(57)【要約】      （修正有）【課題】  制御対象を目標位置へ忠実に位置決めすることができる位置決め制御装置を提供することを目的とする。【解決手段】  位置帰還値１ｂ及び位置偏差量に基づいて駆動源１１の加速度目標値２ｃを算出する位置速度補償演算手段３２（位置速度補償演算部３２）と、位置帰還値１ｂの微小な単位時間あたりの変化量から制御対象１４の微小移動量を算出し、この微小移動量から加速度指令値の補正量２ｅを算出する加速度補正手段３４，３５（位置監視部３４，加速度補正部３５など）とを備え、偏差算出手段３１は算出した位置偏差量２ａが所定の範囲内であるときは、この位置偏差量２ａを位置速度補償演算手段３２に出力せず、加速度補正手段３４，３５は偏差算出手段３１により算出された位置偏差量２ａが所定の範囲内であるときは、加速度指令値の補正量２ｅを算出するように構成される。【選択図】  図２
2006277495.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
制御対象を移動させる駆動源と、
前記制御対象の位置を検出する位置検出手段と、
前記制御対象の位置目標値と、前記位置検出手段により検出された前記制御対象の前記位置帰還値との差を示す位置偏差量を算出する偏差算出手段と、
前記位置帰還値及び前記位置偏差量に基づいて、前記駆動源の加速度目標値を算出する位置速度補償演算手段と、
前記位置帰還値の微小な単位時間あたりの変化量から前記制御対象の微小移動量を算出し、この微小移動量から前記加速度指令値の補正量を算出する加速度補正手段とを備え、
前記偏差算出手段は、算出した前記位置偏差量が所定の範囲内であるときは、この位置偏差量を前記位置速度補償演算手段に出力せず、
前記加速度補正手段は、前記偏差算出手段により算出された前記位置偏差量が所定の範囲内であるときは、前記加速度指令値の補正量を算出することを特徴とする位置決め制御装置。
【請求項２】
前記加速度補正手段の前段に、前記位置検出手段により検出された前記位置帰還値の高周波成分を除去するローパスフィルタを備えることを特徴とする請求項１に記載の位置決め制御装置。
【請求項３】
前記加速度補正手段は、前記位置目標値を微分した速度目標量及び前記位置偏差量の値がともに零であるときのみ、前記加速度指令値の補正量を算出することを特徴とする請求項１又は２に記載の位置決め制御装置。
【請求項４】
前記加速度補正手段は、前記加速度指令値の補正量あるいは前記位置目標値が一定となってからの経過時間、もしくは前記位置偏差量が前記所定の範囲内となってからの経過時間に基づいて、前記加速度指令値の補正量を算出することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の位置決め制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、制御対象の位置決めを行う位置決め制御装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、ボールねじやリニアモータ等を駆動源とする位置決め制御装置では、フィードバック制御を用いて、制御対象の位置決めを行う方法が広く知られている。このような制御装置では、より位置決め精度を向上させるため、制御系が不安定にならない範囲で制御ゲインの値を大きくしている。
【０００３】
しかしながら、制御ゲインの値は大きくなるほど、制御対象の応答が早くなるが、フィードバック信号に含まれるノイズ等も増幅するため、制御対象が振動して、制御系が不安定な状態に陥ることが多い。そこで、制御系に不感帯を設けて、フィードバック信号からノイズ等を除去するように構成された位置決め制御装置が開示されている。
【０００４】
