JP3448734B2 - 磁気浮上システムに用いられる制御装置 - Google Patents

磁気浮上システムに用いられる制御装置

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【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は磁気浮上システムに
関し、特に、磁気浮上システムを制御する際に用いられ
る制御装置に関する。
【0002】
【従来の技術】電磁石の下に磁性体を置くと吸引力が生
じるが、電磁石の吸引力を制御して非接触に物体を浮上
させるシステムは、一般に、磁気浮上システムと呼ばれ
ている。このような磁気浮上システムには、構造的に分
解能の制約がない関係上、高精度制御を行うことができ
る。
【0003】さらに、磁気浮上システムでは、直接吸引
力を利用しているから、大きな推力を得ることができ
る。従って、磁気浮上システムを用いれば、高速でしか
も高精度な装置を実現することが可能となる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】ところで、磁気浮上シ
ステムは、非線形な特性を有している関係上、制御が難
しい。例えば、鉄心を有する電磁石では、一度鉄心が磁
化すると、その磁性が残るヒステリシスという現象が起
こり、このヒステリシスも磁気浮上システムの制御を困
難にしている非線形性の一つであり、このようなヒステ
リシスが存在するため、前述の高速化及び高精度化を達
成することが難しい。
【0005】このようなヒステリシスに対処するため、
従来、磁気浮上システムを制御する制御装置に積分器を
用いて、積分器の作用によって、ヒステリシスの影響を
補償する手法をとることがある。しかしながら、この手
法では、積分器がヒステリシスを補償するまでの積分時
間が必要となってしまい、高速化及び高精度化を達成す
ることが難しい。
【0006】いずれにしても、従来、磁気浮上システム
は、高速高精度の位置決めに用いられていなかった関係
上、ヒステリシスの影響が無視されていたか又は積分器
による補償で十分であったため、高速高精度の位置決め
制御が難しいという問題点がある。
【0007】本発明の目的は、磁気浮上システムを制御
する際、ヒステリシスの影響を抑えて、高速高精度の制
御を行うことのできる制御装置を提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、電磁石
と、該電磁石による推力に応じて浮上する浮上体とを有
する磁気浮上システムに用いられる制御装置であって、
前記電磁石による磁束の変化を検出して第1の検出信号
を出力する第1の検出手段と、前記浮上体の位置を検出
して第2の検出信号を出力する第2の検出手段と、前記
第1及び前記第2の検出信号に基づいて前記電磁石によ
る磁束を推定して推定磁束を求めるとともに前記第2の
検出信号に基づいて前記浮上体を予め設定された位置に
保つために必要な推力を算出して算出推力を得て前記推
定磁束及び前記算出推力に応じて前記電磁石に与える指
令電流を求める制御手段とを有することを特徴とする磁
気浮上システムに用いられる制御装置が得られる。
【0009】例えば、前記電磁石は、電磁石鉄心と該電
磁石鉄心に取り付けられ前記指令電流が与えられる推力
発生コイルとを備えており、前記第1の検出手段は、前
記電磁石鉄心に取り付けられた計測コイルを備えてお
り、該計測コイルは、前記電磁石鉄心に生じる磁束の変
化に対応した電圧を示す電圧信号を前記第1の検出信号
として送出する。前記制御手段は、前記第1の検出信号
で示される磁束の変化を前記第2の検出信号で示される
浮上体の位置に基づいて補正して補正磁束変化を得て該
補正磁束変化に応じて前記推定磁束を求める磁束推定器
と、前記第2の検出信号に基づいて前記浮上体を予め設
定された位置に保つために必要な推力を算出推力として
算出する位置制御器と、前記推定推力に対応する磁束を
