JPH06225568A - リニア駆動システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 トルク制御ループを有するリニアモータ駆動
システムにおいてモータの可動部とレール間の相対加速
度を検出することで制御性能の向上が計れ、外部振動に
よる誤動作が抑えられる駆動システムを提供することで
ある。 【構成】 エアベアリングによって浮上し相対的に移動
可能なリニアモータと、リニアモータの可動部及びレー
ルにそれぞれ固定された加速度検出器と、可動部の位置
を指令する移動指令装置と、その指令位置と前記加速度
検出値により必要なトルクを演算指令するトルク制御回
路と、その指令トルクに従ってモータを駆動する駆動部
とから構成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、リニアモータの駆動部
に加速度センサーを設けて制御性能の向上をはかったリ
ニア駆動システムに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、リニアモータを応用したロボット
システムとしては位置決め装置や搬送システムなどが実
用化されている。特に、位置決め動作を伴うシステムに
おいては制御の容易さ、繰り返し精度の良さに加え、閉
ループ制御を用いれば高速性・高トルクが得られるため
ＬＰＭ（リニアパルスモータ）が有効である。このＬＰ
Ｍ制御システムの基本形は特公昭５３−７３号公報に記
載されている。

【０００３】この中で提案されているリニアモータの構
造は図５に示すように可動部１および図６に示す平面レ
ール２に大別される。図５において、可動部１には４個
のリニアモータが６と８，および１０と１２が２個を一
組として同方向に置かれ、更にそれぞれの組は直角方向
に配置されている。これらが平面レール２とエアーベア
リングを介して対向して設置され、前記２組のリニアモ
ータ駆動によって平面レール２のＸＹ軸上を任意の方向
ヘ移動可能となる。同図中１４はエアーの吹き出し穴で
あり、フレキシブルケーブル４には、エアーコンプレッ
サと前記可動部１をつなぐエアーチューブ、モータ駆動
用電力線、および制御用信号線が入っている。また図６
に示すように、平面レール２は磁性体材料の表面にＸＹ
両軸方向に等間隔に歯を形成し溝の部分を例えばエポキ
シ樹脂で充填保持した構造の物である。

【０００４】次に、このリニアモータの駆動原理を図７
を用いて説明する。同図は図５中のリニアモータ６およ
び図６の平面レール２の断面図である。このモータはい
わゆる「ソーヤモータ」と呼ばれているＰＭ型のリニア
ステップモータであり、２つの永久磁石６５および６６
によって作られるバイアス磁束φａおよびφｂの平面レ
ール２への出入りの経路はモータ巻線６７および６８の
通電状態によって磁極６１１，６１２，６２１，６２
２，６３１，６３２，６４１，６４２から選択される。
ここで、磁極６１１と６１２，６２１と６２２，６３１
と６３２，および６４１と６４２はそれぞれ逆相（平面
レール２に対してτ／２ずれている）となっている。ま
た、磁極６１１と６２１、６３１と６４１の歯の位置関
係は平面レール２に対して同相であり、そして磁極６１
１と６３１はτ／４ずらして固定されている（τ：平面
レールの歯のピッチ）。

【０００５】例えば、巻線６７にこの図に示す向きに通
電した場合には、この通電電流によって発生する磁束と
バイアス磁束φａは磁極６１１および６２１では同方
向、６１２および６２２では逆方向となるためバイアス
磁束は主に磁極６１１および６２１を通り、従って、磁
極６１１の歯が平面レール側の歯と整合する様に力が作
用する。励磁巻線６７および６８に通電する電流波形は
矩形波でもよいが正弦波にすることで滑らかな推進力が
得られる。今、図７で示されている安定状態からχの距
離だけはなれた位置に安定点を移動させるには（但し、
χ＜τ）、平面レール２の歯のピッチτを１周期（２
π）とし、励磁巻線６７にＩ・Ｃｏｓ（２π・χ／τ）
および励磁巻線６８にＩ・Ｓｉｎ（２π・χ／τ）の電
流を流せば良い事が同特許によっても明らかにされてい
る（但し、Ｉは定数）。

【０００６】さらには、この任意の位置χにおいて通電
電流の位相を進めて、巻線６７および６８にそれぞれＩ
・Ｃｏｓ（２π・χ／τ＋θ）およびＩ・Ｓｉｎ（２π
・χ／τ＋θ）の電流値を流した場合の合成推力ＦはＣ
・Ｉ・Ｓｉｎ（θ）で表わされる事が示されている（但
し、θは進み角、Ｃは定数）。即ち、このことは可動部
の任意の位置χにおいて巻線６７および６８の通電電流
位相を変化させる事で推力を任意に制御する事が出来る
事を示している。

【０００７】図８はこのリニアモータを位置決めシステ
ムに用いた従来方式の一例を示す図である。この図は制
御システムの基本原理を説明するための概念図であり、
可動部１に固定されているｘｙ軸それぞれ２組づつのリ
ニアモータ６、８、１０、１２のうちｘ軸方向のリニア
モータ１２についてだけ説明を行うが他の３組のモータ
も同様に制御される。

