リニアモータの制御装置
【課題】磁気センサが出力する信号に周期的な変動成分が含まれる場合においても、リニアモータを安定して制御する。
【解決手段】リニアモータを制御する制御装置は、外部より入力された単位時間当たりに可動子を移動させる距離を示す位置指令に基づいて、可動子を等速にて移動させる等速制御と、可動子の速度を加速させる加速度制御とのいずれか一方を選択し、等速制御を選択した場合、可動子の速度に対する平均である平均速度と、速度指令とに基づいて、リニアモータに印加する電流値を示す電流指令を算出し、加速度制御を選択した場合、可動子の速度と、速度指令とに基づいて、電流指令を算出し、算出した電流指令に基づいてリニアモータに電流を印加する。
【解決手段】リニアモータを制御する制御装置は、外部より入力された単位時間当たりに可動子を移動させる距離を示す位置指令に基づいて、可動子を等速にて移動させる等速制御と、可動子の速度を加速させる加速度制御とのいずれか一方を選択し、等速制御を選択した場合、可動子の速度に対する平均である平均速度と、速度指令とに基づいて、リニアモータに印加する電流値を示す電流指令を算出し、加速度制御を選択した場合、可動子の速度と、速度指令とに基づいて、電流指令を算出し、算出した電流指令に基づいてリニアモータに電流を印加する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、リニアモータの制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
リニアモータの制御は、例えば、可動子の現在の位置と、可動子を移動させる目標位置との距離に基づいて行われている。リニアモータの可動子の位置を検出するために、例えば、駆動用磁石が生じさせている磁界を検出する磁気センサが用いられている（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−３２７１８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、磁気センサは、その特性上、出力する信号に周期的な変動成分が含まれることがある。周期的な変動成分は、例えば、磁気センサに対向する磁極がＮ極の場合と、Ｓ極の場合とにおいて、出力する信号のレベルなどが異なるために生じてしまう。
この場合、磁気センサが出力する信号に基づいて可動子の位置検出を行うと、信号に含まれる周期的な変動成分の影響を受けて、得られる位置の情報に周期的な変動成分が含まれてしまう。
このような場合、磁気センサが出力する信号に基づいて位置検出を行い、検出した位置を示す信号を用いてリニアモータの制御を行うと、位置を示す信号に含まれる周期的な変動成分の影響により、リニアモータの制御が乱れてしまうという問題がある。
【０００５】
図９は、リニアモータを駆動した際における可動子の移動速度と、リニアモータに印加する電流の電流値との一例を示す模式図である。同図において、横軸は時間を示し、縦軸は可動子が移動する速度及びリニアモータに流れる電流値を示している。
【０００６】
同図には、一般的なリニアモータの駆動パターンが示されている。時刻Ｔ１から時刻Ｔ２までは、可動子を加速させて駆動する期間である。時刻Ｔ２から時刻Ｔ３までは、可動子を一定の速度にて駆動させる期間である。時刻Ｔ３から時刻Ｔ４までは、可動子を減速させて駆動する期間であり、時刻Ｔ４において可動子を所望の位置に停止させる。
【０００７】
時刻Ｔ２から時刻Ｔ３の等速域において、破線により表されている波形は、磁気センサの出力に周期的な変動成分が含まれていない場合の電流値を示し、実線により表されている波形は、磁気センサの出力に周期的な変動成分が含まれている場合の電流値を示している。
【０００８】
リニアモータにおいて、可動子を等速で駆動する場合、一般に、可動子と固定子との間に生じる摩擦力に相当する力を可動子に加える必要がある。そのために、図において破線により示されている波形のように、可動子に対する推力と、摩擦力とがつりあう一定の電流をリニアモータに流す。
【０００９】
しかし、磁気センサが出力する信号に周期的な変動成分が含まれていると、当該信号に基づいて検出された速度が周期的に変動してしまう。このとき、リニアモータを制御する装置は、検出される速度を一定に保とうとして、加速と減速とを繰り返す制御をしてしまう。このため、図９に示すようにリニアモータに流す電流が周期的に変化することになり、制御が安定せずに乱れてしまうことがある。
【００１０】
すなわち、可動子の位置を検出するための磁気センサから出力される信号に基づいてリニアモータの制御を行っている場合、磁気センサの出力に周期的な変動成分が含まれると、周期的な変動成分の影響により、リニアモータの制御が安定せずに乱れてしまうという問題がある。
【００１１】
本発明は、上記問題を解決すべくなされたもので、その目的は、磁気センサが出力する信号に周期的な変動成分が含まれる場合においても、リニアモータを安定して制御できるリニアモータの制御装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記問題を解決するために、本発明は、Ｎ極とＳ極とが交互に等間隔に配列された複数の駆動用磁石を備える駆動用磁石部と、複数のコイルを備える電機子とを具備し、前記電機子又は前記駆動用磁石部のいずれか一方が可動子であり、前記電機子に備えられている複数のコイルに電流を流して生じる磁界と、前記駆動用磁石が生じさせる磁界とにより前記駆動用磁石の配列された配列方向に前記可動子を直線運動させるリニアモータの制御装置であって、前記電機子に備えられている磁気センサであって前記駆動用磁石が生じさせている磁界の方向に応じた信号を出力する磁気センサと、前記磁気センサが出力する信号に基づいて前記可動子が移動する速度を検出する速度検出部と、前記速度検出部が検出した前記可動子の平均速度と、外部より単位時間ごとに入力される位置指令であって単位時間当たりに前記可動子を移動させる距離を示す位置指令から算出される速度指令との差分から前記複数のコイルに流す電流値を示す第１の電流指令を算出する速度制御部と、前記速度制御部が算出した第１の電流指令に基づいて前記複数のコイルに電流を印加する電力変換部とを備えることを特徴とするリニアモータの制御装置である。
【発明の効果】
【００１３】
この発明によれば、磁気センサが出力する信号に周期的な変動成分が含まれる場合においても、リニアモータを安定して制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本実施形態におけるリニアモータ装置の構成を示す概略図である。
【図２】本実施形態におけるＭＲセンサの原理を示す斜視図である。
【図３】本実施形態におけるリニアモータの斜視図（テーブルの断面を含む）である。
【図４】本実施形態におけるリニアモータの正面図である。
【図５】本実施形態における可動子の移動方向に沿った断面図を示す図である。
【図６】本実施形態におけるＭＲセンサ及びコイルと、駆動用磁石との相対的な位置との相対的な位置を示す模式図である。
【図７】本実施形態における制御装置１０の構成を示す概略ブロック図である。
【図８】本実施形態における制御モード選択器の動作を示すフローチャートである。
【図９】リニアモータを駆動した際における可動子の移動速度と、リニアモータに印加する電流の電流値との一例を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
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の制御装置を説明する。
図１は、本発明の実施形態におけるリニアモータ装置１の構成を示す概略図である。
同図に示すように、リニアモータ装置１は、制御装置１０と、リニアモータ２０とを具備している。制御装置１０は、リニアモータ２０を駆動させる制御をする装置である。リニアモータ２０は、長尺の固定子２１と、固定子２１上を移動する可動子２５と、固定子２１及び可動子２５を組み付ける一対の案内装置２２、２２を備えている。
【００１６】
案内装置２２は、例えば、ボールを介して組みつけられた軌道レール２３及びスライドブロック２６から構成されている。案内装置２２の軌道レール２３は、固定子２１が有するベース５４に固定され、案内装置２２のスライドブロック２６は、可動子２５に固定されている。これにより、可動子２５は、固定子２１上を軌道レール２３に沿って自在に案内されるようになっている。
【００１７】
また、固定子２１は、一対の軌道レール２３、２３の間に並べられた複数の駆動用磁石２４を備えている。複数の駆動用磁石２４は、可動子２５が移動する方向（以下、移動方向という）において、Ｎ極及びＳ極の磁極が交互になるように並べられている。また、各駆動用磁石２４は、移動方向において、同じ長さを有しており、可動子２５の位置に関わらず一定の推力が得られるようになっている。
