(57)【要約】【課題】本発明は、負荷イナーシャ、粘性摩擦力及びその他の非線形外乱力が変化した場合でも位置決め特性や軌跡追従特性が変化せず、制御対象の関数形態に則した処理が複雑な演算なしに行え、安定性がきわめて高いモータ位置制御装置を提供することを目的とする。【解決手段】本発明のモータ位置制御装置は、位置指令ｘｄを出力する指令発生部７１と、トルク指令ｕを決定する位置制御部７２と、モータに電流を出力する電流制御部７４と、モータの位置を検出する検出器７７と、トルク指令ｕを決定するとき非線形外乱補償を行う非線形外乱補償演算部７８を備えたモータ位置制御装置であって、非線形外乱補償時には非線形外乱補償演算部７８が、負荷イナーシャ最大値、粘性摩擦係数最大値及び外乱最大値をパラメータとして制御対象形式に記述された関数と切換関数との積を記述関数とする非線形補償トルクを出力することを特徴とする。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
位置指令ｘｄを出力する位置指令発生部と、前記位置指令ｘｄ及びモータ位置検出信号ｘを入力し前記モータ位置検出信号ｘが前記位置指令ｘｄに一致するようにトルク指令ｕを決定する位置制御部と、前記トルク指令ｕを入力しモータに電流を出力する電流制御部と、前記モータの位置を検出する検出器と、前記トルク指令ｕを決定するとき非線形外乱補償を行う非線形外乱補償演算部を備えたモータ位置制御装置であって、非線形外乱補償時には前記非線形外乱補償演算部が、負荷イナーシャ最大値Ｊｍａｘ、粘性摩擦係数最大値Ｄｍａｘ及び外乱最大値Ｆｍａｘをパラメータとして制御対象形式に記述された関数と切換関数との積を記述関数とする非線形補償トルクを出力し、前記トルク指令ｕが前記非線形補償トルクによって非線形外乱補償されることを特徴とするモータ位置制御装置。
位置制御装置。
【請求項２】
位置指令ｘｄを出力する位置指令発生部と、前記位置指令ｘｄ及びモータ位置検出信号ｘを入力し前記モータ位置検出信号ｘが前記位置指令ｘｄに一致するように速度指令ｖｄを出力する位置制御部と、前記位置指令ｘｄを時間微分した信号に所定の値αを乗じて前記速度指令ｖｄに加えて該速度指令ｖｄを更新する速度フィードフォワード部と、パラレルに設けられた比例積分制御と積分比例制御の少なくとも何れかの制御を行い、更新された速度指令ｖｄにモータ速度検出信号が一致するようにトルク指令ｕを決定する速度制御部と、前記トルク指令ｕを入力しモータに電流を出力する電流制御部と、前記モータの位置を検出する検出器と、前記モータの位置から前記モータ速度検出信号を出力する速度作成部と、前記トルク指令ｕを決定するとき非線形外乱補償を行う非線形外乱補償演算部を備えたモータ位置制御装置であって、非線形外乱補償時には前記非線形外乱補償演算部が（数２）、（数３）、（数４）、（数５）の演算を行うと共に、負荷イナーシャ最大値Ｊｍａｘ、粘性摩擦係数最大値Ｄｍａｘ及び外乱最大値Ｆｍａｘをパラメータとして制御対象形式に記述された関数と、切換関数ｒ１にチャタリング抑止処理を施した関数との積をとってこれを記述関数とする非線形補償トルクを出力し、前記トルク指令ｕが（数１）で与えられて非線形外乱補償されることを特徴とするモータ位置制御装置。
【数１】
2008310603.tif 000062
【数２】
2008310603.tif 000063
【数３】
2008310603.tif 000064
【数４】
2008310603.tif 000065
【数５】
2008310603.tif 000066
ここで、Ｋｐは位置ループゲイン、Ｋｖは速度ループゲイン、Ｋｉは速度ループ積分ゲイン、α（α≧０）は速度フィードフォワードゲイン、β（β≧０）は速度制御部内のＰＩ制御とＩ−Ｐ制御を切り換える切換定数、δはチャタリング防止定数、ｃは非線形外乱補償の有無を切り換える切換定数、ｓはラプラス演算子、｜  ｜は絶対値
【請求項３】
位置指令ｘｄを出力する位置指令発生部と、前記位置指令ｘｄ及びモータ位置検出信号ｘを入力し前記モータ位置検出信号ｘが前記位置指令ｘｄに一致するようにトルク指令ｕを決定する位置制御部と、前記トルク指令ｕを入力しモータに電流を出力する電流制御部と、前記モータの位置を検出する検出器と、前記トルク指令ｕを決定するとき非線形外乱補償を行う非線形外乱補償演算部を備えたモータ位置制御装置であって、非線形外乱補償時には前記非線形外乱補償演算部が（数４）、（数７）、（数８）の演算を行うと共に、負荷イナーシャ最大値Ｊｍａｘ、粘性摩擦係数最大値Ｄｍａｘ及び外乱最大値Ｆｍａｘをパラメータとして制御対象形式に記述された関数と、切換関数ｒ２にチャタリング抑止処理を施した関数との積をとってこれを記述関数とする非線形補償トルクを出力し、前記トルク指令ｕが（数６）で与えられて非線形外乱補償されることを特徴とするモータ位置制御装置。
【数６】
2008310603.tif 000067
【数７】
2008310603.tif 000068
【数８】
2008310603.tif 000069
ここで、ｋは比例定数、ｃは非線形外乱補償の有無を切り換える切換定数、λ１は比例ゲイン、λ２は積分ゲイン、δはチャタリング防止定数、ｓはラプラス演算子、｜  ｜は絶対値
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体製造装置、工作機械およびロボット等を駆動するモータ位置制御装置において、制御対象の応答特性の変動を補償し、きわめて高速、高精度の位置決め応答、きわめて追従性の高い軌跡追従応答を実現できるモータ位置制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のモータ位置制御装置の構成を説明すると、第１のモータ位置制御装置として図７に示すように、１１は位置指令ｘｄを発生する指令発生部、１２は入力された位置指令ｘｄにモータ位置検出信号ｘが一致するように比例制御（以下Ｐ制御と言う）を行って速度指令ｖｄを出力する位置制御部、１３は指令に対する応答性を上げるために位置指令ｘｄを時間微分した信号を速度指令ｖｄに加える速度フィードフォワード補償部、１４は加算器、１５は速度指令ｖｄにモータ速度が一致するようにＰ制御及び積分制御をパラレルに行う比例積分制御（以下ＰＩ制御と言う）をしてトルク指令ｕを出力する速度制御部である。
