JP4320632B2 - 磁気浮上用アクチュエータ駆動装置 - Google Patents
磁気浮上用アクチュエータ駆動装置 Download PDFInfo
- Publication number
- JP4320632B2 JP4320632B2 JP2004354836A JP2004354836A JP4320632B2 JP 4320632 B2 JP4320632 B2 JP 4320632B2 JP 2004354836 A JP2004354836 A JP 2004354836A JP 2004354836 A JP2004354836 A JP 2004354836A JP 4320632 B2 JP4320632 B2 JP 4320632B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- actuator
- current
- electromagnetic actuator
- thrust
- command
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Landscapes
- Control Of Vehicles With Linear Motors And Vehicles That Are Magnetically Levitated (AREA)
Description
本発明は、制御対象を浮上状態に制御する磁気浮上用アクチュエータ駆動装置に関する。
従来の磁気浮上用アクチュエータ駆動装置は、制御対象の鉛直方向の上側に引き上げ用電磁アクチュエータのコアの一方を固定し、制御対象を上昇させるときは引き上げ用電磁アクチュエータの推力を上げ、下降させるときはアクチュエータの推力を下げるようになっている。通常、制御対象の姿勢を制御するため、同様のアクチュエータを複数用いて３点または４点で支持する。
また、通常、消費電力を抑えるため、アクチュエータには永久磁石を備え、制御中心点付近で、永久磁石の吸引力による上向きの力と重力による下向きの力が釣り合うように設計している（例えば、非特許文献１参照）。
さらに、制御対象の鉛直方向の上側および下側にそれぞれ引き上げ用電磁アクチュエータと引き下げ用電磁アクチュエータを備えるものもあるが（例えば、非特許文献２参照）、引き上げ用電磁アクチュエータと引き下げ用電磁アクチュエータに対して分配する電流値を決定する際の指標として消費電力は考慮されておらず、単純に引き下げ時には引き下げ用電磁アクチュエータのみ、引き上げ時には引き上げ用電磁アクチュエータのみを使用している。また、引き上げ用電磁アクチュエータと引き下げ用電磁アクチュエータを備え、直列または並列に接続して１つの電流制御装置により電流を制御するものもある（例えば、特許文献１参照）。
なお、上記の非特許文献１および非特許文献２並びに特許文献１の構成を、それぞれ以下に示す第１従来技術および第２従来技術並びに第３従来技術として具体的に説明すると共に、アクチュエータの構成は、説明を簡単にするために２個１対のアクチュエータを用いて例示する。
また、通常、消費電力を抑えるため、アクチュエータには永久磁石を備え、制御中心点付近で、永久磁石の吸引力による上向きの力と重力による下向きの力が釣り合うように設計している（例えば、非特許文献１参照）。
さらに、制御対象の鉛直方向の上側および下側にそれぞれ引き上げ用電磁アクチュエータと引き下げ用電磁アクチュエータを備えるものもあるが（例えば、非特許文献２参照）、引き上げ用電磁アクチュエータと引き下げ用電磁アクチュエータに対して分配する電流値を決定する際の指標として消費電力は考慮されておらず、単純に引き下げ時には引き下げ用電磁アクチュエータのみ、引き上げ時には引き上げ用電磁アクチュエータのみを使用している。また、引き上げ用電磁アクチュエータと引き下げ用電磁アクチュエータを備え、直列または並列に接続して１つの電流制御装置により電流を制御するものもある（例えば、特許文献１参照）。
なお、上記の非特許文献１および非特許文献２並びに特許文献１の構成を、それぞれ以下に示す第１従来技術および第２従来技術並びに第３従来技術として具体的に説明すると共に、アクチュエータの構成は、説明を簡単にするために２個１対のアクチュエータを用いて例示する。
図７は第１従来技術を示す磁気浮上用アクチュエータ駆動装置の全体構成図である。
図７において、１３は制御装置、１４は制御対象、２２は電流指令演算装置、１５は引き上げ用電磁アクチュエータ、１７はギャップセンサ、２１は電流制御器、２３は電流センサである。
このような構成において、制御装置１３は制御対象１４を駆動するための推力指令を算出し、電流指令演算装置２２に渡す。ギャップセンサ１７は制御対象１４に対する引き上げ用電磁アクチュエータ１５のコアとの間のギャップを検出し、電流指令演算装置２２に渡す。電流指令演算装置２２は、ギャップセンサ１７から得たギャップフィードバックと、制御装置１３から受け取った推力指令を元に引き上げ用電磁アクチュエータ１５に流すべき電流の指令値を算出し、電流制御器２１に渡す。引き上げ用電磁アクチュエータ１５のコイルに流れている電流値を検出し、電流制御器２１に渡す。電流制御器２１は、電流センサ２３から得た電流フィードバックが電流指令演算装置２２から受け取った電流指令通りになるように引き上げ用電磁アクチュエータ１５に流す電流値を制御する。制御対象１４は引き上げ用電磁アクチュエータ１５により鉛直上向きの推力を得る。通常、引き上げ用電磁アクチュエータ１５は、消費電力を抑えるため、永久磁石を含んでおり、制御中心点での吸引力が制御対象１４の重量と釣り合うように設計される。永久磁石のつくる磁場を強める向きに引き上げ用電磁アクチュエータ１５に電流を流すことで鉛直上向きの力が増大し、逆に永久磁石のつくる磁場を弱める向きに電流を流すことで鉛直上向きの力が減少する。引き上げ用電磁アクチュエータ１５のつくる磁場による吸引力が制御対象１４の重量より大きければ制御対象１４は鉛直上向きに加速し、逆に吸引力が重量より小さければ鉛直下向きに加速する。この構成では、重力を超える鉛直下向きの力を発生させることはできない。
