、可動子の位置検出値に応じて各電機子コイルに対する励磁電流を制御し、位置検出値が設定された閾値にある場合のみ電機子コイルに通電することによって電力消費量を低減している。

特許文献２では分散配置リニアモータが提案されている。この分散装置リニアモータは、隣り合う固定子の距離に基づきコイルに供給する電流を制御している。

特許文献３では可動界磁型リニアモータが提案されている。このリニアモータは、固定子側のコイルへの通電制御にリードスイッチを使用することによって、特定のコイルにのみ電流を供給する。詳しくは、可動界磁型リニアモータは、可動子の永久磁石の先端が電機子コイルに到達した時点でリードスイッチをＯＮにすることにより、当該コイルへの電流の供給を行う。

特開平５−３０７８４号公報 特開２０１１−５０２２０号公報 特開平５−１９１９６２号公報

しかしながら、特許文献１では、可動子の位置に応じて通電のＯＮ／ＯＦＦを制御するだけなので銅損及び銅損に伴う発熱が大きくなる。この発熱が筺体等に伝わると筺体等の変形が大きくなり、可動子を高精度に制御することが困難になる。特許文献２では、１つの固定子は１つの可動子のみを制御するシステムであるため、複数の可動子が１つの固定子に同時に進入しないよう制御されており、可動子間の距離を所定値よりも小さくできず、複数の可動子を高精度に制御することができない。特許文献３では、各電機子コイルに接続されたリードスイッチを切り替えることにより各電機子コイルへの通電制御が行われるため、当該コイルへの通電の切り替えは他の可動子の位置とは関係なく決定される。そのため、複数の可動子が１つの電機子コイルから推力を受ける位置にある場合、可動子を高精度に制御することが困難になる。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、複数のコイルユニットが台車に推力を与える場合でも台車を高精度に制御することの可能な可動磁石型リニアモータ制御システムを提供することを目的とする。

本発明による可動磁石型リニアモータ制御システムは、複数のコイルを有する複数のコイルユニットと、前記複数のコイルユニットに沿って移動する複数の台車の位置を検出する位置検出部と、前記複数の台車の位置、前記複数のコイルユニットのそれぞれのインピーダンス及び推力特性に基づき、前記複数のコイルユニットのそれぞれに供給する電流の比率を決定する制御部とを備える。

本発明によれば、複数の台車の位置、複数のコイルユニットのそれぞれのインピーダンス及び推力特性に基づき、コイルユニットのそれぞれに供給する電流の比率を決定する。これにより、複数のコイルユニットによって台車を制御する場合でも、比率に基づきコイルユニットのそれぞれについて台車に必要な推力を得るための電流を精度よく算出できる。従って、複数のコイルユニットが台車に推力を加える場合でも、高精度な台車の制御が可能になる。

本発明の第１の実施形態によるワーク加工システムの全体構成を示す概略図である。 本発明の第１の実施形態によるワーク加工システムにおける台車の配置図である。 本発明の第１の実施形態によるコイルユニットの概略図である。 本発明の第１の実施形態による搬送システムコントローラのブロック図である。 本発明の第１の実施形態による台車の制御を示すフローチャートである。 本発明の第１の実施形態による推力定数プロファイルを示す図である。 本発明の第１の実施形態による等推力プロファイル及び等損失プロファイルについて説明した図である。 本発明の第２及び第５の実施形態による台車の配置図である。 本発明の第２の実施形態による推力定数プロファイルを示す図である。 本発明の第３の実施形態による台車の配置図である。 本発明の第３の実施形態による推力定数プロファイルを示す図である。 本発明の第４の実施形態による台車の配置図である。 本発明の第５の実施形態による推力比の時間変化を示す図である。

［第１の実施形態］
以下、本発明の第１の実施形態による可動磁石型リニアモータ制御システムとしてのワーク加工システム１００について図面を参照しながら説明する。図１は、ワーク加工システム１００の全体構成を示す概略図である。ワーク加工システム１００は、搬送路１０１、搬送システムコントローラ１２１、工程装置１３１ａ〜１３１ｃ、ＲＦＩＤリーダ１４１、工程コントローラ１５１、及び台車２０１ｉ〜２０１ｌを備え、図示されない水平な架台の上に載置されている。

搬送路１０１上には、台車２０１ｉ〜２０１ｌが後述のガイドレール１６１に沿って移動可能に配置されている。搬送システムコントローラ１２１は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、及びＲＡＭ、ＲＯＭ等のメモリ（図示せず）を備え、搬送路１０１上の全ての台車２０１ｉ〜２０１ｌの運行を制御する。メモリには、推力定数プロファイル及びコイルユニット１１６のインピーダンス等、コイルユニット１１６に供給する電流の算出に必要な情報が格納されている。工程装置１３１ａ〜１３１ｃは、台車２０１に載置されているワーク２０６の加工を行う。工程装置１３１ａ〜１３１ｃは、様々な工程を行い、例えばワーク２０６に対する接着剤の塗布、部品の取り付け、取り外し、及び光線の照射等を行う。搬送システムコントローラ１２１にはＲＦＩＤリーダ１４１が接続されている。ＲＦＩＤリーダ１４１は、台車２０１に取り付けられているＲＦＩＤタグ２０７を読み取り、台車ＩＤを含む台車通過情報を搬送システムコントローラ１２１に送信する。搬送システムコントローラ１２１は、受信した情報に基づきＲＦＩＤリーダ１４１の検出範囲を通過した台車を特定する。