【０００３】
また、１６はトルク指令ｕを入力しＰＷＭ（pulse
width modulation）、インバータ等で出力電流を制御する電流制御部、１７はＤＣブラシレスモータ等のモータ、１８は半導体製造装置、工作機械およびロボット等のメカ部であってモータ１７に対する負荷であり、多くは加減速の変化が激しいものである。１９はモータ位置を検出してモータ位置検出信号ｘをフィードバックする検出器、２０はモータ位置検出信号ｘを時間微分した信号を速度制御部１５に対して出力する速度信号作成部である。
【０００４】
このモータ位置制御装置の制御ブロック図の説明を行う。図８において、２１は位置指令ｘｄとモータ位置検出信号ｘの偏差ｅ１を出力するための減算器、２２は位置ループゲインＫｐを乗算する乗算器、２３はラプラス演算子ｓから構成され時間微分を行う微分器、２４は微分器２３からの出力に対して速度フィードフォワードゲインαを乗算する乗算器である。なお、デジタル制御の場合などは微分器２３は差分器となる。２５は速度フィードフォワード補償部１３からの出力と乗算器２２からの出力を加算する加算器、２６は加算器２５で加算された信号とモータ速度検出信号
2008310603.tif 000003
（外字１；ｘの１階微分値でありｘの１ドット）の偏差を求める減算器である。また、２７はＰ制御のほかに速度ループ積分ゲインＫｉで積分を行うＰＩ制御の比例積分器、２８は比例積分器２７からの出力とモータ速度検出信号
2008310603.tif 000004
（外字１）との偏差ｅ２を求める減算器、２９は速度ループゲインＫｖを乗じる乗算器である。
【０００５】
従って、第１のモータ位置制御装置のトルク指令ｕは以下の式（数９）（数１０）（数１１）で決定される。
【０００６】
【数９】
2008310603.tif 000005
ただし、
【０００７】
【数１０】
2008310603.tif 000006
【０００８】
【数１１】
2008310603.tif 000007
このように第１のモータ位置制御装置はＰＩ制御を行うものであるが、同様のモータ位置制御装置として、速度制御部が速度指令ｖｄにモータ速度が一致するように偏差ｅ2を速度ループ積分ゲインＫｉで積分した値からモータ速度検出信号
2008310603.tif 000008
（外字１）を減じた値に速度ループゲインＫｖを乗じる積分比例制御（以下Ｉ−Ｐ制御と言う）を行ってトルク指令ｕを出力する第２のモータ位置制御装置も提案されている。これは図８において加算器２５で加算された信号をフィードフォワードできるように結線すると共に、第１のモータ位置制御装置の減算器２８を加減算器に変更し、この加減算器で比例積分器２７からのフィードフォワード出力をモータ速度検出信号
2008310603.tif 000009
（外字１）との偏差に追加的に減算するものである。このとき（数９）に代えて、以下に示す（数１２）に従ったトルク指令ｕとなる。（数１０）（数１１）は第１のモータ位置制御装置と変わらない。この第２のモータ位置制御装置の制御ブロック図は図示しないが、後述する図２においてβ＝１の場合となる。
【０００９】
【数１２】
2008310603.tif 000010
従って、これら第１及び第２のモータ位置制御装置では、トルク指令ｕはＰＩ制御、Ｉ−Ｐ制御によって制御され、位置制御部１２、速度制御部１５から出力される。
【００１０】
ところで、以上説明した第１及び第２のモータ位置制御装置のほかに、第３のモータ位置制御装置も提案されている。これは、入力された位置指令ｘｄにモータ位置検出信号ｘが一致するように比例・積分・微分制御（以下ＰＩＤ制御と言う）を行ってトルク指令ｕを出力する位置制御部が設けられたものである。
【００１１】
図９において、３１は位置指令ｘｄを発生する指令発生部、３２は入力された位置指令ｘｄにモータ位置検出信号ｘが一致するようにＰＩＤ制御を行って速度指令ｖｄを出力する位置制御部、３３はトルク指令ｕを入力しＰＷＭ、インバータ等で出力電流を制御する電流制御部、３４はＤＣブラシレスモータ等のモータ、３５は半導体製造装置、工作機械およびロボット等のメカ部であってモータ３４に対する負荷であり、３６はモータ位置を検出してモータ位置検出信号ｘをフィードバックする検出器である。
【００１２】
この第３のモータ位置制御装置においては、トルク指令ｕは図１０に示す制御ブロック図で決定される。図１０において、４１は位置指令ｘｄとモータ位置検出信号ｘの偏差ｅ１を出力するための減算器、４２は比例ゲインλ１を有して偏差ｅ１に比例した出力を行う乗算器、４３は積分ゲインλ２で偏差ｅ１を積分する積分乗算器、４４はラプラス演算子ｓから構成される微分器、４５は加算器である。
【００１３】
従って、第３のモータ位置制御装置においては、トルク指令ｕは以下の（数１３）で決定される。
【００１４】
【数１３】
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以上説明した第１、第２、第３の従来のモータ位置制御装置によれば、かなり高速で高精度な位置決め応答、また追従性のある軌跡追従応答が実現できる。しかし、最近の技術の進歩によって、これら第１、第２、第３のモータ位置制御装置では、外乱抑圧機能が十分とは言えなくなってきている。例えば半導体製造装置、工作機械、ロボット等で使用されるモータ位置制御装置においては、制御対象である負荷イナーシャや粘性摩擦力等が変化し、制御に伴って位置決め特性や軌跡追従特性が変化する。しかも、これに起因してフィードバックループの安定性が崩れて結果的に振動を起こしてしまう。
【００１５】
そこで、外乱抑圧性を向上させて追従性のよいサーボモータを得ることが提案された。これはサーボモータ制御にスライディングモード制御（非線形制御）を利用するものである。しかし、この従来のスライディングモード制御は、既存のモータ位置制御（位置ループによるＰ制御、速度ループ制御によるＰＩ制御等の線形制御）と関係を有さず、独自性が強いスライディングモード制御であった。このため、使い慣れた線形制御の技術を生かすことができないものであった。
【００１６】
