(57)【要約】【課題】位置制御装置における摩擦外乱を適切に補償できるようにする。【解決手段】移動方向信号出力部２７は、移動体の移動方向を判定し、その移動方向に応じた信号を出力する。移動方向信号出力部２７の一方の移動方向に応じた信号をフィルタ処理する第１フィルタ回路２５と、移動方向信号出力部２７の他方の移動方向に応じた信号をフィルタ処理する第２フィルタ回路２６を設けて外乱相殺フィードフォワード補償器（ＦＦＣ）を構成する。第１フィルタ回路２５は、無駄時間回路部２１と正方向フィルタ２３とから構成し、第２フィルタ回路２６は、無駄時間回路部２２と負方向フィルタ２４とから構成する。正方向フィルタ２３、負方向フィルタ２４を通過した出力Ｙp 、Ｙm を足し合わせてＦＦＣ指令を求め、このＦＦＣ指令をモータ（駆動源）への位置指令に足し合わせて該位置指令を補償する。【選択図】図６
2008243176.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
移動時に摩擦力が作用する移動体を駆動する駆動手段に位置指令を入力して該移動体の位置を制御する位置制御装置において、
前記移動体の移動方向を判定し、その移動方向に応じた信号を出力する移動方向信号出力部と、
前記移動方向信号出力部の一方の移動方向に応じた信号をフィルタ処理する第１フィルタ回路と、
前記移動方向信号出力部の他方の移動方向に応じた信号をフィルタ処理する第２フィルタ回路と、
前記第１フィルタ回路の出力と前記第２フィルタ回路の出力とを足し合わせた信号を補償入力として前記駆動手段への位置指令に足し合わせて該位置指令を補償する外乱補償部と
を備えていることを特徴とする位置制御装置。
【請求項２】
前記移動方向信号出力部は、前記位置指令から前記移動体の移動方向を判定し、その移動方向に応じて「１」又は「−１」の信号を出力することを特徴とする請求項１に記載の位置制御装置。
【請求項３】
前記第１フィルタ回路及び前記第２フィルタ回路は、無駄時間回路部と２次のＩＩＲフィルタにより構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の位置制御装置。
【請求項４】
移動時に摩擦力が作用する移動体を駆動する駆動手段に位置指令を入力して該移動体をインチング動作させて該移動体の位置を制御する位置制御装置において、
インチング動作方向及びインチング動作回数に応じて変化する駆動条件信号を出力する駆動条件信号出力部と、
インチング動作方向及びインチング動作回数に応じて前記駆動条件信号とは異なるアルゴリズムで変化するインチング動作補助信号を出力するインチング動作補助信号出力部と、
前記駆動条件信号出力部から出力される駆動条件信号をフィルタ処理して一方のインチング動作方向及びインチング動作回数に応じた信号を出力する第１フィルタ回路と、
前記駆動条件信号出力部から出力される駆動条件信号をフィルタ処理して他方のインチング動作方向及びインチング動作回数に応じた信号を出力する第２フィルタ回路と、
前記インチング動作補助信号出力部から出力されるインチング動作補助信号をフィルタ処理してインチング動作に伴う外乱を補償するための信号を出力する第３フィルタ回路と、
前記第１乃至第３の各フィルタ回路の出力信号を合成した信号を補償入力として前記駆動手段への位置指令に足し合わせて該位置指令を補償する外乱補償部と
を備えていることを特徴とする位置制御装置。
【請求項５】
前記駆動条件信号出力部は、インチング動作方向に応じて異なる値の信号を出力する動作方向信号出力部と、一方向のインチング動作毎にアップカウントし且つ他方向のインチング動作毎にダウンカウントするインチング動作カウンタとを備え、前記動作方向信号出力部の出力信号と前記インチング動作カウンタの出力信号とを合成して出力し、
前記インチング動作補助信号出力部は、駆動開始時及びインチング動作方向反転時に１回目のインチング動作ではカウント動作せず、２回目以降のインチング動作では一方向のインチング動作毎にアップカウントし且つ他方向のインチング動作毎にダウンカウントするインチング動作補助カウンタにより構成されていることを特徴とする請求項４に記載の位置制御装置。
【請求項６】
前記第１乃至第３の各フィルタ回路は、それぞれ無駄時間回路部と２次のＩＩＲフィルタにより構成されていることを特徴とする請求項４又は５に記載の位置制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、移動時に摩擦力が作用する移動体の位置を制御する位置制御装置に関する発明である。
