線性電動機的控制裝置及線性電動機裝置的製作方法
2023-10-28 20:26:37 1
專利名稱：線性電動機的控制裝置及線性電動機裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及線性電動機的控制裝置及線性電動機裝置。
本申請基於2010年9月30日申請於日本的特願2010-220726號主張優先權，並將其內容在此引用。
背景技術：
在線性電動機的定位控制中，使用線性標度提高定位的精度。但是，在線性電動機的動子具有長條的活動區域的情況下，必須延長線性標度。還需要使用歪曲少的線性標度。因此，線性電動機的製造成本變高。
為此，通過只在需要定位控制的活動區域設置線性標度來進行製造成本的降低(專利文獻I)。
另外，使用安裝於動子的MR傳感器檢測線性電動機的驅動用磁鐵的磁力，且利用檢測出的磁力的強度算出動子的位置，由此進行定位控制。
專利文獻1:日本特開2004-023936號公報
在專利文獻I所記載的技術中，在全部的活動區域中需要定位控制的情況下，在全部的活動區域設置線性標度。因此，存在不能實現成本降低的問題。
在使用MR傳感器檢測驅動用磁鐵的磁力並計算動子的位置的情況下，產生MR傳感器的安裝誤差或驅動用磁鐵的安裝誤差等。因此，有時在算出的位置中含有誤差，存在基於由算出的位置而算出的速度的控制精度降低，且定位控制的精度差的問題。發明內容
本發明的目的在於，提供一種不使用線性標度而能夠改善線性電動機的定位精度的線性電動機的控制裝置及線性電動機裝置。
本發明提供一種線性電動機的控制裝置，所述線性電動機具備具有N極和S極交替排列成一列的多個驅動用磁鐵的磁鐵部和具有多個線圈的電樞，所述電樞或所述磁鐵部的任一方為動子，利用在所述電樞具有的多個線圈中流過電流而產生的磁場和由所述磁鐵部具有的多個驅動用磁鐵產生的磁場，所述動子沿著所述驅動用磁鐵排列的排列方向移動，所述線性電動機的控制裝置的特徵在於，具備:位置檢測部，其基於從磁傳感器輸出的信號的變化來檢測所述動子的位置，所述磁傳感器是所述電樞具有的磁傳感器，並輸出與由所述驅動用磁鐵產生的磁場方向相應的信號；位置控制部，其基於所述位置檢測部檢測出的所述動子的位置和由外部輸入的位置指令值而算出速度指令值；推定部，其根據流過所述線性電動機的多個線圈的電流值而推定所述動子移動的速度；速度控制部，其基於所述位置控制部算出的速度指令值和所述推定部推定的所述動子移動的速度而算出電流指令值；電力變換器，其根據所述速度控制部算出的電流指令值而向所述多個線圈供給電力。
根據本發明，不使用線性標度就能夠改善線性電動機的定位精度。
圖1是表示第一實施方式的線性電動機裝置I的概略圖2是表不第一實施方式的MR傳感器27的原理的立體圖3是第一實施方式的線性電動機20的立體圖4是第一實施方式的線性電動機20的主視圖。
圖5是表不沿著第一實施方式的動子25的移動方向的剖面圖的圖6是表示第一實施方式的MR傳感器27及線圈28u、28v、28w與驅動用磁鐵24的相對位置的不意圖7是表示第一實施方式的線性電動機20的控制裝置10的結構的概略方框圖8是表示第二實施方式的線性電動機20的控制裝置11的結構的概略方框圖。
具體實施方式
下面，參照附圖對本發明線性電動機的控制裝置的實施方式進行說明。
(第一實施方式)
圖1是表示第一實施方式的線性電動機裝置I的概略圖。線性電動機裝置I具備控制裝置10和線性電動機20。控制裝置10是進行驅動線性電動機20的控制的裝置。線性電動機20具備:長條的定子21、在定子21上移動的動子25、組裝定子21及動子25的一對導向裝置22、22。
