WO2013077402A1 - リニアモータ制御装置、及びリニアモータの制御方法 - Google Patents

リニアモータ制御装置、及びリニアモータの制御方法 Download PDF

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mover
motor control
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山中　修平
野村　祐樹
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Thk株式会社
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    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P6/00—Arrangements for controlling synchronous motors or other dynamo-electric motors using electronic commutation dependent on the rotor position; Electronic commutators therefor
    • H02P6/006—Controlling linear motors

Definitions

  • the present invention relates to a linear motor control device and a linear motor control method.
  • a linear synchronous motor (hereinafter referred to as a linear motor) includes a plurality of coils provided on either the mover or the stator, and a drive magnet provided on the other of the mover or the stator. Unless energization is performed according to the relative positional relationship (magnetic pole position), torque (thrust) according to a predetermined thrust constant cannot be generated. If the linear motor is not equipped with a sensor that detects the magnetic pole position between the mover and the stator, the initial magnetic pole position must be detected when starting the linear motor drive. . Therefore, the initial magnetic pole position is estimated by drawing the mover to the predetermined magnetic pole position by energizing (direct current excitation) corresponding to the predetermined magnetic pole position.
  • the mover may not be drawn to the initial magnetic pole position due to the position of the mover or friction generated when the mover moves.
  • a difference occurs between the estimated initial magnetic pole position and the actual magnetic pole position of the mover, and an error occurs in the estimated initial magnetic pole position.
  • the linear motor is controlled based on the magnetic pole position including an error, there is a problem that a required torque cannot be generated.
  • every time the linear motor is started if the error included in the magnetic pole position changes, there is a problem that the torque generated by the linear motor varies.
  • Patent Document 1 a technique for performing DC excitation and improving the accuracy of estimating the initial magnetic pole position using the amount of movement of the mover at that time has been studied.
  • Patent Document 1 has the following problems because it is necessary to use a sensor that detects the amount of movement of the mover. Since it is necessary to secure a place for attaching a sensor for detecting the amount of movement to the linear motor, the degree of freedom in designing the linear motor is reduced. In addition, it is necessary to mount an analog circuit or a cable attached to the sensor. Moreover, since an analog circuit, a cable, etc. are required, the manufacturing cost of a linear motor increases.
  • An object of the present invention is to provide a linear motor control device and a linear motor control method capable of reducing variations in errors included in the estimated magnetic pole position without providing a sensor for detecting the position and movement amount of the mover. It is in.
  • either a mover or a stator has a plurality of coils, and either the mover or the stator has a drive magnet.
  • a motor control device that applies a voltage corresponding to a predetermined magnetic pole position to the plurality of coils to estimate an initial magnetic pole position, and based on the estimated initial magnetic pole position, moves the mover within a movable range.
  • a control unit is provided that controls to move to a predetermined reference position and sets the magnetic pole position corresponding to the reference position to the current magnetic pole position when it is determined that the mover has reached the reference position.
  • An embodiment of the present invention is a linear motor control method in which either the mover or the stator has a plurality of coils, and either the mover or the stator has a drive magnet. Applying a voltage corresponding to a predetermined magnetic pole position to the plurality of coils to estimate an initial magnetic pole position, and based on the estimated initial magnetic pole position, moving the mover to a predetermined reference position within a movable range. And a control step of setting the magnetic pole position corresponding to the reference position to the current magnetic pole position when it is determined that the mover has reached the reference position.
  • the mover of the linear motor is moved to a predetermined reference position within the movable range of the mover. Since the positional relationship between the coil and the driving magnet is uniquely determined at the reference position, by performing correction to change the magnetic pole position when the mover is moved to the reference position to the magnetic pole position corresponding to the reference position, It is possible to reduce an error that occurs every time the magnetic pole position is estimated, and to suppress variations in error. By reducing the error when estimating the magnetic pole position and suppressing variations in error, the accuracy of estimation can be improved, and the torque generated by the linear motor can be stabilized.
  • FIG. 1 It is a schematic block diagram which shows the structure of the linear motor apparatus 1 in this embodiment. It is a perspective view (partial sectional view) of linear motor 10 in this embodiment. It is a perspective view which shows the coil unit hold
  • FIG. 1 is a schematic block diagram illustrating a configuration of a linear motor device 1 according to the present embodiment.
  • the linear motor device 1 includes a rod-type linear motor 10 and a linear motor control device 20 that controls the linear motor 10.
  • FIG. 2 is a perspective view (partially sectional view) of the linear motor 10 in the present embodiment.
  • the rod 101 moves in the axial direction with respect to the coil housing case 102.
