(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定子巻線が界磁可動子の移動方向に複数区分されたリニアモータを、位置センサが検出する界磁可動子位置に基づいて区分毎に備えられた電力変換器を切替えて、前記界磁可動子を移動させるように前記固定子巻線に電力を供給するリニアモータ制御装置であって、
上位からの指令に応じた電流指令を制御演算して前記電力変換器それぞれに出力する制御部と、
前記界磁可動子位置に基づいて、切替える前記電力変換器を判別して切替補償選択信号を前記電力変換器に出力する切替補償セレクタと、
予測電圧指令として、前記電力変換器の出力電圧の最大値である第１の値、または、前記電流指令に比例係数を乗算した値から電圧外乱および巻線抵抗による電圧損失に応じた電圧値を減算した第２の値を演算して前記電力変換器に出力する推力変動抑制器と、
前記電流指令および検出電流値に基づいて電流制御演算するものであって、前記切替補償選択信号が切替補償を行うことを示す場合、前記電流指令を所定の比例ゲインで乗算した値と前記電流指令を所定の積分時定数で積分した値とを加算した値を前記予測電圧指令から減算し、当該減算結果に対して前記電圧損失に応じた電圧値を加算した値またはその正負を逆転した値を電圧補償値とし、前記電流制御演算の出力である電圧指令値に、前記電圧補償値を加算して新たな電圧指令値を演算する前記電力変換器と、
を備えることを特徴とするリニアモータ制御装置。
【請求項２】
前記制御部および前記電力変換器が、ベクトル制御もしくは３相交流制御を行なうものであることを特徴とする請求項１に記載のリニアモータ制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固定子巻線が界磁可動子の移動方向に複数区分されたリニアモータを、区分毎に備えられた電力変換器を切替えて界磁可動子を移動させるように制御するリニアモータ制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
第１の従来のリニアモータ制御装置は、走行路は移動子の移動方向に区分された各区間に夫々独立に周波数制御されるインバータにより駆動される固定子巻線を配置してなり、各インバータは、移動子が隣接区間の境界を通過する際に、その後段区間の固定子巻線の電圧位相及び周波数が前段区間のそれと同一になるように制御され、固定子巻線を配置してなる走行路を移動中の永久磁石製の移動子が、異なる速度区間内に突入したときに受けるショックを緩和する、ことが記載されている（例えば、特許文献１参照）。
また、第２の従来のリニアモータ制御装置は、センサレス制御を行なうために、位置速度推定器が誘起電圧推定を行なう、ことが記載されている（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平０４−２２９０９２号公報（第２−３頁、図１）
【特許文献２】特開２００６−０８７１７８号公報（第４−５頁、図１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
リニアモータは、一般的に、長さ方向（界磁可動子移動方向）に両端の存在、または有限長さに起因する端効果という特異な現象が発生する。この端効果により、界磁可動子が移動する際、界磁可動子端部の相間電圧不平衡に起因する推力リプルが発生し（特に、誘起電圧の影響が大きくなる高速運転時に大きく発生）、一定速制御等の高精度を追求することができないという問題があった。
第１の従来のリニアモータ制御装置は、界磁可動子が移動する際の切替えショックを緩和する手段のみが記載されており、依然、端効果による界磁可動子端部の相間電圧不平衡に起因する推力リプルが発生するという問題があった。
また、第２の従来のリニアモータ制御装置は、記載された誘起電圧推定方法が、通電に伴う固定子巻線の温度変化やセンサ測定誤差を考慮していないため、例えばリニアモータのモデルと真値に誤差が生じた場合に誘起電圧推定精度が大きく劣化する恐れがあるという問題があった。
更に、仮に、第１の従来のリニアモータ制御装置に記載の技術に、第２の従来のリニアモータ制御装置の記載の技術を適用したとしても、誘起電圧を正確に推定できないために、端効果による界磁可動子端部の相間電圧不平衡を十分に補償することができず、結果として推力リプルの発生は解決できないという問題もあった。
【０００５】
また更に、第１および第２の従来のリニアモータ制御装置は、電力変換器の出力可能な電圧範囲について考慮していないためおらず、例えば高推力指令時または高速移動時における電力変換器の切替え時に生じる推力リプルを防ぐことができない恐れがあるといった問題もあった。すなわち、電力変換器の出力可能な電圧は、電力変換器の直流母線電圧（例えば、入力される３相交流電源を整流して得られる直流電圧）に依存して有限であるため、入力される電流指令の急激な変化に対して、電力変換器の出力電圧振幅が制限されると、電力変換器の出力する電流の応答が、電流指令に対して通常よりも大きく遅れてしまう可能性がある。通電する電力変換器を切替える際に、このような電圧制限に起因して各電力変換器の出力電流の応答に不揃いが生じると、切替えの前後で本来一定となるべき出力電流の和が一定にならず、推力リプルが生じる恐れがある。特に、電流指令の急激な変化が生じる高推力指令時、または誘起電圧外乱によって大きな電圧出力を必要とする高速移動時では、このような電圧制限が発生しやすいため、推力リプルが生じる可能性も高い。このような推力リプルが生じると、リニアモータ制御装置における切替えを含む界磁可動子の動作パターンにおいて、一定速制御等の高精度化を追及できない恐れがある。
