(57)【要約】【課題】リニアアクチュエータを高速駆動可能な制御装置を提供することである。【解決手段】上記した目的を達成するため、本発明の課題解決手段は、複数の永久磁石５を備えた界磁保持部材４と、界磁に対向するように配置されるコイル７を保持するコイル保持部材３とを備えて、界磁保持部材４とコイル保持部材３を相対変位させる推力を発生するリニアアクチュエータ２をベクトル制御する制御装置１において、界磁保持部材４とコイル保持部材３の相対速度に基づいてｑ軸電流指令値Ｉｑ*とｄ軸電流指令値Ｉｄ*を求めてコイル７に流れる電流を制御する制御手段を備え、界磁保持部材４とコイル保持部材３の相対速度が上限閾値αから下限閾値βの間の範囲外となるとｄ軸電流指令値Ｉｄ*を負の値とすることを特徴とする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の永久磁石を備えた界磁保持部材と、界磁に対向するように配置されるコイルを保持するコイル保持部材とを備えて、界磁保持部材とコイル保持部材を相対変位させる推力を発生するリニアアクチュエータをベクトル制御する制御装置において、界磁保持部材とコイル保持部材の相対速度に基づいてｑ軸電流指令値とｄ軸電流指令値を求めてコイルに流れる電流を制御する制御手段を備え、界磁保持部材とコイル保持部材の相対速度が上限閾値から下限閾値の間の範囲外となるとｄ軸電流指令値を負の値とすることを特徴とする制御装置。
【請求項２】
ｄ軸電流指令値は、界磁保持部材とコイル保持部材の相対速度をパラメータとしてマップ演算によって求められることを特徴とする請求項１に記載の制御装置。
【請求項３】
ｄ軸電流指令値は、界磁保持部材とコイル保持部材の相対速度をパラメータとした関数によって求められることを特徴とする請求項１に記載の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、リニアアクチュエータの制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、リニアアクチュエータをベクトル制御する制御装置としては、たとえば、リニアアクチュエータの電気角と電気角指令値との偏差から速度指令値を求める位置ループと、リニアアクチュエータの速度と速度指令値との偏差からｑ軸電流指令値を求める速度ループと、実際のｑ軸電流とｑ軸電流指令値との偏差からｑ軸電圧指令値を求めるとともに、実際のｄ軸電流と任意値のｄ軸電流指令値との偏差からｄ軸電圧指令値を求める電流ループと、ｑ軸電圧指令値とｄ軸電圧指令値を３相の電圧指令値に変換する２相／３相変換手段と、３相の電圧指令値の入力を受けてリニアモータをＰＷＭ駆動するＰＷＭ電力変換手段とを備えて構成されている（たとえば、特許文献１参照）。
【０００３】
この制御装置によれば、三相巻線を備えたリニアアクチュエータを高速で精度良く位置決め制御することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−９２８９３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、上記リニアアクチュエータの制御装置にあっては、ｄ軸電流指令値は任意値にセットされるとしているが、電流効率からして通常０にセットされるのが一般的であって、このような制御を行う場合、リニアアクチュエータのもつ速度推力特性（Ｖ−Ｆ特性）の限界以上の速度で駆動することはできない。
【０００６】
それゆえ、リニアアクチュエータをより高速で駆動するためには、リニアアクチュエータの速度推力特性そのものを変更する必要があって、要求される最大推力を満たしつつより高速駆動可能なリニアアクチュエータを使用しなければならなかった。
【０００７】