  • a plurality of coils 104 held by a coil holder 105 are stacked (arranged) in the coil housing case 102.
  • End cases 109 are attached to both end faces of the coil housing case 102.
  • a bush 108 that is a bearing for guiding the linear motion of the rod 101 is attached to the end case 109.
  • the rod 101 is made of a non-magnetic material such as stainless steel and has a hollow space like a pipe.
  • a plurality of columnar magnets 103 (segment magnets) are stacked with the same poles facing each other.
  • Each magnet 103 is laminated with one of the adjacent magnets 103 facing the N pole and the other of the adjacent magnets 103 facing the S pole.
  • a pole shoe 107 (magnetic pole block) made of a magnetic material such as iron is interposed between the magnets 103.
  • the rod 101 penetrates through the laminated coils 104 and is supported by the coil housing case 102 so as to be movable in the axial direction. Further, end stoppers 110 are attached to both ends of the rod 101 so that the rod 101 does not move beyond the movable range.
  • FIG. 3 is a perspective view showing the coil unit held by the coil holder 105 in the present embodiment.
  • the coil 104 is a copper wire spirally wound and is held by a coil holder 105.
  • the plurality of coils 104 is formed by winding a copper wire along the outer periphery of the rod 101 around the direction in which the magnets 103 of the rod 101 are arranged, and each coil 104 is in the direction in which the magnets 103 are arranged. Are arranged in the same direction. Since it is necessary to insulate adjacent coils 104, a ring-shaped resin spacer 105a is interposed between the coils 104.
  • a printed circuit board 106 is provided on the coil holder 105.
  • a winding end 104 a of the coil 104 is connected to the printed circuit board 106.
  • the coil housing case 102 is integrally formed with the coil 104 by insert molding in which the coil 104 and the coil holder 105 are set in a mold and molten resin or special ceramics is injected into the mold. As shown in FIG. 2, a plurality of fins 102 a are formed in the coil housing case 102 in order to improve the heat dissipation of the coil 104.
  • the coil 104 held by the coil holder 105 is housed in an aluminum coil housing case 102, the gap between the coil 104 and the coil housing case 102 is filled with an adhesive, and the coil 104 and the coil holder 105 are placed in the coil housing case. You may fix to 102.
  • FIG. 4 is a diagram showing a positional relationship between the magnet 103 and the coil 104 of the linear motor 10 in the present embodiment.
  • a plurality of cylindrical magnets 103 (segment magnets) are arranged in the hollow space in the rod 101 so that the same poles face each other.
  • Three coils 104 form a set of three-phase coils including a U phase, a V phase, and a W phase.
  • a coil unit is configured by combining a plurality of sets of three-phase coils.
  • a three-phase current having a phase difference of 120 ° is applied to a plurality of coils 104 divided into three phases of U phase, V phase, and W phase, a moving magnetic field that moves in the axial direction of the coil 104 is generated.
  • the rod 101 obtains a thrust by the action of the magnetic field generated by each magnet 103 as a driving magnet and the moving magnetic field, and moves linearly relative to the coil 104 in synchronization with the speed of the moving magnetic field. I do.
  • the linear motor control device 20 includes a control unit 201, a power converter 202, a current transformer 203, and a correction value storage unit 204.
  • the control unit 201 performs estimation of the initial magnetic pole position of the linear motor 10 and origin return processing. Further, the control unit 201 uses the position command signal input from the higher-level device and the current values flowing through the coils 104 of the U-phase, V-phase, and W-phase of the linear motor 10 to determine the U-phase, V-phase, The voltage applied to each W-phase coil is calculated. Further, the control unit 201 outputs a voltage command signal indicating the calculated voltage to the power converter 202.
  • the power converter 202 applies a voltage corresponding to the voltage command signal input from the control unit 201 to each of the U phase, V phase, and W phase coils 104 of the linear motor 10.
  • the current transformer 203 is attached to a power line connecting the power converter 202 and the linear motor 10, measures a current value flowing through the power line, and outputs a measurement result to the control unit 201.
  • the correction value storage unit 204 stores a correction value for correcting the magnetic pole position when the origin return process is performed. Specifically, the magnetic pole position when the rod 101 of the linear motor 10 is at a predetermined reference position is stored in the correction value storage unit 204 as a correction value.
  • the magnetic pole position stored in the correction value storage unit 204 is, for example, the magnetic pole position when one of the two end stoppers 110 is in contact with the end case 109 and the other one of the end stoppers 110.
  • the reference position is a position where the end stopper 110 and the end case 109 are in contact (both ends of the movable range).
  • FIG. 5 is a flowchart showing processing for correcting the magnetic pole position in the present embodiment.
