(57)【要約】【課題】帯域減衰フィルタが適用できない低周波領域に存在する機台の固有振動数において高速位置決めを可能とするリニアモータの制御装置を提供する。【解決手段】リニアモータ１０の可動子を含む可動部とリニアモータ１０の固定子を支持する機台との相対位置を検出するセンサ１３を有し、前記センサ１３で検出された位置情報を位置制御器１１にフィードバックすると共に、前記位置情報の微分または差分演算より得られた速度情報を速度制御器１２にフィードバックして位置決めをおこなうリニアモータの制御装置において、リニアモータの制御装置は、速度制御器１２から出力された推力指令ｆとセンサに１３よって検出した位置情報ｘに基づいて機台の変位情報と速度情報を推定する推定手段となるオブザーバ１３を備え、当該オブザーバ１３によって推定された機台の変位情報と速度情報を推力指令ｆに付加するようにした。【選択図】　　図１
2004021413.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
リニアモータ可動子を含む可動部とリニアモータ固定子を支持する機台との相対位置を検出するセンサを有し、前記センサで検出された位置情報を位置制御器にフィードバックすると共に、前記位置情報の微分または差分演算より得られた速度情報を速度制御器にフィードバックして位置決めをおこなうリニアモータの制御装置において、
前記リニアモータの制御装置は、前記速度制御器から出力された推力指令と前記センサによって検出した位置情報に基づいて前記機台の変位情報と速度情報を推定する推定手段を備え、前記推定手段によって推定された前記機台の変位情報と速度情報を前記推力指令に付加するようにしたものであることを特徴とするリニアモータの制御装置。
【請求項２】
前記推定手段が、機台の振動モデルを含めたリニアモータの状態方程式を
【数１】
2004021413.tif 000009
で与えるオブザーバであることを特徴とする請求項１に記載のリニアモータの制御装置。
【請求項３】
リニアモータ可動子を含む可動部とリニアモータ固定子を支持する機台との相対位置を検出するセンサを有し、前記センサで検出された位置情報を位置制御器、前記位置情報の微分または差分演算より得られた速度情報を速度制御器にフィードバックして位置決めをおこなうリニアモータの制御装置において、
前記リニアモータの制御装置は、前記リニアモータの機台の振動特性をあらわす制御モデルを構成し、前記制御モデルは機台の変位情報と前記変位情報の微分または差分演算より得られた速度情報をフィードバックするフィードフォワード制御部を備え、前記フィードフォワード制御部から制御モデルの可動部の位置情報、速度情報および推力情報をフィードバック制御部の位置情報と速度情報に付加するものであることを特徴とするリニアモータの制御装置。
【請求項４】
前記リニアモータの機台の振動特性をあらわす制御モデルが、リニアモータの推力に対するリニアモータの可動部と機台の相対変位の伝達関数を
【数２】
2004021413.tif 000010
で与えることを特徴とする請求項３に記載のリニアモータの制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、リニアモータを制御する方法、特にリニアモータの固定子を支持する機台の振動を抑制し、高速位置決めを実現する制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のリニアモータの制御装置は、固定部を剛体と仮定し、可動部を高速・高精度に動作させることを目的として、図３に示すものがある。図３は従来のリニアモータの制御装置を示すブロック図である。
図３において、まず、目標位置指令とセンサ１３で取得した位置情報ｘとの偏差を位置制御器１１へ取り込み、次に位置制御器１１の出力とセンサ１３の微分または差分演算により得た速度情報ｓとの偏差を速度制御器１２へ取り込む。この速度制御器１２で推力指令ｆを作成し、この推力指令値ｆに相当する電流がドライブ回路１４で出力され、その電流によりリニアモータ１０が駆動されるようになっている。
【０００３】
特にリニアモータの固定子を支持する機台の振動を抑制し、固有振動対策を施したものに、図４に示すものがある（例えば、特開平９−１２１５８９号公報）。図４は特開平９−１２１５８９号公報におけるリニアモータの駆動回路のブロック構成図を示す。
図４において、５０は可動コイル型のリニアモータ、５１は界磁マグネット、スケールなどを有する固定子、５２Ａ、５２Ｂ、５２Ｃは当該界磁マグネットと磁気的空隙を介して移動可能に設けられた電機子コイル、５３は移動体、５４は移動体５３に設けた位置読出し部、５５は位置読出し部５４からの信号に基づいて移動体５３の位置を認識するエンコーダ部、５６は界磁マグネットの磁極を検出するための磁極検出部、５７はエンコーダ部５５からの位置信号と位置指令信号とに基づいて制御信号を求める制御部、５８は制御部５７の制御信号と磁極検出部５６からの磁極検出信号に基づいて電機子コイル５２Ａ、５２Ｂ、５２Ｃに供給する駆動電流を形成する駆動部、５９は制御信号あるいは磁極検出信号からリニアモータ５０の固有振動周波数と実質的に同一の周波数帯域の信号成分を減衰させる帯域減衰フィルタ部で、約８００Ｈｚ近傍の周波数を減衰させる。