例えば、光ディスク上に対物レンズを介して、レーザを集光させることにより光ディスクに記録されている情報を読み取って電気信号に変換する光ピックアップ送り制御装置において、対物レンズの光軸中心からの光軸ずれ量が予め設定した規定量の範囲内にあるときは、対物レンズを移動させる駆動源を制御するサーボＤＳＰ（Digital Signal Processor）から光ピックアップ送り駆動系に光軸補正信号が出力されないように該サーボＤＳＰを制御する不感帯を設定することにより、ある程度の送り量のばらつき（ノイズ）を不感帯が吸収して、微小な光軸ずれでの送り動作を防止したり、対物レンズが光軸中心を往復する発振動作をなくしたり、モータ寿命の劣化やトラッキングサーボ外れを防止したりすることができるものが知られている（例えば、特許文献１を参照）。
【特許文献１】特開平１１−１６１７０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に示すような従来の位置決め制御装置では、フィードバック信号からノイズ等を除去するために、位置偏差（すなわち、制御対象の現在位置と目標位置との差。特許文献１では対物レンズの光軸ずれ量）に不感帯を設けている。位置偏差が不感帯の範囲内である場合、つまり不感帯が作用している間は、位置偏差が零とみなされ、駆動源には駆動指令が出力されず、実質的に無制御状態となる。このため、外乱（例えば、振動等）の影響がある場合は、制御対象が不感帯範囲内で微動し続け、制御対象を目標位置に完全に停止させることができないという問題があった。
【０００６】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、制御対象を目標位置に忠実に位置決め停止することができる位置決め制御装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
このような目的を達成するため、本発明は、制御対象を移動させる駆動源と、前記制御対象の位置を検出する位置検出手段と、前記制御対象の位置目標値と、前記位置検出手段により検出された前記制御対象の前記位置帰還値との差を示す位置偏差量を算出する偏差算出手段と、前記位置帰還値及び前記位置偏差量に基づいて、前記駆動源の加速度目標値を算出する位置速度補償演算手段と、前記位置帰還値の微小な単位時間あたりの変化量から前記制御対象の微小移動量を算出し、この微小移動量から前記加速度指令値の補正量を算出する加速度補正手段（例えば、本実施形態における位置監視部３４、加速度補正部３５、整定状態監視部３７など）とを備え、前記偏差算出手段は、算出した前記位置偏差量が所定の範囲内であるときは、この位置偏差量を前記位置速度補償演算手段に出力せず、
前記加速度補正手段は、前記偏差算出手段により算出された前記位置偏差量が所定の範囲内であるときは、前記加速度指令値の補正量を算出するように構成される。
【発明の効果】
【０００８】
以上説明したように、本発明の位置決め制御装置によれば、制御対象を目標位置に忠実に位置決め停止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、図面を参照し、本発明の好ましい実施形態について説明する。図１は、本実施形態の位置決め制御装置１の構成図である。
【００１０】
位置決め制御装置１は、図１に示すように、モータ１１、ボールねじ１２、ナット１３、ステージ１４、リニアエンコーダ１５からなる機構系と、この機構系を制御する、帰還信号入力部２１、指令信号入力部２２、コントローラ２３、駆動信号出力部２４、増幅器２５からなる制御系とを備えて構成される。
【００１１】
まず、機構系について説明する。モータ１１は、ボールねじ１２を回転運動させる。ボールねじ１２は、回転運動することにより、ナット１３を左右に移動させる。ナット１３は、制御対象であるステージ１４に内蔵固定されており、該ナット１３のボールねじ１２に対する動きはステージ１４に伝えられる。リニアエンコーダ１５は、ステージ１４の位置を検出し、この検出結果を位置帰還信号１ａとして、帰還信号入力部２１へ出力する。