そこで、本発明は、上記不具合を改善するために創案されたものであって、その目的とするところは、リニアアクチュエータを高速駆動可能な制御装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記した目的を達成するため、本発明の課題解決手段は、複数の永久磁石を備えた界磁保持部材と、界磁に対向するように配置されるコイルを保持するコイル保持部材とを備えて、界磁保持部材とコイル保持部材を相対変位させる推力を発生するリニアアクチュエータをベクトル制御する制御装置において、界磁保持部材とコイル保持部材の相対速度に基づいてｑ軸電流指令値とｄ軸電流指令値を求めてコイルに流れる電流を制御する制御手段を備え、界磁保持部材とコイル保持部材の相対速度が上限閾値から下限閾値の間の範囲外となるとｄ軸電流指令値を負の値とすることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の制御装置によれば、リニアアクチュエータの推力速度特性を制御によって見掛け上変更することができ、リニアアクチュエータを通常制御する際には達成できなかった高速度で駆動することができるようになる。
【００１０】
また、リニアアクチュエータを通常制御する際には達成できなかった高速度で駆動することができるので、より高性能なリニアアクチュエータを使用せずとも、安価なリニアモータを用いて高速駆動を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】一実施の形態における制御装置によって制御されるリニアアクチュエータの一例の断面図である。
【図２】一実施の形態における制御装置の制御ブロック図である。
【図３】コイル保持部材と界磁保持部材との相対速度に対するｄ軸電流指令値の変化の一例を示した図である。
【図４】リニアアクチュエータの推力速度特性を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図に示した実施の形態に基づき、本発明を説明する。一実施の形態における制御装置１の制御対象であるリニアアクチュエータ２は、図１に示すように、アウターチューブ３と、アウターチューブ３内に移動自在に挿入されるロッド４と、界磁を構成してロッド４に保持される複数の永久磁石５と、永久磁石５に対向するように軸方向に並べてコア６を介してアウターチューブ３に保持される複数のコイル７とを備えて構成されており、コイル７へ適宜通電することで、界磁を保持するロッド４と、コイル７を保持するアウターチューブ３を軸方向に相対変位させる推力を発生することができるようになっている。
【００１３】
したがって、この場合、永久磁石５を保持するロッド４が界磁保持部材として機能し、コイル７を保持するアウターチューブ３がコイル保持部材として機能している。なお、ロッド４側にコイルを固定してロッド４をコイル保持部材とし、アウターチューブ３側に永久磁石を固定してアウターチューブ３を界磁保持部材としてもよい。
【００１４】
なお、ロッド４は、この実施の形態では、インナーロッド４ａと、インナーロッド４ａの外周を覆ってインナーロッド４ａとの間に環状隙間を形成するパイプ４ｂとを備えて構成されている。そして、インナーロッド４ａとパイプ４ｂとの間の環状隙間に複数の環状の永久磁石５が軸方向に並べて収容されている。このように、永久磁石５を環状隙間内に収容することで永久磁石５を保護することができるが、永久磁石５を中実のロッドの外周に設ける構成としてもよい。また、ロッドを中空として、内部にインナーロッドを有さず、永久磁石を内部に収容するようにすることも可能であるが、インナーロッド４ａを設けることでロッド４の撓み剛性が向上し、撓みによる隣接する永久磁石５同士の接触圧力と磁界の乱れを低減することができるとともに、リニアアクチュエータ２の円滑な駆動の実現することができる利点がある。
【００１５】
また、ロッド４はインナーロッド４ａの先端から延長される大径部４ｃを備えており、当該大径部４ｃの外周に装着したスライドリング４ｄをアウターチューブ３の内周に摺接させている。他方、アウターチューブ３は、有底筒状とされており、開口端の内周にロッド４の外周に摺接するスライドリング３ａを保持していて、ロッド４は、二点で支持されてアウターチューブ３内に軸方向に移動自在に挿入されている。
【００１６】
永久磁石５は、この場合、軸方向にＮ極とＳ極が現れるように着磁されており、隣り合う永久磁石５は同極同士を対向させてロッド４に軸方向に並べて保持されている。したがって、ロッド４の外周にこれらの永久磁石５によって、コイル７へ作用させる磁界が発生されており、これらの永久磁石５でリニアアクチュエータ２における界磁を構成している。なお、ロッド４は、強磁性体材料で形成されるとロッド４内に磁束が集中して永久磁石５の外周周りにおける磁束に影響を与えるので、非磁性体材料によって形成されるとよい。
【００１７】