  • the control unit 201 applies a voltage (DC excitation) having a phase difference corresponding to a predetermined magnetic pole position to the U phase and the V phase. , Applied to the W-phase coils 104, and the rod 101 is pulled into a predetermined magnetic pole position (step S11).
  • the control unit 201 considers that the rod 101 is positioned at a predetermined magnetic pole position, and performs control to move the rod 101 toward one predetermined end of both ends of the movable range as the origin return processing ( Step S12).
  • the control unit 201 performs control to move the rod 101 until the end stopper 110 attached to one end of the rod 101 comes into contact with the end case 109.
  • the control unit 201 determines whether any of the current values of the currents flowing through the U-phase, V-phase, and W-phase of the linear motor 10 is greater than or equal to a predetermined current threshold value (step S13). When the current value is less than the current threshold value (step S13: NO), the determination is repeatedly performed until any of the currents flowing in the U phase, the V phase, and the W phase becomes equal to or greater than the current threshold value.
  • step S13 when any of the currents flowing in the U phase, the V phase, and the W phase is equal to or greater than the current threshold (step S13: YES), the control unit 201 determines that the rod 101 has reached one end of the movable range. Then, the magnetic pole position (correction value) corresponding to the end is read from the correction value storage unit 204, and the current magnetic pole position of the rod 101 is corrected to the read magnetic pole position (step S14) to correct the magnetic pole position. The process ends.
  • the current threshold value in step S13 is determined based on a measurement result using an actual machine or a simulation result.
  • the linear motor control device 20 of the present embodiment pulls the rod 101 into a predetermined magnetic pole position by DC excitation from a state in which the magnetic pole position of the rod 101 is unknown immediately after the supply of power is started.
  • the driving of the linear motor 10 is started by regarding the magnetic pole position as a predetermined magnetic pole position.
  • the linear motor control device 20 moves the rod 101 to one end of the movable range in order to detect the absolute position of the rod 101.
  • the linear motor control device 20 corrects the error generated with respect to the initial magnetic pole position estimated at the time of DC excitation by correcting the current magnetic pole position to the magnetic pole position corresponding to one end of the movable range.
  • the magnetic pole position variation is corrected.
  • the initial magnetic pole position When the initial magnetic pole position is estimated by drawing the rod 101 by direct current excitation, an error may occur in the initial magnetic pole position due to friction applied to the rod 101 or the like.
  • the magnetic pole position when the rod 101 is moved to one end of the movable range is uniquely determined by the positional relationship between the magnet 103 provided in the rod 101 and the coil 104, the estimated magnetic pole The position error can be reduced.
  • the linear motor control device 20 determines whether or not the rod 101 has reached the end of the movable range by utilizing the fact that the current value flowing through the coil 104 increases as the torque required to move the rod 101 increases. is doing.
  • the linear motor control device 20 is shown in FIG. 5 without adding hardware to the device configuration that estimates the magnetic pole position using DC excitation. A control method can be implemented. For this reason, the estimation accuracy of the magnetic pole position can be improved without increasing the manufacturing cost. Further, in the linear motor 10 that performs sensorless control, the return to origin is always performed, so that the magnetic pole position can be corrected without imposing a time burden on the user.
  • the thrust (torque) generated by the linear motor 10 is calculated by the product of “thrust constant” and “current value” flowing through the linear motor 10.
  • This thrust constant is a value when an accurate relative position (magnetic pole position) between the coil 104 and the magnet 103 can be estimated, and the apparent thrust constant decreases as the phase shifts.
  • This relationship is a cosine (cosine function), and a thrust according to the thrust constant is obtained when the phases coincide with each other.
  • the apparent thrust constant is halved.
  • the thrust according to the thrust constant may not be obtained depending on the error generated in the magnetic pole position.
  • the linear motor control device 20 of the present embodiment can reduce the variation in thrust when driving the linear motor 10 by reducing the error of the magnetic pole position. Further, each time the linear motor device 1 is started, the linear motor control device 20 corrects the magnetic pole position, so that the error included in the estimated magnetic pole position can be reduced and variation in the error can be suppressed. Stable thrust control can be performed.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating a configuration example of a machining apparatus to which the linear motor device 1 is applied.
  • the machining apparatus includes a linear motor device 1, an X-axis actuator 2, a cutter 3 attached to one end of the rod 101, and a main parallel to the movable direction of the X-axis actuator. And a work table 4 having a surface.
  • the linear motor 10 is attached to the X-axis actuator 2 so that the rod 101 moves in the vertical direction. By driving the X-axis actuator 2, the linear motor 10 moves in parallel to the main surface of the work table 4. It is like that.
