JP2019017176A - Linear motor system - Google Patents

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Abstract

To provide a linear motor system that can drive a linear motor efficiently at a mechanical resonance frequency considering load without a need for a sensor for detecting an induction voltage that changes depending on variation in load.SOLUTION: A linear motor system 100 comprises a linear motor 104 that has a movable element 6 at least connected with a coil 8 applied with an AC voltage and an elastic body 23. A resonance frequency of the movable element 6 is varied by the elastic body 23 and load of the linear motor 104. The linear motor system 100 has a linear motor drive device 102 that detects a fundamental wave amplitude of a current flowing in the coil 8, and increases a phase difference between the AC voltage Vm and the current Im flowing in the coil 8, in accordance with increase in the fundamental wave amplitude.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、リニアモータシステムに係り、特に、弾性体を接続させた可動子を有するリニアモータを備えるリニアモータシステムに関する。   The present invention relates to a linear motor system, and more particularly to a linear motor system including a linear motor having a mover to which an elastic body is connected.

弾性体を接続させた可動子を、弾性体及び可動子の系における機械的な共振周波数で駆動させるリニアモータが知られている。機械的な共振周波数は、可動子の摩擦や、可動子に接続する負荷に応じて変動するため、共振周波数を効果的に推定することが望まれる。
例えば、特許文献1は、サーチコイルからの誘起電圧の位相を検出し、リニアモータに流れる電流位相との位相差を検出し、位相差に応じてピストンの共振周波数に一致させる構成が開示されている。また、特許文献1には、出力電圧の周波数に応じた値だけ出力電圧の電圧値を補正してピストンのストロークを一定に保持する構成が記載されている。
There is known a linear motor that drives a mover connected to an elastic body at a mechanical resonance frequency in a system of the elastic body and the mover. Since the mechanical resonance frequency varies depending on the friction of the mover and the load connected to the mover, it is desirable to estimate the resonance frequency effectively.
For example, Patent Document 1 discloses a configuration in which a phase of an induced voltage from a search coil is detected, a phase difference with a current phase flowing through a linear motor is detected, and the resonance frequency of the piston is matched according to the phase difference. Yes. Patent Document 1 describes a configuration in which the piston stroke is kept constant by correcting the voltage value of the output voltage by a value corresponding to the frequency of the output voltage.

特開平11−351143号公報Japanese Patent Laid-Open No. 11-351143

特許文献1は、リニアコンプレッサーの巻線にサーチコイルを具備し、誘起電圧の位相を検出している。しかしながら、サーチコイルを用いると配線が煩雑になるだけでなく、ノイズの影響を受けやすくなるため、高精度に共振周波数に制御することは容易ではない。また、出力電圧の周波数に応じた値だけ出力電圧の電圧値を補正し、リニアコンプレッサーのピストンのストロークを一定に保持する具体的構成については何ら記載されておらず、所望のストロークに制御することは容易ではない。
そこで、本発明は、負荷の変動に応じて変化する誘起電圧を検出するセンサを要することなく、負荷を含めた機械的な共振周波数でリニアモータを高効率に駆動し得るリニアモータシステムを提供する。
In Patent Document 1, a search coil is provided in the winding of the linear compressor, and the phase of the induced voltage is detected. However, when the search coil is used, not only the wiring becomes complicated, but also it is easily affected by noise, so it is not easy to control the resonance frequency with high accuracy. In addition, there is no specific configuration for correcting the voltage value of the output voltage by a value corresponding to the frequency of the output voltage and keeping the stroke of the piston of the linear compressor constant. Is not easy.
Accordingly, the present invention provides a linear motor system that can drive a linear motor with high efficiency at a mechanical resonance frequency including a load without requiring a sensor that detects an induced voltage that changes in accordance with a change in the load. .

上記課題を解決するため、本発明に係るリニアモータシステムは、少なくとも交流電圧が印加される巻線及び弾性体が接続する可動子を有するリニアモータを備え、前記弾性体と前記リニアモータの負荷によって可動子の共振周波数が変動するリニアモータシステムであって、前記交流電圧の駆動周波数が共振周波数となるよう、前記交流電圧と前記巻線に流れる電流の位相差を調整するリニアモータ駆動装置を有することを特徴とする。
また、本発明に係るリニアモータシステムは、少なくとも交流電圧が印加される巻線及び弾性体が接続する可動子を有するリニアモータを備え、前記弾性体と前記リニアモータの負荷によって可動子の共振周波数が変動するリニアモータシステムであって、前記負荷の増加に応じて、前記交流電圧と前記巻線に流れる電流の位相差を大きくするリニアモータ駆動装置を有することを特徴とする。
更にまた、本発明に係るリニアモータシステムは、少なくとも交流電圧が印加される巻線及び弾性体が接続する可動子を有するリニアモータを備え、前記弾性体と前記リニアモータの負荷によって可動子の共振周波数が変動するリニアモータシステムであって、前記巻線に流れる電流の基本波振幅を検出し、前記基本波振幅の増加に応じて、前記交流電圧と前記巻線に流れる電流の位相差を大きくするリニアモータ駆動装置を有することを特徴とする。
In order to solve the above problems, a linear motor system according to the present invention includes a linear motor having at least a winding to which an AC voltage is applied and a mover to which an elastic body is connected, and depending on a load of the elastic body and the linear motor. A linear motor system in which a resonance frequency of a mover fluctuates, and includes a linear motor driving device that adjusts a phase difference between the AC voltage and a current flowing through the winding so that the driving frequency of the AC voltage becomes a resonance frequency. It is characterized by that.
The linear motor system according to the present invention includes a linear motor having at least a winding to which an AC voltage is applied and a mover to which an elastic body is connected, and a resonance frequency of the mover by a load of the elastic body and the linear motor. Is a linear motor system that has a linear motor driving device that increases a phase difference between the AC voltage and the current flowing through the winding in accordance with an increase in the load.
Furthermore, a linear motor system according to the present invention includes a linear motor having at least a winding to which an AC voltage is applied and a mover to which an elastic body is connected, and resonance of the mover by a load of the elastic body and the linear motor. A linear motor system in which the frequency varies, detecting a fundamental wave amplitude of a current flowing through the winding, and increasing a phase difference between the AC voltage and a current flowing through the winding in accordance with an increase in the fundamental wave amplitude. And a linear motor driving device.

本発明によれば、負荷の変動に応じて変化する誘起電圧を検出するセンサを要することなく、負荷を含めた機械的な共振周波数でリニアモータを高効率に駆動し得るリニアモータシステムを提供することが可能となる。
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
According to the present invention, there is provided a linear motor system capable of driving a linear motor with high efficiency at a mechanical resonance frequency including a load without requiring a sensor for detecting an induced voltage that changes in accordance with a change in load. It becomes possible.
Problems, configurations, and effects other than those described above will be clarified by the following description of embodiments.

本発明の一実施例に係る実施例1のリニアモータシステムの全体概略構成図である。1 is an overall schematic configuration diagram of a linear motor system according to a first embodiment of the present invention. 電機子の構成例の斜視図である。It is a perspective view of the structural example of an armature. 磁極の縦断面と磁束の流れを示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the longitudinal cross-section of a magnetic pole, and the flow of magnetic flux. 磁極歯に発生する極性の説明図である。It is explanatory drawing of the polarity which generate | occur | produces in a magnetic pole tooth. 可動子に接続される外部機構の説明図である。It is explanatory drawing of the external mechanism connected to a needle | mover. 駆動周波数とストロークの関係の説明図である。It is explanatory drawing of the relationship between a drive frequency and a stroke. 可動子の位置と可動子の速度との位相関係、及び印加電圧とモータ電流の位相関係の説明図である。It is explanatory drawing of the phase relationship of the position of a needle | mover, and the speed | rate of a needle | mover, and the phase relationship of an applied voltage and a motor current. 印加電圧と電流のベクトル図である。It is a vector diagram of applied voltage and current. 図1に示す制御部を構成する位相差検出器の構成例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the structural example of the phase difference detector which comprises the control part shown in FIG. 駆動周波数と位相差検出器出力の関係の説明図である。It is explanatory drawing of the relationship between a drive frequency and a phase difference detector output. 図1に示す制御部を構成する駆動周波数調整器の構成例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the structural example of the drive frequency regulator which comprises the control part shown in FIG. 図1に示す制御部を構成する誘起電圧成分作成器の構成例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the structural example of the induced voltage component creator which comprises the control part shown in FIG. 図12に示す誘起電圧成分作成器を構成するストローク制御器の構成例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the structural example of the stroke controller which comprises the induced voltage component preparation device shown in FIG. 位置推定部の構成例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the structural example of a position estimation part. 図1に示す制御部を構成する負荷電流検出器の構成例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the structural example of the load current detector which comprises the control part shown in FIG. 図1に示す制御部を構成する負荷電流検出器の他の構成例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the other structural example of the load current detector which comprises the control part shown in FIG. 図1に示す制御部を構成する電圧降下成分作成器の構成例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the structural example of the voltage drop component preparation device which comprises the control part shown in FIG. 図1に示す制御部を構成する電圧指令値作成器の構成例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the structural example of the voltage command value preparation device which comprises the control part shown in FIG. 軽負荷時及び重負荷時における電圧指令値作成器でのベクトル和を示すベクトル図である。It is a vector diagram which shows the vector sum in the voltage command value preparation machine at the time of light load and heavy load. 交流電圧指令位相と駆動周波数指令値の時間変化を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the time change of an alternating voltage command phase and a drive frequency command value. 図1に示すリニアモータ駆動装置を構成する電力変換回路の構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example of the power converter circuit which comprises the linear motor drive device shown in FIG. 本発明の他の実施例に係る実施例2の密閉型圧縮機の縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view of the hermetic compressor of Example 2 which concerns on the other Example of this invention. 実施例2のリニアモータシステムの全体概略構成図である。It is a whole schematic block diagram of the linear motor system of Example 2. 図23に示す制御部を構成する負荷電流検出器の構成例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the structural example of the load current detector which comprises the control part shown in FIG. 図23に示す制御部を構成する電圧降下成分作成器の構成例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the structural example of the voltage drop component preparation device which comprises the control part shown in FIG. 図23に示す制御部を構成する電圧指令値作成器の構成例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the structural example of the voltage command value preparation device which comprises the control part shown in FIG. 本発明の他の実施例に係る実施例3のエアサスペンションシステムの回路図である。It is a circuit diagram of the air suspension system of Example 3 which concerns on the other Example of this invention. 図27に示すエアサスペンションシステムを搭載した車両の概略図である。It is the schematic of the vehicle carrying the air suspension system shown in FIG. 負荷電流検出器の構成例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the structural example of a load current detector.

以下、添付の図面を参照しつつ本発明の実施例を詳細に説明する。同様の構成要素には同様の符号を付し、重複する説明を省略する。
本発明の各種の構成要素は、必ずしも個々に独立した存在である必要はなく、複数の構成要素が一個の部材として形成されていること、一つの構成要素が複数の部材で形成されていること、或る構成要素が他の構成要素の一部であること、或る構成要素の一部と他の構成要素の一部とが重複していること、等を許容する。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Similar components are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.
The various components of the present invention do not necessarily have to be independent of each other. A plurality of components are formed as a single member, and a single component is formed of a plurality of members. It is allowed that a certain component is a part of another component, a part of a certain component overlaps a part of another component, and the like.

本実施例では、説明の便宜上、互いに直交する前後方向、左右方向、及び上下方向という語を用いるが、重力方向は必ずしも下方向に平行である必要はなく、前後方向、左右方向、上下方向又はそれ以外の方向に平行にすることができる。   In this embodiment, for convenience of explanation, the terms front-rear direction, left-right direction, and up-down direction that are orthogonal to each other are used, but the gravitational direction is not necessarily parallel to the lower direction. It can be parallel to other directions.

<リニアモータシステム100>
図1は、本発明の一実施例に係る実施例1のリニアモータシステムの全体概略構成図である。リニアモータシステム100は、リニアモータ駆動装置101及びリニアモータ104から構成される。後述するようにリニアモータ104は、相対移動する電機子9及び可動子6を有する。
リニアモータ駆動装置101は、電流検出器107、制御部102、及び電力変換回路105を有する。
本実施例では、可動子6が鉛直方向に移動するが、電機子9及び可動子6(界磁子)が相対移動すれば良く、電機子9が鉛直方向に移動する態様でも良い。なお、以下では、可動子6が鉛直方向に往復運動する場合を一例として説明するが、往復運動の方向は鉛直方向に限られるものではない。例えば、可動子6が水平方向に往復運動するよう構成しても良く、また、鉛直方向に対し任意の角度を有する方向に可動子6が往復運動する構成としても良い。また、これらは、電機子9につても同様である。
制御部102は、電流検出器107の検出結果に応じて、電力変換回路105への出力電圧指令値、又は電力変換回路105を駆動するドライブ信号(パルス信号)を出力する。制御部102の詳細は後述する。
詳細は後述するが、電力変換回路105は、直流電圧源120(図21)の電圧を変換して交流電圧を出力する電力変換部の一例である。なお、直流電圧源120に代えて直流電流源を用いても良い。
<Linear motor system 100>
FIG. 1 is an overall schematic configuration diagram of a linear motor system according to a first embodiment of the present invention. The linear motor system 100 includes a linear motor driving device 101 and a linear motor 104. As will be described later, the linear motor 104 has an armature 9 and a mover 6 that move relative to each other.
The linear motor driving apparatus 101 includes a current detector 107, a control unit 102, and a power conversion circuit 105.
In this embodiment, the mover 6 moves in the vertical direction, but the armature 9 and the mover 6 (field element) may move relative to each other, and the armature 9 may move in the vertical direction. In the following, the case where the movable element 6 reciprocates in the vertical direction will be described as an example, but the direction of reciprocation is not limited to the vertical direction. For example, the movable element 6 may be configured to reciprocate in the horizontal direction, or the movable element 6 may be configured to reciprocate in a direction having an arbitrary angle with respect to the vertical direction. The same applies to the armature 9.
The control unit 102 outputs an output voltage command value to the power conversion circuit 105 or a drive signal (pulse signal) for driving the power conversion circuit 105 according to the detection result of the current detector 107. Details of the control unit 102 will be described later.
Although details will be described later, the power conversion circuit 105 is an example of a power conversion unit that converts the voltage of the DC voltage source 120 (FIG. 21) and outputs an AC voltage. Note that a DC current source may be used instead of the DC voltage source 120.

