JP5217623B2 - 磁気浮上制御装置 - Google Patents
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Description
このように、従来の磁気浮上制御装置は、負荷重量が変化した場合、制御対象の総重量が永久磁石による吸引力と等しくなるようなギャップ長の位置に制御対象を移動させてゼロパワー制御するのである。
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、任意の位置でゼロパワー制御が可能な磁気浮上制御装置を提供することを目的とする。
請求項1に記載の磁気浮上制御装置の発明は、浮上支持される可動部と、該可動部を浮上支持する力を発生するための少なくとも1つの浮上アクチュエータと、前記可動部の位置を検出するための位置センサと、該位置センサにより検出された位置を元に前記浮上アクチュエータの発生すべき推力の指令である浮上アクチュエータ電流指令を生成するコントローラとを備えた磁気浮上制御装置において、
前記浮上アクチュエータは永久磁石による吸引力または反発力を可変とした永久磁石磁力可変モータであり、該永久磁石磁力可変モータは前記永久磁石による吸引力または反発力を変化させるためのアクチュエータである磁力操作モータを備え、
前記コントローラは前記磁力操作モータの可動子位置を制御する磁力操作モータ制御器を備え、前記磁力操作モータの可動子位置を操作することによって前記永久磁石磁力可変モータの発生する推力を操作するものである。
また、請求項2に記載の発明は、請求項1記載の磁気浮上制御装置において、前記コントローラが前記可動部の浮上位置が指令された浮上位置と一致している時に前記永久磁石による吸引力または反発力と前記可動部の重量が等しくなるように前記永久磁石磁力可変モータの可動子位置を操作するものである。
また、請求項3に記載の発明は、請求項1記載の磁気浮上制御装置において、前記永久磁石磁力可変モータが電磁石を備え、前記コントローラは少なくとも前記磁力操作モータへの電流指令と前記電磁石への電流指令とを生成するものである。
また、請求項4に記載の発明は、請求項3記載の磁気浮上制御装置において、前記コントローラが永久磁石推力指令から永久磁石推力までの遅れモデルを備え、前記永久磁石推力指令を前記遅れモデルの入力とし、前記永久磁石推力指令と前記遅れモデルの出力との差を不足アクチュエータ推力とし、前記不足アクチュエータ推力から不足鉛直推力,不足ロールモーメント,不足ピッチモーメントのうちの少なくとも1つを算出し、前記不足鉛直推力,前記不足ロールモーメント,前記不足ピッチモーメントのうちの少なくとも1つから電磁石推力指令を算出するものである。
前記永久磁石の着磁方向が水平方向の時には前記永久磁石と前記棒状鉄2本と前記固定子側鉄心とが輪状の磁路を構成し、前記永久磁石の着磁方向が鉛直方向の時には前記永久磁石とコの字型鉄心とが輪状磁路を構成するものである。
また、請求項6に記載の発明は、請求項1記載の磁気浮上制御装置において、前記永久磁石磁力可変モータが前記磁力操作モータにより直動する永久磁石と、固定子側鉄心とを備えたものである。
また、請求項7に記載の発明は、請求項1記載の磁気浮上制御装置において、前記永久磁石磁力可変モータが前記磁力操作モータにより回転する永久磁石と、Eの字型鉄心と、固定子側鉄心とを備え、
前記永久磁石の着磁方向が水平方向の時には前記永久磁石と前記Eの字型鉄心の外側とが輪状の磁路を構成し、前記永久磁石の着磁方向が鉛直方向の時には前記永久磁石と前記Eの字型鉄心と前記固定子側鉄心とが2つの輪状磁路を構成するものである。
また、請求項8に記載の発明は、請求項1記載の磁気浮上制御装置において、前記永久磁石磁力可変モータが前記磁力操作モータにより回転する永久磁石と、回転しない固定永久磁石と、棒状鉄心2本と、固定子側鉄心とを備え、
前記固定永久磁石の着磁方向が前記永久磁石の回転軸と直角方向に配置されており、前記永久磁石と前記固定永久磁石と前記棒状鉄心2本とが輪状の磁路を構成可能に配置され、前記固定子側鉄心は前記棒状鉄心のうちの一方を挟んで前記固定永久磁石のN極またはS極の延長上に位置するように配置されているものである。
