JP5099629B2 - 磁気浮上装置 - Google Patents

Description

本発明は、常電導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。

常電導吸引式磁気浮上装置は、騒音や発塵がなく、ＨＳＳＴ（High Speed Surface Transport：超高速地表輸送機）やトランスラピッド等の鉄道や半導体工場でのクリーンルーム内搬送システムで、既に実用化が図られている。また、このような磁気浮上装置をエレベータの乗りかごの案内装置に適用することや（特許文献１参照）、ドアへ適用することが試みられている（特許文献２参照）。

この磁気浮上装置は、電磁石を強磁性部材に対向させ、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。このため、基本的に磁気浮上系が不安定であり、それを安定化させるための対策が必要となる。一般的には、ギャップセンサにより浮上体のギャップ長を検出し、それを駆動系へフィードバック制御することで安定化を図っている。

しかし、ギャップセンサにてギャップ長を検出する場合、ギャップセンサから安定した信号を得ることが必要となる。その際、強磁性部材に付随して敷設されるセンサターゲットを適切に管理しないと、センサ信号にギャップ長検出時のノイズが重畳し、浮上制御に影響を与える。このため、浮上体や強磁性部材を支持する構造物に振動が発生することが避けられなかった。

前記センサターゲットとは、例えばエレベータであれば、乗りかごを支えるガイドレールである。乗りかごに磁気浮上装置を設置し、乗りかごをガイドレールから浮上させて移動させる。その際、ガイドレールの継ぎ目でギャップセンサの信号が乱れ、乗りかごを加振してしまうことがある。

このように、磁気浮上系の安定化を図るためには、センサターゲットの適切な管理が必要であり、そのためのコストが余分にかかるといった問題があった。また、浮上体に対する共振防止対策が必要となるために、システムが大型化・複雑化するといった問題があった。

こうした問題を解決するため、ギャップセンサを必要としない様々な手法が提案されている。

例えば、電磁石の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（非特許文献３参照）や、磁気浮上により生じる電磁石の励磁電圧と励磁電流の位相差にギャップ情報を含ませ、これを励磁電圧にフィードバックする方法（非特許文献４参照）がある。

また、電磁石の励磁電流値をヒステリシスコンパレータで基準値と比較し、励磁電流が基準値より大きい場合には励磁電圧を負に、小さい場合には励磁電圧を正に切替えることで、スイッチング周波数をギャップ長に比例させる方法（非特許文献５参照）がある。

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、オブザーバ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ギャップ長を推定することができない。よって、浮上開始時の制御が困難となり、また、浮上体が他の構造物に一旦接触した場合に、再び浮上状態に復帰できない等の問題がある。

また、ギャップ情報を含む物理量で電磁石の励磁電圧を制御する場合には、浮上制御系が非線型系になる。このため、安定判別が困難であり、浮上体に質量の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、浮上状態を維持できなくなるなどの問題がある。

こうした問題に対処するため、電磁石の励磁電流からオブザーバによりギャップ長を推定するセンサレス化方法において、浮上体が浮上状態にない場合に、浮上体の接触を検出してオブザーバの積分器を初期化すると共に、浮上体の接触状態から幾何学的に接触時のギャップ長を推定し、このギャップ長推定値に基づいてオブザーバの積分器に初期値を与えることで、浮上状態への復帰を行う手法がある（特許文献６参照）。

しかしながら、この手法をゼロパワー制御（特許文献７参照）に適用した場合に、以下のような問題が生じる。

すなわち、浮上体が定常浮上状態にあるときは、電磁石の励磁電流がゼロに収束しているため、何ら問題はない。ところが、浮上体に大きな外力が長時間加えられた場合に、電磁石のコイルに過渡的な制御電流が流れ続け、コイルの温度が上昇することになる。この温度の上昇に伴い、コイルの電気抵抗が大きくなり、励磁電流からギャップ長を推定するオブザーバの出力誤差が大きくなる。その結果、次第に浮上状態の維持が困難になり、浮上体が接触してしまう。

なお、浮上体が接触した場合には、浮上状態への復帰制御が試みられる。しかし、浮上状態に復帰しても、そのときのギャップ長の推定値の誤差が大きいために、再び浮上体は接触し、接触状態と浮上状態が交互に繰返されることになる。

こうした状態では、電磁石には大きな制御電流が流れ続けるため、電磁石のコイル抵抗値がさらに上昇し、最終的には浮上体が接触したままで、励磁電流が流れ続けることになる。その流れ続ける励磁電流が大きいと、浮上状態の信頼性が損なわれるばかりでなく、電磁石が発火する可能性がある。

一方、このようなセンサレスの磁気浮上制御において、電磁石のコイル抵抗値を測定しながら浮上制御を行い、その測定される抵抗値に基づいて、オブザーバのパラメータを変更する方法が提案されている（特許文献８参照）。

また、電磁石に過渡的な励磁電流が流れ続ける場合に、コイル抵抗値の増加に加え、オフセット電圧が温度の上昇に伴って変動する問題がある。このオフセット電圧の変動は、前記コイル抵抗値の変動と同様に、ギャップ長を推定するオブザーバの出力誤差を大きくする。

このような問題に対しては、オブザーバの速度推定値をゼロにするための励磁電圧にオフセット補償量を加算することで、オブザーバの出力誤差を抑制することができる（特許文献９参照）。

さらに、上述の対策を用いたとしても、オブザーバ中で用いるコイルの抵抗値については、これを励磁電圧と励磁電流の直流成分から算出するため、励磁電圧にオフセット電圧が混入すると、正確な抵抗値が測定できなといった問題がある。

この問題を回避するため、コイル電流目標値にゼロ値または非ゼロ値の２値を設定し、目標値がゼロの場合にオフセット電圧を推定してコイル抵抗値をより正確に測定する方法が提案されている（特許文献１０参照）。

しかし、これらの対策を用いたとしても、実際の浮上状態に急激な変動が生じた場合に、センサレス磁気浮上制御では、浮上状態の推定値に若干の遅れが避けられない。このため、予想外の速さで浮上状態が変動すると、システムの安定性が補償できないといった問題が残る。

特に、構造物の共振回避を目的として、センサレス磁気浮上制御を輸送システムや交通システムに適用する場合に、その信頼性が低いことが問題となる。
特願平１１−１９２２２４号公報 特願２００１−００３５４９号公報 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） 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 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） 特願２００２−００２６４６号公報 特開昭６１−１０２１０５号公報 特願２００３−３４４６７０号公報 特願２００５−１４４６４６号公報 特願２００６−０７７１９９号公報

上述したように、従来の磁気浮上装置にあっては、浮上体の安定な浮上状態を実現するために、ギャップセンサおよびセンサターゲットを必要とした。しかし、ギャップセンサを使用すると、そのセンサ信号のノイズ成分によって構造物が振動することがあり、それを抑制するための手段が必要であった。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などの問題があった。

また、こうした問題を避けるために、ギャップセンサを用いずにギャップ長を推定してフィードバック制御を行った場合（センサレス磁気浮上制御）、ギャップ長の推定による時間遅れのため、浮上制御の信頼性がギャップセンサを使用する場合に比べて低くなるといった問題があった。

本発明は、かかる事情に基づきなされたもので、ギャップセンサのノイズによる影響を低減して、常に安定した浮上制御を行うことのできる磁気浮上装置を提供することを目的とする。

