KR102189035B1 - 리니어 모터 시스템 및 압축기 - Google Patents

Abstract

리니어 모터 또는 압축기의 제어성을 개선한다. 자극과 권선을 갖는 전기자 및 영구 자석을 갖는 가동자가 상대적으로 이동 가능하며, 권선으로 교류 전력을 출력하는 전력 변환부를 갖고, 가동자 또는 전기자는, 탄성체에 접속하고 있는 리니어 모터 시스템으로서, 전기자에 대한 가동자의 위치를 검출 혹은 추정하여 출력하는 위치 검출부 혹은 위치 추정부 또는 권선에 흐르는 전류값을 출력하는 전류 검출부와, 위치 검출부 혹은 위치 추정부 또는 전류 검출부의 출력에 기초하여, 전력 변환부의 출력을 제어하는 제어부를 갖고, 제어부는, 위치 검출부 혹은 위치 추정부 또는 전류 검출부의 출력에 대해서 교류 전력의 주파수와 대략 동일한 주파수의 신호가 가해진 경우, 교류 전력의 주파수를 변화시키고, 교류 전력의 주파수보다 실질적으로 큰 주파수의 신호가 가해진 경우, 교류 전력의 주파수를 대략 동일하게 유지시킨다.

Description

리니어 모터 시스템 및 압축기

본 개시는, 리니어 모터 시스템 및 압축기에 관한 것이다.

특허문헌 1은, 각 주파수 ω의 구동 전압 V를 리니어 모터에 인가하고, 리니어 모터에 발생하는 역기전압 E와 구동 전압 V의 위상차 θ를 검출하고, 위상차 φ로서, V, ω, 리니어 모터의 전자 코일의 인덕턴스 L, 저항 R, E 및 θ에 기초하여, 구동 전류 I와 E의 위상차

이 실질적으로 0이 되도록 ω를 제어하는 구성을 개시하고 있다(청구항 1, 2 등).

일본 특허공개 제2002-44977호 공보

특허문헌 1은, ω를 제어하기 위해서 사용하는 평가 함수로서 위상차 φ를 사용하고 있는바, φ는, 리니어 모터의 코일 인덕턴스 등에 의존하고 있다. 그러나, 인덕턴스는 가동자의 위상의 2배(2θ)에 의존하는 변수이다. 그렇게 하면, 평가 함수는, θ 및 2θ를 포함하는 형태이며, 고정밀도로 ω를 제어하는 것은 용이하지 않다.

상기 사정을 감안하여 이루어진 제1 본 발명은, 자극과 권선을 갖는 전기자 및 영구 자석을 갖는 가동자가 상대적으로 이동 가능하며, 상기 권선으로 교류 전력을 출력하는 전력 변환부를 갖고, 상기 가동자 또는 상기 전기자는, 탄성체에 접속하고 있는 리니어 모터 시스템으로서, 상기 전기자에 대한 상기 가동자의 위치를 검출하여 출력하는 위치 검출부, 혹은 상기 전기자에 대한 상기 가동자의 위치를 추정하여 출력하는 위치 추정부, 또는 상기 권선에 흐르는 전류값을 출력하는 전류 검출부와, 해당 위치 검출부 혹은 해당 위치 추정부 또는 해당 전류 검출부의 출력에 기초하여, 상기 전력 변환부의 출력을 제어하는 제어부를 갖고, 해당 제어부는, 상기 위치 검출부 혹은 상기 위치 추정부 또는 상기 전류 검출부의 출력에 대해서 상기 교류 전력의 주파수와 대략 동일한 주파수의 신호가 가해진 경우, 상기 교류 전력의 주파수를 변화시키고, 상기 위치 검출부 혹은 상기 위치 추정부 또는 상기 전류 검출부의 출력에 대해서 상기 교류 전력의 주파수보다 실질적으로 큰 주파수의 신호가 가해진 경우, 상기 교류 전력의 주파수를 대략 동일하게 유지시키는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 사정을 감안하여 이루어진 제2 본 발명은, 자극과 권선을 갖는 전기자 및 영구 자석을 갖는 가동자가 상대적으로 이동 가능하며, 상기 권선으로 교류 전력을 출력하는 전력 변환부를 갖고, 상기 가동자 또는 상기 전기자는, 탄성체 및 피스톤에 접속하고, 상기 피스톤이, 부하로서의 유체를 압축하는 압축기로서, 상기 전기자에 대한 상기 가동자 또는 상기 피스톤의 위치를 검출하여 출력하는 위치 검출부, 또는, 상기 전기자에 대한 상기 가동자 또는 상기 피스톤의 위치를 추정하여 출력하는 위치 추정부와, 해당 위치 검출부 또는 해당 위치 추정부의 출력에 기초하여, 상기 전력 변환부의 출력을 제어하는 제어부를 갖고, 상기 부하의 증감과 동일한 상관관계에 의해 상기 교류 전력의 주파수를 증감시키는 것을 특징으로 한다.

도 1은, 리니어 모터 시스템의 구성예를 나타내는 도면.
도 2는, 전기자의 구성예의 사시도.
도 3은, 자극의 종단면과 자속의 흐름을 나타내는 모식도.
도 4는, 자극 톱니에 발생하는 극성의 설명도.
도 5는, 가동자에 접속한 외부 기구의 설명도.
도 6은, 구동 주파수와 스트로크의 관계의 설명도.
도 7은, 인가 전압과 전류의 위상 관계의 설명도.
도 8은, 인가 전압과 전류의 벡터도.
도 9는, 위상차 검출기의 구성예를 나타내는 설명도.
도 10은, 구동 주파수와 위상차 검출기 출력의 관계의 설명도.
도 11은, 위상차 검출기의 제2 구성예를 나타내는 설명도.
도 12는, 구동 주파수 조정기(131)의 구성예를 나타내는 설명도.
도 13은, 전압 명령값 작성기(103)의 구성예를 나타내는 설명도.
도 14는, 전력 변환 회로의 구성예를 나타내는 도면.
도 15는, 검증 시의 구성예를 나타내는 설명도.
도 16은, 중첩 신호의 예를 나타내는 설명도.
도 17은, 실시예 2의 리니어 모터 시스템의 구성예를 나타내는 설명도.
도 18은, 실시예 2의 위상차 검출기의 구성예를 나타내는 설명도.
도 19는, 실시예 2의 구동 주파수와 위상차 검출기 출력의 관계의 설명도.
도 20은, 실시예 2의 검증 시의 구성예를 나타내는 설명도.
도 21은, 실시예 2의 중첩 신호의 예를 나타내는 설명도.
도 22는, 밀폐형 압축기의 종단면도의 예.
도 23은, 실시예 3의 리니어 모터 시스템의 구성예를 나타내는 설명도.
도 24는, 위치 추정 수단의 구성예를 나타내는 설명도.
도 25는, 실시예 3의 검증 시의 동작 설명도.

이하, 첨부의 도면을 참조하면서 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 마찬가지의 구성 요소에는 마찬가지의 부호를 붙이고, 또한, 마찬가지의 설명은 반복하지 않는다.

본 발명의 각종 구성 요소는, 반드시 각각 독립된 존재일 필요는 없으며, 복수의 구성 요소가 1개의 부재로서 형성되어 있는 것, 하나의 구성 요소가 복수의 부재로 형성되어 있는 것, 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소의 일부인 것, 어떤 구성 요소의 일부와 다른 구성 요소의 일부가 중복되어 있는 것 등을 허용한다.

실시예 1

본 실시예에서는, 설명의 편의를 위하여, 서로 직교하는 전후 방향, 좌우 방향 및 상하 방향이라는 단어를 사용하지만, 중력 방향은 반드시 하측 방향일 필요는 없으며, 전후 방향, 좌우 방향, 상하 방향 또는 그 이외의 방향에 평행하게 할 수 있다.

<리니어 모터 구동 장치(101)>

도 1은, 리니어 모터 시스템(100)의 모식도이다. 리니어 모터 시스템(100)은, 리니어 모터 구동 장치(101)와, 리니어 모터(104)로 구성된다. 후술하는 바와 같이 리니어 모터(104)는, 상대 이동하는 전기자(9) 및 가동자(6)를 갖는다.

리니어 모터 구동 장치(101)는, 위치 검출 수단(106)과, 제어부(102)와, 전력 변환 회로(105)를 갖는다.

위치 검출 수단(106)은, 전기자(9)에 대한 가동자(6)의 상대 위치(가동자 위치)를 검출한다.

