(57)【要約】  【課題】より低い周波数の振動が発生しやすくなったり、制御時間が長くなったりすることなく、制御系の振動を抑制する装置および振動抑制方法を提供する。  【解決手段】偏差ｅまたは操作量ｕを入力し、その信号に含まれる振動成分をバンドパスフィルタによって抽出して制振信号ｙＢを出力する制振手段３を備え、制振信号ｙＢと制御量ｙとの和をフィードバック信号ｙｆとする。  【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
指令ｒからフィードバック信号ｙｆを差し引いた偏差ｅを入力し、制御対象に操作量ｕを出力して、前記制御対象の出力ｙを前記指令ｒに追従させるメイン制御器を備えたフィードバック制御装置において、
前記偏差ｅを入力し、その信号に含まれる振動成分をバンドパスフィルタによって抽出し制振信号ｙＢを出力する制振手段を備え、該制振手段から出力された前記制振信号ｙＢを前記制御対象の出力ｙに加えて前記フィードバック信号ｙｆとするようにフィードバック制御系を構成することを特徴とするフィードバック制御装置。
【請求項２】
指令ｒからフィードバック信号ｙｆを差し引いた偏差ｅを入力し、制御対象に操作量ｕを出力して、前記制御対象の出力ｙを前記指令ｒに追従させるメイン制御器を備えたフィードバック制御装置において、
前記操作量ｕを入力し、その信号に含まれる振動成分をバンドパスフィルタによって抽出し制振信号ｙＢを出力する制振手段を備え、該制振手段から出力された前記制振信号ｙＢを前記制御対象の出力ｙに加えて前記フィードバック信号ｙｆとするようにフィードバック制御系を構成することを特徴とするフィードバック制御装置。
【請求項３】
前記制振手段は、予め設定された周波数付近の周波数成分のみを通過させるバンドパスフィルタと、ゲインは常に１であり位相を周波数によって変化させるオールパスフィルタと、ゲイン手段とを備えることを特徴とする請求項１または２記載のフィードバック制御装置。
【請求項４】
前記制振手段は、予め設定された周波数付近の周波数成分のみを通過させるバンドパスフィルタとゲイン手段とを備えることを特徴とする請求項１または２記載のフィードバック制御装置。
【請求項５】
指令ｒからフィードバック信号ｙｆを差し引いた偏差ｅを入力し、制御対象に操作量ｕを出力して、前記制御対象の出力ｙを前記指令ｒに追従させるメイン制御器を備えたフィードバック制御装置の振動抑制方法であって、
前記偏差ｅを入力し、その信号に含まれる振動成分を抽出し制振信号ｙＢを算出する制振演算を行い、その演算結果制振信号ｙＢを前記制御対象の出力ｙに加えて前記フィードバック信号ｙｆを算出することを特徴とするフィードバック制御装置の振動抑制方法。
【請求項６】
指令ｒからフィードバック信号ｙｆを差し引いた偏差ｅを入力し、制御対象に操作量ｕを出力して、前記制御対象の出力ｙを前記指令ｒに追従させるメイン制御器を備えたフィードバック制御装置の振動抑制方法であって、
前記操作量ｕを入力し、その信号に含まれる振動成分を抽出し制振信号ｙＢを算出する制振演算を行い、その演算結果制振信号ｙＢを前記制御対象の出力ｙに加えて前記フィードバック信号ｙｆを算出することを特徴とするフィードバック制御装置の振動抑制方法。
【請求項７】
前記制振演算は、信号を入力し、バンドパスフィルタ処理を行い、その結果に対してゲインは常に１であり位相を周波数によって変化させるオールパスフィルタ処理を行い、その結果にゲインを乗じた制振信号ｙＢを算出することを特徴とする請求項５または６記載のフィードバック制御装置の振動抑制方法。
【請求項８】
前記制振演算は、信号を入力し、バンドパスフィルタ処理を行い、その結果にゲインを乗じた制振信号ｙＢを算出することを特徴とする請求項５または６記載のフィードバック制御装置の振動抑制方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は振動要素が存在する制御対象の出力を指令に追従させるフィードバック制御装置に関し、とくに、制御対象の振動を抑制する装置および振動抑制方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
