(57)【要約】【課題】単一または複数の振動モードを有する低剛性負荷の振動的挙動と外乱の影響を抑制し、低剛性負荷の移動と位置決めを精密に、かつ、速やかに行うことができるサーボ機構を提供する。【解決手段】モータ２およびモータ２の駆動速度を検出するモータ速度検出器４を有するモータ速度制御ループＲ３と、モータ２によって駆動される低剛性負荷３の位置を検出する位置検出器１０を有する位置制御ループＲ１と、低剛性負荷３の負荷速度を検出する負荷速度検出手段５を有し、かつ、低剛性負荷３の低剛性またはロストモーション等によって発生する共振モードに対して相対次数をゼロとする特性を有する負荷速度特性補償要素１３を備え、モータ速度制御ループＲ３と位置制御ループＲ１との間に設けられた負荷速度制御ループＲ２とを具備する。【選択図】　図１
2004118635.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
モータおよび前記モータの駆動速度を検出するモータ速度検出手段を有するモータ速度制御ループと、
前記モータによって駆動される低剛性負荷の位置を検出する位置検出手段を有する位置制御ループと、
前記低剛性負荷の負荷速度を検出する負荷速度検出手段を有し、かつ、前記低剛性負荷の低剛性またはロストモーション等によって発生する共振モードに対して相対次数をゼロとする特性を有する制御特性補償要素を備え、前記モータ速度制御ループと前記位置制御ループとの間に設けられた負荷速度制御ループと
を具備することを特徴としたサーボ機構。
【請求項２】
請求項１に記載のサーボ機構において、
前記低剛性負荷の伝達特性を１／Ｇｆ、前記負荷速度制御ループの支配特性を非振動的な特性として１／Ｇｎと表すとき、
ＧｎおよびＧｆの次数はそれぞれ等しく、かつ、前記制御特性補償要素の特性１／βは、１／β＝Ｇｆ／（Ｇｎ−１）で表されることを特徴とするサーボ機構。
【請求項３】
請求項１に記載のサーボ機構において、
前記低剛性負荷の伝達特性の近似特性を１／Ｇｍ、前記負荷速度制御ループの支配特性を非振動的な特性として１／Ｇｎと表すとき、
ＧｎおよびＧｍの次数はそれぞれ等しく、かつ、前記制御特性補償要素の特性１／βは、１／β＝Ｇｍ／（Ｇｎ−１）で表されることを特徴とするサーボ機構。
【請求項４】
請求項３に記載のサーボ機構において、
前記低剛性負荷の伝達特性の近似特性を１／Ｇｍ、前記低剛性負荷の伝達特性を１／Ｇｆと表すとき、
Ｇｍの次数はＧｆの次数以下であることを特徴とするサーボ機構。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれかに記載のサーボ機構において、
前記制御特性補償要素の特性１／βにゲインＫαを加味してＫα／βとし、前記低剛性負荷の伝達特性における高次の振動モードに対するゲイン余有を調整することを特徴とするサーボ機構。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれかに記載のサーボ機構において、
前記低剛性負荷は、固定された基台上を移動自在に設けられ前記モータにて駆動される負荷本体と、前記負荷本体に連結され制御対象部を有する付属部とを備えて構成され、
前記制御対象部の移動速度を検出する負荷速度検出手段が設けられ、
前記負荷速度検出手段は、前記基台側に設けられ前記負荷本体の移動方向に検出要素を有するスケールと、前記負荷本体に設けられ前記スケールに対する単位時間当たりの移動量を検出する検出ヘッドと、前記制御対象部に設けられ前記制御対象部の加速度を検出する加速度検出手段とを備えて構成されていることを特徴とするサーボ機構。
【請求項７】
請求項１ないし５のいずれかに記載のサーボ機構において、
前記低剛性負荷は、リニアモータの移動要素で構成される負荷本体と、前記負荷本体に連結され制御対象部を有する付属部とを備えて構成され、
前記制御対象部の移動速度を検出する負荷速度検出手段が設けられ、
前記負荷速度検出手段は、前記リニアモータの固定要素側に設けられ前記負荷本体の移動方向に検出要素を有するスケールと、前記負荷本体に設けられ前記スケールに対する単位時間当たりの移動量を検出する検出ヘッドと、前記検出ヘッドと前記制御対象部との間に設けられ前記制御対象部の基準位置からのずれ量を検出するずれ量検出手段とを備えて構成されていることを特徴とするサーボ機構。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、サーボ機構に関する。例えば、モータ等によって駆動される低剛性負荷を駆動制御するサーボ機構に関する。
【０００２】
【背景技術】
モータによって駆動される駆動体である負荷の位置および駆動速度を制御するサーボ機構において、モータとの連結に低剛性部分を有しモータによって駆動した場合に生じる変位、速度、加速度が振動的な応答を示す低剛性負荷を駆動制御するものがある。
このようなサーボ機構において、低剛性負荷に生じる振動を抑制し、かつ、摩擦や機構の非線形性に起因する外乱を抑制するサーボ機構が知られている（例えば、非特許文献１、特許文献１）。
【０００３】
図８に、従来の低剛性負荷の駆動制御を行うサーボ機構１００を示す。
このサーボ機構１００は、モータ２と、このモータ２により駆動され低剛性部を有する低剛性負荷３を有している。モータ２と低剛性負荷３との間には、モータ２の駆動速度を検出するモータ速度検出器４が設けられている。低剛性負荷３の駆動速度は、負荷速度検出器５で検出され、負荷速度の積分量（積分要素９）である負荷変位Ｐ０は、位置検出器１０で検出され位置比較器１１に出力される。位置比較器１１は、外部から設定入力される指令位置Ｐｃと負荷変位Ｐ０とを比較して、応答時定数の主要値を定めるシステムゲイン設定要素１２に出力する。システムゲイン設定要素１２は、低剛性負荷３の指令速度Ｖｒを速度比較器１５に出力する。
