(57)【要約】【課題】  モータ位置検出手段の分解能が低くても安定した速度制御が可能なサーボ制御装置およびその制御方法を提供する。【解決手段】  機械の位置を検出し機械位置信号を生成する機械位置検出手段（７）と、位置指令信号と機械位置信号との差を制御処理して速度指令信号を生成する位置制御手段（１）と、速度指令信号と速度フィードバック信号との差を制御処理してトルク指令信号を生成する速度制御手段（２）と、前記トルク指令信号を処理してモータを駆動するモータ駆動手段（３）と、位置信号から速度フィードバック信号を生成する速度フィードバック信号生成手段（９）とで構成されるサーボ制御装置において、機械位置かモータ位置かのいずれかを選択する位置信号選択手段（８）を有し、位置信号選択手段（８）は機械位置検出手段（７）とモータ位置検出手段（５）のうち分解能の高い方を選択し、位置信号選択手段（３）より速度フィードバック信号を求め、速度制御を行うようにした。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
機械の位置を検出し機械位置信号を生成する機械位置検出手段と、位置指令信号と機械位置信号との差を制御処理して速度指令信号を生成する位置制御手段と、前記速度指令信号と速度フィードバック信号との差を制御処理してトルク指令信号を生成する速度制御手段と、前記トルク指令信号を処理してモータを駆動するモータ駆動手段と、位置信号から速度フィードバック信号を生成する速度フィードバック信号生成手段とで構成されるサーボ制御装置において、
前記機械位置か前記モータ位置かのいずれかを選択する位置信号選択手段を有し、
前記位置信号選択手段は前記機械位置検出手段と前記モータ位置検出手段のうち分解能の高い方を選択することを特徴とするサーボ制御装置。
【請求項２】
前記位置信号選択手段は第１係数を前記モータ位置信号に乗算したものと、第２係数を前記機械位置信号に乗算したものとを加算して速度フィードバック信号を生成することを特徴とする請求項１記載のサーボ制御装置。
【請求項３】
前記速度フィードバック信号生成手段は、モータ慣性モーメントと機械慣性モーメントの２慣性モデルからモータ速度を推定し、速度フィードバック信号を生成することを特徴する請求項１記載のサーボ制御装置。
【請求項４】
機械の位置を検出し機械位置信号を生成する機械位置検出手段と、位置指令信号と機械位置信号との差を制御処理して速度指令信号を生成する位置制御手段と、前記速度指令信号と速度フィードバック信号との差を制御処理してトルク指令信号を生成する速度制御手段と、前記トルク指令信号を処理して前記モータを駆動するモータ駆動手段と、位置信号から速度フィードバック信号を生成する速度フィードバック信号生成手段とで構成されるサーボ制御装置の制御方法において、
前記機械位置検出手段と前記モータ位置検出手段の分解能を比較するステップと、
前記分解能が高い方の位置信号を選択するステップと、
を設けたことを特徴とするサーボ制御装置の制御方法。
【請求項５】
第１係数を前記モータ位置信号に乗算したものと、第２係数を前記機械位置信号に乗算したものとを加算するステップを設けたことを特徴とする請求項４記載のサーボ制御装置の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はサーボ制御装置の速度フィードバック信号生成とその方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のサーボ制御装置は位置フルクローズ制御の場合であっても速度フィードバック信号はモータに直結したモータ位置検出手段を使用するのが一般的である。モータ位置検出手段を使用した従来例には特許文献１がある。
