JP3193037B2 - リニアシンクロナスモータの制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、リニアシンクロナスモータの制御装置、
特に超電導磁気浮上式鉄道の車両駆動制御に好適なリニ
アシンクロナスモータの制御装置に関するものである。

［従来の技術］ 超電導磁気浮上式鉄道の車両の推進には、第３図に示
すように、車両（１）に超電導磁石を界磁（1a）として
搭載し、軌道側に電機子コイル（２）を設置したリニア
シンクロナスモータ（LSM）が有用である。このLSMの駆
動制御システムは、従来、同図に示すような構成のもの
が用いられている。このLSMを駆動するには、界磁に同
期して電機子コイルに正弦波等の電流を通電すればよ
く、その推力の調節は電流値を制御することにより行な
われる。

車両（１）に搭載した界磁（1a）と軌道側に設置した
電機子コイル（２）との相対位置の検出は、位置検出器
（３）で行なわれる。位置検出器（３）は、たとえば電
機子コイル（２）のポールピッチ単位で設置された被検
出板を光学的に検出する装置、または電機子コイル
（２）のポールピッチ単位で交差して配置された交差誘
導線を利用した位置検出装置、または界磁の移動により
電機子コイル（２）に誘起される誘起電圧を検出する装
置など、周知の位置検出手段が使用されている。このよ
うな位置検出器（３）で検出した位置検出信号Pdを速度
演算器（４）で演算し車両の実速度を求め、この実速度
を比較器（５）で速度指令Vrと比較する。その結果得ら
れる速度偏差出力Q1を小さくするべく、速度制御装置
（６）で電機子コイル（２）に通電する電流の大きさ、
すなわち電流振幅を演算する。この電流振幅は、通常、
電流リミッタ（７）で正側および負側の電流振幅の最大
値を制限し、LSMの加速力および減速力を制限して車両
の乗り心地を損なわないようにしている。一方、正弦波
パターン発生器（８）は、位置検出信号Pdに同期した正
弦波パターンPsを作成する同期型発振器であり、たとえ
ば位相比較器、低域フィルタ、直流増幅器、およびVCO
（電圧制御発振器）からなるPLL（フェーズロックドル
ープ）回路で構成するのが簡単、かつ一般的である。

この位置検出信号Pdに同期した正弦波パターンPsにか
け算器（９）で前述の電流振幅を掛け合わせ、電機子コ
イル（２）に流すべき電流パターンPiを作成する。この
電流パターンPiは、位置検出信号Pdに同期し、かつ車両
駆動のために必要な推力に対応した振幅を持つものであ
る。この電流パターンPiは比較器（10）を介して電流制
御器（11）に入力される。電流制御器（11）の出力は、
たとえば多重GTO（ゲートターンオフサイリスタ）イン
バータなどからなる電力変換器（12）を制御し、その出
力を電流検出器（13）を経由して電機子コイル（２）に
供給するようになっている。電流制御器（11）は、電流
検出器（13）で検出した電機子コイル電流Idと電流パタ
ーンPiとを比較器（10）で比較して得られた偏差を小さ
くするように電力変換器（12）を制御し、電流パターン
Piに追従した電流を電機子コイル（２）に通電する働き
をする。車両は、この電機子コイル電流Idと車両上の界
磁（1a）との電磁作用により推力を得て走行する。な
お、これらの制御の概要は、「第16回鉄道におけるサイ
バネティクス利用国内シンポジウム論文集」477〜480ペ
ージに記載されている。

［発明が解決しようとする課題］ 従来のリニアシンクロナスモータ（LSM）の制御装置
は、以上のようなシステム構成になっており、この場合
に最終的に制御するべき量は車両の速度である。目標速
度に速やかに到達し、目標速度との偏差をできるだけ小
さくするためには、適切な推力、すなわち電流値でLSM
を運転する必要がある。そのために従来の装置では、速
度指令Vrと速度演算結果とを比較してその偏差を小さく
するように電流値を調節していたので、車両の速度が速
度演算器の精度に大きく左右されるという問題点を有し
ていた。

速度制御の応答を速くし、かつ速度偏差を小さくする
ためには、速度制御装置の利得を大きくとる必要がある
が、このように速度演算装置の利得を大きくとった場
合、速度演算器に演算バラツキを生じると電流値が変動
し、車両に推力脈動が生じて乗り心地が悪化する． 一方、この演算バラツキの影響を少なくするように速
度制御装置の利得を下げると、速度制御の応答が悪化
し、かつ速度偏差が増大してしまう。このように、速度
偏差に基づいて電流パターンPiを設定する従来の方法で
は、リニアシンクロナスモータで駆動する車両の速度制
御の追従性と速度制御精度の両方を満足させることが困
難であるという問題点があった。従って、上記問題点を
解消しなければならないという課題がある。

