TWI535181B - Linear motor control device - Google Patents

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TWI535181B
TWI535181B TW100137906A TW100137906A TWI535181B TW I535181 B TWI535181 B TW I535181B TW 100137906 A TW100137906 A TW 100137906A TW 100137906 A TW100137906 A TW 100137906A TW I535181 B TWI535181 B TW I535181B
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Yoshiyuki Azuma
Mahito Unno
Tomoki Sato
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Murata Machinery Ltd
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Description

線性馬達控制裝置 關聯申請案
本申請案是主張2010年10月26日申請之日本特願2010-239602的優先權者，藉由參照其全體來作為本案的一部分引用。
本發明是有關適用於工作機械用的搬運裝置、或產業機械的搬運裝置、其他被使用於各種機器的驅動的同步型的地上一次側離散配置線性馬達的線性馬達控制裝置。
線性馬達(Linear Motor)是在物流裝置的搬運台車等中，被廣泛使用於其行走驅動等(例如專利文獻1)。線性馬達是有：線性感應馬達(LIM)、線性同步馬達(LSM)、及線性直流馬達等，但主要作為長距離的行走系統使用的是線性感應馬達。線性同步馬達是在地上側配置磁石來移動線圈側的方式佔了大部分。
另外，在線性同步馬達中，有部分地在地上側離散配置1次線圈的例子(例如專利文獻2)，但線性同步馬達為曲線路徑或路徑端部之輔助性的使用，基本上是使用線性感應馬達。並且，在非專利文獻1是有關只在加減速必要之處配置定子的地上一次型間歇配置(離散配置)線性同步馬達，針對模式化記載。
[先行技術文獻] [專利文獻]
專利文獻1：特開昭63-114887號公報
專利文獻2：特開2007-82307號公報
[非專利文獻]
非專利文獻1：鈴木憲吏、金容載、百目鬼英雄共著，「有關永久磁石型線性同步馬達的間歇定子配置間隔的模式化」，電氣學會線性驅動研究會，LD-07-35，2007年10月，pp17-pp22
線性感應馬達推力低，行走性能的提升困難。因此，在對成為工作機械的裝載機的搬運裝置等的適用上，嘗試採用線性同步馬達。以往的線性同步馬達是在地上側配置磁石來移動線圈側的方式佔了大部分。但，為了使線圈側移動，需要對可動子給電，由於配線至可動子的關係，在無端路徑的行走是不可能的，所以行走路徑受限，或給電系統複雜化。因此，嘗試在線性同步馬達中，橫跨路徑全長，在地上側配置1次線圈。但，在地上側配置1次線圈時，像以往的線性馬達那樣，橫跨移動路徑的全長連續配置線圈，是線圈的使用量會增加，成本會增大。
作為解除如此的課題之同步型線性馬達，可考慮離散配置的線性同步馬達，其係於可動子的移動方向，橫跨路徑全長取間隔配列由可作為分別獨立的1台線性馬達的一次側的電樞之機能的電樞所構成的複數的個別馬達。若根據此構成，則因為個別馬達被離散配置，所以線圈的使用量可削減，謀求成本降低。
但，離散配置線性馬達特有的問題，電感或誘發電壓會依可動子對個別馬達的位置而變化，且也會產生在個別馬達端部的干擾(例如頓轉力)。該等在控制馬達上成為莫大大的干擾。此問題在非專利文獻1中雖有觸及，但有關考慮其影響的控制未被提案。
本發明的目的是在於提供一種線性馬達控制裝置，其係一面採用有利於線圈使用量的削減或給電形式上之個別馬達的地上離散配置形式，一面可進行對應於誘發電壓的變化(相對於可動子對個別馬達的位置)之圓滑的移動控制。
附上實施形態所使用的符號來說明本發明的線性馬達控制裝置。
另外，在此說明書中，有關表示速度檢測值的「x．」的符號，在圖中以易懂的方式在「x」的文字的上側附上「．」，但在說明書中，基於使用可能的文字的限制上，在「x」的文字的右上附上「．」而顯示「x．」。