また、請求項9に記載の発明は、請求項5乃至8のいずれかに記載の磁気浮上制御装置において、前記永久磁石磁力可変モータがウォームギヤまたはハイポイドギヤを用いたものである。
また、請求項3に記載の発明によると、永久磁石の推力の変化が遅い場合でも電磁石によって浮上支持することができる。
また、請求項4に記載の発明によると、永久磁石による吸引力の作用点と電磁石による吸引力の作用点が異なる構成であっても、少ない消費電力で浮上支持することができる。
また、請求項5乃至8に記載の発明によると、永久磁石による吸引力を可変とすることができる。
また、請求項9に記載の発明によると、逆伝達率が低くなり、永久磁石の位置を維持するために必要な電力を小さく抑えることができる。
本発明が従来技術と異なる点は、浮上用のアクチュエータとして、永久磁石による吸引力を可変とした永久磁石磁力可変モータを用いている部分と、永久磁石による吸引力を変化させるためのアクチュエータである磁力操作モータ15を備えた部分と、指令された任意の浮上位置に多自由度ステージ10を維持するように磁力操作モータ15を操作して永久磁石による吸引力を操作するコントローラを備えた部分である。
このような構成にすることによって、永久磁石による吸引力(または反発力)を自由に変化させることができるので、どのような位置にいても定常状態では永久磁石による吸引力(または反発力)のみで多自由度ステージ10の重量を支えることができ、消費電力をほぼ零の状態にすることができる。
永久磁石磁力可変モータ可動子14は、積層珪素綱板などでつくられるコアa20,コアb21,コアc22と、永久磁石23から成る。実際には永久磁石磁力可変モータ可動子14および磁力操作モータ15を多自由度ステージ10に固定するためのジグも必要であるが、図が煩雑となるのでここでは省略している。永久磁石23は回転可能となっており、その角度を磁力操作モータ15により制御する。コアは空気に比べ透磁率が高いため、コアの位置が図2の(a)図のような状態の時、永久磁石23によってつくられる磁束のほとんどは永久磁石23のN極から出て、コアa20,ガイドレール12,コアb21の順に通過し、永久磁石23のS極に戻る。一方、図2の(b)図のような状態の時には、永久磁石23によってつくられる磁束のほとんどはコアc22を通過し、コアa20,コアb21やガイドレール12は通過しない。コアa20,コアb21とガイドレール12との間の空隙を通過する磁束は、空隙を縮めるように吸引力を発生する。その吸引力は空隙を通過する磁束が大きいほど強い。そのため、永久磁石磁力可変モータ可動子14とガイドレール12の間に生じる吸引力は、図2の(a)図のような状態の時最大であり、(b)図のような状態の時が最小である。その間で、永久磁石23の角度を変化させることにより、吸引力を操作することが可能である。コアc22は、(b)図の状態の時の吸引力を小さくするためのものであり、なくてもよい。永久磁石23の角度を維持するためにトルクを加え続ける必要がある場合、結局は消費電力が零にならなくなってしまうため、減速器には逆伝達率の低いウォームギヤやハイポイドギヤなどを用いると良い。あるいは,機械的なブレーキを備え、定常状態ではブレーキをかけておいても良い。
(1)式は正方行列となっており逆行列を求めることができるため、それをGとおけば(2)式が得られる。
推力変換演算器160で(2)式の演算をすることにより、多自由度ステージの操作量から推進モータ推力指令および永久磁石推力指令を算出できる。冗長なアクチュエータを持つ場合についても、推力指令を分配する方法が考案されており(例えば,特開2006−72398号参照)、その場合でも本発明の技術を同様に使用できる。