そこで、こうした既存のサーボモータのＰＩ制御技術を利用しつつ、スライディングモード制御を導入する、いわばハイブリッドのサーボモータの制御方式が提案された（特許文献１参照）。従来の第１のモータ位置制御装置に対応するものである。
【００１７】
この制御方式は、スライディングモード制御の切換面（位相面）Ｓｕｆを既存の線形制御で求められるトルク指令の導き出す形と同等のものとするものである。すなわち、（１）を位置偏差εの微分、（２）をＰ制御のゲインＫｐと位置偏差εの積Ｋｐε、（３）を｛（１）＋（２）｝の積分とゲイン比Ｋ１／Ｋ２との積と定義したとき、切換面ＳｕｆをＳｕｆ＝｛（１＋（２）＋（３））とするものである。そして、これにより線形制御で求められるトルク指令に面倒な演算を行って得られた切換入力を加算して、補正されたトルク指令とすることができる。
【００１８】
しかしながら、この演算による切換入力は補正されたトルク指令を与えるが、制御対象であるシステムの状態方程式と物理的（直接的）な関係が乏しく、直感的に理解できない面倒且つ煩雑な演算を行わなければならないものであった。しかも、この演算ではチャタリングを抑えることが難しく、チャタリング抑制機能を導入するのは難しいものであった。そして、この技術は従来の第１のモータ位置制御装置に対応するものであるからＰ制御、ＰＩ制御には対応できるが、ＰＩ制御とＩ−Ｐ制御の切り換え、あるいは両方の組合せによる制御の場合には利用できないものであった。
【００１９】
【特許文献１】特開平５−１３４７５８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
以上説明したように従来の線形制御を行うモータ位置制御装置は、利用環境が大きく変化し、外乱抑圧機能が十分とは言えなくなってきている。最近のサーボモータは制御対象の負荷イナーシャや粘性摩擦力等が変化するところで使用されることが多く、位置決め特性や軌跡追従特性が変化し、フィードバックループの安定性が崩れて振動を起こしてしまう。サーボモータ制御にスライディングモード制御（非線形制御）を適用することも考えられるが、これは本来的に既存の線形のモータ制御技術（ラプラス変換、Ｚ変換などを使った制御技術）とは関係をもたない技術であって、従来技術に慣れ親しんだ者にとっては利用し辛い技術であった。
【００２１】
これに対し、特許文献１のサーボモータの制御方式は既存の線形のモータ制御をそのまま利用しつつ、スライディングモード制御を導入するものである。すなわち、線形のモータ制御技術で求められるトルク指令に複雑な演算を行って得られる切換入力を加算して、補正されたトルク指令を新しいトルク指令とするものである。
【００２２】
しかし、特許文献１の切換入力は補正されたトルク指令を与えるが、制御対象であるシステムの状態方程式と関係が乏しく、直感的に理解できない煩雑な演算を行わなければならないものであった。また、チャタリング抑止機能を導入することが難しいものであった。
【００２３】
そこで本発明は、負荷イナーシャ、粘性摩擦力及びその他の非線形外乱力が変化した場合でも位置決め特性や軌跡追従特性が変化せず、制御対象の関数形態に則した処理が複雑な演算なしに行え、安定性がきわめて高いモータ位置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】
【００２４】
上記問題を解決するため本発明のモータ位置制御装置は、位置指令ｘｄを出力する位置指令発生部と、前記位置指令ｘｄ及びモータ位置検出信号ｘを入力し前記モータ位置検出信号ｘが前記位置指令ｘｄに一致するようにトルク指令ｕを決定する位置制御部と、前記トルク指令ｕを入力しモータに電流を出力する電流制御部と、前記モータの位置を検出する検出器と、前記トルク指令ｕを決定するとき非線形外乱補償を行う非線形外乱補償演算部を備えたモータ位置制御装置であって、非線形外乱補償時には前記非線形外乱補償演算部が、負荷イナーシャ最大値Ｊｍａｘ、粘性摩擦係数最大値Ｄｍａｘ及び外乱最大値Ｆｍａｘをパラメータとして制御対象形式に記述された関数と切換関数との積を記述関数とする非線形補償トルクを出力し、前記トルク指令ｕが前記非線形補償トルクによって非線形外乱補償されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、制御対象の負荷イナーシャや粘性摩擦力などが変化した場合でも、それらの変化を非線形外乱補償演算部が補償するため、位置決め特性や軌跡追従特性が変化せず、高速で高精度の応答が実現できるばかりでなく、駆動条件や動作環境の変化に影響されない高い安定性を備えたモータ位置制御装置が実現できる。また、負荷イナーシャ最大値、粘性摩擦係数最大値及び外乱最大値を用いた制御対象形式に記述された関数と切換関数との積を記述関数とするので、制御対象の本来の線形性、物理的内容とその理解の容易性をそのまま活かした制御が複雑な演算なしに行える。さらに、既存の線形制御の技術に非線形外乱補償のための一つの信号を加えるだけで、基本（既存）の制御方式と制御パラメータを変える必要がなく、非線形外乱補償を行うか否かを簡単に切り換えることができるため、非常に利用し易いモータ位置制御装置となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
本発明の第１の形態は、位置指令ｘｄを出力する位置指令発生部と、前記位置指令ｘｄ及びモータ位置検出信号ｘを入力し前記モータ位置検出信号ｘが前記位置指令ｘｄに一致するようにトルク指令ｕを決定する位置制御部と、前記トルク指令ｕを入力しモータに電流を出力する電流制御部と、前記モータの位置を検出する検出器と、前記トルク指令ｕを決定するとき非線形外乱補償を行う非線形外乱補償演算部を備えたモータ位置制御装置であって、非線形外乱補償時には前記非線形外乱補償演算部が、負荷イナーシャ最大値Ｊｍａｘ、粘性摩擦係数最大値Ｄｍａｘ及び外乱最大値Ｆｍａｘをパラメータとして制御対象形式に記述された関数と切換関数との積を記述関数とする非線形補償トルクを出力し、前記トルク指令ｕが前記非線形補償トルクによって非線形外乱補償されることを特徴とするモータ位置制御装置である。この構成によって、制御対象の負荷イナーシャや粘性摩擦力などが変化した場合でも、それらの変化を非線形外乱補償演算部が補償するため、位置決め特性や軌跡追従特性が変化せず、高速で高精度の応答が実現できるばかりでなく、駆動条件や動作環境の変化に影響されない高い安定性を備えたモータ位置制御装置が実現できる。また、負荷イナーシャ最大値、粘性摩擦係数最大値及び外乱最大値を用いた制御対象形式に記述された関数と切換関数との積を記述関数とするので、制御対象の本来の線形性、物理的内容とその理解の容易性をそのまま活かした制御が複雑な演算なしに行える。さらに、既存の線形制御の技術に非線形外乱補償のための一つの信号を加えるだけで、基本（既存）の制御方式と制御パラメータを変える必要がなく、非線形外乱補償を行うか否かを簡単に切り換えることができるため、非常に利用し易くなる。
