JP4631368B2

JP4631368B2 - リニアモータ駆動装置

Info

Publication number: JP4631368B2
Application number: JP2004269946A
Authority: JP
Inventors: 護高木; 進也森本; 前村　　明彦
Original assignee: Yaskawa Electric Corp
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 2004-09-16
Filing date: 2004-09-16
Publication date: 2011-02-16
Anticipated expiration: 2024-09-16
Also published as: JP2006087232A

Description

本発明は、巻線切替え方式によるロングストロークのリニアモータにおける電流制御装置の脱調検出方法に関する。

従来のリニアモータ駆動システムの電流制御装置の脱調検出方法は、固定子上の可動子が位置決めされる所定位置に発光部（または受光部）を配設し、一方、可動子には前記発光部（または受光部）と対をなす受光部（または発光部）を設け、可動子が固定子の所定位置に位置付けられたとき受光の有無を判断して可動子の脱調を検出する。（例えば、特許文献１参照）また、位置検出器からのフィードバック信号と制御回路からの指令信号とを計数手段により計数して比較し、この比較した信号量が予め設定した規定量を超えた場合に脱調を検出しているものもある（例えば、特許文献２参照）。

先ず、特許文献１に開示の「リニアモータ装置」は、半導体製造装置等に用いられる平面ステップモータ型のリニアモータであって、この特許文献１に開示のリニアモータは、永久磁石の可動子と、コイルの固定子とで構成される、長尺ロングストロークの可動磁石型リニアモータの脱調に関する例ではないが、リニアモータの脱調の１例として示したものである。
この「リニアモータ装置」は、図６に示すように、固定子１０１の予め設定された所定位置に発光部１０４を配設し、また可動子１０２には前記発光部１０４からの光を受光する受光部１０３を設け、可動子１０２を前記固定子１０１の所定の位置に位置付けたとき、前記受光部１０３によって前記発光部１０４からの光が受光したか否かを判定する。なお、ここでは、固定子１０１の複数箇所において、光ファイバ１０５からなる発光部１０４がそれぞれ設けられており、これらの光ファイバ１０５には光源１０６から一括して、或いは選択的に光が導入される。
一方、可動子１０２に設けられる受光部１０３は、矩形状をなす可動子１０２の対角線方向に離間して設けられた一対の受光素子、例えばフォトトランジスタからなる。具体的にはこれらの一対の受光素子は、可動子１０２の相対向する隅部にそれぞれ設けられ、その受光面を固定子１０１に対峙させている。また、これらの各受光素子の受光領域の大きさ、つまり視野は前記発光部１０４の大きさに合わせて設定されており、前記発光部１０４と対向したときのみ該発光部１０４からの光を受光するものとなっている。

特に前記受光素子は、固定子１０１における発光部１０４が、溝が交差した位置にもうけられることから、該溝の配列ピッチによって規定される距離をＸ，Ｙ方向に隔てて、可動子１０２上における離間距離が最大となるように設けられている。そして前記発光部１０４は、可動子１０２に設けられる受光部１０３（受光素子）の配置位置に関連して、該可動子１０２が固定子１０１上の予め設定された脱調検出のための基準位置（所定の位置）に位置付けられたとき、前記各受光素子にそれぞれ対向する部位に設けられる。

したがって、可動子１０２が固定子１０１上の所定の位置に位置付けられ、且つその姿勢もＸ，Ｙ方向に安定に保持されているときにだけ、該可動子１０２に設けられた前期一対の受光素子が発光部１０４からの光を同時に受光することになるので、これらの一対の受光素子による受光の有無から可動子１０２の前記所定の位置への位置付けが高精度に確認されるようになっている。
かくして、上述した如く構成されたリニアモータ装置によれば、固定子１０１上で可動子１０２を移動させ、その移動位置を制御するに際して、例えば予めプログラム設定される移動経路の途中に前述した発光部１０４を設置した所定位置を組み込んでおき、可動子１０２が前記所定位置に位置付けられたときに前記発光部１０４からの光が受光部１０３にて受光されるか否かを調べることで、可動子１０２の脱調を簡単に検出することができる。しかも可動子１０２の対角線方向に離間して、その離間距離を最大化して設けられた一対の受光素子にて、発光部１０４からの光をそれぞれ検出するので、可動子１０２の僅かな姿勢変化についても確実に検出することができ、その検出精度を高めることができる。しかもＸ，Ｙ方向へのずれを一括して共通に検出することができる。