  • a cutter 3 is attached to one lower end of both ends of the rod 101, and the cutter 3 moves up and down in the vertical direction according to the drive of the linear motor 10.
  • the processing apparatus is an apparatus that processes the material 6 disposed on the main surface of the work table 4 by driving the linear motor 10 and the X-axis actuator 2 to move the cutter 3.
  • the second layer 6b is not damaged when the processing device is used to cut only the first layer 6a.
  • highly accurate pressing control titanium control
  • the linear motor control device 20 performs highly accurate pressing control by reducing the error generated in the estimated magnetic pole position, thereby reducing the variation in the thrust generated when the linear motor 10 is driven. Can do. Therefore, the linear motor control device 20 is suitable for such a processing device. Further, in such a processing apparatus, since the rod 101 of the linear motor 10 is installed so as to be movable in the vertical direction, it is subject to disturbance due to gravity when performing direct current excitation, and therefore an error is likely to occur in the estimated magnetic pole position. . However, the linear motor control device 20 can reduce the error of the estimated magnetic pole position by using the magnetic pole position correction process (control method) shown in FIG. 5, and can perform highly accurate pressing control. it can.
  • the magnetic pole position correction process is performed after the start of power supply has been described.
  • the correction process may be appropriately performed according to a request from a higher-level device.
  • the linear motor control device 20 controls the rod-type linear motor 10 has been described.
  • the mover has U-phase, V-phase, and W-phase coils, and the stator is arranged in the movable direction.
  • a flat type linear motor having a driving magnet may be controlled.
  • the linear motor control device 20 described above may have a computer system inside.
  • the process of correcting the magnetic pole position described above is stored in a computer-readable recording medium in the form of a program, and the above process is performed by the computer reading and executing this program.
  • the computer-readable recording medium is a magnetic disk, a magneto-optical disk, a CD-ROM, a DVD-ROM, a semiconductor memory, or the like.
