(57)【要約】【課題】応答性および位置決め精度に優れるディジタルサーボ制御装置を提供すること。【解決手段】  ＤＡ変換器２６の出力側に、例えば、定電圧源４１、反転加算回路４５および反転回路４６からなる加算回路を配置し、制御動作の定常状態におけるＤＡ変換器２６に入力されるディジタル信号２５を予め定める値（例えば、ディジタル値の全ビットが反転する値またはディジタル値の０あるいはグリッチ・インパルスを生じやすいディジタル値）に対してオフセットさせる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
予め定めるサンプリング周期ごとに偏差信号に対する積分補償を含むサーボ制御処理を行ない、サーボ制御処理で生成されたディジタル信号をＤＡ変換器によりアナログ制御入力信号に変換して出力するようにしたディジタルサーボ制御装置において、
前記ＤＡ変換器の出力側に直流電圧信号を加算する加算回路を設け、
制御動作の定常状態における前記ＤＡ変換器に入力されるディジタル信号を予め定める値に対してオフセットさせることを特徴とするディジタルサーボ制御装置。
【請求項２】
前記予め定める値が、グリッチ・インパルスを生じやすいディジタル値であることを特徴とする請求項１に記載のディジタルサーボ制御装置。
【請求項３】
前記予め定める値が、ディジタル値の全ビットが反転する値であることを特徴とする請求項１に記載のディジタルサーボ制御装置。
【請求項４】
前記予め定める値が、ディジタル値の０であることを特徴とする請求項１に記載のディジタルサーボ制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、メカトロニクス機器に適用されるディジタルサーボ制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、メカトロニクス技術は著しい発展を遂げ、例えば産業機械や情報機器には高度なサーボ制御技術が適用されて、高速で精密なメカニズムの制御が実現されている。特にマイクロプロセッサを採用したディジタルサーボ制御が果たす役割は大きい。ディジタルサーボ制御は、制御対象の状態や制御システムの動作パターンなどに応じて制御パラメータを切り替えるなど、木目細かい制御が可能であり、オペアンプなどで制御回路を構成したアナログ制御に比較して容易に制御性能を高められる。
【０００３】
図４は、従来の位置決め制御を目的とするディジタルサーボ制御装置を備えた駆動系のブロック線図である。
【０００４】
ディジタルサーボ制御装置Ｓ０の出力端子に接続された電流制御回路１１はアクチュエータ１３に駆動電流１２を供給する。制御対象１０はアクチュエータ１３からの駆動力１４を受けて、移動動作を行う。制御対象１０には図示を省略する位置センサが内蔵されている。制御対象１０に内蔵された位置センサは、制御対象１０の位置の基準点に対する変位量を測定して、位置センサ信号１５を出力する。位置センサ信号１５は位置検出回路２２によりディジタル位置検出信号２００に変換される。
【０００５】
制御対象１０の動特性として、駆動力１４から位置センサ信号１５までの伝達関数Ｐ（ｓ）は式１で表される。
【数１】
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【０００６】
ここで、
Ｊは制御対象の慣性、
ｋＡは位置センサの検出感度で決まる係数、
Ｎは制御対象が有する振動モードの個数、
添え字ｒは振動モードの次数、
ωｒは第ｒ次モードの固有角振動数、
ζｒは第ｒ次モードの減衰比、
ｋｒは第ｒ次モードの影響係数
である。
【０００７】
この制御対象の伝達関数Ｐ（ｓ）は、最低次モード（ｒ＝０）の慣性体特性とＮ個の高次振動モードの線形和である。
【０００８】
プロセッサ２０はバス２１を介して、位置検出回路２２、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）２３、リードオンリメモリ（ＲＯＭ）２４およびＤＡ変換器２６とディジタル信号の授受を行う。
【０００９】
ＲＯＭ２４はプログラムや演算処理で用いる定数データなどを記憶している。  ＲＡＭ２３は演算処理中の変数データなどを記憶する。
【００１０】
次に、プロセッサ２０の内部に設けられたディジタルＰＩＤ補償器（積分補償を有するディジタルサーボ補償器の一例である）について説明する。
【００１１】
図５は、ディジタルＰＩＤ補償器２０Ａのブロック線図である。
【００１２】