負荷速度検出器５には第１結合要素１６１が接続され、また、モータ速度検出器４には第２結合要素１６２が接続されている。第１結合要素１６１および第２結合要素１６２の伝達関数の相対次数はゼロに設定されている。第１結合要素１６１と第２結合要素１６２とからの出力は、合成器１６３で合成されたのち速度比較器１５に出力される。速度比較器１５は、システムゲイン設定要素１２からの指令速度Ｖｒと合成器１６３からの出力値とを比較し、この差を速度特性補償要素１６４に出力する。速度特性補償要素１６４からはモータ２の指令速度が出力され、モータ２に入力される。
このような構成において、位置比較器１１に設定入力される指令位置Ｐｃに応じてモータ２により低剛性負荷３の変位Ｐ０がフィードバック制御される。
ここで、位置比較器１１から、モータ２、低剛性負荷３等を経て位置検出器１０の出力が位置比較器１１にフィードバックされるループにより位置制御ループが構成されている。また、速度比較器１５から、モータ２、低剛性負荷３等を経て合成器１６３の出力が速度比較器１５にフィードバックされるループにより速度制御ループが構成されている。
【０００４】
このような構成において、制御対象である低剛性負荷３の特性を伝達関数で表すときの相対次数は、一般に−２から負に大きく、例えば、−２、−３、−４となる。このとき、補償要素の相対次数が負に大きく、例えば−１、−２、−３となると制御系の安定性を損なうことになる。
すなわち、振動を抑制するための補償要素としては伝達関数の相対次数がゼロであることが望ましく、第１結合要素１６１および第２結合要素１６２の特性の相対次数をゼロに設定する。するとこのとき、速度特性補償要素１６４のゲイン定数Ｋνを十分高く設定することができる。さらに、ゲイン定数Ｋνを大きく設定することにより、速度制御ループの支配特性を第１補償要素１６１および第２補償要素１６２の特性で決まる特性とすることができる。
つまり、速度制御ループの支配特性１／Ｇｎは、第１結合要素１６１、第２結合要素１６２および負荷３の特性によって決定でき、
Ｇｎ＝α＋βＧｆ
と表すとき、ゲイン定数Ｋνが大きければ、指令速度Ｖｒと負荷速度Ｖ０の比Ｖ０／Ｖｒは、
Ｖ０／Ｖｒ→１／Ｇｎ　（Ｋν→∞）　　　（式１）
とすることができる。
このとき、速度制御ループの支配特性１／Ｇｎを非振動的な値として設定することにより、指令速度Ｖｒに対する負荷速度Ｖ０の伝達特性を非振動的な特性とすることができる。
また、第２結合要素の伝達関数は、実現したいＶ０／Ｖｒの伝達特性を１／Ｇｎとするとき、
１／β＝α＋βＧｆ　　（式２）
により決定することができる。
【０００５】
【非特許文献１】
計測制御学会論文集、Ｖｏｌ．２７，Ｎｏ．５，５６２／５６８（１９９１）
【特許文献１】
特許公報　第２７０７１４９号
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記の構成は、モータ２と低剛性負荷３との慣性比が比較的小さい場合には、ゲイン定数Ｋνを十分に上げることができるので有効である。ゲイン定数Ｋνを十分に上げることができれば、（式１）により速度制御ループを非振動的に設計し、また、第２補償要素１６２の特性βを（式２）で決定することができるからである。さらに、ゲイン定数Ｋνを上げることにより、外乱の影響も低減することができる。
【０００７】
しかしながら、モータ２と低剛性負荷３との慣性比が大きな場合には、速度制御ループの速度特性補償要素１６４のゲイン定数Ｋνを大きく設定することができない。モータ２と低剛性負荷３との慣性比が大きい場合にゲインを大きくすると、制御系の不安定性が増してしまうからである。ゲイン定数Ｋνを大きくできないと、（式１）の近似式を利用できないために、Ｖ０／Ｖｒを１／Ｇｎに一致させることが困難となるという問題が生じる。この場合には、補償要素である第２結合要素１６２の特性βの設計を（式２）によって決定することができなくなるため、βを試行錯誤的に求めなければならなくなるという問題がある。さらに、ゲイン定数を大きくできないために、外乱の影響を低減することができないという問題が生じる。
また、従来の構成は、低剛性負荷３に振動モードが１つの場合について適用できるものであるが、低剛性負荷３の振動モードが２つ、３つなど複数である場合には、適用できないという問題がある。
【０００８】
本発明の目的は、従来の問題を解消し、単一または複数の振動モードを有する低剛性負荷の振動的挙動と外乱の影響を抑制し、低剛性負荷の移動と位置決めを精密に、かつ、速やかに行うことができるサーボ機構を提供しようとするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載のサーボ機構は、モータおよび前記モータの駆動速度を検出するモータ速度検出手段を有するモータ速度制御ループと、前記モータによって駆動される低剛性負荷の位置を検出する位置検出手段を有する位置制御ループと、前記低剛性負荷の負荷速度を検出する負荷速度検出手段を有し、かつ、前記低剛性負荷の低剛性またはロストモーション等によって発生する振動モードに対して相対次数をゼロとする特性を有する制御特性補償要素を備え前記モータ速度制御ループと前記位置制御ループとの間に設けられた負荷速度制御ループとを具備することを特徴とする。
【００１０】
このような構成によれば、モータ速度制御ループと、位置制御ループと、負荷速度制御ループが独立したループとなる。このとき、各ループにおいて、各ループの特性を補償する補償要素をそれぞれ独立に設けることが可能となる。例えば、モータ速度制御ループと負荷速度制御ループとのそれぞれにモータの特性補償器と負荷速度の補償要素を設けることにより、モータと低剛性負荷の慣性比に依存しないで安定な制御系を設計することができる。特に、負荷速度制御ループを設けたことにより、負荷特性に対する補償器を独立に設けることができる。そこで、負荷速度制御ループに負荷速度の振動モードに対応して相対次数をゼロとする制御特性補償要素を設けると、負荷速度制御ループの一巡伝達特性の相対次数を低減し、低剛性負荷の負荷速度を応答が速く非振動的な特性とすることができる。
