(57)【要約】【課題】  目標周波数応答特性になるか測定する電動機制御装置制御パラメータ感度解析装置を提供する。【解決手段】  開ループ周波数応答特性計測手段と、制御器の制御モデルと、閉ループ周波数応答特性を算出する演算手段と、目標とする閉ループ周波数応答特性に近づく前記制御パラメータの変化量を推定する制御パラメータ感度解析装置とを備える。  【選択図】図２
2005275588.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
機械の動作量を検出する検出手段と、指令信号を発生する指令器と、指令信号を受けて前記電動機を駆動する制御器とからなる電動機制御装置において、
前記制御器の特性を含まない開ループ周波数応答特性を取得する開ループ周波数応答特性計測手段と、
前記電動機制御装置の制御器の制御モデルと、
計測した前記開ループ周波数応答特性と前記制御モデルから閉ループ周波数応答特性を算出する演算手段と、
前記制御器の制御パラメータと前記閉ループ周波数応答特性の変化の関係を感度解析する感度解析装置とを備えたことを特徴とする電動機制御装置制御パラメータ感度解析装置。
【請求項２】
前記感度解析装置は、目標とする閉ループ周波数応答特性と前記閉ループ周波数応答との差異と、前記閉ループ周波数応答特性の数式モデルの前記制御パラメータの偏微分より、目標とする閉ループ周波数応答特性に近づく前記制御パラメータの変化量を推定することを特徴とする請求項１記載の電動機制御装置制御パラメータ感度解析装置。
【請求項３】
前記感度解析装置は、目標とする閉ループ周波数応答特性に近づくよう推定した前記制御パラメータの変化量を反復演算により収束させることを特徴とする請求項２記載の電動機制御装置制御パラメータ感度解析装置。
【請求項４】
前記感度解析装置は、予め任意に定められた範囲および刻み幅で、前記制御パラメータを変化させた場合の閉ループ周波数応答特性を算出し、前記制御パラメータの変化による前記閉ループ周波数応答特性の変化を推定することを特徴とする請求項１記載の電動機制御装置制御パラメータ感度解析装置。
【請求項５】
前記検出手段は、前記電動機の位置または速度または加速度、あるいは前記機械の位置または速度または加速度を検出して前記動作量とすることを特徴とする請求項１〜４記載の電動機制御装置制御パラメータ感度解析装置。
【請求項６】
前記制御器は、複数の前記制御パラメータを備えることを特徴とする請求項１〜５記載の電動機制御装置制御パラメータ感度解析装置。
【請求項７】
前記制御器は、少なくとも１つの閉ループを備え、単位系にあわせて前記制御指令とそれぞれの成分の前記動作量を一致するように前記電動機を制御することを特徴とする請求項１〜６記載の電動機制御装置制御パラメータ感度解析装置。
【請求項８】
前記演算手段は、計測した前記開ループ周波数応答特性を数値モデル化する数値モデル化手段を備え、前記開ループ周波数応答特性を数値モデル化し、前記電動機制御装置の制御器の前記制御モデルと開ループ周波数応答特性の数値モデルから閉ループ周波数応答特性を算出することを特徴とする請求項１〜７記載の電動機制御装置制御パラメータ感度解析装置。
【請求項９】
前記数値モデル化手段は、前記開ループ周波数応答特性を、機械共振周波数、減衰、ばね乗数、負荷もしくは負荷慣性モーメントのような機械特性に分類されるパラメータから構成される数値モデルに数値化することを特徴とする請求項８記載の電動機制御装置制御パラメータ感度解析装置。
【請求項１０】
電動機の電動機モデルと、その機械の動作量を検出する検出手段の検出手段モデルと、指令信号を発生する指令器の指令器モデルと、指令信号を受けて前記電動機を駆動する制御器の制御器モデルを備えた電動機制御装置の電動機制御装置モデルを有し、制御器の制御パラメータと等価な制御器モデルの制御パラメータと前記数値モデル化手段により数値化した前記開ループ周波数応答特性の数値モデルを用いて、指令入力に対する応答を時系列データとして出力する電動機制御装置の動作シミュレータを備えることを特徴とする請求項８〜９記載の電動機制御装置制御パラメータ感度解析装置。
【請求項１１】
前記制御パラメータ感度解析装置は、複数の前記制御パラメータを有する場合に、制御特性の応答性が変化しつつもバランスを保つゲインバランス式を備えることを特徴とする請求項４〜１０記載の電動機制御装置制御パラメータ感度解析装置。
【請求項１２】
前記制御パラメータ感度解析装置は、前記制御パラメータに前記機械パラメータを含め、目標とする閉ループ周波数応答特性と推定した前記閉ループ周波数応答との差異と、推定した前記閉ループ周波数応答特性の数式モデルの前記制御パラメータの偏微分より、目標とする閉ループ周波数応答特性に近づく前記機械パラメータを含めた前記制御パラメータの変化量を推定することを特徴とする請求項４〜１１記載の電動機制御装置制御パラメータ感度解析装置。
【請求項１３】
前記制御器は、前記検出手段の信号を（−）端子に入力する減算器と、その減算器の信号を受けて働き制御指令を出力するような、少なくとも１つの閉ループを備え、単位系にあわせて前記制御指令とそれぞれの成分の前記動作量を一致するように前記電動機を制御し、加算器が少なくとも１つの閉ループの中に設けられ、前記加算器に前記指令発生装置の信号を入力することで、前記開ループ周波数応答特性計測手段が、前記開ループ周波数応答特性と等価な周波数特性を得ることを特徴とする請求項１、６、７、１０記載の電動機制御装置制御パラメータ感度解析装置。
【請求項１４】
前記制御器は、少なくとも１つ以上の閉ループと、少なくとも１つ以上の閉ループを開閉するスイッチを備えることを特徴とする請求項１、６、７、１０、１３記載の電動機制御装置制御パラメータ感度解析装置。
【請求項１５】
入力手段と、表示装置と、記憶装置とを少なくとも１つ以上備えたことを特徴とする請求項１〜１４記載の電動機制御装置制御パラメータ感度解析装置。
【請求項１６】
前記制御モデルは各種制御則を揃えた制御則データベースを備えたことを特徴とする請求項１または８記載の電動機制御装置制御パラメータ感度解析装置。
【請求項１７】
前記電動機制御装置を少なくとも１つ以上有し、少なくとも１つの前記指令器を制御する指令制御器とを備え、少なくとも１つの前記電動機を動作し、少なくとも１つ以上の前記検出手段が少なくとも１つ以上の機械の動作量を検出し、前記周波数特性演算装置が、少なくとも１つ以上の前記開ループ周波数応答特性もしくは前記開ループ周波数応答特性と等価な周波数特性を得て、閉ループ周波数応答特性を推定することを特徴とする請求項１から１６のいずれかに記載の電動機制御装置制御パラメータ感度解析装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体製造装置や工作機械などの位置決め装置あるいは産業用ロボットに用いられる電動機制御装置に関するもので、電動機制御装置の制御パラメータ調整を最適に行うために、制御パラメータ調整結果を確認するための電動機制御装置制御パラメータ感度解析装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電動機制御装置制御パラメータ感度解析装置に関する従来の技術には、例えば特許文献１、特許文献２に開示されたものがある。
特許文献１では、短時間に、しかも運動機構に多大の負担をかけることなく運動機構の特性を正確に測定するシステムの同定と、その同定の結果を経時的な特性の変化として制御則に反映し、外乱を排除するための除振装置、さらに同定と除振に基づき安定した露光性能を実現する露光装置、更には、その露光装置を用いて半導体デバイスを製造する方法を提供することを目的とする露光装置及び除振装置、システム同定装置及びその方法が開示されている。
運動機構において、その運動を制御するためのアクチュエータに疑似不規則信号を印加し、この疑似不規則信号の時系列データとともに運動機構の運動状態を計測するセンサの時系列データを収集してデータ記憶手段に記憶させ、該データ記憶手段に記憶させた時系列データに対してフィルタリングを施し、このフィルタリングしたデータを使ってシステム同定を施し、システム同定によって算出した数学モデルを使って運動機構の特性値を導出し、特性値の変化を経時的に捕捉して運動機構の性能維持の適否を自己診断している。
【０００３】
また、特許文献２の位置決め制御方法及びその装置では、公知の手法である逆伝達関数補償法を用いて、繰り返し伝達関数補正による制御方法に伝達関数の補正精度を向上させる改良を加えることにより、制御指令と制御対象の動作間の入出力特性を精度良く求めて制御指令を決定し制御対象に希望する動作を確実に実行させることができることが開示されている。