本發明的線性馬達控制裝置，係控制同步型的線性馬達(1)的裝置，該同步型的線性馬達係沿著可動子(4) 的移動路徑來取間隔配置可作為3相的各相的線圈排列於直線方向的1台線性馬達(1)的一次側的電樞之機能的複數的個別馬達(3)，且以永久磁石來構成上述可動子(4)， 具備：分別控制上述各個別馬達(3)的複數的個別馬達控制手段(6)、及按照所被輸入的位置指令來對上述各個別馬達(3)分配位置指令的統括控制手段(7)。
上述各個別馬達控制手段(6)係具有：進行位置控制及速度控制的雙方或只進行位置控制的位置．速度控制手段(17)、及進行電流控制的電流控制手段(13)，而且，在上述各個別馬達控制手段(6)設置：檢測出上述個別馬達(3)的各相的電流成分的電流檢測手段(14)、及分別檢測出上述可動子(4)的位置及速度的位置檢測手段(15)及速度檢測手段(16)。
上述電流控制手段(13)為向量控制形式，具有：推力電流控制部(18)，其係對於自上述位置．速度控制手段(17)所給予的推力電流指令值之q軸電流指令值iq*，輸出以可自上述電流檢測手段(14)的檢測值取得的個別馬達(3)的q軸電流檢測值iq能夠追隨的方式控制的q軸電壓指令值Vq '；磁通電流控制部(19)，其係對於所被設定的磁通電流指令值之d軸電電流值id*，輸出以個別馬達(3)的d軸電流檢測值id能夠追隨的方式控制的d軸電壓指令值Vd '；座標變換部(20)，其係將該等q軸電壓指令值Vq '及d軸電壓指令值Vd '變換成個別馬達(3)的各相的座標的指令值；及電力變換部(21)，其係將此座標變換部(20)的輸出變換成個別馬達(3)的驅動電流。
在此構成中，設置誘發電壓補償手段(31)，其係對於在上述推力電流控制部(18)所被輸出而輸入至上述座標變換部(20)的q軸電壓指令值Vq '加算電壓補償值Φx‧，該電壓補償值Φx‧係以在速度檢測手段(16)所被檢測出的可動子(4)的速度檢測值x‧、及所被定的誘發電壓定數Φ來取得。
向量控制是掌握馬達的電流或交鏈磁通作為向量的瞬時值，以瞬時值來控制該等的向量，藉此使馬達的瞬時推力追隨指令之技術，由於可為效率佳的控制，因此在旋轉型馬達的控制中被廣泛採用。本發明是藉由上述推力電流控制部、磁通電流控制部、及座標變換部來形成向量。但，在地上側取間隔設置一次側的電樞之個別馬達(3)的離散配置線性馬達(1)中，電感會依可動子(4)對個別馬達(3)的位置而變化，誘發電壓會變化。對於該等的變化的控制是僅一般的向量控制無法適當地進行。
對於此，若根據上述構成，則由於設置：對於在推力電流控制部(18)所被輸出而輸入至上述座標變換部(20)的q軸電壓指令值Vq '加算能以在上述速度檢測手段(16)所被檢測出的可動子(4)的速度檢測值s及所被定的誘發電壓定數Φ來取得的電壓補償值Φs之誘發電壓補償手段(31)，因此對於依可動子(4)的位置而產生的電感變化、誘發電壓變化，可適當地補償q軸電壓指令值Vq '，而取得可動子(4)的圓滑的動作。又，由於成為控制對象的線性馬達(1)是離散配置由一次側的電樞所構成的個別馬達(3)作為固定側，因此可取得線圈使用量少且相較於在移動側給電時給電系統可簡素化之離散配置線性馬達(1)的優點。
在本發明中，最好設置其次的位置變化電感補償手段(32)。此位置變化電感補償手段(32)是根據在上述位置檢測手段(15)所被檢測出的可動子(4)的位置檢測值x、及在上述速度檢測手段(16)所被檢測出的可動子(4)的速度檢測值s、及在將上述電流檢測手段(1)所檢測出的電流值予以座標變換成q軸及d軸的電流值而取得的q軸電流檢測值iq及d軸電流檢測值id，按照所被定的運算式來運算q軸電壓補償值及d軸電壓補償值。對於在上述推力電流控制部(18)所被輸出而輸入至上述座標變換部(20)的q軸電壓指令值Vq '加算上述q軸電壓補償值，且對於在上述磁通電流控制部(19)所被輸出而輸入至上述座標變換部(20)的d軸電壓指令值Vd '加算上述d軸電壓補償值。
藉由如此運算q軸電壓補償值及d軸電壓補償值，且補償q軸電壓指令值Vq '及d軸電壓指令值Vd '，可對於依可動子(4)的位置而產生的電感變化，適當地補償q軸電壓指令值Vq '及d軸電壓指令值Vd '，而取得可動子(4)的更圓滑的動作。