<リニアモータ104>
図2はリニアモータ104の斜視図(電機子の構成例の斜視図)である。本実施例のリニアモータ104は、電機子9に対して、永久磁石2(2a,2b)が並んだ方向(前後方向)に相対移動可能な可動子6を有する。電機子9は空隙を介して上下方向に対向する2つの磁極7と、磁極7に捲回された巻線8とを有している。可動子6は、この空隙に配置されている。磁極7は、可動子6に対向する端面としての磁極歯70(ティースとも称される)を有している。
電機子9は、可動子6に対して前後方向の力(以下、推力と称する)を付与できる。例えば、後述するように、可動子6が前後方向に往復運動するように推力を制御できる。
可動子6は、上下方向に磁化した2つの平板状の永久磁石2(2a,2b)を有している。後側の永久磁石2a及び前側の永久磁石2bは、互いに反対方向に磁化されている。本実施例では、後側の永久磁石2aは上側にN極を有し、前側の永久磁石2bは上側にS極を有している。図2では、永久磁石2a,2bは図示しているが、可動子6は図示していない。可動子6としては、例えば、平板状の永久磁石2を固定した平板状のものを採用できる。
制御部102は、可動子6を永久磁石2a,2bが電機子9に対向する範囲で往復運動させるようにドライブ信号を出力する。
<Linear motor 104>
FIG. 2 is a perspective view of the linear motor 104 (a perspective view of a configuration example of the armature). The linear motor 104 of the present embodiment has a mover 6 that can move relative to the armature 9 in the direction (front-rear direction) in which the permanent magnets 2 (2a, 2b) are arranged. The armature 9 has two magnetic poles 7 that face each other in the vertical direction through a gap, and a winding 8 wound around the magnetic pole 7. The mover 6 is disposed in this gap. The magnetic pole 7 has magnetic pole teeth 70 (also referred to as teeth) as end faces facing the mover 6.
The armature 9 can apply a force in the front-rear direction (hereinafter referred to as thrust) to the mover 6. For example, as will be described later, the thrust can be controlled so that the mover 6 reciprocates in the front-rear direction.
The mover 6 includes two flat permanent magnets 2 (2a, 2b) magnetized in the vertical direction. The rear permanent magnet 2a and the front permanent magnet 2b are magnetized in opposite directions. In this embodiment, the rear permanent magnet 2a has an N pole on the upper side, and the front permanent magnet 2b has an S pole on the upper side. In FIG. 2, the permanent magnets 2a and 2b are shown, but the mover 6 is not shown. As the mover 6, for example, a flat plate with a flat permanent magnet 2 fixed can be adopted.
The control unit 102 outputs a drive signal so that the mover 6 reciprocates in a range where the permanent magnets 2 a and 2 b face the armature 9.

図3は、図2のA−A’線に沿った平面での断面図である(A―A’断面矢視図)。図3に示すように、磁極7及びヨーク7eは、例えば鉄などの磁性体で一体的に形成され、磁気回路を構成している。図3の矢印線は、2つの巻線8に電流を流したときの磁束線の一例を示している。磁束の流れの向きは、巻線8に流れる電流の向きにより逆方向になり得るため、図に示す限りではない。この磁束線により、磁極歯70が磁化される。   FIG. 3 is a cross-sectional view taken along the line A-A ′ of FIG. 2 (A-A ′ cross-sectional view). As shown in FIG. 3, the magnetic pole 7 and the yoke 7e are integrally formed of a magnetic material such as iron to constitute a magnetic circuit. The arrow lines in FIG. 3 show an example of magnetic flux lines when current is passed through the two windings 8. The direction of the flow of magnetic flux is not limited to that shown in the figure because it can be reversed depending on the direction of the current flowing through the winding 8. The magnetic pole teeth 70 are magnetized by the magnetic flux lines.

[可動子6に付与する推力]
図4は磁極歯70の磁化により、可動子6が受ける推力を説明する図である。巻線8に流れる電流により生じる磁極歯70の極性を、図中の磁極歯70近傍に付した「N」、「S」で表している。また、図4において白抜き矢印は巻線8を流れる電流の向きを示している。図4の左図は、巻線8を流れる電流により、上側の磁極歯70aが「S」、下部の磁極歯70bが「N」に磁化されることにより、可動子6が前方向に力を受け、可動子6が前に移動した例を示している。図4の右図は、巻線8を流れる電流により、上部の磁極歯70aが「N」、下部の磁極歯70bが「S」に磁化されることにより、可動子6が後ろ方向に力を受け、可動子6が後ろに移動した例を示している。
[Thrust applied to the mover 6]
FIG. 4 is a diagram for explaining the thrust received by the mover 6 due to the magnetization of the magnetic pole teeth 70. The polarities of the magnetic pole teeth 70 generated by the current flowing in the winding 8 are represented by “N” and “S” attached in the vicinity of the magnetic pole teeth 70 in the drawing. Further, in FIG. 4, the white arrow indicates the direction of the current flowing through the winding 8. The left diagram of FIG. 4 shows that the upper magnetic pole tooth 70a is magnetized to “S” and the lower magnetic pole tooth 70b is magnetized to “N” by the current flowing through the winding 8, so that the movable element 6 exerts a force in the forward direction. An example is shown in which the mover 6 has moved forward. The right diagram in FIG. 4 shows that the upper magnetic pole tooth 70a is magnetized to “N” and the lower magnetic pole tooth 70b is magnetized to “S” by the current flowing through the winding 8, so that the movable element 6 exerts a force in the backward direction. In this example, the mover 6 is moved backward.

このように、巻線8に電圧や電流を印加することで、2つの磁極7を含む磁気回路に磁束を供給して、対向する2つの磁極歯70(磁極歯組)を磁化できる。電圧や電流として、例えば正弦波や矩形波(方形波)といった交流の電圧や電流を与えることで、可動子6を往復運動させる推力を与えることができる。これにより可動子6の運動を制御できる。   In this way, by applying a voltage or current to the winding 8, magnetic flux is supplied to the magnetic circuit including the two magnetic poles 7, and the two opposing magnetic pole teeth 70 (magnetic pole teeth set) can be magnetized. By applying an alternating voltage or current such as a sine wave or rectangular wave (square wave) as the voltage or current, a thrust for reciprocating the mover 6 can be applied. Thereby, the movement of the mover 6 can be controlled.

なお、可動子6に付与する推力は、印加する交流電流や交流電圧の振幅を変更することで変えられる。また、可動子6に付与する推力を既知の方法を用いて適切に変更することで、可動子6の変位を所望に変えられる。ここで、可動子6が往復運動(例えば、図4の左図及び右図のような磁極歯70の磁化を順次繰り返すことで可動子6に生じる運動)をする場合、交流波形的に変化する可動子6の変位の変化量をストロークと呼ぶ。
磁極歯70は磁性体であるため、永久磁石2を吸引する磁気吸引力が作用する。本実施例では可動子6を挟むよう間隙を介して2つの磁極歯70を対向配置しているため、可動子6に作用する磁気吸引力の合力を低減できる。
Note that the thrust applied to the mover 6 can be changed by changing the amplitude of the applied alternating current or alternating voltage. Moreover, the displacement of the mover 6 can be changed as desired by appropriately changing the thrust applied to the mover 6 using a known method. Here, when the mover 6 reciprocates (for example, a movement that occurs in the mover 6 by sequentially repeating the magnetization of the magnetic pole teeth 70 as shown in the left and right diagrams of FIG. 4), it changes in an alternating waveform. The amount of change in the displacement of the mover 6 is called a stroke.
Since the magnetic pole teeth 70 are magnetic bodies, a magnetic attractive force that attracts the permanent magnet 2 acts. In the present embodiment, since the two magnetic pole teeth 70 are opposed to each other with a gap so as to sandwich the mover 6, the resultant magnetic attraction force acting on the mover 6 can be reduced.

[可動子6外部の機構]
図5は、可動子6に接続される外部機構の説明図であり、例えば、コイルバネである共振バネ23(アシストバネ)によって構成される外部機構を可動子6の一端に接続し、そのバネ力により可動子6が戻される機構を説明する図である。共振バネ23は、一端が中間部24を介して可動子6に接続し、他端が基部25に固定されている。また、共振バネ23の延在方向と略平行に延在し、共振バネ23を案内又は支持する側部26が設けられている。リニアモータ104を往復運動させる場合、可動子6の運動方向が変わる度に、加速と減速を繰り返す。減速時は、可動子6の速度エネルギーが電気エネルギーに変換される(回生動作)が、リニアモータ104への配線の抵抗によって損失が生じる。一方、図5のように、可動子6に共振バネ23(アシストバネ)を付加し、可動子6の質量とバネ定数から決まる機械的な共振周波数で、可動子6を往復運動させる場合、可動子6の速度エネルギーを有効活用でき、高効率なリニアモータ駆動システムを構成することができる。共振バネ23に代えて、例えば、板バネ、或は、適度なヤング率を有しコイルバネを用いた場合と同様に伸縮するゴム等の弾性体を用いても良い。このように構成すると、可動子6(界磁子6)が鉛直方向に移動する可動子(界磁子)移動型として構成されるが、可動子6に代えて電機子9に弾性体を接続して電機子9を鉛直方向に移動させる電機子移動型として構成しても良い。
[Mechanism outside the mover 6]
FIG. 5 is an explanatory diagram of an external mechanism connected to the mover 6. For example, an external mechanism constituted by a resonance spring 23 (assist spring) that is a coil spring is connected to one end of the mover 6, and its spring force It is a figure explaining the mechanism in which the needle | mover 6 is returned by FIG. One end of the resonance spring 23 is connected to the mover 6 via the intermediate portion 24, and the other end is fixed to the base portion 25. Further, a side portion 26 that extends substantially parallel to the extending direction of the resonance spring 23 and guides or supports the resonance spring 23 is provided. When the linear motor 104 is reciprocated, acceleration and deceleration are repeated each time the moving direction of the mover 6 changes. During deceleration, the velocity energy of the mover 6 is converted into electrical energy (regenerative operation), but loss occurs due to the resistance of the wiring to the linear motor 104. On the other hand, as shown in FIG. 5, when a resonance spring 23 (assist spring) is added to the mover 6 and the mover 6 is reciprocated at a mechanical resonance frequency determined from the mass of the mover 6 and the spring constant, the mover 6 is movable. The speed energy of the child 6 can be effectively used, and a highly efficient linear motor drive system can be configured. Instead of the resonance spring 23, for example, a leaf spring or an elastic body such as rubber having an appropriate Young's modulus and expanding and contracting similarly to the case of using a coil spring may be used. With this configuration, the movable element 6 (field element 6) is configured as a movable element (field element) moving type that moves in the vertical direction, but an elastic body is connected to the armature 9 instead of the movable element 6. The armature 9 may be configured as an armature moving type that moves the armature 9 in the vertical direction.

図6は、駆動周波数とストロークの関係の説明図であり、交流電圧の駆動周波数を横軸に、可動子6のストロークを縦軸にとり、これらの関係を示す図である。各駆動周波数における交流電圧の振幅は同一である。図6から分かるように、共振周波数付近で可動子6のストロークが急峻に大きくなり、共振周波数から離れるとストロークが小さくなる特性を示す。共振周波数は、共振バネ23のバネ定数kを可動子6の質量mで除した値の平方根で与えられるが、リニアモータ104の系によっては、この値は近似値となる。
このように、共振周波数又はこの近傍の駆動周波数の交流電圧を印加することで、大きなストローク(大きなエネルギー)で振動させることができる。つまり、可動子6に共振バネ23等の弾性体を付加したリニアモータ104を制御する場合には、可動子6の共振周波数を検出あるいは推定することが重要である。可動子6のストロークを所望に制御する場合においても可動子6の共振周波数を検出あるいは推定することが重要である。
FIG. 6 is an explanatory diagram of the relationship between the driving frequency and the stroke, and shows the relationship between the driving frequency of the AC voltage on the horizontal axis and the stroke of the mover 6 on the vertical axis. The amplitude of the AC voltage at each drive frequency is the same. As can be seen from FIG. 6, the stroke of the mover 6 increases sharply near the resonance frequency, and the stroke decreases as the distance from the resonance frequency decreases. The resonance frequency is given by the square root of the value obtained by dividing the spring constant k of the resonance spring 23 by the mass m of the mover 6, but this value is an approximate value depending on the system of the linear motor 104.
Thus, by applying an AC voltage having a resonance frequency or a driving frequency in the vicinity of the resonance frequency, it is possible to vibrate with a large stroke (large energy). That is, when controlling the linear motor 104 in which an elastic body such as the resonance spring 23 is added to the mover 6, it is important to detect or estimate the resonance frequency of the mover 6. Even when the stroke of the mover 6 is controlled as desired, it is important to detect or estimate the resonance frequency of the mover 6.

[駆動時の位相関係]
図7は、可動子の位置と可動子の速度との位相関係、及び印加電圧とモータ電流の位相関係の説明図である。リニアモータ104を駆動した際の、図7の上図に可動子6の位置と速度の時間変化、図7の下図に印加電圧波形とリニアモータ104に流れる電流の時間変化の関係を示している。なお、図7の上図と下図は、同じタイミングの波形である。図8は、図7の交流波形をベクトルとして示した図である。共振バネ23を有する外部機構を接続した可動子6を往復運動させると、可動子6の変位は正弦波状に変化する。可動子6の速度は変位の時間微分であるため、余弦波状に変化する。そのため、これらは直交2軸上にベクトルとして示すことができる。図7および図8より、可動子6の速度、印加電圧、およびモータ電流はほぼ同位相であることがわかる。
また、可動子6に共振バネ23を付加し、可動子6の質量とバネ定数から定まる機械的な共振周波数で可動子6を往復運動させる場合、可動子6の位置の位相は、巻線8への印加電圧Vm、モータ電流Im、及び可動子6の速度の位相それぞれに対して90度の位相差となることが知られている。すなわち、これらの何れかの関係が成立している時は、共振周波数で駆動していると推定できる。
[Phase relationship during driving]
FIG. 7 is an explanatory diagram of the phase relationship between the position of the mover and the speed of the mover, and the phase relationship between the applied voltage and the motor current. When the linear motor 104 is driven, the upper diagram of FIG. 7 shows the time variation of the position and speed of the mover 6, and the lower diagram of FIG. 7 shows the relationship between the applied voltage waveform and the time variation of the current flowing through the linear motor 104. . Note that the upper diagram and the lower diagram in FIG. 7 are waveforms at the same timing. FIG. 8 is a diagram showing the AC waveform of FIG. 7 as a vector. When the mover 6 connected to an external mechanism having the resonance spring 23 is reciprocated, the displacement of the mover 6 changes in a sine wave shape. Since the speed of the mover 6 is a time derivative of the displacement, it changes in a cosine wave shape. Therefore, they can be shown as vectors on two orthogonal axes. 7 and 8, it can be seen that the speed of the mover 6, the applied voltage, and the motor current are substantially in phase.
When the resonance spring 23 is added to the mover 6 and the mover 6 is reciprocated at a mechanical resonance frequency determined from the mass of the mover 6 and the spring constant, the phase of the position of the mover 6 is the winding 8. It is known that there is a phase difference of 90 degrees with respect to each of the applied voltage Vm, the motor current Im, and the phase of the speed of the mover 6. That is, when any of these relationships is established, it can be estimated that the drive is performed at the resonance frequency.