【００１２】
なお、制御対象であるステージ１４を移動させる駆動源として、本実施形態ではボールねじ１２を用いたが、これに限定されるものではなく、例えば、ベルトを用いてモータとステージ１４との間を駆動させたり、リニアモータを用いてステージ１４をダイレクトドライブ（直接駆動）させたりしてもよい。
【００１３】
次に、制御系について説明する。
【００１４】
帰還信号入力部２１は、ステージ１４からのフィードバック信号であるリニアエンコーダ１５からの位置帰還信号１ａを、位置帰還値１ｂとして、コントローラ２３へ出力する。なお、帰還信号入力部２１において、本実施形態では位置帰還値１ｂをリニアエンコーダ１５からのステージ１４の位置情報（位置帰還信号１ａ）を用いて求めたが、これに限定されず、例えば、ステージ１４の速度など他のフィードバック情報を用いて位置帰還値１ｂを求めてもよい。
【００１５】
指令信号入力部２２は、入力されたステージ１４に対する指令信号１ｃを、位置目標値１ｄとして、コントローラ２３へ出力する。なお、指令信号入力部２２において位置目標値１ｄを生成する方法については、例えば、制御対象のステージ１４を動作させる位置信号（位置目標値１ｄ）が直接入力されたり、あるいは指令信号１ｃとし、速度信号が入力されてこの信号を積分し、位置目標値１ｄを生成したりするなど、特に限定されるものではない。
【００１６】
コントローラ２３は、帰還信号入力部２１からの位置帰還値１ｂと、指令信号入力部２２からの位置目標値１ｄとを比較して位置偏差を求め、この位置偏差より加速度指令値１ｅを算出して、駆動信号出力部２４へ出力する。
【００１７】
駆動信号出力部２４は、コントローラ２３からの加速度指令値１ｅを、駆動指令信号１ｆとして、増幅器２５へ出力する。
【００１８】
なお、駆動信号出力部２４は、本実施形態では駆動指令信号１ｆが増幅器２５へ出力されているが、これに限定されず、例えば、電流指令をモータ１１へ出力してもよい。このような駆動指令信号の出力に関するインターフェースは、本発明の本質的な部分を意味するところではない。
【００１９】
増幅器２５は、駆動信号出力部２４からの駆動指令信号１ｆを、所定の大きさに増幅して印加電流とし、モータ１１へ出力する。増幅器２５からの電流を受けたモータ１１は駆動し、ボールねじ１２を回転し、制御対象であるステージ１４を該ボールねじ１２に沿って直線移動、位置決めする。なお、常にステージ１４の位置は、リニアエンコーダ１５により検出されて、位置帰還信号１ａとし、帰還信号入力部２１にフィードバックされている。
【００２０】
続いて、コントローラ２３について図２を用いて説明する。コントローラ２３は、偏差算出部３１と、位置速度補償演算部３２と、ローパスフィルタ３３と、位置監視部３４と、加速度補正部３５と、指令値算出部３６と、整定状態監視部３７とを備えて構成される。
【００２１】
偏差算出部３１は、指令信号入力部２２が出力した位置目標値１ｄから、帰還信号入力部２１が出力した位置帰還値１ｂを引いて、位置偏差量２ａを算出する。なお、本実施形態では偏差算出部３１の後段に不感帯３１´を設置して、位置偏差量２ａが不感帯３１´に入るときは該位置偏差量２ａを零として位置速度補償演算部３２へ出力し、位置偏差量２ａが不感帯３１´に入らないときは算出した位置偏差量２ａを位置速度補償演算部３２へ出力するようになっている。
【００２２】
位置速度補償演算部３２は、位置帰還値１ｂを微分した速度帰還量２ｂ、及び偏差算出部３１により算出された位置偏差量２ａから、加速度目標量２ｃを算出して、指令値算出部３６へ出力する。
【００２３】
なお、位置速度補償演算部３２では、ステージ１４の位置及び速度の制御（ＰＩＤ制御）を行う形態が一般的であるが、これに限定されず、位置補償及び速度補償を行う他の形態についてもそのまま適用できるということは言うまでもない。
【００２４】