本発明の磁気浮上装置は、強磁性部材で構成されるガイドと、このガイドに空隙を介して対向し、当該空隙中において磁路を共有する電磁石と永久磁石で構成される磁石ユニットと、前記ガイドに作用する前記磁石ユニットの吸引力によって非接触で支持される浮上体と、前記電磁石のコイルに流れる電流値を検出する電流値検出手段と、前記浮上体の浮上時におけるギャップ長を検出するギャップセンサと、前記電流値検出手段によって検出されるコイル電流値に基づいて、前記電磁石に印加すべき励磁電圧値を演算する第１の励磁電圧演算手段と、前記ギャップセンサによって検出されるギャップ長に基づいて、前記電磁石に印加すべき励磁電圧値を演算する第２の励磁電圧演算手段と、前記第１の励磁電圧演算手段の出力値と前記第２の励磁電圧演算手段の出力値とを混合して前記浮上体の浮上制御に必要な励磁電圧値を生成出力すると共に、その混合比を前記ギャップ長に応じて調整する励磁電圧調整手段とを具備したことを特徴とする。

本発明によれば、ギャップセンサのノイズによる影響を低減して、常に安定した浮上制御を行うことができる。

まず、本発明の基本的な原理について説明する。

図１は本発明の原理を説明するための磁気浮上装置の基本構成を示す図であり、一質点系の磁気浮上装置の全体構成が符号１で示されている。

磁気浮上装置１は、永久磁石１０３および電磁石１０５で構成される磁石ユニット１０７と、磁石ユニット１０７と負荷荷重１０９からなる浮上体１１１と、図示せぬ構造部材で地上に対して固定されるガイド１１３とを備える。

また、この磁気浮上装量１は、磁石ユニット１０７の吸引力を制御して、浮上体１１１を安定に非接触支持するための吸引力制御部１１５と、この吸引力制御部１１５の出力に基づいて電磁石１０５を励磁するためのドライバ１１６とを備える。

なお、１３０は補助支持部である。この補助支持部１３０は、コの字形状の断面を持ち、下部内側上面に磁石ユニット１０７が固定されると共に、例えば図示せぬリニアガイド等の上下方向に力が作用しない案内部で地上側から案内される防振台のテーブルを兼ねている。

ここで、磁石ユニット１０７の磁気的吸引力で浮上体１１１を非接触で支持するため、ガイド１１３は強磁性部材で構成されている。

電磁石１０５は鉄心１１７ａ，１１７ｂにコイル１１９，１１９’を巻装して構成され、永久磁石１０３の両磁極端部にそれぞれ鉄心１１７ａ，１１７ｂが配置されている。コイル１１９，１１９’は電磁石１０５の励磁によってガイド１１３〜鉄心１１７ａ〜永久磁石１０３〜鉄心１１７ｂ〜ガイド１１３で形成される磁路の磁束が強まる（弱まる）ように直列に接続されている。

また、吸引力制御部１１５は、励磁電圧演算手段１２５を備えている。励磁電圧演算手段１２５は、ギャップセンサ１２１で得られるギャップ長と電流センサ１２３で得られるコイル電流値に基づいて電磁石１０５を励磁する電圧を演算する。ドライバ１１６は、この励磁電圧演算手段１２５によって演算された励磁電圧に基づいて、リード線１２８を介してコイル１１９，１１９’に励磁電流を供給している。

このとき、磁気浮上装置１の磁気浮上系は、磁石ユニット１０７の吸引力が浮上体１１１の重量と等しくなるときのギャップ長ｚ_０の近傍で線型近似でき、以下の微分方程式で記述される。

Ｆ_ｚは磁石ユニット１０７の吸引力、ｍは浮上体１１１の質量、Ｒはコイル１１９，１１９’とリード線１２８を直列に接続したときの電気抵抗（以下、コイル抵抗と称す）、ｚはギャップ長、ｉ_ｚは電磁石１０５の励磁電流、φは磁石ユニット１０７の主磁束、ｅ_ｚは電磁石１０５の励磁電圧である。

Δは定常浮上状態（ｚ＝ｚ_０，ｉ_ｚ＝ｉ_ｚ０（定常浮上状態でコイル電流がゼロの場合はｉ_ｚ＝Δｉ_ｚ））からの偏差を表わす。記号“・”は１階微分、“・・”は２階微分を表わす。偏微分∂／∂ｈ（ｈ＝ｚ，ｉ_ｚ）は、定常浮上状態（ｚ＝ｚ_０，ｉｚ＝ｉ_ｚ０）における被偏微分関数のそれぞれの偏微分値である。Ｌ_ｚ０は、以下のように表させる。

また、前記式１の浮上系モデルは、下記のような状態方程式となる。

ただし、状態ベクトルｘ、システム行列Ａ、制御行列ｂおよび外乱行列ｄは、以下のように表される。なお、ｕ_ｓは外力である。

ここで、式４中の各パラメータは、以下のようになる。

式３中のｘの各要素が浮上系の状態量である。Ｃは出力行列であり、励磁電圧ｅ_ｚ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１２１と電流センサ１２３を使用しており、ギャップセンサ１２１の信号を微分して速度を得る場合に、Ｃは単位行列となる。ここで、Ｆをｘの比例ゲイン、Ｋ_ｉを積分ゲインとして励磁電圧ｅ_ｚを例えば、

で与えれば、浮上体１１１はゼロパワー制御で浮上する。

なお、ゼロパワー制御については、例えば特許文献７に開示されているため、ここでは詳しい説明を省略する。また、励磁電圧演算手段１２５において、前記式６が演算されることは言うまでもない。

また、磁気浮上装置１において、ギャップセンサ１２１を使用せずに、例えば特許文献１０に見られる同一次元状態観測器（以下、オブザーバと称す）を用い、励磁電流Δｉ_ｚからギャップ長偏差Δｚおよびその速度ｄ（Δｚ）／ｄｔを推定して、磁気浮上系の安定化を図ることができる。

このように、ギャップセンサを用いない磁気浮上制御のことを「センサレス磁気浮上制御」と呼ぶ。このセンサレス磁気浮上制御にオブザーバを適用する場合には、線型制御理論によれば、オブザーバは以下のような式で表される。

このとき、励磁電圧演算手段１２５においては、例えば、

が演算され、磁気浮上系の安定化が達成される。

一般に、常電導吸引式磁気浮上系は不安定なため、状態観測器の推定値に誤差があると安定化が非常に困難となる。しかし、前記式８から明らかなように、予めオブザーバが動作を開始するときのｘ_０、すなわち、ギャップ長偏差Δｚ、その速度ｄ（Δｚ）／ｄｔおよび励磁電流Δｉの値が既知であれば、オブザーバの初期値ｘ＾_０（＾の記号はｘの上に付加されているものと見なす）をできるだけｘ_０に等しく設定することで、推定当初から誤差が少ない状態で、励磁電流Δｉ_ｚからギャップ長偏差Δｚおよびその速度ｄ（Δｚ）／ｄｔを推定することができる。

ここで、推定当初の誤差が大きいと、前記式９で異常な励磁電圧が演算されるため、浮上状態の安定化ができなくなる。

また、前記式１の浮上系モデルが実際の浮上系に対して誤差を有すると、ギャップ長偏差Δｚおよびその速度ｄ（Δｚ）／ｄｔ関わる推定値に大きな誤差が生じる。さらに、真値への収束に時間遅れが生じて、浮上体の安定化ができなくなる。

一方、前記式６で励磁電圧を演算する場合には、ギャップセンサの信号が励磁電圧の演算に使用されるため、ギャップセンサ信号にノイズが混入すると、励磁電圧にもノイズが重畳することになる。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳しく説明する。

（第１の実施形態）
図２は本発明の第１の実施形態に係る磁気浮上装置の構成を示す図であり、その全体構成が１’で示されている。

この磁気浮上装置１’にあっては、磁気浮上装置１の吸引力制御部１１５が次のように構成されている。

すなわち、吸引力制御部１１５には、励磁電圧演算部１３１、姿勢推定部１３３、センサレス励磁電圧演算部１３５、励磁電圧調整部１３７、抵抗測定部１３９が備えられている。

