(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
サーボモータ（９）の回転位置信号を微分した速度フィードバック信号Ｖｆに基づき速度制御を行うとともに、前記サーボモータ（９）で駆動される機械可動部（１０）に取り付けられた位置検出部（１２）あるいは前記サーボモータ（９）の回転軸に取り付けられた位置検出部（１１）からの位置フィードバック信号Ｙｆに基づき位置制御を行う前記機械可動部（１０）の位置決め制御装置において、
前記サーボモータ（９）を固定するためのベースの振動が前記機械可動部（１０）の位置決め制御装置の位置決めに与える周期外乱となるものとし、前記ベースの固有振動数をωｂ、ラプラス演算子をｓとした場合、伝達関数の分母に（ｓ２+ωｂ２）で表わされる周期外乱の内部モデル要素を含む制御器（５）と、
比例制御器（６）と、
前記位置決め制御装置に外部から入力される位置指令Ｙｒと前記位置検出部から出力される位置フィードバック信号Ｙｆとの位置偏差ｅｐに基づいて、前記位置指令Ｙｒの速度パターンの入力が終了する前を表す位置指令終了前あるいは前記位置指令Ｙｒの速度パターンの入力が終了した後を表す位置指令終了後であって、かつ、前記位置偏差ｅｐが所定の基準値Ｅｐ以上であるとき、位置制御を前記比例制御器（６）による比例制御で行うようにした手段と、前記位置指令終了後かつ前記位置偏差ｅｐが所定の基準値Ｅｐより小さくなった後、位置制御を前記周期外乱の内部モデル要素を含む制御器（５）により制御を行うようにした手段とに切り替える切替判別部（３）と、
より構成される位置制御部（１）を備えて成ることを特徴とする外乱の内部モデルを用いた位置決め制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は低周波数の周期外乱が大きい場合に短時間に高精度位置決めすることができる外乱の内部モデルを用いた位置決め制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、サーボモータに取り付けられたエンコーダ等の位置信号を微分して速度フィードバック信号とし、速度制御を行うと共に、上記サーボモータによって駆動される機械可動部に取り付けられたリニアスケール等（或いはサーボモータに取り付けられたエンコーダ等）の位置検出器からの位置フィードバック信号に基づいて、位置制御を行う位置決め制御系は、図２のようになっている。図２は一般的な位置制御系が適用されるシステム構成図である。２００はベース、２０１はボールねじ、２０２はテーブル、２０３はサーボモータ、２０４はテーブルの位置を検出するリニアスケール、２０５は測定ヘッドである。サーボモータ２０３は、ボールねじ２０１を介してテーブル２０２を駆動する。駆動機構と被駆動体の不可動部分はすべて同一ベース２００上に固定され、ベース２００は地面に設置されている。リニアスケール２０４は本体がベース２００上に配置され、測定ヘッド２０５がテーブル２０２に取り付けられる。制御系はリニアスケール２０４からの位置信号に基づいてテーブル２０２の位置制御を行う。このような構成において、高速化の要求が高くなると、加（減）速時間をできるだけ短く（すなわち、加（減）速度をできるだけ大きく）して指令する必要がある。このうち、ベース２００が低剛性な機構で地面に配置される場合には、テーブル２０２が大きな加（減）速度で駆動されるとき、ベース２００はその加（減）速の反力を受けて大きく振動する。制御系にとってはベース２００の振動が位置信号の外乱信号になる。それに、サーボモータ２０３とデーブル２０２との連結機構の剛性が低くければ低いほど、ベース２００の振動が位置決めに与える影響は大きい。位置制御を比例制御で行う場合、機械可動部が目標位置に到達しても、目標位置とリニアスケールの位置信号との位置偏差の振動が残り、位置決め精度が悪いという問題があった。従来、上記のような周期外乱の悪影響を除去するため、位置制御部に周期外乱の内部モデル要素を加える周期外乱抑制用制御装置が提案されており、機械可動部が目標位置に到達した後、位置偏差の振動をなくすことで、位置決め精度を良好にしている（特開平１１−３０５８０２号公報）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の従来技術では、低周波数の周期外乱の内部モデル要素が大きい位相遅れをもたらすため、位置制御器の制御ゲインを下げなければならず、位置決め時間が長くなるという大きな欠点があった。
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、位置決め終了前、位置制御器の制御ゲインを十分上げて短時間に位置決めを行うと共に、位置決め終了後の外乱の悪影響を抑制して高精度位置決めを行うことができる外乱の内部モデルを用いた位置決め制御装置を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記問題を解決するために、本発明における外乱の内部モデルを用いた位置決め制御装置は、  