(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの位相コイルとコアとを含み、前記位相コイルが、該位相コイルが励磁されたとき前記コア中に磁束を形成するように配置され、前記位相コイルが第１および第２スイッチング装置によって直流バスを横断して連結される電磁システムと、
前記コア中の磁束に対応する磁束フィードバック信号を生じるように配置される磁束観察器と、
所望の磁束レベルを示し、時間に依存して変化する磁束命令信号を受信する第１の入力と、前記磁束フィードバック信号を受信する第２の入力と、前記位相コイルに連結される出力とを有する磁束制御器とを含み、
前記磁束制御器は、
前記磁束命令信号と前記磁束フィードバック信号とを受信し、前記磁束命令信号と前記磁束フィードバックとの差によって変化する誤差信号を生じる加算接合器と、
その入力において前記誤差信号を受信する励磁制御回路であって、
（ａ）前記磁束命令信号が前記磁束フィードバック信号よりも少なくとも所定量だけ大きいことを該誤差信号が示す場合には、前記励磁制御器が、前記位相コイルを前記直流バスに横断して連結するように、前記第１および第２スイッチング装置を導通状態とし、前記位相コイルを励磁して前記位相コイル内の前記磁束を増加させ、
（ｂ）前記磁束命令信号が前記磁束フィードバック信号よりも少なくとも所定量だけ小さいことを該誤差信号が示す場合には、前記第１および第２スイッチング装置を非導通状態とし、前記位相コイルを励磁して前記位相コイル内の前記磁束を減少させ、
（ｃ）該誤差信号の符号が変化する場合には、前記第１および第２スイッチング装置のうちいずれか一方だけを導通状態とし、前記位相コイルを励磁して前記位相コイル内の前記磁束を実質的に一定に保持するまたはわずかに減少させるように、前記第１および第２スイッチング装置の導電性を制御するための出力信号を生じる励磁制御回路とを含むことを特徴とする磁束制御システム。
【請求項２】
前記励磁制御回路は、時間ヒステリシスゼロ復帰誤差制御器であることを特徴とする請求項１記載の磁束制御システム。
【請求項３】
前記励磁制御回路は、前記位相コイルに磁束なし状態を与える規則的時間があるように前記位相コイルを励磁し、前記磁束観察器は、公知の磁束なし周期の少なくとも１つの間、ゼロにリセットされる開ループ磁束観察器から成ることを特徴とする請求項１記載の磁束制御システム。
【請求項４】
前記開ループ磁束観察器は、入力として、（ｉ）前記位相コイルを流れる電流の大きさに対応する大きさを有する電圧信号と、（ｉｉ）前記位相コイルに印加される電圧に対応する少なくとも１つの電圧信号とを受信するクランプ積分器を含み、かつ、前記クランプ積分器の出力が前記磁束フィードバック信号であることを特徴とする請求項３記載の磁束制御システム。
【請求項５】
前記位相コイルが第１および第２スイッチング装置によって直流バスを横断して連結され、前記励磁制御回路が、（ａ）前記磁束命令信号が前記磁束フィードバック信号よりも少なくとも所定量だけ大きいことを前記誤差信号が示す場合には、前記励磁制御回路が前記位相コイルを前記直流バスを横断して連結するように、前記第１および第２スイッチング装置を導通状態とし、（ｂ）前記磁束フィードバック信号が前記磁束命令信号よりも少なくとも所定量だけ大きいことを前記誤差信号が示す場合には、前記第１および第２スイッチング装置を非導通状態とするように、前記第１および第２スイッチング装置の導電性を制御するための出力信号を生成し、
前記クランプ積分器への入力は、（ｉ）該クランプ積分器の少なくとも１つの入力に切換自在に連結される正の電圧信号であって、公知の方法で直流バスの正の値に関係する正の電圧信号と、（ｉｉ）該クランプ積分器の少なくとも１つの入力に切換自在に連結される負の電圧信号であって、公知の方法で直流バスの負の値に関係する負の電圧信号とを含み、
前記第１および第２スイッチング装置が導通状態となる場合、前記正の電圧信号が切換自在に前記クランプ積分器の入力に連結され、前記第１および第２スイッチング装置が非導通状態となる場合、前記負の電圧信号が切換自在に前記クランプ積分器の入力に連結されることを特徴とする請求項４記載の磁束制御装置。
【請求項６】
請求項１記載の磁束制御システムによって制御される電磁アクチュエータであって、該電磁アクチュエータは、
孔を規定する固定外部アセンブリであって、複数の実質的に同一の磁気的に非連結のＥ−コアを有し、該各Ｅ−コアが中央アームと２つの二次アームとを規定する固定外部アセンブリと、
前記固定アセンブリによって規定される前記孔内に配置される可動部材とを含み、
前記各Ｅ−コアの前記中央アームは位相コイルによって外囲されることを特徴とする電磁アクチュエータ。
【請求項７】
所定の位相コイルを流れる電流が、他の位相コイルを流れる電流によって拘束されないように、前記位相コイルは電気的に連結されていないことを特徴とする請求項６記載のアクチュエータ。
【請求項８】
少なくとも１つのＥ−コアが、常磁性材料から成る実質的に同一の層状物の積層体から成ることを特徴とする請求項６記載のアクチュエータ。
【請求項９】
請求項１記載の磁束制御システムと、コアを有する固定部材と、可動部材とを有する電磁アクチュエータであって、前記可動部材に生じる力が前記磁束の大きさに比例して変化する電磁アクチュエータと、
磁束制御器に連結された出力を有し、所定の基準フレーム内に所望の力命令を入力として受信し、その出力において前記磁束命令信号を生じる力−磁束制御回路であって、前記可動部材に関連する前記力と前記コア中の磁束との間の関係に基づいて、前記所望の力命令を前記磁束命令信号に変換する力−磁束制御器とを含むことを特徴とする力制御システム。
【請求項１０】
前記力−磁束制御器は、前記可動部材と関連する前記力と前記コア中の磁束間の前記力−磁束関係の最小ノルム解に基づいて、前記所望の力命令を前記磁束命令信号に変換することを特徴とする請求項９記載の力制御システム。
【請求項１１】
前記力−磁束制御器は、所定の期間、該力−磁束制御器によって生成される磁束命令が、有限時間間隔の間、ゼロとなるようにプログラムされたデジタル処理装置を含むことを特徴とする請求項９記載の力制御システム。
【請求項１２】
前記固定部材は、前記可動部材の移動が２つの自由度で制御できるように配置された第１、第２および第３のＥ−コアを含むことを特徴とする請求項９記載の力制御システム。
【請求項１３】
請求項１記載の磁束制御システムと、固定部材と、溶接すべき加工物に連結されるように適合される可動部材とを含む電磁アクチュエータであって、前記コア中の磁束の存在によって前記可動部材に力が作用し、該可動部材の移動を生じる電磁アクチュエータと、
所望の力命令を受信する入力および前記位相コイルに連結される出力を有する力制御システムであって、
前記磁束制御器に連結された出力を有する力−磁束制御器であって、所定の基準フレーム内に所望の力命令を入力として受信し、その出力において前記磁束命令信号を生じる力−磁束制御器であって、前記可動部材に関連する前記力と前記コア中の磁束との関係に基づいて、前記所望の力命令を前記磁束命令信号に変換する力−磁束制御器とを含む力制御システムと、
出力において、前記可動部材の瞬間的な位置に対応する位置フィードバック信号を生じる位置観察器と、
前記位置観察器の出力に連結された第１の入力と、前記力制御器の入力に連結された出力とを有する位置制御器であって、第２の入力として前記可動部材の前記所望位置に対応する位置命令信号を受信し、前記位置命令信号を前記位置フィードバック信号と比較してその出力において力命令信号を発生させ、前記力命令信号に対応する力の付与によって前記可動部材を前記位置命令信号に対応する前記位置にもたらす位置制御器とを含むことを特徴とする溶接装置。
【請求項１４】
（ｉ）前記電磁アクチュエータの固定アセンブリは孔を規定し、（ｉｉ）前記固定アセンブリは複数の実質的に同一の磁気的に非連結のＥ−コアを含み、該各Ｅ−コアは中央アームと２つの二次アームとを規定し、（ｉｉｉ）前記固定アセンブリは複数の位相コイルであって、各位相コイルがＥ−コアの前記中央アームを外囲し、電気的エネルギが所定の位相コイルに付与されると、磁束が対応するＥ−コアに形成される複数の位相コイルを含み、前記可動部材は、前記固定アセンブリによって規定される前記孔内に配置されることを特徴とする請求項１３記載の溶接装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、新規な磁束制御システム、特に運動制御への用途において用いることができる磁束制御システムに関する。さらに具体的には、本発明は、摩擦溶接機に用いる新規な運動制御システムに関する。
【０００２】
ほとんどの電磁システムにおいて、システムのある構成要素から他の構成要素へエネルギを伝達することは、システムの適正な作動を図る上できわめて重要である。多くの電磁システムにおいて、このエネルギの伝達は、システムの一方の構成要素を適切に励磁して他方の構成要素と相互に作用する磁束を発生させることによって行われ、エネルギが励磁された構成要素から他方の構成要素に伝達される。エネルギの伝達は磁束によって行なわれるという事実にもかかわらず、公知の電磁システムにおいては、システムの磁束は直接的には制御されていない。その代わり、励磁された部材へ印加される電流および／または電圧が制御され、電流、電圧および磁束間で推定した関係に基づいて、このような推定関係に基づく電流および／または電圧の制御が適切な磁束を生じさせるものと推定される。この電流および／または電圧の制御が一般的に行なわれている。これは、現在に至るまで、従来の技術が、電磁システムにおいて、磁束を直接的に制御するための効率的かつ安価で、容易に実施できるシステムを提供できなかったからである。
【０００３】
上述した電流および／または電圧制御システムが有する１つの問題は、電流、電圧および磁束間の関係は数学的に容易に表すことができず、多様な変数によって非線形に変化するということである。たとえば、システムにおいて磁性材料から成る各片の固有の特性は、一方のシステムと他方のシステムとでは変わる電流、電圧および磁束関係を結果として生じ、このことは、所定のシステム内において、システムの一方の部分と他方の部分との間でさえ同様である。このように電圧、電流および磁束間の関係が異なるので、電流および／または電圧を正確かつ的確に制御して所望の磁束、すなわち所定のエネルギ伝達を発生させることは困難である。このように、従来の技術は、磁束を直接的に制御する電磁システムを提供する能力において限界が存在する。
【０００４】
従来の技術における的確な磁束制御システムの欠如は、システムの１一方の構成要素に作用し、システムの他方の構成要素に与えられる力を最終的に制御することが望まれている電磁システムにおいて特に顕著である。このようなシステムにおいて、システムによって発生した実際の力は、そのシステムの励磁された構成要素によって発生した磁束と関連する。しかしながら、上述したように、従来の技術は、直接的かつ精密に磁束を制御することができないので、そのようなシステムによって生じた力を精密に制御することができなかった。
【０００５】
電磁システムにおいて発生する力を精密に制御できないとする従来の技術の問題点は、システムの少なくとも１つの構成要素の運動を精密に制御されなければならない用途分野において特に顕著である。そのような用途分野の一例が、溶接すべき熱可塑性部品を、他の熱可塑性部品に対して、直線運動、公転運動、回転運動または任意の振動運動をさせ、両部品の溶接すべき面を強制的に圧接させ、両者間の相対運動によって摩擦を生じさせて両者を交差部において加熱し、その運動の停止時に両部品が冷却し相互に溶接される摩擦溶接機または振動溶接機の分野である。
【０００６】
摩擦溶接機は、熱可塑性部品間に摩擦加熱を生じる直線力、回転力または公転力のいずれかによる熱可塑性部品の溶接に特に適している。溶接面におけるこの摩擦加熱は、接合面で両部品を溶融させ、冷却によって相互に結合させる。摩擦加熱を発生させる振動力は機械的結合手段を介して生成されるけれども、必要な制御運動を発生させるために電磁システムが通常用いられる。
【０００７】
電磁気的または油圧的のいずれかによって駆動される多くの摩擦溶接機は、直線振動モードで作動させるために商業的に入手可能である。しかしながら、このような摩擦溶接機の運動は理想的なものではない。溶接構成要素の直線または並進運動によって、溶接物の接合面における摩擦力は並進的であり、溶接構成要素が方向を反転する毎に速度がゼロに低下する。部品の速度がゼロになると、熱は発生しない。これは、摩擦溶接は抵抗処理であり、抵抗力と、接合面における両部品の平均二乗相対速度との積に比例して熱を発生するものだからである。
【０００８】
さらに、多くの直線運動溶接システムは、三相電力を単相機械運動に変換するために、公知の「Ｓｃｏｔｔ  Ｔｅｅ」磁気回路を用いる電磁システムまたは駆動回路を使用する。このようなシステムにおいて、システムの駆動回路構成要素が電磁気的に連結されているという性質によって、可動部材の運動をすべての方向において精密に制御したり、可動部材に対して速度がゼロになる間隔を制限することは困難である。したがって、これに代わる摩擦溶接構成要素の運動および制御器が、速度がゼロになる構成要素を削減し、まあは最小限に抑えかつ制御回路を簡素化するために開発されている。
【０００９】
回転溶接はそのような代替方法の１つであり、溶接構成要素を軸線まわりに回転させ、直線運動ではなく、回転力によって、接合面において摩擦加熱を発生させるものである。しかしながら、回転力は回転中心からの半径方向距離に比例するので、溶接構成要素の速度成分およびその結果としての加熱のいずれも半径方向に均一ではない。さらに、回転溶接は、一般に、溶接すべき部品が円形面を有する用途に限定される。
