(57)【要約】【課題】複数の駆動源を用いた位置決め制御装置において、０Ａもしくは０Ｖ近傍で線形特性を維持して高精度の位置決め制御を実現する。【解決手段】位置決め制御装置は、複数の駆動源と、前記駆動源を駆動するドライバと、前記ドライバの出力を制御する制御器と、を有し、前記制御器は、１つの駆動源に発生させる駆動力に所定のオフセット力を与え、他の駆動源の駆動力を前記オフセット力により生じる駆動力の不均衡を補償するように制御する。【選択図】図２
2018045484.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の駆動源と、
前記駆動源を駆動するドライバと、
前記ドライバの出力を制御する制御器と、
を有し、前記制御器は、１つの駆動源に発生させる駆動力に所定のオフセット力を与え、他の駆動源の駆動力を前記オフセット力により生じる駆動力の不均衡を補償するように制御することを特徴とする位置決め制御装置。
【請求項２】
前記複数の駆動源は第１駆動源と第２駆動源を含み、
前記ドライバは、前記第１駆動源を駆動する第１ドライバと、前記第２駆動源を駆動する第２ドライバを有し、
前記制御器は、前記第１駆動源の駆動力に前記オフセット力を与える第１オフセット値が加算された第１信号を前記第１ドライバに出力し、前記オフセット力の影響を相殺する第２オフセット値が加算された第２信号を前記第２ドライバに出力す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】
前記第１駆動源と前記第２駆動源によって駆動される対象物の位置を検出する位置検出器、
をさらに有し、
前記制御器は、
前記位置検出器から入力される位置検出信号と、前記対象物の目標位置情報とに基づいて、前記第１駆動源のための第１指令値と前記第２駆動源のための第２指令値を算出する演算部と、
前記第１指令値に前記第１オフセット値を加算して前記第１信号を生成する第１加減算器と、
前記第２指令値に前記第２オフセット値を加算して前記第２信号を生成する第２加減算器と、
を有することを特徴とする請求項２に記載の位置決め制御装置。
【請求項４】
前記位置検出信号に基づいて前記対象物の速度を検出する速度検出器、
をさらに有し、
前記演算部は、前記位置検出信号と、前記目標位置情報と、前記速度とに基づいて、前記第１指令値と前記第２指令値を生成することを特徴とする請求項３に記載の位置決め制御装置。
【請求項５】
前記第１駆動源と前記第２駆動源によって駆動される対象物の位置を検出する位置検出器、
をさらに有し、
前記制御器は、
前記位置検出器からの位置検出信号と前記対象物の目標位置情報とに基づいて、前記第１駆動源のための第１指令値を生成する第１演算部と、
前記位置検出信号と前記目標位置情報とに基づいて、前記第２駆動源のための第２指令値を前記第１演算部と独立して生成する第２演算部と、
を有し、
前記第１演算部の出力に前記第１オフセット値が加算され、前記第２演算部の出力に前記第２オフセット値が加算されることを特徴とする請求項２に記載の位置決め制御装置。
【請求項６】
前記位置検出信号に基づいて前記対象物の速度を検出する速度検出器(19)、
をさらに有し、
前記第１演算部は、前記位置検出信号と、前記目標位置情報と、前記速度とに基づいて前記第１指令値を生成し、
前記第２演算部は、前記位置検出信号と、前記目標位置情報と、前記速度とに基づいて前記第２指令値を生成することを特徴とする請求項５に記載の位置決め制御装置。
【請求項７】
前記第１駆動源と前記第２駆動源を含む第１ペアと、
前記第１ペアと直交して配置される第３駆動源と第４駆動源を含む第２ペアと、
を有し、
前記制御器は、前記第１ペアの駆動制御と前記第２ペアの駆動制御を独立して行うことを特徴とする請求項２〜６のいずれか１項に記載の位置決め制御装置。
【請求項８】
複数の駆動源を有する位置決め制御装置における位置決め制御方法であって、
制御器により１つの駆動源に発生させる駆動力に所定のオフセット力を与え、
他の駆動源の駆動力を、前記オフセット力により生じる駆動力の不均衡を補償するように制御する
ことを特徴とする位置決め制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は位置決め制御技術に関し、特に複数の駆動源を用いて対象物の位置を制御する位置決め制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