第１の従来技術として、メイン制御器と制御対象の間に制御系の振動周波数に合わせたノッチ周波数のノッチフィルタ（ＮＴＦ）を入れることにより制御系の振動を抑制することは周知である。
図９は、第１の従来技術を説明するブロック線図である。図９において、メイン制御器１は制御対象２の制御量ｙが指令ｒに一致するように制御演算を行って制御対象２へ操作量ｕを出力する。もし、制御対象２に振動原因が存在している場合には、制御量ｙにその振動成分が含まれることがあり、その信号がフィードバックされ、さらに制御器１で増幅されて、振動が大きくなることがある。第１の従来技術は、メイン制御器１と制御対象２との間に制御系の振動周波数に合わせたノッチ周波数のノッチフィルタ（ＮＴＦ）を入れることにより制御系の振動を抑制する例である。
また、第２の従来技術として、指令を、ノッチフィルタを通させた後、フィードバックループに入力することにより制御系の振動を抑制することも知られている（例えば、特許文献１参照）。
図１０は、第２の従来技術の具体的な例である。図１０において、指令中の制御系の振動周波数の成分はノッチフィルタによって除去され、制御系の振動を刺激しないようにするため、制御量の振動成分が小さくなる。
【特許文献１】特開２００２−２２９６０２号公報（第３頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかるに、第1の従来技術では、ノッチフィルタは位相遅れを生じるため、ノッチフィルタを入れることによって制御系の遅れが増大し、より低い周波数の振動が発生しやすくなることがあるという問題があった。
また、第２の従来技術では、ノッチフィルタの時間遅れにより、フィードバックループに加わる指令の指令時間がもとの指令時間より長くなり、制御時間が長くなるという問題があった。
そこで、本発明の目的は、従来技術で生じていた、より低い周波数の振動が発生しやすくなったり、制御時間が長くなったりするという問題点を解消し、制御系の振動を抑制する装置および振動抑制方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成した。
請求項１に記載の発明は、指令ｒからフィードバック信号ｙｆを差し引いた偏差ｅを入力し、制御対象に操作量ｕを出力して、前記制御対象の出力ｙを前記指令ｒに追従させるメイン制御器を備えたフィードバック制御装置において、
前記偏差ｅを入力し、その信号に含まれる振動成分をバンドパスフィルタによって抽出し制振信号ｙＢを出力する制振手段を備え、該制振手段から出力された前記制振信号ｙＢを前記制御対象の出力ｙに加えて前記フィードバック信号ｙｆとするようにフィードバック制御系を構成することを特徴とするものである。
【０００５】
また、請求項２に記載の発明は、指令ｒからフィードバック信号ｙｆを差し引いた偏差ｅを入力し、制御対象に操作量ｕを出力して、前記制御対象の出力ｙを前記指令ｒに追従させるメイン制御器を備えたフィードバック制御装置において、
前記操作量ｕを入力し、その信号に含まれる振動成分をバンドパスフィルタによって抽出し制振信号ｙＢを出力する制振手段を備え、該制振手段から出力された前記制振信号ｙＢを前記制御対象の出力ｙに加えて前記フィードバック信号ｙｆとするようにフィードバック制御系を構成することを特徴とするものである。
【０００６】
また、請求項３に記載の発明は、前記制振手段は、前記指令ｒからフィードバック信号ｙｆを差し引いた偏差ｅ、または前記メイン制御器の出力である操作量ｕを入力し、該偏差ｅまたは該操作量ｕをバンドパスフィルタに入力し、前記バンドパスフィルタの出力を、ゲインは常に１であり位相を周波数によって変化させるオールパスフィルタに入力し、前記オールパスフィルタの出力にゲインを乗じた制振信号ｙＢを出力することを特徴とするものである。
【０００７】
また、請求項４に記載の発明は、前記制振手段は、前記指令ｒからフィードバック信号ｙｆを差し引いた偏差ｅ、または前記メイン制御器の出力である操作量ｕを入力し、該偏差ｅまたは該操作量ｕをバンドパスフィルタに入力し、前記バンドパスフィルタの出力にゲインを乗じた制振信号ｙＢを出力することを特徴とするものである。