励磁電圧演算部１３１は、ギャップセンサ１２１を用いた通常の磁気浮上制御を実現するための演算部であり、前記式６に従って電磁石１０５の励磁電圧を演算する。

姿勢推定部１３３は、抵抗測定部１３９によって得られる電磁石１０５のコイル抵抗値と電流センサ１２３によって検出される電磁石１０５のコイル電流値に基づいて、浮上体１１１のギャップ長を推定すると共に、強磁性部材であるガイド１１３に対する浮上体１１１の姿勢および姿勢変化速度を推定する。

センサレス励磁電圧演算部１３５は、ギャップセンサ１２１を用いない磁気浮上制御（センサレス磁気浮上制御）を実現するための演算部であり、前記式８に従って電磁石１０５を励磁電圧を演算する。

励磁電圧調整部１３７は、通常の磁気浮上制御とセンサレス磁気浮上制御とを切り替えるための制御部として存在する。この励磁電圧調整部１３７は、励磁電圧演算部１３１の出力値とセンサレス励磁電圧演算部１３５の出力値とを混合して浮上体１１１の浮上制御に必要な励磁電圧を生成出力すると共に、その混合比を浮上体１１１のギャップ長に応じて調整する。

抵抗測定部１３９は、電流センサ１２３にて検出される電磁石１０５のコイル電流値に基づいて、電磁石１０５のコイル抵抗値を演算する。

ここで、抵抗測定部１３９によりコイル１１９，１１９’の抵抗値が常時計測されている。姿勢推定部１３３およびセンサレス励磁電圧演算部１３５には、そのコイル抵抗値に関する適応制御が施されている。これにより、温度変動に起因するコイル抵抗値の変化がセンサレス磁気浮上制御の安定性を損なわないように構成されている。

姿勢推定部１３３は、励磁電流Δｉ_ｚから浮上体１１１の浮上状態つまりギャップ長偏差Δｚおよびその速度ｄ（Δｚ）／ｄｔを推定するものであり、例えば前記式７のオブザーバで構成される。この姿勢推定部１３３から出力される励磁電流Δｉ_ｚ、ギャップ長偏差Δｚ、速度ｄ（Δｚ）／ｄｔは、それぞれセンサレス励磁電圧演算部１３５に入力される。また、このセンサレス励磁電圧演算部１３５の出力は、励磁電圧調整部１３７に与えられる。

図３は励磁電圧調整部１３７の構成を示すブロック図である。

図３に示すように、励磁電圧調整部１３７は、重み乗算器１４１、重み乗算器１４３、加算器１４５、減算器１４９および絶対値演算部１５１で構成されている。

重み乗算器１４１は、励磁電圧演算部１３１の出力値に所定のゲインを乗じる。重み乗算器１４３は、センサレス励磁電圧演算部１３５の出力値に所定のゲインを乗じる。加算器１４５は、重み乗算器１４１，１４３の出力値を加算する。減算器１４９は、ギャップセンサ１２１の出力値からギャップ長設定器１４７の出力値を減算する。絶対値演算部１５１は、減算器１４９の減算結果の絶対値を演算する。

このような構成において、吸引力制御部１１５は、浮上体１１１のギャップ長に応じて通常の磁気浮上制御とセンサレス磁気浮上制御を切り替える。

具体的には、励磁電圧演算部１３１の出力値にゲインを乗じた値とセンサレス励磁電圧演算部１３５の出力値にゲインを乗じた値とを加算して、浮上体１１１の浮上制御に必要な励磁電圧値を生成出力する。その際、ギャップセンサ１２１から得られるギャップ長の検出値とギャップ長設定器１４７に設定された値との偏差の絶対値に基づいて、重み乗算器１４１のゲインと重み乗算器１４３のゲインの和が１になるように、両者のゲインを相対的に増減させる。

ここで、前記偏差の絶対値が小さいほど（つまり、ギャップ長が大きいほど）、重み乗算器１４３のゲインを大きくする。逆に、前記偏差の絶対値が大きいほど（つまり、ギャップ長が小さいほど）、重み乗算器１４１のゲインを大きくする。

この様子を図４に示す。
図中の点線は重み乗算器１４１のゲイン、実線は重み乗算器１４３のゲインの変化を表している。重み乗算器１４１のゲインは、励磁電圧演算部１３１の出力値に乗じられる。重み乗算器１４３のゲインは、センサレス励磁電圧演算部１３５の出力値に乗じられる。

また、ｚはギャップセンサ１２１から得られるギャップ長の検出値、ｚ_０は設定値であり、│ｚ−ｚ_０│はｚとｚ_０との偏差の絶対値である。ｅｒ１，ｅｒ２は制御切替えの基準値であり、ｅｒ１＜ｅｒ２である。

図４に示すように、ギャップ長が大きく、│ｚ−ｚ_０│の値が基準値ｅｒ１以下の場合には、重み乗算器１４３のゲインが“１”、重み乗算器１４１のゲインが“０”に設定される。

一方、何らかの要因で浮上体１１１の浮上力が低下し、│ｚ−ｚ_０│の値が基準値ｅｒ１を超えると、重み乗算器１４３のゲインが“１”から“０”に徐々に減少する。これに伴い、重み乗算器１４１のゲインが“０”から“１”に徐々に増加する。そして、│ｚ−ｚ_０│の値が基準値ｅｒ２に達した時点で、重み乗算器１４３のゲインが“０”、重み乗算器１４１のゲインが“１”に設定される。

このように、浮上体１１１が所定のギャップ長で浮上している状態では、センサレス励磁電圧演算部１３５の出力値に対する重み付けを大きくする。これにより、ギャップセンサ１２１のノイズによる影響を低減でき、浮上体１１１を振動させずに安定した浮上状態を維持できる。

一方、磁石ユニット１０７がガイド１１３の下面に吸着した状態や、補助支持部１３０がガイド１１３の上面に載った状態から浮上体１１１を浮上させる場合、あるいは、過大な外乱により浮上体１１１とガイド１１３が接触した場合には、ギャップ長が所定値以下となる。このような場合には、励磁電圧演算部１３１の出力値に対する重み付けを大きくする。これにより、ギャップセンサ１２１によって検出される正確なギャップ長を用いて、速やかに浮上状態の安定化を図ることができる。浮上体１１１が通常の浮上状態に復帰すると、センサレス磁気浮上制御に切り替えられる。

以上のように、本実施形態によれば、ギャップセンサを用いた磁気浮上制御とギャップセンサを用いない通常の磁気浮上制御をギャップ長に応じて適宜使い分けることで、センサノイズによる振動現象を回避でき、また、浮上復帰時の安定性を確保することができる。

（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。

第２の実施形態では、浮上体の運動座標系の各モード毎に励磁電圧、励磁電流を演算することを特徴とする。ここでは、本発明の磁気浮上装置をエレベータに適用した場合を例にして説明する。

図５は本発明の第２の実施形態に係る磁気浮上装置の構成を示す図であり、この磁気浮上装置をエレベータに適用した場合の構成が全体として符号１０で示されている。また、図６はその磁気浮上装置のフレーム部の構成を示す斜視図、図７はその磁気浮上装置の磁石ユニット周辺の構成を示す斜視図、図８はその磁気浮上装置の磁石ユニットの構成を示す立面図である。

図５に示すように、エレベータシャフト１２の内面にガイドレール１４，１４’と、移動体１６と、４つの案内ユニット１８ａ〜１８ｄが構成されている。ガイドレール１４，１４’は、強磁性部材で構成され、エレベータシャフト１２内に所定の取り付け方法で敷設されている。

