JP6800041B2 - リニアモータ制御システム - Google Patents
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Description
特許文献1には、可動子をばね支持したリニア振動モータについて、リニア振動モータの動作状態に基づいて駆動電流の基準となる第1の交流電流(比較電流)の交流電流波形を作成する電流波形生成部、リニア振動モータに供給される駆動電流を検出する電流検出部、及び第1の交流電流(比較電流)と電流検出部の出力である第2の交流電流波形(瞬時値)との差分が小さくなるよう制御する制御部を備えるモータ駆動制御装置が開示されている。制御部は、駆動電流がリニア振動モータの共振駆動周波数となるよう調整する旨記載されている。
そこで、本発明は、駆動効率及び振動騒音特性を向上し得るリニアモータ制御システムを提供する。
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
以下、本発明の実施例について図面を参照しつつ説明する。同様の構成要素には同様の符号を付し、重複する説明を省略する。
本発明の各種の構成要素は必ずしも個々に独立した存在である必要はなく、一の構成要素が複数の部材から成ること、複数の構成要素が一の部材から成ること、或る構成要素が別の構成要素の一部であること、或る構成要素の一部と他の構成要素の一部とが重複すること、などを許容する。
電機子2は、磁極4、磁極4それぞれに捲回される巻線6、及びブリッジ7を有する。磁極4は、例えば、積層した電磁鋼板からなり、供給部の一例である巻線6に交番電流を通電することにより、可動子3の永久磁石3aを往復運動させる電磁力を発生させることができるよう構成されている。図1に示す圧縮機1は、その一例として、可動子3の軸方向(鉛直方向)に対し、その両側に空隙を介して可動子3を挟むよう対向配置される対をなす磁極4を二組有し、これら二組の対をなす磁極4は軸方向(鉛直方向)に沿ってブリッジ7により規定される間隔にて離間している。二組の対をなす磁極4に捲回される巻線6へ交番電流を制御装置5により通電することにより、永久磁石3aが各対をなす磁極4に交互に引き付けられることで、可動子3が往復運動する。なお、以下では、可動子3が鉛直方向に往復運動する場合を一例として説明するが、往復運動の方向は鉛直方向に限られるものではない。例えば、可動子3が水平方向に往復運動するよう構成しても良く、また、鉛直方向に対し任意の角度を有する方向に可動子3が往復運動する構成としても良い。これら、可動子3が往復運動する方向の総称として軸方向と称する。
電機子2及び可動子3の相対往復運動の方向において、可動子3の一端側にはピストン12が接続されている。このため、可動子3の往復運動に伴って、シリンダブロック11のシリンダ11a内において、ピストン12がシリンダブロック11の内面と摺動しつつ往復動可能である。シリンダ11a内のピストン12、シリンダブロック11の内面及びシリンダヘッド13で囲まれた領域は、流体が圧縮及び膨張される圧縮室となる。
或いは、界磁子としての可動子3が静止し、電機子2がシリンダブロック11と共に可動子3の軸方向に平行に往復運動する構成としても良い。この場合、例えば、界磁子としての可動子3のうち、共振ばね14と接続される側に支持部材の一端を接続固定し、支持部材の他端を接地(地面或いは床に固定)又は設置台上に固定する。これにより、可動子(界磁子)3は固定子として機能し、電機子2及びシリンダブロック11が、可動子(界磁子)3の軸方向に平行な方向に往復運動する。
以下では、圧縮機1の動作状態が、無負荷の定常運転状態の場合、及び有負荷の定常運転状態の場合のそれぞれについて、共振ばね14の一端に接続される物体である可動子3の共振周波数がどのように決定されるかを説明する。