このような構成をとることにより機械の振動を抑制し、目標位置入力に対する追従性を向上させる効果が得られるようになっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、図５はリニアモータの機台振動のメカニズムを説明したものであって、（ａ）は機台の振動モード、（ｂ）は機台振動の力学モデルを示している。図５において、６１はリニアモータの可動子を有する可動部、６２はリニアモータの固定子を支持する機台、６３は機台６２を支持するための支持具であって、レベリングボルトまたはアジャスタパッドなどで構成されている。可動部６１と機台６２の相対変位はリニアモータのリニアスケール（不図示）により検出され、図３ではセンサ１３、図４では固定子５１（リニアスケール）に相当するものとなっている。
このような構成において、リニアモータの推力が可動部６１に作用すると、機台６２は可動部６１の動作方向と反対方向に力を受ける。このとき支持具６３が弾性変形し、機台６２が図５（ａ）に示すように振動を生じる場合がある。また、支持具３は機台２に作用するばね５とダンパ４に近似することができ、機台振動の力学モデルは図５（ｂ）のように表すことができる。図６は図５（ｂ）をブロック線図で表したものである。
通常、この機台６３の固有振動数は５０Ｈｚ以下といわれており、特開平９−１２１５８９号公報における帯域減衰フィルタが適用できない低周波数領域である。したがって、リニアモータはこのような機台の固有振動数に帯域減衰フィルタを適用しても制御性能が低下して高速な位置決めを実現することができなかった。
【０００５】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、帯域減衰フィルタが適用できない低周波領域に存在する機台の固有振動数において高速位置決めを可能とするリニアモータの制御装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記問題を解決するため、請求項１の本発明は、リニアモータ可動子を含む可動部とリニアモータ固定子を支持する機台との相対位置を検出するセンサを有し、前記センサで検出された位置情報を位置制御器にフィードバックすると共に、前記位置情報の微分または差分演算より得られた速度情報を速度制御器にフィードバックして位置決めをおこなうリニアモータの制御装置において、前記リニアモータの制御装置は、前記速度制御器から出力された推力指令と前記センサによって検出した位置情報に基づいて前記機台の変位情報と速度情報を推定する推定手段を備え、前記推定手段によって推定された前記機台の変位情報と速度情報を前記推力指令に付加するようにしたものである。
【０００７】
請求項２の本発明は、請求項１に記載のリニアモータの制御装置において、前記推定手段が、機台の振動モデルを含めたリニアモータの状態方程式を以下の式で与えるオブザーバとしたものである。
【０００８】
【数３】
2004021413.tif 000003
【０００９】
請求項３の本発明は、リニアモータ可動子を含む可動部とリニアモータ固定子を支持する機台との相対位置を検出するセンサを有し、前記センサで検出された位置情報を位置制御器、前記位置情報の微分または差分演算より得られた速度情報を速度制御器にフィードバックして位置決めをおこなうリニアモータの制御装置において、前記リニアモータの制御装置は、前記リニアモータの機台の振動特性をあらわす制御モデルを構成し、前記制御モデルには機台の変位情報と前記変位情報の微分または差分演算より得られた速度情報をフィードバックするように構成されたフィードフォワード制御部を備え、前記フィードフォワード制御部から制御モデルの可動部の位置情報、速度情報および推力情報をフィードバック制御部の位置情報と速度情報に付加するものである。
【００１０】
請求項４の本発明は、請求項３に記載のリニアモータの制御装置において、前記リニアモータの機台の振動特性をあらわす制御モデルが、リニアモータの推力に対するリニアモータの可動部と機台の相対変位の伝達関数を以下のように表したものである。
【００１１】
【数４】
2004021413.tif 000004
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図に基づいて説明する。
図１は本発明の第１の実施例を示すリニアモータ制御装置のブロック図である。なお、本発明が従来技術と同じ構成要素についてはその説明を省略し、異なる点のみ説明する。
