(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電機子から発生する磁界の移動によって可動子が移動するリニア同期モータの当該電機子に流れる電流を制御するリニア同期モータ制御方法において、
前記可動子の移動速度が、所定のセンサレスベクトル制御によって前記可動子を前記電機子から発生する磁界の移動に同期して移動させることができる範囲内の予め定められた所定速度より速い場合には、当該センサレスベクトル制御を用いて前記電機子に流れる電流を制御し、
前記所定速度よりも速い速度で移動していた前記可動子の移動速度が低下することにより前記移動速度が前記所定速度よりも遅くなってから前記可動子が停止するまでの間、界磁の作る磁束の方向をｄ軸とし、ｄ軸に対してπ／２進んだ位相をｑ軸とするｄ−ｑ座標において、位置指令に対応したｄ軸の電気角を生成し、ｄ軸電機子に電流が流れ、且つｑ軸電機子に電流が流れないように、ｄ軸電機子電流及びｑ軸電機子電流を制御することを特徴とするリニア同期モータ制御方法。
【請求項２】
請求項１に記載のリニア同期モータ制御方法において、
前記可動子の移動可能範囲のうち、リニアスケールを読み取り前記可動子の位置を検出する位置センサによって当該位置を検出することができる範囲を前記可動子が移動しているときに当該可動子を停止させる場合には、当該位置センサによって検出された前記可動子の位置に基づいて前記電機子に流れる電流を制御することを特徴とするリニア同期モータ制御方法。
【請求項３】
電機子から発生する磁界の移動によって可動子が移動するリニア同期モータの当該電機子に流れる電流を制御する制御装置において、
所定のセンサレスベクトル制御を用いて前記電機子に流れる電流を制御するセンサレスベクトル制御手段と、
オープンループ制御を用いて前記電機子に流れる電流を制御するオープンループ制御手段と、
前記電機子に流れる電流を制御させる制御手段を選択する選択手段と、
を備え、
前記オープンループ制御手段は、
界磁の作る磁束の方向をｄ軸とし、ｄ軸に対してπ／２進んだ位相をｑ軸とするｄ−ｑ座標において、位置指令に対応したｄ軸の電気角を生成する位相生成手段と、
前記電機子に流れる３相交流電流を検出する電流検出手段と、
前記位相生成手段が生成した前記電気角に基づいて、前記電流検出手段が検出した３相交流電流を、ｄ軸電機子電流及びｑ軸電機子電流に座標変換する３相交流／ｄ−ｑ座標変換手段と、
ｄ軸電機子に電流が流れ、且つｑ軸電機子に電流が流れないように、ｄ軸電機子電流及びｑ軸電機子電流を制御する電流制御手段と、
を有し、
前記選択手段は、
前記可動子の移動速度が、前記センサレスベクトル制御によって前記可動子を前記電機子から発生する磁界の移動に同期して移動させることができる範囲内の予め定められた所定速度より速い場合には、前記センサレスベクトル制御手段を選択し、前記所定速度よりも速い速度で移動していた前記可動子の移動速度が低下することにより前記移動速度が前記所定速度よりも遅くなってから前記可動子が停止するまでの間、前記オープンループ制御手段を選択することを特徴とする制御装置。
【請求項４】
請求項３に記載の制御装置において、
リニアスケールを読み取り前記可動子の位置を検出する位置センサによって検出された当該位置に基づいて、フィードバック制御を用いて前記電機子に流れる電流の制御を行うフィードバック制御手段を更に備え、
前記選択手段は、
前記可動子の移動可能範囲のうち、前記位置センサによって当該位置を検出することができる範囲を前記可動子が移動しているときに当該可動子を停止させる場合には、前記フィードバック制御手段を選択することを特徴とする制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、界磁に永久磁石を用いるリニア同期モータの制御方法及び制御装置の技術分野に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、永久磁石による界磁と電機子から発生する移動磁界によって可動子が直進運動するリニア同期モータにおいては、位置センサ、速度センサ、磁極センサ等を使用して可動子の位置や移動速度を制御している。【０００３】
一方で、こうしたセンサを使用することなくリニア同期モータを駆動させる制御方法としては、センサレスベクトル制御が一般的に用いられている（例えば、特許文献１）。センサレスベクトル制御においては、可動子の位置や移動速度を、リニア同期モータの回転によって電機子に生じる誘導起電力を用いて推定する方法が一般的である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−２２３５８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、誘導起電力が小さくなる低速走行時や減速停止時においては、可動子の位置や移動速度を正確に推定することができないため、可動子の位置や移動速度を制御することが困難であった。従って、センサレスベクトル制御は、可動子の位置決めを必要とする用途では使用されていなかった。【０００６】
本発明は、以上の点に鑑みてなされたものであり、位置センサを用いることなく、等速域ではセンサレスベクトル制御で滑らかに可動子を移動させ、且つ、停止制御及び低速域での制御も可能とするリニア同期モータ制御方法及び制御装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、電機子から発生する磁界の移動によって可動子が移動するリニア同期モータの当該電機子に流れる電流を制御するリニア同期モータ制御方法において、前記可動子の移動速度が、所定のセンサレスベクトル制御によって前記可動子を前記電機子から発生する磁界の移動に同期して移動させることができる範囲内の予め定められた所定速度より速い場合には、当該センサレスベクトル制御を用いて前記電機子に流れる電流を制御し、前記所定速度よりも速い速度で移動していた前記可動子の移動速度が低下することにより前記移動速度が前記所定速度よりも遅くなってから前記可動子が停止するまでの間、界磁の作る磁束の方向をｄ軸とし、ｄ軸に対してπ／２進んだ位相をｑ軸とするｄ−ｑ座標において、位置指令に対応したｄ軸の電気角を生成し、ｄ軸電機子に電流が流れ、且つｑ軸電機子に電流が流れないように、ｄ軸電機子電流及びｑ軸電機子電流を制御することを特徴とする。