次に圧縮機1の駆動方法について説明する。可動子3に作用する主な力として、巻線6に交番電流を通電することで発生する電磁加振力Felec、共振ばね14による復元力Fspring、シリンダ11a内外のガスの差圧によるガス圧縮力Fgasが挙げられる。
ガス圧縮力Fgasを無視する場合、すなわち、圧縮機1として負荷の無い運転条件(無負荷条件)においては、可動子3の質量M及び共振ばね14のばね定数Ksにより定まる共振周波数が電磁加振力Felecの周波数と一致したときに共振状態となる。このとき、他の駆動周波数と比較して小さい電磁加振力Felec、すなわち、実効値の小さな交番電流にて可動子3を往復運動させることが可能となる。ここで,電磁加振力Felecの周波数は可動子3に供給する交流磁界の周波数に等しく、電磁加振力Felecの周波数は、巻線6に印加する交番電流の周波数によって操作することができる。
ガス圧縮力Fgasを考える場合、ガス圧縮力Fgasに含まれるガスばね成分Frによって、共振周波数は無負荷条件の場合の値から乖離する。ガスばね成分Frとは、ガス圧縮力Fgasのうち、可動子3の振動振幅に比例する復元力の成分を指す。ガスばね成分Frはピストン12のストローク方向の移動量をXとすると、次式(2)で与えられる。
(ガス圧縮力及び電磁加振力のストローク移動量に対する非線形性)
次に可動子3に作用する外力であるガス圧縮力Fgas及び電磁加振力Felecのストローク移動量Xに対する非線形特性について説明する。
ガス圧縮力Fgasには図2に示したように、上述のガスばね成分Frの他に、ストローク移動量X(可動子3の位置xの変化量)に関して高次の成分も含まれている。これは、ガス圧縮力Fgasがストローク移動量Xに比例しない事実からも明らかである。これは、可動子3に作用する外力(ガス圧縮力Fgas)に、基本波周波数以外の高次の周波数成分が含まれることを意味する。
電磁加振力Felecは、巻線6に印加する交番電流に略比例する励磁推力Fiとディテント力Fdの和で求められる。ここで、励磁推力Fiは、巻線6に交番電流が印加されることで発生する磁界と可動子3を構成する永久磁石3aとの相互作用によって発生する力である。また、ディテント力Fdは、巻線6への交番電流の通電(印加)の有無にかかわらず、永久磁石3aが磁極4に吸引されることによって発生する力である。
圧縮機1の駆動制御について説明する。一般にモータの駆動制御方式として、巻線への印加電流が所定の指令波形となるよう制御する電流指令制御と、巻線への印加電圧が所定の指令波形となる制御する電圧指令制御に大別することができる。本実施例では駆動制御方式として電圧指令制御を一例として用いるが、先ずは以下にそれぞれの制御方式について説明する。
電流指令制御では、巻線6に印加する交番電流の電流値の制御を行う。上述のように、励磁推力Fiは巻線6に印加する交番電流に略比例するため、電流指令制御はモータ推力を間接的に制御しているといえる。図5に、圧縮機における電流指令制御における制御ブロック線図を示す。圧縮機1においては、上述のように可動子3を共振周波数ωLで駆動したときに、高効率な駆動が実現される。そのため、巻線6に印加する交番電流の周波数ωIが共振周波数ωLとなるように周波数制御を行う必要がある。
交番電流の周波数ωIが共振周波数ωLとなるときを考えると、電磁加振力Felecによる共振が発生するため、可動子3のストローク量が急激に増大する。圧縮機1のような往復動圧縮機においては、可動子3のストローク量は圧縮媒体の吐出流量に関連するパラメータであるため、その制御が重要である。また、可動子3のストローク量が過剰に大きくなると、ピストン12がシリンダヘッド13に衝突する虞が生じる。そのため、可動子3のストローク量を、圧縮機1に接続するシステムまたは機器にて要求される圧縮媒体の吐出流量に応じて制御する必要がある。