【００１８】
可動子２５は、複数のコイルを有する電機子６０と、移動対象を取り付けるテーブル５３と、ＭＲ（Magnetoresitive Elements；磁気抵抗素子）センサ２７とを備えている。
ＭＲセンサ２７は、磁気センサの一種であり、固定子２１に配列されている駆動用磁石２４が生じさせる磁界の磁束線の方向に応じた信号を制御装置１０に出力する。
【００１９】
図２は、本実施形態におけるＭＲセンサ２７の原理を示す斜視図である。同図に示すように、シリコン（Ｓｉ）又はガラス基板２７１と、その上に形成されたニッケル（Ｎｉ）、鉄（Ｆｅ）などの強磁性金属を主成分とする合金の強磁性薄膜金属で形成される磁気抵抗素子２７２とを有する。磁気抵抗素子２７２は、電流の流れる方向（Ｙ軸方向）に対して、磁気抵抗素子２７２を通過する磁束の方向がなす角度に応じて、抵抗値が変化する。
【００２０】
ＭＲセンサ２７は、複数の磁気抵抗素子２７２を組み合わせて、２つのフルブリッジ回路を構成し、２つのフルブリッジ回路が４５°の位相差を有する信号を出力するように配置されている。このように、特定の磁界方向で抵抗値が変化する素子を、ＡＭＲ（Anisotropic Magneto-Resistance；異方性磁気抵抗素子）センサという（参考文献：「垂直タイプＭＲセンサ技術資料」、[online]、２００５年１０月１日、浜松光電株式会社、「２０１０年５月６日検索」、インターネット＜ＵＲＬ；http://www.hkd.co.jp/technique/img/amr-note1.pdf＞）。
【００２１】
図１に戻って、制御装置１０は、ＭＲセンサ２７が出力する信号に基づいて、固定子２１上における可動子２５の位置及び移動する速度を算出する。また、制御装置１０は、算出した可動子２５の位置及び速度と、上位の制御装置より入力される位置指令とに応じて、電機子６０が有している複数のコイルに電流を流す。
これにより、複数のコイルに生じる磁界と、固定子２１に配置されている駆動用磁石２４により生じる磁界との作用により、可動子２５を軌道レール２３に沿って駆動させる。
【００２２】
図３、図４を用いて、本実施形態におけるリニアモータ２０の構成を説明する。
図３は、本実施形態におけるリニアモータ２０の斜視図（テーブル５３の断面を含む）である。図４は、本実施形態におけるリニアモータ２０の正面図である。
【００２３】
リニアモータ２０は、上述のように、固定子２１が、Ｎ極又はＳ極が着磁されている面を可動子２５に向けて配列されている複数の板状の駆動用磁石２４を備え、可動子２５が、固定子２１に対して相対的に直線運動をするフラットタイプのリニアモータである。可動子２５に備えられている電機子６０は、駆動用磁石２４とすきまｇを介して対向している。
【００２４】
固定子２１が有する細長く伸びているベース５４上には、上述の複数の駆動用磁石２４が、移動方向に一列に配列されている。ベース５４は、底壁部５４ａと、底壁部５４ａの幅方向の両側に設けられている一対の側壁部５４ｂとから構成されている。底壁部５４ａには、上述の複数の駆動用磁石２４が取り付けられている。
【００２５】
各駆動用磁石２４には、移動方向と直交する方向（図４において上下方向）の両端面にＮ極及びＳ極が形成されている。複数の駆動用磁石２４は、それぞれが隣接する一対の駆動用磁石２４に対して磁極を反転させた状態で並べられている。
これにより、可動子２５に取り付けられているＭＲセンサ２７に対し、可動子２５が移動した際に、駆動用磁石２４のＮ極とＳ極との磁極が交互に対向するようになっている。
【００２６】
ベース５４の側壁部５４ｂの上面には、案内装置２２の軌道レール２３が取り付けられている。軌道レール２３には、上述したように、スライドブロック２６がスライド可能に組み付けられている。軌道レール２３と、スライドブロック２６との間には、転がり運動可能に複数のボールが介在されている（図示せず)。
【００２７】
スライドブロック２６には、複数のボールを循環させるためのトラック状のボール循環経路が設けられている。軌道レール２３に対して、スライドブロック２６がスライドすると、複数のボールがこれらの間を転がり運動し、また複数のボールがボール循環経路を循環する。これにより、スライドブロック２６の円滑な直線運動が可能になる。
【００２８】
案内装置２２のスライドブロック２６の上面には、可動子２５のテーブル５３が取り付けられている。テーブル５３は、例えば、アルミニウムなどの非磁性素材からなり、移動対象が取り付けられる。テーブル５３の下面には、電機子６０が吊り下げられている。図４の正面図に示されるように、駆動用磁石２４と電機子６０との間には、すきまｇが設けられている。案内装置２２は、電機子６０が駆動用磁石２４に対して相対的に移動するときも、このすきまｇを一定に維持する。
【００２９】
図５は、本実施形態における可動子２５の移動方向に沿った断面図を示す図である。
テーブル５３の下面には、断熱材６３を介して電機子６０が取り付けられている。電機子６０は、珪素鋼などの磁性素材からなるコア６４と、上述した複数のコイルであり、コア６４の突極６４ｕ、６４ｖ、６４ｗに巻かれるコイル２８ｕ、２８ｖ、２８ｗとを有している。
【００３０】
コイル２８ｕ、２８ｖ、２８ｗそれぞれには、位相差を有する三相交流が制御装置１０から供給される。突極６４ｕ、６４ｖ、６４ｗに３つのコイル２８ｕ、２８ｖ、２８ｗを巻いた後、３つのコイル２８ｕ、２８ｖ、２８ｗは、樹脂封止される。
また、テーブル５３の下面には、電機子６０を挟んで一対の補助コア６７が取り付けられている。補助コア６７は、リニアモータ２０に発生するコギングを低減するために設けられている。
【００３１】
図６は、本実施形態におけるＭＲセンサ２７及びコイル２８ｕ、２８ｖ、２８ｗと、駆動用磁石２４との相対的な位置との相対的な位置を示す模式図である。
固定子２１には、上述したように、ベース５４の底壁部５４ａ上に、駆動用磁石２４が配列されている。より詳細には、ＭＲセンサ２７に対しＮ極を向けて配置されている駆動用磁石２４Ｎと、ＭＲセンサ２７に対しＳ極を向けて配置されている駆動用磁石２４Ｓとが、移動方向に交互に配列されている。
【００３２】
可動子２５において、コイル２８ｕ、２８ｖ、２８ｗは、固定子２１に配置された駆動用磁石２４の中心を通過し、移動方向に対し平行な直線上を通過に配列されている。また、ＭＲセンサ２７は、コイル２８ｕ、２８ｖ、２８ｗと同様に、各駆動用磁石２４の中心を通過し、移動方向に対し平行な直線上を通過する位置に取り付けられている。これにより、ＭＲセンサ２７を駆動用磁石２４が生じさせる磁界の最も強い位置を通過させることができる。
【００３３】
図７は、本実施形態における制御装置１０の構成を示す概略ブロック図である。
同図に示すように、制御装置１０は、位置制御器１０１、微分器１０２、１０５、スイッチ１０３、１０７、１１３、速度制御器１０４、加速度制御器１０６、電流制御器１０８、電力変換器１０９、変流器１１０、パルス生成器１１１、速度検出器１１２、平均化器１１４、位置検出器１１５、及び制御モード選択器１１６を備えている。
【００３４】
位置制御器１０１は、位置検出器１１５から入力されるリニアモータ２０の可動子２５の位置を示す信号と、上位の制御装置から入力される位置指令とに基づいて、リニアモータ２０の可動子２５を位置指令により示される位置に移動させるための第１の速度指令を算出する。
ここで、上位の制御装置は、可動子２５を移動させる目標位置までの距離に応じて、単位時間当たりに可動子２５を移動させる距離の示す信号列を生成する。例えば、上位の制御装置は、可動子２５を移動させる目標位置までの距離に応じた駆動パターン（図９に示した加速域、等速域、減速域それぞれにおける期間の長さと、等速域における速度との組み合わせ）を生成し、生成した駆動パターンから毎単位時間における可動子２５を移動させる距離を算出して、位置指令として単位時間ごとに位置制御器１０１に入力する。
【００３５】
第１の速度指令は、位置指令により示される距離に対する可動子２５が単位時間内に移動した距離の偏差（差分）に、可動子２５を移動させる際の摩擦抵抗などのリニアモータ２０が有する特性を考慮して予め設定された係数を乗じて算出される値である。また、第１の速度指令を算出するための係数は、シミュレーションや測定の結果などに基づいて定められる値である。
なお、第１の速度指令は、位置指令により示される距離に対する可動子２５の位置の偏差を用いたＰＩ演算又はＰＩＤ演算などにより算出するようにしてもよい。
【００３６】
微分器１０２は、外部から入力される位置指令により示される距離の変化量に基づいて第２の速度指令を算出する。具体的には、微分器１０２は、単位時間ごとに入力される位置指令の差分を第２の速度指令として算出する。
【００３７】
