WO2001092755A1

WO2001092755A1 - Controleur d'oscillations et dispositif de levitation magnetique equipe de ce controleur

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Publication number: WO2001092755A1
Application number: PCT/JP2001/004550
Authority: WO
Inventors: Yoshihiro Suda; Chih-Chung Chuang
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Filing date: 2001-05-30
Publication date: 2001-12-06
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Description

明細書摇動制御装置およぴ該装置を備えた磁気浮上装置技術分野

本発明は、物体の摇動を制御する装置に係り、好ましくは、吸引式磁気浮上システム、誘導式磁気浮上システム、リフトやケーブル等の吊持物、船舶等の海上浮上物、物体の摇動あるいは傾動を利用した遊技装置等に適用され得るものである。背景技術

本出願人は、吸引式磁気浮上系の新たな形態として、軌道の断面を円形状にすることにより、曲線への誘導を浮上制御のみで実現し、さらに曲線を通過するときに遠心力に応じて傾斜角度が自動的に調整できる姿勢制御機能を持つ方式を提案した（図 1参照）。この吸引式磁気浮上系では、軌道断面の接線方向の減衰が非常に小さいため、浮上体はその方向に外乱があると、動揺し続ける現象が起きる。浮上システムを実用化する際には、この動揺振動制御が必要である.。そのため、浮上体に振り子を設置し、その動きを制御することによって、軌道断面の接線方向に対する浮上体の振動特性を改良する方法を提案したが、構造上の制約で減摇効果が制限されることがわかった。

また、磁気浮上システムに限らず、リフトやケーブル等の吊持物、船舶等の海上浮上物等においても、簡単な構成で揺動を制御したいという要望がある。 '

従来の減摇制御装置には、高速回転体のジャイロ効果による、 CMG (C o n t r o l M o m e n t G y r o ) 減摇装置と、左右に移動する質量による可動質量式減摇装置（図 3 ( a ), 図 4 ( a ) 参照）がある。

C M G減揺装置の基本原理は、制御対象に高速回転体（ジャイロ）を設置して、高速回転体のジャイロ効果を利用して、制御対象の姿勢を維持することにより動揺現象を低減する。理論的には、ジャイロ効果が強ければ、高い減摇効果が得られるが、姿勢を維持する傾向が強くなるため、旋回や姿勢調整機能に支障が生じる。前述の磁気浮上システムにおいては、曲線走行時には、遠心力と釣り合うような位置に、浮上体が傾斜する必要があるが、ジャイロ機構では、このような車体の傾斜を妨げることになる。よって、ジャイロモーメントを利用する手法は、曲線通過時の姿勢制御と相反することになり、前述した自動傾斜調整機能を持つ吸引式磁気浮上系に C M G減揺装置を適用することはできない。

可動質量式減摇装置は、可動質量を制御対象に付加し、動吸振器として働く。その減揺装置の効果は設置する場所に左右され、高い減摇効果が得られる設置位置は制限されている。また、可動質量式減摇装置は、可動質量の移動ストロークに制限があり、さらに可動質量が大きくなると軽量化が要求される磁気浮上系への適用は困難である。

また、物体の減揺あるいは防振のみならず、物体を任意の方向に積極的に摇動あるいは傾動させたい場合もある。

本発明は、機械的な構造が単純で、制御系の設計が簡単でありながら、良好に摇動を制御することができる手段を提供することにある。

本発明の他の目的は、磁気浮上系に有利に適用可能な揺動制御装置を提供することにある。発明の開示

本発明が採用した技術手段は、物体の揺動を制御する装置であって、該物体には、回転体の反作用トルクを該物体に伝達可能な状態で回転体が設けてあり、該回転体の回転を制御することで、該物体の該回転体の回転軸に直交する方向の摇動を制御するように構成したことを特徴とするものである。すなわち、物体に、物体の揺動方向に対して鉛直方向の軸を中心として回転する回転体を設けることで、該回転体の回転を制御して、該物体の慣性モーメントを変化させて、物体の摇動を制御するように構成したものである。