リニアモータ104の巻線抵抗や巻線インダクタンスの値、あるいは可動子6に付加された負荷要素によっては、巻線8への印加電圧Vm、モータ電流Im、及び可動子6の速度の位相関係は必ずしも90度の位相差とは限らないため、条件によって変更する制御部を備えることが望ましい。この時、特に、負荷の変動に起因するモータ電流Imの変化を考慮するのが望ましい。
製造バラつきによって可動子6の質量が想定からずれている場合や、可動子6に付加された負荷要素によって、共振バネ23に接続される質量が変化する場合は、共振周波数が変化してしまう。また、可動子6に付加された負荷要素が位置依存性を有する場合においては、駆動中に共振周波数が変化してしまう。このような場合においても所望のストロークを得るためには、条件によって変化する共振周波数を高精度に検出あるいは推定することが好ましい。以下、共振周波数の検出又は推定方法、駆動周波数の制御、および巻線8に印加する電圧や電流の制御について説明する。
Depending on the value of the winding resistance and winding inductance of the linear motor 104 or the load element added to the mover 6, the phase relationship among the voltage Vm applied to the winding 8, the motor current Im, and the speed of the mover 6 is Since the phase difference is not necessarily 90 degrees, it is desirable to include a control unit that changes according to conditions. At this time, in particular, it is desirable to take into account a change in the motor current Im caused by a load variation.
When the mass of the mover 6 deviates from the assumption due to manufacturing variations, or when the mass connected to the resonance spring 23 changes due to the load element added to the mover 6, the resonance frequency changes. In addition, when the load element added to the mover 6 has position dependency, the resonance frequency changes during driving. Even in such a case, in order to obtain a desired stroke, it is preferable to detect or estimate a resonance frequency that varies depending on conditions with high accuracy. Hereinafter, a method for detecting or estimating the resonance frequency, control of the drive frequency, and control of the voltage and current applied to the winding 8 will be described.

<制御部102>
図1に示すように、制御部102は、位相差検出器130、位相差検出器130の出力である位相差推定値dltθ^(以下、単に位相差と称する)が位相差指令値dltθに追従するように駆動周波数指令値ωを調整する駆動周波数調整器131、積分器140、負荷電流検出器136、誘起電圧成分を作成する誘起電圧成分作成器135、電圧降下成分を作成する電圧降下成分作成器137、電圧指令値Vmを出力する電圧指令値作成器103、及び、電圧指令値Vmと三角波キャリア信号を比較して、電圧を出力する電力変換回路105を駆動するドライブ信号を出力するPWM信号作成器134から構成される。
<Control unit 102>
As shown in FIG. 1, the control unit 102 uses a phase difference detector 130 and a phase difference estimated value dltθ ^ (hereinafter simply referred to as a phase difference) that is an output of the phase difference detector 130 as a phase difference command value dltθ * . A drive frequency adjuster 131 that adjusts the drive frequency command value ω * to follow, an integrator 140, a load current detector 136, an induced voltage component creator 135 that creates an induced voltage component, and a voltage drop that creates a voltage drop component component generator 137, the voltage command value generator 103 outputs a voltage command value Vm *, and, by comparing the voltage command value Vm * and the triangular wave carrier signal, a drive signal for driving the power conversion circuit 105 which outputs a voltage The output PWM signal generator 134 is configured.

制御部102は、電流検出器107によるモータ電流Imを入力する。モータ電流Imは交流波形である。制御部102に入力されたモータ電流Imは、制御部102を構成する位相差検出器130及び負荷電流検出器136に入力される。位相差検出器130は、詳細後述する位相指令値である基準位相θとモータ電流Imの位相差dltθ^を出力する。位相差検出器130より出力される位相差dltθ^は駆動周波数調整器131に入力される。駆動周波数調整器131は、入力された位相差dltθ^に基づき周波数指令値ωを出力する。周波数指令値ωに基づく印加電圧Vmが、リニアモータ104へ出力される。 The control unit 102 inputs the motor current Im from the current detector 107. The motor current Im is an AC waveform. The motor current Im input to the control unit 102 is input to the phase difference detector 130 and the load current detector 136 that constitute the control unit 102. The phase difference detector 130 outputs a reference phase θ * that is a phase command value, which will be described in detail later, and a phase difference dltθ ^ of the motor current Im. The phase difference dltθ ^ output from the phase difference detector 130 is input to the drive frequency adjuster 131. The drive frequency adjuster 131 outputs a frequency command value ω * based on the input phase difference dltθ ^. An applied voltage Vm based on the frequency command value ω * is output to the linear motor 104.

可動子6の質量や共振バネ23のバネ定数が想定からずれている場合、共振周波数が想定値から変化してしまうが、その影響は巻線8への印加電圧Vm、モータ電流Im、及び可動子6の速度の位相関係から見て取れるため、これらの位相関係を基に制御することで、高効率なリニアモータシステムを構成することができる。可動子6に付加された負荷要素が位置依存性を有する場合においても、巻線8への印加電圧Vm、モータ電流Im、及び可動子6の速度の位相関係を基に制御することで、高効率なリニアモータシステムを構成することができる。
以下、制御部102を構成する上述の各部の構成或いは動作について説明する。
When the mass of the mover 6 and the spring constant of the resonance spring 23 deviate from the assumption, the resonance frequency changes from the assumed value, but the influences are the applied voltage Vm to the winding 8, the motor current Im, and the movement. Since it can be seen from the phase relationship of the speed of the child 6, by controlling based on these phase relationships, a highly efficient linear motor system can be configured. Even when the load element added to the mover 6 has a position dependency, the control is performed based on the phase relationship among the voltage Vm applied to the winding 8, the motor current Im, and the speed of the mover 6. An efficient linear motor system can be configured.
Hereinafter, the configuration or operation of each of the above-described units constituting the control unit 102 will be described.

<基準位相作成器>
本実施例の位相指令値である基準位相θは、図1の駆動周波数調整器131の出力である駆動周波数指令値ωを基準位相作成器としての積分器140で積分することで得る。すなわち、基準位相θは、印加電圧Vm(θ)の目標周波数に相当する駆動周波数指令値ωを持つ波動の各時刻の位相θである。このように、本実施例では基準位相θとして駆動周波数調整器131の駆動周波数指令値ωを用いているが、例えば可動子6を含む振動体の機械共振周波数に固定しても良い。
基準位相θは、駆動周波数指令値ωが一定の間は、例えば、各時刻に対して[−π,π]、[0,2π]、又はこれより広い範囲を値域とする、のこぎり波としたり、時刻に対して線形に増加するようにしても良い。後述するように駆動周波数指令値ωが変動した場合は、これに応じてのこぎり波や線形な増加の形状が変動する(傾きが変化する)。
<Reference phase generator>
The reference phase θ *, which is the phase command value of the present embodiment, is obtained by integrating the drive frequency command value ω * , which is the output of the drive frequency adjuster 131 in FIG. 1, with the integrator 140 as a reference phase generator. That is, the reference phase theta * applied voltage Vm (θ *) is the phase theta * at each time of the wave having a driving frequency command value omega * corresponding to the target frequency. Thus, reference the phase theta * as is used driving frequency command value of the drive frequency regulator 131 omega *, for example, may be fixed to the mechanical resonance frequency of the vibration body including the movable member 6 in the present embodiment.
While the drive frequency command value ω * is constant, the reference phase θ * is, for example, a sawtooth wave having a range of [−π, π], [0, 2π] or a wider range for each time. Or may increase linearly with respect to time. As will be described later, when the drive frequency command value ω * changes, the sawtooth wave and the linear increase shape change accordingly (the inclination changes).

<位相差検出器130>
可動子6が往復運動している場合、可動子6の位置xm及び速度、モータ電流Imは周期関数となる。周期関数はフーリエ級数で表せるため、フーリエ変換式を用いて可動子6の位置xmを表すと、次式(1)のように定義できる。
<Phase difference detector 130>
When the mover 6 is reciprocating, the position xm, speed, and motor current Im of the mover 6 are periodic functions. Since the periodic function can be expressed by a Fourier series, if the position xm of the movable element 6 is expressed using a Fourier transform equation, it can be defined as the following equation (1).

Figure 2019017176
Figure 2019017176

ここで、xは直流オフセット値、aおよびbはn次のフーリエ係数であり、次式(2)及び式(3)で求められる。 Here, x 0 is the DC offset value, a n and b n are the Fourier coefficients of the order n is obtained by the following formula (2) and (3).

Figure 2019017176
Figure 2019017176

Figure 2019017176
Figure 2019017176

ここで、Tは基本波の周期(可動子6の往復運動する周期)、つまり1次周波数(駆動周波数)の逆数である。可動子6に共振バネ23が付加された、いわゆるバネマス系においては、可動子6の質量とバネ定数から決まる機械的な共振周波数が支配的な成分となる。そのため、基本波に注目すれば良い。 Here, T 0 is the period of the fundamental wave (period in which the movable element 6 reciprocates), that is, the reciprocal of the primary frequency (drive frequency). In a so-called spring mass system in which a resonance spring 23 is added to the mover 6, the mechanical resonance frequency determined from the mass of the mover 6 and the spring constant is the dominant component. Therefore, attention should be paid to the fundamental wave.

可動子6を共振周波数で駆動させようと制御する場合、高次成分は重要ではなく、1次成分、つまり駆動周波数成分に注目すれば良い。特に、可動子6の位置xmの1次周波数成分(駆動周波数成分)の位相が重要である。1次のフーリエ係数の逆正接により、正弦波状の印加電圧Vmに対する可動子6の位置xmを次式(4)で求めることができる。   When controlling to drive the mover 6 at the resonance frequency, the high-order component is not important, and attention should be paid to the primary component, that is, the drive frequency component. In particular, the phase of the primary frequency component (drive frequency component) at the position xm of the mover 6 is important. The position xm of the movable element 6 with respect to the sinusoidal applied voltage Vm can be obtained by the following equation (4) by the arc tangent of the first-order Fourier coefficient.

Figure 2019017176
Figure 2019017176

式(4)では、積分範囲は、−2π〜0となっている。これは、位相差検出器130をマイコンやDSP(Digital Signal Processor)等の半導体集積回路等で実現する場合に、過去の情報しか取得できないためである。   In Expression (4), the integration range is −2π to 0. This is because when the phase difference detector 130 is realized by a semiconductor integrated circuit such as a microcomputer or a DSP (Digital Signal Processor), only past information can be acquired.

上述の式(1)〜式(4)では、基準位相θに対する可動子6の位置xmの位相を算出しているが、同様にモータ電流Imを用いることにより、次式(5)に示すように基準位相θに対するモータ電流Imの位相を算出できる。 In the above formulas (1) to (4), the phase of the position xm of the mover 6 with respect to the reference phase θ * is calculated. Similarly, by using the motor current Im, the following formula (5) is obtained. Thus, the phase of the motor current Im with respect to the reference phase θ * can be calculated.

Figure 2019017176
Figure 2019017176

図9は、図1に示す制御部102を構成する位相差検出器130の構成例を示す説明図であって、式(5)をブロック図で示した場合の説明図である。入力値の正弦を出力する正弦演算器81及び入力値の余弦を出力する余弦演算器82のそれぞれに、位相指令値である基準位相θを入力し、基準位相θ(位相指令値)に対する正弦及び余弦を得る。正弦及び余弦それぞれをモータ電流Imと乗算した値が乗算器92から出力される。その出力をそれぞれ積分器94a,94bで積分すると、正弦及び余弦それぞれの1次のフーリエ係数を得る。すなわち、フーリエ展開の駆動周波数ωより高次の周波数成分を消去できるので、高次のノイズに対してロバストに構成できる。
積分器94a,94bの出力を逆正接器86に入力する。逆正接器86は、入力された正弦及び余弦成分を基に逆正接値を出力する。本実施例の逆正接器86は、分子を積分器94aの出力、分母を積分器94bの出力とした位相の逆正接値を出力するが、分子と分母を逆にした値を出力しても良い。
FIG. 9 is an explanatory diagram illustrating a configuration example of the phase difference detector 130 included in the control unit 102 illustrated in FIG. 1, and is an explanatory diagram when Expression (5) is illustrated in a block diagram. A reference phase θ * that is a phase command value is input to each of the sine calculator 81 that outputs the sine of the input value and the cosine calculator 82 that outputs the cosine of the input value, and the reference phase θ * (phase command value) is output. Get the sine and cosine. A value obtained by multiplying each of the sine and cosine by the motor current Im is output from the multiplier 92. When the outputs are integrated by integrators 94a and 94b, first-order Fourier coefficients of sine and cosine are obtained. That is, since higher-order frequency components can be eliminated from the drive frequency ω of the Fourier expansion, it can be configured robustly against higher-order noise.
The outputs of the integrators 94 a and 94 b are input to the arc tangent device 86. The arc tangent device 86 outputs an arc tangent value based on the input sine and cosine components. The arc tangent unit 86 of this embodiment outputs an arc tangent value of the phase with the numerator as the output of the integrator 94a and the denominator as the output of the integrator 94b, but even if a value obtained by reversing the numerator and denominator is output. good.

図10は、駆動周波数と位相差検出器130からの出力の関係の説明図である。すなわち、交流電圧の駆動周波数(横軸)と、逆正接器86の出力値(位相差dltθ^(θpos^))(縦軸)の関係を示す図である。図10から分かるように、本実施例では、駆動周波数が共振周波数である場合、0°が逆正接器86から出力される。逆正接器86から出力される値は、駆動周波数が共振周波数より高い場合は0°より大きく、駆動周波数が共振周波数より低い場合は、0°より小さい。これにより、基準位相θに対する位相差検出器130への入力交流信号(本実施例では、モータ電流Im)の1次周波数成分の基準位相θに対する位相差dltθ^を求めることができ、共振周波数の推定が可能になる。そして例えば、位相差dltθ^が0°超の場合は、位相差dltθ^が低下するように制御し、0°未満の場合は、増加するように制御すれば良い。基準位相θと基本周波数ωとが同値となるときの位相差dltθ^を目標値dltθとして制御することが好ましい。 FIG. 10 is an explanatory diagram of the relationship between the drive frequency and the output from the phase difference detector 130. That is, it is a diagram showing the relationship between the drive frequency (horizontal axis) of the AC voltage and the output value (phase difference dltθ ^ (θpos ^)) (vertical axis) of the arctangent 86. As can be seen from FIG. 10, in this embodiment, when the drive frequency is the resonance frequency, 0 ° is output from the arc tangent device 86. The value output from the arc tangent device 86 is greater than 0 ° when the drive frequency is higher than the resonance frequency, and less than 0 ° when the drive frequency is lower than the resonance frequency. Thus, (in this embodiment, the motor current Im) input AC signal to the phase difference detector 130 with respect to the reference phase theta * can obtain the phase difference Dltshita ^ of primary frequency components of the reference phase theta *, resonance The frequency can be estimated. For example, when the phase difference dltθ ^ is greater than 0 °, the phase difference dltθ ^ is controlled to decrease, and when the phase difference dltθ ^ is less than 0 °, it may be controlled to increase. It is preferable to control the phase difference dltθ ^ when the reference phase θ * and the fundamental frequency ω have the same value as the target value dltθ * .

なお、積分器94a、94bに代えて、不完全積分器を用いることができる。不完全積分器はローパスフィルタ(低域通過フィルタ)の一種で、1次遅れフィルタと同様の構成にできる。もちろん、1次遅れフィルタに限らず、2次遅れフィルタ等、他の既知の構成でローパスフィルタを構成しても良い。その他、不完全積分器に代えて、又は追加して、積分器94a,94b(又は不完全積分器)より前段に、ハイパスフィルタ(図示せず)を設けることができる。ハイパスフィルタの遮断周波数としては、例えば10Hz又は5Hz以下にすることができる。   An incomplete integrator can be used in place of the integrators 94a and 94b. The incomplete integrator is a kind of low-pass filter (low-pass filter) and can be configured similarly to the first-order lag filter. Of course, the low-pass filter may be configured with other known configurations such as a secondary delay filter, not limited to the primary delay filter. In addition, instead of or in addition to the incomplete integrator, a high-pass filter (not shown) can be provided before the integrators 94a and 94b (or the incomplete integrator). The cutoff frequency of the high pass filter can be set to 10 Hz or 5 Hz or less, for example.