モータを使用した位置決め制御装置では、駆動対象の負荷トルクや力の大小、あるいは要求される加速度に応じてモータを選定する必要がある。要求される定格出力（モータの仕事量）が大きい場合、単一のモータではモータの容量と駆動回路の容量が大きくなりコストが上がるので複数のモータを用いることがある。また、駆動対象によっては、加わる力のバランスをとるため、あるいは応答性を高めるために、複数のモータを使用して複数個所から駆動対象に力を加えることがある。
【０００３】
複数のモータを用いて走行台車を駆動する際に、モータ間の干渉を防止する構成が知られている。加減速中は全モータをマスターとして速度指令に対して高速応答し、停止中は１つのモータをマスター、残りのモータをスレーブとして全モータをロックすることでモータ間の干渉を防止する（たとえば、特許文献１参照）。この構成では、低速動作時や停止制御時に振動が生じるという問題がある。
【０００４】
複数のモータを用いた構成で、低速動作時や停止制御時の振動を低減する構成が提案されている（たとえば、特許文献２参照）。マスター以外のモータについて、マスターに対する速度指令と各モータの回転量から求めた速度との誤差から各モータのトルク指令を発生させる。各モータのトルク指令とマスターに対するトルク指令を組み合わせた指令で、マスター以外の各モータを駆動する。
【０００５】
モータの駆動方式として、駆動効率の良いＰＷＭ（Pulse Width Modulation；パルス幅変調）駆動方式が一般に採用されている。ＰＷＭ駆動方式は、通常、非可聴周波数領域のキャリア周波数の駆動パルスを用い、パルスのデューティを０％から１００％の間で変化させることで、モータ駆動電圧を変化させている。最大駆動電圧が２４Ｖであればデューティ０％で０Ｖ、デューティ１００％で２４Ｖとなり、デューティと電圧は比例するものとされている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、ＰＷＭ駆動方式でデューティが０％から数％の範囲では、パルス幅が小さいため、ＰＷＭの指令値としてパルスが出力されていても回路特性によっては、モータとして感度を持たない非線形領域が生じてしまう。たとえば、インダクタンスの影響で波形が鈍るなどの場合は、パルスの指令値を感知することができない。
【０００７】
一方、精密駆動に使用されるステージは一般に摩擦負荷が小さく、モータ駆動電流ゼロアンペア（０Ａ）もしくは駆動電圧ゼロボルト（０Ｖ）近傍での線形特性が要求されることが多い。たとえば、摩擦の少ない精密ステージや回転バランスを取った揺動ステージのでは、０Ａもしくは０Ｖ近傍での制御が中心となるが、上述した非線形特性により微小振動が生じることがある。また、ある程度摩擦のある精密ステージや揺動ステージでは、停止状態からの起動や停止状態への移行時に動きにくくなり、位置偏差が大きくなってしまう。
【０００８】
そこで、本発明は、複数の駆動源を用いた位置決め制御装置において、０Ａもしくは０Ｖ近傍で線形特性を維持して高精度の位置決め制御を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の目的を達成するために、複数の駆動源のうち、１つの駆動源で発生される駆動力に所定のオフセット力を与え、他の駆動源を前記オフセット力の影響を低減する方向に働かせる。
【００１０】
具体的には、本発明の位置決め制御装置は、
複数の駆動源と、
前記駆動源を駆動するドライバと、
前記ドライバの出力を制御する制御器と、
を有し、前記制御器は、１つの駆動源に発生させる駆動力に所定のオフセット力を与え、他の駆動源の駆動力を前記オフセット力により生じる駆動力の不均衡を補償するように制御する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、複数の駆動源を用いた位置決め制御装置において、０Ａもしくは０Ｖの近傍で線形特性を維持して高精度の位置決め制御が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】ＰＷＭ駆動方式を採用する場合の問題点を説明する図である。
【図２】実施形態の位置決め制御装置の基本構成を示す図である。
【図３】実施形態の位置決め制御で用いられるパルス波形と電圧相当の波形の例を示す図である。
【図４】補償演算部の構成例を示す図である。
【図５】補償演算部の別の構成例を示す図である。
【図６】位置制御器の発展例を示す図である。
【図７】図６の位置制御器で用いられる補償演算部の構成例を示す図である。
【図８】図６の位置制御器で用いられる補償演算部の別の構成例を示す図である。
【図９】揺動型ステージを駆動する構成例を示す図である。