ここで、圧縮機1における回路方程式を考える。巻線6に印加する交番電圧をV、巻線6に流れる電流をI、巻線6のインダクタンスをL、電気抵抗をR、可動子3の位置をx、推力定数をK、時間をtとすると、以下の式(5)が成立する。
電流検出部(図1及び図5において図示せず)にて検出された巻線6を流れる電流値Iは、位置推定部52、周波数制御部53、及び電流制御部54へそれぞれ入力される。
ストローク制御部51は、負荷に応じて設定されるストローク指令x*と位置推定部52より入力される可動子3の推定位置x^との差分(偏差)をストローク指令x**として求め、求めたストローク指令x**を電流制御部54へ出力する。ここで、ストローク指令x**は、x**=X**sin(ωI・t+φ)で表される。X**は可動子3の指令ストローク振幅値である。ストローク制御部51が、負荷に応じて設定されるストローク指令x*と位置推定部52より入力される可動子3の推定位置x^との差分(偏差)をストローク指令x**として求めることにより、上述の圧縮機1に接続するシステムまたは機器にて要求される圧縮媒体の吐出流量(負荷)に応じた制御が実行される。
電圧変換部55は、電流制御部54より電流指令値I*を入力すると、最終的にモータ端子または巻線6に印加されるのは電圧であるため、電流指令値I*を出力電圧指令値vに変換する。電圧変換部55は、変換後の出力電圧指令値vをインバータ56へ出力する。
電圧指令制御では、巻線6に印加する交番電圧の電圧値の制御を行う。図7に圧縮機における電圧指令制御における制御ブロック線図を示す。上述の図5に示した電流指令制御における制御ブロックと異なる点は、電流制御部54及び電圧変換部55に代えて、電圧制御部57を有する点にある。
一般的に、モータ効率が良いように設計されたモータにおいては、抵抗による電圧降下RIや、インダクタンスによる誘導起電力L(dI/dt)よりも、可動子3の移動によって発生する誘起電圧K(dx/dt)が交番電圧Vの成分の中で支配的となる。そのため、交番電圧Vが一定の条件下では可動子3の速度(dx/dt)が略一定とみなすことができる。これは電圧指令制御が実質的に可動子3の速度制御に近似することを意味する。ここで可動子3の位置xが次式(6)のような正弦波で表すことができるとする。
以上から、電圧指令制御においては、交番電圧の周波数ωvを変化させても、電流指令制御のときとは異なり、可動子3のストローク量が大きく変化することはない。よって、「ストローク制御」と「周波数制御」を平行して実行することが容易となる。
電流検出部(図1及び図7において図示せず)にて検出された巻線6を流れる電流値Iは、位置推定部52、周波数制御部53、及び電圧制御部57へそれぞれ入力される。
ストローク制御部51は、負荷に応じて設定されるストローク指令x*と位置推定部52より入力される可動子3の推定位置x^との差分(偏差)をストローク指令x**として求め、求めたストローク指令x**を電流制御部54へ出力する。ここで、ストローク指令x**は、x**=X**sin(ωv・t+φ)で表される。X**は可動子3の指令ストローク振幅値である。ストローク制御部51が、負荷に応じて設定されるストローク指令x*と位置推定部52より入力される可動子3の推定位置x^との差分(偏差)をストローク指令x**として求めることにより、上述の圧縮機1に接続するシステムまたは機器にて要求される圧縮媒体の吐出流量(負荷)に応じた制御が実行される。
周波数制御部53は、入力された電流値I(交番電流)を用いて上述の式(5)により、共振周波数ωLとなるよう交番電圧Vの周波数ωvを調整し、電圧制御部57へ出力する。
図10は、図1に示す制御装置のブロック線図である。図10に示すように、制御装置5は、ストローク制御部51、位置推定部52、周波数制御部53、電圧制御部57、基本波抽出部58、電流制御部(高調波減衰部)59、及びインバータ56を備える。
