JP5256903B2 - 磁気浮上システム - Google Patents

Description

本発明は、浮上体の重量を永久磁石による発生した磁力で支持し、励磁電流を０に制御する磁気浮上システムに関する。

従来の磁気浮上システムは、電磁石と永久磁石を組み合わせた複合磁気回路を構成する吸引型磁気浮上系において、制御対象のモデルを用いて電流センサによる検出した電磁石の励磁電流に基づいて制御を行っている（例えば、非特許文献１参照）。
図３は従来技術を用いた磁気浮上システムの構成を示すブロック図である。
図３において、３１は電流設定値、３２は積分器、３３は制御対象、３４は状態オブザーバ、３５はフィードバックゲインである。
次に、動作について説明する。
まず励磁電流Ｉ＝０および目標位置の近傍で制御対象を線形近似する。この近似モデルを用いて状態オブザーバ３４を構成し、そして状態オブザーバ３４による推定した状態量を用いて状態フィードバック制御を行いながら、電流設定値と励磁電流との偏差を積分器３２に入力する。
この磁気浮上システムは、状態オブザーバを用いて状態フィードバック制御を行うことで、目標位置の近傍で制御系の安定性が補償され、そして電流設定値を０とすることで、負荷荷重と永久磁石による浮上力とが釣り合い、励磁電流の定常値が０となるように制御することによって電力アンプ消費電力を低減できる。これをゼロパワー制御と称している。
このように、従来技術の磁気浮上装置は、状態オブザーバを用いた電流制御によって電力アンプ消費電力を低減するものである。
電気学会論文集Ｄ、１２６巻１２号、２００６年、ｐ．１６６７−１６７７

磁気浮上システムは、高い運動精度が要求される半導体製造分野で多く利用されている。このような分野では、テーブルの位置決め精度や運動精度が極めて高い精度で要求され、さらには、テーブルの熱膨張等が製造される半導体の品質に影響を与えるようになってきている。テーブル自体も振動を抑制するために重量物化する傾向にあり、そのためにテーブルを非接触に支持するために励磁電流は大きくなる傾向にある。励磁電流が大きくなるとその分発熱が大きくなり、テーブルに熱が伝達され熱膨張が発生する要因となっており、浮上させる励磁電流を小さくすることが望まれている。そこで、ゼロパワー制御が注目されるようになってきた。
従来の磁気浮上システムでは、目標位置の近傍の近似線形モデルを用いて制御系を構成したので、負荷荷重の変動などの要因で実際の浮上体が目標位置からずれた場合に状態オブザーバによる推定した浮上力が実際の浮上力と異なるため、制御系の安定性をすら保証できないという問題があった。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、負荷荷重の変動があっても、厳密なモデルに基づいて浮上力と励磁電流を相互変換して浮上体位置の制御を行いながら、目標電流（０）と励磁電流をカット周波数が低いローパスフィルタに通させて得た定常励磁電流との偏差に基づいて位置指令を修正することにより、安定的に励磁電流の定常値が０となるようなゼロパワー制御を実現できる磁気浮上システムを提供することを目的とする。