제어부(102)는, 위치 검출 수단(106)의 검출 결과에 따라서, 전력 변환 회로(105)에의 출력 전압 명령값, 또는 전력 변환 회로(105)를 구동하는 드라이브 신호(펄스 신호)를 출력한다.

상세는 후술하지만, 전력 변환 회로(105)는, 직류 전압원(120)의 전압을 변환하여 교류 전압을 출력하는 전력 변환부의 일례이다. 또한, 직류 전압원(120)을 대신하여 직류 전류원을 사용해도 된다.

<리니어 모터(104)>

도 2는 리니어 모터(104)의 사시도이다. 전기자(9)는 공극을 통해 상하 방향에 대향하는 2개의 자극(7)과, 자극(7)에 권회한 권선(8)을 갖고 있다. 가동자(6)는, 이 공극에 배치되어 있다. 자극(7)은, 가동자(6)에 대향하는 단부면으로서의 자극 톱니(70)를 갖고 있다.

전기자(9)는, 가동자(6)에 대해서 전후 방향의 힘(이하, '추력'이라고 함) 을 부여할 수 있다. 예를 들어, 후술하는 바와 같이, 가동자(6)가 전후 방향으로 왕복 이동하도록 추력을 제어할 수 있다.

가동자(6)는, 상하 방향으로 각각 자화하고, 전후 방향으로 배열된 2개의 평판 형상의 영구 자석{2(2a, 2b)}을 갖고 있다. 도 2에서는, 영구 자석(2a, 2b)은 도시하였지만, 가동자(6)는 도시하지 않았다. 가동자(6)로서는, 예를 들어 평판 형상의 영구 자석(2)을 고정한 평판 형상의 것을 채용할 수 있다. 가동자(6)는, 전기자(9)에 대해서 전후 방향으로 상대 이동 가능하다. 이하, 가동자(6)의 전기자(9)에 대한 상대 속도를, 가동자(6)의 속도라 한다.

제어부(102)는, 예를 들어 가동자(6)를 영구 자석(2a, 2b)이 전기자(9)에 대향하는 범위에서 왕복 이동시키도록 드라이브 신호를 출력할 수 있다.

도 3은, 도 2의 A-A'선을 따른 평면에서의 단면도이다. 도 3의 화살표선은, 2개의 권선(8)에 전류를 흘렸을 때의 자속선의 일례를 나타내고 있다. 자속의 흐름의 방향은, 권선(8)에 흐르는 전류의 방향에 의해 역방향으로 될 수 있기 때문에, 도면으로 나타낸 것만은 아니다. 이 자속선에 의해, 자극 톱니(70)가 자화된다.

[가동자(6)에 부여하는 추력]

도 4는 자극 톱니(70)의 자화에 의해, 가동자(6)가 받는 추력을 설명하는 도면이다. 권선(8)에 흐르는 전류에 의해 발생하는 자극 톱니(70)의 극성을, 도면 중의 자극 톱니(70) 근방에 기재한 「N」, 「S」로 나타내고 있다. 도 4의 (a)는, 상측의 자극 톱니(70a)가 「S」, 하부의 자극 톱니(70b)가 「N」으로 자화됨으로써, 가동자(6)가 전방향으로 힘을 받는 예를 나타내고 있다. 도 4의 (b)는 상부의 자극 톱니(70a)가 「N」, 하부의 자극 톱니(70b)가 「S」로 자화됨으로써, 가동자(6)가 후방향으로 힘을 받는 예를 나타내고 있다.

이와 같이, 권선(8)에 전압이나 전류를 인가함으로써, 2개의 자극(7)을 포함하는 자기 회로에 자속을 공급하여, 대향하는 2개의 자극 톱니(70)(자극 톱니 세트)를 자화할 수 있다. 전압이나 전류로서, 예를 들어 사인파나 구형파(방형파)와 같은 교류의 전압이나 전류를 부여함으로써, 가동자(6)를 왕복 이동시키는 추력을 부여할 수 있다. 이에 의해 가동자(6)의 운동을 제어할 수 있다.

또한, 가동자(6)에 부여하는 추력은, 인가하는 교류 전류나 교류 전압의 진폭을 변경함으로써 바뀐다. 또한, 가동자(6)에 부여하는 추력을 공지된 방법을 이용하여 적절하게 변경함으로써, 가동자(6)의 변위를 원하는 대로 바꿀 수 있다. 여기서, 가동자(6)가 왕복 이동(예를 들어, 도 4의 (a) 및 (b)와 같은 자극 톱니(70)의 자화를 순차 반복하는 운동)을 하는 경우, 교류 파형적으로 변화하는 가동자(6)의 변위 변화량을 스트로크라 칭한다.

자극 톱니(70)는 자성체이기 때문에, 영구 자석(2)을 흡인하는 자기 흡인력이 작용한다. 본 실시예에서는 가동자(6)를 통해 2개의 자극 톱니(70)를 대향 배치하고 있기 때문에, 가동자(6)에 작용하는 자기 흡인력의 합력을 저감시킬 수 있다.

[가동자(6) 외부의 기구]

도 5는, 예를 들어 코일 스프링으로서의 공진 스프링(23)에 의해 구성되는 외부 기구를 가동자(6)에 접속하고, 그 스프링력에 의해 가동자(6)가 되돌려지는 기구를 설명하는 도면이다. 공진 스프링(23)은, 일단부가 중간부(24)를 통해 가동자(6)에 접속하고, 타단부가 기초부(25)에 고정되어 있다. 또한, 공진 스프링(23)의 연장 방향과 대략 평행하게 연장되고, 공진 스프링(23)을 안내 또는 지지하는 측부(26)가 설치되어 있다.

리니어 모터(104)를 왕복 이동시키는 경우, 가동자(6)의 운동 방향이 바뀔 때마다, 가속과 감속을 반복한다. 감속 시에는, 가동자(6)의 속도 에너지가 전기 에너지로 변환되지만(회생 동작), 리니어 모터(104)에 대한 배선의 저항에 의해 손실이 발생한다. 한편, 도 5와 같이, 가동자(6)에 공진 스프링(23)(어시스트 스프링)을 부가하고, 가동자(6)의 질량과 스프링 상수로부터 정해지는 기계적인 공진 주파수에서, 가동자(6)를 왕복 이동시키는 경우, 가동자(6)의 속도 에너지를 유효 활용할 수 있어, 고효율의 리니어 모터 구동 시스템을 구성할 수 있다. 공진 스프링(23)을 대신하여, 공지된 탄성체를 사용해도 된다. 이와 같이 구성하면, 가동자(6)(계자자(6))가 지면에 대해서 이동하는 가동자(계자자) 이동형으로서 구성되지만, 가동자(6)를 대신하여 전기자(9)에 탄성체를 접속하여 전기자(9)를 지면에 대해서 이동시키는 전기자 이동형으로서 구성해도 된다.

도 6은, 교류 전압의 주파수(횡축)와, 가동자(6)의 스트로크(종축)의 관계를 나타내는 도면이다. 각 주파수에 있어서의 교류 전압의 진폭은 동일하다. 도 6로부터 알 수 있는 바와 같이, 공진 주파수 부근에서 가동자(6)의 스트로크가 급준하게 커지게 되어, 공진 주파수로부터 이격되면 스트로크가 작아지는 특성을 나타낸다. 공진 주파수는, 공진 스프링(23)의 스프링 상수 k를 가동자(6)의 질량 m으로 나눈 값의 평방근으로 부여되지만, 리니어 모터(104)의 계통에 따라서는, 이 값은 근사값으로 된다.

이와 같이, 공진 주파수 또는 이 근방의 주파수의 교류 전압을 인가함으로써, 큰 스트로크(큰 에너지)로 진동시킬 수 있다. 즉, 가동자(6)의 공진 주파수를 검출 혹은 추정하는 것이 중요하다. 이 검출 혹은 추정은, 예를 들어 스프링 상수 k나 질량 m의 편차에 따라서 구동 주파수를 제어하기 위해서 요망된다.

[구동 시의 위상 관계]

도 7은, 리니어 모터(104)를 구동했을 때의, (a) 가동자(6)의 위치와 속도, (b) 인가 전압 파형과 리니어 모터(104)에 흐르는 전류의 시간 발전의 관계를 나타내는 도면이다. 도 8은, 도 7의 교류 파형을 벡터로서 나타낸 도면이다. 가동자(6)의 속도, 인가 전압, 및 모터 전류는 대략 동위상임을 알 수 있다. 가동자(6)에 공진 스프링(23)을 부가하고, 가동자(6)의 질량과 스프링 상수로부터 정해지는 기계적인 공진 주파수에서 가동자(6)를 왕복 이동시키는 경우, 가동자(6)의 위치 위상은, 권선(8)에 대한 인가 전압 V, 모터 전류 Im, 및 가동자(6)의 속도의 위상 각각에 대해서 90도의 위상차로 되는 것이 알려져 있다. 즉, 이들 중 어느 하나의 관계가 성립하고 있을 때에는, 가동자(6)가 공진 주파수에서 구동하고 있다고 추정할 수 있다.

