JP4611303B2

JP4611303B2 - 同期リニアモータの負荷状態を無センサ式で検出する方法及び回路装置

Info

Publication number: JP4611303B2
Application number: JP2006525078A
Authority: JP
Inventors: ジーバー・ベルント; エードル・ギュンター
Original assignee: ブリュックナーマシーネンバウゲーエムベーハー
Priority date: 2003-09-05
Filing date: 2004-08-26
Publication date: 2011-01-12
Anticipated expiration: 2024-08-26
Also published as: EP1661236B1; WO2005025046A1; US7233119B2; DE10341511B4; ATE368323T1; JP2007504793A; DE502004004454D1; US20070013329A1; DE10341511A1; EP1661236A1

Description

本発明は、フィルム延伸装置の同期リニアモータ、特にリニア駆動装置を制御する請求項１及び２の前文による方法並びにこの方法を実施する請求項１５及び１６の前文による回路装置に関するものである。

例えば、フィルム延伸装置のクリップの搬送に使用される同期リニアモータは、極力正確に、安定して且つエネルギを節減して静止主部に対する副部の移動を制御しなければならない。この場合、常時ではないが、一時的にのみ主部と可動副部とが作用的に連結されるとき、即ち、副部が主部を越えて搬送され又は外側領域から主部の領域内に搬送されるとき、特別の要求が生ずる。

同期モータの無センサ式制御は、多くの特許公報及び公開公報から公知である。その際、所与の基準による移動及び負荷状態の制御に対象と目的が存在する。

・Ｍ．Ｊ．コーリー（Corley）及びＲ．Ｄ．ローレンツ（Lorenz）は、非特許文献１の記事により、ルーエンベルガー（Luenberger）による観察構造により、定電流の測定値から回転する同期機械での位置を評価する方法を説明する。

・Ｐ．ヴァース（Vas）は、非特許文献２の本で、同期式回転モータの位置測定解決法の実際の状況に関する概説を示す。この場合も、ステータ及びロータが、常に作動領域に存在する。

・特許文献１は、ロータ位置を測定する空間的磁気的なコンダクタンス変動を利用して回転する同期モータのロータ方向の制御を説明する。この場合、ロータ位置を検出する別体のセンサのないモータの制御に課題がある。しかしながら、コンダクタンス変動は、ロータからの応答電圧の作用に比較して小さい。

・特許文献２は、トランス回路装置の状態を検出する課題を有する。この場合、状態検出の概念は、静止する装置でのみ用いられる。

・特許文献３は、リニアモータを備えたデジタル式の場の方向付けにより制御される同期駆動装置の電動力と電流空間指数の同期化法を説明する。この場合、静止状態にて状態センサによる双方の前記量の正確な関係が測定される。この方法は、検出する関係状態の欠損の場合には適さない。

・特許文献４は、閉じた回転数又は状態制御回路に使用する電気的駆動装置での負荷力及び加速度を再現する方法を説明する。ルーエンベルガー観察装置により再現される力又はモーメントを処理して、制御回路内で状態又は力又はモーメントが制御される。

・特許文献５は、フィルム延伸装置の多数のクリップをリニア駆動しかつ制御される多数の調整器を備えた制御装置を説明する。１つの段階に在る副部を別々に把持できるように、制御装置によってリニアモータのレールからの個々に制御可能な多数の段階を制御することができる。リニアモータの主部の結果として生ずる貫通軸は、制御装置により与えられる時間に関する位相角の特性曲線に追従し、従って速度が付与される。調整器は、条件に対応して、一定の振幅の電流を供給する。一定の電流の場合、電流の振幅が所定時間に亘る最大有効力を決定する。

種々の評価によって、公知の無センサ式制御配置は、更なる特別の無センサに、電流及び電圧のみから、運動状態を決定する。公知の全装置では、一般に三相電流が供給される主部と副部が、電磁石又は永久磁石による励磁によって常に相互に作用するので、双方の間に力が発生する。

その際、独立して互いに予め与えられた運動特性曲線に追従すべき多数の可動副部を備えた駆動システムでは、主部の下方に一時的にのみ副部も存在する点で不利である。主部内への副部の進入の際に、制御装置は、主部内での僅かな停滞時間のために、非常に迅速に運動状態を検出しなければならない。公知の装置は、これを実行しない。