前記物体には、磁気力によって非接触で支持される磁気浮上体、索条や物体に装着された吊持部によってある部材ょり吊持される吊持体（ケ一ブル、リフト、ロープウエイ、クレーン等）、あるいは、液体や気体の流体の力によって浮遊する物体、例えば、水の浮力によって浮遊する浮遊体（船舶等）、その他空気力で浮上する物体等が含まれる。一つの好ましい態様では、本発明は磁気浮上装置として具現化される。

図 2は本発明を磁気浮上装置に適用した場合を示す。浮上体として例示する車両は下方部位に四つの複合磁石（永久磁石と電磁石とから構成される）とリニアモータとを備えており、複合磁石の吸引力によって円筒形の軌道に対して走行するように構成されている。軌道の断面形状を円形状にすることで、曲線を通過するときに浮上体が遠心力に応じて自動的に姿勢調整できるようになっている。車両には 1回転自由度のロータないし回転体が設けてある。円形状の軌道の接線方向には、浮上体に対する減衰が極めて小さく、一度外乱があると振動が持続する現象が起きる。このような振動を解決するべく、車両に 1 自由度の回転体を設置して、回転体の回転を制御することによつて車両の振動を抑制するようにした。浮上体にそのローリングと同一方向の回転軸を持つ回転体を設置し、その回転運動を浮上体のローリングに応じて制御する。円形状の軌道中心に対する磁気浮上車両の振動している回転モーメント（回転角運動量）を回転体の回転モーメント（角運動量）に変換して吸収する。本磁気浮上システムにおいて、本発明の目的は、浮上体の姿勢を保つのではなく、姿勢変化に対する減衰を付加することである。変化の速度に応じて大きな減衰がでるように制御するため、比較的ゆつくりな姿勢変化には追従させ、振り子のような動揺については減衰させる機能を有する。

図 2 ( a ) では、車両の左右方向の中心に一つの回転体を設けたものを示している。発明者の研究によると、回転体を設ける部位は、物体の回転中心（揺動中心）に近い程有利であることがわかった。回転体は常時は静止していてもよいが、回転体を常時低速で回転させることが回転体内部の摩擦を補償する点で望ましい。回転体を常時回転させる場合には、その回転方向は問わないが、その際の定常電流を制御電流に比べて十分に小さくすることで、回転体を正逆両方向のいずれの方向にも選択的に回転できるようにする必要がある。

図 2 ( b ) では、車両に対して、左右方向対称になるように二つの回転体を設けたものを示している。図 2 ( b ) において、二つの回転体は同じ質量を有していると共に、二つの回転体の定常回転方向は互いに異なるようになつている。回転体内部の摩擦力を補償するためには回転体を低速で定常回転させることが有利であるが、二つの回転体を互いに反対方向に同速度で定常回転させることで、回転体の定常回転により生じるジャイロ効果を相殺するようにしている。回転体を複数設ける場合は、浮上体の重心を崩さないように設けることが望ましい。尚、回転体は、好ましい一つの態様では、物体に装着されたモータの回転子であり、回転子の反作用トルクは、モータの固定子を介して物体に伝達される。本発明は、磁気浮上装置における浮上走行体の分岐に適用することもできる。防振作用の逆作用として、回転体の回転を制御することにより、軌道のまわり（浮上体の左右方向）に対して浮上体を駆動させることができる。この逆作用を利用し、一つの軌道から二つの軌道に分岐する際に、選択する方向に回転体を回転させることで浮上体が分岐を通過するように構成することもできる。また、この防振作用の逆作用を利用して、磁気浮上を利用した遊技装置（本発明を用いた遊技装置は磁気浮上を利用するものに限定されないが）を提供することも可能である。

図 3 ( b ) は、図 4 ( b ) は、本発明の他の適用例を示す図であり、図 3 ( b ) は本発明をリフトに、図 4 ( ) は本発明を船舶に適用したものを示している。リブト本体の左右方向の中心部位には回転体が設けてある。回転体は、リフト本体の左右方向（リフトの摇動方向）に対して鉛直状に延出する軸を回転中心として回転自在となっている。回転体の回転を制御することで、リフト本体の揺動を制御するように構成されている。図示のものでは、回転体を一つ設けたものを示したが、左右に対称状に回転体を二つ設け、これらを互いに異なる方向に回転させるものでもよい。また、図示のものは、回転体を中心部位に設けたものを示したが、回転体は必ずしも中心に配設する必要はない。