速度制御器１０４には、位置制御器１０１が算出した第１の速度指令、及び微分器１０２が算出した第２の速度指令のうちスイッチ１０３により選択されるいずれか一方の速度指令が入力される。また、速度制御器１０４には、速度検出器１１２が検出した可動子２５が移動する速度、あるいは、当該速度の平均値（平均速度）のいずれかがスイッチ１１３により選択されて入力される。
【００３８】
また、速度制御器１０４は、入力される速度指令に対する可動子２５が移動する速度の偏差、又は入力される速度指令に対する速度の平均値の偏差のいずれかを用いたＰＩ演算又はＰＩＤ演算により第１の電流指令を算出する。ここで、第１の電流指令は、速度指令により示される可動子２５が移動する際の速度を得るためにコイル２８ｕ、２８ｖ、２８ｗに印加する電流値を示す信号である。
【００３９】
微分器１０５は、微分器１０２が算出する第２の速度指令の変化量に基づいて加速度指令を算出する。加速度指令は、可動子２５に与える加速度を示す信号である。例えば、微分器１０５は、単位時間ごとに入力される第２の速度指令の差分を加速度指令として算出する。
【００４０】
加速度制御器１０６は、微分器１０５が算出する加速度指令により示される加速度を得るための電流値である第２の電流指令を算出する。第２の電流指令は、加速度指令により示される加速度に対して、可動子２５を移動させる際の摩擦抵抗などのリニアモータ２０が有する特性を考慮して予め設定された係数を乗じて、あるいはＰＩ演算又はＰＩＤ演算により算出される電流値を示す信号である。
【００４１】
電流制御器１０８には、スイッチ１０７により選択される、速度制御器１０４が算出する第１の電流指令、及び加速度制御器１０６が算出する第２の電流指令のいずれか一方の電流指令と、変流器１１０により検出されるリニアモータ２０に流れる電流値とが入力される。また、電流制御器１０８は、ＰＩ制御又はＰＩＤ制御などにより、リニアモータ２０に流れる電流値が、電流指令により示される値になるように電力変換器１０９を制御する電圧指令を算出する。
【００４２】
電力変換器１０９は、リニアモータ２０のコイルの数に応じて設けられ、スイッチング素子を有する上アーム及び下アームを有しているインバータ回路である。また、電力変換器１０９は、電流制御器１０８より入力される電圧指令に応じて、スイッチング素子のオン・オフを切り替えるＰＷＭ制御により、スイッチング素子を介して電機子６０に備えられているコイル２８ｕ、２８ｖ、２８ｗに電力を供給して、可動子２５を駆動する。スイッチング素子は、例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor；絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）などの半導体素子が用いられる。
【００４３】
変流器１１０は、電力変換器１０９と、リニアモータ２０との間に設けられており、電力変換器１０９からリニアモータ２０に流される電流の電流値を検出し、検出した電流値を示す信号を電流制御器１０８に出力する。
パルス生成器１１１は、ＭＲセンサ２７から出力される信号から、可動子２５が移動する距離及び方向を示すパルス信号を出力する。
【００４４】
速度検出器１１２は、パルス生成器１１１から入力されるパルス信号と、固定子２１に配列されている駆動用磁石２４の磁極ピッチとに基づいて、可動子２５が固定子２１に対して移動する速度を算出し、算出した速度を示す信号を出力する。
平均化器１１４は、スイッチ１１３を介して速度検出器１１２から入力される可動子２５の速度を示すパルス信号から可動子２５の速度の平均値を算出し、算出した平均値を示す信号を速度制御器１０４に出力する。
【００４５】
位置検出器１１５は、パルス生成器１１１から入力されるパルス信号と、固定子２１に配列されている駆動用磁石２４の磁極ピッチとに基づいて、予め定めた基準位置から可動子２５までの駆動用磁石２４が配列されている配列方向における距離を算出する。換言すると、位置検出器１１５は、固定子２１に備えられている軌道レール２３上における可動子２５の位置を算出し、算出した位置を示す信号を位置制御器１０１に出力する。
【００４６】
例えば、位置検出器１１５は、入力されるパルス信号のパルスの数をカウントして、可動子２５の位置を算出する。また、基準位置には、例えば、可動子２５の軌道レール２３上の可動範囲におけるいずれか一点が選択される。
上述したように、ＭＲセンサ２７、パルス生成器１１１、及び位置検出器１１５は、可動子２５の位置の検出を行うリニアエンコーダを実現している。なお、位置検出器１１５は、リニアモータ装置１の起動時において、検出する位置の基準位置となる原点の検出を行う。
【００４７】
制御モード選択器１１６には、外部から位置指令と、微分器１０５から加速度指令とが入力される。制御モード選択器１１６は、入力される位置指令及び加速度指令に基づいて、スイッチ１０３、１０７、１１３それぞれを切り替えることにより、停止制御、加速度制御、及び速度制御のうちいずれかの制御方法を選択してリニアモータ２０に電流を印加する。
【００４８】
停止制御は、スイッチ１０３が端子Ｓ１を選択し、スイッチ１０７が端子Ｓ５を選択し、スイッチ１１３が端子Ｓ３を選択することにより行われる制御である。
停止制御では、位置制御器１０１、速度制御器１０４、電流制御器１０８、電力変換器１０９、パルス生成器１１１、位置検出器１１５による制御のループと、速度制御器１０４、電流制御器１０８、電力変換器１０９、パルス生成器１１１、速度検出器１１２による制御のループとが形成される。また、停止制御では、位置検出器１１５が検出する可動子２５の位置を示す信号に基づいて、可動子２５が動かないように電流が印加される。
【００４９】
加速度制御は、スイッチ１０７が端子Ｓ６を選択することにより行われる制御である。
加速度制御では、位置指令に基づいたオープンループ制御が行われる。
【００５０】
速度制御は、スイッチ１０３が端子Ｓ２を選択し、スイッチ１０７が端子Ｓ５を選択し、スイッチ１１３が端子Ｓ４を選択することにより行われる制御である。
速度制御では、位置制御器１０１、速度制御器１０４、電流制御器１０８、電力変換器１０９、パルス生成器１１１、位置検出器１１５による制御のループと、速度制御器１０４、電流制御器１０８、電力変換器１０９、パルス生成器１１１、速度検出器１１２、平均化器１１４による制御のループとが形成される。
【００５１】
図８は、本実施形態における制御モード選択器１１６の動作を示すフローチャートである。
制御装置１０において、リニアモータ２０の制御が開始されると、制御モード選択器１１６は、入力される位置指令により示される距離が０であるか否かを判定する（ステップＳ１０１）。
【００５２】
入力される位置指令により示される距離が０である場合（ステップＳ１０１：ＹＥＳ）、制御モード選択器１１６は、スイッチ１０３、１０７、１１３を切り替えて停止制御を選択し（ステップＳ１０２）、ステップＳ１０１に戻る。
一方、入力される位置指令により示される距離が０でない場合（ステップＳ１０１：ＮＯ）、制御モード選択器１１６は、入力される加速度指令により示される値が０であるか否かを判定する（ステップＳ１０３）。
【００５３】
加速度指令により示される値が０でない場合（ステップＳ１０３：ＮＯ）、制御モード選択器１１６は、スイッチ１０３、１０７、１１３を切り替えて加速度制御を選択し（ステップＳ１０４）、ステップＳ１０１に戻る。
一方、加速度指令により示される値が０である場合（ステップＳ１０３：ＹＥＳ）、制御モード選択器１１６は、スイッチ１０３、１０７、１１３を切り替えて速度制御を選択し（ステップＳ１０５）、ステップＳ１０１に戻る。
【００５４】
上述のように、本実施形態における制御装置１０は、制御モード選択器１１６が、加速度指令により示される値が０である場合、速度制御を選択するようにした。すなわち、可動子２５を一定の速度で駆動する場合、速度制御器１０４は、位置制御器１０１が算出した第１の速度指令と、平均化器１１４により算出された速度の平均値との差分から、固定子２５の速度が第１の速度指令により示される速度になるように、リニアモータ２０の電機子６０に備えられている複数のコイル２８ｕ、２８ｖ、２８ｗに流す電流値を示す第１の電流指令を算出する。そして、電流制御器１０８は、速度制御器１０４が算出した第１の電流指令に応じて、コイル２８ｕ、２８ｖ、２８ｗに電流を流す制御を行う。
【００５５】
これにより、ＭＲセンサ２７が出力する信号に周期的な変動成分が含まれる場合においても、検出した速度を平均化して制御に用いるので、検出した速度に含まれる周期的な変動成分を抑圧することができ、リニアモータ２０を安定して制御することができる。
また、リニアモータ２０の可動子２５を等速にて移動させる場合、可動子２５の平均速度に基づいて第１の電流指令を算出するので、速度に含まれる周期的な変動性分が平均化により抑圧され、第１の電流指令を安定させることができる。その結果、コイル２８ｕ、２８ｖ、２８ｗに印加する電流を安定させることができ、電流値の変化に伴うコイル２８ｕ、２８ｖ、２８ｗの過剰な発熱を抑えることができる。また、コイル２８ｕ、２８ｖ、２８ｗに流れる電流値が安定させることができ、消費電力が増加することを防ぐことができる。