【背景技術】
【０００２】
各種メカトロニクス製品では、位置決め機構や機台振動を抑制して高速・高精度位置決めを実現する制御コントローラの構築が不可欠であり、その制御仕様はますます高精度化している。しかしながら、位置決め制御性能を劣化させる要因として、バックラッシや摩擦等の非線形要素の外乱が存在し、位置決め精度や軌跡追従精度が劣化する場合があった。
【０００３】
そこで、位置決め精度を劣化させる外乱を相殺するようなフイードフォワード補償を行い、軌跡追従精度を改善することが求められている。
このフイードフォワード補償においては、制御対象とフイードフォワード補償器設計のモデル化誤差が無いことが理想である。
しかし、実際には制御対象に非線形な摩擦等の外乱成分が加わることにより、モデル化誤差が生じ、その影響により所望の応答を実現することは困難である。
【０００４】
一般に、機構振動に対するフイードフォワード補償では、制御対象に含まれる振動モード極を励起しないように、振動モード極付近の成分を除去した補償信号を用いて振動抑制を行うようにしている。これは、事前に得られた制御対象の情報をもとにして、システムの逆特性を補償器内で構成することにより、所望の応答を実現するようなフイードフォワード補償信号を生成することになる。この機構振動抑制と同様の考えを外乱の主成分である非線形摩擦の影響抑制に当てはめて考えてみると、上記モデル化誤差を補償するには、外乱を相殺するようなフイードフォワード補償信号を加えれば良いことが分かる。
【０００５】
従来、摩擦外乱に対してフイードフォワード補償信号を加える手法としては、バンバン制御によるトルク補償法が挙げられる（特許文献１，２）。このバンバン制御は、システムに加わる摩擦力は速度方向のみに依存したクーロン摩擦力であるという前提の下に、速度方向反転時に予め設定したバンバン補償トルクτBangをトルク指令τM に対して強制的に印加することで、クーロン摩擦力の影響を補償しようとする制御手法である。
【特許文献１】特開平７−３０２１２１号公報
【特許文献２】特開平５−２２４７０２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来のバンバン制御によるトルク補償法を図２及び図３のブロック線図を用いて説明する。図２及び図３において、τM はトルク指令値、τBangはバンバントルク、ωM は実速度情報、ω'Mは速度指令情報、θM はモータ位置である。
【０００７】
図２はフィードバック（Ｆ／Ｂ）方式のバンバン制御システムのブロック線図である。Ｆ／Ｂ方式のバンバン制御では、モータ位置θM を微分回路で時間微分して求めた実速度情報ωM をバンバン制御コントローラに入力してバンバン補償トルクτBangを生成し、このバンバン補償トルクτBangをトルク指令τM に足し合わせる。このようなＦ／Ｂ方式のバンバン制御を採用した場合には、モータエンコーダの分解能、サンプリング時間、ノイズ等の影響により、実速度情報ωM に微振動が発生すると、バンバントルクτBangも振動的になり、その結果、急激なトルク指令τM の変動が発生して機構振動を励起するなどの問題が発生する。
【０００８】
そこで、図３のように、速度指令値ω'Mに基づいてフィードフォワード（Ｆ／Ｆ）方式でバンバン制御を行うシステムもある。位置決め制御を行う上では、速度指令値ω'Mが零になった際は、バンバン補償トルクτBangをどのように規定するかが問題となる。そこで、例えば、(1) 速度指令値ω'Mが零になった場合は、バンバン補償トルクτBangを零としたり、(2) 速度指令値ω'Mが零となる前の情報に基づいて一定のバンバン補償トルクτBangを出力し続けたり、(3) 速度指令値ω'Mが零付近からある時定数を持ってバンバン補償トルクτBangを零に収束させる、など様々な手法が考えられる。そのため、実用に際してはそれぞれの制御対象に合った手法を選択する必要がある。
【０００９】
本発明者らは、一般的なバンバントルク補償の妥当性を確認するために、図４に示すように、２自由度制御系にバンバン制御コントローラと摩擦推定のためのオブザーバを組み合わせたシステムで実験を行った。オブザーバは、オフラインで推定摩擦を演算する外乱オブザーバで構成し、制御対象に対して推定外乱に遅延が生じないように、プロパー化フィルタの高帯域化を行っている。
【００１０】