算出磁束として求め前記算出磁束に対応する電流値を算
出電流値として求めて前記推定磁束との誤差に対応する
誤差電流値で前記算出電流値を補正して前記指令電流を
求める力制御器とを有しており、前記磁束推定器には、
前記浮上体を制御対象とする制御対象モデルが設定され
ており、前記磁束推定器では、前記第2の検出信号で示
される浮上体の位置と前記制御対象モデルより推定され
た位置との偏差で前記第1の検出信号で示される磁束の
変化を補正して前記補正磁束変化を得ており、さらに、
前記推定磁束から推定推力を求めて該推定推力を前記制
御対象モデルに与えて前記制御対象モデルより位置を推
定する。
【0010】
【発明の実施の形態】以下本発明について図面を参照し
て説明する。
【0011】図1を参照して、磁気浮上システムは、電
磁石鉄心1、推力発生コイル2、浮上体鉄心5、ベース
8、及び浮上体9を有している。制御装置は、計測コイ
ル3、位置センサー4、制御部6、及び電流アンプ7を
備えており、後述するようにして、磁気浮上システムを
制御する。
【0012】図示のように、電磁石鉄心1及び位置セン
サー4はベース8に固定されており、この電磁石鉄心1
には、推力発生コイル2及び計測コイル3が取り付けら
れている(なお、電磁石鉄心1と推力発生コイル2とに
よって電磁石が構成される)。この浮上体鉄心5は浮上
体9に取り付けられており、浮上体9には図中下向きに
重力が働いており、一方、浮上体鉄心5と電磁石鉄心1
との間に働く吸引力は、浮上体9に対して図中上向きに
働く。この結果、吸引力を制御することによって、浮上
体9の位置を制御することができる。そして、浮上体9
は、電磁石鉄心1、位置センサー4、及びベース8等と
非接触で図中上下方向に自由に動くように配置されてい
る。
【0013】位置センサー4は浮上体9とセンサーとの
距離、つまり、浮上体9の位置を検出して位置信号とし
て制御部6に与える。一方、計測コイル3には、電磁石
鉄心1に生じる磁束の変化に応じて逆起電力が発生し、
磁束の変化に対応した電圧を示す電圧信号を制御部6に
与えられる。制御部6では、後述するようにして、位置
信号及び電圧信号に応じて電流値指令を生成して電流ア
ンプ7に与える。そして、電流アンプ7では電流値指令
に基づいて推力発生コイル2に電流を流す。
【0014】制御部6は、力制御器10、磁束推定器1
1、及び位置制御器12を備えており、磁束制御器11
に位置信号及び電圧信号が与えられ、位置制御器12に
位置信号が与えられる。磁束推定器11では、位置信号
及び電圧信号に基づいて電磁石鉄心1に発生している磁
束を推定して推定磁束値を出力する。そして、この磁束
推定値は力制御器10に与えられる。位置制御器12で
は、位置信号に基づいて浮上体鉄心5を予め設定された
位置に保つために必要な推力を算出して算出推力として
力制御器10に与える。
【0015】力制御器10では、算出推力を得るために
必要な磁束を計算して算出磁束を求める。そして、力制
御器10では、算出磁束と推定磁束とを比較してその偏
差を求めて、この偏差に応じて電流指令値を生成する。
つまり、力制御器10では、算出磁束と推定磁束との比
較結果に基づいて電流指令値を変更する。この電流指令
値は、電流アンプ7に与えられ、電流アンプ7は電流指
令値に応じて推力発生コイル2に電流を流す。これによ
って、電磁石鉄心1に所定の磁束が発生して、浮上体9
は所定の位置に制御される。
【0016】ここで、図2も参照して、図2では、磁気
浮上システム及び制御部がブロック線図で表されいる。
この制御部では、実際に観測できない磁束を推定して、
その推定値(推定磁束)をフィードバックするようにし
ている。フィードバック制御のため、システムの内部状
態を推定する手法は、一般に、オブザーバと呼ばれてお
り、通常、オブザーバは、システムを線形モデルで表し
その状態を推定する。
【0017】いま、制御対象(浮上体)が、図2に示す
モデルで表されるとする。電磁石鉄心1から磁束φが発
生したとすると、この磁束φの時間的変化、つまり、微
