JP2005502290A - 力制御システム - Google Patents

Abstract

電磁アクチュエータのための力制御システムは、可動部材の瞬間の位置および速度を示す信号を出力するオブザーバと、オブザーバからの出力と、所望の位置および所望の速度を示す信号とを受ける位置コントローラとを有している。位置コントローラは、オブザーバからの出力と前記所望位置・速度信号とを比較して位置・速度エラー信号を形成する。また、位置コントローラは、前記位置・速度エラー信号に基づき所望の速度をもって前記可動部材を所望の位置に位置決めするために必要な力コマンド信号を形成する。位置成分を力コマンド信号から除去することにより、可動部材の速度だけを制御しても良い。本発明の他の態様において、電磁アクチュエータのための力制御システムは、位相コイルに印加される電圧を低域通過フィルタに通して、位相の磁束を推定するとともに、推定された磁束を示す信号を出力部で供給する磁束オブザーバを有している。

Description

【技術分野】
【０００１】
（関連出願に対する相互参照）
この出願は、米国特許出願第０９／０８８，９２２号（現在、米国特許第６，０９１，２１５７号）の継続出願である米国特許出願第０９／５１３，９０６号（現在、米国特許第６，２２５，７６７号）の一部継続出願である。これらの両方の出願は、これらの全体を参照することにより、本願に組み込まれる。
【０００２】
本発明は、新規な磁束制御システムに係わり、特に、動作制御の用途で使用できる磁束制御システムに関する。更に特別には、本発明は、摩擦溶接機で使用できる新規な動作制御システムに関する。
【背景技術】
【０００３】
殆どの電磁システムにおいて、システムの１つの構成要素から他の構成要素へのエネルギの移動は、システムの適切な動作にとって重要である。多くの電磁システムにおいて、このようなエネルギの移動は、システムの１つの構成要素を適切に励磁して、システムの他の構成要素と相互に作用する磁束を形成し、励磁された構成要素から他の構成要素へとエネルギを移動することにより成される。エネルギ移動が磁束によって成されるにもかかわらず、周知の電磁システムにおいて、システムの磁束は、直接に制御されない。その代わり、電流、電圧、磁束の間の想定された関係に基づいて、励磁される部材に加えられる電流および／または電圧が制御され、想定された関係に基づく電流および／または電圧の制御によって、適切な磁束が形成されると考えられる。このような電流および／または電圧の制御は、一般に、現在まで実施されているため、従来技術にあっては、電磁システムの磁束を直接に制御できる有効で且つ低コストな簡単に実施できるシステムを提供できなかった。
【０００４】
前述した電流および／または電圧制御システムの１つの欠点は、電流、電圧、磁束の間の関係が数学的に簡単に示されず且つ様々な変数に基づいて非線形的な態様で変化するという点である。例えば、システムにおける磁性体の各片の特定の特徴により、電圧、電流、磁束の関係がシステム間で異なり、また、これらの関係は、所定のシステム内であっても、システムの部分間で異なる。電圧、電流、磁束の関係がこのように異なるため、電流および／または電圧を正確且つ適切に制御して、所望の磁束を形成すること、したがって、所望のエネルギ移動を行なうことは難しい。そのため、従来技術は、その能力において、磁束を直接に制御する電磁システムを提供することに限界がある。
【０００５】
従来技術における適切な磁束制御システムの不足は、システムの一方の構成要素によりシステムの他方の構成要素に作用する力が最終的に制御されることが望ましい電磁システムにおいて特に顕著である。そのようなシステムにおいて、システムによって形成される実際の力は、システムの励磁された構成要素によって形成される磁束に関連している。しかしながら、前述したように、従来技術は、磁束を直接的に且つ細かく制御することができないため、そのようなシステムによって形成された力を細かく制御することができない。
【０００６】
電磁システムで形成された力を細かく制御できないという従来技術の欠点は、システムの少なくとも１つの構成要素の動きを正確に制御しなければならない用途において特に深刻である。そのような用途の一例は、摩擦または振動溶接機である。この溶接機は、直線、軌道、回転または任意の振動動作を用いて、溶接される熱可塑性部品と他の熱可塑性部品とを、これらの２つの部品をその溶接される面に沿って接触させた状態で相対的に移動させるものであり、この部品同士の相対的な移動により、摩擦が生じ、その交わり領域に沿って部品が加熱されるとともに、移動の停止時に、部品同士が冷却されて溶接される。
【０００７】
摩擦溶接機は、部品内に摩擦熱を引き起こす直線、回転、または軌道振動力によって熱可塑性部品を溶接する場合に特に適している。溶接される界面に生じるこの摩擦熱により、部品同士は、その界面で溶解し、冷却時に互いに接合する。摩擦熱を発生させる振動力は機械的な連結手段によって形成することができるため、電磁システムを使用して必要な制御動作を形成することは一般的である。
【０００８】
電磁的に或は液圧的に駆動される多数の摩擦溶接機は、市販されており、直線的な振動形態で動作することができる。しかしながら、これらの摩擦溶接機の動きは理想的ではない。溶接部品の直線移動または側方移動により、溶接材料の界面での摩擦力は、並進的であり、溶接部品が逆方向に反転する毎に速度を０まで降下させる。溶接部品の速度が０になると、熱が発生されず、摩擦溶接が抵抗プロセスとなると、溶接部品の界面での平均二乗相対速度および抵抗力の積に応じて熱が生じる。
【０００９】
また、多くの直線移動溶接システムは、電磁システム、または、周知の「スコット・ティー」磁気回路を使用して三相電力を単相機械動作に変換するドライバを使用する。そのようなシステムにおいては、システムのドライバ部品の電磁的に結合された特徴により、可動部材の動きを全ての方向で正確に制御することが難しく、また、可動部材におけるゼロ速度間隔を制限することが難しい。したがって、ゼロ速度成分を減らし或は最小限に抑えるとともに制御回路の簡略化を図るべく、部品を摩擦溶接するための他の動作およびコントローラが開発されてきた。
【００１０】
回転溶接機は、溶接部品が１つの軸を中心に回転され、直線運動ではない回転力が界面で摩擦熱を生じさせるそのような１つの選択肢である。しかしながら、回転力は、回転中心からの径方向距離に比例するため、溶接部品の速度も、それによって生じる熱も、径方向で均一ではない。また、回転溶接機は、一般に、溶接される部品が円形の幾何学的形状を有する用途に制限される。
【００１１】
第２の選択肢は、溶接部品の軌道運動を電磁的に形成することである。軌道運動中、部品同士が擦り合わされているため、溶接部品の速度は一定に保たれ、これにより、直線移動によって形成されるのと同じ大きさの摩擦熱が発生されるが、必要とされる力が小さく、また、溶接部品の相対的な移動量が少ない。
【００１２】
軌道溶接の有利な加熱にもかかわらず、軌道運動を用いた溶接に従わず直線運動または回転運度による溶接に従う部品がある。したがって、電磁的に駆動され且つ直線運動または軌道運動を形成することができる摩擦溶接機が開発されてきた。そのような摩擦溶接機の１つが、スナイダーの米国特許第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、幾つかの点で、電磁モータにおけるそれと類似している。
【００１３】
そのようなシステムにおいては、連結された３つの磁気コイルが、移動面と平行な面内で、溶接機の周囲に等距離で配置されている。これらの連結された磁気コイルは、デルタ接続または「Ｙ」接続状態で電気的に接続されており、これにより、基本的に、軌道モータステータ部品が形成される。磁性体の１つの本体として別個に形成される三角形のアーマチュアまたはロータ部品は、ステータ部品に対して中心に配置されており、これにより、三角形のアーマチュアの各面が磁気コイルに隣接される。アーマチュアは、大規模な固定フレームに接続された曲げスプリング支持機構により、水平な軌道面内に保持されている。アーマチュアの軌道運動は、制御された三相ＡＣ電流を連結された磁気コイルに加え、形成される磁束に比例する力をアーマチュアに生じさせることによって起きる。このようなアーマチュアの動作は、ＡＣ電源ラインの周波数の２倍のサインおよびコサインに振幅が比例する変位ベクトル、速度ベクトル、加速度ベクトルに分解することができる。アーマチュアの直線運動は、第２の軌道モータを加えることにより、あるいは、１つの軌道モータの連結された各磁気コイルを２つの領域に分割するとともに、並列または直列接続状態の様々な領域に選択的に電流を加えることにより形成される。
【００１４】
連結された磁気コイルを使用して軌道運動を形成すると、幾つかの欠点が生じる。まず第１に、連結された磁気コイルを使用すると、磁気回路の磁束経路の連結に起因して、一方向に形成される力が常に反対方向の反力成分を形成するため、システム全体の性能が低下する。第２に、システムは、軌道でも直線でもない動き、すなわち、全く自由な動きを形成することができない。システムがアーマチュアの不均一な質量分布を補償する必要がある場合、あるいは、ランダムな軌道が望ましい場合には、溶接部品の自由な動きを形成することが望ましい。
【００１５】
最後に、アーマチュアの軌道運動または直線運動を形成するための制御システムは複雑になる。連結された磁気コイルが軌道モータで使用されると、システム内の磁束は、総計で０になるように制約される。これに加えて、ＡＣ位相電流も総計で０になるように制約されると、自由な動きを生じるための任意の力を形成することができる十分な自由度が磁気システム中に無くなる。しかしながら、位相電流は、総計で０になるように制約されないため、磁気システム中に十分な自由度が存在し、これにより、任意の力を形成することができるが、これらの任意の力を形成するためには連続的な磁束演算が必要である。
【００１６】
磁気コイル間、および、そのようなシステムにおけるアーマチュアの隣り合う面同士の間の各空隙を横切る磁束は、３つの全ての位相電流および非線形磁気の関数である。そこには、使用されない或は励磁されない磁気コイルが全くない。このことは、そのようなシステムにおいて任意の形式の細かい磁束制御を使用する能力を制限する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
本発明は、従来技術におけるこれらの限界および他の限界に取り組む。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明の一態様においては、電磁アクチュエータのための力制御システムが提供される。前記アクチュエータは、１つのコアを有する固定部材と、１つの可動部材と、少なくとも１つの位相コイルとを有し、前記位相コイルは、位相コイルが励磁される時に前記コア内に磁束を形成して前記可動部材に力を作用させるように配置されている。力制御システムは、前記可動部材の瞬間の位置および速度を示す信号を出力するオブザーバと、前記オブザーバからの出力と、所望の位置および所望の速度を示す信号とを受ける位置コントローラとを有している。前記位置コントローラは、前記オブザーバからの出力と前記所望位置・速度信号とを比較して位置・速度エラー信号を形成する。また、前記位置コントローラは、前記位置・速度エラー信号に基づき所望の速度をもって前記可動部材を所望の位置に位置決めするために必要な力コマンド信号を形成する。磁束コントローラは、前記力コマンド信号を受けて、この力コマンド信号を磁束コマンド信号に変換するとともに、磁束コマンド信号に基づいて位相励磁信号を形成する。本発明の特定の実施形態においては、位置成分を力コマンド信号から除去することにより、可動部材の速度だけが制御される。
【００１９】
本発明の他の態様において、電磁アクチュエータのための力制御システムは、入力部と出力部とを有し、前記入力部が前記位相コイルに接続される磁束オブザーバを有している。この磁束低域通過フィルタは、前記位相コイルに印加される電圧を低域通過フィルタに通して、前記位相コイルの磁束を推定するとともに、推定された磁束を示す信号を前記出力部で供給する。例えば、前記磁束オブザーバは、Ｖｎ−Ｉｎ^＊Ｒｎを低域通過フィルタに通しても良い。ここで、Ｖｎは前記位相コイルの電圧であり、Ｉｎは前記位相コイルの電流であり、Ｒｎは前記位相コイルの抵抗である。磁束コントローラは、磁束コマンド信号および前記磁束オブザーバからの出力を受けるとともに、位相励磁信号を供給することにより、前記磁束コマンド信号が少なくとも所定の大きさだけ前記推定された磁束信号よりも大きい時に、前記位相コイルの磁束を増大させるように前記位相コイルを励磁するとともに、磁束フィードバック信号が少なくとも所定の大きさだけ前記磁束コマンド信号よりも大きい時に、前記位相コイルの磁束を減少させるように前記位相コイルを励磁する。
【００２０】
更にまた、孔を画定するとともに、１つのコアを有する外側の固定アセンブリを備えた電磁アクチュエータが開示される。位相コイルは、それ自身が励磁される時に前記コア内に磁束を形成するように配置される。可動部材は、前記コア内に形成される磁束により力を受けるように、前記固定アセンブリによって画定される前記孔内に配置される。磁束オブザーバは、位相コイルに接続される入力部を有している。磁束オブザーバは、位相コイルに印加される電圧を低域通過フィルタに通して、前記位相コイルの磁束を推定するとともに、推定された磁束を示す信号を前記出力部で供給する。磁束コントローラは、磁束コマンド信号および前記磁束オブザーバからの出力を受ける。これらの信号に基づいて、磁束コントローラは、位相励磁信号を供給することにより、前記磁束コマンド信号が少なくとも所定の大きさだけ前記推定された磁束信号よりも大きい時に、前記位相コイルの磁束を増大させるように前記位相コイルを励磁するとともに、磁束フィードバック信号が少なくとも所定の大きさだけ前記磁束コマンド信号よりも大きい時に、前記位相コイルの磁束を減少させるように前記位相コイルを励磁する。
【００２１】
特定の典型的な実施形態において、外側の前記固定アセンブリは、磁気的に分離された実質的に同一の複数のＥ−コアを備え、各Ｅ−コアは、中央アームと、２つの二次アームとを形成している。各Ｅ−コアの中央アームは位相コイルによって取り巻かれ、これにより、所定の位相コイルに電気的なエネルギが加えられると、対応するＥ−コアに磁束が形成される。そのようなシステムは、例えば２位相システムまたは４位相システムを備えている。
【００２２】
本発明の他の目的および利点は、図面を参照しながら以下の詳細な説明を読めば明らかになる。
【００２３】
本発明は、様々な変更および他の形態が可能であるが、その特定の実施形態は、図面に一例として示されており、ここで詳細に説明する。しかしながら、ここで説明する特定の実施形態は、本発明を開示された特定の形態に限定しようとするものではないことは言うまでもなく、逆に、意図することは、添付の請求の範囲によって規定される本発明の思想および範囲内に入る全ての変更、等価物、変形例を網羅するものである。
