JP5532140B2 - 離散配置リニアモータの乗り移り制御装置 - Google Patents

Description

関連出願

この出願は、２０１０年１０月２６日出願の特願２０１０−２３９６０１の優先権を主張するものであり、その全体を参照により本願の一部をなすものとして引用する。

この発明は、工作機械や産業機械における搬送装置の走行駆動や、その各種の機器の駆動に用いられる離散配置リニアモータに適用される離散配置リニアモータの乗り移り制御装置に関する。

リニアモータは、物流装置の搬送台車や工作機械のローダとなる搬送装置等において、その走行駆動等に広く用いられている（例えば、特許文献１）。リニアモータには、リニア誘導モータ（ＬＩＭ）、リニア同期モータ（ＬＳＭ）、リニア直流モータ等があるが、長距離の走行システムとして主に使用されているのは、リニア誘導モータである。リニア同期モータは、地上側にマグネットを配置してコイル側を移動する方式が大部分を占める。なお、リニア同期モータにおいて、部分的に地上側に１次コイルを離散配置した例はあるが（例えば、特許文献２）、リニア同期モータは曲線路での補助的な使用であり、基本的にはリニア誘導モータを用いている。

特開昭６３−１１４８８７号公報 特開２００７−８２３０７号公報

リニア誘導モータは推力が低く、加えて高精度な位置決め制御が困難であり、走行性能の向上が困難であるため、工作機械のローダとなる搬送装置等への適用において、リニア同期モータの採用を試みた。従来のリニア同期モータは、地上側にマグネットを配置してコイル側を移動する方式が大部分を占める。しかし、コイル側を移動させるには、可動子に給電が必要であり、可動子への配線の都合上、無端経路での走行が不能であるなど、走行経路が限られたり、給電系が複雑化したりする。このため、リニア同期モータにおいて、地上側に１次コイルを配置することを試みた。しかし、地上側に１次コイルを配置する場合、従来のリニアモータのように、移動経路の全長に渡って連続してコイルを配置するのでは、コイルの使用量が増えてコストが増大する。

このような課題を解消する同期形リニアモータとして、それぞれが独立した１台のリニアモータの一次側の電機子として機能可能な電機子からなる複数の個別モータを、可動子の移動方向に間隔を開けて配列した離散配置のリニア同期モータを考えた。各個別モータは個別に制御する。可動子は、各個別モータを乗り移って移動することになる。この構成によると、個別モータが離散配置されるため、コイルの使用量が削減でき、コスト低下が図れる。また、走行路として、曲線路や、曲線路と直線路とでなる形状など、走行路の構成が自在となる。

しかし、上記の離散配置リニアモータでは、個別モータ間を乗り移る際に、可動子が振動する。搬送装置の駆動に用いた場合、上記の振動により搬送物に過大な衝撃，振動を加えることになる。そこで、振動の発生原因を調べた結果、一次側と二次側の磁気吸引力が、位置によって変化すること、および速度制御器に対する急峻な速度フィードバックの変化がショックの原因となることがわかった。

この発明の目的は、コイル使用量の削減や給電形式上で有利となる個別モータの離散配置形式を採用しながら、個別モータ間を可動子が乗り移る際の可動子の振動を抑制することができる離散配置リニアモータの乗り移り制御装置を提供することである。

この発明の離散配置リニアモータシステムを実施形態に用いた符号を付して説明する。
この発明の離散配置リニアモータの乗り移り制御装置（２）は、それぞれが独立した１台のリニアモータの一次側の電機子として機能可能な複数の個別モータ（３）を、可動子（４）の移動方向（Ｘ）に間隔を開けて配列したリニアモータである離散配置リニアモータ（１）を制御する装置であって、前記各個別モータ（３）をそれぞれ制御する複数の個別モータ制御手段（６）と、これら各個別モータ制御手段に位置指令を与える統括制御手段とを備える。前記各個別モータ制御手段（６）は、前記統括制御手段（７）から与えられた位置指令に応答して位置ループおよび速度ループを有するフィードバック制御で個別モータを駆動するフィードバック制御部（９）と、リニアモータ全体の移動範囲を各個別モータ（３）毎に区分した担当範囲（Ｘ_i）の境界となる制御的境界（Ｐ）から定められた近傍範囲（Ｘ_ia）内において、前記フィードバック制御部（９）のフィードバックによる影響を、前記制御的境界（Ｐ）から前記近傍範囲（Ｘ_ia）を外れる位置（Ｑ）に近づくに従って、零から、近傍範囲以外である一般範囲で用いられる値まで徐々に大きくするフィードバック影響徐々変更部（１０）とを有する。

