(57)【要約】【課題】  可動子のストロークが長く、複数に分割し連続して配置された固定子を備えたリニアモータにおいてアンプ切替の際に推力ショックのないセンサレス駆動を可能とするリニアモータの制御装置を提供する。【解決手段】  複数の固定子に供給する電圧指令値と電流検出値から推定位置に基づき磁極位置を基準とする直交座標系における電圧、電流を演算する手段と前記電圧、電流から位置と速度を推定する手段と推定位置に基づき制御基準位置を調整する位置調整器とを備え、一つの速度制御器から出力される電流指令値を制御基準軸に基づき各固定子へ分配し、各固定子の駆動アンプへ適当な電圧を指令することを特徴とする。【選択図】    図２
2006087178.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
可動子に永久磁石を備え、複数に分割して連続的に配置された固定子の巻線に、少なくとも２つ以上のアンプから電力を順次供給することによって、可動子を移動させるリニアモータの制御装置において、
前記アンプの切替パターンに基づき、前記２つ以上のアンプの出力電圧から合成した電圧を演算する手段と、前記２つ以上のアンプの出力電流から合成した電流を演算する手段と、前記合成した電圧と前記合成した電流から第１の制御基準角度に対する実際の磁極位置の誤差と速度を推定する手段と、前記磁極位置の誤差に基づき前記第１の制御基準角度を調整する手段とを備え、前記調整の結果である第２の制御基準角度を用いて制御することを特徴とするリニアモータの制御装置。
【請求項２】
可動子に永久磁石を備え、複数に分割して連続的に配置された固定子の巻線に、少なくとも２つ以上のアンプから電力を順次供給することによって、可動子を移動させるリニアモータの制御装置において、
前記アンプの切替パターンに基づき、前記２つ以上のアンプの出力電圧から合成した電圧を演算する手段と前記２つ以上のアンプの出力電流から合成した電流を演算する手段と、前記合成した電圧と前記合成した電流から速度を推定する手段と、前記速度を積分演算して磁極位置を推定する手段と、前記磁極位置と第１の制御基準角度との位置誤差を演算する手段と、前記位置誤差に基づき第１の制御基準角度を調整する手段とを備え、前記調整の結果である第２の制御基準角度を用いて制御することを特徴とするリニアモータの制御装置。
【請求項３】
前記合成した電圧と前記合成した電流を用いて式（１）に基づき第１の制御基準角度に対する実際の磁極位置の誤差と速度を推定する手段を備えたことを特徴とする請求項１または２記載のリニアモータの制御装置。
【数１】
2006087178.tif 000010
ここで、Ｒｓは固定子巻線抵抗、Ｌｄは磁極軸方向インダクタンス、Ｌｑは磁極軸に直交する方向のインダクタンス、ωは電気角速度、Ｅγは制御直交座標系における誘起電圧のγ軸成分、Ｅδは制御直交座標系における誘起電圧のδ軸成分、Ｅは誘起電圧の振幅、Δθは制御基準角度と実際の可動子磁極位置との誤差角度。
【請求項４】
可動子に永久磁石を備え、複数に分割して連続的に配置された固定子の巻線に、少なくとも２つ以上のアンプから電力を順次供給することによって、可動子を移動させるリニアモータの制御装置において、
位置速度推定器で推定される速度と速度指令値とにより推力指令値を生成する速度制御器と、前記推力指令値を電流指令値へ変換する推力電流変換器と、前記電流指令値から前記２つ以上のアンプの電流指令値を生成する電流指令分配器と、前記２つ以上のアンプに設置した電流検出器での検出電流値と制御基準角度から制御直交座標系の検出電流と前記制御直交座標系の検出電流から合成された電流を演算する電流演算器と、前記電流指令値と前記合成された電流から前記アンプの電圧指令値を生成する電流制御器と、前記電圧指令値から振幅を演算する電圧振幅演算器と位相を演算する電圧位相演算器と、前記２つ以上のアンプの電圧指令値から合成された電圧を演算する電圧演算器と、前記合成された電圧と前記合成された電流から位置誤差および速度を推定する位置速度推定器と、前記位置誤差から前記制御基準角度を調整する位相調整器とを備えたことを特徴とするリニアモータの制御装置。
