JP3871570B2 - Magnetic levitation device - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術の分野】
本発明は、吸引式磁気浮上により浮上体を非接触で支持する磁気浮上装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
常電導吸引式磁気浮上は騒音や発塵がなく、HSST(超高速地表輸送機)やトランスラピッド等の鉄道、半導体工場でのクリーンルーム内搬送システム等においてすでに実用化が図られている。電磁石を強磁性部材に対向配置し、電磁石の励磁によって強磁性部材との間に生じる吸引力を利用して浮上体を浮上させる常電導吸引式磁気浮上においては磁気浮上系が本来的に不安定であり、これを安定化するために浮上ギャップ長、その速度、さらには加速度や電磁石励磁電圧、電磁石励磁電流を検出し、これらを吸引力制御手段にフィードバックして吸引力制御を行うことも実施されている。このため、システムの安定性を確保するためには、従来の技術では浮上ギャップ長の検出が必要であり、ギャップセンサの使用を避けることはできなかった。また、強磁性部材と電磁石間のギャップ長をギャップセンサで検出するには、使用するギャップセンサに適したセンサターゲットが必要であり、強磁性部材に付随してセンサターゲットを敷設しなければならなかった。
【0003】
このように、浮上ギャップ長を磁気浮上系の安定化に用いる場合、ギャップセンサやセンサターゲットが必要であり、それが装置のコストを上昇させていた。また、ギャップセンサの取付けスペースやセンサターゲット用のスペースを確保しなければならず、このことが装置小型化の障害となっていた。とくに、鉄道や搬送システムにおいては強磁性ガイドで構成される軌道に分岐箇所が設けられるため、センサターゲットとガイドが交差してギャップ長の検出を妨げることのないようにする仕組が必要であり、これもシステムの複雑化を招く原因となっていた。
【0004】
こうした問題を解決するため、例えば、電磁石励磁電流からオブザーバ(状態観測器)によりギャップ長を推定する方法(水野、他:「変位センサレス磁気軸受の実用化に関する研究」、電気学会論文集D分冊、116、No.1、35(1996))や交流磁気浮上により生じる電磁石励磁電圧と励磁電流の位相差信号にギャップ情報を含ませ、これを電磁石励磁電圧にフィードバックして安定化する方法(森山:「差動帰還形パワーアンプを用いたAC磁気浮上」1997年電気学会全国大会予稿集、No.1215)、また、電磁石励磁電流値をヒステリシスコンパレータで励磁電流基準値と比較し、励磁電流が基準値より大きい場合には電磁石励磁電圧を負に、小さい場合は正に切替えることによりスイッチング周波数を浮上ギャップ長に比例させ浮上系を安定化する(水野、他:「ヒステリシスアンプを利用したセルフセンシング磁気浮上」、計測自動制御学会論文集、32、No.7、1043(1996))等の方法がギャップセンサをなくすセンサレス化手法として提案されている。
【0005】
しかし、こうした解決策であっても、オブザーバを使用する場合にあっては、ギャップ長が浮上状態における磁気浮上系の線型モデルから導出されるため、浮上状態にないときの浮上ギャップ長の推定ができず浮上開始が困難であったり、いったん浮上体が他の構造物に接触すると再び浮上状態に復帰することができなかったりする等の問題があった。さらには、オブザーバ以外のギャップ情報を含む物理量で電磁石励磁電圧を制御する場合は、浮上制御系が非線型系になるため、安定判別が困難であったり、浮上体の質量変化や励磁による温度上昇で電磁石コイルに電気抵抗の変動があると浮上状態の維持が困難になったりするという問題もあった。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
このように、従来の磁気浮上装置にあっては、浮上体の浮上ギャップ長を吸引力制御手段にフィードバックして浮上体の安定な磁気浮上状態を実現しており、ギャップセンサおよびセンサターゲットが不可欠となる。このため、装置が大型化して複雑になり、コストアップを招くという問題があった。しかも、こうした問題を避けるためにギャップ長の情報をギャップセンサを用いずに吸引力制御手段にフィードバックすると、浮上系の安定性や動作の信頼性が著しく損なわれるため、結局はギャップセンサを使わざるを得ず、装置の複雑化や大形化、コスト高の問題を回避することは相当困難なものであった。
【0007】
本発明は、かかる事情に基づきなされたもので、その目的とするところは、装置の簡素化や小型化、コストの低減化、信頼性の向上を図り得る磁気浮上装置を提供することにある。
【0008】
上記目的を達成するために、請求項1に係る発明の磁気浮上装置は、電磁石を備えた磁石ユニットと、磁石ユニットで支持される浮上体と、磁石ユニットの磁極が空隙を介して対向し前記磁石ユニットの作用する吸引力で浮上体を非接触で支持するための強磁性部材と、浮上体が浮上状態にないとき浮上体と強磁性部材の位置関係を維持する補助支持手段と、電磁石の励磁電流を検出するセンサ部と、センサ部の出力に基づいて強磁性部材に対する浮上体の姿勢を推定する姿勢推定手段、浮上体と強磁性部材または補助支持手段との接触を検出する接触検出手段、接触検出手段の出力に基づき接触時の強磁性部材に対する浮上体の姿勢を演算する姿勢演算手段、接触検出手段の出力に基づき接触時に姿勢推定手段を動作開始時の状態に初期化する推定初期化手段、姿勢推定手段が初期化される際に姿勢演算手段の出力値を姿勢推定手段の初期値として設定する初期値設定手段、および姿勢推定手段の出力に基づいて磁石ユニットが空隙および強磁性部材を介して形成される磁気回路が安定化するように磁石ユニットの吸引力を制御する駆動手段を有する吸引力制御手段と、を備えていることを特徴とする。
【0009】
請求項2に係る発明は、請求項1に記載の磁気浮上装置において、磁石ユニットが、空隙において電磁石の磁束と磁路を共有するように配置される永久磁石を備えていることを特徴とする。
【0010】
請求項3に係る発明は、請求項2に記載の磁気浮上装置において、吸引制御手段が、センサ部の出力に基づいて電磁石の励磁電流をゼロへ収束させながら磁気回路を安定化させるゼロパワー制御手段を備えていることを特徴とする。
【0011】
請求項4に係る発明は、請求項3に記載の磁気浮上装置において、ゼロパワー制御手段は姿勢推定手段によって構成されていることを特徴とする。
【0012】
請求項5に係る発明は、請求項1に記載の磁気浮上装置において、姿勢推定手段が、電磁石の励磁電流およびその励磁電流を発生している励磁電圧に基づいて浮上体の強磁性部材に対する姿勢およびその姿勢の時間変化を推定することを特徴とする。
【0013】
請求項6に係る発明は、請求項1に記載の磁気浮上装置において、姿勢推定手段が、その姿勢推定手段の出力を入力し、その入力が所定の飽和範囲内にあるときは入力値をそのまま出力し、所定の飽和範囲外にあるときは飽和値を出力する推定出力制限手段を備えていることを特徴とする。
【0014】
請求項7に係る発明は、請求項6に記載の磁気浮上装置において、吸引力制御手段が推定出力制限手段の出力に基づいて電磁石励磁電圧を演算してその出力を駆動手段に与える励磁電圧演算部を備えていることを特徴とする。
【0015】
請求項8に係る発明は、請求項7に記載の磁気浮上装置において、励磁電圧演算部がその励磁電圧演算部の出力を入力し、その入力が所定の飽和範囲内にあるときは入力値をそのまま出力し、所定の飽和範囲外にあるときは飽和値を出力する電圧出力制限手段を備えていることを特徴とする。
【0016】
請求項9に係る発明は、請求項7に記載の磁気浮上装置において、励磁電圧演算部が、推定出力制限手段の出力に基づいて、浮上体の運動の自由度に寄与する吸引力を発生させるべく電磁石励磁電圧の線形結合で表されるモード別励磁電圧を演算するモード励磁電圧演算部を備えていることを特徴とする。
【0017】
請求項10に係る発明は、請求項9に記載の磁気浮上装置において、吸引力制御手段が、浮上体の運動の自由度に寄与する吸引力を発生させる電磁石励磁電流の線形結合で表されるモード別励磁電流を演算するモード励磁電流演算部を備えていることを特徴とする。
【0018】
請求項11に係る発明は、請求項9に記載の磁気浮上装置において、モード励磁電圧演算部が、そのモード励磁電圧演算部の出力を入力とする電圧出力制限手段を備えていることを特徴とする。
【0019】
請求項12に係る発明は、請求項10に記載の磁気浮上装置において、姿勢推定手段が、電磁石のモード別励磁電流演算部の出力およびモード励磁電圧演算部の出力に基づいて浮上体の強磁性部材に対する姿勢およびその姿勢の時間変化を推定することを特徴とする。
【0020】
請求項13に係る発明は、請求項1に記載の磁気浮上装置において、姿勢推定手段が積分器を有し、接触検出手段が接触を検出しているときには推定初期化手段によりその積分器の積分が中止されるとともに積分結果は初期値設定手段が出力する値となり、接触検出手段が接触を検出しなくなったときにはその直前の接触時に初期値設定手段が出力していた値を初期値として推定初期化手段によりその積分器の積分を開始することを特徴とする。
【0021】
請求項14に係る発明は、請求項7に記載の磁気浮上装置において、姿勢推定手段は、接触検出手段が接触を検出しているときにはその姿勢推定手段に入力される電磁石の励磁電流および励磁電圧演算部の出力をゼロ入力に切替えるとともに接触検出手段が接触を検出しなくなったときにはゼロ入力を電磁石の励磁電流もしくは励磁電圧演算部の出力に切替える切替手段を有することを特徴とする。
【0022】
請求項15に係る発明は、請求項10に記載の磁気浮上装置において、姿勢推定手段が、接触検出手段が接触を検出しているときにはその姿勢推定手段に入力されるモード励磁電流演算部およびモード励磁電圧演算部の出力をゼロ入力に切替えるとともに接触検出手段が接触を検出しなくなったときにはゼロ入力をモード励磁電流演算部もしくはモード励磁電圧演算部の出力に切替える切替手段を有することを特徴とする。
【0023】
請求項16に係る発明は、請求項1に記載の磁気浮上装置において、補助支持手段が浮上体に付随していることを特徴とする。
【0024】
請求項17に係る発明は、請求項1に記載の磁気浮上装置において、補助支持手段が強磁性部材に付随していることを特徴とする。
【0025】
請求項18に係る発明は、請求項1に記載の磁気浮上装置において、磁石ユニットが浮上体に付随していることを特徴とする。
【0026】
【発明の実施の形態】
<発明の原理>
ここで本発明の磁気浮上装置の原理を説明する。図1は、一質点系の磁気浮上装置が全体として符号1で示している。