この構成によると、フィードバック影響徐々変更部（１０）を設け、制御的境界（Ｐ）から定められた近傍範囲（Ｘ_ia）内において、フィードバック制御部（９）のフィードバックによる影響を、前記制御的境界（Ｐ）から前記近傍範囲（Ｘ_ia）を外れる位置（Ｑ）に近づくに従って、零から、一般範囲で用いられる値まで徐々に大きくする。すなわち、制御的境界（Ｐ）で一旦オープン制御とし、徐々にオープン制御から通常のフィードバック制御に切り替えして制御する。そのため、急峻な速度フィードバック変化によるショックが回避でき、可動子に衝撃，振動が発生することを抑制することができる。また、基本的にはフィードバック制御とするため、オープン制御に比べて精度の良い位置決めおよび速度制御が行える。制御対象となるリニアモータ（１）は、固定側として、一次側の電機子からなる個別モータ（３）を離散配置したため、コイル使用量が少なくて済み、かつ移動側に給電する場合に比べて給電系が簡素にできると言う離散配置リニアモータ（１）の利点を得ることができる。

前記フィードバック影響徐々変更部（１０）は、前記フィードバック制御部（９）の速度ループに入力される速度検出値の影響を、定められた関係式に従って徐々に小さくするのが良い。このように速度検出値の影響を徐々に大きくすることで、上記の振動抑制がより効果的に行える。前記定められた関係式は、次式とするのが良い。

ｘ^* _new：新しい速度指令値
ｘ^*：真の速度指令値
ｘ：現在の速度
c：寄与率（0≦ｃ≦１）
寄与率ｃは、例えば、位置または時間の関数とする。

また、前記フィードバック影響徐々変更部（１０）は、例えば、前記制御的境界（Ｐ）から前記近傍範囲（Ｘ_ia ）内に入った直後の設定区間（Ｘ_iaa）は、前記フィードバックによる影響を零としたオープン制御とするのが良い。制御的境界（Ｐ）から暫くはオープン制御とすることで、上記の振動抑制がより効果的に行える。

前記統括制御手段（７）は、リニアモータ全体の移動範囲（Ｘ₀）を各個別モータ（３）毎に区分した担当範囲（Ｘ_i）の情報を有していて、入力された位置指令の指令位置を担当範囲（Ｘ_i）に含む個別モータ（３）の個別モータ制御手段（６）に対し、前記入力された位置指令を前記の担当範囲（Ｘ_i）として含む個別モータ（３）に対応する位置指令に変換して与える機能を有するものとするのが良い。このように、統括制御手段（７）により位置指令を該当の個別モータ（３）に対応する位置指令に変換すると、複数設けられる個別モータ制御手段（６）が簡素な構成で済む。すなわち、全ての個別モータ制御手段（６）に同じ位置指令を入力し、個々の個別モータ制御手段（６）により自己の担当範囲（Ｘ_i）に該当するか否かを判断させ、該当する場合のみ制御動作させることも可能ではあるが、その場合、複数設けられる個別モータ制御手段（６）の全てに、判断処理や位置指令の変換を行う手段が必要となる。統括制御手段（７）にこの機能を持たせると、一つで済み、構成が簡素となる。

請求の範囲および／または明細書および／または図面に開示された少なくとも２つの構成のどのような組合せも、本発明に含まれる。特に、請求の範囲の各請求項の２つ以上のどのような組合せも、本発明に含まれる。