このように、位相差検出器130は、駆動周波数成分の1次のフーリエ係数の比の逆正接を用い、交流電圧指令値Vに対するモータ電流Imの位相θを求めるとき、位相差検出器130への入力交流信号であるモータ電流Imの1次周波数成分のみに大きな感度を有する。つまり、例えば、モータ電流Imに、直流オフセットや高次のノイズが重畳された場合においても、基準位相θに対する位相差検出器130への入力交流信号であるモータ電流Imの1次周波数成分の位相dltθをより正確に求められる。また、ハイパスフィルタを上記のように設ける場合は、さらに駆動周波数ωより小さな周波数に対してもロバストに構成できる。
したがって、モータ電流Imの検出方法として、ノイズが重畳され易いシステム、例えばインダクタンスの可動子位置依存性が大きいシステムや、近傍に別の機器が存在するシステムを採用する場合に、特に有効な制御を実現できる。このように、高精度に共振周波数を検出あるいは推定し、高効率なリニアモータ駆動を実現することができる。
Thus, when the phase difference detector 130 obtains the phase θ of the motor current Im with respect to the AC voltage command value V * using the arctangent of the ratio of the first-order Fourier coefficient of the drive frequency component, the phase difference detector 130 is obtained. Only the primary frequency component of the motor current Im, which is an AC signal input to the motor, has a large sensitivity. That is, for example, even when a DC offset or higher-order noise is superimposed on the motor current Im, the primary frequency component of the motor current Im that is an AC signal input to the phase difference detector 130 with respect to the reference phase θ * . The phase dltθ can be obtained more accurately. In addition, when the high-pass filter is provided as described above, it can be configured to be robust even at a frequency smaller than the drive frequency ω.
Therefore, as a method for detecting the motor current Im, particularly effective control is adopted when a system in which noise is easily superimposed, for example, a system in which the inductance position of the inductance is large or a system in which another device exists in the vicinity is adopted. realizable. In this way, it is possible to detect or estimate the resonance frequency with high accuracy and to realize highly efficient linear motor driving.

<駆動周波数調整器131>
図11は、図1に示す制御部102を構成する駆動周波数調整器131の構成例を示す説明図である。駆動周波数調整器131は、位相差指令値dltθ(例えば、0°)と位相差検出器130で求めた位相差dltθ^の差を減算器91で求め、これに乗算器92bで比例ゲインKp_adtrを乗じて比例制御した演算結果と、乗算器92cで積分ゲインKi_adtrを乗じ、その結果を積分器94cで積分する積分制御した演算結果とを加算器90で加算し、当該加算結果に更に周波数指令初期値(ω)を加算することで駆動周波数指令値ωを出力する。
なお、周波数指令初期値(ω)は、上位の制御器(図示せず)から得ても良いし、予め例えば0°と設定しても良い。また、本実施例の駆動周波数調整器131は、比例積分制御の構成であるが、比例制御や積分制御など、他の制御構成も適用できる。
<Drive frequency adjuster 131>
FIG. 11 is an explanatory diagram illustrating a configuration example of the drive frequency adjuster 131 included in the control unit 102 illustrated in FIG. The drive frequency adjuster 131 obtains the difference between the phase difference command value dltθ * (for example, 0 °) and the phase difference dltθ ^ obtained by the phase difference detector 130 by the subtractor 91, and the multiplier 92b supplies the difference to the proportional gain Kp_adtr. Is multiplied by the integration gain Ki_adtr by the multiplier 92c, and the result of integration control by which the result is integrated by the integrator 94c is added by the adder 90, and a frequency command is further added to the addition result. The drive frequency command value ω * is output by adding the initial value (ω 0 ).
The frequency command initial value (ω 0 ) may be obtained from a host controller (not shown) or may be set in advance, for example, 0 °. Further, the drive frequency adjuster 131 of the present embodiment has a configuration of proportional integral control, but other control configurations such as proportional control and integral control can also be applied.

[高効率駆動の実現]
リニアモータ104を可動子6の質量とバネ定数から定まる機械的な共振周波数で駆動する場合の位相差検出器130と駆動周波数調整器131の動作を説明する。
例えば、可動子6の質量が設計値よりも重かった場合、実際の共振周波数は、設計値よりも低くなる。つまり、可動子6の質量設計値を用いて駆動周波数の初期値を決めた場合(設計値を利用して駆動周波数指令値ωの初期値を決めた場合)には、実際の共振周波数よりも高い周波数で駆動することになる。この時、位相差検出器130で求めた位相差dltθ^は、位相差指令値dltθよりも大きい値となる。そのため、駆動周波数調整器131は、駆動周波数指令値ωを減少させる制御を実行し、その結果、駆動周波数指令値ωが実際の共振周波数に一致する。したがって、可動子6の速度エネルギーを有効活用でき、高効率にリニアモータ104を駆動することができる。
[Realization of high-efficiency drive]
The operation of the phase difference detector 130 and the drive frequency adjuster 131 when the linear motor 104 is driven at a mechanical resonance frequency determined from the mass of the mover 6 and the spring constant will be described.
For example, when the mass of the mover 6 is heavier than the design value, the actual resonance frequency is lower than the design value. That is, when the initial value of the drive frequency is determined using the mass design value of the mover 6 (when the initial value of the drive frequency command value ω * is determined using the design value), the actual resonance frequency is used. Drive at a high frequency. At this time, the phase difference dltθ ^ obtained by the phase difference detector 130 is larger than the phase difference command value dltθ * . Therefore, the drive frequency adjuster 131 executes control to decrease the drive frequency command value ω *, and as a result, the drive frequency command value ω * matches the actual resonance frequency. Therefore, the velocity energy of the mover 6 can be effectively used, and the linear motor 104 can be driven with high efficiency.

<誘起電圧成分作成器135>
図12は、図1に示す制御部102を構成する誘起電圧成分作成器135の構成例を示す説明図である。誘起電圧成分作成器135は、可動子6の速度に応じて生じる誘起電圧に相当する電圧指令値Vm1 を生成する。
図12の上図は、ストローク制御器を構成しない、いわゆるオープン指令型の構成例である。誘起電圧成分作成器135は、上位の制御器(図示せず)などから得るストローク指令値lと、駆動周波数調整器131の出力である駆動周波数指令値ωを基準位相作成器としての積分器140で積分することで得られる基準位相θを入力する。
入力値の余弦を出力する余弦演算器82bに基準位相θを入力し、その余弦出力と、ストローク指令値lと、基準位相θとを乗算器92dにて乗算し、速度指令値vmを得る。速度指令値vmに、乗算器92eにて誘起電圧定数Keを乗じ、誘起電圧に相当する電圧指令値(Vm1 )を生成する。
<Induced voltage component generator 135>
FIG. 12 is an explanatory diagram illustrating a configuration example of the induced voltage component generator 135 that configures the control unit 102 illustrated in FIG. 1. The induced voltage component generator 135 generates a voltage command value V m1 * corresponding to the induced voltage generated according to the speed of the mover 6.
The upper diagram in FIG. 12 is a so-called open command type configuration example that does not constitute a stroke controller. The induced voltage component generator 135 integrates a stroke command value l * obtained from a higher-level controller (not shown) and the like and a drive frequency command value ω * output from the drive frequency adjuster 131 as a reference phase generator. The reference phase θ * obtained by integration by the device 140 is input.
The reference phase θ * is input to the cosine calculator 82b that outputs the cosine of the input value, and the cosine output, the stroke command value l *, and the reference phase θ * are multiplied by the multiplier 92d to obtain the speed command value vm. Get * . The speed command value vm * is multiplied by an induced voltage constant Ke * by a multiplier 92e to generate a voltage command value (V m1 * ) corresponding to the induced voltage.

速度指令値vmは、可動子6の位置の指令値xmの微分から求めることもでき、図12の構成の基となる演算式を次式(6)に示す。 The speed command value vm * can also be obtained from the differentiation of the command value xm * of the position of the mover 6, and the arithmetic expression that is the basis of the configuration of FIG.

Figure 2019017176
Figure 2019017176

速度指令値vmは、ストローク指令値lを振幅とした正弦波で表すことができる。正弦波を時間微分すると余弦波になるため、図12の上図に示す構成とすると微分演算を省略することができ、制御部102への実装が容易になる。 The speed command value vm * can be expressed as a sine wave having the stroke command value l * as an amplitude. When the sine wave is differentiated with respect to time, it becomes a cosine wave. Therefore, if the configuration shown in the upper diagram of FIG. 12 is used, the differentiation operation can be omitted, and mounting on the control unit 102 becomes easy.

図12の下図は、ストローク制御器を構成する、いわゆるクローズ指令型の構成例である。誘起電圧成分作成器135aは、既知の位置センサによるストローク検出値、またはストローク推定値をフィードバックし、ストローク制御器153でストローク指令値を制御する。   The lower diagram of FIG. 12 is a configuration example of a so-called close command type constituting the stroke controller. The induced voltage component generator 135a feeds back a stroke detection value or a stroke estimation value by a known position sensor, and the stroke controller 153 controls the stroke command value.

<ストローク制御器153>
図13は、図12の下図に示す誘起電圧成分作成器135aを構成するストローク制御器153の構成例を示す説明図である。図13に示すように、ストローク制御器153は、ストローク指令値lと、ストローク検出値またはストローク推定値との差を減算器91aで求め、これに乗算器92dで比例ゲインKp_astrを乗じて比例制御した演算結果と、乗算器92eで積分ゲインKi_astrを乗じ、その結果を積分器94dで積分する積分制御した演算結果とを加算器90aで加算し、調整後のストローク指令値l**を出力する。本実施例のストローク制御器153は比例積分制御の構成であるが、比例制御や積分制御など、他の制御構成も適用できる。
<Stroke controller 153>
FIG. 13 is an explanatory diagram showing a configuration example of the stroke controller 153 constituting the induced voltage component generator 135a shown in the lower diagram of FIG. As shown in FIG. 13, the stroke controller 153 obtains the difference between the stroke command value l * and the detected stroke value or the estimated stroke value by a subtractor 91a, and multiplies it by a proportional gain Kp_astr by a multiplier 92d. The controlled operation result is multiplied by the integral gain Ki_astr by the multiplier 92e, and the result of integration control by integrating the result by the integrator 94d is added by the adder 90a, and the adjusted stroke command value l ** is output. To do. Although the stroke controller 153 of this embodiment has a configuration of proportional-integral control, other control configurations such as proportional control and integral control can be applied.

なお、位置推定をする場合は、リニアモータ104に印加する電圧Vmと、リニアモータ104に流れる電流Imを利用して、例えば次式(7)で位置推定値xm^を求める。   In the case of estimating the position, for example, the position estimated value xm ^ is obtained by the following equation (7) using the voltage Vm applied to the linear motor 104 and the current Im flowing through the linear motor 104.

Figure 2019017176
Figure 2019017176

式(7)中、Vmはリニアモータ104に印加する電圧指令値Vmである。 In Expression (7), Vm * is a voltage command value Vm * applied to the linear motor 104.

図14は、位置推定部の構成例を示す説明図であって、式(7)をブロック図で示した場合の説明図である。図14に示すように、位置推定部308は、電圧指令値Vm及びモータ電流Imを入力し、モータ電流Imにリニアモータ104の巻線抵抗値Rmを乗じた結果を電圧指令値Vmより減じて、この減じた結果を積分器にて演算した結果を得る。また、モータ電流Imにリニアモータ104の巻線インダクタンス値Lmを乗じた結果を得て、上記積分器にて演算した結果より減じて、この減じた結果を誘起電圧定数Keにて除することで位置推定値xm^を出力する。なお、位置推定部308には、上記以外にも既知の同期式モータの位置推定方法を適用することができる。位置推定値xm^を基にストロークを演算し、図13に示すトローク検出器153に入力すれば、所望のストロークに制御することができる。 FIG. 14 is an explanatory diagram illustrating a configuration example of the position estimation unit, and is an explanatory diagram when Expression (7) is illustrated in a block diagram. As shown in FIG. 14, the position estimation unit 308 inputs the voltage command value Vm * and the motor current Im, and multiplies the motor current Im by the winding resistance value Rm * of the linear motor 104 to obtain the voltage command value Vm *. Further, the result obtained by calculating the reduced result by the integrator is obtained. Further, a result obtained by multiplying the motor current Im by the winding inductance value Lm * of the linear motor 104 is obtained and subtracted from the result calculated by the integrator, and this reduced result is divided by the induced voltage constant Ke * . As a result, the estimated position value xm ^ is output. In addition to the above, a known synchronous motor position estimation method can be applied to the position estimation unit 308. If a stroke is calculated based on the position estimated value xm ^ and input to the trolley detector 153 shown in FIG. 13, it can be controlled to a desired stroke.

<負荷電流検出器136>
図15は、図1に示す制御部102を構成する負荷電流検出器136の構成例を示す説明図である。本実施例の負荷電流検出器136は、フーリエ変換式を用いて負荷電流成分の振幅を抽出する。
負荷電流検出器136は、図9に示した位相差検出器130の構成と同様に、入力値の正弦を出力する正弦演算器81と、入力値の余弦を出力する余弦演算器82のそれぞれに、位相指令値である基準位相θを入力し、基準位相θに対する正弦及び余弦を得る。正弦及び余弦それぞれをモータ電流Imと乗算した値が乗算器92からそれぞれ出力される。その出力をそれぞれ積分器94e,94fで積分すると、正弦及び余弦それぞれの1次のフーリエ係数を得る。すなわち、フーリエ展開の駆動周波数ωより高次の周波数成分を消去できるので、高次のノイズに対してロバストに構成できる。
<Load current detector 136>
FIG. 15 is an explanatory diagram showing a configuration example of the load current detector 136 constituting the control unit 102 shown in FIG. The load current detector 136 of the present embodiment extracts the amplitude of the load current component using a Fourier transform equation.
Similarly to the configuration of the phase difference detector 130 shown in FIG. 9, the load current detector 136 includes a sine calculator 81 that outputs the sine of the input value and a cosine calculator 82 that outputs the cosine of the input value. The reference phase θ * , which is a phase command value, is input to obtain the sine and cosine for the reference phase θ * . A value obtained by multiplying each of the sine and cosine by the motor current Im is output from the multiplier 92. When the outputs are integrated by integrators 94e and 94f, respectively, first-order Fourier coefficients of sine and cosine are obtained. That is, since higher-order frequency components can be eliminated from the drive frequency ω of the Fourier expansion, it can be configured robustly against higher-order noise.

積分器94e,94fの出力を二乗し、平方根演算器96に入力する。すなわち、正弦及び余弦それぞれの1次のフーリエ係数となる、正弦成分及び余弦成分の二乗和平方根を得て、基本波電流の振幅を得る。負荷の増加に伴い、基本波電流の振幅も増加するため、図15の構成により、負荷電流Im_ldを検出することができる。   The outputs of the integrators 94e and 94f are squared and input to the square root calculator 96. That is, the square root sum of squares of the sine component and the cosine component, which are the first order Fourier coefficients of the sine and cosine, is obtained, and the amplitude of the fundamental current is obtained. As the load increases, the amplitude of the fundamental wave current also increases, so that the load current Im_ld can be detected with the configuration of FIG.