【図１０】モータを正負方向に駆動するために使用されるＨブリッジ回路の一例を示す。
【図１１】実施形態の位置決め制御装置のハードウエア構成例を示す図である。
【図１２】実施形態の位置決め制御装置のハードウエア構成例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図１は、ＰＷＭ駆動方式を採用する場合の問題点をより詳細に説明する図である。横軸は時間、縦軸は駆動パルスの電圧相当レベルを示す。ＰＷＭ駆動では、ＰＷＭ信号のデューティを０〜１００％の間で変化させて、駆動電圧を変化させる。正方向（ＦＷＤ）への駆動では電圧の極性がプラス、負方向（ＲＥＶ）への駆動では電圧の極性がマイナスとなる。デューティ１００％が２４Ｖに相当する場合、デューティ５０％は、１２Ｖに相当する。ＰＷＭ駆動は効率が良いことから、一般的なモータ駆動に使用されている。
【００１４】
しかし、ＰＷＭ信号のデューティが小さくなると、回路の減衰等の影響により、要求される電圧相当のデューティでドライバ回路をスイッチングすることができなくなる。あるいは、スイッチング回路のショート防止のための遅延特性や、モータの巻線のインダクタンスの特性による減衰等によって、要求される電圧相当のＰＷＭ駆動ができなくなる。
【００１５】
図１では、０Ｖ近傍でＰＷＭ信号のデューティが小さくなることによって、駆動指令があるにもかかわらず電圧が急低下して０Ｖになってしまう非線形領域（あるいは不感帯）が生じる。図１では電圧駆動を例にとっているが、ＰＷＭ駆動時の電流を検出し、検出電流値に応じてＰＷＭ信号を変化させる電流フィードバック方式の電流駆動でも、０Ａ近傍に非線形領域が生じる。応答の非線形性により電流リップルが生じ、制御性能が低下するという同様の問題が発生する。
【００１６】
０Ｖあるいは０Ａ近傍の非線形領域を解消するために専用の回路を設けることも考えられるが、通常のＰＷＭ駆動よりも高価になってしまう。そこで、本発明では複数の駆動源（アクチュエータ等）を使用する構成において、ハードウエアを変更することなく、各駆動源の駆動力を制御することでＰＷＭ駆動の非線形性を解消する。
＜装置の基本構成＞
図２は、第１実施形態の位置決め制御装置１００の基本構成を示す。位置決め制御装置１００で用いる駆動源の種類は問わず、ボイスコイルモータ（ＶＣＭ）、小型直流（ＤＣ）モータ、小型ブラシレスモータ、リニアモータなどが用いられる。位置制御の対象は、ＸＹステージ、揺動ステージ等、精密な位置決めを要する任意の対象物である。図２の例では、制御対象を１軸の直動型のステージ１とする。
【００１７】
位置決め制御装置１００は、アクチュエータとしてのＶＣＭ２及びＶＣＭ３と、ＶＣＭ２及びＶＣＭ３をそれぞれ駆動するモータドライバ９及びモータドライバ１０と、モータドライバ９及び１０の駆動動作を制御する位置制御器５を有する。駆動対象のステージ１は、ＶＣＭ２及びＶＣＭ３によって、１軸方向（たとえばＸ軸方向）に駆動される。ステージ１のＸ軸方向の位置は、リニアエンコーダ等の位置検出器４によって検出される。位置検出器４はアブソリュート型でもインクリメンタル型でもよい。また、リニアエンコーダでなくても回転型エンコーダ、静電容量変位計、レーザ変位計等、位置検出できる任意の手段を用いることができる。
【００１８】
ＶＣＭ２を駆動するモータドライバ９と、ＶＣＭ３を駆動するモータドライバ１０は、電圧駆動型と電流駆動型のどちらでもよい。電圧駆動型は電圧指令値に応じてモータ電圧を設定するものである。電流駆動型は電流指令値に応じてモータ電流を設定するものである。図２の例では、電流駆動型を用いる。モータドライバ９と１０の電流指令値は、位置制御器５から出力される。
【００１９】
位置制御器５は、補償演算部６と、加減算器７及び８を有する。補償演算部６に、ステージ１の目標位置と、位置検出器４によって検出された位置信号が入力される。補償演算部６は、目標位置と位置信号に基づいて、位置補償と速度補償の演算を行う。補償演算部６の詳細な動作については、後述する。補償演算部６の出力は、通常はモータドライバ９及び１０への電流指令値となるが、実施形態では、ＰＷＭ駆動による非線形領域を避けるための動作が加わる。
【００２０】
補償演算部６は、ステージ１の目標位置と、検出された実際の位置とに基づいて、ステージ１を駆動するための目標電流値ｉrefを算出し、ＶＣＭ２を駆動するための電流指令値ｉref1と、ＶＣＭ３を駆動するための電流指令値ｉref2を算出する。
【００２１】
加減算器７において、ＶＣＭ２を駆動する電流指令値ｉref1と電流オフセット量Δｉoffset1が加算され、ＶＣＭ２の補正電流指令値ｉref1'が出力される。この出力値はモータドライバ９に供給される。モータドライバ９は、補正電流指令値ｉref1'に基づいてＶＣＭ２を駆動する。