【００２４】
以下、本発明の図示の実施形態について説明する。明瞭にするため、この明細書では、実際の実施の全ての特徴について説明しない。無論、そのような任意の実際の実施形態の開発においては、実施毎に異なるシステムに関連する制約およびビジネスに関連する制約の遵守といった、開発者の特定の目的を達成するために、多数の実施固有の決定をしなければならないことは言うまでもない。また、そのような開発努力は、面倒であり、時間を要するものであるが、それにもかかわらず、この開示内容の利益を受ける当業者にとっては、決まりきった仕事である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
図面の特に図１を参照すると、本発明の特定の態様にしたがっ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、入力部で磁束コマンド１３を受け且つ出力として位相コイル励磁信号１４を供給する磁束コントローラ１２を有している。位相コイル励磁信号１４は、適当な手段により、電磁システム１５に供給される。磁束オブザーバ１６は、電磁システム１５の磁束に対応するフィードバック信号を磁束コントローラ１２に供給する。一般に、磁束コントローラ１２は、電磁システム１５の磁束が磁束コマンド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を供給する。
【００２６】
電磁システム１５は、少なくとも１つの位相コイルおよびコアを有する電磁システムであっても良い。この場合、電力を加えることによって（例えば、制御電圧および／または制御電流を加えることによって）位相コイルを励磁してコア内に磁束を形成することができる。例えば、電磁システム１５は、コアの周囲に位相コイルが巻回された鉄芯誘導子、または、一次巻線および二次巻線がそれぞれコアの周囲に巻回された変圧器と同じ程度に単純であっても良い。
【００２７】
本発明の磁束制御システム１０は、電磁システム１５が励磁されることによって可動部材を移動させる電磁アクチュエータを構成する電磁システム１５に対して特定の用途を有すると考えられる。例えば、図１の磁束制御システムは、１または複数の位相コイルが周囲に巻回される１つの主コア（または、磁気的に分離された複数のコア）を有する電磁システム１５に対して特定の用途を有すると考えられる。そのような実施形態においては、一般に、コアが励磁される時にコアと相互に作用する可動部材が設けられ、コアの励磁によって可動部材が移動される。前記可動部材は、リラクタンスマシンのロータとステータとの間の相互作用と同様な形態で励磁されたコアと相互に作用するスチール等の常磁性体片、または、そのような常磁性体片の積層体であっても良い。また、前記可動部材は、永久磁石マシンのロータとステータとの間の相互作用と同様な形態で励磁されたコアと相互に作用する１または複数の永久磁石（または電磁石、または誘導コイル）を有していても良い。以下の説明は、１または複数の特定の電磁システム１５に関するものであるが、当業者であれば分かるように、多くの電磁システム１５と共に前述した磁束制御システム１０が使用されても良く、また、ここでの説明が本発明を図解して明らかにするためのものであって本願の請求の範囲を限定するものではないことは言うまでもない。
【００２８】
図１には、位相コイルを１つだけ有する電磁システム１５が示されている。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、個々の位相コイル毎に別個の励磁信号を有する励磁ベクトルの形態を成していても良い。そのような用途において、磁束コマンド１３は、様々な位相コイル毎に別個の磁束コマンド信号を有する磁束コマンドベクトルの形態を成していても良い。そのような用途において、各位相コイルに関連する磁束は、独立に制御されても良い。明確にするため、以下においては、最初に、位相コイルを１つしか持たない電磁システム１５を含むシステムに関し、磁束コントローラ１２の構成および作用を中心に説明する。当業者であれば分かるように、ここで説明する単相磁束コントローラを単に複合することにより、多相磁束コントローラ１２を構成することができる。
【００２９】
図２Ａおよび図２Ｂは、磁束制御システム１０の一実施形態を詳細に示している。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ており、図２Ａは、図２Ｂの電気駆動回路に制御信号を供給する制御回路を示している。図２Ｂの電気駆動回路について最初に説明する。
【００３０】
図示の実施形態においては、コアの周囲に１つの位相コイルが巻回された電磁システム１５が示されている。位相コイルは２つの端部を形成している。位相コイルの２つの端部は、上側切換装置１７と下側切換装置１８と下側フライバックダイオード１９と上側フライバックダイオード２０とから成る切換ブリッジによって、高電圧ＤＣバス（Ｖ_ＨＤＣ）間に接続されている。切換装置１７、１８は、制御信号を加えることによって制御できるパワーＭＯＳＦＥＴ、ＢＪＴ、ＢＩＦＥＴ、ＩＧＢＴ、ＭＣＴ、標準ＦＥＴ等の任意の適当な制御可能な切換装置、または、他の適当な切換装置であっても良い。図示の実施形態において、上側切換部材１７は、制御信号ＳＵによって制御され、下側切換装置１８は、制御信号ＳＬによって制御される。フライバックダイオード１９、２０は、ダイオードのような（例えば一方向）電流特性を呈する任意の装置であっても良い。
【００３１】
一般に、切換信号ＳＵ、ＳＬは、３つの切換状態、すなわち、（ｉ）上側切換部材１７および下側切換部材１８の両方が通電状態にされる第１の状態と、（ｉｉ）切換部材の一方だけが通電状態にされる第２の状態と、（ｉｉｉ）いずれの切換部材も通電状態にされない第３の状態とを形成するように発せられても良い。切換信号ＳＵ、ＳＬが第１の状態となり、上側切換部材１７および下側切換部材１８の両方が通電状態にされると、位相コイル１８がＶ_ＨＤＣバス間に接続され、これにより、Ｖ_ＨＤＣバス（＋Ｖ_ＨＤＣ）の＋レールから電磁システム１５の位相コイルを介してＶ_ＨＤＣバスのグランドへと電流が流れる。この電流は、Ｖ_ＨＤＣバスから電磁システム１５へと伝えられるエネルギを引き起こし、これにより、システム１５の磁束が増大する。
【００３２】
切換信号ＳＵ、ＳＬが第２の状態となり、切換部材１７、１８の一方だけが通電状態にされ、他方の切換部材が非通電状態にされると、システム１５の位相コイル間に印加される電圧が実質的に０になる。この第２の切換状態において、位相コイル中の任意の電流は、通電状態の切換装置および一方のフライバックダイオードを通じて、「自由に流れる（ｆｒｅｅｗｈｅｅｌ）」。例えば、位相コイル１５中に電流が存在し、信号ＳＵ、ＳＬによって上側切換部材１７が通電状態となり且つ下側切換部材１８が非通電状態になると、位相コイル中の電流は、Ｖ_ＨＤＣバスの＋レールから位相コイルを通じて「自由に流れる（ｆｒｅｅｗｈｅｅｌ）」とともに、上側フライバックダイオード２０を介してＶ_ＨＤＣバスの＋レールへと戻る。そのような状況において、位相コイル間に印加される電圧は、フライバックダイオード２０の両端での電圧降下＋切換装置１７の両端での電圧降下、すなわち、ほぼ０電圧となる。同様の実質的な０電圧状態は、下側切換部材１８が通電状態にされ且つ上側切換部材１７が非通電状態にされる時に得られる。そのような状況下で、電流は、下側切換部材１８および下側フライバックダイオード１９を通じて自由に流れる。このように位相コイル中の電流が自由に流れるフリーホイール状態になると、位相コイルによって形成される磁束は、実質的に一定に維持され、あるいは、僅かに減少する。そのため、電磁マシンのエネルギすなわち磁束は、ほぼ一定に維持され、あるいは、僅かに減少する。
【００３３】
切換信号ＳＵ、ＳＬが第３の状態になり、上側および下側の両方の切換部材１７、１８が開かれると、この切換状態の初期においては、位相コイル中の任意の電流が流れ続ける。これは、位相コイルが誘導部材であり、電流が瞬間的に０まで降下できないためである。しかしながら、上側および下側の切換部材１７、１８は非通電状態であるため、この電流のための経路は、Ｖ_ＨＤＣバスのグランドレールから、下側フライバックダイオード１９とシステム１５の位相コイルと上側フライバックダイオード２０とを介して、Ｖ_ＨＤＣバスの＋レールへと至る。したがって、この第３の状態において、システム１５の位相コイル１５は、マイナスの態様でＶ_ＨＤＣバス間に接続され、これにより、Ｖ_ＨＤＣバスのマイナス電圧が位相巻線の両端に印加される。このようにＶ_ＨＤＣバスのマイナス電圧を位相巻線に印加すると、任意の磁束が急速に引き起こされるようになり、これにより、位相巻線の電流が０まで減少する。したがって、ＳＵ、ＳＬ信号が第３の状態にあると、電磁システム１５に蓄えられるエネルギが散逸し、すなわち、Ｖ_ＨＤＣバスに戻され、システム中のエネルギすなわち磁束が減少する。
【００３４】
当業者であれば分かるように、図２Ａおよび図２Ｂに示される特定の切換え方法は、位相コイルの励磁を制御するために使用できる手法のうちの１つでしかない。他の切換方法、例えば４つの切換装置を有する完全Ｈ−ブリッジを利用する切換方法を使用しても良い。一般に、システム１５内の磁束が増大されるか、実質的に一定に維持されるか、あるいは、減少されるように位相コイルの励磁を制御できるここで説明したシステムを実施するために、任意の切換装置を使用しても良い。
【００３５】
図２Ａおよび図２Ｂの実施形態において、切換信号ＳＵ、ＳＬは、磁束コントローラ１２によって供給される。典型的な磁束コントローラ１２の概略的な図が図２Ａに示されている。
【００３６】
図２Ａを参照すると、図示の磁束コントローラ１２は加算接合器２５を備えている。この加算接合器２５は、所望の磁束レベルに対応する磁束コマンド信号１３をプラス入力部で受けるとともに、電磁システム１５内の磁束に対応する磁束オブザーバ１６からの磁束フィードバック信号をマイナス入力部で受ける。加算接合器２５は、磁束フィードバック信号を磁束コマンド１３から差し引き、実際の磁束と所望の磁束との間の差に伴って変化するエラー信号を形成する。磁束エラー信号がプラスである場合、磁束コマンドは磁束フィードバックよりも大きく、そのため、システム１５内の磁束を増大させて、磁束を磁束コマンドに一致させる必要がある。エラー信号がマイナスである場合、フィードバック磁束は磁束コマンドよりも大きく、そのため、システム１５内の磁束を減少させて、システム内の磁束を磁束コマンドに一致させる必要がある。加算接合器２５からのエラー信号は、最初に、増幅器２６によって増幅され、その後、励磁制御回路２１に供給される。
【００３７】
励磁制御回路２１は、エラー信号の大きさに応じて、電磁システム１５内の磁束を増大させ、または減少させ、または安定化させるための切換信号ＳＵ、ＳＬを形成する。
【００３８】
励磁制御回路２１は多くの形式を取り得る。例えば、コントローラは、従来の形式のパルス幅変調またはパルス周波数変調を利用して、位相コイルの励磁を制御しても良い。また、励磁制御回路２１は、エラー信号がプラスの時に両方の切換装置１７、１８を閉じ且つエラー信号がマイナスの時に両方の切換装置を開くと共にエラー信号が０の時に一方の切換装置を開いて他方の切換装置を閉じるコントローラの形式を取っても良い。位相コントローラ２１の一実施形態においては、エラー信号が０になりエラー信号が制御されたヒステリシス帯域から外れるまでフリーホイールし得るように、切換信号ＳＵ、ＳＬが制御される。そのようなタイムヒステリシスコントローラを、ここでは、「ゼロ復帰エラー」コントローラすなわちＲＺＥコントローラと称する。前記ＲＺＥコントローラは、所望の磁束コマンドが急速に変化しておらず且つ利用可能な電力が十分大きいためにトラッキングを比較的迅速に行なわせることができる用途において、磁束基準トラッキングの「遅れ」が制御システムの１つのサンプリング時間よりも短くなるように磁束コマンド信号を迅速にトラッキングすることができるという点で有益である。
【００３９】
ここで説明したＲＺＥ制御回路の一実施形態を示す詳細な回路図が図２Ｃに示されている。一般に、図２ＣのＲＺＥコントローラ２１は、ゼロエラーに中心付けられた２つの隣り合う非対称なヒステリシス帯域を協働して形成する上側コンパレータ２２Ａおよび下側コンパレータ２２Ｂを有している。各コンパレータは、エラーの１つの極性だけを扱う。２つのコンパレータ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、ＳＬ信号に対応している。
【００４０】
一般に、増幅器２６からのエラー信号の大きさが大きく且つプラスである場合（電磁システム内の磁束を増大する必要があることを示している）、コンパレータ２２ａ、２２ｂの出力は共に低い。これらの装置の制御ゲートにプラスの電圧が印加される場合に、上側および下側の切換装置１７、１８が通電状態にされるタイプであるとすると、コンパレータ２２ａ、２２ｂの低い出力がインバータ２３ａ、２３ｂによって反転され、これにより、高レベルなＳＵ、ＳＬ信号が形成される。そのため、切換装置が第１の切換通電状態におかれ、電磁システム１５の磁束が増大する傾向となる。
【００４１】
増幅器２６からのエラー信号の大きさが大きく且つマイナスである場合、両方のコンパレータ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、これにより、低電圧ＳＵ、ＳＬ信号が生じ、この低電圧ＳＵ、ＳＬ信号によって、上側および下側の切換装置１７、１８の両方が非通電状態にされる。そのため、電磁システムの電流（したがって、磁束）が減少する。
【００４２】
増幅器２６からのエラー信号が大きいプラス値と大きいマイナス値との間である場合、切換信号ＳＵ、ＳＬの状態は、ヒステリシス電圧＋Ｖ_Ｈ、−Ｖ_Ｈと比較すると、エラー信号の大きさによって決まる。図示の実施形態において、ヒステリシス電圧＋Ｖ_Ｈ、−Ｖ_Ｈの印加はトリガ信号Ｔによって制御され、これにより、Ｔ（２４ａ）がロジック・ハイ（ｌｏｇｉｃ ｈｉｇｈ）である場合、コンパレータ２２ａのプラス入力部にヒステリシス電圧＋Ｖ_Ｈが印加され且つ下側コンパレータ２２ｂにヒステリシス電圧が印加されない。また、Ｔ（２４ｂ）がロジック・ロー（ｌｏｇｉｃ ｌｏｗ）である場合、下側コンパレータ２２ｂにヒステリシス電圧−Ｖ_Ｈが印加され且つ上側コンパレータ２２ａにヒステリシス電圧が印加されない。後述するように、トリガ信号Ｔは、状態を変更して、コンパレータ２２ａ、２２ｂに対するヒステリシス電圧＋Ｖ_Ｈ／−Ｖ_Ｈの印加を制御する。
【００４３】