船舶本体の左右方向の中心部位には回転体が設けてある。回転体は、船舶の左右方向（船舶の摇動方向）に対して鉛直状に延出する軸を回転中心として回転自在となっている。回転体の回転を制御することで、船舶の摇動を制御するように構成されている。図面の簡単な説明

図 1は磁気浮上システムについて、円形状の配管の軌道を利用したものを例示して示す図であり、（ a ) は概略断面図、（b ) は曲線状の軌道を示す概略平面図であり、図 2は回転体を有する浮上体を示す図であり、（ _a ) は車両が軌道上に設置され、レールを抱え込む保護構造を持つ磁気浮上車両であり、（b ) は車両が軌道の下に設置され、レールを抱え込む保護構造を持つ磁気浮上車両を示しており、図 3はリフトに係る摇動制御装置を示す図であり、（ a )は従来の可動質量による揺動振動制御を示し、（ b ) は回転体による揺動制御を示しており、図 4は船舶に係る摇動制御装置を示す図であり、（ a )は従来の可動質量による摇動振動制御を示し、（ b ) は回転体による摇動制御を示しており、図 5は実施例に係る磁気浮上システムを示す図の概略斜視図であり、図 6 ( a ) は図 5に示すシステムの概略断面図、（ b ) は記号の定義であり、図 7はフィードパック制御を示すプロック図であり、図 8は実験に係る制御回路図であり、図 9は y方向の定常力外乱に対する応答を示す図であり（揺動制御機構なし）、図 1 0は y方向の定常力外乱に対する応答を示す図であり（摇動制御機構有り、摩擦力の補償なし）、図 1 1は y方向の定常力外乱に対する応答を示す図であり（揺動制御機構有り、摩擦力の補償有り）、図 1 2は z方向の定常力外乱に対する応答を示す図であり、図 1 3はローリング方向の定常力外乱に対する応答を示す図である（揺動制御機構有り、摩擦力の補償有り）、図 1 4はピッチ方向の定常力外乱に対する応答を示す図であり、図 1 5はョ一方向の定常力外乱に対する応答を示す図であり、図 1 6は曲線における姿勢角を示す図である。発明を実施するための最良の形態

[磁気浮上システム]

本発明を磁気浮上システムに適用した場合を例にとって説明する。吸引式磁気浮上システムは、図 5、図 6に示すように、円筒形の軌道を走行する 4個の複合磁石とギャップセンサを設置してある質量の浮上体を有する。軌道の断面形状を円形状にすることにより、浮上体が遠心力に応じで自動的に姿勢調整される。 4個のギャップセンサにより、浮上体と軌道の相対位置を検知して、フィードバック制御で浮上システムを安定化させる。本システムの軌道は円形状であるため、浮上体を安定に浮上させれば、重力の作用により、浮上体は自然に振り子のように平衡点に戻ることができる。エネルギー消費を低減するために、永久磁石と電磁石を併用した複合磁石を採用し、永久磁石の吸引力を利用して、浮上体の重さを支える。 [回転型減揺装置の概念と原理]

本発明に係る減摇装置は、浮上体に設けた回転質量（回転体）を有する。実験では、モータの回転子を回転質量として利用し、モータの固定子を浮上体の一部とする。回転体は、回転自在で、かつ、該回転体の駆動トルクの反作用トルクが浮上体に伝達されるように連結されているものであればよく、モータの回転子に限定されるものではない。姿勢制御機能を持つ吸引式磁気浮上系の左右動揺運動を軌道断面の中心に対する回転運動と見なし、浮上系に回転体を設置して、回転体の回転運動を制御することによって浮上体に動揺減衰を与える。制御対象になる浮上体にモータを付加した系の運動方程式は次のようになる。

Total ■Φ_ρί + c_Tl)lal · φ_ρλ + k_Tl)lal Φ τ pi

(1)

- - ' ^Λ k Motor ' i ^lMolur

ただし

^Λ Total 総合慣性モ一メント

総合回転ばね定数

^CT""" 系の回転減衰

て _Pi モータの出力トルク

M i r モータのトルク係数

^ Motor 制御電流ここで、系の減衰係数 c _t。 _{t a} iは、非接触のため極めて小さいため、フィードパック制御により制御対象に減衰を付加する。速度フィ一ドパックを行なって、制御則を、 . , - κ_Ρ、· Φ_Ρ、 (²) とすると、閉ループ系の方程式は次式となる I ,",, I ' Φ_Ρ + ^Ca 1 '