また、各ループにおいてゲインを大きく設定すれば、各ループに入る外乱の影響を低減することができ、特に、負荷速度制御ループを独立に設けたことにより、負荷外乱を従来よりも抑えることができる。
【００１１】
請求項２に記載のサーボ機構は、請求項１に記載のサーボ機構において、
前記低剛性負荷の伝達特性を１／Ｇｆ、前記負荷速度制御ループの支配特性を非振動的な特性として１／Ｇｎと表すとき、ＧｎおよびＧｆの次数はそれぞれ等しく、かつ、前記制御特性補償要素の特性１／βは、１／β＝Ｇｆ／（Ｇｎ−１）で表されることを特徴とする。
【００１２】
請求項３に記載のサーボ機構は、請求項１に記載のサーボ機構において、
前記低剛性負荷の伝達特性の近似特性を１／Ｇｍ、前記負荷速度制御ループの支配特性を非振動的な特性として１／Ｇｎと表すとき、ＧｎおよびＧｍの次数はそれぞれ等しく、かつ、前記制御特性補償要素の特性１／βは、１／β＝Ｇｍ／（Ｇｎ−１）で表されることを特徴とする。
【００１３】
このような構成において、制御特性補償要素の特性１／βを上記の式によって決定すると１／βの相対次数がゼロとなる。このとき、負荷速度制御ループの支配特性を非振動的な特性として設定した１／Ｇｎにすることができる。例えば、負荷速度制御ループの特性を１次または２次の非振動特性として設定した１／Ｇｎで表される特性に設計することができる。すると、負荷速度制御ループの応答を非振動的とし、低剛性負荷を安定に制御することができる。
【００１４】
ここで、相対次数とは、制御系の特性を表す伝達関数において、（分子のｓの多項式の次数）−（分母のｓの多項式の次数）を意味する。この相対次数が負に大きくなって、特に、−３以上（−３、−４、…）となると、制御不能（発振状態）になってしまう。そして、低剛性負荷の相対次数は、一般に−２、−３、−４・・・であるため、補償要素自体の相対次数が−１、−２、−３、・・・と大きいと、応答が振動的となってしまう。
【００１５】
そこで、実験的あるいは解析的に求められる低剛性負荷の伝達特性１／Ｇｆに対して、実現したい負荷速度制御ループの特性（ノミナル特性）１／Ｇｎの次数を１／Ｇｆと等しく設定し、
１／β＝Ｇｆ／（Ｇｎ−１）
により、制御特性補償要素の特性１／βを決定する。すると、１／βの相対次数がゼロになる。このとき、負荷速度制御ループの伝達特性をある程度自由に設定することが可能となり、例えば、１次または２次の特性で表される非振動的な１／Ｇｎにすることができる。すなわち、負荷速度制御ループの応答を非振動的とし、低剛性負荷を安定に制御することができる。
【００１６】
ここで、低剛性負荷の伝達特性１／Ｇｆを求めるにあたり、低剛性負荷の伝達特性を定める固有角周波数や、減衰係数等のパラメータが変動したり、正確に把握できない場合がある。そこで、低剛性負荷の固有角周波数や減衰係数等のパラメータ変動の範囲を見積もって、低剛性負荷の各振動モードに対応する固有角周波数よりも低い固有角周波数で固定された伝達特性１／Ｇｍを設定する。この１／Ｇｍに対して
１／β＝Ｇｍ／（Ｇｎ−１）
により、制御特性補償要素の特性１／βを設定する。すると、低剛性負荷の伝達特性が一意に決定されない場合であっても、負荷速度制御ループの応答を非振動的とし、低剛性負荷を安定に制御することができる。
【００１７】
請求項４に記載のサーボ機構は、請求項３に記載のサーボ機構において、前記低剛性負荷の伝達特性の近似特性を１／Ｇｍ、前記低剛性負荷の伝達特性を１／Ｇｆと表すとき、Ｇｍの次数はＧｆの次数以下であることを特徴とする。
【００１８】
請求項５に記載のサーボ機構は、請求項１ないし４のいずれかに記載のサーボ機構において、前記制御特性補償要素の特性１／βにゲインＫαを加味してＫα／βとし、前記低剛性負荷の伝達特性における高次の振動モードに対するゲイン余有を調整することを特徴とする。
【００１９】
低剛性負荷１／Ｇｆの構造が複雑化すると、１／Ｇｆの高次の振動モードを正確に把握することは困難になる。このような場合、高次の振動モードの共振、反共振の周波数は高い値となるが、この周波数帯においては、１／Ｇｆのゲイン特性は通常１よりも小さくなる。そこで、１／Ｇｍおよび１／Ｇｎの次数を１／Ｇｆの次数より低く設定して高次の振動モードは考慮しなくても、低剛性負荷の高次の振動モードが顕在化することは回避できる。１／Ｇｍ、１／Ｇｎの次数を１／Ｇｆの次数よりも低く設定することにより、制御の計算の負担を軽減することができる。すると、制御周期を短縮することができ、制御のリアルタイム性能を向上させることができる。
【００２０】
１／Ｇｎの高次の振動モードを考慮しない場合に、高次の振動モードが顕在化して振動的な応答が現れる場合がある。この場合、例えば、制御特性補償要素１／βにゲインＫαを加味してこのゲインＫαを調整することにより、低剛性負荷を非振動的に制御することができる。例えば、ゲインを小さくすることにより、高次の振動モードによる振動的な応答の影響を小さくすることができる。
ゲインを調整する一方、１／βの値には変更を加えないので、負荷速度制御ループのノミナル特性１／Ｇｎを実現するように設定した制御特性補償要素の特性を維持したままで、さらに高次の振動モードの影響に対応することができる。
【００２１】
請求項６に記載のサーボ機構は、請求項１ないし５のいずれかに記載のサーボ機構において、前記低剛性負荷は、固定された基台上を移動自在に設けられ前記モータにて駆動される負荷本体と、前記負荷本体に連結され制御対象部を有する付属部とを備えて構成され、前記制御対象部の移動速度を検出する負荷速度検出手段が設けられ、前記負荷速度検出手段は、前記基台側に設けられ前記負荷本体の移動方向に検出要素を有するスケールと、前記負荷本体に設けられ前記スケールに対する単位時間当たりの移動量を検出する検出ヘッドと、前記制御対象部に設けられ前記制御対象部の加速度を検出する加速度検出手段とを備えて構成されていることを特徴とする。