導向裝置22由隔著 滾珠組裝的軌道滑軌23及滑塊26構成。導向裝置22的軌道滑軌23固定於定子21所具有的基座54上。導向裝置22的滑塊26固定於動子25上。由此，動子25在定子21上沿著軌道滑軌23被自如導向。
定子21具備排列於一對軌道滑軌23、23之間的多個驅動用磁鐵24。多個驅動用磁鐵24以N極及S極的磁極在動子25移動的方向(下面稱為移動方向)上交替的方式排列。各驅動用磁鐵24在移動方向上具有相同的長度，無論動子25的位置如何，都得到恆定的推力。
動子25具備:具有多個線圈的電樞60、安裝移動對象的工作檯53、MR(Magnetoresitive Elements ;磁阻兀件)傳感器 27。
MR傳感器27是磁傳感器的一種。MR傳感器27將與排列於定子21的驅動用磁鐵24產生的磁場的磁通線方向相應的信號輸出至控制裝置10。
圖2是表不第一實施方式的MR傳感器27的原理的立體圖。
MR傳感器27具有矽(Si)或玻璃基板271和在其上形成的由以鎳(Ni)、鐵(Fe)等強磁性金屬為主成分的合金強磁性薄膜金屬形成的磁阻元件272。磁阻元件272根據通過磁阻元件272的磁通方向與電流流動的方向(Y軸方向)構成的角度，變化電阻值。
MR傳感器27具有組合多個磁阻元件272而構成的兩個全橋電路。該兩個全橋電路以輸出具有90°相位差的兩個信號(餘弦波信號、正弦波信號)的方式配置。
在特定的磁場方向上改變電阻值的元件稱為AMR (AnisotropicMagneto-Resistance ;各向異性磁阻元件)傳感器(參考文獻:「垂直型MR傳感器技術資料」，[online]，2005年10月I日，浜松光電株式會社，「2010年8月30日檢索」，網際網路〈URL ；http://www.hkd.c0.jp/technique/img/amr-notel.pdf 。
如圖1所示，控制裝置10基於MR傳感器27輸出的信號，計算定子21上的動子25的位置及移動的速度。控制裝置10根據算出的動子25的位置及速度和由上位控制裝置輸入的位置指令值，在電樞60所具有的多個線圈中流過電流。
由此，通過在多個線圈中產生的磁場和由配置於定子21的驅動用磁鐵24產生的磁場的作用，沿著軌道滑軌23驅動動子25。
使用圖3、圖4對第一實施方式的線性電動機20的結構進行說明。
圖3是第一實施方式的線性電動機20的立體圖(包含工作檯53的截面)。圖4是第一實施方式的線性電動機20的主視圖。
線性電動機20的定子21具備將N極或S極著磁的面朝向動子25排列的多個板狀的驅動用磁鐵24。線性電動機20是動子25相對於定子21相對進行直線運動的平面型的線性電動機。動子25的電樞60隔著間隙g與驅動用磁鐵24對置。
定子21具有細長延伸的基座54。在基座54上，多個驅動用磁鐵24沿移動方向排列成一列。基座54由底壁部54a、設於底壁部54a寬度方向的兩側的一對側壁部54b構成。在底壁部54a上安裝多個驅動用磁鐵24。
在各驅動用磁鐵24上，在與移動方向正交的方向(圖4中上下方向)的兩端面形成N極及S極。多個驅動用磁鐵24分別以下述狀態排列，即，對於相鄰的一對驅動用磁鐵24使磁極顛倒。
由此，當動子25相對於在動子25上安裝的MR傳感器27移動時，驅動用磁鐵24的N極和S極的磁極交替對置。
在基座54的側壁部54b上表面安裝導向裝置22的軌道滑軌23。在軌道滑軌23上可滑動地組裝滑塊26。在軌道滑軌23和滑塊26之間夾設多個滾珠且使多個滾珠可滾動運動(未圖示)。
在滑塊26上設置用於使多個滾珠循環的磁軌狀的滾珠循環路徑。
當滑塊26相對於軌道滑軌23滑動時，多個滾珠在它們之間滾動運動。並且，多個滾珠在滾珠循環路徑中進行循環。由此，滑塊26可以進行順暢的直線運動。