【０００８】同図において、１２は図７で説明のリニア
モータ６と同等のものである。そして、このモータの２
組の励磁巻線には、電流アンプ１０４、１０６からそれ
ぞれＩ・Ｃｏｓ（２π・χ／τ＋θ）およびＩ・Ｓｉｎ
（２π・χ／τ＋θ）の電流が同時に通電されると平面
レール２との相対位置χにおける推力は前述したように
図９に示すような関係となりθが比較的小さいところで
はθに比例すると見なせる。２相変換手段１００は任意
の入力に比例した位相角の正弦波および余弦波信号の発
生回路でデジタルまたはアナログ電子回路で構成する事
もできると共に、ソフトウェアを用いても実現できる。
従って、上述のように２相変換手段１００の入力として
リニアモータの現在位置角と要求推力に必要な進み角を
加えた位相角に相当する信号を入力すれば、任意の位置
において必要な推力を得る事ができる。

【０００９】更に具体的に説明すれば、図８に示すよう
にこの推力の制御に可動部１の加速度をフィードバック
して利用している。即ち、可動部１に固定の加速度セン
サー２００の出力信号レベルα１と加速度要求レベル
（加速度指令値）αiとを比較してその偏差分をゲイン
調節用アンプ１０２を経て位置指令信号に加算してい
る。位置指令χiは可動部１の次の位置を刻々と指令す
る信号であり、モータ位置指令装置３００からシステム
の必要に応じて演算出力されている。そして、このχi
を時間軸で２度微分すると必要加速度αiが算出でき
る。従って、この加速度αiで可動部１が動作すれば即
ち位置指令χiに対して完全に同期運転が可能である。
しかもこの方式は一種のトルクループを閉じており滑ら
かな動作性能が得られる。しかもこの方式はトルク効率
が高いという特徴を持っており、高速位置決めシステム
として用いられている。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記の
システムではフレームに固定された平面レールが地面に
対して不動と仮定して制御されているが、実際には可動
部の移動時の反作用でこの平面レールのほうも振動し、
可動部の平面レールに対する相対的な加速度を正しく検
出できないため制御性能を劣化させている。又、外部か
らの振動ノイズが可動部に伝わり誤動作を引き起こすこ
とがある。

【００１１】従って、本発明の目的は、上述した問題点
を解決するためになされたものであり、固定設置された
第一の部材に加速度検出手段を新たに追加することによ
り可動部の制御性能を向上させ、また外部からの振動ノ
イズを分離する事により誤動作を抑えたリニア駆動シス
テムを提供することである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に、本発明の駆動システムは、地面またはフロアーに設
置または固定された第一の部材と、その第一の部材とわ
ずかな距離を隔てて置かれ、相対的に移動可能な第二の
部材と、前記第一の部材に設置され、その第一の部材の
加速度を検出する第一の加速度検出手段と、前記第二の
部材に固定設置され、その第二の部材の加速度を検出す
る第二の加速度検出手段と、前記第二の部材を任意の位
置または方向に移動指令する移動指令装置と、前記移動
指令装置の移動指令に応じて前記第二の部材を移動させ
るトルクを発生する駆動装置と、前記の第一及び第二の
加速度検出手段の出力に応じて前記駆動装置の出力トル
クを制御するトルク制御手段とを備えている。

【００１３】

【作用】前記の構成を有する発明の移動指令装置は、シ
ステムの要求に従って前記トルク制御手段に位置指令及
び加速度指令を出力する。前記第一の加速度検出手段は
前記第一の固定部材の加速度を検出する。また前記第二
の加速度検出手段は前記第二の可動部材の加速度を検出
する。トルク制御手段は前記移動指令装置からの位置指
令および加速度指令値と上記第一及び第二加速度検出手
段の検出信号に応じて必要なトルクを演算し、それに見
合った信号を前記駆動装置に出力する。また前記駆動装
置は、このトルク制御手段の出力に応じて、推進力を発
生させ、任意の方向に任意の推進力で前記第二の部材を
駆動する。

【００１４】

【実施例】以下、本発明を具体化した一実施例を図１〜
図４を参照して説明する。図１はフロアに設置された本
発明の駆動システムを横から見たものである。フロアに
設置されたフレーム３に固定された平面レール２（第一
の部材）の上を可動部１（第二の部材）がエアベアリン
グの作用でわずかな距離を隔ててで浮上し、水平方向に
移動している状態を示している。

【００１５】この可動部１の駆動制御は図８で説明した
従来の方式と基本的には同じように行われる。同図中の
加速度検出手段２００（第二の加速度検出手段）は従来
技術で既に説明したものと同じであり可動部１の加速度
を検出し、トルク制御ループのために使用される。また
フレーム３には加速度検出手段２０２（第一の加速度検
出手段）が固定されており、平面レール２の加速度を検
出するようになっている。そしてこれらの加速度検出手
段２００および２０２の出力信号は加速度指令値と比較
されトルク制御ループに使用される。