在本發明中，最好設置：對於由上述位置‧速度控制手段(17)所給予的推力電流指令值減算所被定的頓轉補償電流值icogging，作為輸入至上述推力電流控制部(18)的上述q軸電流指令值iq*之頓轉補償手段(33)。可適當的頓轉減輕的頓轉補償電流值icogging是依可動子(4)的位置而定，因此可預先以試驗等求取。在以該求得的值來進行頓轉補償下，可減輕因個別馬達(3)的離散配置所引起的頓轉。
在本發明中，亦可使在誘發電壓補償手段(31)所使用的上述誘發電壓定數Φ，在個別馬達的可動子移動方向的中間部是設為一定值，在兩端部是設為往端側逐漸變小的值。例如，亦可將誘發電壓定數Φ設為變化成梯形狀的值。
藉此，即使利用運算處理能力比較低的處理裝置，還是能以簡單的控制來實現對應於依可動子(4)的位置所產生的誘發電壓的變化之圓滑的移動控制。
在本發明中，上述位置變化電感補償手段(32)所加算的q軸電壓補償值d軸電壓補償值是根據次式(5q)，(5d)而定的值。
[數學式1]
τp：可動子的1磁極對的間距
Ld：L-M
Lq：L-M
L：各相的自己電感
M：各相間的相互電感
藉此，即使利用運算處理能力比較低的處理裝置，還是能以簡單的控制來實現對應於依可動子(4)的位置所產生的電感的變化之圓滑的移動控制。
申請專利範圍及/或說明書及/或圖面所揭示的至少2個構成的怎樣的組合皆含於本發明。特別是申請專利範圍的各請求項的2個以上的怎樣的組合皆含於本發明。
圖1～圖13共同說明本發明之一實施形態。圖1是表示以控制對象的線性馬達1及線性馬達控制裝置2所形成的線性馬達系統。線性馬達1是線性同步馬達(LSM)，在可動子4的移動方向X取間隔設置由可作為分別獨立的1台線性馬達的一次側的電樞之機能的電樞所構成的地上側的複數的個別馬達3。個別馬達3是在可動子4的移動範圍的全體配列。各個別馬達3是設置於具有可動子4的軌道(未圖示)之共通的框架5。
在框架5上，其他設置有成為位置檢測器的感測器15，其係按各個別馬達3，檢測出可動子4的位置。另外，感測器15在圖1中基於圖示的方便起見，顯示於個別馬達3間，但實際上是使用：在可動子移動方向(X方向)配置於與個別馬達3同位置，可在比個別馬達3更若干長的範圍檢測出位置的線性感測器15。可動子4是在可動子基體4a於移動方向X排列設置複數個由永久磁石所構成的N，S的磁極者，藉由設於上述框架5的軌道(未圖示)來進退自如地引導。可動子4是形成在複數的個別馬達3間橫跨的長度。
各個別馬達3是例如圖2(A)及(B)所示，將成為各層的磁極之複數的線圈3a及鐵芯3b排列於上述移動方向X者。各鐵芯3b是以自共通的本體部突出成梳齒狀的部分所構成。在此例是以3相的交流電流所驅動者，成為按其各相(U，V，W相)設置一個磁極之3極的一次側的電樞。另外，個別馬達3亦可按各相(U，V，W相)設置複數的磁極，作為具有相數的整數倍的磁極之電樞。
在圖1中說明控制系。
控制裝置2是具備：複數的個別馬達控制手段6，其係分別控制各個別馬達3；及一個的統括控制手段7，其係給予該等複數的個別馬達控制手段6位置指令。
統括控制手段7是以弱電系的電路元件、電腦及其程式的一部分等所構成。統括控制手段7是記憶有按各個別馬達3來區分線性馬達全體的移動範圍之擔當範圍，而將自上位控制手段(未圖示)輸入的位置指令的指令位置變換成對應於各個別馬達3的位置指令來給予。對應於各個別馬達3的位置指令是座標變換成其個別馬達3的座標的指令。
各個別馬達控制手段6是以使馬達電流流至個別馬達之強電系的馬達驅動電路、及控制此馬達驅動電路之弱電系的控制部(未圖示)所形成，弱電系的控制部是藉由微電腦及其程式、電路元件所構成，進行圖3所示的反饋控制。
在圖3中，個別馬達控制手段6是具有分別進行位置，速度，電流的反饋控制之位置控制手段11、速度控制手段12、及電流控制手段13，進行具有位置迴路(loop)、速度迴路及電流迴路之串聯控制的反饋控制。位置控制手段11是按照檢測出可動子4相對於個別馬達3的現在位置之上述感測器15的檢測值與位置指令的指令值的偏差，來進行所被定之位置迴路增益的反饋控制。位置控制手段11是輸出速度指令值，作為其輸出。
速度控制手段12是按照經由速度檢測手段16所取得的可動子4的速度檢測值與速度指令值的偏差，來進行所被定之速度迴路增益的反饋控制。速度控制手段12是輸出電流指令值，作為其輸出。速度檢測手段16在此例是由感測器15的位置檢測值來求取速度的微分手段等所構成，但亦可有別於感測器15另外設置直接檢測出速度者。另外，將合併該等位置控制手段11及速度控制手段12的手段稱為位置‧速度控制手段17。在本實施形態是進行位置控制及速度控制，但位置‧速度控制手段17亦可不進行速度控制，只進行位置控制。