この発明は、添付の図面を参考にした以下の好適な実施形態の説明からより明瞭に理解されるであろう。しかしながら、実施形態および図面は単なる図示および説明のためのものであり、この発明の範囲を定めるために利用されるべきものではない。この発明の範囲は添付の請求の範囲によって定まる。添付図面において、複数の図面における同一の部品番号は、同一部分を示す。
この発明の一実施形態に係る離散配置リニアモータの乗り移り制御装置を備えたリニアモータシステムの概念構成を示すブロック図である。 （Ａ）同リニアモータにおける個別モータの一例の平面図、（Ｂ）は同図（Ａ）のII-II線断面図である。 同制御装置のフィードバック制御部の構成とフィードバック影響徐々制御部とを示すブロック図である。 同乗り移り制御装置の制御動作の概念図である。 全体の移動範囲を各個別モータ毎に区分した担当範囲の説明図である。 同離散配置リニアモータの乗り移り制御装置を適用した搬送装置の一例を示す正面図である。

この発明の一実施形態を図１ないし図５と共に説明する。図１は、制御対象となるリニアモータ１と、このリニアモータ１を制御する乗り移り制御装置２とでなるリニアモータシステムを示す。リニアモータ１は、リニア同期モータ（ＬＳＭ）であって、それぞれが独立した１台のリニアモータの一次側の電機子として機能可能な電機子からなる複数の個別モータ３を、可動子４の移動方向Ｘに間隔を開けて設置した離散配置リニアモータである。各個別モータ３は、可動子４のレール（図示せず）を有する共通のフレーム５に設置されている。フレーム５には、この他に、各個別モータ３毎に、可動子４の位置を検出する位置検出器となるセンサ１５が設置される。

なお、センサ１５は、図１では図示の便宜上、個別モータ３間に示しているが、実際には、可動子移動方向（Ｘ方向）につき、個別モータ３と同じ位置に配置され、個別モータ３よりも若干長い範囲で位置検出が可能なリニアセンサが用いられる。ただし、個別モータ３とセンサ１５とは必ずしも同じ位置でなくても良く、個別モータ３に対する可動子４の位置が検出できれば良く、処理系を介することで、柔軟にできる。可動子４は、永久磁石からなるＮ，Ｓの磁極を可動子基体４ａに移動方向Ｘに並べて複数設けたものであり、前記フレーム５に設けられたレール（図示せず）によって進退自在に案内される。

各個別モータ３は、例えば図２（Ａ）および（Ｂ）に示すように、各層の磁極となる複数のコイル３ａとコア３ｂを、前記移動方向Ｘに並べたものである。各コア３ｂは、共通の本体部からくし歯状に突出した部分で構成される。この例では、３相の交流電流で駆動するものとされ、その各相（Ｕ，Ｖ，Ｗ相）毎に一つの磁極を設けた３極の一次側の電機子とされている。なお、個別モータ３は、各相（Ｕ，Ｖ，Ｗ相）毎に複数の磁極を設け、相数の整数倍の磁極を有する電機子としても良い。

図１において制御系を説明する。乗り移り制御装置２は、各個別モータ３をそれぞれ制御する複数の個別モータ制御手段６と、これら複数の個別モータ制御手段６に位置指令を与える一つの統括制御手段７とを備える。

統括制御手段７は、弱電系の回路素子や、コンピュータおよびそのプログラムの一部等で構成される。統括制御手段７は、図５のように、リニアモータ全体の移動範囲Ｘ₀を各個別モータ３毎に区分した担当範囲Ｘ_i（i：任意の自然数）の情報を有している。個別モータ３は離散配置されているため、担当範囲Ｘ_iは個別モータ３よりも長い範囲であり、また個別モータ３からある程度離れた位置で駆動力を確保するために、隣り合う担当範囲Ｘ_iは一部を重複させ、２台の個別モータ３で駆動を行うようにしている。