【００２７】
本発明の第２の形態は、位置指令ｘｄを出力する位置指令発生部と、前記位置指令ｘｄ及びモータ位置検出信号ｘを入力し前記モータ位置検出信号ｘが前記位置指令ｘｄに一致するように速度指令ｖｄを出力する位置制御部と、前記位置指令ｘｄを時間微分した信号に所定の値αを乗じて前記速度指令ｖｄに加えて該速度指令ｖｄを更新する速度フィードフォワード部と、パラレルに設けられた比例積分制御と積分比例制御の少なくとも何れかの制御を行い、更新された速度指令ｖｄにモータ速度検出信号が一致するようにトルク指令ｕを決定する速度制御部と、前記トルク指令ｕを入力しモータに電流を出力する電流制御部と、前記モータの位置を検出する検出器と、前記モータの位置から前記モータ速度検出信号を出力する速度作成部と、前記トルク指令ｕを決定するとき非線形外乱補償を行う非線形外乱補償演算部を備えたモータ位置制御装置であって、非線形外乱補償時には前記非線形外乱補償演算部が（数２）、（数３）、（数４）、（数５）の演算を行うと共に、負荷イナーシャ最大値Ｊｍａｘ、粘性摩擦係数最大値Ｄｍａｘ及び外乱最大値Ｆｍａｘをパラメータとして制御対象形式に記述された関数と、切換関数ｒ１にチャタリング抑止処理を施した関数との積をとってこれを記述関数とする非線形補償トルクを出力し、前記トルク指令ｕが（数１）で与えられて非線形外乱補償されることを特徴とするモータ位置制御装置であり、Ｋｐは位置ループゲイン、Ｋｖは速度ループゲイン、Ｋｉは速度ループ積分ゲイン、α（α≧０）は速度フィードフォワードゲイン、β（β≧０）は速度制御部内のＰＩ制御とＩ−Ｐ制御を切り換える切換定数、δはチャタリング防止定数、ｃは非線形外乱補償の有無を切り換える切換定数、ｓはラプラス演算子、｜  ｜は絶対値を示す。
【００２８】
【数１】
2008310603.tif 000012
【００２９】
【数２】
2008310603.tif 000013
【００３０】
【数３】
2008310603.tif 000014
【００３１】
【数４】
2008310603.tif 000015
【００３２】
【数５】
2008310603.tif 000016
この構成によって、制御対象の負荷イナーシャや粘性摩擦力などが変化した場合でも、それらの変化を非線形外乱補償演算部が補償するため、位置決め特性や軌跡追従特性が変化せず、高速で高精度の応答が実現できるばかりでなく、駆動条件や動作環境の変化に影響されない高い安定性を備えたモータ位置制御装置が実現できる。また、負荷イナーシャ最大値、粘性摩擦係数最大値及び外乱最大値を用いた制御対象形式に記述された関数と切換関数との積を記述関数とするので、制御対象の本来の線形性、物理的内容とその理解の容易性をそのまま活かした制御が複雑な演算なしに行える。さらに、既存の線形制御の技術に非線形外乱補償のための一つの信号を加えるだけで、基本（既存）の制御方式と制御パラメータを変える必要がなく、非線形外乱補償を行うか否かを簡単に切り換えることができるため、非常に利用し易いモータ位置制御装置となる。ＰＩ制御とＩ−Ｐ制御の一方から他方へ、また両者の組合せの制御を含めて、スライディング制御を行うものでありながら制御を連続的に切り換えることができ、簡単な演算で確実にチャタリングを抑制することができる。
【００３３】
本発明の第３の形態は、位置指令ｘｄを出力する位置指令発生部と、前記位置指令ｘｄ及びモータ位置検出信号ｘを入力し前記モータ位置検出信号ｘが前記位置指令ｘｄに一致するようにトルク指令ｕを決定する位置制御部と、前記トルク指令ｕを入力しモータに電流を出力する電流制御部と、前記モータの位置を検出する検出器と、前記トルク指令ｕを決定するとき非線形外乱補償を行う非線形外乱補償演算部を備えたモータ位置制御装置であって、非線形外乱補償時には前記非線形外乱補償演算部が（数４）、（数７）、（数８）の演算を行うと共に、負荷イナーシャ最大値Ｊｍａｘ、粘性摩擦係数最大値Ｄｍａｘ及び外乱最大値Ｆｍａｘをパラメータとして制御対象形式に記述された関数と、切換関数ｒ２にチャタリング抑止処理を施した関数との積をとってこれを記述関数とする非線形補償トルクを出力し、前記トルク指令ｕが（数６）で与えられて非線形外乱補償されることを特徴とするモータ位置制御装置であり、ｋは比例定数、ｃは非線形外乱補償の有無を切り換える切換定数、λ１は比例ゲイン、λ２は積分ゲイン、δはチャタリング防止定数、ｓはラプラス演算子、｜  ｜は絶対値を示す。
【００３４】
【数６】
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【００３５】
【数７】
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【００３６】
【数８】
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この構成によって、制御対象の負荷イナーシャや粘性摩擦力などが変化した場合でも、それらの変化を非線形外乱補償演算部が補償するため、位置決め特性や軌跡追従特性が変化せず、高速で高精度の応答が実現できるばかりでなく、駆動条件や動作環境の変化に影響されない高い安定性を備えたモータ位置制御装置が実現できる。また、負荷イナーシャ最大値、粘性摩擦係数最大値及び外乱最大値を用いた制御対象形式に記述された関数と切換関数との積を記述関数とするので、制御対象の本来の線形性、物理的内容とその理解の容易性をそのまま活かした制御が複雑な演算なしに行える。さらに、既存の線形制御の技術に非線形外乱補償のための一つの信号を加えるだけで、従来の基本の制御方式と制御パラメータを変える必要がなく、非線形外乱補償を行うか否かは簡単に切り換えることができるため、非常に利用し易いモータ位置制御装置となる。簡単な演算で確実にチャタリングを抑制することができる。