【０００８】
また、請求項５に記載の発明は、指令ｒからフィードバック信号ｙｆを差し引いた偏差ｅを入力し、制御対象に操作量ｕを出力して、前記制御対象の出力ｙを前記指令ｒに追従させるメイン制御器を備えたフィードバック制御装置の振動抑制方法であって、
前記偏差ｅを入力し、その信号に含まれる振動成分を抽出し制振信号ｙＢを算出する制振演算を行い、その演算結果制振信号ｙＢを前記制御対象の出力ｙに加えて前記フィードバック信号ｙｆを算出することを特徴とするものである。
【０００９】
また、請求項６に記載の発明は、指令ｒからフィードバック信号ｙｆを差し引いた偏差ｅを入力し、制御対象に操作量ｕを出力して、前記制御対象の出力ｙを前記指令ｒに追従させるメイン制御器を備えたフィードバック制御装置の振動抑制方法であって、
前記操作量ｕを入力し、その信号に含まれる振動成分を抽出し制振信号ｙＢを算出する制振演算を行い、その演算結果制振信号ｙＢを前記制御対象の出力ｙに加えて前記フィードバック信号ｙｆを算出することを特徴とするものである。
【００１０】
また、請求項７に記載の発明は、前記制振演算は、前記指令ｒからフィードバック信号ｙｆを差し引いた偏差ｅ、または前記メイン制御器の出力である操作量ｕを入力し、バンドパスフィルタ処理を行い、その結果に対してゲインは常に１であり位相を周波数によって変化させるオールパスフィルタ処理を行い、その結果にゲインを乗じた制振信号ｙＢを算出することを特徴とするものである。
【００１１】
また、請求項８に記載の発明は、前記制振演算は、前記指令ｒからフィードバック信号ｙｆを差し引いた偏差ｅ、または前記メイン制御器の出力である操作量ｕを入力し、バンドパスフィルタ処理を行い、その結果にゲインを乗じた制振信号ｙＢを算出することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、制御量に含まれる振動成分を制振信号で打ち消すため、制御系の振動を抑制できる。また、バンドパスフィルタを含む制振手段は制御対象と並列にフィードバックループに組み込まれるため、異なった周波数の振動を起こしたり制御時間が長くなることもない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
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。
【実施例１】
【００１４】
実際のフィードバック制御装置には様々な機能や手段が内蔵されているが、図には本発明に関係する機能や手段のみを記載し説明することとする。また、以下同一名称には極力同一符号を付け重複説明を省略する。
図１は本発明を適用する第１の実施例を示すブロック図である。図１において、１はメイン制御器、２は制御対象、３は制振手段、４はバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）、９はオールパスフィルタ（ＡＰＦ）、５はゲイン手段である。また、６は加算器、７は減算器である。  
減算器７は指令ｒを加算側から入力しフィ−ドバック信号ｙｆを減算側から入力し偏差ｅをメイン制御器１及び制振手段３へ出力する。メイン制御器１は偏差ｅを入力し操作量ｕを制御対象２へ出力する。制御対象２は操作量ｕを入力し制御量ｙを加算器６へ出力する。制振手段３は偏差ｅを入力し制振信号ｙＢを加算器６へ出力する。加算器６は制御量ｙと制振信号ｙＢを入力しフィードバック信号ｙｆを減算器７の減算側へ出力する。
制振手段３はバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）４とオールパスフィルタ（ＡＰＦ）９とゲイン手段５とで構成されている。
この制御系は図１１に示す従来のフィードバック制御系に制振手段３を追加したものである。
【００１５】