【0027】
磁気浮上装置1は、永久磁石3および電磁石5で構成される磁石ユニット7、およびこの磁石ユニット7によって浮上される負荷荷重9からなる浮上体11と、磁石ユニット7が対向するとともに磁石ユニット7の作用する磁気的吸引力で浮上体11を非接触で支持するための強磁性部材からなるガイド13と、磁石ユニット7の吸引力を制御して浮上体11を安定に非接触支持するための吸引力制御手段15とで構成されている。
【0028】
永久磁石3の両磁極端部にそれぞれ継鉄17a,17bがその側面で当接するように配置され、電磁石5は継鉄17a,17bにコイル19a,19bを巻装して構成されている。永久磁石3の発生磁束は、継鉄17a→ガイド13→継鉄17b→永久磁石3からなる閉磁路を通る。両コイル19a,19bは直列に接続され、それらに所定極性の電流を流すことにより、その発生磁束を永久磁石3の発生磁束に重畳して強めたり、逆に永久磁石3の発生磁束を相殺して弱めたりすることができる。
【0029】
電磁石5の電流制御は吸引力制御手段15によって行われる。吸引力制御手段15は、ギャップセンサ21によって得られる浮上ギャップ長z、および電流センサ23によって得られる励磁電流izに基づいて、電磁石5の励磁電圧を演算する励磁電圧演算部25と、この励磁電圧演算部25の出力に基づいて電磁石5に所要の励磁電流izを供給するドライバ27とを備えている。
【0030】
磁気浮上装置1の磁気浮上系は、磁石ユニット7の吸引力が浮上体11の重量と等しくなるときの浮上ギャップ長z0の近傍で線型近似し、以下の微分方程式で記述される。
【数1】
式(1)中、mは浮上体11の質量、zは浮上ギャップ長、izは電磁石5の励磁電流、φは磁石ユニット7の主磁束、ezは電磁石5の励磁電圧、Δは定常浮上状態(z = z0, iz = iz0)からの偏差、記号“・”は d/dt、偏微分∂/∂h (h=z,i)は定常浮上状態(z = z0, iz = iz0)における被偏微分関数のそれぞれの偏微分値、Lz0 は、
【数2】
となる。式(3)中、xの各要素が浮上系の状態量であり、Cは出力行列であり、ezの計算に用いる状態量の検出方法により決定される。磁気浮上装置1ではギャップセンサ21と電流センサ23を使用しており、ギャップセンサ21の信号を微分することにより速度を得る場合には、Cは単位行列となる。ここで、Fをxの比例ゲイン補償器、Kiを積分ゲインとして励磁電圧ezを例えば、
【数3】
で与えれば、磁気浮上装置1は特公平06−24405号公報に見られるゼロパワー制御で浮上する。ここで、励磁電圧演算部25において式(6)が演算されることは言うまでもない。
【0031】
式(1)の磁気浮上装置1においてギャップセンサ15を使用せずに、励磁電流Δizから浮上ギャップ長偏差Δzおよびその速度d(Δz)/dtを推定するための推定手段として、例えば同一次元状態観測器(以下オブザーバという)を適用する場合を考える。このとき、線型制御理論によれば、オブザーバは
【数4】
【0032】
したがって、図2に示す本発明に係わる磁気浮上装置1’にあってはギャップセンサ21が省略され、その代わりに浮上体11およびその近傍に非接触状態から接触状態になったことを例えば圧電ゴム28により検出する接触検出手段29、および接触時の浮上体の姿勢を維持する補助支持手段31が備えられている。また、励磁電圧演算部25には励磁電流Δizから浮上ギャップ長偏差Δzおよびその速度d(Δz)/dtを推定する、例えばオブザーバで構成される姿勢推定手段33と、補助支持手段31で維持された姿勢から浮上状態へ移行する場合のオブザーバの初期値となるべきx0を演算する姿勢演算手段35と、接触によりオブザーバの出力値を初期状態に戻すための推定初期化手段37と、初期化されたオブザーバに姿勢演算手段で計算されたx0を初期値として設定するための初期値設定手段39とが備えられている。そして、推定された励磁電流Δiz、浮上ギャップ長偏差Δz、およびその速度d(Δz)/dtが励磁電圧演算部25に入力され、ドライバ27を介して電磁石5が励磁される。このように、オブザーバを初期化するとともに所定の初期値を与えてやることにより、停止状態から浮上する場合や、外力その他の理由によりに浮上状態から接触状態になった場合でも、励磁電流Δizから浮上ギャップ長偏差Δzおよびその速度d(Δz)/dtを推定当初から誤差を抑えて推定することができ、浮上体11を確実に浮上状態へ移行するとともにその浮上状態を維持することができる。
【0033】
以下、本発明の実施の形態を図に基づいて詳細に説明する。
【0034】
<第1の実施の形態>
図3ないし図7は第1の実施の形態による磁気浮上装置の主要部を示しものである。
【0035】
図3に示すように、この磁気浮上装置40は、建物の天井を構成する天板42の下面に所定の取付方法で取付けられた強磁性部材からなるガイドレール44とこのガイドレール44を天板42に取付けることにより生じた凹凸を天板42の所定の範囲において平面に修正する非磁性体からなる平面補正部材45とで構成される上部支持部材46と、床48に所定形状の溝50を掘って構成される下部支持部材52と、上部支持部材46および下部支持部材52の間に介在し、両者間の間隔によって幾何学的に転倒することが妨げられている仕切体54とを備えている。ガイドレール44にはその下面所定位置に穿たれ断面が逆U字形状で仕切体54の上部を案内するための上部ガイド溝56が形成されている。
【0036】
仕切体54は、仕切体54に取付けられ、仕切体54をガイドレール44に対して非接触で支持する2つの磁石ユニット60a,60bと、仕切体54を非接触で支持するために磁石ユニット60a,60bの吸引力を制御する吸引力制御手段としての制御装置70と、磁石ユニット60a,60bおよび制御装置70に必要な電力を供給する電源装置72と、磁石ユニット60a,60bが台板62を介して取付けられているフレーム部80と、フレーム部80にはめ込まれ、たとえばガラスやアルミ、木材、紙等で構成された仕切板82とで構成されている。
【0037】
磁石ユニット60a,60bは永久磁石64と電磁石66,66’とで構成され、電磁石66,66’の先端がガイドレール44の下面と対向するように全体としてU字形状に組み立てられている。電磁石66,66’は角柱状の鉄心68(68')をコイル69(69')に挿入して構成され、コイル69,69’は励磁時の際に互いの磁束を強め合うように直列に結線されている。電磁石66,66’の先端部には、これらが励磁されていない時に永久磁石64の吸引力で磁石ユニット60a,60b’がガイドレール44に吸着して固着することを防止し、かつ吸着状態でも仕切体54の移動に支障が出ないように固体潤滑部材で表面処理した圧電ゴム73a,73bが取付けられている。ここで圧電ゴム73a,73bは磁石ユニット60a,60bのそれぞれのガイドレール44への接触時に吸引力により電気抵抗がゼロに近くなる性質を有しており、仕切体54の接触状態を検出するのに好適なものである。
【0038】
フレーム部80は、断面が逆U字形状でその上部に取付けられた固定台83と、この固定台83に固着された支持棒84と、この支持棒84の先端部に回転可能に取付けられ上部ガイド溝56に嵌入して仕切体54の上部をガイドレール44に沿って案内する案内シュー86と、溝50に嵌入し仕切体54の下部を溝50に沿って案内する2つの案内車輪88,88’と、仕切体54が壁面に沿って移動する際に挟まれ事故を防止するために柔軟な材料たとえば軟質ゴム等で構成されるガード部材89と、断面がU字形状でその凹部で左右から仕切板82を挟み込むための側面フレーム91と、左右の側面フレーム91の下側端面に所定の方法で固定され下面両端所定位置に案内車輪88,88’の車軸93を有する底面フレーム95と、硬質の圧電ゴムで構成され底面フレーム95の下面に貼付られ磁石ユニット60の吸引力喪失時等の場合に底面フレーム95が直接床48の上面に当たるのを防ぐとともに浮上体としての仕切体54の接触を検出する緩衝部材97と、上部基台101、下部基台103および側板104で箱状に構成されその内部にそれぞれ2分割された制御装置70および電源装置72を備えるとともに上部基台101上面に磁石ユニット60が取付けられ下部基台103下面に左右の側面フレーム91の上側端面が所定の方法で固定された上部フレーム105とで構成されている。上部フレーム105の上部には側面に沿って磁石ユニット60a,60bを視界から遮るカバー107が取付けられており、磁気浮上装置10のデザイン性を高めている。
【0039】
磁石ユニット60a,60bの各吸引力は制御装置70により制御され、仕切体54がガイドレール44に対して非接触に支持される。
【0040】
制御装置70は図5および図6に示すように構造的に分割型に構成されてはいるが、たとえば図8に示すように、機能的には全体として1つに構成されている。なお、図8以下のブロック図において、矢印線は信号経路を、また棒線はコイル40周辺の電力経路を示している。さらに、磁石ユニット60aにおいて2つの直列に接続されたコイル69,69’をまとめてコイル69aと表し、同様に磁石ユニット60bの2つのコイル69,69’をコイル69bと表すことにする。
【0041】
制御装置70はフレーム部80に取付けられて磁石ユニット60a,60bの励磁電流を検出するセンサ部111と、磁石ユニット60a,60bに仕切体54を非接触支持させるべく各コイル69a,69bへの印加電圧をセンサ部111からの信号に基づいて演算する演算回路112と、演算回路112の出力に基づいて各コイル69a,69bに励磁電流を供給するパワーアンプ(電力増幅器)113a,113bとで構成されており、これらで2つの磁石ユニット60a,60bの吸引力をz軸方向およびy軸周りについて独立に制御する。なお、パワーアンプ113a,113bは冷却のため上部基台101上面に取付けられた冷却フィン114に装着されている。
【0042】
電源装置72はパワーアンプ113a,113bに電力を供給するとともに、演算回路112に一定電圧で電力を供給する定電圧装置118にも電力を供給している。この電源装置72はパワーアンプ113a,113bに電力を供給するため、図示していない電源線を介して仕切体54の外部から供給される交流電力をパワーアンプへの電力供給に適した直流に変換する機能を有している。定電圧装置118は、パワーアンプ113への大電流の供給などにより電源装置72の電圧が変動しても常に一定の電圧で演算回路112に電力を供給する。このため、演算回路112は常に正常に動作する。
【0043】
センサ部111は各コイル69a,69bの電流値を検出する電流検出器121a,121bで構成されている。