【請求項５】
前記電流指令分配器は前記推力電流変換器で生成される電流指令値を制御基準角度とアンプの切替パターンに基づき電流指令値の比率を調整し、前記アンプへの電流指令値を生成することを特徴とする請求項４記載のリニアモータの制御装置。
【請求項６】
前記可動子の位置あるいは速度センサを可動子の走行方向に沿って、前記固定子の一部に設置し、実測される実位置あるいは実速度と、前記推定位置あるいは推定速度を切り替える手段を付加したことを特徴とする請求項４記載のリニアモータの制御装置。
【請求項７】
可動子に永久磁石を備え、複数に分割して連続的に配置された固定子の巻線に、少なくとも２つ以上のアンプから電力を順次供給することによって、可動子を移動させるリニアモータの制御方法において、
前記アンプの切替パターンに基づき、前記２つ以上のアンプの出力電圧から合成した電圧を演算し、前記２つ以上のアンプの出力電流から合成した電流を演算し、前記合成した電圧と前記合成した電流から第１の制御基準角度に対する実際の磁極位置の誤差と速度を推定し、前記磁極位置の誤差に基づき前記第１の制御基準角度を調整し、前記調整の結果である第２の制御基準角度を用いて制御することを特徴とするリニアモータの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、可動子に永久磁石を備え、複数に分割して連続的に配置された固定子の巻線に、少なくとも２つ以上のアンプから電力を順次供給することによって、可動子を移動させるリニアモータの制御方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
リニアモータは半導体製造装置や工作機械などのＦＡ用搬送装置などに利用されており、とりわけ液晶ディスプレイ製造用のガラス基盤搬送用途では数１０メートル程度の長距離を搬送する場合もある。長距離搬送においては、可動子に永久磁石を配置し、可動子に電力ケーブルのないリニアモータが採用されることが多い。しかし、このリニアモータの推力を制御するためには可動子の磁極位置の検出が必須となる。位置検出方法としては、可動子にスリットを設け、光学式センサを用いて検出する方法がある。しかし、可動子に取りつけたスリットが移動して光学式センサから外れると位置が検出できなくなるため、光学センサをスリットの長さより短い間隔で配置しなければならなく、長距離となるとそれにしたがって多数の光学センサを配置しなければならなくなり、コスト高となる問題があった。また機構的な制約からセンサが取り付けられない場合もある。
【０００３】
そこで、リニアモータのセンサレス制御が実施されている。例えば、特許文献１に開示された技術では複数の固定子巻線に電力を供給する複数電力変換器（以後アンプと称す）の出力電圧の和と出力電流の和から磁束演算を実施した後、磁束演算値を座標変換して推定磁極軸成分を求め、これを実際の磁極軸に一致させるためのループ回路を構成することで、可動子の位置、速度を演算により求めるようにしている。また、特許文献２に開示された技術では、連続的に配置した固定子の多相巻線の中性点を基準として誘起電圧を直接検出し、固定子巻線の誘起電圧が生じ始めるタイミングと無くなるタイミングを検出し、ｎ相の固定子巻線に対して１８０°/ｎピッチで可動子を検出するようにしている。
【特許文献１】特開平9-65676号公報（第7項、第１図）
【特許文献２】特開2002-223587号公報（第7項、第1、4図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、いずれの方法においても複数の固定子巻線に電力を供給するアンプの切替において課題が存在する。特許文献１の磁束演算においては、演算入力にアンプの出力電圧の和と出力電流の和を用いているが、これはアンプが一つずつ駆動する場合を仮定しており、実際には同時に電力を供給する場合も存在するがこれを考慮していない。また、アンプ切替で生じた電流位相ずれを予めメモリに固定値をセットしているが、切替瞬間に位相を補正した場合に推力変動が生じることになる。これに対し、特許文献２は直接誘起電圧を検出し、誘起電圧が生じるタイミングと無くなるタイミングで切替に工夫を凝らしている。しかし、誘起電圧を直接ハードウエアで検出するため、可変速状態やノイズの影響、検出遅れなどによりエッジのタイミングを正確に検出するのは困難と考えられる。
