WO1991002663A1 - Method of control of moving element of magnetic levitation carrier apparatus - Google Patents

Description

明 細 書 磁気浮上搬送装置の移動子制御方法

技 術 分 野

本発明は リニアモータで推進させる移動子を電磁石 で保持する と と もにその姿勢を制御する磁気浮上搬送 装置の移動子制御方法に関する。

背 景' 技 術

第 6 図 （A) (B)は磁気浮上搬送装置を示す図である。 質量 m の移動子 SFT は、 矢印 LSで示される リ ニア方向 に リ ニアモータで推進される。 固定子 STT は、 それぞ れ吸引力指令 f_{v l} , fv₂, f vs , fv4 を線形化回路を介し て受け移動子の浮上方向である垂直方向に吸引力を発 生する 8個の電磁石 0, GVi 1 , 〜 ， MGV_{4 1}と、 それ ぞれ吸引力指令 ί_{Η 1} , ί_{Η 2}を線形化回路を介して受け案 内方向である水平方向に吸引力を発生する 4個の電磁 石 MGH _{1 0}, -MGHi 1, MGH20, MGH_{2 1}とを有し、 移動子 SFT を保持し、 その姿 を制御する。 制御の内容と して は、 第 7図 （A) , (B) ,〜 ， （E)のよ う に、 浮上垂直方向、 ピ ッ チング方向、 ロー リ ング方向、 案内水平方向、 ョ 一イ ング方向がある。 これらの制御を行なう に際し、 従来は電磁石と移動子間のギャ ップデータ X_{V 1} , XV2 ,

〜 ， X_{H 2} にのみ基づいて f_V f V2 , 〜 ， f _{H 2} を設定す る よ う にしていた。 しかし、 この方法には下記の欠点 があっ た。

i) 浮上に関する 3制御方向 （浮上， ピ ッ チ ング， 口 — リ ン グ） のゲイ ン 、

案内に関する 2制御方向 （水平， ョ ーイ ング） の ゲイ ン

および指令を独立に与える こ とができない。

ii) 移動子の重心 Gの位置 £ によって垂直方向と水平 方向のゲイ ンが変動する。

iii)移動子が ·β = h/2 (h は矢印 LS方向の電磁石間隔） 以外では垂直方向と ピッチング方向， 水平方向と ョ一ィ ング方向の運動が干渉する。

そこで、 これら問題点を克服して安定な姿勢制御を 提供しょう と したのが特開平 2- 179201号公報に記載の 方法である。 こ の制御方法は、 上記の i), ii) , iii) で示された欠点は解決したが、 制御系における可変ゲ ィ ンの設定をアナログ回路で実現する のが容易でない という欠 がある。

発 明 の 閧 示

本発明の目的は、 上記の欠点に鑑み、 可変ゲイ ンを アナログ回路で容易に設定できる磁気浮上装置の移動 子制御方法を提供する こ と にある。

本発明の他の目的は、 各制御方向の制御ゲイ ンを独 立に与える こ とを可能とさせ、 各制御方向の応答、 剛 性を任意に設計する こ とが可能な制御方法を提供する こ と にある。

ま た、 本発明の他の目的は、 指令を各制御方向に独 立に与える こ とができ、 浮上および案内の 5制御方向 に関し、 独立に制御する こ とができ る制御方法を提供 する こ と にある。

すなわち、 本発明の磁気浮上搬送装置の移動子制御 方法は、 長方形のプレー ト状の移動子を、 固定子中に 配設した リニアモータによ り 、 リニア方向に移動させ る際、 固定子中の水平な長方形の角に相応する位置に それぞれ配設された第 1 , 第 2 , 第 3 , 第 4の電磁石 装置の配設位置に対応する支持点で移動子を垂直方向 にそれぞれ支持させ、 リニア方向に沿っ た水平面に配 設された第 5 , 第 6の電磁石装置には、 垂直方向に支 持された移動子の移動方向に直角な水平方向に力を作 用させ、 移動子と各電磁石装置とのギャ ッ プを各電磁 石装置に対応して配設した各ギヤ 、ソブセンサで検出さ せてそれぞれ第 1. , 第 2 , 第 3 , 第 4 , 第 5 , 第 6の ギャ ッ プデータ （Xvい X V 2 , X V 3 , XV 4 , ΧΗΊ. Χ_Η2)を 出力させ、 出力きせた各データと移動子の重心のリニ ァ方向の位置 （ £ ) とから移動子の支持状態を所望の ものに しつつ、 移動子を移動する磁気浮上搬送装置の 移動子制御方法であつで、