在導向裝置22的滑塊26上表面安裝動子25的工作檯53。工作檯53由鋁等非磁性材料構成。在工作檯53上安裝移動對象。電樞60懸掛於工作檯53的下表面。
如圖4的主視圖所示，在驅動用磁鐵24和電樞60之間設置間隙g。當電樞60相對於驅動用磁鐵24進行相對移動時，導向裝置22也將該間隙g維持為恆定。
圖5是表不沿著第一實施方式的動子25的移動方向的剖面圖的圖。
電樞60隔著隔熱材料63安裝於工作檯53的下表面。電樞60利用由娃鋼等磁性材料構成的磁芯64和多個線圈構成。多個線圈具有卷繞於磁芯64的突極64u、64v、64w的線圈 28u、28v、28w。
從控制裝置10向線圈28u、28v、28w分別供給具有相位差的三相交流。
將3個線圈28u、28v、28w卷繞於突極64u、64v、64w。然後，將3個線圈28u、28v、28w進行樹脂密封。
在工作檯53的下表面，夾持著電樞60而安裝有一對輔助磁芯67。輔助磁芯67是為了降低在線性電動機20中產生的齒槽效應而設置的。
圖6是表示第一實施方式的MR傳感器27及線圈28u、28v、28w與驅動用磁鐵24的相對位置的示意圖。
在定子21上，在基座54的底壁部54a等間隔地排列一列驅動用磁鐵24。將使N極朝向MR傳感器27配置的驅動用磁鐵24N和使S極朝向MR傳感器27配置的驅動用磁鐵24S交替排列。
在動子25中，線圈28u、28v、28w在下述直線上通過而排列，所述直線通過配置於定子21的驅動用磁鐵24的中心且與移動方向平行。MR傳感器27與線圈28u、28v、28w同樣地安裝。MR傳感器27被安裝於通過下述直線上的位置處，所述直線通過各驅動用磁鐵24的中心且與移動方向平行。由此，能夠使MR傳感器27通過驅動用磁鐵24產生的磁場最強的位置。
圖7是表示第一實施方式的線性電動機20的控制裝置10的結構的概略方框圖。
控制裝置10具備減法器101、位置控制部102、減法器103、速度控制部104、電流控制部105、電力變換器106、變流器107、位置檢測部108、推定部150。
減法器101通過由未圖示的上位控制裝置輸入的位置指令值Θ rm減去從位置檢測部108輸入的檢測位置Θ而算出位置偏差。
檢測位置Θ表示在將預先確定的位置設為原點的情況下的線性電動機20的動子25的位置。
位置控制部102基於減法器101算出的位置偏差，算出使線性電動機20的動子25移動到由位置指令值Θ rm表示的位置的速度指令值corm。
減法器103從位置控制部102算出的速度指令值ωπη減去由推定部150輸入的動子25的推定速度ωΜΟ。減法器103算出減法結果(速度偏差)。
推定速度ωΜΟ是推定部150根據施加於線性電動機20的電壓和流過線性電動機20的電流推定的動子25的移動速度。
速度控制部104基於減法器103算出的速度偏差，以線性電動機20的動子25的移動速度成為與速度指令值ωηιι相同值的方式算出表示流過線性電動機20的線圈28u、28v、28w的電流值的電流指令值。
速度控制部104以將速度偏差設為「O」的方式算出電流指令值。速度控制部104通過例如PI控制或PID控制等，以動子25的移動速度成為與速度指令值ωηιι相同值的方式算出電流指令值。
速度控制部104通過進行矢量控制，從速度指令值輸出旋轉坐標系中的包含d軸和q軸的兩個電流值的電流指令值。
電流控制部105對速度控制部104算出的電流指令值進行2相3相變換。電流控制部105算出施加於線性電動機20的線圈28u、28v、28w的電壓值。
電力變換器106將從外部供給的電壓變換成電流控制部105算出的電壓值。電力變換器106將變換後的電壓施加於線性電動機20的線圈28u、28v、28w，驅動線性電動機20。電力變換器106向推定部150施加變換後的電壓。