【００３７】
（実施の形態１）
まず、本発明の実施の形態１のモータ位置制御装置について説明する。実施の形態１のモータ位置制御装置は、従来の第１及び第２のモータ位置制御装置を組合せたものであって、どちらか一方の制御あるいは組合せて使用するモードの切り換えが可能で、これに対して非線形外乱補償を行うものである。図１は本発明の実施の形態１におけるモータ位置制御装置の構成図、図２は本発明の実施の形態１におけるモータ位置制御装置の制御ブロック図、図３は本発明の実施の形態１におけるモータ位置制御装置の位置決め実験結果の説明図、図１１は従来の第１のモータ位置制御装置における第１の位置決め実験結果の説明図、図１２は従来の第１のモータ位置制御装置における第２の位置決め実験結果の説明図である。
【００３８】
図１において、５１は指令発生部、５２は位置制御部、５３は速度フィードフォワード部、５４は加算器、５５は速度制御部、５６は速度作成部、５７は加算器、５８は電流制御部、５９はモータであり、５ａは半導体製造装置、工作機械およびロボット等のメカ部である負荷、５ｂはモータ位置を検出する検出器、５ｃはトルク指令ｕを決定するとき非線形外乱補償を行う非線形外乱補償演算部である。従来技術と同一名称の構成は、基本的に同様の機能を奏するので、以下説明しない詳細な説明は従来技術に譲る。
【００３９】
位置制御部５２は位置指令ｘｄとモータ５９のモータ位置検出信号ｘとを入力し、位置指令ｘｄにモータ位置検出信号ｘが一致するように速度指令を決定し、速度フィードフォワード補償部５３内で位置指令ｘｄを時間微分した値に速度フィードフォワードゲインαを乗じて速度フィードフォワード信号vｆを作成し、前記位置制御部の出力と前記速度フィードフォワード信号vｆを加算器５３で加算して速度指令ｖｄを作成して速度制御部５５へ出力する。
【００４０】
速度制御部５５は前記速度指令ｖｄとモータの速度信号とを入力し、速度指令ｖｄにモータ速度信号
2008310603.tif 000020
（外字１）が一致するようにトルク指令ｕを決定し、このトルク指令ｕとモータ位置から算出された非線形外乱補償値を加算器５７で加えて新たにトルク指令ｕを算出して、電流制御部５８へ出力する。電流制御部５８は補正されたトルク指令ｕを入力し、トルク指令を電流指令に換算し、モータ５９の発生する電流が前記電流指令に一致するようにＰＷＭ等で電流制御演算を行い、モータ５９を駆動する。
【００４１】
モータ５９には負荷５ａが接続されており、モータが駆動されることで負荷５ａも駆動される。検出器５ｂはモータ５９に装着されており、モータの回転角度であるモータ位置
を出力する。速度信号作成部５６はモータ位置を検出したモータ位置検出信号ｘからモータ速度検出信号
2008310603.tif 000021
（外字１）を算出する。非線形外乱補償演算部５ｃはトルク指令ｕとモータ位置を入力し、制御対象の負荷イナーシャや粘性摩擦力などの変化を補償する非線形外乱補償トルクＴｃを算出する。
【００４２】
なお、以上の説明は回転型モータを想定して説明しているが、リニアモータの場合もトルク指令を推力指令、回転角度をリニアスケール位置と置き換えれば同様の構成でモータ位置制御装置が実現できる。
【００４３】
さて、本発明の実施の形態１のモータ位置制御装置の特徴は、図１に示した位置制御部５２、速度制御部５５がカスケード制御されてトルク指令を決定するモータ位置制御装置において、制御対象の負荷イナーシャや粘性摩擦力などが変化した場合でも、位置決め特性や軌跡追従特性が変化せず、安定性も確保できる非線形外乱補償機能を備えている点である。さらに、線形制御であるＰＩ制御とＩ−Ｐ制御の一方から他方へ、あるいは両者の組合せの制御に対応してこれを連続的、自在に切り換えることができ、これを更に非線形外乱補償する点である。
【００４４】
以下、この制御の具体的な実現方法について説明する。制御対象のシステムの状態方程式（関数）がイナーシャＪと粘性摩擦係数Ｄと外乱Ｆで表されるとした場合、トルク指令ｕとモータ位置検出信号xの関係は、（数１４）のような線形関数で表される。
【００４５】
ここで、ｘの２ドットはｘの２階時間微分値
2008310603.tif 000022
（外字２）であり、ｘの１ドットはｘの１階時間微分値
2008310603.tif 000023
（外字１）であり、それぞれ加速度、速度を意味する。
【００４６】
【数１４】
2008310603.tif 000024
【００４７】
一方、図８において位置誤差ｅ１、速度誤差ｅ２は、（数１５）（数１６）と表わされる。ここで、（数１６）を変形して両辺を微分し、ｘの２階時間微分値
2008310603.tif 000025
（外字２）を（数１７）のように求め、これを（数１４）に代入して整理すると、（数１８）を得ることができる。これを変形すると（数１９）となり、新たに（数２０）で表わされる信号ｒ１を導入し、（数２０）を時間微分して両辺に慣性モーメントＪを乗じて整理し、（数２１）を得る。このｒ１が実施の形態１における切換関数となる。
【００４８】
【数１５】
2008310603.tif 000026
【００４９】
【数１６】
2008310603.tif 000027
【００５０】
【数１７】
2008310603.tif 000028
【００５１】
【数１８】
2008310603.tif 000029
【００５２】
【数１９】
2008310603.tif 000030
【００５３】
【数２０】
2008310603.tif 000031
【００５４】
【数２１】
2008310603.tif 000032
そこで、さらに（数２２）とおくと、（数２３）が得られる。ここで、トルク指令ｕが、後で与えられる非線形補償トルクＴｃを用いて、下記（数２４）で与えられるとする。この（数２４）を（数２３）代入すれば、（数２５）が得られる。
【００５５】
【数２２】
2008310603.tif 000033
【００５６】
【数２３】
2008310603.tif 000034
【００５７】
【数２４】
2008310603.tif 000035
【００５８】
【数２５】