上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したのである。
本願発明は、固定部材と、この固定部材に対して空隙を介して非接触状態に保持される浮上体と、前記浮上体または前記固定部材のいずれか一方に配置される励磁コイルを有する電磁石と、前記励磁コイルに流れる励磁電流を検出する電流センサと、前記電磁石の磁束と磁路を共有するように配置される永久磁石と、前記電磁石の前記磁路における前記浮上体と前記固定部材との間の前記空隙を検出するギャップセンサと、目標位置と目標電流と浮上体位置および前記励磁電流に基づいて電圧指令を算出する電圧指令計算部と、前記電圧指令を増幅することにより前記励磁コイルに励磁電圧を与えるようにした電力増幅器とを備え、前記電圧指令計算部は、前記励磁電流をローパスフィルタに入力して定常励磁電流を算出し、前記目標電流と前記定常励磁電流との差信号を位置指令補正部に入力して位置指令補正信号を算出し、前記目標位置と前記位置指令補正信号を足し合わせた位置指令から前記浮上体位置を差し引いて得た位置偏差を位置制御部に入力して浮上力指令を算出し、前記浮上体位置および前記浮上力指令を浮上力／電流変換手段に入力して電流指令を算出し、前記電流指令と前記励磁電流との差信号を電流制御部に入力して前記電圧指令を算出するものである。
また、本願発明は、固定部材と、この固定部材に対して空隙を介して非接触状態に保持される浮上体と、前記浮上体または前記固定部材のいずれか一方に配置される励磁コイルを有する電磁石と、前記励磁コイルに流れる励磁電流を検出する電流センサと、前記電磁石の磁束と磁路を共有するように配置される永久磁石と、前記電磁石の前記磁路における前記浮上体と前記固定部材との間の前記空隙を検出するギャップセンサと、目標位置と目標電流と浮上体位置および前記励磁電流に基づいて電圧指令を算出する電圧指令計算部と、前記電圧指令を増幅することにより前記励磁コイルに励磁電圧を与えるようにした電力増幅器とを備え、前記電圧指令計算部は、前記励磁電流をローパスフィルタに入力して定常励磁電流を算出し、前記目標電流と前記定常励磁電流との差信号を位置指令補正部に入力して位置指令補正信号を算出し、前記目標位置と前記位置指令補正信号を足し合わせた位置指令から前記浮上体位置を差し引いて得た位置偏差を位置制御部に入力して浮上力指令を算出し、前記浮上体位置および前記励磁電流を電流／浮上力変換手段に入力して浮上力推定値を算出し、前記浮上力指令と前記浮上力推定値との差信号を浮上力制御部に入力して前記電圧指令を算出するものである。
また、本願発明は、前記目標電流が、０となるように制御されるものである。
また、本願発明は、前記位置指令補正部は、積分手段を含むものである。

本願発明によると、励磁電流をフィードバックして電流マイナーループ制御行うと共に、浮上体位置をフィードバックして位置マイナーループ制御を行うことにより、浮上体を安定的に浮上させることができる。また、目標電流と励磁電流をカット周波数が低いローパスフィルタに通させて得た定常励磁電流との偏差に基づいて位置指令を修正することで、浮上体を、永久磁石による浮上力と負荷荷重とが釣り合う位置に浮上させることによって、励磁電流の定常値が目標電流となるように制御することができる。
また、負荷荷重の変動があっても、励磁電流の定常値が０となるようなゼロパワー制御を達成することができる。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