예를 들어 제조 (변동)편차에 의해 가동자(6)의 질량이 상정으로부터 어긋나 있는 경우나, 가동자(6)에 부가된 부하 요소에 의해, 공진 스프링(23)에 접속되는 질량이 변화하는 경우에는, 공진 주파수가 변화해버린다. 이러한 경우에 있어서도 최대 스트로크를 얻기 위해서는, 조건에 따라 변화하는 공진 주파수를 고정밀도로 검출 혹은 추정하는 것이 바람직하다. 이하, 공진 주파수의 검출 또는 추정 방법에 대하여 설명한다.

<제어부(102)>

도 1 등을 참조하여 제어부(102) 등에 대하여 설명한다. 제어부(102)에는, 위치 검출 수단(106)에 의한 위치 검출값 xm을 입력한다. 위치 검출값 xm은, 가동자(6)의 위상 정보를 포함하고 있다. 입력된 위치 검출값 xm은, 제어부(102)가 생성하는 위상 명령값 θ*과 함께 위상차 검출기(130)에 입력되어, 위상차 추정값 dltθ^가 출력된다. 목표값인 위상차 명령값 dltθ*과, 위상차 추정값 dltθ^의 잔차가 구동 주파수 조정기(131)에 입력된다. 구동 주파수 조정기(131)는 주파수 명령값 ω*을 출력한다. 주파수 명령값 ω*에 기초하는 인가 전압 V가, 리니어 모터(104)로 출력된다. 위치 검출 수단(106)으로서는, 가동자(6) 및 전기자(9)의 상대 위치를 검출하는 위치 센서, 인가 전압 V나 모터 전류 Im 등을 이용하여 상대 위치를 추정하는 연산부 등을 채용할 수 있다. 이하, 제어부(102) 등에 대하여 상세히 설명한다.

제어부(102)는, 위상차 검출기(130)와, 위상차 검출기(130)의 출력 dltθ^ 및 위상차 명령값 dltθ*을 기초로 위상차 추정값 dltθ^가 위상차 명령값 dltθ*에 추종하도록 구동 주파수 명령값 ω*을 조정하는 구동 주파수 조정기(131)와, 구동 주파수 명령값 ω*을 적분하여 위상 명령값 θ*을 작성하는 적분기(140)와, 위상 명령값 θ* 및 가동자(6)의 스트로크 명령값 l*을 기초로 전압 명령값 V*을 출력하는 전압 명령값 작성기(103)와, 전압 명령값 V*과 삼각파 캐리어 신호를 비교하여, 전압을 출력하는 전력 변환 회로(105)를 구동하는 드라이브 신호를 출력하는 PWM 신호 작성기(133)로 구성된다. 또한, 전력 변환 회로(105)는, 전류를 출력하는 양태여도 된다. 이 경우에는, 전압 명령값 작성기(103)를 대신하여 전류 명령값 작성기를 설치하면 된다.

<기준 위상 작성기>

가동자(6) 및 전기자(9)의 상대 위치 xm을 추정하는 것에 대하여, 위치 센서를 사용하는 경우에는 그 출력을 이용하면 되기 때문에, 적절히 공지된 위치 센서를 사용하면 된다. 본 실시예에서는, 가동자(6)의 위치 위상과, 권선(8)에 대한 인가 전압 V 또는 모터 전류 Im의 위상와의 차로부터 공진 주파수를 추정하는 수단에 대하여 설명하지만, 우선은 위상의 기준으로 되는 기준 위상(가동자(6)의 위상)에 대하여 설명한다.

본 실시예의 기준 위상(위상 명령값 θ*)은, 도 1의 구동 주파수 조정기(131)의 출력인 구동 주파수 명령값 ω*을 기준 위상 작성기로서의 적분기(140)에 의해 적분함으로써 얻는다. 즉, 기준 위상이란, 인가 전압 V(θ*)의 목표 주파수에 상당하는 구동 주파수 명령값 ω*을 갖는 파동의, 각 시각의 위상 θ*이다. 이와 같이 본 실시예에서는, 기준 위상 θ*로서 구동 주파수 조정기(131)의 구동 주파수 명령값 ω*의 적분을 사용하고 있지만, 예를 들어 가동자(6)를 포함하는 진동체의 기계 공진 주파수에 피적분값을 고정해도 된다.

인가 전압 V의 위상으로서 기준 위상 θ*을 사용함으로써, 예를 들어 가동자(6)의 위치를 검출 혹은 추정할 때에도 기준 위상 θ*을 적용할 수 있다. 기준 위상 θ*은, 구동 주파수 명령값 ω*이 일정한 동안에는, 예를 들어 각 시각에 대해서 [-π, π], [0, 2π], 또는 이보다 넓은 범위를 치역으로 하는 톱니파이거나, 시각에 대해서 선형으로 증가하도록 해도 된다. 후술하는 바와 같이 구동 주파수 명령값 ω*이 변동된 경우에는, 이것에 따라서 톱니파나 선형의 증가의 형상이 변동된다(기울기가 변화된다).

물론, 위치 검출 수단(106)에 의한 위치 검출값 xm을 사용하여 기준 위상 θ*을 얻어도 된다. 위치 검출값 xm을 사용하는 경우에는, 예를 들어 가동자(6)가 왕복 이동하는 1주기의 변위의 총 이동 길이를 360°로 하고, 기준 위치(예를 들어, 왕복 이동의 중간점, 왕복 이동의 최대나 최소의 위치)로부터의 가동자(6)의 위치(=변위)와, 총 이동 길이에 상당하는 길이의 비로부터, 기준 위상 θ*을 구할 수 있다.

<위상차 검출기(130)>

가동자(6)가 왕복 이동하고 있는 경우, 가동자(6)의 위치 xm은 주기 함수로 된다. 주기 함수는 푸리에 급수로 나타낼 수 있기 때문에, 푸리에 변환식을 이용하여 가동자(6)의 위치 xm을 나타내면, 다음 식과 같이 정의할 수 있다.

여기서, x0은 직류 오프셋값, an 및 bn은 n차 푸리에 계수이며, 다음 식으로 구해진다.

여기서, T0은 기본파의 주기(가동자(6)가 왕복 이동하는 주기), 즉 1차 주파수(구동 주파수)의 역수이다.

가동자(6)를 공진 주파수에서 구동시키려고 제어하는 경우, 고차 성분은 중요하지 않고, 1차 성분, 즉 구동 주파수 성분에 주목하면 된다. 특히, 가동자(6)의 위치 xm의 1차 주파수 성분(구동 주파수 성분)의 위상 θ가 중요하다. 1차 푸리에 계수의 역정접에 의해, 사인파 형상의 인가 전압 V에 대한 가동자(6)의 위치 xm의 위상을 다음 식으로 구할 수 있다. 상술한 바와 같이, 인가 전압 V(기준 위상 θ*)와 가동자 위치 xm의 위상의 차가 90°가 되도록 위상차 dltθ의 목표값 dltθ*을 설정하여 제어하면 된다.

(4) 식에서는, 적분 범위는 -2π 내지 0으로 되어 있다. 이것은, 위상차 검출기(130)를 마이크로컴퓨터나 DSP 등의 반도체 집적 회로 등으로 실현하는 경우에, 과거의 정보밖에 취득할 수 없기 때문이다.

도 9는, (4) 식을 블록도로 나타낸 경우의 설명도이다. 위상 명령값 θ*을 사인 연산기(81)(입력값의 사인을 출력)와 코사인 연산기(82)(입력값의 코사인을 출력) 각각에 입력하고, 위상 명령값 θ*에 대한 사인 및 코사인을 얻는다. 사인 및 코사인 각각을 가동자(6)의 위치 xm과 승산한 값이 승산기(92)로부터 출력된다. 그 출력을 각각 적분기(94a, 94b)에 의해 적분하면, 사인 및 코사인 각각의 1차 푸리에 계수를 얻는다. 즉, 푸리에 전개의 구동 주파수 ω보다 고차의 주파수 성분을 소거할 수 있으므로, 고차의 노이즈에 대해서 로버스트하게 구성할 수 있다.