【０００６】
本発明はこのような問題に鑑みてなされたものであり、固定子巻線が界磁可動子の移動方向に複数区分されたリニアモータを、区分毎に備えられた電力変換器を切替えて界磁可動子を移動させるように制御するリニアモータ制御装置であって、切替え時の出力電圧振幅制限に伴う推力リプルを低減させることができるリニアモータ制御装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本願における代表的な発明は、固定子巻線が界磁可動子の移動方向に複数区分されたリニアモータを、位置センサが検出する界磁可動子位置に基づいて区分毎に備えられた電力変換器を切替えて、界磁可動子を移動させるように固定子巻線に電力を供給するリニアモータ制御装置であって、通電する電力変換器を切替える際、前記電力変換器の出力する電圧指令および電流の予測演算と、切替時の積分制御器の初期値操作によって、切替える電力変換器の出力電圧制限が発生せず、かつそれらの出力する電流の総和が一定に保たれるように構成したものである。
【発明の効果】
【０００８】
本願における代表的な発明によれば、通電する電力変換器を切替える際の推力リプルを補償することができる。また、補償によって不用意に電流応答を遅延させることがなく、切替を速やかに完了できる。また更に、予測演算を用いることによって、電力変換器間、または上位制御器と電力変換器間の高速な通信を必要としない簡単な構成によって実現できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施形態におけるリニアモータおよびリニアモータ制御装置の構成を示す概略図
【図２】本発明の第１実施例に係るリニアモータ制御装置の構成を示すブロック図
【図３】本発明の第１実施例に係る電力変換器内の電流制御部の構成を示すブロック図
【図４】固定子巻線１０３の誘起電圧の時間変化
【図５】固定子巻線１０４の誘起電圧の時間変化
【図６】固定子巻線１０５の誘起電圧の時間変化
【図７】固定子巻線１０６の誘起電圧の時間変化
【図８】固定子巻線１０７の誘起電圧の時間変化
【図９】固定子巻線１０８の誘起電圧の時間変化
【図１０】本発明の第１実施例に係る誘起電圧補償前の界磁可動子推力を示す図
【図１１】本発明の第１実施例に係る誘起電圧補償後の界磁可動子推力を示す図
【図１２】本発明の第２実施例に係るリニアモータ制御装置の構成を示すブロック図
【図１３】本発明の第２実施例に係る電力変換器内の電流制御部の構成を示すブロック図
【図１４】本発明の第２実施例に係るｑ軸電流制御器およびリニアモータモデルの構成を示すブロック図
【図１５】電圧補償後の固定子巻線１０４と固定子巻線１０８に流れる電流の時間変化
【図１６】電圧補償後の固定子巻線１０４と固定子巻線１０８に流れる電流の和の時間変化
【図１７】電圧補償前の固定子巻線１０４と固定子巻線１０８に流れる電流の時間変化
【図１８】電圧補償前の固定子巻線１０４と固定子巻線１０８に流れる電流の和の時間変化
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
【実施例１】
【００１１】
本発明の第１の実施形態について、以下説明する。
図１は、本発明の実施形態におけるリニアモータおよびリニアモータ制御装置の構成を示す概略図である。図において、リニアモータ１０１は、界磁可動子１０２と、界磁可動子１０２の移動方向に複数区分配置された固定子巻線１０３〜１０８とを備える。また、本実施形態におけるリニアモータ制御装置は、複数の固定子巻線１０３〜１０８に対応した複数の電力変換器１０９〜１１４と、電力変換器１０９〜１１４に対してそれぞれに電流指令等を出力する制御部１１５とを備える。
【００１２】
本実施形態におけるリニアモータ制御装置は、複数に分割して連続に配置された６つの固定子巻線１０３〜１０８に対し、１つの界磁可動子１０２が移動するリニアモータ１０１を制御するものである。また、界磁可動子１０２の現在位置に応じて、６つの固定子巻線１０３〜１０８に対して６つの電力変換器１０９〜１１４から駆動電力が供給される。
なお、簡単のために、本実施形態では、常に４つの固定子巻線に駆動電力を供給して推力を発生させるように、制御部１１５が電力変換器を切替えるものとし、例えば、界磁可動子１０２が、固定子巻線１０３〜１０６の位置に対向する場合は固定子巻線１０３〜１０６、固定子巻線１０４〜１０７の位置に対向する場合は固定子巻線１０４〜１０７、固定子巻線１０５〜１０８の位置に対向する場合は固定子巻線１０５〜１０８、に駆動電力を供給するものとする。