図４において、θ'Mは位置指令値、Ｐ（ｓ）はプラント、Ｃ（ｓ）はフイードバックコントローラである。Ｆ（ｓ）は伝達関数をプロパーにするための任意のフィルタ、Ｎ（ｓ）は制御対象の振動極を相殺する零点を有する多項式、Ｄ（ｓ）は使用する位置指令の加速時間（減速時間）に依存した極を有する多項式である。ｄは外乱要素、θM はモータ位置である。
【００１１】
次に、図４のシステムを用いて検証した結果を図５に示す。
図５中の実線は、オブザーバによる推定摩擦トルクであり、一定鎖線は、バンバン制御コントローラによる補償トルクであり、バンバン制御コントローラは位置指令払い出し中のみ補償トルクを出力する。
【００１２】
この検証結果より、推定外乱に対して従来のバンバン制御コントローラでは、制御系の外乱要素に対して補償トルクを矩形波状に出力するため、摩擦外乱を適切に補償しきれず、これが軌跡追従誤差を生じさせる原因になっている。
【００１３】
本発明はこのような事情を考慮してなされたものであり、従ってその目的は、摩擦外乱を適切に補償することが可能で、軌跡追従誤差を低減して、位置決め制御性能を向上できる位置制御装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は、Ｆ／Ｆ式のバンバン制御コントローラに代わる新たなフィードフォワード摩擦補償システムである。本発明は、移動体の移動方向を判定し、その移動方向に応じた信号を出力する移動方向信号出力部と、この移動方向信号出力部の一方の移動方向に応じた信号をフィルタ処理する第１フィルタ回路と、前記移動方向信号出力部の他方の移動方向に応じた信号をフィルタ処理する第２フィルタ回路と、前記第１フィルタ回路の出力と前記第２フィルタ回路の出力とを足し合わせた信号を補償入力として駆動手段への位置指令に足し合わせて該位置指令を補償する外乱補償部とを備えた構成としたものである。これにより、簡易な外乱相殺フィードフォワード補償器（ＦＦＣ）を構成することが可能となり、非線形摩擦の影響を抑制することができ、従来法に比して軌跡追従誤差を低減して位置決め応答性能を向上させることができる。
【００１５】
本発明は、補償対象である非線形摩擦を２組の質量、バネ、ダンパでモデル化しても良い。その背景として、転がり案内特性等の非線形摩擦を有する装置の動特性は、１個の質量と２個のバネ及びクーロン摩擦要素で表現可能であり、また、一般に１自由度の振動系は２次標準形として表現可能なことから、非線形摩擦による外乱特性を２つの１自由度振動系の線形和で表現できる。このようにモデル化した外乱特性を補償する方法を以下に具体的に説明する。
【００１６】
はじめに、外乱相殺フィードフォワード補償器（ＦＦＣ）の出力を導出するための入力として、正方向の移動方向を「１」、負方向の移動方向を「−１」とする移動方向フラグを用いる。
【００１７】
次に、移動方向反転後からある時定数を持ってピークを生ずるような特性を実現するために、移動方向フラグによるステップ応答に対して任意の無駄時間要素を与えた信号が次の（１）式に示すような２次標準形の伝達関数を通過した特性を利用する。
【００１８】
【数１】
2008243176.tif 000003
【００１９】
ここで、Ｋp ：正方向の任意のゲイン［Ｎｍ］
ωp ：正方向の任意の角周波数［ｒａｄ／ｓｅｃ］
ζp ：正方向の任意の減衰係数
次に、ＦＦＣの出力を一定値にある時定数を持って収束させるような特性を実現するために、（１）式同様、任意の無駄時間要素を与えた信号を次の（２）式に示すような２次標準形の伝達関数を通過した特性を利用する。
【００２０】
【数２】
2008243176.tif 000004
【００２１】
ここで、Ｋm ：負方向の任意のゲイン［Ｎｍ］
ωm ：負方向の任意の角周波数［ｒａｄ／ｓｅｃ］
ζm ：負方向の任意の減衰係数
この後、任意の無駄時間要素により時間差を与えた２つの２次標準形の伝達関数出力和を、次の（３）式に示す最終的なＦＦＣの出力に利用する。
【００２２】
【数３】
2008243176.tif 000005
【００２３】
ここで、Ｔp ：正方向遅延時間
Ｔm ：負方向遅延時間
Ｆp(s)：正方向フィルタ
Ｆm(s)：負方向フィルタ
この外乱相殺フイードフォワード補償器（ＦＦＣ）をブロック線図に展開すると図６となる。図６において、ｅ-Tpsとｅ-Tmsは無駄時間回路部である。正方向フィルタＦp(s)と負方向フィルタＦm(s)は、例えば２次のＩＩＲフィルタで構成すると良い。
【００２４】
無駄時間回路部ｅ-Tpsと正方向フィルタＦp(s)とから第１フィルタ回路が構成され、無駄時間回路部ｅ-Tmsと負方向フィルタＦm(s)とから第２フィルタ回路が構成される。移動方向信号出力部は、位置指令から移動体の移動方向を判定し、その移動方向に応じて「１」又は「−１」の信号を出力する。