電流検出部(図1及び図5において図示せず)にて検出された巻線6を流れる電流値Iは、基本波抽出部58に入力される。基本波抽出部58は、入力された電流値Iを基本波成分(基本波)と高周波成分(高調波)とに分離する。そして、基本波抽出部58は、分離した基本波を、位置推定部52、周波数制御部53、及び電圧制御部57へそれぞれ出力する。また、基本波抽出部58は、分離した高調波を電流制御部(高調波減衰部)59へ出力する。ここで基本波とは、圧縮機1の駆動周波数成分である。基本波抽出の方法としては、例えば、フーリエ変換により時間領域の信号を周波数領域の信号に変換した後に、該当する周波数域の信号を抽出する。なお、本実施例では、基本波抽出部58により分離された基本波を位置推定部52へ出力する構成を示すが、必ずしもこれに限られるものではない。例えば、電流検出部にて検出された巻線6を流れる電流値Iを、基本波抽出部58及び位置推定部52へ入力するよう構成しても良い。すなわち、位置推定部52へ電流値Iの基本波成分及びその高次成分を含んだ信号を入力する構成としても良い。
このように、出力電圧Vの位相を制御することは、実質的に出力電圧Vの周波数ωvを制御することと同等である。例えば、出力電圧Vの位相を進めるためには、出力電圧Vの周波数ωvに対して正のフィードバックを行う(周波数を大きくする)ことで達成でき、出力電圧Vの位相を遅延させるためには、出力電圧Vの周波数ωvに対して負のフィードバックを行う(周波数を小さくする)ことで達成できる。
電圧制御部57より出力された指令電圧振幅V*(出力電圧振幅)と電流制御部(高調波減衰部)59より出力された高調波減衰電圧とが加算され、出力電圧指令値vとしてインバータ56に入力され、インバータ56により巻線6に交番電圧が印加される。
上述の実施例1では、式(5)の圧縮機1における回路方程式において、電流値Iが関与する項目のみを考慮して、電流制御部(高調波減衰部)59が電圧補正量を決定する構成としている。これに対し本実施例では、式(5)の回路方程式において、可動子3の位置(速度)が関与する誘起電圧K(dx/dt)をも考慮して、電流制御部(高調波減衰部)59bが電圧補正量を決定する構成としている。従って、実施例1に比して、より高精度に電流値Iの高周波成分をゼロに近付けるための電圧補正量を決定することができる。
また、上述の実施例1乃至実施例4においてリニアモータ制御システムの一例として示した圧縮機1(リニア圧縮機)は、エアサスペンションにおいて車高を調整するために作動流体を圧縮する圧縮機に適用できる。
更にまた、上述の実施例1乃至実施例4においてリニアモータ制御システムの一例として示した圧縮機1(リニア圧縮機)は、凝縮器及び蒸発器を有する冷蔵庫において、液冷媒を圧送する圧縮機にも適用可能である。
更にまた、上述の実施例1乃至実施例4においてリニアモータ制御システムの一例として示した圧縮機1(リニア圧縮機)は、冷凍空調機としての、例えば、クライオスタット、エアコン等にも適用できる。
2・・・電機子
3・・・可動子(界磁子)
3a・・・永久磁石
4・・・磁極
5,5a,5b,5c・・・制御装置
6・・・巻線
7・・・ブリッジ7
11・・・シリンダブロック
11a・・・シリンダ
12・・・ピストン
13・・・シリンダヘッド
14・・・共振ばね
51,51a・・・ストローク制御部
52,52a・・・位置推定部
53・・・周波数制御部
54・・・電流制御部
55・・・電圧変換部
56・・・インバータ
57,57a・・・電圧制御部
58・・・基本波抽出部
59,59b,59c・・・電流制御部(高調波減衰部)
Claims (9)
- 一端が弾性体に接続され永久磁石を有する界磁子と、磁極に捲回される巻線を有する電機子を備え、前記界磁子と電機子を相対的に軸方向に往復運動させる機器と、
電流検出部により検出された前記巻線を流れる交番電流に基づき、前記巻線に印加する交番電圧を制御する制御装置と、を備えるリニアモータ制御システムであって、