【００１３】
図２は、リニアモータ制御装置の構成を示すブロック図である。図において、リニアモータ制御装置における制御部１１５が、図示しない上位装置からの速度指令ｗ＊および界磁可動子１０２の現在位置を検出する位置センサ２０１からの界磁可動子位置ｘ、ならびに各電力変換器１０９〜１１４からの電流検出値ｉｄｎ，ｉｑｎに基づいて、誘起電圧補償量Δｅｄｎ，Δｅｑｎ、ｑ軸電流指令値ｉｑｎ＊を制御演算して各電力変換器１０９〜１１４に分配出力する。なお、添え字ｎは、複数備える各電力変換器の台数に対応するものであり、本実施形態では、ｎ＝１，２，３，４，５，６となる。また、添え字＊は指令値を表すものである。
なお図示はしていないが、制御部１１５はｄ軸電流指令値ｉｄｎ＊を制御演算し、ｄ軸電流指令値ｉｄｎ＊を各電力変換器１０９〜１１４に分配出力する機能も備える。
【００１４】
速度演算器２０２は、位置センサ２０１からの界磁可動子位置ｘを入力して界磁可動子速度ｗを、例えば、界磁可動子位置ｘを時間差分して演算する。速度制御器２０３は、図示しない上位装置からの速度指令ｗ＊と界磁可動子速度ｗとの偏差を入力して推力指令Ｆ＊を、例えば、比例積分制御演算して演算する。
推力分配器２１０は、推力指令Ｆ＊と界磁可動子位置ｘとを入力してｑ軸電流指令値ｉｑｎ＊を、例えば、ベクトル制御演算して各電力変換器１０９〜１１４に分配出力する。ここで、推力指令Ｆ＊の分配は、分配の前後で推力指令の総和が変化しないものとし、例えば４つの固定子巻線に対して推力指令Ｆ＊の１／４ずつを分配出力する。
誘起電圧補償器２１１は、界磁可動子位置ｘと各電力変換器１０９〜１１４からの電流検出値ｉｄｎ，ｉｑｎとを入力して、後述する演算方法により誘起電圧補償量Δｅｄｎ，Δｅｑｎを演算して、各電力変換器１０９〜１１４に出力する。
【００１５】
図３は、電力変換器内の電流制御部の構成を示すブロック図である。図において、各電力変換器１０９〜１１４内における電流制御部は、ｄ軸電流制御器３０２、ｑ軸電流制御器３０３、２相３相変換器３０４、３相２相変換器３０５、ＰＷＭ変調器３０６、その他加減算器を備える。この電流制御部では、制御部１１５からの各信号に基づいて、所謂ベクトル制御演算を行ない、リニアモータの各固定子巻線に電力を供給する。
【００１６】
以下、本実施形態の誘起電圧補償器２１１における誘起電圧補償量Δｅｄｎ，Δｅｑｎの演算方法を説明する。なお、本実施形態において、制御対象とするリニアモータはベクトル制御によって制御されている場合とするが、３相交流制御によって制御されている場合もその効果は同じである。
【００１７】
まず、界磁可動子１０２が移動する状態において、界磁可動子１０２が跨る全ての固定子巻線の誘起電圧を推定する（誘起電圧推定値ｅｄｎ，ｅｑｎ）。ｄｑ座標系において状態を取り扱うとすれば、リニアモータの電圧方程式は式（１）で表される。
【００１８】
【数１】
0005522223.tif 000002
【００１９】
ここで、ｖκｎ＊，ｉκｎ＾，Ｌκ（添え字κ＝ｄ,ｑ、添え字＾は推定値）は、Ｎ番目の電力変換器のｄ軸またはｑ軸の電圧指令値、Ｎ番目の電力変換器のｄ軸またはｑ軸の推定電流値、固定子巻線インダクタンス値である。Ｒａは固定子巻線抵抗値、ωは界磁可動子速度、ＫＥは誘起電圧定数、ｐは微分演算子である。
なお、モータパラメータである固定子巻線インダクタンス値Ｌκ、固定子巻線抵抗値Ｒａ、誘起電圧定数ＫＥは、予め知ることができる既知の値である。
【００２０】
推定電流ｉκｎ＾を演算するため、まず式（１）を推定電流ｉκｎ＾に関する微分方程式に変換する。式（１）に対して式（２）〜式（４）の変形を行い、得られる微分方程式を式（５）に示す。
【数２】
0005522223.tif 000003
【００２１】
また、ｎをサンプル数、Ｔをサンプル周期とし、検出電流値を離散化すれば式（６）で表される。
【００２２】
【数３】
0005522223.tif 000004
【００２３】
式（６）を式（５）に適用し、更に式（７）の変形を経て、指令電流に関する差分方程式（８）に変換する。数式モデルに用いているＮ番目の電力変換器のｄ軸およびｑ軸の電圧指令値ｖκｎ＊，固定子巻線インダクタンス値Ｌκ,固定子巻線抵抗値Ｒａ、界磁可動子速度ωは実際の値と等しいと考えたとき、ｄ軸またはｑ軸に流れる推定電流値ｉκｎ＾は式（８）により理論的に求められる。
【００２４】
【数４】
0005522223.tif 000005
【００２５】
この推定電流値ｉκｎ＾と実際に流れる電流検出値ｉκｎの差分値が、誘起電圧推定値の推定誤差に相当する。そこで、前述の電流値の差分値Δｉκｎに誘起電圧推定ゲインＫｅκを比例係数として乗じ、誘起電圧推定値ｅｄｎ，ｅｑｎにフィードバックする。つまり、前述した電流値の差分値Δｉκｎを式（９）、誘起電圧推定値ｅｄｎ，ｅｑｎを式（１０）で演算して得る。