工程コントローラ１５１は、工程装置１３１ａ〜１３１ｃ及び搬送システムコントローラ１２１に接続されている。搬送システムコントローラ１２１によって移動する台車２０１ｉ〜２０１ｌに対して、工程コントローラ１５１は、工程装置１３１ａ〜１３１ｃを動作させることによって、台車２０１ｉ〜２０１ｌに載置されているワーク２０６に対して順次工程を実行する。台車２０１ｉ〜２０１ｌは、それぞれワークホルダ２０５、及びＲＦＩＤタグ２０７を備えている。ワークホルダ２０５は、台車２０１ｉ〜２０１ｌ上でワーク２０６を保持するためのホルダである。ＲＦＩＤタグ２０７には、各台車２０１ｉ〜２０１ｌをそれぞれ区別するための固有の識別子である台車ＩＤが登録されている。台車２０１ｉ〜２０１ｌは搬送路１０１に沿って移動する。なお、図１には４台の台車２０１ｉ〜２０１ｌが図示されているが、台数は４台に限られない。また搬送路１０１は、楕円状の循環路を形成しているが、この形態に限られない。また、図１において、台車２０１ｉの搬送方向をＸ軸、鉛直方向をＺ軸、Ｘ軸及びＺ軸と直交する軸をＹ軸と定義する。

図２は、本実施形態によるワーク加工システム１００における台車２０１ｉの配置図である。図２では、例として台車２０１ｉについて説明するが、台車の構成は台車２０１ｊ〜２０１ｌも台車２０１ｉと同様である。台車２０１ｉは、台車ブラケット２０２、永久磁石２０３、スケール２０４、ワークホルダ２０５、及びＲＦＩＤタグ２０７を備えている。永久磁石２０３、スケール２０４、ワークホルダ２０５、及びＲＦＩＤタグ２０７は台車ブラケット２０２に取り付けられている。台車ブラケット２０２には図示しないガイドブロックが固定され、このガイドブロックがガイドレール１６１に装着されることにより、台車２０１はガイドレール１６１の延在する方向に移動可能に支持される。台車ブラケット２０２上には３個の永久磁石２０３が配置され、それぞれの永久磁石２０３のＮ極及びＳ極が交互に配置されている。なお、本実施形態において永久磁石２０３は３個から構成されているが、個数は３個に限られない。また、スケール２０４には、台車２０１ｉの移動方向に沿って位置情報が記録されている。

搬送路１０１は、図示しない筺体、ガイドレール１６１、エンコーダ（位置検出部）１１３ａ〜１１３ｅ、コイルユニット１１６ａ〜１１６ｃ、及び電流制御器１１２ａ〜１１２ｃを備えている。電流制御器１１２ａ〜１１２ｃ、エンコーダ１１３ａ〜１１３ｅ、コイルユニット１１６ａ〜１１６ｃ、及びガイドレール１６１は当該筺体に取り付けられている。電流制御器１１２ａ〜１１２ｃは、搬送システムコントローラ１２１から送信される台車の位置情報等に基づきコイルユニット１１６ａ〜１１６ｃに供給する電流を制御する。

エンコーダ１１３ａ〜１１３ｅは、台車２０１ｉが搬送路１０１上のどの位置にあっても台車２０１ｉの位置が検出できるような間隔で、搬送路１０１に沿って取り付けられている。エンコーダ１１３ａ〜１１３ｅは、スケール２０４のパターンを読み取り、スケール２０４上の位置、すなわちスケール位置情報を、図示しない伝送路を介して搬送システムコントローラ１２１に送信する。エンコーダ１１３ａ〜１１３ｅ及びスケール２０４は、台車２０１ｉの位置を検出するため、制御システムに要求される位置決め精度に対して十分小さい位置分解能を備えることが望ましい。一例として、±５μｍの位置決め精度を得るためには、分解能が０．５μｍ程度の高精度なエンコーダ１１３ａ〜１１３ｅ及びスケール２０４が使用される。コイルユニット１１６ａ〜１１６ｃは、電流が供給され、且つ永久磁石２０３と所定の位置関係にある場合に電磁力を発生させることができる。発生した電磁力により、台車２０１ｉは搬送路１０１上を移動し、また停止する。搬送システムコントローラ１２１は、エンコーダ１１３ａ〜１１３ｅから送信される台車２０１ｉの位置情報に応じてコイルユニット１１６ａ〜１１６ｃの電流を制御する。これにより、搬送システムコントローラ１２１は、台車２０１ｉを移動させ、及び適切な位置で台車２０１ｉを停止させることができる。

図３は、本実施形態によるコイルユニット１１６の概略図である。本実施形態においてコイルユニット１１６は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相からなる３相駆動を可能とするように、それぞれの相のコイル３０１を２個ずつ直列接続した６個のコイル３０１備えている。なお、本実施形態においてコイルユニット１１６は、６個のコイルから構成されているが、３個のコイルまたは１個のコイルのみで構成されてもよい。

電流検出器３０２は、電流制御器１１２に接続され、電流制御器１１２から各相のコイル３０１に供給される電流を検出する。詳しくは、電流検出器３０２は抵抗器３０２ｕ、３０２ｖ、及び３０２ｗを備え、抵抗器３０２ｕ、３０２ｖ、及び３０２ｗの各抵抗値並びにそれぞれの両端の電圧に基づき電流を測定する。電流制御器１１２は、電流制御器１１２に入力される電流指令値及び電流検出器３０２が検出する電流の情報に基づいてコイルユニット１１６に供給される電流を制御する。電流制御器１１２及び電流検出器３０２の間には、スイッチ３０３、即ちスイッチ３０３ｕ、３０３ｖ、及び３０３ｗが設けられ、電流制御器１１２はスイッチ３０３ｕ、３０３ｖ、及び３０３ｗの開閉を制御する。