電力變換器106具有根據線性電動機20的線圈28u、28v、28w的數量設置的上臂及下臂。該上臂及下臂具有開關元件。
此時，電力變換器106根據從電流控制部105輸入的電壓，通過切換開關元件的接通/斷開的PWM控制，經由開關元件向電樞60的線圈28u、28v、28w供給電力，驅動動子25。
開關元件使用例如IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor ;絕緣柵雙極電晶體)等半導體元件。變流器107安裝於連接電力變換器106和線性電動機20的電力線上。變流器107檢測流過線性電動機20的電流的電流值i。位置檢測部108根據線性電動機20的MR傳感器27輸出的兩個信號(餘弦波信號及正弦波信號)檢測動子25的位置。位置檢測部108將表示檢測到的位置的檢測位置0輸出至減法器101。推定部150具有電動機模型部151、減法器152、速度推定部153、低通濾波器部154。電動機模型部151基於電力變換器106施加於線性電動機20的電壓、速度推定部153推定的動子25的推定移動速度、預先設定的線性電動機20的電動機常數，算出流過線性電動機20的推定電流值iM。電動機常數例如是線性電動機20的電阻值、d軸的電感值、q軸的電感值、感應電
壓係數等。減法器152通過從變流器107檢測出的電流值i減去電動機模型部151算出的推定電流值iM而算出電流偏差A i。速度推定部153根據減法器152算出的電流偏差A i，算出線性電動機20的動子25的推定移動速度。速度推定部153將表示算出的推定移動速度的信號輸出至電動機模型部151和低通濾波器部154。低通濾波器部154消除速度推定部153算出的推定移動速度中包含的高頻脈動成分。低通濾波器部154將消除了脈動成分的推定移動速度(推定速度《M0)輸出到減法器103。通過這種結構，推定部150基於施加於線性電動機20的電壓值和流過線性電動機20的電流值i，算出線性電動機20的動子25移動的速度推定值(推定移動速度)(參考文獻:武田洋次，松井信行，森本茂雄，本田幸夫著，「內置式磁鐵同步電動機的設計和控制」，第一版第三次印刷，株式會社歐姆社，平成16年7月，p.111-p.115)。線性電動機裝置I具備位置控制部102和速度控制部104，位置控制部102進行使用由MR傳感器27檢測出的檢測位置0算出速度指令值的位置控制，速度控制部104進行使用由推定部150推定的推定速度《M0算出電流指令值的速度控制。由此，即使在檢測位置9中包含誤差的情況下，線性電動機裝置I通過使用推定速度《M0，也能夠降低該誤差對電流指令值造成的影響。與只根據檢測位置0的變化量算出動子25的速度的情況相比，第一實施方式的線性電動機裝置I能夠降低電流指令值的算出中的檢測位置e的誤差影響。由此，不使用線性標度，就能夠提高控制線性電動機20的精度，能夠進行線性電動機20的動子25的準確的重複定位控制，能夠改善定位精度。控制裝置10並行進行使用由MR傳感器27檢測出的檢測位置0算出速度指令值的位置控制和使用由推定部150推定出的推定速度coMO算出電流指令值的速度控制。控制裝置10不需要像專利文獻I所記載的技術那樣進行切換控制。控制裝置10能夠減少動子25的移動速度的不均，能夠順暢地控制線性電動機20。