トリガ信号がロジック・ハイとなる最初の状態が存在すると仮定すると、電磁システム１５の磁束はコマンド磁束を下回り、これにより、増幅器２６からのエラー信号は大きいプラスとなり、コンパレータ２２ａ、２２ｂの出力は共にロー（ｌｏｗ）となる（その結果、ロジック・ハイＳＵ、ＳＬ信号が生じる）。そのような状況下で、システム１５の磁束は増大し始め、これにより、増幅器２６からのエラー信号の大きさは減少し始める。ある時点で、エラー信号の大きさは、大きいプラスの値から０へと減少し始める。エラー信号が０に達して０を通り過ぎた時点で、下側コンパレータ２２ｂの出力（ヒステリシスフィードバックを有さない）は状態が変化し、そのため、ＳＬ信号がハイからローに移行する。これにより、切換装置が第２の切換状態におかれ、その結果、電磁システム１５の電流がフリーホイール状態となり、磁束が一定に維持され或いは僅かに減少する。また、ＳＵ、ＳＬ信号のこのような状態変化により、トリガ信号Ｔの状態も変化し、その結果、下側コンパレータに対して−Ｖ_Ｈフィードバック電圧が印加される。増幅器２６からのエラー信号が低下してヒステリシス値を下回る点まで磁束が減少すると、下側コンパレータ２２ｂの出力が再び状態を変化させ、これにより、ＳＬ信号がローからハイへと変化する。その結果、電磁システム１５に再び電力が加えられ、システム１５の磁束が増大し、エラー信号が−Ｖ_Ｈと０との間で絶えず変化する。
【００４４】
トリガ信号がロジック・ローとなる最初の状態の第２のセットが存在すると仮定すると、励磁システム１５の磁束はコマンド磁束を上回り、これにより、増幅器２６からのエラー信号が大きいマイナスとなり、コンパレータ２２ａ、２２ｂの出力が共にハイ（ｈｉｇｈ）となる（その結果、ロジック・ローＳＵ、ＳＬ信号が生じる）。そのような状況下で、システム１５の磁束は減少し始め、これにより、増幅器２６からのエラー信号の大きさは増大し始める。ある時点で、エラー信号の大きさは、大きいマイナスの値から０へと増大する。エラー信号が０に達して０を通り過ぎた時点で、上側および下側コンパレータ２２ａ、２２ｂの両方の出力は状態が変化し、そのため、ＳＵ信号およびＳＬ信号の両方がロジック・ローからロジック・ハイに移行する。これにより、切換装置が第１の切換状態におかれ、その結果、励磁システム１５の電流が増大し、磁束が増大する。また、ＳＵ、ＳＬ信号のこのような状態変化により、トリガ信号Ｔの状態も変化し、その結果、上側コンパレータ２２ｂに対して＋Ｖ_Ｈフィードバック電圧が印加される。増幅器２６からのエラー信号がヒステリシス値を超える点まで磁束が増大すると、上側コンパレータ２２ｂの出力が再び状態を変化させ、これにより、ＳＵ信号がロジック・ハイからロジック・ローへと変化する。ＳＬ信号はロジック・ハイのままであるため、切換装置はフリーホイール状態に置かれ、システム１５の磁束が一定に維持され或いは僅かに減少する。そして、エラー信号が０と＋Ｖ_Ｈとの間で絶えず変化する。
【００４５】
したがって、前述したように、図２Ｃのヒステリシスコントローラは、（ｉ）磁束がマイナスのヒステリシス量だけ所望のレベルを下回った場合には、磁束が増大されるように、（ｉｉ）磁束がプラスのヒステリシス量だけ所望の磁束レベルを上回った場合には、磁束が減少されるように、（ｉｉｉ）磁束がプラスのヒステリシス値とマイナスのヒステリシス値との間にある場合には、磁束を実質的に一定に維持でき或いは僅かに減少できるように、電気機械システム１５の磁束を制御することができる。図２Ｃに関して説明したタイプのヒステリシスコントローラの構造および動作に関する更なる詳細は、１９９６年６月２５日に発行された「誘導負荷の制御」と題されるＭｉｃｈａｅｌ Ｊ． Ｔｕｒｎｅｒによる米国特許第５，５３０，３３３号明細書において見出すことができる。米国特許第５，５３０，３３３号明細書の全体は、これを参照することにより、本願に組み込まれる。
【００４６】
この開示内容から利益を得る当業者であれば分かるように、図２Ｃの磁束コントローラ２１は、図１の磁束制御システムを実施するために使用できる多くの様々な磁束コントローラのうちの１つでしかない。
【００４７】
なお、図１に戻ると、図示の磁束制御システム１０において、磁束オブザーバ１６からの磁束フィードバック信号は、電磁システム１５の磁束レベルの表示を与える。磁束オブザーバ１６は、磁束センサ（例えば、ガウスメータ）、薄膜ホール装置等のホール効果プローブ、ＳＱＵＩＤ（超伝導量子干渉素子）、または、例えば所定のコイルの磁束が湾曲した隙間を測定する磁束計算機の形態を成していても良い。
【００４８】
各位相コイルが０磁束状態となる一定の時間が存在するように（すなわち、０ではない時間の間、各コイルの磁束が０となるように）電磁システム１０の位相コイルが励磁されるシステムの場合、オープンループ磁束オブザーバにより、各コイルにおける磁束は、その位相コイルにおける周知の０磁束期間中に０にリセットされると評価されても良い。そのようなオープンループ磁束オブザーバは、１つのコイルにおける磁束とそのコイルの電流および印加電圧との間の周知の関係を付け加えた磁束の表示を与えても良い。このような周知の関係は、以下の方程式１で表わされる。
【数１】

【００４９】
ここで、Ｖ＿ｐｈａｓｅ＿ｎ（ｔ）は、時間の関数としての位相コイル電圧に対応する信号であり、ｉ＿ｐｈａｓｅ＿ｎ（ｔ）は、時間の関数としての位相コイル電流に対応する信号であり、Ｒは、位相コイル抵抗に対応する値であり、Ｎｔは、位相コイルの巻数である。
【００５０】
従来のオープンループ積分器は、各位相コイルにおけるおおよその磁束を測定するために使用されても良い。ドリフトの問題を避けるため、周知の０磁束状態中にオープンループ磁束積分器を０にリセットして、経時的な積分器での不確定性の増大を最小限に抑えるようにしても良い。積分器のリセットは、時間に基づいて行われても良く（０磁束状態が周知の期間で生じる場合）、あるいは、積分器が単純なクランプ積分器であっても良い。電磁システム１５が励磁されて、単極磁束だけがシステム中に形成される場合には、０にクランプされるクランプ積分器を使用しても良い。
【００５１】
図３Ａは、図１に示される制御システム１０で使用できるオープンループ磁束オブザーバ３０の典型的な実施形態を概略的に示している。図３Ａに示されるように、この典型的なオープンループ磁束オブザーバは、その入力として４つの電圧入力信号の合計に等しい信号を受けるクランプ積分回路３１を備えている。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の上から下に記載されている。すなわち、（ｉ）電力切換装置１７、１８の動作に関連付けられた一定の電圧降下に対応する＋Ｖ ＩＮＴＣＰ電圧、（ｉｉ）位相電流ｉの大きさに対応する電圧信号、（ｉｉｉ）インバータ３１の入力部に対して切換可能に接続される＋Ｖ_ＤＣ信号、（ｉｖ）インバータ３１の入力部に対して切換可能に接続される−Ｖ_ＤＣ信号である。＋Ｖ_ＤＣ、−Ｖ_ＤＣ信号は、システム１５の位相コイルに印加される高電圧Ｖ_ＨＤＣに関連付けられたプラスレベルおよびマイナスレベルと周知の態様で関係するＤＣ電圧レベルに対応している。一般に、＋Ｖ_ＤＣ、−Ｖ_ＤＣ信号は、高電圧ＤＣバスに関連付けられた＋Ｖ_ＨＤＣおよび−Ｖ_ＨＤＣ信号よりも比例的に小さい。
【００５２】
図３Ａの実施形態において、＋Ｖ_ＤＣ信号は、ＳＵ、ＳＬ信号の両方がロジック・ローの時（すなわち、位相コイルに接続される切換装置が作動し、＋Ｖ_ＨＤＣバスが位相コイルに加えられる時）に通電状態にされる制御スイッチ３２ａを介して、積分器３１の入力部に接続されている。同様の態様で、−Ｖ_ＤＣ信号は、ＳＵ、ＳＬ信号の両方がロジック・ハイの時（すなわち、位相コイルに接続される切換装置が作動し、−Ｖ_ＨＤＣバスが位相コイルに加えられる時）に通電状態にされる制御スイッチ３２ｂを介して、積分器３１の入力部に接続されている。クランプ積分器３１の出力は、−１^＊磁束（信号が反転される）となる。磁束推定値を見るため、クランプ積分器の出力部で、ａｍｐ ｗｉｔｈ ｇａｉｎ＝−１を使用することができる。この磁束推定値の反転は、磁束コントローラエラー増幅器でうまく利用される。エラー増幅器は、入力として磁束基準（ｆｌｕｘ ｒｅｆ）および磁束推定値を伴い且つ結果として出力部でＫ増幅率（磁束基準−磁束推定値）が生じる加算増幅器である。
【００５３】
＋Ｖ_ＤＣおよび−Ｖ_ＤＣ信号とＶ_ＨＤＣバスとの間の周知の関係により、積分器３１の入力部で現われる電圧は、位相コイルに印加される電圧に直接に対応する。そのため、積分器に加えられる入力電圧の積分により、電磁システム１５の磁束に直接に対応する信号が生じる。図示の回路は、０よりも大きいクランプされた磁束推定値出力を有する。
【００５４】
位相コイルに印加される実際の電圧を示す信号を供給するために切換装置３２ａ、３２ｂおよび＋Ｖ_ＤＣ、−Ｖ_ＤＣ信号を使用することは有益であると考えられる。これは、実際のＤＣバス値の大きさが一般に比較的高い（数百ボルト以上程度）ためである。そのため、位相コイルに印加される比較的高い電圧を直接に積分するべく、大きくて高価な構成要素を必要とする。図３Ａの方法を使用することにより、安価で低電圧の装置を使用して、システム１５の磁束の正確な表示を与えることができる。この開示内容によって利益を受ける当業者であれば分かるように、位相コイルに印加される実際の電圧を使用して、積分器３１のための入力電圧を形成することができる。また、位相電圧の比率を使用するサーチコイルを使用でき、このコイルから直接に積分できる。
【００５５】
図３Ａの典型的な回路においては、コイル抵抗のために積分器３１への入力を補正するようになっている電圧信号を供給するため、位相電流が抵抗３３に加えられる。前述した補正演算のために使用される抵抗３３の値は、多くの様々な方法で選択されても良い。比較的簡単な補正因子の場合、抵抗３３の値は、対応する電磁システム１５の予期される動作状態にわたる位相コイル抵抗の推定値を示す不変値として選択されても良い。Ｒは、温度および他の作動係数に伴って変化するため、選択されたＲ値は、各位相巻線における実際のＲ値の単なるおおよその推定値である。ＤＣ電圧注入等、実際の抵抗を推定するために現在使用される熱的なモデルおよび電気的な測定または技術を使用することにより、Ｒ値が測定され／推定され／計算される場合には、電流補償を向上させることができる。
【００５６】
なお、図３Ａに示されるように、ドライブ切換信号ＳＵ、ＳＬを使用して、位相コイルに実際に加えられる高電圧信号に対応する低電圧信号を形成したとしても、電流補正因子を得るために使用される電流は、切換電流ではなく、実際の位相電流ｉである。実際の位相電流は、より正確な電流補正因子を与えるために使用されなければならない。これは、切換電流が位相電流と必ずしも一致していないからである。ドライブ切換信号および低電圧バスを使用することにより、位相コイルに印加される実際の電圧を推定する実施形態において、電流補正因子は、位相コイルに印加される電圧に対応する電圧から電流補正因子を差し引く前に、適切にスケーリングされなければならない。
【００５７】
図３Ａに関して前述したように、正確な積分器を使用してシステム１５の磁束の推定値を得ても良いが、多くの用途においては、より単純化された手法を使用しても良い。特に、システム１５の磁束がバイポーラゼロ平均（不連続または連続）である場合、システムの磁束は、位相コイルに印加される電圧を単に低域通過フィルタに通す（Ｖ−ｉＲ）ことにより（あるいは、図３Ａの積分器３１に印加される電圧が位相コイル電圧と一致するように電圧を低域通過フィルタに通すことにより）、ほぼ推定することができる。低域通過フィルタを使用することによってシステム１５の磁束をこのように推定することは、特定の用途において有益である。これは、特定の積分器に関連するドリフトおよびランダムウォーク問題を最小限に抑えることができるためである。図３Ｂは、位相コイル電圧に対応する信号（コイル抵抗に関して補正されても良い）を低域通過フィルタ３４に加えて、位相コイルにおける磁束に対応する信号を形成する方法を概略的に示している。また、形成された信号は、常に駆動電圧に対抗する装置の電圧降下を反映するとともに、バイポーラ励磁電流を含む用途における表示を変更する。
【００５８】
積分器の代わりに低域通過フィルタを使用して、所定の位相コイルの磁束を推定する場合、フィルタの時定数は、そのコイルのための磁束励磁の基本周波数に関連付けられた時間よりも高くなければならない。例えば、１００Ｈｚの基本周波数で位相コイルが励磁される（１０ｍｓｅｃの時間）場合、その位相コイルのための低域通過フィルタにおける時定数は、約５０ｍｓｅｃ以上でなければならない。各コイル電圧のゼロ平均電圧および電圧基本周波数に対するフィルタ時定数の比が約５：１（または、それより大きい）とすると、低域通過フィルタは、コイル電圧をほぼ積算して、コイル磁束の有用な推定値を与える。
【００５９】
図１から図３Ｂに関して前述した新規な磁束制御システム１０およびその様々な構成要素は、多くの様々な用途で有利に使用することができる。例えば、磁束制御システム１０は、従来の誘導電動機、ユニバーサルモータ、切換式リラクタンスモータ、または、永久磁石モータ、ハイブリッドモータ（例えば、ＰＭおよびＳＲ）等の回転電気機械の磁束を制御するために使用されても良い。また、ここで説明した新規な磁束制御システムは、コアを通過する磁束を所定の所望レベルに制御しなければならない様々な較正装置で使用されても良い。更に、ここで説明した磁束制御システムは、電磁作動装置を制御するために使用されても良い。この場合、可動部材の移動は、１または複数の常磁性体コアを通過する磁束を制御することによって制御される。
【００６０】
図４は、前述した新規な磁束制御システム１０と共に使用できる電磁アクチュエータ４０を概略的に示している。一般に、電磁アクチュエータ４０は、外側の固定アセンブリ４１と、固定アセンブリ４１によって形成された孔内に配置された可動部材とを備えている。図示の実施形態において、外側の固定アセンブリ４１は、磁気的に分離され且つＥ−コア４３Ａ、４３Ｂ、４３Ｃを備える略同一の３つの磁束発生器を備えている。各Ｅ−コアは、中央アームと２つの二次アームとを有するＥ形状のコアを形成する実質的に同一の常磁性体（例えばスチール）の積層体から成る。この場合、二次アームは、中央アームの両側に位置されている。ヨーク部は、中央アームを二次アームに接続する。図示の実施形態では、各Ｅ−コアにおいて、中央アームの幅は、二次アームの幅よりも大きい。一実施形態では、各Ｅ−コアにおいて、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１／２または１／２よりも僅かに小さい。一般に、Ｅ−コア４３Ａ、４３Ｂ、４３Ｃを構成するために、切換式リラクタンスマシンのステータコアを構成するために使用される同じ構成技術を使用しても良い。
【００６１】
各Ｅ−コア４３Ａ、４３Ｂ、４３Ｃの中央アームの周囲に位相コイルが配置されている。図示の実施形態において、各位相コイルＡ、Ｂ、Ｃは、同じ巻数であり、同じ方法で形成されており、これにより、３つの位相コイルＡ、Ｂ、Ｃは「対称」となっている。
