(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電磁石の吸引力とバネの復元力とを利用して被振動体を振動させる粉粒体の振動搬送装置において、
前記被振動体を加振する電磁石のコイルに通電する電流制御ＰＷＭインバータの電流及び電圧を検出する電流センサ及び電圧センサと、
前記電流センサで得られる電流信号と前記電圧センサで得られる電圧信号とを、それぞれキャリア周波数のバンドパスフィルタを通じその絶対値演算を行い、その演算により得られた電流信号を電圧信号で除算して、これを被振動体の変位の情報量とするセンサレス変位演算手段と、
前記変位の情報量から特定の周波数帯域を選択して振動の振幅ｘAdを得るバンドパスフィルタと、
前記振動の振幅ｘAdを所定の基準値と比較して方形波電圧を得る比較器と、
この比較器の出力を積分して三角波を得る積分回路と、
この積分回路で生成された三角波を一定振幅の正弦波に整形し、振動速度の位相を求める関数発生器と、
前記検出振幅ｘAdを微分して、振動速度を求め、その絶対値を演算する搬送速度演算回路と、
この求められた振動速度を搬送量指令に負帰還し、その誤差をＰＩＤ演算するＰＩＤ制御器と、
ＰＩＤ制御器の出力の平方根演算を行う平方根演算器と、
この平方根演算値と、前記振動速度の位相との積を求める乗算器とを備え、
この乗算器の出力を電流指令として、電流制御ＰＷＭインバータに与え、電磁石に通電し吸引力を発生させることを特徴とする、センサレス共振型電磁振動装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電磁石の吸引力とバネの復元力による振動を利用した、粉粒体を搬送するセンサレス自励共振型電磁振動装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
電磁フィーダを駆動する共振型電磁振動機用制御装置として、特開平５−２２４７５６号公報に開示されたものがある。これは、電磁石電流の基本波と第３高調波の位相が共に９０°となる周波数を検出追従する方式で、共振型の電磁振動制御を行うものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この方式は、基本波、第３高調波について位相検出を行うため、コストが高いという問題があった。
本発明が解決しようとする課題は、電磁石の吸引力とバネの復元力による振動を利用した粉粒体の振動搬送装置において、電磁石自身を距離センサとする自励共振型の振動制御を行い、急速加振、急速停止、搬送量制御などを可能にするローコストで高性能の装置を提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するため、本発明のセンサレス自励共振型電磁振動装置は、電磁石の吸引力とバネの復元力とを利用して被振動体を振動させる粉粒体の振動搬送装置において、前記被振動体を加振する電磁石のコイルに通電する電流制御ＰＷＭインバータの電流及び電圧を検出する電流センサ及び電圧センサと、前記電流センサで得られる電流信号と前記電圧センサで得られる電圧信号とを、それぞれキャリア周波数のバンドパスフィルタを通じその絶対値演算を行い、その演算により得られた電流信号を電圧信号で除算して、これを被振動体の変位の情報量とするセンサレス変位演算手段と、前記変位の情報量から特定の周波数帯域を選択して振動の振幅ｘAdを得るバンドパスフィルタと、前記振動の振幅ｘAdを所定の基準値と比較して方形波電圧を得る比較器と、この比較器の出力を積分して三角波を得る積分回路と、この積分回路で生成された三角波を一定振幅の正弦波に整形し、振動速度の位相を求める関数発生器と、前記検出振幅ｘAdを微分して、振動速度を求め、その絶対値を演算する搬送速度演算回路と、この求められた振動速度を搬送量指令に負帰還し、その誤差をＰＩＤ演算するＰＩＤ制御器と、ＰＩＤ制御器の出力の平方根演算を行う平方根演算器と、この平方根演算値と、前記振動速度の位相との積を求める乗算器とを備え、この乗算器の出力を電流指令として、電流制御ＰＷＭインバータに与え、電磁石に通電し吸引力を発生させることを特徴とする。
【０００５】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態について説明する。
図２は被振動体のセンサレス変位検出の手段を示すものであり、電流制御ＰＷＭインバータ２１によって、電磁石コイル２２に通電する電流Ｉは、１０ＫＨｚのキャリヤ周波数によるトランジスタＴＲ１，ＴＲ２のスイッチングリップル電流を含んでいる。このリップル電流と、電磁石コイルリップル電圧ＥL、電磁石コア間の距離ｘの間は、自己インダクタンスＬによって関係づけられる。