更に、コイル２８ｕ、２８ｖ、２８ｗの過剰な発熱を抑えることができるので、コイル２８ｕ、２８ｖ、２８ｗの発熱によるリニアモータ２０の劣化を抑えることができる。
また、制御装置１０における制御方法の切り替えは、制御装置１０に設けられる制御用のマイコンなどのプログラム変更により容易に実現できる。そのため、周期的な変動成分が出力する信号に含まれないようにする対策が施された高価なＭＲセンサを用いる場合に比べ、製造コストを増加させることなく、安定したリニアモータ２０の制御を実現することができる。
【００５６】
また、制御装置１０は、制御モード選択器１１６が、加速度指令により示される値が０でない場合、加速度制御を選択するようにした。すなわち、可動子２５を加速（減速）させて駆動する場合、電力変換器１０９は、加速度制御器１０６が算出した第２の電流指令に基づいて、コイル２８ｕ、２８ｖ、２８ｗに電流を流す制御を行う。
これにより、制御装置１０は、可動子２５を加速（減速）させて駆動する場合、入力される位置指令に基づいたオープンループ制御をするので、ＭＲセンサ２７が出力する信号に含まれる周期的な変動成分の影響を受けることなく、リニアモータ２０の制御をするので、リニアモータ２０を安定して制御することができる。また、可動子２５を加速（減速）させて駆動する場合、ＭＲセンサ２７の影響により速度が変化しているようにみえているのか、可動子２５が加速しているので速度が変化しているのかを区別する複雑な判定を用いる必要がないので、制御装置１０の構成が複雑になることを防ぐことができる。
【００５７】
制御モード選択器１１６は、微分器１０５が算出する加速度指令が０（ゼロ）を示す場合、速度制御を選択し、前記加速度指令が０（ゼロ）を示さない場合、加速度制御を選択するようにした。
これにより、加速度制御のために算出する加速度指令を流用して、リニアモータ２０の制御方法を選択するので、制御モード選択器１１６が行う演算を容易にすることができる。
【００５８】
また、制御装置１０において、平均化器１１４は、スイッチ１１３が端子Ｓ４を選択してから入力される速度の平均値を算出するようにした。すなわち、平均化器１１４は、速度制御が選択されてから現在までの間に、速度検出器１１２が検出した速度の平均値を算出するようにした。
これにより、速度検出器１１２が検出した速度を示す情報の全てを用いて平均を算出するので、平均値（平均速度）に含まれる周期的な変動成分を十分に抑圧することができ、可動子２５を等速で移動させる場合により安定した制御を行うことができる。
【００５９】
なお、上記の実施形態において、平均化器１１４は、速度制御が選択されてから現在までの可動子２５の速度の平均値を算出する構成を説明したが、これに限らず、制御モード選択器１１６が速度制御を選択している場合、駆動用磁石２４の磁極ピッチを整数倍した距離により定められる区間ごとに、速度検出器１１２が検出した速度の平均値を算出し、算出した平均値のうち最も新しい平均値を速度制御器１０４に出力するようにしてもよい。
これにより、平均化器１１４において、速度の平均値を算出するための演算量を削減して応答性を改善することができ、可動子２５を高速で移動させる場合にも安定して制御を行うことができる。これは、ＭＲセンサ２７が出力する信号に含まれる周期的な変動成分が、駆動用磁石２４の磁極ピッチに応じて変化するような場合などに特に有効である。
【００６０】
なお、上記の実施形態において、電機子６０を備えた可動子２５が、駆動用磁石２４を備えた固定子２１に対して、相対的に直線運動をするフラットタイプのリニアモータ２０を制御する構成を説明した。しかし、これに限らず、ロッドタイプの駆動用磁石を備えた可動子が、電機子（コイル）を備えた固定子に対して相対的に直線運動をするロッドタイプのリニアモータに適用するようにしてもよい。
【００６１】
なお、上記の実施形態において、速度の平均値は、平均化器１１４が入力される速度の平均を算出する構成を説明したが、速度制御が選択されている間に移動した距離を、当該距離の移動に要した時間で除算して算出するようにしてもよい。
【００６２】
上述のリニアモータ２０の制御装置１０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、上述した制御装置１０に備えられている各機能部が行う処理の過程は、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、上記の処理が行われることになる。ここで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。また、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。
【符号の説明】
【００６３】
１…リニアモータ装置、１０…制御装置、２０…リニアモータ、２１…固定子、２５…可動子、２７…ＭＲセンサ、１０１…位置制御器、１０２…微分器、１０３…スイッチ、１０４…速度制御器、１０５…微分器（加速度算出部）、１０６…加速度制御器、１０７…スイッチ、１０８…電流制御器、１０９…電力変換器、１１０…変流器、１１１…パルス生成器、１１２…速度検出器、１１３…スイッチ、１１４…平均化器、１１５…位置検出器、１１６…制御モード選択器
【技術分野】
【０００１】
本発明は、リニアモータの制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
リニアモータの制御は、例えば、可動子の現在の位置と、可動子を移動させる目標位置との距離に基づいて行われている。リニアモータの可動子の位置を検出するために、例えば、駆動用磁石が生じさせている磁界を検出する磁気センサが用いられている（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−３２７１８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、磁気センサは、その特性上、出力する信号に周期的な変動成分が含まれることがある。周期的な変動成分は、例えば、磁気センサに対向する磁極がＮ極の場合と、Ｓ極の場合とにおいて、出力する信号のレベルなどが異なるために生じてしまう。
この場合、磁気センサが出力する信号に基づいて可動子の位置検出を行うと、信号に含まれる周期的な変動成分の影響を受けて、得られる位置の情報に周期的な変動成分が含まれてしまう。
このような場合、磁気センサが出力する信号に基づいて位置検出を行い、検出した位置を示す信号を用いてリニアモータの制御を行うと、位置を示す信号に含まれる周期的な変動成分の影響により、リニアモータの制御が乱れてしまうという問題がある。
【０００５】
図９は、リニアモータを駆動した際における可動子の移動速度と、リニアモータに印加する電流の電流値との一例を示す模式図である。同図において、横軸は時間を示し、縦軸は可動子が移動する速度及びリニアモータに流れる電流値を示している。
【０００６】
同図には、一般的なリニアモータの駆動パターンが示されている。時刻Ｔ１から時刻Ｔ２までは、可動子を加速させて駆動する期間である。時刻Ｔ２から時刻Ｔ３までは、可動子を一定の速度にて駆動させる期間である。時刻Ｔ３から時刻Ｔ４までは、可動子を減速させて駆動する期間であり、時刻Ｔ４において可動子を所望の位置に停止させる。
【０００７】
時刻Ｔ２から時刻Ｔ３の等速域において、破線により表されている波形は、磁気センサの出力に周期的な変動成分が含まれていない場合の電流値を示し、実線により表されている波形は、磁気センサの出力に周期的な変動成分が含まれている場合の電流値を示している。
【０００８】
リニアモータにおいて、可動子を等速で駆動する場合、一般に、可動子と固定子との間に生じる摩擦力に相当する力を可動子に加える必要がある。そのために、図において破線により示されている波形のように、可動子に対する推力と、摩擦力とがつりあう一定の電流をリニアモータに流す。
【０００９】
しかし、磁気センサが出力する信号に周期的な変動成分が含まれていると、当該信号に基づいて検出された速度が周期的に変動してしまう。このとき、リニアモータを制御する装置は、検出される速度を一定に保とうとして、加速と減速とを繰り返す制御をしてしまう。このため、図９に示すようにリニアモータに流す電流が周期的に変化することになり、制御が安定せずに乱れてしまうことがある。
【００１０】
すなわち、可動子の位置を検出するための磁気センサから出力される信号に基づいてリニアモータの制御を行っている場合、磁気センサの出力に周期的な変動成分が含まれると、周期的な変動成分の影響により、リニアモータの制御が安定せずに乱れてしまうという問題がある。