積分器２０５は、加算器２０６、２１１とゲイン２０７、２０８、２０９と遅延器２１０とから構成されている。積分器２０５の離散時間伝達関数は、連続時間積分器（１／ｓ）を双一次変換で離散時間に変換することにより求めることができ、この時のゲイン２０７は１、ゲイン２０８と２０９はＴＳ／２（ただし、ＴＳはこの補償器のサンプリング周期）である。  
後退差分器２２０は遅延器２２１と加算器２２２とから構成されている。後退差分器２２０は、現在値から１サンプル過去の値を引き算する近似微分を行う。
【００１３】
ＰＩＤ補償器では、比例（Ｐ）補償、積分（Ｉ）補償、微分（Ｄ）補償が入力信号（ここでは、目標位置信号３１からディジタル位置検出信号２００を減算した偏差信号２０１）に対して並列に作用する。
【００１４】
図示の構成の場合、積分ゲイン２０２とディジタル積分器２０５により積分補償が、比例ゲイン２０３により比例補償が、微分ゲイン２０４と後退差分器２２０により微分補償が、それぞれ行われ、これら３個の補償が加算されてディジタル制御入力信号２５が生成される。
【００１５】
なお、積分補償は主に直流から低周波領域のゲインを上げるように作用し、偏差信号２０１の定常値を０にする役割を持つ。
【００１６】
また、微分補償はフィードバックループのゲイン交差周波数付近で、位相進み量を増大するように作用する。
【００１７】
ゲイン２０２、２０３、２０４は、この補償器の動特性を表す偏差信号２０１とディジタル制御入力信号２５の間の周波数応答特性が所望の特性となるように調整されている。
【００１８】
次に、従来のディジタルサーボ制御装置Ｓ０の動作を説明する。
【００１９】
プロセッサ２０は、予め定めるサンプリング周期毎にディジタル位置検出信号２００を取り込み、サーボ制御プログラムに従い、ディジタル位置検出信号２００を上位コントローラ３０から指令された目標位置信号３１に一致させるような演算処理を行う。この結果、偏差信号２０１に対して、積分補償が作用する。
【００２０】
ディジタルＰＩＤ補償器２０Ａの演算処理結果であるディジタル信号２５は、図４に示すように、ＤＡ変換器２６によりサンプリング周期で零次ホールドされ、アナログ制御入力信号２７になる。そしてアナログ制御入力信号２７は、電流制御回路１１（アクチュエータ駆動回路）の指令値信号になる。
【００２１】
ところで、ＤＡ変換器を用いたディジタルサーボ制御システムにおいて、サーボ帯域が広い場合、ＤＡ変換器自体の過渡応答が制御性能に影響を与えることがあり、特に望ましくない現象としてＤＡ変換器の内部回路のスイッチングに起因するグリッチ・インパルス（アナログ制御入力信号に重畳されるスパイク状のノイズ）が知られている。
【００２２】
グリッチ・インパルスを除去する方法として、サンプルホールド回路をＤＡ変換器のアナログ出力段に設け、インパルスの時間幅だけ前サンプル時刻でのＤＡ変換値をホールドし、インパルスが十分減衰した後に、現サンプル時刻のＤＡ変換値に切り替えるようなグリッチ除去回路を用いることがある。
【００２３】
また、アナログローパスフィルタ回路をＤＡ変換器のアナログ出力段に接続し、インパルスに含まれる高周波成分を除去する方法もある。この他、グリッチ・インパルスを低減するＤＡ変換回路の構成として、ディジタル入力に対するラッチ回路を設け、ラッチされたディジタル入力がグリッチ・インパルスを生じさせる可能性があるかをどうかを検査し、その可能性がある場合にのみサンプルホールド回路でアナログ出力をホールドする技術が開示されている（特許文献１）。
【００２４】
また、電子線描画装置の偏向制御部に用いられるＤＡ変換器では、ＤＡ変換器の出力段にクランプダイオードを接続し、そのリミッタ電圧を制御してグリッチ・インパルスを抑える技術が開示されている（特許文献２）。
【特許文献１】特開２００２−３３６６１号公報
【特許文献２】特開平６−３２６０１０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２５】
グリッチ・インパルスは、ディジタル入力の全ビットが反転する時に特に大きく発生するので、ディジタル入力が２の補数表現になっている場合、例えば語長を１６ビットとすると、アナログ出力の０［Ｖ］に対応するディジタル値「００００」から１ＬＳＢ（Ｌｅａｓｔ  Ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ  Ｂｉｔ。２進数値の最下位の桁）分だけ出力がマイナスになると、ディジタル値は「ＦＦＦＦ」になりグリッチ・インパルスが発生する。