図４は搬送システムコントローラ１２１の概略図である。搬送システムコントローラ１２１は、台車群コントローラ４０１、台車コントローラ４０３、電流算出部４０７、電流群制御部４０９、台車位置算出部４１１、及び推力定数プロファイル部４１６を備えている。台車群コントローラ４０１及び工程コントローラ１５１は伝送路４３２を介して電気的に接続され、工程コントローラ１５１は台車群コントローラ４０１に台車ＩＤ毎の目標位置を目標位置情報として送信する。台車群コントローラ４０１は、伝送路４３３を介して電流算出部４０７に電気的に接続されている。台車群コントローラ４０１、台車コントローラ４０３、及び電流算出部４０７は、台車位置算出部４１１と伝送路４１２を介して電気的に接続されている。台車群コントローラ４０１は、工程コントローラ１５１に対して台車ＩＤ毎の台車位置を送信することができる。台車群コントローラ４０１は、工程コントローラ１５１から送信される目標位置情報および台車位置情報に基づき、特定の時刻における各台車２０１の目標位置を台車コントローラ４０３に出力する。

台車コントローラ４０３は、台車群コントローラ４０１から入力された目標位置情報及び台車位置情報に基づき台車２０１の制御に必要な推力を算出する。詳しくは、台車コントローラ４０３は、台車２０１の位置及び目標位置の差に基づき推力を算出する。そして、台車コントローラ４０３は推力情報を電流算出部４０７に出力する。搬送システムコントローラ１２１は、制御対象としている台車２０１と同数の台車コントローラ４０３を有し、各台車コントローラ４０３に対して台車２０１が１台ずつ割り振られている。図４において、台車コントローラ４０３ｉは台車２０１ｉの制御を行い、台車コントローラ４０３ｊは台車２０１ｊの制御を行う。電流算出部４０７は、複数の推力情報、台車位置情報、及び推力定数プロファイル部４１６に格納されている推力定数プロファイル（推力特性）に基づき、各コイルユニット１１６に必要な電流指令値群を生成する。そして、電流算出部４０７は、電流指令値群を電流群制御部４０９に出力する。なお、推力定数プロファイルは、予め推力定数プロファイル部４１６に格納されているものとする。

電流群制御部４０９は、電流指令値群に基づき、各電流制御器１１２に電流指令値を出力する。電流群制御部４０９が出力する電流指令値は、各コイルユニット１１６に供給される電流値である。台車位置算出部４１１は、エンコーダ１１３から受信したスケール位置情報及びＲＦＩＤリーダ１４１から受信した台車通過情報から各台車２０１の位置を算出する。そして、台車位置算出部４１１は、台車位置情報として台車群コントローラ４０１、台車コントローラ４０３、及び電流算出部４０７に伝送路４１２を介して送信する。この台車位置情報には、台車ＩＤ毎の位置情報が含まれているので、台車群コントローラ４０１及び台車コントローラ４０３は台車ＩＤ毎の台車の位置を把握することができる。

図５は、本実施形態による台車の制御を示すフローチャートである。図５に示すフローチャートは、搬送システムコントローラ１２１が全ての台車２０１の制御を開始することにより行われる。ステップＳ５０１では、台車群コントローラ４０１は、各台車２０１の台車位置情報を取得する。詳しくは、台車群コントローラ４０１は、台車位置算出部４１１から各台車２０１の台車位置情報を受信する。ステップＳ５０２では、台車群コントローラ４０１は、台車２０１の目標位置を算出する。詳しくは、台車群コントローラ４０１は、工程コントローラ１５１から台車２０１の目標位置情報を受信し、特定の時刻における各台車２０１の目標位置を演算し、台車コントローラ４０３に目標位置情報を出力する。ステップＳ５０３では、台車コントローラ４０３は、台車２０１の目標位置情報及び台車位置情報に基づき、台車２０１の制御に必要な推力を算出し、電流算出部４０７に推力情報として出力する。

ステップＳ５０４では、電流算出部４０７は、各台車２０１の推力情報、推力定数プロファイル、及びコイルユニット１１６のインピーダンスに基づき、各コイルユニット１１６に供給する電流を算出する。詳しくは、図６、図７に基づき説明する。

図６は、本実施形態による推力定数プロファイルを示す図である。図６（ａ）において、推力定数プロファイル６０１は、台車の位置ｘと、推力定数ηとの関係をプロットしたグラフを表している。なお、推力定数は単位ｑ軸電流［Ａ］当たりに発生する推力の大きさ［Ｎ］を表している。なお、ｑ軸電流とはモーターの一般的なベクトル制御で使用される台車の進行方向に寄与する電流成分を示す。ｄ軸電流はｑ軸電流と直交する電流成分である。

推力定数プロファイルは、添え字ａをコイルユニット１１６のインデックスとして、Ga(x)で表すことができる。

このように、推力定数プロファイルは、コイルユニット１１６のインデックス毎に、台車２０１の位置ｘを変数とする関数として表すことができる。

図６（ｂ）は、横軸に台車２０１の位置ｘとし、縦軸に位置ｘに対する複数のコイルユニット１１６ａ〜１１６ｃのそれぞれの推力定数をプロットした推力定数プロファイル６０１ａ〜６０１ｃを示すグラフである。詳しくは、図６（ｂ）において、推力定数プロファイル６０１ａはコイルユニット１１６ａの推力定数プロファイル、推力定数プロファイル６０１ｂはコイルユニット１１６ｂの推力定数プロファイルを表している。また、推力定数プロファイル６０１ｃはコイルユニット１１６ｃの推力定数プロファイルを表している。なお、台車２０１のそれぞれは、＋ｘ方向に移動するものとする。台車２０１に取り付けられた永久磁石２０３は、コイルユニット１１６ａ〜１１６ｃの各コイル３０１に対して鎖交磁束を発生させる。図６（ｂ）に示すように、隣接する推力定数プロファイル６０１ａ及び６０１ｂ、６０１ｂ及び６０１ｃは、それぞれ部分的に重なっている。