적분기(94a, 94b)의 출력을 역정접기(86)에 입력한다. 역정접기(86)는, 입력된 사인 및 코사인 성분을 기초로 역정접값을 출력한다. 본 실시예의 역정접기(86)는, 분자를 적분기(94a)의 출력, 분모를 적분기(94b)의 출력으로 한 위상의 역정접값을 출력하지만, 분자와 분모를 반대로 한 값을 출력해도 된다. 도 10은, 교류 전압의 주파수(횡축)와, 역정접기(86)의 출력값(위상차 dltθ)(종축)의 관계를 나타내는 도면이다. 도 10으로부터 알 수 있는 바와 같이, 적분기(94a, 94b)의 출력이 동일해도, 역정접에 입력하는 분자와 분모의 조합에 의해, 역정접기(86)의 출력값(위상차 dltθ)이 바뀐다. 사인 및 가동자(6)의 위치 xm의 승산값을 분자로, 코사인 및 가동자(6)의 위치 xm의 승산값을 분모로 하는 본 실시예에서는, 구동 주파수가 공진 주파수인 경우, 90°가 역정접기(86)로부터 출력된다. 역정접기(86)로부터 출력되는 값은, 구동 주파수가 공진 주파수보다 높은 경우에는 90°보다 크고, 구동 주파수가 공진 주파수보다 낮은 경우에는, 90°보다 작다. 이에 의해, 기준 위상 θ*에 대한 위상차 검출기(130)에 대한 입력 교류 신호(본 실시예에서는, 가동자(6)의 위치 xm)의 1차 주파수 성분의 위상차 dltθ를 구할 수 있어, 공진 주파수의 추정이 가능해진다. 기준 위상 θ*과 기본 주파수 θ가 동일값이 될 때의 위상차 dltθ를 목표값 dltθ*로서 제어하는 것이 바람직하다. 즉, 역정접기(86)에 입력하는 분자와 분모의 조합에 의해, 목표값 dltθ*을 적절하게 선택하는 것이 바람직하다.

적분기(94a, 94b)는, 입력(기준 위상 θ*이나 가동자 위치 xm)이 변화했을 때의 수렴 시간이 비교적 크기 때문에, 예를 들어 후술하는 중첩 신호로서 오프셋 신호를 위치 검출 수단(106)의 출력에 대해서 가한 경우, 적분기(94a, 94b)의 출력이 수렴할 때까지의 비교적 오랜 시간, 교류 전력의 주파수가 변화하기 쉽다. 이것은, 오프셋 신호 이외에도, 구동 주파수 명령값 ω*로서 상정되는 주파수보다도 낮은 주파수에 대해서도 마찬가지로 성립한다.

그래서, 적분기(94a, 94b) 대신에, 불완전 적분기를 사용할 수 있다. 불완전 적분기는 저역 통과 필터의 일종이며, 1차 지연 필터와 마찬가지의 구성이다. 도 11은, 도 9의 적분기(94a, 94b) 대신에 1차 지연 필터(141)로 구성한 경우의 예이다. 1차 지연 필터(141)를 사용하여 적당한 시상수 T를 설정함으로써, 위상차 검출의 수렴 시간을 짧게 할 수 있다. 즉, 후술하는 검증 방법에 있어서 사용하는 중첩 신호로서, 오프셋 신호를 위치 검출 수단(106)의 입력 또는 출력에 대해서 가한 경우, 교류 전력의 주파수가 대략 동일하게 유지되기 쉽다. 즉, 가동자 위치 xm에 외란 등이 중첩하기 쉬운 시스템에 있어서 로버스트하게 구성할 수 있다.

그 밖에, 적분기(94a, 94b)(또는 불완전 적분기(141))보다 전단의, 가동자 위치 xm이 승산된 신호가 통과하는 위치에, 고역 통과 필터(도시생략)를 설치할 수 있다. 고역 통과 필터의 차단 주파수로서는, 구동 주파수 ω의 하한값 미만, 예를 들어 본 실시예와 같은 리니어 모터 시스템의 경우, 10 또는 5㎐ 이하로 할 수 있다.

이와 같이, 위상차 검출기(130)는, 구동 주파수 성분의 1차 푸리에 계수의 비의 역정접을 사용하고, 교류 전압 명령값 V*에 대한 가동자 위치 xm의 위상 θ를 구할 때, 위상차 검출기(130)에 대한 입력 교류 신호의 1차 주파수 성분에만 큰 감도를 갖는다. 즉, 예를 들어 가동자(6)의 위치 xm에, 직류 오프셋이나 고차의 노이즈가 중첩된 경우에 있어서도, 기준 위상 θ*에 대한 위상차 검출기(130)로의 입력 교류 신호의 1차 주파수 성분의 위상차 dltθ가 보다 정확하게 구해진다. 또한, 고역 통과 필터를 상기와 같이 설치하는 경우에는, 또한 구동 주파수 ω보다 작은 주파수에 대해서도 로버스트로 구성할 수 있다.

따라서, 가동자(6)의 위치 검출 방법으로서, 노이즈가 중첩되기 쉬운 시스템, 예를 들어 인덕턴스의 가동자 위치 의존성이 큰 시스템이나, 근방에 다른 기기가 존재하는 시스템을 채용하는 경우에, 특히 유효한 제어를 실현할 수 있다. 이와 같이, 고정밀도로 공진 주파수를 검출 혹은 추정하여, 고효율의 리니어 모터 구동을 실현할 수 있다.

<구동 주파수 조정기(131)>

도 12는, 구동 주파수 조정기(131)의 구성을 설명하는 도면이다. 구동 주파수 조정기(131)는, 위상차 명령값 dltθ*(예를 들어, 90°)과 위상차 검출기(130)에 의해 구한 위상차 dltθ의 차를 감산기(91)에 의해 구하고, 이것에 승산기(92b)에 의해 비례 게인 Kp_adtr을 곱하여 비례 제어한 연산 결과와, 승산기(92c)에 의해 적분 게인 Ki_adtr을 곱하고, 그 결과를 적분기(94c)에 의해 적분하는 적분 제어한 연산 결과를 가산기(90)에 의해 가산하고, 구동 주파수 명령값 ω*을 출력한다.

또한, 위상차 명령값 dltθ*은, 상위의 제어 수단(본 실시예에서는 도시하지 않음)으로부터 얻어도 되고, 본 실시예와 같이 미리 예를 들어 90°로 설정해도 된다. 또한, 본 실시예의 구동 주파수 조정기(131)는, 비례 적분 제어의 구성이지만, 비례 제어나 적분 제어 등, 다른 제어 구성도 적용할 수 있다.

[고효율 구동의 실현]

리니어 모터(104)를 가동자(6)의 질량과 스프링 상수로부터 정해지는 기계적인 공진 주파수에서 구동하는 경우의 위상차 검출기(130)와 구동 주파수 조정기(131)의 동작을 설명한다.

예를 들어, 가동자(6)의 질량이 설계값보다도 큰 경우, 실제의 공진 주파수는, 설계값보다도 낮아진다. 즉, 가동자(6)의 질량 설계값을 이용하여 구동 주파수의 초기값을 정한 경우(설계값을 이용하여 구동 주파수 명령값 ω*의 초기값을 정한 경우)에는, 실제의 공진 주파수보다도 높은 주파수에서 구동하게 된다. 이때, 위상차 검출기(130)에 의해 구한 위상차 dltθ는, 위상차 명령값 dltθ*보다도 큰 값으로 된다. 그 때문에, 구동 주파수 조정기(131)는, 구동 주파수 명령값 ω*을 감소시키는 제어를 실행하고, 그 결과, 구동 주파수 명령값 ω*이 실제의 공진 주파수에 일치한다. 따라서, 가동자(6)의 속도 에너지를 유효 활용할 수 있어, 고효율로 리니어 모터(104)를 구동할 수 있다.

<전압 명령값 작성기(103)>

이하, 리니어 모터(104)에 전압 명령값 Vm*에 기초하여 작성된 전압 V를 인가하여 구동하는 구성에 관하여, 설명한다.

도 13은, 전압 명령값 작성기(103)의 구성을 설명하는 도면이다. 전압 명령값 작성기(103)에는 위상 명령값 θ*과 스트로크 명령값 l*이 입력되고, 단상의 교류 전압 명령값 Vm*이 출력된다. 상세에 대하여 이하 설명한다.