まず、既知の入力と応答から求めた伝達関数Ｈ１を用いて、希望する応答Ｏから入力１を計算し、目標入力位置データとして位置決め装置に教示する。このとき、得られた応答１が希望する許容値内に誤差が収束していなければ、式（Ｈｉ＋１（ｊω）＝Ｏｉ（ｊω）／Ｉｉ（ｊω））によって周波数領域の応答Ｏｉを用いて伝達関数Ｈ２を計算する。この伝達関数Ｈ２を用いて希望する応答より新たな入力２を算出して目標入力位置データとする。この操作を誤差が収束するまで繰り返し、伝達関数を修正しながら所定の制御結果が得られるまで繰り返すことにより、高精度な位置決めを実現したことが記述されている。つまり、伝達関数を繰り返し修正しながら位置決め制御を行うことにより効率的かつ高精度になるように目標入力位置データを求めるというものである。
【０００４】
図１６は、従来技術であるシステム同定装置及びその方法を示す例である半導体製造装置におけるアクティブ除振装置への一適用を示したブロック図である。
図１７は従来技術であるアクティブ除振装置とそれに搭載されたＸＹステージの構造を示す図である。
図１７において、２０１は除振台を含む露光装置本体であり、除振台の制御のためのセンサとアクチュエータが取り付けられている。
ＡＣは振動検出手段の加速度センサ２５１、ＰＯは位置計測手段の位置センサ２５２、ＳＶは大重量の除振台を含む装置本体を支持するサーボバルブ、ＰＲは空気ばね内の圧力を計測する圧力センサ２５３、ＬＭは除振台の振動を抑制する電磁モータである。
これらセンサとアクチュエータを表わす記号は、方位と除振台における部位とを示す。
図１６において、除振台２０２の上にはＸＹステージ２０３が搭載されており、センサとアクチュエータとを内蔵する能動マウント２０４−１、２０４−２、２０４−３によって支持されている。
ＡＣ−Ｘ１は、能動マウント２０４−１内の振動計測手段でありＸ方向の振動を計測する。加速度センサＡＣ−Ｚ１、−Ｚ２、−Ｚ３、−Ｘ１、−Ｙ２、−Ｙ３の出力は運動モード抽出演算手段２０５に導かれる。除振台２０２の並進や回転といった運動モードの信号を、すなわち運動モード加速度信号（ａｘ，ａｙ，ａｚ，ａθｘ，ａθｙ，ａθｚ）を求める。
次に、運動モード加速度信号は積分補償器２０６に導かれて運動モードごとの速度信号へと変換されている。
続いて、各運動モードごとにダンピングを調整するためのゲイン補償器２０７へと導かれ、その出力信号は運動モード駆動信号（ｄｘ，ｄｙ，ｄｚ，ｄθｘ，ｄθｙ，ｄθｚ）となる。
この信号は運動モード分配演算手段２０８を通って各能動マウントの各アクチュエータが発生すべき駆動信号（ｄｚ１，ｄｚ２，ｄｚ３，ｄｘ１，ｄｙ２，ｄｙ３）となり、この信号でドライバ２０９が励起される。
このような振動制御系の構成によって、除振台２０２の振動特性は運動モードごとにほぼ非干渉に調整することができる。
上述の電磁モータＬＭに対する振動制御系の各ドライバ２０９の前段には加算端子が設けられており、そこには多チャンネル・無相関・Ｍ系列信号発生器２１０の出力が、スイッチ２１１を介して接続されている。
スイッチ２１１は各能動マウント内の全電磁モータＬＭへの接続のオンオフを管理する。図示の場合、全電磁モータＬＭがＭ系列信号によって加振される。
加振中の除振台２０２の挙動は、露光装置本体２０１に装着する振動計測手段ＡＣ、位置計測手段ＰＯ、圧力計測手段ＰＲを含めて運動状態を計測する他のセンサの出力信号で捉え、Ｍ系列信号発生器２１０の信号とともにデータ記憶部２１２に収集される。
次に、データ記憶部２１２に収集された時系列データは、プリフィルタリング部２１３にてフィルタリング処理される。
続いて、システム同定部２１４においてフィルタリングされた入出力データに対して同定がなされる。ここでシステム同定とは、入出力データを使って数学モデルを導出することである。
最後に、システム同定部２１４で取得した数学モデルは特性抽出・診断部２１５に送られて、ここで更に特性抽出および診断のためのデータ変換が行なわれる。
【０００５】
このように、従来の露光装置及び除振装置、システム同定装置は、閉ループもしくは開ループの制御系を構成するシステムに対して、疑似不規則信号（Ｍ系列信号）を印加して装置を構成する各要素の特性を同定し、装置の生産効率、運転効率を犠牲にすることなく、半導体露光装置のような産業機器の自己診断や異常検出を迅速に行うというものである。
【０００６】
図１８は、従来技術の第２の例を示す位置決め制御方法で行われる伝達関数を繰り返し修正しながら制御を行う方法を説明した模式図である。
（３０１）式に示すように伝達関数を繰り返し修正しながら位置決め制御を行い目標入力位置データの設定を行う。
Ｈｉ＋１（ｊω）＝Ｏｉ（ｊω）／Ｉｉ（ｊω）                  （３０１）
式（３０１）から図１８に示すように、既知の入力と応答から求めた伝達関数Ｈ１を計算する。この伝達関数Ｈ１を用いて、希望する応答Ｏから式（３０２）にしたがって入力１を計算し、目標入力位置データとして位置決め装置に教示する。
ｉ（ｔ）＝Ｆ−１［Ｘ（ｊω）／Ｈ（ｊω）］                    （３０２）
ここで、Ｆ−１［  ］は［  ］内のフーリエ逆変換を表す。
ｉ（ｔ）  ；逆伝達関数補償法で求める目標入力位置データ入力
Ｘ（ｊω）；希望する位置決め装置の応答
このとき、得られた応答１が希望する許容値内に誤差が収束していなければ、式（３０１）によって周波数領域の応答Ｏｉを用いて伝達関数Ｈ２を計算する。
この伝達関数Ｈ２を用いて希望する応答より式（３０２）によって新たな入力２を算出して目標入力位置データとする。
この操作を誤差が収束するまで繰り返し、伝達関数を修正しながら所定の制御結果が得られるまで繰り返すことにより、位置決めする。
また、検出される実移動量データの精度を判定する判定手段を設け、実移動量データと目標入力位置データとの誤差が限界値以下に収束した場合に、目標入力位置指令データで制御対象を位置決め制御運転する。
一方誤差が一定以下に収束しない第一補正の限界の場合、判定手段による判定に基づき伝達関数を修正しながら行う第１の補正を停止し、時間データによる目標入力位置データ補正を行う第２の補正を行い、その第２の補正後の目標入力位置データを最終目標入力位置データとして制御対象を位置決め制御運転する。
【０００７】
図１９は従来の技術の第２の実施例の位置決め制御方法を適用したＮＣタレットパンチプレス及びその制御ブロック図である。
図１９において、３０１はキャリッジ、３０２はＡＣサーボモータ、３０３はボールねじ、３０４はサーボアンプ、３０５はＮＣコントロールユニットである。
図１９に示すように制御対象としてのキャリッジ３０１の駆動系にはＡＣサーボモータ３０２とボールねじ３０３により駆動される。
さらにこの位置決め制御は、ＡＣサーボモータ３０２を用いたディジタルフィードバックされ、ＡＣサーボモータ３０２はサーボアンプ４を介してＮＣコントロールユニット３０５により駆動制御される。
ＡＣサーボモータ３０２のＮＣコントロールユニット３０５における制御プロセスは、
まず、ステップ状の入力位置データをかたちづくるプロファイルデータを入力し、そのプロファイルデータに基づいて目標入力位置指令データを算出し、その目標入力位置指令データにより前記ＡＣサーボモータ３０２を運転する。またそれと共にその目標入力位置指令データを高速フーリエ変換（ＦＦＴ）する。
次にレーザ測長機により測定されたキャリッジ３０１の実移動量をサンプリングして、目標入力位置指令データとの誤差により、精度を判定する。
その判定結果が問題なければ、前記目標入力位置指令データでＡＣサーボモータ３０２の駆動を続ける。
また、その判定結果が限界値を越えた場合には、前記実移動量データを高速フーリエ変換し、前記目標入力位置指令データのフーリエ変換データと前記実移動量データのフーリエ変換データとから伝達関数を算出する。
次いでその伝達関数と目標入力位置指令データのフーリエ変換データとから再度目標入力位置データを算出し、その再度算出された新目標入力位置データを逆フーリエ変換する。得られた新目標入力位置データにより前記ＡＣサーボモータ３０２を運転する。
次に再度レーザ測長機で測定したキャリッジ３０１の実移動量をサンプリングし、目標入力位置データとの誤差により、精度を判定する。
その判定結果が問題なければ、前記新目標入力位置データでＡＣサーボモータ３０２の駆動を続ける。また、その判定結果が限界値を越えた場合には、前記実移動量データをフーリエ変換し、前記新目標入力位置データのフーリエ変換データと前記実移動量データのフーリエ変換データとから再度伝達関数を算出し、その伝達関数と目標入力位置指令データのフーリエ変換データとから再度別の新目標入力位置データを算出し、その再度算出された新目標入力位置データを逆フーリエ変換する。
それにより得られた新目標入力位置データにより前記ＡＣサーボモータ２を運転する。
したがって以上の図１９のブロック図に示されるように従来の例においては伝達関数を算出する目標入力位置データに常に最新の目標入力位置データを用いる。