図６（ｂ）は当該区間において、１台の台車２０１ｉが位置ｘｉにある場合を示している。台車２０１ｉは２つのコイルユニット１１６ａ、１１６ｂから推力を受け、図２における台車２０１ｉの位置に相当する。台車群コントローラ４０１は、台車２０１ｉの位置に基づき、電流を供給するコイルユニット１１６を選択する。例えば、図６（ｂ）において、台車群コントローラ４０１はコイルユニット１１６ａ、１１６ｂを選択する。図６（ｂ）において、台車２０１ｉが位置ｘｉにある場合、コイルユニット１１６ａ、１１６ｂの推力定数は、それぞれGa(xi)、Gb(xi)である。この場合、電流制御器１１２ａがコイルユニット１１６ａに供給するｑ軸電流値をＩａ、電流制御器１１２ｂがコイルユニット１１６ｂに供給するｑ軸電流値をＩｂとすると、台車２０１ｉが受けるｑ軸方向の推力Ｆｉは、以下の式１で表わすことができる。
Fi= Ia・Ga(xi)＋Ib・Gb(xi) ・・・（式１）

電流算出部４０７は、台車２０１ｉに与えられる推力がＦｉとなるように、ｑ軸電流値Ｉａ、Ｉｂを決定する。

図７は、ｑ軸電流値Ｉａ、Ｉｂを決定する方法を説明した図であり、横軸にｑ軸電流値Ｉａ、縦軸にｑ軸電流値Ｉｂをプロットしたグラフである。図７（ａ）において、推力Ｆｉが一定になるｑ軸電流値Ｉａ及びＩｂの組み合わせを模式的にプロットしたものが等推力プロファイル７０１−１である。また、電流の供給によるエネルギー損失Ｐが一定になる等損失プロファイルを模式的にプロットしたものが等損失プロファイル７０２−１である。

電流算出部４０７は、推力Ｆｉが与えられたとき、エネルギー損失を極小とするようにｑ軸電流値Ｉａ、Ｉｂの組み合わせを計算する。すなわち、電流算出部４０７は以下の式２を満たすｑ軸電流値Ｉａ、Ｉｂを計算する。

式２により、等推力プロファイル７０１−１及び等損失プロファイル７０２−１の接点７０３−１を算出することができる。接点７０３−１はエネルギー損失を極小にするｑ軸電流値Ｉａ、Ｉｂであり、エネルギー損失を極小にするｑ軸電流値Ｉａ、Ｉｂをコイルユニット１１６ａ、１１６ｂに供給することによって、銅損による発熱等の影響を低減することができる。
（Ia , Ib）=（a1 , b1） ・・・（式３）

式２を満足する場合、等推力プロファイル７０１−１及び等損失プロファイル７０２−１は、式４に示すように、接点７０３−１で接している、すなわち接点７０３−１の値（ａ１，ｂ１）を一意に決定することができる。

より簡単に、エネルギー損失として銅損以外の損失を十分無視でき、かつ２つのコイルユニット１１６ａ、１１６ｂのインピーダンスが略等しい値Ｒの場合、エネルギー損失Ｐは、以下の式４で表すことができる。
P = R・Ia^2 ＋ R・I b^2 ・・・（式４）

なお、式４において、“＾2”は自乗を表している。図７（ｂ）は、式４で表される略円状の等損失プロファイル７０２−２及び式２で表される略直線の等推力プロファイル７０１−２を表している。式４で表される等損失プロファイル７０２−２は、図７（ｂ）に示すように略円状になる。また、２つのコイルユニット１１６ａ及び１１６ｂの間の磁束の干渉等の相互作用が十分小さい場合、等推力プロファイル７０１−２は、図７（ｂ）に示すように略直線状になる。エネルギー損失Ｐが極小となるｑ軸電流値Ｉａ、Ｉｂは、等推力プロファイル７０１−２及び等損失プロファイル７０２−２の接点７０３−２の値になる。

このとき、等推力プロファイル７０１−２及び等損失プロファイル７０２−２の接点７０３−２におけるｑ軸電流値Ｉａ、Ｉｂは、以下の式５で表すことができる。
Ia：Ib ＝ Ga(xi)：Gb(xi) ・・・（式５）

式５は略直線で表される等推力プロファイル７０１−２と略円で表される等損失プロファイル７０２−２とが接している場合の条件式であり、ｑ軸電流値Ｉａ、Ｉｂの比は、台車２０１ｉの位置ｘｉにおける推力定数Ga(xi)、Gb(xi)の比に等しい。このように電流算出部４０７は、台車２０１ｉの位置ｘｉ、コイルユニット１１６ａ、１１６ｂのそれぞれのインピーダンス、及び推力定数プロファイル６０１ａ、６０１ｂに基づきコイルユニット１１６ａ、１１６ｂに供給するｑ軸電流値Ｉａ、Ｉｂを算出する。