第 1 ， 第 2 の電磁石装置がそれぞれ移動子に力をお よぼすために線形化回路を介して受ける吸引力指令 f v i , f _V2が i = 1 , 2 と したと き、

~ »■ —► f V i ⁼ - gv ( -6 ) K V V U v ( X r V■ X V ) ^_ K V P U p (X r P , X P )

⁺ ( ~ 1 ) ' K V R U R (X r R , X R ) の式で表され、 - 第 3 , 第 4の電磁石装置がそれぞれ移動子に力をお よぼすために線形化回路を介して受ける吸引力指令 f V 3 , f _{V 4}が i = 3 , 4 と したと き、 f vi = "gv {& ) KvvUv (Xrv, Xv) +K VP U P (XrP, XP ) の式で表され、

第 5 . 第 6の電磁石装置がそれぞれ移動子に力をお よぼすため に線形化回路を介して受ける吸引力指令 H 1 · JL H 2か

—► -→· f H 1 ⁼ ~gH ( -C ) KV H U H ^Λ Γ Η , Χ Η) "K V Y U Y (Χ Γ Υ , Λγ) f Η 2 ⁼ " g Η ( -β ノ KV H U H (X Γ Η , X Η ) + Κ V Υ U γ (X r Υ , X Υ ) ただし、 X は 5 Xd ， X, X, X ( X のサフ ィ ッ クス省 略） をパラメータとするベク トル量

一 1

X V ⁼ ― ( X V 1 ⁺ X V 2 ⁺ Λ V 3 ⁺ V 4 J

4 一 1

X P ⁼一 ( X V 1 ⁺ Λ V 2 ~ X V 3 ~ Λ V 4；

2

X R ⁼ ( Xv i - Xv2) 一 1

X H— 一 、 ΛΗ 1 ⁺ X Η 2 )

2

Χ Γしに.続く サフ ィ ツ クス省略） は指令値、 gv ( -β ) ， g_H ( ） は可変ゲイ ン

の式で表される。

図面の簡単な説明

第 1 図は本発明の磁気浮上搬送装置の移動子制御 方法の一実施例において与えられるゲイ ン gv ( ） ， gH ( £ ) を示す図、 第 2図は実施例を実行するための 制御回路を示すブロ ッ ク図、 第 3図は第 2 図で示され た制御回路の主要部を詳細に示す回路図、 第 4図（A) . (B) 図は実施例と従来例との外乱応答の差を示すグラ フ 、 第 5 図 （A) , (B) '図は実施例の制御例を示すグラ フ、 第 6図 （A) は磁気浮上搬送装置の従来例を示す斜 視図、 第 6図 （B) は第 6図 （A) の移動子と電磁石との 関係を詳細に示す図、 第 7図 （A)， （B)，〜. （E)は第 6図 (A) の移動子の制御の内容を示す図である。

発明を実施するための最良の形態

本発明の磁気浮上搬送装置の移動子制御方-法は、 各 電磁石装置によ り発生させる力は相互に独立な運動方 向成分よ り構成し、 .可変ゲイ ンは浮上方向、 案内方向 それぞれ 1 つに統合して制御を行う 。

本実施例は第 6図 （A) , (B) で示された従来例の制御 対象に対し、 比例制御する ものである。

線形化回路 71を介して電磁石 MGV _{1 0}， MGV^に吸引力 を発生させる吸引力指令 f _v i および線形化回路 72を介 して電磁石 MGV²。， MGV^に吸引力を発生させる吸引力 指令 ΐ V ₂ は式（ 1 ) で表される （ただし、 i = 1 ， 2 ) 。 f i = -g _v ） . K_{V V} {K_{P V} (x_{r v}-x_v) +— f-X_v) }

dt

"Kvp {Kpp (Xrp-Xp) + 一 ("X p ) }

dt

(- 1) ' K V R { K P R (X _{R R} -X _R ) + - ( -X _R ) } (1) dt

線形化 ®路13を介して電磁石 M ₃。， MG\^T ₃ tに吸弓 \力 を発生させる吸引力指令 fv₃ および線形化回路 74を介 して電磁石 MGV₄。， MGV_{4 1}に吸引力を発生させる吸引力 指令 f _{V 4} は式（2) で表される （ただし、 i = 3 , 4 ) 。

d

V i = -gv ( £ K V V { P V (Xrv-Xv) +— (-Xv) }

dt

d

K V P {Kpp (X_rp-Xp ^{+ —} (~Xp) }

dt (2) 線形化回路 （不図示） を介して電磁石 MGH , MGH n に吸引力を発生させる吸引力指令 ΐ H i および線形化回 路 （不図示） を介して電磁石 MGH₂。， MGH_{2 1}に吸引力を 発生させる吸引力指令 f _{H 2} はそれぞれ式 （3) , (4) で表 される。 d

f H I = " g H ( £ ) · Κν_Η {Κρ_Η (Χ Γ Η-ΧΗ ) + - (-X_H) }

dt

d

~KV Y { P Y (Λ Γ Υ ~ΧΥ) + ― ( - X γ ) }

dt (3) d

f H 2 = "g H [Ά ) - KV H {K_{P H} (Χ Γ Η-ΧΗ) + - (-X_H) }

dt

d

⁺ Κνγ {Κργ VA r Y~Xy) ⁺ ― ( * X Y ) }

dt (4)