  • the computer program may be distributed to the computer via a communication line, and the computer that has received the distribution may execute the program.

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Abstract

　可動子又は固定子のいずれか一方が複数のコイルを有し、可動子又は固定子のいずれか他方が駆動用磁石を有しているリニアモータの駆動を制御するリニアモータ制御装置は、予め定められた磁極位置に対応する電圧を複数のコイルに印加して初期磁極位置を推定し、推定した初期磁極位置に基づいて、可動子を可動範囲内の予め定められた基準位置に移動させる制御を行い、可動子が基準位置に達したと判定した際に、基準位置に対応する磁極位置を現在の磁極位置にする制御部を備える。

Description

リニアモータ制御装置、及びリニアモータの制御方法
　本発明は、リニアモータ制御装置、及びリニアモータの制御方法に関する。
　本願は、２０１１年１１月２５日に、日本に出願された特願２０１１－２５７９４６号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
　リニア同期モータ（以下、リニアモータという。）は、可動子又は固定子のいずれか一方に設けられている複数のコイルと、可動子又は固定子のいずれか他方に設けられている駆動用磁石との相対的な位置関係（磁極位置）に応じた通電をしないと、予め定められている推力定数に応じたトルク（推力）を発生させることができない。
　可動子と固定子との磁極位置を検出するセンサなどをリニアモータが備えていない場合、リニアモータの駆動を開始する際に初期磁極位置が不明であるため、初期磁極位置を検出する必要がある。そこで、所定の磁極位置に対応した通電（直流励磁）を行うことにより、可動子を所定の磁極位置に引き込むことで、初期磁極位置を推定している。
　しかし、直流励磁を用いて初期磁極位置を推定する場合、可動子の位置や可動子が移動する際に生じる摩擦などにより、可動子を初期磁極位置に引き込むことができない場合がある。この場合、推定した初期磁極位置と、実際の可動子の磁極位置とに差が生じてしまい、推定した初期磁極位置に誤差が生じることになる。誤差を含む磁極位置に基づいてリニアモータを制御すると、要求されるトルクを発生させることができないという問題がある。また、リニアモータを起動させる都度、磁極位置に含まれる誤差が変化すると、リニアモータが発生させるトルクにばらつきが生じてしまうという問題がある。
　これに対して、直流励磁を行うとともに、その際の可動子の移動量を用いて初期磁極位置を推定する精度を向上させる技術が検討されている（特許文献１）。
特開２００７－０４９８３１号公報
　しかしながら、特許文献１に記載の技術では、可動子の移動量を検出するセンサを用いる必要があるため、次の問題がある。移動量を検出するセンサをリニアモータに取り付けるための場所を確保する必要があるため、リニアモータを設計する際の自由度が低下する。また、センサに附随するアナログ回路やケーブル等の実装が必要になる。また、アナログ回路やケーブル等を必要とするため、リニアモータの製造コストが増加する。
　本発明の目的は、可動子の位置や移動量を検出するセンサを設けることなく、推定する磁極位置に含まれる誤差のばらつきを低減できるリニアモータ制御装置、及びリニアモータの制御方法を提供することにある。
　本発明の実施態様は、可動子又は固定子のいずれか一方が複数のコイルを有し、可動子又は固定子のいずれか他方が駆動用磁石を有しているリニアモータの駆動を制御するリニアモータ制御装置であって、予め定められた磁極位置に対応する電圧を前記複数のコイルに印加して初期磁極位置を推定し、推定した初期磁極位置に基づいて、前記可動子を可動範囲内の予め定められた基準位置に移動させる制御を行い、前記可動子が前記基準位置に達したと判定した際に、前記基準位置に対応する磁極位置を現在の磁極位置にする制御部を備える。
　本発明の実施態様は、可動子又は固定子のいずれか一方が複数のコイルを有し、可動子又は固定子のいずれか他方が駆動用磁石を有しているリニアモータの制御方法であって、予め定められた磁極位置に対応する電圧を前記複数のコイルに印加して初期磁極位置を推定し、推定した初期磁極位置に基づいて、前記可動子を可動範囲内の予め定められた基準位置に移動させる制御を行い、前記可動子が前記基準位置に達したと判定した際に、前記基準位置に対応する磁極位置を現在の磁極位置にする制御ステップを有する。
　この発明によれば、例えば直流励磁を行った後に、リニアモータの可動子を可動子の可動範囲内の予め定められた基準位置に移動させる。基準位置では、コイルと駆動用磁石との位置関係が一意に定まるので、基準位置に可動子を移動させた際の磁極位置を、基準位置に対応する磁極位置に変更する補正を行うことにより、磁極位置を推定するたびに生じる誤差を低減させるとともに、誤差のばらつきを抑えることができる。磁極位置を推定する際の誤差の低減、及び誤差のばらつきを抑えることにより、推定の精度を向上させることができ、リニアモータが発生させるトルクを安定させることができる。