統括制御手段７は、上記のように担当範囲Ｘ_iを記憶していて、上位制御手段（図示せず）から入力された位置指令の指令位置を、担当範囲Ｘ_iに含む個別モータ３の個別モータ制御手段６に対し、前記入力された位置指令を前記の担当範囲Ｘ_iとして含む個別モータ３に対応する位置指令に変換して与える。例えば、上位制御手段から入力された位置指令の指令位置Ｒ （例えば、１２００）が、第３番目の個別モータ３の担当範囲Ｘ₃に含まれるとすると、第３番目の個別モータ３の担当範囲Ｘ₃の原点位置Ｏ₃の位置（例えば、１０００）を差し引いた値（例えば、２００）を、第３の番目の個別モータ制御手段６に対して入力する。

各個別モータ制御手段６は、モータ電流を個別モータに流す強電系のモータ駆動回路（図示せず）と、このモータ駆動回路を制御する弱電系の制御部（図示せず）とでなる。強電系のモータ駆動回路は、複数のスイッチング素子を設けたインバータ等からなり、駆動用の直流電源（図示せず）に接続されている。個別モータ制御手段６の前記弱電系の制御部は、マイクロコンピュータおよびそのプログラムや、回路素子によって構成される。

各個別モータ制御手段６における前記弱電系の制御部に、モータ切替え応答部８と、フィードバック制御部９と、フィードバック影響徐々変更部１０とを有する。モータ切替え応答部８は、統括制御手段７から与えられた位置指令に応答して、入力された位置指令をフィードバック制御部９へ伝える。

フィードバック制御部９は、図３に一例を示すように、それぞれ位置，速度，電流のフィードバック制御を行う位置制御部１１と、速度制御部１２と、電流制御部１３とを有している。すなわち、フィードバック制御部９は、位置ループ、速度ループ、および電流ループを有する。電流ループは必ずしも設けなくても良い。位置制御部１１は、個別モータ３に対する可動子４の現在位置を検出する前記センサ１５の検出値と位置指令の指令値との偏差に応じ、定められた位置ループゲインのフィードバック制御を行う。位置制御部１１は、その出力として速度指令値を出力する。

速度制御部１２は、センサ１５の位置検出値から速度を検出する微分手段等の速度検出手段１６を経て得られる速度検出値と、速度指令値との偏差に応じ、定められた速度ループゲインのフィードバック制御を行う。速度制御部１２は、その出力として電流指令値を出力する。電流制御部１３は、個別モータ３に印加される駆動電流を電流検出器等の電流検出手段１４で検出して、電流検出値と電流指令値との偏差に応じた電流指令値を、定められ電流ループゲインを用いて生成し、モータ駆動電流を制御する。

図１のフィードバック影響徐々変更部１０は、隣の担当範囲Ｘ_i-1との境界となる制御的境界Ｐ（図４）から定められた近傍範囲Ｘ_ia内において、前記フィードバック制御部９のフィードバックによる影響を、前記制御的境界Ｐから前記近傍範囲Ｘ_iaを外れる位置Ｑ（図４）に近づくにしたがって、零から、近傍範囲以外である一般範囲で用いられる値まで徐々に大きくする手段である。このフィードバック影響徐々変更部１０は、前記制御的境界Ｐから前記近傍範囲Ｘ_ia内に入った直後の設定区間Ｘ_iaaは、前記フィードバックによる影響を零としたオープン制御とし、その後にフィードバックによる影響を徐々に強める。なお、前記設定区間Ｘ_iaaは零としても良い。すなわち、前記フィードバックによる影響を零としたオープン制御は、零または零とみなせる瞬時とし、フィードバックによる影響を零から次第に大きくしても良い。制御的境界Ｐは、図５のような重なり範囲を有する場合、可動子４が乗り移って来る個別モータ３における担当範囲Ｘ_iの始端位置である。

フィードバック影響徐々変更部１０は、具体的には図３に示すように、位置制御部１１と速度制御部１２との間に介在させた速度フィルタとして設ける。すなわち、フィードバック影響徐々変更部１０は、位置制御部１１の出力する速度指令値を、定められた関係式によって変更して出力する。その変更後の速度指令値に対して、速度制御部１２が、速度検出手段１６の検出した現在速度によってフィードバック制御を行う。