ローパスフィルタ３３は、帰還信号入力部２１が出力した位置帰還値１ｂから高周波成分（ノイズ）を除去する。これにより、位置帰還値１ｂに含まれる高周波成分（ノイズ）が、後述の加速度補正部３５にて算出される加速度補正量２ｅに大きく重畳されて、制御系が不安定になることを防止できる。
【００２５】
位置監視部３４は、ローパスフィルタ３３を介して高周波成分（ノイズ）が除去された位置帰還値１ｂを監視して、この位置帰還値１ｂの微小な単位時間あたりの変化量から、ステージ（制御対象）１４の微小移動量２ｄを算出する。
【００２６】
加速度補正部３５は、位置監視部３４が算出した微小移動量２ｄから、加速度補正量２ｅを算出する。このとき、加速度補正部３５は、微小移動量２ｄ及び位置目標値１ｄが一定となってからの経過時間、もしくは位置偏差量２ａが所定範囲内となってからの経過時間に基づいて、加速度補正量２ｅを算出することが望ましい。
【００２７】
指令値算出部３６は、位置速度補償演算部３２からの加速度目標量２ｃと、加速度補正部３５からの加速度補正量２ｅとを加えて、加速度指令値１ｅを算出する。
【００２８】
整定状態監視部３７は、位置目標値１ｄを微分した速度目標量２ｆ、及び位置偏差量２ａの値を監視し、これらの値がともに零であるか否かを判定する。そして、この判定結果に応じて、監視指令信号２ｇを位置監視部３４へ出力する。
【００２９】
具体的には、整定状態監視部３７は、速度目標量２ｆ及び位置偏差量２ａの値がともに零であると判定した場合、すなわち位置速度補償演算部３２が機能しない場合は、監視指令信号２ｇを位置監視部３４へ出力する。これを受けて、位置監視部３４は位置帰還値１ｂの監視して微小移動量２ｄを算出するとともに、加速度補正部３５は加速度補正量２ｅを算出する。一方、速度目標量２ｆ及び位置偏差量２ａの値がともに零ではないと判定した場合、すなわち位置速度補償演算部３２が機能している場合は、監視指令信号２ｇを位置監視部３４へ出力しない。これを受けて、位置監視部３４は位置帰還値１ｂの監視をせず微小移動量２ｄも算出せず、また加速度補正部３５も加速度補正量２ｅを算出しない。
【００３０】
上記構成のコントローラ２３では、まず、偏差算出部３１が、位置目標値１ｄから位置帰還値１ｂを引いて位置偏差量２ａを算出し、この位置偏差量２ａが予め設定されている不感帯３１´に入らないときは、算出した位置偏差量２ａを位置速度補償演算部３２へ出力する。これを受けて、位置速度補償演算部３２は、位置偏差量２ａ及び位置帰還値１ｂを微分した速度帰還量２ｂを用いて、制御対象であるステージ１４の位置及び速度に係る演算処理を行って加速度目標量２ｃを算出し、指令値算出部３６へ出力する。
【００３１】
一方、位置監視部３４では、（ステージ１４の位置を検出するリニアエンコーダ１５からフィードバックされた）位置帰還値１ｂの微小な変化量を監視し、この変化量からステージ１４の微小移動量２ｄを算出し、加速度補正部３５へ出力する。加速度補正部３５は、この微小移動量２ｄに基づいて加速度補正量２ｅを算出し、指令値算出部３６へ出力する。
【００３２】
指令値算出部３６では、位置速度補償演算部３２からの加速度目標量１ｆと、加速度補正部３５から加速度補正量２ｅとを足し合わせ、加速度指令値１ｅを算出する。このようにコントローラ２３で算出された加速度指令値１ｅは、増幅器２５を介してモータ１１へ出力される。モータ１１がこの指令値１ｅに基づいて駆動されることで、ステージ１４をボールねじ１２に沿って移動、位置決めができるようになっている。
【００３３】
ここで、本実施形態の位置決め制御装置１において、図３に示すような加速、定速、減速及び停止を繰り返す速度パターンで、ステージ１４を動作させる場合を考える。
【００３４】