、、 1

ただし Xv = — ( X 1 + X V 2 Xv; XV 4

4

XP ( V 1 ⁺ X V 2 ~ X V 3 " X，

2

X R ⁼ Λ V 1 ~ X V 2

XH 一 ( XH I X H 2 )

2

X Y ⁼ X H 1 ~ X H 2 また、 重力補償回路 （不図示） で重力が補償されて いる とすれば状態方程式は式（5)， (6) , (7) , (8) , (9) の よ う に導かれる。 Tkwgv {Ά )

d

{Kpv (Xrv~Xv) + 一 (- Xv) }

dt - (5) d² _ 2 ² d

― P ~ ~ K T k v P { K p p (X _r p ^_ X p ) +— (- Xp (6) dt² I P dt d ² k² d

- X_R = - KxkvR {K_{P R} (XT R -XH ) + - (-X R ) } (7) dt² I_R dt

{KP H (ΧΓ Η-ΛΗ) + 一 ( - X H) }

dt (8) ("XR) } (9)

但し、 K_T =吸引力指令に対する電磁力吸引力の直流 ゲイ ン m =移動子の質量

I _P =移動子重心回り ピッ チ ング方向の慣性 モーメ ン ト

I _R =移動子重心回り ローリ ング方向の慣性 モーメ ン ト

I _Y.=移動子重心回り ョーィ ン グ方向の慣性 モーメ ン ト

r\ τ k V V ⁼ k V f KT V P ™ kv p , KxkvR ^¹ kvR _f

浮上および案内方向の速度ループゲイ ン 、 および位 置ループゲイ ン と 呼ばれている ものは各方向で以下 のよ う になる。 浮上垂直方向、 速度ループゲイ ン

V. Κνν ⁼ Κτ*1ί V V . 4I_P+4m£ ² -4mh £ + mh²

： K_Tgv ( Ά ) · kvv

I p ra 位置ループゲイ ン ： K_{P V} ピ ッ チング方向速度ループゲイ ン （ Κ_νΡ = Κ_τ· Κ_{ν Ρ})

位置ループゲイ ン ： K_{P P} ロー リ ング方向速度ループゲイ ン （ K_VR-K_T'k_VR) k ²

* — Κ τ k V R

I _R 位置ループゲイ ン ： K_{P R} 案内水平方向、 速度ループゲイ ン （ K_VH = K_T*k_VH)

4I_Y + 4m£ ² -4mh^ + mh²

： K_Tg_H ) ♦ kvH

I _Ym 位置ループゲイ ン ： K_{P H} ョ ーイ ング方向速度ループゲイ ン （ K_VY = K_T'k_VY) h²

： ― KTRV r

I Y

位置ループゲ ン ： K_{P Y} ノ フ メ'一タ k v v , k V P , k V R , k V H , k V Y , K P V , Κρ Ρ , K P R , KP H, ΚΡ Υ は自由に設定でき る ため、 これらの調 整に よ り 速度ループゲイ ン、 位置ル一プゲイ ンを任意 に設定する こ とができ る。 41 P + 4m £ ² -4mh£ mh^: g_V ( ） , H ) はそれぞれ

I p m

4Ι_Υ + 4ηυβ ² - 4mh£ + mh²

のゲイ ン変動を補償する よ う

に与えればよい。 本実施例では、 簡単のため第 1 図 (Α) . (Β) に示すよう に直線.補償した。 この場合、 h

gv {Ά ) , g« ) は、 £ = - の時最大値である 1 をとリ,

2

£ = - または ·β = h- - の時に最小値，

2 2

1 p +ma" -2mha + rah^z m 4Iv+ma² -2mha+mh² m をそれぞれとる折線状の直線で与えられる。

次に本実施例を実行するための制御回路について第

2図を参照して説明する。

フ ィ一 ドバッ ク量演算回路 10はギヤ ッ ブデータ X V

Xv2. Xv₃, Xv4 から Χ_ν, XP . XR をそれぞれ出力す る。

ゲイ ン K_{P V} 掛算器 21は、 指令値 X_{r V} から Xvを減じた ものに K v を掛ける 。 ゲイ ン k_{v v} 掛算器 41はゲイ ン KP V 掛算器 21の出力から、 Xv.を微分した微分器 31の出 力を減じたものに k_{v v} を掛ける。 g_v (£ ) 発生回路 60 は移動子の重心の位置 £ に対応して可変ゲイ ン g V (