図５は第１の従来例の回転速度制御装置を示すブロック図である。図５において、１０１は速度調整回路、１０２は電動機駆動回路、１０３は電動機、１０４は回転パルス発生器、１０５はパルス間隔計数回路、１０６は平均速度計算回路、１０７は予測速度計算回路である。回転パルス発生機１０４は、通常は、電動機に直結されたパルスエンコーダであり、電動機がブラシレスモータの場合には、回転磁極位置検出器を用い、この回転磁極位置検出器の３相方形波信号を基にして、パルス発生回路等を組み合わせて、電気角３６０°当り６パルスのパルス列を発生させることができる。図６は、速度検出の原理を示す図であり、電動機１０３の回転速度ｎが、時間ｔに対しほぼ直線に増加する場合を示している。図６に示すように、時刻ｔi - 1 の電動機回転速度をｎi - 1 、時刻ｔi の回転速度をｎi とし、次式で与えられるパルス間隔
【０００３】
Ｔｐｉ＝ｔｉ−ｔｉ−１                                        ・・・（１）
に計数される計測用クロックパルス数をＭc i とすると、電動機平均回転速度Ｎi は次式のようになる。
【０００４】
Ｎｉ＝ｋ１×（１／Ｔｐｉ）＝ｋ２／Ｍｐｉ                      ・・・（２）
ここでｋ１、ｋ２は比例定数
これらの関係を図７に示す。図７および式から明らかなように、次の関係式が成り立つ。
【０００５】
ｔｉ＝ｔｉ−１＋Ｔｐｉ                                        ・・・（３）
ｎｉ＝ｎｉ−１＋２（Ｎｉ−ｎｉ−１）＝２Ｎｉ−ｎｉ−１        ・・・（４）
図６において、座標Ａ（ｔi - 1 ，ｎi - 1 ）および座標Ｂ（ｔi ，ｎi ）の２点を通る直線の方程式は次のようになる。
【０００６】
ｎ＝２（Ｎｉ−ｎｉ−１）（ｔ−ｔｉ−１）／Ｔｐｉ＋ｎｉ−１      ・・・（５）
ただし、ｔ＞ｔｉ−１
式は、時間ｔ≧ｔi においても成立するので、図７に２重の直線で示す時刻ｔi 以降の回転速度ｎを、計測期間Ｔp i の諸計測値を用いて、予測できることになる。こうして加減速中でも時間に関して連続した回転速度が検出できるので、間欠的な測定法にかかわらず精度のよい連続した検出量が得られる効果がある。また、この検出量を帰還量として用いることにより精度のよい安定性のある連続した回転速度制御ができる効果がある。また、１回転当たりのパルス数が小さくても、連続した検出量が得られる効果がある。
【０００７】
また図７は第２の従来例を示す構成のブロック図である。図７において２０１は速度アンプ、２０２は電動器、２０３はパルスエンコーダ、２０４は速度検出ブロック、２０５は負荷トルク推定オブザーバ、２０６へ電動機モデルで離散系として表している。図７において、Ｎ＊は速度指令、Ｎは速度実際値、τＭ＊はトルク指令、ＮＩはオブザーバ速度推定値、τL Iは外乱トルク推定値、ＮＡは検出速度平均値、△ＮＣは検出速度予測補正値、ＮＥは速度予測値、Ｋωｃは速度アンプゲイン、Ｔｓは速度制御周期、Ｌはオブザーバゲインである。電動機Ｍは一慣性系とし、摩擦等を無視して伝達関数を１／ＳＴM に近似している。オブザーバによる外乱トルク推定値τL I を速度アンプ２１の出力に加えてトルク補償を用いると、オブザーバにより速度制御系にＰＩ要素が現れ、そのため速度アンプゲインＫω C のみとしている。速度平均値ＮＡ 〔ｉ−１〕から速度予測値ＮＥ 〔ｉ〕までの時間ＴＹ が算出でき、速度予測値ＮE 〔ｉ〕の速度予測が次式により可能になる。
【０００８】
ＮＥ（ｉ）＝ＮＡ＋（Ｔｓ／ＴＭ＊）（τＭ＊−τＬ１）×（Ｔｙ／Ｔｓ）・・・（６）
【特許文献１】特開平７−３１８５７号公報
【特許文献２】特開平５−２６０７７７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら従来の方法では、位置制御がフルクローズであり、高分解能の機械位置検出手段を有していても、モータ位置検出手段のモータ位置信号を速度フィードバック信号として使用するかぎり、速度の分解能はモータ位置検出手段の分解能で決まり、分解能が低い場合は機械が不安定になり振動するという問題があった。また特許文献１のように速度を予測したり、推定しても、回転中の速度のふらつきは抑えられないという問題があった。また、特許文献２のようなオブザーバではサンプリング時間での位置変化に差がなくなると、回転中のふらつきは抑えられないという問題があった。