例えば、ステージ１４の加速、定速及び減速時においては、速度指令が零ではない、つまり速度目標量２ｆが零ではないため、整定状態監視部３７は監視指令信号２ｇを出力しない。したがって、位置監視部３４は微小移動量２ｄを算出せず、加速度補正部３５も機能しない。また、停止時においては、速度指令は零である、つまり速度目標量２ｆが零であるが、ステージ１４が目標位置の近傍に入るまでの間は位置偏差量２ａが零にならないので、このときも整定状態監視部３７は監視指令信号２ｇを出力しない。したがって、位置監視部３４は微小移動量２ｄを算出せず、加速度補正部３５も機能しない。よって、ステージ１４が加速を開始してから停止させようとする地点（目標位置）に近づくまでの間は、ステージ１４は実質的に位置速度補償演算部３２のみで制御される。
【００３５】
一方、ステージ１４を停止させようとする地点（目標位置）に近づいたときは、位置偏差量２ａが不感帯３１´の範囲内に入るため、位置速度補償演算部３２に出力される位置偏差量２ａは零となり、速度帰還量１ｅ（リニアエンコーダ１５により検出されるステージ１４の位置変位）も零に近い値になるのため、位置速度補償演算部３２はほとんど機能しなくなる。しかしながら、この場合は、整定状態監視部３７は監視指令信号２ｇを位置監視部３４へ出力するため、位置監視部３４は微小移動量２ｄを算出し、この微小移動量２ｄに基づいて加速度補正部３５は加速度補正量２ｅを算出する。ここで算出された加速度補正量２ｅは、ボールねじ１２とステージ１４（詳しくはステージ１４に内蔵されたナット１３）との間に作用する弾性力のバランスを保つように作用するため、ステージ１４の位置決め制御を安定且つ速やかに行うことができる。
【００３６】
なお、上記のような制御を行うために、予め、加速度補正部３５を、弾性力が微小移動量２ｄに応じて線形的に変化する傾向にあれば比例演算するように構成し、弾性力が微小移動量２ｄに応じて非線形的に変化する傾向にあればその傾向を反映する演算をするように構成すればよい。
【００３７】
また、加速度補正部３５を、微小移動量２ｄ及び位置目標値１ｄの値が一定となってからの経過時間、もしくは位置目標量１ｄと位置帰還値１ｂとの差である位置偏差量２ａが所定範囲内となってからの経過時間に基づいて、加速度補正量２ｅを算出するように構成することが好ましい。例えば、比例積分演算するように構成された加速度補正部３５において、実際に加速度補正量２ｅを算出する場合は、一定時間が経過するごとに、その比例ゲインを増加させるように構成すればよい。
【００３８】
ここで、位置決め制御装置１において、位置目標値１ｄと位置帰還値１ｂとの差が±数百ｎｍ以下となったときに不感帯３１が作用するようにし、この不感帯３１が作用したときに位置帰還値１ｂの変化が数十ｎｍとなった場合に、加速度補正量２ｅがモータ１１の定格トルクの５％程度になるように構成すると、不感帯３１が作用し始めてから５００ｍ秒以降、位置決め精度が１０ｎｍ以下で維持されることが確認できた。
【００３９】
以上のような本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲であれば適宜改良可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本実施形態の位置決め制御装置の構成図である。
【図２】本実施形態の位置決め制御装置に係るブロック線図である。
【図３】制御対象であるステージを動作させるときの速度パターンの例を示す図である。
【符号の説明】
【００４１】
１    位置決め制御装置
１１  モータ
１２  ボールねじ
１３  ナット
１４  ステージ
１５  リニアエンコーダ
２１  帰還信号入力部
２２  指令信号入力部
２３  コントローラ
２４  駆動信号出力部
２５  増幅器
３１  偏差算出部
３２  位置速度補償演算部
３３  ローパスフィルタ
３４  位置監視部
３５  加速度補正部
３６  指令値算出部
３７  整定状態監視部
【図１】
2006277495.tif 000003
【図２】
2006277495.tif 000004
【図３】
2006277495.tif 000005