電流控制部13是以電流檢測器等的電流檢測手段14來檢測出被施加於個別馬達3的驅動電流，利用所被定之電流迴路增益來生成按照電流檢測值與電流指令值的偏差之電流指令值，控制馬達驅動電流。電流檢測手段14詳細是檢測出上述驅動電流的各相的成分者，具有進行3相之中的2相的檢測之相電流檢測部14a，14b(圖4)。若進行2相分的檢測，則剩下1相的電流成分是藉由計算來求取。
圖4是表示圖3的電流控制手段13的詳細。電流控制手段13是進行向量控制的控制手段，具有成為本發明，實施形態的特徵之各種的補償手段，為了說明的簡明化，首先，利用圖5來說明自圖4省略了各補償手段31～33之向量控制的基本構成。
此電流控制手段13的基本構成是具有推力電流控制部18、磁通電流控制部19、座標變換部20及電力變換部21。
推力電流控制部18是對於由上述位置‧速度控制手段17的速度控制手段12所給予的推力電流指令值的q軸電流指令值iq*，控制成經由檢測座標αβ變換部22及檢測座標dq變換部23而取得的個別馬達3的q軸電流檢測值iq可自電流檢測手段14的檢測值追隨的手段，輸出q軸電壓指令值Vq '作為輸出。推力電流控制部18是以減算q軸電流檢測值iq的減算部18a及控制減算部18a的輸出的運算部18b所構成。
磁通電流控制部19是對於被磁通電流指令值設定手段29所設定的磁通電流指令值的d軸電流值id*，控制成經由檢測座標αβ變換部22及檢測座標dq變換部23而取得的個別馬達3的d軸電流檢測值id可自電流檢測手段14的檢測值追隨的手段，輸出d軸電壓指令值Vd '作為輸出。磁通電流指令值設定手段29是按照個別馬達3的馬達特性等來適當設定，但通常是將d軸電電流值id*設定成「0」。磁通電流控制部19是以減算d軸電流檢測值id的減算部19a及控制減算部19a的輸出的運算部19b所構成。
上述檢測座標αβ變換部22是將流動於個別馬達3的U相，V相，W相的電流ia，ib，ic的檢測值變換成靜止正交2相座標成分的實電流(α軸上的實電流、及β軸上的實電流)的檢測值iα，iβ的手段。檢測座標dq變換部23是根據可動子4的相位，將上述靜止正交2相座標成分的實電流的檢測值iα，iβ變換成q，d軸上的檢測值iq，id的手段。所謂q軸是線性馬達的進行方向的軸，d軸是與q軸正交的方向的軸。被輸入至檢測座標dq變換部23的可動子相位是以磁極表24及sin/cos變換部25來變換位置檢測器之感測器15的輸出而取得之相位的檢測值。磁極表24是將由感測器15所取得的直線位置的檢測值變換成電氣角θ的表。sin/cos變換部25是對於磁極表24所輸出的電氣角θ，變換於cos，sin間的手段。
上述推力電流控制部18及磁通電流控制部19的各運算部18b，19b是例如藉由所被定的運算式來進行PID控制(比例積分微分控制)。例如使用次式作為此運算式。
[數學式2]
另外，Kp是比例控制的增益，Ki是積分控制的增益，Kd是微分控制的增益。
上述座標變換部20是以αβ變換部20a及abc變換部20b所構成。αβ變換部20a是根據可動子相位來將q軸電壓指令值Vq及d軸電壓指令值Vd變換成上述固定2層座標成分的實電壓的指令值Vα，Vβ的手段。可動子相位是從上述感測器15的位置檢測值經由上述磁極表24及sin/cos變換部25來取得。abc變換部20b是將αβ變換部20a的輸出之實電壓的指令值Vα，Vβ變換成控制個別馬達3的U相，V相，W相的電壓指令值Va，Vb，Vc之手段。
電力變換部21是將座標變換部20的輸出變換成個別馬達3的驅動電流之手段，以反相器(Inverter)21a及控制此反相器21a的輸出控制部21b所構成。輸出控制部21b是只要可控制根據反相器21a所被輸出的電力者即可，控制形式並無特別加以限定，例如可為進行脈衝寬調變(PWM)的手段。
圖4所示的實施形態的電流控制手段13是與圖5一同以前述的向量控制為基本，設置誘發電壓補償手段31、位置變化電感補償手段32、及頓轉補償手段33者。
誘發電壓補償手段31是對於在推力電流控制部18所被輸出而輸入至座標變換部20的q軸電壓指令值Vq '加算能以在速度檢測手段16所被檢測出的可動子4的速度檢測值x‧及所被定的誘發電壓定數Φ來取得的電壓補償值之手段。此誘發電壓補償值是設為可動子的速度檢測值x‧與誘發電壓定數Φ的乘積，Φx‧。誘發電壓補償手段31是以運算電壓補償值Φx‧的運算部31a及加算此運算後的電壓補償值Φx‧的加算部31b所構成。