【００２２】
加減算器８において、ＶＣＭ３を駆動する電流指令値ｉref2から電流オフセット量Δｉoffset2が減算され、ＶＣＭ３の補正電流指令値ｉref2'が出力される。この出力値はモータドライバ１０に供給される。モータドライバ１０は、補正電流指令値ｉref2'に基づいてＶＣＭ３を駆動する。
【００２３】
ＶＣＭ２に対する電流指令値に電流オフセット量Δｉoffset1を加算することで、０Ａ近傍で不感になることを防止する。ＶＭＣ３に対する電流オフセット量Δｉoffset2の減算は、ＶＣＭ２に対する電流オフセットの印加を相殺する方向に働き、全体として、算出されたとおりの駆動力となるように制御される。
【００２４】
この動作を式で表すと以下のようになる。
【００２５】
ｉref ＝ｉref1 ＋ｉref2                    （１）
ｉref1＝ｉref2、かつΔｉoffset1＝Δｉoffset2である場合、
ｉref ＝（ｉref1 ＋Δｉoffset1）＋（ｉref2−Δｉoffset2）    （２）
ｉref ＝ｉref1' ＋ｉref2'                    （３）
これにより、ＶＣＭ２は補正電流指令値ｉref1'で駆動され、ＶＣＭ３は補正電流指令値ｉref2'で駆動される。
【００２６】
図３（Ａ）は、補正電流指令値ｉref1'及びｉref2'と目標電流値ｉrefが、電流指令値相当となるデューティのＰＷＭパルスで設定されている場合を示している。パルス幅の割合が電流の指令値相当となる。補正電流指令値ｉref1'とｉref2'で広いパルス幅を用いることで、目標電流値ｉrefが０Ａ近傍の狭いパルスである場合も、不感になることを防止し、かつ全体としての電流量は、目標電流値ｉrefとなるように制御されている。
【００２７】
図３（Ｂ）は、補正電流指令値ｉref1'及びｉref2'と目標電流値ｉrefが電圧レベル相当で設定されている場合を示している。図３（Ｂ）のｉrefは式（３）式を示している。２つのＶＣＭは電圧信号により同じ方向に駆動されている。電圧レベルが０Ｖに近い場合でも、一方のＶＣＭの駆動力にΔｉoffset1を与えることで応答感度を良くし、他方のＶＣＭの駆動力をΔｉoffset2を用いて調整することで、ＶＣＭ間での駆動力のバランスをとり、全体としての駆動量を目標値に整合させている。
【００２８】
図２及び図３の構成例は、ＶＣＭ２とＶＣＭ３のパラメータが同じ場合で、目標電流値ｉrefを同じ値の電流指令値ｉref1とｉref2に分割できる場合を示している。ＶＣＭ２とＶＭ３の間、及び／またはモータドライバ９とモータドライバ１０の間で特性パラメータに多少のばらつきがある場合でも、後述するように補償演算部６に積分特性（積分器）を備えることによって、パラメータのばらつきによって発生する定常特性は補償することができる。
＜位置制御の例＞
図４は、補償演算部６Ａの構成と動作を説明する図である。補償演算部６Ａは、比較器１１と、位置補償器１２と、乗算器１３を有し、単一の位置フィードバックで位置制御を行う。
【００２９】
目標位置refposと、位置検出器４からフィードバックされる位置信号ｘは比較器１１で比較され、位置偏差ｅposが出力される。位置偏差ｅposは位置補償器１２に入力され、位置制御系の安定性と制御性能が確保されるように、ＰＩＤ（Proportional Integral Derivative）補償や位相補償等の制御演算が行われる。位置補償器１２の補償演算の結果、目標電流値ｉrefが出力される。同一特性、同一パラメータのＶＣＭ２とＶＣＭ３を使用する場合、目標電流値ｉrefは、乗算器１３で１／２倍されて電流指令値ｉref1、ｉref2がそれぞれ出力される。この場合、電流指令値ｉref1とｉref2は同一の値となる。電流指令値ｉref1、ｉref2は、それぞれ加減算器７と８に入力されて所定のオフセット処理を受ける。
＜位置・速度制御の例＞
図５は、補償演算部６Ｂの構成と動作を説明する図である。補償演算部６Ｂは、比較器１４及び１６と、位置補償器１５と、速度検出器１９と、速度補償器１７と、乗算器１８を有する。
【００３０】
目標位置refposと、位置検出器４からフィードバックされる位置信号ｘは比較器１４で比較され、位置偏差ｅposが出力される。位置偏差ｅposは位置補償器１５に入力され、目標速度refveloが出力される。位置信号xはまた、速度検出器１９に入力されて、速度信号vが検出される。目標速度refveloと速度信号vは比較器１６で比較され、速度偏差ｅveloが出力される。速度偏差は速度補償器１７に入力され制御演算が行われて、目標電流値ｉrefが出力される。