なお、永久磁石５は、内周と外周で極が異なるように着磁されていてもよく、いずれにしても、ロッド４の軸方向に沿ってＳ極とＮ極が交互に現れるようになっていればよい。また、図示するところでは、永久磁石５は、ロッド４に六個設けられているが、リニアアクチュエータ２の駆動ができる限りにおいて、設置数は複数であればよく、これに限られない。
【００１８】
つづいて、アウターチューブ３は、内周で筒状のコア６を保持している。コア６は、コイル７を収容する複数のスロット６ａと、両端およびスロット６ａ，６ａ間に設けた複数の極歯６ｂとを備えて構成されている。このように構成されたコア６は、この場合、筒状とされて内周をロッド４に保持された永久磁石５で構成した界磁に対向させており、コイル７を励磁して極歯６ｂを磁化することで、永久磁石５と吸引、反発させることでアウターチューブ３とロッド４に軸方向に相対変位させる推力を発生させるようになっている。なお、コア６は、必ずしも筒状とされずともよく、ロッド４に保持される界磁もロッド４の外周の全周に亘って磁界を形成せずにコア６に対向する方向へ磁界を発生するようにしてもよいが、永久磁石５を円筒あるいは円盤状としてロッド４の外周に磁界を発生させるとともにコア６を円筒状に形成してロッド４の外周を囲むようにしておくことで、コア６に対してロッド４が円周方向に回転しても推力が変化しないという利点がある。
【００１９】
また、本実施の形態では、コイル７をコア６に装着するようにしているが、コア６を省略してアウターチューブ３に直接コイル７を装着することも可能である。
【００２０】
より詳しくは、各コイル７は、ロッド４の外周を取り巻くようにスロット６ａ内に装着されることによって、アウターチューブ３に軸方向に並べて配置されつつ保持され、図示するところでは、コア６にＵ相、Ｖ相、Ｗ相を二つずつの合計６個設けられて、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の順に配置されている。そして、たとえば、コア６のロッド４に対する電気角に基づいて通電位相切換を行うとともに、ＰＷＭ制御により、各コイル７の電流量を制御してリニアアクチュエータ２の推力と推力の発生方向を制御することができるようになっている。なお、コイル７の設置数は上記に限定されるものではなく、アウターチューブ３に対するロッド４のストローク範囲や最大推力に応じて適宜変更することができる。
【００２１】
さらに、制御装置１によるリニアアクチュエータ２の制御にあたっては、コア６に対する永久磁石５の相対速度を把握するため、磁気センサや光学センサなどコア６に対する永久磁石５の相対位置を把握することができる位置センサ８を備えている。
【００２２】
なお、コイル７が巻回されるコア６が必ずロッド４の界磁の軸方向長さ範囲内に位置して界磁に対向するようにするため、ロッド４の大径部４ｃをアウターチューブ３の底部と、中間部内周に設けたストッパ３ｂとに衝合させることで、アウターチューブ３に対するロッド４のストローク範囲を規制している。
【００２３】
つづいて、制御装置１は、この実施の形態の場合、図示しない上位制御装置から入力されるリニアアクチュエータ２の目標位置（アウターチューブ３とロッド４の目標相対位置）を指示する位置指令値Ｘ*に基づいて上記各相のコイル７に流れる電流を制御して、リニアアクチュエータ２を駆動するようになっている。
【００２４】
具体的には、制御装置１、図２に示すように、基本的には、位置指令値Ｘ*と位置センサ８で検出したリニアアクチュエータ２の実際の位置Ｘとの偏差εＸを演算する演算器１１と、偏差εＸからＰＩ動作やＰＩＤ動作によって速度指令値Ｖ*を演算する位置制御器１２と、位置センサ８で検出した上記位置Ｘを微分してリニアアクチュエータ２の実際の速度Ｖを演算する微分器１３と、上記速度指令値Ｖ*と上記速度Ｖの偏差εＶを演算する演算器１４と、偏差εＶからＰＩ動作やＰＩＤ動作によってｑ軸電流指令値Ｉｑ*を演算する速度制御器１５と、上記速度Ｖに基づいてｄ軸電流指令値Ｉｄ*を演算するｄ軸電流指令値演算器１６と、上記位置Ｘから電気角θを演算する変位／電気角変換器１７と、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相のコイル７のうち任意の二つの相（この場合、Ｕ相とＶ相）に流れる電流を検出する電流センサ１８と、電