【0044】
演算回路112は、図3に示される運動座標系ごとに仕切体54の磁気浮上制御を行う。すなわち、仕切体54の重心のz座標に沿った上下動を表すzモード(上下動モード)、仕切体54の重心回りのピッチングを表すξモード(ピッチモード)の制御を行う。この2つのモードに対し、前述の発明の原理に基づいて磁石ユニット60a,60bのコイル励磁電流が検出され、磁気浮上制御が行われる。
【0045】
より詳細には、演算回路112は次のように構成されている。電流検出器121a,121bからの励磁電流検出信号ia,ibからそれぞれの電流設定値ia0,ib0を減算して得られる電流偏差信号Δia, Δibを演算する減算器123a,123bと、z方向の運動に関わる電流偏差Δiz、同重心周りのピッチングに関わる電流偏差Δiξを演算するモード励磁電流演算部としての励磁電流偏差座標変換回路125と、励磁電流偏差座標変換回路125の出力Δiz, Δiξからz, ξの各モードにおいて仕切体54の重心の所定位置からの上下偏差Δzおよびその速度d(Δz)/dtを推定する上下動モード姿勢推定手段127a、仕切体54のピッチ偏差Δξおよびその速度d(Δξ)/dtを推定するピッチモード姿勢推定手段127b、圧電ゴム73a,73bおよび緩衝部材97の電気抵抗値から仕切体54の上部支持部材46または下部支持部材52への接触を検出する接触検出手段129、接触検出手段129からの接触信号に基づいて接触時の仕切体54の姿勢からzモードにおける上下偏差Δz0を計算する姿勢演算手段131aと、同ξモードにおけるピッチ偏差Δξ0を計算する姿勢演算手段131bと、姿勢演算手段131aの出力Δz0を姿勢推定の初期値として上下動モード姿勢推定手段127aに与える上下動モード初期値設定手段133aと、姿勢演算手段131bの出力Δξ0を姿勢推定の初期値としてピッチモード姿勢推定手段127bに与える初期値設定手段133bと、接触直前までの上下動モード姿勢推定手段127aが推定していた上下偏差Δz、その速度d(Δz)/dtおよび励磁電流偏差Δizの推定値をリセットする上下動モード推定初期化手段135aと、接触直前までのピッチモード姿勢推定手段127bが推定していたピッチ偏差Δξ、その速度d(Δξ)/dtおよび励磁電流偏差Δiξの推定値をリセットするピッチモード推定初期化手段135bと、仕切体54を安定に磁気浮上させるモード別電磁石制御電圧ez, eξをそれぞれ上下動モード姿勢推定手段127aおよびピッチモード姿勢推定手段127bの出力に基づいて演算する励磁電圧演算部136としての上下動モード制御電圧演算回路137aおよび同ピッチモード制御電圧演算回路137bと、各モードの制御電圧演算回路137a、137bの出力ez, eξから磁石ユニット60a,60bのそれぞれの電磁石励磁電圧ea, ebを演算する励磁電圧演算部136としての制御電圧座標逆変換回路139とで構成されている。そして、制御電圧座標逆変換回路139の演算結果、つまり上述した電圧ea, ebがパワーアンプ113a,113bに与えられる。
【0046】
ここで、仕切体54の接触時において上部支持部材46と下部支持部材52で仕切体54の姿勢が維持されるので、本実施の形態においては上部支持部材46と下部支持部材52が補助支持手段を構成する。
【0047】
仕切体54の接触時の姿勢には、
▲1▼ 磁石ユニット60a,60bが圧電ゴム73a,73bを介して上部支持部材46に接触している姿勢(磁石ユニット60aのギャップ長がza1、磁石ユニット60bのギャップ長がzb1)
▲2▼ 底面フレーム95が緩衝部材97を介して下部支持部材52に接触している姿勢(磁石ユニット60aのギャップ長がza2、磁石ユニット60bのギャップ長がzb2)、
▲3▼ 磁石ユニット60aが圧電ゴム73aを介して上部支持部材46に接触するとともに底面フレーム95が緩衝部材97を介して下部支持部材52に接触している姿勢(磁石ユニット60aのギャップ長がza3、磁石ユニット60bのギャップ長がzb3)、
▲4▼ 磁石ユニット60bが圧電ゴム73bを介して上部支持部材46に接触するとともに底面フレーム95が緩衝部材97を介して下部支持部材52に接触している姿勢(磁石ユニット60aのギャップ長がza4、磁石ユニット60bのギャップ長がzb4)
の4つのパターンが存在する。接触検出手段129はこれらの接触姿勢パターンに対応して例えば、パターン信号「6」、「1」、「5」、「3」を出力する。これ以外のパターンは浮上状態とみなすことにより接触検出手段129はパターン信号「0」を出力する。
【0048】
上下動モード姿勢演算手段131aでは接触検出手段129の出力に応じて、
【数5】
が計算される。つまり、接触検出手段129の出力が6の場合にはzaにza1が代入され、zbにzb1が代入される。ここで、z0は所定の浮上状態にあるときの磁石ユニット60a,60bの浮上ギャップ長の平均値である。接触検出手段129の出力がパターン信号「1」の場合には、zaにza2が、zbにzb2が代入され、信号「5」の場合にはzaにza3が、zbにzb3が代入される。そして、接触検出手段129の出力がパターン信号「3」の場合にはzaにza4が、zbにzb4が代入されて接触検出手段129の出力に基づいた接触時の上下偏差Δz0が計算される。同様にして、ピッチモード姿勢演算手段131bでは、lξを磁石ユニット60a,60bの中心間距離として
【数6】
により接触検出手段129の出力に基づいて接触時のピッチ偏差Δξ0が計算される。
【0049】
上下動モード姿勢推定手段127aは上下動モード初期値設定手段133aおよび上下動モード推定初期化手段135aとともに図9に示すように構成されている。すなわち、上下モードにおけるオブザーバを実現するために、上下動モード姿勢推定手段127aは励磁電流偏差座標変換回路125の出力Δizを入力とするゲイン補償器141,143,145と、積分器147,149,151と、積分器147の出力を入力するゲイン補償器153と、積分器149の出力を入力するゲイン補償器155,157と、積分器151の出力を入力するゲイン補償器159,161,163と、上下動モード制御電圧演算回路137aの出力ezを入力とするゲイン補償器165と、ゲイン補償器141,155,159の出力を加算して積分器147への入力を出力する加算器167と、ゲイン補償器143,153,161の出力を加算して積分器149への入力を出力する加算器169と、ゲイン補償器145,157,163,165の出力を加算して積分器151への入力を出力する加算器171と、各積分器147,149,151のそれぞれに付随する初期値設定(図示省略)と、同じく各積分器147,149,151のそれぞれに付随する推定初期化手段(図示省略)と、ゲイン補償器157への分岐後の積分器147の出力を所定値の範囲内に制限する推定出力制限手段としてのリミッタ184とを備えている。
【0050】
各積分器147,149,151は同一構成を持っており、例えば積分器147とこれに付随する初期値設定手段および推定初期化手段は図10に示すように構成される。すなわち、加算器167の出力が入力される抵抗185とコンデンサ187とオペアンプ(演算増幅器)189とで構成される積分器147はコンデンサ187を短絡するリレー部191を備える。接触検出手段129の出力が接触の検出によりゼロでなくなるとリレー部191が動作してコンデンサ187を短絡し、積分器147の積分結果はゼロにリセットされる。本実施の形態では接触検出手段129の接触検出により短絡するリレー部191が上下動モードの推定初期化手段135’を構成している。一方、積分器147の出力は抵抗193に接続されている。この抵抗193と、接触検出手段129の接触検出により上下動モード姿勢演算手段131aの出力するΔz0を入力しΔz0に対応する電圧を発生する初期値電圧発生装置195と、初期値電圧発生装置195に接続された抵抗197と、抵抗199,201と、オペアンプ203とが上下動モードの初期値設定手段133’を構成している。他の積分器149、151も同一構成であるが、これらに付随する初期値電圧発生装置195は積分器149、151に対応する初期値としてゼロを出力する。これら3つの積分器147,149,151に付随する推定初期化手段および初期値設定手段133’が全体として上下動モード推定初期化手段135aおよび上下動モード初期値設定手段133aを構成しており、差動構成されるオペアンプ203の出力が各積分器147,149,151の出力となる。つまり、上下動モード姿勢推定手段127aの推定結果である上下偏差Δz、その速度d(Δz)/dtおよび励磁電流偏差Δizのそれぞれの推定値が出力される。
【0051】
ピッチモード姿勢推定手段127b、ピッチモード初期値設定手段133bおよび上下動モード推定初期化手段135bも同様に図9および図10に示すように構成されている。簡単のため、対応する入出力信号を信号名で示し説明は省略する。ただし、ピッチモードでは積分器147に付随する初期値電圧発生装置195はピッチモード姿勢演算手段127bの出力するΔξ0を入力し、そのΔξ0に対応する電圧を発生するように構成されている。ピッチモードの各積分器147,149,151からはピッチモード姿勢推定手段127bの推定結果であるピッチ偏差Δξ、その速度d(Δξ)/dtおよび励磁電流偏差Δiξの推定値が出力される。
【0052】
上下動モード制御電圧演算回路137aは例えば図11に示すように構成されている。すなわち、上下偏差Δz、その速度d(Δz)/dtおよびΔizの推定値に適当なフィードバックゲインを乗じるゲイン補償器205と、電流偏差目標値発生器207と、Δizを電流偏差目標値発生器207の目標値から減じる減算器209と、減算器209の出力値を積分し適当なフィードバックゲインを乗じる積分補償器211と、ゲイン補償器205の出力値の総和を演算する加算器213と、積分補償器211の出力を入力として所定の範囲内で入力と等しい値を出力するとともに、入力が同範囲の上限値を越える場合には上限値を出力し、下限値を下回る場合には下限値を出力する積分出力制限手段215と、加算器213の出力値を出力制限手段215の出力値より減じてzモードの電磁石励磁電圧ezを出力する減算器217と、減算器217の出力を所定値の範囲内に制限する電圧出力制限手段としてのリミッタ218とで構成されている。
【0053】
ピッチモード制御電圧演算回路137bもまた上下動モード制御電圧演算回路137aと同様に構成されており、対応する入出力信号を信号名で示し、説明は省略する。
【0054】
次に、以上のように構成された第1の実施の形態に係る仕切体支持装置の作用について説明する。
【0055】