【００２６】
位置決め制御における静止中（制御動作の定常状態）の場合、制御対象に作用する直流的な力外乱やアナログ回路系のオフセット電圧などが無ければ、制御入力信号はほぼ０［Ｖ］になる。しかし、完全な一定値にはならず、十分には補償されない高周波領域の機構共振などにより、静止中の制御入力信号は０［Ｖ］をまたいで正負に微小に変動する。このように静止すべき時に、ＤＡ変換器が頻繁にインパルスを発生するため、アクチュエータがこれに応答して制御対象を動揺させ、制御精度が低下する。
【００２７】
ＤＡ変換器の出力段にサンプルホールドを設けたグリッチ・インパルス除去回路の場合、グリッチ・インパルスの影響は除去できるが、ホールド時間分の時間遅れが生じる。したがって、サンプリング周期に対してホールド時間が無視できないほど高いサンプリングレートが必要なシステムにおいては、ホールド時間による位相遅れにより、フィードバックループの安定余有が不足することがある。
【００２８】
また、アナログローパスフィルタでインパルスの高周波成分を除去する場合も、フィルタの位相遅れにより安定余有が不足したり、インパルスの影響を十分に除けないことがある。
【００２９】
さらに、上記特許文献１、２のようにＤＡ変換器の内部回路を改良したりアナログ出力に対するリミッタ電圧の制御回路を設けると、部品コストが高くなる。
【００３０】
また、ディジタル入力がグリッチ・インパルスを発生しやすい特定コードの場合にのみアナログ出力をホールドすると、フィードバックループ内の時間遅れによる位相特性が変動するので、高精度な制御性能を実現できない。
【００３１】
本発明の目的は、上記従来技術における課題を解決し、応答性および位置決め精度に優れるディジタルサーボ制御装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００３２】
上記の課題を解決するために、本発明は、予め定めるサンプリング周期ごとに偏差信号に対する積分補償を含むサーボ制御処理を行ない、サーボ制御処理で生成されたデジタル信号をＤＡ変換器によりアナログ制御入力信号に変換して出力するようにしたディジタルサーボ制御装置において、前記ＤＡ変換器の出力側に直流電圧信号を加算する加算回路を設け、制御動作の定常状態における前記ＤＡ変換器に入力されるディジタル信号を予め定める値に対してオフセットさせることを特徴とする。
【発明の効果】
【００３３】
予め定める値を例えばグリッチ・インパルスを生じやすいディジタル値にすることにより、制御対象を目標位置に静止させる間、ＤＡ変換器によるグリッチ・インパルスの発生を予防することができるため、応答性および位置決め精度を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
図１は、本発明に係る位置決め制御を目的とするディジタルサーボ制御装置を備えた駆動系のブロック線図であり、図４と同じものまたは同一機能のものは同一の符号を付して重複する説明を省略する。
【００３５】
ＤＡ変換器２６と電流制御回路１１が接続されるディジタルサーボ制御装置Ｓ１の出力端子との間には、定電圧源４１、反転加算回路４５および反転回路４６とからなる加算回路が配置されている。
【００３６】
定電圧源４１の電圧は、抵抗Ｒ１１とＲ１２で決まる電圧に分圧される。
【００３７】
反転加算回路４５は、反転加算用オペアンプ４０と抵抗値ＲＡの三つの抵抗Ｒ１〜Ｒ３とから構成されている。抵抗Ｒ１の一方は抵抗Ｒ１１とＲ１２の接続点に、他方は反転加算用オペアンプ４０のマイナス側入力端子に接続されている。抵抗Ｒ２の一方はＤＡ変換器２６の出力側に、他方は反転加算用オペアンプ４０のマイナス側入力端子に接続されている。抵抗Ｒ３の一方は反転加算用オペアンプ４０のマイナス側入力端子に、他方は反転加算用オペアンプ４０の出力端子に接続されている。反転加算用オペアンプ４０のプラス側入力端子は抵抗Ｒ１３を介して接地されている。
【００３８】
反転回路４６は、極性反転用オペアンプ４２と抵抗値ＲＡの二つの抵抗Ｒ４，Ｒ５とから構成されている。抵抗Ｒ４の一方は反転加算用オペアンプ４０の出力端子に、他方は極性反転用オペアンプ４２のマイナス側入力端子に接続されている。抵抗Ｒ５の一方は極性反転用オペアンプ４２のマイナス側入力端子に、他方は極性反転用オペアンプ４２の出力端子に接続されている。極性反転用オペアンプ４２の出力端子は電流制御回路１１の入力端子に接続されている。極性反転用オペアンプ４２のプラス側入力端子は抵抗Ｒ１４を介して接地されている。