【０００５】
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、可動子に永久磁石を備え、複数に分割して連続的に配置された固定子の巻線に、少なくとも２つ以上のアンプから電力を順次供給する際の切替で推力ショックのないセンサレスでの位置速度推定を実現するリニアモータの制御方法とその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】
【０００６】
請求項１記載の発明は、可動子に永久磁石を備え、複数に分割して連続的に配置された固定子の巻線に、少なくとも２つ以上のアンプから電力を順次供給することによって、可動子を移動させるリニアモータの制御装置において、前記アンプの切替パターンに基づき、前記２つ以上のアンプの出力電圧から合成した電圧を演算する手段と前記２つ以上のアンプの出力電流から合成した電流を演算する手段と、前記合成した電圧と前記合成した電流から第１の制御基準角度に対する実際の磁極位置の誤差と速度を推定する手段と、前記磁極位置の誤差に基づき前記第１の制御基準角度を調整する手段とを備え、前記調整の結果である第２の制御基準角度を用いて制御するようにしたものである。
【０００７】
請求項２記載の発明は、可動子に永久磁石を備え、複数に分割して連続的に配置された固定子の巻線に、少なくとも２つ以上のアンプから電力を順次供給することによって、可動子を移動させるリニアモータの制御装置において、前記アンプの切替パターンに基づき、前記２つ以上のアンプの出力電圧から合成した電圧を演算する手段と前記２つ以上のアンプの出力電流から合成した電流を演算する手段と、前記合成した電圧と前記合成した電流から速度を推定する手段と、前記速度を積分演算して磁極位置を推定する手段と、前記磁極位置と第１の制御基準角度との位置誤差を演算する手段と、前記位置誤差に基づき第１の制御基準角度を調整する手段とを備え、前記調整の結果である第２の制御基準角度を用いて制御するようにしたものである。
【０００８】
請求項３記載の発明は、前記合成した電圧と前記合成した電流を用いて数式（１）のモータの電圧電流方程式に基づき第１の制御基準角度に対する実際の磁極位置の誤差と速度を推定する手段を備えるようにしたものである。
【０００９】
請求項４記載の発明は、可動子に永久磁石を備え、複数に分割して連続的に配置された固定子の巻線に、少なくとも２つ以上のアンプから電力を順次供給することによって、可動子を移動させるリニアモータの制御装置において、位置速度推定器で推定される速度と速度指令値とにより推力指令値を生成する速度制御器と、前記推力指令値を電流指令値へ変換する推力電流変換器と、前記電流指令値から前記２つ以上のアンプの電流指令値を生成する電流指令分配器と、前記２つ以上のアンプに設置した電流検出器での検出電流値と制御基準角度から制御直交座標系の検出電流と前記制御直交座標系の検出電流から合成された電流を演算する電流演算器と、前記電流指令値と前記合成された電流から前記アンプの電圧指令値を生成する電流制御器と、前記電圧指令値から振幅を演算する電圧振幅演算器と位相を演算する電圧位相演算器と、前記２つ以上のアンプの電圧指令値から合成された電圧を演算する電圧演算器と、前記合成された電圧と前記合成された電流から位置誤差および速度を推定する位置速度推定器と、前記位置誤差から前記制御基準角度を調整する位相調整器とを備えるようにしたものである。
【００１０】
請求項５記載の発明は、前記電流指令分配器は前記推力電流変換器で生成される電流指令値を制御基準角度とアンプの切替パターンに基づき電流指令値の比率を調整し、前記アンプへの電流指令値を生成するようにしたものである。