図７において、１３は制御装置、１４は制御対象、２２は電流指令演算装置、１５は引き上げ用電磁アクチュエータ、１７はギャップセンサ、２１は電流制御器、２３は電流センサである。
このような構成において、制御装置１３は制御対象１４を駆動するための推力指令を算出し、電流指令演算装置２２に渡す。ギャップセンサ１７は制御対象１４に対する引き上げ用電磁アクチュエータ１５のコアとの間のギャップを検出し、電流指令演算装置２２に渡す。電流指令演算装置２２は、ギャップセンサ１７から得たギャップフィードバックと、制御装置１３から受け取った推力指令を元に引き上げ用電磁アクチュエータ１５に流すべき電流の指令値を算出し、電流制御器２１に渡す。引き上げ用電磁アクチュエータ１５のコイルに流れている電流値を検出し、電流制御器２１に渡す。電流制御器２１は、電流センサ２３から得た電流フィードバックが電流指令演算装置２２から受け取った電流指令通りになるように引き上げ用電磁アクチュエータ１５に流す電流値を制御する。制御対象１４は引き上げ用電磁アクチュエータ１５により鉛直上向きの推力を得る。通常、引き上げ用電磁アクチュエータ１５は、消費電力を抑えるため、永久磁石を含んでおり、制御中心点での吸引力が制御対象１４の重量と釣り合うように設計される。永久磁石のつくる磁場を強める向きに引き上げ用電磁アクチュエータ１５に電流を流すことで鉛直上向きの力が増大し、逆に永久磁石のつくる磁場を弱める向きに電流を流すことで鉛直上向きの力が減少する。引き上げ用電磁アクチュエータ１５のつくる磁場による吸引力が制御対象１４の重量より大きければ制御対象１４は鉛直上向きに加速し、逆に吸引力が重量より小さければ鉛直下向きに加速する。この構成では、重力を超える鉛直下向きの力を発生させることはできない。
図８は第２従来技術を示す磁気浮上用アクチュエータ駆動装置の全体構成図である。なお、第２従来技術が第１従来技術と同じ構成要素についてはその説明を省略し。異なる点のみ説明する。
図８において、１５は引き上げ用電磁アクチュエータ、１６は引き下げ用電磁アクチュエータ、３１は切換器、３２は第１電流指令演算装置、３３は第２電流指令演算装置、１８および１９は電流センサ、１１は第１電流制御器、１２は第２電流制御器である。
このような構成において、切換器３１は、制御装置１３から得た推力指令が鉛直上向きであれば第１電流指令演算装置３２に制御装置１３から得た推力指令を渡し、第２電流指令演算装置３３には零の推力指令を渡す。制御装置１３から得た推力指令が下向きであれば第２電流指令演算装置３３に制御装置１３から得た推力指令を渡し、第１電流指令演算装置３２には零の推力指令を渡す。ギャップセンサ１７は制御対象１４に対する引き上げ用電磁アクチュエータ１５のコアおよび引き下げ用電磁アクチュエータ１６のコアとの間のギャップを検出し、第１電流指令演算装置３２および第２電流指令演算装置３３に渡す。第１電流指令演算装置３２は切換器３１から得た推力指令とギャップセンサ１７から得たギャップフィードバックを元に引き上げ用電磁アクチュエータ１５に流すべき電流の指令値を算出し、第１電流制御器１１に渡す。また、第２電流指令演算装置３３は切換器３１から得た推力指令とギャップセンサ１７から得たギャップフィードバックを元に引き下げ用電磁アクチュエータ１６に流すべき電流の指令値を算出し、第２電流制御器１２に渡す。引き上げ用電磁アクチュエータ１５のコイルに流れている電流値を検出し、第１電流制御器１１に渡す。第２電流センサ１９は、引き下げ用電磁アクチュエータ１６のコイルに流れている電流値を検出し、第２電流制御器１２に渡す。第１電流制御器１１は引き上げ用電磁アクチュエータ１５に流す電流を、第２電流制御器１２は引き下げ用電磁アクチュエータ１６に流す電流をそれぞれ制御する。
図８において、１５は引き上げ用電磁アクチュエータ、１６は引き下げ用電磁アクチュエータ、３１は切換器、３２は第１電流指令演算装置、３３は第２電流指令演算装置、１８および１９は電流センサ、１１は第１電流制御器、１２は第２電流制御器である。
このような構成において、切換器３１は、制御装置１３から得た推力指令が鉛直上向きであれば第１電流指令演算装置３２に制御装置１３から得た推力指令を渡し、第２電流指令演算装置３３には零の推力指令を渡す。制御装置１３から得た推力指令が下向きであれば第２電流指令演算装置３３に制御装置１３から得た推力指令を渡し、第１電流指令演算装置３２には零の推力指令を渡す。ギャップセンサ１７は制御対象１４に対する引き上げ用電磁アクチュエータ１５のコアおよび引き下げ用電磁アクチュエータ１６のコアとの間のギャップを検出し、第１電流指令演算装置３２および第２電流指令演算装置３３に渡す。第１電流指令演算装置３２は切換器３１から得た推力指令とギャップセンサ１７から得たギャップフィードバックを元に引き上げ用電磁アクチュエータ１５に流すべき電流の指令値を算出し、第１電流制御器１１に渡す。また、第２電流指令演算装置３３は切換器３１から得た推力指令とギャップセンサ１７から得たギャップフィードバックを元に引き下げ用電磁アクチュエータ１６に流すべき電流の指令値を算出し、第２電流制御器１２に渡す。引き上げ用電磁アクチュエータ１５のコイルに流れている電流値を検出し、第１電流制御器１１に渡す。第２電流センサ１９は、引き下げ用電磁アクチュエータ１６のコイルに流れている電流値を検出し、第２電流制御器１２に渡す。第１電流制御器１１は引き上げ用電磁アクチュエータ１５に流す電流を、第２電流制御器１２は引き下げ用電磁アクチュエータ１６に流す電流をそれぞれ制御する。
図９は第３従来技術を示す磁気浮上用アクチュエータ駆動装置の全体構成図である。なお、第３従来技術が第１および第２従来技術と同じ構成要素についてはその説明を省略し。異なる点のみ説明する。
図９において、４１は電流制御器、４２はレールである。