このように、従来のリニアモータ駆動システムの電流制御装置の脱調検出方法は、固定子上の可動子が位置決めされる所定位置に発光部（または受光部）を配設し、一方、可動子には前記発光部（または受光部）と対をなす受光部（または発光部）を設け、可動子が固定子の所定位置に位置付けられたとき受光の有無を判断して可動子の脱調を検出するものである。このように特許文献１に開示のリニアモータは、ロングストロークタイプの可動磁石型リニアモータ等とは反対に、固定子を永久磁石で構成し、可動子をコイルで構成したもので、いわゆる平面ステップモータ型、又はサーフェースモータ型等と呼ばれるジャンルのリニアモータである。

また、特許文献２に開示の「ボンディング装置」は半導体用ボンディング装置に内蔵の回転型ステッピングモータに関するもので、ロングストローク型のリニアモータの脱調に関するものではないが、モータ脱調の１例として示したもので、図７に示すように、外部の操作手段の操作により装置が作動すると、制御回路は、指令信号を発してパルス発生器からクロック信号に同期した制御回路で規定されたパルス信号を発生してパルスモータを駆動する。一方、前記パルスモータの回転数に応じたパルス信号を発生するエンコーダは、フィードバック信号であるパルス信号を制御回路に入力し、この入力信号に基づいて制御回路は、エンコーダから得られたパルス信号のパルス数を内部のカウンタ等からなる計数手段により計数する（ステップ２０１）。
制御回路は、エンコーダからのフィードバック信号であるパルス数と前記指令信号としてのパルス数（パルス発生器から発生するパルス数）とが一致しているかどうかを判定する（ステップ２０２）。両者のパルス数が一致しているときは、装置に異常がなく正常に作動しているものとして、ステップ２０１に戻る。両者のパルス信号のパルス数が一致していないときは、前記指令信号としてのパルス数とエンコーダからのフィードバック信号としてのパルス数との差が予め設定した規定量の範囲内かどうか判定する（ステップ２０３）。
前記パルス数の差が、予め設定した規定量の範囲内のものであるときは、ステップ２０１に戻る。しかし、前記パルス数が予め設定した規定量の範囲を超えているときは、制御回路は、何らかの異常が発生したもの、すなわち脱調とみなして装置を停止させる。

このように、従来のボンディング装置のステップモータにおける脱調検出方法は、位置検出器からのフィードバック信号と制御回路からの指令信号とを計数手段により計数して比較し、この比較した信号量が予め設定した規定量を超えた場合に脱調を検出する、という手順がとられていた。
特開平１０−２３７８５号公報（第５頁、図３）特開平１１−３１２６９３号公報（第８頁、図３）

しかしながら、特許文献１に示す従来のリニアモータ装置の脱調検出方法は、固定子上の可動子が位置決めされる所定位置に発光部（または受光部）を配設し、一方、可動子には前記発光部（または受光部）と対をなす受光部（または発光部）を設け、可動子が固定子の所定位置に位置付けられたとき受光の有無を判断して可動子の脱調を検出するという手段をとっていたので、発光部、受光部設置によって装置が複雑化しコストがかかるという問題があった。また、可動子側の発光部配置に制限を受けるという問題もあった。
また、特許文献２に示すボンディング装置の脱調検出法では、位置検出器からのフィードバック信号と制御回路からの指令信号とを計数手段により計数して比較し、この比較した信号量が予め設定した規定量を超えた場合に脱調検出する手段をとっているので、脱調検出用のエンコーダ設置にコストがかかるという問題があった。

そこで、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、脱調検出用のセンサを必要とせずに可動子を駆動している固定子数を判別し、可動子を駆動している固定子数と位置生成部で生成された位置より可動子の脱調を検出することができる巻線切替リニアモータの脱調検出方法および脱調検出装置を提供することを目的とする。