分値(dφ/dt=φドット)を示す電圧信号が磁束推
定器11に与えられる。
【0018】推力fは磁束φの2乗に比例し、この推力
fが制御対象(浮上体)に与えられる。そして、前述の
ようにして、制御対象の位置(計測位置)zが磁束推定
器11及び位置制御器12に与えられる。
【0019】ここで、磁束推定器11に注目して、磁束
推定器11には制御対象モデル11aが設定されてお
り、後述するようにして、制御対象モデル11aから推
定位置zが出力される。減算器11bでは、計測位置か
ら推定位置を減算して位置偏差を求める。そして、この
位置偏差には係数Eが掛けられて加算器11cに与えら
れる。加算器11cには、上記の微分値が与えられてお
り、この位置偏差で微分値を補正する。そして、補正後
の微分値が積分器11dに与えられて、積分器11dか
ら推定磁束φが力制御器10に与えられる。
【0020】前述のように、推力fは磁束φの2乗に比
例するから、上記の推定磁束φは2乗演算器11eで2
乗されて、推定推力fが制御対象モデル11aに与えら
れる。そして、制御対象モデル11aから推定位置zが
出力される。
【0021】計測位置zは位置制御器12にも与えら
れ、位置制御器12では、計測位置zに基づいて浮上体
鉄心5を予め設定された位置に保つために必要な推力を
算出して算出推力fref として力制御器10に与える。
【0022】力制御器10では、1/2乗演算器10a
によって算出推力fref から算出磁束φref を求める。
つまり、力制御器10では、算出推力fref を発生する
ために必要な磁束φref を求める。この算出磁束φref
は、電流値算出器10bに与えられるとともに減算器1
0cに与えられる。
【0023】電流値算出器10bでは、磁束φref に基
づいて電流値を求め、この電流値を算出電流値iref
して出力する。ところで、電流と磁束との間には、ヒス
テリシスを含む非線形性が存在するから、算出電流値i
ref を電磁石に流した際に発生する磁束は、φref と一
致しない。このため、推定磁束φと算出磁束φref との
偏差(誤差)を考慮して実際の指令電流値を算出する。
つまり、減算器10cでは、算出磁束φref から推定磁
束φを減算して、誤差磁束φerr を出力する。そして、
この誤差磁束φerr は誤差電流値算出器10dに与えら
れ、誤差電流値算出器10dでは、誤差磁束φerr に基
づいて誤差電流値ierr を算出する。
【0024】上述の算出電流値iref 及び誤差電流値i
err は、加算器10eに与えられ、算出電流値iref
誤差電流値ierr で補正される。そして、加算器10e
は、指令電流値iを推力発生コイル2に与える。つま
り、加算器10eは、i=ire f +ierr を求めて、電
磁石に流す電流を制御する。
【0025】上述のように、力制御器では、算出磁束と
推定磁束との比較結果に応じて指令電流を求めているか
ら、効果的にヒステリシスを補正することができる。
【0026】なお、2乗演算器11e、1/2乗演算器
10a、電流値算出器10b、誤差電流算出器10d
は、制御性能を上げるためには、非線形の関数とするこ
とが好ましいが、目標とする性能に応じて線形化による
簡略化をしてもよい。
【0027】また、制御部を位置制御器のみで構成して
も、磁気浮上システムを制御することができるが、磁気
浮上システムに非線形性が存在することを考慮すると、
制御性能を上げることが難しいばかりでなく、システム
が不安定となってしまう可能性がある。
【0028】さらに、磁気推定器では、位置センサーか
らの位置信号のみによって、磁束の推定を行うことでき
るが、磁束の推定に時間がかかってしまう。一方、計測
コイルからの電圧信号のみに応じて磁束の推定を行う
と、短時間における磁束の変化の推定を行うことばでき
るが、定常的な推定値がドリフトしてしまう。
【0029】従って、位置センサー及び計測コイル両方
を用いて磁束の推定を行うほうが、短時間にしかも正確