【００２５】
ところで、移動体の動作モードとして、往復動作とインチング動作とがある。インチング動作とは、同一方向に連続して複数回の位置決め動作を行うことである。最近の本発明者らの研究結果によれば、上記（３）式に示すＦＦＣは、往復動作に対しては十分に摩擦外乱を補償できるが、インチング動作に対しては、摩擦外乱の補償性能が低下して、位置決め応答性能が低下することが判明した。この理由は、往復動作とインチング動作とでは駆動開始時（インチング動作方向反転時も含む）における外乱初期値が異なるためと考えられる。
【００２６】
そこで、インチング動作を考慮した外乱フイードフォワード補償器を構成する場合は、インチング動作方向及びインチング動作回数に応じて変化する駆動条件信号を出力する駆動条件信号出力部と、インチング動作方向及びインチング動作回数に応じて前記駆動条件信号とは異なるアルゴリズムで変化するインチング動作補助信号を出力するインチング動作補助信号出力部と、前記駆動条件信号出力部から出力される駆動条件信号をフィルタ処理して一方のインチング動作方向及びインチング動作回数に応じた信号を出力する第１フィルタ回路と、前記駆動条件信号出力部から出力される駆動条件信号をフィルタ処理して他方のインチング動作方向及びインチング動作回数に応じた信号を出力する第２フィルタ回路と、前記インチング動作補助信号出力部から出力されるインチング動作補助信号をフィルタ処理してインチング動作に伴う外乱を補償するための信号を出力する第３フィルタ回路と、前記第１乃至第３の各フィルタ回路の出力信号を合成した信号を補償入力として前記駆動手段への位置指令に足し合わせて該位置指令を補償する外乱補償部とを備えた構成とすると良い。
【００２７】
この構成により、インチング動作を考慮した外乱フイードフォワード補償を実現することができ、インチング動作と往復動作のいずれであっても、非線形摩擦の影響を抑制することができ、軌跡追従誤差を低減して位置決め応答性能を向上させることができる。
【００２８】
この場合、駆動条件信号出力部は、インチング動作方向に応じて異なる値の信号（例えば正方向のインチング動作で「０」、負方向のインチング動作で「−１」）を出力する動作方向信号出力部と、一方向のインチング動作毎にアップカウントし且つ他方向のインチング動作毎にダウンカウントするインチング動作カウンタとを備え、前記動作方向信号出力部の出力信号と前記インチング動作カウンタの出力信号とを合成して出力するように構成すれば良い。
【００２９】
また、前記インチング動作補助信号出力部は、駆動開始時及びインチング動作方向反転時に１回目のインチング動作ではカウント動作せず、２回目以降のインチング動作では一方向のインチング動作毎にアップカウントし且つ他方向のインチング動作毎にダウンカウントするインチング動作補助カウンタにより構成すると良い。
【００３０】
この構成においても、第１乃至第３の各フィルタ回路は、それぞれ無駄時間回路部と２次のＩＩＲフィルタにより構成すると良い。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
以下、本発明を実施するための最良の形態をボールねじ駆動テーブル装置に適用して具体化した２つの実施例１，２を説明する。
【実施例１】
【００３２】
本発明の実施例１では、往復動作を考慮した外乱フイードフォワード補償器の構成例を説明する。
まず、図１に基づいてボールねじ駆動テーブル装置の構成を説明する。
本システムでは、ボールねじ１０によってテーブル１１（移動体）を駆動する駆動手段としてＡＣサーボモータ１２を使用し、このモータ２の端部に設置されたエンコーダ１３（例えば１７ｂｉｔ絶対値シリアルエンコーダ）によって得られるモータ位置情報を用いて、テーブル１１上に設置された負荷装置１４の位置決め制御を実施する。テーブル１１は、リニアガイド１５に沿って移動する際に摩擦力を受け、負荷装置１４に機構振動が発生すると共に、高加減速を実現するモータトルクの反力が機台振動を励起し、位置決め性能を低下させる。
【００３３】
図７に、本制御対象に対して構成した２自由度制御系のブロック線図を示す。
図７中、Ｐ(s) は対象プラント、Ｄ(s) ／Ｆ(s) 、Ｎ(s) ／Ｆ(s) は、機台振動・機構振動を抑制するように設計されたフィードフォワード補償器、Ｃ(s) はフィードバック補償器、θ'Mは位置指令、θM はモータ位置、ｄは外乱である。ＦＦＣは、図６に示す外乱相殺フィードフォワード補償器である。