【００１０】
第２の代替方法は、溶接構成要素の公転運動を電磁気的に生じさせるものである。公転運動中に、両部品同士が擦られる際に、両部品の速度は一定に保持され、直線運動において発生されるのと同様に、同一量の摩擦加熱を発生させることができる。しかしながら、溶接部材に要求される力が小さくなり、かつ溶接部材の相対変位が小さくなる。
【００１１】
軌道溶接による加熱の効果にもかかわらず、軌道溶接になじまないが、直線または回転運動になじむ部品が存在する。したがって、電磁気的に駆動されかつ直線運動または公転運動のいずれかを生じることができる摩擦溶接機が開発されている。そのような摩擦溶接機のひとつが米国特許第５，３７８，９５１号に開示されている。これらの摩擦溶接機の電磁駆動システムは、幾つかの方法において電磁モータのそれと同様である。
【００１２】
このようなシステムにおいて、３つの連結された磁気コイルが、運動面と平行な面において、溶接機の周縁部に等間隔をあけて配置されている。連結された磁気コイルはデルタまたは「Ｙ」結線で電気的に接続されており、主として、公転モータの固定子構成要素を形成している。磁性材料から成る単体として別個に形成される三角形状の電機子または回転子構成要素が固定子に対して中央に配置されており、三角形状の電機子の各面は磁気コイルに近接している。電機子は質量を有する固定フレームに連結されている屈曲自在なバネ支持システムによって、水平な公転面内に維持されている。連結された磁気コイルに制御された三相交流電流を流すことによって電機子の公転運動が生じ、生成された磁束に比例する力が電機子に生じる。この電機子の運動は、振幅において、交流電力線周波数の２倍のサインおよびコサインに比例する変位、速度および加速ベクトルに変換することができる。電機子の直線運動は第２の公転モータを追加することによって、または単一の公転モータの各連結磁気コイルを２つの部分に分割し、並列または直列組み合わせでそれぞれの部分に選択的に電流を流すことによって得ることができる。
【００１３】
連結された磁気コイルを用いて公転運動を生じることによって幾つかの不利益が生じる。第１に、磁気回路内の磁束経路の連結によって、１つの方向に発生する力は、絶えず、反対方向への反作用力を生じるので、連結された磁性コイルの使用によってシステム全体の性能が低下する。第２に、システムは、公転運動または直線運動以外の運動、たとえば純粋に任意の運動を生じることができない。システムが電機子の不均一な質量分布を補償する必要があるとき、またはランダムな軌道が必要とされるときに、溶接構成要素の任意の運動を生じさせることが望まれる。
【００１４】
最後に、電機子の公転運動または直線運動を生じさせるための制御システムが複雑なものとなる。連結磁気コイルが公転モータに用いられるときは、システム内の磁束は合計としてゼロに拘束される。また、交流相電流もまた合計でゼロに拘束される場合には、磁気システムにおいて、任意の運動を生じるための任意の力を発生させるには、自由度が十分ではない。しかしながら、相電流が合計してゼロに拘束されない場合には、任意の力を生じるために十分な自由度が磁気システムに確保されるが、これらの任意の力を発生させるためには、連続した磁束操作が必要となる。
【００１５】
そのようなシステムにおいて、磁気コイルと電機子の隣接する面との間の各空隙を横切る磁束はすべての三相電流および非線形磁石の関数となる。使用されていないまたは励磁されていないコイルはいかなる時も存在しない。これは、そのようなシステムにおいて、すべての形態で精密な磁束制御を行なうことを制約することになる。
【００１６】
本発明の目的は、従来の技術におけるこれらの制約およびその他の制約を克服することにある。
【００１７】
本発明の幾つかの目的および特徴において、固定された固定子手段上に位置する非連結磁気コイルと、固定子手段の中心に位置し固定子の面内において移動可能な電機子と、非連結磁気コイルのそれぞれへの交流電流の印加を独立して制御し、電機子に作用する起電力を発生させる手段とを含む電磁駆動回路と制御器を用いることによって、これらの力を組み合わせて、電機子の直線運動、公転運動、回転運動、および任意の運動を可能とする。
【００１８】
簡単な磁束観察および制御回路を含む電磁駆動回路および制御器を提供する。
限定された時間だけゼロとなる単極磁束（不連続磁束）波形を有する磁気コイルを励磁する電磁駆動回路および制御器を提供する。
【００１９】
電機子の位置を決定するための追加のセンサを必要としない電磁駆動回路および制御器を提供する。
【００２０】
電機子の空隙および電機子の平面位置を決定するために、非励磁磁気コイルから得られる磁束測定を用いる電磁駆動回路および制御器を提供する。
【００２１】
磁気システムにおける全根平均二乗磁束を低減し、少ない駆動電流の印加を可能とする単位磁束発生当りの力を改善した電磁駆動回路および制御器を提供する。
【００２２】
磁束変換のために簡素化した力を用いる電磁駆動回路および制御器を提供する。
【００２３】
公知の磁束なし状態の際にリセットすることができる簡素化した磁束センサを用いる電磁駆動回路および制御器を提供する。
【００２４】
運動平面上において、電機子のＸおよびＹ加速度を検出する加速度計を用いる電磁駆動回路および制御器を提供する。
【００２５】
電機子または歯（ｔｏｏｌ）の非対称性および負荷の外乱を補償し、所望の電機子運動からの偏りを防止することができる電磁駆動回路および制御器を提供する。
【００２６】
磁気コイルへの交流電流の印加を制御するために、デジタルおよびアナログ構成要素の組み合わせを用いる電磁駆動回路および制御器を提供する。
【００２７】
したがって、本発明の主目的は、直線運動、公転運動、回転運動、および任意の電機子の振動運動を生じることができる改良された電磁駆動回路および制御を提供することである。簡単に説明すると、本発明の電磁駆動回路および制御は、固定子に対して電機子を、直線運動、公転運動、回転運動、および任意の平面運動で駆動する手段を含む。駆動手段は、運動平面に平行な力を生じさせ、磁気電機子と相互に作用する非連結の電磁気力発生手段を含む。本発明は、簡素化した運動制御システムおよびセンサ手段を提供し、拘束された運動平面内において所望の軌道を得るために、電機子の運動を変更することができる。
【００２８】
本発明の上述した目的およびその他の目的，特徴および効果、ならびに現在その好ましい実施の形態は、添付した図面と関連づけながら以下の説明を読むことによってより明らかになる。
【００２９】
図面の幾つかの図全体を通して、対応する参照記号は対応する部分を示す。
図面、特に図１に注目すると、本発明のある一局面に基づいて構成された新規な磁束制御システム１０が示されている。一般に、この新規なシステム１０は、その入力側で磁束命令１３を受信し、位相コイル励磁信号１４を出力として生じる磁束制御器１２を含む。位相コイル励磁信号１４は適切な手段を介して電磁システム１５に設けられている。磁束観察器１６は、電磁システム１５内の磁束に対応するフィードバック信号を磁束制御器１２に与える。一般に、磁束制御器１２は、電磁システム１５内の磁束が磁束命令１３に従うように電磁システム１５を励磁する位相コイル励磁信号１４を与える。
【００３０】
電磁システム１５は、少なくとも１つの位相コイルとコアとを含み、位相コイルに電力を付与することによって（たとえば、制御された電圧および／または電流を印加することによって）励磁し、コア中に磁束を生じさせることができる電磁システムとすることもできる。たとえば、電磁システム１５は、位相コイルがコアのまわりに巻かれた鋼心誘導子またはコアのまわりにそれぞれ一次および二次巻線が巻かれた変圧器と同等に簡素化することができる。
【００３１】
本発明の磁束制御システム１０は、電磁システム１５の励磁によって可動部材を動かすような電磁アクチュエータを構成する電磁システム１５に特に適用可能と考えられる。たとえば、図１に示される磁束制御システムは、１以上の位相コイルが巻回された主コア（または、複数の磁気的に連結されていないコア）を含む電磁システム１５に特に適用可能と考えられる。そのような実施の形態において、典型的には、コアの励磁によって可動部材の移動が生じるような状態でコアが励磁されると、可動部材はコアと相互作用をなすように設けられている。可動部材は、常磁性材料（たとえば鋼）から成る片、または、そのような材料の積層体からなり、リラクタンス装置の回転子および固定子間での作用と同様に励磁されたコアと相互に作用する。また、これに代えて、可動部材は、永久磁石装置の回転子および固定子間の相互作用と同様に励磁コイルと相互に作用する１以上の永久磁石（または、電磁石または誘導コイル）を含んでいてもよい。以下の説明は、１以上の特定した電磁システム１５の内容についてのものであるが、説明されている磁束制御器１０は、多くの電磁システム１５において用いることができるものであり、その説明は本発明を例示し説明するためのものであり、本発明のクレームの範囲を限定するものではないことは当業者に理解できよう。
【００３２】
図１において、電磁システム１５は単相コイルだけを有するものとして例示されている。電磁システム１５が複数の位相コイルを有する用途において、励磁信号１４は各位相コイルに対して個別の励磁信号を含む励磁ベクトルの形態を取ることができる。そのような用途において、磁束命令１３は、各種位相コイルに対して分離した磁束命令信号を含む磁束命令ベクトルの形態を取ることができる。そのような用途において、各位相コイルと関連付けられる磁束は独立して制御することができる。説明の明確化のために、以下の説明は、まず、単相コイルだけしか有さない電磁システム１５を有するシステム構成における、磁束制御器１２の構造および動作に着目する。当業者は、多相磁束制御器１２が、ここで説明される単相磁束制御システムを単に複数化することによって構築できることを理解できるであろう。
【００３３】
図２Ａおよび図２Ｂは、磁束制御システム１０の例示的な実施の形態を詳細に説明する。図２Ｂは、電磁システム１５を励磁するための電気駆動回路を示し、図２Ａは図２Ｂの駆動のための制御信号を与える制御回路を示す。図２Ｂの駆動についてまず説明する。
【００３４】
例示した実施の形態において、電磁システム１５はコアのまわりに巻回された単相コイルとして例示されている。位相コイルは２つの端部を規定する。位相コイルの２つの端部は、上部スイッチング装置１７、下部スイッチング装置１８、下部帰線ダイオード１９および上部帰線ダイオード２０から成るスイッチングブリッジによって、高圧直流バス（ＶHDC）を横断して連結されている。スイッチング装置１７，１８は、パワーＭＯＳＦＥＴ、ＢＪＴ、ＢＩＦＥＴ、ＩＧＢＴ、ＭＣＴ、標準ＦＥＴなどの適切な調整可能なスイッチング装置、または制御信号の付与によって制御されるその他の適切なスイッチング装置を用いることができる。例示した実施の形態において、上部スイッチング装置１７は制御信号ＳＵによって制御され、下部スイッチング装置１８は制御信号ＳＬによって制御される。帰線ダイオード１９，２０はダイオードのような（たとえば、一方向）電流特性を示す装置も用いることができる。
【００３５】
一般に、スイッチング信号ＳＵ，ＳＬは３つの切換状態をもたらすように作動される。すなわち、（ｉ）上部および下部スイッチング装置１７，１８がともに導通状態となる第１の状態、（ｉｉ）スイッチング装置の一方だけが導通状態となる第２の状態、および（ｉｉｉ）いずれのスイッチング装置も導通状態ではない第３の状態である。スイッチング信号ＳＵ，ＳＬが第１の状態にある場合、上部および下部スイッチング装置１７，１８は導通状態となるので、位相コイル１８はＶHDCバスを横断して連結され、したがって、電流がＶHDCバスの正のレール（たとえば、＋ＶHDC）から電磁システム１５の位相コイルを通してＶHDCバスの接地まで流れることになる。この電流の流れによってエネルギがＶHDCバスから電磁システム１５に伝達され、システム１５の磁束が増加することになる。
【００３６】
スイッチング信号ＳＵ，ＳＬが第２の状態にある場合、スイッチング装置１７，１８の一方だけが導通状態にあり、他方が非導通状態にあるので、システム１５の位相コイルを横断して印加される電圧はほとんどゼロとなる。この第２の切換状態において、位相コイル内の電流も導通スイッチング装置および帰線ダイオードの一方を通して「フリーホイール」となる。たとえば、位相コイル１５に電流が流れ、信号ＳＵ，ＳＬが、上部スイッチング装置１７が導通状態になり、下部スイッチング装置１８が非導通状態となるように設定されている場合、位相コイル内の電流は、ＶHDCバスの正のレールから位相コイルを通り、上部帰線ダイオード２０を通ってＶHDCバスの正のレールに「フリーホイール」する。そのような状況で位相コイルを横断して印加される電圧は、帰線ダイオード２０を横断した電圧降下に、装置１７を横断した電圧を加えた電圧となり、略ゼロ電圧となる。同様に実質的にゼロ電圧状態は、下部スイッチング装置１８が導通状態となり、上部スイッチング装置１７が非導通状態のときに得られる。そのような状況の下で、電流は下部スイッチング装置１８および下部帰線ダイオード１９を通してフリーホイールにする。位相コイル内の電流がフリーホイール状態にあるときは、位相コイルによって生じる磁束は実質的に一定に保持されまたはわずかに低下する。したがって、電磁装置内のエネルギ、すなわち磁束は実質的に一定に保持されまたはわずかに低下する。
【００３７】