【０００８】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のリニア同期モータ制御方法において、前記可動子の移動可能範囲のうち、リニアスケールを読み取り前記可動子の位置を検出する位置センサによって当該位置を検出することができる範囲を前記可動子が移動しているときに当該可動子を停止させる場合には、当該位置センサによって検出された前記可動子の位置に基づいて前記電機子に流れる電流を制御することを特徴とする。【０００９】
請求項３に記載の発明は、電機子から発生する磁界の移動によって可動子が移動するリニア同期モータの当該電機子に流れる電流を制御する制御装置において、所定のセンサレスベクトル制御を用いて前記電機子に流れる電流を制御するセンサレスベクトル制御手段と、オープンループ制御を用いて前記電機子に流れる電流を制御するオープンループ制御手段と、前記電機子に流れる電流を制御させる制御手段を選択する選択手段と、を備え、前記オープンループ制御手段は、界磁の作る磁束の方向をｄ軸とし、ｄ軸に対してπ／２進んだ位相をｑ軸とするｄ−ｑ座標において、位置指令に対応したｄ軸の電気角を生成する位相生成手段と、前記電機子に流れる３相交流電流を検出する電流検出手段と、前記位相生成手段が生成した前記電気角に基づいて、前記電流検出手段が検出した３相交流電流を、ｄ軸電機子電流及びｑ軸電機子電流に座標変換する３相交流／ｄ−ｑ座標変換手段と、ｄ軸電機子に電流が流れ、且つｑ軸電機子に電流が流れないように、ｄ軸電機子電流及びｑ軸電機子電流を制御する電流制御手段と、を有し、前記選択手段は、前記可動子の移動速度が、前記センサレスベクトル制御によって前記可動子を前記電機子から発生する磁界の移動に同期して移動させることができる範囲内の予め定められた所定速度より速い場合には、前記センサレスベクトル制御手段を選択し、前記所定速度よりも速い速度で移動していた前記可動子の移動速度が低下することにより前記移動速度が前記所定速度よりも遅くなってから前記可動子が停止するまでの間、前記オープンループ制御手段を選択することを特徴とする。
【００１０】
請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の制御装置において、リニアスケールを読み取り前記可動子の位置を検出する位置センサによって検出された当該位置に基づいて、フィードバック制御を用いて前記電機子に流れる電流の制御を行うフィードバック制御手段を更に備え、前記選択手段は、前記可動子の移動可能範囲のうち、前記位置センサによって当該位置を検出することができる範囲を前記可動子が移動しているときに当該可動子を停止させる場合には、前記フィードバック制御手段を選択することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、可動子の移動速度が所定速度よりも速いときにはセンサレスベクトル制御による可動子の移動の制御が可能であるので、この場合には、当該センサレスベクトル制御によって可動子を滑らかに移動させることができ、且つ、可動子の移動速度が所定速度よりも遅い場合には、位置指令に対応した電子角を生成し、ｄ軸電機子に電流が流れ且つｑ軸電機子に電流が流れないように制御することによって、可動子の停止制御や低速域での制御も行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】第１実施形態に係るリニアモータシステム１の概要構成を示す図である。
【図２】第１実施形態に係るオープンループ制御を説明するための同期モータを示す概略図である。
【図３】第１実施形態に係るオープンループ制御を説明するための制御装置の一例のブロック図である。
【図４】ｄ−ｑ座標で表された同期モータの動作図であり、（ａ）は、位置検出器を用いた従来のフィードバック制御の動作図であり、（ｂ）は、位置検出器を使用しない本実施形態のオープンループ制御の動作図である。
【図５】第１実施形態に係るドライバ３の概要構成の一例を示すブロック図である。
【図６】第１実施形態において、電機子６ａを、マグネットプレート６ｂの長手方向一端から他端まで移動させた場合における移動時間と移動速度との関係を示すグラフである。
【図７】第１実施形態に係るドライバ３の制御切替器４１の処理例を示すフローチャートである。
【図８】第２実施形態に係るリニアモータシステム１０の概要構成を示す図である。
【図９】図９は、第２実施形態に係るドライバ３０の概要構成の一例を示すブロック図である。
【図１０】第２実施形態に係るドライバ３０の制御切替器４１の処理例を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明を実施するための好適な実施形態について、図面を参照しつつ説明する。なお、以下の各実施形態は、各請求項に係る発明を限定するものではなく、また、各実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
【００１４】
［１．第１実施形態］
以下、リニア同期モータとして、フラットタイプのリニア同期モータに本発明を適用した場合における実施形態について説明する。
【００１５】
［１．１  リニアモータシステムの構成］
まず、第１実施形態に係るリニアモータシステム１の構成を、図１を用いて説明する。ここで、図１は、第１実施形態に係るリニアモータシステム１の概要構成を示す図である。
【００１６】