フィードバック影響徐々変更部１０における上記関係式は、例えば次式とされる。

ｘ^* _new：新しい速度指令値
ｘ^*：真の速度指令値
ｘ：現在の速度
c：寄与率（0≦ｃ≦１）

上記の関係式により演算された新しい速度指令値が、速度制御部１２における入力とフィードバック値の加算部１２ａに入力される。なお、上記の式では、寄与率ｃは、フィードバック影響徐々変更部１０の有効時間Ｔ（この時間分、スムーズ切替えが有効となる）と、可動子４が担当範囲に入った時の時刻（＝０）を起点とする時刻または経過時間ｔとによる時間の関数としたが、可動子４の位置の関数としても良い。

上記の関係式において、寄与率ｃが１の場合は、新しい速度指令値は現在の速度と同じとなり、オープン制御となる。寄与率ｃが０の場合は、新しい速度指令値は、位置制御部１１から出力される速度指令値である真の速度指令値となり、通常のフィードバック制御となる。フィードバック影響徐々変更部１０は、この寄与率ｃを、１から０へ次第に変化させる。

上記構成の離散配置リニアモータ１の乗り移り制御装置２によると、フィードバック影響徐々変更部１０を設け、図４に概念図で示すように、制御的境界Ｐから定められた近傍範囲Ｘ_ia内において、フィードバック制御部９のフィードバックによる影響を、制御的境界Ｐから近傍範囲Ｘ_iaを外れる位置Ｑに近づくに従って、零から、近傍範囲Ｘ_ia以外の通常範囲で用いられる値まで徐々に大きくする。すなわち、制御的境界Ｐで一旦オープン制御とし、徐々にオープン制御から通常のフィードバック制御に切り替えて制御する。そのため、急峻な指令値変化によるショックが回避でき、可動子４に衝撃，振動が発生することを抑制することができる。また、基本的にはフィードバック制御とするため、オープン制御に比べて精度の良い位置決めおよび速度制御が行える。

また、前記フィードバック影響徐々変更部１０は、制御的境界Ｐから前記近傍範囲Ｘ_ia内に入った直後の設定区間Ｘ_iaaでは、前記フィードバックによる影響を零としたオープン制御としており、制御的境界Ｐから暫くはオープン制御とするため、上記の振動抑制がより効果的に行える。なお、図４において、上記近傍範囲Ｘ_iaのうち、設定区間Ｘ_iaaを超えた範囲Ｘ_iabでは、フィードバック制御とオープン制御との双方を行うような図となっているが、この範囲Ｘ_iabは、フィードバック制御ではあるが、フィードバックによる影響が０から１まで次第に大きくなるように変化することを示している。なお、上記の説明は、一方向への移動についてのみ説明したが、逆方向に移動する場合も、前記一方向への制御と同様の制御を行う。

制御対象となるリニアモータ１は、固定側として、一次側の電機子からなる個別モータ３を離散配置したため、コイル使用量が少なくて済み、かつ移動側に給電する場合に比べて給電系が簡素にできると言う離散配置リニアモータの利点を得ることができる。

なお、上記実施形態では、統括制御手段７が、上位制御手段から入力された位置指令の指令位置を担当範囲に含む個別モータ３の個別モータ制御手段６に対し、入力された位置指令を変換して与えるようにしたが、統括制御手段７から全ての個別モータ制御手段６に同じ位置指令を入力し、個々の個別モータ制御手段６のモータ切替え応答部８により、自己の担当範囲Ｘ_iに該当するか否かを判断させ、該当する場合のみ、その個別モータ制御手段６のモータ駆動制御を行わせるようにしても良い。