スイッチング信号ＳＵ，ＳＬが第３の状態にあるときは、上部および下部スイッチング装置１７，１８は開放状態となっており、位相コイル内の電流は、位相コイルが誘導素子であり、電流は瞬間的にはゼロに降下できないので、この切換状態の開始の際、流れ続ける。しかしながら、上部および下部スイッチング装置１７，１８は非導通状態なので、この電流の経路は、ＶHDCバスの接地レールから、下部帰線ダイオード１９を通り、システム１５の位相コイルを通り、上部帰線ダイオード２０を通してＶHDCバスの正のレールに至るものである。このように、この第３状態では、ＶHDCバスの負が相巻線に印加されるように、システム１５の位相コイルが負の状態でＶHDCバスを横断して連結されることになる。この相巻線へのＶHDCバスの負の印加は迅速に磁束を駆動しようとし、したがって、相巻線中の電流はゼロに降下する。このように、信号ＳＵ，ＳＬが第３状態にあるときは、電磁システム１５に蓄えられているエネルギは消失する、またはＶHDCバスに戻り、システム内のエネルギ、すなわち、磁束は降下する。
【００３８】
当業者は、図２Ａおよび図２Ｂに例示されている特定のスイッチング機構は、位相コイルの励磁を制御するために用いることができる１つの機構にすぎないことを理解できるであろう。その他のスイッチング設計、たとえば４つのスイッチング装置を有する全Ｈ−ブリッジを用いるスイッチング機構を用いることができる。一般に、システム１５内の磁束を増加でき、実質的に一定に維持でき、または減少させることができるように、制御されるべき位相コイルの励磁が可能な、ここで説明されるシステムを実施するために、いかなるスイッチング構成も用いることができる。
【００３９】
図２Ａおよび図２Ｂの実施の形態において、スイッチング信号ＳＵ，ＳＬは磁束制御器１２によって与えられる。例示の磁束制御器１２の概略的構成が図２Ａによってもたらされる。
【００４０】
図２Ａを参照して、図示された磁束制御器１２は、正の入力部で、所望の磁束レベルに対応する磁束命令信号１３を受信するとともに、負の入力部で、電磁システム１５の磁束に対応する磁束観察器１６からの磁束フィードバック信号を受信する加算接合器１９を含む。加算接合器１９は、磁束命令１３から磁束フィードバック信号を差引いて、実際の磁束と所望の磁束との差によって変化する誤差信号を生じる。磁束誤差信号が正の場合は、磁束命令が磁束フィードバックより大きくなり、システム１５中の磁束を増加させてその磁束を磁束命令と一致させることが必要となる。磁束誤差信号が負の場合は、磁束フィードバックが磁束命令より大きくなり、システム１５中の磁束を減少させてその磁束を磁束命令と一致させることが必要となる。加算接合器１９からの誤差信号はまず増幅器２０によって増幅され、その後、励磁制御回路２１に与えられる。
【００４１】
励磁制御回路２１は、誤差信号の大きさによって、電磁システム１５内の磁束を増加させ、減少させ、または安定させるためにスイッチング信号ＳＵ，ＳＬを発生する。
【００４２】
励磁制御回路２１は多くの形態を取ることができる。たとえば、この制御器は、位相コイルの励磁を制御するように従来のパルス幅またはパルス周波数変調の形態を用いることができる。これに代えて、励磁制御回路２１は、誤差信号が正の場合にはスイッチング装置１７，１８の両方を閉じ、誤差信号が負の場合にはスイッチング装置１７，１８の両方を開け、誤差信号がゼロの場合には一方のスイッチング装置を開け、他方のスイッチング装置を閉じる制御器の形態を取ることができる。位相制御器２１の実施の一形態によれば、スイッチング信号ＳＵ，ＳＬは、誤差信号がゼロになるように制御され、誤差信号が制御されているヒステリシス帯の外に外れるまでフリーホイールすることが認められる。そのような時間履歴制御器は，この明細書においては、「ゼロ誤差復帰」、すなわちＲＺＥ制御器と呼ばれる。このＲＺＥ制御器は次に示す利点がある。すなわち、所望の磁束命令が急激に変化せず、利用可能な出力が比較的迅速に追跡を行なわせるのに十分であるような用途に対して、磁束基準追跡の「遅れ」が制御システムの１サンプル周期のより小さくなるように、ＲＺＥ制御器は磁束命令信号の迅速な追跡を可能とする。
【００４３】
本明細書中に記載されているＲＺＥ制御回路の詳細な概念的例示である実施の一形態が図２Ｃに例示されている。一般に、図２Ｃに記載のＲＺＥ制御器２１は上部比較器２２Ａと下部比較器２２Ｂとを含み、これらは、一緒になってゼロ誤差を中心とした２つの隣接した非対称のヒステリシス帯を形成する。各比較器は誤差の一方の極性だけを取り扱う。２つの比較器からの出力はインバータ２３ａ，２３ｂに供給され、２つのインバータの出力はＳＵ信号およびＳＬ信号に対応する。
【００４４】
一般に、増幅器２０からの誤差信号の大きさが大きくかつ正（電磁システム中の磁束を増加する必要があることを示す）の場合、両比較器２２ａ，２２ｂの出力は低い。上部および下部スイッチング装置１７，１８が正の電圧がこれらの装置の制御ゲートに印加されると導通する方式のものであるとした場合、両比較器２２ａ，２２ｂの低出力はインバータ２３ａ，２３ｂによって反転され、ハイレベルのＳＵ信号およびＳＬ信号を生成し、両スイッチング装置は第１の切換状態となり、電磁システム１５内の磁束は増加する傾向となる。
【００４５】
増幅器２０からの誤差信号の大きさが大きくかつ負の場合、両比較器２２ａ，２２ｂの出力は高い。これらの高い信号はインバータ２３ａ，２３ｂによって反転され、低電圧のＳＵ信号およびＳＬ信号を生成し、これによって、上部および下部スイッチング装置１７，１８は非導通状態となり、電磁システム内の電流（すなわち、磁束）を減少させる。
【００４６】
増幅器２０からの誤差信号が大きな正の値と大きな負の値との間にある場合には、スイッチング信号ＳＵ，ＳＬの状態は、誤差信号をヒステリシス電圧＋ＶH，ＶHと比較した場合の誤差信号の大きさによる。例示した実施の形態において、ヒステリシス電圧＋ＶH，ＶHの適用はトリガー信号Ｔによって次のように制御される。すなわち、Ｔ（２４ａ）が論理的にハイの場合には、ヒステリシス電圧＋ＶHが上部比較器２２ａの正の入力に印加され、ヒステリシス電圧は下部比較器２２ｂには印加されない。そして、Ｔ（２４ｂ）が論理的にローの場合には、ヒステリシス電圧−ＶHが下部比較器２２ｂに印加され、ヒステリシス電圧は上部比較器２２ａには印加されない。以下に説明するように、トリガー信号Ｔは、比較器２２ａ，２２ｂへのヒステリシス電圧＋ＶH／−ＶHの印加を調整するため、その状態を変化させる。
【００４７】
トリガー信号が論理的にハイで、電磁システム１５内の磁束が命令磁束よりも低く、したがって、増幅器２０からの誤差信号が大きくかつ正であり、比較器２２ａ，２２ｂの出力がともに低い（結果として論理的にハイなＳＵ信号およびＳＬ信号となる）初期状態が存在すると仮定する。このような状態の下で、システム１５中の磁束が増加し始め、したがって、増幅器２０からの誤差信号の大きさは減少し始める。ある時点において、誤差信号の大きさが大きな正の値からゼロに向けて減少し始める。誤差信号がゼロに達し通過する時点で、下部比較器２２ｂの出力（ヒステリシスフィードバックを有しない）が状態を変化させ、これによって、ＳＬ信号がハイからローに移行する。その結果、スイッチング構成が第２の切換状態となり、電磁システム１５内の電流がフリーホイールし、一定のまたはわずかに減少した磁束を得る。このＳＵ信号およびＳＬ信号の状態変化はトリガー信号Ｔの状態の変化をもたらし、−ＶHのフィードバック電圧が下部比較器に印加される。磁束が、増幅器２０からの誤差信号が現にヒステリシス値よりも下回る点まで減少する場合には、下部比較器２２ｂの出力が再び状態を変化させ、ＳＬ信号がローからハイに変化し、再び出力を電磁装置１５に供給し、システム１５内の磁束を増加させ、−ＶHとゼロとの間で、誤差信号にチョッピングが生じる。
【００４８】
トリガー信号が論理的にローで、電磁システム１５内の磁束が命令磁束よりも高く、したがって、増幅器２０からの誤差信号が大きくかつ負であり、比較器２２ａ，２２ｂがともに高い（結果として論理的にローなＳＵ信号およびＳＬ信号となる）初期段階の第２セットが存在すると仮定する。このような状態の下で、システム１５中の磁束が減少し始め、したがって、比較器２０からの誤差信号の大きさは増加し始める。ある時点において、誤差信号の大きさが大きな負の値からゼロに向けて増加し始める。誤差信号がゼロに達し通過する時点で、上部および下部比較器２２ａ，２２ｂの出力が状態を変化させ、これによって、ＳＵ信号およびＳＬ信号が論理的にローからハイに移行する。その結果、スイッチング構成が第１の切換状態となり、電磁システム１５内の電流が増加し、磁束も増加する。このＳＵ信号およびＳＬ信号の状態変化はトリガー信号Ｔの状態の変化ももたらし、＋ＶHのフィードバック電圧が上部比較器２２ｂに印加される。磁束が、増幅器２０からの誤差信号が現にヒステリシス値を越える点まで増加する場合には、上部比較器２２ｂの出力が再び状態を変化させ、ＳＵ信号が論理的にハイからローに変化する。ＳＬ信号は論理的にハイに保持されるので、スイッチング構成がフリーホイール状態になり、システム１５内の磁束を一定に維持しまたはわずかに減少させ、＋ＶHとゼロとの間で、誤差信号にチョッピングが生じる。
【００４９】
このように、上述したように、図２Ｃのヒステリシス制御器は、電磁装置１５内の磁束を次のように調整することができる。（ｉ）負のヒステリシス量によって磁束が所望のレベルよりも少ない場合は、磁束を増加させる。（ｉｉ）正のヒステリシス量によって磁束が所望のレベルより多い場合は、磁束を減少させる。（ｉｉｉ）磁束が正および負のヒステリシス値の間である場合には、磁束を実質的に一定に維持するかまたはわずかに減少させる。図２Ｃに関連して述べられる種類のヒステリシス制御器の構成および動作に関するさらなる詳細は、Michael J. Turnerによってなされた１９９６年６月２５日に発行された発明の名称が「誘導負荷の制御（Control of an Inductive Load）」である米国特許第５，５３０，３３０号に見出すことができる。なお、その全体内容はここでは参考までに組込まれる。
【００５０】
この開示による利益を受信する当業者は、図２Ｃの磁束制御器２１は、図１の磁束制御システムを実施するために用いられてもよい多くの種々の磁束制御器の１つにすぎないことを理解できるであろう。
【００５１】
図１に戻って、例示した磁束制御システム１０において、磁束観察器１６からの磁束フィードバック信号は電磁システム１５内の磁束のレベルを表示するものであることが注目されたい。磁束観察器１６は磁束センサ（たとえば、ガウス計）、たとえば薄膜ホール素子などのホール効果プローブ、ＳＱＵＩＤ（superconducting quantum interference device：超伝導量子干渉素子）、または、たとえば所定のコイルの磁束曲線間隙測定を用いた磁束計算機の形態を取ることができる。
【００５２】
電磁システム１０の位相コイルが、各位相コイルを磁束なし状態（たとえば、各コイルが非ゼロ間隔においてその内部に磁束がない場合）にする規則的周期が存在するように励磁されるシステムにおいては、各コイルと関連する磁束は、位相コイルに対して公知のゼロ磁束間隔の間はゼロにリセットされる開ループ磁束観察器によって推定される。このような開ループの磁束観察器は、コイルと関連する磁束とコイルに印加された電圧とその内部の電流との間の公知の関係を用いることによって、磁束を表示する。このような公知の関係は以下の方程式１で表される。
【００５３】
磁束=[V＿phase＿n(t)--i＿phase＿(n)t*R]/Ntの積分
ここで、Ｖ＿ｐｈａｓｅ＿ｎ（ｔ）は時間の関数として位相コイル電圧に対応する信号、ｉ＿ｐｈａｓｅ＿（ｎ）ｔは時間の関数として位相コイル電流に対応する信号、Ｒは位相コイル抵抗に対応する値、Ｎｔは位相コイルを構成する巻数である。
【００５４】
従来型の開ループ積分器が各位相コイルの大体の磁束を決定するため用いられる。ドリフトの問題を避けるため、開ループ磁束積分器は公知の磁束なし状態の間はゼロにリセットされててもよく、長時間の積分器の不確定性の増大を最小限に抑制することができる。積分器のリセットは時間に基づいて（磁束なし状態が公知の時間間隔で生じる場合である）行なわれるか、積分器として簡単なクランプ積分器を用いることができる。電磁システム１５が、そのシステム内において単極磁束だけが生じるようにして励磁される場合には、ゼロにクランプされるクランプ積分器を用いることができる。
【００５５】
図３Ａは、図１に示す制御システム１０に用いることができる開ループ磁束観察器３０の例示的な実施の形態を一般的に示す。図３Ａを参照して、例示的な開ループ磁束観察器は、４つの電圧入力信号の合計と等しい信号を入力として受信するクランプ積分回路３１を含む。積分回路３１への入力を決定する４つの電圧入力信号は、図３の上から下に向けて、（ｉ）電力スイッチング装置１７，１８の動作と関連する一定の電圧降下と対応する＋ＶＩＮＴＣＰ電圧、（ｉｉ）相電流ｉの大きさに対応する電圧信号、（ｉｉｉ）インバータ３１の入力に切換自在に連結される＋ＶDC信号、および（ｉｖ）インバータ３１の入力に切換自在に連結される−ＶDC信号である。＋ＶDC信号および−ＶDC信号は、システム１５の位相コイルに印加される高電圧ＶHDCに関連する公知の方法で正および負のレベルに関係する直流電圧レベルに対応する。典型的には、＋ＶDC信号および−ＶDC信号は、高電圧直流バスに関連する＋ＶHDC信号およびＶHDC信号よりも比例的に小さくなっている。
【００５６】