上記問題を解決するため、請求項１に記載の発明は、永久磁石により構成される磁気装荷手段を備えた可動子と、複相巻線である電気装荷手段を備えると共に空隙を介して前記可動子と対向する複数の固定子と、前記可動子と前記固定子とが対向していることを検出するセンサと、を有するリニアモータと、上位装置からの速度指令に基づいて励磁およびトルク電流指令を生成する電流指令生成部と、前記リニアモータへの出力電流を検出して電流検出値を出力する電流検出手段と、前記電流検出値と前記励磁およびトルク電流指令とが一致するように励磁およびトルク電圧指令を生成する電流制御部と、前記速度指令に基づいて位置を生成する位置生成部と、前記励磁およびトルク電圧指令と前記位置とに基づいて出力電圧を出力する電圧出力部と、を有する電流制御装置と、を備え、前記電流制御装置が、前記速度指令および前記センサの検出信号に基づいて、前記固定子の前記複相巻線に前記出力電流を順に出力して前記可動子を移動させるリニアモータ駆動装置において、前記速度指令、前記励磁およびトルク電流指令、前記励磁およびトルク電圧指令、抵抗値およびインダクタンス値であるモータ定数に基づいて通電している前記固定子のコイル数の二乗を演算し、前記固定子のコイル数の二乗に基づいて通電している前記固定子の個数を判別する固定子数判別部と、前記固定子の個数および前記位置に基づいて前記可動子が脱調しているか否かを検出する脱調検出部と、を備えたことを特徴としている。

請求項１に記載の発明によると、脱調検出用のセンサを必要とせず、可動子を駆動している固定子数を判別し、可動子を駆動している固定子数と位置生成部で生成された位置より可動子の脱調を検出することができる。
また、脱調検出用のセンサを必要とせず、可動子を駆動している固定子数を判別し、可動子を駆動している固定子数と位置生成部で生成された位置より可動子の脱調を検出することが可能な、半導体製造装置等に使用されるロングストローク・タイプの可動磁石型リニアモータ等の脱調検出装置を構成できる。

以下、本発明の方法の具体的実施例について、図に基づいて説明する。

図１は、本発明の巻線切替リニアモータの脱調検出方法を適用するリニアモータ駆動システムの電流制御装置の構成を示すブロック図である。
図において、１は固定子数判別部３において判別された可動子を駆動している固定子数１７と位置生成部５で生成された位置１８を用いて、リニアモータ１６の脱調を検出する脱調検出部であり、リニアモータ１６が脱調している場合は脱調アラーム２を出力する。２は脱調アラームであり、この脱調アラームによりリニアモータ１６を停止するなどの処理が行われ、脱調によるリニアモータの故障などを防ぐ。３は固定子数判別部で、（１）式を用いて可動子を駆動している固定子のコイル数を判別する。（１）式中、ωは速度指令４、Iは電流指令生成部６で生成された励磁電流指令(Id_refA)７およびトルク電流指令（Iq_ref）８、Vは、励磁電圧指令（Vd_ref）１０、トルク電圧指令（Vq_ref）１１を用いて、（２）式で演算される電圧指令である。

但し、
Ｎ：可動子を駆動している固定子のコイル数
Ｉ：電流指令
Ｒ＊Ｉ：抵抗による電圧降下
ωＬ：インダクタンスによる電圧降下
Ｖ：電圧指令
φω：誘起電圧
ω：速度指令である。

９は電流制御部であり、電流指令生成部６どおりにリニアモータ１６を駆動するため、電流検出手段１５より取り込んだ電流フィードバック値と電流指令生成部６から出力された励磁電流指令(Id_refA)７およびトルク電流指令（Iq_ref）８が一致するように、励磁電圧指令（Vd_ref）１０およびトルク電圧指令（Vq_ref）１１を出力する。１２は二相/三相変換部であり、電流制御部９より出力された励磁電圧指令（Vd_ref）１０およびトルク電圧指令（Vq_ref）１１をＵ相電圧（Vu_ref），Ｖ相電圧（Vv_ref），Ｗ相電圧（Vw_ref）に変換する。１３はPWM制御部で、１４は二相/三相変換部１２およびPWM制御部１３などで構成される電圧出力部である。３０は以上の構成によりリニアモータ１６を駆動する電流制御装置全体を表している。

