図1は、本発明の磁気浮上制御装置の制御ブ ロック図である。図において、120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 する吸引形磁気浮上装置、100は、電磁石を励 磁する電力アンプとなっている。101は固定子 と浮上体との空隙変位を検出する位置検出部 、102は電力アンプの出力電流を検出する電流 検出部、103は前記位置検出値を基準位置に制 御する位置制御部、107は位置検出値から速度 を微分演算し係数をかけて制御入力に状態フ ィードバックする速度状態フィードバック演 算部、108は電流検出値に係数をかけて制御入 力に状態フィードバックする電流状態フィー ドバック演算部、109はアンプの励磁電圧と検 出電流に基づき磁束を演算する磁束演算部、 110は磁束演算値を所望の磁束に制御する磁束 制御部、105は位置制御出力と磁束制御出力と 速度状態フィードバック値と電流状態フィー ドバック値とから電圧指令値を生成する電圧 指令生成部、106は位置制御部と磁束制御部と の制御負担率を調整する制御負担率調整部と なっている。
 本発明が従来技術と異なる部分は、複合磁� ��回路に鎖交する磁束を演算する磁束演算部� ��、磁束演算値に基づき前記電力アンプによ� ��磁気エネルギーをゼロとする磁束制御部と� ��備えた部分である。
 以下、制御構成について説明する。一般に� ��気浮上系の状態方程式は以下の式であらわ� ��れる。

                  


L0:励磁コイルの自己インダクタンス、R:励磁� ��イルの巻線抵抗、fd:浮上体に作用する外力� ��Kd0:変位を力に換算する係数、Ki0:電流を力� �換算する係数である。

 (1)式の状態方程式において、
  


と定義し、各行列をA、B、C、Dと置く。

 
ここで、y:制御出力、
 


 である。

 磁気浮上の姿勢を安定化させるためには、� ��隙変位(位置)、速度、電流を用いて、フィ� �ドバック制御により安定化を図ることとな� �。実用的に検出可能な物理量としては、位� �と電流であり、速度は位置の変化量から演� �可能である。
励磁電圧u ₁ 指令値は、以下のように構成される。

 
ただし、z0は位置基準値、Kzは比例制御ある� �は比例・積分制御などで構成される制御器� �Ki、Kdzは制御ゲインである。

 位置を位置基準値に完全に一致させる場� ��は、Kzは比例・積分制御で構成させること� �なる。これに対し、浮上体の重量を永久磁� �の吸引力で支持した状態で電力アンプによ� �消費電力をゼロとするゼロパワー制御があ� �。この場合、位置を外力によって基準値か� �変化させ、アンプの消費電力をゼロとする� �ととなる。これを実現するためは、従来はKz を比例制御とし、(4)式のように電流フィード バック制御を(3)式に付加していた。

   
        ここで、Kexiは制御ゲインである� ��

 しかしながら、電流をゼロに保った場合� ��アンプの消費電力ゼロ(ゼロパワー)は実現� �きるものの残留する磁気エネルギーの影響(� ��ステリシス特性の影響)で浮上位置が磁気的 な平衡点から大きくずれることがあるという 問題があった。これは空隙変位を制御するた めの位置制御が磁気的な平衡点を基準に組ま れていることから、ゼロパワーは実現できて も制御が不安定となり、位置制御の収束性が 劣化するという問題もあった。図2は磁気回� �のヒステリシス特性を説明するものである� �アンプ電流をゼロに制御しても残留磁束が� �きく残る場合は変位も大きく基準位置から� �れることとなる。また、電流がアンプの正� �向と負方向とでも特性が変ることがあった� �

 そこで、本発明では磁束を直接制御し、ゼ� ��パワー制御を実現する方法を提案している� ��磁気回路に鎖交する磁束は、コイルにより� ��生する磁束と永久磁石によりコイルに鎖交� ��る磁束との合成であり、永久磁石の分極方� ��の長さをl _m  、電磁石コアと永久磁石の断面積をSとする� �、次式のようにあらわされる。

     
ここで、

    
      φ:主磁束、 
            N:コイルの巻数、 
            H _m :永久磁石保磁力(AT/m)
      μ ₀ :永久磁石と空隙の透磁率

 説明の簡単のため、電磁石コアと永久磁石� ��断面積を等しいとしたが、異なる場合も同� ��に計算可能である。
電気回路においては、次式の関係が成り立っ ている。

    
鎖交磁束は(7)式を積分演算して、(8)式のよう に求められる。

(8)式は実用上、純粋な積分はオフセットな どのドリフトなどを引き起こすため、近似的 に疑似積分へ置き換えこともできる。

    
ここで、ktは疑似積分係数である。

 磁気的な平衡点における永久磁石から発生� ��れる磁束を指令値φ ^* とすると、予め次式で計算される。

したがって、磁束制御を付加した励磁電圧指 令値u ₁ は、次式で与えられる。

    
ここで、Kfaiは制御ゲインである。

 また、磁束の指令値との偏差は予め以下� ��ように計算することもできる。

 この磁束制御を付加した場合、電磁石の� ��生する磁束をゼロとすることができる。磁� ��がゼロとなった直後の励磁電流は図2のヒス テリシス特性のようにゼロとはならないが、 電磁エネルギーを発生しないので、(13)式の� �係のように、次第にゼロに収束することと� �る。また(11)式では磁束制御を積分型で構成� ��たが、比例・積分型の構成としても問題は� ��い。また、励磁電圧指令値に制御結果を加� ��するようにしているが、電流制御形の電力� ��ンプを使用する場合は、制御ゲインの調整� ��より電流指令値に加算することも可能であ� ��。

       
ここで、Rzは電磁石の磁気抵抗である。

 実際の制御においては、起動時には磁束� ��御をいれず(オフモード)、位置制御の制御� �成を比例積分とし、すばやく空隙変位を基� �位置に制御する。その後、位置制御を比例� �御に切替、磁束制御をいれて(オンモード)電 力アンプの消費電力をゼロに近づけていく。 これら調整を制御負担率調整部106にて実施す るようになっている。

 図3は第2実施例の構成を示す図である。実� �例1の磁束演算部を309の磁気エネルギー演算� ��に置き換え、310にて電力アンプによる磁気� ��ネルギーをゼロとするように制御するよう� ��構成している。実施例1の磁束制御では電力 アンプによる磁束をゼロとしてもすぐには励 磁電流をゼロとすることはできなった点を改 良するものである。
 磁気エネルギーに相当する物理量を(14)式の ように磁気エネルギー演算部309にて演算する 。

 これをゼロとするように310で磁気エネルギ� ��制御を実施する。
したがって、磁気エネルギー制御を付加した 励磁電圧指令値u ₁ は、次式で与えられる。

 
   
(14)式における磁気エネルギーに相当する物� �量は、平方根をとっているが、無くても制� �は可能である。
 このように、ヒステリ特性にある電磁石に� ��る残留磁気エネルギーをゼロとするように� ��ているので、浮上位置をすばやく磁気的な� ��定点に制御し、電力アンプの消費電力をゼ� ��とすることができる。