このような構成において、引き上げ用電磁アクチュエータ１５と引き下げ用電磁アクチュエータ１６は制御対象１４の中に含まれており、レール４２は地面に固定されている。また、永久磁石を含む引き上げ用電磁アクチュエータ１５がレール４２の鉛直下側になる。引き上げ用電磁アクチュエータ１５と引き下げ用電磁アクチュエータ１６のコイルは直列に接続する。このため、対になる引き上げ用電磁アクチュエータ１５と引き下げ用電磁アクチュエータ１６に流れる電流値は常に同じ値となる。それから、電流センサ２３は、引き上げ用電磁アクチュエータ１５と引き下げ用電磁アクチュエータ１６のコイルに流れている電流値を検出し、電流指令演算装置２２に渡す。電流指令演算装置２２は引き上げ用電磁アクチュエータ１５と引き下げ用電磁アクチュエータ１６のコイルに流すべき電流値を算出し、電流制御器４１に渡す。この構成により、電流制御器が１つだけの構成であるにもかかわらず、図８（第２従来技術）の構成に比べると、鉛直下向き推力の最大値を大きくすることができるが、引き上げ用電磁アクチュエータ１５と引き下げ用電磁アクチュエータ１６のコイルに流す電流を独立して制御することはできず、常に同じ値になる。
図９において、４１は電流制御器、４２はレールである。
このような構成において、引き上げ用電磁アクチュエータ１５と引き下げ用電磁アクチュエータ１６は制御対象１４の中に含まれており、レール４２は地面に固定されている。また、永久磁石を含む引き上げ用電磁アクチュエータ１５がレール４２の鉛直下側になる。引き上げ用電磁アクチュエータ１５と引き下げ用電磁アクチュエータ１６のコイルは直列に接続する。このため、対になる引き上げ用電磁アクチュエータ１５と引き下げ用電磁アクチュエータ１６に流れる電流値は常に同じ値となる。それから、電流センサ２３は、引き上げ用電磁アクチュエータ１５と引き下げ用電磁アクチュエータ１６のコイルに流れている電流値を検出し、電流指令演算装置２２に渡す。電流指令演算装置２２は引き上げ用電磁アクチュエータ１５と引き下げ用電磁アクチュエータ１６のコイルに流すべき電流値を算出し、電流制御器４１に渡す。この構成により、電流制御器が１つだけの構成であるにもかかわらず、図８（第２従来技術）の構成に比べると、鉛直下向き推力の最大値を大きくすることができるが、引き上げ用電磁アクチュエータ１５と引き下げ用電磁アクチュエータ１６のコイルに流す電流を独立して制御することはできず、常に同じ値になる。
このように、従来の磁気浮上用アクチュエータ駆動装置は、整理すると、（イ）引き上げ用アクチュエータのみを有する構成、（ロ）引き上げ用アクチュエータと引き下げ用アクチュエータが直列接続または並列接続の場合であって、独立に制御することができない構成、（ハ）引き上げ用アクチュエータと引き下げ用アクチュエータを独立に制御できるが、推力指令が鉛直上向きの場合は引き上げ用アクチュエータのみ、鉛直下向きの場合は引き下げ用アクチュエータのみを用いる構成などに分けられる。このため、それぞれのアクチュエータへの電流の分配方法については最適な分配方法を決定する手段を持たないのである。
電気学会論文集Ｄ編（第１２０巻４号、平成１２年、森下明平、明石征邦、小豆沢照男著） 電気学会論文集Ｄ編（第１１１巻６号、平成３年、辻輝生、小黒龍一、高橋一雄著） 特公平８−２１２９号公報（明細書第３頁、第１図）
電気学会論文集Ｄ編（第１２０巻４号、平成１２年、森下明平、明石征邦、小豆沢照男著） 電気学会論文集Ｄ編（第１１１巻６号、平成３年、辻輝生、小黒龍一、高橋一雄著）
従来の磁気浮上用アクチュエータ駆動装置は、以下の問題があった。
（イ）の構成では、引き上げ用アクチュエータのみの構成となっていて、重力以上の鉛直下向きの推力を発生することができないので、位置制御のための鉛直下向きの推力を指令通りに発生することができず、発散しやすい。
また、（ロ）、（ハ）の構成では、引き上げ用アクチュエータと引き下げ用アクチュエータを備えた構成となっていて、（ハ）のように独立して制御できるものもあるが、推力指令が鉛直上向きの場合は引き上げ用アクチュエータのみ、鉛直下向きの場合は引き下げ用アクチュエータのみを用いるなど、それぞれのアクチュエータへの電流の分配方法については最適な分配方法を決定する手段を持たないので、例えば同じ推力を発生するために無駄な電力を消費することになる。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、鉛直下向きの推力を大きくするとともに、評価関数に基づいた最適な電流の分配ができる磁気浮上用アクチュエータ駆動装置を提供することを目的とする。
（イ）の構成では、引き上げ用アクチュエータのみの構成となっていて、重力以上の鉛直下向きの推力を発生することができないので、位置制御のための鉛直下向きの推力を指令通りに発生することができず、発散しやすい。
また、（ロ）、（ハ）の構成では、引き上げ用アクチュエータと引き下げ用アクチュエータを備えた構成となっていて、（ハ）のように独立して制御できるものもあるが、推力指令が鉛直上向きの場合は引き上げ用アクチュエータのみ、鉛直下向きの場合は引き下げ用アクチュエータのみを用いるなど、それぞれのアクチュエータへの電流の分配方法については最適な分配方法を決定する手段を持たないので、例えば同じ推力を発生するために無駄な電力を消費することになる。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、鉛直下向きの推力を大きくするとともに、評価関数に基づいた最適な電流の分配ができる磁気浮上用アクチュエータ駆動装置を提供することを目的とする。
上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したのである。