図４は本発明の脱調検出方法を適用するリニアモータ駆動システム図である。
図５は図４に示すリニアモータ駆動システムにおける巻線切替装置を示す図である。

本発明が適用される、例えば、ロングストローク・タイプの磁石可動型リニアモータを駆動するシステムは、図４に示すように、永久磁石３６により構成される磁気装荷手段を備えた可動子３１と、該永久磁石３６に対向する巻線面を有する巻線により構成される電気装荷手段を備えた固定子３２とが空隙を介して対向し、該固定子３２はストローク方向に分割された複数の巻線群３４から成り、該巻線群３４の巻線を構成する各相の相巻線はそれぞれ巻き始めの端子と巻き終わりの端子を有し、また、該巻線群３４にはストローク方向に前記可動子３１と完全に対向していることを検出するためのセンサ３３を設けて構成されるリニアモータ１６と、図１に示したような、速度指令４を用いて電流指令を生成する電流指令生成部６と、電流を検出する電流検出手段１５と、前記電流検出手段１５により検出された電流検出値と前記電流指令とが一致するように電圧指令を生成する電流制御部９と、前記速度指令４から電圧を出力する位置１８を生成する位置生成部５と、前記電圧指令と前記位置１８とを用いて電圧を出力する電圧出力部１４と、固定子数１７を判別する固定子数判別部と、脱調を検出する脱調検出部１と、から構成される電流制御装置３０と、更に、図５に示すような、３相整流手段３７と該３相整流手段の直流出力側の両端に、半導体スイッチ３８と該半導体スイッチ３８と並列に抵抗３９とコンデンサ４０を設けることにより構成される巻線切替え装置３５とによって構成され、前記ストローク方向に分割された複数の巻線群３４の巻線を構成するそれぞれの相巻線の巻き始め端子を前記電流制御装置３０の出力端に接続し、他端を前記巻線切替え装置３５の前記３相整流手段３７の交流入力側に接続し、該巻線切替え装置３５を構成する半導体スイッチ３８を閉することにより、前記ストローク方向に分割された複数の巻線群３４を励磁するように構成されている。

図２は、本発明の固定子判別部の処理手順を示すフローチャートである。この図を用いて固定子数判別方法を順を追って説明する。
はじめにステップ１９（以下、Ｓ１９と略す）で励磁電圧指令（Vd_ref）１０とトルク電圧指令（Vq_ref）１１とを用いて（２）式により演算される電圧指令Vを取り込み（Ｓ１９）、次に、VおよびV^２を算出し（Ｓ２０）、誘起電圧φωおよび誘起電圧の二乗（φω） ^２を算出する（Ｓ２１）。続いて、（１）式の分母であるV^２ −２×V×φω＋（φω） ^２を演算し（Ｓ２２）、抵抗分の電圧RIおよび抵抗分の電圧の二乗（RI） ^２を算出し（Ｓ２３）、次に、リアクタンス分の電圧ωLIおよびリアクタンス分の電圧の二乗（ωLI） ^２を算出し（Ｓ２４）、（１）式を用いて固定子のコイル数の二乗Ｎ ^２を算出し（Ｓ２５）、ステップ２５の結果より固定子数判別基準を用いて固定子数判別処理して（Ｓ２６）、可動子を駆動している固定子数１７を出力する。
この固定子数判別処理は、上記のように（１）式および（２）式を用いて固定子のコイル数の二乗Ｎ ^２を算出し、この固定子のコイル数の二乗Ｎ ^２に基づいて固定子数を求めるもので、各コイル３４は夫々の巻線切替装置３５とモジュール化されて、リレー式に駆動されている。