図１は、本発明の第１実施例を示す磁気浮上装置のブロック図である。
図１において、１００は電圧指令計算部であり、位置制御部１、浮上力／電流変換手段２、電流制御部３および位置指令補正部６を含んでおり、目標電流Ｉ^＊と励磁電流Ｉとの差信号を位置指令補正部６に入力して位置指令補正信号Ｇ_ｃを算出し、目標位置Ｇ^＊と位置指令補正信号Ｇ_ｃを足し合わせた位置指令Ｇ_ｒから浮上体位置Ｇを差し引いて得た位置偏差を位置制御部１に入力して浮上力指令Ｆ_ｒを算出し、浮上体位置Ｇと浮上力指令Ｆ_ｒを浮上力／電流変換手段２に入力して電流指令Ｉ_ｒを算出し、電流指令Ｉ_ｒと励磁電流Ｉとの差信号を電流制御部３に入力して電圧指令Ｖ_ｒを算出する。４は電力増幅器であり、電圧指令計算部１００から受けた電圧指令を増幅して励磁電圧を出力する。８は固定部材であり、移動しない。９は浮上体であり、浮上力により浮上される。固定部材８と浮上体９に対向してそれぞれ強磁性部材が設定され、磁路を形成する。励磁コイル７はこの磁路を通して電磁石となる。永久磁石１１もこの磁路を共有するように配置される。５は電流センサであり、励磁コイル７に流れる励磁電流Ｉを検出する。１０はギャップセンサであり、磁路における固定部材と浮上体とのギャップを検出して浮上体位置Ｇを算出する。また、１２は負荷である。
以下、磁気浮上制御装置の原理について説明する。
制御系は以下説明するように３重制御を行っている。
まず、電流制御部３の調整により励磁電流Ｉを電流指令Ｉ_ｒに追従させる（以下、電流マイナーループ制御と言う）。
次に、位置制御部１の調整により浮上体位置Ｇを位置指令Ｇ_ｒに追従させる（以下、位置マイナーループ制御と言う）。ここで、制御系を安定させるため、浮上力／電流変換手段２では、浮上力ＦとギャップＧおよび励磁電流Ｉとの関係を表す式（１）に基づいて式（２）のように位置制御部１の出力である浮上力指令Ｆ_ｒを電流指令Ｉ_ｒに変換する。
Ｆ＝ｆ（Ｇ，Ｉ） （１）
Ｉ_ｒ＝ｆ^−１（Ｇ，Ｆ_ｒ） （２）
ただし、ｆ（・）は一定な関数であり、磁気浮上装置の構造から導出するか、実験或いはシミュレーションで近似式を求める。
一般的に、電流マイナーループ制御の応答特性が位置マイナーループ制御の応答特性より遥かに高いので、位置マイナーループ制御を考察する場合に、式（３）のように電流指令Ｉ_ｒを励磁電流Ｉと見做すことができる。
Ｉ_ｒ≒Ｉ （３）
式（３）を式（２）に代入すると、式（４）となる。
Ｉ≒ｆ^−１（Ｇ，Ｆ_ｒ） （４）
また式（４）を式（１）に代入すると、式（５）のように浮上力Ｆが浮上力指令Ｆ_ｒに等しくなることは分かる。
Ｆ≒Ｆ_ｒ （５）
すなわち、負荷荷重と関係なくほぼ浮上力指令Ｆ_ｒの通りに浮上力Ｆを発生させることができる。
従って、図１における位置指令Ｇ_ｒから浮上体位置Ｇまでのマイナー制御ループの近似等価ブロック線図を図５のように表すことができる。図５において、Ｍは負荷を含む浮上体全体の質量、５２は浮上体全体のモデルである。
図５より、負荷荷重がある程度変わっても、位置制御部をＰＩＤ制御で構成し、適切な制御パラメータを設定すれば、位置マイナーループ制御系の安定性が容易に保証される。
最後に、励磁電流Ｉをローパスフィルタ１５に入力して定常励磁電流Ｉ_ｆを算出し、目標電流（０）と定常励磁電流Ｉ_ｆとの偏差に基づいて位置指令補正部６が位置指令補正信号Ｇ_ｃを算出し目標位置Ｇ^＊に足して位置指令Ｇ_ｒとすることで、励磁電流Ｉ或いは電流指令Ｉ_ｒが０となるように位置指令Ｇ_ｒを修正する（以下、定常電流制御と言う）。
定常電流制御系のカット周波数およびローパスフィルタ１５のカット周波数を位置マイナーループ制御系のカット周波数より十分小さく（５分の１以下）なるように位置指令補正部６およびローパスフィルタ１５のパラメータを設定する。そうすると、定常電流制御系の特性を考察する際に、位置指令Ｇ_ｒを浮上体位置Ｇ、浮上力指令Ｆ_ｒを浮上体全体の重量Ｍｇとみなすことができる。また、式（３）を考慮し、式（２）より、式（６）が成り立つ。
Ｉ＝ｆ^−１（Ｇ_ｒ，Ｍｇ） （６）