【００１１】
本発明は、上記問題を解決すべくなされたもので、その目的は、磁気センサが出力する信号に周期的な変動成分が含まれる場合においても、リニアモータを安定して制御できるリニアモータの制御装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記問題を解決するために、本発明は、Ｎ極とＳ極とが交互に等間隔に配列された複数の駆動用磁石を備える駆動用磁石部と、複数のコイルを備える電機子とを具備し、前記電機子又は前記駆動用磁石部のいずれか一方が可動子であり、前記電機子に備えられている複数のコイルに電流を流して生じる磁界と、前記駆動用磁石が生じさせる磁界とにより前記駆動用磁石の配列された配列方向に前記可動子を直線運動させるリニアモータの制御装置であって、前記電機子に備えられている磁気センサであって前記駆動用磁石が生じさせている磁界の方向に応じた信号を出力する磁気センサと、前記磁気センサが出力する信号に基づいて前記可動子が移動する速度を検出する速度検出部と、前記速度検出部が検出した前記可動子の平均速度と、外部より単位時間ごとに入力される位置指令であって単位時間当たりに前記可動子を移動させる距離を示す位置指令から算出される速度指令との差分から前記複数のコイルに流す電流値を示す第１の電流指令を算出する速度制御部と、前記速度制御部が算出した第１の電流指令に基づいて前記複数のコイルに電流を印加する電力変換部とを備えることを特徴とするリニアモータの制御装置である。
【発明の効果】
【００１３】
この発明によれば、磁気センサが出力する信号に周期的な変動成分が含まれる場合においても、リニアモータを安定して制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本実施形態におけるリニアモータ装置の構成を示す概略図である。
【図２】本実施形態におけるＭＲセンサの原理を示す斜視図である。
【図３】本実施形態におけるリニアモータの斜視図（テーブルの断面を含む）である。
【図４】本実施形態におけるリニアモータの正面図である。
【図５】本実施形態における可動子の移動方向に沿った断面図を示す図である。
【図６】本実施形態におけるＭＲセンサ及びコイルと、駆動用磁石との相対的な位置との相対的な位置を示す模式図である。
【図７】本実施形態における制御装置１０の構成を示す概略ブロック図である。
【図８】本実施形態における制御モード選択器の動作を示すフローチャートである。
【図９】リニアモータを駆動した際における可動子の移動速度と、リニアモータに印加する電流の電流値との一例を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
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の制御装置を説明する。
図１は、本発明の実施形態におけるリニアモータ装置１の構成を示す概略図である。
同図に示すように、リニアモータ装置１は、制御装置１０と、リニアモータ２０とを具備している。制御装置１０は、リニアモータ２０を駆動させる制御をする装置である。リニアモータ２０は、長尺の固定子２１と、固定子２１上を移動する可動子２５と、固定子２１及び可動子２５を組み付ける一対の案内装置２２、２２を備えている。
【００１６】
案内装置２２は、例えば、ボールを介して組みつけられた軌道レール２３及びスライドブロック２６から構成されている。案内装置２２の軌道レール２３は、固定子２１が有するベース５４に固定され、案内装置２２のスライドブロック２６は、可動子２５に固定されている。これにより、可動子２５は、固定子２１上を軌道レール２３に沿って自在に案内されるようになっている。
【００１７】
また、固定子２１は、一対の軌道レール２３、２３の間に並べられた複数の駆動用磁石２４を備えている。複数の駆動用磁石２４は、可動子２５が移動する方向（以下、移動方向という）において、Ｎ極及びＳ極の磁極が交互になるように並べられている。また、各駆動用磁石２４は、移動方向において、同じ長さを有しており、可動子２５の位置に関わらず一定の推力が得られるようになっている。
【００１８】
可動子２５は、複数のコイルを有する電機子６０と、移動対象を取り付けるテーブル５３と、ＭＲ（Magnetoresitive Elements；磁気抵抗素子）センサ２７とを備えている。
ＭＲセンサ２７は、磁気センサの一種であり、固定子２１に配列されている駆動用磁石２４が生じさせる磁界の磁束線の方向に応じた信号を制御装置１０に出力する。
【００１９】
図２は、本実施形態におけるＭＲセンサ２７の原理を示す斜視図である。同図に示すように、シリコン（Ｓｉ）又はガラス基板２７１と、その上に形成されたニッケル（Ｎｉ）、鉄（Ｆｅ）などの強磁性金属を主成分とする合金の強磁性薄膜金属で形成される磁気抵抗素子２７２とを有する。磁気抵抗素子２７２は、電流の流れる方向（Ｙ軸方向）に対して、磁気抵抗素子２７２を通過する磁束の方向がなす角度に応じて、抵抗値が変化する。
【００２０】
ＭＲセンサ２７は、複数の磁気抵抗素子２７２を組み合わせて、２つのフルブリッジ回路を構成し、２つのフルブリッジ回路が４５°の位相差を有する信号を出力するように配置されている。このように、特定の磁界方向で抵抗値が変化する素子を、ＡＭＲ（Anisotropic Magneto-Resistance；異方性磁気抵抗素子）センサという（参考文献：「垂直タイプＭＲセンサ技術資料」、[online]、２００５年１０月１日、浜松光電株式会社、「２０１０年５月６日検索」、インターネット＜ＵＲＬ；http://www.hkd.co.jp/technique/img/amr-note1.pdf＞）。
【００２１】
図１に戻って、制御装置１０は、ＭＲセンサ２７が出力する信号に基づいて、固定子２１上における可動子２５の位置及び移動する速度を算出する。また、制御装置１０は、算出した可動子２５の位置及び速度と、上位の制御装置より入力される位置指令とに応じて、電機子６０が有している複数のコイルに電流を流す。
これにより、複数のコイルに生じる磁界と、固定子２１に配置されている駆動用磁石２４により生じる磁界との作用により、可動子２５を軌道レール２３に沿って駆動させる。
【００２２】
図３、図４を用いて、本実施形態におけるリニアモータ２０の構成を説明する。
図３は、本実施形態におけるリニアモータ２０の斜視図（テーブル５３の断面を含む）である。図４は、本実施形態におけるリニアモータ２０の正面図である。
【００２３】
リニアモータ２０は、上述のように、固定子２１が、Ｎ極又はＳ極が着磁されている面を可動子２５に向けて配列されている複数の板状の駆動用磁石２４を備え、可動子２５が、固定子２１に対して相対的に直線運動をするフラットタイプのリニアモータである。可動子２５に備えられている電機子６０は、駆動用磁石２４とすきまｇを介して対向している。
【００２４】
固定子２１が有する細長く伸びているベース５４上には、上述の複数の駆動用磁石２４が、移動方向に一列に配列されている。ベース５４は、底壁部５４ａと、底壁部５４ａの幅方向の両側に設けられている一対の側壁部５４ｂとから構成されている。底壁部５４ａには、上述の複数の駆動用磁石２４が取り付けられている。
【００２５】
各駆動用磁石２４には、移動方向と直交する方向（図４において上下方向）の両端面にＮ極及びＳ極が形成されている。複数の駆動用磁石２４は、それぞれが隣接する一対の駆動用磁石２４に対して磁極を反転させた状態で並べられている。
これにより、可動子２５に取り付けられているＭＲセンサ２７に対し、可動子２５が移動した際に、駆動用磁石２４のＮ極とＳ極との磁極が交互に対向するようになっている。
【００２６】
ベース５４の側壁部５４ｂの上面には、案内装置２２の軌道レール２３が取り付けられている。軌道レール２３には、上述したように、スライドブロック２６がスライド可能に組み付けられている。軌道レール２３と、スライドブロック２６との間には、転がり運動可能に複数のボールが介在されている（図示せず)。
【００２７】
スライドブロック２６には、複数のボールを循環させるためのトラック状のボール循環経路が設けられている。軌道レール２３に対して、スライドブロック２６がスライドすると、複数のボールがこれらの間を転がり運動し、また複数のボールがボール循環経路を循環する。これにより、スライドブロック２６の円滑な直線運動が可能になる。
【００２８】
案内装置２２のスライドブロック２６の上面には、可動子２５のテーブル５３が取り付けられている。テーブル５３は、例えば、アルミニウムなどの非磁性素材からなり、移動対象が取り付けられる。テーブル５３の下面には、電機子６０が吊り下げられている。図４の正面図に示されるように、駆動用磁石２４と電機子６０との間には、すきまｇが設けられている。案内装置２２は、電機子６０が駆動用磁石２４に対して相対的に移動するときも、このすきまｇを一定に維持する。