請求項１の発明は、制御対象と、前記制御対象と直交する方向の上下面にそれぞれ対向して配置されると共に、鉛直上向きの推力を発生させるための引き上げ用電磁アクチュエータおよび鉛直下向きの推力を発生させるための引き下げ用電磁アクチュエータと、前記制御対象と前記電磁アクチュエータ間のギャップを検出するためのギャップセンサと、前記制御対象に所望の動作をさせるための推力指令を算出する制御装置と、前記ギャップセンサの出力と前記制御装置からの推力指令より得られる電流指令に基づいて、前記引き上げ用電磁アクチュエータおよび前記引き下げ用電磁アクチュエータに流す電流をそれぞれ独立に制御する第１電流制御器および第２電流制御器と、を備えた磁気浮上用アクチュエータ駆動装置において、前記制御装置から受け取った推力指令どおりの推力を発生するように、前記第１電流制御器および第２電流制御器に分配する電流指令を、設定された評価関数に基づいて最適に決定するための電流指令分配演算装置を備えたことを特徴としている。
また、請求項２の発明は、請求項１記載の磁気浮上用アクチュエータ駆動装置において、前記評価関数は、前記引き上げ用電磁アクチュエータおよび前記引き下げ用電磁アクチュエータそれぞれで消費される消費電力の総和を表す総消費電力関数としたことを特徴としている。
また、請求項３の発明は、請求項３記載の磁気浮上用アクチュエータ駆動装置において、前記総消費電力関数は、前記引き上げ用電磁アクチュエータおよび前記引き下げ用電磁アクチュエータ各々の抵抗値と前記それぞれのアクチュエータに流れる電流値の２乗との積を足し合わせたものであることを特徴としている。
また、請求項４の発明は、請求項１記載の磁気浮上用アクチュエータ駆動装置において、前記電流指令分配演算装置は、前記引き上げ用電磁アクチュエータに流れる電流ｉ１とそのとき発生する推力ｆ１との関係を下記の式（１）により近似し、
ただし係数ａ１、ｂ１、ｃ１はアクチュエータギャップｇ１の関数としてあらかじめ測定値または解析値にフィッティングさせて求め、前記電流指令分配演算装置内のメモリに保有しており、
前記引き下げ用電磁アクチュエータに流れる電流ｉ２とそのとき発生する推力ｆ２との関係を下記の式（２）により近似し、
前記引き下げ用電磁アクチュエータに流れる電流ｉ２とそのとき発生する推力ｆ２との関係を下記の式（２）により近似し、
ただし係数ａ２はアクチュエータギャップｇ２の関数としてあらかじめ測定値または解析値にフィッティングさせて求め、前記電流指令分配演算装置内のメモリに保有しており、
前記第１電流制御器および前記第２電流制御器に分配する電流指令を決定する際、前記制御装置から推力指令ｆｒｅｆを受け取り、前記ギャップセンサから前記引き上げ用電磁アクチュエータおよび前記引き下げ用電磁アクチュエータそれぞれのアクチュエータギャップを取得し、
前記アクチュエータギャップの値より前記係数ａ１、ｂ１、ｃ１、ａ２を算出し、
下記の式（３）の計算値をｉ１ ＊とおき、
前記第１電流制御器および前記第２電流制御器に分配する電流指令を決定する際、前記制御装置から推力指令ｆｒｅｆを受け取り、前記ギャップセンサから前記引き上げ用電磁アクチュエータおよび前記引き下げ用電磁アクチュエータそれぞれのアクチュエータギャップを取得し、
前記アクチュエータギャップの値より前記係数ａ１、ｂ１、ｃ１、ａ２を算出し、
下記の式（３）の計算値をｉ１ ＊とおき、
もし下記の式（４）を満たす場合には
前記引き上げ用電磁アクチュエータへの電流指令ｉ１ｒｅｆおよび前記引き下げ用電磁アクチュエータへの電流指令ｉ２ｒｅｆを下記の式（５）により与え、
もし上記の式（４）を満たさない場合には前記引き上げ用電磁アクチュエータへの電流指令ｉ１ｒｅｆおよび前記引き下げ用電磁アクチュエータへの電流指令ｉ２ｒｅｆを下記の式（６）により与える、
という手順に基づいて前記引き上げ用電磁アクチュエータへの電流指令および前記引き下げ用電磁アクチュエータへの電流指令を算出するようにしたものであることを特徴としている。
請求項１に記載の発明によると、磁気浮上用アクチュエータ駆動装置において、推力指令どおりの推力を発生するような電流指令の分配方法が一意に決定されない場合、消費電力などの評価関数に基づいた最適な電流の分配を行うことができる。
また、請求項２に記載の発明によると、制御装置で消費される電力の総和を最小にすることができ、発熱を最小限に抑えることができる。
また、請求項３に記載の発明によると、引き上げ用アクチュエータと引き下げ用アクチュエータのコイルでジュール熱として消費される電力の総和を最小にすることができ、発熱を最小限に抑えることができる。
また、請求項４に記載の発明によると、引き上げ用および引き下げ用電磁アクチュエータに流す電流を独立に制御し、評価関数が最小になるように電流を最適に分配することができる。
以下、本発明の実施例を、図に基づいて詳細に説明する。
図１は、本発明の第１実施例を示す磁気浮上用アクチュエータ駆動装置の全体構成図である。なお、制御対象を操作するためのアクチュエータは、通常２個１対からなる、引き上げ用電磁アクチュエータ１５および引き下げ用電磁アクチュエータ１６を複数対設ける構成になっているが、本実施例においては、説明を簡単にするため、従来技術同様に２個１対のアクチュエータの例を用いて説明する。また、本発明の構成要素が従来技術の構成要素に相当するものについては、同符号を付してその説明を省略し、異なる構成要素について述べる。
図において、１０は電流指令分配演算装置である。
本発明の特徴は以下のとおりである。
すなわち、制御対象１４と、制御対象１４と直交する方向の上下面にそれぞれ対向して配置されると共に、鉛直上向きの推力を発生させるための引き上げ用電磁アクチュエータ１５および鉛直下向きの推力を発生させるための引き下げ用電磁アクチュエータ１６と、制御対象１４と該電磁アクチュエータ１５、１６間のギャップを検出するためのギャップセンサ１７と、制御対象１４に所望の動作をさせるための推力指令を算出する制御装置１３と、ギャップセンサ１７の出力と制御装置１３からの推力指令より得られる電流指令に基づいて、引き上げ用電磁アクチュエータ１５および引き下げ用電磁アクチュエータ１６に流す電流をそれぞれ独立に制御する第１電流制御器１１および第２電流制御器１２と、を備えた磁気浮上用アクチュエータ駆動装置において、制御装置１３から受け取った推力指令どおりの推力を発生するように、第１電流制御器１１および第２電流制御器１２に分配する電流指令を、設定された評価関数に基づいて最適に決定するための電流指令分配演算装置１０を備えた点である。ここで、該評価関数は、引き上げ用電磁アクチュエータ１５および引き下げ用電磁アクチュエータ１６それぞれで消費される消費電力の総和を表す総消費電力関数とすると共に、該総消費電力関数は、引き上げ用電磁アクチュエータ１５および前記引き下げ用電磁アクチュエータ１６各々の抵抗値と前記それぞれのアクチュエータに流れる電流値の２乗との積を足し合わせたものとなっている。