) を出力する。 掛算器 44はゲイ ン k_{v v} 掛算器 41の出力 に gv ( ） を掛けて出力する 。

ゲイ ン K_{P P} 掛算器 22は指令値 X_{r P} か ら X_Pを減じたも の に Κ_{Ρ Ρ} を掛け る 。 ゲイ ン k_{V P} 掛算器 42は、 ゲイ ン K P P 掛算器 22の出力から、 Χ_Ρを微分し た微分器 32の出 力を減 じ たものに k_VP を掛ける。

ゲイ ン K_PR 掛算器 23は指令値 X_{r R} か ら X_Rを減じたも の に K_{P R} を掛け る 。 ゲイ ン k_{V R} 掛算器 42は、 ゲイ ン KP H 掛算器 23の出力から、 X_Rを微分し た微分器 33の出 力を減じ たものに k_VR を掛ける。

. 分配器 50は演算器 51 , 52 , 53. 54を内蔵する。 演算 器 51は、 掛算器 44の出力と、 ゲイ ン k_VP 掛算器 42の出 力 と 、 ゲイ ン k_VR 掛算器 43の出力 と を加算し、 符合を 逆に し て吸引力指令 ί_{ν ι} と して出力する 。 演算器 52 は、 ゲイ ン k_VR 掛算器 43の出力からゲイ ン k_VP 掛算器 42の出力および掛算器 44の出力を減算したものを吸引 力指令 f_{V 2} と して出力する。 演算器 53は、 ゲイ ン k_VR 掛算器 42の出力から掛算器 44の出力を減算 し たものを .吸引力指令 f_v3 と して.出力する。 演算器 54は、 ゲイ ン kvR 掛算器 42の出力から掛算器 44の出力を減算したも のを吸引力指令 f_V4 と して出力する 。 - 線形化回路 71, 72, 3. 74は、 それぞれ吸引力指令 f V 1 , f V 2 , f V 3 , f_V4を線形化して電磁石 MGV₁₀ 〜MGV₄₁ に出力する。 こ こで線形化回路について説明する。

電磁石装置の吸引力は、 供給される電流の 2乗に比 例し、 ギャ ッ プデータ Xv i ( i = 1 ~ 4 )、 X_H j (j=l, 2) の 2 乗に反比例する非線形性を有する。 線形化回路 は、 こ の非線形性を補正するもので、 各 i , jに対し， 電流で与えられる吸引力指令 f_{V i} (i-1, 2, 3， 4)、ΐ_Η j (i = 1. 2)の各平方根 （ ） を求め、 それにギャ ッ プ Xv X H J を乗じたものを作成する。

なお第 2図の主要部を電気回路で示した第 3図にお いて、 積分器 11 , 12, 13は定常偏差を補償するために 付加したものであ り、 定常偏差が少なければ削除して もよい。 また、 各制御方向の速度ループゲイ ン、 位 置ループゲイ ンについて前述しま したが、 これらのゲ イ ンの設定によ り制御系の安定性が左右されます。 浮 上垂直方向を例にとる と、 可変ゲイ ン g_v ( ) によ り Ά による変動項 変動を抑制するので移動子の

リニア方向の移動による速度ループゲイ ンの変動を押 える こ とができます。

本制御回路によれば式（5) , (6)， （7) によって表され る Xv , X P , X _Rが順次与え られ電磁石 MGV i O . MGV H , 〜， MGV_{4 1} を介して移動子 SFT は制御される。

次に、 本実施例の各種の実験結果を示す。

ただし、 実験条件は以下のとお り である。

a :b :h:k = 20 : 3 : 5: 2 - -

Ά = a/2

各速度ループゲイ ン ： 200

各位置ループゲイ ン ： 100

第 4 図 （ A) は本実施例の外乱応答を示 し 、 第 4 図 (B) が従来方式によ る ものを示している 。 浮上系と案 内系の特性は基本的に同等であるか ら、 こ こ では浮上 系について実験した。 本実施例の方が大幅に安定性を 増してレヽる こ とが分かる。

第 5 図 （Α) , (Β) はそれぞれピッ チング方向の制御と ロー リ ング方向の制御とが独立に行われる のを示す図 であ り 、 それぞれピ ッ チング指令と ロ ー リ ング指令と をステ ッ プ的に与えている。