図において、１３はオブザーバである。
本発明の特徴は以下のとおりである。
すなわち、リニアモータの制御装置は、速度制御器１２から出力された推力指令ｆとセンサに１３よって検出した位置情報ｘに基づいて機台の変位情報と速度情報を推定する推定手段となるオブザーバ１３を備えており、当該オブザーバ１３によって推定された機台の変位情報と速度情報を推力指令ｆに付加するようにした点である。
また、オブザーバ１３は、機台の振動モデルを含めたリニアモータの状態方程式を以下の式で表せる。
【００１３】
【数５】
2004021413.tif 000005
【００１４】
ここで、Ｌはオブザーバゲイン行列であり、オブザーバの極は少なくとも機台振動の周波数よりも高くなるように設定している。
【００１５】
次に動作を説明する。
図１において、まず、目標位置指令とセンサで取得した位置情報ｘとの偏差を位置制御器１１へ取り込み、次に位置制御器１１の出力と前記センサの微分または差分演算により得た速度情報ｓとの偏差を速度制御器１２へ取り込む。この速度制御器１２では推力指令ｆが作成されるが、センサで取得した位置情報ｘと推力指令値ｆよりオブザーバ１３で機台変位、機台速度を推定し、機台変位フィードバックゲインＫｐｂ、機台速度フィードバックゲインＫｖｂを乗じて速度制御器１２の出力に加算する。ドライブ回路では推力指令値に相当する電流が出力され、その電流によりリニアモータをが駆動される。
【００１６】
したがって、本発明のリニアモータの制御装置は、速度制御器１２から出力された推力指令ｆとセンサに１３よって検出した位置情報ｘに基づいて機台の変位情報と速度情報を推定する推定手段となるオブザーバ１３を備え、当該オブザーバ１３によって推定された機台の変位情報と速度情報を推力指令ｆに付加するようにしたので、目標位置指令に対する可動部変位の応答性を表す特性方程式の係数を任意に設定できるため，特性方程式の解である制御系の極を任意に配置することができ、機台振動を抑制し、高速位置決めを実現することができる。
【００１７】
次に、本発明の第２の実施例について説明する。
図２は、本発明の第２の実施例を示すブロック図である。
図２において、１５はフィードバック制御部、２０はフィードフォワード制御部、２１はリニアモータモデル、２２はモデル位置応答、２３はモデル機台変位、２４はモデル速度応答、２５はモデル推力指令、２６はモデル位置制御器、２７はモデル速度制御器である。なお、リニアモータモデル２１は図５（ｂ）で示した機台振動の力学モデルと同じである。
第２の実施例が従来と異なる点は以下のとおりである。
すなわち、リニアモータの制御装置は、リニアモータの機台の振動特性をあらわす制御モデルを構成し、当該制御モデルは機台の変位情報と当該変位情報の微分または差分演算より得られた速度情報をフィードバックするように構成されたフィードフォワード制御部２０を備えるものであり、当該フィードフォワード制御部２０から制御モデルの可動部の位置情報、速度情報および推力情報をフィードバック制御部１５の位置情報と速度情報に付加するようにした点である。
【００１８】
このフィードフォワード制御部２０は、リニアモータの可動部と固定部の力学モデルを数式化したリニアモータモデル２１と、モデル用の位置制御器２６およびモデル速度制御器２７からなる。
【００１９】
また、前記リニアモータの機台の振動特性をあらわす制御モデルが、リニアモータの推力に対するリニアモータの可動部と機台の相対変位の伝達関数を以下の式で与えることをものとした点である。
【００２０】
【数６】
2004021413.tif 000006
【００２１】
次に動作を説明する。
図２において、まず、目標位置指令とリニアモータモデル２１の出力であるモデル位置応答２２との偏差をモデル位置制御器２６へ取り込み、次にモデル位置制御器２６の出力と前記リニアモータモデル２１の微分または差分演算により得た速度情報との偏差をモデル速度制御器２７へ取り込む。このモデル速度制御器２７では、リニアモータモデル２１で推定したモデル機台変位２３とその微分値である機台速度にそれぞれ機台変位フィードバックゲインＫｐｂ、機台速度フィードバックゲインＫｖｂを乗じものを加算してモデル推力指令２５が作成される。このように、リニアモータモデル２１の出力であるモデル位置応答２２が所望の応答となるように、モデル位置制御器２６、モデル速度制御器２７、機台変位フィードバックゲインＫｐｂおよび機台速度フィードバックゲインＫｖｂが設定されている。それから、フィードフォワード制御部２０で算出されたモデル位置応答２２、モデル速度応答２４、モデル推力指令２５は、フィードフォワード指令としてフィードバック制御部１５に入力される。なお、フィードバック制御部１５内の動作は、基本的に図３で示した従来技術の動作と同じなので説明を省略する。
【００２２】