本発明の特徴は以下のとおりである。
すなわち、制御対象１４と、制御対象１４と直交する方向の上下面にそれぞれ対向して配置されると共に、鉛直上向きの推力を発生させるための引き上げ用電磁アクチュエータ１５および鉛直下向きの推力を発生させるための引き下げ用電磁アクチュエータ１６と、制御対象１４と該電磁アクチュエータ１５、１６間のギャップを検出するためのギャップセンサ１７と、制御対象１４に所望の動作をさせるための推力指令を算出する制御装置１３と、ギャップセンサ１７の出力と制御装置１３からの推力指令より得られる電流指令に基づいて、引き上げ用電磁アクチュエータ１５および引き下げ用電磁アクチュエータ１６に流す電流をそれぞれ独立に制御する第１電流制御器１１および第２電流制御器１２と、を備えた磁気浮上用アクチュエータ駆動装置において、制御装置１３から受け取った推力指令どおりの推力を発生するように、第１電流制御器１１および第２電流制御器１２に分配する電流指令を、設定された評価関数に基づいて最適に決定するための電流指令分配演算装置１０を備えた点である。ここで、該評価関数は、引き上げ用電磁アクチュエータ１５および引き下げ用電磁アクチュエータ１６それぞれで消費される消費電力の総和を表す総消費電力関数とすると共に、該総消費電力関数は、引き上げ用電磁アクチュエータ１５および前記引き下げ用電磁アクチュエータ１６各々の抵抗値と前記それぞれのアクチュエータに流れる電流値の２乗との積を足し合わせたものとなっている。
本発明の電流指令分配演算装置１０は、第２従来技術において、第１電流制御器および第２電流制御器に分配する電流指令を決定する際に、制御装置から受け取る推力指令どおりの推力を発生するような電流指令の分配方法が一意に決定されなかったため、設定された評価関数が最小になるように該電流指令決定するものである。以下に、その解決するための手段について、詳細に述べる。
図２は第１実施例に用いたアクチュエータの推力特性を示すグラフである。
本実施例では、永久磁石を持つ引き上げ用アクチュエータと永久磁石を持たない引き下げ用アクチュエータの電流ｉ、推力ｆ、アクチュエータギャップｇの関係が図２のようになっている場合について、（９）式の条件を満たした上で、（１４）式の評価関数により消費電力を最小化する。
本実施例では、永久磁石を持つ引き上げ用アクチュエータと永久磁石を持たない引き下げ用アクチュエータの電流ｉ、推力ｆ、アクチュエータギャップｇの関係が図２のようになっている場合について、（９）式の条件を満たした上で、（１４）式の評価関数により消費電力を最小化する。
まず、引き上げ用アクチュエータに流れる電流ｉ１、推力ｆ１、アクチュエータギャップｇ１の関係を、（１）式に示す関数ｆ１で近似し、引き下げ用アクチュエータに流れる電流ｉ２、推力ｆ２、アクチュエータギャップｇ２の関係を、（２）式に示す関数ｆ２で近似する。ｆ１、ｆ２の係数ａ１、ｂ１、ｃ１、ａ２は、まずアクチュエータギャップがある値ｇのときの測定結果またはＦＥＭ解析結果にフィッティングさせて求める。いくつかのｇについてフィッティングを行い、こんどはａ１、ｂ１、ｃ１をｇ１の関数として、ａ２をｇ２の関数としてそれぞれフィッティングする。この関数は例えば多項式とすればよい。フィッティングさせた結果は図２より明らかにａ１＞０、ａ２＜０となる。
（１）式、（２）式より、本アクチュエータは、以下の（７）式、（８）式の条件を満たす推力しか発生し得ないことがわかる。
ｉ１、ｉ２は、常に以下の条件を満たすように制御するものとする。これは常に２次関数ｆ１、ｆ２の極値より正の側で制御するということを意味する。
（９）式の制約より、ある推力ｆ１を発生させるための電流値は、（１）式を変形して以下の式で表せる。
（１０）式の制約より、ある推力ｆ２を発生させるための電流値は、（２）式を変形して以下の式で表せる。
推力指令が与えられたとき、（１３）の条件を満たすように制御する。
本実施例では評価関数は引き上げ用電磁アクチュエータ１５および引き下げ用電磁アクチュエータ１６で消費される電力の和として、以下の（１４）式のような関数とする。
ただし、Ｊは評価関数、Ｒ１は引き上げ用アクチュエータの巻線抵抗、Ｒ２は引き下げ用アクチュエータの巻線抵抗、ｉ１は引き上げ用アクチュエータに流す電流、ｉ２は引き下げ用アクチュエータに流す電流である。（１４）式の評価関数は（１２）式、（１３）式、（１）式の関係を用いて（１５）式の次ように変形できる。
ここで、（１６）式のようにおくと（１５）式は（１７）式のように表せる。
したがって、引き上げ用アクチュエータに流す電流ｉ１を（１８）式の値とすれば評価関数は最小となる。
このとき（１２）式、（１３）式、（１）式より、引き下げ用アクチュエータに流す電流ｉ２は（１９）式の値でなければならない。
しかし、（１９）式の平方根の中の分子が負の場合、解を持たない。この場合はｉ２を０として、引き上げ用アクチュエータのみで推力指令分の推力を発生すればＪが最も小さくなる。
以上の手法より設計された、消費電力を評価関数とした電流指令分配演算装置１０の処理フローを図３に基づいて説明する。
図３は第１実施例の電流指令分配演算装置の処理フローを示すフローチャートである。
ステップＳＴ１で、電流指令分配演算装置１０は制御装置１３から推力指令ｆｒｅｆを受取る。
ステップＳＴ２で、ギャップセンサから得たギャップ値から引き上げ用アクチュエータのギャップｇ１と引き下げ用アクチュエータのギャップｇ２を算出する。
ステップＳＴ３で、ａ１（ｇ１）、ａ２（ｇ２）、ｂ１（ｇ１）を算出する。