本実施形態におけるリニアモータ装置１の構成を示す概略ブロック図である。 本実施形態におけるリニアモータ１０の斜視図（一部断面図）である。 本実施形態におけるコイルホルダ１０５に保持されたコイルユニットを示す斜視図である。 本実施形態におけるリニアモータ１０のマグネット１０３とコイル１０４の位置関係を示す図である。 本実施形態における磁極位置を補正する処理を示すフローチャートである。 リニアモータ装置１を適用した加工装置の構成例を示す図である。
　以下、図面を参照して、本発明の実施形態におけるリニアモータ制御装置、及びリニアモータの制御方法を説明する。
　図１は、本実施形態におけるリニアモータ装置１の構成を示す概略ブロック図である。図１に示されているように、リニアモータ装置１は、ロッドタイプのリニアモータ１０と、リニアモータ１０を制御するリニアモータ制御装置２０とを具備している。
　図２は、本実施形態におけるリニアモータ１０の斜視図（一部断面図）である。リニアモータ１０は、コイル収容ケース１０２に対してロッド１０１が軸線方向に移動する。
　コイル収容ケース１０２内には、コイルホルダ１０５に保持された複数のコイル１０４が積層（配列）されている。コイル収容ケース１０２の両端面それぞれには、エンドケース１０９が取り付けられている。エンドケース１０９には、ロッド１０１の直線運動を案内するための軸受けであるブッシュ１０８が取り付けられている。
　ロッド１０１は、例えばステンレス等の非磁性材からなり、パイプのように中空の空間を有する。ロッド１０１の中空空間には、円柱状の複数のマグネット１０３（セグメント磁石）が互いに同極を対向させて積層されている。各マグネット１０３は、隣接するマグネット１０３の一方とＮ極同士を対向させ、隣接するマグネット１０３の他方とＳ極同士を対向させて積層されている。マグネット１０３の間には、例えば鉄等の磁性体からなるポールシュー１０７（磁極ブロック）が介在されている。ロッド１０１は、積層されたコイル１０４内を貫通するとともに、コイル収容ケース１０２に軸線方向に移動可能に支持されている。また、ロッド１０１の両端には、エンドストッパ１１０が取り付けられており、ロッド１０１が可動範囲を超えて移動しないようになっている。
　図３は、本実施形態におけるコイルホルダ１０５に保持されたコイルユニットを示す斜視図である。図３に示されるように、コイル１０４は銅線を螺旋状に巻いたもので、コイルホルダ１０５に保持されている。複数のコイル１０４は、ロッド１０１のマグネット１０３が配列されている方向を中心として、ロッド１０１の外周に沿って銅線が巻かれたものであり、各コイル１０４がマグネット１０３の配列されている方向と同じ方向に配列されている。
　隣接するコイル１０４同士を絶縁させる必要があるので、コイル１０４同士の間には、リング状の樹脂製スペーサ１０５ａが介在される。コイルホルダ１０５上には、プリント基板１０６が設けられる。コイル１０４の巻線の端部１０４ａは、プリント基板１０６に結線される。
　本実施形態では、コイル１０４及びコイルホルダ１０５を金型にセットし、溶融した樹脂又は特殊セラミックスを金型内に注入するインサート成形によって、コイル収容ケース１０２をコイル１０４と一体に成形する。図２に示されるように、コイル収容ケース１０２には、コイル１０４の放熱性を高めるためにフィン１０２ａが複数形成される。コイルホルダ１０５に保持されたコイル１０４をアルミ製のコイル収容ケース１０２に収納し、コイル１０４とコイル収容ケース１０２との間のすきまを接着剤で埋めて、コイル１０４及びコイルホルダ１０５をコイル収容ケース１０２に固定してもよい。
　図４は、本実施形態におけるリニアモータ１０のマグネット１０３とコイル１０４の位置関係を示す図である。ロッド１０１内の中空空間には、円柱状の複数のマグネット１０３（セグメント磁石）が互いに同極が対向するように配列される。コイル１０４は３つでＵ相、Ｖ相、Ｗ相からなる一組の三相コイルとなる。一組の三相コイルを複数組み合わせて、コイルユニットが構成される。Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の三相に分けた複数のコイル１０４に１２０°ずつ位相が異なる三相電流を流すと、コイル１０４の軸線方向に移動する移動磁界が発生する。ロッド１０１は、駆動用磁石としての各マグネット１０３が生じさせている磁界と、移動磁界との作用により推力を得て、移動磁界の速さに同期してコイル１０４に対して相対的に直線運動を行う。
　図１に戻って、リニアモータ制御装置２０の構成について説明する。
　リニアモータ制御装置２０は、制御部２０１と、電力変換器２０２と、変流器２０３と、補正値記憶部２０４とを備えている。制御部２０１は、上位の装置から制御開始信号が入力されると、リニアモータ１０の初期磁極位置の推定、及び原点復帰処理を行う。また、制御部２０１は、上位の装置から入力される位置指令信号と、リニアモータ１０のＵ相、Ｖ相、Ｗ相それぞれのコイル１０４に流れる電流値とに基づいて、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相それぞれのコイルに印加する電圧を算出する。また、制御部２０１は、算出した電圧を示す電圧指令信号を電力変換器２０２に出力する。
　電力変換器２０２は、制御部２０１から入力される電圧指令信号に応じた電圧をリニアモータ１０のＵ相、Ｖ相、Ｗ相それぞれのコイル１０４に印加する。