図１に示すように、リニアモータシステム１は、アクチュエータ２と、制御装置としてのドライバ３と、を備えている。そして、アクチュエータ２は、スライダ（移動体）４と、スライダ４をスライド自在に支持するベース５と、を備えている。
【００１７】
スライダ４の駆動手段としては、リニア同期モータ６が採用されている。リニア同期モータ６は、スライダ４の下部に取り付けられた可動子としての電機子６ａと、ベース５の底面に取り付けられた固定子としてのマグネットプレート６ｂと、から構成される。電機子６ａは、磁性素材からなるコアと、コアの突極に巻かれた３相コイルと、から構成される。３相コイルのそれぞれには、３相交流電流が供給される。マグネットプレート６ｂは、複数の永久磁石がその表面にＮ極とＳ極との磁極が交互に現れるようにベース５の長手方向に並べられて構成されている。３相コイルに３相電流が流れると、紙面左右方向に移動する移動磁界が発生する。電機子６ａ及びスライダ４は、移動磁界により推力を得て、移動磁界の速さに同期して直進運動する。
【００１８】
電機子６ａの３相コイルに流れる３相電流は、ドライバ３によって制御される。ドライバ３から出力された３相電流は、動力ケーブル５１を介して電機子６ａに供給される。直動装置には、リニアスケール及び位置センサは取り付けられてはいない。従って、ドライバ３は、フィードバック制御は行わない。その代わり、ドライバ３は、スライダ４（電機子６ａ）の移動速度に応じて、センサレスベクトル制御と、ｄ軸電機子に電流が流れ且つｑ軸電機子に電流が流れないように制御するオープンループ制御と、選択的に切り替えながら行う。
【００１９】
［１．２  本実施形態に係るオープンループ制御の原理］
次に、本実施形態においてドライバ４が行うオープンループ制御の原理について、図２を用いて説明する。ここで、図２は、第１実施形態に係るオープンループ制御を説明するための同期モータを示す概略図である。図３は、第１実施形態に係るオープンループ制御を説明するための制御装置の一例を示すブロック図である。
【００２０】
界磁が直線的に移動するリニア同期モータにおいても、回転座標のｄ−ｑ座標系を用いてｄ，ｑ軸電機子電流を制御することができる。同期モータの固定された部分と可動する部分をともに、回転する直交座標へ変換するのがｄ−ｑ変換であり、その座標系がｄ−ｑ座標系である。ｑ軸はｄ軸に対してπ／２進んだ位相にある。ｄ軸は界磁の作る磁束の方向にとるのが一般的である。
【００２１】
図２において、Ｖｄａ，ｖｑａはｄ，ｑ軸電機子電圧、ｉｄａ，ｉｑａはｄ，ｑ軸電機子電流，φｆａは電機子巻線鎖交磁束数，Ｒａは電機子巻線抵抗，Ｌａは電機子巻線の自己インダクタンスである。この等価回路から電圧、電流、インピーダンスの関係式、すなわち回路方程式を求めると、
【００２２】
【数１】
0005487105.tif 000002
【００２３】
となる。この式の右辺第２項は、永久磁石の界磁によってｄ，ｑ軸電機子巻線に誘起する速度起電力ｅｄａ，ｅｑａを表しており、ｅｄａ＝０，ｅｑａ・＝ωｒｅφｆａである。図２は、電機子巻線がＤＣモータのように整流子に接続されて半径方向に無数にあり、それらに界磁と同じ速度で回転するｄ，ｑ軸上に配置されたブラシを通してＶｄａ，Ｖｑａが印加され、ｉｄａ，ｉｑａが流れるということを示している。Ｖｄａ，Ｖｑａを直流電圧にすれば、ｉｄａ，ｉｑａも直流電圧になり、２軸直流で扱える。
【００２４】
数１式を状態方程式（微分方程式）に変形すると、
【００２５】
【数２】
0005487105.tif 000003
【００２６】
が得られる。この式は、ｄ，ｑ軸電機子電圧であるＶｄａとＶｑａで、ｄ，ｑ軸電機子電流であるｉｄａ，ｉｑａを制御できることを意味している。
【００２７】
図３は、第１実施形態に係るオープンループ制御を説明するための制御装置の一例のブロック図である。この制御装置は、同期モータを駆動するにあたり、位置検出器を使用せず、同期モータのｄ軸（永久磁石の磁束の方向）に一定の電流を常時流し、オープンループで同期モータを駆動する。
【００２８】
制御装置は、位置指令を受ける位置制御器１１と、ｑ軸，ｄ軸電機子電流を制御するｑ軸電機子電流制御器１２及びｄ軸電機子電流制御器１３と、位置指令に応じた電気角を生成する位相検出器１４と、ｑ軸，ｄ軸電機子電圧指令に応じて、同期モータに電力を供給する電圧形ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）インバータなどの電力変換器１５と、３相交流／ｄ−ｑ座標変換手段としてのベクトル回転器・３相交流／ｄ−ｑ座標変換器１６と、同期モータ２０からの帰還電流を検出する電流検出器１７と、ベクトル回転器・ｄ−ｑ座標／３相交流変換器１９と、を備えている。
【００２９】
コンピュータなどの上位制御装置から、位置指令θ＊ｒｍが位置制御器１１に与えられる。位置制御器１１は、位置指令θ＊ｒｍを位相検出器１４に出力する。位相検出器１４は、位置指令に対応した電気角θ＊ｒｅを算出し、電気角θ＊ｒｅを３相交流／ｄ−ｑ座標変換手段であるベクトル回転器・３相交流／ｄ−ｑ座標変換器１６に出力する。ベクトル回転器・３相交流／ｄ−ｑ座標変換器１６は、電気角θ＊ｒｅに基づいて、電流検出器１７からの３相帰還電流値ｉｕ，ｉｖ，ｉｗを、ｑ軸電機子電流ｉｑａとｄ軸電機子電流ｉｄａに変換する。
【００３０】
ｑ軸電機子電流制御器１２は、ｑ軸電機子電流指令とｑ軸電機子電流ｉｑａとの偏差を取り、ｑ軸電機子電圧の指令値ｖ＊ｑａを演算する。ここで、ｑ軸電機子電流指令は、０に設定される。ｑ軸電機子電流制御器１２は、ｑ軸電機子電流ｉｑａが０になるように、ｑ軸電機子電流ｉｑａを制御する。従来のサーボモータにおいては、必要とするトルクに応じてｑ軸電機子電流指令が可変していたが、本実施形態に係るオープンループ制御においては、ｑ軸電機子電流指令が常に０に設定されることに特徴がある。
【００３１】
