(57)【要約】  本発明は、電力アンプによる磁気エネルギーをすばやくゼロとするとともに磁気回路を安定化し、電力アンプのゼロパワーの実現と浮上体の変位をすばやく収束安定化することができる磁気浮上制御装置を提供する。  電磁石と永久磁石を組み合わせた複合磁気回路を構成する吸引形磁気浮上系であって、電磁石に励磁電圧あるいは励磁電流を供給する電力アンプ部（１００）と、前記電力アンプ（１００）の出力電流を検出する電流検出部（１０２）と、固定子と浮上体との空隙変位を検出する位置検出部（１０１）と、前記位置検出値を基準位置に制御する位置制御部（１０３）と、を備えた磁気浮上制御装置において、前記複合磁気回路に鎖交する磁束を演算する磁束演算部（１０９）と、前記磁束演算値に基づき前記電力アンプ（１００）による磁気エネルギーをゼロとする磁束制御部（１１０）と、を備えたものである。
2009130940.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電磁石と永久磁石を組み合わせた複合磁気回路を構成する吸引形磁気浮上系であって、
前記電磁石に励磁電圧または励磁電流を供給する電力アンプ部と、
前記電力アンプ部の出力電流を検出する電流検出部と、
固定子と浮上体との空隙変位を検出する位置検出部と、
前記位置検出部で検出した位置検出値を基準位置に制御する位置制御部と、
を備え、
前記複合磁気回路に鎖交する磁束を演算する磁束演算部と、
前記磁束演算部から算出した磁束演算値に基づき前記電力アンプによる磁気エネルギーをゼロとする磁束制御部と、
を備えたことを特徴とする磁気浮上制御装置。
【請求項２】
前記磁束演算部は、励磁電圧と励磁電流に基づいて演算することを特徴とする請求項１記載の磁気浮上制御装置。
【請求項３】
前記位置制御部と前記磁束制御部との制御負担率を調整する制御負担率調整部と、を備えたことを特徴とする請求項１記載の磁気浮上制御装置。
【請求項４】
前記磁束演算値に基づき固定子と浮上体との空隙変位を演算する位置演算部と、前記位置演算部から算出した位置演算値に基づき空隙変位を制御する位置制御部と、を備えたことを特徴とする請求項１記載の磁気浮上制御装置。
【請求項５】
電磁石と永久磁石を組み合わせた複合磁気回路を構成する吸引形磁気浮上系であって、
前記電磁石に励磁電圧または励磁電流を供給する電力アンプ部と、
前記電力アンプ部の出力電流を検出する電流検出部と、
固定子と浮上体との空隙変位を検出する位置検出部と、
前記位置検出部で検出した位置検出値を基準位置に制御する位置制御部と、
を備え、
前記複合磁気回路に鎖交する磁束を演算する磁束演算部と、
前記磁束演算部から算出した磁束演算値と前記電流検出部で検出した前記電流検出値とに基づき磁気エネルギーを演算する磁気エネルギー演算部と、
前記磁気エネルギー演算部から算出した磁気エネルギー演算値に基づき前記電力アンプによる磁気エネルギーをゼロとする磁気エネルギー制御部と、を備えたことを特徴とする磁気浮上制御装置。
【請求項６】
前記磁束演算値に基づき固定子と浮上体との空隙変位を演算する位置演算部と、
前記位置演算値に基づき空隙変位を制御する位置制御部と、
を備えたことを特徴とする請求項５記載の磁気浮上制御装置。
【請求項７】
前記位置制御部と前記磁気エネルギー制御部との制御負担率を調整する制御負担率調整部と、を備えたことを特徴とする請求項５記載の磁気浮上制御装置。
【請求項８】
前記磁気エネルギーに関する物理量は、前記磁束演算値の２乗と前記検出電流値の２乗との和に基づいて演算されることを特徴とする請求項５記載の磁気浮上制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電磁石と永久磁石を組み合わせた磁気浮上制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の磁気浮上制御装置は、電磁石と永久磁石を組み合わせた複合磁気回路を構成する吸引形磁気浮上系において、検出した空隙変位に基づく空隙位置制御と検出した電磁石の励磁電流に基づく電流制御とで構成されている。（例えば、特許文献１参照）。
また、空隙変位を検出せず、磁気浮上装置の数式モデルにより演算し、空隙変位検出部を省略しているものもある（例えば、特許文献２参照）。
この磁気浮上装置は、浮上体の重量を永久磁石の吸引力で支持しており、電流制御により電磁石の励磁電流を定常的にゼロに保つことは浮上に要する入力エネルギーが定常的にゼロとなるため、電力アンプ消費電力を低減できる。これをゼロパワー制御と称している。
このように、従来の磁気浮上制御装置は、位置制御によって浮上体の重量と永久磁石の吸引力が釣り合うように制御し、電流制御によって電力アンプの消費電力を低減するのである。
【特許文献１】特開平１１−２４３６０７号公報（第６−９頁、図５）