以上説明 したよ う に本発明は各制御方向の制御ゲイ ンを独立に可変に したこ と によ り 、 制御ゲイ ンを独立 に与える こ とができ る ため各制御方向の応答、 剛性を 任意に設計する こ と ができ る。 ま た、 指令を各制御方 向に対 し独立に与える こ とができ る ため浮上および案 内の 5 軸を独立に動作させる こ とがで き る （第 7 図参 照、 実験結果第 4図 （A) , (Β)、第 5 図 （Α)， （Β) )。 ま た、 浮上垂直方向、 案内水平方向のゲイ ン を可変と し たの で移動子の移動によ る速度ループゲイ ンの変動を抑制 する こ とができ る。 '

さ ら に、 可変ゲイ ンが浮上方向、 案内方向 に各 1 つ である ので従来例に比較し、 実現が容易であ り 、 アナ ロ グで対応でき る。 ま た、 移動子が ϋβ = . - h で

2 2 ある と き ピッ チング、 またはョーイ ングを変動させれ ば、 移動子先端は大き く動き、 搬送物の受け渡しに便 利である。

Claims

求 の 範 囲

1. ，長方形のプレー ト状の移動子を、 固定子中に配 設した リニアモータによ り 、 リニア方向に移動させる 際、 固定子中の水平な長方形の角に相応する位置にそ れぞれ配設された第 1 , 第 2 . 第 3 . 第 4の電磁石装

一全冃

置の配設位置に対応する支持点で移動子を垂直方向に それぞれ支持させ、 移動方向に沿っ た水平面に配設さ れた第 5 , 第 6の電磁石装置には、 垂直方向に支持さ れた移動子の移動方向に直角な水平方向に力を作用さ せ、 移動子と各電磁石装置とのギャ ッ プを各電磁石装 置に対応して配設した各ギヤ ッブセンサで検出させて それぞれ第 1 , 第 2 , 第 3 , 第 4 . 第 5 , 第 6 のギヤ ッ プデータ （ j._{V 1}, XV 2 , XV 3 , XV4 , XM L X_{H 2})を出力 させ、 出力させた各データ と移動子の重心の リニア方 向の位置 （ ·β ) とから移動子の支持状態を所望のもの に しつつ、 移動子を移動する磁気浮上搬送装置の移動 し制御方法であって、

第 1 , 第 2 の電磁石装置がそれぞれ移動子に力をお よぼすために線形化回路を介して受ける吸引力指令 f V I , f V 2 ^ i = 1 , 2 と したと き、 f vi = "gv ( £ ) KvvUv (Xrv, Xv) -KVP U P (Xrp, XP)

の式で表され、 - ー 丄 6 — 第 3 , 第 4の電磁石装置がそれぞれ移動子に力をお よぼすために線形化回路を介して受ける吸引力指令 f V 3 , f ν が i = 3 , 4 と したと き、 f V i

VA r V , Λ ν) ⁺ KvpUp (X r P , X P ) の式で表され、

第 5 , 第 6の電磁石装置がそれぞれ移動子に力をお よぼすために線形化回路を介して受ける吸引力指令 f H 1 , I H 2が

► ►

X H 1 = " g H、Ά ) r V H U Η (X r Η , Λ Η ) " Κ V Υ U γ Λ r Υ , X Υ )

—► —► f Η 2 = " g Η ( -β ) KV H U H (Χ Γ Η , XH) + K V Y U Y 、八 ι: Υ · Χγ) ただし、 Γは S Xd£ , X. X (X のサフ ィ ッ クス省 略） をパラメータ とするベク トル量、 ただし

一 1

X V ⁼一 Λ V 1 ⁺ V 2 ⁺ X V 3 ⁺ X V 4 )

4

X rしに続くサフ ィ ッ クス省略） は指令値 gv ( £ ) , gH ( £ ) は可変ゲィ ン の式で表される磁気浮上搬送装置の移動子制御方法

2 . 移動子の重心の位置 （ ） が、 第 1 , 第 2 , 第 3 , 第 4 の電磁石装置に等距離である中心位置か ら リ ニア方向に離れる距離に比例 して、 可変ゲイ ン g v ( J2 ) , g_H ( ·β ) が直線的に減少する請求の範囲第 1 項に記載の移動子制御方法。

3 . 前記線形化回路が， 与えられる吸引力指令の平 方根を求め、 求めたものに前記吸引力指令に対応する ギヤ ツ プデータを掛けて電磁石装置に出力する請求の 範囲第 1 項または第 2項に記載の移動子制御方法。