2008310603.tif 000036
ここで、以下の（数２６）で示す正定関数を導入し、正定関数Ｖの微分値
2008310603.tif 000037
（外字３；Ｖの１階微分値でありＶの１ドット）がゼロ以下であれば（数２５）が安定になるというリアプノフ条件を求めると、（数２７）がゼロ以下になるためには、（数２８）でなければならない。
【００５９】
【数２６】
2008310603.tif 000038
【００６０】
【数２７】
2008310603.tif 000039
【００６１】
【数２８】
2008310603.tif 000040
ここで、予め変動する負荷イナーシャＪ、粘性摩擦係数Ｄ、外乱Ｆの最大値Ｊｍａｘ、Ｄｍａｘ、Ｆｍａｘを与え、（数２４）のＴｃを（数２９）と与えればＶの１階微分値
2008310603.tif 000041
（外字３）≦０となる。なお、実施の形態１におけるＪｍａｘ、Ｄｍａｘ、Ｆｍａｘをパラメータとして制御対象形式に記述された関数とは、（数１４）で表わされる状態方程式においてこれら係数（パラメータ）を備えた線形形式を保って記述された関数のことである。なお、｜  ｜は絶対値を示す。
【００６２】
【数２９】
2008310603.tif 000042
【００６３】
しかし、右辺第２項は、ｒ１の符号関数になっているため、チャタリングが起きて振動的になる場合が多い。そこで、（数３０）のように符号関数に代えて、切換関数ｒ１にチャタリング抑止処理を行うための関数１／（δ＋｜ｒ１｜）を掛けたｒ１／（δ＋｜ｒ１｜）に置換することでチャタリングを防止する。
【００６４】
【数３０】
2008310603.tif 000043
ここで、δ≧０はチャタリング防止定数、ｃは非線形外乱補償の有無を切り換える切換定数である。ｃ＝０を選択すれば既存の線形制御となる。以上の演算によって図２に示す制御ブロック図が得られる。
【００６５】
図２のモータ位置制御装置の制御ブロック図の説明を行う。図２において、６１は位置指令ｘｄとモータ位置検出信号ｘの偏差ｅ１を出力するための減算器、６２は位置ループゲインＫｐを乗算する乗算器、６３はラプラス演算子ｓから構成され時間微分を行う微分器、６４は微分器６３からの出力に対して速度フィードフォワードゲインα（α≧０）を乗算する乗算器である。なお、デジタル制御の場合などは微分器６３は差分器となる。６５は速度フィードフォワード補償部５３からの出力と乗算器６２からの出力を加算する加算器、６６は加算器２５で加算された信号とモータ速度検出信号
2008310603.tif 000044
（外字１）の偏差を求める減算器である。また、６７はＰ制御のほかに速度ループ積分ゲインＫｉで積分を行うＰＩ制御の比例積分器、６８は加算器６５の信号にフィードフォワードゲインβ（β≧０）を乗算する乗算器であり、６９は加減算器であって、比例積分器６７からのフィードフォワード出力をモータ速度検出信号
2008310603.tif 000045
（外字１）との偏差に追加的に加算するものである。６ａは速度ループゲインＫｖの出力を行う乗算器、６ｂは（数３０）の右辺第２項に示す非線形外乱補償としての記述関数、６ｃは加算器である。
【００６６】
次に、モータ１９に一軸スライダを取り付けた場合のフルクローズド位置制御システムに対して実施の形態１のモータ位置制御装置を利用した場合の実験結果を説明する。図３は実施の形態１におけるモータ位置制御装置の位置決め実験結果を示し、速度フィードフォワードゲインを０．５９とした場合の位置決め応答である。チャタリング防止定数のδは５を採用している。図３中、ｄ_Ｘｄは位置指令サンプリング周期ごとの増分値であり、（数１６）などで説明した
2008310603.tif 000046
（外字４）と表現が異なるだけの同一信号である。また、ｅｒｒｏｒはテーブル位置誤差であり、目標指令ｄ_Ｘｄを時間積分した値からテーブル位置を減じた値である。なお、目標指令ｄ_Ｘｄは、最高速度０．４ｍ／ｓに達するまでの加速度が１Ｇ→１．５Ｇ→２Ｇ→３Ｇ（なお、Ｇは重力加速度）と変化する指令としている。
【００６７】
これに対し、図１１、図１２は従来の第１のモータ位置制御装置を利用した場合の実験結果を示しており、速度フィードフォワードゲインを０．５９、０．６０とした場合の位置決め応答であり、図３に示す実施の形態１におけるモータ位置制御装置の位置決め応答に対応するものである。図３、図１１、図１２から明らかなように、従来の第１のモータ位置制御装置を利用した場合は、図１１、図１２ともに加減速度が変化した結果、ワインドアップやオーバーシュートが出ており、結果的に位置決め時間が長くなっている。
【００６８】
しかし、実施の形態１を利用したモータ位置制御装置の応答は、図３に示すように加減速度が変化した場合でもワインドアップやオーバーシュートすることなく、高速で高精度な位置決め応答が実現できており、実施の形態１のモータ位置制御装置においては応答の特性が格段に改善されていることが分かる。
【００６９】
このように実施の形態１のモータ位置制御装置は、制御対象の負荷イナーシャや粘性摩擦力などが変化した場合でも、それらの変化を非線形外乱補償演算部が補償するため、位置決め特性や軌跡追従特性が変化せず、高速で高精度の応答が実現できるばかりでなく、駆動条件や動作環境の変化に影響されない高い安定性を備えたモータ位置制御装置を実現できる。また、負荷イナーシャ最大値、粘性摩擦係数最大値及び外乱最大値を用いた制御対象形式に記述された関数と切換関数との積を記述関数とするので、制御対象の本来の線形性、物理的内容とその理解の容易性をそのまま活かした制御が複雑な演算なしに行える。さらに、既存の線形制御の技術に非線形外乱補償のための一つの信号を加えるだけで、従来の基本の制御方式と制御パラメータを変える必要がなく、非線形外乱補償を行うか否かは簡単に切り換えることができるため、非常に利用し易いモータ位置制御装置となる。切換定数β（β≧０）を変化させることで、ＰＩ制御（β＝０）とＩ−Ｐ制御（β＝１）の一方から他方へ、また両者の組合せ（β＝β）の制御を含めて、スライディング制御を行うものでありながら基本の制御を連続的に切り換えることができ、簡単な演算で確実にチャタリングを抑制することができる。
【００７０】
（実施の形態２）