また以上の位置決め制御運転において、図２０のブロック図に示されるように検出される実移動量データの精度判定により、実移動量データと目標入力位置データとの誤差が限界値以下に収束した場合には、判定手段の判定によって目標入力位置指令データで制御対象を位置決め制御運転する。
一方検出される実移動量データと目標入力位置データとの誤差が一定以下に収束しない場合には、判定手段による判定に基づき伝達関数を修正しながら行う第１の補正を停止し、時間データによる目標入力位置データ補正を行う第２の補正を行い、その第２の補正後の目標入力位置データを最終目標入力位置データとして制御対象を位置決め制御運転する。かかる第２の補正は目標入力と実移動量との誤差の時間データに基づいて新目標入力位置データを算出する補正である。
【０００８】
このように、従来の位置決め制御方法及びその装置は、公知の手法である逆伝達関数補償法を用いて、繰り返し伝達関数補正による制御方法に伝達関数の補正精度を向上させる改良を加え、目標入力位置データを求めるのである。
【特許文献１】特開２０００−８２６６２号公報
【特許文献２】特開平７−７２９３３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
電動機制御装置を用いた位置決め装置あるいは産業用ロボットでは、制御パラメータを機械に最適になるように調整し、動作性能を向上する。ここで、閉ループ周波数応答特性は、制御パラメータを調整するうえで、機械の特性と、制御パラメータの設定が合致しているかを示す指針となる。つまり、閉ループ周波数応答特性は動作性能を示す指針となる。
【００１０】
しかしながら、従来の露光装置及び除振装置、システム同定装置及びその方法は、閉ループの制御系においても、疑似不規則信号（Ｍ系列信号）を印加して装置を構成する各要素の特性を同定することになっているが、閉ループの制御系に、疑似不規則信号（Ｍ系列信号）などを印加した場合には、アクチュエータへ供給する電流（トルクや推力）が飽和するので、制御系に制限がかかりシステム本来の応答を把握できないというような問題があった。
【００１１】
図２１は、閉ループからなる電動機制御装置の制御系に、掃引正弦波信号を印加したシミュレーションのトルク波形である。
図２１（ａ）は閉ループ制御系の応答性が低い場合、図２１（ｂ）は閉ループ制御系の応答性が高い場合である。産業用の機械に搭載する電動機制御装置は、応答性を極限まで上昇させて利用するので、制御系に信号を印加すると図２１（ｂ）のようなトルク（電流）となり、実際の制御系では、トルク（電流）値の制限があるため、このような動作が実際には実現できない。
【００１２】
また、従来の位置決め制御方法及びその装置は、初めに既知の入力と応答から求めた伝達関数Ｈ１を、目標入力位置データと実移動応答データから伝達関数Ｈ２に修正する方法で、伝達関数を求めている。伝達関数を繰り返し修正しながら位置決め制御を行うことにより効率的かつ高精度になるように目標入力位置データを求めており、最適な制御系のパラメータを調整できない。
【００１３】
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、開ループ周波数応答特性を取得するとともに制御モデルを利用し、閉ループ周波数応答特性を推定し、制御器の調整具合を確認することができ、さらに制御パラメータをどう変えれば目標とする周波数応答特性になるかを予測する電動機制御装置制御パラメータ感度解析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】
【００１４】
請求項１記載の本発明は、機械の動作量を検出する検出手段と、指令信号を発生する指令器と、指令信号を受けて電動機を駆動する制御器とからなる電動機制御装置において、制御器の特性を含まない開ループ周波数応答特性を取得する開ループ周波数応答特性計測手段と、電動機制御装置の制御器の制御モデルと、計測した開ループ周波数応答特性と制御モデルから閉ループ周波数応答特性を算出する演算手段と、制御器の制御パラメータと閉ループ周波数応答特性の変化の関係を感度解析する感度解析装置とを備えるようにしたものである。
【００１５】
請求項２記載の本発明は、請求項１記載の電動機制御装置制御パラメータ感度解析装置において、感度解析装置は、目標とする閉ループ周波数応答特性と閉ループ周波数応答との差異と、閉ループ周波数応答特性の数式モデルの制御パラメータの偏微分より、目標とする閉ループ周波数応答特性に近づく制御パラメータの変化量を推定するようにしたものである。
【００１６】
請求項３記載の本発明は、請求項２記載の電動機制御装置制御パラメータ感度解析装置において、感度解析装置は、目標とする閉ループ周波数応答特性に近づくよう推定した制御パラメータの変化量を反復演算により収束させるようにしたものである。
【００１７】
請求項４記載の本発明は、請求項１記載の電動機制御装置制御パラメータ感度解析装置において、感度解析装置は、予め任意に定められた範囲および刻み幅で、制御パラメータを変化させた場合の閉ループ周波数応答特性を算出し、制御パラメータの変化による閉ループ周波数応答特性の変化を推定するようにしたものである。
【００１８】
請求項５記載の本発明は、請求項１〜４記載の電動機制御装置制御パラメータ感度解析装置において、検出手段は、電動機の位置または速度または加速度、あるいは機械の位置または速度または加速度を検出して動作量とするようにしたものである。
【００１９】
請求項６記載の本発明は、請求項１〜５記載の電動機制御装置制御パラメータ感度解析装置において、制御器は、複数の前記制御パラメータを備えるようにしたものである。
【００２０】
請求項７記載の本発明は、請求項１〜６記載の電動機制御装置制御パラメータ感度解析装置において、制御器は、少なくとも１つの閉ループを備え、単位系にあわせて制御指令とそれぞれの成分の動作量を一致するように電動機を制御するようにしたものである。
【００２１】
請求項８記載の本発明は、請求項１〜７記載の電動機制御装置制御パラメータ感度解析装置において、演算手段は、計測した開ループ周波数応答特性を数値モデル化する数値モデル化手段を備え、開ループ周波数応答特性を数値モデル化し、電動機制御装置の制御器の制御モデルと開ループ周波数応答特性の数値モデルから閉ループ周波数応答特性を算出するようにしたものである。
【００２２】
請求項９記載の本発明は、請求項８記載の電動機制御装置制御パラメータ感度解析装置において、数値モデル化手段は、開ループ周波数応答特性を、機械共振周波数、減衰、ばね乗数、負荷もしくは負荷慣性モーメントのような機械特性に分類されるパラメータから構成される数値モデルに数値化するようにしたものである。
【００２３】
請求項１０記載の本発明は、請求項８〜９記載の電動機制御装置制御パラメータ感度解析装置において、電動機の電動機モデルと、その機械の動作量を検出する検出手段の検出手段モデルと、指令信号を発生する指令器の指令器モデルと、指令信号を受けて電動機を駆動する制御器の制御器モデルを備えた電動機制御装置の電動機制御装置モデルを有し、制御器の制御パラメータと等価な制御器モデルの制御パラメータと前記数値モデル化手段により数値化した開ループ周波数応答特性の数値モデルを用いて、指令入力に対する応答を時系列データとして出力する電動機制御装置の動作シミュレータを備えるようにしたものである。
【００２４】
請求項１１記載の本発明は、請求項４〜１０記載の電動機制御装置制御パラメータ感度解析装置において、制御パラメータ感度解析装置は、複数の前記制御パラメータを有する場合に、制御特性の応答性が変化しつつもバランスを保つゲインバランス式を備えるようにしたものである。
【００２５】
請求項１２記載の本発明は、請求項１〜１１記載の電動機制御装置制御パラメータ感度解析装置において、制御パラメータ感度解析装置は、制御パラメータに前記機械パラメータを含め、目標とする閉ループ周波数応答特性と推定した前記閉ループ周波数応答との差異と、推定した閉ループ周波数応答特性の数式モデルの制御パラメータの偏微分より、目標とする閉ループ周波数応答特性に近づく機械パラメータを含めた制御パラメータの変化量を推定するようにしたものである。
【００２６】
請求項１３記載の本発明は、請求項１、６、７、１０記載の電動機制御装置制御パラメータ感度解析装置において、制御器は、前記検出手段の信号を（−）端子に入力する減算器と、その減算器の信号を受けて働き制御指令を出力するような、少なくとも１つの閉ループを備え、単位系にあわせて制御指令とそれぞれの成分の動作量を一致するように電動機を制御し、加算器が少なくとも１つの閉ループの中に設けられ、加算器に指令発生装置の信号を入力することで、開ループ周波数応答特性計測手段が、開ループ周波数応答特性と等価な周波数特性を得るようにしたものである。
【００２７】