【特許文献２】特開２００５−１１７７０５号公報（第８−９頁、図２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
従来の磁気浮上制御装置は、浮上体の重量を永久磁石の吸引力で支持した状態で電力アンプによる消費電力をゼロとすることは励磁電流をゼロとすることに相当するという考えのもとに電流制御が組まれていた。しかしながら、電流をゼロに保った場合、アンプの消費電力ゼロ（ゼロパワー）は実現できるものの残留する磁気エネルギーの影響（ヒステリシス特性の影響）で浮上位置が磁気的な平衡点からずれるという問題があった。これは空隙変位を制御するための位置制御が磁気的な平衡点を基準に組まれていることから、ゼロパワーは実現できても制御が不安定となり、位置制御の収束性が劣化するという問題もあった。本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、電力アンプによる磁気エネルギーをすばやくゼロとするとともに磁気回路を安定化し、電力アンプのゼロパワーの実現と浮上体の変位をすばやく収束安定化することができる磁気浮上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】
【０００４】
上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したのである。
請求項１に記載の発明は、電磁石と永久磁石を組み合わせた複合磁気回路を構成する吸引形磁気浮上系であって、前記電磁石に励磁電圧または励磁電流を供給する電力アンプ部と、前記電力アンプ部の出力電流を検出する電流検出部と、固定子と浮上体との空隙変位を検出する位置検出部と、前記位置検出部で検出した位置検出値を基準位置に制御する位置制御部と、を備え、前記複合磁気回路に鎖交する磁束を演算する磁束演算部と、前記磁束演算部から算出した磁束演算値に基づき前記電力アンプによる磁気エネルギーをゼロとする磁束制御部と、を備えたものである。
請求項２に記載の発明は、前記磁束演算部が、励磁電圧と励磁電流に基づいて演算するものである。
請求項３に記載の発明は、前記位置制御部と前記磁束制御部との制御負担率を調整する制御負担率調整部と、を備えたものである。
請求項４に記載の発明は、前記磁束演算値に基づき固定子と浮上体との空隙変位を演算する位置演算部と、前記位置演算部から算出した位置演算値に基づき空隙変位を制御する位置制御部と、を備えたものである。
請求項５に記載の発明は、電磁石と永久磁石を組み合わせた複合磁気回路を構成する吸引形磁気浮上系であって、前記電磁石に励磁電圧または励磁電流を供給する電力アンプ部と、前記電力アンプ部の出力電流を検出する電流検出部と、固定子と浮上体との空隙変位を検出する位置検出部と、前記位置検出部で検出した位置検出値を基準位置に制御する位置制御部と、を備え、前記複合磁気回路に鎖交する磁束を演算する磁束演算部と、前記磁束演算部から算出した磁束演算値と前記電流検出部で検出した前記電流検出値とに基づき磁気エネルギーを演算する磁気エネルギー演算部と、前記磁気エネルギー演算部から算出した磁気エネルギー演算値に基づき前記電力アンプによる磁気エネルギーをゼロとする磁気エネルギー制御部と、を備えたものである。
請求項６に記載の発明は、前記磁束演算値に基づき固定子と浮上体との空隙変位を演算する位置演算部と、前記位置演算値に基づき空隙変位を制御する位置制御部と、を備えたものである。
請求項７に記載の発明は、前記位置制御部と前記磁気エネルギー制御部との制御負担率を調整する制御負担率調整部と、を備えたものである。
請求項８に記載の発明は、前記磁気エネルギーに関する物理量は、前記磁束演算値の２乗と前記検出電流値の２乗との和に基づいて演算されるものである。
【発明の効果】
【０００５】
請求項１に記載の発明によると、電力アンプによる磁気エネルギーをすばやくゼロとすることができ、磁気回路を安定化し、電力アンプのゼロパワーの実現と浮上体の変位をすばやく収束安定化することができる。
また、請求項２に記載の発明によると、磁気回路に鎖交する磁束を演算することができる。
また、請求項３に記載の発明によると、位置制御部と磁束制御部との制御負担率を調整することができる。
また、請求項４に記載の発明によると、空隙変位検出部を省略し、浮上体位置を演算することができ、演算位置に基づき位置制御を実現することができる。
また、請求項５に記載の発明によると、電力アンプによる磁気エネルギーに関する物理量を演算することができ、その磁気エネルギーをゼロとするように制御することができる。
また、請求項６に記載の発明によると、浮上体の演算位置に基づく位置制御部と電力アンプによる磁気エネルギーとを制御することができる。