移動体１６は、上述した磁気浮上装置の浮上体に相当する。この移動体１６は、ガイドレール１４，１４’に沿って、例えばロープ１５の巻上げ機等の図示せぬ駆動機構を介して上下方向に移動する。案内ユニット１８ａ〜１８ｄは、移動体１６に取り付けられており、この移動体１６をガイドレール１４，１４’に対して非接触で案内する。

移動体１６には、乗りかご２０と案内ユニット１８ａ〜１８ｄが取り付けられる。移動体１６は、案内ユニット１８ａ〜１８ｄの所定の位置関係を保持可能な強度を有するフレーム部２２を備えている。図６に示すように、このフレーム部２２の四隅には、ガイドレール１４，１４’と対向する案内ユニット１８ａ〜１８ｄが所定の方法で取り付けられている。

案内ユニット１８は、図７に示すように、非磁性材料（例えばアルミやステンレス）もしくはプラスチック製の台座２４にｘ方向ギャップセンサ２６（２６ｂ，２６ｂ’）、ｙ方向ギャップセンサ２８（２８ｂ，２８ｂ’）および磁石ユニット３０を所定の方法で取り付けて構成されている。ギャップセンサ２６，２８は、案内ユニット１８とガイドレール１４，１４’間のギャップ長を検出する。

磁石ユニット３０は、中央鉄心３２、永久磁石３４，３４’、電磁石３６，３６’で構成されており、図８にも示されているように、永久磁石３４，３４’の同極同士が中央鉄心３２を介して向かい合う状態で全体としてＥ字形状に組み立てられている。

電磁石３６，３６’は、Ｌ字形状の鉄心３８（３８’）をコイル４０（４０’）に挿入後、鉄心３８（３８’）の先端部に平板形状の鉄心４２を取り付けて構成されている。中央鉄心３２および電磁石３６，３６’の先端部には、個体潤滑部材４３が取付けられている。この個体潤滑部材４３は、電磁石３６，３６’が励磁されていない時に永久磁石３４，３４’の吸引力で磁石ユニット３０がガイドレール１４（１４’）に吸着して固着することを防止し、かつ、吸着状態でも移動体１６の昇降に支障が出ないようにするために設けられている。この個体潤滑部材４３としては、例えばテフロン（登録商標）や黒鉛あるいは二硫化モリブデン等を含有する材料がある。

以下では、簡単のために、主要部分を示す番号に案内ユニット１８ａ〜１８ｄのアルファベット（ａ〜ｄ）を付して説明する。

磁石ユニット３０ｂでは、コイル４０ｂ，４０ｂ’を個別に励磁することでガイドレール１４’に作用する吸引力をｙ方向とｘ方向に関して独立に制御することができる。この制御方式については、特許文献１に記載されているため、ここでは詳しい説明を省略する。

案内ユニット１８ａ〜１８ｄの各吸引力は、上述した吸引力制御部として用いられる制御装置４４により制御され、乗りかご２０およびフレーム部２２がガイドレール１４，１４’に対して非接触に案内される。

なお、制御装置４４は図５の例では分割されているが、例えば図９に示すように、全体として１つに構成されていても良い。

図９は同実施形態における制御装置内の構成を示すブロック図、図１０はその制御装置内のモード制御電圧演算回路の構成を示すブロック図である。なお、ブロック図において、矢印線は信号経路を、棒線はコイル４０周辺の電力経路を示している。

この制御装置４４は、センサ部６１と、演算回路６２と、パワーアンプ６３ａ，６３ａ’〜６３ｄ，６３ｄ’とで構成されており、これらで４つの磁石ユニット３０ａ〜３０ｄの吸引力をｘ軸，ｙ軸について独立に制御している。

センサ部６１は、乗りかご２０に取付けられて磁石ユニット３０ａ〜３０ｄによって形成される磁気回路中の起磁力あるいは磁気抵抗、もしくは、移動体１６の運動の変化を検出する。

演算回路６２は、このセンサ部６１からの信号に基づいて移動体１６を非接触案内させるべく、各コイル４０ａ，４０ａ’〜４０ｄ，４０ｄ’を励磁するための印加電圧を演算する吸引力制御部として用いられる。パワーアンプ６３ａ，６３ａ’〜６３ｄ，６３ｄ’は、この演算回路６２の出力に基づいて各コイル４０に電力を供給する励磁部として用いられる。

また、電源４６は、パワーアンプ６３ａ，６３ａ’〜６３ｄ，６３ｄ’に電力を供給すると同時に定電圧発生装置４８にも電力を供給している。なお、この電源４６は、照明やドアの開閉のために図示せぬ電源線でエレベータシャフト１２外から供給される交流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。

定電圧発生装置４８は、パワーアンプ６３への大電流の供給などにより電源４６の電圧が変動しても常に一定の電圧で演算回路６２およびギャップセンサ２６ａ，２６ａ’〜２６ｄ，２６ｄ’，２８ａ，２８ａ’〜２８ｄ，２８ｄ’に電力を供給する。これにより、演算回路６２およびギャップセンサ２６ａ，２６ａ’〜２６ｄ，２６ｄ’，２８ａ，２８ａ’〜２８ｄ，２８ｄ’は常に正常に動作する。

センサ部６１は、ｘ方向のギャップセンサ２６ａ，２６ａ’〜２６ｄ，２６ｄ’，２８ａと，ｙ方向の２８ａ’〜２８ｄ，２８ｄ’と、各コイル４０の励磁電流を検出する電流検出器６６ａ，６６ａ’〜６６ｄ，６６ｄ’とで構成されている。

なお、ギャップセンサ２６ａ，２６ａ’〜２６ｄ，２６ｄ’，２８ａ，２８ａ’〜２８ｄ，２８ｄ’は、各々のオフセット電圧を調整して、乗りかご２０がガイドレール１４，１４’に対して所定の位置関係で案内されている場合のギャップ長を基準として、当該ギャップ長からの偏差を出力するように校正されている。

加えて、各案内ユニット１８に取付けられている２つのｘ方向のギャップセンサ出力と２つのｙ方向のギャップセンサ出力のそれぞれを平均する平均化部２７が備えられている。これにより、ｘ，ｙの各方向における磁石ユニット３０とガイドレール１４，１４’間のギャップ長偏差Δｘａ，Δｙａ〜Δｘｄ，Δｙｄが得られることは言うまでもない。

演算回路６２は、図５に示される運動座標系の各モード毎に移動体１６の案内制御を行っている。ここで、前記各モードとは、移動体１６の重心のｙ座標に沿った前後動を表すｙモード（前後動モード）、ｘ座標に沿った左右動を表すｘモード（左右動モード）、移動体１６の重心回りのローリングを表すθモード（ロールモード）、移動体１６の重心回りのピッチングを表すξモード（ピッチモード）、移動体１６の重心回りのヨーイングを表すψモード（ヨーモード）である。

また、これらのモードに加え、演算回路６２は、ζモード（全吸引モード）、δモード（ねじれモード）、γモード（歪モード）についても案内制御を行っている。すなわち、磁石ユニット３０ａ〜３０ｄがガイドレール１４，１４’に及ぼす「全吸引力」、磁石ユニット３０ａ〜３０ｄがフレーム部２２に及ぼすｚ軸周りの「ねじれトルク」、磁石ユニット３０ａ，３０ｄがフレーム部２２に、磁石ユニット３０ｂ，３０ｃがフレーム部２２に及ぼす回転トルクでフレーム部２２をｚ軸に対して左右対称に歪ませる「歪力」に関する３つのモードである。

以上のような８つのモードに対し、磁石ユニット３０ａ〜３０ｄのコイル電流をゼロに収束させることで、積荷の重量に関わらず永久磁石３４の吸引力だけで移動体を安定に支持する、いわゆる「ゼロパワー制御」にて案内制御を行っている。