流センサ１８で検出したＵ相電流ＩｕとＶ相電流Ｉｖと、電気角θとからｄｑ直交座標におけるｄ軸電流Ｉｄとｑ軸電流Ｉｑに変換する三相／二相変換器１９と、ｄ軸電流指令値Ｉｄ*とｄ軸電流Ｉｄの偏差εＩｄを演算する演算器２０と、ｑ軸電流指令値Ｉｑ*とｑ軸電流Ｉｑの偏差εＩｑを演算する演算器２１と、偏差εＩｄおよび偏差εＩｑからＰＩ動作やＰＩＤ動作によってｄ軸電圧指令値Ｖｄ*とｑ軸電圧指令値Ｖｑ*を演算する電流制御器２２と、ｄ軸電圧指令値Ｖｄ*とｑ軸電圧指令値Ｖｑ*と電気角θとからＵ，Ｖ，Ｗの三相におけるＵ相電圧指令値Ｖｕ、Ｖ相電圧指令値ＶｖおよびＷ相電圧指令値Ｖｗに変換する二相／三相変換器２３と、Ｕ相電圧指令値Ｖｕ、Ｖ相電圧指令値ＶｖおよびＷ相電圧指令値ＶｗからＰＷＭ信号を生成するＰＷＭ信号生成器２４と、ＰＷＭ信号に対応したデューティ比および電圧方向でＵ，Ｖ，Ｗの各相のコイル７へ通電するインバータ回路２５と備えて構成されている。また、この場合、界磁保持部材としてのロッド４とコイル保持部材としてのアウターチューブ３の相対速度に基づいてｑ軸電流指令値Ｉｑ*とｄ軸電流指令値Ｉｄ*を求めてコイル７に流れる電流を制御する制御手段は、速度制御器１５から以降の各部によって構成されている。
【００２５】
また、制御装置１のハードウェア構成としては、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）等の演算処理装置と、上記演算処理装置に記憶領域を提供するＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）等の主記憶装置と、上記処理に使用されるプログラム等が格納されるＲＯＭ（Ｒｅａｄ  Ｏｎｌｙ  Ｍｅｍｏｒｙ）やＨＤ（Ｈａｒｄ  Ｄｉｓｋ）等の副記憶装置とを備えており、ＣＰＵで上記各種処理を実行することで、上記のＰＷＭ信号生成器２４およびインバータ回路２５以外の各部が実現されるようになっている。
【００２６】
なお、図示はしないが位置センサ８および電流センサ１８が出力するアナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器と、演算処理装置、主記憶装置および副記憶装置とインバータ回路とを接続するインターフェース装置とを備えている。
【００２７】
また、本実施の形態における制御装置１は、演算器１１および位置制御器１２を備えているが、図示しない上位の制御装置からの指令が速度指令値Ｖ*である場合には、これを省略してもよい。
【００２８】
本実施の形態では位置センサ８でリニアアクチュエータ２の位置であるアウターチューブ３とロッド４の相対位置を検出しているが、コイル７と永久磁石５の電気角θを検出するセンサから、上記相対位置と相対速度を求めるようにしてもよい。
【００２９】
さらに、図示はしないが、二相／三相変換器２３が出力する上記各相の電圧指令値Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗのうち、ＰＷＭ開度が全開、すなわち、ＰＷＭデューティ比が最大値以上となる場合に、ＰＷＭデューティ比を最大値とする値に各相電圧指令値Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗを制限するようにしてもよい。また、速度制御器１５およびｄ軸電流指令値演算器１６が演算したｄ軸ｑ軸の電流指令値ｉｄ*，ｉｑ*の上限を制限して、電流制御器２２において積分飽和を回避してもよい。さらに、電流制御器２２が演算したｄ軸電圧指令値Ｖｄ*およびｑ軸電圧指令値Ｖｑ*の上限を制限して、ｄ軸およびｑ軸の電圧指令値Ｖｄ，Ｖｑが実現不能な値となることを防止するようにしてもよい。
【００３０】
ここで、ｄ軸電流指令値演算器１６は、図３に示すように、リニアアクチュエータ２の速度Ｖ、すなわち、コイル保持部材であるアウターチューブ３と界磁保持部材であるロッド４との相対速度、が予め決められた上限閾値αから下限閾値βの間の範囲内である場合では、ｄ軸電流指令値Ｉｄ*を０とし、速度Ｖの上限閾値αから下限閾値βの間の範囲外となると、負の値として、演算器２０に出力する。
【００３１】