更に、多くの進行方向に配置される別々に供給される種々の長さを有する主部の場合に、供給される調整器は、副部の離脱の後、次に入る副部のために再び少なくとも電流の正確な位相位置及び／又はその高さ及び／又は結果として生ずる電流波の速度を発生しなければならない。

調整器から定電流を供給され制御される公知の同期リニアモータでは、インピーダンス及び電圧の差を副部の存在又は不存在により非常に迅速に電流制御器を調整することができる。この装置では、負荷角は、副部に作用する外力により、負荷角により力の正弦関数に対応する。別法として、±９０度以上の負荷角と表わされる力の波高値の超過に対する十分な安定性を保持するため、予め付与される電流が十分に高く調整される。電流は、副部の一定の流れの場合には、最大力に対する値も同時に示す。

この装置には、下記の欠点がある。
・実際の負荷状態に関する如何なる情報もないので、実際の負荷状態を考慮せずに定電流が供給される。
・安定性を保持するのにより高い電流を供給しなければならず、このため電流の二乗に比例する主部での電力損失が大きい。
・過大な外的負荷では、±９０度の負荷角での静止安定性の限界を越えることがある。
・過大な外的負荷で、副部が静止状態になり又は少なくともその位置が少なくとも±１８０度以上変化すると、±１８０度の負荷角での力学的安定性限界を越えることがある。
国際公開第ＷＯ９９／３９４３０号公報国際公開第ＷＯ００／７９６７５号公報ドイツ公開特許第ＤＥ１９７４７４１２Ａ１号公報ドイツ公開特許第ＤＥ１９７５１３７５Ａ１号公報ドイツ特許第ＤＥ１９６３４４４９Ｃ２号公報「静止及び高速時の永久磁石式同期機械のロータ位置及び速度評価」（IEEE １９９６年、３６頁〜４１頁）「センサーレス式のベクトル及び直接トルク制御」（オックスフォード大学出版１９９８年）

従って、本発明は、極力正確に安定して且つエネルギを節減して、特に一時的にのみ主部の作動領域に副部が存在しても、同期リニアモータの運転方法を制御できる頭記種類の方法を提供すべき課題に基づく。更に、この方法を実施する回路装置を提供すべきである。

本発明では、請求項１及び２並びに１５及び１６の特徴部分によりこの課題を解決する。本発明の有利な実施の形態を他の請求項に示す。

本発明による方法の第一の構成では、優先制御装置から生ずる２つのパルス間の時間に亘る有効電力の積分値を計算し、主部の有効長により積分値を除算することにより、調整器内で測定し又は算出した電流及び電圧から主部及び副部の間に作用する力が決定される。その際、ｆ軸の電流を所与の値に制御し、ｇ軸の電流をゼロに制御する。

第二の構成では、優先制御装置から生ずる２つのパルス間の時間中の主部のレールの抵抗に関する電圧降下だけ減算してｆ軸の電圧の合計値を算出し、ｆ軸の電流と、時間間隔と、主部の長さの逆数値と、合計値とを乗算して、調整器内で測定し又は算出した電流及び電圧から主部と副部との間に作用する力を決定する方法により課題を解決する。その際、ｆ軸の電流を所与の値に制御し、ｇ軸の電流をゼロに制御する。

本発明の方法は、２軸表現にて副部で設定された座標系で表わされ静止主部に対して変換される電流及び電圧から、主部と副部の間に作用する実際の力を無センサ式に決定する点に特徴がある。また、優先制御装置から生ずる２つのパルス間に在る予め決められた時間にわたる有効電力の積分値でも、またｆ軸の電圧の合計値でも力を計算できる。ｆ軸の電流を予め決められた値に制御し、ｇ軸の電流をゼロに制御して、力の決定を簡略化できる。

本発明の方法によって、追加の要素なしに調整器の外部でもまた調整器の内部でも適宜の構成により以下の特徴を達成できる：
・１つの主部の通過に対して副部に関する平均力を決定できる。
・１つの副部が通過して別に供給される複数個の主部の場合に、力の特性曲線を決定でき、実際に在る負荷を決定することができる。
・決定された力が予測より大きいとき、任意に選択可能な主部内で、制御装置による電流に対する新たな目標値の付与により、安定化予備として電流が高められる。
・１つの主部の一回の通過に対して平均負荷角を決定できる。
・副部の実際に必要とされる力に対応して副部での電流を低減でき、それによりエネルギを節減できる。
・考察される主部の手前での安定化限界の発生する超過（離脱）を検出できる。
・同様に選択された主部での電流を高めるため安定化予備として、この情報を使用できる。
・データ及び知識記憶装置を使用できる。
・自動学習システムが可能である。