式（１０）の誘起電圧推定式は、式（９）で得た電流差分値Δｉκｎに対する比例演算を含有するため、前述の電流差分値Δｉκｎを０にするように、誘起電圧推定値ｅｄｎ，ｅｑｎを調整する機能を有している。電流差分値Δｉκｎが０となったときの誘起電圧推定値ｅｄｎ，ｅｑｎは真値に等しいと考えられるから、式（１０）によって誘起電圧推定値ｅｄｎ，ｅｑｎは自動的に真値に収束する。
【００２６】
なお、誘起電圧推定ゲインＫｅκは発振しない程度に大きく選び、早く真値に収束するように設定することが望ましい。
ここで、端効果の影響を強く受けた界磁可動子端を担う電力変換器と、端効果の影響を受けない界磁可動子中央の電力変換器とを比較した場合、リニアモータのモデル化誤差、センサ測定誤差、推力外乱などは共通である。したがって、式（１０）によって得られる各電力変換器の誘起電圧推定値ｅｄｎ，ｅｑｎの違いは、界磁可動子端を担う電力変換器の端効果のみに依存していると考えることができる。
【００２７】
【数５】
0005522223.tif 000006
【００２８】
次に、各電力変換器の誘起電圧推定値ｅｑｎ，ｅｄｎに基づき、端効果の影響のある界磁可動子端部の電力変換器への誘起電圧補償量Δｅｄｎ，Δｅｑｎを求める。
位置センサ２０１からの界磁可動子位置ｘを用いて、各電力変換器と界磁可動子の位置関係を得る。界磁可動子中央を担い、鎖交磁束の安定している固定子巻線に対して電力供給を行う電力変換器をＡ番目（添え字ｎ＝Ａとなり、例えば、図１においては電力変換器１１１または電力変換器１１２に相当する）とし、各ｄ，ｑ軸の誘起電圧推定値をｅｄＡ（ｎ），ｅｑＡ（ｎ）とする。
また、界磁可動子端を担い、鎖交磁束の不安定な電力変換器をＢ番目（添え字ｎ＝Ｂとなり、例えば、図１においては電力変換器１１０と電力変換器１１３に相当する）として、各ｄ，ｑ軸の誘起電圧推定値をｅｄＢ（ｎ），ｅｑＢ（ｎ）とする。
【００２９】
電力変換器Ａで発生している誘起電圧推定値ｅｄＡ（ｎ），ｅｑＡ（ｎ）は、そのときの運転状況における固定子巻線の温度変化に伴うリニアモータのモデル化誤差、センサ測定誤差、推力外乱などを含んだ状態での規範的な誘起電圧のモデルとして取り扱うことができる。
界磁可動子へ推力を発生させる全ての電力変換器の誘起電圧推定値が、界磁可動子中央を担う電力変換器と同じ状態になるように制御できれば、端効果を補償した最適な運転状況と考えることができる。
【００３０】
誘起電圧補償器２１１内で式（１１）の演算を行い、界磁可動子端を担う固定子巻線に電力を供給するＢ番目の電力変換器に対する誘起電圧補償量ΔｅｄＢ（ｎ），ΔｅｑＢ（ｎ）を決定する。
【００３１】
【数６】
0005522223.tif 000007
【００３２】
誘起電圧補償器２１１が、界磁可動子位置ｘと電流検出値ｉｄｎ，ｉｑｎとに基づいて、前述した一連の演算を行い、界磁可動子が移動時に誘起電圧補償量ΔｅｄＢ（ｎ），ΔｅｑＢ（ｎ）を随時演算して逐次更新することによって、界磁可動子端を担う固定子巻線に電力を供給する電力変換器に対する誘起電圧補償が実施される。
言い換えれば、電力変換器Ａで発生している誘起電圧推定値ｅｄＡ（ｎ），ｅｑＡ（ｎ）を規範的な誘起電圧のモデルとして取り扱い、この誘起電圧推定値ｅｄＡ（ｎ），ｅｑＡ（ｎ）と電力変換器Ｂで発生している誘起電圧推定値ｅｄＢ（ｎ），ｅｑＢ（ｎ）との差分を、電力変換器Ｂに対する誘起電圧補償量とするため、誘起電圧推定において固定子巻線の温度変化に伴うリニアモータのモデル化誤差やセンサ測定誤差の影響を抑制し、相間電圧の不平衡に起因する推力リプルを低減させることができる。
【００３３】
最後に、電力変換器内では、式（１２）で表される通り、誘起電圧補償器２１１で演算された誘起電圧補償量ΔｅｄＢ（ｎ），ΔｅｑＢ（ｎ）をＮ番目の電力変換器への誘起電圧補償量Δｅｄｎ，Δｅｑｎとして、界磁可動子端を担う電力変換器の電圧指令値ｖｄｎ＊，ｖｑｎ＊に加え、新たな電圧指令値ｖｄｎ＊´，ｖｑｎ＊´を得る。
なお、誘起電圧補償器２１１が、位置センサ２０２からの界磁可動子位置ｘに基づいて、界磁可動子が固定子巻線に掛かっていないと判断した電力変換器に関しては、誘起電圧補償量Δｅκｎは０である。この場合、新たな電圧指令値ｖｄｎ＊´，ｖｑｎ＊は式（１３）で表される。
【００３４】
【数７】
0005522223.tif 000008
【００３５】
このように、この新たな電圧指令値ｖｄｎ＊´，ｖｑｎ＊´を用いてリニアモータを制御することにより、相間電圧の不平衡に起因した推力リプルを低減することができる。
また、本実施形態に示す誘起電圧推定手法は、フィルタなどの遅れ要素を含まないため、特に、電流検出周期が十分に短い場合、界磁可動子が高速移動時でも問題なく補償の効果が発揮される。
更に、リニアモータの端効果の影響が許容されない、特に高精度仕様である半導体製造装置などの超精密機器、長距離搬送のためのリニアモータにおいては、電力変換器を切替える方式に本発明を適用することで、リニアモータもしくはリニアモータ制御装置の発熱量、消費電力量および電流分解能の観点から最も効果的である。
【００３６】