【００２９】
図５は、本実施形態における可動子２５の移動方向に沿った断面図を示す図である。
テーブル５３の下面には、断熱材６３を介して電機子６０が取り付けられている。電機子６０は、珪素鋼などの磁性素材からなるコア６４と、上述した複数のコイルであり、コア６４の突極６４ｕ、６４ｖ、６４ｗに巻かれるコイル２８ｕ、２８ｖ、２８ｗとを有している。
【００３０】
コイル２８ｕ、２８ｖ、２８ｗそれぞれには、位相差を有する三相交流が制御装置１０から供給される。突極６４ｕ、６４ｖ、６４ｗに３つのコイル２８ｕ、２８ｖ、２８ｗを巻いた後、３つのコイル２８ｕ、２８ｖ、２８ｗは、樹脂封止される。
また、テーブル５３の下面には、電機子６０を挟んで一対の補助コア６７が取り付けられている。補助コア６７は、リニアモータ２０に発生するコギングを低減するために設けられている。
【００３１】
図６は、本実施形態におけるＭＲセンサ２７及びコイル２８ｕ、２８ｖ、２８ｗと、駆動用磁石２４との相対的な位置との相対的な位置を示す模式図である。
固定子２１には、上述したように、ベース５４の底壁部５４ａ上に、駆動用磁石２４が配列されている。より詳細には、ＭＲセンサ２７に対しＮ極を向けて配置されている駆動用磁石２４Ｎと、ＭＲセンサ２７に対しＳ極を向けて配置されている駆動用磁石２４Ｓとが、移動方向に交互に配列されている。
【００３２】
可動子２５において、コイル２８ｕ、２８ｖ、２８ｗは、固定子２１に配置された駆動用磁石２４の中心を通過し、移動方向に対し平行な直線上を通過に配列されている。また、ＭＲセンサ２７は、コイル２８ｕ、２８ｖ、２８ｗと同様に、各駆動用磁石２４の中心を通過し、移動方向に対し平行な直線上を通過する位置に取り付けられている。これにより、ＭＲセンサ２７を駆動用磁石２４が生じさせる磁界の最も強い位置を通過させることができる。
【００３３】
図７は、本実施形態における制御装置１０の構成を示す概略ブロック図である。
同図に示すように、制御装置１０は、位置制御器１０１、微分器１０２、１０５、スイッチ１０３、１０７、１１３、速度制御器１０４、加速度制御器１０６、電流制御器１０８、電力変換器１０９、変流器１１０、パルス生成器１１１、速度検出器１１２、平均化器１１４、位置検出器１１５、及び制御モード選択器１１６を備えている。
【００３４】
位置制御器１０１は、位置検出器１１５から入力されるリニアモータ２０の可動子２５の位置を示す信号と、上位の制御装置から入力される位置指令とに基づいて、リニアモータ２０の可動子２５を位置指令により示される位置に移動させるための第１の速度指令を算出する。
ここで、上位の制御装置は、可動子２５を移動させる目標位置までの距離に応じて、単位時間当たりに可動子２５を移動させる距離の示す信号列を生成する。例えば、上位の制御装置は、可動子２５を移動させる目標位置までの距離に応じた駆動パターン（図９に示した加速域、等速域、減速域それぞれにおける期間の長さと、等速域における速度との組み合わせ）を生成し、生成した駆動パターンから毎単位時間における可動子２５を移動させる距離を算出して、位置指令として単位時間ごとに位置制御器１０１に入力する。
【００３５】
第１の速度指令は、位置指令により示される距離に対する可動子２５が単位時間内に移動した距離の偏差（差分）に、可動子２５を移動させる際の摩擦抵抗などのリニアモータ２０が有する特性を考慮して予め設定された係数を乗じて算出される値である。また、第１の速度指令を算出するための係数は、シミュレーションや測定の結果などに基づいて定められる値である。
なお、第１の速度指令は、位置指令により示される距離に対する可動子２５の位置の偏差を用いたＰＩ演算又はＰＩＤ演算などにより算出するようにしてもよい。
【００３６】
微分器１０２は、外部から入力される位置指令により示される距離の変化量に基づいて第２の速度指令を算出する。具体的には、微分器１０２は、単位時間ごとに入力される位置指令の差分を第２の速度指令として算出する。
【００３７】
速度制御器１０４には、位置制御器１０１が算出した第１の速度指令、及び微分器１０２が算出した第２の速度指令のうちスイッチ１０３により選択されるいずれか一方の速度指令が入力される。また、速度制御器１０４には、速度検出器１１２が検出した可動子２５が移動する速度、あるいは、当該速度の平均値（平均速度）のいずれかがスイッチ１１３により選択されて入力される。
【００３８】
また、速度制御器１０４は、入力される速度指令に対する可動子２５が移動する速度の偏差、又は入力される速度指令に対する速度の平均値の偏差のいずれかを用いたＰＩ演算又はＰＩＤ演算により第１の電流指令を算出する。ここで、第１の電流指令は、速度指令により示される可動子２５が移動する際の速度を得るためにコイル２８ｕ、２８ｖ、２８ｗに印加する電流値を示す信号である。
【００３９】
微分器１０５は、微分器１０２が算出する第２の速度指令の変化量に基づいて加速度指令を算出する。加速度指令は、可動子２５に与える加速度を示す信号である。例えば、微分器１０５は、単位時間ごとに入力される第２の速度指令の差分を加速度指令として算出する。
【００４０】
加速度制御器１０６は、微分器１０５が算出する加速度指令により示される加速度を得るための電流値である第２の電流指令を算出する。第２の電流指令は、加速度指令により示される加速度に対して、可動子２５を移動させる際の摩擦抵抗などのリニアモータ２０が有する特性を考慮して予め設定された係数を乗じて、あるいはＰＩ演算又はＰＩＤ演算により算出される電流値を示す信号である。
【００４１】
電流制御器１０８には、スイッチ１０７により選択される、速度制御器１０４が算出する第１の電流指令、及び加速度制御器１０６が算出する第２の電流指令のいずれか一方の電流指令と、変流器１１０により検出されるリニアモータ２０に流れる電流値とが入力される。また、電流制御器１０８は、ＰＩ制御又はＰＩＤ制御などにより、リニアモータ２０に流れる電流値が、電流指令により示される値になるように電力変換器１０９を制御する電圧指令を算出する。
【００４２】
電力変換器１０９は、リニアモータ２０のコイルの数に応じて設けられ、スイッチング素子を有する上アーム及び下アームを有しているインバータ回路である。また、電力変換器１０９は、電流制御器１０８より入力される電圧指令に応じて、スイッチング素子のオン・オフを切り替えるＰＷＭ制御により、スイッチング素子を介して電機子６０に備えられているコイル２８ｕ、２８ｖ、２８ｗに電力を供給して、可動子２５を駆動する。スイッチング素子は、例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor；絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）などの半導体素子が用いられる。
【００４３】
変流器１１０は、電力変換器１０９と、リニアモータ２０との間に設けられており、電力変換器１０９からリニアモータ２０に流される電流の電流値を検出し、検出した電流値を示す信号を電流制御器１０８に出力する。
パルス生成器１１１は、ＭＲセンサ２７から出力される信号から、可動子２５が移動する距離及び方向を示すパルス信号を出力する。
【００４４】
速度検出器１１２は、パルス生成器１１１から入力されるパルス信号と、固定子２１に配列されている駆動用磁石２４の磁極ピッチとに基づいて、可動子２５が固定子２１に対して移動する速度を算出し、算出した速度を示す信号を出力する。
平均化器１１４は、スイッチ１１３を介して速度検出器１１２から入力される可動子２５の速度を示すパルス信号から可動子２５の速度の平均値を算出し、算出した平均値を示す信号を速度制御器１０４に出力する。
【００４５】
位置検出器１１５は、パルス生成器１１１から入力されるパルス信号と、固定子２１に配列されている駆動用磁石２４の磁極ピッチとに基づいて、予め定めた基準位置から可動子２５までの駆動用磁石２４が配列されている配列方向における距離を算出する。換言すると、位置検出器１１５は、固定子２１に備えられている軌道レール２３上における可動子２５の位置を算出し、算出した位置を示す信号を位置制御器１０１に出力する。
【００４６】
例えば、位置検出器１１５は、入力されるパルス信号のパルスの数をカウントして、可動子２５の位置を算出する。また、基準位置には、例えば、可動子２５の軌道レール２３上の可動範囲におけるいずれか一点が選択される。
上述したように、ＭＲセンサ２７、パルス生成器１１１、及び位置検出器１１５は、可動子２５の位置の検出を行うリニアエンコーダを実現している。なお、位置検出器１１５は、リニアモータ装置１の起動時において、検出する位置の基準位置となる原点の検出を行う。
【００４７】
制御モード選択器１１６には、外部から位置指令と、微分器１０５から加速度指令とが入力される。制御モード選択器１１６は、入力される位置指令及び加速度指令に基づいて、スイッチ１０３、１０７、１１３それぞれを切り替えることにより、停止制御、加速度制御、及び速度制御のうちいずれかの制御方法を選択してリニアモータ２０に電流を印加する。