図16は、図1に示す制御部102を構成する負荷電流検出器の他の構成例を示す説明図である。負荷電流検出器136bは、入力値の余弦を出力する余弦演算器82に位相指令値である基準位相θを入力し、基準位相θに対する余弦を得る。得られた余弦とモータ電流Imを乗算器92にて乗算することで、モータ電流Imの基本周波数のcos成分(Im_cos)を抽出する。次に、モータ電流Imの基本周波数のcos成分(Im_cos)を一次遅れフィルタ141でローパスフィルタ(低域通過フィルタ)処理し、負荷電流Im_ldとして出力する。
なお、図16には1次遅れフィルタの構成例を示したが、1次遅れフィルタに限らず、2次遅れフィルタ等、他の既知の構成でローパスフィルタを構成しても良い。
FIG. 16 is an explanatory diagram illustrating another configuration example of the load current detector that configures the control unit 102 illustrated in FIG. 1. The load current detector 136b inputs the reference phase θ * that is the phase command value to the cosine calculator 82 that outputs the cosine of the input value, and obtains the cosine with respect to the reference phase θ * . By multiplying the obtained cosine and the motor current Im by the multiplier 92, a cos component (Im_cos) of the fundamental frequency of the motor current Im is extracted. Next, the cos component (Im_cos) of the fundamental frequency of the motor current Im is low-pass filtered (low-pass filter) processed by the first-order lag filter 141, and is output as the load current Im_ld.
In addition, although the structural example of the primary delay filter was shown in FIG. 16, you may comprise a low-pass filter not only with a primary delay filter but with other known structures, such as a secondary delay filter.

図7および図8で示したように、可動子の位置を正弦波とすると、負荷電流は余弦成分が支配的になる。そのため、図16の構成は抽出した余弦成分を、フィルタ処理をすることで、負荷電流を検出することができる。図16の構成とした場合、演算負荷低減に有効である。   As shown in FIGS. 7 and 8, when the position of the mover is a sine wave, the cosine component is dominant in the load current. Therefore, the configuration of FIG. 16 can detect the load current by filtering the extracted cosine component. In the case of the configuration of FIG. 16, it is effective for reducing the calculation load.

<電圧降下成分作成器137>
図17は、図1に示す制御部102を構成する電圧降下成分作成器137の構成例を示す説明図である。電圧降下成分作成器137は、負荷電流検出器136で検出した負荷電流Im_ldと、基準位相θとを入力し、リニアモータ104の抵抗及びインダクタンスによる電圧降下分に相当する電圧指令値(Vm2 )を出力する。
<Voltage drop component generator 137>
FIG. 17 is an explanatory diagram illustrating a configuration example of the voltage drop component generator 137 configuring the control unit 102 illustrated in FIG. 1. The voltage drop component generator 137 receives the load current Im_ld detected by the load current detector 136 and the reference phase θ *, and a voltage command value (V m2) corresponding to the voltage drop due to the resistance and inductance of the linear motor 104. * ) Is output.

負荷電流Im_ldに、予め設定あるいは推定した抵抗値Rmとインダクタンス値Lmを乗算器92で乗ずる。次に、負荷電流Im_ldと抵抗値Rmを乗じた値に、入力値である基準位相θの余弦を出力する余弦演算器82の出力を乗じ、負荷電流Im_ldとインダクタンス値Lmを乗算器92にて乗じた値に、入力値である基準位相θの負の正弦を出力する正弦演算器81aの出力を乗じる。更に、これらを加算器90で足し合わせ、電圧降下分に相当する電圧指令値(Vm2 )として出力する。 The load current Im_ld is multiplied by a preset value or estimated resistance value Rm * and inductance value Lm * by a multiplier 92. Next, the value obtained by multiplying the load current Im_ld and the resistance value Rm * is multiplied by the output of the cosine calculator 82 that outputs the cosine of the reference phase θ * as the input value, and the load current Im_ld and the inductance value Lm * are multiplied. The value multiplied at 92 is multiplied by the output of the sine calculator 81a that outputs the negative sine of the reference phase θ * as the input value. Further, these are added by an adder 90 and output as a voltage command value (V m2 * ) corresponding to the voltage drop.

<電圧指令値作成器103>
図18は、図1に示す制御部102を構成する電圧指令値作成器103の構成例を示す説明図である。図18に示すように、電圧指令値作成器103は、誘起電圧成分作成器135から入力される誘起電圧に相当する電圧指令値(Vm1 )と、電圧降下成分作成器137から入力される電圧降下分に相当する電圧指令値(Vm2 )とを加算器90で加算して、交流電圧指令値(V )として出力する。入力する2つの電圧指令値(Vm1 及びVm2 )はどちらも交流波形となるため、電圧指令値作成器103ではベクトル和(ベクトル加算)を出力しているのと等価である。
電圧指令値作成器103は電圧位相算出器138を有し、出力する交流電圧指令値V の位相である交流電圧指令位相θVm を出力する。
<Voltage command value generator 103>
FIG. 18 is an explanatory diagram illustrating a configuration example of the voltage command value generator 103 that configures the control unit 102 illustrated in FIG. 1. As shown in FIG. 18, the voltage command value generator 103 receives a voltage command value (V m1 * ) corresponding to the induced voltage input from the induced voltage component generator 135 and the voltage drop component generator 137. The voltage command value (V m2 * ) corresponding to the voltage drop is added by the adder 90 and output as an AC voltage command value (V m * ). Since the two voltage command values (V m1 * and V m2 * ) to be input are both AC waveforms, the voltage command value generator 103 is equivalent to outputting a vector sum (vector addition).
The voltage command value generator 103 has a voltage phase calculator 138 and outputs an AC voltage command phase θ Vm * which is a phase of the output AC voltage command value V m * .

図19は、軽負荷時及び重負荷時における電圧指令値作成器でのベクトル和を示すベクトル図であり、電圧指令値作成器103でのベクトル加算をベクトル図で示した説明図である。図19の左図は軽負荷時、すなわち負荷電流が小さい時のベクトル図で、図19の右図は重負荷時、すなわち負荷電流が大きい時のベクトル図である。図19の左図及び右図とも、ストローク指令値は同じ値のため、誘起電圧に相当する電圧指令値(Vm1 )は、同じベクトルとなっている。なお、図19の左図及び右図において、反時計回りを正としている。
このように、誘起電圧に相当する電圧指令値(Vm1 )に対し、抵抗及びインダクタンスによる電圧降下分に相当する電圧指令値(Vm2 )をベクトル加算することで、負荷電流に応じて電圧指令値Vmの振幅が増加すると共に、交流電圧指令位相(θVm*)の分、位相が進んだ、単相の交流電圧指令値V が出力される。つまり、可動子6のストロークが同じ、換言すれば、速度指令値が同じでも、負荷条件に応じて電圧指令値V を適切に制御する。
FIG. 19 is a vector diagram showing a vector sum in the voltage command value generator at the time of light load and heavy load, and is an explanatory diagram showing vector addition in the voltage command value generator 103 as a vector diagram. The left diagram of FIG. 19 is a vector diagram when the load is light, that is, when the load current is small, and the right diagram of FIG. 19 is a vector diagram when the load is heavy, that is, when the load current is large. Since the stroke command value is the same value in both the left diagram and the right diagram in FIG. 19, the voltage command value (V m1 * ) corresponding to the induced voltage is the same vector. In the left and right diagrams of FIG. 19, the counterclockwise direction is positive.
In this way, the voltage command value (V m2 * ) corresponding to the voltage drop due to the resistance and inductance is added to the voltage command value (V m1 * ) corresponding to the induced voltage in accordance with the load current. the amplitude of the voltage command value Vm * is increased, minute AC voltage command phase (theta Vm *), the phase advances, the AC voltage command value of the single-phase V m * is output. That is, the voltage command value V m * is appropriately controlled according to the load condition even when the stroke of the mover 6 is the same, in other words, even when the speed command value is the same.

ストローク指令値l、位相指令値θ、速度指令値vmのいずれかを変更することにより、リニアモータ104に印加する電圧Vmを調整することができる。そのため、印加電圧の振幅及び周波数を調整することで、駆動周波数を共振周波数に制御することやストロークを制御することが可能となる。 The voltage Vm * applied to the linear motor 104 can be adjusted by changing any one of the stroke command value l * , the phase command value θ * , and the speed command value vm * . Therefore, by adjusting the amplitude and frequency of the applied voltage, it is possible to control the drive frequency to the resonance frequency and to control the stroke.

<電圧位相算出器138>
電圧位相算出器138は、例えば、逆正接演算器などを用いて、交流電圧指令位相(θVm )を出力する。電圧位相の定義は種々あるが、本実施例では、図19に示すように、正弦波状に変化する可動子位置(図19の水平軸)から90度反時計方向に回転した垂直軸(図19の垂直軸)を基準とした位相とする。
すなわち、無負荷状態では交流電圧指令位相(θVm )はゼロ近傍となり、重負荷状態では正値の値となる。
<Voltage phase calculator 138>
The voltage phase calculator 138 outputs the AC voltage command phase (θ Vm * ) using, for example, an arctangent calculator. Although there are various definitions of the voltage phase, in this embodiment, as shown in FIG. 19, the vertical axis (FIG. 19) rotated 90 degrees counterclockwise from the mover position (horizontal axis in FIG. 19) changing in a sine wave shape. The vertical axis is the phase relative to the vertical axis.
That is, the AC voltage command phase (θ Vm * ) is near zero in the no-load state, and is a positive value in the heavy load state.

[位相差指令値の与え方]
駆動周波数調整器131の構成を説明する際において、簡略化のために位相差指令値dltθを、例えば、0°としたが、本実施例は図1に示す通り、電圧指令値作成器103の出力である交流電圧指令位相(θV )を位相差指令値dltθとして、駆動周波数調整器131に入力する。
仮に、電圧指令値作成器103で電圧降下分に相当する電圧指令値(Vm2 )に相当する電圧指令値をベクトル加算したのに関わらず、位相差指令値dltθを0°に固定した場合、減駆動周波数調整器131を構成する減算器91(図11)で求める位相差指令値dltθと位相差検出器130で求めた位相差dltθ^の差は、負値となり、駆動周波数調整器131は、駆動周波数指令値ω*を増加させる制御を実行する。その結果、可動子6の質量とバネ定数から決まる機械的な共振周波数よりも高い周波数で収束してしまう。
[How to give the phase difference command value]
In describing the configuration of the drive frequency adjuster 131, the phase difference command value dltθ * is set to, for example, 0 ° for the sake of simplicity. In this embodiment, as shown in FIG. It is the output AC voltage command phase (.theta.V m *) as a phase difference command value dltθ *, and inputs the driving frequency adjuster 131.
Even if the voltage command value corresponding to the voltage drop (V m2 * ) is vector-added by the voltage command value generator 103, the phase difference command value dltθ * is fixed to 0 °. In this case, the difference between the phase difference command value dltθ * obtained by the subtractor 91 (FIG. 11) constituting the reduction drive frequency adjuster 131 and the phase difference dltθ ^ obtained by the phase difference detector 130 becomes a negative value, and the drive frequency adjustment The device 131 executes control for increasing the drive frequency command value ω *. As a result, convergence occurs at a frequency higher than the mechanical resonance frequency determined from the mass of the mover 6 and the spring constant.

一方、本実施例の通り、電圧指令値作成器103の出力である交流電圧指令位相(θV )の負値を位相差指令値dltθとして、駆動周波数調整器131に入力した場合、ベクトル加算の結果、進んだ電圧位相を考慮するため、駆動周波数調整器131は、駆動周波数指令値ωを増加させる制御は実行されず、可動子6の質量とバネ定数から決まる機械的な共振周波数で収束する。 On the other hand, as in this embodiment, when the negative value of the AC voltage command phase (θV m * ) that is the output of the voltage command value generator 103 is input to the drive frequency adjuster 131 as the phase difference command value dltθ * , the vector As a result of the addition, the drive frequency adjuster 131 is not controlled to increase the drive frequency command value ω * in order to consider the advanced voltage phase, and is a mechanical resonance frequency determined from the mass of the mover 6 and the spring constant. To converge.

これにより、負荷の変化(負荷電流)に応じて電圧指令値V の振幅が増加すると共に、交流電圧指令位相(θV )の分、位相が進んでも、駆動周波数が共振周波数よりも高く制御されること無く、幅広い負荷条件においても高効率で駆動することが可能になる。
なお、図18では、電圧位相算出器138の出力に、乗算器92で−1を乗じているが、電圧位相の定義によっては不要である。
As a result, the amplitude of the voltage command value V m * increases in accordance with the load change (load current), and even if the phase advances by the AC voltage command phase (θV m * ), the drive frequency is higher than the resonance frequency. Without being highly controlled, it is possible to drive with high efficiency even under a wide range of load conditions.
In FIG. 18, the output of the voltage phase calculator 138 is multiplied by −1 by the multiplier 92, but this is not necessary depending on the definition of the voltage phase.

[負荷への追従性]
図20は、交流電圧指令位相と駆動周波数指令値の時間変化を示す説明図であり、時間的に負荷が変わっていった時の交流電圧指令位相(θV )と駆動周波数指令値の変化を説明する図である。図20の交流電圧指令位相(θV )は、正弦波状に変化する可動子位置(図19の水平軸)から90度反時計方向に回転した垂直軸(図19の垂直軸)を基準とした位相として示している。
このように、リニアモータ104が駆動中に、負荷がL1→L2→L3と変化(L2>L1>L3)するのに応じて、交流電圧指令位相と駆動周波数指令値がそれぞれθ1→θ2→θ3(θ2>θ1>θ3)とf1→f2→f3(f2>f1>f3)のように変化する。
[Followability to load]
FIG. 20 is an explanatory diagram showing temporal changes in the AC voltage command phase and the drive frequency command value. Changes in the AC voltage command phase (θV m * ) and the drive frequency command value when the load changes with time. FIG. The AC voltage command phase (θV m * ) in FIG. 20 is based on a vertical axis (vertical axis in FIG. 19) rotated 90 degrees counterclockwise from a mover position (horizontal axis in FIG. 19) that changes in a sine wave shape. Is shown as a phase.
As described above, the AC voltage command phase and the drive frequency command value are respectively θ1 → θ2 → θ3 as the load changes from L1 → L2 → L3 (L2>L1> L3) while the linear motor 104 is driven. (Θ2>θ1> θ3) and f1 → f2 → f3 (f2>f1> f3).

<PWM信号作成器134>
図1に示す制御部102を構成するPWM信号作成器134には、三角波のキャリア信号と電圧指令値Vmを比較することによる既知のパルス幅変調を用い、電圧指令値Vmに応じたドライブ信号が生成され、生成されたドライブ信号は電力変換回路105へ出力される。
<PWM signal generator 134>
The PWM signal generator 134 constituting the control unit 102 shown in FIG. 1 uses a known pulse width modulation by comparing the triangular wave carrier signal and the voltage command value Vm *, and drives according to the voltage command value Vm *. A signal is generated, and the generated drive signal is output to the power conversion circuit 105.