演算回路６２は、浮上体である移動体１６の運動の自由度に寄与する吸引力を発生させる励磁電流の線形結合で表させるモード別励磁電流を演算する機能と、同じく励磁電圧の線形結合で表させるモード別励磁電圧を演算する機能を備える。具体的には、次のように構成される。

すなわち、図９に示すように、演算回路６２は、抵抗測定部６４と、ギャップ長偏差座標変換回路７４と、電流偏差座標変換回路８３と、制御電圧演算回路８４、制御電圧座標逆変換回路８５とで構成されている。

抵抗測定部６４は、各コイル４０ａ，４０ａ’〜４０ｄ，４０ｄ’の励磁電流検出値と演算回路６２の各パワーアンプ６３ａ，６３ａ’〜６３ｄ，６３ｄ’への励磁電圧信号ｅａ，ｅａ’〜ｅｄ，ｅｄ’および前記目標値設定部７４の出力値に基づいて、それぞれのコイルの電気抵抗値を出力する。

ギャップ長偏差座標変換回路７４は、ギャップ長偏差信号Δｙａ，Δｙａ’〜Δｙｄ，Δｙｄ’により移動体１６の重心のｙ方向の運動に関わる位置偏差Δｙ、ｘ方向の運動に関わる位置偏差Δｘ、同重心のまわりのローリングに関わる角度偏差Δθ、移動体１６のピッチングに関わる角度偏差Δξ、同重心のまわりのヨーイングに関わる角度偏差Δψ、フレーム部２２に応力をかけるζ，δ，γに関する各偏差Δζ，Δδ，Δγを演算する。

電流偏差座標変換回路８３は、モード励磁電流演算部として、電流偏差信号Δｉａ，Δｉａ’〜Δｉｄ，Δｉｄ’により移動体１６の重心のｙ方向の運動に関わる電流偏差Δｉｙ、ｘ方向の運動に関わる電気偏差Δｉｘ、同重心のまわりのローリングに関わる電流偏差Δｉθ、移動体１６のピッチングに関わる電流偏差Δｉξ、同重心のまわりのヨーイングに関わる電流偏差Δｉψ、フレーム部２２に応力をかけるζ，δ，γに関する電流偏差Δｉζ，Δｉδ，Δｉγを演算する。

ここで、ゼロパワー制御が適用される場合、各電流検出器の検出値を座標変換した演算結果ｉｙ〜ｉγは、そのまま各モードにおけるゼロ目標値からの電流偏差Δｉｙ〜Δｉγとなることは言うまでもない。

制御電圧演算回路８４は、モード励磁電圧演算部として用いられる。この制御電圧演算回路８４は、前記抵抗測定部６４、前記ギャップ長偏差座標変換回路７４および前記電流偏差座標変換回路８３の出力Δｙ〜Δγ，Δｉｙ〜Δｉγにより、ｙ，ｘ，θ，ξ，ψ，ζ，δ，γの各モードにおいて移動体１６を安定に磁気浮上させるモード別電磁石制御電圧ｅｙ，ｅｘ，ｅθ，ｅξ，ｅψ，ｅζ，ｅδ，ｅγを演算する。

制御電圧座標逆変換回路８５は、制御電圧演算回路８４の出力ｅｙ，ｅｘ，ｅθ，ｅξ，ｅψ，ｅζ，ｅδ，ｅγにより、前記磁石ユニット３０ａ〜３０ｄのそれぞれの電磁石励磁電圧ｅａ，ｅａ’〜ｅｄ，ｅｄ’を演算する。この制御電圧座標逆変換回路８５の演算結果つまりｅａ，ｅａ’〜ｅｄ，ｅｄ’は、パワーアンプ６３ａ，６３ａ’〜６３ｄ，６３ｄ’に与えられる。

なお、後述の説明のため、図９の電流偏差座標変換回路８３、制御電圧演算回路８４および制御電圧座標逆変換回路８５を浮上制御演算部６５とする。

さらに、制御電圧演算回路８４は、前後動モード制御電圧演算回路８６ａ、左右動モード制御電圧演算回路８６ｂ、ロールモード制御電圧演算回路８６ｃ、ピッチモード制御電圧演算回路８６ｄ、ヨーモード制御電圧演算回路８６ｅ、全吸引モード制御電圧演算回路８８ａ、ねじれモード制御電圧演算回路８８ｂ、歪モード制御電圧演算回路８８ｃで構成されている。

前後動モード制御電圧演算回路８６ａは、ΔｙおよびΔｉｙよりｙモードの電磁石制御電圧ｅｙを演算する。左右動モード制御電圧演算回路８６ｂは、ΔｘおよびΔｉｘよりｘモードの電磁石制御電圧ｅｘを演算する。ロールモード制御電圧演算回路８６ｃは、ΔθおよびΔｉθよりθモードの電磁石制御電圧ｅθを演算する。ピッチモード制御電圧演算回路８６ｄは、ΔξおよびΔｉξよりξモードの電磁石制御電圧ｅξを演算する。ヨーモード制御電圧演算回路８６ｅは、ΔψおよびΔｉψよりψモードの電磁石制御電圧ｅψを演算する。

全吸引モード制御電圧演算回路８８ａは、Δｉζによりζモードの電磁石制御電圧ｅζを演算する。ねじれモード制御電圧演算回路８８ｂは、Δｉδによりδモードの電磁石制御電圧ｅδを演算する。歪モード制御電圧演算回路８８ｃは、Δｉγによりγモードの電磁石制御電圧ｅγを演算する。

これら各モードの制御電圧演算回路のうち、ｙ，ｘ，θ，ξ，ψのモードについては同様の構成を備えている。

すなわち、前後動モード制御電圧演算回路８６ａは、図１０に示すように、抵抗値平均化部９０、励磁電圧演算部９７、励磁電圧調整部９９、擬似微分器１０２、抵抗値アンバランス補正部９２、モード姿勢推定部９８、目標値設定部１００および加算器１０１で構成されている。

抵抗値平均化部９０は、抵抗測定部６４で測定されたコイル４０ａ，４０ａ’〜４０ｄ，４０ｄ’の抵抗値の平均値を演算する。

抵抗値アンバランス補正部９２は、当該前後動モード以外の７つのモード別励磁電流（Δｉｘ〜Δｉγ）に抵抗測定部６４の出力に基づいて、各コイル抵抗値の線形結合で得られるモード別抵抗補正ゲインを乗算すると共にそれら７つの乗算結果の総和を出力する。

モード姿勢推定部９８は、前記式７に基づいて、電流偏差座標変換回路８３から得られるｙモード励磁電流値ｉｙから移動体１６の位置偏差推定値Δｙと、Δｙの変化速度（図中・で表示）と、ｙモード電流推定値Δｉｙを出力する。

擬似微分器１０２は、ギャップ長偏差座標変換回路７４からのｙモードにおける位置偏差を時間微分してその変化速度を出力する。これにより、ｙモードにおける位置偏差，その速度および電流偏差の情報が取得でき、前記式６に基づいてギャップセンサを用いる磁気浮上が可能となる。

励磁電圧演算部９７は、減算器９３、ゲイン補償器９１、積分補償器９４、加算器９５、減算器９６で構成されている。減算器９３は、ｙモード電流推定値Δｉｙを目標値設定部１００の出力より減じる。ゲイン補償器９１は、Δｙ，Δｙの変化速度（図中・で表示），Δｉｙもしくは推定値（図中＾で表示）に適当なフィードバックゲインを乗じる。

積分補償器９４は、減算器９３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。加算器９５は、ゲイン補償器９１の出力値の総和を演算する。減算器９６は、加算器９５の出力値を積分補償器９４の出力値より減じてｙ（前後動）モードにおける第１のモード別励磁電圧ｅｙ１を出力する。