図６は、この離散配置リニアモータの乗り移り制御装置を適用した搬送装置２１の一例を示す。この搬送装置２１は、旋盤等からなる工作機械２０に対してワークの搬入搬出を行うガントリ型のローダとなるものである。この搬送装置２１は、水平なフレーム２２に長さ方向に沿って設けられたレール（図示せず）に走行体２３が走行自在に設置され、走行体２３に、走行方向（Ｘ方向）と直交する方向である前後方向（Ｚ方向）に移動自在に前後移動台２４が搭載されている。前後移動台２４にロッド状の昇降体２５が昇降自在に設置され、昇降体２５の下端にワークを把持可能なチャック２６を有するローダヘッド２７が設けられている。チャック２６と、工作機械２０の主軸２０ａとの間で、ワークの受渡しが行われる。

上記走行体２３の走行駆動源として、離散配置リニアモータ１が設けられている。離散配置リニアモータ１は、その各個別モータ３が、フレーム２２に長さ方向に沿って配列され、走行体２３に前記可動子４が設けられている。この実施形態における離散配置リニアモータ１、およびその乗り移り制御装置２は、特に説明した事項の他は、図１〜図５と共に前述したとおりである。

また、地上系に制御装置を置くことから、高速なネットワークが構築でき、複数の走行体の同時制御が容易に実現できる。

以上のとおり、図面を参照しながらこの発明の好適な実施形態を説明したが、この発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、種々の追加、変更または削除が可能である。したがって、そのようなものもこの発明の範囲内に含まれる。

１ 離散配置リニアモータ
２ 乗り移り制御装置
３ 個別モータ
４ 可動子
６ 個別モータ制御手段
７ 統括制御手段
８ モータ切替え応答部
９ フィードバック制御部
１０ フィードバック影響徐々変更部
１５ センサ
２０ 工作機械
２１ 搬送装置
Ｐ 制御的境界
Ｑ 近傍範囲を外れる位置
Ｘ_i 担当範囲
Ｘ_ia 近傍範囲
Ｘ_iaa 設定区間

Claims (5)

1. それぞれが独立した１台のリニアモータの一次側の電機子として機能可能な複数の個別モータを、可動子の移動方向に間隔を開けて配列した離散配置リニアモータを制御する装置であって、
   前記各個別モータをそれぞれ制御する複数の個別モータ制御手段と、これら各個別モータ制御手段に位置指令を与える統括制御手段とを備え、
   前記各個別モータ制御手段は、
   前記統括制御手段から与えられた位置指令に応答して位置ループおよび速度ループを有するフィードバック制御で個別モータを駆動するフィードバック制御部と、
   リニアモータ全体の移動範囲を各個別モータ毎に区分した担当範囲の境界となる制御的境界から定められた近傍範囲内において、前記フィードバック制御部のフィードバックによる影響を、前記制御的境界から前記近傍範囲を外れる位置に近づくに従って、零から、近傍範囲以外である一般範囲で用いられる値まで徐々に大きくするフィードバック影響徐々変更部とを有する離散配置リニアモータの乗り移り制御装置。
2. 前記フィードバック影響徐々変更部は、前記フィードバック制御部の速度ループに入力される速度検出値の影響を、定められた関係式に従って徐々に小さくする請求項１記載の離散配置リニアモータの乗り移り制御装置。
3. 前記定められた関係式として、次式を用いる請求項２記載の離散配置リニアモータの乗り移り制御装置。
   

   

   
   ｘ^* _new：新しい速度指令値
   ｘ^*：真の速度指令値
   ｘ：現在の速度
   c：寄与率（0≦ｃ≦１）
4. 前記フィードバック影響徐々変更部は、前記制御的境界から前記近傍範囲内に入った直後の設定区間は、前記フィードバックによる影響を零としたオープン制御とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の離散配置リニアモータの乗り移り制御装置。
5. 前記統括制御手段は、リニアモータ全体の移動範囲を各個別モータ毎に区分した担当範囲の情報を有していて、入力された位置指令の指令位置を担当範囲に含む個別モータの個別モータ制御手段に対し、前記入力された位置指令を前記の担当範囲として含む個別モータに対応する位置指令に変換して与える請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の離散配置リニアモータの乗り移り制御装置。

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