制振手段３では、指令ｒからフィードバック信号ｙｆを減算器７によって差し引いた偏差ｅを入力し、バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）４により予め設定された周波数付近の周波数成分のみを通過させ、ゲインは常に１であり位相を周波数によって変化させるオールパスフィルタ（ＡＰＦ）９によって位相を調整し、ゲイン手段５によってゲインＫＢを乗じて制振信号ｙＢを算出し、加算器６へ出力する。
制振信号ｙＢは、加算器６によって制御対象２の出力である制御量ｙと加算してフィードバック信号ｙｆとなる。
【００１６】
まず、振動抑制の原理について説明する。
制振手段３を組み込む前の制御系の振動周波数をｆ０とする。このとき、偏差ｅ中の周波数ｆ０の成分はメイン制御器１および制御対象２を通った後に位相が反転する。前記信号をそのままフィードバックし、メイン制御器１のゲインを上げると、振動を励起してしまう。
そこで、制振手段３を組み込む。ここに、バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）４の中心周波数をｆ０とすることによって、制振手段３にｆ０付近の周波数成分のみを通過させる。また、オールパスフィルタ（ＡＰＦ）９の位相調節およびゲイン手段５のゲイン調節によって、制振手段３の出力である制振信号ｙＢ中の周波数ｆ０の成分と制御量ｙ中の周波数ｆ０の成分とはゲインが同じで位相が反転するので、周波数ｆ０の成分を打ち消すことができる。従って、フィードバック信号ｙｆには周波数ｆ０の成分がなくなり、制御系の振動が抑制される。
【００１７】
次に、本実施例によれば従来技術の問題点が生じないことを説明する。
ｆ０付近の周波数領域において、制振手段３の位相遅れが殆どないため、制振手段３を組み込んだ場合の偏差ｅからフィードバック信号ｙｆまでの一巡伝達関数の位相は、制振手段３を組み込まない場合と較べ遅れが少ない。一方、ｆ０から離れている周波数領域においてゲインが小さく、しかも、制振手段３はメイン制御器１及び制御対象２をバイパスして組み込まれるため、制御系に対する影響が小さい。従って、制振手段３を組み込むことによって違う周波数の振動を起こすと言う第1の従来技術の問題点は生じない。
また、制振手段３はフィードバックループに組み込まれてあり、そしてバンドパスフィルタを含んでいるため低周波数領域の追従特性に影響がないので、指令時間および制御時間が長くなると言う第２の従来技術の問題点も生じない。
さらに、本実施例によれば、制振手段３の入力は偏差ｅであり、メイン制御器１で処理される前の信号であるので、ゲイン手段５のゲインＫＢはメイン制御器１のパラメータと関係なく常に一定にすることができるという効果もある。
【００１８】
前記フィードバック制御装置は、位置制御装置であっても、速度制御装置であっても、トルク制御装置であってもよい。
例えば、前記フィードバック制御装置が位置制御装置であった場合は、指令ｒは位置指令、制御量ｙは位置検出信号であり、操作量ｕは速度指令、トルク指令、モータ駆動電流指令、または駆動トルクなど制御対象２を駆動する基とするものであればよい。
また、前記フィードバック制御装置が速度制御装置であった場合は、指令ｒは速度指令、制御量ｙは速度検出信号であり、操作量ｕはトルク指令、モータ駆動電流指令、または駆動トルクなど制御対象２を駆動する基とするものであればよい。
前記フィードバック制御装置がトルク制御装置であった場合は、指令ｒはトルク指令、制御量ｙはトルク検出信号であり、操作量ｕはモータ駆動電流指令、または駆動電流など制御対象２を駆動する基とするものであればよい。
メイン制御器１は比例制御器でも、比例積分制御器でも、積分比例制御でもよく、偏差を入力し、その偏差に基づいて操作量を算出する制御器であれば制限はない。
【００１９】
半導体製造装置の位置決め駆動用のサーボ制御装置においては、機械を駆動するモータと機械との間で共振したり、機械の可動部を急加減速したときに機械のベースが低い周波数で揺れるという問題を生じることがある。本発明によれば、バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）４の中心周波数ｆ０を適当に選択することによって、様々な周波数の振動に対応することができる。また、本発明は、前記第１の従来技術に比較してメイン制御器１の動作に与える影響が少ないので、対策したい振動が複数ある場合は、バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）４の中心周波数ｆ０をそれぞれの振動の周波数に設定した制振手段３を複数組み込んでもよい。これは、他の実施例についても同様である。