発明の目的 この発明は、上記課題を解決するためになされたもの
で、従来に比べ速度制御の追従性および精度を改善で
き、フィードバック補償器の利得を下げた状態で従来と
同等の速度制御特性を得ることができ、また、フィード
バック補償器の利得を大きくすることなく速応性を得る
ことができるリニアシンクロナスモータの制御装置を得
ることを目的とする。

［課題を解決するための手段］ この発明に係るリニアシンクロナスモータの制御装置
は、界磁と電機子コイルからなるリニアシンクロナスモ
ータを駆動制御するものであって、前記界磁と電機子コ
イルとの相対位置を検出する位置検出器と、前記位置検
出器によって検出される位置検出信号に基づきリニアシ
ンクロナスモータの実速度と実位置とを演算する速度位
置演算器と、リニアシンクロナスモータに対する速度指
令と前記実速度とに基づき第１のフィードバック補償量
を求める第１のフィードバック補償器と、前記速度指令
を積分して得られる位置指令と前記実位置情報とに基づ
き第２のフィードバック補償量を求める第２のフィード
バック補償器と、前記第１と第２のフィードバック補償
量を加算する第１の加算器とを備えている。

また、前記速度指令または実速度を入力し加速度指令
または加速度を演算しこの加速度指令または加速度に基
づく第１のフィードフォワード補償量を求める第１のフ
ィードフォワード補償器と、前記速度指令または実速度
に基づく第２のフィードフォワード補償量を求める第２
のフィードフォワード補償器と、前記位置指令または実
位置に基づく第３のフィードフォワード補償量を求める
第３のフィードフォワード補償器とを備えている。

さらに、前記第１の加算器の出力と前記第１、第２お
よび第３のフィードフォワード補償量とを加算する第２
の加算器と、前記第２の加算器の出力を正側および負側
が予め設定した最大値以下になるように制御した電機子
コイル電流振幅を得る電流リミッタと、前記位置検出信
号に同期して電機子コイルに通電する電流の波形パター
ンを作成する正弦波パターン発生器と、前記電機子コイ
ル電流振幅と正弦波パターン発生器出力とを掛け合わせ
て電流パターンを求めるかけ算器とを備え、このかけ算
器が出力する電流パターンに基づいて電機子コイル電流
を制御するようにしたものである。

［作用］ この発明によるリニアシンクロナスモータの制御装置
は、速度指令と実速度だけでなく、速度指令を積分して
得られる位置指令と実位置を用いてフィードバック補償
器を構成するとともに、加速度指令、速度指令および位
置指令に基づきそれぞれフィードフォワード補償器を構
成することにより、前記各補償器で速度制御の追従性お
よび速度制御精度を分担できる。したがって、従来に比
べ速度制御の追従性および精度を改善でき、フィードバ
ック補償器の利得を下げた状態でも従来と同等の速度制
御特性を得ることが可能である。また、フィードフォワ
ード補償器を設けた構成により、フィードバック補償器
の利得を大きくすることなく速応性を得ることができ
る。

［実施例］ 以下、この発明の一実施例を図について説明する。第
１図は、この発明によるリニアシンクロナスモータの制
御装置の一実施例を示すブロック図である。（21）は、
位置検出器（３）により検出された車両位置の検出信号
Pdを演算処理することにより実速度Vtと実位置Ptの信号
を発生する速度位置演算器である。実速度Vtは、比較器
（22）において速度指令Vrと比較され、その結果得られ
た速度偏差出力Q1は速度補償器（23）に入力される。ま
た、実速度Vtは速度フィードバック補償器（24）におい
て演算処理され、その出力は速度補償器（23）の出力と
ともに比較器（25）において比較され、比較出力Q2を出
力するようになっている。

（26）は、速度指令Vrを積分演算することにより位置
指令Xrを出力する積分器であり、その出力である位置指
令Xrと実位置Ptとは、比較器（27）で比較され、その出
力Q3は位置補償器（28）を介して比較器（29）に入力さ
れ、位置フィードバック補償器（30）の出力信号と比較
される。比較器（29）の出力Q4は、加算器（31）におい
て比較器（25）の出力Q2と加算され、出力Q5が出力され
る構成となっている。

速度補償器（23）、速度フィードバック補償器（24）
および比較器（22），（25）から構成される第１のフィ
ードバック補償器（32）は、速度指令Vrと実速度Vtとを
入力として車両速度に対する補償値Q2を出力する。ま
た、位置補償器（28）、位置フィードバック補償器（3
0）、比較器（27），（29）から構成される第２のフィ
ードバック補償器（33）は、位置指令Xrと実位置信号Pt
とを入力とし補償値Q4を出力する。