前記制御装置は、
前記電流検出部により検出された前記巻線を流れる交番電流を、基本波成分と高調波成分に分離する基本波抽出部と、
前記高調波成分を減衰し得る高調波減衰電圧を出力する高調波減衰部と、
前記交番電流の基本波成分の周波数が、前記界磁子と前記電機子との間に作用する外力及び前記界磁子の質量に基づき定まる共振周波数に近づくよう制御し、交番電圧の周波数を出力する周波数制御部と、
少なくとも前記交番電流の基本波成分又は前記電流検出部により検出された前記巻線を流れる交番電流に基づき、前記界磁子の位置を推定する位置推定部と、
負荷に応じて設定される界磁子の第1ストローク指令と前記位置推定部により推定された界磁子の推定位置との差分を、第2ストローク指令として出力するストローク制御部と、を備え、
交番電流の基本波成分及び高調波減衰電圧、並びに前記第2ストローク指令及び前記周波数制御部から出力される交番電圧の周波数に基づき、前記巻線に印加する交番電圧を制御することを特徴とするリニアモータ制御システム。 - 請求項1に記載のリニアモータ制御システムにおいて、
前記制御装置は、
前記ストローク制御部から出力される第2ストローク指令と前記周波数制御部から出力される交番電圧の周波数に基づき、出力電圧振幅を決定する電圧制御部を有し、
決定された出力電圧振幅に基づき、前記巻線に印加する交番電圧を制御することを特徴とするリニアモータ制御システム。 - 請求項2に記載のリニアモータ制御システムにおいて、
前記制御装置は、
前記巻線に交番電圧を印加するインバータを有し、
前記電圧制御部により決定された出力電圧振幅と前記高調波減衰部より出力された高調波減衰電圧とを加算することにより生成される出力電圧指令値を、前記インバータへ出力することを特徴とするリニアモータ制御システム。 - 請求項3に記載のリニアモータ制御システムにおいて、
前記周波数制御部は、前記交番電流の基本波成分及び前記位置推定部により推定された界磁子の推定位置に基づき、交番電圧の周波数を出力することを特徴とするリニアモータ制御システム。 - 請求項3に記載のリニアモータ制御システムにおいて、
前記位置推定部は、前記電圧制御部により決定された出力電圧振幅と前記高調波減衰部より出力された高調波減衰電圧とを加算することにより生成される出力電圧指令値と、前記交番電流の基本波成分又は前記電流検出部により検出された前記巻線を流れる交番電流とに基づき、前記界磁子の位置を推定することを特徴とするリニアモータ制御システム。 - 請求項5に記載のリニアモータ制御システムにおいて、
前記周波数制御部は、前記交番電流の基本波成分及び前記位置推定部により推定された界磁子の推定位置に基づき、交番電圧の周波数を出力することを特徴とするリニアモータ制御システム。 - 請求項3に記載のリニアモータ制御システムにおいて、
前記高調波減衰部は、前記基本波抽出部により分離された高調波成分と前記位置推定部により推定された界磁子の推定位置とに基づき、前記高調波成分を減衰し得る高調波減衰電圧を出力することを特徴とするリニアモータ制御システム。 - 請求項7に記載のリニアモータ制御システムにおいて、
前記位置推定部は、前記電圧制御部により決定された出力電圧振幅と前記高調波減衰部より出力された高調波減衰電圧とを加算することにより生成される出力電圧指令値と、前記交番電流の基本波成分又は前記電流検出部により検出された前記巻線を流れる交番電流とに基づき、前記界磁子の位置を推定することを特徴とするリニアモータ制御システム。 - 請求項3乃至請求項8のうち、いずれか1項に記載のリニアモータ制御システムにおいて、
前記界磁子は可動子であり、前記電機子に対し軸方向に往復運動することを特徴とするリニアモータ制御システム。
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