전제로서, 본 실시예에서는, 스트로크 명령값 l*에 기준 위상 θ*의 사인(sinθ*)을 곱한 값을, 가동자(6)의 위치 명령값 xm*로 한다. 우선, 위상 명령값 θ*을 코사인 연산기(82b)(입력값의 코사인을 출력)에 입력하고, 위상 명령값 θ*에 대한 코사인(cosθ*)을 얻는다. 이 코사인과 스트로크 명령값 l*과 주파수 명령값 ω*을 승산기(92d)에 의해 곱한다. 이렇게 함으로써, 미분 연산을 행하지 않고 가동자(6)의 속도 명령값 vm*을 얻을 수 있다. 일반적으로는, 위치 명령값 xm* 및 속도 명령값 vm*의 한쪽을 사인, 다른 쪽을 코사인으로 할 수 있다.

또한, 가동자(6)의 속도 명령값 vm*을 승산기(92e)에 의해 유기 전압 상수 Ke*와 곱하고, 단상의 교류 전압 명령값 Vm*을 얻는다.

또한, 전압 명령값 작성기(103)에는, 상기 이외에도 공지된 동기식 모터의 구동 전압 명령 방법을 적용할 수 있다.

<PWM 신호 작성기(133)>

PWM 신호 작성기(133)에는, 삼각파의 캐리어 신호와 전압 명령값 Vm*을 비교함에 따른 공지된 펄스폭 변조를 사용하고, 전압 명령값 Vm*에 따른 드라이브 신호가 생성된다.

<전력 변환 회로(105)>

도 14는, 전력 변환 회로(105)의 구성을 설명하는 도면이다. 전력 변환 회로(105)는, 직류 전압원(120), 션트 저항(125), 및 풀 브리지 회로(126)를 갖는다. 풀 브리지 회로(126)는, 제어부(102)에 의해 입력된 드라이브 신호에 따라서 직류 전압원(120)을 스위칭하여, 리니어 모터(104)로 전압을 출력한다. 풀 브리지 회로(126)는 4개의 스위칭 소자(122)를 구비하고 있으며, 직렬 접속된 스위칭 소자(122a, 122b)를 갖는 제1 상하 암(이하, 'U상'이라고 함)과, 스위칭 소자(122c, 122d)를 갖는 제2 상하 암(이하, 'V상'이라고 함)을 구성하고 있다. 스위칭 소자(122)는, 제어부(102)에 의해 생성되는 전압 명령값이나 펄스폭 변조에 의한 드라이브 신호를 기초로, 게이트 드라이버 회로(123)가 출력하는 펄스 형상의 게이트 신호(124a 내지 124d)에 따라서 스위칭 동작할 수 있다.

스위칭 소자(122)의 도통 상태(온/오프)를 제어함으로써, 직류 전압원(120)의 직류 전압을 교류 전압에 상당하는 전압을 권선(8)으로 출력할 수 있다. 또한, 직류 전압원(120)을 대신하여 직류 전류원을 사용해도 된다. 스위칭 소자(122)로서는, 예를 들어 IGBT나 MOS-FET 등의 반도체 스위칭 소자를 채용할 수 있다.

[리니어 모터(104)와의 결선]

전력 변환 회로(105)의 제1 상하 암의 스위칭 소자(122a, 122b) 사이 및 제2 상하 암의 스위칭 소자(122c, 122d) 사이 각각이, 리니어 모터(104)에 접속되어 있다. 도 14에서는, 상측 및 하측의 전기자(9)의 권선(8)이 병렬로 접속되어 있는 예를 나타내고 있지만, 권선(8)을 직렬로 접속할 수도 있다.

[전류 검출 수단(107)]

U상 하부 암과 V상 하부 암에는, 예를 들어 CT(커런트 트랜스) 등의 전류 검출 수단(107)을 설치할 수 있다. 이에 의해, 리니어 모터(104)의 권선에 흐르는 모터 전류 Im을 검출할 수 있다.

전류 검출 수단(107)으로서, 예를 들어 CT 대신에, 전력 변환 회로(105)의 하부 암에 션트 저항을 부가하고, 션트 저항에 흐르는 전류로부터 리니어 모터(104)에 흐르는 전류를 검출하는 상 션트 전류 방식을 채용할 수 있다. 전류 검출 수단(107)을 대신하거나 또는 추가하여, 전력 변환 회로(105)의 직류측에 부가된 션트 저항(125)에 흐르는 직류 전류로부터, 전력 변환 회로(105)의 교류측의 전류를 검출하는 싱글 션트 전류 검출 방식을 채용해도 된다. 싱글 션트 전류 검출 방식은, 전력 변환 회로(105)를 구성하는 스위칭 소자(122)의 통전 상태에 따라서, 션트 저항(125)에 흐르는 전류가 시간적으로 변화하는 것을 이용하고 있다.

[검증 방법]

본 실시예의 리니어 모터 구동 시스템에서는, 제어부(102)는 마이크로컴퓨터나 DSP 등의 반도체 집적 회로(연산 제어 수단)에 의해 구성되고, 소프트웨어 등으로 기능을 실현하는 경우가 많다. 제어부(102)가 정확하게 구성되어 있는지 검증하는 방법에 대하여 설명한다.

도 15는, 위상차 검출기(130)와 구동 주파수 조정기(131)의 동작을 검증하는 회로 구성의 예를 설명하는 도면이다. 도 15에 예시한 바와 같이, 위치 검출값 xm에 검증자가 중첩 신호를 가산할 수 있도록 구성한다. 도면에서는 위치 검출 수단(106)의 출력에 대해서 중첩 신호를 가산하도록 구성하고 있지만, 위치 검출 수단(106)으로의 입력에 대해서 중첩 신호를 가산하도록 구성해도 된다.

이 검증 방법의 설명에서는, 위치 검출 수단(106)에 의한 위치 검출값 xm에 대해서, 이하에서 설명하는 중첩 신호를 가산한 신호를 제어부(102)에 입력한 경우에, 이 신호를 변경하여 위치 검출값 xm으로 한다. 도 16은, 이 경우에 중첩 신호를 변화시켜 갔을 때의 위치 검출값 xm의 변화를 설명하는 도면이다.

구간 1은, 위치 검출 수단(130)의 출력에 중첩 신호를 부여하지 않는 기간이다. 구간 1에서 가동자(6)가 대칭의 왕복 이동을 하고 있는 경우, 가동자(6)의 변위(위치 검출 수단(106)의 위치 검출값 xm)는, 왕복 이동의 중심 위치를 제로로 하면, 사인파 형상으로 변화한다. 이 때문에, 도 16의 구간 1에서는, 위치 검출값 xm으로서 사인파 형상의 파형이 얻어진다. 구간 1의 구동 주파수는, 상술한 바와 같이 구성한 위상차 검출기(130)를 사용하고, 위상차 명령값 dltθ*을 90°로 한 경우에는, 대략 공진 주파수를 향한다.

구간 2는, 위치 검출 수단(130)의 출력으로의 중첩 신호로서, 직류 오프셋을 부여한 기간이다. 위상차 검출기(130)는, 상술한 바와 같이, 적분기 또는 적당한 시상수를 갖는 불완전 적분기를 사용함으로써 입력 교류 신호 xm의 1차 주파수 성분에만 큰 감도를 갖기 때문에, 구간 2에서 위상차 검출기(130)가 출력하는 위상차는, 구간 1의 값과 변함이 없다. 따라서, 구동 주파수는, 대략 변화하지 않는다. 이때, 상술한 바와 같이, 불완전 적분기를 이용하는 쪽이, 수렴 시간이 짧기 때문에 바람직하다. 또한, 고역 통과 필터를 사용하면, 저차의 주파수의 신호가 가해졌을 때에도 수렴 시간을 단축할 수 있기 때문에 바람직하다.

구간 3은, 위치 검출 수단(130)의 출력으로의 중첩 신호로서, 구동 주파수와 동일한 주파수 성분의 신호를 부여한 기간이다. 동일한 주파수 성분의 신호를 중첩하면, 제어부(102)에 입력되는 신호(합성 파형)는, 위치 검출 수단(130)의 출력에 대해서 위상차가 발생한 파형으로 된다. 즉, 제어부(102)는, 위상차 dltθ가 명령값 dltθ*로부터 어긋났다고 인식하기 때문에, 구동 주파수 명령값 ω*이 변경된다. 이 때문에, 가동자(6)의 구동 주파수가 바뀌고, 위치 검출 수단(106)의 검출값 xm의 주파수가 바뀐다. 도면 중에서는, 구동 주파수가 저하되어 있다.