位置變化電感補償手段32是以運算部32a及2個加算部32b，32c所構成。運算部32a是根據在位置檢測手段的感測器15所被檢測出的可動子4的位置檢測值x、及在上述速度檢測手段16所被檢測出的可動子的速度檢測值x‧及將在電流檢測手段14所檢測出的電流值予以座標變換成q軸及d軸的電流值而取得的q軸電流檢測值iq及d軸電流檢測值id，按照所被定的運算式來運算q軸電壓補償值及d軸電壓補償值。
加算部32b是對於在上述推力電流控制部18所被輸出而輸入至上述座標變換部20的q軸電壓指令值Vq '加算在運算部32a所被運算的q軸電壓補償值。加算部32c是對於在上述磁通電流控制部19所被輸出而輸入至上述座標變換部20的d軸電壓指令值Vd '加算在運算部32a所被運算的d軸電壓補償值。
位置變化電感補償手段32的運算部32a是例如進行次式(5q)，(5d)的運算。
[數學式3]
τp是可動子的1磁極對的間距，Ld是L-M，Lq是L-M，L是各相的自己電感，M是各相間的相互電感。
頓轉補償手段33是對於由位置‧速度控制手段17所給予的推力電流指令值減算所被定的頓轉補償電流值icogging，作為輸入至上述推力電流控制部18的q軸電流指令值iq*之手段。亦即，僅考慮個別馬達3的端部的干擾來任意設定的電流補償值icogging，從q軸電流指令值進行減算。藉此，可動子4突入或突出於個別馬達3時的頓轉會被緩和。頓轉補償手段33是以設定上述電流補償值icogging的電流補償值設定部33a及進行上述減算的減算部33b所構成。
其次，說明上述各補償手段31～33成為必要的理由、及該等補償手段31～33的作用。首先，整理離散配置線性馬達的問題點。
(問題點1)
如圖6所示，由永久磁石所構成的可動子4對個別馬達3的突入‧突出時，線圈電感或交鏈磁通會在位置變化。
(問題點2)
例如，此變化是在圖6中，可動子4對個別馬達3突入時或突出時，以U相→V相→W相的順序變化。並且，在逆行是以W相→V相→U相的順序變化。另外，Lu，Lv，Lw是各相的線圈電感。Φfu，Φfv，Φfw是可動子4及個別馬達3的各相所對向的範圍的交鏈磁通。在圖6是使梯形變化為例。並且，同圖是顯示各相不同考慮後的變化。
雖設想用以解決上述問題點1，2的補償器，但該等的補償器的導入，依構成個別馬達控制手段6的伺服放大器的性能(CPU的處理速度或記憶體容量)會有導入困難的情況。於是，在其次的表1中分成顯示各情況的4種情況，在本實施形態是以情況(1)、(2)來進行補償器(補償手段31～33)的導入。表中的4種情況(1)～(4)是理論上精度會提升的補償器。其中，情況(1)、(2)是即使伺服放大器性能低也可導入的補償器。
所謂馬達端部是指在定子(個別馬達)領域中，磁石(可動子)與定子的情況不是完全對向的狀態。
有關不考慮各相的不同者，是如圖8(A)般視為參數變化來進行補償器的導入。不考慮各相的不同時，如同圖般，在個別馬達3的端部參數會變化。圖8(B)是考慮各相的不同後的變化，為了比較而顯示者。若考慮各相的不同，則如同圖般在個別馬達3的中間參數也會變化。另外，Φf是可動子4與個別馬達3對向時的個別馬達3側的交鏈磁通。
圖7是表示上述4個情況(1)～(4)對記憶體或CPU的負擔與精度的關係。若為不考量對伺服放大器的負擔也可以的狀況，則使用情況(4)的補償器在計算上為理想。但，情況(3)、(4)是對記憶體或CPU的負擔高。於是，在本實施形態是考慮記憶體或CPU等對伺服放大器的負擔，設為情況(1)、(2)的補償。
與圖9一同說明誘發電壓補償的參數。在同圖中，τp是個別馬達3的磁石的每1極的長度，與1磁極對的間距相同。另外，磁極是設為等間距。x‧在圖中是記為台車速度，但為可動子4的速度，可動子4被設置於台車等的行走體時，為該行走體的速度。Φ f1～Φ f5是每1磁極對的交鏈磁通。個別馬達3的各相的電極的間距是設為相等者。若將此個別馬達3設為模式化，則交鏈磁通Φ f及電壓Vq "是如圖中亦有顯示般，形成次式般。另外，n是個別馬達3與可動子4對向的部分的交鏈磁通的數量，位於個別馬達3的兩端部上的磁極的交鏈磁通是以Φfn×對向面積比來計算。
[數學式4]
藉由如以上般進行模式，交鏈磁通Φ f是以如圖10般的形式變化。又，由於誘發電壓定數Φ是與交鏈磁通Φ f成比例，因此同樣以圖10的形式表示。另外，同圖是速度x‧為一定，各相的不同未考慮。