ステップＳ５０５では、電流算出部４０７は、ステップＳ５０４で算出した電流値に基づいて、各コイルユニット１１６に送信する電流指令値群を生成し、電流群制御部４０９に出力する。ステップＳ５０６では、電流群制御部４０９は各電流制御器１１２に電流値を電流指令信号として出力し、各電流制御器１１２は、電流指令信号の電流値に基づき、対応するコイルユニット１１６に電流を供給する。例えば、電流制御器１１２ａはコイルユニット１１６ａに電流Ｉａ、電流制御器１１２ｂはコイルユニット１１６ｂに電流Ｉｂを供給する。

このように、本実施形態では、台車の位置ｘ、コイルユニット１１６のそれぞれのインピーダンス、及び推力定数プロファイル６０１ａ、６０１ｂに基づき、コイルユニット１１６に供給する電流の比率を決定する。これにより、１台の台車２０１を複数のコイルユニット１１６で制御する場合でも、台車２０１の位置に応じた推力が得られる電流がコイルユニット１１６に供給されるので、台車２０１を高精度に制御することができる。また、台車の位置ｘ、複数のコイルユニット１１６のインピーダンスＲ、推力定数プロファイル６０１ａ、６０１ｂ、及び電流の比率に基づき、コイルユニット１１６のエネルギー損失が極小となる電流Ｉａ、Ｉｂをコイルユニット１１６ａ、ｂに供給する。これにより、１台の台車２０１が複数のコイルユニット１１６から電磁力を受ける場合においてもコイルユニット１１６のエネルギー損失を極小化しながら複数のコイルユニット１１６に電流を供給できる。従って、銅損によるコイルの発熱等の影響を抑制して台車２０１を高精度に制御することが可能になる。

［第２の実施形態］
以下、本発明の第２の実施形態に係る可動磁石型リニアモータ制御システムについて説明する。本実施形態では、複数の台車の制御を行う点が第１の実施形態と異なっており、その他の構成については共通している。従って、共通箇所の説明は省略する。

図８は、本実施形態によるワーク加工システム１００における台車の配置図である。図８に示すように、コイルユニット１１６ａ〜１１６ｃの区間に台車２０１ｉ、２０１ｊがある。台車２０１ｉ（第１の台車）はコイルユニット１１６ａ（第２のコイルユニット）、コイルユニット１１６ｂ（第１のコイルユニット）から推力を受けることが可能な位置にある。台車２０１ｊ（第２の台車）はコイルユニット１１６ｂ（第１のコイルユニット）、コイルユニット１１６ｃ（第３のコイルユニット）から推力を受けることが可能な位置にある。

台車２０１ｉおよび台車２０１ｊ上のワーク２０６に対して工程装置１３１がそれぞれ所定の工程動作を実施する場合、台車２０１ｉ、２０１ｊは所定の位置にそれぞれ正確に停止している必要がある。台車２０１ｉ、２０１ｊには周囲の環境から受ける外乱による力、工程作業の際の力が加わる。このため、台車２０１ｉ、２０１ｊが所定の位置を維持するためにはそれぞれの台車２０１ｉ、２０１ｊに対して所定の推力を加える必要がある。しかしながら、台車２０１ｉ、２０１ｊに加えられる推力の大きさは時間的に変化し、台車２０１ｉ、２０１ｊのそれぞれで異なるため、台車２０１ｉ、２０１ｊを高精度に制御することは容易ではない。以下、推力の変化を補う台車の制御について説明する。

図９は本実施形態による推力定数プロファイルを示す図である。詳しくは、台車２０１ｉ、２０１ｊのそれぞれの位置と、コイルユニット１１６ａ〜１１６ｃのそれぞれの推力定数プロファイル６０１ａ〜６０１ｃとが示されている。本実施形態では、電流制御器１１２ｂは、コイルユニット１１６ｂには電流が流れないようにスイッチ３０３を開き、コイルユニット１１６ｂを電気的に開放する。電流制御器１１２ｂがスイッチ３０３を閉じた状態にした場合、１つの台車、例えば台車２０１ｉが移動してコイルユニット１１６ｂに進入することにより、コイルユニット１１６ｂに電流が流れてしまう。これは、台車２０１ｉの永久磁石２０３の磁力によりコイルユニット１１６ｂのコイルに電流が発生し、コイルユニット１１６ｂが発電機の役割を果たしてしまうためである。スイッチ３０３が閉じている場合、コイルユニット１１６ｂに流れた電流により電磁力が発生し、もう一方の台車２０１ｊに推力を与えることになる。これにより、台車２０１ｉ、２０１ｊはコイルユニット１１６ｂを介して相互に力を及ぼし合うことになり、これは台車２０１ｉ、２０１ｊの移動制御を不安定化させる要因となる。本実施形態では、コイルユニット１１６ｂのスイッチ３０３、即ちスイッチ３０３ｕ、３０３ｖ、３０３ｗを開いた状態にすることによって、意図しない推力の発生を防止する。

コイルユニット１１６ａ、１１６ｃに供給するｑ軸電流値Ｉａ、Ｉｃは、以下のように求められる。台車２０１ｉ、２０１ｊがそれぞれ必要とする推力をＦｉ、Ｆｊとし、台車２０１ｉが位置ｘｉにある場合のコイルユニット１１６ａの推力定数をGaiとする。また、台車２０１ｊが位置ｘｊにある場合のコイルユニット１１６ｃの推力定数をGcjとする。この場合において、電流算出部４０７は、以下の式６、式７を満たすようにｑ軸電流値Ｉａ、Ｉｃを算出する。
Fi ＝ Gai・Ia ・・・（式６）
Fj ＝ Gcj・Ic ・・・（式７）