従って、図１の制御系の近似等価ブロック線図を図６のように表すことができる。図６において、６２は位置指令Ｇ_ｒから励磁電流Ｉまでの近似等価伝達関数である。
図６より、目標位置Ｇ^＊に一定な値に与え、また位置指令補正部６には積分手段を含ませれば、定常励磁電流Ｉ_ｆと目標位置Ｉ^＊（０）との定常偏差が０となり、すなわち、励磁電流Ｉの定常値が０となるゼロパワー制御を実現することができる。
以下、例を挙げてゼロパワー制御のメカニズムを説明する。
簡単のため、強磁性部材の磁気抵抗を無視し、磁路における固定部材と浮上体とのギャップを浮上体位置Ｇとすると、浮上力ＦとギャップＧおよび励磁電流Ｉとの関係を式（７）のように表すことができる。
Ｆ＝Ｋ（Ｅ+ＮＩ）^２／Ｇ^２ （７）
ただし、Ｅは永久磁石１１の起磁力、Ｎは励磁コイル７の巻線のターン数、Ｋは定数である。
図４は浮上力ＦとギャップＧおよび励磁電流Ｉとの関係の一例を示すグラフである。
図４において、線ｌ_０、線ｌ_１および線ｌ_２はそれぞれ励磁電流Ｉが０、負の電流Ｉ_１および正の電流Ｉ_２となる場合に浮上力Ｆと浮上体位置Ｇとの関係を表す。負荷荷重が一番よくなる値をＭ_０ｇとすると、永久磁石による浮上力と負荷荷重Ｍ_０ｇが釣り合うようになる浮上体位置Ｇ_０を目標位置Ｇ^＊とする。
従って、負荷荷重がＭ_０ｇである場合は、浮上体９が目標位置Ｇ^＊に到達すると、永久磁石による浮上力が負荷荷重と釣り合うため、励磁電流Ｉの定常値および定常励磁電流Ｉ_ｆが０となり、位置指令補正信号Ｇ_ｃも０となる。すなわち、浮上体９の状態がＡ_０に留まる。この場合は、位置指令補正部６がなくても、ゼロパワー制御が実現されている。
また、負荷荷重がＭ_１ｇ（Ｍ_１ｇ＜Ｍ_０ｇ）となる場合は、位置指令補正部６の制御ゲインが十分小さいので浮上体９の最初の移動期間において位置指令補正信号Ｇ_ｃも小さいため、位置指令Ｇ_ｒがほぼ目標位置Ｇ^＊（Ｇ_０）に等しいので、浮上体９がまず目標位置Ｇ^＊（Ｇ_０）に到達する。この際に、浮上体９の状態はＢ_１にあり、励磁電流Ｉの定常値が負の電流Ｉ_１になっている。よって、目標電流Ｉ^＊（０）と定常励磁電流Ｉ_ｆとの偏差ｅ_Ｉが正の値になる。一方、位置指令補正部６が積分手段を含んであるので、位置指令補正信号Ｇ_ｃが段々大きな正の値になり、位置指令Ｇ_ｒがＧ_０からＧ_１へ変化する。浮上体９がＧ_１に到達すると、永久磁石による浮上力が負荷荷重と釣り合うため、励磁電流Ｉが０となり、位置指令補正信号Ｇ_ｃが一定な値となる。すなわち、浮上体９の状態がＡ_１に留まり、励磁電流Ｉの定常値が０となる。
また、負荷荷重がＭ_２ｇ（Ｍ_２ｇ＞Ｍ_０ｇ）となる場合は、位置指令補正部６の制御ゲインが十分小さいので浮上体９の最初の移動期間において位置指令補正信号Ｇ_ｃも小さいため、位置指令Ｇ_ｒがほぼ目標位置Ｇ^＊（Ｇ_０）に等しいので、浮上体９がまず目標位置Ｇ^＊（Ｇ_０）に到達する。この際に、浮上体９の状態はＢ_２にあり、励磁電流Ｉの定常値および定常励磁電流Ｉ_ｆが正の電流Ｉ_２になっている。よって、目標電流Ｉ^＊（０）と定常励磁電流Ｉ_ｆとの偏差ｅ_Ｉが負の値になる。一方、位置指令補正部６が積分手段を含んであるので、位置指令補正信号Ｇ_ｃが段々大きな負の値になり、位置指令Ｇ_ｒがＧ_０からＧ_２へ変化する。浮上体９がＧ_２に到達すると、永久磁石による浮上力が負荷荷重と釣り合うため、励磁電流Ｉが０となり、位置指令補正信号Ｇ_ｃが一定な値となる。すなわち、浮上体９の状態がＡ_２に留まり、励磁電流Ｉの定常値が０となる。
このように、励磁電流をフィードバックして電流マイナーループ制御行うと共に、浮上体位置をフィードバックして位置マイナーループ制御を行うことにより、浮上体を安定的に浮上させることができる。また、負荷荷重の変動があっても、目標電流（０）と励磁電流をカット周波数が低いローパスフィルタに通させて得た定常励磁電流との偏差に基づいて位置指令を修正することで、浮上体を、永久磁石による浮上力と負荷荷重とが釣り合う位置に浮上させることによって、励磁電流の定常値が０となるようなゼロパワー制御を達成することができる。