請求項１４記載の本発明は、請求項１、６、７、１０、１３に記載の電動機制御装置制御パラメータ感度解析装置において、制御器は、少なくとも１つ以上の閉ループと、少なくとも１つ以上の閉ループを開閉するスイッチを備えるようにしたものである。
【００２８】
請求項１５記載の本発明は、請求項１〜１４記載の電動機制御装置制御パラメータ感度解析装置において、入力手段と、表示装置と、記憶装置とを少なくとも１つ以上備えるようにしたものである。
【００２９】
請求項１６記載の本発明は、請求項１または８記載の電動機制御装置制御パラメータ感度解析装置において、制御モデルは各種制御則を揃えた制御則データベースを備えるようにしたものである。
【００３０】
請求項１７記載の本発明は、請求項１〜１６記載の電動機制御装置制御パラメータ感度解析装置において、電動機制御装置を少なくとも１つ以上有し、少なくとも１つの指令器を制御する指令制御器とを備え、少なくとも１つの前記電動機を動作し、少なくとも１つ以上の前記検出手段が少なくとも１つ以上の機械の動作量を検出し、周波数特性演算装置が、少なくとも１つ以上の開ループ周波数応答特性もしくは開ループ周波数応答特性と等価な周波数特性を得て、閉ループ周波数応答特性を推定するようにしたものである。
【発明の効果】
【００３１】
請求項１に記載の発明によると、制御パラメータを高ゲインに設定していても、トルク飽和もしくは推力飽和を起こすことなく、開ループ周波数応答特性を計測することができ、さらに前記制御器の制御パラメータと前記閉ループ周波数応答特性の変化の関係がわかるので、目標とする制御パラメータ値が明確になり、電動機制御装置の調整が簡単に実施できる。
【００３２】
請求項２に記載の発明によると、目標とする閉ループ周波数応答特性の変化に対する制御パラメータ感度解析により、目標とする閉ループ周波数応答特性に近づけるための制御パラメータの変化量を推定できるので、制御パラメータへの変化量、つまりは目標とする制御パラメータ値が明確になり、電動機制御装置の調整が簡単に実施できる。
【００３３】
また、請求項３に記載の発明によると、目標とする閉ループ周波数応答特性に対する制御パラメータ感度解析が１度に適切な制御パラメータの変化量を推定できない場合でも、反復演算するので、自動的に適切な制御パラメータの変化量を安定的に推定することができる。
【００３４】
また、請求項４に記載の発明によると、制御パラメータを高ゲインに設定していても、トルク飽和（もしくは推力飽和）を起こすことなく、開ループ周波数応答特性を計測することができ、閉ループ周波数応答特性を推定することができ、制御パラメータの変化に対する閉ループ周波数応答特性の変化を示す制御パラメータ感度解析により、閉ループ周波数応答特性の変化を予測でき、電動機制御装置の調整が簡単に実施できる。
【００３５】
また、請求項５記載の発明によると、前記電動機制御装置の検出手段の種類や設置場所に係わらず閉ループ周波数応答特性を推定することができる。
【００３６】
また、請求項６記載の発明によると、制御器に複数の制御パラメータを有することができる。
【００３７】
また、請求項７記載の発明によると、制御器が複数の閉ループを構成することができる。
【００３８】
また、請求項８記載の発明によると、開ループ周波数応答特性部分も数値化して、
閉ループ周波数応答特性を推定することができる。
【００３９】
また、請求項９記載の発明によると、開ループ周波数応答特性を機械特性のパラメータから構成される数値モデルに数値化するので、機械特性の要因を明確に数値モデル化できる効果がある。
【００４０】
また、請求項１０記載の発明によると、閉ループ周波数応答特性の推定結果に加えて、動作シミュレーションにより、電動機制御装置の調整を確認することができる。
【００４１】
また、請求項１１記載の発明によると、複数の前記制御パラメータを有する場合にも、制御特性の応答性が変化しつつもバランスを保つ制御パラメータ感度解析により、閉ループ周波数応答特性の変化を予測でき、電動機制御装置の調整が簡単に実施できる。
【００４２】
また、請求項１２記載の発明によると、目標とする閉ループ周波数応答特性に近づけるための要因や閉ループ周波数応答特性を変化させる要因として機械パラメータの変化量を考慮できる。
【００４３】
また、請求項１３記載の発明によると、制御ループを組んでいるので、前記電動機の動作による位置ずれを起こすことなく、前記開ループ周波数応答特性と等価な周波数応答特性を計測することができる。さらに機械的な位置ずれが起こらないので、位置変化による機械共振のずれを生じることなく、前記開ループ周波数応答特性と等価な周波数応答特性を計測することができる。
【００４４】
また、請求項１４記載の発明によると、開ループと閉ループを選択できるので、通常動作と、位置ずれを起こさずに開ループ周波数応答特性と等価な周波数応答特性を計測することと、開ループ周波数応答特性の計測することを選択できる。
【００４５】
また、請求項１５記載の発明によると、入力手段により、制御パラメータの値や、目標とする閉ループ周波数応答特性などを入力できる。
表示装置により、計測した開ループ周波数応答特性や、推定した閉ループ周波数応答特性や、目標とする閉ループ周波数応答特性などを周波数軸上のグラフとして表示するか、動作シミュレーションや実動作の結果を時間軸上のグラフとして表示するか、感度解析結果を数値として表示するかにより視覚的に確認できる。
記憶装置により、各種結果や諸条件を記憶するので、日時や場所を変えて閉ループ周波数応答特性の推定や制御パラメータ感度解析を実施できる。
【００４６】
また、請求項１６に記載の発明によると、現状とは異なる制御則を用いた場合の閉ループ周波数応答特性を推定することができる。
【００４７】
また、請求項１７に記載の発明によると、電動機制御装置が複数存在する場合においても、開ループ周波数応答特性を推定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４８】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
図１は、本発明の実施例の手順を示すフローチャート図である。
まず、ステップＳＴ０１では、開ループ周波数応答特性の計測を実施する。
次にステップＳＴ０２では、計測した開ループ周波数応答特性と制御モデルを用いて、閉ループ周波数応答特性を推定する。
さらに、ステップＳＴ０３では、感度解析を実施して、適切な制御パラメータを抽出する。
最後に、ステップＳＴ０４では、電動機制御装置の実機動作を確認する。
【００４９】
なお、ステップＳＴ０１では、開ループ系で開ループ周波数応答特性を計測しても良いし、閉ループ系で開ループ周波数応答特性と等価な周波数応答特性を計測しても良い。
ステップＳＴ０２では、計測してデジタルデータとして得られた開ループ周波数応答特性と制御モデルを用いて、閉ループ周波数応答特性を推定しても良いし、計測した開ループ周波数応答特性をいったん数値モデル化し、制御モデルと組み合わせて閉ループ周波数応答特性を推定しても良い。
また、ステップＳＴ０３の感度解析では、目標とする閉ループ周波数応答特性を指定し、これを実現するために制御パラメータをどのように変えるかを求め、閉ループ周波数応答特性の変化に対する制御パラメータの変化量を感度解析しても良いし、制御パラメータを変えた場合に閉ループ周波数応答特性がどのように変わるかを求め、制御パラメータの変化に対する閉ループ周波数応答特性の変化量を感度解析しても良い。
また、ステップＳＴ０４の実動作確認では、実機動作させる前に、動作シミュレーションにて動作を予測してもよい。
さらに、改めてステップＳＴ０１からＳＴ０２に進み、最終的に設定した制御パラメータ値における閉ループ周波数応答特性を推定し確認しても良い。
【００５０】
以下、５つの実施例に分けて、本内容を詳細に説明する。
実施例１にて、電動機を回転型モータとした事例で、ステップＳＴ０１からステップＳＴ０４の主な流れについて説明する。
実施例２にて、電動機を並進型リニアモータとした事例を説明する。
実施例３にて、電動機を回転型モータとし、負荷側の検出手段を追加したフルクローズド制御の事例によって、制御パラメータ感度解析を説明する。また、機械パラメータを制御パラメータに含めて制御パラメータ感度解析を実施する事例を説明する。
実施例４にて、ステップＳＴ０１の開ループ周波数応答特性の計測について追加説明する。
実施例５にて、電動機制御装置が複数存在する事例を説明する。
【実施例１】
【００５１】
図２は、本発明の第１実施例の閉ループ周波数応答特性推定装置の構成を示す図である。
図３は、本発明の第１実施例の閉ループ周波数応答特性推定装置のブロック図である。
図において、１は電動機、２は検出手段、３は制御器、４は指令器、５は機械、６は開ループ周波数応答特性計測手段、７は演算手段、８は入力装置、９は出力装置、１０は記憶装置、１１はゲインバランス式、１２は制御パラメータ感度解析装置、１４はスイッチ、１５は制御則データベース、１６は加算器、１７は動作シミュレータとなっている。
