JP5177193B2 - リニアモータ制御装置 - Google Patents
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また、第2の従来のリニアモータ制御装置は、センサレス制御を行なうために、位置速度推定器が誘起電圧推定を行なう、ことが記載されている(例えば、特許文献2参照)。
第1の従来のリニアモータ制御装置は、界磁可動子が移動する際の切替えショックを緩和する手段のみが記載されており、依然、端効果による界磁可動子端部の相間電圧不平衡に起因する推力リプルが発生するという問題があった。
また、第2の従来のリニアモータ制御装置は、記載された誘起電圧推定方法が、通電に伴う固定子巻線の温度変化やセンサ測定誤差を考慮していないため、例えばリニアモータのモデルと真値に誤差が生じた場合に誘起電圧推定精度が大きく劣化する恐れがあるという問題があった。
更に、仮に、第1の従来のリニアモータ制御装置に記載の技術に、第2の従来のリニアモータ制御装置の記載の技術を適用したとしても、誘起電圧を正確に推定できないために、端効果による界磁可動子端部の相間電圧不平衡を十分に補償することができず、結果として推力リプルの発生は解決できないという問題もあった。
図1は、本発明の実施形態におけるリニアモータおよびリニアモータ制御装置の構成を示す概略図である。図において、リニアモータ101は、界磁可動子102と、界磁可動子102の移動方向に複数区分配置された固定子巻線103〜108とを備える。また、本実施形態におけるリニアモータ制御装置は、複数の固定子巻線103〜108に対応した複数の電力変換器109〜114と、電力変換器109〜114に対してそれぞれに電流指令等を出力する制御部115とを備える。
なお、簡単のために、本実施形態では、常に4つの固定子巻線に駆動電力を供給して推力を発生させるように、制御部115が電力変換器を切替えるものとし、例えば、界磁可動子102が、固定子巻線103〜106の位置に対向する場合は固定子巻線103〜106、固定子巻線104〜107の位置に対向する場合は固定子巻線104〜107、固定子巻線105〜108の位置に対向する場合は固定子巻線105〜108、に駆動電力を供給するものとする。
なお図示はしていないが、制御部115はd軸電流指令値idn *を制御演算し、d軸電流指令値idn *を各電力変換器109〜114に分配出力する機能も備える。
推力分配器210は、推力指令F*と界磁可動子位置xとを入力してq軸電流指令値iqn *を、例えば、ベクトル制御演算して各電力変換器109〜114に分配出力する。ここで、推力指令F*の分配は、分配の前後で推力指令の総和が変化しないものとし、例えば4つの固定子巻線に対して推力指令F*の1/4ずつを分配出力する。
誘起電圧補償器211は、界磁可動子位置xと各電力変換器109〜114からの電流検出値idn,iqnとを入力して、後述する演算方法により誘起電圧補償量Δedn,Δeqnを演算して、各電力変換器109〜114に出力する。
、添え字^は推定値)は、N番目の電力変換器のd軸またはq軸の電圧指令値、N番目の電力変換器のd軸またはq軸の推定電流値、固定子巻線インダクタンス値である。Raは固定子巻線抵抗値、ωは界磁可動子速度、KEは誘起電圧定数、pは微分演算子である。
なお、モータパラメータである固定子巻線インダクタンス値Lκ、固定子巻線抵抗値Ra、誘起電圧定数KEは、予め知ることができる既知の値である。
・・・ (3)
・・・ (4)
・・・ (5)
・・・ (8)
式(10)の誘起電圧推定式は、式(9)で得た電流差分値Δiκnに対する比例演算を含有するため、前述の電流差分値Δiκnを0にするように、誘起電圧推定値edn,eqnを調整する機能を有している。電流差分値Δiκnが0となったときの誘起電圧推定値edn,eqnは真値に等しいと考えられるから、式(10)によって誘起電圧推定値edn,eqnは自動的に真値に収束する。
ここで、端効果の影響を強く受けた界磁可動子端を担う電力変換器と、端効果の影響を受けない界磁可動子中央の電力変換器とを比較した場合、リニアモータのモデル化誤差、センサ測定誤差、推力外乱などは共通である。したがって、式(10)によって得られる各電力変換器の誘起電圧推定値edn,eqnの違いは、界磁可動子端を担う電力変換器の端効果のみに依存していると考えることができる。