【００１１】
請求項６記載の発明は、前記可動子の位置あるいは速度センサを可動子の走行方向に沿って、前記固定子の一部に設置し、実測される実位置あるいは実速度と、前記推定位置あるいは推定速度を切り替える手段を付加するようにしたものである。
請求項７記載の発明は、可動子に永久磁石を備え、複数に分割して連続的に配置された固定子の巻線に、少なくとも２つ以上のアンプから電力を順次供給することによって、可動子を移動させるリニアモータの制御方法において、前記アンプの切替パターンに基づき、前記２つ以上のアンプの出力電圧から合成した電圧を演算し、前記２つ以上のアンプの出力電流から合成した電流を演算し、前記合成した電圧と前記合成した電流から第１の制御基準角度に対する実際の磁極位置の誤差と速度を推定し、前記磁極位置の誤差に基づき前記第１の制御基準角度を調整し、前記調整の結果である第２の制御基準角度を用いて制御するようにしたものである。
【発明の効果】
【００１２】
請求項第１項から第６項記載のリニアモータの制御方法および装置によれば、可動子に永久磁石を備え、複数に分割して連続的に配置された固定子の巻線に、少なくとも２つ以上のアンプから電力を順次供給する際の切替で推力ショックのないセンサレスでの位置速度推定を実現するリニアモータの制御方法とその装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の具体的実施例を図に基づいて説明する。
【実施例１】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態について図を参照しながら説明する。図１はこの発明の一実施形態におけるリニアモータの制御装置の構成を示すものである。なお記号ESTは推定値、REFは指令値であることを表している。
【００１５】
図１において、可動子１０１は永久磁石により一対の磁極対を構成し、複数に分割して連続的に配置された固定子２０１、２０２、・・・・の上を移動していく。各固定子巻線にはアンプ３０１、３０２、・・・・が接続され電力を供給する。電流検出器５０１、５０２、・・・・は各アンプの少なくとも２相分の電流を検出し、その結果は制御器４００に入力される。制御器４００では、位置指令値および速度指令値から可動子１０１を移動させるのに必要な推力指令値を計算し、その推力発生に必要な電圧を各アンプ別に計算し、各々のアンプへ指令する。
【００１６】
図２は図１に示す制御器４００内で位置速度を推定する手段を説明するものである。位置速度推定器は各アンプの出力電圧指令値を合成した電圧と各アンプでの電流検出値を合成した電流を入力とする。電圧演算器４０２では、後述する電流制御器で生成される各アンプの電圧指令値を入力とする。各アンプの電圧指令値は制御直交座標系で生成され、数式（１）のように制御基準軸であるγ軸とそれに直交するδ軸の各スカラー成分で表される。
【００１７】
【数１】
2006087178.tif 000003
【００１８】
これら電圧の合成は、数式（２）のように演算される。
【００１９】
【数２】
2006087178.tif 000004
【００２０】
これに対し、電流演算器４０５では、各アンプで検出された電流を入力する。検出電流が２相のみの場合は数式（３）のように３相分を演算し、制御基準角度θ(REF2)に基づき数式（４）のように制御直交座標系における電流を演算する。
【００２１】
【数３】
2006087178.tif 000005
【００２２】
これら電流の合成は、各アンプの切替パターンを考慮しなければならない。図３はアンプの切替パターンの１例を示すものである。切替パターンは、推定された可動子位置と固定子位置、駆動するアンプの個数から、指令推力に対応した指令電流を各アンプに割り与えるための電流比率をマッピングしたものである。図３では固定子１はアンプ１から電力を供給され、固定子２はアンプ２から電力を供給され、説明を簡略化するために可動子の長さと各固定子の長さが等しい場合を示している。このとき切替パターンは指令推力に対応した指令電流を各アンプに割り与える比率をＦｇで与え、アンプ１への比率Ｆｇ１、アンプ２への比率Ｆｇ２を予めマッピングしておく。可動子が固定子１と固定子２とのちょうど中間に位置する場合はアンプ１とアンプ２の電流比率はともに５０％となるようにしている。したがって、各アンプ電流の総和が指令電流に一致するようになっているため合成電流は数式（５）のように演算される。