ここで、本実施形態における誘起電圧補償量を用いてリニアモータを制御した場合の実験結果を以下に示す。なお、各実験結果は、図１におけるリニアモータの構成において、界磁可動子１０２が固定子巻線１０３の左端から固定子巻線１０８の右端までの区間を、一定推力指令を与えて移動した場合を示すものである。
【００３７】
図４は固定子巻線１０３の誘起電圧の時間変化、図５は固定子巻線１０４の誘起電圧の時間変化、図６は固定子巻線１０５の誘起電圧の時間変化、図７は固定子巻線１０６の誘起電圧の時間変化、図８は固定子巻線１０７の誘起電圧の時間変化、図９は固定子巻線１０８の誘起電圧の時間変化、を示すものである。各図において、縦軸は誘起電圧振幅軸、横軸は時間軸であり、いずれの図も本実施形態における誘起電圧補償量を用いていない場合のものである。また、各図において、誘起電圧振幅が０である時間は、固定子巻線上に界磁可動子１０２が存在しないことを意味するものである。更に、界磁可動子１０２が一定速度での移動の場合、３相リニアモータにおける各相の誘起電圧はその振幅がほぼ一定となり、３相平衡状態となる。
【００３８】
界磁可動子１０２が、固定子巻線１０３の左端から固定子巻線１０８の右端まで移動する場合である、図４から図９を順に見れば、固定子巻線１０３から固定子巻線１０８に順々に誘起電圧の不平衡が発生することが分かる。
例えば、固定子巻線１０３（図４）では、界磁可動子１０２が移動開始したときから界磁可動子１０２の端部を担うことになるため、時間軸の早い段階から３相不平衡状態の誘起電圧が発生する。固定子巻線１０４（図５）や固定子巻線１０５（図６）では、界磁可動子１０２が移動開始したときから界磁可動子１０２の中央部を担うことになるため、時間軸の早い段階では３相平衡状態の誘起電圧が発生し、時間軸が遅い段階になるにつれて（時間が進むにつれて）、界磁可動子１０２が各固定子巻線上を通過することになり界磁可動子１０２の端部を担うことになるため、３相不平衡状態の誘起電圧が発生する。固定子巻線１０６（図７）や固定子巻線１０７（図８）、固定子巻線１０８（図９）では、時間軸の早い段階では固定子巻線上に界磁可動子が存在しないため、誘起電圧振幅が０であるが、界磁可動子１０２が各固定子巻線上を通過するにつれ（界磁可動子１０２の端部を担う時間帯から界磁可動子１０２の中央部を担う時間帯に変化するにつれ）、３相不平衡状態の誘起電圧の発生から３相平衡状態の誘起電圧の発生に変化していく。
【００３９】
図１０は誘起電圧補償前の界磁可動子推力を示す図、図１１は本実施形態の誘起電圧補償後の界磁可動子推力を示す図である。各図において、縦軸は推力振幅軸、横軸は時間軸である。
図１０をみれば、界磁可動子１０２が、固定子巻線１０３の左端から固定子巻線１０８の右端まで移動する場合、図４から図９における順に発生する３相不平衡状態の誘起電圧に起因して、推力リプルが発生していることが分かる。一方、図１１を見れば、本実施形態の誘起電圧補償により、推力リプルが低減していることが分かる。
【実施例２】
【００４０】
本発明の第２の実施形態について、以下説明する。本発明の第１の実施形態では、リニアモータにおける端効果に伴う、界磁可動子端部の相間電圧不平衡に起因する推力リプルを低減させる技術について説明した。本発明の第２の実施形態では、電力変換器の直流母線電圧に依存する出力電圧制限に伴う、電力変換器の出力電流応答遅れに起因する推力リプルを低減させる技術について説明する。
【００４１】
図１２は、本発明の第２実施例に係るリニアモータ制御装置の構成を示すブロック図である。図において、リニアモータ制御装置における制御部１１５が、図示しない上位装置からの速度指令ｗ＊および界磁可動子１０２の現在位置を検出する位置センサ２０１からの界磁可動子位置ｘに基づいて、切替補償選択信号Ｓｎ、予測電圧指令Ｅｑ＊、およびｑ軸電流指令値ｉｑｎ＊を制御演算して各電力変換器１０９〜１１４に分配出力する。なお、添え字ｎは、複数備える各電力変換器に対応するものであり、第１の実施形態と同様に、ｎ＝１，２，３，４，５，６となる。また、添え字＊は指令値を表すものである。なお、第１の実施形態に用いた図面と同一の符号を付した構成は、その作用効果は第１の実施形態と同じであるため、その詳細な説明は省略する。
【００４２】
切替補償セレクタ４０１は、界磁可動子位置ｘを入力として後述する演算方法に基づいて切替補償選択信号Ｓｎを演算して、各電力変換器１０９〜１１４に出力する。推力変動抑制器４０２は、推力分配器２１０からのｑ軸電流指令値ｉｑｎ＊を入力として、後述する演算方法により予測電圧指令Ｅｑ＊を演算し、各電力変換器１０９〜１１４に出力する。
【００４３】
図１３は、各電力変換器１０９〜１１４内の電流制御部の構成を示すブロック図である。図において、ｑ軸電流制御器３０９は、第１の実施形態（図３）におけるｑ軸電流制御器３０３に対し、制御部１１５からの切替補償選択信号Ｓｎおよび予測電圧指令Ｅｑ＊が追加入力される。
【００４４】
図１４は、各電力変換器内のｑ軸電流制御器およびリニアモータモデルの構成を示すブロック図である。図において、電流制御器３０９は、モータモデル５０１に対して比例積分制御を行うための比例制御器５０２、積分制御器５０３に加えて、予測補償器５０４，その他加減算器を備える。予測補償器５０４は、制御１１５からのｑ軸電流指令値ｉｑｎ＊、切替補償選択信号Ｓｎおよび予測電圧指令Ｅｑ＊に基づいて電圧補償値ΔＥｑｎ＊を演算する。