【００３１】
同一特性、同一パラメータのＶＣＭ２とＶＣＭ３を使用する場合、目標電流値ｉrefは、乗算器１８で１／２倍されて電流指令値ｉref1及びｉref2として出力される。この場合、電流指令値ｉref1とｉref2は同一の値となる。位置補償器１５として、一般的には比例補償器が使用されるが、内側のループである速度フィードバック制御系を含む位置制御系の性能と安定性が確保できるのであれば、どのようなタイプのものを用いてもよい。速度補償器１７は、一般的にＰＩ補償器が使用されるが、速度制御系の性能と安定性が確保できるのであれば、任意のタイプを用いることができる。例えば、ＰＩＤ補償器や位相補償でもよい。
【００３２】
速度フィードバック制御系を備えることで、仮想的な減衰特性を与えて減衰性能を向上させ、滑らかな駆動動作が実現する。また、速度制限を設定して電流や電圧の飽和を防止し、安定性と安全性を向上させることが可能である。
【００３３】
速度検出器１９は、どのような方式でもよいが、例えば、位置信号xを所定のサンプリング時間Δｔごとに取得して、サンプリング毎の位置信号の差分を取って速度信号を算出する。位置信号xがエンコーダパルスである場合は、エンコーダパルスの立ち上がりもしくは立下りエッジが来る時間を基準クロックで測定して、パルス間隔の時間を測定し、パルス間隔の時間の逆数から速度信号を算出してもよい。もしくは、誘起電圧から速度換算してもよい。
【００３４】
上述した図４及び図５の例では、ＶＣＭ２とＶＣＭ３のパラメータを合わせて１つのアクチュエータに換算して補償器を設定している。そのため、乗算器１３もしくは乗算器１８で１／２を乗算している。これは、例えばＶＣＭ２の推力定数をＫf1（Ｎ／Ａ）、ＶＣＭ３の推力定数をＫf2（Ｎ／Ａ）とすると、制御系の設計に使用する推力定数ＫfをＫf=Ｋf1＋Ｋf2とおいて、Ｋf（Ｎ／Ａ）を設計する場合にあたる。
【００３５】
ＶＣＭ２とＶＣＭ３が同一であるとして、一方のパラメータだけで補償器を設計する場合は、乗算器１３もしくは乗算器１８の１／２の乗算は不要である。これは、例えばＫf1だけを使用して補償器を設計する場合にあたる。
＜展開例：２つの補償演算部を用いる構成＞
図６は、位置制御器５Ａにおいて、２つの補償演算部２０及び２１を用いる構成例を示す。図２に示すＶＣＭ２とＶＣＭ３のパラメータにばらつきがある場合、推力定数もしくはトルク定数に差異が発生することになり（Ｋf1≠Ｋf2など）、ＶＣＭ２とＶＣＭ３の応答が異なる。図６の位置制御器５Ａは、複数の駆動源にばらつきがある場合にも対応できる構成となっている。
【００３６】
位置制御器５Ａは、駆動源（アクチュエータ）の数と同じ数の補償演算部２０、２１を備えている。この例では、２個のＶＣＭ２、ＶＣＭ３に対応して、２つの補償演算部２０、２１を用いている。
【００３７】
補償演算部２０と補償演算部２１には、同一の目標位置refposと位置信号ｘが入力されそれぞれで補償演算が行われる。補償演算部２０から電流指令値ｉref1が出力され、加減算器２２で電流オフセット量Δｉoffset1が加算され、加減算器２２からＶＣＭ２の補正電流指令値ｉref1'が出力される。補償演算部２１から電流指令値ｉref２が出力され、加減算器２３で電流オフセット量Δｉoffset２が減算され、加減算器２３からＶＣＭ３の補正電流指令値ｉref2'が出力される。
【００３８】
ＶＣＭ２とＶＣＭ３のパラメータが異なるため、補正電流指令値はｉref1≠ｉref2であり、電流オフセット量はΔｉoffset1≠Δｉoffset2となる。定常的な釣り合いを考えると、補正電流指令値は式（４）を満たすように設定される。
【００３９】
Ｋf1×Δｉoffset1＝Ｋf2×Δｉoffset2                （４）
また、補償演算部２０と補償演算部２１に積分特性を備えることによって、多少のパラメータのばらつきによって発生する定常特性の差は、補償することができる。
【００４０】
補償演算部２０を主、補償演算部２１を従とする場合は、補償演算部２０に積分特性を持たせず、従となる補償演算部２１に積分特性を持たせて、補償演算部２０で発生した誤差を従側の積分器で補償してもよい。
＜位置制御の例＞
図７は、補償演算部２０の構成と動作を説明する図である。補償演算部２０は、比較器２４と、位置補償器２５を有し、単一の位置フィードバックで位置制御を行う。
【００４１】