【００３４】
図６において、ｅ-Tpsとｅ-Tmsは無駄時間回路部２１，２２である。Ｆp(s)は正方向フィルタ２３、Ｆm(s)は負方向フィルタ２４であり、これら２つのフィルタ２３，２４［Ｆp(s)，Ｆm(s)］は、例えば２次のＩＩＲフィルタで構成されている。無駄時間回路部２１［ｅ-Tps］と正方向フィルタ２３［Ｆp(s)］とから第１フィルタ回路２５が構成され、無駄時間回路部２２［ｅ-Tms］と負方向フィルタ２４［Ｆm(s)］とから第２フィルタ回路２６が構成されている。移動方向信号出力部２７は、位置指令からテーブル１１の移動方向を判定し、その移動方向に応じて「１」又は「−１」の移動方向信号（移動方向フラグ）を出力する。第１フィルタ回路２５の出力Ｙp と第２フィルタ回路２６の出力Ｙp ，Ｙm を足し合わせてＦＦＣの出力を求める。
【００３５】
本制御対象の１次振動モードは装置全体の振動である機台振動であるため、その機台振動による位置決め制御性能劣化を防ぐとともに、装置全体の振動抑制も必要となる。
【００３６】
そこで、位置指令の含有周波数成分の整形により１次振動モードの制振を目指す。また、２次振動モードも制御帯域内に存在することから、その制振制御を目的に、フィードフォワード補償器Ｄ(s) ／Ｆ(s) 、Ｎ(s) ／Ｆ(s) を２次振動モードのみを有する２慣性系モデルに対する既約分解で設計する。３次振動モードについては必要となる制御帯域外であるが、フィードバック制御系の安定性を阻害する要因となるため、安定化の配慮が必要である。
【００３７】
制振制御の基本原理は振動モード極成分の抑制にあり、操作量から振動モード極成分を除去する必要がある。このような考えの下、高速・高精度位置決めを実現する上では、精密モデルベースでのフィードフォワード補償が有効である。
【００３８】
そこで、本制御対象に対して構成した既約分解表現に基づく２自由度制御系においては、フィードフォワード補償器Ｄ(s) ／Ｆ(s) によって生成されたフィードフォワードトルクにより、Ｎ(s) ／Ｆ(s) で規定される制振効果を持つ軌跡θ"M（理想応答）に実際のモータ位置θM を追従させることで制振制御を実現する。そのため、軌跡追従誤差ｅが生じない、すなわち軌跡追従誤差が零となることが振動抑制に繋がる。
【００３９】
しかし、実際の制御対象のモデル化においては必ずモデル化誤差が伴い、また、未知外乱ｄも存在するため、所望の応答を実現することは一般に困難となる。ここで、フィードバック制御系の帯域が十分高ければ、外乱の影響を十分に抑圧することも可能となるが、実際には、安定性の観点から十分に帯域を拡大できない場合も多い。
【００４０】
そこで、実際に作用する外乱成分を把握（モデル化）し、その現象を抑制する補償を考える。ここでは、外乱ｄを相殺する外乱補償トルクｄ' を加えることで、見かけ制御対象に外乱が作用していない状態とし、フィードフォワード補償器による制振制御の効果を十分に引き出すことで、高速・高精度位置決めの実現を目指す。
【００４１】
前述したように、本制御対象では、モデル化誤差や機構上発生する非線形摩擦等の外乱の影響により、軌跡追従誤差が発生して制振効果が劣化する。本制御対象では外乱成分として非線形摩擦の影響が顕著であることが分かっており、以降では外乱を非線形摩擦とする。
【００４２】
本実施例１では、往復動作時の非線形摩擦に対して、より積極的に補償するため、簡易モデルを用いた外乱相殺フィードフォワード補償を行う。
次に、本実施例１の外乱相殺フィードフォワード補償器（ＦＦＣ）の出力の算出手順を図８のフローチャートを用いて説明する。
【００４３】
［手順１］
位置指令の動作に同期し、位置指令の移動方向によって符号が反転する１／−１のデータ配列を移動方向フラグとして位置制御装置のメモリに格納する。
【００４４】
例えば、位置指令から移動方向が正方向と判定された場合には移動方向フラグを「１」に設定し、負方向と判定された場合には移動方向フラグを「−１」に設定する。また、正方向、負方向の判定方法には、位置指令の前回動作最終位置と今回動作目標位置との差を使用する方法と、前回サンプル時間位置と今回サンプル時間位置の差、つまり指令速度方向を使用する方法が考えられる。
【００４５】
［手順２］
メモリより出力された移動方向フラグの１／−１のデータ配列に対し、Ｔp 、Ｔm の遅延時間を持たせた指令信号Ｕp ，Ｕm （図６参照）をそれぞれ作成する。
例えば、位置制御装置の制御周期がＴs である場合、