【００４５】
ここで、本実施形態における、推力リプルを抑制する原理について、式（１４）〜式（２９）を用いて説明する。
ここで、電力変換器の切替えに際して、電力の供給を開始するように切替えられる電力変換器をＡ番目（添え字はｎ＝Ａ）とし、電力供給を止めるように切替えられる電力変換器をＢ番目（添え字はｎ＝Ｂ）とする。例えば、図１において、電力変換器１１０〜１１３から固定子巻線１０４〜１０７の４つに電力が供給され、界磁可動子１０２を右方向に向かって駆動し、界磁可動子位置に基づいて電力変換器の切替えを実施し、電力変換器１１１〜１１４から固定子巻線１０５〜１０８の４つに電力供給を切替えた場合、電力の供給を開始するように切替えられるＡ番目の電力変換器は電力変換器１０８、電力供給を止めるように切替えられるＢ番目の電力変換器は電力変換器１０４に相当する。
【００４６】
図１４において、予測補償器５０４を除く電流制御器３０９の伝達関数Ｇｃは式（１４）、モータモデル５０１の伝達関数Ｇｍは式（１５）、それらを組み合わせたｑ軸電流の伝達関数Ｇｉは式（１６）で表される。ここで、Ｋｐは比例制御ゲイン、Ｔｉは積分時定数、Ｒaは固定子巻線抵抗、Ｌｑはｑ軸の固定子巻線インダクタンスである。また、固定子巻線抵抗値Ｒaおよび固定子巻線インダクタンスＬqを用いて、比例ゲインＫｐ＝２π×Ｋｐ’×Ｌ、積分時定数Ｔｉ＝Ｌ／Ｒとし、ｑ軸電流の伝達関数Ｇｉをカットオフ周波数Ｋｐ’［Ｈｚ］の１次遅れ系とみなす。
【００４７】
【数８】
0005522223.tif 000009
【００４８】
Ａ番目およびＢ番目の電力変換器において、電力変換器の直流母線電圧に依存する出力電圧制限が発生しない場合、切替える２つの電力変換器（Ａ番目およびＢ番目）から出力される電流の和ｉｑＡ＋ｉｑＢは一定値ｉｑＡ＊となるため、切替え時の推力リプルは発生しない。
一方、ｑ軸電流指令値ｉｑｎ＊が大きい状態、また高速走行によって大きな誘起電圧外乱が生じている状態のような出力電圧制限が発生する場合には、電圧指令Ｖｑｎ＊が出力電圧の最大値±Ｖｍａｘで制限される。その結果、出力電圧が制限された電力変換器の電流応答が遅れ、切替える２つの電力変換器（Ａ番目およびＢ番目）から出力される電流の和ｉｑＡ＋ｉｑＢが一定に保たれないために推力リプルが生じることになる。
【００４９】
通常、固定子巻線に流れる電流値ｉｑｎは、式（１６）から任意のｑ軸電流指令値ｉｑｎ＊によって一意に定まるが、電流制御器３０９は積分制御器５０３を含むため、切替えの瞬間の積分出力を任意の値に設定すると（以後、積分制御器の初期値設定とよぶ）、切替へ後の電流過渡応答に自然と変化が生じる。
そこで、通電する電力変換器を切替える際、２つの電力変換器（Ａ番目およびＢ番目）の電圧指令および出力電流について予測演算し、積分制御器の初期値設定を施すことによって、出力電圧制限が発生せず、かつ切替える２つの電力変換器（Ａ番目およびＢ番目）電流の総和が変動しないように補償することが可能となる。
【００５０】
電圧指令Ｖｑｎ＊、電流値ｉｑｎに対する積分制御器の出力値の影響を考えるため、図１４のモータモデル５０１と電流制御器３０９を状態空間表現に改めて、式（１７）および式（１８）で表す。なお、誘起電圧などの電圧外乱ＶＬｎは、電流制御器３０９における電流制御周期に対して一定とみなせると仮定する。
【００５１】
【数９】
0005522223.tif 000010
【００５２】
ここで、入力ｕｎはｑ軸電流指令値ｉｑｎ＊、状態変数ｘ１ｎはｑ軸電流値ｉｑｎ、状態変数ｘ２ｎは積分制御器出力Ｖｉｑｎ＊、出力ｙ１ｎはｑ軸電流値ｉｑｎ、ｙ２ｎはｑ軸電圧指令値Ｖｑｎ＊である。
電力変換器を切替える時刻をｔ＝０とし、 それ以前では出力電流は電流指令に対して十分追従していたものと考えれば、Ａ番目およびＢ番目の電力変換器の入力ｕｎおよび状態変数ｘ１ｎ、ｘ２ｎの初期値は、式（１９）で表される。ここで、ΔＥｑｎ＊は電圧補償値、 Ｔｓは電流制御器３０９のサンプリング時間である。
【００５３】
【数１０】
0005522223.tif 000011
【００５４】
式（１７）および式（１８）の状態方程式を、式（１９）の条件のもとに変形すれば、ｑ軸電流応答に関する式（２０）を得る。
【００５５】
【数１１】
0005522223.tif 000012
【００５６】
切替える２つの電力変換器（Ａ番目およびＢ番目）が出力する電流の和ｉｑＡ＋ｉｑＢを、常にｑ軸電流指令値ｉｑA＊の一定値とするため、式（２１）を定義する。さらに、式（１９）および式（２０）を用いて式（２１）を解けば、式（２２）を得る。
【００５７】
【数１２】
0005522223.tif 000013
【００５８】