【００６２】
各位相コイルは、そのそれぞれのＥ−コアの中央アームの周囲に配置されており、これにより、位相コイルに電気エネルギが加えられると、位相コイルに電流が流れ、Ｅ−コアを貫く磁束が形成されるようになっている。Ｅ−コア４３Ａ、４３Ｂ、４３Ｃの位相コイルＡ、Ｂ、Ｃに電流が流れる時に形成されるおおよその磁束経路が図４に曲線で示されている。図示のように、３つのＥ−コアにおけ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、中央アームを貫く中央磁束経路と、二次アームを貫く２つの二次磁束経路とを形成する。
【００６３】
図４を再び参照すると分かるように、３つのＥ−コア４３Ａ、４３Ｂ、４３Ｃから成る装置は、Ｅ−コアによって略三角形の孔が形成されるようになっている。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。図示の実施形態において、可動部材４２は、実質的に同一の常磁性体（例えばスチール）の積層体から成るが、他の実施形態においては、可動部材が永久磁石（誘導コイル）または電磁石を有していても良い。
【００６４】
この開示内容から利益を得る当業者であれば分かるように、図４の電磁アクチュエータ４０において、１つのＥ−コアの１つの位相コイルが励磁されると、可動部材に力が生じ、励磁されたＥ−コアに向って可動部材が移動するようになる。これは、位相コイルが励磁される時は、常に、励磁された位相コイルのリラクタンスが最小となる位置へと可動部材が移動する傾向があるためである。したがって、Ｅ−コア４３Ａに対応する位相コイルＡが励磁される場合には、可動部材４２は、Ｅ−コア４３Ａに向って下方に移動して、励磁されたコイルＡのリラクタンスを最小にする。
【００６５】
図４に示される実施形態において、３つのＥ−コア４３Ａ、４３Ｂ、４３Ｃは、可動部材の移動を２つの自由度に沿って制御できるように配置されている。例えば、図４のＸ、Ｙ基準表示を使用して、プラス・マイナスＸ方向（第１の自由度）およびプラス・マイナスＹ方向（第２の自由度）の両方向で且つＸ、Ｙ点によって規定される任意の経路に沿って可動部材が移動するように、可動部材を制御しても良い。このように、３つのＥ−コアを使用すると、２つの自由度に沿って可動部材を制御することができる。
【００６６】
図４の特定のアクチュエータによれば、２つの自由度に沿って可動部材を制御できるが、当業者であれば分かるように、様々な数および配置のＥ−コアを使用して、３つ以上の自由度または１つの自由度に沿って可動部材の移動を制御しても良い。例えば、たった１つの自由度に沿って（例えば、プラス・マイナスＸ軸だけに沿って）移動させることができるアクチュエータが望ましい場合には、２つだけのＥ−コアと共に実質的に矩形状の可動部材を使用することができる。一般に、励磁されたコイルのリラクタンスを最小にする位置へと可動部材が移動しようとする傾向によって可動部材の移動が引き起こされる場合、Ｎ個の自由度を制御するためには、Ｎ＋１個の位相コイルが必要である。
【００６７】
永久磁石または電磁石が可動部材上に配置される（したがって、プラスまたはマイナスの電流を用いた１つのコイルの励磁によって、１つの自由度に沿うプラスおよびマイナスの両方の力を生じさせることができる）他の実施形態においては、Ｎ個の自由度を制御するために必要なコイルがＮ個だけである。
【００６８】
図４のアクチュエータ４０を再び参照すれば分かるように、３つのＥ−コア４３Ａ、４３Ｂ、４３Ｃにおける磁束経路は、互いに独立している。すなわち、図示された３つのＥ−コアは、「磁気的に連結されていない」。このような特徴の１つの利点は、各Ｅ−コアの磁束を他のＥ−コアの磁束とは無関係に制御できるという点である。更に、図４の実施形態において、３つのＥ−コアにおける位相コイルＡ、Ｂ、Ｃは個別に励磁可能である。すなわち、これらの位相コイルは、「電気的に接続されていない」。そのため、各位相コイルの位相電流を、他の位相コイルの電流とは無関係に制御することができる。以下に詳細に説明するように、各Ｅ−コアの磁束および電流を他のＥ−コアの磁束および電流とは無関係に単独で制御できるというこのような性能は、多くの点で有益である。
【００６９】
図４を再び参照すると分かるように、各Ｅ−コアにおいて、可動部材に作用して可動部材を励磁されたＥ−コアに向けて移動させようとする力は、Ｅ−コアの中央アームを貫く磁束の平方に比例し、以下の方程式２とほぼ一致する。
【数２】

【００７０】
ここで、μ_０は、空気の透磁率を示す定数、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、ｆｌｕｘは、対象となるＥ−コアの磁束に対応する信号である。磁束の値は、磁束オブザーバ１６の説明に関連して前述したタイプの磁束オブザーバによって与えられても良い。
【００７１】
行列表示を使用すると、３つのＥ−コア４３Ａ、４３Ｂ、４３Ｃにおける磁束と、可動部材に作用して可動部材をＥ−コア４３Ａ、４３Ｂ、４３Ｃに向けて移動させようとする力との間の関係は、以下の行列方程式１によって表わすことができる。
【数３】

【００７２】
ここで、ＦＡ、ＦＢ、ＦＣは、Ｅ−コア４３Ａ、４３Ｂ、４３Ｃのそれぞれの中央アームに向けて可動部材４２を移動させようとする力を示しており、また、ｆｌｕｘ Ａ、ｆｌｕｘ Ｂ、ｆｌｕｘ Ｃは、対応するＥ−コアの実際の磁束または推定された磁束を示している。
【００７３】
単純な幾何学的計算により、以下の行列方程式２を使用して、可動部材に作用する力を、ＦＡ、ＦＢ、ＦＣ座標から、Ｘ、Ｙ座標の力に変換することができる。
【数４】

【００７４】
行列方程式１、２から分かるように、適切な基準座標系（例えば、ＦＸ、ＦＹ）による所定の任意の望ましい力の場合、その望ましい力を生じることができる十分な数、実際には可能であれば無数のｆｌｕｘ Ａ、ｆｌｕｘ Ｂ、ｆｌｕｘ Ｃの解が存在する。また、図４のアクチュエータ４０のＥ−コアおよび位相コイルの連結されていない特徴のため、これらの無数の解を不法にする制約は無い。そのため、図示のアクチュエータの特徴により、最適なｆｌｕｘ＿Ａ、ｆｌｕｘ＿Ｂ、ｆｌｕｘ＿Ｃの解を選択することができる。所望の磁束の解が選択されると、図１から図３Ａに関して前述したタイプの磁束制御システム１０を使用することにより、それを実施することができる。一般に、３つの各Ｅ−コア４３Ａ、４３Ｂ、４３Ｃの磁束を制御するためには、別個の磁束制御システム１０が必要である。
【００７５】
一般に、１つの最適な「力−磁束」解、すなわち、所望の任意のＸ、Ｙ力を、その力を生じるために必要なｆｌｕｘ＿Ａ、ｆｌｕｘ＿Ｂ、ｆｌｕｘ＿Ｃ値に変えるための変換は、最終的なシステムの磁束を最小にする解、したがって、その磁束を形成するために必要なエネルギの量を最小にする解である。そのような解は、一般に、所望の力を形成するのに最もエネルギ効率が良い手法を与える。また、多くの電磁アクチュエータにおいては、不連続な単極磁束がアクチュエータの１または複数のコア中に形成されるようなアクチェータの作動を必要とする適切な力−磁束変換が存在する。そのような不連続な磁束作用により、前述した有益なオープンループ磁束オブザーバを使用することができる。図４に示される新規な電磁アクチュエータの１つの利点は、アクチュエータの作動中に不連続な単極磁束が３つのＥ−コア４３Ａ、４３Ｂ、４３Ｃに形成されるようにアクチュエータを作動させることにより、最適な力−磁束変換が行なわれるという点である。
【００７６】
所定のシステムにおける最適な力−磁束変換は、（ｉ）様々なアクチュエータ部材（例えばＥ−コア）に関連する力とそれらのアクチュエータ部材に関連する磁束との間の関係を定めることにより（例えば、行列方程式１によって示される関係を定めることにより）、（ｉｉ）所定の基準座標系（例えばＸ、Ｙ）における所望の力と様々なアクチュエータ部材に関連する力との間の関係を定めることにより（例えば、行列方程式２によって示される関係を定めることにより）、（ｉｉｉ）所定の基準座標系における所望の力に置き換えてアクチュエータ部材の磁束について解き、最小ノルム解となる解を選択することにより、得ることができる。任意の最小ノルム解を使用することができるが、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ことが有益であることが分かった。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しており、Ｗｉｌｌｉａｍ Ｌ． Ｂｒｏｇｅｎによる現代制御理論（Ｍｏｄｅｒｎ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｔｈｅｏｒｙ）（第３版）の１６６頁に概ね記載されている。
【００７７】
所定のシステムにおける所望の力−磁束変換が定められると、力制御システムにより実際にそれを実施することができる。そのような力制御システムの一実施形態が図５に示されている。
【００７８】
図５には、図４に示されたタイプの電磁アクチュエータ４０を有する力制御システム５０が示されている。電磁アクチュエータ４０は磁束コントローラ１２’によって励磁され、磁束コントローラ１２’は、入力として、所望の磁束コマンド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を受ける。磁束推定値コマンドは磁束推定器１６’によって供給される。磁束推定器１６’は、基本的に位相コマンド毎に、図１の磁束オブザーバ１６に関して前述した任意の磁束オブザーバの形態をとっても良い。磁束コントローラ１２’は、基本的に位相毎に、コンパレータ１９’において磁束コマンドを磁束推定値と比較するとともに、増幅器２６’でエラー信号を増幅し、励磁制御回路２１’を使用することにより適切な位相コイル励磁信号を形成する。コントローラ１２’の構成は、基本的に位相毎に、図１の磁束コントローラ１２に関して前述した構成に準じていても良い。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に示されていないが、この開示内容によって利益を得る当業者にとっては自明のことである。
【００７９】
磁束コントローラ１２’には、力−磁束コントローラ５１が接続されている。力−磁束コントローラ５１は、所定の基準座標系（図５のＸ、Ｙ基準座標系）における所望の力コマンドをその入力部で受けるとともに、ｆｌｕｘ＿Ａ＿ｃｍｄ、ｆｌｕｘ＿Ｂ＿ｃｍｄ、ｆｌｕｘ＿Ｃ＿ｃｍｄという形の適切な磁束コマンドをその出力部で供給する。磁束コマンドは、図１の磁束コントローラ１２に関して前述したと同様な方法で、磁束コントローラ１２’により受けられて処理される。
【００８０】
力−磁束コントローラ５１は単なるアナログ回路によって構成されても良いが、図５に示される実施形態において、力−磁束コントローラ５１は、所望の力−磁束変換を行なうように適切にプログラムされるマイクロプロセッサまたはマイクロコントローラなどのデジタル回路を有している。力−磁束コントローラを構成するためにデジタル回路を使用することは、デジタル回路で簡単に実行される数学的な関係により力−磁束変換を簡単に行なうことができるという点で、また、デジタル回路を使用することにより力−磁束変換を簡単に変更することができるという点で、有益となり得る。また、デジタル回路を使用して力−磁束コントローラ５１を実施する場合、入力される力コマンドはデジタルであってもアナログであっても良い。アナログの場合、力コマンドを適切なデジタル値に変換するために、何らかの形式のアナログ・デジタル変換器が必要となる。同様に、デジタルの力−磁束コントローラ５１を使用すると、アナログの磁束コントローラが使用される場合、所望の磁束コマンドがデジタルであるとすると、これをアナログ信号に変換する必要がある。デジタルの力−磁束コントローラ５１の構成およびプログラミングは、この開示内容によって利益を受ける当業者の能力の範囲内である。
【００８１】
図６Ａから図６Ｄは、擬似コードブロックを用いた、プログラム化されたマイクロコントローラまたはマイクロプロセッサを使用して実施できる力−磁束コントローラ５１の１つの典型的な形態を示している。図６Ａから図６Ｄによって例示されたコントローラによって行なわれる力−磁束変換は、図４のアクチュエータにおける最小ユークリッド・ノルム解に対応している。この開示内容によって利益を受ける当業者であれば分かるように、コントローラ５１についての説明は、離散的擬似コード機能ブロックに関するものであるが、コントローラは、１または複数のプログラム化されたプロセッサ、アナログ回路、または、これら２つの組み合わせによって実現されても良い。
【００８２】
図６Ａに示されるように、力−磁束コントローラ５１の一般的な動作は、３つの高レベル機能ブロック６０、６１、６２に分割される。一般に、ＦＸＹ＿ＴＯ＿ＦＡＢＣという符号が付されている機能ブロック６０は、所定の基準座標系（ここでは、ＸＹ基準座標系）により所望の力コマンドを受けるとともに、この力コマンドを、アクチュエータ４０の物理的な配置（ここでは、Ｅ−コア４３Ａ、４３Ｂ、４３Ｃの配置）に対応する力コマンドに変換する。機能ブロック６１は、アクチュエータ４０の配置における前記力コマンドを受けるとともに、これらの力コマンドを、アクチュエータ４０の位相コイルに対応する磁束コマンドに変換する。機能ブロック６２は、コントローラ５１の全体の実施においては必要ない選択的な機能ブロックであり、ブロック６１から磁束コマンドを受けるとともに、この磁束コマンドを修正して、限られた時間の間だけ各磁束コマンドが０になるようにする。「ｆｌｕｘ＿ｚｅｒｏｉｎｇ」ブロック６２を使用することにより、アクチュエータ４０の磁束が不連続になるため、磁束オブザーバ１６に関して前述した磁束オブザーバの有利な形態の幾つかを使用することができる。以下、各機能ブロックについて詳細に説明する。
【００８３】
図６Ｂは、機能ブロック６０の構造および演算を示している。この機能ブロック６０は、ＦＸおよびＦＹという形で入力された力コマンドを、アクチュエータ４０によって直接に形成することができるＦＡ力、ＦＢ力、ＦＣ力という形の力コマンドに変換する。図示の実施形態において、機能ブロック６０は、まず最初に、ＦＸ、ＦＹコマンドを使用して、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。機能ブロック６３ａから６３ｃはそれぞれ、基本的に、ＦＸ、ＦＹコマンドに２×２行列を乗じる。この２×２行列は、基本的に位相コイル毎に、行列方程式２の考えられる各区分のプラスまたはマイナスの反転を行なう。その後、考えられる解から、適切な解が選択される。機能ブロック６３ａから６３ｃによって使用される２×２行列は図６Ｂに示されている。各機能ブロック６３ａ、６３ｂ、６３ｃは、２つの力値を出力する。これは、行列方程式２の反転を行なうことにより、ＦＡ、ＦＢ、ＦＣのそれぞれにおいて２つの解が得られるためである。システムにおける適切な解は、機能ブロック６４ａ、６４ｂ、６４ｃによって選択される。