目標位置refposと、位置検出器４（図２参照）からフィードバックされる位置信号ｘは比較器１１で比較され、位置偏差ｅposが出力される。位置偏差ｅposは位置補償器２５に入力され、位置制御系の安定性と制御性能が確保されるように、ＰＩＤ補償や位相補償等の制御演算が行われる。位置補償器２５の補償演算の結果、電流指令値ｉref1が出力される。位置補償器２５の補償演算は、ＶＣＭ２のパラメータに基づいて設計されている。
【００４２】
補償演算部２１の基本構成と動作は、補償演算部２０と同じであるが、位置補償器２５の補償演算はＶＣＭ３のパラメータに基づいて設計されたものとなる。そのため、補償演算部２１の位置補償器２５はＶＣＭ３の電流指令値ｉref2を出力する。
【００４３】
電流指令値ｉref1は、後段の加減算器２２で電流オフセット量Δｉoffset1と足し合されて補正電流指令値ｉref1'が生成される。電流指令値ｉref2は、後段の加減算器２３で電流オフセット量Δｉoffset2と足し合されて補正電流指令値ｉref2'が生成される。
＜位置・速度制御の例＞
図８は、補償演算部２０の構成と動作を説明する図である。補償演算部２０は、比較器２６及び２８と、位置補償器２７と、速度検出器３０と、速度補償器２９を有し、位置フィードバック制御と速度フィードバック制御を行う。
【００４４】
目標位置refposと、位置検出器４からフィードバックされる位置信号ｘは比較器２６で比較され、位置偏差ｅposが出力される。位置偏差ｅposは位置補償器２７に入力され、目標速度refvelo1が出力される。位置信号ｘはまた、速度検出器３０に入力されて、速度信号vが検出される。速度検出器３０の構成と機能は、図５の速度検出器１９と同じである。目標速度refvelo1と速度信号vは比較器２８で比較され、速度偏差ｅvelo1が出力される。速度偏差ｅvelo1は速度補償器２９に入力され制御演算が行われて、電流指令値ｉref1が出力される。
【００４５】
補償演算部２１の基本構成と動作は、補償演算部２０と同じであるが、位置補償器２７と速度補償器２９の補償演算はＶＣＭ３のパラメータに基づいて設計されたものとなる。位置偏差ｅposは位置補償器２７に入力され、目標速度refvelo2が出力される。位置信号xはまた、速度検出器３０に入力されて、速度信号vが検出される。目標速度refvelo2と速度信号vは比較器２８で比較され、速度偏差ｅvelo2が出力される。速度偏差ｅvelo2は速度補償器２９に入力され制御演算が行われて、電流指令値ｉref2が出力される。
【００４６】
補償演算部２０及び補償演算部２１で用いられる位置補償器２７は、一般的には比例補償器が使用されるが、内側のループである速度フィードバック制御系を含む位置制御系の性能と安定性が確保できるのであればどのようなタイプであってもよい。速度補償器２９は、一般的にＰＩ補償器が使用されるが、速度制御系の性能と安定性が確保できるのであればどのようなタイプでもよく、例えば、ＰＩＤ補償器や位相補償でもよい。速度フィードバック制御系を備えることによって、仮想的な減衰特性を与えて減衰性能を向上させて滑らかな動作が実現する。また、速度制限を設定して電流や電圧の飽和を防止し、または安定性と安全性を向上することができる。
【００４７】
上述した例では、位置補償器と速度補償器は古典制御理論的な手法で設計されるものとして説明しているが、ロバスト制御理論や現代制御理論等の他の手法での設計でもよい。その場合、位置や速度だけでなく、制御対象の状態量を検出もしくは推定し、フィードバックするような形としてもよい。
【００４８】
また、加減速等の過渡特性を改善するため、速度フィードフォワードや加速度フィードフォワードを追加してもよい。
【００４９】
用いる駆動源の数は２つに限定されず、複数のＶＣＭ、回転モータ、リニアモータ等を使用してもよい。たとえば、ＶＣＭ２とＶＣＭ３のペアと直交する位置に、もう一対のＶＣＭを配置して、Ｘ方向とＹ方向の駆動を制御してもよい。この場合は、位置制御器５は、それぞれのペアに対する駆動制御を独立して行う。すなわち。互いに直交するＶＣＭペアのそれぞれで、一方のＶＣＭに力のオフセットを発生させ、オフセットにより生じる駆動力の不均衡を他方のＶＣＭに対する制御で補償する。これによって、各ＶＣＭペアで駆動指令値がゼロレベル（０Ａまたは０Ｖ）近傍の非線形領域での不感帯を回避し、駆動力のバランスをとることができる。
【００５０】
図９は、揺動型ステージ３１を駆動するＶＣＭ３２とＶＣＭ３３の例を示す。実施形態の位置決め制御は、直動型の精密ステージの駆動に限定されない。図２のステージ１に替えて、図９のように曲率を持った揺動型ステージ３１を、オフセット力の発生とモータ間での力の均衡の下に駆動制御してもよい。ＶＣＭ３２とＶＣＭ３３は、図２のステージ１を直線方向に駆動する動作を、回転方向の動作として実現することができる。