優先制御装置により生ずる２つのパルス間の時間中に主部のインダクタンスでの誘導電圧降下だけ減算されてｇ軸の電圧の合計値を計算し、ｆ軸の電流と、時間間隔と、主部の有効長の逆数値と、得られた合計値とを乗算して、無効力（無効電力）を算出できる点で有利である。検出した無効力から無効力に対する力の比の正接（ｔａｎ｛力／無効力｝）を算出して、負荷角を決定できる。これにより、静力学的又は動力学的な安定性限界の間隔を決定できるので、必要に応じて、供給される定電流の低減により、エネルギを節減し又は定電流を増大することにより、安定性限界を超過することを阻止できる。

本発明による方法の実施に使用する回路装置の第一の構成では、副部に関連する電流及び電圧の主部への変換を行ない、変換した電流及び電圧が実のｆ軸及び虚のｇ軸を備えた２軸座標系で表わされる計算ブロックが設けられる。また、計算ブロックは、優先制御装置から生ずる２つのパルス間の時間に亘って有効電力の積分値を形成し、形成された積分値を主部の有効長により除算することにより、調整器で測定し又は算出した電流及び電圧から主部と副部との間に作用する力を計算する装置を含む。更に、ｆ軸の電流を予め決められた値に調整し、ｇ軸の電流をゼロに調整する装置が設けられる。

本発明による回路装置の第二の構成では、計算ブロックは、優先制御装置から生ずる２つのパルス間の時間中に主部のレールの抵抗に関する電圧降下だけ減算されてｆ軸の電圧の合計値を形成し、ｆ軸の電流と、時間間隔と、主部の有効長の逆数値と、形成された合計値とを乗算することにより、調整器で測定し又は算出した電流及び電圧から主部と副部との間に作用する力を計算する装置を含む。この場合にも、ｆ軸の電流を予め決められた値に調整し、ｇ軸の電流をゼロに調整する装置が設けられる。

調整器の内側又は外側に計算ブロックを配置できる。

例として図面について本発明を詳細に以下説明する。

まず、本発明による方法の全般的な原理をより詳細に説明する。

リニアモータの可動副部に関連するステータに対して変換される座標系において、同期リニアモータの電流及び電圧を計算できる。副部と共に、座標系の実のｆ軸と虚のｇ軸が移動する。ステータシステムと副部との間に、ステータに関する変換関係での変数を形成する未知の負荷角ｂが存在する。

その際、出力は、前記ステータ座標系の変換された電流及び電圧から構成要素として、有効電力に関して、
P_w=U_f・I_f+U_g・I_g 方程式１
また、無効電力に関して、
P_b=U_g・I_f-U_f・I_g 方程式２
を示す。
ここで、各記号は、下記をそれぞれ意味する。
P_w 有効電力
P_b 無効電力
U_f ｆ軸の測定電圧
U_g ｇ軸の測定電圧
I_f ｆ軸の測定電流
I_g ｇ軸の測定電流

更に、優先制御装置から、計算のスタートパルスとしてパラメータnew_clipと、供給すべき部分に対する主部の有効長l_zoneが付与される。２つのパルスnew_clip間には、時間t_clipが経過する。従って、パルスnew_clipは、内部の時間的タクトを与える。時間t_clipは、主部の領域での副部の滞在時間に一致しても、しなくてもよい。

出力評価では、時間t_clip内の有効電力は、主部の損失と、副部に伝達される出力とに変換される。主部での鉄損失を無視すると、銅損失V_Cuのみが決定的である。より良好な近似にて副部の速度の平均値に対応する副部の速度の目標値v_clipにより、主部の有効ゾーン長l_zoneは、下式：
l_zone=v_clip・t_zone 方程式３
で表わされ、t_zoneは、主部の作動領域での副部の真の滞在時間である。