また、請求項７に記載の発明によると、浮上体の演算位置に基づく位置制御部と電力アンプによる磁気エネルギーとを制御することができ、それら制御負担率を調整することができる。
また、請求項８に記載の発明によると電力アンプによる磁気エネルギーに関する物理量を演算することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】本発明の第１実施例を示す磁気浮上制御装置の制御ブロック図
【図２】電磁石のヒステリシス特性を説明する図
【図３】第２実施例を示す磁気浮上制御装置の制御ブロック図
【符号の説明】
【０００７】
１００  ３００  電力アンプ
１０１  ３０１  空隙変位検出部
１０２  ３０２  電流検出部
１０３  ３０３  位置制御部
１０５  ３０５  励磁電圧指令生成部
１０６  ３０６  制御負担率調整部
１０７  ３０７  速度状態フィードバック演算部
１０８  ３０８  電流状態フィードバック演算部
１２０  ３２０  磁気浮上装置
１０９  磁束演算部
３０９  磁気エネルギー演算部
１１０  磁束制御部
３１０  磁気エネルギー制御部
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
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】
【０００９】
図１は、本発明の磁気浮上制御装置の制御ブロック図である。図において、１２０は電磁石と永久磁石を組み合わせた複合磁気回路を構成する吸引形磁気浮上装置、１００は、電磁石を励磁する電力アンプとなっている。１０１は固定子と浮上体との空隙変位を検出する位置検出部、１０２は電力アンプの出力電流を検出する電流検出部、１０３は前記位置検出値を基準位置に制御する位置制御部、１０７は位置検出値から速度を微分演算し係数をかけて制御入力に状態フィードバックする速度状態フィードバック演算部、１０８は電流検出値に係数をかけて制御入力に状態フィードバックする電流状態フィードバック演算部、１０９はアンプの励磁電圧と検出電流に基づき磁束を演算する磁束演算部、１１０は磁束演算値を所望の磁束に制御する磁束制御部、１０５は位置制御出力と磁束制御出力と速度状態フィードバック値と電流状態フィードバック値とから電圧指令値を生成する電圧指令生成部、１０６は位置制御部と磁束制御部との制御負担率を調整する制御負担率調整部となっている。
本発明が従来技術と異なる部分は、複合磁気回路に鎖交する磁束を演算する磁束演算部と、磁束演算値に基づき前記電力アンプによる磁気エネルギーをゼロとする磁束制御部とを備えた部分である。
以下、制御構成について説明する。一般に磁気浮上系の状態方程式は以下の式であらわされる。【００１０】
2009130940.tif 000003
2009130940.tif 000004
L0：励磁コイルの自己インダクタンス、R：励磁コイルの巻線抵抗、fd:浮上体に作用する外力、Kd0：変位を力に換算する係数、Ki0：電流を力に換算する係数である。【００１１】
(１)式の状態方程式において、
2009130940.tif 000005
と定義し、各行列をＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄと置く。【００１２】
2009130940.tif 000006
ここで、y：制御出力、
2009130940.tif 000007
である。【００１３】
磁気浮上の姿勢を安定化させるためには、空隙変位（位置）、速度、電流を用いて、フィードバック制御により安定化を図ることとなる。実用的に検出可能な物理量としては、位置と電流であり、速度は位置の変化量から演算可能である。
励磁電圧u１指令値は、以下のように構成される。【００１４】
2009130940.tif 000008
ただし、ｚ0は位置基準値、Kzは比例制御あるいは比例・積分制御などで構成される制御器、Ki、Kdzは制御ゲインである。【００１５】
位置を位置基準値に完全に一致させる場合は、Kzは比例・積分制御で構成させることとなる。これに対し、浮上体の重量を永久磁石の吸引力で支持した状態で電力アンプによる消費電力をゼロとするゼロパワー制御がある。この場合、位置を外力によって基準値から変化させ、アンプの消費電力をゼロとすることとなる。これを実現するためは、従来はKzを比例制御とし、（４）式のように電流フィードバック制御を（３）式に付加していた。【００１６】
2009130940.tif 000009
ここで、Kexiは制御ゲインである。【００１７】