ステップＳＴ４で、（１８）式の値を算出し、ｉ１ ＊とする。
ステップＳＴ５では、（４）式の条件を満たすならステップＳＴ６に進み、条件を満たさないならステップＳＴ７に進む。
図３は第１実施例の電流指令分配演算装置の処理フローを示すフローチャートである。
ステップＳＴ１で、電流指令分配演算装置１０は制御装置１３から推力指令ｆｒｅｆを受取る。
ステップＳＴ２で、ギャップセンサから得たギャップ値から引き上げ用アクチュエータのギャップｇ１と引き下げ用アクチュエータのギャップｇ２を算出する。
ステップＳＴ３で、ａ１（ｇ１）、ａ２（ｇ２）、ｂ１（ｇ１）を算出する。
ステップＳＴ４で、（１８）式の値を算出し、ｉ１ ＊とする。
ステップＳＴ５では、（４）式の条件を満たすならステップＳＴ６に進み、条件を満たさないならステップＳＴ７に進む。
ステップＳＴ６で、（５）式により各アクチュエータに分配する電流指令を算出する。
ステップＳＴ７で、（６）式により各アクチュエータに分配する電流指令を算出する。
ステップＳＴ８で、算出した電流指令を電流制御装置に出力する。
このようにして設計された電流指令分配演算装置を用いた場合の合計推力指令と各軸推力指令、各軸電流指令の関係は図４のようになる。ここで、図４は第１実施例の電流指令分配演算装置を用いた場合の各軸電流指令とその電流指令により生じる推力を示すグラフである。ただし、永久磁石の吸引力と重力が釣り合う位置のとき、すなわち制御対象が中央にあるときの結果のみを図示している。
このようにして設計された電流指令分配演算装置を用いた場合の合計推力指令と各軸推力指令、各軸電流指令の関係は図４のようになる。ここで、図４は第１実施例の電流指令分配演算装置を用いた場合の各軸電流指令とその電流指令により生じる推力を示すグラフである。ただし、永久磁石の吸引力と重力が釣り合う位置のとき、すなわち制御対象が中央にあるときの結果のみを図示している。
次に、本実施例の動作について、図１を用いて説明する。
磁気浮上用アクチュエータ駆動装置において、まず、制御装置１３が制御対象１４を駆動するための推力指令を算出し、該推力指令を電流指令分配演算装置１０に渡す。また、ギャップセンサ１７が制御対象１４に対する引き上げ用電磁アクチュエータ１５のコア、および引き下げ用電磁アクチュエータ１６のコアとの間のギャップを検出し、その出力信号を電流指令分配演算装置１０に渡す。この際、電流指令分配演算装置１０は制御装置１３から得た推力指令とギャップセンサ１７から得たギャップフィードバックに基づいて、引き上げ用電磁アクチュエータ１５および引き下げ用電磁アクチュエータ１６にそれぞれ流すべき最適な電流の指令値を算出し、第１電流制御器１１および第２電流制御器１２に渡す。また、第１電流センサ１８は引き上げ用電磁アクチュエータ１５のコイルに流れている電流値を検出し、第１電流制御器１１に渡すと共に、第２電流センサ１９は引き下げ用電磁アクチュエータ１６のコイルに流れている電流値を検出し、第２電流制御器１２に渡す。該第１電流制御器１１は引き上げ用電磁アクチュエータ１５に流す電流を制御し、第２電流制御器１２は引き下げ用電磁アクチュエータ１６に流す電流を制御する。
磁気浮上用アクチュエータ駆動装置において、まず、制御装置１３が制御対象１４を駆動するための推力指令を算出し、該推力指令を電流指令分配演算装置１０に渡す。また、ギャップセンサ１７が制御対象１４に対する引き上げ用電磁アクチュエータ１５のコア、および引き下げ用電磁アクチュエータ１６のコアとの間のギャップを検出し、その出力信号を電流指令分配演算装置１０に渡す。この際、電流指令分配演算装置１０は制御装置１３から得た推力指令とギャップセンサ１７から得たギャップフィードバックに基づいて、引き上げ用電磁アクチュエータ１５および引き下げ用電磁アクチュエータ１６にそれぞれ流すべき最適な電流の指令値を算出し、第１電流制御器１１および第２電流制御器１２に渡す。また、第１電流センサ１８は引き上げ用電磁アクチュエータ１５のコイルに流れている電流値を検出し、第１電流制御器１１に渡すと共に、第２電流センサ１９は引き下げ用電磁アクチュエータ１６のコイルに流れている電流値を検出し、第２電流制御器１２に渡す。該第１電流制御器１１は引き上げ用電磁アクチュエータ１５に流す電流を制御し、第２電流制御器１２は引き下げ用電磁アクチュエータ１６に流す電流を制御する。
以上、説明したように、従来技術の装置では、各電磁アクチュエータに分配する電流量を決定する際、消費電力などの評価基準をもとに最適な分配方法を決定するような手段は備えておらず、図８に示した第２従来技術のように推力指令の正負を判定条件として、動作させるアクチュエータを切り替えていたにすぎなかった。この場合の合計推力指令と各軸推力指令、各軸電流指令の関係は図５のようになる。図５は従来の切換器を用いた場合の各軸電流指令とその電流指令により生じる推力を示すグラフである。ただし、永久磁石の吸引力と重力が釣り合う位置のときの結果のみを図示している。
また、本発明の磁気浮上用アクチュエータ駆動装置と従来の磁気浮上用アクチュエータ駆動装置で、生成された電流指令による消費電力を比較すると図６のようになる。図６は本発明の方法と従来の方法による消費電力を比較したグラフである。ただし、図は永久磁石の吸引力と重力が釣り合う位置のときの結果のみを図示している。これより、本発明の方法により、重力より小さい推力指令が与えられたときの消費電力が小さくなっていることがわかる。図５および図６で示したように、本発明は、合計推力指令が評価関数を設定し、消費電力などの評価基準を最小にするようにアクチェエータを制御することができる。
また、本発明の磁気浮上用アクチュエータ駆動装置と従来の磁気浮上用アクチュエータ駆動装置で、生成された電流指令による消費電力を比較すると図６のようになる。図６は本発明の方法と従来の方法による消費電力を比較したグラフである。ただし、図は永久磁石の吸引力と重力が釣り合う位置のときの結果のみを図示している。これより、本発明の方法により、重力より小さい推力指令が与えられたときの消費電力が小さくなっていることがわかる。図５および図６で示したように、本発明は、合計推力指令が評価関数を設定し、消費電力などの評価基準を最小にするようにアクチェエータを制御することができる。