したがって、本発明のリニアモータの制御装置は、リニアモータの機台の振動特性をあらわす制御モデルを構成し、当該制御モデルは機台の変位情報と当該変位情報の微分または差分演算より得られた速度情報をフィードバックするように構成されたフィードフォワード制御部２０を備え、当該フィードフォワード制御部２０から制御モデルの可動部の位置情報、速度情報および推力情報をフィードバック制御部１５の位置情報と速度情報に付加するようにしたので、フィードフォワード制御器２０において、リニアモータモデル２１の機台振動を抑制し、高速位置決めを実現するように算出されたモデル位置応答２２、モデル速度応答２４、モデル推力指令２５を用いてフィードバック制御器に加算することで、リニアモータ１０とリニアモータモデル２１とのモデル化誤差を少なくすることができ、その結果、、実際のリニアモータ１０の機台振動を抑制し、高速位置決めを実現することが可能となる。
【００２３】
なお、第１の実施例において、オブザーバ１１を用いずに実際に機台の変位、速度を検出し、フィードバックしても構わず、同様の効果が得られる。ここでは、機台の変位、速度はオブザーバで推定されたものを用いているが、レーザ変位計を使って実際に計測された機台の変位、速度をフィードバックする方法でもよい。
【００２４】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれが以下の効果がある。
（１）第１の実施例記載のリニアモータの制御装置によれば、速度制御器から出力された推力指令とセンサによって検出した位置情報に基づいて機台の変位情報と速度情報を推定する推定手段となるオブザーバを備え、当該オブザーバによって推定された機台の変位情報と速度情報を推力指令に付加するようにしたため、目標位置指令に対する可動部変位の応答性を表す特性方程式の係数を任意に設定できるため，特性方程式の解である制御系の極を任意に配置することができ、機台振動を抑制し、高速位置決めを実現することができる。
【００２５】
（２）第２の実施例記載のリニアモータの制御装置によれば、リニアモータの機台の振動特性をあらわす制御モデルを構成し、当該制御モデルは機台の変位情報と当該変位情報の微分または差分演算より得られた速度情報をフィードバックするように構成されたフィードフォワード制御部を備え、当該フィードフォワード制御部から制御モデルの可動部の位置情報、速度情報および推力情報をフィードバック制御部の位置情報と速度情報に付加するようにしたため、フィードフォワード制御器において、リニアモータモデルの機台振動を抑制し、高速位置決めを実現するように算出されたモデル位置応答、モデル速度応答、モデル推力指令を用いてフィードバック制御器に加算することで、リニアモータとリニアモータモデルとのモデル化誤差を少なくすることができ、その結果、、実際のリニアモータの機台振動を抑制し、高速位置決めを実現することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例を示すリニアモータの制御装置のブロック図である。
【図２】本発明の第２の実施例を示すリニアモータの制御装置のブロック図である。
【図３】従来のリニアモータの制御装置を示すブロック図である。
【図４】特開平９−１２１５８９におけるリニアモータの制御装置の構成を示すブロック図である。
【図５】リニアモータの機台振動のメカニズムを説明したものであって、（ａ）は機台の振動モード、（ｂ）は機台振動の力学モデルを示したものである。
【図６】図５（ｂ）をブロック線図として表したものである。
【記号の説明】
１０　リニアモータ
１１　位置制御器
１２　速度制御器
１３　センサ
１４　ドライブ部
１５　フィードバック制御部
２０　フィードフォワード制御部
２１　リニアモータモデル
２２　モデル位置応答
２３　モデル機台変位
２４　モデル速度応答
２５　モデル推力指令
２６　モデル位置制御器
２７　モデル速度制御器
６１　可動部
６２　機台
６３　支持具
６４　ダンパ
６５　ばね
Ｍｔ　可動部質量
Ｃｔ　可動部粘性抵抗
Ｍｔ　機台質量
Ｃｔ　機台振動減衰定数
Ｋ　機台剛性
ｆ　リニアモータ推力
ｘｔ　可動部変位
【数７】2004021413.tif 000007
ｘｂ　機台変位
【数８】2004021413.tif 000008
ｄ　可動部に入力される外乱
ｘ　可動部と機台の相対変位量（センサ検出変位量）
ｓ　ラプラス演算子
＾　推定値であることをあらわす
Ｌ１　オブザーバゲイン１
Ｌ２　オブザーバゲイン２
Ｌ３　オブザーバゲイン３
Ｌ４　オブザーバゲイン４
Ｌ５　オブザーバゲイン５
Ｋｐｂ　機台変位ゲイン
Ｋｖｂ　機台速度ゲイン
【図１】
2004021413.tif 000011
【図２】
2004021413.tif 000012
【図３】
2004021413.tif 000013
【図４】
2004021413.tif 000014
【図５】
2004021413.tif 000015
【図６】
2004021413.tif 000016