本発明の実施の形態２におけるモータ位置制御装置について図４、図５、図６、図１３に基づいて説明する。実施の形態２のモータ位置制御装置における制御のための各構成の機能は実質的に実施の形態１のモータ位置制御装置と変わらないので詳細な説明は省略する。図４は本発明の実施の形態２におけるモータ位置制御装置の構成図、図５は本発明の実施の形態２におけるモータ位置制御装置の制御ブロック図、図６は本発明の実施の形態２におけるモータ位置制御装置の位置決め実験結果の説明図、図１３は従来の第３のモータ位置制御装置における第１の位置決め実験結果の説明図である。
【００７１】
図４はモータに負荷をつけた駆動装置に適用した場合の制御ブロック図である。図４において、７１は指令発生部、７２は位置制御部、７３は加算器、７４は電流制御部、７５はモータ、７６は半導体製造装置、工作機械およびロボット等のメカ部である負荷、７７はモータ位置を検出する検出器、７８はトルク指令ｕを決定するとき非線形外乱補償を行う非線形外乱補償演算部である。非線形外乱補償の内容は後述する。
【００７２】
位置制御部７２は位置指令ｘｄとモータ７５のモータ位置検出信号xとを入力し、位置指令ｘｄにモータ位置検出信号xが一致するようにトルク指令rを決定し、トルク指令rとモータ位置検出信号ｘから算出された非線形外乱補償値を加算器７３で加えて新たにトルク指令ｕを算出して、電流制御部７４へ出力する。電流制御部７４は前記トルク指令ｕを入力し、トルク指令を電流指令に換算し、モータ１９の発生する電流が前記電流指令に一致するようにＰＷＭ等で電流制御演算を行い、モータ７５を駆動する。
【００７３】
モータ７５には負荷７６が接続されており、モータ７５が駆動されることで負荷７６も駆動される。検出器７７はモータ７５に装着されており、モータの回転角度であるモータ位置検出信号ｘを出力する。非線形外乱補償演算部７８はトルク指令ｕとモータ位置検出信号ｘを入力し、制御対象の負荷イナーシャや粘性摩擦力などの変化を補償する非線形外乱補償トルクを算出する。
【００７４】
そして、実施の形態２におけるモータ位置制御装置においては、トルク指令ｕは図５に示す制御ブロック図で決定される。図５において、８１は位置指令ｘｄとモータ位置検出信号ｘの偏差ｅ１を出力するための減算器、８２は比例ゲインλ１を有して偏差ｅ１に比例した出力を行う乗算器、８３は積分ゲインλ２で偏差ｅ１を積分する積分乗算器、８４はラプラス演算子ｓから構成される微分器、８５は加算器、８６は比例定数ｋを乗ずる乗算器である。そして、８７は非線形外乱補償としての記述関数、８８は加算器である。
【００７５】
なお、以上の説明は回転型モータを想定して説明したが、リニアモータの場合もトルク指令を推力指令、回転角度をリニアスケール位置と置き換えれば同様の構成でモータ位置制御装置を実現できる。
【００７６】
実施の形態２の特徴は、図９に示したＰＩＤ制御を行う位置制御部がトルク指令を出力する制御装置において、制御対象の負荷イナーシャや粘性摩擦力などが変化した場合でも、位置決め特性や軌跡追従特性が変化せず、安定性も確保できる非線形外乱補償機能を備えていることである。
【００７７】
以下、具体的な実現方法について説明する。制御対象がイナーシャＪと粘性摩擦係数Ｄと外乱Fで表されるとした場合、トルク指令ｕとモータ位置検出信号ｘの関係は、実施の形態1で説明したと同一の（数１４）で表される。一方、図９に示した本発明における制御ブロック図で位置誤差ｅ１は、実施の形態1で説明したと同一の（数１５）で表わされる。ここで、（数１５）の両辺を２階微分し、（数１４）に代入して整理すると、（数３１）となる。
【００７８】
【数３１】
2008310603.tif 000047
【００７９】
【数３２】
2008310603.tif 000048
【００８０】
ここで、（数３３）で表される新たに信号ｒ２を導入し、（数３３）の両辺を時間微分して慣性モーメントＪを乗じて整理すると、（数３４）が得られる。なお、このｒ２が実施の形態２における切換関数となる。
【００８１】
【数３３】
2008310603.tif 000049
【００８２】
【数３４】
2008310603.tif 000050
さらに、（数３５）とおくと、（数３６）が得られる。
【００８３】
【数３５】
2008310603.tif 000051
【００８４】
【数３６】
2008310603.tif 000052
ここで、トルク指令ｕが、後で与えられる非線形補償トルクＴｃを用いて、（数３７）で与えられるとし、（数３７）を（数３６）代入すると（数３８）が得られる。
【００８５】
【数３７】
2008310603.tif 000053
【００８６】
【数３８】
2008310603.tif 000054
ここで、以下の正定関数を導入し、正定関数の微分値がゼロ以下であれば（数３８）が安定になるというリアプノフ条件を求めると、（数４０）がゼロ以下になるためには、（数４１）でなければならない。
【００８７】
【数３９】
2008310603.tif 000055
【００８８】
【数４０】
2008310603.tif 000056
【００８９】
【数４１】
2008310603.tif 000057
ここで、予め変動するＪ、Ｄ、Ｆの最大値Ｊｍａｘ、Ｄｍａｘ、Ｆｍａｘを与え、（数３７）のＴｃを（数４２）と与えればＶの微分値
2008310603.tif 000058
（外字３）≦０となる。なお、実施の形態２におけるＪｍａｘ、Ｄｍａｘ、Ｆｍａｘをパラメータとして制御対象形式に記述された関数とは、（数１４）で表わされる状態方程式において物理的意味を有するこれら係数を備えた線形形式を保って記述された関数のことである。｜  ｜は絶対値を示す。
【００９０】
【数４２】
2008310603.tif 000059
しかし、右辺第２項は、ｒ２の符号関数になっているため、チャタリングが起きて振動的になる場合が多い。そこで、（数４３）のように符号関数に代えて、切換関数ｒ２にチャタリング抑止処理を行うための関数１／（δ＋｜ｒ２｜）を掛けたｒ２／（δ＋｜ｒ２｜）に置換することでチャタリングを防止できる。ここで、δ≧０はチャタリング防止定数、ｃは非線形外乱補償の有無を切り換える切り換え定数である。
【００９１】
【数４３】
2008310603.tif 000060