　変流器２０３は、電力変換器２０２とリニアモータ１０とを接続している電力線に取り付けられており、当該電力線に流れている電流値を測定し、測定結果を制御部２０１に出力する。
　補正値記憶部２０４には、原点復帰処理を行った際に磁極位置を補正する補正値が記憶されている。具体的には、リニアモータ１０のロッド１０１が予め定められた基準位置にある場合における磁極位置が補正値として補正値記憶部２０４に記憶されている。補正値記憶部２０４に記憶されている磁極位置は、例えば、２つのエンドストッパ１１０のうちいずれか一方がエンドケース１０９に接触しているときの磁極位置と、エンドストッパ１１０のうちいずれか他方がエンドケース１０９に接触しているときの磁極位置とである。この場合、基準位置は、エンドストッパ１１０とエンドケース１０９とが接触している位置（可動範囲の両端）である。
　図５は、本実施形態における磁極位置を補正する処理を示すフローチャートである。
　制御部２０１は、例えば電力の供給が開始された後などに、制御開始信号が入力されると、予め定められた磁極位置に対応する位相差を有する電圧（直流励磁）をＵ相、Ｖ相、Ｗ相それぞれのコイル１０４に印加し、予め定められた磁極位置にロッド１０１を引き込む（ステップＳ１１）。
　制御部２０１は、予め定められた磁極位置にロッド１０１が位置するものとみなして、可動範囲の両端のうち予め定めた一方の端に向けてロッド１０１を移動させる制御を原点復帰処理として行う（ステップＳ１２）。制御部２０１は、ロッド１０１の一端に取り付けられているエンドストッパ１１０とエンドケース１０９とが接触するまで、ロッド１０１を移動させる制御を行う。
　制御部２０１は、リニアモータ１０のＵ相、Ｖ相、Ｗ相それぞれに流れる電流の電流値のいずれかが予め定められた電流閾値以上であるか否かを判定し（ステップＳ１３）、すべての電流値が電流閾値未満の場合（ステップＳ１３：ＮＯ）、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相に流れる電流のいずれかが電流閾値以上になるまで、判定を繰り返し行う。
　一方、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相に流れる電流のいずれかが電流閾値以上になった場合（ステップＳ１３：ＹＥＳ）、制御部２０１は、ロッド１０１が可動範囲の一方の端に到達したと判定し、当該端に対応する磁極位置（補正値）を補正値記憶部２０４から読み出し、ロッド１０１の現在の磁極位置を読み出した磁極位置に変更する補正を行い（ステップＳ１４）、磁極位置を補正する処理を終了する。
　ステップＳ１３における電流閾値は、実機を用いた測定結果やシミュレーションの結果に基づいて定められる。
　本実施形態のリニアモータ制御装置２０は、電力の供給が開始された直後においてロッド１０１の磁極位置が不明な状態から、直流励磁によりロッド１０１を予め定められた磁極位置に引き込み、ロッド１０１の初期磁極位置を予め定められた磁極位置とみなしてリニアモータ１０の駆動を開始させる。
　また、リニアモータ制御装置２０は、ロッド１０１の絶対位置を検出するために可動範囲の一方の端までロッド１０１を移動させる。このとき、リニアモータ制御装置２０は、現在の磁極位置を可動範囲の一方の端に対応する磁極位置に補正することで、直流励磁の際に推定した初期磁極位置に対して生じる誤差を補正し、磁極位置のばらつきを補正する。
　直流励磁によるロッド１０１の引き込みにより初期磁極位置を推定する場合、ロッド１０１に加わる摩擦等により初期磁極位置に誤差が生じることがある。これに対して、可動範囲の一方の端までロッド１０１を移動させた際の磁極位置はロッド１０１内に設けられているマグネット１０３と、コイル１０４との位置関係により一意に決まるため、推定する磁極位置の誤差を低減させることができる。
　更に、リニアモータ制御装置２０は、ロッド１０１を動かす際に要するトルクが大きくなるとコイル１０４に流れる電流値が大きくなることを利用して、ロッド１０１が可動範囲の端に達したか否かを判定している。これにより、ロッド１０１（可動子）の位置を検出するセンサ等を設けることなく、ロッド１０１が可動範囲の端に達したか否かを検出することができ、ロッド１０１の磁極位置を推定する精度を向上させることができる。
　また、リニアモータ制御装置２０は、制御部２０１をマイクロコントローラ等で実装する場合、直流励磁を用いて磁極位置を推定する装置構成に対してハードウエアの追加をすることなく、図５に示した制御方法を実装できる。このため、製造コストを増加させることなく、磁極位置の推定精度を向上させることができる。
　また、センサレス制御を行うリニアモータ１０では、原点復帰が必ず行われるため、ユーザに時間的な負担を強いることなく磁極位置の補正を行うことができる。
　一般に、リニアモータ１０が発生させる推力（トルク）は、「推力定数」とリニアモータ１０に流れる「電流値」との積で算出される。この推力定数は、コイル１０４とマグネット１０３との正確な相対位置（磁極位置）が推定できた際の値であり、位相がずれるにしたがって見かけ上の推力定数は減少する。この関係は、コサイン（余弦関数）となっており、位相が一致しているときに推力定数に応じた推力が得られ、位相が６０度ずれると見かけ上の推力定数は半分となる。直流励磁により磁極位置の推定をした場合には、磁極位置に生じた誤差に応じて、推力定数通りの推力が得られないことがある。