図３Ａの実施の形態において、＋ＶDC信号は、ＳＵ信号およびＳＬ信号の両方が論理的にローである場合に（すなわち位相コイルに連結されるスイッチング構成が、＋ＶHDCバスが位相コイルに印加されるように作動される場合に）導通状態となる制御スイッチ３２ａを介して積分器３１の入力に連結される。同様に、−ＶDC信号は、ＳＵ信号およびＳＬ信号の両方が論理的にハイになるときに（すなわち位相コイルに連結されるスイッチング構成が、−ＶHDCバスが位相コイルに印加されるように作動されるとき）導通状態となる制御スイッチ３２ｂを介して積分器３１の入力に連結される。クランプ積分器３１の出力は、磁束の−１倍である（信号は反転されている）。推定磁束を見るために、ゲイン＝−１を有する増幅器をクランプ積分器の出力に用いることができる。推定磁束の反転が磁束制御器誤差増幅器において用いられている。誤差増幅器は、基準磁束と推定磁束とを入力とする加算増幅器であり、Ｋゲイン（基準磁束−推定磁束）を出力する。
【００５７】
＋ＶDC信号およびＶDC信号ならびにＶHDCバスの公知の関係によって、積分器３１のその入力における電圧は位相コイルに印加される電圧に直接対応する。このように、積分器に印加される入力電圧の積分は電磁システム１５内の磁束に直接対応する信号を生じる。図示される回路はクランプ＞０の推定磁束の出力を有する。
【００５８】
位相コイルに印加される実際の電圧を表す信号を生じるためスイッチング装置３２ａ，３２ｂならびに＋ＶDC信号およびＶDC信号の使用は、実際の直流バス値の大きさが典型的には比較的ハイ（数百ボルト以上のオーダ）なので有益であると考えられている。このように、位相コイルに印加される比較的高い電圧を直接的に積分することは、大きなかつ高価な構成要素を必要とする。図３Ａのアプローチを用いることによって、システム１５内の磁束を正確に表示するために、より安価で、より低い電圧の装置を用いることができる。この開示の利益を享受できる当業者は、位相コイルに印加される実際の電圧を積分器３１への入力電圧を発生させるために用いることができることは理解できよう。これに代えて、位相電圧の一部分を用いる検出コイル（search coils）を用いることができ、コイルから直接積分することができる。
【００５９】
図３Ａの例示の回路において、コイル抵抗用積分器３１への入力を修正することを目的とした電圧信号を生じるように、相電流が抵抗３３に与えられる。上述した修正動作に用いる抵抗３３の値は、多くの異なった方法で選択することができる。比較的簡単な修正因子として、抵抗３３の値は、関連する電磁システム１５の予想される動作状態において、位相コイルの抵抗の推定を表す不変の値として選択することができる。Ｒは温度およびその他の動作因子によって変化するので、選択されたＲ値は、各相巻線に対する実際のＲ値の近似推定だけとなる。電流補償は、Ｒ値を、熱的モデルおよび電気的測定、または、たとえば直流電圧注入のように実際の抵抗を推定するために現在用いられている技術を通して、測定し、推定し、計算することによって改善できる。
【００６０】
図３Ａに戻って、駆動スイッチングを通して、信号ＳＵ，ＳＬは位相コイルに実際に印加されるハイ電圧信号に対応するロー電圧信号を生じるため用いられるが、電流修正因子を得るために用いられる電流は実際の相電流ｉであって、スイッチ電流ではないことに注目されたい。スイッチ電流は必ずしも相電流に対応していないので、実際の相電流はより正確な電流修正因子を得るべく用いらなければならない。位相コイルに印加される実際の電圧が駆動スイッチング信号およびロー電圧バスの使用を通して推定される実施の形態において、電流修正因子は，位相コイルに印加された電圧に相当する電圧から電流修正因子を差引く前に、適切に求められなければならない。
【００６１】
真の積分器が、図３Ａに関連して述べられたように、システム１５内の磁束の推定を得るために用いることができる一方で、より簡単なアプローチを多くの用途において用いることができる。特に、システム１５内の磁束が二極ゼロ平均（不連続または連続）である場合には、システムの磁束は位相コイル（Ｖ−ｉＲ）に印加される電圧を単にローパスフィルタでろ波する（すなわち、位相コイル電圧に対応する図３Ａの積分器３１に印加される電圧のような電圧をローパスフィルタでろ波する）ことによって、近似的に推定することができる。このようなローパスフィルタの使用を通したシステム１５の磁束の推定はある種の用途分野において有益である。これは、そのような推定はある種の積分器に関連したドリフトおよびランダムウオークの問題を最小にクランプすることができるからである。図３Ｂは、位相コイル電圧（コイル抵抗に対して修正される）に対応する信号をローパスフィルタ３４に付与し、位相コイルと関連する磁束に対応する信号を生じるアプローチを一般的に示す。また、生じた信号は駆動電圧に常に対抗する装置電圧降下を表すものであり、二極励磁電流を含む用途において符号を変えることができる。
【００６２】
所定の位相コイルの磁束を推定するために、積分器に代えてローパスフィルタを用いる場合には、フィルタの時定数は、そのコイルに対する磁束励磁の基本周波数に関連する周期よりも高くすべきである。たとえば、位相コイルが１００Ｈｚ（１０ｍＳＥＣの周期）の基本周波数で励磁される場合には、位相コイルに対するローパスフィルタの時定数は約５０ｍｓｅｃ以上にすべきである。電圧基本周波数に対するフィルタの時定数と各コイル電圧のゼロ平均電圧との比が約５：１（またはそれ以上）である場合、ローパスフィルタは、近似的にコイル電圧を積分して有用な推定コイル磁束を提供することができる。
【００６３】
図１〜図３Ｂに関連して述べた新規な磁束制御システム１０およびその複数の構成要素は、多くの異なった用途に有益に用いられる。たとえば、磁束制御システム１０は、従来の誘導モータ、交直両用モータ、切換リラクタンスモータ、永久磁石モータ、またはハイブリッドモータ（たとえば、ＰＭおよびＳＲ）等の回転電気機械内の磁束を制御するために用いることができる。ここに記載されている新規な磁束制御システムは、コアを通過する磁束が所定の所望レベルまで制御される各種の校正装置にも用いることができる。さらに、ここに記載されている磁束制御システムは、可動部材の移動を１以上の永久磁石コアを通過する磁束の制御を通して制御する電磁作動装置の制御に用いることができる。
【００６４】
図４は、上述した新規な磁束制御システム１０とともに用いることができる電磁アクチュエータ４０を一般的に例示する。一般的に、電磁アクチュエータ４０は、固定外部アセンブリ４１と、固定アセンブリ４１によって規定された孔内に配置される可動部材とを含む。例示の実施の形態において、固定外部アセンブリ４１は、３つの実質的に同一の磁性的に連結されていない磁束発生器を含み、各磁束発生器はＥ−コア４３Ａ，４３Ｂ，４３Ｃを含む。各Ｅ−コアは、常磁性材料（たとえば、鋼）から成る実質的に同一の層状物の積層体から成る。このような積層体は、中央アームと２つの二次アームとを含み、二次アームが中央アームの各側に配置されるＥ形状のコアを規定する。ヨーク部は中央アームを二次アームに連結する。例示した実施の形態において、各Ｅコアに対して、中央アームの幅は二次アームの幅より大きくなっている。実施の一形態において、各Ｅ−コアに対して、２つの二次アームの幅は実質的に同一であり、中央アームの幅の約半分または半分より少し小さくなっている。一般に、切換リラクタンス装置の固定子を製作するために用いられるのと同一の製作技術をＥ−コア４３Ａ，４３Ｂ，４３Ｃを製作するために用いることができる。
【００６５】
各Ｅ−コア４３Ａ，４３Ｂ，４３Ｃの中央アームのまわりには、位相コイルが配置される。例示の実施の形態において、位相コイルＡ，ＢおよびＣのそれぞれが同じ巻数を有し、３つの位相コイルＡ，Ｂ，Ｃが「対称」になるように同一方法で形成されている。
【００６６】
各位相コイルは、電気的エネルギが位相コイルに与えられると、位相コイルに電流が流れ、Ｅ−コアを通して磁束が発生するように、各Ｅ−コアの中央アームのまわりに配置される。Ｅ−コア４３Ａ，４３Ｂ，４３Ｃまわりに位相コイルＡ，Ｂ，Ｃが配置される場合に形成される磁束経路の近似が図４の曲線によって与えられる。図に反映されているように、３つのＥ−コアに対する磁束経路は実質的に同一であり、各Ｅ−コアの磁束経路は中央アームを通る中央磁束経路と二次アームを通る二次磁束経路とを規定する。
【００６７】
図４について再び参照して、３つのＥ−コア４３Ａ，４３Ｂ，４３Ｃの配列は、Ｅ−コアによって一般に三角形状の孔が形成される点に注目されたい。この孔内には、実質的に三角形状の可動部材４２が配置されている。例示の実施の形態において、可動部材４２は、常磁性材料（たとえば、鋼）から成る実質的に同一の層状物の積層体から成る。また他の実施の形態も考えられ、可動部材は永久磁石（誘導コイル）または電磁体を含む。
【００６８】
この開示の利益を享受できる当業者は理解できるように、図４に示す電磁アクチュエータ４０において、１つのＥ−コアにおける１つの位相コイルへの励磁は、励磁されたＥ−コアに向けた可動部材の移動を生じさせるような可動部材への力を生じさせる。これは、位相コイルが励磁される場合はいつでも、可動部材は励磁された位相コイルのリラクタンスが最小になるような位置に移動する傾向があるからである。このように、Ｅ−コア４３Ａと関連する位相Ａが励磁されると、可動部材４２は、励磁されたＡコイルのリラクタンスを最小にするようにＥ−コア４３Ａに向けて下方に移動する。
【００６９】
図４に示す実施の形態において、３つのＥ−コア４３Ａ，４３Ｂ，４３Ｃは、可動部材の移動が２自由度をもって制御されるように配置されている。たとえば、図４のＸＹ基準表示を用いて、可動部材は正負両Ｘ方向（第１の自由度）および正負両Ｙ方向（第２の自由度）に、かつ、ＸおよびＹ点によって規定される経路に沿って移動するように制御される。このように、３つのＥ−コアの使用によって、２自由度で可動部材を制御することができる。
【００７０】
図４の特定のアクチュエータが２自由度での可動部材の制御を可能にする一方で、当業者は、異なる数および配置のＥ−コアを用いてある程度の自由度で移動を制御することができることを理解できるであろう。たとえば、アクチュエータが１自由度だけによって（たとえば、正または負のＸ軸だけによって）移動することができるように望まれている場合、実質的に長方形可動部材がたった２つのＥ−コアとともに用いられる。一般に、可動部材の移動が、励磁コイルのリラクタンスが最小化できる位置に向けて移動するという可動部材の傾向によって生じる場合、Ｎ自由度を制御するためには、Ｎ＋１の位相コイルが必要となる。
【００７１】
他の実施の形態として、永久磁石または電磁体が可動部材上に配置される（このように、正負のいずれかの電流による１つのコイルの励磁が、１自由度で正および負の力を生じることができる）場合、ＮコイルだけがＮ自由度を制御するために要求される。図４に示すアクチュエータ４０に戻って、３つのＥ−コア４３Ａ，４３Ｂ，４３Ｃと関連する磁束経路は相互に独立していることに注目されたい。換言すれば、３つの例示のＥ−コアは「磁気的に連結されていない」。この特徴の１つの利点は、各Ｅ−コアの磁束を他のＥ−コアの磁束と独立して制御することができるということにある。さらに、図４の実施の形態において、３つのＥ−コアと関連する位相コイルＡ，Ｂ，およびＣは個別に励磁可能である。換言すれば、位相コイル同士は「電気的に接続されていない」。そのようなものとして、各位相コイルにおける相電流は、他の位相コイルにおける電流と独立して制御することができる。以下にさらに詳しく説明するように、このような、各Ｅ−コアにおける磁束および電流を、他の各Ｅ−コアにおける磁束および電流から独立して制御できる能力は、多くの面で有益である。
【００７２】
図４に戻って、各Ｅ−コアに対して、可動部材を励磁されたＥ−コアに向けて移動させるように可動部材に生じる力は、Ｅ−コアの中央アームを通る磁束の二乗に比例し、一般に以下の式２に対応する。
【００７３】
【数１】
0004558199.tif 000002
【００７４】
ここで、μｏは空気の透磁率を反映する定数であり、Ｓは可動部材４２の面と平行なＥ−コアの中央アームの断面積に対応する値であり、ｆｌｕｘは対象となっているＥ−コアの磁束に対応する信号である。磁束の値は、磁束観察器１６の記載と関連して述べた種類の磁束観察器によって与えられる。
【００７５】
行列表示を用いると、３つの４３Ａ，４３Ｂ，４３Ｃ内の磁束と、Ｅ−コア４３Ａ，４３Ｂ，４３Ｃに向けて可動部材を移動させるように可動部材に生じる力との関係は、以下の行列の方程式１で表される。
【００７６】
【数２】
0004558199.tif 000003
【００７７】
ここで、ＦＡ、ＦＢおよびＦＣはそれぞれ可動部材４２をＥ−コア４３Ａ，４３Ｂ，４３Ｃの中央アームに向けて移動させるように働く力であり、それぞれｆｌｕｘ  Ａ、ｆｌｕｘ  Ｂおよびｆｌｕｘ  Ｃは対応するＥ−コア内の実際の磁束または推定磁束を表す。
【００７８】
簡単な幾何計算によって、可動部材に生じる力を、行列の方程式２を用いて、ＦＡ，ＦＢおよびＦＣ座標からＸ、Ｙ座標の力に変換することができる。
【００７９】
【数３】
0004558199.tif 000004
【００８０】
行列の方程式第１および第２から、適切な基準フレーム（たとえば、ＦＸおよびＦＹ）に関する所定の任意の望ましい力に対して、このような望ましい力を得ることができる多数の、現実には可能性として無数のｆｌｕｘ＿Ａ、ｆｌｕｘ＿Ｂおよびｆｌｕｘ＿Ｃの解があることが理解できよう。さらに、Ｅ−コアが連結されていないという性質および図４に示すアクチュエータ４０の位相コイルによって、これらの可能性として無限の解を違反とする制約も存在しない。そのようなものとして、例示したアクチュエータの性質によって、最適のｆｌｕｘ＿Ａ、ｆｌｕｘ＿Ｂおよびｆｌｕｘ＿Ｃの解が選択される。望ましい磁束の解がいったん選択されると、図１〜３Ａに関連して述べた種類の磁束制御システム１０を用いて、その解を実施することができる。一般に、別の磁束制御システム１０が、３つのＥ−コア４３Ａ，４３Ｂ，４３Ｃのそれぞれの磁束を制御するために求められる。