コイルユニット１１６ｂには電流が供給されず、電流算出部４０７は推力Ｆｉ及び位置ｘｉにおける推力定数Gaiに基づきｑ軸電流値Ｉａを算出する。同じように、電流算出部４０７は位置ｘｊにおける推力定数Gcjに基づきｑ軸電流値Ｉｃを算出する。なお、推力Ｆｉ、Ｆｊは、台車コントローラ４０３から出力される。また、台車コントローラ４０３は、コイルユニット１１６ｂに電流を流さない指示信号を、伝送路４３３を介して電流算出部４０７に出力する。

このように、本実施形態では、台車コントローラ４０３はスイッチ３０３を開き、コイルユニット１１６ｂへの電流を遮断し、台車２０１ｉ、２０１ｊの制御を行う。これにより、コイルユニット１１６ｂが複数の台車２０１ｉ、２０１ｊに対して推力を与えることがないので、台車２０１の移動制御を安定させることができ、各々の台車２０１ｉ、２０１ｊを高精度に制御することができる。

［第３の実施形態］
本発明の第３の実施形態による可動磁石型リニアモータ制御システムについて説明する。本実施形態では、複数の台車の制御を行う点が第１の実施形態と異なっており、その他の構成については共通している。従って、共通箇所の説明は省略する。

図１０は、本実施形態によるワーク加工システム１００における台車の配置図である。図１０に示すように、台車２０１ｉ（第１の台車）はコイルユニット１１６ａ（第２のコイルユニット）及びコイルユニット１１６ｂ（第１のコイルユニット）から推力を受けることが可能な位置にある。また、台車２０１ｊ（第２の台車）はコイルユニット１１６ｂ（第１のコイルユニット）のみから推力を受けることが可能な位置にある。図１０に示す台車２０１ｉ、２０１ｊの間隔は、第２の実施形態で説明した図８の台車２０１ｉ、２０１ｊの間隔よりも狭い。図１１を参照して詳細に説明する。図１１は、推力定数プロファイルを示す図であり、台車２０１ｉ、２０１ｊのそれぞれの位置、コイルユニット１１６ａ〜１１６ｃのそれぞれの推力定数プロファイル６０１ａ〜６０１ｃを示している。本実施形態では、台車群コントローラ４０１は、台車２０１ｉ、２０１ｊの位置に基づき、電流を供給するコイルユニット１１６ａ、１１６ｂを選択する。また、電流制御器１１２ｃは、コイルユニット１１６ｃ（第３のコイルユニット）に電流が流れないようにスイッチ３０３を開き、コイルユニット１１６ｃを電気的に開放してもよい。

台車２０１ｉ、２０１ｊがそれぞれ必要とする推力をそれぞれＦｉ、Ｆｊとする。台車２０１ｉが位置ｘｉにある場合のコイルユニット１１６ａの推力定数をGai、コイルユニット１１６ｂの推力定数をGbi、台車２０１ｊが位置ｘｊにある場合のコイルユニット１１６ｂの推力定数をGbjとする。この場合、電流算出部４０７は、以下の式８、９を満たすようにｑ軸電流値Ｉａ、Ｉｂを算出する。
Fi＝Gai・Ia＋Gbi・Ib ・・・（式８）
Fj＝Gbj・Ib ・・・（式９）

電流算出部４０７は、推力定数Gbj及び推力Ｆｊに基づきｑ軸電流値Ｉｂを算出する。また、電流算出部４０７は、推力Ｆｉ、推力定数Gai、Gbi、及びｑ軸電流値Ｉｂに基づき、コイルユニット１１６ａに供給するｑ軸電流値Ｉａを算出する。算出されたｑ軸電流値Ｉｂは台車２０１ｊの動作を制御できる大きさの電流値である。また、算出されたｑ軸電流値Ｉａ、Ｉｂは台車２０１ｉの動作を制御できる大きさの電流値である。台車２０１ｉの制御において、位置ｘｉにおけるコイルユニット１１６ａ、１１６ｂの推力定数の比はGai：Gbiとなり、台車２０１ｉは、コイルユニット１１６ａ、１１６ｂの推力を合成した合成推力によって駆動される。一方、台車２０１ｊの制御では、位置ｘｊにおけるコイルユニット１１６ｂの推力定数はGbjであり、台車２０１ｊはコイルユニット１１６ｂの推力のみによって駆動される。電流群制御部４０９は、算出されたｑ軸電流値Ｉａ、Ｉｂをコイルユニット１１６ａ、１１６ｂにそれぞれ供給する。これにより、台車２０１ｉ、２０１ｊを高精度に移動制御できる。

このように、本実施形態では、コイルユニット１１６ｂについては、台車２０１ｊの位置ｘｊ及びコイルユニット１１６ｂの推力定数プロファイル６０１ｂに基づきｑ軸電流値Ｉｂを算出する。コイルユニット１１６ａについては、台車２０１ｉの位置ｘｉ、ｑ軸電流値Ｉｂ、及びコイルユニット１１６ａ、１１６ｂの推力定数プロファイル６０１ａ、６０１ｂに基づきｑ軸電流値Ｉａを算出する。これにより、２台の台車２０１ｉ、２０１ｊが接近している場合であっても、台車２０１ｉ、２０１ｊのそれぞれを独立して高精度に制御することが可能となる。

［第４の実施形態］
次に、本発明の第４の実施形態に係る可動磁石型リニアモータシステムについて説明する。本実施形態では、複数の台車の制御に３つのコイルユニットを用いる点が第２の実施形態と異なっており、その他の構成については共通している。従って、共通箇所の説明は省略する。