【００４８】
停止制御は、スイッチ１０３が端子Ｓ１を選択し、スイッチ１０７が端子Ｓ５を選択し、スイッチ１１３が端子Ｓ３を選択することにより行われる制御である。
停止制御では、位置制御器１０１、速度制御器１０４、電流制御器１０８、電力変換器１０９、パルス生成器１１１、位置検出器１１５による制御のループと、速度制御器１０４、電流制御器１０８、電力変換器１０９、パルス生成器１１１、速度検出器１１２による制御のループとが形成される。また、停止制御では、位置検出器１１５が検出する可動子２５の位置を示す信号に基づいて、可動子２５が動かないように電流が印加される。
【００４９】
加速度制御は、スイッチ１０７が端子Ｓ６を選択することにより行われる制御である。
加速度制御では、位置指令に基づいたオープンループ制御が行われる。
【００５０】
速度制御は、スイッチ１０３が端子Ｓ２を選択し、スイッチ１０７が端子Ｓ５を選択し、スイッチ１１３が端子Ｓ４を選択することにより行われる制御である。
速度制御では、位置制御器１０１、速度制御器１０４、電流制御器１０８、電力変換器１０９、パルス生成器１１１、位置検出器１１５による制御のループと、速度制御器１０４、電流制御器１０８、電力変換器１０９、パルス生成器１１１、速度検出器１１２、平均化器１１４による制御のループとが形成される。
【００５１】
図８は、本実施形態における制御モード選択器１１６の動作を示すフローチャートである。
制御装置１０において、リニアモータ２０の制御が開始されると、制御モード選択器１１６は、入力される位置指令により示される距離が０であるか否かを判定する（ステップＳ１０１）。
【００５２】
入力される位置指令により示される距離が０である場合（ステップＳ１０１：ＹＥＳ）、制御モード選択器１１６は、スイッチ１０３、１０７、１１３を切り替えて停止制御を選択し（ステップＳ１０２）、ステップＳ１０１に戻る。
一方、入力される位置指令により示される距離が０でない場合（ステップＳ１０１：ＮＯ）、制御モード選択器１１６は、入力される加速度指令により示される値が０であるか否かを判定する（ステップＳ１０３）。
【００５３】
加速度指令により示される値が０でない場合（ステップＳ１０３：ＮＯ）、制御モード選択器１１６は、スイッチ１０３、１０７、１１３を切り替えて加速度制御を選択し（ステップＳ１０４）、ステップＳ１０１に戻る。
一方、加速度指令により示される値が０である場合（ステップＳ１０３：ＹＥＳ）、制御モード選択器１１６は、スイッチ１０３、１０７、１１３を切り替えて速度制御を選択し（ステップＳ１０５）、ステップＳ１０１に戻る。
【００５４】
上述のように、本実施形態における制御装置１０は、制御モード選択器１１６が、加速度指令により示される値が０である場合、速度制御を選択するようにした。すなわち、可動子２５を一定の速度で駆動する場合、速度制御器１０４は、位置制御器１０１が算出した第１の速度指令と、平均化器１１４により算出された速度の平均値との差分から、固定子２５の速度が第１の速度指令により示される速度になるように、リニアモータ２０の電機子６０に備えられている複数のコイル２８ｕ、２８ｖ、２８ｗに流す電流値を示す第１の電流指令を算出する。そして、電流制御器１０８は、速度制御器１０４が算出した第１の電流指令に応じて、コイル２８ｕ、２８ｖ、２８ｗに電流を流す制御を行う。
【００５５】
これにより、ＭＲセンサ２７が出力する信号に周期的な変動成分が含まれる場合においても、検出した速度を平均化して制御に用いるので、検出した速度に含まれる周期的な変動成分を抑圧することができ、リニアモータ２０を安定して制御することができる。
また、リニアモータ２０の可動子２５を等速にて移動させる場合、可動子２５の平均速度に基づいて第１の電流指令を算出するので、速度に含まれる周期的な変動性分が平均化により抑圧され、第１の電流指令を安定させることができる。その結果、コイル２８ｕ、２８ｖ、２８ｗに印加する電流を安定させることができ、電流値の変化に伴うコイル２８ｕ、２８ｖ、２８ｗの過剰な発熱を抑えることができる。また、コイル２８ｕ、２８ｖ、２８ｗに流れる電流値が安定させることができ、消費電力が増加することを防ぐことができる。
更に、コイル２８ｕ、２８ｖ、２８ｗの過剰な発熱を抑えることができるので、コイル２８ｕ、２８ｖ、２８ｗの発熱によるリニアモータ２０の劣化を抑えることができる。
また、制御装置１０における制御方法の切り替えは、制御装置１０に設けられる制御用のマイコンなどのプログラム変更により容易に実現できる。そのため、周期的な変動成分が出力する信号に含まれないようにする対策が施された高価なＭＲセンサを用いる場合に比べ、製造コストを増加させることなく、安定したリニアモータ２０の制御を実現することができる。
【００５６】
また、制御装置１０は、制御モード選択器１１６が、加速度指令により示される値が０でない場合、加速度制御を選択するようにした。すなわち、可動子２５を加速（減速）させて駆動する場合、電力変換器１０９は、加速度制御器１０６が算出した第２の電流指令に基づいて、コイル２８ｕ、２８ｖ、２８ｗに電流を流す制御を行う。
これにより、制御装置１０は、可動子２５を加速（減速）させて駆動する場合、入力される位置指令に基づいたオープンループ制御をするので、ＭＲセンサ２７が出力する信号に含まれる周期的な変動成分の影響を受けることなく、リニアモータ２０の制御をするので、リニアモータ２０を安定して制御することができる。また、可動子２５を加速（減速）させて駆動する場合、ＭＲセンサ２７の影響により速度が変化しているようにみえているのか、可動子２５が加速しているので速度が変化しているのかを区別する複雑な判定を用いる必要がないので、制御装置１０の構成が複雑になることを防ぐことができる。
【００５７】
制御モード選択器１１６は、微分器１０５が算出する加速度指令が０（ゼロ）を示す場合、速度制御を選択し、前記加速度指令が０（ゼロ）を示さない場合、加速度制御を選択するようにした。
これにより、加速度制御のために算出する加速度指令を流用して、リニアモータ２０の制御方法を選択するので、制御モード選択器１１６が行う演算を容易にすることができる。
【００５８】
また、制御装置１０において、平均化器１１４は、スイッチ１１３が端子Ｓ４を選択してから入力される速度の平均値を算出するようにした。すなわち、平均化器１１４は、速度制御が選択されてから現在までの間に、速度検出器１１２が検出した速度の平均値を算出するようにした。
これにより、速度検出器１１２が検出した速度を示す情報の全てを用いて平均を算出するので、平均値（平均速度）に含まれる周期的な変動成分を十分に抑圧することができ、可動子２５を等速で移動させる場合により安定した制御を行うことができる。
【００５９】
なお、上記の実施形態において、平均化器１１４は、速度制御が選択されてから現在までの可動子２５の速度の平均値を算出する構成を説明したが、これに限らず、制御モード選択器１１６が速度制御を選択している場合、駆動用磁石２４の磁極ピッチを整数倍した距離により定められる区間ごとに、速度検出器１１２が検出した速度の平均値を算出し、算出した平均値のうち最も新しい平均値を速度制御器１０４に出力するようにしてもよい。
これにより、平均化器１１４において、速度の平均値を算出するための演算量を削減して応答性を改善することができ、可動子２５を高速で移動させる場合にも安定して制御を行うことができる。これは、ＭＲセンサ２７が出力する信号に含まれる周期的な変動成分が、駆動用磁石２４の磁極ピッチに応じて変化するような場合などに特に有効である。
【００６０】
なお、上記の実施形態において、電機子６０を備えた可動子２５が、駆動用磁石２４を備えた固定子２１に対して、相対的に直線運動をするフラットタイプのリニアモータ２０を制御する構成を説明した。しかし、これに限らず、ロッドタイプの駆動用磁石を備えた可動子が、電機子（コイル）を備えた固定子に対して相対的に直線運動をするロッドタイプのリニアモータに適用するようにしてもよい。
【００６１】
なお、上記の実施形態において、速度の平均値は、平均化器１１４が入力される速度の平均を算出する構成を説明したが、速度制御が選択されている間に移動した距離を、当該距離の移動に要した時間で除算して算出するようにしてもよい。
【００６２】
上述のリニアモータ２０の制御装置１０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、上述した制御装置１０に備えられている各機能部が行う処理の過程は、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、上記の処理が行われることになる。ここで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。また、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。