【０００６】
すなわち、概略の関係式は、次の二つの式である。
｜ＥL｜＝２πｆHL×｜Ｉ｜
ｆH：ＰＷＭキャリア周波数（約１０ｋＨｚ）
Ｌ≒（μ0ＡＮ2／２ｘ）［Ｈ］・・・・（自己インダクタンス）
ここで、μ0は４π×10-7［Ｈ／ｍ］、Ａは磁極面積［ｍ2］、Ｎはコイル巻回数である。
【０００７】
以上の関係式からｘを求める。技術的には、バンドパスフィルタでリップル分を抽出する。
ｘ＝（μ0ＡＮ2／πｆH）×（｜Ｉ｜／｜ＥL｜）
∴ｘ∝｜Ｉ(BPF)｜／｜ＥL(BPF)｜
【０００８】
この実行手段として、電流検出値Ｉdを微分演算し、絶対値演算（全波整流）し、キャリヤリップルを消去するために、ＬＰＦ１９または機械共振周波数近辺のＢＰＦ８を通して、センサレスに距離ｘに対応するｘdと振幅に対応するｘAdを演算検出する。
ここで、ＩSは電流指令（機械振動用）、Ｉ0は演算用電流指令（５％程度の一定値）である。
【０００９】
機械系の固有振動制御の手段は次の通りである。電磁石の吸引力Ｆ［Ｎ］、被振動体の質量Ｍ［Ｋｇ］、バネ定数Ｋ［Ｎ／ｍ］、振動のダンピング係数Ｄ［Ｎ／ｍ／ｓ］、変位ｘ［ｍ］とすると、一般式として次式で表される。
Ｆ＝Ｍ・ｄ2ｘ／ｄｔ2＋Ｄ・ｄｘ／ｄｔ＋Ｋｘ・・・（１）
【００１０】
これを変形して、次式を得る。
Ｆ−Ｄ・ｄｘ／ｄｔ＝Ｍ・ｄ2ｘ／ｄｔ2＋Ｋｘ・・・（２）
この右辺は、持続する定振幅の固有振動である。したがって、左辺はＦ−Ｄ・ｄｘ／ｄｔ＝０となるようにＦを制御すればよい。すなわち、電磁石の吸引力Ｆを、速度ベクトルの位相で、振動減衰力を消去する量だけ制御すれば、機械系の固有振動に共振した定振幅制御が実現できる。
【００１１】
次に、電磁石吸引力の線形化の手段について説明する。
電磁石の吸引力Ｆは、次式で示すように非線形である。
Ｆ［Ｎ］＝（μ0ＡＮ2／８）（Ｉ／ｘ）2
【００１２】
基本的に、制御系の安定化のためには、力を線形化することが必要である。したがって、線形化のため√Ｉの値を電磁石の電流にすれば次式のように、電流に対して力が線形化できる。
Ｆ［Ｎ］＝（μ0ＡＮ2／８）（Ｉ／ｘ2）
【００１３】
これらを実現するための演算方式について説明する。
上記の電磁石吸引力Ｆを固有振動ベクトル化し、線形化するために、ＰＩＤ１６の出力に図３の演算を行う。
【００１４】
本発明により改良した制御系を図４に示す。前記の演算方式によって、制御系は図４に示す伝達関数ブロック図のように表現され、安定な振動制御が可能になる。この開ループ伝達関数Ｇ0は、次式で表され、
Ｇ0＝{PKv(1+IS)(1+dS)／IS(1+TS)(1+tS)(MS+D)}×(I0／x0)L0
ダンピング係数Ｄ＝０でも、微分時定数ｄを選ぶことで安定に制御できる。
但し、Ｐ：比例ゲイン、Ｉ：積分時定数、ｄ：微分時定数、ｔ：ノイズカット時定数、Ｋv：振動速度検出係数、Ｌ0：基準インダクタンス、ｘ0：基準ギャップ距離、Ｔ：速度検出フィルター時定数である。
【００１５】
【実施例】
図１に本発明の実施例の概要を示す。図中１は電磁石、２は被振動体、３はバネ、４は電流変成器（ＣＴ）、５はセンサレス変位演算器、６は微分回路、７は絶対値演算回路、８はバンドパスフィルタ、９は搬送速度演算器、１０は微分回路、１１は絶対値演算回路、１２は速度位相演算器、１３は比較器、１４は積分回路、１５は正弦波整形回路、１６はＰＩＤ演算器、１７は平方根演算回路、１８は乗算器、１９は除算器、２０は乗算器、２１はＰＷＭインバータ、２２は電磁石コイル、２３は搬送量指令回路である。
【００１６】
本実施例では、電流制御インバータ２１から与えられる電流をＣＴ４で検出したＩdと、インバータ２１の出力電圧ＥLとを、インバータのキャリア周波数（約１０ｋＨｚ）のＢＰＦ６とＢＰＦ６’を通してキャリア周波数帯域のみを抽出し、次いで絶対値演算回路７と７’を通して絶対値を得、除算器１９で前者を後者で除算して被振動体の変位ｘを得る。さらにＢＰＦ８を通して振幅ｘAdを演算検出する（センサレス検出）。ついで振幅検出ｘAdを比較器１３で基準値と比較し、積分回路１４で積分し、正弦波整形回路１５で正弦波形にして速度位相を演算する。一方、微分回路１０でｘAdを微分し、絶対値演算回路１１で絶対値を求めて搬送速度を演算し、これを搬送量指令に負帰還してＰＩＤ演算器１６でＰＩＤ演算制御出力を得る。なお、この平方根演算を平方根演算回路１７で行う。この値と前記速度位相との乗算値を求め、これを電流制御ＰＷＭインバータ２１に与え、電磁石１に通電する。
【００１７】
これにより、電磁石１の吸引力とバネ３の復元力による振動を利用した粉粒体の振動搬送装置において、電磁石自身を距離センサとする自励共振型の振動制御を行い、急速加振、急速停止、搬送量制御などを可能にするローコストで高性能の装置が実現できる。