【００８１】
一般に、所望の任意のＸ，Ｙ力を得るため、これらのＸ，Ｙ力をｆｌｕｘ＿Ａ、ｆｌｕｘ＿Ｂおよびｆｌｕｘ＿Ｃ値に変換するために必要な１つの最適の力−磁束解または変換は、正味のシステム磁束を最小とし、これによって磁束を発生するために必要なエネルギ量を最小化する解である。このような解が、一般に、所望の力を生じるための最もエネルギ効率のよいアプローチを提供する。さらに、多くの電磁アクチュエータにとって、適切な力―磁束変換は、不連続的の単極磁束がアクチュエータのコアに生じるようなアクチュエータの動作を要求する。そのような不連続の磁束動作にによって、上述した有益な開ループ磁束観察器の使用が可能となる。図４に例示する新規な電磁アクチュエータの１つの利点は、最適の力―磁束変換が、アクチュエータに、その動作中において、３つのＥ−コア４３Ａ，４３Ｂ，４３Ｃに不連続の単極磁束が形成されるように作動することを要求することができる点にある。
【００８２】
所定のシステムに対して最適の力―磁束変換は以下のようにして得られる。
（ｉ）各種のアクチュエータ構成要素（たとえば、Ｅ−コア）に関連する力と、これらのアクチュエータ構成要素に関連する磁束との関係を形成し（たとえば、行列の方程式１によって表される関係を決定する）、（ｉｉ）所定の基準フレーム（たとえば、Ｘ，Ｙ）中の望ましい力と各種のアクチュエータ構成要素に関連する力との関係を決定し（たとえば、行列の方程式２で表される関係を決定する）、（ｉｉｉ）所定の基準フレーム内の望ましい力に関してアクチュエータ構成要素の磁束を解き、最小ノルム解を選択する。いかなる最小ノルム解も用いることができるが、最小ユークリッドノルム解である力―磁束解または変換を選択するのが有益であることが判明した。最小ユークリッドノルム解の概念は当業者であれば理解できるものであり、一般に、William L. BrogenのModern Control Theory（第３版）の第１６６ページに一般的に記載されている。
【００８３】
所定のシステムに対して所望の力―磁束変換がなされると、その変換は力制御システムを通して実際に実施される。このような力制御システムの例示的な実施の一形態が図５に示されている。
【００８４】
図５を参照して、力制御システム５０が例示されており、図４に示す型の電磁アクチュエータ４０を含む。この電磁アクチュエータ４０は、入力として、所望の磁束命令ｆｌｕｘ＿Ａ＿ｃｍｄ，ｆｌｕｘ＿Ｂ＿ｃｍｄ，ｆｌｕｘ＿Ｃ＿ｃｍｄおよび磁束フィードバック信号ｆｌｕｘ＿Ａ＿ｅｓｔ，ｆｌｕｘ＿Ｂ＿ｅｓｔ，ｆｌｕｘ＿Ｃ＿ｅｓｔを受信する磁束制御器１２'によって励磁される。磁束推定命令は位相コイル単位で磁束推定器１６'によって与えられ、磁束推定器１６'は図１の磁束観察器１６との関係で上述したいかなる磁束観察器の形態を用いることができる。磁束制御器１２'は、位相単位ごとに、磁束命令と推定磁束とを比較器１９'によって比較し、誤差信号を増幅器２０'で増幅し、励磁制御回路２１'を用いて適切な位相コイル励磁信号を発生する。制御器１２'の構成は、位相単位ごとに、図１の磁束制御器１２に関連する上述した説明に従う。位相コイルＡ，Ｂ，Ｃを励磁するために必要な駆動回路は図５には記載されていない。しかしながら、この開示内容から、そのような駆動回路は、当業者には明白であろう。
【００８５】
制御器１２'には力−磁束制御器５１が連結されており、この制御器５１は、その入力において、所定の基準フレーム（図５のＸ，Ｙ基準フレーム）内の所望の力命令を受信し、その出力において、適切な磁束命令ｆｌｕｘ＿Ａ＿ｃｍｄ，ｆｌｕｘ＿Ｂ＿ｃｍｄ，ｆｌｕｘ＿Ｃ＿ｃｍｄを与える。図１の磁束制御器１２に関連して上述されたと同様な方法で、磁束命令は磁束制御器１２'によって受信されて処理される。
【００８６】
力―磁束制御器５１は、図５に説明する実施の形態では、専らアナログ回路から構成されるが、力―磁束制御器５１は、所望の力−磁束変換を実行するため適切にプログラムされたマイクロプロセッサやマイクロコントローラ等のデジタル回路を含む。力−磁束制御器を構成するためにデジタル回路を用いることは次のように有益である。すなわち、力―磁束変換が、デジタル回路で容易に実行できる数学的関係を通して迅速に実行でき、かつ、デジタル回路を用いることによって、力―磁束変換を容易に変形することができるからである。さらに，デジタル回路が力―磁束制御器５１を実行するために用いられる場合は、入力された力命令はデジタルまたはアナログのいずれにすることもできる。アナログの場合、力命令を適切なデジタル値に変換するためにある形態のアナログーデジタル変換が必要となる。同様に、デジタルの力―磁束制御器５１が用いられる場合は、所望の磁束命令がデジタルならば、アナログ磁束制御器を用いる場合は、この磁束命令をアナログ信号に変換する必要がある。デジタルの力−磁束制御器５１の構成およびプログラミングは、この開示内容の利益を享受できる当業者の能力の範囲である。
【００８７】
図６Ａ〜図６Ｄは、疑似コードブロックによって、プログラムされたマイクロコントローラやマイクロプロセッサを用いて実施することができるデジタルの力−磁束制御器５１の１例示形態を説明する。図６Ａ〜図６Ｄによって例示される制御器によって実施される力―磁束変換は、図４のアクチュエータ４０のための最小ユークリッドノルム解と対応する。制御器５１の説明は離散的疑似コードの機能ブロックに関してなされているが、この開示内容の利益を享受できる当業者は、制御器は１または２以上のプログラムされたプロセッサ、アナログ回路、またはこれらの組み合わせによって実施することもできることが理解できるであろう。
【００８８】
図６Ａを参照して説明すると、力―磁束制御器５１の一般的動作は３つのハイレベル機能ブロック６０、６１および６２に分割されている。一般に、機能ブロック６０は、ＦＸＹからＦＡＢＣという名称がつけられており、所定の基準フレーム（ここではＸＹ基準フレーム）に関する所望の力命令を受信し、力命令をアクチュエータ４０の物理的構成（ここでは、Ｅ−コア４３Ａ，４３Ｂ，４３Ｃ）となじむ力命令に変換する。機能ブロック６１は、アクチュエータ４０の配列に関する力命令を受信し、これらの力命令をアクチュエータ４０の位相コイルに対応する磁束命令に変換する。機能ブロック６２は、制御器５１のすべての実行には必要でない選択的機能ブロックである。この機能ブロック６２はブロック６１から磁束命令を受信し、この磁束命令を修正して、修正命令のそれぞれが有限時間間隔の間確実にゼロになるようにする。「磁束ゼロ化」ブロック６２の使用はアクチュエータ４０内の磁束が不連続的になることを確保する、すなわち、磁束観察器１６との関連で述べた幾つかの磁束観察器の有益な形態の使用が認められる。各機能ブロックを以下においてさらに詳細に検討する。
【００８９】
図６Ｂ１〜図６Ｂ４は、ＦＸおよびＦＹに関する入力された力命令をアクチュエータ４０によって直接発生するＦＡ、ＦＢおよびＦＣに関する力命令に変換する機能ブロック６０の構造および作用を説明する。説明する実施の形態において、機能ブロック６０は、まず、６つの中間制御信号Ｆ＿ａ１，Ｆ＿ａ２，Ｆ＿ｂ１，Ｆ＿ｂ２，Ｆ＿ｃ１，Ｆ＿ｃ２を機能ブロック６３ａ，６３ｂ，６３ｃで得るために、まず、ＦＸおよびＦＹ命令を用いる。機能ブロック６３Ａ〜６３Ｃでは、それぞれ、２行２列の行列をＦＸおよびＦＹに掛け、位相コイルに基づいて行列の方程式２の各可能な区分の正または負を逆にする。そして適切な解が可能な解から選択される。機能ブロック６３ａ，６３ｂ，６３ｃによって用いられる２行２列の行列は、それぞれ、図６Ｂ２、図６Ｂ３、図６Ｂ４によって例示されている。各機能ブロック６３ａ，６３ｂ，６３ｃは２つの出力力値を生じる。これは、行列の方程式２の反転の実行は、ＦＡ，ＦＢおよびＦＣのそれぞれに対して２つの解を生じるからである。システムにとっての適切な解は機能ブロック６４ａ，６４ｂ，６４ｃによって選択される。
【００９０】
図６Ｂ１に戻って、各機能ブロック６４ａ，６４ｂ，６４ｃは、その入力として、関連する機能ブロック６３ａ，６３ｂ，６３ｃから２つの力の解を受信する。機能ブロック６３ａ，６３ｂ，６３ｃの性質によって、力の解の少なくとも１つは正である。機能ブロック６４ａ，６４ｂ，６４ｃは、まず、対応する中間の力命令をゼロに調整してすべての負の力の解を除去し、その後、２つの調整した力命令のうち大きい方を選択する。図６Ｂ１に特定の実施の形態において、各機能ブロック６４ａ，６４ｂ，６４ｃからの選択された力命令は、機能ブロック６５によってピーク値だけに限定され、限定された位相コイル単位の力命令Ｆａ，Ｆｂ，Ｆｃを生じる。ブロック６５によって実行された制限機能を削除したり、他のシステムパラメータの機能として実行する実施の形態も考えられる。
【００９１】
図６Ａを参照して説明すると、Ｆａ、ＦｂおよびＦｃ命令が機能ブロック６０によって生じると、これらの命令は機能ブロック６０によって処理され、磁束命令ｆｌｕｘ＿Ａ＿ｖｏｌｔｓ，ｆｌｕｘ＿Ｂ＿ｖｏｌｔｓ，ｆｌｕｘ＿Ｃ＿ｖｏｌｔｓを生じる。機能ブロック６１が図６Ｃに詳細に例示されている。機能ブロック６１の作用は位相単位に基づく行列の方程式１の有界の（＞０）逆転を直接的な実行を表す。具体的には、アクチュエータ４０は負の力を生じることができないので、いずれの負のＦａ、ＦｂおよびＦｃ命令はゼロに調整される。調整された力命令Ｆａ，Ｆｂ，Ｆｃから、必要な位相コイル単位の磁束が、√（２μ0Ｓ）に対応する定数値が乗算される所定の位相に対する調整力命令の平方根を取ることによって決定される。上述した式２を参照。機能ブロック６１の出力は、磁束命令信号ｆｌｕｘ＿Ａ＿ｖｏｌｔｓ，ｆｌｕｘ＿Ｂ＿ｖｏｌｔｓ，ｆｌｕｘ＿Ｃ＿ｖｏｌｔｓである。
【００９２】
図６Ａに示す具体的な実施の形態において、機能ブロック６１からの磁束命令は、磁束命令を有限時間間隔だけゼロに確保する磁束ゼロ化機能ブロック６１に入力として与えられる。このような磁束ゼロ化ブロックの使用はほとんどの用途において必要ではなく、直線Ｘ運動だけに重要である。機能ブロック６２の正確な形成は、デジタル力−磁束制御器５１がサンプリングによって動作しているか、連続的に動作しているかによって、わずかに変化する。図６Ｄ１は、基準に基づいて種々の制御パラメータ値をサンプリングするデジタル制御器のための機能ブロック６２の構成を例示的に示している。図６Ｄ２は、連続的に作動する制御器５１のための同様な機能ブロック６２'を説明する。
【００９３】
図６Ｄ１および図６Ｄ２の両方を参照して説明すると、機能ブロック６２と６２'は、磁束命令ｆｌｕｘ＿Ａ＿ｖｏｌｔｓ，ｆｌｕｘ＿Ｂ＿ｖｏｌｔｓ，ｆｌｕｘ＿Ｃ＿ｖｏｌｔｓを受信し、その後、図６Ｄ１の機能ブロック６６ａ，６６ｂ，６６ｃおよび図６Ｄ２の機能ブロック６６ａ'，６６ｂ'，６６ｃ'は所定の時間間隔における磁束命令信号の連続平均に対応する平均磁束命令を生じる。これらの平均磁束命令値が決定される異なる方法は、図６Ｄ１で表されるサンプリング制御器と図６Ｄ２で表される連続制御器間の最も重要な差異を形成する。
【００９４】
適切な時定数を有するいかなる形態のデジタルまたはアナログ平均化フィルタを用いることができる。
【００９５】
実際の磁束命令および平均磁束命令の両方が機能ブロック６７に与えられる。機能ブロック６７は実際の磁束命令を平均磁束命令の１部分と比較し、所定の位相に対する実際の磁束命令が平均磁束命令の１部分より小さい場合には、磁束命令を最小の磁束値に調整する。実際の磁束命令が平均磁束命令の１部分より大きい場合には、実際の磁束命令は調整されない。このように、機能ブロック６７の出力は力−磁束制御器５１からの磁束命令出力ｆｌｕｘ＿Ａ＿ｖｏｌｔｓ，ｆｌｕｘ＿Ｂ＿ｖｏｌｔｓ，ｆｌｕｘ＿Ｃ＿ｖｏｌｔｓを構成する。図５を参照して説明すると、その後、これらの出力は磁束制御器１２'によって処理され、アクチュエータ４０内の磁束を制御する。この開示の利益を享受できる当業者は、図６Ａ〜図６Ｄに表される具体的力−磁束変換は、本開示のある教示によって構成される力−磁束制御器によって実施することができる力−磁束変換の一例であることが理解できよう。たとえば、１つの他の力−磁束変換は、ＦＸおよびＦＹ力命令によって表わされる角度およびアクチュエータ４０を含むＥ−コアの物理的構成に基づく。
【００９６】
図７Ａは、一般に、アクチュエータ４０の位相コイルが励磁されることによって、ＸおよびＹに関する所望の力のベクトルを生ずる例を示す。基本的に、図７Ａは、ＦＸおよびＦＹ成分を含むベクトルに関する所望の力の方向の関数として、そのコイルが作用する「窓」を示す。上述した例と同様にこの力−磁束変換では、所定の時間にいつでも２つの位相コイルだけが励磁されている。図７Ａを参照して説明すると、３０度〜１５０度の間の角度に対応する命令された力もＦＢおよびＦＣ力とゼロＦＡ力との組み合わせによって発生することに注目されたい。同様に、１５０度〜−９０度の間の方向を有する所望の力を、ＦＢ力なしにＦＡ力とＦＣ力によって発生することができ、かつ、−９０度〜３０度間のベクトル方向を有する所望の力を、ＦＣ力無しにＦＡ力とＦＢ力によって発生することができる。
【００９７】
図７Ｂは、一般に、図７Ａに表される力−磁束変換を実施するための適切な磁束命令を発生するための機能ブロックを例示する。まず、例示した機能ブロックは、ＦＸおよびＦＹ命令の関数として適切な力角度を計算する。その後、この角度を用いて、ブロックは、その角度が図７Ａのどのカテゴリの属するかを決定し、この決定に基づいて、そのカテゴリのために励磁されるべき２つの位相コイルに対する適切な磁束命令を決定する。その後、これらの発生した磁束命令は磁束制御器１２'に供給され、システムが上述したように動作する。
【００９８】