⁰

ただし、 c_c„,,,_w/は制御で実現する減衰係数で、

^C li ul ~ ^CTiiiaI ~ ⁿ Motor ' p\ ^v ) ここで、微小な系の減衰係数 C _t。 _{t a} iを省略すると、制御により実現する回転型スカイフックダンバの減衰係数は次のようになる。

^C tri,i"r"l ~

回転体の駆動トルクの反作用トルクは、固定子などを介して浮上体に伝達する。

回転体は何回転もできるため、本発明に係る回転式減摇装置はスト口ークの制限が無いことになる。よって、減摇効果は高く、また、回転体の慣性モーメントと角速度を調整することによって、小型軽量化も可能という長所をもつている。

磁気浮上システムにおいては、動揺制御以外にも安定な浮上を実現することが極めて重要であるため、動揺制御のための回転体の制御と浮上制御は独立に制御し、安定した浮上システムを構成することが望ましい。したがって、システムの状態方程式を導出し、さらに不安定なモードを抽出して安定化制御を行う。安定化制御を行った浮上系を制御対象として、浮上体の傾斜角速度のみをフィ一ドパックする情報とする減摇制御を設計する。

[運動方程式と状態方程式]

システムの運動方程式は以下のとおりである。 MX = [Κ_ρ + K_g)x + K_t I + W ( ₅ ) ただし

K_p 7 久磁石のみによる力とモーメントの係数行列

K_g 重力による力とモーメントの係数行列

制御電流による力とモーメントの係数行列

w 外乱行列システムの状態方程式は以下のとおりである。 x = X とおくと、次の状態方程式が得られる ,

X = AX + BU + W ( 6 ) ただし、 5)

[不安定モードの分離]

状態方程式（ 6 ) から磁気浮上系の不安定なモード（軌道に対する上下方向、ローリング方向、ピッチ方向、ョーイング方向）を抽出すると

、次のような、浮上体の不安定なモードにより構成された状態方程式が得られる。 X, =A , +5,.ひ,. (7) ただし

(2:5,2:5) (2:5,7:】 0)

A.. =

ヒ (7:10,2:5) (7:10,7:10). ひ,. =ひ (1:4,1)

[浮上体を安定化する制御則の決定]

浮上体を安定化させる制御則を決定する。式（ 7 ) の状態べクトルをフィードパック情報として、さらに、常に各電磁石の電流を零に収束するように、電流値を一回積分してフィードパックする。以下に評価関数を示す。

J = + U RU, (8)

たた、し

評価関数（8 ) を用いて、最適制御の方法で状態フィードパックゲイン Kbとゼロパワーフィードパックゲイン Κ ζを求める。

[動揺制御則の決定]

浮上体の左右揺動振動は、レールの断面中心に対する浮上体の回転する角運動と考えられる。その角運動を、回転質量の回転トルクを制御することにより、浮上体に回転型の減衰作用を与える。浮上体の傾斜角速度と比例する減衰トルクを浮上体に出力するように電流ドライパーを制御すると、動摇振動の持続問題を解決することができる。よって、図 7 に示すように、安定化した浮上システムを制御対象とし、浮上体の揺動減衰を生み出すように、浮上体の絶対姿勢角速度をブイードパックする。その制御則は以下のとおりである。 i_xdt

^ (4 1) 人 6(1:4,1:4) 0(_4χ1) Κ 6(5:8,5:8) i₂dt

ひ =一 X— K—

0 0 (1x4) Κ pi 0 Ldt

i dt

( 9 )

[制御則と極]

式（8 ) で求めた制御則を表に示す:

Stabilizing Control Ruie round by Optimal Control Method

表 1 . 安定制御則表 1の制御則を実験に用い、浮上系の安定化制御を行った磁気浮上システムの極を表 2に示す。表 2の極 p i と p 2は、円形状のレールにより生じる振動モードである。振動モードの周波数は、浮上模型車両の重心から円形状レールの断面形中心までの距離により決定される。極 P 1 、 p 2の実部から、揺動方向の減衰が極めて小さく、外乱を入れると、振動が長く持続することがわかる。 Poles with Stabilizing Control