ｄ軸電機子電流制御器１３は、ｄ軸電機子電流指令とｄ軸電機子電流ｉｄａとの偏差を取り、ｄ軸電機子電圧の指令値ｖ＊ｄａを演算する。ここで、ｄ軸電機子電流指令は一定の電流値、例えば同期モータの定格電流に設定される。定格電流とは、同期モータに長時間電流を流しても同期モータが焼けない電流値である。従来のサーボモータにおいては、ｄ軸電流指令ｉ＊ｄａは通常０に設定されるが、本実施形態では、一定の電流値に設定されることに特徴がある。
【００３２】
ベクトル回転器・ｄ−ｑ座標／３相交流変換器１９は、これらの電圧指令ｖ＊ｄａ，ｖ＊ｑａ及び電気角θ＊ｒｅに基づいて、３相電圧指令ｖ＊ｕ，ｖ＊ｖ，ｖ＊ｗを出力する。電力変換器１５は、これらの電圧指令に基づいて、出力電圧をＰＷＭ制御し、同期モータ２０に流れる電流を制御する。
【００３３】
図４は、ｄ−ｑ座標で表された同期モータの動作図である。図４（ａ）が位置検出器を用いた従来のフィードバック制御の動作図を示し、図４（ｂ）が位置検出器を使用しない本実施形態のオープンループ制御の動作図を示す。従来のフィードバック制御においては、ｄ軸電機子電流を０にし、ｑ軸電機子電流を必要なトルクに合わせた値になるように制御していた。ｑ軸電機子に電流を流すことで、トルクが発生し、同期モータ２０の永久磁石２３が回転していた（（ａ１）→（ａ２）→（ａ３））。ｄ軸の位置（磁極位置）は、位置検出器が検出した位置情報から算出されていた。
【００３４】
これに対して、本実施形態のオープンループ制御においては、まず、位置指令から駆動させる永久磁石２３の磁極位置指令２２（ｄ軸指令）を算出する。そして、ｄ軸電機子に一定の電流を流し、ｑ軸電機子に電流が流れないように、ｄ軸電機子電流及びｑ軸電機子電流を制御する。そうすると、永久磁石２３の磁極位置（ｄ軸の位置）は、磁極位置指令２２に引き付けられて磁極位置指令２２の位置で止まる。図４（ｂ）中（ｂ１）→（ｂ２）→（ｂ３）と順番に磁極位置指令２２を変化させると、永久磁石２３が回転することになる。停止時には、同期モータ２０に定格電流を流したときの保持力が発生する。
【００３５】
本実施形態のオープンループ制御においては、ｑ軸電機子に電流を流していないので、同期モータ２０に発生するトルクが小さい。このため、同期モータ２０に負荷がかかっているときは、電気角の変化に同期モータ２０が追従しない恐れがある。しかし、同期モータ２０に定格電流を流すことで、同期モータ２０のトルクを大きくすることができる。また、電気角を＋５度、＋１０度、＋１５度等徐々に大きくするにつれて、同期モータ２０には徐々に大きなトルクが働くので（電気角を＋９０度にするときに、最も大きなトルクが働く）、電気角を大きくすることで同期モータを動作させることができる。同期モータが一旦動作したときは、後はその慣性によって同期モータが動作し続けるので、最終的に電気角に近づくことができる。
【００３６】
［１．３  ドライバの構成］
次に、本実施形態に係るドライバ３の構成について、図５を用いて説明する。ここで、図５は、第１実施形態に係るドライバ３の概要構成の一例を示すブロック図である。
【００３７】
図５に示すように、ドライバ３は、位置指令を受ける位置制御器３１と、リニア同期モータ６の電機子６ａの移動速度を制御する速度制御器３２と、電機子６ａの位置及び移動速度を推定する位置速度推定器３３と、ｑ軸，ｄ軸電機子電流を制御する電流制御手段としてのｑ軸電機子電流制御器３４及びｄ軸電機子電流制御器３５と、位置指令に応じた電気角を生成する位相生成手段としての位相検出器３６と、ｑ軸，ｄ軸電機子電圧指令に応じて、同期モータに電力を供給する電圧形ＰＷＭインバータなどの電力変換器３７と、３相交流／ｄ−ｑ座標変換手段としてのベクトル回転器・３相交流／ｄ−ｑ座標変換器３９と、同期モータ２０からの帰還電流を検出する電流検出手段としての電流検出器３８と、ベクトル回転器・ｄ−ｑ座標／３相交流変換器４０と、センサレスベクトル制御とオープンループ制御とを切替制御する選択手段としての制御切替器４１と、を備えている。
【００３８】
ここで、位置制御器３１、速度制御器３２、位置速度推定器３３、ｑ軸電機子電流制御器３４、ｄ軸電機子電流制御器３５、位相検出器３６、電力変換器３７、電流検出器３８、ベクトル回転器・３相交流／ｄ−ｑ座標変換器３９及びベクトル回転器・ｄ−ｑ座標／３相交流変換器４０は、センサレスベクトル制御手段を構成する。また、位置制御器３１、ｑ軸電機子電流制御器３４、ｄ軸電機子電流制御器３５、位相検出器３６、電力変換器３７、電流検出器３８、ベクトル回転器・３相交流／ｄ−ｑ座標変換器３９及びベクトル回転器・ｄ−ｑ座標／３相交流変換器４０は、オープンループ制御手段を構成する。
【００３９】
位置制御器３１は、制御切替器４１からの制御指令に応じて、２通りの制御を行う。この制御指令には、センサレスベクトル制御指令とオープンループ制御指令とがある。位置制御器３１は、制御指令がセンサレスベクトル制御指令である場合には、コンピュータなどの上位制御装置から出力された位置指令θ＊ｒｍと、位置速度推定器３３から出力された推定位置θ＾ｒｍと、の偏差に基づいて速度指令ω＊ｒｍを演算し、この速度指令ω＊ｒｍを速度制御器３２に出力する。一方、位置制御器３１は、制御指令がオープンループ制御指令である場合には、上位制御装置から出力された位置指令θ＊ｒｍを位相検出器１４に出力する。
【００４０】
速度制御器３２は、制御切替器４１からの制御指令に応じて、２通りの制御を行う。位置制御器３１は、制御指令がセンサレスベクトル制御指令である場合には、位置制御器３１から出力された速度指令ω＊ｒｍと、位置速度推定器３３から出力された推定速度ω＾ｒｍと、の偏差に基づいて推力指令を演算し、更にｑ軸電流指令ｉ＊ｑａを演算する。また、速度制御器３２は、このｑ軸電流指令ｉ＊ｑａをｑ軸電機子電流制御器３４に出力するとともに、ｄ軸電流指令ｉ＊ｄａを通常０に設定してｄ軸電機子電流制御器３５に出力する。一方、速度制御器３２は、制御指令がオープンループ制御指令である場合には、ｄ軸電流指令ｉ＊ｄａを、例えば定格電流に設定してｄ軸電機子電流制御器３５に出力するとともに、ｑ軸電流指令ｉ＊ｑａを０に設定してｑ軸電機子電流制御器３４に出力する。