【００５１】
図１０は上述した実施形態でモータを正負方向に駆動させるために使用されるＨブリッジ回路の一例を示す。Ｈブリッジは、単一の電源でモータに加える電圧の向きを変えることができる。図１０のＨブリッジでは、下２つのスイッチング素子Ｑ３とＱ４で正方向（ＦＷＤ）と負方向（ＲＥＶ）を切り替える。上２つのスイッチング素子Ｑ１とＱ２をＰＷＭ信号のキャリア周波数でデューティを変化させてＯＮ／ＯＦＦさせることによって、ＰＷＭ駆動を行う。図１０中の矢印は、正方向に駆動しているときの電流を示している。Ｑ１とＱ４をオンすることで、正方向にモータを駆動する。Ｑ２とＱ３をオンすることで、電流はＱ２→モータＭ→Ｑ３→グランドと流れ、負方向にモータを駆動する。
【００５２】
ＶＣＭやＤＣブラシ付きモータを駆動する回路では、Ｈブリッジは１つでよい。駆動源として３相ＤＣブラシレスモータを用いる場合は、Ｈブリッジ回路を３つ用い、かつ、ロータの位置でＨブリッジを切り替える転流ループを用いる。
【００５３】
図１１は、本発明を実現する位置決め制御装置１００Ａのハードウエア構成図である。位置決め制御装置１００Ａは、複数のモータ４８、４９と、モータ位置を検出するエンコーダ５０と、モータを駆動するモータドライバ４７と、制御系６０Ａを有する。実施形態の位置制御器５及び５Ａは、制御系６０Ａによって実現される。
【００５４】
制御系６０Ａは、ＣＰＵ（Central Processing Unit：中央演算装置）４０、ＲＯＭ（Read Only Memory：リードオンリーメモリ）４１、ＲＡＭ（Random Access Memory:ランダムアクセスメモリ）４２、カウンタ４３、ＰＩＯ（Programmed Input Output）４４、ＰＷＭ４５、及びＡＤＣ（Analog to Digital Converter：ＡＤコンバータ）を有する。
【００５５】
ＣＰＵ４０は、位置決め制御装置１００Ａの制御演算やシーケンス制御を行う。ＲＯＭ４１は、位置決め制御装置１００Ａを駆動制御するプログラムを格納する。ＲＡＭ４２は一時的な記憶（ワークエリア）に使用される。カウンタ４３は、エンコーダ５０からのエンコーダパルスをカウントする。ＰＩＯ４４は、モータドライバ４７のオン／オフや各種ロジック等を制御する。ＰＷＭ４５は所望のパルス幅に対応する電流または電圧相当を発生させる。ＡＤＣ４６は、モータドライバ４７で検出されたモータ電流値を取り込んでデジタルサンプリングする。
【００５６】
上述した位置補償器１２、１５、２５、２７及び速度補償器１７、２９の演算は、所定の制御周期ごとにＣＰＵ４０で実行される。制御周期は、ＣＰＵ４０の内部タイマの割り込み等で実現される。ＣＰＵ４０はＡＤＣ４６で検出された電流値を取り込んで電流フィードバックの演算を行い、ＰＷＭ４５の出力でモータドライバ４６を直接駆動する。この方式をダイレクトＰＷＭ方式と呼ぶ。電流フィードバックを行わず、電圧相当のＰＷＭで駆動すれば電圧駆動方式となる。
【００５７】
モータドライバ４７は図１０のＨブリッジで構成され、ダイレクトＰＷＭで上段のスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２をスイッチングし、ＰＩＯ４４の出力で下段のスイッチング素子Ｑ３、Ｑ４をスイッチングして、モータの駆動方向を切り替える。
【００５８】
図１１の例では、エンコーダ５０はインクリメンタルエンコーダで、カウンタ４３はアップダウンカウンタとしているが、エンコーダにアブソリュートエンコーダを用いてもよい。また、エンコーダの出力は、９０°位相が異なるＡ相、Ｂ相パルスに替えて、シリアル出力でもよい。その場合は、ＳＰＩやＢｉＳＳ等のシリアル通信の規格に応じたインタフェイスが用意される。
【００５９】
図１２は、図１１のモータドライバ４７を電流駆動型ドライバ５２とした例を示す。図２と図６のモータドライバ９，１０も電流駆動型ドライバとして説明されている。図１２において、図１１と同じ構成要素には同じ符号を付けて、重複する記載を省略する。
【００６０】