次に、モータ７５に一軸スライダを取り付けた場合の位置制御システムに実施の形態２を利用した実験結果を説明する。図６は実施の形態２におけるモータ位置制御装置の位置決め実験結果を示す。図６中、ｄ_Ｘｄは位置指令サンプリング周期ごとの増分値であり、またｅｒｒｏｒはテーブル位置誤差であって、目標指令ｄ_Ｘｄを時間積分した値からテーブル位置を減じた値である。チャタリング防止定数のδは５を採用している。なお、目標指令ｄ_Ｘｄは、目標指令ｄ_Ｘｄは（数３５）などで説明した
2008310603.tif 000061
（外字４）と表現が異なるだけの同一信号である。最高速度０．４ｍ／ｓに達するまでの加速度が１Ｇ→１．５Ｇ→２Ｇ→３Ｇ（なお、Ｇは重力加速度）と変化する指令としている。
【００９２】
これに対し、図１３は従来の第３のモータ位置制御装置を利用した場合の位置決め応答の実験結果を示しており、図６に示す実施の形態２におけるモータ位置制御装置の位置決め応答に対応するものである。図１３、図６から明らかなように、実施の形態２を利用した場合は、従来の第３のモータ位置制御装置を利用した場合に比べてワインドアップやオーバーシュートが大幅に減少しており、とくに最大位置偏差が従来方法２では４９５μｍだったのに対して実施の形態２では１０９μｍに減少している。以上の結果から実施の形態２が有効であることが分かる。
【００９３】
このように実施の形態２のモータ位置制御装置は、制御対象の負荷イナーシャや粘性摩擦力などが変化した場合でも、それらの変化を非線形外乱補償演算部が補償するため、位置決め特性や軌跡追従特性が変化せず、高速で高精度の応答が実現できるばかりでなく、駆動条件や動作環境の変化に影響されない高い安定性を備えたモータ位置制御装置を実現できる。また、負荷イナーシャ最大値、粘性摩擦係数最大値及び外乱最大値を用いた制御対象形式に記述された関数と切換関数との積を記述関数とするので、制御対象の本来の線形性、物理的内容とその理解の容易性をそのまま活かした制御が複雑な演算なしに行える。さらに、既存の線形制御の技術に非線形外乱補償のための一つの信号を加えるだけで、従来の基本の制御方式と制御パラメータを変える必要がなく、非線形外乱補償を行うか否かを簡単に切り換えることができるため、非常に利用し易いモータ位置制御装置となる。簡単な演算で確実にチャタリングを抑制することができる。
【産業上の利用可能性】
【００９４】
本発明は、半導体製造装置、検査装置、工作機械および産業用ロボットを高速・高精度に駆動するモータ位置制御装置として利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００９５】
【図１】本発明の実施の形態１におけるモータ位置制御装置の構成図
【図２】本発明の実施の形態１におけるモータ位置制御装置の制御ブロック図
【図３】本発明の実施の形態１におけるモータ位置制御装置の位置決め実験結果の説明図
【図４】本発明の実施の形態２におけるモータ位置制御装置の構成図
【図５】本発明の実施の形態２におけるモータ位置制御装置の制御ブロック図
【図６】本発明の実施の形態２におけるモータ位置制御装置の位置決め実験結果の説明図
【図７】従来の第１のモータ位置制御装置の構成図
【図８】従来の第１のモータ位置制御装置の制御ブロック図
【図９】従来の第３のモータ位置制御装置の構成図
【図１０】従来の第３のモータ位置制御装置の制御ブロック図
【図１１】従来の第１のモータ位置制御装置における第１の位置決め実験結果の説明図
【図１２】従来の第１のモータ位置制御装置における第２の位置決め実験結果の説明図
【図１３】従来の第３のモータ位置制御装置における第１の位置決め実験結果の説明図
【符号の説明】
【００９６】
１１    指令発生部
１２    位置制御部
１３    速度フィードフォワード部
１４    加算器
１５    速度制御部
１６    電流制御部
１７    モータ
１８    負荷
１９    検出器
２０    速度信号作成部
２１    減算器
２２    乗算器
２３    微分器
２４    乗算器
２５    加算器
２６    減算器
２７    比例積分器
２８    減算器
２９    乗算器
３１    指令発生部
３２    位置制御部
３３    電流制御部
３４    モータ
３５    負荷
３６    検出器
４１    減算器
４２    乗算器
４３    積分乗算器
４４    微分器
４５    加算器
４６    乗算器
５１    指令発生部
５２    位置制御部
５３    速度フィードフォワード部
５４    加算器
５５    速度制御部
５６    速度信号発生部
５７    加算器
５８    電流制御部
５９    モータ
５ａ    負荷
５ｂ    検出器
５ｃ    非線形外乱補償演算部
６１    減算器
６２    乗算器
６３    微分器
６４    乗算器
６５    加算器
６６    減算器
６７    比例積分器
６８    乗算器
６９    加減算器
６ａ    乗算器
６ｂ    記述関数
６ｃ    加算器
７１    指令発生部
７２    位置制御部
７３    加算器
７４    電流制御部
７５    モータ
７６    負荷
７７    検出器
７８    非線形外乱補償演算部
８１    減算器
８２    乗算器
８３    積分乗算器
８４    微分器
８５    加算器
８６    乗算器
８７    記述関数
８８    加算器
【図１】
2008310603.tif 000070
【図２】
2008310603.tif 000071
【図３】
2008310603.tif 000072
【図４】
2008310603.tif 000073
【図５】
2008310603.tif 000074
【図６】
2008310603.tif 000075
【図７】
2008310603.tif 000076
【図８】
2008310603.tif 000077
【図９】
2008310603.tif 000078
【図１０】
2008310603.tif 000079
【図１１】
2008310603.tif 000080
【図１２】
2008310603.tif 000081
【図１３】
2008310603.tif 000082