針對誘發電壓補償進行說明。因為直接測定交鏈磁通困難，所以例如誘發電壓定數Φ是在個別馬達3與可動子4完全對向時，由以速度x‧[m/sec]來使可動子4行走時產生的誘發電壓所求取。另外，此時，可動子4是無控制，利用別的驅動源(未圖示)來拉動。如此一來，誘發電壓定數Φ是設定成次式般。如此一來，將藉由試驗所求取的誘發電壓定數Φ利用於圖4的誘發電壓補償手段31的計算。另外，實驗性地求取上述的誘發電壓定數Φ的方法為一例。
[數學式5]
若誘發電壓定數Φ的MAX值求得，則因為端部是按照對向面積而變化，所以可以前述的圖10的圖的形式來書寫。在圖4的誘發電壓補償手段31所使用的誘發電壓定數Φ亦可設為按照如此的位置來成為可變的值，亦即在個別馬達3的兩端逐漸變小的值。使用此可變的誘發電壓定數Φ時的位置的資料是可由位置檢測值x取得。
由性能面來說明有關理想的誘發電壓補償。為了使用精度更高的誘發電壓補償器，需要其次的模式，與圖11一同顯示。
[數學式6]
有關Φ fu，Φ fv，Φ fw是將各相的馬達完全對應時之各相的交鏈磁通設為最大，在馬達端部是進行按照面積比來變化值之類的模式化。
根據此情況的圖4的誘發電壓補償手段31的計算是關於誘發電壓係數Φ，如圖11般在個別馬達3的端部，按照對向面積的面積比而變化，且各相的不同也考慮而變化的值。
與圖12一同說明電感補償的參數。在同圖中，Φ u，Φ v，Φ w是表示在各相電流流動時所發生的磁通。在此中，放入相互電感，作為互相影響的項。Φ u，Φ v，Φ w是以次式來表示。線圈電阻R是例如設為哪個相也相同。設Ru=Rv=Rw=R作為一例。
[數學式7]
L u :U相的自己電感
L v :V相的自己電感
L w :W相的自己電感
M uv :UV間的相互電感
M vw :VW間的相互電感
M wu :WU間的相互電感
在本實施形態，根據位置變化電感補償手段32的電感補償是使用以次式所定的值。
[數學式8]
另外，上式的電感補償是相當於次式的關係式以右邊的線所包圍的項。此電感補償是視為不考慮電感的變化的補償，計算的負荷小，即使構成個別馬達控制手段6的伺服放大器的記憶體或CPU的能力低也可採用。
[數學式9]
L d =L-M
L q =L-M
說明有關精度上理想的電感變化補償。為了使用精度更高的電感變化補償器，需要使用次式的模式。
[數學式10]
有關電感變化的部分，若進行式展開，則形成次式般。
[數學式11]
在同圖的式中，以實線所包圍的部分是涉及逆軸電流補償的部分，以點線所包圍的部分是涉及L的位置‧時間變化補償的部分。將該等的部分利用於圖4的位置變化電感補償手段32。另外，以1點鎖線所包圍的部分是有關控制的時定數的項。
針對頓轉補償進行說明。如圖13所示，當可動子4突入或突出於個別馬達3時，在可動子4與個別馬達3之間產生拉入力，作為干擾影響控制。可事先預測此干擾而模式化，考慮該部分的干擾來送出電流指令，藉此抑制拉入力所造成的干擾。圖4的頓轉補償手段33是僅考慮此干擾而任意設定的電流補償值icogging從q軸電流指令值進行減算。藉此，可動子4突入或突出於個別馬達3時的頓轉會被緩和。
為了上述馬達的模式或補償等的明確化，對於馬達電路方程式、誘發電壓、電感等，重新彙整說明。若將本實施形態的3相同步線性馬達的電壓與電流的關係式寫出來，則成為其次的式子。
[數學式12]
為了可將交流的控制視為直流簡單地進行，若將3相的旋轉方程式予以座標變換成2相，則成為次式。
[數學式13]
若進行座標變換，以qd座標系彙整，則形成其次的式子。
[數學式14]
為了使上述式子的一部分明確化，而擴大如其次所示。
[數學式15]
原來，在離散線性馬達的端部，與個別馬達3的各相對向的可動子4的交鏈磁通是與其對向面積成比例。若考慮此情形，則可作成精度更高的誘發電壓補償器。但，依放大器性能，需要使數學式簡略化。在此，當個別馬達3與可動子4完全對向時，各相的交鏈磁通成為Φ fu=Φ fv=Φ fw=Φ f，有關誘發電壓的項是以其次的式子彙整。
[數學式16]
一般，在一次側電樞與永久磁石完全對向的線性馬達或旋轉馬達等中，即使置於Φ fu=Φ fv=Φ fw=Φ f，其誤差也非常小。
為了使上述式子的一部分明確化，而擴大如其次所示。
[數學式17]