【００２２】
このような構成によれば、モータの駆動によって負荷本体が基台上を駆動される。すると、負荷本体とともに付属部も移動される。このとき、負荷本体の単位時間の移動速度は、基台側のスケールに対する単位時間あたりの移動量を負荷本体側の検出ヘッドで検出される。さらに、制御対象部に発生する加速度は加速度検出手段にて検出される。加速度検出手段で検出された加速度情報から積分処理により制御対象部に生じる速度情報を算出して、検出ヘッドで検出された負荷本体の移動速度に加味することにより、制御対象部の精密な移動速度、つまり制御対象である負荷速度を検出することができる。例えば、付属部が低剛性であると付属部が振動的な振る舞いをするため制御対象部の移動速度は負荷本体の移動速度とは一致しないことになる。しかし、本発明によれば、制御対象部に加速度検出手段を設けて、制御対象部に生じる加速度から得られる制御対象部の移動速度を加味するので、制御対象部の移動速度（負荷速度）を精密に知ることができる。負荷速度を精密に検出して、この検出値をもとにフィードバック制御を行うことにより、負荷、特に制御対象部を精密に駆動制御することができる。
【００２３】
請求項７に記載のサーボ機構は、請求項１ないし５のいずれかに記載のサーボ機構において、前記低剛性負荷は、リニアモータの移動要素で構成される負荷本体と、前記負荷本体に連結され制御対象部を有する付属部とを備えて構成され、前記制御対象部の移動速度を検出する負荷速度検出手段が設けられ、前記負荷速度検出手段は、前記リニアモータの固定要素側に設けられ前記負荷本体の移動方向に検出要素を有するスケールと、前記負荷本体に設けられ前記スケールに対する単位時間当たりの移動量を検出する検出ヘッドと、前記検出ヘッドと前記制御対象部との間に設けられ前記制御対象部の基準位置からのずれ量を検出するずれ量検出手段とを備えて構成されていることを特徴とする。
【００２４】
このような構成によれば、リニアモータのモータ推力によって負荷本体がリニアモータの固定要素に対して駆動される。すると、負荷本体とともに付属部も移動される。このとき、負荷本体の単位時間の移動速度は、固定要素側のスケールに対する単位時間あたりの移動量を負荷本体側の検出ヘッドで検出される。負荷本体が移動されるとき、負荷本体および付属部の剛性に応じて弾性変形が生じ、この弾性変形により制御対象部が基準位置からずれる。このずれ量をずれ量検出手段により検出する。ずれ量検出手段としては、例えば、検出ヘッドと制御対象部との間に設けられる歪ゲージなどが利用できる。
ずれ量検出手段によって検出されたずれ量を微分処理して制御対象部に生じる速度情報を算出し、検出ヘッドで検出された負荷本体の移動速度に加味することにより、制御対象部の精密な移動速度、つまり制御対象である負荷速度を検出することができる。例えば、付属部が低剛性であると付属部が振動的な振る舞いをするため制御対象部の移動速度は負荷本体の移動速度とは一致しないことになる。しかし、本発明によれば、制御対象部に加速度検出手段を設けて、制御対象部に生じる加速度から得られる制御対象部の移動速度を加味するので、制御対象部の移動速度（負荷速度）を精密に知ることができる。
負荷速度を精密に検出して、この検出値をもとにフィードバック制御を行うことにより、負荷、特に制御対象部を精密に駆動制御することができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１に、本発明のサーボ機構の一実施形態を示すブロック図を示す。
このサーボ機構１は、モータ２と、このモータ２により駆動され低剛性部を有する駆動体としての負荷３を有している。モータ２の伝達特性を１／Ｇｒで表し、負荷３の伝達特性を１／Ｇｆで表す。モータ２と負荷３との間には、モータ２の駆動速度を検出するモータ速度検出手段としてのモータ速度検出器４が設けられている。また、負荷３には負荷３の駆動速度を検出する負荷速度検出手段５が設けられている。
【００２６】
図２に、モータ２、モータ速度検出器４、負荷３および負荷速度検出手段５のモデルを示す。
モータ２は、ドライブアンプ２１を有し、ドライブアンプ２１によって増幅された電流の指令値に応じて回転する回転子２２を備えたコイルモータである。モータ２の回転子２２には、回転子２２の回転速度を検出するモータ速度検出器４が直結されている。モータ速度検出器４で検出されたモータ駆動速度はモータ速度比較器６に出力される（図１参照）。
モータ２の駆動力は、駆動力伝達部７により負荷３に伝達される。駆動力伝達部７は、モータ２の回転子２２にモータ速度検出器４を介して直結された駆動軸７１と、駆動軸７１の回転を直線運動に変換する回転直動変換機構７２により移動される移動部材７４と、移動部材７４と負荷３とを連結する連結部７５とを備える。駆動軸７１の途中には、例えばばねのような低剛性部分７６１が存在する。連結部７５は、例えば、ばねやダッシュポットのような低剛性部分７６２を有している。
【００２７】
負荷３は、固定された基台であるテーブル３１上を一方向に摺動自在に設けられ駆動力伝達部７により伝達されたモータ２の駆動力によりテーブル３１上を図２中紙面平行方向に駆動する負荷本体３２と、負荷本体３２に連結され先端に制御対象部３４を有する付属部３３とを備えて構成されている。付属部３３の先端には、例えば、被測定物の表面に沿って移動される制御対象としての測定子３４１などが設けられ、この負荷３と負荷３を駆動制御するサーボ機構１により測定機が構成されている。