No. Value

pi -0.00 + 11.43i

p2 -0.00 - 11.43i

p3 -1 17.78

p4， -1 15.91

p5 -86.13

p6 -46.35

p7 -45.80

p8 -40.67

p9 -26.41

plO -17.82

pl l -1.00

pl2 -1.00

Pl3 -1.00

pl4 -1.00 表安定制御による極浮上体の角運動量に対して回転質量の吸収する作用について説明する。浮上体が左方向（正の傾斜方向）に揺動する際に、その揺動を抑えるために、浮上体に負のトルクを加える。回転質量（モータの回転子）は自由回転する軸を介して浮上体に結合されている。したがって、モータの出力トルクの反作用トルクはモータの固定子に作用し、その反作用トルクを固定子を介して浮上体に伝達する。モータに正の電流を流せば固定子に負の反作用トルクが生じ、固定子を通して浮上体に負のトルクを伝達する。すなわち、正のモータトルクを出力するように正の電流を流す、あるいは負帰還から表現すると、フィードパックゲイン K p 1の値が負になるように電流を流す。

表 3にフィードバックゲイン K p 1 の値とそれに対応するシステムの振動モードの極を示す。 Poles with different Feedback Gain Kpl

Kpl = 0.20 Kpl= 0.10 Kp】 - 0.00 Kpl =-0.10 Kpl =-0.20 Kpl =-0.30 Kpl =-0.40

Pi 1.65 + 11.28i 0.83 + 11.39i -0.00 + 11.43 i -0.84 + 11.40i -I.67+IL29i -2.50 + 11. Hi -3.31 + 10.84i p2 -3.31 - 10.S4i o表 3. 異なる Kp lに対応する極

K p 1 = 0. 1 0と K p l = 0. 2 0の場合は、正の傾斜方向に揺動する浮上体に対して正のトルクを加えるため、負の回転減衰を与えるこ

Ό

とと同じであり、浮上体が加振 oされ、システムが不安定になる。表 3に示された極を比ぺると、右の方は極の実部が小さく、外乱があればより o

早く定常状態に収束することがわかる。この理由は、右の方が K p lをフィードパックすることにより実現した回転型減衰効果が大きいからである。表 4に K p l =— 0. 4 0 とした浮上システムの全ての極を示す。実験する際に、 Κ Ό = 0 . 4 0を用いる。

H

—

表 4. 振動制御による極ここで、回転質量の機械的な摩擦力の干渉により、振幅が微小になると減摇制御の効果が小さくなり、微小振動が持続することになる。この問題を解決するために、回転体を定常に回転させ摩擦力を補償する手法を考案した。これについては後述する。

[実験]

図 8に制御回路の構成を示す。四つのギャップの情報から、軌道に対する浮上体の上下、ローリング、ピッチ、ョー方向の状態量を求める。変位の微分値はコンピュータにより変位を微分して算出する。ギヤップの情報はギャップセンサーを用いて計測し、浮上体の傾斜角度は、ジャィ口センサーにより計測する。

摇動制御装置（減揺装置）を設けた磁気浮上システムの特性について、 5つの自由度（F 1 ：横方向、 F 2 ：上下方向、 F 3 ：ローリング方向、 F 4 ：ピッチ方向、 F 5 ：ョー方向）に対して、それぞれ、定常力外乱（F n = 0 . 2 N ) を浮上体に加えて、実験とシミュレーションにより、検討した。

[減揺制御が無い場合]

システムに減揺制御機構を加える前に、横方向の定常力外乱を浮上体に加え、シミュレーションと実験を行った。結果を図 9に示す。浮上体は振り子のように、横方向の力に応じて、姿勢角 φ P 1が振動しながら平衡点一 0 . 0 6 r a dに収束する。動摇持続の原因は、浮上体に対する軌道の接線方向の減衰が非常に小さいためである。複合磁石の電流は、システムを安定化させるために、姿勢角 φ p 1 と共に振動しながら流れる。

[摩擦力の補償が無い減揺制御の場合]