ゲイン補償器９１および積分補償器９４のフィードバックゲインは、抵抗値平均化部９０の出力値に基づいて所定の方法で必要に応じて演算される。これにより、温度変化等に起因するコイル抵抗値の変動が補償され、常に一定の乗り心地を得ることができる。

励磁電圧調整部９９は、位置成分励磁電圧調整部９９’，速度成分励磁電圧調整部９９''および電流成分励磁電圧調整部９９'''を備えており、それぞれが前述した第１の実施形態における電圧調整部１３７と同様に構成されている。これにより、励磁電圧演算部９７ではセンサレス磁気浮上からギャップセンサを使用する磁気浮上への移行状態に応じて第１のモード別励磁電圧ｅｙ１が出力される。

加算器１０１は、前記第１のモード別励磁電圧ｅｙ１と前記抵抗値アンバランス補正部９２の出力を加算し、その加算結果を第２のモード別励磁電圧ｅｙとして出力する。

なお、抵抗値アンバランス補正部９２および加算器１０１の作用については、特願平２００４−１５１８３２号公報に記述されているので、ここではその詳しい説明は省略する。

本実施形態では、モード姿勢推定部９８およびモード励磁電圧演算部９７が第１の励磁電圧演算部として機能している。また、位置偏差，その速度および電流偏差の情報が励磁電圧調整部９９を介して励磁電圧演算部９７に導入されるため、励磁電圧演算部９７は第２の励磁電圧演算部としても機能できることは言うまでもない。

左右動モード制御電圧演算回路８６ｂ、ロールモード制御電圧演算回路８６ｃ、ピッチモード制御演算回路８６ｄおよびヨーモード制御演算回路８６ｅについても、前記上下動モード制御電圧演算回路８６ａと同様の構成であり、対応する入出力信号を信号名で示し、その説明は省略するものとする。

一方、ζ，δおよびγの３つの各モード制御電圧演算回路８８ａ〜８８ｃはすべて同じ構成である。また、上下動モード制御電圧演算回路８６ａと同じ構成要素を有するので、同一部分に同一符号を付すと共に、区別するために、’を付して図１１にその構成を示す。

次に、以上のように構成された磁気浮上装置の動作について説明する。

装置が停止状態にあるときは、磁石ユニット３０ａ，３０ｄの中央鉄心３２の先端が、固体潤滑部材４３を介してガイドレール１４の対向面に、電磁石３６ａ’，３６ｄ’の先端が固体潤滑部材４３を介してガイドレール１４の対向面にそれぞれ吸着している。このときに固体潤滑部材４３の働きにより、移動体１６の昇降が妨げられることはない。

この状態で、本装置を起動させると、ｙモードおよびｘモードにおいて励磁電圧調整部９９の動作によりギャップセンサを用いた磁気浮上制御が行なわれる。制御装置４４は、浮上制御演算部６５の働きにより、永久磁石３４が発生する磁束と同じ向きまたは逆向きの磁束を各電磁石３６ａ，３６ａ’〜３６ｄ，３６ｄ’に発生させる。また、制御装置４４は、磁石ユニット３０ａ〜３０ｄとガイドレール１４，１４’との間に所定の空隙長を維持させるべく各コイル４０に流す電流を制御する。

これによって、図８に示すように、永久磁石３４〜鉄心３８，４２〜空隙Ｇ〜ガイドレール１４（１４’）〜空隙Ｇ”〜中央鉄心３２〜永久磁石３４の経路からなる磁気回路Ｍｃおよび永久磁石３４’〜鉄心３８、４２〜空隙Ｇ’〜ガイドレール１４（１４’）〜空隙Ｇ”〜中央鉄心３２〜永久磁石３４の経路からなる磁気回路Ｍｃ’が形成される。

このとき、空隙Ｇ，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３０ａ〜３０ｄの磁気的吸引力が移動体１６の重心に作用するｙ軸方向前後力、同ｘ方向左右力、移動体１６の重心を通るｘ軸回りのトルク、同ｙ軸回りのトルクおよび同ｚ軸回りのトルクと丁度釣合うような長さになる。

制御装置４４は、この釣合いを維持すべく移動体１６に外力が作用すると、電磁石３６ａ，３６ａ’〜３６ｄ，３６ｄ’の励磁電流制御を行う。これによって、いわゆるゼロパワー制御がなされる。

ここで、装置が吸着状態にあるときは磁気浮上システムの浮上状態を表す式４が満足されないので、モード姿勢推定部９８による位置偏差、速度偏差および電流偏差の各推定値は実際の値とは異なったものとなる。しかし、ｙモードおよびｘモードにおいて、励磁電圧調整部９９の動作によりギャップセンサを用いた磁気浮上制御が行なわれるため、移動体１６は確実に浮上する。

また、ゼロパワー制御で非接触案内されている移動体１６が図示せぬ巻上げ機によってガイドレール１４，１４’に沿って昇降動作を開始すると、磁石ユニット３０がガイドレール１４，１４’の継目を通過し、センサ信号に乱れが生じる。しかし、浮上状態にあるときは、励磁電圧調整部９９の動作により、移動体１６の非接触案内にセンサレス磁気浮上制御が適用されている。したがって、継目に起因するノイズがギャップセンサ出力に重畳しても移動体１６に揺れが生じることはない。

また、人員や積荷の偏った移動、もしくは地震等に起因するロープの揺れ等が原因で移動体１６に過大な外力が加えられたとする。このような場合、磁石ユニット３０ａ〜３０ｄの電磁石の温度が上昇し、電磁石コイルの電気抵抗が変動する。

特に、電力消費を極端に抑制できるゼロパワー制御が用いられている場合には、過大な外力で大きな励磁電流が流れると、各電磁石コイルやパワーアンプが急激に発熱し、ギャップ長一定制御などの他の制御方式よりも抵抗値の変動が大きくなる。こうなると、各運動モードで位置偏差推定値とその速度推定値の誤差が増大し、乗り心地が極端に悪化する。

しかし、本実施形態によれば、抵抗測定部６４の作用によりコイル４０の抵抗値が正確に測定される。したがって、抵抗測定部６４の出力値で調整されるモード姿勢推定部９７や抵抗値アンバランス補正部９２，９２’のパラメータが正確に調整されると共に、ゲイン補償器９１，９１’、積分補償器９４，９４’で抵抗値をパラメータとしたゲイン設定が可能である。よって、オフセット電圧やコイル抵抗値の変動に対して非接触案内の安定性が維持されるばかりでなく、良好で一定な乗り心地を持続させることができる。

本装置が運転を終えて停止する場合には、目標値設定部７４において、ｙモードおよびｘモードの目標値をゼロから徐々に負の値とする。これにより、移動体１６は、ｙ軸、ｘ軸方向に徐々に移動する。最終的に磁石ユニット３０ａ，３０ｄの中央鉄心３２の先端が固体潤滑部材４３を介してガイドレール１４の対向面に吸着し、電磁石３６ａ’，３６ｄ’の先端が固体潤滑部材４３を介してガイドレール１４の対向面に吸着する。

この状態で装置を停止させると、目標値設定部７４の出力がすべてゼロにリセットされると共に移動体１６がガイドレールに吸着する。

このように、浮上状態から吸着状態に至る段階では、励磁電圧調整部９９の動作によって、移動体１６の非接触案内制御がセンサレス磁気浮上制御から徐々にギャップセンサを用いる浮上制御に移行する。このため、急激な吸着動作や不完全な吸着で人員や積荷に衝撃を与えることがない。

（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。

前記第１および第２の実施形態では、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け位置をなんら限定するものでなく、図１２に示すように、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および第２の実施形態と共通する部分には同一の符号を用いて説明する。