(第二實施方式)圖8是表示第二實施方式的線性電動機20的控制裝置11的結構的概略方框圖。第二實施方式的控制裝置11在具備速度計算部111和速度選擇部112這一點上與第一實施方式的控制裝置10不同。下面，對速度計算部111和速度選擇部112進行說明。另外，對與第一實施方式相同的其它結構標註相同的符號並省略其說明。速度計算部111根據位置檢測部108檢測的檢測位置0的每單位時間的變化算出動子25的移動速度。速度選擇部112基於變流器107檢測的電流值i的大小，選擇從推定部150的低通濾波器部154輸出的推定速度《M0、速度計算部111算出的移動速度的任一方的速度，並輸出至減法器103。減法器103從位置控制部102算出的速度指令值《rm減去速度選擇部112選擇的速度。減法器103將減法結果作為速度偏差輸出至速度控制部104。在變流器107檢測到的電流值i比預先確定的電流值(閾值)小的情況下，速度選擇部112選擇速度計算部111算出的移動速度。在電流值i為閾值以上的情況下，速度選擇部112選擇推定部150算出的推定速度《MO。通過這種結構，第二實施方式的線性電動機裝置實現與第一實施方式的線性電動機裝置I相同的效果。第二實施方式的線性電動機裝置具備位置控制部102和速度控制部104，所述位置控制部102進行使用由MR傳感器27檢測出的檢測位置0算出速度指令值的位置控制，所述速度控制部104進行使用由推定部150推定出的推定速度《 MO算出電流指令值的速度控制。由此，即使在檢測位置e中含有誤差的情況下，第二實施方式的線性電動機裝置通過使用推定速度《M0，也能夠降低該誤差對電流指令值造成的影響。第二實施方式的線性電動機裝置的控制裝置11基於變流器107檢測的電流值i的大小，選擇推定部150推定的推定速度《M0和基於MR傳感器27輸出的信號算出的移動速度的任一方的速度。控制裝置11使用選擇出的速度進行速度控制。在變流器107檢測出的電流值i比閾值小的情況下，由於推定部150算出的推定速度《M0的推定誤差容易變大，因此，控制裝置11使用速度計算部111算出的移動速度控制線性電動機20。另一方面，在變流器107檢測的電流值i為閾值以上的情況下，由於推定部150算出的推定速度《M0的推定誤差不容易變大，因此，控制裝置11使用推定速度coMO控制線性電動機20。由此，當推定速度coMO的推定誤差容易變大的流過線性電動機20的電流值i較小時，控制裝置11使用基於MR傳感器27輸出的信號的速度進行速度控制。因此，能夠防止線性電動機20的控制精度降低，能夠改善定位精度。在第一及第二實施方式中，說明了控制裝置10、11對具備電樞60的動子25相對於具備驅動用磁鐵24的定子21相對進行直線運動的平面型線性電動機20進行控制的結構。但是，不限於控制平面型線性電動機20的結構。控制裝置10也可以適用於具備棒型驅動用磁鐵的動子相對於具備電樞(線圈)的定子進行相對直線運動的棒型線性電動機。另外，在第一及第二實施方式中，對驅動用磁鐵24在直線上排列成一列的結構進行了說明，但不限於此。驅動用磁鐵24也可以根據線性電動機20的用途曲線狀地排列成一列。第一及第二實施方式的控制裝置10、11也可以在內部具有計算機系統。在該情況下，減法器、位置控制部、速度控制部、電流控制部、推定部、位置檢測部、速度計算部、速度選擇部的各處理過程以程序的形式存儲於計算機可讀取的記錄介質中。於是，通過計算機讀出並執行該程序而進行上述處理。計算機可讀取的記錄介質是指磁碟、光碟、⑶-ROM、DVD-ROM、半導體存儲器等。也可以通過通信線路向計算機發送該電腦程式，由接收到該發信的計算機執行該電腦程式。符號說明I…線性電動機裝置、10、11…控制裝置、20…線性電動機、21…定子、24、24N、24S…驅動用磁鐵、25...動子、27…MR傳感器(磁傳感器)、101、103、152…減法器、102…位置控制部、104…速度控制部、105…電流控制部、106…電力變換器、107…變流器、108…位置檢測部、111…速度計算部、112…速度選擇部、150…推定部、151…電動機模型部、152-減法器、153…速度推定部、 154…低通濾波器部
權利要求