【００４１】
位置速度推定器３３は、制御切替器４１からセンサレスベクトル制御指令が出力されたときに動作する。具体的に、位置速度推定器３３は、ベクトル回転器・３相交流／ｄ−ｑ座標変換器３９から出力されたｄ軸電機子電流ｉｄａ及びｑ軸電機子電流ｉｑａと、ｄ軸電流制御器から出力されたｄ軸電機子電圧指令と、ｑ軸電流制御器から出力されたｑ軸電機子電圧指令と、に基づいて、推定位置θ＾ｒｍ及び推定速度ω＾ｒｍを演算する。推定位置及び推定速度の推定方法は、一般的なセンサレスベクトル制御に用いられる方法を適用することができる。また、電圧指令及び電機子電流の何れか一方のみに基づいて推定位置及び推定速度を演算してもよい。位置速度推定器３３は、推定位置θ＾ｒｍを位置制御器３１と位相検出器３６とに出力するとともに、推定速度ω＾ｒｍを速度制御器と制御切替器４１とに出力する。
【００４２】
位相検出器３６には、制御切替器４１から位置制御器３１及び位置速度推定器３３に出力される制御指令に応じて、位置指令θ＊ｒｍ又は推定位置θ＾ｒｍが供給される。制御指令がセンサレスベクトル制御指令である場合には、位相検出器３６には、位置速度推定器３３から推定位置θ＾ｒｍが供給される。一方、制御指令がオープンループ制御指令である場合には、位相検出器３６には、位置指令θ＊ｒｍが供給される。そして、位相検出器３６は、位置指令θ＊ｒｍ又は推定位置θ＾ｒｍに対応した電気角θ＊ｒｅを算出し、電気角θ＊ｒｅをベクトル回転器・３相交流／ｄ−ｑ座標変換器３９とベクトル回転器・ｄ−ｑ座標／３相交流変換器４０に出力する。
【００４３】
ベクトル回転器・３相交流／ｄ−ｑ座標変換器３９は、電気角θ＊ｒｅに基づいて、電流検出器３８からの３相帰還電流値ｉｕ，ｉｖ，ｉｗを、ｑ軸電機子電流ｉｑａとｄ軸電機子電流ｉｄａに変換する。
【００４４】
ｑ軸電機子電流制御器３４は、ｑ軸電機子電流指令とｑ軸電機子電流ｉｑａとの偏差を取り、ｑ軸電機子電圧の指令値ｖ＊ｑａを演算し、この指令値ｖ＊ｑａを位置速度推定器３３とベクトル回転器・ｄ−ｑ座標／３相交流変換器４０とに出力する。
【００４５】
ｄ軸電機子電流制御器３５は、ｄ軸電機子電流指令とｄ軸電機子電流ｉｄａとの偏差を取り、ｄ軸電機子電圧の指令値ｖ＊ｄａを演算し、この指令値ｖ＊ｄａを位置速度推定器３３とベクトル回転器・ｄ−ｑ座標／３相交流変換器４０とに出力する。
【００４６】
ベクトル回転器・ｄ−ｑ座標／３相交流変換器４０は、ｑ軸電機子電流制御器３４及びｄ軸電機子電流制御器３５からの電圧指令ｖ＊ｄａ，ｖ＊ｑａ及び位相検出器３６からの電気角θ＊ｒｅに基づいて、３相電圧指令ｖ＊ｕ，ｖ＊ｖ，ｖ＊ｗを出力する。電力変換器１５は、これらの電圧指令に基づいて、出力電圧をＰＷＭ制御し、リニア同期モータ６の電機子６ａに流れる電流を制御する。
【００４７】
制御切替器４１は、リニア同期モータ６の電機子６ａの移動速度に基づいて、センサレスベクトル制御又はオープンループ制御の何れを行うかを決定し、その結果としての制御指令を位置制御器３１、速度制御器３２及び位置速度推定器３３に出力する。
【００４８】
基本的に、センサレスベクトル制御で電機子６ａの移動を制御した方が、本実施形態に係るオープンループ制御で制御するよりも、電機子６ａはスムーズに移動する。しかし、電機子６ａに移動速度が低速になるとセンサレスベクトル制御による制御が効かなくなる。つまり、センサレスベクトル制御による位置の推定及び速度の推定は、例えば、電機子６ａの移動速度に応じて電機子６ａに発生する誘導起電力を、電機子６ａへの印可電圧又は帰還電流に基づいて求めることにより行うのであるが、電機子６ａが停止していたり、移動速度があまりにも低いと、誘導起電力を検知することができない。そうすると、電機子６ａから発生する磁界を電機子６ａの移動に同期させて移動させることができない。
【００４９】
従って、制御切替器４１は、予め設定された速度αで制御の切り替えを行う。この速度αは、電機子６ａの移動をセンサレスベクトル制御によって電機子６ａから発生する磁界の移動に同期して移動させることができる速度範囲内において、予め設定された速度であり、テストやシミュレーション等の結果に基づいて設定される。センサレスベクトル制御による制御域を増やしたい場合には、電機子６ａの移動が制御可能な範囲で速度αを低めに設定する。
【００５０】
図６は、電機子６ａを、マグネットプレート６ｂの長手方向一端から他端まで移動させた場合における移動時間と移動速度との関係を示すグラフであり、同図において、横軸が移動時間であり、縦軸が移動速度である。
【００５１】
図６に示すように、電機子６ａは、移動時間＝０の時点の停止した状態から移動を開始し、時間ｔ２の時点まで加速していき、時間ｔ２〜ｔ３の間は等速度で移動する。その後、電機子６ａは減速し、時間ｔｅの時点で停止する。ここで、電機子６ａが移動を開始してから移動速度が速度αに達する時間ｔ１までの間は、オープンループ制御を行う。次いで、時間ｔ１からｔ２及びｔ２からｔ３までの間は、センサレスベクトル制御を行う。そして、時間ｔ３から移動速度が速度αに落ちる時間ｔ４までの間は、引き続きセンサレスベクトル制御を行い。時間ｔ４からｔｅまでの間は、オープンループ制御を行う。
【００５２】
つまり、制御切替器４１は、電機子６ａの移動速度が速度α以上である場合には、センサレスベクトル制御指令を出力し、電機子６ａの移動速度が速度α未満である場合には、オープンループ制御指令を出力する。
【００５３】
ここで、移動速度が速度α以上である場合には、位置速度推定器３３により電機子６ａの位置及び移動速度が推定することができるので、制御切替器４１は、位置速度推定器３３から出力された推定位置ω＾ｒｍに基づいて、どちらの制御を行うかを決定する。なお、推定位置ω＾ｒｍは、電機子６ａの移動速度と等価である。
【００５４】