【００８４】
図６Ｂに示されるように、各機能ブロック６４ａ、６４ｂ、６４ｃは、その入力として、その対応する機能ブロック６３ａ、６３ｂ、６３ｃから２つの力解を受ける。機能ブロック６３ａ、６３ｂ、６３ｃの特徴により、力解の少なくとも一方はプラスである。機能ブロック６４ａ、６４ｂ、６４ｃは、まず最初に、対応する中間力コマンドを０に調整することにより、マイナスの全ての力解を除去するとともに、その後、調整された２つの力コマンドのうちの大きい方を選択する。図６Ｂの特定の実施形態において、機能ブロック６４ａ、６４ｂ、６４ｃからの選択された力解は、機能ブロック６５によってピーク値に制限され、これにより、位相コイル毎に制限された力コマンドＦａ、Ｆｂ、Ｆｃが形成される。これらの実施形態においては、ブロック６５によって実行される制限機能を省くことも考えられ、あるいは、幾つかの他のシステムパラメータに応じて前記制限機能を実行することも考えられる。
【００８５】
図６Ａに示されるように、機能ブロック６０によってＦａ、Ｆｂ、Ｆｃコマンドが形成されると、これらのコマンドは機能ブロック６１によって処理され、これにより、磁束コマンドｆｌｕｘ＿Ａ＿ｖｏｌｔｓ、ｆｌｕｘ＿Ｂ＿ｖｏｌｔｓ、ｆｌｕｘ＿Ｃ＿ｖｏｌｔｓが形成される。図６Ｃには、機能ブロック６１が詳細に示されている。機能ブロック６１の演算は、基本的に位相コイル毎に成される行列方程式１の有界（＞０）反転の単純な実施を示している。具体的には、任意のマイナスのＦａ、Ｆｂ、Ｆｃコマンドが０に調整される。これは、アクチュエータ４０がマイナスの力を形成することができないためである。調整された力コマンドＦＡ、ＦＢ、ＦＣから、必要な位相コイル毎の磁束が決定される。これは、以下の式のごとく、所定の位相における前記調整された力コマンドに定数値を乗じて平方根をとることにより決定される。
【数５】

【００８６】
上記式については、前述した方程式２を参照のこと。機能ブロック６１の出力は、磁束コマンド信号ｆｌｕｘ＿Ａ＿ｖｏｌｔｓ、ｆｌｕｘ＿Ｂ＿ｖｏｌｔｓ、ｆｌｕｘ＿Ｃ＿ｖｏｌｔｓである。
【００８７】
図６Ａの特定の実施形態において、機能ブロック６１からの磁束コマンドは、入力として、限られた時間の間だけ磁束コマンドを０にする磁束ゼロ化機能ブロック６２に加えられる。そのような磁束ゼロ化ブロックは、殆どの用途においては使用する必要がなく、直線的なＸ方向の動作においてのみ不可欠となる。機能ブロック６２の厳密な形態は、デジタル力−磁束コントローラ５１がサンプリング方式で動作するか或は連続方式で動作するかどうかに応じて僅かに変化する。図６Ｄは、様々な制御パラメータ値を定期的にサンプリングするデジタルコントローラにおける機能ブロック６２の典型的な構成を示している。さらに図６Ｄは、連続的に動作するコントローラ５１における同様の機能ブロック６２’を示している。
【００８８】
図６Ｄの両方に示されるように、機能ブロック６２、６２’は、磁束コマンドｆｌｕｘ＿Ａ＿ｖｏｌｔｓ、ｆｌｕｘ＿Ｂ＿ｖｏｌｔｓ、ｆｌｕｘ＿Ｃ＿ｖｏｌｔｓを受けた後、機能ブロック６６ａ、６６ｂ、６６ｃにおいて、または機能ブロック６６ａ’、６６ｂ’、６６ｃ’において、所定の時間にわたる磁束コマンド信号の移動平均に対応する平均磁束コマンド信号を形成する。これらの平均磁束コマンド値を決定する異なる方法は、図６Ｄに示されるサンプリングコントローラと連続コントローラとの間の最も重要な差を構成する。適切なライム定数を用いて平均化する任意の形態のデジタルまたはアナログ平均化フィルタを使用することができる。
【００８９】
実際の磁束コマンドおよび平均化された磁束コマンドの両方は、機能ブロック６７に与えられる。機能ブロック６７は、実際の磁束コマンドと、平均化された磁束コマンドの一部とを比較し、所定の位相における実際の磁束コマンドが平均化された磁束コマンドの一部よりも小さい場合には、磁束コマンドを最小磁束値に調整する。実際の磁束コマンドが平均化された磁束コマンドの一部よりも大きい場合には、実際の磁束コマンドは調整されない。したがって、機能ブロック６７からの出力は、力−磁束コントローラ５１からの磁束コマンド出力ｆｌｕｘ＿Ａ＿ｖｏｌｔｓ、ｆｌｕｘ＿Ｂ＿ｖｏｌｔｓ、ｆｌｕｘ＿Ｃ＿ｖｏｌｔｓを構成する。これらの出力は、図５に示されるように、その後、アクチュエータ４０の磁束を制御するために、磁束コントローラ１２’によって処理される。
【００９０】
この開示内容から利益を得る当業者であれば分かるように、図６Ａから図６Ｄに示される特定の力−磁束変換は、この開示内容の特定の技術にしたがって構成される力−磁束コントローラによって実施できる力−磁束変換の単なる一例である。例えば、他の１つの力−磁束変換は、ＦＸ、ＦＹ力コマンドによって表わされる角度およびアクチュエータ４０を構成するＥ−コアの物理的な配置に基づいていても良い。
【００９１】
前述したように、システムにおける磁束の推定値は、例えば正確な積分器を使用した場合よりも簡単な低域通過フィルタリングによって推定される。再び図５を参照すると、本発明の特定の実施形態において、力−磁束コントローラ５１によって出力される各磁束コマンドは、ＡＣゼロ平均である。すなわち、他の全ての磁束コマンド「パルス」は反転される。そのようなシステムにおいては、その後、コイル電圧−コイル電流×コイル抵抗（Ｖｎ−Ｉｎ^＊Ｒｎ）の低域通過フィルタリングが、推定された位相磁束鎖交として使用される。
【００９２】
図７Ａは、Ｘ、Ｙにより（ｉｎ ｔｅｒｍｓ ｏｆ Ｘ ａｎｄ Ｙ）所望の力ベクトルにおける力を形成するため、アクチュエータ４０の位相コイルのうちのどれを励磁しなければならないかについて概略的に示している。基本的に、図７Ａは、ＦＸ成分およびＦＹ成分から成るベクトルで表わされた所望の力の方向に応じてどのコイルがＯＮされるかについての「ウインドウ」である。前述したと同様に、この力−磁束変換においては、任意の所定の時間に、２つの位相コイルだけが励磁される。なお、図７Ａに示されるように、ゼロＦＡ力を用いてＦＢ力とＦＣ力とを組み合わせることにより、３０°から１５０°の角度に対応する任意のコマンド力が形成されても良い。同様に、ゼロＦＢ力を用いて、ＦＡ力およびＦＣ力から、１５０°から−９０°の方向を有する任意の所望の力を形成することができ、また、ゼロＦＣ力と、ＦＡ力およびＦＢ力を用いて、−９０°から３０°のベクトル方向を有する任意の所望の力を形成することができる。
【００９３】
図７Ｂは、図７Ａによって示される力−磁束変換を実行するための適切な磁束コマンドを形成する機能ブロックを概略的に示している。まず最初に、図示の機能ブロックは、ＦＸ、ＦＹコマンドに応じて適切な力角度を計算する。その後、その角度を使用して、機能ブロックは、その角度が図７Ａのどのカテゴリーに入るかを決定し、その決定に基づいて、そのカテゴリーにおいて励磁される２つの位相コイルに適した磁束コマンドを決定する。形成されたこれらの磁束コマンドは、その後、磁束コントローラ１２’に加えられ、前述したようにシステムが動作する。
【００９４】
更に他の力−磁束変換が考えられる。例えば、２つの自由度に沿う可動部材４２の移動を制御するように設計された連結されていない３つのＥ−コアを有するアクチュエータ４０において行なわれる前述した特定の力−磁束変換がそれである。可動部材が直線移動するように配置されたＥ−コアを２つだけアクチュエータが備える他の実施形態も考えられる。そのような用途において、入力された力コマンドだけがＦＸ（またはＦＹコマンド）となる。更にまた、４つのＥ−コアを使用して、ＦＸ、ＦＹコマンドを与えることもできる。図８Ａから図８Ｃは、２Ｅ−コアリニアシステムで使用できる、すなわち、４つのコイルと共に使用できる力−磁束コントローラ８０における機能ブロックを概略的に示している。この場合、２つのコイルから成るセットのそれぞれが１つの軸（自由度）を制御する。
【００９５】
図８Ａに示されるように、図示のコントローラ８０は、ＦＸ力コマンドを受けるとともに、Ａ、Ｂで示される２つの位相コイルのための磁束コマンドを出力として形成する。一般に、機能ブロック８１は、最初に、ＦＸコマンドを、リニアアクチュエータに対応するＦＡ、ＦＢ力コマンドに変換する。また、機能ブロック８２は、これらの力コマンドを適切な磁束コマンドｆｌｕｘ＿Ａ＿ｖｏｌｔｓ、ｆｌｕｘ＿Ｂ＿ｖｏｌｔｓに変換する。
【００９６】
機能ブロック８１の詳細が図８Ｂに示されている。一般に、機能ブロック８１は、ＦＸコマンドを受けるとともに、ＦＸコマンドがマイナスの場合、ゼロの値をＦＡに割り当て、ＦＸの大きさと等しい値をＦＢに割り当てる。逆に、ＦＸコマンドがプラスの場合、機能ブロックは、ゼロの値をＦＢに割り当て、ＦＸの絶対値をＦＡに割り当てる。ＦＡ、ＦＢコマンドは、その後、ピーク値に制限される。制限されたＦＡ、ＦＢコマンドは、機能ブロック８１により、適切な磁束コマンドｆｌｕｘ＿Ａ＿ｖｏｌｔｓ、ｆｌｕｘ＿Ｂ＿ｖｏｌｔｓを決定する機能ブロック８２に供給される。
【００９７】
図８Ｃには、機能ブロック８２が詳細に示されている。図８Ｃに示されるように、機能ブロック８２は、基本的に、力コマンドがゼロ以下の場合、対応する磁束コマンドを設定し、あるいは、方程式１の逆を使用して適切な磁束コマンドを計算する。磁束コマンドｆｌｕｘ＿Ａ＿ｖｏｌｔｓ、ｆｌｕｘ＿Ｂ＿ｖｏｌｔｓは、その後、システムを励磁するために、適切な磁束コントローラに加えられる。
【００９８】
図５から図８Ｃに関して前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形成する周知のシステムから一般に得られない幾つかの利点を有している。例えば、周知の制御システムにおいて、所望の力を得るために使用される制御変数は、位相コイルに加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、本質的に制限される。なぜなら、電圧制御が使用される場合、形成される力は、制御される電圧の非線形関数であるからである。そのような非線形制御の問題は、実際には、実施することが困難でありコストがかかるとともに、動作条件および／または製造公差の変化に対応することができない。電流制御が使用される場合、システムは、オープンループ不安定となり、許容できる妥当な性能の場合、アクチュエータコアの非線形特性を扱わなければならない。これにより、電圧制御システムにおける問題と同じ非線形問題が生じる。
【００９９】
ここで説明するような磁束制御システムを使用すると、電圧制御システムまたは電流制御システムに関連する多くの問題を著しく低減し或は排除することができる。これは、磁束制御を使用すると、各アクチュエータ部材の各空隙にわたって形成される力が空隙内の磁束の平方と比例するためである。そのため、許容可能な制御を行なうために、磁性体の非線形性および電気力学における非線形性を考慮する必要がない。したがって、ここで説明する力・磁束制御システムを使用して、設計および実施が簡単で且つ安価な制御スキームを簡単且つより効率的に行なうことができる。また、前述した単純なオープンループ磁束オブザーバの使用と組み合わせると、磁束制御は、極めて効率的で且つ洗練されたシステムと成り得る。
【０１００】
図５の力制御システムによれば、アクチュエータ４０の可動部材４２に作用する力を効果的に制御できるが、多くの用途において、制御は、可動部材の動作（例えば、可動部材の位置／速度または軌道）であって、制御されることが望ましい可動部材に作用する力ではない。そのような用途の場合、可動部材の動きが所望の方法で制御されるように所望の力コマンドＦＸ、ＦＹを形成する位置／速度制御ループを加えることにより、図５のシステムを向上させることができる。前述したタイプの位置／速度制御システムの用途は非常に多い。例えば、そのような位置／速度制御システムを使用して、電磁ベアリングおよび振動・ふるい分け装置を形成することができる。そのような位置／速度制御システムの１つの特定の用途は、軌道溶接機の分野にある。そのような溶接機は、一般に、溶接される第２の部品に対する軌道運動を用いて、溶接される第１の部品（例えば、熱可塑性部品）を駆動することにより機能し、その結果、第１および第２の部品の相対移動により摩擦が生じ、部品同士が交わる部分に沿って部品が加熱され、相対移動の停止時に、部品が冷えて互いに溶接される。
【０１０１】
そのような溶接機において、一般に、第１の部品はホルダ内に配置される。第２の部品も同様にホルダ内に配置される。その後、これらの部品は、部品間の境界面に沿って互いに強制的に係合されて保持される。そして、駆動力が与えられ、所定の反復経路に沿って第２の部品が第１の部品に対して駆動され、境界面に沿って部品が摩擦的に加熱される。このようにして、反復運動の終了時、部品同士が溶接される。
【０１０２】
従来の公転溶接機は、部品間の相対移動が直線的な移動または軌道移動に制限されるように、溶接される第１の部品を移動させることができる。移動におけるこれらの規制は、多くの用途において、溶接される部品の相対移動が部品の形状と厳密に一致し得るように、様々な任意の相対移動が行なわれることが望ましいという点を考えると、制限的なものである。そのような「形状一致」は、結果として成された溶接の強度を著しく高めることができる。ここで説明した位置／速度制御システムを使用することにより、溶接される部品の直線移動、軌道移動、回転移動、または、任意の不定移動を含む任意の相対移動を溶接される部品間で行なうことができる溶接装置を構成することができる。当業者であれば分かるように、ここで説明した位置／速度制御システムは、ここに含まれる教示内容にしたがって構成することができる制御システムの単なる一例であり、他の特徴および特徴の組み合わせ（例えば、加速度、速度、位置、または、これらの任意の組み合わせ）を制御しても良い。
【０１０３】
図９は、前述した溶接装置を構成するために使用できる典型的な位置／速度制御システム９０の高レベルブロック図を示している。以下の説明は溶接装置に関するものであるが、この開示内容から利益を得る当業者であれば分かるように、開示された位置制御システムを使用して、他の用途における可動部材の位置／速度を制御することもできる。
【０１０４】
図９に示されるように、位置／速度制御システム９０は、多くの点が、図５の力制御システムと同じである。具体的には、破線のボックス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んでおり、その構成要素の全ては、図５に関して前述したように動作する。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であり、アクチェータの可動部材は、適当な溶接ホーンまたは他の適当な溶接具（図示せず）に接続されていても良い。
【０１０５】