（34）は、速度指令Vrから加速度指令Arを演算し、こ
の加速度指令Arに基づくフィードフォワード補償量F1を
求める第１のフィードフォワード補償器、（35）は、速
度指令Vrに基づくフィードフォワード補償量F2を求める
第２のフィードフォワード補償器、（36）は、位置指令
Xrに基づくフィードフォワード補償量F3を求める第３の
フィードフォワード補償器である。フィードバック補償
量Q5とフィードフォワード補償量F1、F2、F3は、加算器
（37）で加算され、電機子コイル電流振幅Q6が出力され
る。さらにこの電機子コイル電流振幅Q6は電流リミッタ
（７）に入力され、それ以降、既に説明した従来の装置
と同様の構成を経て、電機子コイル（２）を駆動するよ
うになっている。

次に動作について説明する。

位置検出器（３）で検出された位置検出信号Pdは速度
位置演算器（21）で演算処理され、車両（１）の実速度
Vtと実位置Ptを表す信号として出力される。また、第１
のフィードバック補償器（32）は速度補償器（23）と速
度フィードバック補償器（24）および比較器（22），
（25）から構成され、速度指令Vrに対する実速度Vtの応
答と、外乱（図示せず）に対する実速度Vtの応答を別々
に決定する。さらに、第１のフィードバック補償器（3
2）の出力と第２のフィードバック補償器（33）の出力
とは加算器（31）で加え合わされ、フィードバック補償
による補償量Q5が得られる。

次に、フィードフォワード補償について説明する。リ
ニアシンクロナスモータ（LSM）が推進する際、LSMの速
度に応じた走行抵抗や、LSMの位置に応じた勾配抵抗等
の影響を受ける。また、車両の重量がわかれば、加速度
に応じた必要推力がわかる。これらの関係を式で表す
と、次式のようになる。

Ｆ＝Ｍα＋fv（ｖ）＋fx（ｘ） …（１） ここでＦは、速度ｖ、車両位置ｘ、加速度αでLSMを
推進させるために必要な推力を示す。またＭは車両重
量、fv（ｖ）は、速度ｖにおける走行抵抗等からなる速
度に関する抵抗、fx（ｘ）は車両位置ｘにおける勾配抵
抗等からなる位置に関する抵抗を示す。

また、推力ｆと電機子コイル電流振幅Ipとの間には、
次式の関係がなりたつ。

Ｆ＝Ｋ・Ip …（２） （１），（２）式から Ip＝Ｍα/K＋fv（ｖ） /K＋fx（ｘ）/K ＝Ｉα＋Iv＋Ix …（３） が得られる。つまり、加速度指令、速度指令、位置指令
がわかれば、必要となる電流振幅が（３）式からフィー
ドフォワード的に求まる。先ず、第１のフィードフォワ
ード補償器（34）では、速度指令Vrを用いて加速度指令
Arを求め、（３）式のＩα、つまりフィードフォワード
補償量F1が得られる。同様に、第２のフィードフォワー
ド補償器（35）では、速度指令Vrに基づき（３）式のI
v、つまり速度に関する補償量F2が得られる。さらに、
第３のフィードフォワード補償器（36）では、位置指令
Xrに基づき（３）式のIx、つまり位置に関する補償量F3
が得られる。

加算器（37）では、前記フィードバック補償量Q5とフ
ィードフォワード補償量F1、F2、F3とを加え合わせて、
電機子コイル電流振幅Q6を得る。この電機子コイル電流
振幅Q6は、電流リミッタ（７）で正側、負側の最大値を
制限され、実際に使用される電流振幅Ipが求められる。
電流振幅Ip以降の動作は従来と同様である。

なお、上記実施例では、位置指令Xrと実位置Ptとを第
２のフィードバック補償器（33）の入力としたが、位置
指令Xrは、電機子コイルのポールピッチＬを１周期と考
えると、 Xr＝ｎ・Ｌ＋ΔXr 同様に、実位置Ptは、 Pt＝ｎ・Ｌ＋ΔＸ と表される。ここで、ｎは整数を表す。したがってXrと
実位置Ptの代わりに、ΔXrとΔＸを用いてもよい。ま
た、ポールピッチＬを位相２πと考えれば、位置指令Xr
を位相指令θｒ（θｒ＝２π・Xr/L）、実位置Ptを実位
相（実位置Ptを２π/L倍したもの）と考えてもよい。

また、第１図の実施例では、加速度、速度、位置に対
するフィードフォワード補償量を全て指令値を使ってそ
れぞれ求めていたが、必ずしも指令値を用いる必要はな
く、それぞれ、実際の加速度、速度、位置を使うことに
してもよい。