Iγδ=Iγ+jIδ=(Iγ1+Iγ2+ … +Iγn)+j(Iδ1+Iδ2+ … +Iδn)         …(5)
ただし、数式（５）が成り立つためには後述の電流指令分配器が必要となる。
これら制御直交座標系における合成電圧と合成電流から制御軸から実際の可動子の磁極位置誤差を演算することができる。
位置速度推定器４０３では誘起電圧推定に基づく手法を適用する。モータの電圧電流方程式は数式（６）であり、
【００２３】
【数４】
2006087178.tif 000006
【００２４】
ここで、Ｒｓは固定子巻線抵抗、Ｌｄは磁極軸方向インダクタンス、Ｌｑは磁極軸に直交する方向のインダクタンス、ωは電気角速度、Ｅγは制御直交座標系における誘起電圧のγ軸成分、Ｅδは制御直交座標系における誘起電圧のδ軸成分、Ｅは誘起電圧の振幅、
Δθは制御基準角度と実際の可動子磁極位置との誤差角度である。
【００２５】
したがって、モータ定数が既知と仮定すると数式（６）に基づき数式（７）のように誤差角度Δθが演算される。
【００２６】
【数５】
2006087178.tif 000007
【００２７】
速度推定値ω(EST)は数式（８）あるいは数式（９）のように演算される。
【００２８】
【数６】
2006087178.tif 000008
【００２９】
ここで、Ｋｅは誘起電圧定数、Ｋｇ、Ｋｗは制御調整ゲイン、τは積分時定数である。
数式（８）と（９）はいずれも制御基準軸と実際の可動子の磁極位置を一致させるように速度を推定するもので、速度推定値は数式（４）のωに置き換えて、逐次調整するものである。各モータ定数を既知としたが、その値は各固定子から計測した値あるいは設計値を使用することになる。配置された各固定子のモータ定数が同じである場合は、数式（６）には１つの固定子の定数を設定すればよいが異なる場合は予め図３と同様に定数の変化の比率をマッピングするか、定数変化の影響が少ないレベルを試験的に検証し、例えば平均化した固定値などを設定するようにする。
【００３０】
位相調整器４０４は、推定された位置誤差角度Δθに基づき、第１の制御基準角度θ(REF1)を調整するものであり、フィルタやＰＩ制御器などを用いる。位相調整器４０４出力は制御基準角度θ(REF1)と加算器４０１で加算され、加算結果を第２の制御基準角度θ(REF2)とする。
【実施例２】
【００３１】
図４は図１に示す制御器内で位置速度を推定する手段の第２の実施例を説明するものである。第１の実施例と異なる点は、数式（６）で演算された速度推定値ω(EST)を積分演算器４０６にて積分演算し、その結果を比較器４０７にて第１の制御基準角度θ(REF1)との偏差を演算するところである。位相調整器４０４は、推定された位置誤差角度Δθに基づき、制御基準角度θ(REF1)を調整するものであり、フィルタやＰＩ制御器などを用いる。位相調整器４０４出力は制御基準角度θ(REF1)と加算器４０１で加算され、加算結果を新たな制御基準角度θ(REF2)とする。この第２の実施例では、数式（７）の演算を省略できるためtan-1の演算を不要とする特徴がある。実施例１と２ともに制御基準角の主たるものは第１の制御基準角度θ(REF1)であり、位置速度推定器４０３はその補正量を演算する役目がある。これは、固定子が切り替わるため推定磁極位置を直接制御基準角度に利用すると切替の推力ショックが生じる。そこで、可動子が脱調しないよう補正分として利用することで、制御基準角度はスムースに変化させることができる。また、モータ定数による設定誤差の影響で補正量が正確でなくても、位相調整器４０４により制御への影響を低減できるようになる。
【実施例３】
【００３２】