【実施例２】
【００２０】
図２は本発明を適用する第２の実施例を示すブロック図である。実施例２が実施例１と異なる点は、制振手段３においてオールパスフィルタ（ＡＰＦ）９を除いたことである。その他の構成は同一である。
すなわち、制振手段３では、指令ｒからフィードバック信号ｙｆを減算器７によって差し引いた偏差ｅを入力し、バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）４により予め設定された周波数ｆ０付近の周波数成分のみを通過させ、ゲインＫＢを乗じて制振信号ｙＢを算出し出力する。
制振信号ｙＢは、実施例１と同様に、加算器６によって制御対象２の出力である制御量ｙと加算されてフィードバック信号ｙｆとなる。
例えば、バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）を式（１）
【数１】
2005115586.tif 000003
【００２１】
ただし、ｓはラプラス演算子、ζは正の係数、ω０＝２πｆ０
とする。
この場合、バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）は中心周波数ｆ０において位相が０°であるため、オールパスフィルタ（ＡＰＦ）がなくても、制振信号ｙＢ中の周波数ｆ０の成分は制御量ｙ中の周波数ｆ０の成分と反位相となる。それにゲインＫＢを適当に設定すると、ｙＢ中の周波数ｆ０の成分はｙ中の周波数ｆ０の成分を打ち消すことができ、制御系の振動が抑制される。
この実施例２は実施例１に比し、オールパスフィルタ（ＡＰＦ）が必要ないため、より簡素で実用的な構成で、より迅速な演算処理が可能な装置を構成できる。しかも、ゲインだけを調整することで済むので、パラメータの調整も簡単である。
【実施例３】
【００２２】
図３は本発明を適用する第３の実施例を示すブロック図である。実施例３が実施例１と異なる点は、実施例１では制振手段３の入力が偏差ｅであるが、実施例３では制振手段３の入力がメイン制御器１から制御対象２へ出力される操作量ｕであることである。その他の構成は同一である。
実施の形態１と同じ理由で、オールパスフィルタ（ＡＰＦ）９の位相調節およびゲイン手段５のゲイン調節によって、制振信号ｙＢ中の周波数ｆ０の成分と制御量ｙ中の周波数ｆ０の成分とは、ゲインが同じで位相が反転するので、打ち消される。従って、フィードバック信号ｙｆに周波数ｆ０の成分がなくなり、制御系の振動が抑制される。
実施例１では、制振手段３の入力を偏差ｅとしているため、偏差ｅに含まれる振動成分が小さく、バンドパスフィルタやオールパスフィルタの処理を行うときに桁落ちして振動抑制効果が低下することもある。しかし、本実施例によれば、制振手段３の入力を操作量ｕとしているので、メイン制御器１によって励振された成分を含め信号が大きくなり、バンドパスフィルタやオールパスフィルタの処理を行うときに桁落ちすることもなくなり、振動成分をより正確に抽出でき、振動抑制効果も大きくなる。
【実施例４】
【００２３】
図４は本発明を適用する第４の実施例を示すブロック図である。実施例４が実施例３と異なる点は、制振手段３においてオールパスフィルタ（ＡＰＦ）９を除いたことである。その他の構成は同一である。
周波数ｆ０におけるメイン制御器の位相は近似的に０°である場合（例え、Ｐ制御或いはＰＩ制御）では、制御量ｙ中の周波数ｆ０の成分は操作量ｕ中の周波数ｆ０の成分より１８０°位相遅れがある。前記式（１）のようにバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）を構成すると、ＢＰＦは中心周波数ｆ０において位相が０°であるため、制振手段３の出力ｙＢ中の周波数ｆ０の成分は制御量ｙ中の周波数ｆ０の成分と反位相となる。それにゲインＫＢを適当に設定すると、ｙＢ中の周波数ｆ０の成分はｙ中の周波数ｆ０の成分を打ち消すことができる。従って、制御系の振動が抑制される。