一方、移動速度が速度α未満である場合には、位置速度推定器３３により電機子６ａの位置及び移動速度を正確に推定することができない可能性があるので、制御切替器４１は、上位制御器からの位置指令θ＊ｒｍに基づいて、電機子６ａの移動速度を算出する。本実施形態に係るオープンループ制御は、位置指令θ＊ｒｍに対応した電気角θ＊ｒｅを生成し、連続的に供給される位置指令θ＊ｒｍに従って電気角θ＊ｒｅが連続的に変化することによって、この電気角θ＊ｒｅの変化と同期して電機子６ａが移動するので、位置指令θ＊ｒｍから電機子６ａの移動速度が求められる。
【００５５】
なお、電機子６ａの初期位置をドライバ３に認識させる方法としては、磁極センサを用いる方法がある。また、磁極センサを用いることなく、設定された位置に電機子６ａを強制的に移動させ、これによって電機子６ａの初期位置の認識に代えることもできる。これは、例えば、電機子６ａのＵ相のコイルの中心を基準として、所定の電気角でドライバ３から電機子６ａに直流電流を供給することによって行われる。このときの電気角は任意に設定可能である。直流電流によって電機子６ａは励磁され、Ｕ相のコイルの中心から前記の電気角だけ離れた位置のマグネットプレート６ｂに対向する面にＳ極の磁極が現れる。このＳ極とマグネットプレート６ｂのＮ極とが引き合うことにより電機子６ａが移動し、電機子６ａに現れたＳ極の位置がマグネットプレート６ｂのＮ極の位置に一致したところで電機子６ａは停止する。これによって電機子６ａを大本の初期位置から設定された位置へ移動させるのである。このとき、電機子６ａとマグネットプレート６ｂとの磁極の位相ずれは最大で±１８０°であるので、電機子６ａは、最大でマグネットプレート６ｂの磁極ピッチの半分の距離を移動することになる。
【００５６】
［１．４  ドライバの動作］
次に、本実施形態に係るドライバ３の動作について、図７を用いて説明する。ここで、図７は、第１実施形態に係るドライバ３の制御切替器４１の処理例を示すフローチャートである。
【００５７】
図７に示すように、制御切替器４１は、電機子６ａの移動速度が速度α以上であるか否かを判定する（ステップＳ１）。このとき、制御切替器４１は、移動速度が速度α以上である場合には（ステップＳ１：ＹＥＳ）、センサレスベクトル制御を行うと決定し（ステップＳ２）、ステップＳ１に移行する。
【００５８】
ここで、制御切替器４１は、センサレスベクトル制御指令を位置制御器３１、速度制御器３２及び位置速度推定器３３に出力する。すると、位置速度推定器３３は、推定位置θ＾ｒｍ及び推定速度ω＾ｒｍを演算し、推定位置θ＾ｒｍを位置制御器３１及び位相検出器３６に出力するとともに、推定速度ω＾ｒｍを制御切替器４１及び速度制御器３２に出力する。位置制御器３１は、位置指令θ＊ｒｍと推定位置θ＾ｒｍとに基づいて速度指令ω＊ｒｍを速度制御器３２に出力する一方、位相検出器３６への位置指令θ＊ｒｍの出力は停止状態とさせる。速度制御器３２は、速度指令ω＊ｒｍと推定速度ω＾ｒｍとに基づいてｑ軸電流指令ｉ＊ｑａを演算する。また、速度制御器３２は、ｄ軸電流指令ｉ＊ｑａを０に設定する。位相検出器３６は、推定位置θ＾ｒｍに対応した電気角θ＊ｒｅを算出する。このように、ドライバ３は、センサレスベクトル制御を行うのである。
【００５９】
一方、制御切替器４１は、移動速度が速度α未満である場合には（ステップＳ１：ＮＯ）、オープンループ制御を行うと決定し（ステップＳ３）、ステップＳ１に移行する。
【００６０】
ここで、制御切替器４１は、オープンループ制御指令を位置制御器３１、速度制御器３２及び位置速度推定器３３に出力する。すると、位置速度推定器３３は、動作を停止させる。位置制御器３１は、位置指令θ＊ｒｍを位相検出器３６に出力する一方、速度指令ω＊ｒｍの演算を停止させる。速度制御器３２は、ｑ軸電流指令ｉ＊ｑａを０に設定するとともに、ｄ軸電流指令ｉ＊ｑａを定格電流に設定する。位相検出器３６は、位置指令θ＊ｒｍに対応した電気角θ＊ｒｅを算出する。このように、ドライバ３は、１．２項で説明したオープンループ制御を行うのである。このようにして、制御切替器４１は、制御ループを繰り返す。
【００６１】
以上説明したように、本実施形態によれば、切替制御部４１が、電機子６ａの移動速度が速度α以上である場合には、センサレスベクトル制御を行うように各部を制御し、電機子６ａの移動速度が速度α未満である場合には、位相検出器３６が、位置指令に対応したｄ軸の電気角を生成し、ｑ軸電機子電流制御器３４及びｄ軸電機子電流制御器３５が、ｄ軸電機子に電流が流れ、且つｑ軸電機子に電流が流れないように、ｄ軸電機子電流及びｑ軸電機子電流を制御するように、各部を制御するので、電機子６ａの移動速度が速度α以上における等速域ではセンサレスベクトル制御で電機子６ａの移動を滑らかに移動させることができ、且つ、電機子６ａの移動速度が速度α未満となる停止制御や低速域での制御も行うことができる。また、電機子６ａ停止状態からの復帰の制御も可能となる。
【００６２】
これは、本実施形態に係るオープンループ制御では、マグネットプレート６ｂのＮ極が、位相検出器３６が生成した電気角に対応したｄ軸電機子電流によって生じる磁極に相対的に引き付けられることによって電機子６ａが移動するので、位置指令により電気角の回転速度が制御されることによって、停止制御、低速域での制御及び復帰時の制御も可能となるのである。そして、位置指令に対応した停止制御が行われるので、所望の位置に停止させることもできる。
【００６３】
［２．第２実施形態］
次に、第２実施形態について用いて説明する。
【００６４】
［２．１  リニアモータシステムの構成］
まず、第２実施形態に係るリニアモータシステム１０の構成を、図８を用いて説明する。ここで、図８は、第２実施形態に係るリニアモータシステム１０の概要構成を示す図であり、同図において、図１と同様の要素については同様の符号を付してある。
【００６５】
図１に示すように、リニアモータシステム１０は、アクチュエータ２と、位置情報切替装置９と、制御装置としてのドライバ３０と、を備えている。そして、アクチュエータ２は、スライダ４と、スライダ４をスライド自在に支持するベース５と、スライダ４に取り付けられたリニアスケール７と、リニアスケール７を読み取りスライダ４（に取り付けられた電機子）の位置を検出する複数の位置センサ８と、を備えている。