Ｔp の遅延時間は、（ｌｏｎｇ）Ｔp ／Ｔs
Ｔm の遅延時間は、（ｌｏｎｇ）Ｔm ／Ｔs
となる遅れサンプル数で遅延時間を近似することもできる。また、その他に、パデ近似により、遅延時間を近似することも考えられる。
Ｔp ，Ｔm の遅延時間は、図６のＵp ，Ｕm に相当する。
【００４６】
［手順３］
上記手順２で作成された２つの入力信号Ｕp ，Ｕm に対して、質量・バネ・ダンパで表現された２つのパルス伝達関数（１）式、（２）式を離散化したディジタルフィルタをそれぞれ通過させた出力Ｙp ，Ｙm （図６参照）を導出する。
【００４７】
［手順４］
上記手順３で導出された２つの出力Ｙp ，Ｙm の和を求め、その計算結果をＦＦＣ出力とする。そして、このＦＦＣ出力を補償入力として位置指令に足し合わせて該位置指令を補償する。この機能が特許請求の範囲でいう外乱補償部に相当する。
【００４８】
以上説明した本実施例１のＦＦＣの動作例を図９に示す。各パラメータ文字については、図６のＦＦＣモデルに記述されているパラメータ文字と対応している。
【００４９】
図９において、移動方向フラグ（移動方向信号出力部２７の出力）は、移動方向が負方向から正方向に反転したときに、「−１」から「１」にステップ状に変化し、これが位置決め応答の立ち上がりに相当する。このステップ入力を受けて、第１フィルタ回路２５の無駄時間回路部２１［ｅ-Tps］の出力Ｕp と第２フィルタ回路２６の無駄時間回路部２２［ｅ-Tms］の出力Ｕm が所定の遅延時間を経て立ち上がる。このような時間差を持ったステップ指令を受け、正方向フィルタ２３［Ｆp(s)］、負方向フィルタ２４［Ｆm(s)］を通過した出力Ｙp 、Ｙm も所定の遅延時間を経て立ち上がり、これら２つの出力Ｙp 、Ｙm が足し合わされて最終的なＦＦＣ出力が求められる。このＦＦＣ出力を補償入力として位置指令に足し合わせて該位置指令を補償する。これにより、実機応答より確認した外乱成分の概形に違い特性を実現出来ることが確認できる。このように設計したＦＦＣモデルの各パラメータを実機動作より推定した外乱成分を参考にしつつ、実機位置決め応答の軌跡追従誤差が小さくなるようにバラメータを決定することとなる。
【００５０】
図１０は任意のストロークにおいて、制御対象に対して推定外乱に遅延が発生しないように、オフラインで外乱オブザーバにより推定した推定摩擦トルクと、図６のＦＦＣモデルにより実際に作成した補償トルクと、バンバン制御による補償トルクを示している。この結果より、従来のバンバン制御と比較して、本発明のＦＦＣモデルは、補償トルクが実機推定摩擦トルク（外乱オブザーバによる推定摩擦トルク）に十分に近似できていることが分かる。
【００５１】
また、図１１は、往復動作に対する軌跡追従誤差のＦＦＴ（高速フーリエ変換）の分析結果を示している。このＦＦＴ結果を見れば、本発明のＦＦＣの軌跡追従誤差が従来のバンバン制御の軌跡追従誤差よりも著しく小さくなっていることが一目瞭然である。
【００５２】
図１２は、トルク指令のＦＦＴ結果を示している。このトルク指令のＦＦＴ結果を見れば、本発明のＦＦＣによるフィードバックトルクが従来のバンバン制御によるフィードバックトルクよりも、フイードフォワードトルクに近似できていることが分かる。これは、フイードフォワードトルクが所望の制振効果を得られるようなエネルギー特性を有する場合に、本発明により実際のトルク指令もその特性をより反映した出力となることを示している。結果として、制振効果が従来以上に期待でき、制御対象の位置決め性能も向上するものと思われる。
【００５３】
ただし、ここで言うフイードフォワードトルクとは、図７のＤ(s) ／Ｆ(s) の出力値を意味し、また、指令トルクとは、図７のプラントＰ(s）への入力値を意味している。
【実施例２】
【００５４】
ところで、移動体の動作モードとして、往復動作とインチング動作とがある。インチング動作とは、同一方向に連続して複数回の位置決め動作を行うことである。インチング動作での非線形摩擦モデルも、基本的には上記実施例１で説明した往復動作時の非線形摩擦モデルと同様に考えることができるが、最近の本発明者らの研究結果によれば、上記実施例１で説明した図６のＦＦＣは、往復動作に対しては十分に摩擦外乱を補償できるが、インチング動作に対しては、摩擦外乱の補償性能が低下して、位置決め応答性能が低下することが判明した。
【００５５】