図２は本発明の第２実施例を示す磁気浮上装置のブロック図である。
本実施例が第１実施例と異なる点は、電流マイナーループを構成するか、或いは浮上力マイナーループを構成するかと言うことである。第１実施例では、浮上力指令Ｆ_ｒと浮上体位置Ｇを浮上力／電流変換手段２に入力して電流指令Ｉ_ｒを算出し、電流指令Ｉ_ｒと励磁電流Ｉとの偏差を電流制御部３に入力して電圧指令Ｖ_ｒを算出するように電流制御ループを構成する。一方、本実施例では、励磁電流Ｉと浮上体位置Ｇを電流／浮上力変換手段１４に入力して式（８）のように浮上力Ｆの推定値Ｆ_ｆを算出し、浮上力指令Ｆ_ｒと浮上力の推定値Ｆ_ｆとの偏差を浮上力制御部１３に入力して電圧指令Ｖ_ｒを算出するように浮上力制御ループを構成する。
Ｆ_ｆ＝ｆ（Ｇ，Ｉ） （８）
第１実施例と同じ理由で、励磁電流をフィードバックして浮上力マイナーループ制御行うと共に、浮上体位置をフィードバックして位置マイナーループ制御を行うことにより、浮上体を安定的に浮上させることができる。また、負荷荷重の変動があっても、目標電流（０）と励磁電流をカット周波数が低いローパスフィルタに通させて得た定常励磁電流との偏差に基づいて位置指令を修正することで、浮上体を、永久磁石による浮上力と負荷荷重とが釣り合う位置に浮上させることによって、励磁電流の定常値が０となるようなゼロパワー制御を達成することができる。
なお、各実施例の磁気浮上装置は、励磁コイルを固定部材側に、永久磁石を浮上体側に設置する例を示したが、永久磁石を固定部材側に、励磁コイルを浮上体側に、或いは励磁コイルと永久磁石を共に固定部材側または浮上体側のどちら一つ側に設置して構成するようにしても構わない。
また、位置指令補正部を常に機能させるようにしていたが、浮上体位置Ｇに基づいて位置指令補正部を機能させるかどうかの判断を取り入れることも考えられる。例えば、普段位置指令補正部を機能させなく、浮上体位置Ｇが目標位置の近傍に達してから初めて位置指令補正部を機能させる。