図１２は本発明の第３の実施形態に係る磁気浮上装置の構成を示す図であり、その全体の構成が符号３００で示されている。

磁気浮上装置３００は、補助支持部３０２、磁石ユニット１０７、ガイド３０４、防振台テーブル３０６、リニアガイド３０８、吸引力制御部１１５、パワーアンプ３１３、ギャップセンサ１２１および電流センサ１２３を備えている。

補助支持部３０２は、断面がコ字形状をなし、例えばアルミ部材などの非磁性体で形成される。この補助支持部３０２は地上に設置されており、磁石ユニット１０７は補助支持部３０２の上部下面に下向きに取付けられている。

ガイド３０４は、磁石ユニット１０７に対向する断面がコ字形状をなし、例えば鉄などの強磁性部材で形成されている。防振台テーブル３０６は、このガイド３０４を底部上面に備えており、全体としてコ字形状に形成されている。この防振台テーブル３０６が浮上体に相当する。リニアガイド３０８は、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に付与している。

吸引力制御部１１５は、磁石ユニット１０７の吸引力を制御して、浮上体である防振テーブル３０６を非接触で支持するための制御を行う。パワーアンプ３１３は、吸引力制御部１１５の出力に基づいて、磁石ユニット１０７を励磁するための図示せぬ電源に接続されている。

ギャップセンサ１２１は、磁石ユニット１０７とガイド３０４との間のギャップ長を防振台テーブル３０６と補助支持部３０２間の距離を測定することで検出している。電流センサ１２３は、磁石ユニット１０７の励磁電流を検出する。

ここで、吸引力制御部１１５は、以下のような構成を有する。

すなわち、吸引力制御部１１５は、抵抗測定部１３９、姿勢推定部１３３、センサレス励磁電圧演算部１３５、励磁電圧演算部１３１および励磁電圧調整部１３７’を備えている。

抵抗測定部１３９は、磁石ユニット１０７への励磁電流および励磁電圧からリード線１２８およびコイル１１９，１１９’の直列抵抗値を測定する。

姿勢推定部１３３は、抵抗測定部１３９の出力および磁石ユニット１０７への励磁電流、励磁電圧から防振テーブル３０６の浮上状態、つまり、ギャップ長偏差、その変化速度を推定する。

センサレス励磁電圧演算部１３５は、姿勢推定部１３３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に必要な励磁電圧を演算する。

励磁電圧演算部１３１は、ギャップセンサ１２１で得られるギャップ長および電流センサ１２３で得られるコイル電流値に基づいて励磁電圧を演算する。

励磁電圧調整部としての励磁電圧調整部１３７’は、励磁電圧演算部１３１およびセンサレス励磁電圧演算部１３５に基づいて防振テーブル３０６を磁気浮上させるためにコイル１１９，１１９’に印加すべき励磁電圧を演算する。

ここで、励磁電圧調整部１３７’は、図３に示した励磁電圧調整部１３７とは異なり、図１３に示すように、抵抗測定部１３９の出力値を加味する部分が新たに導入されている。

この励磁電圧調整部１３７’は、重み乗算器１４１、重み乗算器１４３、加算器１４５、減算器１４９、絶対値演算部１５１、抵抗変動率演算部３１５、絶対値演算部１５１’、ゲイン乗算器３１７、加算器３１９で構成されている。

重み乗算器１４１は、励磁電圧演算部１３１の出力値に所定のゲインを乗じる。重み乗算器１４３は、センサレス励磁電圧演算部１３５の出力値に所定のゲインを乗じる。加算器１４５は、重み乗算器１４１，１４３の出力を加算する。減算器１４９は、ギャップセンサ１２１の出力からギャップ長設定器１４７の出力を減算する。絶対値演算部１５１は、減算器１４９の減算結果の絶対値を演算する。

また、抵抗変動率演算部３１５は、抵抗測定部１３９の検出値Ｒを時間微分する擬似微分器３２１、その出力を検出値Ｒで除算して変動率ｒを求める除算器３２３で構成されている。絶対値演算部１５１’は、抵抗変動率演算部３１５によって得られる変動率ｒの絶対値を演算する。ゲイン乗算器３１７は、絶対値演算部１５１’の出力値にゲインαを乗じる。加算器３１９は、ゲイン乗算器３１７の出力値と絶対値演算部１５１の出力値とを加算する。

このような構成において、励磁電圧調整部１３７’は、浮上体としての防振テーブル３０６のギャップ長とコイル抵抗値に応じて、励磁電圧演算部１３１の出力値とセンサレス励磁電圧演算部１３５の出力値の重み付けを変えて出力する。

具体的には、ギャップセンサ１２１から得られるギャップ長の検出値とギャップ長設定器１４７に設定された値との偏差の絶対値と、抵抗測定部１３９から得られるコイル抵抗の変動率の絶対値に所定のゲインを乗じた値との加算値Ｔに基づいて、重み乗算器１４１のゲインと重み乗算器１４３のゲインの和が１になるように、両者のゲインを相対的に増減させる。

この場合、前記加算値が小さいほど（ギャップ長が大きいか、コイル抵抗の変動率が小さいほど）、重み乗算器１４３のゲインを大きくする。逆に、前記加算値Ｔが大きいほど（ギャップ長が小さいか、コイル抵抗の変動率が大きいほど）、重み乗算器１４１のゲインを大きくする。

この様子を図１４に示す。
図中の点線は重み乗算器１４１のゲイン、実線は重み乗算器１４３のゲインの変化を表している。重み乗算器１４１のゲインは、励磁電圧演算部１３１の出力値に乗じられる。重み乗算器１４３のゲインは、センサレス励磁電圧演算部１３５の出力値に乗じられる。

また、ｚはギャップ長の検出値、ｚ_０は設定値であり、│ｚ−ｚ_０│はｚとｚ_０との偏差の絶対値である。ｒはコイル抵抗の変動率、│ｒ│はその変動率の絶対値である。αはその変動率に乗じられるゲインである。ｅｒ３，ｅｒ４は制御切替えの基準値であり、ｅｒ３＜ｅｒ４である。

図１４に示すように、Ｔ＝│ｚ−ｚ_０│＋α│ｒ│の値が基準値ｅｒ３からｅｒ４に変化すると、それに伴って、重み乗算器１４１のゲインが“０”から“１”へ増加する。一方、重み乗算器１４３のゲインは“１”から“０”に減少する。

これにより、浮上体１１１が所定のギャップ長で浮上している状態では、センサレス励磁電圧演算部１３５の出力値に対する重み付けが大きくなり、センサレス磁気浮上制御が適用される。一方、ギャップ長が所定の範囲外になると、そのときのギャップ長に応じて、励磁電圧演算部１３１の出力値に対する重み付けが大きくなり、ギャップセンサ１２１を用いた磁気浮上制御に移行する。この場合、コイル抵抗の変動率が大きいほど、ギャップセンサ１２１を用いた磁気浮上制御への移行が早くなる。

通常、コイル１１９，１１９’の抵抗が急激に変動し、抵抗測定部１３９での検出速度が追いつかない場合、センサレス磁気浮上制御では、姿勢推定部１３３が正常に動作できなくなり、不安定になる問題がある。

本実施形態によれば、このような急激なコイル抵抗値変動が発生しても、ギャップセンサを用いた磁気浮上制御への移行が行なわれるので、浮上状態の安定化を図ることができる。よって、装置の信頼性を向上させることができる。

また、磁石ユニット１０７を地上側に配置したことにより、可動部である防振テーブル３０６からの配線がなくなり、装置の信頼性が向上するといった利点がある。

なお、前記各実施形態では、磁気浮上を行う制御装置（吸引力制御部１１５）がアナログ的な構成として説明されているが、本発明は、アナログの制御方式に限定されるものではなく、デジタル制御にて構成することも可能である。