【００３９】
次に、この実施形態の動作を説明する。  
抵抗Ｒ１１とＲ１２により分圧された定電圧源４１の電圧がアナログ制御入力信号４３に加算される。
【００４０】
このサーボシステムは１型であるから、アナログ制御入力信号４３は加算される直流電圧を打ち消すように、極性が逆の直流オフセットを持つ。このように、アナログ制御入力信号４３が０［Ｖ］に対してオフセットするので、制御対象１０の静止中にＤＡ変換器２６の動作に起因するグリッチ・インパルスの発生を予防することができる。なお、両者の直流成分は、反転加算用オペアンプ４０で相殺される。そして、反転加算回路４５の出力は反転回路４６により反転され、電流指令値信号２７として、電流制御回路１１に入力される。
【００４１】
次に、具体的な効果について説明する。  
図２は本発明に係るディジタルサーボ制御装置の制御動作中の時間応答波形を、また、図３は、従来のディジタルサーボ制御装置の制御動作中の時間応答波形を、それぞれ示す図であり、（ａ）はアナログ制御入力信号の時間応答波形を、（ｂ）は偏差信号波形である。
【００４２】
はじめに、従来のディジタルサーボ制御装置の動作を説明する。
【００４３】
図３（ａ）に示されているように、時刻０．５ｍｓにおいて制御対象が移動を開始し、その約０．７ｍｓ後に目標位置近傍に到達して静止しようとするので、制御入力信号はほぼ０になる。しかし、式１に示したように制御対象は高次共振を有するため、過渡的な振動を起こす。この影響から制御入力信号は０近傍で極性が反転する振動的な波形になる。ところが０を通過するたびに、ＤＡ変換器はグリッチ・インパルスを繰り返し発生し、これが制御対象の高次共振を励起してしまう。このため同図（ｂ）の偏差信号波形で分かるように、制御対象は目標位置の近傍で振動し、十分な位置決め精度を実現できない。
【００４４】
これに対し本発明では、ＤＡ変換器の出力に定電圧源４１による直流電圧（この実施形態では＋０．２［Ｖ］）が加算されているので、図２（ａ）に示されているように、静止中のアナログ制御入力信号には＋０．２［Ｖ］を相殺する電圧である−０．２［Ｖ］がオフセットされている。この結果、時刻１．２ｍｓで制御対象が目標位置近傍に到達した後、グリッチ・インパルスは発生していない。
【００４５】
この結果、同図（ｂ）に示されているように、目標位置に対してほぼ偏差０で静止している。なお、時刻１．２ｍｓ〜１．８ｍｓの間の振動は、サーボシステムの動特性による過渡応答であり、グリッチ・インパルスとは無関係な現象である。
【００４６】
以上説明したように、本発明によれば、グリッチ・インパルスを除去する電子回路が位相遅れを持たないので、フィードバックループの安定余有を低下させることがない。
【００４７】
また、グリッチ・インパルス除去回路を、オペアンプと抵抗で構成できるので、安価に構成できる。
【００４８】
なお、この実施形態では、ＤＡ変換器の出力にプラスの直流電圧を加えるようにしたが、マイナスの直流電圧を加えるようにしてもよい。
【００４９】
また、この実施形態ではＤＡ変換器に入力されるディジタル制御入力信号がディジタル値の０に対してオフセットさせるようにしたが、ＤＡ変換器に入力されるディジタル制御入力信号がディジタル値の全ビットが反転する値に対して、あるいはグリッチ・インパルスを生じやすいディジタル値に対して、オフセットさせるようにすることができる。
【００５０】
さらに、定電圧源４１、反転加算回路４５および反転回路４６とからなる加算回路に代えて電池を直列に接続してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明に係る位置決め制御を目的とするディジタルサーボ制御装置を備えた駆動系のブロック線図である。
【図２】本発明の制御動作中の時間応答波形を示す図である。
【図３】従来の制御動作中の時間応答波形を示す図である。
【図４】従来の位置決め制御を目的とするディジタルサーボ制御装置を備えた駆動系のブロック線図である。
【図５】ディジタルＰＩＤ補償器のブロック線図である。
【符号の説明】
【００５２】
２６  ＤＡ変換器
４１  定電圧源
４５  反転加算回路
４６  反転回路
２５  ディジタル信号
【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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