図５は図１に示す制御器内で位置速度を推定する手段の第３の実施例を説明するものである。第１と第２の実施例と異なる点は、位置あるいは速度センサを可動子の走行方向に沿って固定子の一部に設置し、実測される実位置θ(REAL)に基づき正確な位置決めを実施する場合にセンサレス駆動区間とセンサ付き駆動区間とで推定磁極位置と実測される位置の切替を必要とするので、その対応のため切替スイッチ４０８を付加したことである。図５は第２の実施例に対応したものであるが、同様に第１の実施例に対しても適用可能である。
【００３３】
図６は図１に示す制御器４００内の制御ブロック図である。速度制御器６０１は速度指令値ω(REF)と速度推定値ω(EST)に基づき推力指令値Ｆ(REF)を演算するものであり、推力電流変換器は推力指令値Ｆ(REF)に推力電流変換係数を乗算し電流指令値
Ｉγδ(REF)＝Ｉγ(REF)＋ｊＩδ(REF)                        ・・・(10)
に変換するものである。通常Ｉγ(REF)＝０を指令するが、磁束を増すために指令を与える場合がある。電流指令分配器６０３は各アンプへの電流指令値を演算するものであり、図３のように予め設定している切替パターンから第２の制御基準角度θ(REF2)に基づき、分配比率Ｆｇを選択する。その結果に基づき数式（１１）のように演算するものである。
【００３４】
【数７】
2006087178.tif 000009
【００３５】
ここでは２つのアンプを想定しているが数式（１１）のように複数アンプへ拡張できる。
【００３６】
電流制御６０４は数式（１１）で分配された各アンプの電流指令値と数式（４）で演算される制御直交座標系における各アンプの検出電流に基づき、各アンプの電圧指令値を演算するものである。電圧位相演算器６０５は各アンプの電圧指令値から制御直交座標系における電圧位相を演算するものであり、電圧振幅演算器６０６は各アンプの電圧指令値から振幅を演算するものである。各アンプには電圧振幅と電圧位相と制御基準角度を指令し、これに基づき電力を固定子供給することになる。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
本発明によれば、可動子に永久磁石を備え、複数に分割して連続的に配置された固定子の巻線に、少なくとも２つ以上のアンプから電力を順次供給する際の切替で推力ショックのないセンサレスでの位置速度推定を実現でき、高精度な位置決め部分にはセンサ付きで、搬送部分にはセンサレスでの可動もできるため、低コストな搬送装置を提供することができる。用途としては、半導体製造装置や工作機械などのＦＡ用搬送装置、とりわけ液晶ディスプレイ製造用のガラス基盤搬送用途などの長距離搬送装置に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の一実施形態におけるリニアモータの制御装置の構成である。
【図２】本発明における位置速度を推定する手段の第１の実施例を説明する図である。
【図３】アンプの切替パターンを示す１例である。
【図４】本発明における位置速度を推定する手段の第２の実施例を説明する図である。
【図５】本発明における位置速度を推定する手段の第３の実施例を説明する図である。
【図６】本発明における制御ブロック図である。
【符号の説明】
【００３９】
１０１  可動子
２０１  固定子１
２０２  固定子２
３０１  アンプ1
３０２  アンプ２
４００  制御器
４０１  加算器
４０２  電圧演算器
４０３  位置速度推定器
４０４  位相調整器
４０５  電流演算器
４０６  積分器
４０７  比較器
４０８  切替スイッチ
５０１  電流検出器１
５０２  電流検出器２
６０１  速度制御器
６０２  推力電流変換器
６０３  電流指令分配器
６０４  電流制御器
６０５  電圧位相演算器
６０６  振幅演算器
【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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