副部に関する力F_clipは、簡単に、

から計算できる。その際、副部の個数n_clipは、多数の副部が同数の平行に供給される、即ち電気的に並列に接続される主部に対向する場合を考慮する。時間tの関数としての量の表示法は、一個（又はn_clip個）の主部下で副部が通過する時に、量がその値を変更し得ることを強調する。

主部下での副部の滞在中のその時の力は、測定可能な量がその時間依存値と関係し且つその時の速度で除算することにより、測定可能な電流及び方程式１による電圧から計算される。

電流要素を制御して、電流I_gをゼロに保持し、電流I_fを予め決められた値に保持する際に、計算を著しく簡略化できる。その際、方程式は、有効電力を下式：
P_w=U_f・I_f 方程式５
に簡略化し、また、無効電力を下式に簡略化する。
P_b=U_g・I_f 方程式６

方程式４の簡略化による方程式５では、各デジタル式制御器の各時間間隔Δtの終期に全時間t_clipに亘る電圧降下だけ減算し、次に時間間隔自体及び電流I_fと乗算した電圧値の合計U_fにより力を簡略化できる。主部の長さl_zone及び副部の個数n_clipによる除算の後、時間t_clip中に中心に作用する力F_clipを方程式７から得る。

この場合、R_strは、２軸系に変換されたリニアモータのレールの抵抗を意味する。

主部内への副部の進入の際と主部からの退避の際との通過基準波の位相角は、種々である。次に進入する副部に関して、再び初期位相角を調整しなければならない。通過波の位相位置の切り替えとも呼ばれる変更の間、前記条件I_f＝予め与えられた値及びI_g＝０はもはや満たすことができない。図３は、位相差αの発生の場合について切り替え開始を決定するパルスnew_clip後の電流及び電圧の原理的な状況を示す。

この状況を考慮して、力F_clipの計算値の補正により、移動した副部に対する実際の力との計算値とより良好に一致する。補正は、切り替えの際の目標電流に依存する補正値と電流の位相ジャンプを備えた計算ブロックに格納されたテーブルから構成され又は公知の量に基づく概算が行なわれる。方程式８により最も簡単な形態での概算が可能である。

この場合、L_strは、２軸系に変換されたリニアモータのレールのインダクタンスを意味する。検出した電圧U_startは、合計値を形成する負の初期値として方程式７に代入される。

方程式６による無効電力は、電流I_fの大きさにより増大する。有効電力の計算に対する前記簡略化により、ここでは無効力と呼ばれる更なる量を無効電力から計算できる。その際、電圧U_fの代わりに、U_gを使用し、抵抗R_strの代わりに平均角速度を掛けたインダクタンスL_strを使用する。

無効力に対する力の比の正接（ｔａｎ｛力(F_clip)／無効力｝）が、負荷角を生ずる。

副部は、考察された主部の前で、電流波から脱落する（離脱）。その後、前記時間t_clipまで、副部は、主部の下には存在せず、交換作用を行なわない。抵抗に関する電圧降下だけ減算された電圧U_fとインダクタンスでの電圧降下だけ減算された電圧U_gから成る合計の二乗は、加算の後、比較器は、しきい値と比較する。しきい値を下回るとき、比較器は、脱落例えば「離脱」の情報信号を行なう。

計算された力が、予め与えられたしきい値を下回ると、比較器は、それを検出して情報信号を出力する。

「離脱」に関する更なる基準は、計算された無効力に対する予め与えられたしきい値の超過である。

本発明による回路装置を図１についてより詳細に説明する。

図１は、主部20に対する電流の計算モデル、電流の調整リンク及び電流測定装置を含む調整器10を示す。モデルは、副部30に関係する２つの軸、公知の２軸理論に対応する縦軸及び横軸を備え、この値を三相電流系に変換する座標系での出力21のための電流値を計算する。調整器10は、副部30の座標系への変換後に、主部20に関係する座標系の縦軸U_f及び横軸U_gの電圧に対する目標値から、電流I_f、I_gの目標値及び結果として生ずるモデルの空間指数の角度を計算する。更に、副部30の速度V_sollが与えられる。このために、計算モデルは、主部20の無効抵抗及び有効抵抗をパラメータとして含む。計算モデルは、三相電流系での測定値からｆ軸及びｇ軸の電流の実際値I_f、I_gを検出し、それを主部20の２軸系に変換した後、加算器2及び4に与える。加算器2及び4の差異は、縦軸及び横軸に関する２つの電流制御器1及び3を含む。また、電流制御器1、3の出力では、調整ブロック10の目標値としてｆ軸及びｆ軸の電圧U_f、U_gを使用する。