このように、リニアアクチュエータ２の速度Ｖの上限閾値αから下限閾値βの間の範囲外となると、ｄ軸電流Ｉｄが負の値へ誘導され、ｄ軸電流Ｉｄはリニアアクチュエータ２の推力に寄与せず、コイル７が発生する磁界を弱めるように作用する。すると、図４に示すように、ｄ軸電流Ｉｄを０として制御した場合におけるリニアアクチュエータ２の推力と速度の特性（破線Ａ）に対して、ｄ軸電流Ｉｄを負の値として制御する場合、磁界が弱まる関係上、その特性は図４中の実線Ｂに示したように、推力が弱まるとともにより高速に伸縮することができる特性となる。
【００３２】
したがって、リニアアクチュエータ２の速度Ｖが上限閾値αから下限閾値βの間の範囲内である際には、リニアアクチュエータ２は図４における破線Ａで示す通常の特性の範囲内で速度および推力を発生でき、リニアアクチュエータ２の速度Ｖの上限閾値αから下限閾値βの間の範囲外では、通常の特性を超えて図４中の実線Ｂの範囲内で速度および推力を発揮できるようになる。
【００３３】
なお、上限閾値αと下限閾値βは、たとえば、リニアアクチュエータ２の伸長側を正の値とし、収縮側を負の値とすると、上限閾値αを伸長側において通常の特性を超える実線Ｂの範囲内で制御する必要が生じる値に設定し、下限閾値βを収縮側において通常の特性を超える実線Ｂの範囲内で制御する必要が生じる値に設定すればよい。また、このリニアアクチュエータ２が使用される用途によっては、上限閾値αと下限閾値βとが両方とも正の値あるいは負の値となるように設定してもよい。
【００３４】
このように、本実施の形態における制御装置１にあっては、リニアアクチュエータ２の推力速度特性を制御によって見掛け上変更することができ、リニアアクチュエータ２を通常制御する際には達成できなかった高速度で駆動することができるようになる。
【００３５】
また、リニアアクチュエータ２を通常制御する際には達成できなかった高速度で駆動することができるので、より高性能なリニアアクチュエータを使用せずとも、安価なリニアモータを用いて高速駆動を実現できる。
【００３６】
また、図３に示すように、予め上限閾値αと下限閾値βと、上限閾値αから下限閾値βの範囲における速度Ｖに対するｄ軸電流指令値Ｉｄ*と、速度Ｖが上限閾値αを超えた際の速度Ｖに対するｄ軸電流指令値Ｉｄ*と、速度Ｖが下限閾値β未満である際の速度Ｖに対するｄ軸電流指令値Ｉｄ*とをマップ化しておくことにより、ｄ軸電流指令値演算器１６における演算が容易となり、高い演算能力を持つ演算処理装置を使用せずとも制御が可能となる。さらに、マップ化に代えて、予め上限閾値αと下限閾値βと、上限閾値αから下限閾値βの範囲における速度Ｖに対するｄ軸電流指令値Ｉｄ*をＩｄ*＝０とし、速度Ｖが上限閾値αを超えた際の速度Ｖに対するｄ軸電流指令値Ｉｄ*と、速度Ｖが下限閾値β未満である際の速度Ｖに対するｄ軸電流指令値Ｉｄ*とのそれぞれを一次関数や二次関数などとしておくことでも演算処理が容易であり、高い演算能力を持つ演算処理装置を使用せずとも制御が可能となる。またさらに、ｄ軸電流指令値演算器１６の演算をフィルタ処理によって、実現するとしてもよい。
【００３７】
以上で、本発明の実施の形態についての説明を終えるが、本発明の範囲は図示されまたは説明された詳細そのものには限定されないことは勿論である。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
本発明は、リニアアクチュエータの制御装置に利用可能である。
【符号の説明】
【００３９】
１  制御装置
２  リニアアクチュエータ
３  コイル保持部材としてのアウターチューブ
３ａ  スライドリング
４  界磁保持部材としてのロッド
４ａ  インナーロッド
４ｂ  パイプ
４ｃ  大径部
４ｄ  スライドリング
５  永久磁石
６  コア
６ａ  スロット
６ｂ  極歯
７  コイル
８  位置センサ
１１，１４，２０，２１  演算器
１２  位置制御器
１３  微分器
１５  速度制御器
１６  ｄ軸電流指令値演算器
１７  変位／電気角変換器
１８  電流センサ
１９  三相／二相変換器
２２  電流制御器
２３  二相／三相変換器
２４  ＰＷＭ信号生成器
２５  インバータ回路
【図１】
2011024296.tif 000003
【図２】
2011024296.tif 000004
【図３】
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【図４】
2011024296.tif 000006