さらに他の力−磁束変換として次のものが想定される。たとえば、上述した具体的な力−磁束変換は、２つの自由度で可動部材４２の移動を制御するように設計されている３つの非連結Ｅ−コアを有するアクチュエータ４０に関連して生じる。このアクチュエータが、可動部材の直線移動のために設けられた２つのＥ−コアだけを有する他の形態も考えられる。そのような適用例では、唯一の入力となる力命令はＦＸ（またはＦＹ命令）となる。さらに、４つのＥ−コアを用いることもでき、ＦＸおよびＦＹ命令を与えることができる。図８Ａ−図８Ｃは、一般に、２つのＥ−コア直線システムに用いられてもよく、２つのセットがそれぞれ１つの軸（自由度）を制御する４つのコイルを有する力−磁束制御器８０のための機能ブロックを説明する。
【００９９】
図８Ａを参照して、図示の制御器８０はＦＸ力命令を受信して、出力として、ＡおよびＢとして指定される２つの位相コイルのための磁束命令を発生する。一般に、機能ブロック８１は、まず、直線アクチュエータに対応してＦＸ命令をＦＡおよびＦＢ力命令に変換し、機能ブロック８２はこれらの力命令を適切な磁束命令ｆｌｕｘ＿Ａ＿ｖｏｌｔｓおよびｆｌｕｘ＿Ｂ＿ｖｏｌｔｓに変換する。機能ブロック８１の詳細が図８Ｂに表されている。一般に、機能ブロック８１はＦＸ命令を受信し、ＦＸ命令が負の場合には、ＦＡをゼロ値を割り当てるとともに、ＦＢをＦＸの大きさと等しい値を割り当てる。逆に、ＦＸ命令が正の場合には、機能ブロックはＦＢをゼロ値にするとともに、ＦＡにＦＸの絶対値を割り当てる。その後、ＦＡおよびＦＢ命令はピーク値に限定される。限定されたＦＡおよびＦＢ命令は機能ブロック８１によって機能ブロック８２に与えられ、機能ブロック８２は適切な磁束命令ｆｌｕｘ＿Ａ＿ｖｏｌｔｓおよびｆｌｕｘ＿Ｂ＿ｖｏｌｔｓを決定する。
【０１００】
機能ブロック８２がさらに詳しく図８Ｃに示されている。図８Ｃを参照して説明すると、機能ブロック８２は、力命令がゼロ以下の場合には、基本的には対応する磁束命令を設定し、または、式１の逆を用いて適切な磁束命令を計算する。その後、磁束命令ｆｌｕｘ＿Ａ＿ｖｏｌｔｓおよびｆｌｕｘ＿Ｂ＿ｖｏｌｔｓが適切な磁束制御器に与えらえ、システムを励磁する。
【０１０１】
図５〜図８Ｃを参照して上述した力制御システムは、電磁アクチュエータを制御して所望の力を生じるための公知のシステムでは一般に得られない幾つかの利点を有する。たとえば、公知の制御システムでは、所望の力を得るための制御変数は位相コイルに印加または与えられる電圧または電流のいずれかである。これらのシステムは本質的に限定される。これは、電圧制御を用いる場合は、生じる力は制御電圧の非線型関数である。そのような非線型制御の問題は事実上困難でありかつ実施するのに費用がかかり、また、動作条件の変化およびまたは製造誤差を許容することができない。電流制御が用いられる場合は、システムは開ループで不安定であり、また、合理的に許容できる性能を得るためには、アクチュエータコアを非線形特性とすることが必要となる。これによって、電圧制御システムと関連づけられた同様の非線形における困難性が生じることになる。
【０１０２】
ここで記載した磁束制御システムの使用によって、電圧または電流制御システムに関連する多くの困難性を大きく低減または除去することができる。これは、磁束制御を用いる場合には、各アクチュエータの構成要素の各空隙を横断して発生する力は空隙の磁束の二乗に比例するからである。したがって、磁性材料の非線型や電気力学上の非線型を、許容可能な制御を得るために考慮する必要がない。このように、ここで記載した力および磁束制御システムは、より簡単にかつより安価に設計できかつ実施できる制御計画を、より簡単でより効率的に実施するために用いることができる。さらに、ここで記載した簡単な開ループ観察器との協働によって、磁束制御を非常に効率の良いかつ洗練されたシステムとすることができる。
【０１０３】
図５の力制御システムは、アクチュエータ４０の可動部材４２に生じる力の効率的な制御を可能とするが、多くの用途において、制御が求められているのは、可動部材の移動（たとえば、可動部材の位置／速度または軌跡）であって、可動部材に生じる力ではない。そのような用途に対しては、図５のシステムが、可動部材の移動が所望の方法で制御されるように、所望の力指令ＦＸおよびＦＹを発生する位置／速度制御ループを加えた形で改善されることになる。上述した型の位置／速度制御システムの用途は多数ある。たとえば、そのような位置／速度制御システムは、電磁軸受や揺動篩装置を構成するために用いることができる。そのような位置／速度制御器の典型的な一適用例が軌道溶接機の分野である。そのような溶接機の代表例として、溶接すべき第１部分（たとえば、熱可塑性部品）を溶接すべき第２の部分に対して相対的に公転運動するように駆動することによって作動し、これによって、第１および第２部分の相対移動によって摩擦を生じ、その接合面に沿って両部分を加熱し、相対運動が停止すると、両部分が冷却し、相互に溶接されることによって典型的に駆動される。
【０１０４】
このような溶接機において、第１の部分は、一般的にはホルダに載置されている。第２の部分も同様にホルダに載置されている。その後、これらの部分は、両部部分間の接合面に沿って強制的に係合状態に保持され、第２部分を第１部分に対して設定した繰り返し軌跡で駆動するための駆動力が与えられ、接合面に沿って両部分を摩擦加熱し、繰り返し運動の停止によって、両部分は相互に溶接されることになる。
【０１０５】
従来の軌道溶接機は、第１および第２部分間の相対移動が直線移動または軌道移動のいずれかに限定された形態で溶接すべき第１部分を移動することができる。溶接機の移動におけるこのような制限は、溶接機の用途を制限することになる。すなわち、多くの用途において、溶接すべき部分の相対移動を部分の形状と密接に一致させるために異なったかつ任意の相対移動が求められる。そのような「形状一致」は溶接後強度を著しく高めることができる。ここに記載されている位置／速度制御システムを用いることによって、溶接機は、溶接すべき部分の直線移動、軌道移動、回転移動、または他の任意の移動を含めて、両部分間に任意の相対移動を形成することができるように構成することができる。当業者は、ここに記載の位置／速度制御システムは、この明細書に含まれる開示にしたがって構成される制御システムの一例にすぎず、また、他の特徴や、それらの特徴の組み合わせ（たとえば、加速度、速度、位置またはそれらのすべての組み合わせ）も制御することができることを理解するであろう。
【０１０６】
図９は、上述した溶接機を構成するために用いることができる位置／速度制御システム９０の一例のハイレベルブロック線図を提供する。以下の説明は溶接機を内容とするものであるが、本発明の開示の利益を享受できる当業者は、開示された位置制御システムは他の用途における可動部材の位置／速度制御にも用いることができることは理解できるであろう。
【０１０７】
図９を参照して、位置／速度制御システム９０は、多くの面で、図５の力制御システムと同一である。具体的には、破線で示した箱５０内において、位置／速度制御システム９０は、図５の力制御システム５０の全ての構成要素を含み、これらの構成要素は図５を参照して説明したように作動する。システムのアクチュエータ４０は大きな振動溶接機の一部なので、アクチュエータの可動部材は、適切な溶接ホーンまたは他の適切な溶接ツール（図示せず）に連結されることになる。
【０１０８】
力制御システム５０の構成要素を含むことに加えて、位置／速度制御器９０は２つの主要な構成要素を追加的に含む。図９の実施の形態において、まず、位置／速度制御器９１が力命令信号ＦＸおよびＦＹを発生する。位置／速度制御器９１は、（ｉ）その入力側で、アクチュエータ４０の可動部材の所望の位置／速度（または軌跡）を表す位置命令信号９２および（ｉｉ）アクチュエータ４０の可動部材と関連する現在の位置／速度または軌跡情報を表す位置／速度観察器９３からのフィードバック信号を受信する。一般に、位置／速度制御器９１は、位置／速度命令を位置／速度フィードバック情報と比較して位置／速度誤差信号を発生し、これらの位置／速度誤差信号を用いて、可動部材を位置／速度命令９２によって示される位置／速度にもたらし、また、軌跡命令９２が与えられる場合は、軌跡命令９２によって規定される軌跡に沿って可動部材を移動するための適切な力命令を発生する。
【０１０９】
位置／速度制御器９１は、可動部材の所望の位置／速度および／または軌跡を規定する方法によって多くの形態を取ってもよい。実施の一形態において、位置／速度制御器９１は、Ｘ，Ｙ基準フレーム内のアクチュエータ４０の可動部材の位置に関して、またＸおよびＹについての可動部材の速度に関して、アクチュエータ４０の可動部材の位置および速度を制御するために構成されてもよい。そのようなシステムにおいて、位置／速度制御器９１に与えられる２つの入力位置命令は、Ｘ＿ｃｍｄ，Ｘ＿ｄｏｔ＿ｃｍｄ（Ｘ速度），Ｙ＿ｃｍｄ，Ｙ＿ｄｏｔ＿ｃｍｄ（Ｙ速度）に関するものであり、位置／速度観察器９３（以下にさらに詳細に説明される）からの２つのフィードバック命令は、可動部材の実際または推定のＸの位置、Ｘの速度、Ｙの位置およびＹの速度に関するものである（たとえば、Ｘ＿ａｃｔ，Ｘ＿ｄｏｔ＿ａｃｔ，Ｙ＿ａｃｔ，Ｙ＿ｄｏｔ＿ａｃｔ）。
【０１１０】
上述した力−磁束制御器５１のように、位置／速度制御器９１は、マイクロプロセッサやマイクロコンピュータのようなプログラムされたデジタルプロセッサを用いて実施されてもよい。ある用途において、位置／速度制御器９１は、力−磁束制御器を実施するために与えられるのものと同じプログラムされたプロセッサを用いて実施される。アナログによる実施も考えられる。動作において、位置／速度制御器９１は位置／速度命令発生器からＸ，Ｘ＿ｄｏｔ，ＹおよびＹ＿ｄｏｔ命令信号を受信し、命令信号を、可動部材の実際のまたは推定位置および速度を表すフィードバック信号（Ｘ＿ａｃｔ，Ｘ＿ｄｏｔ＿ａｃｔ，Ｙ＿ａｃｔ，Ｙ＿ｄｏｔ＿ａｃｔ）と比較する。この瞬間的な位置および速度命令とフィードバック信号との比較の結果、４つの誤差信号（ｅＸ，ｅＹ，ｅＸ＿ｄｏｔおよびｅＹ＿ｄｏｔ）が、命令信号とフィードバック信号との間の差異に応じて生成される。４つの誤差信号には、各用途に応じて最適化された適切な制御ゲインが掛けられる。その後、Ｘ誤差信号（ｅＸおよびｅＸ＿ｄｏｔ）は一緒に加えられ、かつ、Ｙ信号（ｅＹおよびｅＹ＿ｄｏｔ）も一緒に加えられ、可動部材を所望の位置に所望の速度で位置させるために必要なＦＸおよびＦＹ命令信号を生じることができる。力制御器５０に与えられる前に、ＦＸおよびＦＹ力命令信号は、バンドパスによってろ波され、バイアスおよびノイズ成分が低減される。その後、ろ波された力命令信号ＦＸ，ＦＹは、力制御システム５０の力−磁束制御器５１に与えられる。システムの寄生モードおよびその他の因子によって、フィルタおよびフィルタ作用は必要とされてもよく、不要であってもよい。
【０１１１】
位置／速度制御器９１の１実施の形態において、アクチュエータ４０の可動部材のＸ，Ｙ位置および速度を表すフィードバック信号は、従来の加速度計を含む位置／速度観察器９３を用いて発生する。この加速度計はＸおよびＹ加速度情報を制御器９１に与えることができるように、アクチュエータ４０に関して位置されている。その実施の形態において、ＸおよびＹに関する位置および速度は、全ての実用目的に対して、約１７０Ｈｚの周波数のローパスフィルタ、すなわち、積分器を用いて、位置／速度制御器９１より得ることができる。ローパスフィルタを用いることによって、純粋な積分器の代わりに、開ループ型積分器のドリフトや分散蓄積問題を除去することができる。このような位置制御器を実施するための例示的機能ブロックが図１０Ａに示されている。
【０１１２】
図１０Ａを参照して、位置／速度観察器９３のＸ（ｄ＿２＿Ｘ＿ｄｔ＿２）およびＹ（ｄ＿２＿Ｙ＿ｄｔ＿２）加速度計からの加速度信号は、１００Ｘおよび１００Ｙで指示される機能ブロックに入力として与えられる。デジタル制御器９１を用いる場合には、全てのアナログ加速度信号をデジタル値に変換する必要があり、このデジタル値を制御器９１に入力として与える必要がある。
【０１１３】
機能ブロック１００Ｘおよび１００Ｙは、それぞれ、加速度信号をＸおよびＹに関して可動部材の速度の推定（たとえば、Ｘ＿ｄｏｔ＿ｅｓｔおよびＥＹ＿ｄｏｔ＿ｅｓｔ）に変換する従来の数学的変換を含む。その後、ＸおよびＹ速度推定は、それぞれ、速度推定を位置／速度推定に変換する機能ブロック１０１Ｘおよび１０１Ｙに与えられる。この変換の数学的性質が図１０Ａに例示されている。ＸおよびＹ速度および位置推定は、それぞれ、ゲインブロック１０２Ｘおよび１０２Ｙと、推定信号を調整する計数ブロック１０３Ｘおよび１０３Ｙに与えられる。その後、推定された位置および速度信号は、機能ブロック１０４Ｘおよび１０４ＹにおいてＸおよびＹの位置および速度命令信号から差引かれ、ＸおよびＹの位置および速度誤差信号を生じる。機能ブロック１０５Ｘおよび１０５Ｙによって、ＸおよびＹ誤差信号は組み合わされてＦＸ信号およびＦＹ信号を生じる。これらのＦＸ信号およびＦＹ信号は、ローパスフィルタおよびゲイン乗算器の組み合わせ１０６Ｘ，１０６Ｙによって修正され、上述したシステムを制御するために用いられるＦＸ命令およびＦＹ命令を生じる。
【０１１４】
図１０Ａの例示的な位置／速度制御器は、位置／速度観察器９３からの加速度情報を連続的にサンプリングして、ＦＸおよびＦＹ命令が連続的に発生するようなシステムにおいて用いられてもよい。他の実施の形態として、制御器９１の作動が定期的でなく、サンプリングされた情報に基づいて動作するものが考えられる。そのようなサンプリング型制御器９１のための機能ブロックが図１０Ｂに表されている。一般に、図１０Ｂの制御器９１は、フィルタと変換の数学的性質が制御器のサンプリング的性質を表すように調整されることを除いて、図１０Ａと同様である。