また電動機１は、回転型モータであり、検出手段２は回転型モータに付加されたエンコーダとなっている。
本発明が特許文献１と異なる部分は、開ループ周波数応答特性計測手段６と演算手段７とゲインバランス式１１と制御パラメータ感度解析装置１２と制御則データベース１５と動作シミュレータ１７を備えた部分である。また、特許文献２と異なる部分も同様である。
【００５２】
まず、ステップＳＴ０１の開ループ周波数応答特性を計測する手順について説明する。
ステップＳＴ０１にはＳＴ０１ａとＳＴ０１ｂがあるが、ＳＴ０１ｂは実施例５にて説明し、ここでは、ＳＴ０１ａについて述べる。
電動機制御装置の制御器を作用させるようなフィードバックループを持つ閉ループでは、周波数応答特性を得るための指令信号を入力すると、トルク飽和を起こすため、スイッチ１４を切り替え開ループとする。スイッチ１４ａと１４ｂは指令器４の指令信号Ｃを電動機１および負荷である機械５に与え、この応答Ｒを検出手段３が検出する。スイッチ１４ｃにより、フィードバックループを切り、開ループとする。
開ループ周波数応答特性計測手段６は、指令信号Ｃと応答Ｒを受け取り、開ループ周波数応答特性を得る。
【００５３】
次に、ステップＳＴ０２の開ループ周波数応答特性の計測結果から閉ループ周波数応答特性を推定する手順について説明する。
ステップＳＴ０２には、ＳＴ０２ａとＳＴ０２ｂがある。
ステップＳＴ０２ａの場合、開ループ周波数応答特性計測手段６で得た開ループ周波数応答特性Ｈをデジタルデータとして持っているため、制御器３の制御モデルにより、閉ループ周波数応答特性Ｑを推定できる。
図４は、開ループ周波数応答特性Ｈと制御モデルＧと指令信号Ｃと応答信号Ｒの関係を示す図である。
図５は、閉ループ周波数応答特性Ｑと指令信号Ｃと応答信号Ｒの関係を示す図である。
図４と図５は等価である。
制御モデルの特性である制御パラメータＧであれば、閉ループ周波数応答特性Ｑは、式（１）のようになる。制御モデルを周波数領域のモデルとして備えておけば、閉ループ周波数応答特性Ｑを推定できる。
【００５４】
【数１】
2005275588.tif 000003
【００５５】
一方、ステップＳＴ０２ｂの場合、開ループ周波数応答特性Ｈを数値モデル化する。例えば、公知の式（２）のように数値化する。
【００５６】
【数２】
2005275588.tif 000004
【００５７】
ここで、ｓ：ラプラス演算子、ａ１、ａ２は係数を示す。
ステップＳＴ０２ｂの場合、前記式（２）のように、数値化すれば、制御モデルが周波数領域のモデルでなくとも、実機の制御器３と等価な制御モデルを利用できる。このため、周波数領域の式（１）に反映することが複雑になるような場合でも、閉ループ周波数応答特性Ｑを推定できる。後述する動作シミュレーションと同等の構成から閉ループ周波数応答特性Ｑを推定できる。前記図４の構成で開ループ周波数応答特性Ｈを数値化していれば、式（３）より閉ループ周波数応答特性Ｑを推定できる。
【００５８】
【数３】
2005275588.tif 000005
【００５９】
ここで、ωは周波数を示す。
なお、実際の閉ループ周波数応答特性の演算では、式（４）のように、指令信号Ｃと応答信号Ｒの周波数分析結果からオートパワースペクトル、クロスパワースペクトルを求めて演算してもよい。
【００６０】
【数４】
2005275588.tif 000006
【００６１】
ここで、＊：複素共役を示す。
以上のようにして、閉ループ周波数応答特性Ｑを推定できる。
【００６２】
なお、開ループ周波数応答特性Ｈの数値モデル化を、式（２）にて説明したが、他のモデルにて数値化してもよい。
ステップＳＴ０２ｂの数値モデル化の例について追加説明する。
図６は、本発明の実施例の２慣性系に近似できる開ループ周波数応答特性の計測結果および数値モデルの１例を示すグラフである。
図７は、本発明の実施例の多慣性系に近似できる開ループ周波数応答特性の計測結果および数値モデルの１例を示すグラフである。
ここで、実線は計測した開ループ周波数応答特性を示し、破線は数値モデル化した開ループ周波数応答特性を示している。
図６のように開ループ周波数応答特性が２慣性系に近似できるような特性であれば、図８の電動機１側を駆動して検出手段２ａの応答で得た開ループ周波数応答特性Ｈ１１は以下に示す式（５）を用いて数値モデル化できる。
【００６３】
【数５】
2005275588.tif 000007
【００６４】
ここで、Ｊ１は電動機側の負荷慣性モーメント、Ｊ２は負荷側の負荷慣性モーメント、ｋはばね定数、ｄは減衰である。ＪはＪ１とＪ２の和である。
【００６５】
さらに、式（５）は、負荷もしくは負荷慣性モーメントＪ１、Ｊ２、ばね定数ｋ、減衰ｄという物理量を用いて数値化したが、開ループ周波数応答特性から得られる共振周波数ω、反共振周波数ωａ、とその減衰比ζ、ζａという特性量を用いて数値化しても良い。
式（５）を変形したのが、式（６）である。
【００６６】
【数６】
2005275588.tif 000008
【００６７】
ここで、
Ｊ＝Ｊ１＋Ｊ２
ω＝√（ｋ（１／Ｊ１＋１／Ｊ２））
ζ＝（ｄ／２）√（（１／Ｊ１＋１／Ｊ２）／ｋ）
ωａ＝√（ｋ／Ｊ２）
ζａ＝（ｄ／２）√（Ｊ２／ｋ）
さらに、図７のように開ループ周波数応答特性が多慣性系に近似できるような特性であれば、式（７）を用いて数値モデル化できる。
【００６８】
【数７】
2005275588.tif 000009
【００６９】
ここで、Ｎ：共振の数を示す。
この例では、図９のように多慣性の場合、負荷もしくは負荷慣性モーメントＪ１、Ｊ２、・・・・、ＪＮ、ばね定数ｋ１、、ｋＮ、減衰ｄ１、、ｄＮという物理量を用いてモデル化しても良いが、その推定・同定が困難なため、開ループ周波数応答特性から得られる共振周波数ωｒ、とその減衰比ζｒと、振幅および位相Ａｒを用いて、１自由度系の振動の総和として、比例粘性減衰として式（７）のように数値化している。
高次の共振の影響Ｂを考慮すると、余剰剛性Ｂを含めた式（８）としても良い。
【００７０】
【数８】
2005275588.tif 000010
【００７１】
一般粘性減衰系を適用すると、式（８）は式（９）となる
【００７２】
【数９】
2005275588.tif 000011
【００７３】
ここで、Ｕｒ，Ｖｒ：振幅および位相、σｒ：減衰を示す。
【００７４】
次に、ステップＳＴ０３の感度解析について説明する。
制御パラメータの変化に対する周波数応答特性の感度解析であるＳＴ０３ａの場合は、複数の閉ループ周波数応答特性を推定する。予め任意に定めた範囲で、任意に定めた刻み幅で、制御パラメータＧを変更し、新たな閉ループ周波数応答特性Ｑを推定し、グラフを重ねて出力装置９に表示する。これにより、制御パラメータＧの違いによる相対的な閉ループ周波数応答特性Ｑの違いが視覚的に明確になる。
なお、多重ループを構成するなど制御パラメータＧが複数ある場合には、制御パラメータのバランスを保つゲインバランス式（１１）にしたがって、制御パラメータＧを変更すれば良い。
【００７５】
周波数応答特性の変化に対する制御パラメータの感度解析であるステップＳＴ０３ｂの場合は、まず、目標とする閉ループ周波数応答特性Ｑ’を入力装置８より入力する。
現状の推定した閉ループ周波数応答特性Ｑを目標とする閉ループ周波数応答特性Ｑ’に近づけるため、式（１０）によるその差異ΔＱは
【００７６】
【数１０】
2005275588.tif 000012
【００７７】
と、前記式（１）からなる現状の推定した閉ループ周波数応答特性Ｑの制御パラメータＧの偏微分と、制御パラメータの変化量ΔＧは、式（１１）の関係となる
【００７８】
【数１１】
2005275588.tif 000013
【００７９】
式（１１）を詳しく書けば、
【００８０】
【数１２】
2005275588.tif 000014
【００８１】
となる。ここで、制御パラメータＧは複数の要素ｇ１，ｇ２，・・・・ｇｎを持つこととして表現している。
これより、例えばガウス・ニュートン法によって、制御パラメータの変化量ΔＧを導けば感度解析ができる。
また、目標とする閉ループ周波数応答特性Ｑと現状の閉ループ周波数応答特性Ｑの差異に重みＷを付けて、制御パラメータの変化量ΔＧを導いても良い。
【００８２】
【数１３】
2005275588.tif 000015
【００８３】
なお、閉ループ周波数応答特性Ｑの推定時に、ステップＳＴ０２ｂを経由した場合には、式（１）中の開ループ周波数応答特性Ｈが数値モデルとなるので、これらを制御パラメータに含めて変化量ΔＧを求めても良い。このような利用については、実施例３にて別途説明する。
【００８４】
ただし、式（１１）もしくは式（１２）から制御パラメータの変化量ΔＧを導いた場合、変化量ΔＧが目標とする閉ループ周波数応答特性Ｑ’に近づかない場合がある。つまり、閉ループ周波数応答特性Ｑ’に対する制御パラメータ変更の感度が高いが、ΔＱが増大するような変更量ΔＧを算出する場合がある。