【実施例５】
【００２４】
図５は本発明を適用する第５の実施例を示すフローチャートである。
図５において、Ｓ１では指令ｒ及びフィードバック信号ｙｆを入力する。フィードバック信号ｙｆは、後述するＳ６によって得られる。Ｓ２では偏差ｅを、
ｅ＝ｒ−ｙｆ              ・・・（２）
により計算する。Ｓ３ではその偏差ｅに基づいて制御演算を行い操作量ｕを算出する。Ｓ４では操作量ｕに基づいて制御対象を駆動し制御量ｙを得る。
Ｓ５ではＳ２の計算結果である偏差ｅに基づいて制振信号ｙＢを算出する。その詳細は図７または図８に示している。Ｓ６ではＳ４で得られた制御量ｙ及び制振信号ｙＢからフィードバック信号ｙｆを
ｙｆ＝ｙ＋ｙＢ            ・・・（３）
により計算する。
Ｓ１ないしＳ４は従来技術である。従来技術ではフィードバック信号ｙｆを前記制御量ｙをとして使用しているが、本実施例では従来技術に対してＳ５及びＳ６を実施することが特徴である。
【００２５】
請求項７記載の発明は、図７に示すフローチャートに基づいて制振手段３は動作する。図７において、Ｓ１１では偏差ｅを入力する。Ｓ１２ではバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）４により予め設定された周波数ｆ０付近の周波数成分のみを通過させる。Ｓ１３ではゲインは常に１であり位相を周波数によって変化させるオールパスフィルタ（ＡＰＦ）９によって位相を調整する。Ｓ１４ではゲイン手段５によってゲインＫＢを乗じて制振信号ｙＢを算出し、Ｓ１５で制振信号ｙＢを出力する。
【００２６】
また、請求項８記載の発明は、図８に示すフローチャートに基づいて制振手段３は動作する。図７と異なる点はＳ１３の処理すなわちオールパスフィルタの処理をしないことであり、バンドパスフィルタを式（１）とした場合と実施例２同様である。図８において、Ｓ１１では偏差ｅを入力し、Ｓ１２ではバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）４により予め設定された周波数ｆ０付近の周波数成分のみを通過させ、Ｓ１４ではゲイン手段５によってゲインＫＢを乗じて制振信号ｙＢを算出する。
【実施例６】
【００２７】
図６は本発明を適用する第６の実施例を示すフローチャートである。実施例６が実施例５と異なる点は、実施例５では制振手段３の入力が偏差ｅであるが、実施例６では制振手段３の入力が操作量ｕであることである。その他の構成は同一である。
【産業上の利用可能性】
【００２８】
本発明は、半導体製造装置の位置決め駆動用サーボ制御装置、工作機械や産業用ロボットを駆動するサーボ制御装置に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の実施例１を示すブロック図
【図２】本発明の実施例２を示すブロック図
【図３】本発明の実施例３を示すブロック図
【図４】本発明の実施例４を示すブロック図
【図５】本発明の実施例５を示すフローチャート
【図６】本発明の実施例６を示すフローチャート
【図７】本発明の制振手段の動作を説明するフローチャート１
【図８】本発明の制振手段の動作を説明するフローチャート２
【図９】第１の従来技術を示すブロック図
【図１０】第２の従来技術を示すブロック図
【図１１】従来のフィードバック制御系
【符号の説明】
【００３０】
１  メイン制御器
２  制御対象
３  制振手段
４  バンドパスフィルタ
５  ゲイン手段
６  加算器
７  減算器
８  ノッチフィルタ
９  オールパスフィルタ
【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】
2005115586.tif 000012
【図１０】
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【図１１】
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