1.一種線性電動機的控制裝置，所述線性電動機具備具有N極和S極交替排列成一列的多個驅動用磁鐵的磁鐵部和具有多個線圈的電樞，所述電樞或所述磁鐵部的任一方為動子，利用在所述電樞具有的多個線圈中流過電流而產生的磁場和由所述磁鐵部具有的多個驅動用磁鐵產生的磁場，所述動子沿著所述驅動用磁鐵排列的排列方向移動， 所述線性電動機的控制裝置的特徵在於，具備: 位置檢測部，其基於從磁傳感器輸出的信號的變化來檢測所述動子的位置，所述磁傳感器是所述電樞具有的磁傳感器，並輸出與由所述驅動用磁鐵產生的磁場方向相應的信號; 位置控制部，其基於所述位置檢測部檢測出的所述動子的位置和由外部輸入的位置指令值而算出速度指令值； 推定部，其根據流過所述線性電動機的多個線圈的電流值而推定所述動子移動的速度； 速度控制部，其基於所述位置控制部算出的速度指令值和所述推定部推定的所述動子移動的速度而算出電流指令值； 電力變換器，其根據 所述速度控制部算出的電流指令值而向所述多個線圈供給電力。
2.如權利要求1所述的線性電動機的控制裝置，其特徵在於， 所述推定部具有: 電動機模型部，其基於施加於所述多個線圈的電壓、推定所述動子移動的速度的推定速度、所述線性電動機的電動機常數，算出流過所述多個線圈的電流值； 速度推定部，其使用從流過所述多個線圈的電流值減去所述電動機模型部算出的電流值而得到的電流偏差來計算所述推定速度； 低通濾波器部，其從所述速度推定部算出的推定速度中消除高頻脈動成分。
3.如權利要求2所述的線性電動機的控制裝置，其特徵在於， 所述控制裝置還具備: 速度計算部，其根據所述位置檢測部檢測出的所述動子的位置變化算出所述動子移動的速度； 速度選擇部，其在流過所述多個線圈的電流值比預先確定的閾值小的情況下，選擇所述速度計算部算出的速度，而在所述電流值為所述閾值以上的情況下，選擇所述推定速度，所述速度控制部基於所述位置控制部算出的速度指令值和所述速度選擇部選擇的速度而算出所述電流指令值。
4.一種線性電動機裝置，其特徵在於，具備: 線性電動機，其具備具有N極和S極交替排列成一列的多個驅動用磁鐵的磁鐵部和具有多個線圈的電樞，所述電樞或所述磁鐵部的任一方為動子，利用在所述電樞具有的多個線圈中流過電流而產生的磁場和由所述磁鐵部具有的多個驅動用磁鐵產生的磁場，所述動子沿著所述驅動用磁鐵排列的排列方向移動； 控制裝置，其包括:位置檢測部，其基於從磁傳感器輸出的信號的變化來檢測所述動子的位置，所述磁傳感器是所述電樞具有的磁傳感器，並輸出與由所述驅動用磁鐵產生的磁場方向相應的信號；位置控制部，其基於所述位置檢測部檢測出的所述動子的位置和由外部輸入的位置指令值而算出速度指令值；推定部，其根據流過所述線性電動機的多個線圈的電流值而推定所述動子移動的速度；速度控制部，其基於所 述位置控制部算出的速度指令值和所述推定部推定的所述動子移動的速度而算出電流指令值；電力變換器，其根據所述速度控制部算出的電流指令值而向所述多個線圈供給電力。
全文摘要
控制裝置(10)具備位置檢測部(108)，其基於來自磁傳感器(27)的輸出信號的變化檢測線性電動機(20)的動子的位置；位置控制部(102)，其基於位置檢測部(108)檢測出的動子的位置和外部輸入位置指令值算出速度指令值；推定部(150)，其根據流過線性電動機(20)的多個線圈的電流值推定動子移動的速度；速度控制部(104)，其基於速度指令值和推定移動速度算出電流指令值；電力變換器(106)，其根據電流指令值向多個線圈供給電力。
文檔編號H02P25/06GK103155406SQ20118004654
公開日2013年6月12日 申請日期2011年9月26日 優先權日2010年9月30日
發明者井上正史 申請人:Thk株式會社