・・・ (10)
位置センサ201からの界磁可動子位置xを用いて、各電力変換器と界磁可動子の位置関係を得る。界磁可動子中央を担い、鎖交磁束の安定している固定子巻線に対して電力供給を行う電力変換器をA番目(添え字n=Aとなり、例えば、図1においては電力変換器111または電力変換器112に相当する)とし、各d,q軸の誘起電圧推定値をedA(n),eqA(n)とする。
また、界磁可動子端を担い、鎖交磁束の不安定な電力変換器をB番目(添え字n=Bとなり、例えば、図1においては電力変換器110と電力変換器113に相当する)として、各d,q軸の誘起電圧推定値をedB(n),eqB(n)とする。
界磁可動子へ推力を発生させる全ての電力変換器の誘起電圧推定値が、界磁可動子中央を担う電力変換器と同じ状態になるように制御できれば、端効果を補償した最適な運転状況と考えることができる。
言い換えれば、電力変換器Aで発生している誘起電圧推定値edA(n),eqA(n)を規範的な誘起電圧のモデルとして取り扱い、この誘起電圧推定値edA(n),eqA(n)と電力変換器Bで発生している誘起電圧推定値edB(n),eqB(n)との差分を、電力変換器Bに対する誘起電圧補償量とするため、誘起電圧推定において固定子巻線の温度変化に伴うリニアモータのモデル化誤差やセンサ測定誤差の影響を抑制し、相間電圧の不平衡に起因する推力リプルを低減させることができる。
なお、誘起電圧補償器211が、位置センサ202からの界磁可動子位置xに基づいて、界磁可動子が固定子巻線に掛かっていないと判断した電力変換器に関しては、誘起電圧補償量Δeκnは0である。この場合、新たな電圧指令値vdn *´,vqn *は式(13)で表される。
・・・ (13)
また、本実施形態に示す誘起電圧推定手法は、フィルタなどの遅れ要素を含まないため、特に、電流検出周期が十分に短い場合、界磁可動子が高速移動時でも問題なく補償の効果が発揮される。
更に、リニアモータの端効果の影響が許容されない、特に高精度仕様である半導体製造装置などの超精密機器、長距離搬送のためのリニアモータにおいては、電力変換器を切替える方式に本発明を適用することで、リニアモータもしくはリニアモータ制御装置の発熱量、消費電力量および電流分解能の観点から最も効果的である。
例えば、固定子巻線103(図4)では、界磁可動子102が移動開始したときから界磁可動子102の端部を担うことになるため、時間軸の早い段階から3相不平衡状態の誘起電圧が発生する。固定子巻線104(図5)や固定子巻線105(図6)では、界磁可動子102が移動開始したときから界磁可動子102の中央部を担うことになるため、時間軸の早い段階では3相平衡状態の誘起電圧が発生し、時間軸が遅い段階になるにつれて(時間が進むにつれて)、界磁可動子102が各固定子巻線上を通過することになり界磁可動子102の端部を担うことになるため、3相不平衡状態の誘起電圧が発生する。固定子巻線106(図7)や固定子巻線107(図8)、固定子巻線108(図9)では、時間軸の早い段階では固定子巻線上に界磁可動子が存在しないため、誘起電圧振幅が0であるが、界磁可動子102が各固定子巻線上を通過するにつれ(界磁可動子102の端部を担う時間帯から界磁可動子102の中央部を担う時間帯に変化するにつれ)、3相不平衡状態の誘起電圧の発生から3相平衡状態の誘起電圧の発生に変化していく。
図10をみれば、界磁可動子102が、固定子巻線103の左端から固定子巻線108の右端まで移動する場合、図4から図9における順に発生する3相不平衡状態の誘起電圧に起因して、推力リプルが発生していることが分かる。一方、図11を見れば、本実施形態の誘起電圧補償により、推力リプルが低減していることが分かる。