구간 4는, 위치 검출 수단(130)의 출력으로의 중첩 신호로서, 구동 주파수보다도 고차의 주파수의 신호를 부여한 기간이다. 위상차 검출기(130)는, 적분기(94) 또는 불완전 적분기(141)를 갖고 있기 때문에, 입력 교류 신호의 1차 주파수 성분에만 큰 감도를 갖는다. 이 때문에, 구간 4에서 위상차 검출기(130)가 출력하는 위상차는, 구간 1 및 2의 값에 대략 동일하다. 따라서, 구동 주파수 조정기(131)가 구동 주파수를 변경함으로써, 구간 4의 구동 주파수는, 구간 1 및 2와 동일한 주파수로 변화한다. 고차의 주파수의 신호로서는, 예를 들어 가동자(6)에 대해서 대략 공진 주파수의 전압 V를 인가하고 있는 경우에, 이보다 실질적으로 높은 주파수, 예를 들어 10％ 또는 20％ 이상 높은 주파수의 신호를 말할 수 있다.

이와 같이, 상기와 같은 구간 1에서 얻어지는 위치 검출값 xm의 정상 상태의 주파수와, 구간 2 내지 4의 일부 또는 전부의 구간에서 얻어지는 위치 검출값 xm의 주파수와의 관계를 확인함으로써, 1차 푸리에 계수를 이용하여 구동 주파수 명령값 ω*을 제어하는 본 실시예의 제어를 제어부(102)가 실행하고 있는지를 검증할 수 있다. 상기로부터 명백해진 바와 같이, 본 실시예와 같이 가동자 위치 xm의 푸리에 전개식, 및 기준 위상 θ*의 사인 및 코사인의 곱의 적분값을 이용한 제어를 행함으로써, 특히, 구간 1, 구간 3 및 구간 4에 나타낸 바와 같은 주파수에 관한 특성을 발휘할 수 있다. 또한, 위상차 검출기(130)가 불완전 적분기 및/또는 고역 통과 필터를 구비함으로써, 구간 2에 나타낸 바와 같이, 오프셋 신호나 저주파 신호에 대한 특성을 효과적으로 발휘할 수 있다.

또한, 구동 주파수와 동일한 주파수 성분의 신호 및 구동 주파수보다도 고차의 주파수의 신호에 대하여, 구간 1의 직후에 이들을 중첩 신호로서 가해도, 구간 3 및 구간 4와 마찬가지의 파형을 얻을 수 있다.

[디텐트가 큰 경우]

리니어 모터(104)의 디텐트력(회전 모터의 릴럭턴스 토크에 상당)이 큰 경우, 최대 효율을 얻는 인가 전압 V와 모터 전류 Im의 위상은 동위상으로부터 어긋날 가능성이 있다. 이러한 경우는, 디텐트력의 영향을 고려한 값으로 위상 명령값 θ*을 변경하면, 상술한 효과를 얻을 수 있다.

또한, 부하가 큰 경우, 전기자(9)에 자기 포화가 발생하고, 리니어 모터(104)의 디텐트력도 변화한다. 따라서, 부하의 크기에 따라 위상 명령값 θ*을 변경함으로써, 폭넓은 부하 조건에 있어서도 가동자(6)의 속도 에너지를 유효 활용할 수 있어, 고효율로 리니어 모터(104)를 구동할 수 있다. 적절한 위상 명령값 θ*의 값은 이와 같이, 전기자(9) 및 가동자(6)의 구조 중의 자성체의 배치 등에 의해 변동하는 디텐트력에도 의존한다. 즉, 자기 포화, 모터 전류 Im, 부하, 또는 디텐트력의 일부 또는 전부를 검출 또는 추정하여, 위상 명령값 θ*을 조정하는 위상 명령값 조정부를 구비하면 바람직하다.

실시예 2

본 실시예의 구성은, 하기의 점을 제외하고 실시예 1과 마찬가지로 할 수 있다. 본 실시예는, 가동자(6)의 위치 xm을 검출 또는 추정하는 것 대신에, 모터 전류 Im을 이용하여 공진 주파수를 추정한다.

<리니어 모터 구동 장치(201)>

도 17은, 리니어 모터 시스템(200)의 모식도이다. 리니어 모터 시스템(200)은, 리니어 모터 구동 장치(201)와, 리니어 모터(104)로 구성된다.

리니어 모터 구동 장치(201)는, 위치 추정 수단(208)과, 전류 검출 수단(207)과, 제어부(202)와, 위상차 검출기(230)와, 전력 변환 회로(105)를 갖는다.

<위상차 검출기(230)>

도 18은, 본 실시예의 위상차 검출기(230)의 구성예를 나타내는 설명도, 도 19는, 교류 전압의 주파수(횡축)와, 역정접기(86)의 출력값(위상차 dltθ^)(종축)의 관계를 나타내는 도면이다. 위상 명령값 θ*을 사인 연산기(81)(입력값의 사인을 출력)와 코사인 연산기(82)(입력값의 코사인을 출력) 각각에 입력하고, 위상 명령값 θ*에 대한 사인 및 코사인을 얻는다. 사인 및 코사인 각각을 모터 전류 Im과 승산한 값이 승산기(92)로부터 출력된다. 그 출력을 각각 1차 지연 필터(141a, 141b)로 연산하면, 사인 및 코사인 각각의 1차 푸리에 계수를 얻는다. 즉, 푸리에 전개의 구동 주파수 ω보다 고차의 주파수 성분을 소거할 수 있으므로, 고차의 노이즈에 대해서 로버스트하게 구성할 수 있다. 사인 연산기(81)의 출력의 부호에 대해서는, 반전하는 연산을 실시하고 있다. 본 실시예의 경우, 「분자: 적분기(94b)의 부(負)의 값, 분모: 적분기(94a)」에 상당하는, 위상차 dltθ^ 및 구동 주파수의 관계가 얻어지지만, 그 밖의 관계를 채용해도 된다. 본 실시예에서는, 기준 위상 θ* 및 모터 전류 Im을 이용하기 때문에, 위상차의 목표값 dltθ*은, 예를 들어 0°로 할 수 있다.

1차 지연 필터(141a, 141b)의 출력을 역정접기(86)에 입력한다. 역정접기(86)는, 입력된 사인 및 코사인 성분을 기초로 역정접값을 출력한다. 본 실시예의 역정접기(86)는, 분자를 1차 지연 필터(141a)의 출력의 부의 값, 분모를 1차 지연 필터(141b)의 출력으로 한 위상의 역정접값을 출력한다. 물론, 실시예 1에서 설명한 바와 같이, 분자와 분모를 반대로 한 값을 출력해도 된다.

도 19로부터 알 수 있는 바와 같이, 1차 지연 필터(141a, 141b)의 출력이 동일해도, 역정접기(86)에 입력하는 분자와 분모의 조합에 의해, 역정접기(86)의 출력값(위상차 dltθ^)이 바뀐다. 본 실시예에서는, 구동 주파수가 공진 주파수인 경우, 0°가 역정접기(86)로부터 출력된다. 역정접기(86)로부터 출력되는 값은, 구동 주파수가 공진 주파수보다 높은 경우에는 0°보다 크고, 구동 주파수가 공진 주파수보다 낮은 경우에는, 0°보다 작다. 이에 의해, 기준 위상 θ*에 대한 위상차 검출기(230)로의 입력 교류 신호(본 실시예에서는, 가동자(6)의 위치 xm)의 1차 주파수 성분의 위상차 dltθ^를 구할 수 있어, 공진 주파수의 추정이 가능해진다.

본 실시예와 같이, 기준 위상 θ*의 사인 및 코사인 및 모터 전류 Im의 곱을 이용한 제어를 행하는 것도 가능하다.

[검증 방법]

제어부(202)가 정확하게 구성되어 있는지 검증하는 방법에 대하여 설명한다.

도 20은, 위상차 검출기(230)와 구동 주파수 조정기(131)의 동작을 검증하는 회로 구성의 예를 설명하는 도면이다. 도 20에 예시한 바와 같이, 모터 전류 Im에 검증자가 중첩 신호를 가산할 수 있도록 구성한다. 도면에서는 전류 검출 수단(207)의 출력에 대해서 중첩 신호를 가산하도록 구성하고 있지만, 전류 검출 수단(207)으로의 입력에 대해서 중첩 신호를 가산하도록 구성해도 된다.