実験とシミュレーションの結果を図 1 0に示す。姿勢角 1に対する減摇制御が無い時の摇動持続現象を、システムに減摇制御を加えることで、解消するようにした。姿勢角 φ p 1がすぐに収束することがわかる。しかしながら、時刻 1 s e c . から、複合磁石の制御電流 i 1 とモータ制御電流 i 5は、姿勢角 φ p 1 の微小振動と伴って、微小に振動する。これは、モータの摩擦力による不感帯（モータの回転子が摩擦力により拘束される）を示している。

[軌道の接線方向の力外乱による影響]

前述の不感帯をなくすために、モータの制御電流に定常電流（ 0 . 0 2 A ) を加え、モータの回転子を常に回転させる方法で摩擦力を補償した。浮上体に横方向の力を加えて実験を行い、結果を図 1 1に示す。浮上体は振り子のように、横方向の力に応じて、' 姿勢角 φ p 1が平衡点一 0 . 0 6 r a dに微小振動なしに収束する。図 1 0と比較すると、摩擦力を補償することにより、不感帯が無くなり、減揺制御の効果を向上できることがわかった。

動摇制御電流に摩擦補償のための微小定常電流を重ねるが、その定常電流の大きさは摩擦トルクを克服できる程度として、モータを低速に回転させる。その定常電流は、制御電流と比べると充分小さく、さらにモータの回転は正方向のも負方向にも加速できるため、定常電流による低速回転の方向は外乱の方向と無関係に決めればよい。また、この回転は極低速であるので、エネルギー消費の観点からも、磁気浮上に対しても悪影響はない。実験においても、浮上模型車両の安定浮上や曲線での旋回機能に障害がないことを確認している。

浮上体は、横方向の力に応じて、姿勢角を調整し、常に重力と永久磁石の吸引力を利用して、横方向の力をキャンセルする。モータの電流は

、姿勢角 1の振動を抑制するために流れ、振動がなくなると定常電流（ 0 . 0 2 A ) に収束する。複合磁石の制御電流は、単にシステムの安定性を維持するために流れる。

[上下方向の力外乱による影響]

軌道に対する上下方向の定常力外乱（F 2 = 0 . 2 N ) を浮上体に加え、システムの挙動についてシミュレーションと実験を行った。結果を図 1 2に示す。浮上体は、振動せずに上下変位が一 0. 1 8 mmに収束する。複合磁石の電流は、上下変位を一 0. 1 8 mmに収束することに伴って、零に収束する。浮上体は、軌道に対する上下方向の力に応じて、永久磁石の吸引力を生み出すように軌道に対する距離を調整し、常に永久磁石の吸引力を利用して、荷重をキャンセルする。複合磁石の制御電流は、単にシステムの安定性を維持するために流れる。

[ローリング方向の力外乱による影響]

定常力外乱（F 3 = 0. 2 N) を浮上体に加えて、システムの挙動についてシミユレーションと実験を行った。 F 3が浮上体の重心から y 1 方向に 3 2 mmずれているので、これを換算すると、上下方向に荷重 0 . 2 Nとローリング方向に 6. 4 mNmのトルクを加えることに相当する。結果を図 1 3に示す。浮上体は、軌道に対する上下方向の力に応じて、軌道に対する距離（_ 0. 1 8 m_m) を調整し、永久磁石の吸引力を利用して、荷重をキャンセルする。ローリング方向の 6 . 4 mNmトルクに対して、浮上体はマイナス方向にローリング（一 0. 0 1 r a d ) をして、永久磁石の力で付加されたローリング方向のトルクをキャンセルする。モータの電流は、単に振動を抑制するために流れ、振動がなくなると定常電流（0. 0 2 A) に収束する。複合磁石の電流は、零に収束する。浮上体は、上下方向の力とローリング角を調整し、常に永久磁石の吸引力を利用して、加えた上下方向の力とローリング方向のトルクをキャンセルする。複合磁石の電流は、単にシステムの安定性を維持するために流れる。

[ピッチ方向の力外乱による影響]