装置が停止状態にあるときは、磁石ユニット60a,60bの鉄心68(68’)の先端が、圧電ゴム73を介してガイドレール44の下面に吸着している。この状態で装置を起動させると、制御装置70において、圧電ゴム73の働きにより接触検出手段129が仕切体54の上部支持部材46への接触を検出してパターン信号「6」を出力し、姿勢演算手段127a、127bでは磁石ユニット60aのギャップ長がza1、磁石ユニット60aのギャップ長がzb1であることに基づいて、式(10)および式(11)によりzモード上下偏差の推定初期値Δz0とξモードピッチ偏差の推定初期値Δξ0が演算される。各モードの姿勢推定手段127a,127bでは初期値設定手段133a,133bにより推定初期値が設定される。このとき、推定初期化手段135a,135bでは接触検出手段129の出力がゼロでないため、リレー部191がオンとなり、積分器147,149,151が短絡されて積分結果がクリアされ、姿勢推定手段127a,127bが初期化される。これにより、初期値設定手段133aの働きにより姿勢推定手段127aから出力される上下偏差Δz、その速度d(Δz)/dtおよびΔizの推定値はそれぞれΔz0,0,0、初期値設定手段133bの作用により姿勢推定手段127bから出力されるピッチ偏差Δξ、その速度d(Δξ)/dtおよび励磁電流偏差Δiξの推定値はそれぞれΔξ0,0,0となる。
【0056】
各モードの制御電圧演算回路137a,137bは、姿勢推定手段127a,127bの推定結果が入力されると上下偏差Δz0,ピッチ偏差Δξ0をゼロにするよな励磁電圧ez,eξを計算する。制御電圧座標逆変換回路139では制御電圧演算回路137a,137bの励磁電圧計算結果を受けてコイル69a,69bの励磁電圧ea,ebが計算され、パワーアンプ113a,113bを介して磁石ユニット60a,60bの吸引力が制御される。この状態で、制御装置70は永久磁石64が発生する磁束と逆向きの磁束を各電磁石66,66’に発生させ、磁石ユニット60a,60bとガイドレール44との間に所定の空隙長を維持させるべく各コイル69a,69bに流す電流を制御する。これによって、仕切体54はガイドレール44の下面から離れて浮上状態に移行する。仕切体54が浮上状態に移行すると、接触検出手段129は0を出力し、これによりに推定初期化手段135a、135bではリレー部191がOFFとなり、積分器147,149,151が積分動作を開始する。このとき、初期値設定手段133a,133bでは接触検出手段129が0を出力しているので直前の接触時の出力値が維持される。これにより、浮上開始状態では、姿勢推定手段127aでは初期値を(Δz0,0,0)、姿勢推定手段127bでは初期値を(Δξ0,0,0)として推定が開始される。姿勢推定手段127a,127bの推定誤差は式(8)によれば初期値の誤差が少ないほど時間の経過とともに急速に減少する。
【0057】
本実施の形態では、浮上開始時の上下偏差とピッチ偏差が推定初期値と一致しているため推定開始時の誤差が小さくなり、推定値が実際の値に急速に収束する。また、仕切体54の姿勢は上部支持部材46と下部支持部材52により制限されるが、リミッタ184には上下偏差とピッチ偏差の上下限値が飽和範囲として設定されており、推定値が実際の値に収束するまでの過渡期において姿勢推定手段127a,127bが異常な値を出力することもない。したがって、制御電圧演算回路137a,137bで演算される各モードの励磁電圧ez,eξも異常な値となることがなく、制御電圧座標逆変換回路139では制御電圧演算回路137a,137bの励磁電圧計算結果を受けてコイル69a,69bの励磁電圧ea,ebが計算され、パワーアンプ113a,113bを介して磁石ユニット60a,60bの吸引力が異常なく制御される。
【0058】
このように浮上開始時において異常なく吸引力制御が行われると、図7に示すように、永久磁石64→鉄心68→空隙G→ガイドレール44→空隙G’ →鉄心68’→永久磁石64の経路からなる磁気回路Mcが安定化され、空隙G,G’におけるギャップ長は、永久磁石34の起磁力による各磁石ユニット60a,60bの磁気的吸引力が仕切体54の重心に作用するz軸方向重力、同y軸回りのトルクとちょうど釣合うような長さになる。制御装置70はこの釣合いを維持すべく仕切体54に外力が作用すると電磁石66a,66b’の励磁電圧制御を行い、いわゆるゼロパワー制御がなされることになる。
【0059】
ここで、本実施の形態に関わる磁気浮上装置10を用いて図12に示す引き戸を構成した場合について説明する。この引き戸は壁面220の開口部に取付けられた磁気浮上装置によって構成されており、ガイドレール44は開口部左端かつ壁面220側に向かって(x方向およびy方向に向かって)わずかに傾斜して取付けられ、ゼロパワー制御で非接触支持されている仕切体54は外部から力を加えない状態で扉が閉じた状態となる。この状態において、磁石ユニット60a,60bが対向するガイドレール44の対向面には磁性体が張出している部位A,B,Cがあり、磁石ユニット60a,60bにはこの部位への吸引力が係留力として作用する。このため、風や建物の僅かな揺れで仕切体54が開くことはない。今、この扉を開ける場合、仕切体54にx方向の力を作用させると、案内車輪88,88’が溝50の直線部に沿って、案内シュー86が上部案内溝56に沿って移動するため、非接触支持されている仕切体54は軽くかつ滑らかに移動して扉が開くことになる。開いた扉はガイドレール44の傾斜に沿って滑走し、再び扉が閉じた状態を呈する。一方、閉じている扉をy方向に押す場合には案内車輪88が溝50の曲線部に沿って移動するため、仕切体54は案内車輪88’の車軸93および案内シュー86の支持棒84を中心として回転を開始する。このとき車軸93および支持棒84のそれそれの軸中心が一致していることは言うまでもない。回転を開始した仕切体54は2つの車軸93間に引いた直線L1〜L7で表される姿勢に順次移行しながらx方向に移動する。つまり、本実施の形態に係る磁気浮上装置では、仕切体の重量を非接触支持することにより扉の操作力や開閉時の騒音を著しく軽減しているばかりか、仕切体に滑らかな二次元的移動を付与することを可能にしており、車椅子から引き戸を開けるような場合でも、扉を押すことにより容易に引き戸を開けることができ、操作性並びに操作感を著しく向上させることができる。
【0060】
なお、仕切体54が非接触支持されている場合には案内車輪88,88’および案内シュー86がそれぞれ溝50および上部ガイド溝56に嵌入しているため、過大な水平方向の外力に対して仕切体54が転倒することがない。
【0061】
一方、過大な外乱により仕切体54が上部支持部材46もしくは下部支持部材52との間に接触を生じても、本発明の磁気浮上装置にあっては、上述の仕切体54の接触時の姿勢▲1▼〜▲4▼が接触検出手段129により検出され、姿勢演算手段131、初期値設定手段133、および推定初期化手段135の作用により、姿勢推定手段127は正常な推定値を出力する。このため、仕切体54は支障なく浮上状態に復帰する。
【0062】
ここで、さらに過大な外乱により仕切体54が上部支持部材46もしくは下部支持部材52との間に衝突を生じた場合には、姿勢推定手段127の推定値が急激に変化する。こうした急激な変化では上下偏差の速度推定値およびピッチ偏差の速度推定値も急激に変化する。そうすると、各モードの制御電圧演算回路137a,137bからは電源装置72の能力以上の励磁電圧が出力される。こうなると姿勢推定手段127a,127bに入力される励磁電圧ez,eξが実際にea,ebから得られるモード別励磁電圧の値と異なることになる。そうすると、姿勢推定手段127a,127bにおいて正常な姿勢推定を行うことができなくなり、浮上状態を安定化させることが困難となる。しかし、本実施の形態による磁気浮上装置10にあっては、励磁電圧演算部136の上下動モード制御電圧演算回路137aおよびピッチモード制御電圧演算回路137bがそれぞれの電圧出力制限手段としてリミッタ218を備えている。リミッタ218には電源装置72の能力限界に係わる各モードにおける電圧値が飽和値として設定されており、姿勢推定手段127a,127bに入力される励磁電圧ez,eξが実際にea,ebから得られるモード別励磁電圧の値と異なることがない。このため、さらに過大な外乱により仕切体54が上部支持部材46もしくは下部支持部材52に衝突しても姿勢推定手段127a,127bは支障なく動作し、仕切体54は再び浮上状態に戻ることになる。このように、本発明による磁気浮上装置にあっては浮上状態の信頼性を大きく向上させることができる。
【0063】
図4および図12に示すようにガイドレール44に分岐個所が存在する場合、従来のギャップセンサを有する磁気浮上装置では、ギャップセンサの軌跡に沿って配置された、センサの検出原理に適合した材質のセンサターゲットが必要であったが、本発明の磁気浮上装置にあってはギャップセンサが不要なため、センサターゲットを省略することができ、装置の簡素化および低コスト化を図ることができる。
【0064】
かくして、安定な浮上状態を維持していた磁気浮上10を停止させる場合は、例えば、zモードの電流目標値発生器207の電流目標値をゼロから負の所定の値に変化させれば良く、これにより仕切体54は上部支持部材46に吸着する。ここで電源装置72の図示しないスイッチをオフすることにより装置の動作を停止させることができる。
【0065】
<第2の実施の形態>
次に、本発明の第2の実施の形態を図13に基づいて説明する。第1の実施の形態では、磁石ユニットが浮上体側に取付けられていたが、これは磁石ユニットの取付位置をなんら限定するものでなく、図13に示したように磁石ユニットを地上側に配置しても良い。なお、説明の簡単化のために、以下、第1の実施の形態と共通する部分には同一の符号を用いて説明する。
【0066】
磁気浮上装置300は、断面がコ字形状で非磁性体、例えばアルミニウム部材で形成され、地上に設置された補助支持手段302と、補助支持手段302の上部下面に下向きに取付けられた磁石ユニット60と、磁石ユニット60に対向する断面がコ字形状の強磁性部材、例えば鉄で形成されたガイド304と、ガイド304を底部上面に備え全体としてコ字形状に形成された防振台テーブル306と、防振台テーブル306の側面に取付けられ地上に対して垂直方向にのみ動きの自由度を防振台テーブル306に付与するリニアガイド308と、磁石ユニット60の吸引力を制御して防振テーブルを非接触支持するための吸引力制御手段15とを備えている。
【0067】