【符号の説明】
【００６３】
１…リニアモータ装置、１０…制御装置、２０…リニアモータ、２１…固定子、２５…可動子、２７…ＭＲセンサ、１０１…位置制御器、１０２…微分器、１０３…スイッチ、１０４…速度制御器、１０５…微分器（加速度算出部）、１０６…加速度制御器、１０７…スイッチ、１０８…電流制御器、１０９…電力変換器、１１０…変流器、１１１…パルス生成器、１１２…速度検出器、１１３…スイッチ、１１４…平均化器、１１５…位置検出器、１１６…制御モード選択器
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｎ極とＳ極とが交互に等間隔に配列された複数の駆動用磁石を備える駆動用磁石部と、複数のコイルを備える電機子とを具備し、前記電機子又は前記駆動用磁石部のいずれか一方が可動子であり、前記電機子に備えられている複数のコイルに電流を流して生じる磁界と、前記駆動用磁石が生じさせる磁界とにより前記駆動用磁石の配列された配列方向に前記可動子を直線運動させるリニアモータの制御装置であって、
前記電機子に備えられている磁気センサであって前記駆動用磁石が生じさせている磁界の方向に応じた信号を出力する磁気センサと、
前記磁気センサが出力する信号に基づいて前記可動子が移動する速度を検出する速度検出部と、
前記速度検出部が検出した前記可動子の平均速度と、外部より単位時間ごとに入力される位置指令であって単位時間当たりに前記可動子を移動させる距離を示す位置指令から算出される速度指令との差分から前記複数のコイルに流す電流値を示す第１の電流指令を算出する速度制御部と、
前記速度制御部が算出した第１の電流指令に基づいて前記複数のコイルに電流を印加する電力変換部と
を備えることを特徴とするリニアモータの制御装置。
【請求項２】
前記速度制御部は、前記可動子を等速にて移動させる等速制御を行う場合、前記速度検出部が検出した前記可動子の平均速度と、前記速度指令との差分から前記第１の電流指令を算出する
ことを特徴とする請求項１に記載のリニアモータの制御装置。
【請求項３】
前記位置指令に基づいて、前記可動子の速度を加速させる加速度制御と、前記等速制御とのいずれか一方を選択する制御モード選択部を更に備え、
前記速度制御部は、前記制御モード選択部が前記等速制御を選択した場合、前記速度検出部が検出した前記可動子の平均速度と、前記速度指令との差分から前記第１の電流指令を算出し、前記制御モード選択部が前記加速度制御を選択した場合、前記速度検出部が検出した現在の前記可動子の速度と、前記速度指令との差分から前記第１の電流指令を算出する
ことを特徴とする請求項２に記載のリニアモータの制御装置。
【請求項４】
前記位置指令から前記可動子に与える加速度を示す加速度指令を算出する加速度算出部と、
前記加速度算出部が算出する加速度指令に基づいて前記複数のコイルに流す電流値を示す第２の電流指令を算出する加速度制御部と、
前記電力変換部は、前記可動子を加速させて駆動する場合、前記加速度制御部が算出する第２の電流指令に基づいて前記複数のコイルに電流を印加する
ことを特徴とする請求項３に記載のリニアモータの制御装置。
【請求項５】
前記制御モード選択部は、
前記加速度算出部が算出する加速度指令が０（ゼロ）を示す場合、等速制御を選択し、前記加速度指令が０（ゼロ）を示さない場合、加速度制御を選択する
ことを特徴とする請求項３又は請求項４のいずれかに記載のリニアモータの制御装置。
【請求項６】
前記速度制御部は、
前記制御モード選択部が等速制御を選択してから現在までの間に、前記速度検出部が検出した速度の平均値を前記平均速度として用いる
ことを特徴とする請求項３から請求項５のいずれか一項に記載のリニアモータの制御装置。
【請求項７】
前記速度制御部は、
前記制御モード選択部が等速制御を選択している場合、
前記複数の駆動用磁石において隣り合う駆動用磁石の磁極間の距離を整数倍した距離により定められる区間ごとに、前記速度検出部が検出した速度の平均値を算出し、算出した平均値のうち最も新しい平均値を前記平均速度として用いる
ことを特徴とする請求項３から請求項５のいずれか一項に記載のリニアモータの制御装置。
【請求項１】
Ｎ極とＳ極とが交互に等間隔に配列された複数の駆動用磁石を備える駆動用磁石部と、複数のコイルを備える電機子とを具備し、前記電機子又は前記駆動用磁石部のいずれか一方が可動子であり、前記電機子に備えられている複数のコイルに電流を流して生じる磁界と、前記駆動用磁石が生じさせる磁界とにより前記駆動用磁石の配列された配列方向に前記可動子を直線運動させるリニアモータの制御装置であって、
前記電機子に備えられている磁気センサであって前記駆動用磁石が生じさせている磁界の方向に応じた信号を出力する磁気センサと、
前記磁気センサが出力する信号に基づいて前記可動子が移動する速度を検出する速度検出部と、
前記速度検出部が検出した前記可動子の平均速度と、外部より単位時間ごとに入力される位置指令であって単位時間当たりに前記可動子を移動させる距離を示す位置指令から算出される速度指令との差分から前記複数のコイルに流す電流値を示す第１の電流指令を算出する速度制御部と、
前記速度制御部が算出した第１の電流指令に基づいて前記複数のコイルに電流を印加する電力変換部と
を備えることを特徴とするリニアモータの制御装置。
【請求項２】
前記速度制御部は、前記可動子を等速にて移動させる等速制御を行う場合、前記速度検出部が検出した前記可動子の平均速度と、前記速度指令との差分から前記第１の電流指令を算出する
ことを特徴とする請求項１に記載のリニアモータの制御装置。
【請求項３】
前記位置指令に基づいて、前記可動子の速度を加速させる加速度制御と、前記等速制御とのいずれか一方を選択する制御モード選択部を更に備え、
前記速度制御部は、前記制御モード選択部が前記等速制御を選択した場合、前記速度検出部が検出した前記可動子の平均速度と、前記速度指令との差分から前記第１の電流指令を算出し、前記制御モード選択部が前記加速度制御を選択した場合、前記速度検出部が検出した現在の前記可動子の速度と、前記速度指令との差分から前記第１の電流指令を算出する
ことを特徴とする請求項２に記載のリニアモータの制御装置。
【請求項４】
前記位置指令から前記可動子に与える加速度を示す加速度指令を算出する加速度算出部と、
前記加速度算出部が算出する加速度指令に基づいて前記複数のコイルに流す電流値を示す第２の電流指令を算出する加速度制御部と、
前記電力変換部は、前記可動子を加速させて駆動する場合、前記加速度制御部が算出する第２の電流指令に基づいて前記複数のコイルに電流を印加する
ことを特徴とする請求項３に記載のリニアモータの制御装置。
【請求項５】
前記制御モード選択部は、
前記加速度算出部が算出する加速度指令が０（ゼロ）を示す場合、等速制御を選択し、前記加速度指令が０（ゼロ）を示さない場合、加速度制御を選択する
ことを特徴とする請求項３又は請求項４のいずれかに記載のリニアモータの制御装置。
【請求項６】
前記速度制御部は、
前記制御モード選択部が等速制御を選択してから現在までの間に、前記速度検出部が検出した速度の平均値を前記平均速度として用いる
ことを特徴とする請求項３から請求項５のいずれか一項に記載のリニアモータの制御装置。
【請求項７】
前記速度制御部は、
前記制御モード選択部が等速制御を選択している場合、
前記複数の駆動用磁石において隣り合う駆動用磁石の磁極間の距離を整数倍した距離により定められる区間ごとに、前記速度検出部が検出した速度の平均値を算出し、算出した平均値のうち最も新しい平均値を前記平均速度として用いる
ことを特徴とする請求項３から請求項５のいずれか一項に記載のリニアモータの制御装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１２−５２５８（Ｐ２０１２−５２５８Ａ）
【公開日】平成２４年１月５日（２０１２．１．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１３８４１９（Ｐ２０１０−１３８４１９）
【出願日】平成２２年６月１７日（２０１０．６．１７）
【出願人】（３９００２９８０５）ＴＨＫ株式会社 (420)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１月５日（２０１２．１．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年６月１７日（２０１０．６．１７）
【出願人】（３９００２９８０５）ＴＨＫ株式会社 (420)
【Ｆターム（参考）】
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