定常力外乱（F 4 = 0. 2 N) を浮上体に加え、システムの挙動について、シミュレーションと実験を行った。 F 4が浮上体の重心から X 1 方向に 6 0 mmずれているので、これを換算すると、上下方向に荷重 0 . 2 Nとピッチ方向に一 1 2 mN:mのトルクを加えることに相当する。結果を図 1 4に示す。浮上体は、上下方向の力に応じて、軌道に対する距離（一 0. 1 8 mm) を調整し、永久磁石の吸引力を利用して、荷重をキヤンセルする。ピッチ方向の一 1 2 mNmトルクに対して、浮上体はプラスのピッチ（ 0. 0 0 6 r a d ) をして、永久磁石の力で付加ピツチのトルクをキャンセルする。複合磁石の電流は、法線方向の位置とピッチが平衡点に近づくことに伴い、零に収束する。浮上体は、上下方向の力とピッチ方向のトルクに応じて、上下方向の位置とピッチ角を調整し、常に永久磁石の吸引力を利用して、加えた上下方向の力とピッチ方向のトルクをキャンセルする。複合磁石の制御電流は、単にシステムの安定性を維持するために流れる。

[ョ一方向の力外乱による影響]

定常力外乱（F 5 = 0. 2 N) を浮上体に加えて、システムの挙動についてシミュレーシヨンと実験を行った。 F 5が浮上体の重心から X 1 方向に 6 0 mmずれているので、これを換算すると、上下方向に荷重 0 . 2 Nとョ一方向に 1 2 m Nmのトルクを加えることに相当する。結果を図 1 5に示す。ョー方向の 1 2 mNmトルクに対して、浮上体はマイナスのョ一角（一 0. 0 6 r a d ) を示し、永久磁石の力で付加されたョー方向のトルクをキャンセルする。モータの電流は、姿勢角 ψ ρ 1の振動を抑制するために流れ、振動がなくなると定常電流（ 0. 0 2 A) に収束する。複合磁石の電流は、ョ一角が平衡点に近づくことに伴って、零に収束する。浮上体は、接線方向の力とョー方向のトルクに応じて、姿勢角とョ一角とを調整し、常に重力と永久磁石の吸引力を利用して、加えた横方向の力とョー方向のトルクをキャンセルする。複合磁石の制御電流は、単にシステムの安定性を維持するために流れる。

[曲線走行時の姿勢角]

曲線半径 l mの軌道を直線から進入する左旋回の走行実験を行った結果を図 1 6に示す。本実験装置には駆動装置がないため、ばねによる動力を用いており、曲線に進入する直前の浮上体の速度は、約 1 . O m Z s e cである。曲線部分では遠心力により、浮上体の姿勢角が 0 . 1 r a dを平衡点に収束しながら、前進している。すなわち、浮上体は曲線旋回中に、複合磁石の吸引力と重力を利用した向心力を生み出し、自動的に姿勢を調整する。さらに、提案する減揺制御により、動揺が抑えられていることもわかる。

以上の実験と検討により、提案する回転型減揺装置を付加することにより、浮上体が曲線旋回するときの動摇現象を理想的に減少させることがわかった。本減揺手法の特徴は以下のとおりである。

( 1 ) 回転式減揺装置は何回転もできるため、ストロークの制限がない

。よって減揺効果が高い。

( 2 ) 回転体の回転速度を増大させることにより、小さな慣性モーメントでも制振効果が得られ、装置の小型軽量化が可能である。よつて、軽量化が必須である磁気浮上系に適合する。

( 3 ) 減摇制御システムが故障しても、浮上システムに障害を与えないように、浮上系と減摇系を独立にする制御方法を採用している。 ( 4 ) 回転式減摇装置を付加する前後で、浮上システムのモードの自由度が増加することは無い。よって、浮上系の設計に影響を与えない。

( 5 ) 浮上体の姿勢角速度のフィ一ドパックゲインを調整することにより、浮上体に与える減衰係数を設計できる。

( 6 ) 浮上体の案内と浮上機能を兼用し、姿勢制御、安定化制御おょぴ減摇制御を達成しながら、エネルギー消費を低減することができる。

また、回転式減摇装置の回転体により生じるジャイロ効果について、浮上系の旋回運動に障害を与えないことも確認した。浮上体が曲線を走行すると、旋回運動によりモータの回転子によりジャイロモーメントが生じる。このジャイロモーメントはピッチ方向の定常トルク外乱と考えることができる。ピッチ方向に対する浮上系の安定性を確認するために、浮上系に定常トルク外乱として 1 2 . 0 X 1 0— ³ N mを与えて、浮上系が安定性を保つことができることを確認した。