電流駆動型ドライバ５２は、ドライバ単体で電流フィードバック演算を行い、モータ４８及び４９を電流駆動する。ＰＩＯ４４は、電流駆動型ドライバ５２のオン／オフ切り替え、状態設定、状態管理等のために使用される。制御演算の結果である補正電流指令値iref1'、 iref2' に相当する電流指令値が電流駆動型ドライバ５２に入力される。前記電流指令値は、アナログ値としてＤＡコンバータ５１より出力される。ここでは、電流駆動型ドライバの電流指令値をアナログ値として説明しているが、パラレル通信、シリアル通信等で直接デジタルデータをレジスタ等に設定してもよいし、ＰＷＭ値として設定する方式でも良い。電流駆動型ドライバ５２は、電流指令値に比例した電流をモータ４８、４９に供給して駆動する。モータ４８，４９によって駆動される制御対象の動きは、エンコーダ５０で検出され、カウンタ４３等を通して電流駆動型ドライバ５２にフィードバックされる。
【００６１】
以上述べたように、複数の駆動源（モータ）によって駆動力を発生させる際に、駆動電流０Ａもしくは駆動電圧０Ｖ近傍で十分な駆動力を発生させ、かつ駆動対象に加わる力のバランスを取ることで、０Ａもしくは０Ｖ近傍でのモータドライバの非線形特性を解消する。これによって、精密駆動と高精度の位置決め制御を実現する。
【００６２】
ＰＷＭ駆動の線形特性を改善するための専用ハードウエアの追加やハードウエア構成の変更を行わずに、駆動制御だけで０Ａまたは０Ｖ近傍での線形性を維持できる。
【００６３】
また、１つの駆動源にオフセット力を発生させることによって生じる駆動力の不釣合いをすばやく補償することができる。
【００６４】
さらに、モータ間のパラメータばらつきを補償し、目標位置への追従性を維持して、力の不釣合いに対してロバスト性が高い位置決め制御装置を提供することができる。
【００６５】
位置フィードバックに加えて、速度フィードバックを加えることによって、動作時の減衰性能または収束性を向上することができる。また、速度制限が可能になり安定性と安全性を確保することができる。
【００６６】
上述した実施形態では、駆動出力が０Ａまたは０Ｖの近傍の範囲で駆動される精密ステージを例にとって説明したが、線形領域と非線形領域の双方にわたって対象物をＰＷＭ方式で駆動する場合にも本発明は適用可能である。その場合は、入力される指令電流値または指令電圧値が所定の閾値以下となる場合に、１つの駆動源へのオフセット力の印加と、複数の駆動源の間で駆動力の均衡をとる制御を行えばよい。
【００６７】
また、速度検出器１９、３０は必ずしも補償演算部または位置制御器の内部に配置する必要はなく、位置制御器５、５Ａの外部に配置されてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００６８】
本発明は、位置決め精度が要求される精密ステージの駆動、ロボット操作、移動体の制御等に適用される。
【符号の説明】
【００６９】
２、３、３２、３３  ＶＣＭ（駆動源）
４  位置検出器
５、５Ａ  位置制御器
６、６Ａ、６Ｂ、２０、２１  補償演算部
７、８、２２、２３  加減算器
９、１０、４７  モータドライバ
１５、２５、２７  位置補償器
１７、２９  速度補償器
１８  乗算器
１９、３０  速度検出器
４０  ＣＰＵ
４８、４９  モータ（駆動源）
５０  エンコーダ（位置検出器）
６０Ａ、６０Ｂ  制御系
１００、１００Ａ、１００Ｂ  位置決め制御装置
【先行技術文献】
【特許文献】
【００７０】
【特許文献１】特許第４６２６９０号
【特許文献２】特許第４６８２９９６号
【図１】
2018045484.tif 000003
【図２】
2018045484.tif 000004
【図３】
2018045484.tif 000005
【図４】
2018045484.tif 000006
【図５】
2018045484.tif 000007
【図６】
2018045484.tif 000008
【図７】
2018045484.tif 000009
【図８】
2018045484.tif 000010
【図９】
2018045484.tif 000011
【図１０】
2018045484.tif 000012
【図１１】
2018045484.tif 000013
【図１２】
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【手続補正書】
【提出日】平成28年9月16日(2016.9.16)
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図５】
2018045484.tif 000015
【手続補正２】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図７】
2018045484.tif 000016
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図８】
2018045484.tif 000017