【０１１５】
図１０Ａおよび図１０Ｂに示す例において、位置／速度観察器９３はＸおよびＹ加速度計を含み、アクチュエータ４０の可動部材の位置および速度推定は加速度計の出力から得られる。他の実施の形態として、従来の位置センサ（たとえば、近接センサ）をＸおよびＹ位置方向を検出するため用いることが考えられる。そのような他の実施の形態において、速度情報は、標準確定的観察器、積分誤差観察器、カルマンフィルタ観察器のような不完全次数の観察器を用いて得ることができる。一般に、アクチュエータ４０の可動部材についての位置および速度情報を与えることができる種類の全ての完全次数または不完全次数の位置／速度観察器９３を、位置／速度観察器９３を構成するために用いることができる。他の実施の形態として、ピックアップコイルを位置観察器とともに用いることができる。ピックアップコイルは速度を測定する。
【０１１６】
実施の一形態において、位置／速度観察器９３を削除し、アクチュエータ４０の可動部材についての位置および速度情報をアクチュエータ４０自体の電気的特性から得てもよい。いつでもまたは所定の時間に、少なくとも１つの位相コイルが非励磁状態とされるアクチュエータ４０の位相コイルが励磁されるような実施の形態において、非励磁のコイルを近接センサとして用いることができる。そのような実施の形態において、非励磁の位相コイルは高周波数の磁束パルスによって励起され、その結果、電流が検出される。電流の大きさは磁束の空隙の大きさに対して直接的な代数的関係を有する。その空隙の大きさが決定されると、ＸまたはＹ位置が完全に確定することになる。
【０１１７】
しかしながら、残念にも、位相コイルが、＋３０度〜＋１２０度の間（図７Ａ参照）の方向を有する力のベクトルを与えることが求められる場合には、Ｘ位置だけが非励磁コイルによって決定されることになる。そのような事例において、Ｘ位置は推定または実際の磁束および電流の情報によって決定されることになる。推定磁束と電流との関係もまた直接的かつ代数的である。４つの位相コイルを有するシステムにおいて、可動部材の位置は、非励磁コイルの電気的特性の解析を通して完全に決定することができる。
【０１１８】
図９に示す位置／速度制御システムに用いられる力−磁束変換は力生成メカニズムにおける非線型性を除去することができるので、位置／速度制御器９１によって発生し用いられる誤差信号は線形の動力学を有し、制御システムのその他の部分も線形方法を用いて設計される。全ての従来の多入力、多出力線形制御設計方法を、システムを同調するために用いることができるので、磁極の配置、ＬＱＧ，頑丈さ等のシステムの応答を設定することができる。可動部材の位置と速度を瞬間的に制御する能力は振動溶接への用途において非常に有益である。
【０１１９】
１つの実施の形態において、システムの閉ループの磁極が４つの制御ゲインによって配置され比例制御システムを形成するような制御システムを同調させる磁極の配置が用いられる。この磁極の配置が用いられる場合は、ＸおよびＹ命令間の有限の定常誤差および位相誤差が存在するが、可動部材の軌跡の形状は影響を受けない。
【０１２０】
従来の振動溶接システムは、システムの可動部材が円形または楕円形移動するように制御され、かつ、円または楕円形の平均半径が制御される平均基礎制御システムを用いる。非対称の溶接ツールが用いられ、また、可動部材の外乱が生じると、そのような平均制御システムは、充分な速さでシステムを安定化するために補償することができない。これと対照的に、本明細書に開示されている新規な制御システムは、瞬時に、可動部材のＸ位置、Ｙ位置、Ｘ速度およびＹ速度を制御することができる。さらに、ツールの非対称性と負荷の外乱によるＸおよびＹ運動の連結を、瞬間的制御を用いて除去することができる。
【０１２１】
位置／速度命令が固定基準フレーム（たとえば、Ｘ，Ｙ）に与えられる場合、定常誤差がゼロであることを確保するため、瞬間的制御ループのまわりには、より緩やかな平均半径制御ループが置かれる。このような外部制御ループは、過負荷状態でも可動部材が所望の軌跡を追従するのを確保する点で特に有益である。一般に、平均半径制御ループは、ＰＩ制御則制御器への入力として与えられる平均半径誤差を生じる。その後、ＸとＹ命令間の位相誤差はそのまま存在するけれども、ＰＩ制御則によって、いずれの定常誤差も除去される。平均半径は直流の変数なので、ＰＩ制御則制御器は定常的な負荷外乱を阻止することができる。その後、ＰＩ制御則制御器の出力は命令半径信号に加えられ、比例瞬間命令信号に対する全半径命令信号を増加させる。
【０１２２】
図９に示す具体的な実施の形態において、入力位置／速度命令は、ＸおよびＹの位置および速度に関して、アクチュエータ４０の可動部材の所望の位置および速度について与えられる。多くの振動溶接用途において、可動部材の所望の移動は任意のＸおよびＹ命令には対応せず、その代わりに、アクチュエータ４０の可動部材の楕円運動を生成しようとするＸおよびＹ命令に対応する。そのような用途に対して、所望の楕円軌跡を生じるために求められるＸおよびＹの位置および速度を発生する新規な位置／速度命令発生器によって、ＸおよびＹ位置／速度命令が発生されてもよい。そのような位置／速度命令発生器は、位置／速度制御器９１の入力に連結された出力を有するであろう。
【０１２３】
図１１Ａは、一般に、例示的位置／速度命令発生器１１０を実施するため用いられるであろう機能ブロックの１つの例示セットを示す。図面を参照して説明すると、位置／速度命令発生器１１０は、その入力において、アクチュエータ４０の可動部材のための所望の楕円軌跡を規定する命令信号を受信する。特に、位置／速度命令発生器１１０によって受信される命令信号は、（ｉ）Ｘ軸に沿う所望の楕円軌跡の長軸に対応する長軸命令（ｒ＿ｃｏｍｍａｎｄ）、（ｉｉ）Ｙ軸に沿う短軸に対するＸ軸に沿う長軸の比率を規定する長軸対短軸比命令または偏心命令（ｅｃｃ＿ｃｏｍｍａｎｄ）、（ｉｉｉ）Ｘ軸からの所望の軌跡の長軸の角変位角を規定する角度命令（ａｎｇｌｅ＿ｃｏｍｍａｎｄ）および（ｉｖ）可動部材が所望の楕円経路を横断する周波数を規定する動作周波数命令（ｆｃ）である。
【０１２４】
図１１Ａを参照して説明すると、上述した各種の入力命令が、図に示す適切なフィルタ１１１，１１２，１１３および１１４を用いてろ波される。外側半径制御ループが上述したように用いられる場合は、フィルタ半径命令（ｒ＿ｆｉｌｔｅｒｅｄ）は接合点１１５において半径誤差修正値を用いて修正することができる。その後、修正半径命令（ｒ＿ｅｒｒｏｒ＿ｔｏｔａｌ）は、制限ブロック１１６における特定の境界内に収まるように限定され、限定されたｒ命令が楕円変換ブロックに与えられる。その後、入力動作周波数命令は、機能ブロック１１８，１１９ａおよび１１９ｂを通して、楕円変換ブロック１１７に入力として与えられる時間変化角度値に変換される。他のフィルタ入力信号（ｅｃｃ＿ｆｉｌｔｅｒｅｄ，ａｎｇｌｅ＿ｆｉｌｔｅｒｅｄ）は、楕円変換ブロック１１７に直接与えられる。
【０１２５】
楕円変換ブロック１１７は、上記のように参照された信号を受信し、図１１Ａに記載されている数学的関係を用いて、ＸおよびＹ位置および速度命令（Ｘ＿ｃｍｄ，Ｘ＿ｄｏｔ＿ｃｍｄ，Ｙ＿ｃｍｄおよびＹ＿ｄｏｔ＿ｃｍｄ）を発生する。
【０１２６】
図１１Ａは、連続的な入力信号に応じて連続的に動作する位置／速度命令発生器１１０を実施するため用いられる機能ブロックを示す。図１１Ｂは、サンプリングに基づいて動作し、サンプルした入力信号に応答して適切な位置／速度命令を生じる同様な位置／速度命令発生器１１０'を示す。この開示の利益を享受できる当業者は理解するように、位置／速度命令発生器１１０は、発生器１１０’のフィルタ１１１，１１２，１１３，１１４がフィルタ１１１’，１１２’，１１３’，１１４’に変更しているという点を除いて、実質的に位置／速度命令発生器１１０’と同一である。
【０１２７】
この開示の利益を享受できる当業者は、上述したものと異なる位置／速度命令を図９に示す位置／速度制御システムに与えることができることは理解するであろう。一般に、全ての適切な位置／速度命令信号は、その極限において方形波として表される全ての周期的波形を表すためにフーリエ級数に拡張される。たとえば、入力ＸおよびＹの位置および速度命令は、以下の関係にしたがって時間の関数として発生することができる。Ｘ＿ｃｍｄ（ｔ）＝ｒ＊ｃｏｓ（ｏｍｅｇａ＊ｔ）、Ｘ＿ｄｏｔ＿ｃｍｄ（ｔ）＝−ｒ＊ｏｍｅｇａ＊ｓｉｎ（ｏｍｅｇａ＊ｔ）、Ｙ＿ｃｍｄ（ｔ）＝ｒ＊ｅｃｃ＊ｓｉｎ（ｏｍｅｇａ＊ｔ）、およびＹ＿ｄｏｔ＿ｃｍｄ（ｔ）＝ｒ＊ｅｃｃ＊ｏｍｅｇａ＊ｃｏｓ（ｏｍｅｇａ＊ｔ）．ここで、ｒは長軸、ｅｃｃは所望の偏心量、ｏｍｅｇａは所望の動作周波数に対応し、ｔは時間である。
【０１２８】
さらに、上述した所望の楕円形軌跡は、（（Ｘ／Ａ）＾ｎ＋（Ｙ／Ｂ）＾ｎ＝ｒで定義される「超楕円」とマッチするように形成されている。ここで、ｎは整数＞＝２である。そのような超楕円軌跡は、命令基準信号のフーリエ級数とともに、オメガの角速度で横切られる。その後、位置／速度制御システムは、駆動能力および帯幅の限界まで位置／速度波形を辿ろうとする。
【０１２９】
図１２Ａ〜１２Ｄは、図９を参照して上述した型の位置／速度制御器の動作を示す。各図は、アクチュエータ４０の可動部材のＸおよびＹ移動、ＦＸおよびＦＹ命令、磁束命令および３つの位相コイルＡ，ＢおよびＣに対する磁束値を示す。図１２Ａは、無負荷状態でのＸ軸に沿った線形運動のためのシステムの動作を示す。図１２Ｂは、全負荷状態での同じ型の移動に対するシステムの動作を示す。同様に、図１２Ｃおよび１２Ｄは、それぞれ、無負荷および全負荷状態での円形運動に対するシステムの動作を示す。
【０１３０】
図１２Ａ〜１２Ｄから明らかなように、この明細書で記載されているように構成されている磁束制御器によってアクチュエータ４０内に形成される磁束は不連続的であり、無負荷状態および全負荷状態のいずれにおいても磁束命令に緊密に追従する。
【０１３１】
上述した位置／速度制御システムは全て固定基準フレーム（たとえば、ＸおよびＹ）に基づいている。他の実施の形態としては、制御目的に用いられる基準フレームが回転座標に基づく場合が想定される。そのような回転基準のフレームの使用は、所定の性能目的に対して、求められるサンプリング率を減少させ、位相および所定の位相および振幅追跡の向上を可能にする。さらに、そのような回転基準フレームの使用は、ＰＩ制御則制御器の使用を通して、定常誤差を最小にするまたは定常誤差をゼロにすることを確保することができる。これは、そのような基準フレームにおいて、「回転」制御システムによって用いられる制御変数はＤＣ量だからである。
【０１３２】
本発明の実施の一形態によれば、回転位置／速度制御器は、可動部材の移動がＸおよびＹの位置および速度ではなく、回転ベクトルＱ，Ｄに関して規定されているＱＤ回転基準フレームに基づいて構成されている。ここで、回転ベクトルＱ，Ｄは、それぞれ、要素が定常状態のＰＣ量である対応ベクトルを有する。そのようなＱＤ位置／速度制御システムは、以下に説明する一般的な例外を除いて、ＸＹ制御システムとの関連で上述したと同様な方法で機能する。
【０１３３】
回転位置／速度制御器を用いる場合は、アクチュエータの可動部材の位置／速度を表す位置／速度制御器への位置／速度命令と位置／速度観察器９３からのフィードバック信号の両方が、ＱＤ基準に関して与えられる。位置／速度命令とフィードバック信号とがＸＹ位置および速度に関して供給され、その際、位置／速度命令と信号はＸＹ基準フレームからＱＤ基準フレームに変換されなければならない。これらの変換は適切にプログラムされたデジタルプロセッサによって達成できる。
【０１３４】
図１３は、本発明のある局面に従って構成されたＱＤ制御システム１３０の実施の一形態を一般的に示す。一般的に、ＱＤ制御システムは、その入力において、予め規定されたＱＤ基準フレームにおいてアクチュエータ４０の可動部材の所望の移動を規定する位置命令信号を受信するＱＤ制御器１３２を含む。具体的には、図示の実施の形態において、入力ＱＤ位置命令は、（ｉ）Ｑベクトルの所望の瞬間的な大きさおよび符号を規定するｑ＿ｃｍｄ、（ｉｉ）所望のＤベクトルの所望の瞬間的な大きさおよび符号を規定するｄ＿ｃｍｄ、（ｉｉｉ）Ｑベクトルの大きさの所望の変化割合を規定するｑ＿ｄｏｔ＿ｃｍｄ、（ｉｖ）Ｄベクトルの大きさの所望の変化割合を規定するｄ＿ｄｏｔ＿ｒｅｆ、および（ｖ）システムの所望の動作周波数を規定するｆｃである。一般に、ＱおよびＤは＞０または＜０の準静的変数である。
【０１３５】
図１３に示す制御器１３０は軌道溶接装置への使用に適したものであり、特に、アクチュエータ４０の可動部材の楕円移動を制御するのに適したものである。そのようなものにおいて、ＱＤ制御動作は、回転楕円ＱＤ基準フレーム内で行なわれる。適切な回転楕円ＱＤ基準フレームを規定するため、ＱＤ制御器１３０は２つの追加変数を必要とする。第１の変数（ｅｃｃ＿ｃｏｍｍａｎｄ）は、上述したｅｃｃ＿ｃｏｍｍａｎｄと同様に、Ｘ軸に沿う楕円長軸とＹ軸に沿う短軸との割合を規定する。第２の変数（ｄｅｌｔａ）は、回転楕円フレームの長軸が固定Ｘ軸からオフセットされている角度量を規定する。
【０１３６】