負荷３には、負荷３の移動速度を検出する負荷速度検出手段５が設けられる。この負荷速度検出手段５は、テーブル３１側に設けられ負荷本体３２の移動方向に検出要素を有するスケール５１と、負荷本体３２に設けられスケール５１に対する単位時間当たりの移動量を検出する検出ヘッド５２と、制御対象部３４に設けられ制御対象部３４の加速度を検出する加速度検出手段としての加速度検出器５３とを備えて構成されている。
【００２８】
スケール５１と検出ヘッド５２とは、例えば、光電式、静電容量式あるいは磁気式のリニアエンコーダを構成するものであり、テーブル３１に対する負荷本体３２の単位時間あたりの移動量、すなわち駆動速度を検出する。加速度検出器５３は、制御対象部３４に発生する加速度を検出する。加速度検出器５３で検出された制御対象部３４の加速度情報は、積分処理されて速度情報に変換された後、検出ヘッド５２で検出された負荷本体３２の駆動速度に加味される。すると、制御対象部３４の正確な駆動速度、つまり負荷速度Ｖ０が算出される。
【００２９】
負荷速度検出手段５で検出された負荷速度Ｖ０の情報は分岐され、一方は負荷速度比較器８に出力され、他方は負荷速度の積分量（積分要素９）である負荷変位情報Ｐ０として位置検出器１０に出力される。位置検出器１０は、負荷変位情報Ｐ０を外部のモニタやプリンタ等の出力手段に出力する一方、負荷変位情報Ｐ０を位置比較器１１に出力する。
【００３０】
位置比較器１１は、外部から設定入力され負荷３の位置を指令する指令位置情報Ｐｃと位置検出器１０からの負荷変位情報Ｐ０とを比較する。位置比較器１１は、この比較結果を応答時定数の主要値を定めるシステムゲイン設定要素１２（伝達特性Ｋｓ）に出力する。システムゲイン設定要素１２の伝達特性Ｋｓは、指令位置Ｐｃから負荷の位置Ｐ０までの応答の時定数を定めるパラメータであり、負荷３の位置Ｐ０が指令位置Ｐｃに対してオーバーシュートしないように設定される。
システムゲイン設定要素は、負荷３の指令速度Ｖｒを負荷速度比較器８に出力する。
【００３１】
負荷速度比較器８は、システムゲイン設定要素１２からの指令速度Ｖｒと負荷速度検出手段５からの出力される負荷速度情報Ｖ０とを比較し、この差を制御特性補償要素としての負荷速度特性補償要素１３（伝達特性１／β）に出力する。負荷速度特性補償要素１３からはモータ２の指令速度Ｖｍｒが出力され、モータ速度比較器６に入力される。
【００３２】
モータ速度比較器６は、負荷速度特性補償要素１３からのモータ指令速度Ｖｍｒと、モータ速度検出器４からのモータ速度Ｖｍとを比較して、この差をモータ速度特性補償要素１４（伝達特性ＫνＧν）に出力する。モータ速度特性補償要素１４からの出力は、モータ２に指令電流値として入力される。
また、負荷３と負荷速度検出手段５との間には、摩擦および機構の非線形性に起因する外乱Ｔｄが加わる。
【００３３】
このような構成において、位置比較器１１、システムゲイン設定要素１２から位置検出器１０に至り、再び位置比較器１１に戻るループにより位置制御ループＲ１が構成される。
負荷速度比較器８、負荷速度特性補償要素１３から負荷速度検出手段５に至り、再び負荷速度比較器８に至るループにより負荷速度制御ループＲ２が構成される。
モータ速度比較器６、モータ速度特性補償要素１４からモータ速度検出器４に至り、再びモータ速度比較器６に至るループによりモータ速度制御ループＲ３が構成される。
【００３４】
このような構成において、負荷３の低剛性に起因する振動的応答を低減する負荷速度特性補償要素１３の伝達特性１／β、および、モータ速度特性補償要素１４の伝達特性ＫνＧνの設定について説明する。
【００３５】
まず、モータ速度特性補償要素１４の伝達特性ＫνＧνの設定について説明する。
背景技術で説明した図８のブロック図から等価変換して、第１結合要素１６１と第２結合要素１６２とを分離する（図３参照）。さらに、第２結合要素１６２および第１結合要素１６１をフィードバック要素から前向き補償要素へ変換すると（図４、図５参照）、図５に示されるブロック図を得る。ここで、第１結合要素１６１の特性αを１に設定すると図６に示すブロック図を得る。
【００３６】
図６のブロック図では、一見すると、モータ速度制御ループ、負荷速度制御ループ、位置制御ループが独立に制御されているように見えるが、モータ速度制御ループと負荷速度制御ループとに同じ伝達関数βが現れていることが問題である。
さらに、負荷速度制御ループとモータ速度制御ループとで伝達関数βは逆数の関係である。よって、モータ速度制御ループにおいてモータ２の特性補償を行うように伝達関数βを設定すると負荷３の特性補償を行うことができず、また、負荷速度制御ループにおいて負荷３の特性補償を行うように伝達関数βを設定すると、モータ２の特性補償を行うことができない。つまり、従来（図８）の状態では、モータ２と負荷３との両方を特性補償することができないことが分かる。
【００３７】
ここで、モータ速度制御ループにおいて、モータ２の特性補償をする補償器１４１は、負荷３の特性を直接補償するわけではない。よって、モータ速度制御ループにおいてモータ２の補償器１６４は伝達関数βを含む必要がなく、単にゲイン定数Ｋνを含むＫνＧνとしてもよい。すると、本実施形態の図１のブロック図を得る。
【００３８】
このような構成によれば、位置制御ループＲ１と、負荷速度制御ループＲ２と、モータ速度制御ループＲ３とが完全に独立したループとなる。よって、各ループにおいて、各ループの特性を補償する補償要素をそれぞれ独立に設けることが可能となる。特に、負荷速度制御ループＲ２が独立したものとなるので、負荷特性に対する補償器として負荷速度特性補償要素１３を独立に設けることができる。
【００３９】
次に、負荷３の振動特性を抑制する負荷速度特性補償要素１３の特性１／βの設定について説明する。
まず、制御対象である負荷３の特性１／Ｇｆを実験的または解析的に求める。ｓをラプラス演算子、ωｆを負荷の振動の固有角周波数、ζｆを減衰係数、ｈを振動モードの数とするとき、負荷３の特性は、