若針對電感行列(L5～L8)寫出來，則可彙整為其次的前半的式子。而且，若針對(L5～L8)中所含的電感(L1～L4)寫出來，則成為其次的後半的式子。
[數學式18]
以上，L5～L8是由各線圈的自己電感(Lu，Lv，Lw)及相互電感(Muv，Mvw，Mwu)所求取。亦即，有關此6個的電感，藉由進行適當的模式化，可形成精度更高的補償器。
將各相的自己電感設為(Lu=Lv=Lw)，且將相互電感設為(Muv=Mvw=Mwu)時，亦即設為(L=Lu=Lv=Lw)，(M=Muv=Mvw=Mwu)時，成為：L5=L-M=Ld、L6=0、L7=0、L8=L-M=Lq、可用次式寫出來。
[數學式19]
在將此式中如其次般以線所包圍的部分予以電壓補償下，成為單純的一次延遲系的形式，控制變得容易進行。
[數學式20]
其次，與圖14，圖15一同說明有關由適用上述線性馬達1及線性馬達控制裝置的搬運裝置41及工作機械42所構成的加工系統。如圖14所示，工作機械42在圖示的例子是由車床所構成，在床51上設置有：由主軸所構成之用以支撐工件支撐手段52的主軸台53、及加工手段之角塔型(Turret)的刀具台54。
搬運裝置41是將搬運成為加工的素材的被搬運物W的行走體43予以行走自如地設置於軌道44，且設置上述線性馬達1，作為使行走體43行走驅動的馬達，對於工作機械42的工件支撐手段52進行被搬運物W的交接。軌道44是在藉由支柱45a所架設的水平框架45上沿著長度方向而設。
如圖15所示，行走體43是具有：被軌道44引導之行走用的車輪61、及轉接於軌道44的側面來規制行走體43的寬度方向的位置之引導滾子62。線性馬達1是以設置於框架46的複數的個別馬達3及設置於行走體43的可動子4所構成。
在行走體43是搭載有進退於與行走方向(X方向)正交的前後方向(Z方向)的前後移動台46，且在昇降自如地設置於前後移動台46之棒狀的昇降體47的下端設有工件保持頭48。在工件保持頭48設有被搬運物保持手段之複數的夾頭49。前後移動台46是藉由設置於行走體3的馬達等的驅動源(未圖示)來前後移動，且昇降體47是藉由設置於前後移動台46的馬達等的驅動源來昇降驅動。夾頭49是具有以汽缸裝置或螺線管等的驅動源來開閉驅動而保持被搬運物W的夾頭爪(未圖示)。
藉由在如此的工作機械42用的搬運裝置41中適用上述離散配置的同步型線性馬達1，可有效地發揮在其線圈使用量的削減或給電形式上成為有利的效果。並且，藉由在該線性馬達1的控制中適用此線性馬達控制裝置，可有效地發揮對應於誘發電壓的變化或電感的變化之圓滑的移動控制的效果。
如以上般，一邊參照圖面，一邊說明本發明的較佳實施形態，但可在不脫離本發明的主旨範圍內實施各種的追加、變更或削除。因此，該等亦含於本發明的範圍內。
1．．．線性馬達
2．．．線性馬達控制裝置
3．．．個別馬達
4．．．可動子
5．．．框架
6．．．個別馬達控制手段
7．．．統括控制手段
11．．．位置控制手段
12．．．速度控制手段
13．．．電流控制手段
14．．．電流檢測手段
15．．．感測器(位置檢測手段)
16．．．速度檢測手段
17．．．位置‧速度控制手段
18．．．推力電流控制部
19．．．磁通電流控制部
20．．．座標變換部
21．．．電力變換部
31．．．誘發電壓補償手段
32．．．位置變化電感補償手段
33．．．頓轉補償手段
本發明可由參考附圖之以下的較佳實施形態的說明來明瞭理解。但，實施形態及圖面只是為了圖示及說明用者，並非是為了決定本發明的範圍而應被利用者。本發明的範圍是依據附上的申請專利範圍而定。在附圖中，複數的圖面之同一零件號碼是顯示同一部分。
圖1是表示本發明之一實施形態的線性馬達控制裝置的全體構成的方塊圖。
圖2(A)是同線性馬達的個別馬達的平面圖，(B)是同剖面圖。
圖3是同線性馬達控制裝置的個別馬達控制手段的方塊圖。
圖4是表示同線性馬達控制裝置的電流控制手段的詳細方塊圖。
圖5是從同電流控制手段省略補償手段的基本構成的方塊圖。
圖6是表示離散配置線性馬達的電感及交鏈磁通的變化的說明圖。
圖7是表示補償的程度與控制手段的負擔的關係說明圖。
圖8(A)是有關電感及交鏈磁通的變化，不考慮各相的不同時的說明圖，(B)是考慮各相的不同時的說明圖。
圖9是誘發電壓補償參數的說明圖。
圖10是誘發電壓定數的說明圖。
圖11是在精度上理想的誘發電壓補償的說明圖。
圖12是電感補償參數的說明圖。
圖13是頓轉補償的說明圖。
圖14是包含同實施形態的線性馬達控制裝置及使用該線性馬達的搬運裝置的加工系統的正面圖。