力制御システム５０の構成要素を含んでいる以外に、位置／速度制御システム９０は、２つの別個の主要な構成要素を有している。図９の実施形態においては、まず最初に、位置／速度コントローラ９１により、力コマンド信号ＦＸ、ＦＹが形成される。位置／速度コントローラ９１は、（ｉ）アクチュエータ４０の可動部材の所望の位置／速度（軌道）を示す位置コマンド信号９２と、（ｉｉ）アクチュエータ４０の可動部材に関連付けられた現在の位置／速度または軌道の情報を示す位置／速度オブザーバ９３からのフィードバック信号とを、その入力部で受ける。一般に、位置／速度コントローラ９１は、位置／速度コマンドと位置／速度フィードバック情報とを比較して、位置／速度エラー信号を形成するとともに、これらの位置／速度エラー信号を使用して、可動部材の位置／速度を位置／速度コマンド９２によって示される位置／速度にしようとする適切な力コマンドを形成し、あるいは、軌道コマンドが与えられる場合には、軌道コマンド９２によって規定される軌道に沿って移動させようとする適切な力コマンドを形成する。
【０１０６】
位置／速度コントローラ９１は、可動部材の所望の位置／速度および／または軌道が画定される態様に応じて、多くの形態をとることができる。一実施形態において、位置／速度コントローラ９１は、アクチュエータ４０の可動部材の位置および速度を、Ｘ、Ｙ基準座標系内における可動部材の位置およびＸＹ座標系内における可動部材の速度に置き換えて制御するように構成されていても良い。そのようなシステムにおいて、位置／速度コントローラ９１に与えられる２つの入力位置コマンドは、Ｘ＿ｃｍｄ、Ｘ＿ｄｏｔ＿ｃｍｄ（Ｘ ｖｅｌｏｃｉｔｙ）、Ｙ＿ｃｍｄ、Ｙ＿ｄｏｔ＿ｃｍｄ（Ｙ ｖｅｌｏｃｉｔｙ）という形をとり、位置／速度オブザーバ９３（詳しくは以下に述べる）からの２つのフィードバックコマンドは、可動部材の実際の又は推定されたＸ、Ｙ位置および速度（例えば、Ｘ＿ａｃｔ、Ｘ＿ｄｏｔ＿ａｃｔ、Ｙ＿ａｃｔ、Ｙ＿ｄｏｔ＿ａｃｔ）という形をとる。
【０１０７】
前述した力−磁束コントローラ５１と同様に、位置／速度コントローラ９１は、マイクロプロセッサまたはマイクロコントローラ等のプログラム化されたデジタルプロセッサを使用することにより実現されても良い。特定の用途において、位置／速度コントローラ９１は、力−磁束コントローラ５１を実現するために使用されたものと同じプログラム化されたプロセッサを使用して実現されても良い。また、アナログ的な実施も考えられる。
【０１０８】
動作時、位置／速度コントローラ９１は、位置／速度コマンド発生器からＸ、Ｘ＿ｄｏｔ、Ｙ、Ｙ＿ｄｏｔコマンド信号を受けるとともに、可動部材の実際の又は推定された位置および速度を示すフィードバック信号（Ｘ＿ａｃｔ、Ｘ＿ｄｏｔ＿ａｃｔ、Ｙ＿ａｃｔ、Ｙ＿ｄｏｔ＿ａｃｔ）とコマンド信号とを比較する。瞬間の位置・速度コマンドとフィードバック信号とのこのような比較の結果として、コマンド信号とフィードバック信号との間の差に対応する４つのエラー信号（ｅＸ、ｅＹ、ｅＸ＿ｄｏｔ、ｅＹ＿ｄｏｔ）が形成される。４つのエラー信号は、その後、各用途に応じて最適化することができる適当な制御増幅率によって乗じられても良い。Ｘエラー信号（ｅＸ、ｅＸ＿ｄｏｔ）は、その後、共に足され、Ｙ信号（ｅＹ、ｅＹ＿ｄｏｔ）も共に足され、これにより、可動部材を所望の位置に位置決めし且つ所望の速度にするために必要なＦＸコマンド信号およびＦＹコマンド信号が形成される。ＦＸ、ＦＹ力コマンドは、力制御システム５０に供給される前に、バイアスおよびノイズ含有量を低減するために、帯域通過フィルタに通されても良い。フィルタにかけられた力コマンド信号ＦＸ、ＦＹは、その後、力制御システム５０の力−磁束コントローラ５１に供給される。システムの寄生モードおよび他の因子により、フィルタおよびフィルタリング作用を必要としても良く、あるいは、不要としても良い。
【０１０９】
位置／速度コントローラ９１の一実施形態において、アクチュエータ４０の可動部材のＸ、Ｙ位置および速度を示すフィードバック信号は、Ｘ、Ｙ加速度情報をコントローラ９１に対して供給できるようにアクチュエータ４０に対して位置決めされる従来の加速度計を有する位置／速度オブザーバ９３を使用することによって形成される。この実施形態において、Ｘ、Ｙで表わされる位置および速度は、全ての実用的な目的において周波数が１７０Ｈｚを上回る積分器である低域通過フィルタを使用する位置速度コントローラ９１によって得られる。正確な積分器の代わりに低域通過フィルタを使用すると、ドリフトおよびオープンループ積分器に関して生じる様々な累積した問題を除去することができる。そのような位置決めコントローラを実現するための典型的な機能ブロックが図１０Ａに示されている。
【０１１０】
図１０Ａに示されるように、位置／速度オブザーバ９３の加速度計からの加速度信号Ｘ（ｄ＿２＿ｘ＿ｄｔ＿２）、Ｙ（ｄ＿２＿ｙ＿ｄｔ＿２）は、１００Ｘ、１００Ｙで示される機能ブロックに対して入力として加えられる。デジタルコントローラ９１が使用される場合には、任意のアナログ加速度信号をデジタル値に変換するとともに、デジタル値をコントローラ９１に対して入力として加えなければならない。
【０１１１】
機能ブロック１００Ｘ、１００Ｙはそれぞれ、加速度信号を、Ｘ、Ｙ（例えば、Ｘ＿ｄｏｔ＿ｅｓｔおよびＹ＿ｄｏｔ＿ｅｓｔ）の形で表わされる可動部材の速度の推定値に変換する従来の数学的変換を含んでいる。Ｘ、Ｙ速度推定値はそれぞれ、その後、速度推定値を位置／速度推定値に変換する機能ブロック１０１Ｘ、１０１Ｙに加えられる。変換の数学的な特徴が図１０Ａに示されている。Ｘ、Ｙ速度位置推定値はそれぞれ、推定値信号を調整するゲインブロック１０２Ｘ、１０２Ｙおよびスケーリングブロック１０３Ｘ、１０３Ｙに対して入力として加えられる。推定された位置速度信号は、その後、機能ブロック１０４Ｘ、１０４Ｙにおいて、Ｘ、Ｙ位置速度コマンド信号から差し引かれ、これにより、Ｘ、Ｙ位置速度エラー信号が形成される。Ｘ、Ｙエラー信号は、機能ブロック１０５Ｘ、１０５Ｙによって組み合わされ、これにより、ＦＸ、ＦＹ信号が形成される。ＦＸ、ＦＹ信号は、低域通過フィルタ・ゲイン乗算器結合体１０６Ｘ、１０６Ｙによって修正されることにより、前述したシステムを制御するために使用されるＦＸ、ＦＹコマンドを形成する。
【０１１２】
他の実施形態においては、位置および速度ではなく、速度だけを制御することが必要であり或はその方が望ましいかもしれない。図１０Ａおよび図１０Ｂに示されるように、そのような速度制御システムにおいて、ゲイン項Ｋｓｆｂｋ＿ｘ、Ｋｓｆｂｋ＿ｙは、ブロック１０５Ｘ、１０５Ｙにおいて位置エラー信号ｅＸ、ｅＹに加えられ、０に設定される。これにより、ＦＸ、ＦＹコマンドから位置制御成分を除去することができる。
【０１１３】
図１０Ａの典型的な位置／速度コントローラは、位置／速度オブザーバ９３からの加速度情報が連続的にサンプリングされ且つＦＸ、ＦＹコマンドが連続的に形成されるシステムで使用することができる。コントローラ９１の動作が一定ではなくサンプリングされた情報に基づいて動作する他の実施形態も考えられる。そのようなサンプリングコントローラ９１のための機能ブロックが図１０Ｂに示されている。一般に、図１０Ｂのコントローラ９１は、フィルタおよび変換の数学的な特徴がコントローラのサンプリング特徴を反映するように調整される点を除き、図１０Ａのコントローラと同様である。
【０１１４】
図１０Ａおよび図１０Ｂの実施例において、位置／速度オブザーバ９３はＸ、Ｙ加速度計を備えており、アクチュエータ４０の可動部材における位置・速度推定値は、加速度計の出力部から得られる。従来の位置センサ（例えば近接センサ）を使用してＸ、Ｙ位置方向を検知する他の実施形態も考えられる。そのような他の実施形態において、速度情報は、低オーダーオブザーバ、例えば標準的で且つ決定論的なオブザーバ、積分エラーオブザーバ、カルマンフィルタオブザーバ等を使用して得られても良い。一般に、アクチュエータ４０の可動部材に関する位置・速度情報を供給することができる任意のタイプのフルオーダーまたは低オーダー位置／速度オブザーバを使用して、位置／速度オブザーバ９３を構成することができる。他の実施形態においては、位置オブザーバと共に、ピックアップコイルを使用することができる。ピックアップコイルは速度を測定する。
【０１１５】
一実施形態においては、位置／速度オブザーバ９３を省いても良く、アクチュエータ４０それ自身の電気的な特性により、アクチュエータ４０の可動部材に関する位置・速度情報が得られても良い。常に或は所定の時間において少なくとも１つの位相コイルが励磁されないようにアクチュエータ４０の位相コイルが励磁される実施形態においては、励磁されないコイルを近接センサとして使用しても良い。そのような実施形態においては、励磁されない位相コイルを高周波磁束パルスを用いて励磁し、その結果生じる電流を検出しても良い。その電流の大きさは、磁束の空隙の大きさに対して直接的且つ代数的な関係を有している。その空隙の大きさは、決定時、Ｘ位置またはＹ位置に関して完全に決定論的である。
【０１１６】
残念ながら、＋３０°から＋１２０°の方向を有する力ベクトル（図７Ａ参照）を供給するために位相コイルが必要となる場合、励磁されていないコイルからは、Ｘ位置だけしか決定することができない。そのような場合、Ｘ位置は、推定された或は実際の磁束および電流の情報から決定されても良い。推定された磁束と電流との間の関係も直接的であり且つ代数的である。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、励磁されないコイルの電気的な特性を解析することにより、完全に決定することができる。
【０１１７】
図９の位置／速度制御システムで使用される力−磁束変換は、力形成機構において非線形性を排除するため、位置／速度コントローラ９１によって形成されて使用されるエラー信号は線形力学を有し、制御システムの残りは線形方法を使用して設計されても良い。任意の従来のマルチ入力・マルチ出力線形制御設計方法を使用して、システムを調整することができ、したがって、極配置、ＬＱＧ、ロバスト等のシステムの応答を設定することがでできる。可動部材の位置および速度を瞬時に制御できるというこの性能は、振動溶接の用途においては非常に有益である。
【０１１８】
一実施形態においては、極配置を使用して、制御システムを調整する。この場合、４つの制御ゲインによってシステムのクローズドループ極が配置され、これにより、比例的な制御システムとなる。この形式の極配置が使用される場合、ＸコマンドとＹコマンドとの間には、有限な安定状態エラーおよび位相エラーが存在するが、可動部材の軌道の形状は影響されない。
【０１１９】
従来の振動溶接システムは、平均に基づく制御システムを使用する。この平均に基づく制御システムでは、システムの可動部材が円形状または楕円形状に移動するように制御され、円または楕円の平均半径が制御される。非対称な溶接工具が使用され、あるいは、可動部材の乱れが生じると、そのような平均制御システムは、システムを十分に安定化させるべく迅速に補償することができない。一方、ここに開示される新規な制御システムは、可動部材のＸ位置、Ｙ位置、Ｘ速度、Ｙ速度を瞬時に制御する。また、瞬間的な制御により、工具の非対称性および負荷の乱れに起因するＸ動作およびＹ動作の混在を排除できる。
【０１２０】
位置／速度コマンドが固定された基準座標系（例えば、Ｘ、Ｙ）で与えられる場合には、ゼロ安定状態エラーを確保するため、瞬時制御ループの周囲に、より緩慢な平均半径制御ループが置かれても良い。過負荷状態下であっても可動部材を所望の軌道に従わせるためには、そのような外側の制御ループは特に有益である。一般に、平均半径制御ループは、ＰＩ制御法則コントローラに対して入力として与えられる平均半径エラーを形成する。その後、ＰＩ制御法則は、任意の安定状態エラーを除去するが、ＸコマンドとＹコマンドとの間の位相エラーは存在する。平均半径はＤＣ変数であるため、ＰＩ制御法則コントローラは、一定の負荷の乱れを排除する。その後、半径コマンド信号全体を比例瞬時コマンド信号まで高めるため、ＰＩ制御法則コントローラの出力はコマンド半径信号に加えられる。
【０１２１】
図９に示される特定の実施形態において、入力された位置／速度コマンドは、Ｘ、Ｙ位置・速度で表わされるアクチュエータ４０の可動部材の所望の位置および速度の形で与えられる。多くの振動溶接の用途において、可動部材の所望の動作は、任意のＸ、Ｙコマンドには対応していないが、その代わり、アクチュエータ４０の可動部材の楕円移動を生じさせるＸ、Ｙコマンドに対応している。そのような用途の場合、Ｘ、Ｙ位置／速度コマンドは、所望の楕円軌道を形成するために必要なＸ、Ｙ位置・速度コマンドを形成する新規な位置／速度コマンド発生器によって形成されても良い。そのような位置／速度コマンド発生器は、その出力部が位置／速度コントローラ９１の入力部に接続される。
【０１２２】
図１１Ａは、典型的な位置／速度コマンド発生器１１０を実現するために使用できる機能ブロックの１つの典型的なセットを概略的に示している。図示のように、位置／速度コマンド発生器１１０は、アクチュエータ４０の可動部材のための所望の楕円軌道を形成するコマンド信号をその入力部で受ける。特に、位置／速度コマンド発生器１１０によって受けられるコマンド信号は、（ｉ）Ｘ軸に沿う所望の楕円軌道の長軸に対応する長軸コマンド（ｒ＿ｃｏｍｍａｎｄ）、（ｉｉ）Ｙ軸に沿う短軸に対するＸ軸に沿う長軸の比を規定する長軸−短軸比コマンドすなわち偏心コマンド（ｅｃｃ＿ｃｏｍｍａｎｄ）、（ｉｉｉ）Ｘ軸からの所望の軌道の長軸の角変位角度を規定する角度コマンド（ａｎｇｌｅ＿ｃｏｍｍａｎｄ）、（ｉｖ）可動部材が所望の楕円経路を横切る周波数を規定する作動周波数コマンド（ｆｃ）である。
【０１２３】
図１１Ａに示されるように、前述した様々な入力コマンドは、図示された適当なフィルタ１１１、１１２、１１３、１１４を使用してフィルタリングされる。前述したように外側の半径制御ループが使用される場合、フィルタに通された半径コマンド（ｒ＿ｆｉｌｔｅｒｅｄ）は、加算接合器１１５において、半径エラー補正値を使用して修正されても良い。修正された半径コマンド（ｒ＿ｅｒｒｏｒ＿ｔｏｔａｌ）は、その後、制限ブロック１１６において、特定の範囲内に入るように制限され、制限されたｒコマンドは、楕円変換ブロックに加えられる。入力された作動周波数コマンドは、その後、機能ブロック１１８、１１９ａ、１１９ｂにより、時間変化角度値に変換される。また、この角度値は、入力として、楕円変換ブロック１１７に加えられる。フィルタに通された他の入力信号（ｅｃｃ＿ｆｉｌｔｅｒｅｄ、ａｎｇｌｅ＿ｆｉｌｔｅｒｅｄ）は、楕円変換ブロック１１７に対して直接に加えられる。
【０１２４】
楕円変換ブロック１１７は、前述した信号を受けるとともに、図１１Ａに示された数学的関係を使用して、Ｘ、Ｙ位置・速度コマンド（Ｘ＿ｃｍｄ、Ｘ＿ｄｏｔ＿ｃｍｄ、Ｙ＿ｃｍｄ、Ｙ＿ｄｏｔ＿ｃｍｄ）を形成する。
【０１２５】