また、励磁部の構成としてパワーアンプを用いているが、これはドライバの方式を何ら限定するものではなく、例えばＰＷＭ（Pulse Width Modulation）形のものであって何ら差し支えない。

さらに、励磁電圧調整部として重み乗算器を用いているが、これはセンサレス磁気浮上からギャップセンサを用いる磁気浮上への移行もしくは逆の移行部を何ら限定するものでない。例えば、条件付スイッチングやファジィ制御によって移行させてもなんら差し支えない。

この他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。要するに、本発明は前記各実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、前記各実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の形態を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を省略してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

図１は本発明の原理を説明するための磁気浮上装置の基本構成を示す図である。 図２は本発明の第１の実施形態に係る磁気浮上装置の構成を示す図である。 図３は同実施形態における磁気浮上装置の吸引力制御部の詳細な構成を示すブロック図である。 図４は同実施形態における磁気浮上装置の励磁電圧調整部の動作を示す図である。 図５は本発明の第２の実施形態に係る磁気浮上装置の構成を示す図である。 図６は同実施形態における磁気浮上装置のフレーム部の構成を示す斜視図である。 図７は同実施形態における磁気浮上装置の磁石ユニット周辺の構成を示す斜視図である。 図８は同実施形態における磁気浮上装置の磁石ユニットの構成を示す立面図である。 図９は同実施形態における磁気浮上装置の制御装置の詳しい構成を示すブロック図である。 図１０は同実施形態における磁気浮上装置の制御装置内のモード制御電圧演算回路の構成を示すブロック図である。 図１１は同実施形態における磁気浮上装置の制御装置内の他のモード制御電圧演算回路の構成を示すブロック図である。 図１２は本発明の第３の実施形態に係る磁気浮上装置の構成を示す図である。 図１３は同実施形態における磁気浮上装置の吸引力制御部の詳細な構成を示すブロック図である。 図１４は同実施形態における磁気浮上装置の励磁電圧調整部の動作を示す図である。

符号の説明

１，１’，１０，３００…磁気浮上装置、１０３，３４…永久磁石、１０５，３６，３６’…電磁石、１０７，３０…磁石ユニット、１０９…負荷重量、１１１…浮上体、１１３，３０４…ガイド、１１５…吸引力制御部、１１６…ドライバ、１１７ａ，１１７ｂ，３２，３８…鉄心、１１９，１１９’，４０…コイル、１２１…ギャップセンサ、１２３…電流センサ、１２５，１３１，１３５，９７…励磁電圧演算部、１４１，１４３…重み乗算器，１４７…ギャップ長設定部，１５１，１５１’…絶対値演算部、１３３，９８…姿勢推定部、１３７，９９，１３７’…励磁電圧調整部、１２８…リード線、１３０，３０２…補助支持部、１３９，６４…抵抗測定部、１４，１４’…ガイドレール、１６…移動体、１８…案内ユニット、２０…乗りかご、４４…制御装置、４６…電源、４８…定電圧発生装置、６２…演算回路、６３，３１３…パワーアンプ、６５…浮上制御演算部、６６…電流検出器、７４…ギャップ長偏差座標変換回路、８３…電流偏差座標変換回路、８４…制御電圧演算回路、８５…制御電圧座標逆変換回路、９２，９２’…抵抗値アンバランス補正部、９１，９１’…ゲイン補償器、９３，９３’，９６，９６’…減算器、９４…積分補償器、３０６…防振テーブル、３０８…リニアガイド。３１５…抵抗変動率演算部，３２１…擬似微分器，３２３…除算器、３１７…ゲイン乗算器。

Claims (9)

1. 強磁性部材で構成されるガイドと、
   このガイドに空隙を介して対向し、当該空隙中において磁路を共有する電磁石と永久磁石で構成される磁石ユニットと、
   前記ガイドに作用する前記磁石ユニットの吸引力によって非接触で支持される浮上体と、
   前記電磁石のコイルに流れる電流値を検出する電流値検出手段と、
   前記浮上体の浮上時におけるギャップ長を検出するギャップセンサと、
   前記電流値検出手段によって検出されるコイル電流値に基づいて、前記電磁石に印加すべき励磁電圧値を演算する第１の励磁電圧演算手段と、
   前記ギャップセンサによって検出されるギャップ長に基づいて、前記電磁石に印加すべき励磁電圧値を演算する第２の励磁電圧演算手段と、
   前記第１の励磁電圧演算手段の出力値と前記第２の励磁電圧演算手段の出力値とを混合して前記浮上体の浮上制御に必要な励磁電圧値を生成出力すると共に、その混合比を前記ギャップ長に応じて調整する励磁電圧調整手段と
   を具備したことを特徴とする磁気浮上装置。
2. 前記電流値検出手段によって検出されるコイル電流値に基づいて、前記電磁石のコイル抵抗値を演算する抵抗測定手段を備え、
   前記励磁電圧調整手段は、前記抵抗測定手段によって測定されたコイル抵抗値を加味して前記混合比を調整することを特徴とする請求項１記載の磁気浮上装置。
3. 前記励磁電圧調整手段は、
   前記第１の励磁電圧演算手段の出力値に第１のゲインを乗じた値と前記第２の励磁電圧演算手段の出力値に第２のゲインを乗じた値を加算して、前記浮上体の浮上制御に必要な励磁電圧値を生成出力すると共に、
   前記第１のゲインと前記第２のゲインを前記ギャップ長に応じて相対的に増減することを特徴とする請求項１記載の磁気浮上装置。
4. 前記励磁電圧調整手段は、
   前記第１の励磁電圧演算手段の出力値に第１のゲインを乗じた値と前記第２の励磁電圧演算手段の出力値に第２のゲインを乗じた値を加算して、前記浮上体の浮上制御に必要な励磁電圧値を生成出力すると共に、
   前記第１のゲインと前記第２のゲインを前記ギャップ長と前記コイル抵抗値に応じて相対的に増減することを特徴とする請求項２記載の磁気浮上装置。
5. 前記電流値検出手段によって検出されるコイル電流値に基づいて、前記電磁石のコイル抵抗値を演算する抵抗測定手段と、
   この抵抗測定手段によって得られるコイル抵抗値と前記電流値検出手段によって検出されるコイル電流値に基づいて、前記浮上体のギャップ長を推定する推定手段とを備え、
   前記第１の励磁電圧演算手段は、前記推定手段によって推定されたギャップ長に基づいて前記電磁石に印加すべき励磁電圧値を演算することを特徴とする請求項１記載の磁気浮上装置。
6. 前記推定手段は、
   前記抵抗測定手段によって得られるコイル抵抗値と前記電流値検出手段によって検出されるコイル電流値に基づいて、前記強磁性部材に対する前記浮上体の姿勢および姿勢変化速度を推定することを特徴とする請求項５項記載の磁気浮上装置。
7. 前記浮上体の運動の自由度に寄与する吸引力を発生させるための励磁電圧を所定のモード毎に演算するモード励磁電圧演算手段と、
   前記浮上体の運動の自由度に寄与する吸引力を発生させるための励磁電流を所定のモード毎に演算するモード励磁電流演算手段とを備え、
   前記推定手段は、前記モード励磁電流演算手段および前記モード励磁電圧演算手段の出力に基づいて、前記強磁性部材に対する前記浮上体の姿勢およびその姿勢の時間変化を前記浮上体の運動の自由度毎に推定することを特徴とする請求項５項記載の磁気浮上装置。
8. 前記浮上体は、前記磁石ユニットを備えていることを特徴とする請求項１項記載の磁気浮上装置。
9. 前記浮上体は、前記強磁性体部材を備えていることを特徴とする請求項１項記載の磁気浮上装置。

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