圖15是同搬運裝置的剖斷平面圖。
1．．．線性馬達
3．．．個別馬達
12．．．速度控制手段
13．．．電流控制手段
14．．．電流檢測手段
14a、14b．．．相電流檢測部
15．．．感測器(位置檢測手段)
16．．．速度檢測手段
17．．．位置‧速度控制手段
18．．．推力電流控制部
18a．．．減算部
18b．．．運算部
19．．．磁通電流控制部
19a．．．減算部
19b．．．運算部
20．．．座標變換部
20a．．．αβ變換部
20b．．．abc變換部
21．．．電力變換部
21a．．．反相器
21b．．．輸出控制部
22．．．座標αβ變換部
23．．．座標dq變換部
24．．．磁極表
25．．．sin/cos變換部
29．．．磁通電流指令值設定手段
31．．．誘發電壓補償手段
31a．．．運算部
31b．．．加算部
32．．．位置變化電感補償手段
32a．．．運算部
32b、32c．．．加算部
33．．．頓轉補償手段
33a．．．電流補償值設定部
33b．．．減算部

Claims (5)

  1. 一種線性馬達控制裝置，係控制同步型的線性馬達的裝置，該同步型的線性馬達係沿著可動子的移動路徑來取間隔配置可作為3相的各相的線圈排列於直線方向的1台線性馬達的一次側的電樞之機能的複數的個別馬達，且以永久磁石來構成上述可動子，具備：分別控制上述各個別馬達的複數的個別馬達控制手段、及按照所被輸入的位置指令來對上述各個別馬達分配位置指令的統括控制手段，上述各個別馬達控制手段係具有：進行位置控制及速度控制的雙方或只進行位置控制的位置．速度控制手段、及進行電流控制的電流控制手段，且設置：檢測出上述個別馬達的各相的電流成分的電流檢測手段、及分別檢測出上述可動子的位置及速度的位置檢測手段及速度檢測手段，上述電流控制手段為向量控制形式，具有：推力電流控制部，其係對於自上述位置．速度控制手段所給予的推力電流指令值之q軸電流指令值iq*，輸出以可自上述電流檢測手段的檢測值取得的該個別馬達的q軸電流檢測值iq能夠追隨的方式控制的q軸電壓指令值Vq '；磁通電流控制部，其係對於所被設定的磁通電流指令值之d軸電電流值id*，輸出以個別馬達的d軸電流檢測值id能夠追隨的方式控制的d軸電壓指令值Vd '； 座標變換部，其係將該等q軸電壓指令值Vq '及d軸電壓指令值Vd '變換成個別馬達的各相的座標的指令值；及電力變換部，其係將此座標變換部的輸出變換成個別馬達的驅動電流，又，設置誘發電壓補償手段，其係對於在上述推力電流控制部所被輸出而輸入至上述座標變換部的q軸電壓指令值Vq '加算電壓補償值Φx．，該電壓補償值Φx．係以在上述速度檢測手段所被檢測出的可動子的速度檢測值x．、及所被定的誘發電壓定數Φ來取得。
  2. 如申請專利範圍第1項之線性馬達控制裝置，其中，設置：位置變化電感補償手段，其係根據在上述位置檢測手段所被檢測出的可動子的位置檢測值x、及在上述速度檢測手段所被檢測出的可動子的速度檢測值x．、及將在上述電流檢測手段所檢測出的電流值予以座標變換成q軸及d軸的電流值而取得的q軸電流檢測值iq及d軸電流檢測值id，按照所被定的運算式來運算q軸電壓補償值及d軸電壓補償值，對於在上述推力電流控制部所被輸出而輸入至上述座標變換部的q軸電壓指令值Vq '加算上述q軸電壓補償值，對於在上述磁通電流控制部所被輸出而輸入至上述座標變換部的d軸電壓指令值Vd '加算上述d軸電壓補償值。
  3. 如申請專利範圍第2項之線性馬達控制裝置，其中，設置：頓轉補償手段，其係對於由上述位置．速度控 制手段所給予的推力電流指令值減算所被定的頓轉補償電流值icogging，作為輸入至上述推力電流控制部的上述q軸電流指令值iq*。
  4. 如申請專利範圍第1~3項中的任一項所記載之線性馬達控制裝置，其中，使在上述誘發電壓補償手段所使用的上述誘發電壓定數Φ，在個別馬達的可動子移動方向的中間部係設為一定值，在兩端部係設為往端側逐漸變小的值。
  5. 如申請專利範圍第2項之線性馬達控制裝置，其中，上述位置變化電感補償手段所加算的該q軸電壓補償值該d軸電壓補償值係根據次式(5q)，(5d)而定的值 τp：可動子的1磁極對的間距Ld：L-M Lq：L-M L：各相的自己電感M：各相間的相互電感。
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