図１１Ａは、連続的な入力信号に応じて連続方式で動作する位置／速度コマンド発生器１１０を実現するために使用できる機能ブロックを示している。図１１Ｂは、サンプリング方式で動作することによりサンプリングされた入力信号に応じて適切な位置／速度コマンドを形成する同様の位置／速度コマンド発生器１１０’を示している。この開示内容から利益を得る当業者であれば分かるように、位置／速度コマンド発生器１１０’のフィルタ１１１’、１１２’、１１３’、１１４’がフィルタ１１１、１１２、１１３、１１４と異なる点を除き、位置／速度コマンド発生器１１０と位置／速度コマンド発生器１１０’とは実質的に同一である。
【０１２６】
この開示内容から利益を得る当業者であれば分かるように、前述した位置／速度コマンドと異なる位置／速度コマンドを図９の位置／速度制御システムに加えることができる。一般に、その限界内で方形波として描かれても良い任意の周期的な波形を描くために、任意の適切な位置／速度コマンド信号がフーリエ級数へと展開されても良い。例えば、以下の関係に従う時間の関数として、入力Ｘ、Ｙ位置・速度コマンドを形成することができる。すなわち、Ｘ＿ｃｍｄ（ｔ）＝ｒ^＊ｃｏｓ（ｏｍｅｇａ^＊ｔ）；Ｘ＿ｄｏｔ＿ｃｍｄ（ｔ）＝−ｒ^＊ｏｍｅｇａ^＊ｓｉｎ（ｏｍｅｇａ^＊ｔ）；Ｙ＿ｃｍｄ（ｔ）＝ｒ^＊ｅｃｃ^＊ｓｉｎ（ｏｍｅｇａ^＊ｔ）；Ｙ＿ｄｏｔ＿ｃｍｄ（ｔ）＝ｒ^＊ｅｃｃ^＊ｏｍｅｇａ^＊ｃｏｓ（ｏｍｅｇａ^＊ｔ）。ここで、ｒは主軸（長軸）、ｅｃｃは所望の偏心度、ｏｍｅｇａは所望の作動周波数に対応し、ｔは時間である。
【０１２７】
また、前述した所望の楕円軌道は、（（Ｘ／Ａ）＾ｎ＋（Ｙ／Ｂ）＾ｎ＝ｒ）によって規定される「超楕円」と一致するように形成されても良い。ここで、ｎは２以上の整数である。そのような超楕円軌道は、コマンド基準信号のフーリエ級数により、角速度ωで横切られる。その後、位置／速度制御システムは、駆動性能および帯域幅の限界まで、位置／速度波形を辿ろうとする。
【０１２８】
図１２Ａから図１２Ｄは、図９に関して前述したタイプの位置／速度コントローラの動作を示している。各図は、アクチュエータ４０の可動部材のＸ、Ｙ移動、ＦＸ、ＦＹコマンド、磁束コマンド、３つの位相コイルＡ、Ｂ、Ｃにおける磁束値を示している。図１２Ａは、無負荷（ｎｏ−ｌｏａｄ）状態でのＸ軸に沿う直線移動におけるシステムの動作を示しており、図１２Ｂは、全負荷（ｆｕｌｌ−ｌｏａｄ）状態下での同じタイプの移動におけるシステムの動作を示している。同様の態様で、図１２Ｃおよび図１２Ｄは、無負荷および全負荷のそれぞれの状態での円形移動におけるシステムの動作を示している。
【０１２９】
図１２Ａから図１２Ｄを明確にするため、前述したように構成される磁束コントローラによってアクチュエータ４０に形成される磁束は、無負荷および全負荷の両方の状態において、不連続であり、磁束コマンドを厳密に辿る。
【０１３０】
前述した位置／速度制御システムは全て、固定された基準座標系（例えば、Ｘ、Ｙ）に基づいている。制御のために使用される基準座標系が回転座標に基づく他の実施形態も考えられる。そのような回転基準座標系を使用すると、所望の達成目標において、必要なサンプリングレートを減少させることができるとともに、位相・振幅トラッキングを向上させることができる。また、そのような回転基準座標系を使用すると、ＰＩ制御法則コントローラを使用することにより、ゼロ安定状態エラーを最小限に抑えおよび／または確保することができる。これは、そのような基準座標系において、そのような「回転」制御システムによって使用される制御変数がＤＣ量であるためである。
【０１３１】
本発明の一実施形態において、回転位置／速度コントローラは、ＱＤ回転基準座標系に基づいて構成されても良い。ＱＤ回転基準座標系において、可動部材の移動は、Ｘ、Ｙ位置・速度によって規定されるのではなく、その成分が安定状態でＰＣ量である対応するベクトルをそれぞれ有する回転ベクトルＱ、Ｄによって規定される。そのようなＱＤ位置／速度制御システムは、後述する一般的な例外を伴って、ＸＹ制御システムに関して前述したのと同様の方法で機能する。
【０１３２】
回転位置／速度コントローラが使用される場合、位置／速度コントローラへの位置／速度コマンド、および、アクチュエータの可動部材の位置／速度を示す位置／速度オブザーバ９３からのフィードバック信号は、ＱＤ基準座標系の形式で供給されても良い。また、位置／速度コマンドおよびフィードバック信号は、ＸＹ位置・速度の形式で供給されても良い。この場合、位置／速度コマンドおよびフィードバック信号は、ＸＹ基準座標系からＱＤ基準座標系に変換しなければならない。これらの変換は、プログラム化されたデジタルプロセッサを使用して行なわれても良い。
【０１３３】
図１３は、本発明の特定の態様にしたがって構成されるＱＤ制御システム１３０を概略的に示している。一般に、ＱＤ制御システムはＱＤコントローラ１３２を有している。このＱＤコントローラ１３２は、その入力部で、位置コマンド信号を受けるとともに、アクチュエータ４０の可動部材の所望の動作を所定のＱＤ基準座標系で規定する。具体的には、図示の実施形態において、入力されるＱＤ位置コマンドは、（ｉ）Ｑベクトルの所望の瞬間の大きさ及び符号を規定するｑ＿ｃｍｄ、（ｉｉ）所望のＤベクトルの所望の瞬間の大きさ及び符号を規定するｄ＿ｃｍｄ、（ｉｉｉ）Ｑベクトルの大きさの変化の所望の割合を規定するｑ＿ｄｏｔ＿ｃｍｄ、（ｉｖ）Ｄベクトルの大きさの変化の所望の割合を規定するｄ＿ｄｏｔ＿ｒｅｆ、（ｖ）システムの所望の作動周波数を規定するｆｃである。一般に、Ｑ、Ｄは、＞０または＜０であっても良い準静的変数である。
【０１３４】
図１３の典型的なコントローラ１３０は、軌道溶接装置で使用できるようになっており、そのため、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ようになっている。したがって、ＱＤ制御動作は、回転楕円ＱＤ基準座標系で行なわれる。適切な回転楕円基準座標系を規定するために、ＱＤコントローラ１３０は、２つの別個の変数を必要とする。前述したｅｃｃ＿ｃｏｍｍａｎｄと同様な第１の変数（ｅｃｃ＿ｃｏｍｍａｎｄ）は、楕円におけるＹ軸に沿う短軸に対するＸ軸に沿う長軸の比を規定する。第２の変数（デルタ）は、固定されたＸ軸からオフセットする回転楕円基準座標系の長軸のオフセット角を規定する。
【０１３５】
ＱＤコントローラ１３２への他の入力は、アクチュエータ４０の可動部材の位置／速度に関する情報を与えるフィードバック信号を含んでいる。一般に、これらの信号は、位置／速度オブザーバ９３によって与えられる。この位置／速度オブザーバ９３は、前述した位置／速度オブザーバ９３と同様に、Ｘ、Ｙ加速度計を有している。位置／速度オブザーバ９３からのＸ、Ｙ位置／速度情報は、適切な回転楕円ＱＤ基準座標系における可動部材のＱＤパラメータに対応するｑ、ｄ、ｑ＿ｄｏｔ、ｄ＿ｄｏｔ信号に変換される。この変換は、ブロック１３１によって示されるＸＹ−ＱＤ間変換演算によって行なわれる。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コントローラ１３２に供給される。その後、ＱＤコントローラは、可動部材におけるＱＤ情報とコマンドＱＤ情報とを比較して、所望のＱ力コマンドＦＱおよびＤ力コマンドＦＤを形成するために使用されるＱＤエラー信号を形成する。これらの力コマンドは、その後、ブロック１３３で示されるＱＤ−ＸＹ間変換演算により、ＦＸ、ＦＹ基準座標系の対応する力コマンドに変換される。ＦＸ、ＦＹ信号は、その後、図５の力制御システムに関して前述した方法でアクチュエータ４０に加えられる力を制御する力制御システム５０に加えられる。
【０１３６】
図１３のＱＤコントローラ１３２およびブロック１３１、１３３は、プログラム化されたデジタルプロセッサを使用することにより実現される。図１４Ａから図１４Ｄは、典型的なＱＤコントローラ１３２およびブロック１３１、１３３を実現するために使用できる機能ブロックを概略的に示している。図示のコントローラは、連続方式で動作するが、この開示内容によって利益を受ける当業者であれば分かるように、ここで与えられた技術によってサンプリングＱＤコントローラを構成することもできる。
【０１３７】
図１４Ａには、ＱＤコントローラ１３２およびブロック１３１、１３３の概要が示されている。図示の実施形態において、図示のＱＤコントローラは、Ｘ、Ｙ加速度計を備える位置／速度オブザーバ９３から、Ｘ、Ｙ加速度情報を受ける。Ｘ、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、これにより、図１０Ａに関して前述した方法により、Ｘ＿ｅｓｔ、Ｘ＿ｄｏｔ＿ｅｓｔ、Ｙ＿ｅｓｔ、Ｙ＿ｄｏｔ＿ｅｓｔ信号が形成される。ＸＹ推定位置・速度情報は、その後、変換機能ブロック１４０に対して入力として供給される。変換機能ブロック１４０は、機能ブロック１０１Ｘ、１０１ＹからのＸＹ情報を適切な回転楕円ＱＤ基準座標系に変換する。図１４Ｃは、機能ブロック１４０の演算を詳細に示している。
【０１３８】
Ｘ、Ｘ＿ｄｏｔ、Ｙ、Ｙ＿ｄｏｔが直接に測定されて前述したように推定される或はＸ、Ｘ＿ｄｏｔ、Ｙ、Ｙ＿ｄｏｔのいずれかから推定される他の実施形態も考えられる。また、ａＸ、ａＹをａＱ、ａＤに直接に変換することができ、また、Ｑ、Ｑ＿ｄｏｔ、Ｄ、Ｄ＿ｄｏｔのためのオブザーバを回転基準座標系で使用することもできる。
【０１３９】
図１４Ｃに示されるように、機能ブロック１４０は、３つのサブ機能ブロック１４１、１４２、１４３を備えている。これらの機能ブロックは、位置／速度オブザーバ９３からのＸＹ情報を、所望の回転楕円基準座標系におけるＱＤ情報に変換する。初めに、Ｘ＿ｅｓｔ、Ｘ＿ｄｏｔ＿ｅｓｔ、Ｙ＿ｅｓｔ、Ｙ＿ｄｏｔ＿ｅｓｔ信号が機能ブロック１４１に供給される。機能ブロック１４１は、ＸＹ信号を、前述したデルタ変数の値に対応する量だけ標準的な固定基準座標系から回転されるＸＹ基準座標系における対応する信号に変換する。したがって、機能ブロック１４１の出力は、入力されたデルタ変数によって規定される角度だけ固定ＸＹ基準座標系からオフセットされるＸＹ基準座標系におけるＸＹ位置・速度データを構成する。
【０１４０】
機能ブロック１４１からのデルタ調整されたＸ、Ｙ情報は、機能ブロック１４２に対して入力として加えられる。機能ブロック１４２は、デルタ調整されたＸＹ信号を受けるとともに、これらの信号を、所望の楕円基準座標系の偏心度を吸収するように調整されるＸＹ基準座標系におけるＸＹ信号に変換する。一般に、機能ブロック１４２は、楕円の主Ｘ軸と主Ｙ軸との間の差に関して、デルタ調整されたＸＹ信号を調整する。図１４Ｃに示されるように、機能ブロック１４２に対する１つの出力は、ｅｃｃ＿ｃｏｍｍａｎｄである。
【０１４１】
機能ブロック１４２からのデルタ−ｅｃｃ調整されたＸＹ信号（Ｘ＿ｃ、Ｘ＿ｄｏｔ＿ｃ、Ｙ＿ｃ、Ｙ＿ｄｏｔ＿ｃ）は、機能ブロック１４３に対して入力として加えられる。一般に、機能ブロック１４３は、その入力（固定ＸＹ基準座標系で表わされる入力）を、回転円形基準座標系で表わされるＱＤ信号に変換する。しかしながら、ＸＹ−円形ＱＤ機能ブロック１４３に対する入力は、デルタ−ｅｃｃ調整されたＸＹ信号であるため、機能ブロック１４３からのｑ＿ｅｓｔ、ｄ＿ｅｓｔ、ｑ＿ｄｏｔ＿ｅｓｔ、ｄ＿ｄｏｔ＿ｅｓｔ信号は、回転楕円ＱＤ基準座標系における信号と等しい。図１４Ｃに示されるように、ｆｃコマンドは、「シータ」変数となるように、機能ブロック１４３で使用される。シータ変数は、２^＊ｐｉ^＊ｆｃ^＊ｔとして規定される。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、図示のコントローラの特定の実施において特に重要になると考えられる。これは、入力ＸＹコマンドを適切な回転楕円基準座標系に対応するＱＤコマンドに正確に変換するために、適切な調整が行なわれるからである。
【０１４３】
再び図１４Ａを参照すると、機能ブロック１４３からのｑ＿ｅｓｔ、ｄ＿ｅｓｔ、ｑ＿ｄｏｔ＿ｅｓｔ、ｄ＿ｄｏｔ＿ｅｓｔ信号は、符号１４４で全体的に示された一群の機能ブロックに加えられる。機能ブロック１４４は、アクチュエータ４０の可動部材の位置／速度を示す推定ＱＤ信号と、コマンドＱＤ信号とを比較して、ＱＤエラー信号を形成する。また、機能ブロック１４４は、マルチ入力／マルチ出力ＰＩ制御法則等の任意の適切な制御法則を実行しても良い。機能ブロック１４４からのＱＤエラー信号は、行列加算ブロック１４５によって適切に加算され、これにより、力コマンド信号ＦＱ、ＦＤが形成される。加算行列１４５における典型的な変数が図１４Ｂに示されている。
【０１４４】
図１４Ａの実施形態において、力コマンド信号ＦＱ、ＦＤは、低域通過フィルタ１４６ａ、１４６ｂに通される。低域通過フィルタに通されたＦＱ、ＦＤ信号は、その後、機能ブロック１４７により、対応するＦＸ、ＦＹコマンドに変換される。機能ブロック１４７を実現するために使用できるサブ機能ブロックの一般的な例示が図１４Ｄに与えられている。
【０１４５】
図１４Ｄに示されるように、フィルタに通されたＦＱ、ＦＤ信号は、最初に、対応するＸＹ力コマンド信号ＦＸ＿ｃｉｒｃ、ＦＹ＿ｃｉｒｃに変換される。図示の実施形態において、機能ブロック１４８によって行なわれる変換は、コントローラによって使用されるＱＤ基準座標系の楕円の特徴または固定ＸＹ基準座標系からの基準座標系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、ＦＹ＿ｃｉｒｃコマンドは、その後、機能ブロック１４９に対して入力として加えられる。また、機能ブロック１４９は、ｅｃｃ＿ｃｏｍｍａｎｄを入力として受ける。一般に、機能ブロック１４９は、ＦＸ＿ｃｉｒｃ、ＦＹ＿ｃｉｒｃコマンドを、ＦＸ、ＦＹコマンド（ＦＸ＿ｅｌｉｐ、ＦＹ＿ｅｌｉｐ）に変換する。これらのＦＸ、ＦＹコマンドは、図示のＱＤコントローラによって使用される回転楕円基準座標系の楕円の特徴を考慮するように調整される。しかしながら、機能ブロック１４９からのＦＸ、ＦＹコマンドは、ＱＤコントローラによって使用される回転楕円基準座標系における固定ＸＹ基準座標系からのデルタオフセットを反映するように調整されない。そのような調整は、機能ブロック１５０によって行なわれる。機能ブロック１５０は、機能ブロック１４９からの信号およびデルタ変数に対応する信号を受けるとともに、これらの入力に応じて、ＦＸ、ＦＹコマンド信号を形成する。図１４Ｄに示される変換は、信号の適切な変換を確実とするために上述した特定の順序によって、図１４Ｃに示される変換共に行なわれなければならない。
【０１４７】
図１４Ａに示されるように、機能ブロック１５０からのこれらのＦＸ、ＦＹ信号は、その後、ゲイン増幅器によって増幅されるとともに、前述したようにアクチュエータ４０の可動部材に加えられる力を制御するために力コントローラに供給される。
【０１４８】