吸引力制御手段15は、補助支持手段302の底部上面に取付けられたマイクロスイッチ310と磁石ユニット60の磁極面に張られた圧電ゴム312を備えた接触検出手段314と、接触検出手段314の接触検出信号から防振テーブル306の防振テーブル306もしくは磁石ユニット60へ接触時の浮上ギャップ長を計算する姿勢演算手段35と、磁石ユニット60の励磁電流を検出する電流センサ23と、磁石ユニット60への励磁電流および励磁電圧から防振テーブル306の浮上姿勢を推定する姿勢推定手段25と、姿勢演算手段35の出力に基づいて姿勢推定手段33に推定初期値を設定する初期値設定手段39と、接触検出手段314の出力に基づいて姿勢推定手段25を初期化する推定初期化手段13と、姿勢推定手段25の出力に基づいて防振テーブル306を磁気浮上させるための磁石ユニット60への励磁電圧を演算する励磁電圧演算部25と、励磁電圧25の出力に基づいて磁石ユニット60を励磁する図示していない電源に接続されたパワーアンプ113とを備えている。
【0068】
磁石ユニットをこのように配置することにより防振テーブルの重量を磁石ユニットの分だけ軽減できるという利点がある。
【0069】
<第3の実施の形態>
本発明の第3の実施の形態を図14に基づいて説明する。上記の第1および第2の実施の形態では、姿勢推定手段として同一次元状態観測器を用いていたが、これは姿勢推定手段の構成をなんら限定するものでなく、本発明の要旨の範囲内であればいかなる推定手段であっても差し支えない。例えば、図14に示す最小次元オブザーバを用いた場合の構成であっても良い。
【0070】
例えば、図13の磁気浮上装置300にあっては次式の最小次元オブザーバで構成された姿勢推定手段400を用いることができる。すなわち、
【数7】
ただし,zobはオブザーバの状態ベクトル、α1,α2はオブザーバの極を決定するパラメータであり、y = Δizである。
【0071】
姿勢推定手段400は、Δizを入力とするゲイン補償器402,404,406,407と、積分器408,410と、積分器408の出力を入力するゲイン補償器412と,積分器410の出力を入力するゲイン補償器414,416と、励磁電圧演算部324の出力ezを入力とするゲイン補償器418,420と、ゲイン補償器404,406,414の出力を加算して積分器408への入力を出力する加算器422と、ゲイン補償器412,416,418,420の出力を加算して積分器410への入力を出力する加算器424と、ゲイン補償器402と積分器408の出力を加算する加算器426と、ゲイン補償器407と積分器410の出力を加算し、速度d(Δz)/dtの推定値を出力する加算器428と、加算器426の出力を所定値の範囲内に制限する推定出力制限手段としてのリミッタ430とを備えている。ここでリミッタ430の出力が上下偏差Δzの推定値となることは言うまでもない。
【0072】
さらに、姿勢演算手段400にはΔizの入力端に切替手段432が備えられている。切替手段432では接触検出手段314が接触を検出している間はそれまで入力されていたΔizをゼロに切替え、接触が検出されなくなるとそのゼロをΔizに切替える機能を有している。姿勢推定手段として最小次元オブザーバを用いる場合、Δizがゲイン補償器402→加算器426→リミッタ430を介して直接上下偏差Δzの推定値として出力されるので、接触時において設定された積分器408の接触時の防振テーブル306の姿勢情報にα1Δizが加算されることになる。すると、姿勢演算手段400の上下偏差Δzの推定値が実際と異なることになり、防振テーブル306の浮上状態への移行に支障を来すこととなる。この場合では切替え手段432の作用により接触時に防振テーブル306の姿勢情報にα1Δizが加算されることはなく、姿勢演算手段400の出力は実際の値に近いものとなる。こうなると防振テーブル306の浮上状態への移行に支障を来すことがなく信頼性が向上する。本実施の形態ではΔizの入力端に切替手段432を備えたが、これは姿勢推定手段の接触時の推定値を実際の値に近づけるための手段であり、姿勢推定手段の構成によってはezの入力端に切替手段432を設けてもなんら差し支えない。本実施の形態では姿勢演算手段に最小次元オブザーバを適用しているが、この場合、積分器を減らすことができるという利点がある。
【0073】
<変形例>
上記各実施の形態では、磁気浮上制御を行う制御装置がアナログ型であるかのように説明されているが、本発明の制御装置はアナログ型に限定されるものではなく、デジタル型のもので実施することもできる。
【0074】
また、上記各実施の形態では、パワーアンプに電圧形のものを用いているが、これはパワーアンプの方式を何ら限定するものではなく、例えばPWM形のものであって何ら差し支えない。
【0075】
加えて、上記各実施の形態では、磁石ユニットにU字形状のものを用いているが、これは磁石ユニットの形状を何ら限定するものでなく、例えばE字形状のものであって良い。
【0076】
さらに、上記各実施の形態では、磁石ユニットに永久磁石を用いているが、これは磁石ユニットの構成をなんら限定するものでなく、永久磁石を持たずに電磁石のみで磁石ユニットを構成しても良い。
【0077】
また、パワーアンプ(電力増幅器)として電圧形のものを用いているが、これはドライバの電磁石駆動方式を何ら限定するものではなく、例えばPWM形のものであって良い。
上記のほか、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。
【0078】
【発明の効果】
本発明の磁気浮上装置によれば、磁石ユニットの励磁電流からギャップ長とその速度に関する情報を推定でき、ギャップセンサを省略した磁気浮上が可能となる。このため、ギャップセンサのコストが削減されるばかりでなく、センサターゲットが不要となり、装置の簡素化によるシステム全体のコストダウンを達成することができる。
【0079】
また、線型制御理論を適用することができるため、従来のセンサレス磁気浮上方式に比べ、浮上状態のロバスト安定性を確保することができ、装置の信頼性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の原理を説明するための構成図。
【図2】本発明の原理を説明するための他の構成図。
【図3】本発明による磁気浮上装置の第1の実施の形態の全体構成を示す斜視図。
【図4】図3の実施の形態の平面図。
【図5】図3の実施の形態の正面図。
【図6】図3の実施の形態の立面図。
【図7】図3の実施の形態における磁石ユニットの立面図。
【図8】図3の実施の形態における制御装置の内部構成を示すブロック図。
【図9】図3の実施の形態における制御装置内の姿勢推定手段の詳細構成を示すブロック図。
【図10】図3の実施の形態における姿勢推定手段の積分器周辺の構成を示す回路図。
【図11】図3の実施の形態における制御装置内の制御電圧演算回路の詳細構成を示す回路図。
【図12】図3の実施の形態における仕切体の作用を説明するための平面図。
【図13】本発明による磁気浮上装置の第2の実施の形態の全体構成を示すブロック構成図。
【図14】本発明による磁気浮上装置の第3の実施の形態における姿勢推定手段の構成を示すブロック図。
【符号の説明】
1,1',40,300 磁気浮上装置
3,64 永久磁石
5,66,66' 電磁石
7,60,60a,60b 磁石ユニット
9 負荷重量
11 浮上体
13,304 ガイド
15 吸引力制御手段
17a,17b 継鉄
19a,19b,69,69',69a,69b コイル
21 ギャップセンサ
23 電流センサ
25,324 励磁電圧演算部
27 ドライバ
28,73a,73b,312 圧電ゴム
29,129,314 接触検出手段
31,302 補助支持手段
33,127a,127b,318,400 姿勢推定手段
35,131a,131b,316 姿勢演算手段
37,135a,135b,322 推定初期化手段
39,133a,133b,320 初期値設定手段
42 天井
44 ガイドレール
45 平面補正部材
46 上部支持部材
48 床
50 溝
52 下部支持部材
54 仕切体
56 上部ガイド溝
62,62' 台板
68,68' 鉄心
70 制御装置
72 電源装置
80 フレーム部
82 仕切板
83 固定台
84 支持棒
86 案内シュー
88,88' 案内車輪
89 ガード部材
91 側面フレーム
93 車軸
95 底面フレーム
97 緩衝部材
101 上部基台
103 下部基台
104 側板
105 上部フレーム
107 カバー
111 センサ部
112 演算回路
113,113a,113b パワーアンプ
114 冷却フィン
121a,121b 電流検出器
123a,123b,209,217 減算器
125 励磁電流偏差座標変換回路
127a 上下動モード姿勢推定手段
127b ピッチモード姿勢推定手段
136 制御電圧演算部
137a 上下動モード制御電圧演算回路
137b ピッチモード制御電圧演算回路
139 制御電圧座標逆変換回路
141,143,145,153,155,157,159,161,163,205,402,404,406,407,412 ゲイン補償器
147,149,151,408,410 積分補償器
167,169,171,213,422,424,426,428 加算器
184,218,430 リミッタ
185,193,197,199,201 抵抗
187 コンデンサ
189,203 オペアンプ(演算増幅器)
191 リレー部
195 初期値電圧発生装置
207 電流目標値発生器
215 出力制限手段
220 壁面
306 防振テーブル
308 リニアガイド
310 マイクロスイッチ[0001]
[Field of the Invention]
The present invention relates to a magnetic levitation apparatus that supports a levitated body in a non-contact manner by attractive magnetic levitation.
[0002]
[Prior art]