<電力変換回路105>
図21は、図1に示すリニアモータ駆動装置101を構成する電力変換回路105の構成例を示す図である。フルブリッジ回路126は、制御部102により入力されたドライブ信号に応じて直流電圧源120をスイッチングして、リニアモータ104に電圧を出力する。フルブリッジ回路126は4つのスイッチング素子122を備えており、直列接続されたスイッチング素子122a,122bを持つ第一上下アーム(以下、U相と称する)と、スイッチング素子122c,122dを持つ第二上下アーム(以下、V相と称する)と、を構成している。スイッチング素子122は、制御部102で生成される電圧指令値Vmやパルス幅変調によるドライブ信号を基に、ゲートドライバ回路123が出力するパルス状のゲート信号(124a〜124d)に応じてスイッチング動作できる。
スイッチング素子122の導通状態(オン/オフ)を制御することにより、直流電圧源120の直流電圧を交流電圧に相当する電圧を巻線8に出力できる。なお、直流電圧源120に代えて直流電流源を用いても良い。スイッチング素子122としては、例えば、IGBTやMOS−FETなどの半導体スイッチング素子を採用できる。
<Power conversion circuit 105>
FIG. 21 is a diagram illustrating a configuration example of the power conversion circuit 105 included in the linear motor driving apparatus 101 illustrated in FIG. The full bridge circuit 126 switches the DC voltage source 120 according to the drive signal input by the control unit 102 and outputs a voltage to the linear motor 104. The full bridge circuit 126 includes four switching elements 122, a first upper and lower arm (hereinafter referred to as U phase) having switching elements 122a and 122b connected in series, and a second upper and lower arm having switching elements 122c and 122d. And an arm (hereinafter referred to as a V phase). The switching element 122 performs a switching operation according to the pulsed gate signals (124a to 124d) output from the gate driver circuit 123 based on the voltage command value Vm * generated by the control unit 102 and a drive signal by pulse width modulation. it can.
By controlling the conduction state (ON / OFF) of the switching element 122, a voltage corresponding to the AC voltage of the DC voltage source 120 can be output to the winding 8. Note that a DC current source may be used instead of the DC voltage source 120. As the switching element 122, for example, a semiconductor switching element such as IGBT or MOS-FET can be employed.

[リニアモータ104との結線]
電力変換回路105の第一上下アームのスイッチング素子122a,122b間および第二上下アームのスイッチング素子122c,122d間それぞれが、リニアモータ104に接続されている。図21では、上側及び下側の電機子9の巻線8が並列に接続されている例を示しているが、巻線8を直列に接続することもできる。
[Connection with linear motor 104]
The linear motor 104 is connected between the switching elements 122 a and 122 b of the first upper and lower arms and between the switching elements 122 c and 122 d of the second upper and lower arms of the power conversion circuit 105. Although FIG. 21 shows an example in which the windings 8 of the upper and lower armatures 9 are connected in parallel, the windings 8 can also be connected in series.

[電流検出器107]
U相下アームとV相下アームには、例えばCT(カレントトランス)等の電流検出器107を設けることができる。これにより、リニアモータ104の巻線8に流れる電流Imを検出できる。
電流検出器107として、例えば、CTに代えて、電力変換回路105の下アームにシャント抵抗125を付加し、シャント抵抗125に流れる電流からリニアモータ104に流れる電流を検出する相シャント電流方式を採用できる。電流検出器107に代えて又は追加して、電力変換回路105の直流側に付加されたシャント抵抗125に流れる直流電流から、電力変換回路105の交流側の電流を検出するシングルシャント電流検出方式を採用しても良い。シングルシャント電流検出方式は、電力変換回路105を構成するスイッチング素子122の通電状態によって、シャント抵抗125に流れる電流が時間的に変化することを利用している。
[Current detector 107]
For example, a current detector 107 such as a CT (current transformer) can be provided on the U-phase lower arm and the V-phase lower arm. Thereby, the current Im flowing through the winding 8 of the linear motor 104 can be detected.
As the current detector 107, for example, instead of CT, a phase shunt current method is adopted in which a shunt resistor 125 is added to the lower arm of the power conversion circuit 105 and a current flowing through the linear motor 104 is detected from a current flowing through the shunt resistor 125. it can. In place of or in addition to the current detector 107, a single shunt current detection method for detecting the current on the AC side of the power conversion circuit 105 from the DC current flowing in the shunt resistor 125 added to the DC side of the power conversion circuit 105. It may be adopted. The single shunt current detection method utilizes the fact that the current flowing through the shunt resistor 125 changes with time depending on the energization state of the switching element 122 constituting the power conversion circuit 105.

以上のように、本実施例によれば、負荷の変動に応じて変化する誘起電圧を検出するセンサを要することなく、負荷を含めた機械的な共振周波数でリニアモータを高効率に駆動し得るリニアモータシステムを提供することが可能となる。具体的には、負荷に応じて電圧振幅と電圧位相を制御し、電圧位相を考慮して駆動周波数を調整することにより、負荷を含めた機械的な共振周波数でリニアモータを駆動でき、高効率なリニアモータシステムを構成することができる。   As described above, according to this embodiment, a linear motor can be driven with high efficiency at a mechanical resonance frequency including a load without requiring a sensor for detecting an induced voltage that changes in accordance with a change in load. A linear motor system can be provided. Specifically, by controlling the voltage amplitude and voltage phase according to the load and adjusting the drive frequency in consideration of the voltage phase, the linear motor can be driven at a mechanical resonance frequency including the load, resulting in high efficiency. A simple linear motor system can be configured.

本実施例の構成は、下記の点を除き実施例1と同様にできる。本実施例は、後述するリニアモータシステム200を搭載した機器の一例としての密閉型圧縮機50に関する。   The configuration of the present embodiment can be the same as that of the first embodiment except for the following points. The present embodiment relates to a hermetic compressor 50 as an example of a device on which a linear motor system 200 described later is mounted.

<密閉型圧縮機50>
図22は、本発明の他の実施例に係る実施例2の密閉型圧縮機の縦断面図であり、リニアモータ104を有する密閉型圧縮機50の縦断面図の一例である。密閉型圧縮機50は、圧縮要素20と電動要素30とが密閉容器3内に配置されたレシプロ圧縮機である。圧縮要素20及び電動要素30は支持ばね49によって密閉容器3内に弾性的に支持されている。電動要素30は、可動子6及び電機子9を含む。
圧縮要素20、はシリンダ1aを形成するシリンダブロック1と、シリンダブロック1の端面に組み立てられるシリンダヘッド16と、吐出室空間を形成するヘッドカバー17とを備えている。シリンダ1a内に供給された作動流体はピストン4の往復動によって圧縮され、圧縮された作動流体は圧縮機外部に連通する吐出管(図示せず)へと送られる。なお、作動流体は、例えば、空気や冷凍サイクルの冷媒などを採用できる。
<Sealed compressor 50>
FIG. 22 is a longitudinal sectional view of a hermetic compressor according to a second embodiment of the present invention, and is an example of a longitudinal sectional view of a hermetic compressor 50 having a linear motor 104. The hermetic compressor 50 is a reciprocating compressor in which the compression element 20 and the electric element 30 are arranged in the hermetic container 3. The compression element 20 and the electric element 30 are elastically supported in the sealed container 3 by a support spring 49. The electric element 30 includes a mover 6 and an armature 9.
The compression element 20 includes a cylinder block 1 that forms a cylinder 1a, a cylinder head 16 that is assembled to an end face of the cylinder block 1, and a head cover 17 that forms a discharge chamber space. The working fluid supplied into the cylinder 1a is compressed by the reciprocating motion of the piston 4, and the compressed working fluid is sent to a discharge pipe (not shown) communicating with the outside of the compressor. For example, air or a refrigerant of a refrigeration cycle can be adopted as the working fluid.

可動子6の一端にはピストン4が取り付けられている。本実施例では、可動子6及びピストン4が往復運動することで、作動流体を圧縮及び膨張させる。この圧縮及び膨張に要する仕事等が変動する負荷に相当する。電動要素30の片端には圧縮要素20を配置してある。シリンダブロック1は、可動子6の往復運動を案内するガイドロッドを前後方向に沿って有している。
可動子6に共振バネ23(図22中では図示せず)を付加し、可動子6の質量とバネ定数から決まる機械的な共振周波数で可動子6を往復運動させる場合、圧縮要素20による共振周波数への影響も考慮する必要がある。すなわち、圧縮要素20の吸込圧力や吐出空間の圧力によって、作動流体のバネ的な作用が加わるため、共振状態となる周波数が変化する。すなわち、シリンダ1aの圧力が高い場合には、可動子6に付加された共振バネ23のバネ定数が高いのと等価であり、共振周波数は高くなる。反対に、シリンダ1aの圧力が低い場合には、可動子6に付加された共振バネ23のバネ定数が支配的となり、共振周波数は、可動子6の質量とバネ定数から決まる機械的な共振周波数に近い。
A piston 4 is attached to one end of the mover 6. In this embodiment, the movable body 6 and the piston 4 reciprocate to compress and expand the working fluid. This corresponds to a load in which work required for compression and expansion fluctuates. A compression element 20 is disposed at one end of the electric element 30. The cylinder block 1 has a guide rod that guides the reciprocating motion of the mover 6 along the front-rear direction.
When a resonance spring 23 (not shown in FIG. 22) is added to the mover 6 and the mover 6 is reciprocated at a mechanical resonance frequency determined from the mass of the mover 6 and the spring constant, resonance by the compression element 20 is performed. It is necessary to consider the influence on the frequency. That is, since the spring action of the working fluid is applied by the suction pressure of the compression element 20 and the pressure of the discharge space, the frequency at which the resonance state is reached changes. That is, when the pressure of the cylinder 1a is high, it is equivalent to a high spring constant of the resonance spring 23 added to the mover 6, and the resonance frequency becomes high. On the contrary, when the pressure of the cylinder 1a is low, the spring constant of the resonance spring 23 added to the mover 6 becomes dominant, and the resonance frequency is a mechanical resonance frequency determined from the mass of the mover 6 and the spring constant. Close to.

このように、リニアモータ104を圧縮要素20の動力とする場合は、圧縮要素20の条件(吸込圧力、吐出圧力、吸込と吐出の圧力差等)によって共振周波数が変化してしまう。そのため、負荷や共振周波数の変化に合わせて駆動周波数を変化させることが必要である。   Thus, when the linear motor 104 is used as the power of the compression element 20, the resonance frequency changes depending on the conditions of the compression element 20 (suction pressure, discharge pressure, pressure difference between suction and discharge, etc.). Therefore, it is necessary to change the drive frequency in accordance with changes in the load and the resonance frequency.

共振周波数が変化してしまう影響は、巻線8への印加電圧Vm、モータ電流Im、及び可動子6の速度の位相関係から見て取れる。そのため、これらの位相関係を基に制御することで、高効率なリニアモータシステムを構成することができる。   The influence of the change in the resonance frequency can be seen from the phase relationship between the voltage Vm applied to the winding 8, the motor current Im, and the speed of the mover 6. Therefore, a highly efficient linear motor system can be configured by controlling based on these phase relationships.

図23は、本実施例のリニアモータシステム200の全体概略構成図である。図23に示すように、リニアモータシステム200は、上述の実施例に1におけるリニアモータシステム100と同様の構成であるが、負荷電流検出器136a、電圧降下成分を作成する電圧降下成分作成器137a、及び電圧指令値Vmを出力する電圧指令値作成器103aが異なる。以下では、これら、負荷電流検出器136a、電圧降下成分作成器137a、及び電圧指令値作成器103aについて説明する。その他の構成は上述の実施例1におけるリニアモータシステム100と同様であるため説明を省略する。 FIG. 23 is an overall schematic configuration diagram of the linear motor system 200 of the present embodiment. As shown in FIG. 23, the linear motor system 200 has the same configuration as that of the linear motor system 100 in Example 1 described above, but a load current detector 136a and a voltage drop component creator 137a that creates a voltage drop component. And the voltage command value generator 103a that outputs the voltage command value Vm * is different. Hereinafter, the load current detector 136a, the voltage drop component generator 137a, and the voltage command value generator 103a will be described. Since other configurations are the same as those of the linear motor system 100 in the first embodiment, the description thereof is omitted.

<負荷電流検出器136a>
図24は、図23に示すリニアモータシステム200の制御部202を構成する負荷電流検出器136aの構成例を示す説明図である。図24に示すように、負荷電流検出器150aは、電流検出器107よりモータ電流Imを入力すると共に位相指令値である基準位相θを入力し、モータ電流Imの基本周波数のcos成分(Im_cos)及びsin成分(Im_sin)をそれぞれ抽出して出力する。
入力値の正弦を出力する正弦演算器81と、入力値の余弦を出力する余弦演算器82のそれぞれに、位相指令値である基準位相θを入力し、基準位相θに対する正弦及び余弦を得る。正弦及び余弦それぞれをモータ電流Imと乗算した値が乗算器92からそれぞれ出力される。その出力を一次遅れフィルタ141でローパスフィルタ(低域通過フィルタ)処理し、正弦及び余弦それぞれの1次のフーリエ係数を得て、モータ電流Imの基本周波数のsin成分(Im_sin)として負荷電流Im_sin、及びモータ電流Imの基本周波数のcos成分(Im_cos)として負荷電流Im_cosを、それぞれ電圧降下成分作成器137aへ出力する。すなわち、フーリエ展開の駆動周波数ωより高次の周波数成分を消去できるので、高次のノイズに対してロバストに構成できる。図24の構成とした場合、後述するベクトル和の演算を容易化でき、制御部202への実装に望ましい。
<Load current detector 136a>
FIG. 24 is an explanatory diagram showing a configuration example of the load current detector 136a that constitutes the control unit 202 of the linear motor system 200 shown in FIG. As shown in FIG. 24, the load current detector 150a receives the motor current Im from the current detector 107 and the reference phase θ * that is a phase command value, and the cosine component (Im_cos) of the fundamental frequency of the motor current Im. ) And sin component (Im_sin) are extracted and output.
A sine calculator 81 which outputs the sine of the input value, each of the cosine calculator 82 which outputs the cosine of the input value, receives a reference phase theta * a phase command value, the sine and cosine with respect to the reference phase theta * obtain. A value obtained by multiplying each of the sine and cosine by the motor current Im is output from the multiplier 92. The output is subjected to low-pass filter (low-pass filter) processing by a first-order lag filter 141 to obtain first-order Fourier coefficients of sine and cosine, and load current Im_sin as a sin component (Im_sin) of the fundamental frequency of motor current Im, The load current Im_cos is output to the voltage drop component generator 137a as the cos component (Im_cos) of the fundamental frequency of the motor current Im. That is, since higher-order frequency components can be eliminated from the drive frequency ω of the Fourier expansion, it can be configured robustly against higher-order noise. In the case of the configuration shown in FIG. 24, calculation of a vector sum, which will be described later, can be facilitated, which is desirable for mounting on the control unit 202.