이 검증 방법의 설명에서는, 전류 검출 수단(207)에 의한 모터 전류값 Im에 대해서, 이하에서 설명하는 중첩 신호를 가산한 신호를 제어부(202)에 입력한 경우에, 이 신호를 다시 모터 전류 Im으로 한다. 도 21은, 이 경우에 중첩 신호를 변화시켜 갔을 때의 모터 전류값 Im의 변화를 설명하는 도면이다. 중첩 신호는, 의사적인 외란 등이라고 생각할 수 있다.

구간 1은, 전류 검출 수단(207)의 출력에 중첩 신호를 부여하지 않는 기간이다. 구간 1에서 가동자(6)가 대칭의 왕복 이동을 하고 있는 경우, 모터 전류 Im은 사인파 형상으로 변화한다. 구간 1의 구동 주파수는, 상술한 바와 같이 구성한 위상차 검출기(130)를 사용하고, 위상차 명령값 dltθ*을 0°로 한 경우에는, 대략 공진 주파수를 향한다.

구간 2는, 전류 검출 수단(207)의 출력으로의 중첩 신호로서, 직류 오프셋을 부여한 기간이다. 위상차 검출기(230)는, 상술한 바와 같이, 적당한 시상수를 갖는 불완전 적분기를 사용하는 또는 고역 통과 필터를 사용하면, 입력 모터 전류 Im의 1차 주파수 성분에만 큰 감도를 갖기 때문에, 구간 2에서 위상차 검출기(230)가 출력하는 위상차를, 구간 1의 값으로부터 비교적 변화하지 않도록 할 수 있다. 따라서, 구동 주파수는, 대체로 변화하지 않는다.

구간 3은, 전류 검출 수단(207)의 출력으로의 중첩 신호로서, 구동 주파수와 대략 동일한 주파수 성분의 신호를 부여한 기간이다. 동일한 주파수 성분의 신호를 중첩하면, 제어부(202)에 입력되는 신호(합성 파형)는, 전류 검출 수단(207)의 출력에 대해서 위상차가 발생한 파형으로 된다. 즉, 제어부(202)는, 위상차 dltθ^가 명령값 dltθ*로부터 어긋났다고 인식하기 때문에, 구동 주파수 명령값 ω*이 변경된다. 이것 때문에, 가동자(6)의 구동 주파수가 바뀐다. 도면 중에서는, 구동 주파수가 저하되어 있다.

구간 4는, 전류 검출 수단(207)의 출력으로의 중첩 신호로서, 구동 주파수보다도 고차의 주파수의 신호를 부여한 기간이다. 위상차 검출기(230)는, 적분기(94) 또는 불완전 적분기(141)를 갖고 있기 때문에, 입력 교류 신호의 1차 주파수 성분에만 큰 감도를 갖는다. 이것 때문에, 구간 4에서 위상차 검출기(230)가 출력하는 위상차는, 구간 1 및 2의 값에 대략 동일하다. 따라서, 구동 주파수 조정기(131)가 구동 주파수를 변경함으로써, 구간 4의 구동 주파수는, 구간 1 및 2와 동일한 주파수로 변화한다.

이와 같이, 상기와 같은 구간 1에서 얻어지는 위치 검출값 xm의 정상 상태의 주파수와, 구간 2 내지 4의 일부 또는 전부 구간에서 얻어지는 위치 검출값 xm의 주파수와의 관계를 확인함으로써, 1차 푸리에 계수를 이용하여 구동 주파수 명령값 ω*을 제어하는 본 실시예의 제어를 제어부(202)가 실행하고 있는지를 검증할 수 있다.

실시예 3

본 실시예의 구성은, 하기 점을 제외하고 실시예 1 또는 2와 마찬가지로 할 수 있다. 본 실시예는, 리니어 모터 시스템(300)을 탑재한 기기의 일례로서의 밀폐형 압축기(50)에 관한 것이다. 기기로서는, 왕복 이동하는 진동체(가동자(6))에 대해서, 그 위상 θ나 구동 주파수 ω에 따라서 변동하는 부하를 부여하는 것 등을 사용할 수 있다.

<밀폐형 압축기(50)>

도 22는, 리니어 모터(104)를 갖는 밀폐형 압축기(50)의 종단면도의 일례이다. 밀폐형 압축기(50)는, 압축 요소(20)와 전동 요소(30)가 밀폐 용기(3) 내에 배치된 레시프로 압축기이다. 압축 요소(20) 및 전동 요소(30)는 지지 스프링(49)에 의해 밀폐 용기(3) 내에 탄성적으로 지지되어 있다. 전동 요소(30)는, 가동자(6) 및 전기자(9)를 포함한다.

압축 요소(20)는 실린더(1a)를 형성하는 실린더 블록(1)과, 실린더 블록(1)의 단부면에 조립되는 실린더 헤드(16)와, 토출실 공간을 형성하는 헤드 커버(17)를 구비하고 있다. 실린더(1a) 내에 공급된 작동 유체는 피스톤(4)의 왕복 이동에 의해 압축되고, 압축된 작동 유체는 압축기 외부로 연통하는 토출관(도시생략)으로 보내진다.

가동자(6)의 일단부에는 피스톤(4)이 설치되어 있다. 본 실시예에서는, 가동자(6) 및 피스톤(4)이 왕복 이동함으로써, 작동 유체를 압축한다. 전동 요소(30)의 편단에는 압축 요소(20)를 배치하고 있다. 실린더 블록(1)은, 가동자(6)의 왕복 이동을 안내하는 가이드 로드를 전후 방향을 따라서 갖고 있다.

밀폐 용기(3)에 리니어 모터(104)를 설치하는 경우에는, 허메틱 커넥터나 하메틱크시르라 불리는, 기밀성을 갖는 커넥터가 사용되는 경우가 있다. 기밀성을 유지하기 위해서는, 커넥터의 수는 최소한으로 하는 것이 바람직하다. 그 때문에, 본 실시예의 리니어 모터 시스템(300)은, 리니어 모터(104)에 인가하는 전압 V와, 리니어 모터(104)에 흐르는 모터 전류 Im으로부터 가동자(6)의 위치를 추정하고, 위치 추정값 xm^을 기초로, 고정밀도로 공진 주파수를 검출 혹은 추정하여, 고효율의 리니어 모터 구동을 제공한다.

가동자(6)에 공진 스프링(23)(도 22 중에서는 도시하지 않음)을 부가하고, 가동자(6)의 질량과 스프링 상수로부터 정해지는 기계적인 공진 주파수에서 가동자(6)를 왕복 이동시키는 경우, 압축 요소(20)에 의한 공진 주파수에 대한 영향도 고려할 필요가 있다. 즉, 토출 공간의 압력에 의해, 작동 유체의 탄력적인 작용이 가해지기 때문에, 공진 상태로 되는 주파수가 변화된다. 즉, 실린더(1a)의 압력이 높은 경우에는, 가동자(6)에 부가된 공진 스프링(23)의 스프링 상수가 높은 것과 등가이며, 공진 주파수는 높아진다. 반대로, 실린더(1a)의 압력이 낮은 경우에는, 가동자(6)에 부가된 공진 스프링(23)의 스프링 상수가 지배적으로 되고, 공진 주파수는, 가동자(6)의 질량과 스프링 상수로부터 정해지는 기계적인 공진 주파수에 가깝다.

이와 같이, 리니어 모터(104)를 압축 요소(20)의 동력으로 하는 경우에는, 압축 요소(20)의 조건에 따라 공진 주파수가 변화하게 된다. 이러한 경우에 있어서도 최대 스트로크를 얻기 위해서는, 조건에 따라 변화하는 공진 주파수를 고정밀도로 검출 혹은 추정하는 것이 필요하다. 그 때문에, 본 실시예의 리니어 모터 시스템(300)은, 리니어 모터(104)에 인가하는 전압과, 리니어 모터(104)에 흐르는 전류로부터 가동자(6)의 위치를 추정하고, 위치 추정값을 기초로, 고정밀도로 공진 주파수를 검출 혹은 추정하여, 고효율의 리니어 모터 구동을 실현할 수 있다.

<리니어 모터 제어 장치(301)>

도 23은, 리니어 모터 시스템(300)의 모식도이다. 리니어 모터 시스템(300)은, 리니어 모터 제어 장치(301)와, 리니어 모터(104)로 구성된다.

리니어 모터 제어 장치(301)는, 위치 추정 수단(308)과, 전류 검출 수단(307)과, 제어부(302)와, 위상차 검출기(330)와, 전력 변환 회로(105)를 갖는다.