図３は、本発明の脱調検出方法の処理手順を示すフローチャートである。この図を用いて本発明の方法を順を追って説明する。
はじめに、固定子数判別部３の判別結果である固定子数１７が０個か０個以外かを判別する（Ｓ２７）。固定子数１７が０個の場合、位置生成部５の出力である位置１８が可動子を駆動している固定子数が１以上であるかを判別する（Ｓ２８）。判別結果が可動子を駆動している固定子数が１以上であれば、脱調アラーム２を出力し（Ｓ３０）、可動子を駆動している固定子数が０であれば、脱調アラーム２は出力しない（Ｓ３１）。
また、Ｓ２７の判別結果で、固定子数が１個以上の場合、位置生成部５の出力である位置１８が可動子を駆動している固定子数が１以上であるかを判別する（Ｓ２９）。判別結果が可動子を駆動している固定子数が１以上であれば、脱調アラーム２を出力しない（Ｓ３２）。可動子を駆動している固定子数が０であれば、脱調アラーム２を出力する（Ｓ３３）。
このように、速度指令と、電流指令と電圧指令とモータ定数を用いて、可動子３１を駆動している固定子３２の数を判別し、固定子数１７の判別結果と位置生成部５より生成された位置１８を用いてリニアモータの脱調を検出するという手順をとるので、脱調検出用のセンサを必要とせず、通電している固定子数を判別し、通電している固定子数と位置生成部５で生成された位置１８より可動子３１の脱調を検出することができる。
つまり、ここでは固定子判別部３による固定子数１７と、位置生成部５で求めた位置１８により脱調を検出するが、固定子判別部３で（１）式によって求める固定子のコイル数は実測値（Ｆｂ）に相当し、位置１８は、いわば、エンコーダ等のＦｂ値を使用せずに、速度指令ωを直接位置生成部５において積分演算等により求める位置の指令値に相当するものであって、固定子判別部３で求めた実際の固定子数を、位置指令値１８の固定子数で判定して、脱調を検出している。
従って、従来例として挙げた特許文献１では、脱調検出用に多数の発光部と受光部を設けて実測値を基に脱調を検出していたものが、本発明では、（１）式による演算のみで、実際の固定子数を求め位置（指令値）１８との比較によって簡単に脱調検出が可能となった。
このように特許文献１は平面ステップモータ型のリニアモータの例で、本発明で対象としたリニアモータとは形式が異なるものの、本発明によって、特許文献１で必要とした脱調検出用センサーと、センサー処理を必要としない、半導体製造装置などに使用されるロングストローク・タイプのムービング・マグネット（可動磁石）型リニアモータに好適な、省スペース、低コストで精度の高い脱調検出方法・脱調検出装置が構成できた。

なお、脱調検出用のセンサを必要とせず、通電している固定子数を判別し、通電している固定子数１７と位置生成部５で生成された位置１８より可動子の脱調を検出することができるので、特に、半導体製造装置用のロングストローク・タイプの可動磁石型リニアモータ等のリニアモータシステムに適用できる。

本発明の巻線切替リニアモータの脱調検出方法を適用するリニアモータの電流制御装置の構成を示すブロック図である。本発明の固定子判別部の処理手順を示すフローチャートである。本発明の脱調検出方法の処理手順を示すフローチャートである。本発明の脱調検出方法を適用するリニアモータ駆動システムの図である。図４に示す巻線切替装置を示す図である。従来のリニアモータ装置の構成図である。従来のボンディング装置の処理のフローチャートである。

符号の説明

１脱調検出部
２脱調アラーム
３固定子数判別部
４速度指令
５位置生成部
６電流指令生成部
７励磁電流指令
８トルク電流指令
９電流制御部
１０励磁電圧指令
１１トルク電圧指令
１２二相三相変換部
１３ＰＷＭ制御部
１４電圧出力部
１５電流検出手段
１６リニアモータ
１７固定子数
１８位置
３０電流制御装置
３１可動子
３２固定子
３３センサー
３４巻線群
３５巻線切替装置
３６永久磁石
３７三相整流手段
３８半導体スイッチ
３９抵抗
４０コンデンサ

Claims

永久磁石により構成される磁気装荷手段を備えた可動子と、複相巻線である電気装荷手段を備えると共に空隙を介して前記可動子と対向する複数の固定子と、前記可動子と前記固定子とが対向していることを検出するセンサと、を有するリニアモータと、
上位装置からの速度指令に基づいて励磁およびトルク電流指令を生成する電流指令生成部と、前記リニアモータへの出力電流を検出して電流検出値を出力する電流検出手段と、前記電流検出値と前記励磁およびトルク電流指令とが一致するように励磁およびトルク電圧指令を生成する電流制御部と、前記速度指令に基づいて位置を生成する位置生成部と、前記励磁およびトルク電圧指令と前記位置とに基づいて出力電圧を出力する電圧出力部と、を有する電流制御装置と、を備え、
前記電流制御装置が、前記速度指令および前記センサの検出信号に基づいて、前記固定子の前記複相巻線に前記出力電流を順に出力して前記可動子を移動させるリニアモータ駆動装置において、
前記速度指令、前記励磁およびトルク電流指令、前記励磁およびトルク電圧指令、抵抗値およびインダクタンス値であるモータ定数に基づいて通電している前記固定子のコイル数の二乗を演算し、前記固定子のコイル数の二乗に基づいて通電している前記固定子の個数を判別する固定子数判別部と、
前記固定子の個数および前記位置に基づいて前記可動子が脱調しているか否かを検出する脱調検出部と、を備えたことを特徴とするリニアモータ駆動装置。