Normal conducting suction type magnetic levitation has no noise or dust generation, and has already been put to practical use in railways such as HSST (Super High Speed Surface Transporter) and Transrapid, in a clean room transport system in a semiconductor factory, and the like. The magnetic levitation system is inherently unstable in normal conduction attraction type magnetic levitation in which an electromagnet is placed opposite to a ferromagnetic member and the levitation body is levitated using the attractive force generated between the electromagnet and the ferromagnetic member. In order to stabilize this, the floating gap length, its speed, further acceleration, electromagnet excitation voltage, electromagnet excitation current are detected, and these are fed back to the attraction force control means to perform attraction force control. Has been. For this reason, in order to ensure the stability of the system, the conventional technique requires detection of the flying gap length, and the use of the gap sensor cannot be avoided. Moreover, in order to detect the gap length between the ferromagnetic member and the electromagnet with the gap sensor, a sensor target suitable for the gap sensor to be used is required, and the sensor target must be laid along with the ferromagnetic member. It was.
[0003]
Thus, when the levitation gap length is used to stabilize the magnetic levitation system, a gap sensor and a sensor target are required, which increases the cost of the apparatus. In addition, it is necessary to secure a space for mounting the gap sensor and a space for the sensor target, which is an obstacle to downsizing the apparatus. In particular, in railways and transport systems, a branch point is provided on a track composed of ferromagnetic guides, so a mechanism is required to prevent the sensor target and guide from intersecting and preventing the gap length from being detected. This also caused the system to become complicated.
[0004]
In order to solve such problems, for example, a method of estimating the gap length from an electromagnet excitation current by an observer (state observer) (Mizuno, et al .: “Research on practical application of displacement sensorless magnetic bearing”, IEEJ Transactions D Volume, 116, No. 1, 35 (1996)) and a method in which gap information is included in the phase difference signal between the electromagnet excitation voltage and the excitation current generated by AC magnetic levitation, and this is fed back to the electromagnet excitation voltage for stabilization (Moriyama: "AC magnetic levitation using differential feedback type power amplifier" 1997 IEEJ National Conference Preliminary Proceedings, No. 1215), and comparing the magnet excitation current value with the excitation current reference value with the hysteresis comparator. If the value is larger than the value, the electromagnet excitation voltage is switched to negative, and if smaller, it is switched to positive so that the switching frequency is proportional to the levitation gap length and the levitation system is stabilized ( No, et al: “Self-sensing magnetic levitation using hysteresis amplifier”, Transactions of the Society of Instrument and Control Engineers, 32, No. 7, 1043 (1996)) have been proposed as sensorless methods to eliminate gap sensors. .
[0005]
However, even with such a solution, when the observer is used, the gap length is derived from the linear model of the magnetic levitation system in the levitation state. There are problems such that it is difficult to start the levitation and the levitation body cannot return to the levitation state once it comes into contact with another structure. Furthermore, when the electromagnet excitation voltage is controlled by a physical quantity that includes gap information other than the observer, the levitation control system becomes a non-linear system, so it is difficult to determine stability, or the temperature rises due to mass change or excitation of the levitation body However, there is also a problem that it is difficult to maintain the floating state if the electric resistance of the electromagnet coil varies.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
Thus, in the conventional magnetic levitation device, the floating gap length of the floating body is fed back to the attractive force control means to realize a stable magnetic floating state of the floating body, and the gap sensor and sensor target are indispensable. It becomes. For this reason, there is a problem that the apparatus becomes large and complicated, resulting in an increase in cost. Moreover, in order to avoid such problems, if the gap length information is fed back to the suction force control means without using the gap sensor, the stability of the levitation system and the reliability of the operation are significantly impaired. Therefore, it has been quite difficult to avoid the problems of increased complexity and size of the apparatus and high cost.