<위치 추정 수단(308)>

위치 추정 수단(308)은, 가동자(6)의 위치를 추정한다. 예를 들어 리니어 모터(104)에 인가하는 전압 Vm*과, 리니어 모터(104)에 흐르는 전류 Im을 이용하여, 예를 들어 다음 식으로 위치 추정값 xm^를 구한다.

식 중, Vm*은 리니어 모터(104)에 인가하는 전압 명령값 Vm*이다. 또한, 위치 추정 수단(308)은, 가동자(6)를 대신하여 피스톤(4)의 위치를 추정해도 된다.

도 24는, (5) 식을 블록도로 나타낸 경우의 설명도이다. 또한, 위치 추정 수단(308)에는, 상기 이외에도 공지된 동기식 모터의 위치 추정 방법을 적용할 수 있다.

이와 같이, 리니어 모터(104)에 인가하는 전압과, 리니어 모터(104)에 흐르는 전류로부터 가동자(6)의 위치를 추정하고, 위치 추정값을 기초로, 고정밀도로 공진 주파수를 검출 혹은 추정, 고효율의 리니어 모터 구동을 제공할 수 있다.

[검증 방법]

제어부(302)가 정확하게 구성되어 있는지 검증하는 방법에 대하여 설명한다.

도 25는, 본 실시예의 위상차 검출기(330) 및 구동 주파수 조정기(131)의 동작 설명도이며, 압축 요소(20)의 부하와 리니어 모터(104)의 구동 주파수의 시간적 변화를 나타내고 있다.

리니어 모터(104)를 구동할 때에는, 예를 들어 구동 주파수의 초기값을, 가동자(6)의 질량과 스프링 상수로부터 정해지는 기계적인 공진 주파수로 한다. 리니어 모터(104)가 구동되면, 작동 유체가 압축됨으로써, 작동 유체의 탄력적인 동작이 가해져서, 공진 주파수는 높아진다. 공진 주파수는, 작동 유체의 압축 상태에 따라서 동적으로 변화하기 때문에, 가동자(6)의 위상 θ가 기준 위상 θ*로부터 어긋난다. 이 때문에, 위상차 dltθ과 위상차 명령값 dltθ*의 잔차가 변동한다. 이것을 받아서 구동 주파수 조정기(131)는, 구동 주파수 명령값 ω*을 변동시키고, 변화된 공진 주파수(초기보다도 높은 주파수)를 향해서, 구동 주파수를 조정한다.

구간 1은, 압축 요소(20)의 부하를 점증시키는 기간이다. 부하의 증가에 수반하여 공진 주파수가 점증하기 때문에, 구동 주파수 명령값 ω*이 점증하고, 결과로서 구동 주파수 ω가 점증하고 있다.

구간 2는, 압축 요소(20)의 부하를 구간 1의 최종값보다 작은 대략 일정한 값으로 유지하는 기간이다. 압축 요소(20)의 부하를 저하시킴으로써, 작동 유체의 탄력적인 작용이 약해지고, 결과적으로, 공진 주파수는, 구간 1의 최종값보다도 낮아진다. 그래서, 구동 주파수 조정기(131)가 변화된 공진 주파수(낮은 주파수)로, 구동 주파수를 조정한다.

구간 3은, 압축 요소(20)의 부하를 구간 1로부터의 최종값보다도 큰 대략 일정한 값으로 유지하는 기간이다. 압축 요소(20)의 부하를 올림으로써, 작동 유체의 탄력적인 동작이 강해지고, 결과적으로, 공진 주파수는, 구간 1보다도 높아진다. 그 때문에, 구동 주파수 조정기(131)가 변화된 공진 주파수(구간 1보다도 높은 주파수)로, 구동 주파수를 조정한다.

이상과 같이, 압축 요소(20)의 부하를 변동시키고, 구동 주파수의 변화를 확인함으로써, 제어부(202)가 본 실시예의 구성을 구비하고 있는지 검증할 수 있다. 본 실시예에 의하면, 부하의 증감과 동일한 상관관계에 의해 구동 주파수를 증감시킬 수 있다. 즉, 부하에 따라서 증감하는 가스 스프링 상수에 추종한 제어를 행할 수 있다.

또한, 압축 요소(20)의 부하는, 압력뿐만 아니라, 온도나 토출량을 측정함으로써 대용할 수 있다. 즉, 도 25의 부하의 축은, 압력, 온도, 토출량으로서 볼 수 있다. 본 실시예에 의하면, 실시예 1과 마찬가지의 효과를 발휘할 수 있다.

본 발명은 상기한 실시예로 한정되는 것이 아니라, 다양한 변형예가 포함된다. 예를 들어, 상기한 실시예는 본 발명을 이해하기 쉽게 설명하기 위해서 상세히 설명한 것으로, 반드시 설명한 모든 구성을 구비하는 것으로 한정되는 것은 아니다.

또한, 상기 각 구성, 기능, 처리부, 처리 수속 등은, 그들의 일부 또는 전부를, 예를 들어 집적 회로에서 설계하는 등에 의해 하드웨어로 실현해도 된다. 또한, 상기 각 구성이나 기능 등은, 프로세서가 각각의 기능을 실현하는 프로그램을 해석하고, 실행함으로써 소프트웨어로 실현해도 된다.

1: 실린더 블록
1a: 실린더
2: 영구 자석
3: 밀폐 용기
4: 피스톤
6: 가동자
7: 자극
8: 권선
9: 전기자
16: 실린더 헤드
17: 헤드 커버
20: 압축 요소
23: 공진 스프링(어시스트 스프링)
30: 전동 요소
50: 밀폐형 압축기
100: 리니어 모터 시스템
101: 리니어 모터 구동 장치
102: 제어부
103: 전압 명령값 작성기
104: 리니어 모터
105: 전력 변환 회로
107, 207: 전류 검출 수단
122: 스위칭 소자
126: 풀 브리지 회로
130, 230, 330: 위상차 검출기
131: 구동 주파수 조정기
133: PWM 신호 작성기
201, 301: 리니어 모터 제어 장치

Claims (8)

1. 자극과 권선을 갖는 전기자 및 영구 자석을 갖는 가동자가 상대적으로 이동 가능하며,
   상기 권선으로 교류 전력을 출력하는 전력 변환부를 갖고,
   상기 가동자 또는 상기 전기자는, 탄성체에 접속하고 있는 리니어 모터 시스템으로서,
   상기 전기자에 대한 상기 가동자의 위치를 검출하여 출력하는 위치 검출부, 혹은 상기 전기자에 대한 상기 가동자의 위치를 추정하여 출력하는 위치 추정부, 또는 상기 권선에 흐르는 전류값을 출력하는 전류 검출부와,
   해당 위치 검출부 혹은 해당 위치 추정부 또는 해당 전류 검출부의 출력에 기초하여, 상기 전력 변환부의 출력을 제어하는 제어부를 갖고,
   해당 제어부는,
   상기 위치 검출부 혹은 상기 위치 추정부 또는 상기 전류 검출부의 출력에 대해서 상기 교류 전력의 주파수와 동일한 주파수의 신호가 가해진 경우, 상기 교류 전력의 주파수를 변화시키고,
   상기 위치 검출부 혹은 상기 위치 추정부 또는 상기 전류 검출부의 출력에 대해서 상기 교류 전력의 주파수보다 실질적으로 큰 주파수의 신호가 가해진 경우, 상기 교류 전력의 주파수를 동일하게 유지시키는 것을 특징으로 하는, 리니어 모터 시스템.
2. 제1항에 있어서,
   상기 제어부는, 상기 위치 검출부 혹은 상기 위치 추정부 또는 상기 전류 검출부의 출력에 대해서 직류 신호가 가해진 경우, 상기 교류 전력의 주파수를 동일하게 유지시키는 것을 특징으로 하는, 리니어 모터 시스템.
3. 제1항에 있어서,
   상기 제어부는, 상기 전기자에 대한 상기 가동자의 위치의 푸리에 계수의 비 의 역 정접을 사용하여, 상기 교류 전력의 주파수를 제어하는 것을 특징으로 하는, 리니어 모터 시스템.
4. 제1항에 기재된 리니어 모터 시스템을 구비하는, 압축기.
5. 삭제
6. 삭제
7. 제2항에 있어서,
   상기 제어부는, 상기 전기자에 대한 상기 가동자의 위치 푸리에 계수의 비의 역정접을 사용하여, 상기 교류 전력의 주파수를 제어하는 것을 특징으로 하는, 리니어 모터 시스템.
8. 제2항에 기재된 리니어 모터 시스템을 구비하는, 압축기.

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