副部30から２つの磁石31、32により異なる極性で主部20内に移動の際に誘導される対向電圧は、電流制御回路内で制御される電流制御器1、3のバランスの障害となる。その際、副部30の主部20への進入及び退避時に少なくとも一時的に双方の軸での電流の実際値も変化する。双方の軸での電圧U_f及びU_gは、同様に変化するが、副部30の滞在中は調整振動及び１つの主部20から他への移行を推察して、更に一定のままである。

図２は、計算ブロック11を示す。図１の測定量U_f、U_g、I_f及びI_gからの負荷量は、調整器10の一部であり得る計算ブロック11内で計算される。これに対して、測定開始のパルスとなるパラメータnew_clipと、供給すべき部分に対する主部の有効長l_zoneとが、優先制御装置から付加的に予め与えられる。２つのパルスnew_clip間には、時間t_clipが経過する。

モータパラメータR_str（リニアモータのレールの抵抗）とL_str（リニアモータのレールのインダクタンス）は、同様に２軸系の変換された量として予め与えられる。図示しない比較器は、内部で算出した量をしきい値「しきい値１」と比較して、下回る場合に「離脱」の情報信号を行なう。

計算ブロック11の結果は、パルスnew_clipの直後に更なる評価のために出力に使用される。

電流制御器、調整器及びリニアモータを備えた本発明による回路装置の概略図負荷状態を計算する概略図切り替えの際の原理的な状況を示すグラフ

符号の説明

(1,3)・・電流制御器、 (2,4)・・加算器、 (10)・・調整器、 (11)・・計算ブロック、 (20)・・主部、 (30)・・副部、 (31,32)・・磁石、