[0007]
The present invention has been made based on such circumstances, and an object of the present invention is to provide a magnetic levitation device capable of simplifying and downsizing the device, reducing cost, and improving reliability.
[0008]
In order to achieve the above object, a magnetic levitation apparatus according to a first aspect of the present invention includes a magnet unit including an electromagnet, a levitated body supported by the magnet unit, and a magnetic pole of the magnet unit facing each other through a gap. A ferromagnetic member for supporting the levitated body in a non-contact manner by an attractive force acting on the magnet unit; auxiliary support means for maintaining the positional relationship between the levitated body and the ferromagnetic member when the levitated body is not in the levitated state; Sensor unit for detecting excitation current, posture estimation means for estimating the posture of the floating body relative to the ferromagnetic member based on the output of the sensor unit, contact detection means for detecting contact between the floating body and the ferromagnetic member or auxiliary support means , Attitude calculation means for calculating the attitude of the floating body relative to the ferromagnetic member at the time of contact based on the output of the contact detection means, and initialization of the attitude estimation means at the time of contact based on the output of the contact detection means Out of that estimation initialization means, the initial value setting means for setting an output value of the orientation calculation unit when the posture estimating means is initialized as the initial value of the orientation estimating means, and pose estimation means To force An attraction force control means having a drive means for controlling the attraction force of the magnet unit so that the magnetic circuit formed through the gap and the ferromagnetic member is stabilized based on the magnet unit. To do.
[0009]
According to a second aspect of the present invention, in the magnetic levitation device according to the first aspect, the magnet unit includes a permanent magnet disposed so as to share the magnetic path with the magnetic flux of the electromagnet in the gap. .
[0010]
The invention according to
[0011]
According to a fourth aspect of the present invention, in the magnetic levitation apparatus according to the third aspect, the zero power control means is constituted by posture estimation means.
[0012]
According to a fifth aspect of the present invention, in the magnetic levitation apparatus according to the first aspect, the posture estimating means is a posture of the levitated body with respect to the ferromagnetic member based on the exciting current of the electromagnet and the exciting voltage generating the exciting current. And the time change of the posture is estimated.
[0013]
According to a sixth aspect of the present invention, in the magnetic levitation apparatus according to the first aspect, the posture estimation means inputs the output of the posture estimation means, and when the input is within a predetermined saturation range, the input value is left as it is. An estimated output limiting means is provided for outputting and outputting a saturation value when it is outside a predetermined saturation range.
[0014]
The invention according to
[0015]
The invention according to claim 8 is the magnetic levitation device according to
[0016]
According to a ninth aspect of the present invention, in the magnetic levitation apparatus according to the seventh aspect, the excitation voltage calculation unit generates an attractive force that contributes to the degree of freedom of movement of the levitated body based on the output of the estimated output limiting means. Therefore, a mode excitation voltage calculation unit for calculating an excitation voltage for each mode represented by a linear combination of electromagnet excitation voltages is provided.
[0017]
The invention according to claim 10 is the magnetic levitation device according to
[0018]
According to an eleventh aspect of the present invention, in the magnetic levitation apparatus according to the ninth aspect, the mode excitation voltage calculation unit includes a voltage output limiting unit that receives the output of the mode excitation voltage calculation unit. To do.
[0019]
According to a twelfth aspect of the present invention, in the magnetic levitation apparatus according to the tenth aspect, the posture estimation means is adapted to perform the ferromagnetism of the levitated body based on the output of the excitation current calculation unit for each mode of the electromagnet and the output of the mode excitation voltage calculation unit. It is characterized in that a posture with respect to a member and a temporal change of the posture are estimated.
[0020]
According to a thirteenth aspect of the present invention, in the magnetic levitation apparatus according to the first aspect, when the posture estimation means has an integrator and the contact detection means detects contact, the estimation initialization means integrates the integrator. Is canceled and integration results Is When the initial value setting means outputs a value and the contact detection means no longer detects contact, the initial value is the value output by the initial value setting means at the time of the previous contact. It is characterized by starting.
[0021]
According to a fourteenth aspect of the present invention, in the magnetic levitation apparatus according to the seventh aspect, when the contact estimation means detects the contact, the posture estimation means is an excitation current and excitation voltage of the electromagnet input to the posture estimation means. It has switching means for switching the output of the calculation unit to zero input and switching the zero input to the excitation current of the electromagnet or the output of the excitation voltage calculation unit when the contact detection unit no longer detects contact.
[0022]
According to a fifteenth aspect of the present invention, in the magnetic levitation device according to the tenth aspect, the posture estimation means detects the contact by the contact detection means. When The mode excitation current calculation unit and the mode excitation voltage calculation unit input to the posture estimation unit are switched to zero input, and when the contact detection unit no longer detects contact, the zero input is switched to the mode excitation current calculation unit or mode It has a switching means which switches to the output of an excitation voltage calculating part.
[0023]
The invention according to claim 16 is the magnetic levitation device according to
[0024]
The invention according to claim 17 is the magnetic levitation apparatus according to
[0025]
The invention according to claim 18 is the magnetic levitation device according to
[0026]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
<Principle of the invention>
Here, the principle of the magnetic levitation apparatus of the present invention will be described. FIG. 1 shows a one-mass system magnetic levitation apparatus as a whole by
[0027]
The
[0028]
The
[0029]
The current control of the
[0030]
The magnetic levitation system of the
[Expression 1]
In formula (1), m is the mass of the levitated
[Expression 2]
It becomes. In equation (3), each element of x is a levitation state quantity, C is an output matrix, e z It is determined by the state quantity detection method used for the calculation of. In the
[Equation 3]
In this case, the
[0031]
Without using the
[Expression 4]
[0032]
Therefore, in the
[0033]
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0034]
<First Embodiment>
3 to 7 show the main part of the magnetic levitation apparatus according to the first embodiment.
[0035]
As shown in FIG. 3, the
[0036]
The
[0037]
The
[0038]
The
[0039]
Each attraction force of the
[0040]
Although the
[0041]
The
[0042]
The
[0043]
The sensor unit 111 includes
[0044]
The
[0045]
More specifically, the
[0046]
Here, since the posture of the
[0047]
The posture at the time of contact of the
(1) Posture in which the
(2) Posture in which the
(3) A posture in which the
(4) Position in which the
There are four patterns. The contact detection means 129 outputs pattern signals “6”, “1”, “5”, “3”, for example, corresponding to these contact posture patterns. The contact detection means 129 outputs a pattern signal “0” by regarding other patterns as floating states.
[0048]
In the vertical motion mode posture calculation means 131a, according to the output of the contact detection means 129,
[Equation 5]
Is calculated. That is, when the output of the contact detection means 129 is 6, z a To z a1 Is assigned and z b To z b1 Is substituted. Where z 0 Is an average value of the floating gap lengths of the
[Formula 6]
Based on the output of the contact detection means 129, the pitch deviation Δξ at the time of contact 0 Is calculated.
[0049]
The vertical movement mode posture estimation means 127a is configured as shown in FIG. 9 together with the vertical movement mode initial value setting means 133a and the vertical movement mode estimation initialization means 135a. That is, in order to realize the observer in the up / down mode, the up / down motion mode attitude estimation means 127a outputs the output Δi of the excitation current deviation coordinate
[0050]
Each
[0051]
Similarly, the pitch mode posture estimating means 127b, the pitch mode initial value setting means 133b, and the vertical movement mode estimation initializing means 135b are also configured as shown in FIGS. For simplicity, the corresponding input / output signals are indicated by signal names and description thereof is omitted. However, in the pitch mode, the initial
[0052]
The vertical movement mode control
[0053]
The pitch mode control
[0054]
Next, the operation of the partition support device according to the first embodiment configured as described above will be described.
[0055]
When the apparatus is in a stopped state, the tips of the iron cores 68 (68 ′) of the
[0056]
The control
[0057]
In this embodiment, since the vertical deviation and pitch deviation at the start of ascent match the estimated initial value, the error at the start of estimation is reduced, and the estimated value rapidly converges to the actual value. The posture of the
[0058]
When the suction force control is performed without abnormality at the start of levitation in this way, the
[0059]
Here, the case where the sliding door shown in FIG. 12 is comprised using the magnetic levitation apparatus 10 in connection with this Embodiment is demonstrated. This sliding door is constituted by a magnetic levitation device attached to the opening portion of the
[0060]
When the
[0061]
On the other hand, even if the
[0062]
Here, when the
[0063]
As shown in FIGS. 4 and 12, when the
[0064]
Thus, in order to stop the magnetic levitation 10 that has maintained the stable levitation state, for example, the current target value of the z-mode current
[0065]
<Second Embodiment>
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In the first embodiment, the magnet unit is attached to the floating body side, but this does not limit the attachment position of the magnet unit, and the magnet unit is arranged on the ground side as shown in FIG. May be. For simplification of description, the same reference numerals are used for portions common to the first embodiment.