この場合、反復計算により、制御パラメータ感度解析結果を収束させる。式（１４）のように制御パラメータを逐次更新し、収束した変更量ΔＧを導出する。
【００８５】
【数１４】
2005275588.tif 000016
【００８６】
また、以前の値よりΔＱが増大する場合には、式（１５）のように制御パラメータを逐次更新し、ΔＱが減少するようにする。
【００８７】
【数１５】
2005275588.tif 000017
【００８８】
ここで、０＜ｅ＜１
以上のように、制御パラメータ変更後の閉ループ周波数応答特性を予測できる。
こうして得られた制御パラメータの変化量ΔＧは表示装置により視覚的に確認できる。
【００８９】
以上のように、ステップＳＴ０３ａによる制御パラメータの変化に対する周波数応答特性の感度解析もしくはステップＳＴ０３ｂによる周波数応答特性の変化に対する制御パラメータの感度解析が実施され、閉ループ周波数応答特性すなわち動作性能を示す指針に対する制御パラメータの関係を把握できた。
【００９０】
最終的には、ステップＳＴ０４にて、実際の電動機制御装置が目標とする性能を引き出すよう、制御器の制御パラメータを設定し、確認する。
図３のスイッチ１４ａ，１４ｂにより、指令器の信号が制御器３に入り検出手段２の応答をフィードバックするように閉ループとし、実際に電動機を動作させて動作性能を確認する。
【００９１】
ステップＳＴ０２ｂにて開ループ周波数応答特性の数値モデルを作成していれば、ステップＳＴ０４ｂの実機検証の前に、ステップＳＴ０４ａにて数値演算により動作シミュレーションにて事前検討しても良い。
図１０は、動作シミュレーションの構成ブロック図である。指令器モデルと制御器モデルと電動機および負荷機械モデルを有し、フィードバックループを構成しており、指令器モデルが出力する指令信号を制御器モデルに入力し、制御器モデルからの出力を電動機および負荷機械モデルに入力し、電動機および負荷機械モデルからの出力を、前記指令信号から差し引くように制御モデルに入力するようになっている。実機の電動機制御装置を模した構成となっているので、ステップＳＴ０２ｂにて開ループ周波数応答特性の数値モデルを作成していれば、この数値モデルを電動機および負荷機械モデルとすれば、動作シミュレーションを実施できる。
これは、図３のブロック図と同じ構成である。第１実施例の閉ループ周波数応答特性推定装置を動作シミュレータとして利用しても良い。
実機検証ＳＴ０４もしくは動作シミュレーションＳＴ０４ｂでは、ステップＳＴ０３ｂにて推定した複数の閉ループ周波数応答特性を参考に、制御器の制御パラメータを任意に定めても良いし、ステップＳＴ０３ｂによって得た目標とする閉ループ周波数応答特性Ｑ’に近づく変化量を、制御器の制御パラメータに反映させてもよい。
なお、操作者の煩雑な操作が必要とならぬように、ステップＳＴ０３の出力値が実機検証ＳＴ０４ｂもしくは動作シミュレーションＳＴ０４で用いる設定値に自動的に反映させても良い。
また、ステップＳＴ０４の実機検証の結果も表示装置により、検出手段２の応答などが視覚的に確認できる。
【００９２】
また、記憶装置に、前記開ループ周波数応答特性、前記開ループ周波数応答特性の数値モデル、推定した前記閉ループ周波数応答特性、制御パラメータを変化させた場合の前記閉ループ周波数応答特性、前記制御モデルの前記制御パラメータ、前記制御器の前記制御パラメータ、目標に近づくよう推定した前記制御パラメータの変化量、もしくは前記電動機制御装置の構成諸元などを記憶できるので、開ループ周波数応答特性の推定を日時や場所を変えて実施できる。
【００９３】
さらに、制御モデルの制御則のデータベースを備えているので、現状の制御器の制御則以外を適用した場合の開ループ周波数応答特性を推定でき、その場合の周波数応答特性の変化に対する制御パラメータの感度解析もしくは制御パラメータの変化に対する周波数応答特性の感度解析が実施できる。
【００９４】
このように、開ループ周波数応答特性計測手段６と演算手段７とゲインバランス式１１と制御パラメータ感度解析装置１２と制御則データベース１５などを備えた制御パラメータ感度解析機能を有する閉ループ周波数応答特性推定装置の構成をしているので、閉ループ周波数応答特性を推定し、周波数応答特性の変化に対する制御パラメータの感度解析もしくは制御パラメータの変化に対する周波数応答特性の感度解析し、閉ループ周波数応答特性すなわち動作性能を示す指針に対する制御パラメータの関係を把握できるので、制御パラメータを機械に最適になるように調整し、動作性能を向上することができる。
【実施例２】
【００９５】
実施例２にて、電動機を並進型リニアモータとした事例を説明する。
図１１は第２実施例の閉ループ周波数応答特性推定装置の構成を示す図である。ブロック図は実施例１の図３と同様になる。図において、１は電動機、２は検出手段、３は制御器、４は指令器、５は機械、６は開ループ周波数応答特性計測手段、７は演算手段、８は入力装置、９は出力装置、１０は記憶装置、１１はゲインバランス式、１２は制御パラメータ感度解析装置、１５は制御則データベース、１６は加算器、１７は動作シミュレータとなっている。また電動機１は、並進型リニアモータであり、検出手段２は、並進型リニアモータの可動子および機械５の負荷の動作量を検出するリニアエンコーダとなっており、実施例１とは異なる。
本発明が特許文献１と異なる部分は、実施例１と同様に、開ループ周波数応答特性計測手段６と演算手段７とゲインバランス式１１と制御パラメータ感度解析装置１２と制御則データベース１５と動作シミュレータ１７を備えた部分である。また、特許文献２と異なる部分も同様である。
実施例２は、電動機１と検出手段２が実施例１と構成が異なるが、ブロック図は実施例１の図３と同じである。このため、ステップＳＴ０１からＳＴ０４までの動作は、実施例１と同じである。
このように、実施例１のような構成をしているので、実施例１と同じ効果を得ることができる。電動機１が回転型モータであっても、並進型リニアモータであっても同様の効果を得ることができる。
【実施例３】
【００９６】
実施例３にて、電動機を回転型モータとし、負荷側の検出手段を追加したフルクローズド制御の事例を説明する。制御パラメータの感度解析について追加説明し、機械パラメータを制御パラメータに含めて制御パラメータ感度解析を実施する事例を説明する。
図１２は本発明の第３実施例の閉ループ周波数応答特性推定装置の構成を示す図である。
図１３は本発明の実施例の閉ループ周波数応答特性推定装置の電動機制御装置部分を示すブロック図である。
図１２、図１３において、１は電動機、２ａ，２ｂは検出手段、３は制御器、４は指令器、５は機械、６は開ループ周波数応答特性計測手段、７は演算手段、８は入力装置、９は出力装置、１０は記憶装置、１１はゲインバランス式、１２は制御パラメータ感度解析装置、１４はスイッチ、１５は制御則データベース、１６は加算器、１７は動作シミュレータとなっている。
図１３には、電動機制御装置部分のみのブロック図を表示している。
また、電動機１は、回転型モータであり、検出手段２は、回転型モータに付加されたエンコーダ２ａと機械５の負荷の動作量を検出するリニアエンコーダ２ｂとなっており、速度を検出する回転型エンコーダ２ａと、位置を検出するリニアエンコーダ２ｂの両方を備えたフルクローズド制御系となっている。
さらに、制御器３は、位置ループと速度ループの多重ループ系を構成しており、位置ループには、位置ループゲインＫｐ、速度ループには、速度ループゲインＫｖと積分時定数Ｔｉを有する位置比例‐速度比例・積分（Ｐ−ＰＩ）制御を構成し、加えてトルクフィルタＴｆを有し、Ｋｐ、Ｋｖ、Ｔｉ、Ｔｆという４つの制御パラメータＧを持つ構成になっている。
このような点が実施例１，２とは異なる構成になっている。
本発明が特許文献１と異なる部分は、実施例１，２と同様に、開ループ周波数応答特性計測手段６と演算手段７とゲインバランス式１１と制御パラメータ感度解析装置１２と制御則データベース１５と動作シミュレータ１７を備えた部分である。また、特許文献２と異なる部分も同様である。
【００９７】
本実施例においても、ステップＳＴ０１からＳＴ０４までの動作は、実施例１と基本的には同じである。
検出手段２ａ，２ｂと多重ループ系の構成による実施例１，２と異なる点を中心に説明する。
ステップＳＴ０１の開ループ周波数応答特性の計測では、トルクからモータ速度・検出手段２ａまでの機械特性となる開ループ周波数応答特性ＨＶと、トルクから機械負荷位置・検出手段２ｂまでの機械特性となる開ループ周波数応答特性ＨＤという異なる２種類の開ループ周波数応答特性が存在している。
よって、実施例１，２と同様に開ループ周波数応答特性Ｈを計測し、２種類の開ループ周波数応答特性ＨＶとＨＤを得る。
【００９８】