磁気浮上システムとの関違において本発明を説明したが、本発明は磁気浮上システムに限定されるものではない。また、本発明について減摇との関連で説明したが、本発明は物体を能動的に摇動させることに用いることもできる。その場合には、回転体を常時高速で回転させておき、任意に回転速度を増減するような制御手法も採り得る。実施の形態では、回転体を一つ設けたものを示したが、左右に対称状に回転体を二つ設け、これらを互いに異なる方向に回転させるものでもよい。また、本発明で採用する回転体は一般には互いに異なる二方向に回転自在の回転体であるが、一方向のみに回転する回転体を採用することも可能である。例えば、回転体を二つ以上設ける摇動制御装置において、いずれか一方の回転体のみを回転させることで減揺を行なうことも可能である。また、一つの望ましい態様では、回転体は揺動中心部位あるいはこれに近接させて設けられるが、回転体は必ずしも揺動中心に配設する必要はない

産業上の利用可能性

本発明に係る揺動制御装置は、磁気浮上システムを初めとして、その他、吊持体や浮遊体等に幅広く適用することが可能である。

Claims

請求の範囲

1 . 物体の揺動を制御する装置であって、該物体には、回転体の反作用トルクを該物体に伝達可能な状態で回転体が設けてあり、該回転体の回転を制御することで、該物体の該回転体の回転軸に実質的に直交する方向の摇動を制御するように構成したことを特徴とする揺動制御装置。

2 . 請求項 1において、前記物体は、磁気力によって非接触で支持される磁気浮上体、ある部材から吊持される吊持体、流体の浮力によって浮遊する浮遊体からなる群から選択されるものであることを特徴とする揺動制御装置。

3 . 請求項 1において、前記回転体はモータの回転子であり、該モータの固定子は該物体に連結されており、該回転子の回転の反作用トルクは、該モータの固定子を介して物体に伝達されることを特徴とする揺動制御装置。

4 . 請求項 1において、常時は、前記回転体は低速で回転していることを特徴とする揺動制御装置。

5 . 請求項 1において、該回転体を複数配設したことを特徴とする動制御装置。

6 . 請求項 5において、二つの回転体を物体の揺動方向に対称状に配設したことを特徴とする揺動制御装置。

7 . 請求項 6において、該二つの回転体は常時は互いに反対方向に低速で回転していることを特徴とする摇動制御装置。

8 . 請求項 1において、該摇動制御装置は該物体の揺動を検知する機構を含み、該物体の揺動の検知に応じて該物体の揺動を減揺するように該回転体を回転させるものであることを特徴とする揺動制御装置。

9 . 請求項 1において、該摇動制御装置は、該物体に任意の摇動を付与するものであることを特徴とする揺動制御装置。

1 0 . 強磁性体からなる支持部と、磁石を備えた浮上体と、該磁石の吸引力を制御する浮上制御機構とを備えており、該支持部に対して該浮上体を非接触で支持させるように構成された磁気浮上装置において、該浮上体には、回転体の反作用トルクを該物体に伝達可能な状態で回転体が設けてあり、該回転体の回転を制御することで、該浮上体の該回転体の回転軸に実質的に直交する方向の揺動を制御するように構成したことを特徴とする磁気浮上装置。

1 1 . 請求項 1 0において、浮上制御手段と揺動制御手段とを独立して制御自在に構成したことを特徴とする磁気浮上装置。

1 2 . 請求項 1 0において、該支持部は下向き円形断面を有した軌道であることを特徴とする磁気浮上装置。

1 3 . 請求項 1 2において、該回転体は浮上体の進行方向に延出する軸を中心として回転自在であり、該回転体の回転を制御することで該浮上体の左右方向の振動おょぴローリング振動を制御するように構成したことを特徴とする磁気浮上装置。

1 4 . 請求項 1 0において、該支持部は下向き円形断面を有した軌道であり、該軌道は複数の経路に分岐するように構成されており、該浮上体には、鉛直方向の軸を中心として回転自在の回転体がその反作用トルクを該浮上体に伝達可能な状態で設けてあり、該軌道の分岐において、該回転体の回転を制御することで該浮上体の進路を選択するように構成したことを特徴とする磁気浮上装置。