【００４０】
【数１】
2004118635.tif 000003
【００４１】
で表される。ただし、０＜ζｆｋ＜１、ｈは振動モードの数である。
【００４２】
この負荷３の特性１／Ｇｆに対して、負荷速度制御ループＲ２の実現したい支配特性（ノミナル特性）を１／Ｇｎと表すとき、１／Ｇｎの相対次数を１／Ｇｆと等しく、かつ、１次または２次で表されるような非振動的な特性に設定する。このようなノミナル特性１／Ｇｎを多項式で表すと、
【００４３】
【数２】
2004118635.tif 000004
【００４４】
で表される。ただし、１≦ζｎｐ、ｈは振動モードの数である。ここで、ωｎｐはωｆｋよりも大きく設定し、例えば、ωｆｋの２倍程度に設定される。また、ζｎｐは１に近似した値に設定することが例示される。
【００４５】
ここで、負荷速度特性補償要素１３の伝達特性１／βを
１／β＝Ｇｆ／（Ｇｎ−１）
と設定する。すると、負荷速度特性補償要素１３の伝達特性１／βの相対次数をゼロに設定することができる。このとき、負荷速度制御ループＲ２の一巡伝達特性の相対次数が低くなることにより、振動的な応答を抑えて制御系を安定化することができる。つまり、負荷速度制御ループＲ２の伝達特性である指令速度Ｖｒと負荷速度Ｖ０の比をノミナル特性１／Ｇｎに実現することができる。すなわち、負荷速度制御ループＲ２の応答を非振動的とし、負荷３を安定に制御することができる。
さらに、負荷速度制御ループＲ２を安定化することができるので、負荷速度制御ループＲ２のゲインを大きくすることができる。すると、外乱の影響を低減することができる。
【００４６】
また、負荷３の特性１／Ｇｆを正確に把握できない場合がある。負荷３の特性１／Ｇｆを正確に把握できない場合は、負荷３の伝達特性の近似特性１／Ｇｍを設定する。
【００４７】
負荷３の近似特性１／Ｇｍを設定するにあたっては、まず、負荷３の特性のパラメータである減衰係数ζｆおよび固有角周波数ωｆの変動幅を見積もる。固有角周波数に関しては、変動幅を見積もった固有角周波数よりも小さい値、例えば７０％ぐらいの固有角周波数で固定して負荷３の近似特性の固有角周波数とする。減衰係数に関しては、ある一定範囲で定められる推奨値で固定する。このようにして設定される負荷３の近似特性１／Ｇｍを多項式で表すと、
【００４８】
【数３】
2004118635.tif 000005
【００４９】
となる。ただし、０＜ζｍｋ＜１、ｈは振動モードの数である。
【００５０】
この負荷３の近似特性１／Ｇｍに対して、負荷速度制御ループＲ２の実現したい支配特性（ノミナル特性）１／Ｇｎを、相対次数を１／Ｇｍと等しく、かつ、非振動的な特性に設定する。ここで、ωｎｐはωｍｋよりも大きく設定され、例えば、ωｍｋの２倍程度に設定される。また、ζｎｐは１に近似した値に設定することによって支配特性１／Ｇｎが非振動的になることがが例示される。
【００５１】
この負荷３の近似特性１／Ｇｍを用いて、負荷速度特性補償要素の特性１／βを設定し、
１／β＝Ｇｍ／（Ｇｎ−１）
とする。すると、負荷３の特性が正確に把握できず一意に決定できない場合であっても、負荷速度特性補償要素１３の特性１／βを設定することができる。
【００５２】
このとき、負荷３の近似特性１／Ｇｍを定めるにあたり、固有角周波数を、少なくとも見積もった変動幅の最悪値である最小値よりも小さい値とするので、最悪の場合であってもこの近似特性１／Ｇｍで十分対応できる。
ノミナル特性１／Ｇｎと負荷３の近似特性１／Ｇｍの次数は等しいので、負荷速度特性補償要素１３の特性１／βの相対次数をゼロとすることができる。よって、負荷速度制御ループＲ２の応答をノミナル特性１／Ｇｎとすることができる。その結果、負荷速度制御ループＲ２の応答を非振動的とし、負荷３を安定に制御することができる。
【００５３】
負荷３の構造が複雑であって、負荷３が非常に高次の振動モードを有する場合がある。このような場合は、負荷３の近似特性１／Ｇｍを見積もるに当たって、負荷３の高次振動モードを正確に把握することが困難である。このような場合には、負荷３の高次の振動モードについては捨象して、低次の振動モードに対応して負荷３の近似特性１／Ｇｍを設定してもよい。一般に、低次の振動モードのゲイン特性は大きいのに対し高次振動モードのゲインは小さいため、高次振動モードを捨象して近似しても高次振動モードの影響は小さいからである。このように高次振動モードを捨象して設定する近似特性１／Ｇｍを利用して負荷速度特性補償要素１３の伝達特性１／βを求めると、計算量を少なくできる。その結果、制御周期を短縮することができ、制御のリアルタイム性能を向上させることができる。
【００５４】
負荷３の近似特性１／Ｇｍを設定するに際して負荷３の高次の振動モードを捨象した場合に、捨象した高次振動モードの影響が現れることもありうる。このような場合には、負荷速度特性補償要素１３の特性にゲインＫαを加味して、負荷速度制御ループＲ２のゲイン余有を調整する。
【００５５】
図７に、負荷速度特性補償要素１３にゲインＫαを加味して、負荷速度特性補償要素１３の特性をＫα／βと表した場合のブロック図を示す。なお、モータ速度制御ループＲ３の特性をまとめて１／Ｇνβと表す。
【００５６】
ここで、ゲインＫαを小さく設定することにより、もともとゲインの小さい高次振動モードの影響をさらに小さく設定することができる。ゲインＫαの値としては、例えば、１に近い値に設定することが例示される。
【００５７】
次に、負荷速度特性補償要素１３の特性Ｋα／βの具体的な設計ついて、負荷３の振動モードが２（ｈ＝２）である場合を例示して説明する。
負荷３の特性１／Ｇｆはｈ＝２の場合、次のように表される。
【００５８】
【数４】
2004118635.tif 000006
【００５９】
ここで、ωｆ１＜ωｆ２、０＜ζｆ１＜１、０＜ζｆ２＜１であり、１／Ｇｆは０＜ζｆ１＜１、０＜ζｆ２＜１のとき振動的特性となる。