第２図はこのような構成になるこの発明の他の実施例
を示すブロック図である。同図において、第１のフィー
ドフォワード補償器（34）の入力は速度指令Vrであり、
第２のフィードフォワード補償器（35）の入力は速度位
置演算器（21）から出力される実速度Vt、第３のフィー
ドフォワード補償器（36）の入力は同じく実位置Ptとな
っている。それぞれのフィードフォワード補償の内容は
前記第１の実施例と同様である。

さらに、加速度指令は、第１のフィードフォワード補
償器（34）に直接入力できれば、速度指令Vrの代わりに
加速度指令を直接入力し、第１のフィードフォワード補
償器（34）における加速度指令の演算を省略することも
可能である。

［発明の効果］ 以上説明したとおり、この発明によるリニアシンクロ
ナスモータの制御装置は、第１および第２のフィードバ
ック補償器により速度制御の追従性と速度制御精度を分
担する構成により、従来に比べ速度制御の追従性および
精度を大幅に改善でき、フィードバック補償器の利得を
下げた状態で従来と同等の速度制御特性を得ることがで
きる。また、フィードフォワード補償器を設けた構成に
より、フィードバック補償器の利得を大きくすることな
く速応性を得ることができるという優れた効果を奏す
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明によるリニアシンクロナスモータの
制御装置の１実施例のブロック図、第２図はこの発明の
他の実施例のブロック図、第３図は従来のリニアシンク
ロナスモータの制御装置のブロック図である。 図中、（１）は車両、（1a）は界磁、（２）は電機子コ
イル、（３）は位置検出器、（10），（22），（25），
（27），（29）は比較器、（７）は電流リミッタ、
（８）は正弦波パターン発生器、（９）はかけ算器、
（11）は電流制御器、（12）は電力変換器、（13）は電
流検出器、（21）は速度位置演算器、（23）は速度補償
器、（24）は速度フィードバック補償器、（26）は積分
器、（28）は位置補償器、（30）は位置フィードバック
補償器、（31），（37）は加算器、（32）は第１のフィ
ードバック補償器、（33）は第２のフィードバック補償
器、（34）は第１のフィードフォワード補償器、（35）
は第２のフィードフォワード補償器、（36）は第３のフ
ィードフォワード補償器である。 なお、図中、同一符号は同一または相当部分を示す。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭63−52683（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−157684（ＪＰ，Ａ) 特開 昭54−12082（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−182169（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−196910（ＪＰ，Ａ) 特開 昭56−125990（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−249210（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−146906（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H02P 5/00 101 H02P 7/00 101 B60L 13/03 - 13/10 G05D 3/00 - 3/20

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】界磁と電機子コイルからなるリニアシンク
   ロナスモータを駆動制御するリニアシンクロナスモータ
   の制御装置において、前記界磁と電機子コイルとの相対
   位置を検出する位置検出器と、前記位置検出器によって
   検出される位置検出信号に基づきリニアシンクロナスモ
   ータの実速度と実位置とを演算する速度位置演算器と、
   リニアシンクロナスモータに対する速度指令と前記実速
   度とに基づき第１のフィードバック補償量を求める第１
   のフィードバック補償器と、前記速度指令を積分して得
   られる位置指令と前記実位置情報とに基づき第２のフィ
   ードバック補償量を求める第２のフィードバック補償器
   と、前記第１と第２のフィードバック補償量を加算する
   第１の加算器と、前記速度指令または実速度を入力し加
   速度指令または加速度を演算しこの加速度指令または加
   速度に基づく第１のフィードフォワード補償量を求める
   第１のフィードフォワード補償器と、前記速度指令また
   は実速度に基づく第２のフィードフォワード補償量を求
   める第２のフィードフォワード補償器と、前記位置指令
   または実位置に基づく第３のフィードフォワード補償量
   を求める第３のフィードフォワード補償器と、前記第１
   の加算器の出力と前記第１から第３のフィードフォワー
   ド補償量とを加算する第２の加算器と、前記第２の加算
   器の出力を正側および負側が予め設定した最大値以下に
   なるように制御した電機子コイル電流振幅を得る電流リ
   ミッタと、前記位置検出信号に同期して電機子コイルに
   通電する電流の波形パターンを作成する正弦波パターン
   発生器と、前記電機子コイル電流振幅と正弦波パターン
   発生器出力とを掛け合わせて電流パターンを求めるかけ
   算器とを備え、このかけ算器が出力する電流パターンに
   基づいて電機子コイル電流を制御するようにしたことを
   特徴とするリニアシンクロナスモータの制御装置。