図１２は、本実施形態による台車の配置図を示している。図１２に示す台車２０１ｉ、２０１ｊの配置は第２の実施形態で説明した図８と同じである。台車２０１ｉはコイルユニット１１６ａ、１１６ｂから推力を受けることが可能な位置にあり、台車２０１ｊはコイルユニット１１６ｂ、１１６ｃから推力を受けることが可能な位置にある。

コイルユニット１１６ａ〜１１６ｃに供給するｑ軸電流値Ｉａ〜Ｉｃは以下のように算出される。台車２０１ｉ、２０１ｊがそれぞれ必要とする推力をそれぞれ推力Ｆｉ、Ｆｊとし、台車２０１ｉが位置ｘｉにある場合のコイルユニット１１６ａの推力定数をGai、コイルユニット１１６ｂの推力定数をGbiとする。また、台車２０１ｊが位置ｘｊにある場合のコイルユニット１１６ｂの推力定数をGbjとし、コイルユニット１１６ｃの推力定数をGcjとする。この場合において、電流算出部４０７は、以下の式１０、１１を満たすようにｑ軸電流値Ｉａ〜Ｉｃを算出する。
Fi ＝ Gai・Ia ＋ Gbi・Ib ・・・（式１０）
Fj ＝ Gbj・Ib ＋ Gcj・Ic ・・・（式１１）

式１０及び式１１から推力Ｆｉ、Ｆｊがそれぞれ等推力となる等推力プロファイルが求められる。この場合においてもエネルギー損失Ｐが極小化されるようにすることによってｑ軸電流値Ｉａ〜Ｉｃを一意に決定できるので、電流算出部４０７は以下の式１２を満たすｑ軸電流値Ｉａ〜Ｉｃの組み合わせを算出する。

第１の実施形態と同様に、エネルギー損失として銅損以外のエネルギー損失を十分に無視でき、３つのコイルユニット１１６ａ〜１１６ｃのインピーダンスＲが十分同じ値の場合、等損失プロファイルとなるエネルギー損失Ｐは以下の式１３から算出される。
P = R・Ia^2 + R・Ib^2 + R・Ic^2 ・・・（式１３）

上記式１３において、”＾2”は自乗を表している。台車２０１ｉが位置ｘｉにある場合の推力定数をGa(xi)、Gb(xi)、台車２０１ｊが位置ｘｊにある場合の推力定数をGb(xj)、Gc(xj)とする。この場合、等推力プロファイル及び等損失プロファイルにおけるｑ軸電流値Ｉａ〜Ｉｃは、以下の式１４、１５で表すことができる。
Ia：Ib = Ga(xi)：Gb(xi) ・・・（式１４）
Ib：Ic = Gb(xj)：Gc(xj) ・・・（式１５）

式１４、１５は、式１０、１１の略直線で表される２つの等推力プロファイルが交わる交点と、式１３の球体で表される等損失プロファイルとが接している場合の条件式である。ｑ軸電流値Ｉａ、Ｉｂの比は、台車２０１ｉの位置ｘｉにおける推力定数Ga(xi)、Gb(xi)の比に等しく、ｑ軸電流値Ｉｂ、Ｉｃの比は、台車２０１ｊの位置ｘｊにおける推力定数Gb(xj)、Gc(xj)の比に等しい。

このように、本実施形態では、台車２０１の位置ｘｉ、ｘｊ、コイルユニット１１６ａ〜１１６ｃのインピーダンスＲ、推力定数プロファイル６０１ａ〜６０１ｃ、及び電流の比率に基づきｑ軸電流値Ｉａ〜Ｉｃをコイルユニット１１６ａ〜１１６ｃに供給する。コイルユニット１１６ａ〜１１６ｃに供給されるｑ軸電流値Ｉａ〜Ｉｃはコイルユニット１１６ａ〜１１６ｃのエネルギー損失を極小にする電流値である。これにより、台車２０１ｉがコイルユニット１１６ａ、１１６ｂから、台車２０１ｊがコイルユニット１１６ｂ、１１６ｃから電流の供給を受ける場合でも銅損等によるエネルギー損失を低減でき、コイルからの発熱を抑制しながら高精度な制御が可能となる。

［第５の実施形態］
本発明の第５の実施形態による可動磁石型リニアモータ制御システムについて説明する。本実施形態では、台車２０１の位置に応じて各コイルユニット１１６に供給する電流の比率を時間で変化させる点が第２の実施形態と異なっており、その他の構成については共通している。従って、共通箇所の説明は省略する。

本実施形態では、図８、図９に示すように、コイルユニット１１６ａ〜１１６ｃの区間に２台の台車２０１ｉ、２０１ｊがあり、台車２０１ｊが位置ｘｊで停止している場合に台車２０１ｉが＋ｘ方向に走行して位置ｘｉで停止する場合について説明する。図１３は、推力比率の時間変化を示す図である。図１３において、図８に示す台車２０１ｊがコイルユニット１１６ｃから受ける推力の大きさの比率を推力比１３０１、台車２０１ｊがコイルユニット１１６ｂから受ける推力の大きさの比率を推力比１３０２とする。図１３において、図８に示す台車２０１ｉがコイルユニット１１６ａから受ける推力の大きさの比率を推力比１３０３とする。