【００６０】
モータ速度制御ループＲ３の特性１／Ｇνβについて、次に示す２重根（−１／ωνβ）をもつ特性となるように図１のモータ速度特性補償要素１４の特性ＫνＧνの設計を行う。
【００６１】
【数５】
2004118635.tif 000007
【００６２】
ただし、ωνβはモータ速度制御ループＲ３の応答固有角周波数である。
このとき、指令負荷速度Ｖｍｒから負荷速度Ｖ０までの負荷速度制御ループの一巡伝達関数は次のようになる。
【００６３】
【数６】
2004118635.tif 000008
【００６４】
つまり、負荷速度Ｖ０と指令速度Ｖｍｒの比であるＶ０／Ｖｍｒを規範となるノミナルモデル（実現したい設計モデル）１／Ｇｎとするための負荷速度特性補償要素１３の伝達特性Ｋα／βを求める。このためには、次の式が成り立つ負荷速度特性補償要素Ｋα／βを求める。
【００６５】
【数７】
2004118635.tif 000009
【００６６】
これより、負荷速度特性補償要素１３の特性Ｋα／βは次のように求めることができる。
【００６７】
【数８】
2004118635.tif 000010
【００６８】
ここで、負荷３の特性１／Ｇｆおよびノミナル特性Ｇｎを具体的に定めれば、負荷速度特性補償要素１３の特性Ｋα／βを求めることができる。
そこで、次に、負荷３の特性１／Ｇｆおよびノミナル特性Ｇｎの定め方について説明する。
【００６９】
負荷３の特性１／Ｇｆは正確に求めることは困難である場合があり、代わりに負荷３の近似特性のモデル１／Ｇｍを設定する。
【００７０】
【数９】
2004118635.tif 000011
【００７１】
固有角周波数ωｍ１、ωｍ２の設定は、負荷の特性１／Ｇｆの各振動モードに対応した固有角周波数よりも低い固有角周波数を持つパラメータとする。つまり、ωｍ１＜ωｆ１＜ωｍ２＜ωｆ２とする。すると　負荷の近似特性１／Ｇｍは次のようになる。
【００７２】
【数１０】
2004118635.tif 000012
【００７３】
ここで、ｚ４、ｚ３、ｚ２、ｚ１、ｚ０は次の通りである。
ｚ４＝１
ｚ３＝２（ζｍ１ωｍ１＋ζｍ２ωｍ２）
ｚ２＝ωｍ１２＋４ζｍ１ζｍ２ωｍ１ωｍ２＋ωｍ２２
ｚ１＝２（ζｍ１ωｍ２＋ζｍ２ωｍ１）ωｍ１ωｍ２
ｚ０＝ωｍ１２ωｍ２２
【００７４】
次に、ノミナルモデル１／Ｇｎは１／Ｇｍに対応して、次のように２次標準形の積で構成する。
【００７５】
【数１１】
2004118635.tif 000013
【００７６】
ここで、ノミナルモデル１／Ｇｎの右辺第１項をノミナルモデルの主応答の特性とする。したがって、固有角周波数はωｎ１＜ωｎ２となり、ωｎ１は負荷速度制御ループのマイナーループであるモータ速度制御ループＲ３の応答角周波数ωνβに対して、ωｎ１＜ωνβの範囲で設定する。また、減衰係数ζｎ１は振動的挙動を招かないために１以上とする。
右辺第２項についてはノミナルモデルの主応答である第１項に影響がないようにωνβ＜ωｎ２とする。
したがって、１／（Ｇｎ−１）は次のようになる。
【００７７】
【数１２】
2004118635.tif 000014
【００７８】
ここで、ｐ４、ｐ３、ｐ２、ｐ１、ｐ０は次の通りである。
ｐ４＝１、
ｐ３＝２（ζｎ１ωｎ１＋ζｎ２ωｎ２）
ｐ２＝ωｎ１２＋４ζｎ１ζｎ２ωｎ１ωｎ２＋ωｎ２２
ｐ１＝２（ζｎ１ωｎ２＋ζｎ２ωｎ１）ωｎ１ωｎ２
ｐ０＝０
【００７９】
よって、負荷速度特性補償要素Ｋα／βは次のようになる。
【００８０】
【数１３】
2004118635.tif 000015
【００８１】
ここで、このままでは分子の次数（＝６次）＞分母の次数（＝４次）となり、プロパー（分子の次数が分母の次数以下）とならず、非振動的な特性補償を行うことができない。そこで、次の要素を付加することにより、分子の次数（＝６次）＝分母の次数（＝６次）として、相対次数を０とする補償要素を構成する。
【００８２】
【数１４】
2004118635.tif 000016
【００８３】
ここでｃは定数であり、モータ速度応答角周波数ωνβに対して、ｃ＝５程度とすればＫα／βの特性へ与える影響は小さい。このとき、負荷速度特性補償要素１３の特性Ｋα／βは次のようになる。
【００８４】
【数１５】
2004118635.tif 000017
【００８５】
ただし、ωｍ１＜ωｆ１＜ωｍ２＜ωｆ２＜ωｎ１＜ωνβ＜ωｎ２である。
（式３）の基本形を基にして相対次数がゼロを保つように補償要素を負荷速度特性補償要素１３に付加することにより、さらに特性改善を行うことができる。例えば、システムゲインＫｓに相当する周波数ω＝Ｋｓ（ｒａｄ／ｓ）におけるゲインを高めて、負荷速度制御ループＲ２の特性（ゲインの低下と位相遅れ）を改善したい場合は、次の要素を追加する。
【００８６】
【数１６】
2004118635.tif 000018
【００８７】
これは、位置制御ループＲ１を構成したときの位置制御ループＲ１の応答においてオーバーシュートを発生させないために有効となる。
このとき、負荷速度特性補償要素１３の特性Ｋα／βは次のようになる。
【００８８】
【数１７】
2004118635.tif 000019
【００８９】
この場合、ωがＫｓから１０Ｋｓ（ｒａｄ／ｓ）におけるゲイン特性が−４０ｄＢ／ｄｅｃとなりω＝Ｋｓ（ｒａｄ／ｓ）におけるゲインを１０倍程度高めることができる。
【００９０】
以上、このような構成によれば、次の効果を奏することができる。
（１）負荷３の制御対象部３４に加速度検出器５３を設けて、加速度検出器５３で検出された加速度の積分値を検出ヘッド５２で検出された負荷本体３２の移動速度に加味する。すると、真に制御したい対象部である制御対象部３４の駆動速度を正確に検出することができる。この正確に検出された制御対象部３４の駆動速度をフィードバックすることにより、制御対象部３４の精密な制御が可能となる。