この理由は、往復動作とインチング動作とでは駆動開始時（インチング動作方向反転時も含む）における外乱初期値が異なるためと考えられ、この対策として、各動作の切り換えに対応した非線形摩擦モデルを付加する必要があると考えられる。また、その場合に、往復動作時と同様の移動方向フラグでは、対応が困難になる。
【００５６】
そこで、本発明の実施例２では、これらの課題を解決して、インチング動作にも対応可能な外乱フィードフォワード補償器（以下「ＦＤＣ」と表記する）を構成する。本実施例２のＦＤＣは、図１３に示すように、インチング動作方向及びインチング動作回数に応じて変化する駆動条件信号を出力する駆動条件信号出力部３１と、インチング動作方向及びインチング動作回数に応じて前記駆動条件信号とは異なるアルゴリズムで変化するインチング動作補助信号Ｘb を出力するインチング動作補助信号出力部３２と、前記駆動条件信号出力部３１から出力される駆動条件信号をフィルタ処理して一方のインチング動作方向及びインチング動作回数に応じた信号Ｙp を出力する第１フィルタ回路３３と、前記駆動条件信号出力部３１から出力される駆動条件信号をフィルタ処理して他方のインチング動作方向及びインチング動作回数に応じた信号Ｙm を出力する第２フィルタ回路３４と、前記インチング動作補助信号出力部３２から出力されるインチング動作補助信号Ｘc をフィルタ処理してインチング動作に伴う外乱を補償するための信号Ｙi を出力する第３フィルタ回路３５と、前記第１乃至第３の各フィルタ回路３３〜３５の出力信号を合成した信号を補償入力として出力する。以下の説明では、「一方のインチング動作方向」を「正方向」とし、「他方のインチング動作方向」を「負方向」として説明するが、これと逆方向であっても良いことは言うまでもない。
【００５７】
駆動条件信号出力部３１は、位置指令からテーブル１１の移動方向を判定し、その移動方向に応じて「０」又は「−１」の動作方向信号Ｘa を出力する動作方向信号出力部３７と、正方向のインチング動作毎にアップカウントし且つ負方向のインチング動作毎にダウンカウントするインチング動作カウンタ３８とを備え、前記動作方向信号出力部３７の出力Ｘa と前記インチング動作カウンタ３８の出力Ｘb とを合成して出力する。
【００５８】
この駆動条件信号出力部３１から出力される駆動条件信号をフィルタ処理する第１フィルタ回路３３と第２フィルタ回路３４は、それぞれ前記実施例１の第１フィルタ回路２５と第２フィルタ回路２６と同様の構成であり、第１フィルタ回路３３は、無駄時間回路部４０［ｅ-Tps］と正方向フィルタ４１［Ｆp(s)］とから構成され、第２フィルタ回路２６は、無駄時間回路部４２［ｅ-Tms］と負方向フィルタ４３［Ｆm(s)］とから構成されている。正方向フィルタ４１と負方向フィルタ４３は、例えば２次のＩＩＲフィルタで構成されている。
【００５９】
一方、インチング動作補助信号出力部３２は、駆動開始時及びインチング動作方向反転時に１回目のインチング動作ではカウント動作せず、２回目以降のインチング動作では正方向のインチング動作毎にアップカウントし且つ負方向のインチング動作毎にダウンカウントするインチング動作補助カウンタにより構成されている。
【００６０】
このインチング動作補助信号出力部３２（インチング動作補助カウンタ）から出力されるインチング動作補助信号Ｘc をフィルタ処理する第３フィルタ回路３５は、無駄時間回路部４４［ｅ-Tis］と２次のＩＩＲフィルタ４５［Ｆi(s)］とから構成されている。
【００６１】
図１４には、インチング動作時の動作方向信号出力部３７の出力Ｘa とインチング動作カウンタ３８の出力Ｘb とインチング動作補助信号出力部３２（インチング動作補助カウンタ）の出力Ｘc の挙動の一例を示している。
【００６２】
以上のように構成されたＦＤＣは、第１フィルタ回路３３の出力Ｙp から第２フィルタ回路３４の出力Ｙm を減算した結果から第３フィルタ回路３５の出力Ｙi を減算してＦＤＣの出力を求める。
このＦＤＣの出力は、次式で演算される。
【００６３】
【数４】
2008243176.tif 000006
【００６４】
図１５に、本実施例２の制御対象に対して構成した２自由度制御系のブロック線図を示す。
図１５中、Ｐ(s) は対象プラント、Ｄ(s) ／Ｆ(s) 、Ｎ(s) ／Ｆ(s) は、機台振動・機構振動を抑制するように設計されたフィードフォワード補償器、Ｃ(s) はフィードバック補償器、θ'Mは位置指令、θM はモータ位置、ｄは外乱である。ＦＤＣは、図１３に示す外乱相殺フィードフォワード補償器である。ＦＤＣの出力を対象プラントＰ(s) への位置指令に足し合わせて該位置指令を補償する。この機能が特許請求の範囲でいう外乱補償部に相当する。その他の構成は、前記実施例１と同じである。