【００６６】
ここで、第１実施形態と異なる点は、リニアスケール７、位置センサ８及び位置情報切替装置９が追加されている点である。リニアスケール７はスライダ４の側面に取り付けられ、スリットや磁極などがベース５の長手方向に沿って一定間隔で配列されている。
【００６７】
各位置センサ８は、光学的又は磁気的にリニアスケール７を読み取り、電機子６ａの位置を示す位置情報をそれぞれエンコーダケーブル５２を介して位置情報切替器９に出力する。本実施形態においては、スライダ４の移動可能な範囲のうち、事前に計画されている停止位置を含むその停止位置前後の位置決めするための領域（以下、「停止領域」という）のみリニアスケール７を読み取ることができるように位置センサ８が取り付けられる。図８に示す例では、スライダ４の移動可能な範囲の両端にそれぞれ位置センサ８が取り付けられているとともに、やや中央よりに１箇所位置センサ８が取り付けられている。つまり、アクチュエータ２においては、３箇所の停止領域が設けられている。
【００６８】
停止領域以外の領域は、スライダ４が基本的に通過するだけの領域である（以下、「通過領域」という）。ただし、通過領域であっても、必要に応じてスライダ４を停止させることは可能である。ここで、やや中央よりに設けられた停止領域においては、スライダ４がその移動手順により、停止する場合と通過する場合とがある。
【００６９】
第１実施形態においては、センサレスベクトル制御又はオープンループ制御により電機子６ａに供給される電流が制御されていたが、本実施形態においては、スライダ４が停止領域内に位置しているときには、位置センサ８からの位置情報に基づいてベクトル制御を行う。そして、スライダ４が通過領域内に位置しているときに、センサレスベクトル制御又はオープンループ制御を行う。
【００７０】
位置情報切替器９は、スライダ４が何れかの停止領域に入ると、ドライバ３０から出力される制御信号により、その停止領域に取り付けられた位置センサ８から出力される位置情報をエンコーダケーブル５３を介してドライバ３０に出力する。
【００７１】
［２．２  ドライバの構成］
次に、本実施形態に係るドライバ３０のについて、図９を用いて説明する。ここで、図９は、第２実施形態に係るドライバ３０の概要構成の一例を示すブロック図であり、同図において、図５と同様の要素については同様の符号を付してある。
【００７２】
図９に示すように、ドライバ３０は、位置制御器３１と、速度制御器３２と、位置速度推定器３３と、電流制御手段としてのｑ軸電機子電流制御器３４及びｄ軸電機子電流制御器３５と、位相生成手段としての位相検出器３６と、電力変換器３７と、電流検出手段としての電流検出器３８と、３相交流／ｄ−ｑ座標変換手段としてのベクトル回転器・３相交流／ｄ−ｑ座標変換器３９と、ベクトル回転器・ｄ−ｑ座標／３相交流変換器４０と、センサレスベクトル制御、オープンループ制御及びベクトル制御を切替制御する選択手段としての制御切替器４１と、位置検出器４２と、速度検出器４３と、を備えている。
【００７３】
ここで、位置制御器３１、速度制御器３２、ｑ軸電機子電流制御器３４、ｄ軸電機子電流制御器３５、位相検出器３６、電力変換器３７、電流検出器３８、ベクトル回転器・３相交流／ｄ−ｑ座標変換器３９、ベクトル回転器・ｄ−ｑ座標／３相交流変換器４０、位置検出器４２及び速度検出器４３は、フィードバック制御手段を構成する。
【００７４】
第１実施形態と異なる点は、位置検出器４２及び速度検出器４３が追加されている点である。位置情報切替器９から出力された位置情報は位置検出器４２及び速度検出器４３に供給されるとともに、位相検出器３６にも供給される。位置検出器４２は、位置情報に基づいて電機子６ａの位置を示す位置帰還値θｒｍを演算し、この位置帰還値θｒｍを、位置制御器３１と制御切替器４１とに出力する。位置検出器４２は、位置情報に基づいて電機子６ａの移動速度を示す速度帰還値ωｒｍを演算し、この位置帰還値ωｒｍを、速度制御器３２と制御切替器４１とに出力する。
【００７５】
位置制御器３１は、制御切替器４１からの制御指令としてベクトル制御指令が供給された場合には、上位制御装置から出力された位置指令θ＊ｒｍと、速度検出器４３から出力された位置帰還値θｒｍと、の偏差に基づいて速度指令ω＊ｒｍを演算し、この速度指令ω＊ｒｍを速度制御器３２に出力する。
【００７６】
速度制御器３２は、制御切替器４１からの制御指令としてベクトル制御指令が供給された場合には、位置制御器３１から出力された速度指令ω＊ｒｍと、位置検出器４２から出力された速度帰還値ωｒｍと、の偏差に基づいて推力指令を演算し、更にｑ軸電流指令ｉ＊ｑａを演算する。
【００７７】
制御切替器４１は、リニア同期モータ６の電機子６ａの現在位置及び移動速度とに基づいて、センサレスベクトル制御、オープンループ制御又はベクトル制御の何れを行うかを決定し、その結果としての制御指令を位置制御器３１、速度制御器３２及び位置速度推定器３３に出力する。この制御指令には、センサレスベクトル制御指令、オープンループ制御指令及びベクトル制御がある。
【００７８】
本実施形態においては、電機子６ａが停止領域に位置しているときにはベクトル制御を行うために、図示しないメモリに、停止領域の範囲と電機子６ａの位置との関係（例えば、座標ｘ１〜ｘ２が第１の停止領域、座標ｘ３〜ｘ４が第２の停止領域等）を示す停止領域座標データが記憶されている。制御切替器４１は、電機子６ａの現在位置を停止領域座標データと比較することにより、電機子６ａが停止領域に位置しているか否かを判定する。ここで、制御切替器４１は、電機子６ａの現在位置を、センサレスベクトル制御を行っているときには推定位置θ＾ｒｍから、オープンループ制御を行っているときには位置指令θ＊ｒｍから、ベクトル制御を行っているときには位置帰還値θｒｍから得るようになっている。また、制御切替器４１は、ベクトル制御を行っているときには、電機子６ａの移動速度を速度帰還値ωｒｍから得る。