　これに対して、本実施形態のリニアモータ制御装置２０は、磁極位置の誤差を低減させることにより、リニアモータ１０を駆動させる際の推力のばらつきを低減させることができる。また、リニアモータ装置１を起動するたびに、リニアモータ制御装置２０は、磁極位置の補正を行うので、推定した磁極位置に含まれる誤差を低減し、また誤差のばらつきを抑えることができるので、安定した推力制御を行うことができる。
　図６は、リニアモータ装置１を適用した加工装置の構成例を示す図である。
　図６に示されているように、加工装置は、リニアモータ装置１と、Ｘ軸アクチュエータ２と、ロッド１０１の一端に取り付けられたカッター３と、Ｘ軸アクチュエータの可動方向に対して平行な主面を有する作業台４とから構成されている。
　リニアモータ１０は、ロッド１０１が鉛直方向に移動するようにＸ軸アクチュエータ２に取り付けられ、Ｘ軸アクチュエータ２を駆動させることにより、リニアモータ１０が作業台４の主面に対して平行に移動するようになっている。ロッド１０１の両端のうち下方の一端にはカッター３が取り付けられており、リニアモータ１０の駆動に応じてカッター３が鉛直方向に上下移動するようになっている。
　加工装置は、リニアモータ１０とＸ軸アクチュエータ２とを駆動して、カッター３を移動させることにより、作業台４の主面上に配置されている材料６を加工する装置である。
　材料６が第１層６ａと第２層６ｂ（ベース層）とで構成されている場合に、加工装置を用いて第１層６ａのみを切断する加工を行う場合、第２層６ｂを傷つけずに第１層６ａを切断するためには、精度の高い押し付け制御（推力制御）が求められる。リニアモータ１０を駆動させる際の推力にばらつきが少ないことが要求される。
　これに対して、リニアモータ制御装置２０は、推定する磁極位置に生じる誤差を低減させることにより、リニアモータ１０を駆動させる際の推力に生じるばらつきを低減させて、精度の高い押し付け制御を行うことができる。したがって、リニアモータ制御装置２０は、このような加工装置に好適である。
　また、このような加工装置では、リニアモータ１０のロッド１０１が鉛直方向に移動可能に設置されているため、直流励磁を行う際に重力による外乱を受けるので、推定する磁極位置に誤差が生じやすい。しかし、リニアモータ制御装置２０は、図５に示した磁極位置の補正処理（制御方法）を用いることにより、推定した磁極位置の誤差を低減することができ、精度の高い押し付け制御を行うことができる。
　本実施形態において、磁極位置の補正処理を電力の供給が開始された後に行う場合について説明したが、上位の装置からの要求に応じて補正処理を適宜行うようにしてもよい。
　本実施形態では、リニアモータ制御装置２０がロッドタイプのリニアモータ１０を制御する場合について説明したが、可動子がＵ相、Ｖ相、Ｗ相のコイルを有し、固定子が可動方向に並べられた駆動用磁石を有するフラットタイプのリニアモータなどを制御してもよい。
　上述のリニアモータ制御装置２０は、内部に、コンピュータシステムを有していてもよい。その場合、上述した磁極位置を補正する処理の過程は、プログラムの形式でコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記憶されており、このプログラムをコンピュータが読み出して実行することによって、上記処理が行われることになる。コンピュータ読み取り可能な記録媒体とは、磁気ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ－ＲＯＭ、ＤＶＤ－ＲＯＭ、半導体メモリ等をいう。このコンピュータプログラムを通信回線によってコンピュータに配信し、この配信を受けたコンピュータが当該プログラムを実行するようにしても良い。
　１…リニアモータ装置、　１０…リニアモータ、　２０…リニアモータ制御装置、　２０１…制御部、　２０３…変流器

Claims (3)

  1. 　可動子又は固定子のいずれか一方が複数のコイルを有し、可動子又は固定子のいずれか他方が駆動用磁石を有しているリニアモータの駆動を制御するリニアモータ制御装置であって、
    　予め定められた磁極位置に対応する電圧を前記複数のコイルに印加して初期磁極位置を推定し、推定した初期磁極位置に基づいて、前記可動子を可動範囲内の予め定められた基準位置に移動させる制御を行い、前記可動子が前記基準位置に達したと判定した際に、前記基準位置に対応する磁極位置を現在の磁極位置にする制御部を備えるリニアモータ制御装置。
  2. 　前記複数のコイルに流れる電流値を測定する変流器を更に備え、
    　前記制御部は、前記可動子を前記基準位置に移動させる制御を行っている間に、前記変流器が測定した電流値が予め定められた電流閾値以上である場合に、前記可動子が前記基準位置に達したと判定する請求項１に記載のリニアモータ制御装置。
  3. 　可動子又は固定子のいずれか一方が複数のコイルを有し、可動子又は固定子のいずれか他方が駆動用磁石を有しているリニアモータの制御方法であって、
    　予め定められた磁極位置に対応する電圧を前記複数のコイルに印加して初期磁極位置を推定し、推定した初期磁極位置に基づいて、前記可動子を可動範囲内の予め定められた基準位置に移動させる制御を行い、前記可動子が前記基準位置に達したと判定した際に、前記基準位置に対応する磁極位置を現在の磁極位置にする制御ステップを有する制御方法。
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