本発明の第１実施例を示す磁気浮上装置のブロック図 本発明の第２実施例を示す磁気浮上装置のブロック図 従来技術を用いた磁気浮上装置の構成を示すブロック図 浮上力ＦとギャップＧおよび励磁電流Ｉとの関係の一例を示すグラフ 図１における位置指令Ｇ_ｒから浮上体位置Ｇまでのマイナー制御ループの近似等価ブロック線図 図１の制御系の近似等価ブロック線図

符号の説明

１００ 電圧指令計算部
１ 位置制御器
２ 浮上力／電流変換手段
３ 電流制御部
４ 電力増幅器
５ 電流センサ
６ 位置指令補正部
７ 励磁コイル
８ 固定部材
９ 浮上体
１０ ギャップセンサ
１１ 永久磁石
１２ 負荷
１３ 浮上力制御部
１４ 電流／浮上力変換手段
１５ ローパスフィルタ
３１ 電流設定値
３２ 積分器
３３ 制御対象
３４ 状態オブザーバ
３５ フィードバックゲイン
５２ 浮上体全体のモデル
６２ 位置指令Ｇ_ｒから励磁電流Ｉまでの近似等価伝達関数

Claims (4)

1. 固定部材と、この固定部材に対して空隙を介して非接触状態に保持される浮上体と、前記浮上体または前記固定部材のいずれか一方に配置される励磁コイルを有する電磁石と、前記励磁コイルに流れる励磁電流を検出する電流センサと、前記電磁石の磁束と磁路を共有するように配置される永久磁石と、前記電磁石の前記磁路における前記浮上体と前記固定部材との間の前記空隙を検出するギャップセンサと、目標位置と目標電流と浮上体位置および前記励磁電流に基づいて電圧指令を算出する電圧指令計算部と、前記電圧指令を増幅することにより前記励磁コイルに励磁電圧を与えるようにした電力増幅器とを備え、
   前記電圧指令計算部は、
   前記励磁電流をローパスフィルタに入力して定常励磁電流を算出し、前記目標電流と前記定常励磁電流との差信号を位置指令補正部に入力して位置指令補正信号を算出し、前記目標位置と前記位置指令補正信号を足し合わせた位置指令から前記浮上体位置を差し引いて得た位置偏差を位置制御部に入力して浮上力指令を算出し、前記浮上体位置および前記浮上力指令を浮上力／電流変換手段に入力して電流指令を算出し、前記電流指令と前記励磁電流との差信号を電流制御部に入力して前記電圧指令を算出することを特徴とする磁気浮上システム。
2. 固定部材と、この固定部材に対して空隙を介して非接触状態に保持される浮上体と、前記浮上体または前記固定部材のいずれか一方に配置される励磁コイルを有する電磁石と、前記励磁コイルに流れる励磁電流を検出する電流センサと、前記電磁石の磁束と磁路を共有するように配置される永久磁石と、前記電磁石の前記磁路における前記浮上体と前記固定部材との間の前記空隙を検出するギャップセンサと、目標位置と目標電流と浮上体位置および前記励磁電流に基づいて電圧指令を算出する電圧指令計算部と、前記電圧指令を増幅することにより前記励磁コイルに励磁電圧を与えるようにした電力増幅器とを備え、
   前記電圧指令計算部は、
   前記励磁電流をローパスフィルタに入力して定常励磁電流を算出し、前記目標電流と前記定常励磁電流との差信号を位置指令補正部に入力して位置指令補正信号を算出し、前記目標位置と前記位置指令補正信号を足し合わせた位置指令から前記浮上体位置を差し引いて得た位置偏差を位置制御部に入力して浮上力指令を算出し、前記浮上体位置および前記励磁電流を電流／浮上力変換手段に入力して浮上力推定値を算出し、前記浮上力指令と前記浮上力推定値との差信号を浮上力制御部に入力して前記電圧指令を算出することを特徴とする磁気浮上システム。
3. 前記目標電流が、０となるように制御されることを特徴とする請求項１または２に記載の磁気浮上システム。
4. 前記位置指令補正部は、積分手段を含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の磁気浮上システム。

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