本発明はこのような様々な問題点に鑑みてなされたものであり、モータ位置検出手段の分解能が低い場合、高分解能な機械位置信号を速度フィードバック信号として使用することにより速度制御を安定させ、振動、回転中のふらつきを防止することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
請求項１記載の本発明は、機械の位置を検出し機械位置信号を生成する機械位置検出手段と、位置指令信号と機械位置信号との差を制御処理して速度指令信号を生成する位置制御手段と、速度指令信号と速度フィードバック信号との差を制御処理してトルク指令信号を生成する速度制御手段と、トルク指令信号を処理してモータを駆動するモータ駆動手段と、位置信号から速度フィードバック信号を生成する速度フィードバック信号生成手段とで構成されるサーボ制御装置において、機械位置か前記モータ位置かのいずれかを選択する位置信号選択手段を有し、位置信号選択手段は機械位置検出手段とモータ位置検出手段のうち分解能の高い方を選択するようにしたものである。
請求項２記載の本発明は、請求項１記載のサーボ制御装置において、位置信号選択手段は第１係数を前記機械位置信号に乗算したものと、第２係数を前記モータ位置信号に乗算したものとを加算して速度フィードバック信号を生成するようにしたものである。
請求項３記載の本発明は、請求項１記載の位置制御装置において、速度フィードバック信号生成手段は、モータ慣性モーメントと機械慣性モーメントの２慣性モデルからモータ速度を推定し、速度フィードバック信号を生成するようにしたものである。
請求項４記載の本発明は、機械の位置を検出し機械位置信号を生成する機械位置検出手段と、位置指令信号と機械位置信号との差を制御処理して速度指令信号を生成する位置制御手段と、速度指令信号と速度フィードバック信号との差を制御処理してトルク指令信号を生成する速度制御手段と、トルク指令信号を処理してモータを駆動するモータ駆動手段と、位置信号から速度フィードバック信号を生成する速度フィードバック信号生成手段とで構成されるサーボ制御装置の制御方法において、機械位置検出手段と前記モータ位置検出手段の分解能を比較するステップと、分解能が高い方の位置信号を選択するステップを設けたものである。
請求項５記載の本発明は、請求項４記載のサーボ制御装置の制御方法において、第１係数をモータ位置信号に乗算したものと、第２係数を機械位置信号に乗算したものとを加算するステップを設けるようにしたものである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によると、速度制御に使用するモータ位置検出手段よりも機械位置検出手段の分解能が高い場合、機械位置信号からを速度フィードバック信号を生成することにより、速度制御を安定させ、振動、回転中のふらつきを防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
【実施例１】
【００１３】
図１は、本発明の実施例のサーボ制御装置の構成を示すブロック図である。図１において、１は位置制御手段、２は速度制御手段、３はモータ駆動手段、４はモータ、５はモータ位置検出手段、６は機械、７は機械位置検出手段、８は位置信号選択手段、９は速度フィードバック信号生成手段である。従来技術との差異は従来技術が速度フィードバック信号を生成するのにモータ位置検出手段のモータ位置信号を使用していたのに対して、機械位置検出手段の分解能がモータ位置検出手段よりも高い場合は、機械位置信号を選択できるようにしたことである。
【００１４】
次に動作について説明する。位置制御手段１は位置指令信号から機械位置信号を減算して位置偏差を生成し、位置偏差に制御処理を加えて速度指令信号を生成する。速度制御手段２は、速度指令信号から速度フィーとバック信号を減算し、速度偏差を生成し、速度偏差に制御処理を加えてトルク指令を生成する。モータ駆動手段３はトルク指令から電流指令を生成、さらに図示していないが、電流制御手段によりモータ４に電流を供給する。モータ４は電流に応じたトルクを発生し、負荷や慣性モーメントに応じた速度で回転し、機械６と駆動する。モータ位置検出手段５はモータの回転角度を生成し、機械位置検出手段７は機械位置を生成する。位置信号選択手段８はモータ位置信号か機械位置信号かを選択し、または、処理し、位置信号を生成する。速度フィードバック信号生成手段９は位置信号から速度フィードバック信号を生成する。