したがって、本発明は、制御装置から受け取った推力指令どおりの推力を発生するように、第１電流制御器および第２電流制御器に分配する電流指令を、設定された評価関数に基づいて最適に決定するための電流指令分配演算装置を備えたので、鉛直下向きの推力を大きくすると共に、評価関数に基づいたアクチュエータに流す最適な電流の分配を行うことができる。
設定した評価関数に基づいて引き上げ用アクチュエータと引き下げ用アクチュエータそれぞれに分配する電流値を決定する電流指令分配演算装置を備えることによって、推力指令どおりの推力を発生するような電流指令の分配方法が一意に決定されない場合に、消費電力を小さくして温度上昇を小さくするなど第２の評価基準に基づいた電流の分配ができるため、外部への放熱が大きくできない真空中などでの磁気浮上用アクチュエータ駆動装置、ランニングコストを小さくする必要がある車両等の制御対象用の磁気浮上用アクチュエータ駆動装置という用途にも適用できる。
１０ 電流指令分配演算装置
１１ 第１電流制御器
１２ 第２電流制御器
１３ 制御装置
１４ 制御対象
１５ 引き上げ用電磁アクチュエータ
１６ 引き下げ用電磁アクチュエータ
１７ ギャップセンサ
１８ 第１電流センサ
１９ 第２電流センサ
１１ 第１電流制御器
１２ 第２電流制御器
１３ 制御装置
１４ 制御対象
１５ 引き上げ用電磁アクチュエータ
１６ 引き下げ用電磁アクチュエータ
１７ ギャップセンサ
１８ 第１電流センサ
１９ 第２電流センサ
Claims (4)
- 制御対象と、
前記制御対象と直交する方向の上下面にそれぞれ対向して配置されると共に、鉛直上向きの推力を発生させるための引き上げ用電磁アクチュエータおよび鉛直下向きの推力を発生させるための引き下げ用電磁アクチュエータと、
前記制御対象と前記電磁アクチュエータ間のギャップを検出するためのギャップセンサと、
前記制御対象に所望の動作をさせるための推力指令を算出する制御装置と、
前記ギャップセンサの出力と前記制御装置からの推力指令より得られる電流指令に基づいて、前記引き上げ用電磁アクチュエータおよび前記引き下げ用電磁アクチュエータに流す電流をそれぞれ独立に制御する第１電流制御器および第２電流制御器と、
を備えた磁気浮上用アクチュエータ駆動装置において、
前記制御装置から受け取った推力指令どおりの推力を発生するように、前記第１電流制御器および第２電流制御器に分配する電流指令を、設定された評価関数に基づいて最適に決定するための電流指令分配演算装置を備えたことを特徴とする磁気浮上用アクチュエータ駆動装置。 - 前記評価関数は、前記引き上げ用電磁アクチュエータおよび前記引き下げ用電磁アクチュエータそれぞれで消費される消費電力の総和を表す総消費電力関数であることを特徴とする請求項１記載の磁気浮上用アクチュエータ駆動装置。
- 前記総消費電力関数は、前記引き上げ用電磁アクチュエータおよび前記引き下げ用電磁アクチュエータ各々の抵抗値と前記それぞれのアクチュエータに流れる電流値の２乗との積を足し合わせたものであることを特徴とする請求項２記載の磁気浮上用アクチュエータ駆動装置。
- 前記電流指令分配演算装置は、
前記引き上げ用電磁アクチュエータに流れる電流ｉ１とそのとき発生する推力ｆ１との関係を下記の式（１）により近似し、
ただし係数ａ１、ｂ１、ｃ１はアクチュエータギャップｇ１の関数としてあらかじめ測定値または解析値にフィッティングさせて求め、前記電流指令分配演算装置内のメモリに保有しており、
前記引き下げ用電磁アクチュエータに流れる電流ｉ２とそのとき発生する推力ｆ２との関係を下記の式（２）により近似し、
ただし係数ａ２はアクチュエータギャップｇ２の関数としてあらかじめ測定値または解析値にフィッティングさせて求め、前記電流指令分配演算装置内のメモリに保有しており、
前記第１電流制御器、前記第２電流制御器に分配する電流指令を決定する際、前記制御装置から推力指令ｆｒｅｆを受け取り、前記ギャップセンサからの前記引き上げ用電磁アクチュエータおよび前記引き下げ用電磁アクチュエータそれぞれのアクチュエータギャップを取得し、
前記アクチュエータギャップの値より前記係数ａ１、ｂ１、ｃ１、ａ２を算出し、
下記の式（３）の計算値をｉ１ ＊とおき、
もし下記の式（４）を満たす場合には
前記引き上げ用電磁アクチュエータへの電流指令ｉ１ｒｅｆおよび前記引き下げ用電磁アクチュエータへの電流指令ｉ２ｒｅｆを下記の式（５）により与え、
もし上記の式（４）を満たさない場合には前記引き上げ用電磁アクチュエータへの電流指令ｉ１ｒｅｆおよび前記引き下げ用電磁アクチュエータへの電流指令ｉ２ｒｅｆを下記の式（６）により与える、
という手順で前記引き上げ用電磁アクチュエータへの電流指令および前記引き下げ用電磁アクチュエータへの電流指令を算出するものであることを特徴とする請求項１記載の磁気浮上用アクチュエータ駆動装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2004354836A JP4320632B2 (ja) | 2004-12-08 | 2004-12-08 | 磁気浮上用アクチュエータ駆動装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2004354836A JP4320632B2 (ja) | 2004-12-08 | 2004-12-08 | 磁気浮上用アクチュエータ駆動装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2006166605A JP2006166605A (ja) | 2006-06-22 |
| JP4320632B2 true JP4320632B2 (ja) | 2009-08-26 |
Family
ID=36667996