【００１８】
次に、図１の実施例の詳細を図面にしたがって説明する。
図５は図１の搬送量指令回路２３の詳細を示すもので、図中３１は電圧設定器、３２は分圧回路、３３は高速・低速切替スイッチ、３４は増幅器である。
【００１９】
図６は図１のＰＩＤ演算回路１６の詳細を示すもので、図中３５はゲイン調整器、３６は微分・積分回路、３７は起動・停止スイッチである。
【００２０】
図７（ａ）は図１の平方根演算回路１７の詳細を示すもので、図７（ｂ）は入力電圧と出力電圧の関係を示す特性図である。
【００２１】
図８は図１の速度位相演算回路１２及び搬送速度演算回路９の詳細を示すものである。図中３８はノイズ除去のためのローパスフィルタである。
【００２２】
図９は図１のセンサレス変位演算回路５の詳細を示すもので、図中３９は増幅とリップル除去用の増幅器である。
【００２３】
次に、実験結果のオシログラフによる波形図を示す。
図１０はセンサレス演算検出波形と従来の加速度センサ波形を比較したもので、センサレス演算による本発明の方が、ノイズの少ない良い特性が得られていることが分かる。
【００２４】
図１１は無負荷運転時のギャップｘdと電流Ｉを示している。ｘdとＩの位相差が９０°であり、振動速度位相に固定された電流であることを示している。
【００２５】
図１２は無負荷運転時の応答（低速０．２ｍｍ、高速２ｍｍ）を示すものであり、速度指令を急変した場合、応答速度、制御の安定性が良好であることが分かる。
【００２６】
なお、前述のアナログ方式をディジタル化すると、ＰＩＤ、平方根演算、乗算器、正弦波整形、ＬＰＦ、ＢＰＦなどがローコストに行える。但し、センサレス変位演算はアナログ方式とする。
【００２７】
【発明の効果】
上述したように、本発明によれば、電磁石の吸引力とバネの復元力による振動を利用した粉粒体の振動搬送装置において、電磁石自身を距離センサとする自励共振型の振動制御を行い、急速加振、急速停止、搬送量制御などを可能にするローコストで高性能の装置が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施例の概要を示すブロック図である。
【図２】  本発明の電流制御ＰＷＭインバータの概要を示すブロック図である。
【図３】  本発明における固有振動ベクトル化、線形化演算のブロック図である。
【図４】  本発明の制御系の伝達関数ブロック図である。
【図５】  本発明の搬送量指令回路の詳細を示す回路図である。
【図６】  本発明のＰＩＤ演算回路の詳細を示す回路図である。
【図７】  本発明の平方根演算回路の詳細を示すもので、（ａ）は回路図、（ｂ）は入出力電圧の関係を示す特性図である。
【図８】  本発明の速度位相演算回路及び搬送速度演算回路の詳細を示す回路図である。
【図９】  本発明のセンサレス変位演算回路の詳細を示す回路図である。
【図１０】  センサレス演算検出波形と従来の加速度センサ波形図である。
【図１１】  無負荷運転時のギャップと電流の関係を示す特性図である。
【図１２】  無負荷運転時の応答を示す特性図である。
【符号の説明】
１  電磁石、２  被振動体、３  バネ、４  電流変成器（ＣＴ）、５  センサレス変位演算器、６、６’  バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）、７、７’  絶対値演算回路、８  バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）、９  搬送速度演算器、１０  微分回路、１１  絶対値演算回路、１２  速度位相演算器、１３  比較器、１４  積分回路、１５  正弦波整形回路、１６  ＰＩＤ演算器、１７  平方根演算回路、１８  乗算器、１９  除算器、２０  乗算器、２１  ＰＷＭインバータ、２２  電磁石コイル、２３  搬送量指令回路、３１  電圧設定器、３２  分圧回路、３３  高速・低速切替スイッチ、３４  増幅器、３５  ゲイン調整器、３６  微分・積分回路、３７  起動・停止スイッチ、３８  ローパスフィルタ（ＬＰＦ）、３９  増幅器
【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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【図７】
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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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