【００１５】
図２は、本発明の実施例の制御ブロック図を示す。図２において２１は位置制御ブロック、２２は速度制御ブロック、２３はモータのトルクから回転速度への伝達関数、２４はモータの速度から位置への伝達関数、２５はモータ機械の結合剛性ブロックでモータと機械のねじれ角から機械を駆動するトルクへの伝達関数、２６は機械のトルクから速度への伝達関数、２７は機械の速度から位置への伝達関数、２８は係数ｋ１、２９は係数ｋ２、３０は位置から速度を生成する時間微分の伝達関数である。θｒｅｆは位置指令信号、θｆｂは位置フィードバック信号、ωｒｅｆは速度指令信号、ωｆｂは速度フィードバック信号、Ｔｒｅｆはトルク指令信号、ωＭはモータ速度、θＭはモータ位置、ωＬは機械速度、θＬは機械位置である。フルクローズ位置制御の場合はθｆｂ＝θＬである。
【００１６】
次に位置信号選択手段の動作について説明する。位置選択信号はブロック２８、ブロック２９と加算器で示されており、位置信号
【００１７】
ｋ１×θＭ＋ｋ２×θＬ                                        ・・・（７）
を生成する。ここで、ｋ１、ｋ２は係数でありｋ１＋ｋ２＝１である。ｋ１＝１、ｋ２＝０であれば位置信号はモータ位置検出手段が選択され、ｋ１＝０、ｋ２＝１であれば位置信号は機械位置選択手段が選択されたことになる。また、最適はｋ１、ｋ２を選択することもできる。
【００１８】
図３は本発明のサーボ制御装置の制御方法の位置検出手段選択のフローチャートである。ステップＳＴ１では機械位置検出手段分解能とモータ位置検出手段分解能を比較する。もし機械位置手段分解能が高ければステップＳＴ２へ処理が移り、モータ検出手段分解能が高ければステップＳＴ３へ処理が移る。ステップＳＴ２では機械位置検出手段を選択し、ステップＳＴ３ではモータ位置検出手段を選択して終了する。
図４は、モータ慣性モーメントと機械慣性モーメントの２慣性モデルからモータ速度を推定し、速度フィードバック信号を生成する実施例である。図１に２慣性モデルの機械位置からモータ速度までの逆伝達関数ブロック１０を追加する構成とした。
【産業上の利用可能性】
【００１９】
機械の位置を検出して機械位置信号として使用するフルクローズ位置制御は、高精度な位置制御には欠くことのできない技術である。特に、露光装置や電子部品実装装置などのように極めて高精度な位置制御装置には適用が期待できる。さらに、リニアモータを使用した高精度位置制御にも本技術の適用が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の実施例のサーボ制御装置の構成を示すブロック図
【図２】本発明の実施例のサーボ制御装置の制御ブロック図
【図３】本発明のフローチャート
【図４】本発明の実施例のサーボ制御装置の制御ブロック図
【図５】第１の従来技術の構成を示すブロック図
【図６】第１の従来技術の
【図７】第２の従来技術の構成を示すブロック図
【符号の説明】
【００２１】
１  位置制御手段
２  速度制御手段速度指令演算手段
３  モータ駆動手段
４  モータ
５  モータ位置検出手段
６  機械
７  機械位置検出手段
８  位置信号選択手段
９  速度フィードバック信号生成手段
１０  ２慣性モデルの機械位置モータ速度逆伝達関数
２１  位置制御ブロック
２２  速度制御ブロック
２３  モータのトルクから回転速度への伝達関数
２４  モータの速度から位置への伝達関数
２５  モータ機械の結合剛性ブロックでモータと機械のねじれ角から機械を駆動するトルクへの伝達関数
２６  機械のトルクから速度への伝達関数
２７  機械の速度から位置への伝達関数
２８  係数ｋ１
２９  係数ｋ２
３０  位置から速度を生成する時間微分の伝達関数
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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