<電圧降下成分作成器137a>
図25は、図23に示すリニアモータシステム200の制御部202を構成する電圧降下成分作成器137aの構成例を示す説明図である。図25に示すように、電圧降下成分作成器137aは、負荷電流検出器136aで検出した負荷電流Im_sin及び負荷電流Im_cosを入力し、リニアモータ104の抵抗及びインダクタンスによる電圧降下分に相当する電圧指令値(Vm2 Im_sin)及び電圧降下分に相当する電圧指令値(Vm2 Im_cos)を出力する。
<Voltage drop component generator 137a>
FIG. 25 is an explanatory diagram showing a configuration example of a voltage drop component generator 137a that constitutes the control unit 202 of the linear motor system 200 shown in FIG. As shown in FIG. 25, the voltage drop component generator 137a receives the load current Im_sin and the load current Im_cos detected by the load current detector 136a, and a voltage command corresponding to the voltage drop due to the resistance and inductance of the linear motor 104. A value (V m2 * Im_sin) and a voltage command value (V m2 * Im_cos) corresponding to the voltage drop are output.

電圧降下成分作成器137aは、負荷電流Im_cosに、予め設定あるいは推定したリニアモータ104の抵抗値Rmを乗算器92にて乗じ、電圧指令値(Vm2 _cos)として電圧指令値作成器103aへ出力する。また、電圧降下成分作成器137aは、負荷電流Im_sinに、予め設定あるいは推定したリニアモータ104のインダクタンス値Lmを乗算器92にて乗じ、電圧指令値(Vm2 _sin)として電圧指令値作成器103aへ出力する。 The voltage drop component generator 137a multiplies the load current Im_cos by the preset or estimated resistance value Rm * of the linear motor 104 by the multiplier 92, and uses the voltage command value generator 103a as a voltage command value (V m2 * _cos). Output to. Further, the voltage drop component generator 137a multiplies the load current Im_sin by the inductance value Lm * of the linear motor 104 set or estimated in advance by the multiplier 92, and generates a voltage command value as a voltage command value (V m2 * _sin). To the device 103a.

<電圧指令値作成器103a>
図26は、図23に示すリニアモータシステム200の制御部202を構成する電圧指令値作成器103aの構成例を示す説明図である。図26に示すように、電圧指令値作成器103aは、誘起電圧成分作成器135より出力される可動子6の速度に応じて生じる誘起電圧に相当する電圧指令値Vm1 と、電圧降下成分作成器137aより出力される電圧指令値(Vm2 _cos)とを加算器90にて加算して出力する。このようにcos成分とsin成分に分けて加算することで、電圧指令値作成器103aではベクトル和(ベクトル加算)を出力しているのと等価である。
<Voltage command value generator 103a>
FIG. 26 is an explanatory diagram showing a configuration example of the voltage command value generator 103a that constitutes the control unit 202 of the linear motor system 200 shown in FIG. As shown in FIG. 26, the voltage command value generator 103a includes a voltage command value V m1 * corresponding to the induced voltage generated according to the speed of the mover 6 output from the induced voltage component generator 135, and a voltage drop component. The voltage command value (V m2 * _cos) output from the generator 137a is added by the adder 90 and output. Thus, by adding the cos component and the sin component separately, it is equivalent to outputting a vector sum (vector addition) in the voltage command value generator 103a.

電圧位相の定義は種々あるが、本実施例では、上述の実施例1において図19に示したように、正弦波状に変化する可動子位置(図19の水平軸)から90度反時計方向に回転した垂直軸(図19の垂直軸)を基準とした位相とする。そのため、誘起電圧成分作成器135の出力値(可動子6の速度に応じて生じる誘起電圧に相当する電圧指令値Vm1 )と、電圧降下成分作成器137aの出力である電圧指令値(Vm2 _cos)とを加算器90で加算する。 Although there are various definitions of the voltage phase, in this embodiment, as shown in FIG. 19 in the above-described first embodiment, 90 degrees counterclockwise from the mover position (horizontal axis in FIG. 19) changing in a sine wave shape. The phase is based on the rotated vertical axis (vertical axis in FIG. 19). Therefore, the output value of the induced voltage component generator 135 (voltage command value V m1 * corresponding to the induced voltage generated according to the speed of the mover 6) and the voltage command value (V) that is the output of the voltage drop component generator 137a. m2 * _cos) is added by the adder 90.

電圧指令値作成器103aは、電圧位相算出器138及び平方根演算器96を有する。平方根演算器96は、加算器90による加算結果及び電圧降下成分作成器137aから出力される電圧指令値(Vm2 _sin)の平方根を得て、交流電圧指令値(Vm)をPWM信号作成器134へ出力する。また、電圧位相算出器138は、加算器90による加算結果及び電圧降下成分作成器137aから出力される電圧指令値(Vm2 _sin)を入力し、例えば、逆正接演算器などを用いて交流電圧指令位相(θV )を駆動周波数調整器131へ出力する。 The voltage command value generator 103 a includes a voltage phase calculator 138 and a square root calculator 96. The square root calculator 96 obtains the addition result of the adder 90 and the square root of the voltage command value (V m2 * _sin) output from the voltage drop component generator 137a, and generates the AC voltage command value (Vm * ) as a PWM signal. Output to the device 134. Further, the voltage phase calculator 138 receives the addition result from the adder 90 and the voltage command value (V m2 * _sin) output from the voltage drop component generator 137a, and uses, for example, an alternating current using an arctangent calculator. The voltage command phase (θV m * ) is output to the drive frequency adjuster 131.

以上のように、本実施例によれば、密閉型圧縮機50のリニアモータ104において、負荷に応じて電圧振幅と電圧位相を制御し、電圧位相を考慮して駆動周波数を調整することにより、負荷を含めた機械的な共振周波数でリニアモータを駆動でき、高効率なリニアモータシステムを構成することができる。   As described above, according to the present embodiment, in the linear motor 104 of the hermetic compressor 50, the voltage amplitude and the voltage phase are controlled according to the load, and the drive frequency is adjusted in consideration of the voltage phase. The linear motor can be driven at a mechanical resonance frequency including the load, and a highly efficient linear motor system can be configured.

本実施例の構成は、下記の点を除き実施例1又は2と同様にできる。本実施例は、リニアモータシステム搭載した機器の一例としてのエアサスペンションシステム300に関する。
図27は本発明の他の実施例に係る実施例3のエアサスペンションシステム300の回路図であり、図28は図27に示すエアサスペンションシステム300を搭載した車両の概略図である。但し、図28においては、後述する分配点309N及びこれよりエアサスペンション301,302側の構成要素のみを図示している。
The configuration of this embodiment can be the same as that of Embodiment 1 or 2 except for the following points. The present embodiment relates to an air suspension system 300 as an example of a device equipped with a linear motor system.
27 is a circuit diagram of an air suspension system 300 according to a third embodiment of the present invention, and FIG. 28 is a schematic diagram of a vehicle equipped with the air suspension system 300 shown in FIG. However, in FIG. 28, only a distribution point 309N to be described later and components on the air suspensions 301 and 302 side are illustrated.

図27に示すように、エアサスペンションシステム300は、2つのエアサスペンション301,302、リニアモータ104を駆動源とするコンプレッサ303、吸気フィルタ304、第1タンク305、及びエアドライヤ307、並びに、弁として、3つのチェック弁308,315,317、給排切換弁310、2つのサスペンション制御弁311,312、戻り通路開閉弁314、及び排気通路開閉弁319、を有している。エアサスペンションシステム300は、空気が流通可能な通路によってこれらを接続している。   As shown in FIG. 27, the air suspension system 300 includes two air suspensions 301 and 302, a compressor 303 using a linear motor 104 as a drive source, an intake filter 304, a first tank 305, an air dryer 307, and valves. There are three check valves 308, 315, 317, a supply / discharge switching valve 310, two suspension control valves 311, 312, a return passage opening / closing valve 314, and an exhaust passage opening / closing valve 319. The air suspension system 300 connects these through a passage through which air can flow.

エアサスペンションシステム300は、図28に示すように、例えば車両400に搭載され、エアサスペンション301,302のエア室301C,302C(図27)内の空気圧の制御を行うシステムである。例えば、車両400の左車輪410L及び右車輪410Rには、これらのハブ等同士を繋ぐ車軸420が設けられている。例えば、左車輪410L及び右車輪410Rそれぞれと車体430との間や、ハブと車体430との間といった、車輪410側と車体430側との間にエアサスペンション301、302を設け、エア室301C,302C内の空気圧を制御することで、車高の調整を行える。   As shown in FIG. 28, the air suspension system 300 is mounted on a vehicle 400, for example, and controls air pressure in the air chambers 301C and 302C (FIG. 27) of the air suspensions 301 and 302. For example, the left wheel 410L and the right wheel 410R of the vehicle 400 are provided with an axle 420 that connects these hubs and the like. For example, air suspensions 301 and 302 are provided between the wheel 410 side and the vehicle body 430 side, such as between the left wheel 410L and the right wheel 410R and the vehicle body 430, or between the hub and the vehicle body 430, and the air chambers 301C, The vehicle height can be adjusted by controlling the air pressure in 302C.

エアサスペンション301,302は、図28に示すように、車輪410側の車軸420と車両400の車体430との間に取り付けられてもよく、また、車輪410と車体430とを連結するサスペンションのアーム類(車輪410側)と車体430との間や車輪410のハブ(車輪410側)とサスペンションのアッパーアームの車体430取付部近傍(車体430側)との間に取付けてもよい。このように、エアサスペンション301,302は、車輪410と車体430を支えるように設けられれば良く、例えば、上下方向について車輪410と車体430との間に設けることができ、直接、車輪410や車体430に取り付ける態様には限られない。   As shown in FIG. 28, the air suspensions 301 and 302 may be attached between the axle 420 on the wheel 410 side and the vehicle body 430 of the vehicle 400, and the suspension arm that connects the wheel 410 and the vehicle body 430. It may be mounted between the vehicle (the wheel 410 side) and the vehicle body 430 or between the hub of the wheel 410 (the wheel 410 side) and the vicinity of the vehicle body 430 mounting portion (the vehicle body 430 side) of the upper arm of the suspension. As described above, the air suspensions 301 and 302 may be provided so as to support the wheel 410 and the vehicle body 430. For example, the air suspensions 301 and 302 can be provided between the wheel 410 and the vehicle body 430 in the vertical direction. It is not restricted to the aspect attached to 430.

本実施例では、エアサスペンションを2つ有するエアサスペンションシステム300について説明するが、エアサスペンションシステム300が含むエアサスペンションの個数は1つ以上であれば特に制限されない。エアサスペンションの個数は、例えば車輪の個数に等しくすることができる。例えば4輪自動車の場合には、2つの前輪側に2個、2つの後輪側に2個の、合計4個のエアサスペンションを配設できる。なお、本実施例では、緩衝用のシリンダ301A,302Aとエアばねとなるエア室301C,302Cとを一体にした例を示したが、大型車やリヤサスペンション側で既知のように緩衝用のシリンダ(油圧緩衝器)301A,302Aとエアばねとを独立に設けてもよい。   In this embodiment, an air suspension system 300 having two air suspensions will be described. However, the number of air suspensions included in the air suspension system 300 is not particularly limited as long as it is one or more. The number of air suspensions can be made equal to the number of wheels, for example. For example, in the case of a four-wheeled vehicle, a total of four air suspensions can be provided, two on two front wheels and two on two rear wheels. In the present embodiment, an example in which the cushioning cylinders 301A and 302A and the air chambers 301C and 302C serving as air springs are integrated is shown. However, as is known on the large vehicle or rear suspension side, the cushioning cylinders are known. (Hydraulic shock absorbers) 301A, 302A and air springs may be provided independently.

図27に示すように、エアサスペンション301,302には、緩衝用のシリンダ301A,302Aそれぞれとピストンロッド301B,302Bそれぞれとの間にエア室301C,302Cが形成されており、エアばねを構成している。エア室301C,302Cそれぞれには後述する通路が接続されており、エアサスペンションシステム300の動作によって圧力及び車高が制御されている。   As shown in FIG. 27, in the air suspensions 301 and 302, air chambers 301C and 302C are formed between the buffer cylinders 301A and 302A and the piston rods 301B and 302B, respectively. ing. Each of the air chambers 301 </ b> C and 302 </ b> C is connected to a passage described later, and the pressure and the vehicle height are controlled by the operation of the air suspension system 300.

コンプレッサ303は、吸入ポート303Cから吸入した空気を圧縮して吐出ポート303Dから吐出することができる。コンプレッサ303は、コンプレッサ本体303A及びリニアモータ104から構成される。吸入ポート303Cまたは吐出ポート303D、もしくは両ポートの圧力を測定する圧力センサを設けている。   The compressor 303 can compress the air sucked from the suction port 303C and discharge the compressed air from the discharge port 303D. The compressor 303 includes a compressor main body 303A and a linear motor 104. A pressure sensor for measuring the pressure at the suction port 303C or the discharge port 303D or both ports is provided.

リニアモータ104の可動子6に共振バネ23を付加し、可動子6の質量とバネ定数から決まる機械的な共振周波数で可動子6を往復動させる場合、上述の実施例2において図22に示したように、圧縮要素20による共振周波数への影響も考慮する必要がある。すなわち、圧縮要素20の吸込圧力や吐出空間の圧力によって、作動流体のバネ的な作用が加わるため、共振状態となる周波数が変化する。つまり、シリンダ1aの圧力が高い場合には、可動子6に付加された共振バネ23のバネ定数が高いのと等価であり、共振周波数は高くなる。反対に、シリンダ1aの圧力が低い場合には、可動子6に付加された共振バネ23のバネ定数が支配的となり、共振周波数は、可動子6の質量とバネ定数から決まる機械的な共振周波数に近い。   When the resonance spring 23 is added to the mover 6 of the linear motor 104 and the mover 6 is reciprocated at a mechanical resonance frequency determined from the mass of the mover 6 and the spring constant, it is shown in FIG. As described above, it is necessary to consider the influence of the compression element 20 on the resonance frequency. That is, since the spring action of the working fluid is applied by the suction pressure of the compression element 20 and the pressure of the discharge space, the frequency at which the resonance state is reached changes. That is, when the pressure of the cylinder 1a is high, this is equivalent to a high spring constant of the resonance spring 23 added to the mover 6, and the resonance frequency becomes high. On the contrary, when the pressure of the cylinder 1a is low, the spring constant of the resonance spring 23 added to the mover 6 becomes dominant, and the resonance frequency is a mechanical resonance frequency determined from the mass of the mover 6 and the spring constant. Close to.

このように、リニアモータ104を圧縮要素の動力とする場合は、圧縮要素の条件(吸込圧力、吐出圧力、吸込と吐出の圧力差等)によって共振周波数が変化してしまう。そのため、負荷や共振周波数の変化に合わせて駆動周波数を変化させることが必要である。   Thus, when the linear motor 104 is used as the power of the compression element, the resonance frequency changes depending on the conditions of the compression element (suction pressure, discharge pressure, pressure difference between suction and discharge, etc.). Therefore, it is necessary to change the drive frequency in accordance with changes in the load and the resonance frequency.