ＱＤ制御器１３２への他の入力は、アクチュエータ４０の可動部材の位置／速度についての情報を提供するフィードバック信号を含む。一般に、これらの信号は、上述した位置／速度観察器９３のようにＸおよびＹ加速度計を含む位置／速度観察器９３によって与えられる。位置／速度観察器９３からのＸおよびＹ位置／速度情報は、適切な回転楕円ＱＤ基準フレーム内の可動部材のＱＤパラメータに対応するｑ信号、ｄ信号、ｑ＿ｄｏｔ信号およびｄ＿ｄｏｔ信号に変換される。この変換は、ブロック１３１で表されるＸＹ−ＱＤ変換動作によって達成される。ブロック１３１からのＱＤ位置／速度情報は、他の入力セットとしてＱＤ制御器１３２に与えられる。その後、ＱＤ制御器は、可動部材のためのＱＤ情報と命令ＱＤ情報とを比較し、所望のＱおよびＤ力命令、ＦＱおよびＦＤを発生するために用いられるＱＤ誤差信号を生じる。その後、これらの力命令は、ブロック１３３で表されるＱＤ−ＸＹ変換動作によって、ＦＸおよびＦＹ基準フレームにおける対応する力命令に変換される。その後、ＦＸおよびＦＹ信号は、図５に示す力制御システムに関連して上述した方法においてアクチュエータ４０に付与される力を制御する力制御システム５０に与えられる。
【０１３７】
図１３のＱＤ制御器１３２およびブロック１３１，１３３は、プログラムドデジタルプロセッサを用いることによって実施できる。図１４Ａ〜図１４Ｄは、一般に、例示するＱＤ制御器１３２およびブロック１３１，１３３を実施するために用いることができる機能ブロックを示す。図示する制御器は連続的形態で動作するが、この開示の利益を享受する当業者は、ここに記載されている開示内容からサンプリング型ＱＤ制御器も構成できることを理解できるであろう。図１４Ａを参照して説明すると、ＱＤ制御器１３２およびブロック１３１，１３３の全体構成が示されている。図示の実施の形態において、励磁するＱＤ制御器は、ＸおよびＹ加速度計から成る位置／速度観察器９３からのＸおよびＹ加速度情報を受信する。ＸおよびＹ加速度情報は機能ブロック１００Ｘ，１００Ｙ，１０１Ｘ，１０１Ｙによって処理され、図１０Ａに関連して上述した方法で、Ｘ＿ｅｓｔ信号、Ｘ−ｄｏｔ＿ｅｓｔ信号、Ｙ＿ｅｓｔ信号およびＹ＿ｄｏｔ＿ｅｓｔ信号を生じる。その後、ＸＹ推定位置および速度情報は、機能ブロック１０１Ｘ，１０１ＹからのＸＹ情報を適切な回転楕円ＱＤ基準フレームに変換する機能ブロック１４０に、入力として与えられる。図１４Ｃは、機能ブロック１４０の動作のより詳細に説明するものである。
【０１３８】
他の実施の形態として、Ｘ，Ｙ，Ｘ＿ｄｏｔおよびＹ＿ｄｏｔが直接測定され、上述したように推定され、または、ＸおよびＹまたはＸ＿ｄｏｔおよびＹ＿ｄｏｔのいずれかから推定される実施の形態が考えられる。さらに、ａＸおよびａＹを直接ａＱおよびａＤに変換し、Ｑ、Ｄ＿ｄｏｔ、ＤおよびＤ＿ｄｏｔのための観察器が回転基準フレームで用いられることも考えられる。
【０１３９】
図１４Ｃを参照して、機能ブロック１４０は３つのサブ機能ブロック１４１，１４２，１４３を含む。これらの機能ブロックは位置／速度観察器９３からのＸＹ情報を所望の回転楕円基準フレームにおけるＱＤ情報に変換する。最初に、Ｘ＿ｅｓｔ信号、Ｘ＿ｄｏｔ＿ｅｓｔ信号、Ｙ＿ｅｓｔ信号およびＹ＿ｄｏｔ＿ｅｓｔ信号が、ＸＹ信号を標準固定基準フレームから上述したデルタ変数値に対応する量だけ回転したＸＹ基準フレーム内の対応する信号に変換する機能ブロック１４１に与えられる。このように、機能ブロック１４１の出力は、固定ＸＹ基準フレームから上述した入力変数デルタによって規定された角度量だけオフセットされたＸＹ基準フレームにおけるＸＹ位置および速度データを構成する。
【０１４０】
機能ブロック１４１からのデルタ調整ＸＹ情報は機能ブロック１４２に入力として与えられ、機能ブロック１４２はデルタ調整ＸＹ信号を受信するとともに、これらの信号を、所望の楕円基準フレームの偏心量を収容するように調整されたＸＹ基準フレームにおけるＸＹ信号に変換する。一般に、機能ブロック１４２は、楕円の長Ｘ軸と長Ｙ軸との間の差異に対して、デルタ調整ＸＹ信号を調整する。図１４Ｃに表されるように、機能ブロック１４２への１つの入力はｅｃｃ＿ｃｏｍｍａｎｄである。
【０１４１】
機能ブロック１４２からのｄｅｌｔａ−ｅｃｃ調整修正ＸＹ信号（Ｘ＿ｃ、Ｘ＿ｄｏｔ＿ｃ、Ｙ＿ｃ，Ｙ＿ｄｏｔ＿ｃ）は入力として機能ブロック１４３に与えられる。一般に、機能ブロック１４３は、その入力（固定ＸＹ基準フレームに関する）を回転円形基準フレームに関するＱＤ信号に変換する。ＸＹ−回転ＱＤ機能ブロック１４３への入力はｄｅｌｔａ−ｅｃｃ調整ＸＹ信号であるが、機能ブロック１４３からのｑ＿ｅｓｔ信号、ｄ＿ｅｓｔ信号、ｑ＿ｄｏ＿ｅｓｔ信号およびｄ＿ｄｏｔ＿ｅｓｔ信号は、回転楕円ＱＤ基準フレームにおける信号と等価となる。図１４Ｃに表されるように、ｆｃ命令は、「シータ（ｔｈｅｔａ）」変数として、機能ブロック１４３内で用いることができる。「シータ」変数は、２＊ｐｉ＊ｆｃ＊ｔで定義される。ここで、ｔは時間である。
【０１４２】
図１４Ｃで変換が行なわれる特定の順序は図示する制御器のある実施においては特に重要であると考えられる。これは、入力されたＸＹ命令を、適切な回転、楕円基準フレームに対応するＱＤ命令に正確に変換するための適切な調整がなされることを確保できるからである。
【０１４３】
図１４Ａを参照して説明すると、機能ブロック１４３からのｑ＿ｅｓｔ、ｄ＿ｅｓｔ、ｑ＿ｄｏｔ＿ｅｓｔおよびｄ＿ｄｏｔ＿ｅｓｔ信号は、全体的に１４４で示される一群の機能ブロックに与えられる。機能ブロック１４４は、アクチュエータ４０の可動部材の位置／速度を表す推定ＱＤ信号を命令ＱＤ信号と比較して、ＱＤ誤差信号を生じる。機能ブロック１４４は、また、多重入力／多重出力ＰＩ制御則のような適切な制御則によって実施できる。機能ブロック１４４からのＱＤ誤差信号は、行列加算ブロック１４５によって適切に加算され、力命令信号ＦＱおよびＦＤを生じる。加算行列１４５のための例示的変数が図１４Ｂに示されている。
【０１４４】
図１４Ａに示す実施の形態において、力命令信号ＦＱおよびＦＤは、ローパスフィルタ１４６ａ，１４６ｂによってろ波される。その後、ろ波されたＦＱおよびＦＤ信号は、機能ブロック１４７によって、対応するＦＸおよびＦＹ命令に変換される。機能ブロック１４７を実施するために用いられるサブ機能ブロックの一般的な例示が図１４Ｄに提供される。
【０１４５】
図１４Ｄを参照して、ろ波されたＦＱおよびＦＤ信号は、まず、対応するＸＹ力命令信号ＦＸ＿ｃｉｒｃとＦＹ＿ｃｉｒｃに変換される。図示の実施の形態において、機能ブロック１４８によって実施される変換は、制御器によって用いられるＱＤ基準フレームの楕円性質または、固定ＸＹ基準フレームからのＱＤ基準フレームのデルタオフセットを考慮しない簡単な円形ＱＤ−ＸＹ変換である。
【０１４６】
機能ブロック１４８からのＦＸ＿ｃｉｒｃおよびＦＹ＿ｃｉｒｃ命令は、その後、機能ブロック１４９に、入力として与えられる。機能ブロック１４９もまた、入力として、ｅｃｃ＿ｃｏｍｍａｎｄを受信する。一般に、機能ブロック１４９は、ＦＸ＿ｃｉｒｃ命令およびＦＹ＿ｃｉｒｃ命令を、図示のＱＤ制御器によって用いられる回転楕円基準フレームの楕円性質を考慮するように調整されるＦＸおよびＦＹ命令（ＦＸ＿ｅｌｉｐおよびＦＹ＿ｅｌｉｐ）に変換する。しかしながら、機能ブロック１４９からのＦＸおよびＦＹ命令は、固定ＸＹ基準フレームからのＱＤ制御器によって用いられる回転楕円基準フレームのデルタオフセットを表すように調整されていない。このような調整は、機能ブロック１４９からの信号とデルタ変数に対応する信号を受信し、これらの入力に応じてＦＸおよびＦＹ命令信号を発生する機能ブロック１５０によって達成される。図１４Ｃに表されている変換とともに、上述した特定の順序で図１４Ｄに示す変換を行なうことによって、信号の適切な変換を確保できる。
【０１４７】
図１４Ａに戻って、機能ブロック１５０からのこれらのＦＸおよびＦＹ信号は、その後、ゲイン増幅器によって増幅され、力制御器に与えられ、上述したように、アクチュエータ４０の可動部材に与えられる力を制御する。
【０１４８】
（ｉ）ＸＹフィードバック信号を回転楕円ＱＤ基準フレームに変換し、（ｉｉ）ＱＤ力命令を生じるために、回転楕円ＱＤ基準フレームにおいて制御則機能を実行し、（ｉｉｉ）回転ＱＤ基準フレーム内の力命令をＸＹ力命令に変換するための上述した各種の変換動作は複雑であるが、それらは幾つかの利点を提供する。具体的には、上述した変換によって、システムの制御則を実施するため、機能ブロック１４４において実際に用いられる制御変数がＤＣ量となる。そのため、多重入力，多重出力ＰＩまたは他のゼロ定常誤差制御則を用いることができる。このような制御則の使用は、従来の制御アプローチから利用できるよりよいシステム性能をもたらす。このことは、上述した変換の使用が新規である軌道溶接機分野において特にいえる。特に、上述した変換と制御則の使用によって外部半径制御ループを不要とすることができる。これは、そのようなループによって実施される制御機能は、機能ブロック１４４，１４５，１４６によって実施される制御則によって処理されるからである。
【０１４９】
本発明を、上述した図示の実施の形態を参照して説明してきたが、当業者は、本発明から逸脱することなく、多くの変形例がなされることは理解できるであろう。たとえば、新規なアクチュエータ４０は、主として磁束制御システムに用いられるシステムについて記載されている。しかしながら、そのようなアクチュエータ４０は、たとえばアクチュエータ４０がＥ−コアに正弦波磁束を生じる従来のインバータを含む多くの異なった装置によって励磁されることは理解できよう。そのような新規なアクチュエータ４０の用途は潜在的に洗練されたものではなく、アクチュエータが本明細書で記載された新規な磁束制御器によって励磁されるような用途と同じ性能を有するとしても、それは、Ｅ−コアとこれらのコアに関連する位相コイルとが非連結となる性質によって得られる多くの利点を提供する。上述した複数の種類の変形例に鑑み、上述した説明は例としてなされたものであり、発明を制限する目的でされたものではないことが理解できよう。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の一局面をなす新規な磁束制御システムである。
【図２】  図２Ａおよび図２Ｂは図１に説明する磁束制御システムの例示的な実施の一形態を詳細に示し、図２Ｃは誤差ゼロ復帰制御回路の例示的な実施の形態である。
【図３】  図３Ａは図１の制御システムに用いる開ループ磁束観察器の例示的な実施の形態を一般的に示し、図３Ｂは、電磁システムにおいて磁束に対応する信号を生成するローパスフィルタを利用する回路を一般的に示す。
【図４】  図１の新規な磁束制御システムとともに用いられる電磁アクチュエータを一般的に示す。
【図５】  本発明のある教示によって構成される、所望の力を磁束に変換する力制御システムの一例を一般的に示す。
【図６】  図６Ａ〜図６Ｄは、疑似コードブロックを用いて、プログラムマイクロコントローラまたはマイクロプロセッサを用いて実行される力から磁束への変換の例示的な形態を一般的に示す。
【図７】  図７ＡはＸおよびＹに関する所望の力係数のための力を生じさせるために励磁される図４のアクチュエータの各種位相のコイルの代表例を示し、図７Ｂは実行されると、図７Ａで表される磁束から力への変換を実行する適切な磁束命令を発生する一群の機能ブロックを一般的に示す。
【図８】  図８Ａ〜図８Ｃは、可動部材の直線運動を生じるために用いられる力−磁束制御器の機能ブロックを一般的に示す。
【図９】  本発明のある開示によって構築される例示的な位置制御システムのハイレベルブロック線図である。これは、振動溶接装置を構成するために用いることができる。
【図１０】  図１０Ａは図９の装置に用いる位置制御器を実施するために用いられる機能ブロックを一般的に示し、図１０Ｂはサンプリングに基づいて作動する制御器を反映するために調整される図１０Ａの機能ブロックと同様な機能ブロックを示す。
【図１１】  図１１Ａは本発明のある教示によって位置命令発生器を実施するために用いられる機能ブロックの例示的なセットを一般に示し、図１１Ｂはサンプルした入力信号に応答して位置命令信号を生じさせるために、サンプリングに基づいて作動する図１０Ａの位置命令発生器に類似する位置命令発生器を示す。
【図１２】  図１２Ａ〜図１２Ｄは、各種動作モードのための図９で説明する種類の位置制御器の動作を一般的に示す。
【図１３】  本発明のある教示によって構成されたＱＤ制御システムの一形態を一般的に示す。
【図１４】  図１４Ａ〜図１４Ｄは、図１３に示す例示的なＱＤ制御器を実施するために用いる機能ブロックを一般的に示す。
【図１】
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【図２】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４】
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【図７Ａ】
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【図５】
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【図６】
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【図６Ｂ２】
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【図６Ｂ３】
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【図６Ｂ４】
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【図７Ｂ】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１４Ｂ】
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