積分制御器の初期値設定の際に加える電圧補償値ΔＥｑｎ＊が式（２２）を満たしていれば、切替える２つの電力変換器（Ａ番目およびＢ番目）が出力する電流の和ｉｑＡ＋ｉｑＢが、ｑ軸電流指令値ｉｑA＊の一定値に保たれる。ここに、電圧指令Ｖｑｎ＊が出力電圧の最大値±Ｖｍａｘを超えないという条件を付与すれば、電力変換器を切替える際の推力リプルを抑えることができる。この電圧補償を行うことによって電圧指令Ｖｑｎ＊の最大値を任意の予測電圧指令Ｅｑ＊とすることを考え、電圧補償値ΔＥｑｎ＊を設定する。
まず式（１５）より、ｙ２ｎ（ｑ軸電圧指令値Ｖｑｎ＊）の最大値ｙ２ｎＭＡＸを得て、式（２３）、式（２４）とする。
【００５９】
【数１３】
0005522223.tif 000014
【００６０】
式（２２）を満たし、かつ電圧指令の最大値ｙ２ｎＭＡＸを任意の予測電圧指令Ｅｑ＊とするために、電圧補償値ΔＥｑｎ＊を式（２５）のように定義する。ここで、ＶＬＭは演算で用いる出力電圧モデルであり、電圧外乱と巻線抵抗による電圧損失を意味する。この出力電圧モデルＶＬＭは式（２６）を満たす必要がある。
【００６１】
【数１４】
0005522223.tif 000015
【００６２】
式（２５）で定義した電圧補償値ΔＥｑｎ＊を、電力変換器の切替えの瞬間に１度だけ積分制御器５０３の出力に足しこみ、積分制御器の初期値設定を施すことで、電圧指令の最大値ｙ２ｎＭＡＸを任意の予測電圧指令Ｅｑ＊に抑えることができ、かつ切替える２つの電力変換器（Ａ番目およびＢ番目）が出力する電流の和 ｉｑＡ＋ｉｑＢを 、ｑ軸電流指令値ｉｑA＊の一定値に保つことができる。つまり、電力変換器を切替える際の推力リプルを抑えることができる。
【００６３】
次に、任意の予測電圧指令Ｅｑ＊を設定する。予測電圧指令Ｅｑ＊は、電力変換器の出力電圧最大値±Ｖｍａｘ以下であれば良いが、常に予測電圧指令Ｅｑ＊を最大値±Ｖｍａｘに設定すると、電力変換器の切替え実行時に出力電流ｉｑｎの応答に大きなオーバーシュートやアンダーシュートを生じる場合がある。したがって、ｑ軸電流指令値ｉｑｎ＊に応じて予測電圧指令Ｅｑ＊を変動させ、出力電流応答を改善する必要がある。
電力変換器の直流母線電圧に依存する出力電圧制限が発生しない場合の出力電流応答を改善することを考え、出力電流応答の収束を早め、オーバーシュートやアンダーシュートしないように予測電圧指令Ｅｑ＊を設定する。例えば、電流制御器３０９におけるｑ軸電流の伝達関数Ｇｉが式（１６）のように設定されている場合、比例係数αを用いて、予測電圧指令Ｅｑ＊の関数を式（２７）のように定義する。
【００６４】
【数１５】
0005522223.tif 000016
そして、ｑ軸電流応答に関する式（２０）から、Ａ番目およびＢ番目の出力電流応答が任意の極配置になるように比例係数αを定める。α＝Ｋｐとすれば、極配置が通常制御時と同等であり、オーバーシュートやアンダーシュートしない、式（２８）および式（２９）の電流応答式が得られる。つまり、電流応答を悪化させない、推力リプルを抑制するが可能となる。
【００６５】
【数１６】
0005522223.tif 000017
【００６６】
このように、本実施形態における、推力リプルを抑制する原理について、式（１４）〜式（２９）を用いて説明した。
次に、図１２における切替補償セレクタ４０１が出力する切替補償選択信号Ｓｎ、推力変動抑制器４０２が出力する予測電圧指令Ｅｑ＊、図１４における予測補償器５０４が出力する電圧補償量ΔＥｑｎ＊の演算および実施手順について説明する。
【００６７】
まず、切替補償セレクタ４０１において切替補償選択信号Ｓｎを定める。切替補償選択信号Ｓｎは、各電力変換器に対して切替補償を行うかどうかを定める信号であり、切替えるＡ番目およびＢ番目の電力変換器に対しては１を、その他の電力変換器に対しては０を与えるように設定する。また、切替補償選択信号Ｓｎは、電力変換器の切替えの瞬間に１パルスだけ出力される信号であり、切替えを行わないときは常に０である。
【００６８】
例えば、前述と同様に、図１における電力変換器１０４〜１０７から電力変換器１０５〜１０８へと切替える場合には、電力の供給を開始するように切替えられるＡ番目の電力変換器は電力変換器１０８、電力供給を止めるように切替えられるＢ番目の電力変換器は電力変換器１０４に相当するので、切替補償選択信号Ｓｎは式（３０）となる。なお、式（３０）の右辺は、左から順に電力変換器１０３への切替補償選択信号Ｓ１、電力変換器１０４への切替補償選択信号Ｓ２、電力変換器１０５への切替補償選択信号Ｓ３、電力変換器１０６への切替補償選択信号Ｓ４、電力変換器１０７への切替補償選択信号Ｓ５、電力変換器１０８への切替補償選択信号Ｓ６、である。この切替補償選択信号Ｓｎは、界磁可動子１０２の移動に基づく界磁可動子位置ｘに応じて、その状態（１か０）が切替わる。
【００６９】
【数１７】
0005522223.tif 000018
【００７０】
次に、推力変動抑制器４０２において予測電圧指令Ｅｑ＊を定める。出力電圧モデルＶＬＭ、Ａ番目の電力変換器へのｑ軸電流指令値ｉｑA＊、比例係数α＝Ｋｐを用いて、式（２７）によって定める。この際、出力電圧モデルＶＬＭは式（２６）を満たすように定めるが、式（２６）中の電圧外乱値ＶＬｎは、誘起電圧推定演算や電圧外乱オブザーバなどによって定めても良いし、各電流制御器の積分制御器の出力値から巻線抵抗による電圧損失分を差し引いたものを用いてもよい。また、出力電圧モデルＶＬＭが式（２６）を満たしているならば、演算に用いる電圧外乱値ＶＬｎは多少誤差が生じていても良く、実際の値よりも電圧外乱を多く見積もった場合は、制限値に対してより余裕を持った予測電圧指令が作成されることになる。