しかしながら、電流をゼロに保った場合、アンプの消費電力ゼロ（ゼロパワー）は実現できるものの残留する磁気エネルギーの影響（ヒステリシス特性の影響）で浮上位置が磁気的な平衡点から大きくずれることがあるという問題があった。これは空隙変位を制御するための位置制御が磁気的な平衡点を基準に組まれていることから、ゼロパワーは実現できても制御が不安定となり、位置制御の収束性が劣化するという問題もあった。図２は磁気回路のヒステリシス特性を説明するものである。アンプ電流をゼロに制御しても残留磁束が大きく残る場合は変位も大きく基準位置からずれることとなる。また、電流がアンプの正方向と負方向とでも特性が変ることがあった。【００１８】
そこで、本発明では磁束を直接制御し、ゼロパワー制御を実現する方法を提案している。磁気回路に鎖交する磁束は、コイルにより発生する磁束と永久磁石によりコイルに鎖交する磁束との合成であり、永久磁石の分極方向の長さをlｍ 、電磁石コアと永久磁石の断面積をSとすると、次式のようにあらわされる。【００１９】
2009130940.tif 000010
ここで、【００２０】
2009130940.tif 000011
φ：主磁束、 
N：コイルの巻数、 
Ｈｍ：永久磁石保磁力(AT/m)
μ０：永久磁石と空隙の透磁率【００２１】
説明の簡単のため、電磁石コアと永久磁石の断面積を等しいとしたが、異なる場合も同様に計算可能である。
電気回路においては、次式の関係が成り立っている。【００２２】
2009130940.tif 000012
鎖交磁束は（７）式を積分演算して、（８）式のように求められる。【００２３】
2009130940.tif 000013
【００２４】
（８）式は実用上、純粋な積分はオフセットなどのドリフトなどを引き起こすため、近似的に疑似積分へ置き換えこともできる。【００２５】
2009130940.tif 000014
ここで、ｋｔは疑似積分係数である。【００２６】
磁気的な平衡点における永久磁石から発生される磁束を指令値φ＊とすると、予め次式で計算される。【００２７】
2009130940.tif 000015
【００２８】
したがって、磁束制御を付加した励磁電圧指令値u1は、次式で与えられる。【００２９】
2009130940.tif 000016
ここで、Kfaiは制御ゲインである。【００３０】
また、磁束の指令値との偏差は予め以下のように計算することもできる。【００３１】
2009130940.tif 000017
【００３２】
この磁束制御を付加した場合、電磁石の発生する磁束をゼロとすることができる。磁束がゼロとなった直後の励磁電流は図２のヒステリシス特性のようにゼロとはならないが、電磁エネルギーを発生しないので、（１３）式の関係のように、次第にゼロに収束することとなる。また（１１）式では磁束制御を積分型で構成したが、比例・積分型の構成としても問題はない。また、励磁電圧指令値に制御結果を加算するようにしているが、電流制御形の電力アンプを使用する場合は、制御ゲインの調整により電流指令値に加算することも可能である。【００３３】
2009130940.tif 000018
ここで、Ｒｚは電磁石の磁気抵抗である。【００３４】
実際の制御においては、起動時には磁束制御をいれず（オフモード）、位置制御の制御構成を比例積分とし、すばやく空隙変位を基準位置に制御する。その後、位置制御を比例制御に切替、磁束制御をいれて（オンモード）電力アンプの消費電力をゼロに近づけていく。これら調整を制御負担率調整部１０６にて実施するようになっている。
【実施例２】
【００３５】
図３は第２実施例の構成を示す図である。実施例１の磁束演算部を３０９の磁気エネルギー演算部に置き換え、３１０にて電力アンプによる磁気エネルギーをゼロとするように制御するように構成している。実施例１の磁束制御では電力アンプによる磁束をゼロとしてもすぐには励磁電流をゼロとすることはできなった点を改良するものである。
磁気エネルギーに相当する物理量を（１４）式のように磁気エネルギー演算部３０９にて演算する。【００３６】
2009130940.tif 000019
【００３７】
これをゼロとするように３１０で磁気エネルギー制御を実施する。
したがって、磁気エネルギー制御を付加した励磁電圧指令値u1は、次式で与えられる。【００３８】
2009130940.tif 000020
（１４）式における磁気エネルギーに相当する物理量は、平方根をとっているが、無くても制御は可能である。
このように、ヒステリ特性にある電磁石による残留磁気エネルギーをゼロとするようにしているので、浮上位置をすばやく磁気的な安定点に制御し、電力アンプの消費電力をゼロとすることができる。
【図１】
2009130940.tif 000021
【図２】
2009130940.tif 000022
【図３】
2009130940.tif 000023
【国際調査報告】
2009130940.tif 000024
2009130940.tif 000025
2009130940.tif 000026
2009130940.tif 000027