Claims

少なくとも１つの静止主部(20)と、
少なくとも１つの主部(20)に沿って移動可能でかつ主部(20)の作動領域に少なくとも一時的に存在する少なくとも１つの副部(30)と、
主部(20)に関連する調整器(10)とを備え、
主部(20)に関して変換されて変換後に実のｆ軸と虚のｇ軸との２軸の副部(30)に関する座標系により電流及び電圧を表すフィルム延伸装置用リニア駆動装置の同期リニアモータを制御する方法において、
ａ）優先制御装置から生ずる２つのパルス(new_clip)間の時間(t_clip)に亘り有効電力の積分値を計算する過程と、
ｂ）主部(20)の有効長(l_zone)により積分値を除算する過程と、
ｃ）予め決められた値にｆ軸の電流(I_f)を調整しかつｇ軸の電流(I_g)をゼロに調整する過程と、
ｄ）前記過程ａ）〜ｃ）により、調整器(10)内で測定し又は算出した電流及び電圧から主部(20)と副部(30)との間に作用する力(F_clip)を決定する過程とを含むことを特徴とする方法。
少なくとも１つの静止主部(20)と、
少なくとも１つの主部(20)に沿って移動可能でかつ主部(20)の作動領域に少なくとも一時的に存在する少なくとも１つの副部(30)と、
主部(20)に関連する調整器(10)とを備え、
主部(20)に関して変換されて変換後に、実のｆ軸と虚のｇ軸との２軸の副部(30)に関する座標系により電流及び電圧を表すフィルム延伸装置用リニア駆動装置の同期リニアモータを制御する方法において、
ａ）優先制御装置から生ずる２つのパルス(new_clip)間の時間(t_clip)の間に、主部(20)のレールの抵抗(R_str)に関する電圧降下(R_str・I_f)だけ減算してｆ軸の電圧の合計値(U_f)を算出する過程と、
ｂ）ｆ軸の電流(I_f)と、時間間隔(Δt)と、主部(20)の有効長(l_zone)の逆数値と、合計値とを乗算する過程と、
ｃ）予め決められた値にｆ軸の電流(I_f)を調整し、ｇ軸の電流(I_g)をゼロに調整する過程と、
ｄ）前記過程ａ）〜ｃ）により、調整器(10)内で測定し又は算出した電流及び電圧から主部(20)と副部(30)との間に作用する力(F_clip)を決定する過程とを含むことを特徴とする方法。
優先制御装置から生ずる２つのパルス(new_clip)間の時間(t_clip)中の主部(20)のインダクタンスでの誘導電圧降下だけ減算してｇ軸の電圧(U_g)の合計を算出する過程と、
ｆ軸の電流(I_f)、時間間隔(Δt)及び主部(20)の有効長(l_zone)の逆数値と得られた合計とを乗算することにより、無効力を算出する過程とを含む請求項１又は２に記載の方法。
無効力に対する力(F_clip)の比の正接（ｔａｎ｛力(F_clip)／無効力｝）から負荷角を計算する過程を含む請求項３に記載の方法。
力(F_clip)と無効力の二乗の合計値を予め与えられたしきい値（しきい値１）と比較する過程と、
合計値がしきい値（しきい値１）を下回るとき、離脱の情報信号を出力する過程とを含む請求項３又は４に記載の方法。
副部(30)の主部(20)の作動領域での滞在時間の終期に、離脱の情報信号を出力する過程を含む請求項５に記載の方法。
ｆ軸の電流(I_f)の高さと、副部(30)が主部(20)の作動領域内に侵入する際と副部(30)が主部(20)の作動領域内から退避する際との電流位相差(α)とに依存して、図表化値の減算により、算出した力(F_clip)を補正する請求項１に記載の方法。
ｆ軸の電流(I_f)の高さと、副部(30)が主部(20)の作動領域内に侵入する際と副部(30)が主部(20)の作動領域内から退避する際との電流位相差(α)とに依存して、テーブルからの合計計算の負電圧初期値(U_start)の選択により、算出した力(F_clip)を補正する請求項２に記載の方法。
合計計算の負電圧初期値(U_start)により、算出した力(F_clip)を補正する請求項２に記載の方法。
少なくとも１つの静止主部(20)と、
少なくとも１つの主部(20)に沿って移動可能で、主部(20)の作動領域に少なくとも一時的に存在する少なくとも１つの副部(30)と、
主部(20)に関連する調整器(10)と、
実のｆ軸及び虚のｇ軸を使用して２軸の副部(30)に関する座標系で表わされる電流及び電圧の主部(20)に対する変換を行なう計算ブロック(11)とを備え、
計算ブロック(11)は、
優先制御装置から生ずる２つのパルス(new_clip)間の時間(t_clip)に亘り有効電力の積分値を形成し、主部(20)の有効長(l_zone)により積分値を除算して、調整器(10)内で測定され又は計算された電流及び電圧から、主部(20)と副部(30)との間に作用する力(F_clip)を計算する装置と、
ｆ軸の電流(I_f)を予め決められた値に調整しかつｇ軸の電流(I_g)をゼロに調整する装置とを設けたことを特徴とするフィルム延伸装置用リニア駆動装置の同期リニアモータを制御する回路装置。
少なくとも１つの静止主部(20)と、
少なくとも１つの主部(20)に沿って移動可能で、主部(20)の作動領域に少なくとも一時的に存在する少なくとも１つの副部(30)と、
主部(20)に関連する調整器(10)と、
実のｆ軸と虚のｇ軸との２軸の副部(30)に関する座標系で表わされる電流及び電圧の主部(20)に対する変換を行なう計算ブロック(11)とを備え、
計算ブロック(11)は、
優先制御装置から生ずる２つのパルス(new_clip)間の時間(t_clip)中の主部(20)のレールの抵抗(R_str)に関する電圧降下だけ減算してｆ軸の電圧の合計値(U_f)を形成し、ｆ軸の電流(I_f)と、時間間隔(Δt)と、主部(20)の有効長(l_zone)の逆数値と、合計値とを乗算し、調整器(10)内で測定し又は算出した電流及び電圧から主部(20)と副部(30)との間に作用する力(F_clip)を計算する装置と、
予め決められた値にｆ軸の電流(I_f)を調整しかつｇ軸の電流(I_g)をゼロに調整する装置とを備えることを特徴とするフィルム延伸装置用リニア駆動装置の同期リニアモータを制御する回路装置。
調整器(10)内に計算ブロック(11)を配置した請求項１０又は１１に記載の回路装置。
調整器(10)の外側に計算ブロック(11)を配置した請求項１０又は１１に記載の回路装置。