ここで、電力変換器の切替えに際して、電力の供給を開始するように切替えられる電力変換器をA番目(添え字はn=A)とし、電力供給を止めるように切替えられる電力変換器をB番目(添え字はn=B)とする。例えば、図1において、電力変換器110〜113から固定子巻線104〜107の4つに電力が供給され、界磁可動子102を右方向に向かって駆動し、界磁可動子位置に基づいて電力変換器の切替えを実施し、電力変換器111〜114から固定子巻線105〜108の4つに電力供給を切替えた場合、電力の供給を開始するように切替えられるA番目の電力変換器は電力変換器108、電力供給を止めるように切替えられるB番目の電力変換器は電力変換器104に相当する。
・・・ (15)
・・・ (16)
一方、q軸電流指令値iqn *が大きい状態、また高速走行によって大きな誘起電圧外乱が生じている状態のような出力電圧制限が発生する場合には、電圧指令Vqn *が出力電圧の最大値±Vmaxで制限される。その結果、出力電圧が制限された電力変換器の電流応答が遅れ、切替える2つの電力変換器(A番目およびB番目)から出力される電流の和iqA+iqBが一定に保たれないために推力リプルが生じることになる。
そこで、通電する電力変換器を切替える際、2つの電力変換器(A番目およびB番目)の電圧指令および出力電流について予測演算し、積分制御器の初期値設定を施すことによって、出力電圧制限が発生せず、かつ切替える2つの電力変換器(A番目およびB番目)電流の総和が変動しないように補償することが可能となる。
・・・ (18)
電力変換器を切替える時刻をt=0とし、 それ以前では出力電流は電流指令に対して十分追従していたものと考えれば、A番目およびB番目の電力変換器の入力unおよび状態変数x1n、x2nの初期値は、式(19)で表される。ここで、ΔEqn *は電圧補償値、 Tsは電流制御器309のサンプリング時間である。
・・・ (22)
まず式(15)より、y2n(q軸電圧指令値Vqn *)の最大値y2nMAXを得て、式(23)、式(24)とする。
・・・ (24)
・・・ (26)
電力変換器の直流母線電圧に依存する出力電圧制限が発生しない場合の出力電流応答を改善することを考え、出力電流応答の収束を早め、オーバーシュートやアンダーシュートしないように予測電圧指令Eq *を設定する。例えば、電流制御器309におけるq軸電流の伝達関数Giが式(16)のように設定されている場合、比例係数αを用いて、予測電圧指令Eq *の関数を式(27)のように定義する。
そして、q軸電流応答に関する式(20)から、A番目およびB番目の出力電流応答が任意の極配置になるように比例係数αを定める。α=Kpとすれば、極配置が通常制御時と同等であり、オーバーシュートやアンダーシュートしない、式(28)および式(29)の電流応答式が得られる。つまり、電流応答を悪化させない、推力リプルを抑制するが可能となる。
・・・ (29)
次に、図12における切替補償セレクタ401が出力する切替補償選択信号Sn、推力変動抑制器402が出力する予測電圧指令Eq *、図14における予測補償器504が出力する電圧補償量ΔEqn *の演算および実施手順について説明する。
・・・ (32)
図15は電圧補償後の固定子巻線104と固定子巻線108に流れる電流の時間変化、図16は電圧補償後の固定子巻線104と固定子巻線108に流れる電流の和の時間変化、図17は電圧補償前の固定子巻線104と固定子巻線108に流れる電流の時間変化、図18は電圧補償前の固定子巻線104と固定子巻線108に流れる電流の和の時間変化を示している。図15および図17については、固定子巻線108に流れる電流を実線で、固定子巻線104に流れる電流を破線で示している。なお、いずれの図においても、縦軸は電流振幅、横軸は時間軸である。
102 界磁可動子
103〜108 固定子巻線109〜114 電力変換器
115 制御部
201 位置センサ
202 速度演算器
203 速度制御器
210 推力分配器
211 誘起電圧補償器
302 d軸電流制御器
303、309 q軸電流制御器
304 2相3相変換器
305 3相2相変換器
306 PWM変調器
307、308 加算器
401 切替補償セレクタ
402 推力変動抑制器
501 モータモデル
502 比例制御器
503 積分制御器
504 予測補償器
505、506 加算器
Claims (4)