に磁束の推定を行うことができる。
【0030】
【発明の効果】以上説明したように、本発明では、磁気
浮上システムの非線形性による制御性能の悪化を抑制し
て、高速でかつ高精度に磁気浮上システムの制御を行う
ことができるという効果がある。そして、本発明では、
鉄心に生じる残留磁束の影響を抑えることができるか
ら、特に、鉄心に比べてエアギャップが小さい場合及び
電磁石の構造が複雑な場合にも有効である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による制御装置の一例を磁気浮上システ
ムとともに示す図である。
【図2】図1に示す制御装置及び磁気浮上システムのブ
ロック線図である。
【符号の説明】
1 電磁石鉄心 2 推力発生コイル 3 計測コイル 4 位置センサー 5 浮上体鉄心 6 制御部 7 電流アンプ 8 ベース 9 浮上体 10 力制御器 11 磁束推定器 12 位置制御器

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 電磁石と、該電磁石による推力に応じて
    浮上する浮上体とを有する磁気浮上システムに用いられ
    る制御装置であって、 前記電磁石による磁束の変化を検出して第1の検出電流
    を出力する第1の検出手段と、 前記浮上体の位置を検出して第2の検出電流を出力する
    第2の検出手段と、 前記第1及び前記第2の検出信号に基づいて前記電磁石
    による磁束を推定して推定磁束を求めるとともに前記第
    2の検出信号に基づいて前記浮上体を予め設定された位
    置に保つために必要な推力を算出して算出推力を得て前
    記推定磁束及び前記算出推力に応じて前記電磁石に与え
    る指令電流を求める制御手段とを有し、 前記制御手段は、 前記第1の検出信号で示される磁束の変化を前記第2の
    検出信号で示される浮上体の位置に基づいて補正して補
    正磁束変化を得て該補正磁束変化に応じて前記推定磁束
    を求める磁束推定器と、 前記第2の検出信号に基づいて前記浮上体を予め設定さ
    れた位置に保つために必要な推力を算出推力として算出
    する位置制御器と、 前記推定推力に対応する磁束を算出磁束として求め前記
    算出磁束に対応する電流値を算出電流値として求めて前
    記推定磁束との誤差に対応する誤差電流値で前記算出電
    流値を補正して前記指令電流を求める力制御器とを有す
    ることを特徴とする磁気浮上システムに用いられる制御
    装置。
  2. 【請求項2】 請求項1に記載された磁気浮上システム
    に用いられる制御装置において、 前記電磁石は、電磁石鉄心と該電磁石鉄心に取り付けら
    れ前記指令電流が与えられる推進力発生コイルとを備え
    ており、 前記第1の検出手段は、前記電磁石鉄心に取り付けられ
    た計測コイルを備えており、該計測コイルは、前記電磁
    石鉄心に生じる磁束の変化に対応した電圧を示す電圧信
    号を前記第1の検出信号として送出するようにしたこと
    を特徴とする磁気浮上システムに用いられる制御装置。
  3. 【請求項3】 請求項1または2に記載された磁気浮上
    システムに用いられる制御装置において、 前記磁束推定器には、前記浮上体を制御対象とする制御
    対象モデルが設定されており、 前記磁束推定器では、前記第2の検出信号で示される浮
    上体の位置と前記制御対象モデルにより算出された位置
    との偏差で前記第1の検出信号で示される磁束の変化を
    補正して前記補正磁束変化を得ており、さらに、前記推
    定磁束から推定推力を求めて該推定推力を前記制御対象
    モデルに与えて前記制御対象モデルにより位置を求める
    ようにしたことを特徴とする磁気浮上システムに用いら
    れる制御装置。
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