<負荷電流検出器136b>
図29は、負荷電流検出器136bの構成例を示す図である。負荷電流検出器150bは、モータ電流Imを入力し、モータ電流Imの基本周波数のcos成分(Im_cos)とsin成分(Im_sin)をそれぞれ抽出して出力する。
<Load current detector 136b>
FIG. 29 is a diagram illustrating a configuration example of the load current detector 136b. The load current detector 150b receives the motor current Im, and extracts and outputs a cos component (Im_cos) and a sin component (Im_sin) of the fundamental frequency of the motor current Im.

入力値の正弦を出力する正弦演算器81と、入力値での余弦を出力する余弦演算器82のそれぞれに、位相指令値である基準位相θを入力し、基準位相θに対する正弦及び余弦を得る。正弦及び余弦それぞれをモータ電流Imと乗算した値が乗算器92からそれぞれ出力される。その出力を一次遅れフィルタ141aでローパスフィルタ(低域通過フィルタ)処理し、正弦及び余弦それぞれの1次のフーリエ係数を得る。すなわち、フーリエ展開の駆動周波数ωより高次の周波数成分を消去できるので、高次のノイズに対してロバストに構成できる。一次遅れフィルタ141aのフィルタ時定数(T_ld)若しくは遮断周波数は、外部から変更できるようになっている。 A sine calculator 81 which outputs the sine of the input value, each of the cosine calculator 82 which outputs the cosine of the input value, receives a reference phase theta * a phase command value, the sine and cosine with respect to the reference phase theta * Get. A value obtained by multiplying each of the sine and cosine by the motor current Im is output from the multiplier 92. The output is subjected to a low-pass filter (low-pass filter) process by a first-order lag filter 141a to obtain first-order Fourier coefficients for the sine and cosine. That is, since higher-order frequency components can be eliminated from the drive frequency ω of the Fourier expansion, it can be configured robustly against higher-order noise. The filter time constant (T_ld) or the cut-off frequency of the first-order lag filter 141a can be changed from the outside.

図29に示す負荷電流検出器136bの構成では、一次遅れフィルタ141aのフィルタ時定数(T_ld)若しくは遮断周波数は、コンプレッサ303の吸入ポート303Cまたは吐出ポート303Dの圧力に応じて、変更できるようになっている。これにより、圧力の変化によっても負荷電流検出への影響を軽減できる。   In the configuration of the load current detector 136b shown in FIG. 29, the filter time constant (T_ld) or the cutoff frequency of the first-order lag filter 141a can be changed according to the pressure of the suction port 303C or the discharge port 303D of the compressor 303. ing. Thereby, the influence on the load current detection can be reduced even by a change in pressure.

以上のように、本実施例によれば、エアサスペンションシステム300において、負荷に応じて電圧振幅と電圧位相を制御し、電圧位相を考慮して駆動周波数を調整することにより、負荷を含めた機械的な共振周波数でリニアモータを駆動でき、高効率なリニアモータシステムを構成することができる。   As described above, according to the present embodiment, in the air suspension system 300, the voltage amplitude and the voltage phase are controlled according to the load, and the drive frequency is adjusted in consideration of the voltage phase. The linear motor can be driven at a specific resonance frequency, and a highly efficient linear motor system can be configured.

本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。
また、上記の各構成、機能、処理部、処理手続き等は、それらの一部または全部を、例えば集積回路で設計する等によりハードウェアで実現しても良い。また、上記の各構成や機能等は、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行することによりソフトウェアで実現しても良い。
The present invention is not limited to the above-described embodiments, and includes various modifications. For example, the above-described embodiments have been described in detail for easy understanding of the present invention, and are not necessarily limited to those having all the configurations described.
Each of the above-described configurations, functions, processing units, processing procedures, and the like may be realized by hardware by designing a part or all of them with, for example, an integrated circuit. Each of the above-described configurations, functions, and the like may be realized by software by interpreting and executing a program that realizes each function by the processor.

実施例1乃至実施例3において、リニアモータ104を単相機として説明したが、三相機であっても本発明の構成を適用することができ、同様の効果を得られる。
電力変換回路105は、電流を出力する態様であってもよい。この場合は、電圧指令値作成器103に代えて電流指令値作成器を設ければよい。
In the first to third embodiments, the linear motor 104 has been described as a single-phase machine, but the configuration of the present invention can be applied to a three-phase machine, and similar effects can be obtained.
The power conversion circuit 105 may be configured to output current. In this case, a current command value generator may be provided instead of the voltage command value generator 103.

1…シリンダブロック
1a…シリンダ
2…永久磁石
3…密閉容器
4…ピストン
6…可動子
7…磁極
8…巻線
9…電機子
16…シリンダヘッド
17…ヘッドカバー
20…圧縮要素
23…共振バネ(アシストバネ)
30…電動要素
50…密閉型圧縮機
100,200…リニアモータシステム
101,201…リニアモータ駆動装置
102,202…制御部
103…電圧指令値作成器
104…リニアモータ
105…電力変換回路
107…電流検出器
126…フルブリッジ回路
130…位相差検出器
131…駆動周波数調整器
134…PWM信号作成器
135…誘起電圧成分作成器
136…負荷電流検出器
137…電圧降下成分作成器
140…積分器
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Cylinder block 1a ... Cylinder 2 ... Permanent magnet 3 ... Sealed container 4 ... Piston 6 ... Movable element 7 ... Magnetic pole 8 ... Winding 9 ... Armature 16 ... Cylinder head 17 ... Head cover 20 ... Compression element 23 ... Resonant spring (assist Spring)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 30 ... Electric element 50 ... Hermetic compressor 100, 200 ... Linear motor system 101, 201 ... Linear motor drive device 102, 202 ... Control part 103 ... Voltage command value generator 104 ... Linear motor 105 ... Power conversion circuit 107 ... Current Detector 126 ... Full bridge circuit 130 ... Phase difference detector 131 ... Drive frequency adjuster 134 ... PWM signal generator 135 ... Induced voltage component generator 136 ... Load current detector 137 ... Voltage drop component generator 140 ... Integrator

Claims (11)

少なくとも交流電圧が印加される巻線及び弾性体が接続する可動子を有するリニアモータを備え、
前記弾性体と前記リニアモータの負荷によって可動子の共振周波数が変動するリニアモータシステムであって、
前記交流電圧の駆動周波数が共振周波数となるよう、前記交流電圧と前記巻線に流れる電流の位相差を調整するリニアモータ駆動装置を有することを特徴とするリニアモータシステム。
A linear motor having at least a winding to which an AC voltage is applied and a mover to which an elastic body is connected;
A linear motor system in which the resonance frequency of the mover varies depending on the load of the elastic body and the linear motor,
A linear motor system comprising: a linear motor driving device that adjusts a phase difference between the AC voltage and a current flowing through the winding so that a driving frequency of the AC voltage becomes a resonance frequency.
少なくとも交流電圧が印加される巻線及び弾性体が接続する可動子を有するリニアモータを備え、
前記弾性体と前記リニアモータの負荷によって可動子の共振周波数が変動するリニアモータシステムであって、
前記負荷の増加に応じて、前記交流電圧と前記巻線に流れる電流の位相差を大きくするリニアモータ駆動装置を有することを特徴とするリニアモータシステム。
A linear motor having at least a winding to which an AC voltage is applied and a mover to which an elastic body is connected;
A linear motor system in which the resonance frequency of the mover varies depending on the load of the elastic body and the linear motor,
A linear motor system comprising a linear motor driving device that increases a phase difference between the AC voltage and a current flowing through the winding in accordance with an increase in the load.
少なくとも交流電圧が印加される巻線及び弾性体が接続する可動子を有するリニアモータを備え、
前記弾性体と前記リニアモータの負荷によって可動子の共振周波数が変動するリニアモータシステムであって、
前記巻線に流れる電流の基本波振幅を検出し、前記基本波振幅の増加に応じて、前記交流電圧と前記巻線に流れる電流の位相差を大きくするリニアモータ駆動装置を有することを特徴とするリニアモータシステム。
A linear motor having at least a winding to which an AC voltage is applied and a mover to which an elastic body is connected;
A linear motor system in which the resonance frequency of the mover varies depending on the load of the elastic body and the linear motor,
A linear motor driving device that detects a fundamental wave amplitude of a current flowing through the winding and increases a phase difference between the AC voltage and a current flowing through the winding according to an increase in the fundamental wave amplitude. Linear motor system.
請求項3に記載のリニアモータシステムにおいて、
前記リニアモータ駆動装置は、
前記基本波振幅を用いて前記巻線の抵抗及びインダクタンスの電圧降下分に相当する第1の電圧指令値を出力する電圧降下成分作成器と、
前記可動子の速度に応じて生じる誘起電圧に相当する第2の電圧指令値を出力する誘起電圧成分作成器と、
前記第1の電圧指令値及び第2の電圧指令値をベクトル加算し第3の電圧指令値を出力する電圧指令値作成器と、を備え、
前記第3の電圧指令値に相当する電圧を前記巻線に印加することを特徴とするリニアモータシステム。
The linear motor system according to claim 3,
The linear motor driving device is:
A voltage drop component generator that outputs a first voltage command value corresponding to a voltage drop of the resistance and inductance of the winding using the fundamental wave amplitude;
An induced voltage component generator that outputs a second voltage command value corresponding to the induced voltage generated according to the speed of the mover;
A voltage command value generator for adding a vector of the first voltage command value and the second voltage command value and outputting a third voltage command value;
A linear motor system, wherein a voltage corresponding to the third voltage command value is applied to the winding.
請求項3に記載のリニアモータシステムにおいて、
前記リニアモータ駆動装置は、
前記巻線に流れる基本波電流の可動子位置に直交する成分である基本波余弦成分を検出し、前記基本波余弦成分の大きさを用いて前記巻線の抵抗及びインダクタンスの電圧降下分に相当する第1の電圧指令値を出力する電圧降下成分作成器と、
前記可動子の速度に応じて生じる誘起電圧に相当する第2の電圧指令値を出力する誘起電圧成分作成器と、
前記第1の電圧指令値及び第2の電圧指令値をベクトル加算し第3の電圧指令値を出力する電圧指令値作成器と、を備え、
前記第3の電圧指令値に相当する電圧を前記巻線に印加することを特徴とするリニアモータシステム。
The linear motor system according to claim 3,
The linear motor driving device is:
A fundamental wave cosine component that is a component orthogonal to the mover position of the fundamental wave current flowing through the winding is detected, and the magnitude of the fundamental wave cosine component is used to correspond to the voltage drop of the resistance and inductance of the winding. A voltage drop component generator that outputs a first voltage command value
An induced voltage component generator that outputs a second voltage command value corresponding to the induced voltage generated according to the speed of the mover;
A voltage command value generator for adding a vector of the first voltage command value and the second voltage command value and outputting a third voltage command value;
A linear motor system, wherein a voltage corresponding to the third voltage command value is applied to the winding.
請求項4又は請求項5に記載のリニアモータシステムにおいて、
前記リニアモータ駆動装置は、
前記基本波振幅又は基本波余弦成分の大きさの低域通過フィルタ処理後の値である負荷電流を出力する負荷電流検出器を備え、
前記電圧降下成分作成器は、前記負荷電流に基づき前記第1の電圧指令値を出力することを特徴とするリニアモータシステム。
In the linear motor system according to claim 4 or 5,
The linear motor driving device is:
A load current detector that outputs a load current that is a value after low-pass filter processing of the fundamental wave amplitude or the magnitude of the fundamental cosine component;
The linear motor system, wherein the voltage drop component generator outputs the first voltage command value based on the load current.
請求項3に記載のリニアモータシステムにおいて、
前記リニアモータ駆動装置は、
前記基本波振幅を用いて前記巻線の抵抗及びインダクタンスの電圧降下分に相当する第1の電圧指令値の正弦成分及び前記第1の電圧指令値の余弦成分を出力する電圧降下成分作成器と、
前記可動子の速度に応じて生じる誘起電圧に相当する第2の電圧指令値を出力する誘起電圧成分作成器と、
前記第1の電圧指令値の余弦成分及び第2の電圧指令値をベクトル加算し第3の電圧指令値を出力すると共に、前記第1の電圧指令値の正弦成分に基づき電圧指令位相を出力する電圧指令値作成器と、を備え、
前記第3の電圧指令値及び前記電圧指令位相に相当する電圧を前記巻線に印加することを特徴とするリニアモータシステム。
The linear motor system according to claim 3,
The linear motor driving device is:
A voltage drop component generator for outputting a sine component of the first voltage command value and a cosine component of the first voltage command value corresponding to the voltage drop of the resistance and inductance of the winding using the fundamental wave amplitude; ,
An induced voltage component generator that outputs a second voltage command value corresponding to the induced voltage generated according to the speed of the mover;
The cosine component of the first voltage command value and the second voltage command value are vector-added to output a third voltage command value, and the voltage command phase is output based on the sine component of the first voltage command value. A voltage command value generator,
A linear motor system, wherein a voltage corresponding to the third voltage command value and the voltage command phase is applied to the winding.
請求項7に記載のリニアモータシステムにおいて、
前記リニアモータ駆動装置は、
前記基本波振幅又は基本波余弦成分の大きさの低域通過フィルタ処理後の値である負荷電流の正弦成分及び前記負荷電流の余弦成分を出力する負荷電流検出器を備え、
前記電圧降下成分作成器は、前記負荷電流の正弦成分及び前記負荷電流の余弦成分に基づき前記第1の電圧指令値の正弦成分及び前記第1の電圧指令値の余弦成分を出力することを特徴とするリニアモータシステム。
The linear motor system according to claim 7,
The linear motor driving device is:
A load current detector that outputs a sine component of a load current that is a value after low-pass filter processing of the magnitude of the fundamental wave amplitude or the fundamental wave cosine component and a cosine component of the load current;
The voltage drop component generator outputs a sine component of the first voltage command value and a cosine component of the first voltage command value based on a sine component of the load current and a cosine component of the load current. Linear motor system.
請求項8に記載のリニアモータシステムにおいて、
前記可動子にピストンが接続され、前記ピストンが負荷として流体又は空気を圧縮する圧縮機であることを特徴とするリニアモータシステム。
The linear motor system according to claim 8,
A linear motor system, wherein a piston is connected to the mover, and the piston is a compressor that compresses fluid or air as a load.
請求項9に記載のリニアモータシステムにおいて、
前記低域通過フィルタ処理の遮断周波数を前記圧縮機の吸入または吐出圧力に応じて変更することを特徴とするリニアモータシステム。
The linear motor system according to claim 9, wherein
A linear motor system, wherein a cutoff frequency of the low-pass filter process is changed according to a suction or discharge pressure of the compressor.
請求項4、請求項5、請求項7、及び請求項8のうちいずれか1項に記載のリニアモータシステムにおいて、
車体側と車輪側との間に介装され空気の給排に応じて車高調整を行う複数のエア室に、
前記可動子にピストンが接続され、前記ピストンが負荷として流体又は空気を圧縮する圧縮機にて圧縮した空気を供給するエアサスペンションシステムであることを特徴とするリニアモータシステム。
In the linear motor system according to any one of claims 4, 5, 7, and 8,
In a plurality of air chambers that are interposed between the vehicle body side and the wheel side and adjust the vehicle height according to the supply and discharge of air,
A linear motor system, wherein a piston is connected to the movable element, and the piston is an air suspension system that supplies air compressed by a compressor that compresses fluid or air as a load.
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