【００７１】
次に、予測補償器５０４において電圧補償量ΔＥｑｎ＊の演算を行う。電力の供給を開始するように切替えられるＡ番目の電力変換器においては式（３１）、電力供給を止めるように切替えられるＢ番目の電力変換器においては式（３２）を用いて演算する。式（３１）、式（３２）において、切替補償選択信号Ｓｎを乗じるから、Ａ番目およびＢ番目以外の電力変換器では切替補償選択信号Ｓｎが０であるため、電圧補償量ΔＥｑｎ＊は０である。また、Ａ番目およびＢ番目の電力変換器においても、電力変換器の切替えの瞬間以外の電圧補償量ΔＥｑｎ＊は０となる。得られたΔＥｑｎ＊を、積分制御器５０３の出力に足しこむことで、本実施形態における推力リプル補償が達成される。
【００７２】
【数１８】
0005522223.tif 000019
【００７３】
なお、本実施形態における推力リプル補償は、第１の実施形態と組み合わせることも可能である。その場合は、第１の実施形態における誘起電圧補償量Δeｑｎを考慮して、事前に出力電圧最大値Ｖｍａｘを小さく見積もり、式（２７）を式（３３）として演算すればよい（誘起電圧補償量Δeｑｎが複数ある場合には、その中で最大のものを選んで適用する）。
【００７４】
【数１９】
0005522223.tif 000020
【００７５】
本発明の第２の実施形態における電圧補償量ΔＥｑｎ＊を用いた場合の実験結果を示す。なお、図１５〜図１８の各実験結果は、図１におけるリニアモータおよびリニアモータ制御装置の構成において、電力変換器１１０〜１１３から固定子巻線１０４〜１０７への電力供給から、電力変換器１１１から１１４から固定子巻線１０５〜１０８への電力供給へ切替えた場合を示すものである。
図１５は電圧補償後の固定子巻線１０４と固定子巻線１０８に流れる電流の時間変化、図１６は電圧補償後の固定子巻線１０４と固定子巻線１０８に流れる電流の和の時間変化、図１７は電圧補償前の固定子巻線１０４と固定子巻線１０８に流れる電流の時間変化、図１８は電圧補償前の固定子巻線１０４と固定子巻線１０８に流れる電流の和の時間変化を示している。図１５および図１７については、固定子巻線１０８に流れる電流を実線で、固定子巻線１０４に流れる電流を破線で示している。なお、いずれの図においても、縦軸は電流振幅、横軸は時間軸である。
【００７６】
電圧補償前は、電力変換器の切替えの際（時間軸０．１ｓ付近）、切替えられる２つの電力変換器１１０，１１４が出力する電流の和にリプルが生じている（図１８参照）。一方、電圧補償後は、前述の電流の和にリプルが生じていない（図１６参照）。したがって、本実施形態の電圧補償によって推力リップルが低減していることが分かる。また、図１７（電圧補償前）と図１５（電圧補償後）とを対比してみれば、電力変換器１１０，１１４が出力する電流応答にも大きな遅れは生じず、出力電圧制限に応じた速やかな電力変換器の切替えを実現できていることが分かる。
【符号の説明】
【００７７】
１０１  リニアモータ
１０２  界磁可動子
１０３〜１０８  固定子巻線１０９〜１１４  電力変換器
１１５  制御部
２０１  位置センサ
２０２  速度演算器
２０３  速度制御器
２１０  推力分配器
２１１  誘起電圧補償器
３０２  ｄ軸電流制御器
３０３、３０９  ｑ軸電流制御器
３０４  ２相３相変換器
３０５  ３相２相変換器
３０６  ＰＷＭ変調器
３０７、３０８  加算器
４０１  切替補償セレクタ
４０２  推力変動抑制器
５０１  モータモデル
５０２  比例制御器
５０３  積分制御器
５０４  予測補償器
５０５、５０６  加算器
【図１】
0005522223.tif 000021
【図２】
0005522223.tif 000022
【図３】
0005522223.tif 000023
【図４】
0005522223.tif 000024
【図５】
0005522223.tif 000025
【図６】
0005522223.tif 000026
【図７】
0005522223.tif 000027
【図８】
0005522223.tif 000028
【図９】
0005522223.tif 000029
【図１０】
0005522223.tif 000030
【図１１】
0005522223.tif 000031
【図１２】
0005522223.tif 000032
【図１３】
0005522223.tif 000033
【図１４】
0005522223.tif 000034
【図１５】
0005522223.tif 000035
【図１６】
0005522223.tif 000036
【図１７】
0005522223.tif 000037
【図１８】
0005522223.tif 000038