推進モータ電流変換演算器170は、推力変換演算器160から受け取った推進モータ推力指令通りの推力を発生するように電流指令を生成する。磁力操作モータ指令変換器190は、推力変換演算器160から受け取った永久磁石推力指令通りの推力を発生するように磁力操作モータ位置指令を生成する。この演算は、あらかじめ磁力操作モータの回転位置と永久磁石磁力可変モータの吸引力との関係を測定しておき、多項式などでモデル化しておくことで実現できる。磁力操作モータ制御器195は、磁力操作モータ指令変換器190によってつくられた磁力操作モータ位置指令と光学式エンコーダなどで検出された磁力操作モータの回転位置とが一致するように磁力操作モータ電流指令を生成する。この演算の内容は、従来より知られているPID制御などとすればよい。
図6において60は、図5の50乃至55に相当する6自由度各軸の制御演算を表す。61はフィードフォワード制御部であり、位置指令よりフィードフォワード操作量を算出する。この演算は、例えば位置指令を二階微分したものをフィードフォワード操作量とすればよい。62はフィードバック制御部であり、位置指令と位置フィードバックを用いてフィードバック操作量を算出する。演算の内容は、従来より知られている位置PID制御や、位置PI制御・速度P制御のカスケード制御,位置P制御・速度PI制御のカスケード制御などとすればよい。63は加算器であり、フィードフォワード操作量とフィードバック操作量を足してフィルタ前操作量を生成する。64はフィルタであり、高周波成分をカットする一次遅れフィルタや、制御対象の共振周波数などの特定の周波数のみをカットするノッチフィルタなどを組み合わせたものを用いればよい。65は慣性であり、加速度指令に慣性をかけて推力指令を生成する。ここで、加速度指令にかける慣性の値は、X軸,Y軸,Z軸の制御演算50乃至52では制御対象の質量であり、θx軸の制御演算53の場合は制御対象のX軸周り慣性モーメント、θy軸の制御演算54の場合は制御対象のY軸周り慣性モーメント、θz軸の制御演算55の場合は制御対象のZ軸周り慣性モーメントである。これらは、CADによる設計値か、測定値をあらかじめパラメータとして与えておく。
本発明が従来技術と異なる部分は、浮上用のアクチュエータとして、永久磁石による吸引力を可変とした永久磁石磁力可変モータを用いている部分と、永久磁石による吸引力を変化させるためのアクチュエータである磁力操作モータ15を備えた部分と、指令された任意の浮上位置に多自由度ステージ10を維持したままで消費電流が0となるように永久磁石による吸引力を制御するコントローラ100を備えた部分である。
前述の不足推力を推力変換行列Bにより不足Z軸推力,不足θx軸モーメント,不足θy軸モーメントに換算する。この演算は、(1)式でX軸アクチュエータとY軸推進モータの推力を0とし、Z軸推力として前述の不足推力を代入することで計算できる。算出された不足Z軸推力,不足θx軸モーメント,不足θy軸モーメントから、推力変換行列C164を用いて電磁石推力指令を算出する。この演算は、(2)式でZ軸アクチュエータ位置として電磁石の位置を用いることで計算できる。
このように、永久磁石による吸引力を変えられるような構成をしているので、任意の位置でほぼ消費電力零で多自由度ステージ可動部を浮上支持することができる。
11 推進モータ可動子
12 ガイドレール
13 ギャップセンサ
14 永久磁石磁力可変モータ可動子
15 磁力操作モータ
20 コアa
21 コアb
22 コアc
23 永久磁石
24 固定永久磁石
25 コアd
26 コアe
27 コアf
28 ボールねじ
30 コイルa
31 コイルb
32 コイルc
33 コイルd
50 X軸制御演算
51 Y軸制御演算
52 Z軸制御演算
53 θx軸制御演算
54 θy軸制御演算
55 θz軸制御演算
61 フィードフォワード制御部
62 フィードバック制御部
63 加算器
64 フィルタ
65 慣性
110,111 多自由度ステージシステム
140 指令生成器
150 制御演算器
160,161 推力変換演算器
162 推力変換行列A
163 推力変換行列B
164 推力変換行列C
165 永久磁石1推進遅れモデル
166 永久磁石2推進遅れモデル
167 永久磁石3推進遅れモデル
170 推進モータ電流変換演算器