ステップＳＴ０２では実施例１，２と同様に閉ループ周波数応答特性Ｑを推定するが、
ＳＴ０２ａもしくはＳＴ０２ｂ経由の結果により、２種類の閉ループ周波数応答特性ＱＣＰ→Ｄ，ＱＣＰ→Ｖを推定する。
前記式（１）に対応する制御パラメータは、Ｋｐ、Ｋｖ、Ｔｉ、Ｔｆから成る位置比例・速度比例積分（Ｐ−ＰＩ）制御を構成しているので、開ループ周波数応答特性ＨＶと、開ループ周波数応答特性ＨＤを用いて示すと、位置指令Ｃｐから位置応答Ｄまでの閉ループ周波数応答特性ＱＣＰ→Ｄは式（１６）のようになる。
【００９９】
【数１６】
2005275588.tif 000018
【０１００】
ここで、
また位置指令Ｃｐから速度応答Ｖまでの閉ループ周波数応答特性ＱＣＰ→Ｖは式（１７）のようになる。
【０１０１】
【数１７】
2005275588.tif 000019
【０１０２】
このように、実施例１と同様に閉ループ周波数応答特性を推定することができる。
また、ステップＳＴ０２ｂにて開ループ周波数応答特性ＨＤ，ＨＶを実施例１と同様に数値化した上で、閉ループ周波数応答特性を推定しても良い。
開ループ周波数応答特性ＨＤ，ＨＶを前記図８のような２慣性モデルに数値化すると、
Ｊ１側を駆動しＪ２側の応答を検出した場合は、トルクから機械負荷位置・検出手段２ｂまでの機械特性となる開ループ周波数応答特性ＨＤは式（１８）となる。
【０１０３】
【数１８】
2005275588.tif 000020
【０１０４】
Ｊ１側を駆動しＪ１側の応答を検出した場合は、第１の実施例に示した前記式（５）と同等である。これは、トルクからモータ速度・検出手段２ａまでの機械特性となる開ループ周波数応答特性ＨＶに相当する。
ＳＴ０２ｂが完了すれば、実施例１と同様に閉ループ周波数応答特性ＱＣＰ→Ｄ，ＱＣＰ→Ｖを推定できる。
なお、実施例１と同様に、多慣性モデルとして開ループ周波数応答特性を数値化し、閉ループ周波数応答特性ＱＣＰ→Ｄ，ＱＣＰ→Ｖを推定しても良い。
【０１０５】
ステップＳＴ０３では、実施例１と同様に、ステップＳＴ０３ａによる制御パラメータの変化に対する周波数応答特性の感度解析もしくはステップＳＴ０３ｂによる周波数応答特性の変化に対する制御パラメータの感度解析が実施される。
【０１０６】
ここでは、ＳＴＰ０２ｂにて開ループ周波数応答特性を数値化した場合に、その数値モデルの要素を含めて感度解析する例について追加説明する。
実施例１と同様にステップＳＴ０３ａとステップＳＴ０３ｂの双方が実施できる。
ステップＳＴ０３ａによる制御パラメータの変化に対する周波数応答特性の感度解析では、実施例１と同様に、予め任意に定めた範囲で、任意に定めた刻み幅で、制御パラメータＧ（Ｋｐ、Ｋｖ、Ｔｉ、Ｔｆ）を新たな閉ループ周波数応答特性Ｑを推定できる。
ステップＳＴＰ０２ｂにて開ループ周波数応答特性を数値化していれば制御パラメータＧと機械のパラメータを変更し、新たな閉ループ周波数応答特性Ｑを推定できる。
【０１０７】
前記のように開ループ周波数応答特性を２慣性モデルに数値化した場合は、電動機側の負荷慣性モーメントＪ１、負荷側の負荷慣性モーメントＪ２、ばね定数ｋ、減衰ｄを変更して新たな閉ループ周波数応答特性Ｑを推定できる。
なお、実施例１で述べたように、２慣性モデルを共振周波数ω、反共振周波数ωａ、とその減衰比ζ、ζａという特性量を変更して新たな閉ループ周波数応答特性Ｑを推定しても良い。
開ループ周波数応答特性を多慣性系に近似した場合は、各々の共振周波数ωｒ、減衰比ζｒと、振幅および位相Ａｒ、総負荷慣性モーメントＪ，もしくは余剰剛性Ｂ、を変更しても良いし、多慣性系を比例粘性減衰系ではなく一般粘性減衰系とすれば、各々の共振周波数ω、減衰比ζと、振幅および位相ＵおよびＶ、総負荷慣性モーメントＪ，もしくは余剰剛性Ｂ、を変更しても良い
【０１０８】
ステップＳＴ０３ｂによる周波数応答特性の変化に対する制御パラメータの感度解析では、実施例１と同様に、目標とする閉ループ周波数応答特性を入力し、目標とする閉ループ周波数応答特性に近づける制御パラメータＧの変化量を求めるが、制御パラメータＧの中に機械パラメータを含めて感度解析できる。
機械パラメータは、開ループ周波数応答特性をＳＴＯ２ｂにて数値モデル化していれば得られている。
まず、制御パラメータＧ（Ｋｐ、Ｋｖ、Ｔｉ、Ｔｆ）のみの感度解析を示すと、式（１９）のようになる。
【０１０９】
【数１９】
2005275588.tif 000021
【０１１０】
式（１９）
こうした感度解析を閉ループ周波数応答特性ＱＣＰ→Ｄ，ＱＣＰ→Ｖに対して実施すればよい。
開ループ周波数応答特性を２慣性モデルとすれば、負荷慣性モーメントＪ１、負荷側の負荷慣性モーメントＪ２、ばね定数ｋ、減衰ｄ、あるいは、共振周波数ω、反共振周波数ωａ、とその減衰比ζ、ζａ、多慣性モデルであれば、各々の共振周波数ωｒ、減衰比ζｒと、振幅および位相Ａｒ、総負荷慣性モーメントＪ，もしくは余剰剛性Ｂ、としても良いし、多慣性系を比例粘性減衰系ではなく一般粘性減衰系とすれば、各々の共振周波数ωｒ、減衰比ζｒと、振幅および位相ＵｒおよびＶｒ、総負荷慣性モーメントＪ，もしくは余剰剛性Ｂ、を制御パラメータＧ（Ｋｐ、Ｋｖ、Ｔｉ、Ｔｆ）に含めて感度解析できる。
開ループ周波数応答特性を２慣性モデルとすれば、式（２０）を元に感度解析できる。
【０１１１】
【数２０】
2005275588.tif 000022
【０１１２】
なお、２慣性モデルを前記（５）式のように数値化していれば、式（２１）を元に感度解析できる。
【０１１３】
【数２１】
2005275588.tif 000023
【０１１４】
開ループ周波数応答特性を多慣性系に近似し、比例粘性減衰系とすれば、式（２２）を元に感度解析できる。
【０１１５】
【数２２】
2005275588.tif 000024
【０１１６】
このように、ステップＳＴ０３では、実施例１と同様に、感度解析を実施して、適切な制御パラメータを抽出できる。また、開ループ周波数応答特性Ｈを数値化していれば、機械パラメータを含めて感度解析でき、目標とする動作性能にするための機械側の改良点がわかる。
【０１１７】
ステップＳＴ０４では、実施例１と同様に、実機動作の確認や動作シミュレータの活用が可能である。
なお、本事例では、制御器の制御パラメータをフィードバック系のＫｐ、Ｋｖ、Ｔｉ、Ｔｆ４つとしたが、フィードフォワード系のパラメータを構成しても良いし、ノッチフィルタなどを加えて構成しても良い。
【実施例４】
【０１１８】
実施例４にて、ステップＳＴ０１の開ループ周波数応答特性の計測について追加説明する。
前記図１３の本発明の実施例の閉ループ周波数応答特性推定装置の電動機制御装置部分を示すブロック図を用いて説明する。図中は、指令器４の指令信号Ｃをスイッチ１４ａ、１４ｂにより、位置ループに加えられるルートと、電動機１の直前に加えられるルートを持っている。
ステップＳＴ０１の開ループ周波数応答特性の計測において、ＳＴ０１ｂでは閉ループ状態で、開ループ周波数応答特性と等価な周波数応答特性を得ることが可能である。
スイッチ１４ｃをＯＮし閉ループ状態とし、検出手段２の応答は加算器１６ａで（−）入力される。加算器１６ａの（＋）端子には入力がなく、“０”の入力を保つように制御器３が働きながら、スイッチ１４ａ、１４ｂにより指令器４の指令信号Ｃを電動機１の直前の加算器１６ｂに（＋）入力され、開ループ周波数応答特性計測手段６は、指令信号Ｃと応答Ｖ，Ｄと、一巡したトルクＴを受け取り、開ループ周波数応答特性を得る。
開ループ周波数応答特性と等価な周波数応答特性Ｈは式（２３）により得られる。
【０１１９】
【数２３】
2005275588.tif 000025
【０１２０】
ここで、
2005275588.tif 000026
を示す。
このように指令信号Ｃと一巡したトルクＴの和の周波数分析結果と、応答Ｖ，Ｄの周波数分析結果から周波数応答特性Ｈを得る。
ステップＳＴ０１ｂはＳＴ０１ａと同じ周波数応答特性Ｈを得られるので、ステップＳＴ０２、ＳＴ０３，ＳＴ０４は、実施例１から３と同様に実施できる。
【実施例５】
【０１２１】
実施例５にて、電動機制御装置が複数存在する事例を説明する。
図１４は、本発明の第５実施例の閉ループ周波数応答特性推定装置の構成を示す図である。
図１５は、本発明の第５実施例の閉ループ周波数応答特性推定装置のブロック図である。
対象のマシンは２軸のＸＹ構成であり、１ａ、１ｂは電動機、２ａ、２ｂは検出手段、３ａ、３ｂは制御器、４ａ、４ｂは指令器、４ｃは指令器制御器、５ａ、５ｂは機械、６は開ループ周波数応答特性計測手段、７は演算手段、８は入力装置、９は出力装置、１０は記憶装置、１１はゲインバランス式、１２は制御パラメータ感度解析装置、１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ，１４ｅ，１４ｆはスイッチ、１５は制御則データベース、１６は加算器、１７は動作シミュレータとなっている。さらに、２軸のため指令器４ａ、４ｂを制御する指令器制御器４ｃを持つ。