【００１６】次に動作について説明する。本実施例の特
徴は平面レール２あるいはこれに固定された部材に新た
に加速度検出手段２０２を固定設置した事である。前述
のようにリニアモータ６の発生トルクは平面レール２と
の相対位置よって決定されるため、トルク制御ループに
おいては可動部１と平面レール２の間の相対的な加速度
を制御量として検出しなければならないが従来の制御方
式では可動部１の加速度だけを用いているため問題があ
った。例えば図２（ａ）において、可動部１が加速度α
１で同図に示す方向に加速された場合を考えると平面レ
ール２には反対方向の力が発生してその剛性に応じて加
速度α２で加速される。そのためこれらの２つの部材の
相対加速度はα１＋α２となるが、図８の従来の方式で
は加速度としてα１だけフィードバックされるため過渡
的な制御性能が劣化する。この現象はα２が大きいほど
顕著であり、即ちα１が大きいほど、又、フレームの剛
性が小さいほど制御性に及ぼす影響が大きい。

【００１７】また、図２（ｂ）は可動部１が矢印の方向
に加速中に同方向の過渡的な変位が平面レール２に発生
した場合を示しており、これはシステム外部からの振動
等がフレームを介して平面レールに伝わる場合に生じ
る。この場合の相対加速度はα１ーα２であり可動部１
が停止及び他の動作状態において制御系を不安定にさせ
誤動作の大きな原因の１つとなっている。

【００１８】本実施例によれば上記の問題を解決するた
めに可動部１と平面レール２との相対加速度の検出精度
を著しく向上させている。即ち、図３に示すように、本
実施例では、加速度検出手段２０２より直接検出された
平面レール２の加速度α２を加速度指令値αiに加算し
ている。従って、本実施例の加速度指令値αiは可動部
１と平面レール２の相対加速度を表わしている。もちろ
んここでは、加速度検出手段２００及び２０２の出力は
同一方向の加速度に対して同一極性になるようにしてい
る。

【００１９】次に本実施例の具体的な動作の１例とし
て、可動部１が比較的小さい加速度指令値で動作中に外
部からの振動ノイズが混入した場合を図４を用いて説明
する。同図（a）は加速度指令値である。時刻t１に同図
（b）に表される外来振動が可動部１に伝わると、加速
度検出手段２００からの出力α１は同図（c）となる。
しかし、同時に、加速度検出手段２０２はこの外来振動
を検出しており、その出力α２（同図（d））がα１か
ら減算され、実際のトルク指令値としては同図（e）の
信号波形となり外来振動ノイズの影響が低減できる。

【００２０】尚、本実施励の動作の説明は平面モータの
うち１軸（ｘ軸）についてのみ行ったが直交する他の軸
（ｙ軸）についても同様であり、可動部１および平面レ
ール２にそれぞれ固定された別の加速度検出手段により
ｙ軸方向の加速度成分を抽出して制御に用いれば同様の
効果が得られる。また、本発明は直線運動のみのリニア
モータの駆動システムにも当然応用できる。

【００２１】又、本発明の加速度検出手段は加速度検出
センサーを前記可動部１および平面ール２に直接取り付
けることで実現できる。また他の方法として、可動部１
の移動方向にリニアエンコーダを平面レール２に固定し
て、この位置信号を可動部１に固定した位置センサーに
より得られる位置信号を時間軸で２回微分演算すること
により加速度が得られる。

【００２２】

【発明の効果】以上上述したことから明らかなように、
本発明によれば、第二の部材の第一の部材に対する相対
的な加速度を検知できるため、駆動システムの制御性能
および安定性の向上が達成される。また、外部からの振
動ノイズの影響を受けにくいリニア駆動システムを製作
する事ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の基本構成図である。

【図２】可動部と平面レールとの加速度の関係を説明す
る図である。

【図３】本発明の制御ブロック図である。

【図４】本発明の実施例の具体的な動作を説明する図で
ある。

【図５】可動部の外観図である。

【図６】平面レールの構造説明図である。

【図７】リニアモータの断面図である。

【図８】従来の制御ブロック図である。

【図９】励磁電流位相と発生トルクとの関係を示す図で
ある。

【符号の説明】

１ 可動部 ２ 平面レール ６、８、１０、１２ リニアモータ １００ ２相変換器 １０４、１０６ 電流アンプ ２００、２０２ 加速度検出手段 ３００ 移動指令装置

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 地面またはフロアーに設置または固定さ
   れた第一の部材と、 その第一の部材とわずかな距離を隔てて置かれ、相対的
   に移動可能な第二の部材と、 前記第一の部材に設置され、その第一の部材の加速度を
   検出する第一の加速度検出手段と、 前記第二の部材に固定設置され、その第二の部材の加速
   度を検出する第二の加速度検出手段と、 前記第二の部材を任意の位置または方向に移動指令する
   移動指令装置と、 前記移動指令装置の移動指令に応じて前記第二の部材を
   移動させるトルクを発生する駆動装置と、 前記の第一及び第二の加速度検出手段の出力に応じて前
   記駆動装置の出力トルクを制御するトルク制御手段と、 を有することを特徴とするリニア駆動システム。