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2004354836A Expired - Fee Related JP4320632B2 (ja) | 2004-12-08 | 2004-12-08 | 磁気浮上用アクチュエータ駆動装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP4320632B2 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109094421A (zh) * | 2018-08-06 | 2018-12-28 | 江西理工大学 | 悬挂式磁悬浮列车的多点协同悬浮控制系统 |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN100430260C (zh) * | 2006-08-28 | 2008-11-05 | 中国人民解放军国防科学技术大学 | 电磁型常导低速磁浮列车模块悬浮控制方法 |
| CN104198024B (zh) * | 2014-09-11 | 2016-11-02 | 南车株洲电力机车有限公司 | 一种超载报警装置及方法 |
-
2004
- 2004-12-08 JP JP2004354836A patent/JP4320632B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109094421A (zh) * | 2018-08-06 | 2018-12-28 | 江西理工大学 | 悬挂式磁悬浮列车的多点协同悬浮控制系统 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2006166605A (ja) | 2006-06-22 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN104052345B (zh) | 用于降低电动机中扭矩波动的系统 | |
| CN101399501B (zh) | 电力转换装置 | |
| JP2009106071A (ja) | 磁気浮上装置 | |
| KR20050117561A (ko) | 적응식 주행 제어 시스템을 갖는 전기 차량 | |
| JP2007071387A (ja) | 電気機械式制動作動装置 | |
| JP6973311B2 (ja) | 処理装置 | |
| JP4744928B2 (ja) | 磁気浮上装置 | |
| JP4983970B2 (ja) | モーター制御装置 | |
| JPWO2011001555A1 (ja) | 磁石可動型リニアモータ用の位置検出装置 | |
| JP2009005553A (ja) | 永久磁石モータの制御方式および方法、並びにエレベータの制御方式 | |
| JP2012529262A (ja) | モーターを制御する方法 | |
| JP4320632B2 (ja) | 磁気浮上用アクチュエータ駆動装置 | |
| JP2016533702A (ja) | 二重巻線型ボイスコイルモータ推力補償システム及び二重巻線型ボイスコイルモータモジュール | |
| JP2007325471A (ja) | 電動機の制御装置 | |
| JP5442245B2 (ja) | 共通コンバータの過負荷保護方法及び装置、並びに多軸モータドライブシステム | |
| JP5483692B2 (ja) | 磁気浮上装置 | |
| JP2008187862A (ja) | モータ制御装置、及びモータ制御方法 | |
| WO2022085545A1 (ja) | 電動機の温度検出器の温度を推定する温度推定装置 | |
| CN108347208A (zh) | 感应电动机的控制装置 | |
| WO2021075186A1 (ja) | モータ制御装置、磁石温度推定器、および磁石温度推定方法 | |
| EP3627691B1 (en) | Use of motor flux linkage maps for monitoring the health of an actuator | |
| JP2009519878A (ja) | エレベータ駆動装置制御方法 | |
| JP2005036839A (ja) | 磁気支持装置 | |
| Liang et al. | Mathematical model optimization of electromagnetic suspension system based on additional constraints | |
| JP6390528B2 (ja) | 可変速電動機の過負荷保護装置 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20071114 |
|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20090424 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20090507 |
|
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20090520 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120612 Year of fee payment: 3 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130612 Year of fee payment: 4 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20140612 Year of fee payment: 5 |
|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |