JP4623271B2 - 電磁アクチュエータの駆動制御装置およびそれを備えた電磁アクチュエータ - Google Patents
電磁アクチュエータの駆動制御装置およびそれを備えた電磁アクチュエータ Download PDFInfo
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Description
図2は従来技術の電磁アクチュエータの駆動制御装置の構成を示すブロック図である。
図2において、1は減算器、4は電力増幅器、5は電流センサ、7は励磁コイル、8は第1コア、9は第2コア、10はギャップセンサ、11は力/電流変換手段、12は電流制御部である。
電磁アクチュエータは磁性体でできた第1コア8を備えた可動子と、第1コア8とギャップを介して対向配置されると共に、磁性体でできたE形断面状の第2コア9と該第2コア9の脚に巻かれ且つ磁気力を発生する励磁コイル7を有する電磁石を備えた固定子とで構成されており、第1コア8、第2コア9間に働く磁気力で可動子を駆動するようになっている。なお、一般に、図中の第1コア(可動子)は移動ステージなどに固定され、電磁石(固定子)は固定ベースなどに固定されるが、ここでは図示を省略する。
次に、動作について説明する。
ギャップセンサ10が第1コア8、第2コア9間のギャップhを検出し、力/電流変換手段11は電磁石が発生する目標となる磁気力に対応する力指令frとギャップセンサにより検出したギャップ信号hに基づいて電磁アクチュエータの磁気回路モデルを用いて電流指令Irを計算する。減算器1は電流指令Irと電流センサ5が検出したコイルの電流Iとの偏差を計算し、電流制御部12は電流指令Irと電流センサ5が検出したコイルの電流Iとの偏差に基づいて電圧指令urを計算する。電力増幅器4は電圧指令urを増幅して電磁石のコイルに励磁電圧を与える。
なお、アクチュエータにおいて、磁気飽和がなく漏れ磁束が少ない場合は、磁気回路モデルを用いて正確に力と電流およびギャップとの関数を求めることができ、電磁アクチュエータの力を力指令と一致させることができる。
このように、従来技術の電磁アクチュエータの駆動制御装置は、磁気回路モデルを用いて力指令から電流指令に変換して制御系を構成するものである。
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、磁気飽和があり、漏れ磁束が多い場合でも力と電流およびギャップとの関数を正確に導出すると共に、この関数を利用して力と電流を相互変換することにより、指令通りの力を発生することができる電磁アクチュエータの駆動制御装置およびそれを備えた電磁アクチュエータを提供することを目的とする。
前記第1コアとギャップを介して対向配置されると共に、磁性体でできた第2コアと前記第2コアの脚に巻かれ且つ磁気力を発生する励磁コイルを有する電磁石と、
前記第1コアと前記第2コアとの間のギャップを検出するギャップセンサと、
前記電磁石の励磁コイルに流れる電流を検出する電流センサと、
を備え、前記第1コアと前記第2コアの何れか一方を可動子とし、他方を固定子として構成することにより相対的に移動するようにした電磁アクチュエータにおいて、
前記ギャップセンサにより検出したギャップ信号および前記電流センサにより検出した励磁コイルの電流信号を入力することにより力フィードバック信号を出力する電流/力変換手段と、
前記電磁石が発生する目標となる磁気力に対応する力指令と前記電流/力変換手段により出力された力フィードバック信号の偏差に基づいて、前記電圧指令を計算する力制御部と、
前記力制御部で得られた電圧指令を増幅することにより、前記励磁コイルに励磁電圧を与えるようにした電力増幅器とを備えたものである。
前記電磁アクチュエータが発生する力fを下記の有限多項式(1)によって近似したときに、
前記電磁アクチュエータが発生する力fを下記の分数多項式(7)によって近似したときに、
前記第1コアとギャップを介して対向配置されると共に、磁性体でできた第2コアと前記第2コアの脚に巻かれ且つ磁気力を発生する励磁コイルを有する電磁石と、
前記第1コアと前記第2コアとの間のギャップを検出するギャップセンサと、
前記電磁石の励磁コイルに流れる電流を検出する電流センサと、
前記電磁石が発生する目標となる磁気力に対応する力指令frと前記ギャップセンサにより検出したギャップ信号hを入力することにより電流指令Irを出力する力/電流変換手段と、
前記電流指令と前記電流センサにより検出した励磁コイルの電流信号Iの偏差に基づいて、電圧指令を計算する電流制御部と、
前記電流制御部で得られた電圧指令を増幅することにより、前記励磁コイルに励磁電圧を与えるようにした電力増幅器と、
を備え、前記第1コアと前記第2コアの何れか一方を可動子とし、他方を固定子として構成することにより相対的に移動するようにした電磁アクチュエータにおいて、
前記力/電流変換手段は、
前記電磁アクチュエータが発生する力fの前記電流信号Iおよび前記ギャップ信号hに関する近似式である下記の数式(11)
前記力指令frから前記電流指令Irへの変換を下記の数式(12)
前記第1コアとギャップを介して対向配置されると共に、磁性体でできた第2コアと前記第2コアの脚に巻かれ且つ磁気力を発生する励磁コイルを有する電磁石と、
前記第1コアと前記第2コアとの間のギャップを検出するギャップセンサと、
前記電磁石の励磁コイルに流れる電流を検出する電流センサと、
前記電磁石が発生する目標となる磁気力に対応する力指令frと前記ギャップセンサにより検出したギャップ信号hを入力することにより電流指令Irを出力する力/電流変換手段と、
前記電流指令と前記電流センサにより検出した励磁コイルの電流信号Iの偏差に基づいて、電圧指令を計算する電流制御部と、
前記電流制御部で得られた電圧指令を増幅することにより、前記励磁コイルに励磁電圧を与えるようにした電力増幅器と、
を備え、前記第1コアと前記第2コアの何れか一方を可動子とし、他方を固定子として構成することにより相対的に移動するようにした電磁アクチュエータにおいて、
前記力/電流変換手段は、
前記電磁アクチュエータが発生する力fの前記電流信号Iおよび前記ギャップ信号hに関する近似式である下記の数式(13)
前記力指令frから前記電流指令Irへの変換を下記の数式(14)
請求項4および請求項5に記載の発明によると、複雑な磁気回路を用いず簡単な有限多項式または分数多項式を用いて、実験またはCAE解析のデータに基づいて2次多項式または2次分数多項式の各係数を最小2乗法で定め、精度良く力と電流およびギャップとの関数を求めることができるので、この関数に基づいて力指令を電流指令へ変換することで指令通りの力を発生するように制御することができる。
最初に、第1実施例について述べる。
図において、2は電流/力変換手段、3は力制御部である。
本発明が従来技術と異なる点は以下のとおりである。
すなわち、ギャップセンサ10により検出したギャップ信号hおよび電流センサ5により検出した励磁コイル7の電流信号Iを入力することにより力フィードバック信号ffを出力する電流/力変換手段2と、電磁石が発生する目標磁気力に対応する力指令frと電流/力変換手段2により出力された力フィードバック信号ffの偏差を演算する減算器1と、力指令frと力フィードバック信号ffの偏差に基づいて、電圧指令urを計算する力制御部3と、前記力制御部3で得られた電圧指令urを増幅することにより、励磁コイル7に励磁電圧を与えるようにした電力増幅器4とを備えた点である。言い換えると、従来技術との根本的な違いは、電流制御ループを構成せず、ギャップ信号および電流信号に基づいて力フィードバック信号を計算して直接力制御ループを構成することである。
以下、電流/力変換手段について詳細に説明する。
ギャップがh、コイルの電流がIである時、電磁アクチュエータが発生する力fは次式のような有限多項式(1)で表せるものとする。
まず、係数ベクトルを
p=[c00 … c0n c10 … c1n … cm0 … cmn]T ・・・(2)
とし、状態ベクトルを
q=[h … hn Ih … Ihn … Imh … Imhn]T ・・・(3)
とすると、式(1)より、
f=pT・q ・・・(4)
となる。
次に、実験またはCAE解析でN組データを用いて評価関数を次式(5)で与える。
第2実施例が第1実施例1と異なる点は、電流/力変換手段に用いられる力と電流およびギャップとの関数を分数多項式により表した点である。
ギャップがh、コイルの電流がIである時、電磁アクチュエータが発生する力fは次式のような分数多項式(7)で表せるものとする。
まず、式(7)を変形すると、
次に、係数ベクトルを
p=[a00…a0n a10…a1n … am0…amn b1 b2 … bl]T ・・・(9)
とし、状態ベクトルを
q=[h … hn Ih … Ihn … Imh … Imhn −fh −fh2
… −fhl]T ・・・(10)
とする。
最後に、実施例1と同じように最小2乗法を用いて係数ベクトルpを求める。
第3実施例は基本的には図2に示す従来技術と同じ構造を持つが、力/電流変換手段の実施方法が異なる。以下、本実施例の実施方法について説明する。
まず、ギャップがh、コイルの電流がIである時、電磁アクチュエータが発生する力fは次式のような電流の2次多項式(11)で表せるものとする。
次に、係数cijを実施例1と同じように求める。
最後に、A=c2nhn+…+c21h+c20、B=c1nhn+…+c11h+c10、C=c0nhn+…+c01h+c00とし、力指令から電流指令への変換は次式のように行う。
また、第3実施例は、モデルを電流の2次以上の多項式で表し、力閉ループを構成する第1実施例に対し、本実施例はモデルを電流の2次多項式で表し、電流閉ループを構成することである。一方、力閉ループは非線形系であり、電流閉ループは線形系である。よって、第1実施例と較べ、本実施例はモデルの精度が落ちるが、フィードバック制御系のゲインを上げられ、電圧など電流閉ループ内の外乱に対して抑圧特性が良くなる。
第4実施例は第3実施例と基本的な構成は同じであるが、以下の点で異なる。電流/力変換手段に用いられる力と電流およびギャップとの関数を電流の2次分数多項式で表す。これについて以下詳細に説明する。
まず、ギャップがh、コイルの電流がIである時、電磁アクチュエータが発生する力fは次式のような電流の2次分数多項式(13)で表せるものとする。
次に、係数aij(i=0、1、2,j=0、1、…、n)およびbk(k=1、2…、l)を実施例2と同じように求める。
最後に、A0=a00+a01h+…+a0nhn、A1=a10+a11h+…+a1nhn、A2=a20+a21h+…+a2nhn、D=1+b1h+…+blhlとし、力指令から電流指令への変換は次式のように行う。
なお、各実施例の電磁アクチュエータは、第1コアを可動子とし、第2コアと励磁コイルを有する電磁石を固定子とする例を示したが、電磁石の第2コアを可動子とし、第1コアを固定子として構成するようにしても構わない。
2 電流/力変換手段
3 力制御部
4 電力増幅器
5 電流センサ
7 励磁コイル
8 第1コア
9 第2コア
10 ギャップセンサ
11 力/電流変換手段
12 電流制御部
Claims (6)
- 磁性体でできた第1コアと、
前記第1コアとギャップを介して対向配置されると共に、磁性体でできた第2コアと前記第2コアの脚に巻かれ且つ磁気力を発生する励磁コイルを有する電磁石と、
前記第1コアと前記第2コアとの間のギャップを検出するギャップセンサと、
前記電磁石の励磁コイルに流れる電流を検出する電流センサと、
を備え、
前記第1コアと前記第2コアの何れか一方を可動子とし、他方を固定子として構成することにより相対的に移動するようにした電磁アクチュエータにおいて、
前記ギャップセンサにより検出したギャップ信号および前記電流センサにより検出した励磁コイルの電流信号を入力することにより力フィードバック信号を出力する電流/力変換手段と、
前記電磁石が発生する目標となる磁気力に対応する力指令と前記電流/力変換手段により出力された力フィードバック信号の偏差に基づいて、前記電圧指令を計算する力制御部と、
前記力制御部で得られた電圧指令を増幅することにより、前記励磁コイルに励磁電圧を与えるようにした電力増幅器とを備えたことを特徴とする電磁アクチュエータの駆動制御装置。 - 前記電流/力変換手段は、
前記電磁アクチュエータが発生する力fを下記の有限多項式(1)によって近似したときに、
ただし、数式(1)で、mおよびnは2以上の自然数であり、Iは前記励磁コイルの電流信号であり、hは前記ギャップ信号であり、cij(i=0、1、…、m,j=0、1、…、n)は最小2乗法により定めた係数であるとし、数式(1)に基づいて前記励磁コイルの電流から前記力フィードバック信号へ変換するものであることを特徴とする請求項1記載の電磁アクチュエータの駆動制御装置 - 前記電流/力変換手段は、
前記電磁アクチュエータが発生する力fを下記の分数多項式(7)によって近似したときに、
ただし、数式(7)で、l、mおよびnは2以上の自然数であり、Iは前記励磁コイルの電流信号であり、hは前記ギャップ信号であり、aij(i=0、1、…、m,j=0、1、…、n)およびbk(k=1、…、l)は最小2乗法により定めた係数であるとし、数式(7)に基づいて前記励磁コイルの電流から前記力フィードバック信号へ変換するものであることを特徴とする請求項1記載の電磁アクチュエータの駆動制御装置。 - 磁性体でできた第1コアと、
前記第1コアとギャップを介して対向配置されると共に、磁性体でできた第2コアと前記第2コアの脚に巻かれ且つ磁気力を発生する励磁コイルを有する電磁石と、
前記第1コアと前記第2コアとの間のギャップを検出するギャップセンサと、
前記電磁石の励磁コイルに流れる電流を検出する電流センサと、
前記電磁石が発生する目標となる磁気力に対応する力指令frと前記ギャップセンサにより検出したギャップ信号hを入力することにより電流指令Irを出力する力/電流変換手段と、
前記電流指令と前記電流センサにより検出した励磁コイルの電流信号Iの偏差に基づいて、電圧指令を計算する電流制御部と、
前記電流制御部で得られた電圧指令を増幅することにより、前記励磁コイルに励磁電圧を与えるようにした電力増幅器と、
を備え、
前記第1コアと前記第2コアの何れか一方を可動子とし、他方を固定子として構成することにより相対的に移動するようにした電磁アクチュエータにおいて、
前記力/電流変換手段は、
前記電磁アクチュエータが発生する力fの前記電流信号Iおよび前記ギャップ信号hに関する近似式である下記の数式(11)
(ただし、nは2以上の自然数である)に基づいて、予め最小2乗法によって係数ci j (i=0、1、2,j=0、1、…、n)を定め、
前記力指令frから前記電流指令Irへの変換を下記の数式(12)
( ただし、A=c2nhn+…+c21h+c20、B=c1nhn+…+c11h+c10、C=c0nhn+…+c01h+c00)によって行うものであることを特徴とする電磁アクチュエータの駆動制御装置。 - 磁性体でできた第1コアと、
前記第1コアとギャップを介して対向配置されると共に、磁性体でできた第2コアと前記第2コアの脚に巻かれ且つ磁気力を発生する励磁コイルを有する電磁石と、
前記第1コアと前記第2コアとの間のギャップを検出するギャップセンサと、
前記電磁石の励磁コイルに流れる電流を検出する電流センサと、
前記電磁石が発生する目標となる磁気力に対応する力指令frと前記ギャップセンサにより検出したギャップ信号hを入力することにより電流指令Irを出力する力/電流変換手段と、
前記電流指令と前記電流センサにより検出した励磁コイルの電流信号Iの偏差に基づいて、電圧指令を計算する電流制御部と、
前記電流制御部で得られた電圧指令を増幅することにより、前記励磁コイルに励磁電圧を与えるようにした電力増幅器と、
を備え、
前記第1コアと前記第2コアの何れか一方を可動子とし、他方を固定子として構成することにより相対的に移動するようにした電磁アクチュエータにおいて、
前記力/電流変換手段は、
前記電磁アクチュエータが発生する力fの前記電流信号Iおよび前記ギャップ信号hに関する近似式である下記の数式(13)
(ただし、lおよびnは2以上の自然数である)に基づいて、予め最小2乗法によって係数ai j (i=0、1、2,j=0、1、…、n)およびb k (k=1、2、…、l)を定め、
前記力指令frから前記電流指令Irへの変換を下記の数式(14)
( ただし、A0=a00+a01h+…+a0nhn、A1=a10+a11h+…+a1nhn、A2=a20+a21h+…+a2nhn、D=1+b1h+…+blhl)によって行うものであることを特徴とする電磁アクチュエータの駆動制御装置。 - 請求項1〜5のいずれか1項に記載の電磁アクチュエータの駆動制御装置を備えたことを特徴とする電磁アクチュエータ。
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