[0066]
The
[0067]
The attraction force control means 15 is a contact detection means 314 having a
[0068]
By arranging the magnet unit in this way, there is an advantage that the weight of the vibration isolation table can be reduced by the amount of the magnet unit.
[0069]
<Third Embodiment>
A third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In the first and second embodiments described above, the same dimensional state observer is used as the posture estimation means. However, this does not limit the configuration of the posture estimation means, and is within the scope of the gist of the present invention. Any estimation means can be used. For example, a configuration using the minimum dimension observer shown in FIG. 14 may be used.
[0070]
For example, in the
[Expression 7]
Where z ob Is the observer state vector, α 1 , Α 2 Is the parameter that determines the pole of the observer, y = Δi z It is.
[0071]
Attitude estimation means 400 uses Δi z Gain compensators 402, 404, 406, 407,
[0072]
Further, the attitude calculation means 400 has Δi z The switching means 432 is provided at the input end of the. In the switching means 432, while the contact detection means 314 detects contact, Δi that has been input until then is detected. z Is switched to zero and when no contact is detected, the zero is z It has the function to switch to. When using the minimum dimension observer as posture estimation means, Δi z Is output directly as an estimated value of the vertical deviation Δz via the
[0073]
<Modification>
In each of the above embodiments, the control device that performs magnetic levitation control is described as if it was an analog type, but the control device of the present invention is not limited to an analog type, but a digital type. It can also be implemented.
[0074]
In each of the above embodiments, a voltage amplifier is used as the power amplifier. However, this does not limit the power amplifier system, and may be a PWM amplifier, for example.
[0075]
In addition, in each of the above embodiments, a U-shaped magnet unit is used. However, this does not limit the shape of the magnet unit, and may be, for example, an E-shaped one.
[0076]
Furthermore, in each of the above embodiments, a permanent magnet is used for the magnet unit. However, this does not limit the configuration of the magnet unit at all, and the magnet unit can be configured only with an electromagnet without having a permanent magnet. good.
[0077]
Moreover, although the voltage type thing is used as a power amplifier (power amplifier), this does not limit the electromagnet drive system of a driver at all, For example, a PWM type thing may be used.
In addition to the above, various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.
[0078]
【The invention's effect】
According to the magnetic levitation apparatus of the present invention, information on the gap length and its speed can be estimated from the exciting current of the magnet unit, and magnetic levitation can be performed without the gap sensor. For this reason, not only the cost of the gap sensor is reduced, but also the sensor target is not necessary, and the cost of the entire system can be reduced by simplifying the apparatus.
[0079]
In addition, since linear control theory can be applied, robust stability in the floating state can be ensured and reliability of the apparatus can be improved as compared with the conventional sensorless magnetic levitation method.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram for explaining the principle of the present invention.
FIG. 2 is another configuration diagram for explaining the principle of the present invention.
FIG. 3 is a perspective view showing the overall configuration of the first embodiment of the magnetic levitation apparatus according to the present invention.
4 is a plan view of the embodiment of FIG. 3. FIG.
FIG. 5 is a front view of the embodiment of FIG. 3;
6 is an elevation view of the embodiment of FIG.
7 is an elevation view of the magnet unit in the embodiment of FIG. 3; FIG.
8 is a block diagram showing an internal configuration of a control device in the embodiment of FIG.
9 is a block diagram showing a detailed configuration of posture estimation means in the control device in the embodiment of FIG.
10 is a circuit diagram showing a configuration around an integrator of posture estimation means in the embodiment of FIG. 3;
11 is a circuit diagram showing a detailed configuration of a control voltage calculation circuit in the control device in the embodiment of FIG. 3;
12 is a plan view for explaining the operation of the partition body in the embodiment of FIG. 3; FIG.
FIG. 13 is a block configuration diagram showing the overall configuration of a second embodiment of a magnetic levitation apparatus according to the present invention.
FIG. 14 is a block diagram showing the configuration of posture estimation means in the third embodiment of the magnetic levitation apparatus according to the present invention.
[Explanation of symbols]
1,1 ', 40,300 Magnetic levitation device
3,64 permanent magnet
5,66,66 'electromagnet
7, 60, 60a, 60b Magnet unit
9 Load weight
11 Floating body
13,304 Guide
15 Suction force control means
17a, 17b yoke
19a, 19b, 69, 69 ', 69a, 69b coil
21 Gap sensor
23 Current sensor
25,324 Excitation voltage calculator
27 Driver
28, 73a, 73b, 312 Piezoelectric rubber
29,129,314 Contact detection means
31,302 Auxiliary support means
33, 127a, 127b, 318, 400 Posture estimation means
35, 131a, 131b, 316 Attitude calculation means
37, 135a, 135b, 322 Estimation initialization means
39, 133a, 133b, 320 Initial value setting means
42 Ceiling
44 Guide rail
45 Flat correction member
46 Upper support member
48 floors
50 grooves
52 Lower support member
54 Partition
56 Upper guide groove
62, 62 'base plate
68,68 'iron core
70 Controller
72 Power supply
80 frame
82 divider
83 Fixed base
84 Support rod
86 Information shoe
88, 88 'guide wheels
89 Guard members
91 Side frame
93 axles
95 Bottom frame
97 Buffer member
101 Upper base
103 Lower base
104 Side plate
105 Upper frame
107 cover
111 Sensor unit
112 Arithmetic circuit
113, 113a, 113b Power amplifier
114 Cooling fin
121a, 121b current detector
123a, 123b, 209, 217 subtractor
125 Excitation current deviation coordinate conversion circuit
127a Vertical motion mode posture estimation means
127b Pitch mode posture estimation means
136 Control voltage calculator
137a Vertical movement mode control voltage calculation circuit
137b Pitch mode control voltage calculation circuit
139 Control voltage coordinate reverse conversion circuit
141, 143, 145, 153, 155, 157, 159, 161, 163, 205, 402, 404, 406, 407, 412 Gain compensator
147, 149, 151, 408, 410 integral compensator
167, 169, 171, 213, 422, 424, 426, 428 adder
184, 218, 430 Limiter
185, 193, 197, 199, 201 Resistance
187 capacitor
189,203 operational amplifier (operational amplifier)
191 Relay part
195 Initial voltage generator
207 Current target value generator
215 Output limiting means
220 Wall
306 Anti-vibration table
308 Linear Guide
310 micro switch
Claims (18)
前記磁石ユニットで支持される浮上体と、
前記磁石ユニットの磁極が空隙を介して対向し前記磁石ユニットの作用する吸引力で前記浮上体を非接触で支持するための強磁性部材と、
前記浮上体が浮上状態にないとき前記浮上体と前記強磁性部材の位置関係を維持する補助支持手段と、
前記電磁石の励磁電流を検出するセンサ部と、
前記センサ部の出力に基づいて前記強磁性部材に対する前記浮上体の姿勢を推定する姿勢推定手段、前記浮上体と前記強磁性部材または前記補助支持手段との接触を検出する接触検出手段、前記接触検出手段の出力に基づき接触時の前記強磁性部材に対する前記浮上体の姿勢を演算する姿勢演算手段、前記接触検出手段の出力に基づき接触時に前記姿勢推定手段を動作開始時の状態に初期化する推定初期化手段、前記姿勢推定手段が初期化される際に前記姿勢演算手段の出力値を前記姿勢推定手段の初期値として設定する初期値設定手段、前記姿勢推定手段の出力に基づいて前記磁石ユニットが前記空隙および前記強磁性部材を介して形成される磁気回路が安定化するように前記磁石ユニットの吸引力を制御する駆動手段、を有する吸引力制御手段と、
を備えていることを特徴とする磁気浮上装置。A magnet unit with an electromagnet;
A levitated body supported by the magnet unit;
A ferromagnetic member for supporting the levitation body in a non-contact manner by an attractive force acting on the magnet unit, with the magnetic poles of the magnet unit facing each other through a gap;
Auxiliary support means for maintaining the positional relationship between the floating body and the ferromagnetic member when the floating body is not in a floating state;
A sensor unit for detecting an excitation current of the electromagnet;
Attitude estimation means for estimating the attitude of the floating body relative to the ferromagnetic member based on the output of the sensor unit, contact detection means for detecting contact between the floating body and the ferromagnetic member or the auxiliary support means, the contact Attitude calculation means for calculating the attitude of the floating body with respect to the ferromagnetic member at the time of contact based on the output of the detection means; Based on the output of the posture estimation means , the initial value setting means for setting the output value of the posture calculation means as the initial value of the posture estimation means when the posture estimation means is initialized. attraction system which unit has a drive means, for controlling the suction force of the magnet unit so as to stabilize the magnetic circuit is formed through the gap and the ferromagnetic member And means,
A magnetic levitation device comprising:
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2002
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CN109184442A (en) * | 2017-07-07 | 2019-01-11 | 王九洲 | magnetic suspension door window control system |
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