（ｉ）ＸＹフィードバック信号を回転楕円ＱＤ基準座標系に変換するため、（ｉｉ）回転楕円ＱＤ基準座標系で制御法則機能を実施してＱＤ力コマンドを形成するため、（ｉｉｉ）回転ＱＤ基準座標系における力コマンドをＸＹ力コマンドに変換するためには、前述した様々な変換演算は複雑のように思われるが、これらは幾つかの利点を与える。具体的には、前述した変換により、システムの制御法則を実施するために機能ブロック１４４で実際に使用される制御変数はＤＣ量となる。そのため、マルチ入力、マルチ出力ＰＩ、他のゼロ安定状態エラー制御法則を使用することができる。そのような制御法則を使用すると、従来の制御手法から利用できるシステムの性能を更に良好にすることができる。これは、特に、前述した変換の使用が新規である軌道溶接機において言えることである。特に、前述した変換および制御法則を使用すると、外側の半径制御ループが不要となる。これは、そのようなループによって行なわれる制御機能が、機能ブロック１４４、１４５、１４６により実行される制御法則によって扱われるためである。
【０１４９】
前述した図示の実施形態に関して本発明を説明してきたが、当業者であれば分かるように、本発明から逸脱することなく、多くの変形を成すことができる。例えば、ここでは、主に、磁束制御システムを使用するシステムにおいて新規なアクチュエータ４０が記載されているが、このアクチュエータは、アクチュエータ４０のＥ−コアの正弦磁束を形成する従来のインバータ等を含む多くの様々な装置によって励磁されても良いことは言うまでもない。新規のアクチュエータ４０のそのような用途は、洗練されておらず、あるいは、ここで説明した新規な磁束コントローラを用いてアクチュエータが励磁される用途と同じ性能を有していないが、Ｅ−コアおよびＥ−コアにおける位相コイルの連結されていない特徴の結果として、多くの利点を与える。前述した様々なタイプを考慮すると、前述した説明は、単なる一例であり、限定する目的のものではないことは言うまでもない。したがって、ここで求められている保護は、請求の範囲に記載されているものである。
【図面の簡単な説明】
【０１５０】
【図１】本発明の特定の態様に係る新規な磁束制御システムを示している。
【図２Ａ】図１に示された磁束制御システムのより詳細な一実施形態を示している。
【図２Ｂ】図１に示された磁束制御システムのより詳細な一実施形態を示している。
【図２Ｃ】ゼロ復帰エラー制御回路の典型的な実施形態を示している。
【図３Ａ】図１の制御システムで使用できるオープンループ磁束オブザーバの典型的な実施形態を概略的に示している。
【図３Ｂ】電磁システムの磁束に対応する信号を供給する低域通過フィルタを使用する回路を概略的に示している。
【図４】図１の新規な磁束制御システムと共に使用できる電磁アクチュエータを概略的に示している。
【図５】本発明の特定の教示内容にしたがって構成された所望の力−磁束変換を実行する力制御システムの一実施例を概略的に示している。
【図６Ａ】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使用することにより実行できる力−磁束変換の典型的な形式を擬似コードブロックにより概略的に示している。
【図６Ｂ１】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使用することにより実行できる力−磁束変換の典型的な形式を擬似コードブロックにより概略的に示している。
【図６Ｂ２】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使用することにより実行できる力−磁束変換の典型的な形式を擬似コードブロックにより概略的に示している。
【図６Ｂ３】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使用することにより実行できる力−磁束変換の典型的な形式を擬似コードブロックにより概略的に示している。
【図６Ｂ４】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使用することにより実行できる力−磁束変換の典型的な形式を擬似コードブロックにより概略的に示している。
【図６Ｂ５】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使用することにより実行できる力−磁束変換の典型的な形式を擬似コードブロックにより概略的に示している。
【図６Ｃ】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使用することにより実行できる力−磁束変換の典型的な形式を擬似コードブロックにより概略的に示している。
【図６Ｄ１】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使用することにより実行できる力−磁束変換の典型的な形式を擬似コードブロックにより概略的に示している。
【図６Ｄ２】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使用することにより実行できる力−磁束変換の典型的な形式を擬似コードブロックにより概略的に示している。
【図７Ａ】Ｘ、Ｙで表わされる所望の力因子における力を形成するために励磁しなければならない図４のアクチュエータの様々な位相コイルの表示を概略的に示している。
【図７Ｂ】実施時に、図７Ａに示された磁束−力変換を実行するために適切な磁束コマンドを形成する一群の機能ブロックを概略的に示している。
【図８Ａ】可動部材の直線移動を生じさせるために使用できる力−磁束コントローラのための機能ブロックを概略的に示している。
【図８Ｂ】可動部材の直線移動を生じさせるために使用できる力−磁束コントローラのための機能ブロックを概略的に示している。
【図８Ｃ】可動部材の直線移動を生じさせるために使用できる力−磁束コントローラのための機能ブロックを概略的に示している。
【図９】本発明の特定の教示内容にしたがって構成される典型的な位置制御システムの高レベルブロック図である。この位置制御システムは、振動溶接装置を構成するために使用できる。
【図１０Ａ】図９の装置で使用できる位置コントローラを実現するために使用できる機能ブロックを概略的に示している。
【図１０Ｂ】サンプリング方式で動作するコントローラを反映するように調整される図１０Ａと同様の機能ブロックを示している。
【図１１Ａ】本発明の特定の教示内容にしたがって位置コマンド発生器を実現するために使用できる典型的な機能ブロックのセットを概略的に示している。
【図１１Ｂ】サンプリングされた入力信号に応じて位置コマンド信号を形成するためにサンプリング方式で動作する図１０Ａと同様の位置コマンド発生器を示している。
【図１２Ａ１】様々な動作形態において、図９に示されるタイプの位置コントローラの動作を概略的に示している。
【図１２Ａ２】様々な動作形態において、図９に示されるタイプの位置コントローラの動作を概略的に示している。
【図１２Ｂ１】様々な動作形態において、図９に示されるタイプの位置コントローラの動作を概略的に示している。
【図１２Ｂ２】様々な動作形態において、図９に示されるタイプの位置コントローラの動作を概略的に示している。
【図１２Ｃ１】様々な動作形態において、図９に示されるタイプの位置コントローラの動作を概略的に示している。
【図１２Ｃ２】様々な動作形態において、図９に示されるタイプの位置コントローラの動作を概略的に示している。
【図１２Ｄ１】様々な動作形態において、図９に示されるタイプの位置コントローラの動作を概略的に示している。
【図１２Ｄ２】様々な動作形態において、図９に示されるタイプの位置コントローラの動作を概略的に示している。
【図１３】本発明の特定の教示内容にしたがって構成されるＱＤ制御システムの一形態を概略的に示している。
【図１４Ａ】図１３の典型的なＱＤコントローラを実現するために使用できる機能ブロックを概略的に示している。
【図１４Ｂ】図１３の典型的なＱＤコントローラを実現するために使用できる機能ブロックを概略的に示している。
【図１４Ｃ】図１３の典型的なＱＤコントローラを実現するために使用できる機能ブロックを概略的に示している。
【図１４Ｄ】図１３の典型的なＱＤコントローラを実現するために使用できる機能ブロックを概略的に示している。

Claims (20)

1. 電磁アクチュエータのための力制御システムであって、前記アクチュエータは、１つのコアを有する固定部材と、１つの可動部材と、少なくとも１つの位相コイルとを有し、前記位相コイルは、位相コイルが励磁される時に前記コア内に磁束を形成して前記可動部材に力を作用させるように配置されている力制御システムにおいて、
   前記可動部材の瞬間の位置および速度を示す信号を出力するオブザーバと、
   前記オブザーバからの出力と、所望の位置および所望の速度を示す信号とを受ける位置コントローラであって、前記オブザーバからの出力と前記所望位置・速度信号とを比較して位置・速度エラー信号を形成するとともに、前記位置・速度エラー信号に基づき所望の速度をもって前記可動部材を所望の位置に位置決めするために必要な力コマンド信号を形成する位置コントローラと、
   前記力コマンド信号を受けて、この力コマンド信号を磁束コマンド信号に変換するとともに、磁束コマンド信号に基づいて位相励磁信号を形成する磁束コントローラと、
   を備えている力制御システム。
2. 前記可動部材の位置は、Ｘ、Ｙ基準座標系において制御される、請求項１に記載の力制御システム。
3. 前記可動部材の速度は、Ｘ、Ｙによって制御される、請求項１に記載の力制御システム。
4. 前記オブザーバが加速度計を有している、請求項１に記載の力制御システム。
5. 前記オブザーバは、前記位置コントローラに接続される出力部を有する第１および第２の加速度計を備え、前記位置コントローラは、前記加速度計から受けた信号を、前記可動部材の位置および速度の推定値に変換する、請求項４に記載の力制御システム。
6. 前記位置コントローラは、前記位置・速度エラー信号に対して位置ゲイン項および速度ゲイン項を加えて、力コマンド信号を形成する、請求項５に記載の力制御システム。
7. 前記位置ゲイン項は、前記可動部材の速度だけが制御されるように、ゼロと等しく設定される、請求項６に記載の力制御システム。
8. 前記位置コントローラは、オブザーバからの出力信号を連続的に受ける、請求項１に記載の力制御システム。
9. 前記位置コントローラは、オブザーバからの出力信号を周期的にサンプリングする、請求項１に記載の力制御システム。
10. 電磁アクチュエータのための力制御システムであって、前記アクチュエータは、１つのコアを有する固定部材と、１つの可動部材と、１つの位相コイルとを有し、前記位相コイルは、位相コイルが励磁される時に前記コア内に磁束を形成して前記可動部材に力を作用させるように配置され、前記可動部材に作用する力は、磁束の大きさに応じて変化する力制御システムにおいて、
    入力部と出力部とを有し、前記入力部が前記位相コイルに接続される磁束オブザーバであって、前記位相コイルに印加される電圧を低域通過フィルタに通して、前記位相コイルの磁束を推定するとともに、推定された磁束を示す信号を前記出力部で供給する磁束オブザーバと、
    磁束コマンド信号および前記磁束オブザーバからの出力を受ける磁束コントローラであって、位相励磁信号を供給することにより、前記磁束コマンド信号が少なくとも所定の大きさだけ前記推定された磁束信号よりも大きい時に、前記位相コイルの磁束を増大させるように前記位相コイルを励磁するとともに、磁束フィードバック信号が少なくとも所定の大きさだけ前記磁束コマンド信号よりも大きい時に、前記位相コイルの磁束を減少させるように前記位相コイルを励磁する磁束コントローラと、
    を備えている力制御システム。
11. 前記磁束コントローラに接続された出力部を有し、所定の基準座標系における所望の力コマンドを入力として受けるとともに、前記磁束コマンド信号を前記出力部で供給する力−磁束コントローラを更に備え、
    前記力−磁束コントローラは、前記可動部材に関連付けられた力と前記コア内の磁束との間の関係に基づいて、前記所望の力コマンドを前記磁束コマンド信号に変換する、請求項１０に記載の力制御システム。
12. 前記磁束オブザーバは、Ｖｎ−Ｉｎ^＊Ｒｎを低域通過フィルタに通し、Ｖｎは前記位相コイルの電圧であり、Ｉｎは前記位相コイルの電流であり、Ｒｎは前記位相コイルの抵抗である、請求項１０に記載の力制御システム。
13. 孔を画定するとともに、１つのコアを有する外側の固定アセンブリと、
    それ自身が励磁される時に前記コア内に磁束を形成するように配置された位相コイルと、
    前記コア内に形成される磁束により力を受けるように、前記固定アセンブリによって形成される前記孔内に配置された可動部材と、
    入力部と出力部とを有し、前記入力部が前記位相コイルに接続される磁束オブザーバであって、前記位相コイルに印加される電圧を低域通過フィルタに通して、前記位相コイルの磁束を推定するとともに、推定された磁束を示す信号を前記出力部で供給する磁束オブザーバと、
    磁束コマンド信号および前記磁束オブザーバからの出力を受ける磁束コントローラであって、位相励磁信号を供給することにより、前記磁束コマンド信号が少なくとも所定の大きさだけ前記推定された磁束信号よりも大きい時に、前記位相コイルの磁束を増大させるように前記位相コイルを励磁するとともに、磁束フィードバック信号が少なくとも所定の大きさだけ前記磁束コマンド信号よりも大きい時に、前記位相コイルの磁束を減少させるように前記位相コイルを励磁する磁束コントローラと、
    を備えている電磁アクチュエータ。
14. 前記外側の固定アセンブリは、磁気的に分離された実質的に同一の複数のＥ−コアを備え、各Ｅ−コアは、中央アームと、２つの二次アームとを形成している、請求項１３に記載の電磁アクチュエータ。
15. 前記位相コイルが複数の位相コイルから成り、前記各位相コイルは、Ｅ−コアの前記中央アームを取り巻き、これにより、所定の位相コイルに電気的なエネルギが加えられると、対応するＥ−コアに磁束が形成される、請求項１４に記載の電磁アクチュエータ。
16. 前記複数の位相コイルが２つの位相コイルから成る、請求項１５に記載の電磁アクチュエータ。
17. 前記複数の位相コイルが４つの位相コイルから成る、請求項１５に記載の電磁アクチュエータ。
18. 前記磁束コントローラに接続された出力部を有し、所定の基準座標系における所望の力コマンドを入力として受けるとともに、前記磁束コマンド信号を前記出力部で供給する力−磁束コントローラを更に備え、
    前記力−磁束コントローラは、前記可動部材に関連付けられた力と前記コア内の磁束との間の関係に基づいて、前記所望の力コマンドを前記磁束コマンド信号に変換する、請求項１３に記載の力制御システム。
19. 前記磁束オブザーバは、Ｖｎ−Ｉｎ^＊Ｒｎを低域通過フィルタに通し、Ｖｎは前記位相コイルの電圧であり、Ｉｎは前記位相コイルの電流であり、Ｒｎは前記位相コイルの抵抗である、請求項１３に記載の力制御システム。
20. 前記位相コイルが電気的に接続されておらず、これにより、任意の所定の位相コイルを流れる電流は、任意の他の位相コイルを流れる電流によって制約されない、請求項１５に記載の電磁アクチュエータ。

Images