175 電磁石電流変換演算器
180 位置演算器
190 磁力操作モータ指令変換器
195 磁力操作モータ制御器
200 磁気支持ユニット
201 搬送車
202,203 電磁石
204 永久磁石
Claims (9)
- 浮上支持される可動部と、該可動部を浮上支持する力を発生するための少なくとも1つの浮上アクチュエータと、前記可動部の位置を検出するための位置センサと、該位置センサにより検出された位置を元に前記浮上アクチュエータの発生すべき推力の指令である浮上アクチュエータ電流指令を生成するコントローラとを備えた磁気浮上制御装置において、
前記浮上アクチュエータは永久磁石による吸引力または反発力を可変とした永久磁石磁力可変モータであり、該永久磁石磁力可変モータは前記永久磁石による吸引力または反発力を変化させるためのアクチュエータである磁力操作モータを備え、
前記コントローラは前記磁力操作モータの可動子位置を制御する磁力操作モータ制御器を備え、前記磁力操作モータの可動子位置を操作することによって前記永久磁石磁力可変モータの発生する推力を操作することを特徴とする磁気浮上制御装置。 - 前記コントローラは前記可動部の浮上位置が指令された浮上位置と一致している時に前記永久磁石による吸引力または反発力と前記可動部の重量が等しくなるように前記永久磁石磁力可変モータの可動子位置を操作することを特徴とする請求項1記載の磁気浮上制御装置。
- 前記永久磁石磁力可変モータは電磁石を備え、前記コントローラは少なくとも前記磁力操作モータへの電流指令と前記電磁石への電流指令とを生成することを特徴とする請求項1記載の磁気浮上制御装置。
- 前記コントローラは永久磁石推力指令から永久磁石推力までの遅れモデルを備え、前記永久磁石推力指令を前記遅れモデルの入力とし、前記永久磁石推力指令と前記遅れモデルの出力との差を不足アクチュエータ推力とし、前記不足アクチュエータ推力から不足鉛直推力,不足ロールモーメント,不足ピッチモーメントのうちの少なくとも1つを算出し、前記不足鉛直推力,前記不足ロールモーメント,前記不足ピッチモーメントのうちの少なくとも1つから電磁石推力指令を算出することを特徴とする請求項3記載の磁気浮上制御装置。
- 前記永久磁石磁力可変モータは前記磁力操作モータにより回転する永久磁石と、棒状鉄心2本と、コの字型鉄心と、固定子側鉄心とを備え、
前記永久磁石の着磁方向が水平方向の時には前記永久磁石と前記棒状鉄2本と前記固定子側鉄心とが輪状の磁路を構成し、前記永久磁石の着磁方向が鉛直方向の時には前記永久磁石とコの字型鉄心とが輪状磁路を構成することを特徴とする請求項1記載の磁気浮上制御装置。 - 前記永久磁石磁力可変モータは前記磁力操作モータにより直動する永久磁石と、固定子側鉄心とを備えたことを特徴とする請求項1記載の磁気浮上制御装置。
- 前記永久磁石磁力可変モータは前記磁力操作モータにより回転する永久磁石と、Eの字型鉄心と、固定子側鉄心とを備え、
前記永久磁石の着磁方向が水平方向の時には前記永久磁石と前記Eの字型鉄心の外側とが輪状の磁路を構成し、前記永久磁石の着磁方向が鉛直方向の時には前記永久磁石と前記Eの字型鉄心と前記固定子側鉄心とが2つの輪状磁路を構成することを特徴とする請求項1記載の磁気浮上制御装置。 - 前記永久磁石磁力可変モータは前記磁力操作モータにより回転する永久磁石と、回転しない固定永久磁石と、棒状鉄心2本と、固定子側鉄心とを備え、
前記固定永久磁石の着磁方向が前記永久磁石の回転軸と直角方向に配置されており、前記永久磁石と前記固定永久磁石と前記棒状鉄心2本とが輪状の磁路を構成可能に配置され、前記固定子側鉄心は前記棒状鉄心のうちの一方を挟んで前記固定永久磁石のN極またはS極の延長上に位置するように配置されていることを特徴とする請求項1記載の磁気浮上制御装置。 - 前記永久磁石磁力可変モータはウォームギヤまたはハイポイドギヤを用いたことを特徴とする請求項5乃至8のいずれかに記載の磁気浮上制御装置。
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