【００９１】
（２）モータ速度制御ループＲ３と、負荷速度制御ループＲ２と、位置制御ループＲ１とをそれぞれ独立したループとする。このとき、モータ速度特性補償要素１４と負荷速度特性補償要素１３とに同じ伝達関数を含まない。よって、それぞれのループを完全に独立したものとし、各ループにおいて最適の補償要素を設けることができる。つまり、モータ２と負荷３との慣性比などに関係なく、それぞれに最適の補償要素を設けることができる。特に、負荷速度制御ループＲ２の安定性について、負荷速度特性補償要素１３の伝達特性（１／βまたはＫα／β）を負荷３の特性とノミナル特性とから設計的に設定することができる。つまり、負荷速度制御ループＲ２の伝達特性の相対次数を下げ、負荷速度制御ループＲ２の一巡伝達特性を実現したい非振動的なノミナル特性とすることができる。よって、負荷速度特性補償要素１３の特性を定めるにあたり、試行錯誤的な方法をとる手間を省くことができる。
【００９２】
（３）負荷３の特性１／Ｇｆが正確に求められない場合であっても、負荷３の近似特性１／Ｇｍを用いることにより、負荷３を制御することができる。負荷３の近似特性１／Ｇｍを定めるに当たって、負荷３の固有角周波数の変動幅における最小値よりも小さい固有角周波数を近似特性の固有角周波数とする。よって、最悪の場合であっても、負荷の制御を安定して行うことができる。
【００９３】
（４）負荷３が複雑であり高次の振動モードを有する場合は、高次の振動モードを捨象して負荷３の近似特性１／Ｇｍを設定する。すると、制御系の計算負担を軽くすることができる。よって、制御周期を短縮することができ、制御のリアルタイム性能を向上させることができる。
【００９４】
（５）負荷３の近似特性１／Ｇｍを設定するに当たって高次振動モードを捨象したことにより、振動的な応答が生じる場合であっても、負荷速度特性補償要素１３の伝達特性のゲインＫαを調整することにより、高次振動モードによる影響を低減することができる。
【００９５】
（６）負荷速度特性補償要素１３の伝達特性（１／βまたはＫα／β）を、負荷の特性１／Ｇｆまたは近似特性１／Ｇｍとノミナル特性１／Ｇｎとから設計的に決定することができる。よって、負荷３の構造が複雑で試行錯誤的な方法では調整できない場合であっても、負荷３の制御を行うことができる。
【００９６】
（７）負荷速度制御ループＲ２の相対次数を低くするように負荷速度特性補償要素１３の特性を設定することにより、負荷速度制御ループＲ２のゲインを大きくすることができる。すると、外乱Ｔｄの影響を小さくしてより精密な制御を行うことができる。
【００９７】
尚、本発明のサーボ機構は、上記実施形態にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
例えば、負荷としてはリニアモータの移動要素であってもよい。このような場合、低剛性負荷を、リニアモータの移動要素（負荷本体）と、この移動要素に連結され制御対象部を有する付属部とで構成する。さらに、制御対象部の移動速度を検出する負荷速度検出手段を設ける。この負荷速度検出手段としては、リニアモータの固定要素側に設けられ移動要素の移動方向に検出要素を有するスケールと、移動要素に設けられスケールに対する単位時間当たりの移動量を検出する検出ヘッドと、検出ヘッドと制御対象部との間に設けられ制御対象部の基準位置からのずれ量を検出するずれ量検出手段とを備えて構成してもよい。
【００９８】
また、負荷としては、上記実施形態に限らず、モータとの連結部分や負荷自身に低剛性部を有し制御対象部の位置、速度、加速度等が振動的な応答を示すものであれば特に限定されることなく、本発明のサーボ機構により安定に制御される。
【００９９】
【発明の効果】
以上、説明したように本発明のサーボ機構によれば、単一または複数の振動モードを有する低剛性負荷の振動的挙動と外乱の影響を抑制し、低剛性負荷の移動と位置決めを精密に、かつ、速やかに行うことができるという優れた効果を奏し得る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のサーボ機構にかかる一実施形態のブロック図である。
【図２】前記実施形態において、モータと負荷とのモデルを示す図である。
【図３】従来のサーボ機構のブロック図を等価変換した図である。
【図４】従来のサーボ機構のブロック図を等価変換した図である。
【図５】従来のサーボ機構のブロック図を等価変換した図である。
【図６】従来のサーボ機構のブロック図を等価変換した図である。
【図７】前記実施形態において、負荷速度特性補償要素にゲイン定数Ｋαを加味した図である。
【図８】従来のサーボ機構のブロック図である。
【符号の説明】
１　　サーボ機構
２　　モータ
３　　負荷
４　　モータ速度検出器
５　　負荷速度検出手段
６　　モータ速度比較器
７　　駆動力伝達部
８　　負荷速度比較器
９　　積分要素
１０　　位置検出器
１１　　位置比較器
１２　　システムゲイン設定要素
１３　　負荷速度特性補償要素
１４　　モータ速度特性補償要素
１５　速度比較器
３１　テーブル
３２　負荷本体
３３　付属部
３４　制御対象部
５１　スケール
５２　検出ヘッド
５３　加速度検出器
７６１　低剛性部分
７６２　低剛性部分
Ｒ１　　位置制御ループ
Ｒ２　　負荷速度制御ループ
Ｒ３　　モータ速度制御ループ
【図１】
2004118635.tif 000020
【図２】
2004118635.tif 000021
【図３】
2004118635.tif 000022
【図４】
2004118635.tif 000023
【図５】
2004118635.tif 000024
【図６】
2004118635.tif 000025
【図７】
2004118635.tif 000026
【図８】
2004118635.tif 000027