- 固定子巻線が界磁可動子の移動方向に複数区分されたリニアモータを、位置センサが検出する界磁可動子位置に基づいて区分毎に備えられた電力変換器を切替えて、前記界磁可動子を移動させるように前記固定子巻線に電力を供給するリニアモータ制御装置であって、
上位からの指令に応じた電流指令を制御演算して前記電力変換器それぞれに出力する制御部と、
前記界磁可動子位置および検出電流値に基づいて、前記界磁可動子の中央部を担う前記固定子巻線の誘起電圧に相当する第1の誘起電圧推定値を推定演算すると共に、前記界磁可動子の端部を担う前記固定子巻線の誘起電圧に相当する第2の誘起電圧推定値を推定演算し、前記第1の誘起電圧推定値と前記第2の誘起電圧推定値との差分により誘起電圧補償量を演算して出力する誘起電圧補償器と、
前記電流指令および前記誘起電圧補償量に基づいて、前記リニアモータに供給する電圧および電流を制御演算すると共に、前記リニアモータに供給する電流を検出して前記検出電流値を演算し出力する前記電力変換器と、を備え、
前記電力変換器が、前記電流指令および前記検出電流値に基づいて電流制御演算するものであって、前記電流制御演算の出力である電圧指令値に、前記誘起電圧補償量を加算して新たな電圧指令値を演算することを特徴とするリニアモータ制御装置。 - 前記誘起電圧補償器が、前記界磁可動子が対向しない前記電力変換器に対する前記誘起電圧補償量はゼロとすることを特徴とする請求項1に記載のリニアモータ制御装置。
- 固定子巻線が界磁可動子の移動方向に複数区分されたリニアモータを、位置センサが検出する界磁可動子位置に基づいて区分毎に備えられた電力変換器を切替えて、前記界磁可動子を移動させるように前記固定子巻線に電力を供給するリニアモータ制御装置であって、
上位からの指令に応じた電流指令を制御演算して前記電力変換器それぞれに出力する制御部と、
前記界磁可動子位置および検出電流値に基づいて、前記界磁可動子の中央部を担う前記固定子巻線の誘起電圧に相当する第1の誘起電圧推定値を推定演算すると共に、前記界磁可動子の端部を担う前記固定子巻線の誘起電圧に相当する第2の誘起電圧推定値を推定演算し、前記第1の誘起電圧推定値と前記第2の誘起電圧推定値との差分により誘起電圧補償量を演算して出力する誘起電圧補償器と、
前記界磁可動子位置に基づいて、切替える前記電力変換器を判別して切替補償選択信号を前記電力変換器に出力する切替補償セレクタと、
前記電流指令に基づいて、前記電力変換器の出力電圧制限または出力電流応答遅れを防止する予測電圧指令を前記電力変換器に出力する推力変動抑制器と、
前記電流指令および前記誘起電圧補償量、前記切替補償選択信号、前記予測電圧指令に基づいて、前記リニアモータに供給する電圧および電流を制御演算すると共に、前記リニアモータに供給する電流を検出して前記検出電流値を演算し出力する前記電力変換器と、を備え、
前記推力変動抑制器は、前記予測電圧指令を、前記電力変換器の出力電圧の最大値から前記誘起電圧補償量を減算した第1の値、または、前記電流指令に比例係数を乗算した値から電圧外乱および巻線抵抗による電圧損失に応じた電圧値を減算した第2の値に設定し、
前記電力変換器は、前記電流指令および検出電流値に基づいて電流制御演算するものであって、前記切替補償選択信号が切替補償を行わないことを示す場合、前記電流制御演算の出力である電圧指令値に、前記誘起電圧補償量を加算して新たな電圧指令値を演算し、前記切替補償選択信号が切替補償を行うことを示す場合、前記電流指令を所定の比例ゲインで乗算した値と前記電流指令を所定の積分時定数で積分した値とを加算した値を前記予測電圧指令から減算し、当該減算結果に対して前記電圧損失に応じた電圧値を加算した値またはその正負を逆転した値を電圧補償値とし、前記電流制御演算の出力である電圧指令値に、前記電圧補償値および前記誘起電圧補償量を加算して新たな電圧指令値を演算することを特徴とするリニアモータ制御装置。 - 前記制御部および前記電力変換器が、ベクトル制御もしくは3相交流制御を行なうものであることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載のリニアモータ制御装置。
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