また、図１５のブロック図には、他軸の干渉を周波数応答特性Ｈ２１，Ｈ１２で示し、この他軸の干渉を抑制する制御系３５を加えている。
実施例１の構成を２つ組み合わせており、２つの電動機制御装置に、指令器制御器４ｃと周波数応答特性Ｈ２１，Ｈ１２と他軸の干渉を抑制する制御系３５を加えて構成した点が他の実施例とは異なる。
本発明が特許文献１と異なる部分は、開ループ周波数応答特性計測手段６と演算手段７とゲインバランス式１１と制御パラメータ感度解析装置１２と制御則データベース１５と動作シミュレータ１７を備えた部分である。加えて、他軸との干渉を周波数応答特性Ｈ２１，Ｈ１２で示している部分である。また、特許文献２と異なる部分も同様である。
【０１２２】
ステップＳＴ０１からＳＴ０４まで、実施例１から４と同様に実施できるが、多軸構成であることによる特徴を説明する。
例えば、ステップＳＴ０１の開ループ周波数応答特性の計測では、ＳＴ０１ａにて、式（２４）のように１軸目の指令信号Ｃ１に対する１軸目の応答Ｖ１と２軸目の応答Ｖ２による開ループ周波数応答特性を計測できる。
【０１２３】
【数２４】
2005275588.tif 000027
【０１２４】
同様に、式（２５）のように２軸目の指令信号Ｃ２に対する２軸目の応答Ｖ２と１軸目の応答Ｖ１よる開ループ周波数応答特性を計測できる。
【０１２５】
【数２５】
2005275588.tif 000028
【０１２６】
なお、指令信号Ｃ１と指令信号Ｃ２を同時に与えて、式（２６）のようにそれぞれの開ループ周波数応答特性を計測しても良い。
【０１２７】
【数２６】
2005275588.tif 000029
【０１２８】
ステップＳＴ０２では、実施例１から４と同様に、閉ループ周波数応答特性を推定することができる。
なお、ステップＳＴ０２ｂにて開ループ周波数応答特性を数値化する場合に、構成条件に合わせて前記式（５）から（９）を変形しても良い。例えば、図のような２軸が直交していれば、指令信号Ｃ１の応答Ｖ２には剛体移動成分が発生しないため総負荷慣性モーメントＪの移動成分を省略し、前記式（９）を式（２７）のように、条件に合わせて変形する。
【０１２９】
【数２７】
2005275588.tif 000030
【０１３０】
ステップＳＴ０３の感度解析は、実施例１から４と同様に実施できる。
なお、２軸構成なので、２軸が同時に動作すると、図１５のように指令信号Ｃ１に対する応答Ｖ２、指令信号Ｃ２に対する応答Ｖ１が制御系に混入し影響を与えるので、こうした影響を相殺するような他軸の干渉を抑制する制御系３５ａ，３５ｂを追加して制御パラメータＧに加え、感度解析を実施し、最適な制御パラメータを推定しても良い。
【０１３１】
ステップＳＴ０４の実動作確認は、実施例１から４と同様に実施できる。
このように、多軸構成の場合にも、多軸特有の条件を含めて、閉ループ周波数応答特性すなわち動作性能を示す指針に対する制御パラメータの関係を把握できるので、制御パラメータを機械に最適になるように調整し、動作性能を向上することができる。
【０１３２】
なお、２軸構成ながらも１つの開ループ周波数応答特性計測手段６、演算手段７、入力装置８、出力装置９、記憶装置１０、ゲインバランス式１１、制御パラメータ感度解析装置、制御則データベース１５を持つ構成としたが、いずれかを１軸ごとに備えても良い。
【産業上の利用可能性】
【０１３３】
開ループ周波数応答特性を計測後、数値演算により閉ループ周波数応答特性を推定することによって、周波数応答特性を計測する際に生じる機械への負荷を最小限に留め、閉ループ周波数応答特性を確認しながら制御器の制御パラメータを調整するという用途にも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【０１３４】
【図１】本発明の実施例の手順を示すフローチャート図
【図２】本発明の第１実施例の閉ループ周波数応答特性推定装置の構成を示す図
【図３】本発明の第１実施例の閉ループ周波数応答特性推定装置の構成を示すブロック図
【図４】開ループ周波数応答特性Ｈと制御モデルＧと指令信号Ｃと応答信号Ｒの関係を示す図
【図５】閉ループ周波数応答特性Ｑと指令信号Ｃと応答信号Ｒの関係を示す図
【図６】本発明の実施例の２慣性系に近似できる開ループ周波数応答特性の計測結果および数値モデルの１例を示すグラフ
【図７】本発明の実施例の多慣性系に近似できる開ループ周波数応答特性の計測結果および数値モデルの１例を示すグラフ
【図８】本発明の実施例の２慣性系のばね・マス・モデル図
【図９】本発明の実施例の多慣性系のばね・マス・モデル図
【図１０】本発明の実施例の動作シミュレーションの構成ブロック図
【図１１】本発明の第２実施例の閉ループ周波数応答特性推定装置の構成を示す図
【図１２】本発明の第３実施例の閉ループ周波数応答特性推定装置の構成を示す図
【図１３】本発明の実施例の閉ループ周波数応答特性推定装置の電動機制御装置部分を示すブロック図
【図１４】本発明の第５実施例の閉ループ周波数応答特性推定装置の構成をブロック図
【図１５】本発明の第５実施例の閉ループ周波数応答特性推定装置の構成を示す図
【図１６】従来技術であるシステム同定装置及びその方法を示す例である半導体製造装置におけるアクティブ除振装置への一適用を示したブロック図
【図１７】従来技術であるアクティブ除振装置とそれに搭載されたＸＹステージの構造を示す図
【図１８】従来技術の第２の例を示す位置決め制御方法で行われる伝達関数を繰り返し修正しながら制御を行う方法を説明した模式図
【図１９】従来の技術の第２の例の位置決め制御方法を適用したＮＣタレットパンチプレス及びその制御ブロック図
【図２０】従来の技術の第２の例の位置決め制御方法を適用したＮＣタレットパンチプレス及び他の制御ブロック図
【図２１】閉ループの制御系に、掃引正弦波信号を印加したシミュレーションのトルク波形
【符号の説明】
【０１３５】
１  電動機  １ａ，１ｂ
２  検出手段  ２ａ，２ｂ
３  制御器    ３ａ，３ｂ
４  指令器    ４ａ，４ｂ
５  機械
６  開ループ周波数応答特性計測手段
７  演算手段
８  入力装置
９  出力装置
１０  記憶装置
１１  ゲインバランス式
１２  制御パラメータ感度解析装置
１３  指令器制御器
１４  スイッチ
１５  制御則データベース
１６  加算器
１７  動作シミュレータ
２１  電動機モデル  
２２  検出手段モデル  
２３  制御器モデル    
２４  指令器モデル    
２５  機械モデル
３１  位置ループゲイン
３２  速度ループゲイン
３３  積分時定数
３４  トルク（推力）フィルタ
３５  他軸の干渉を抑制する制御系
２０１  露光装置本体
２０２  除振台
２０３  ＸＹステージ
２０４  能動マウント  
２０４−１，２０４−２，２０４−３２０５  運動モード抽出演算手段
２０６  積分補償器
２０７  ゲイン補償器
２０８  運動モード分配演算手段
２０９  ドライバ
２１０  多チャンネル・無相関・Ｍ系列信号発生器
２１１  スイッチ
２１２  データ記憶部
２１３  プリフィルタリング
２１４  システム同定部
２１５  特性抽出・診断部
２５１  加速度センサ
２５２  位置センサ
２５３  圧力センサ
２７１  レーザ干渉計（ＸＹステージのＸ方向の変位）
２７２  レーザ干渉計（ＸＹステージのＹ方向の変位）
２７３  レーザ干渉計（ＸＹステージの鉛直軸回りの回転）
３０１キャリッジ、
３０２ＡＣサーボモータ、
３０３ボールねじ、
３０５ＮＣコントロールユニット、
【図１】
2005275588.tif 000031
【図２】
2005275588.tif 000032
【図３】
2005275588.tif 000033
【図４】
2005275588.tif 000034
【図５】
2005275588.tif 000035
【図６】
2005275588.tif 000036
【図７】
2005275588.tif 000037
【図８】
2005275588.tif 000038
【図９】
2005275588.tif 000039
【図１０】
2005275588.tif 000040
【図１１】
2005275588.tif 000041
【図１２】
2005275588.tif 000042
【図１３】
2005275588.tif 000043
【図１４】
2005275588.tif 000044
【図１５】
2005275588.tif 000045
【図１６】
2005275588.tif 000046
【図１７】
2005275588.tif 000047
【図１８】
2005275588.tif 000048
【図１９】
2005275588.tif 000049
【図２０】
2005275588.tif 000050
【図２１】
2005275588.tif 000051