【００６５】
以上説明した本実施例２のＦＤＣの有効性を確認するために、インチング動作による位置決め実験を行ったので、その実験結果を図１６と図１７に示す。
図１６は、ＦＤＣ有りの場合（実施例２）とＦＤＣ無しの場合（従来）におけるインチング動作の位置決め誤差を評価する実験結果である。この実験結果を見れば、ＦＤＣ有りの場合（実施例２）は、ＦＤＣ無しの場合（従来）よりもインチング動作の位置決め誤差が著しく小さくなっていることが一目瞭然であり、インチング動作に対してオーバーシュートを抑制した良好な位置決め応答を実現できる。
【００６６】
図１７は、インチング動作における外乱推定トルクとＦＦＣ（実施例１）とＦＤＣ（実施例２）による補償トルクの違いを評価する実験結果である。外乱推定トルクは、前述した外乱オブザーバを用いてインチング動作時の外乱推定した結果である。ＦＦＣ（実施例１）とＦＤＣ（実施例２）とを比較すると、インチング動作では、ＦＤＣ（実施例２）の方が補償トルクと実際の外乱（外乱推定トルク）との誤差が明らかに小さく、実際の外乱に対して補償トルクをより正確に近似できることが確認された。
【００６７】
尚、上記各実施例１，２は、本発明をボールねじ駆動テーブル装置に適用した実施例であるが、テーブル等の移動体をガイド支持したリニアモータシステム等、摩擦部品を用いた位置決めシステム全般に用いることが可能であることは言うまでもない。また、上記各実施例１，２では、位置制御装置内で２自由度制御回路が構成されているが、これに限定されるものではなく、種々の制御回路に対して、本発明を適用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】本発明の実施例１におけるボールねじ駆動テーブル装置構成を概略的に示す図である。
【図２】従来のフィードバック方式のバンバン制御システムのブロック線図である。
【図３】従来のフィードフォワード方式のバンバン制御システムのブロック線図である。
【図４】２自由度制御系にバンバントルク補償回路と摩擦推定のためのオブザーバを組み合わせた制御系のブロック線図である。
【図５】オブザーバによる推定摩擦トルクとバンバントルク補償コントローラによる補償トルクとの関係を検証する図である。
【図６】本発明の実施例１のＦＦＣモデルのブロック線図である。
【図７】本発明の実施例１の２自由度制御系のブロック線図である。
【図８】本発明の実施例１のＦＦＣ出力の算出手順を示すフローチャートであある。
【図９】本発明の実施例１のＦＦＣの動作例を示す図である。
【図１０】本発明の実施例１のＦＦＣによる摩擦トルクの補償精度を説明する図である。
【図１１】軌跡追従誤差のＦＦＴ結果を示す図である。
【図１２】トルク指令のＦＦＴ結果を示す図である。
【図１３】本発明の実施例２のＦＤＣモデルのブロック線図である。
【図１４】インチング動作時の動作方向信号出力部３７の出力Ｘa とインチング動作カウンタ３８の出力Ｘb とインチング動作補助信号出力部３２の出力Ｘc の挙動の一例を示したタイムチャートである。
【図１５】本発明の実施例２の２自由度制御系のブロック線図である。
【図１６】ＦＤＣ有りの場合（実施例２）とＦＤＣ無しの場合（従来）におけるインチング動作の位置決め誤差を評価する実験結果を示す図である。
【図１７】インチング動作における外乱推定トルクとＦＦＣ（実施例１）とＦＤＣ（実施例２）による補償トルクの違いを評価する実験結果を示す図である。
【符号の説明】
【００６９】
１１…テーブル（移動体）、１２…モータ（駆動手段）、１４…負荷装置、２１，２２…無駄時間回路部、２３…正方向フィルタ（ＩＩＲフィルタ）、２４…負方向フィルタ（ＩＩＲフィルタ）、２５…第１フィルタ回路、２６…第２フィルタ回路、２７…移動方向信号出力部、３１…駆動条件信号出力部、３２…インチング動作補助信号出力部（インチング動作補助カウンタ）、３３…第１フィルタ回路、３４…第２フィルタ回路、３５…第３フィルタ回路、３７…動作方向信号出力部、３８…インチング動作カウンタ、４０…無駄時間回路部、４１…正方向フィルタ（ＩＩＲフィルタ）、４２…無駄時間回路部、４３…負方向フィルタ（ＩＩＲフィルタ）、４４…無駄時間回路部、４５…ＩＩＲフィルタ
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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