台車２０１ｊが位置ｘｊに停止した時間を時間ｔ０、台車２０１ｉが＋ｘ方向に走行してコイルユニット１１６ａが推力を発生し始めた時間を時間ｔ１とする。

台車群コントローラ４０１は、ワーク加工システム１００におけるすべての台車２０１の運行状況を管理しているので、コイルユニット１１６ａ、１１６ｂの間で相互作用が発生する領域に台車２０１ｉが到達する時刻を算出することができる。図１１においてコイルユニット１１６ａ、１１６ｂの間で相互作用が発生する領域は、推力定数プロファイル６０１ａ、６０１ｂの一部が重なる領域である。台車群コントローラ４０１は、コイルユニット１１６ｂから推力を受けることの可能な位置ｘｋ（推定位置）に台車２０１ｉが到達する時刻、すなわちコイルユニット１１６ａ、１１６ｂの間で相互作用が発生する領域に到達する時刻を算出する。例えば、台車群コントローラ４０１は、走行中の台車２０１ｉが位置ｘｋに到達する時刻ｔ４を算出したとする。この場合、台車群コントローラ４０１は時刻ｔ４より前の時刻ｔ３においてコイルユニット１１６ｂに供給される電流を０とする。台車群コントローラ４０１は、時間変化に伴い電流を変化させる推力を算出し、伝送路４３３を介して電流算出部４０７に推力を出力する。電流制御器１１２ｂは電流算出部４０７から出力された電流値に基づき、コイルユニット１１６ｂに電流を供給する。時刻ｔ２においてコイルユニット１１６ｂが台車２０１ｊに与える推力は徐々に小さくなり、時刻ｔ３でコイルユニット１１６ｂが台車２０１ｉに与える推力は０になる。

このように時間経過に伴う推力変化を小さくする理由を以下に説明する。台車２０１ｉが位置ｘｋに到達した場合に、コイルユニット１１６ｂへの電流の供給を急に停止したとする。この場合、台車２０１ｊに与えられる推力も急に変化するため、台車２０１ｊは外乱を受け、台車２０１ｊの停止位置が大きく変動してしまう。本実施形態では、時間経過に伴いコイルユニット１１６ｂに供給する電流を徐々に変化させることにより、コイルユニット１１６ｂから台車２０１ｊに与えられる推力も徐々に低下するので、台車２０１ｊに作用する外乱を抑制できる。

このように、本実施形態では、台車２０１ｉがコイルユニット１１６ｂから推力を受ける位置に到達する時刻より前に、コイルユニット１１６ｂに供給する電流を時間経過に伴い連続して変化させる。これにより、台車２０１ｊに加わる推力の比率は時間経過に伴い連続して変化するため、台車２０１ｊは停止位置ｘｊを安定して維持することが可能になる。

［その他の実施形態］
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。例えば、台車２０１に推力を与えないコイルユニット１１６に対応する電流制御器１１２は、スイッチ３０３を開き、台車２０１に推力を与えないコイルユニット１１６を電気的に開放してもよい。

また、第２の実施形態では、コイルユニット１１６ｂを電気的に開放することについて説明したが、コイルユニット１１６ａを電気的に開放し、台車２０１ｉ、２０１ｊをコイルユニット１１６ｂ、１１６ｃで制御するようにしてもよい。この場合、台車２０１ｉはコイルユニット１１６ｂのみによって駆動され、台車２０１ｊはコイルユニット１１６ｂ、１１６ｃの推力を合成した合成推力によって駆動される。

１００ ワーク加工システム（可動磁石型リニアモータ制御システム）
１１２ 電流制御器
１１６ コイルユニット
２０１ 台車
４０７ 電流算出器
６０１ａ〜６０１ｃ 推力定数プロファイル

Claims (7)

1. 複数のコイルを有する複数のコイルユニットと、
   前記複数のコイルユニットに沿って移動する複数の台車の位置を検出する位置検出部と、
   前記複数の台車の位置、前記複数のコイルユニットのそれぞれのインピーダンス及び推力特性に基づき、前記複数のコイルユニットのそれぞれに供給する電流の比率を決定する制御部と
   を備えることを特徴とする可動磁石型リニアモータ制御システム。
2. 前記複数のコイルユニットは、第１のコイルユニット、及び前記第１のコイルユニットに隣接する第２、第３のコイルユニットを含み、前記複数の台車は第１、第２の台車を含み、
   前記第１、第２の台車が前記第１のコイルユニットから推力を受け得る位置にある場合、前記制御部は、前記第１、第２、第３のコイルユニットのそれぞれに供給する電流の比率を、前記第１、第２の台車の位置及び前記推力特性に基づき決定することを特徴とする請求項１に記載の可動磁石型リニアモータ制御システム。
3. 前記第１の台車が前記第１、第２のコイルユニットから推力を受け得る位置にあり、かつ、前記第２の台車が前記第１、第３のコイルユニットから推力を受け得る位置にある場合、前記制御部は、前記第１のコイルユニットに供給する電流を遮断することを特徴とする請求項２に記載の可動磁石型リニアモータ制御システム。
4. 前記第１の台車が前記第１、第２のコイルユニットから推力を受け得る位置にあり、かつ、前記第２の台車が前記第１のコイルユニットのみから推力を受け得る位置にある場合、前記制御部は、前記第３のコイルユニットに供給する電流を遮断することを特徴とする請求項２に記載の可動磁石型リニアモータ制御システム。
5. 前記制御部は、所定の時刻における前記台車の推定位置、及び前記推力特性に基づき、前記比率を時間経過に伴い変化させることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の可動磁石型リニアモータ制御システム。
6. 前記制御部は、前記位置、前記推力特性、前記インピーダンス、及び前記比率に基づき、前記コイルユニットの損失が極小になる電流を前記コイルユニットに供給することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の可動磁石型リニアモータ制御システム。
7. 前記制御部は、前記コイルユニットを電気的に開放させるスイッチを備えることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の可動磁石型リニアモータ制御システム。

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