【００７９】
また、制御切替部４１は、停止領域座標データに基づいて電機子６ａの現在位置が何れかの停止領域に入っていると判断した場合には、複数の位置センサ８のうち電機子６ａが位置している停止領域に取り付けられた位置センサ８からの位置情報を出力させるよう、位置情報切替器９を制御する。
【００８０】
上記以外の各部の構成及び機能は、第１実施形態の場合と同様であるので、詳細な説明は省略する。
【００８１】
［２．３  ドライバの動作］
次に、本実施形態に係るドライバ３０の動作について、図１０を用いて説明する。図１０は、第２実施形態に係るドライバ３０の制御切替器４１の処理例を示すフローチャートであり、同図において、図７と同様の要素については同様の符号を付してある。
【００８２】
図１０に示すように、制御切替器４１は、電機子６ａの現在位置が停止領域に入っているか否かを判定する（ステップＳ４）。このとき、制御切替器４１は、電機子６ａの現在位置が停止領域に入っている場合には（ステップＳ４：ＹＥＳ）、ベクトル制御を行うと決定し（ステップＳ５）、ステップＳ１に移行する。
【００８３】
ここで、制御切替器４１は、ベクトル制御指令を位置制御器３１、速度制御器３２及び位置速度推定器３３に出力する。すると、位置速度推定器３３は、動作を停止させる。位置制御器３１は、位置指令θ＊ｒｍと位置帰還値θｒｍとに基づいて速度指令ω＊ｒｍを速度制御器３２に出力する一方、位相検出器３６への位置指令θ＊ｒｍの出力は停止状態とさせる。速度制御器３２は、速度指令ω＊ｒｍと速度帰還値ωｒｍとに基づいてｑ軸電流指令ｉ＊ｑａを演算する。また、速度制御器３２は、ｄ軸電流指令ｉ＊ｑａを０に設定する。位相検出器３６は、位置情報切替器９からの位置情報に対応した電気角θ＊ｒｅを算出する。このように、ドライバ３０は、ベクトル制御を行うのである。
【００８４】
一方、制御切替器４１は、電機子６ａの現在位置が停止領域に入っていない場合、すなわち、電機子６ａが通過領域に入っている場合には（ステップＳ４：ＮＯ）、電機子６ａの移動速度が速度α以上であるか否かを判定する（ステップＳ１）。このとき、制御切替器４１は、移動速度が速度α以上である場合には（ステップＳ１：ＹＥＳ）、センサレスベクトル制御を行うと決定し（ステップＳ２）、ステップＳ１に移行する。このときの各部の動作は、第１実施形態の場合と同様である。
【００８５】
一方、制御切替器４１は、移動速度が速度α未満である場合には（ステップＳ１：ＮＯ）、オープンループ制御を行うと決定し（ステップＳ３）、ステップＳ１に移行する。このときの各部の動作も、第１実施形態の場合と同様である。このようにして、制御切替器４１は、制御ループを繰り返す。
【００８６】
以上説明したように、本実施形態によれば、制御切替器４１が、電機子６ａの現在位置が停止領域に入っているときには、センサレスベクトル制御及びオープンループ制御に代えて、位置センサ８により検出された電機子６ａの位置に基づいてベクトル制御を行うので、停止領域での電機子６ａの停止精度を高めることができる。その一方で、通過領域を通過させるだけの場合にはセンサレスベクトル制御によって電機子６ａを滑らかに移動させることができる一方で、通過領域で電機子６ａを非常停止等させる場合でも所望の位置へ停止制御を行うことができる。また、非常停止等により電機子６ａが通過領域内で一度停止しても、復帰させることができる。
【００８７】
なお、本実施形態においては、電機子６ａの現在位置が停止領域に入っているときには必ずベクトル制御を行うようにしていたが、例えば、電機子６ａを停止領域内で停止させるときにのみベクトル制御を行うようにしてもよい。このとき、電機子６ａを停止領域内で停止させない場合には、例えば電機子６ａの移動速度に応じて、センサレスベクトル制御又はオープンループ制御を行えばよい。
【００８８】
また、本実施形態においては、リニアスケール７をスライダ４に取り付けるとともに、位置センサ８をベース５に取り付けていたが、リニアスケール７をベース５の停止領域に取り付けるとともに、位置センサ８をスライダ４に取り付けてもよい。この場合であれば、位置センサ８は１個で済ますことができ、また、リニアスケール７を通過領域に取り付ける必要がない分、コストを削減することができる。
【００８９】
また、上記各実施形態においては、電機子６ａをスライダ４に取り付けるとともに、マグネットプレート６ｂをベース５に取り付けていたが、電機子６ａをベース５に取り付けるとともに、マグネットプレート６ｂをスライダ４に取り付けてもよい。
【００９０】
また、上記各実施形態においては、フラットタイプのリニア同期モータに本発明を適用していたが、ロッドタイプのリニア同期モータに適用してもよい。
【符号の説明】
【００９１】
１、１０  リニアモータシステム、  ２    アクチュエータ、  ３、３０    ドライバ、  ４    スライダ、  ５    ベース、  ６    リニア同期モータ、  ６ａ    電機子、
６ｂ    マグネットプレート、  ７    リニアスケール、  ８    位置センサ、  ９  位置情報切替器、  ３１    位置制御器、  ３２    速度制御器、  ３３    位置速度推定器、    ３４    ｑ軸電流制御器、  ３５    ｄ軸電流制御器、    ３６  位相検出器、  ３７    電力変換器、  ３８    電流検出器、  ３９  ベクトル回転器・３相交流／ｄ−ｑ座標変換器、  ４０    ベクトル回転器・ｄ−ｑ座標／３相交流変換器、  ４１  制御切替器、  ４２    位置検出器、  ４３    速度検出器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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