サーボモータ（９）の回転位置信号を微分した速度フィードバック信号Ｖｆに基づき速度制御を行うとともに、前記サーボモータ（９）で駆動される機械可動部（１０）に取り付けられた位置検出部（１２）あるいは前記サーボモータ（９）の回転軸に取り付けられた位置検出部（１１）からの位置フィードバック信号Ｙｆに基づき位置制御を行う前記機械可動部（１０）の位置決め制御装置において、前記サーボモータ（９）を固定するためのベースの振動が前記機械可動部（１０）の位置決め制御装置の位置決めに与える周期外乱となるものとし、前記ベースの固有振動数をωｂ、ラプラス演算子をｓとした場合、伝達関数の分母に（ｓ２+ωｂ２）で表わされる周期外乱の内部モデル要素を含む制御器（５）と、比例制御器（６）と、前記位置決め制御装置に外部から入力される位置指令Ｙｒと前記位置検出部から出力される位置フィードバック信号Ｙｆとの位置偏差ｅｐに基づいて、前記位置指令Ｙｒの速度パターンの入力が終了する前を表す位置指令終了前あるいは前記位置指令Ｙｒの速度パターンの入力が終了した後を表す位置指令終了後であって、かつ、前記位置偏差ｅｐが所定の基準値Ｅｐ以上であるとき、位置制御を前記比例制御器（６）による比例制御で行うようにした手段と、前記位置指令終了後かつ前記位置偏差ｅｐが所定の基準値Ｅｐより小さくなった後、位置制御を前記周期外乱の内部モデル要素を含む制御器（５）により制御を行うようにした手段とに切り替える切替判別部（３）と、より構成される位置制御部（１）を備えて成ることを特徴とするものである。
【０００５】
【発明の実施の形態】
本発明の実施例を図に基づいて説明する。図１は本発明の実施例における制御系の原理的な構成ブロック図である。図１において、１は位置制御部、２と７は減算器、３は切替判別部、４は切替スイッチ、５は周期外乱の内部モデル要素を含む制御器、６は比例制御器、８は速度制御部、９はサーボモータ、１０は機械可動部、１１はサーボモータの位置検出部（エンコーダ）、１２は機械可動部の位置検出部（リニアスケール）、１３は微分処理部である。本発明の特徴は以下のとおりである。すなわち、位置制御部１は、位置指令Ｙrとリニアスケール等の位置検出器１２からの位置フィードバック信号Ｙfに基づいて、後述するように速度指令Ｖrを演算する。そして、位置制御部１は、周期外乱の内部モデル要素を含む制御手段５と、比例制御手段６と、位置指令Ｙｒと前記位置フィードバック信号Ｙｆとの位置偏差に基づいて、位置指令終了前或いは位置指令終了後であって、かつ、前記位置偏差が所定の基準値以上であるとき、位置制御を比例制御で行い、位置指令終了後かつ前記位置偏差が所定の基準値より小さくなった後、位置制御を周期外乱の内部モデル要素を含む制御に切り替える切替判別手段３とを備えたものである。また、速度制御部８は、前記速度指令Ｖrとサーボモータ９に取り付けられたエンコーダ１１からのサーボモータの位置信号ＹMを微分処理部１３で微分演算した速度フィードバック信号Ｖfとの速度偏差ｅVに基づいてトルク指令Ｔrを演算し、サーボモータ９に出力するようになっている。
【０００６】
次に位置制御部の処理の流れの動作について説明する。図３は本発明の実施例における位置制御部の処理の流れ図である。図３において、ステップ３０１にて、位置指令Ｙrと位置フィードバック信号Ｙfを取り込む。次に、ステップ３０２にて、位置指令Ｙrと位置フィードバック信号Ｙfとの位置偏差ｅp＝Ｙr―Ｙfを計算する。そして、ステップ３０３にて切替判別部３は位置指令が終了したかどうかの判定を行う。位置指令がまだ終了していなければ、切替判別部３は「ＮＯ」と判定し、切替スイッチ４をＡ側に入れ、ステップ３０６に進む。位置指令が終了したら、切替判別部３は「ＹＥＳ」と判定し、ステップ３０４に進む。それから、ステップ３０４にて切替判別部３は位置偏差ｅpが基準値Ｅpより小さいかどうかの判定を行う。位置偏差ｅpが基準値Ｅp以上であれば、切替判別部３は「ＮＯ」と判定し、切替スイッチ４をＡ側に入れ、ステップ３０６に進む。位置偏差ｅpが基準値Ｅpより小さくなったら、切替判別部３は「ＹＥＳ」と判定し、切替スイッチ４をＢ側に入れ、ステップ３０５に進む。最後に、ステップ３０５にて速度指令を次式（１）のように演算する。
【０００７】
【数１】
0003906480.tif 000002
【０００８】
ただし、Ｋp1、ａ、ｂは定数で、ωbはベースの固有振動数である。
一方、ステップ３０６にて速度指令を次式（２）のように演算する。
【０００９】
【数２】
0003906480.tif 000003
【００１０】
ただし、Ｋpは定数である。
【００１１】
したがって、本発明の位置制御部では、位置指令終了前或いは位置指令終了後であって、かつ位置偏差が大きいときは位置制御を比例制御で行うようにしたので、制御ゲインを十分大きく上げることができ、速やかに位置フィードバック信号を目標位置に追従させることができる。一方、位置指令終了後かつ位置偏差が小さくなった後。周期外乱のモデル要素を含む補償器を加えてあるため、外乱の悪影響を抑制することができる。このとき、低周波数の周期外乱のモデル要素が位相遅れであるため、制御ゲインを下げなければならないが、位置決めがほぼ完了しているので、位置決め時間にはほとんど影響しない。すなわち、位置決め時間が短く、位置決め精度を良好にすることができる。
【００１２】最後に、本発明の実施例における効果を、数値例を用いて示す。図４と図５は切替がない位置制御を行った場合のシミュレーション結果である。図４は位置制御を常に比例制御で行い、図５は位置制御を常に周期外乱のモデル要素を含む制御で行ったものである。図６は本発明の実施例による位置制御を比例補償と周期外乱のモデル要素を含む補償の切替制御で行った場合のシミュレーション結果である。明らかに、本発明の場合のみ、位置決めは高速度と高精度を両立することができる。
【００１３】
【発明の効果】
以上述べたように本発明によれば、位置制御部では、位置指令終了前あるいは位置指令終了後であって、かつ、位置偏差が大きいときは位置制御を比例制御で行うようにしたので、制御ゲインを十分大きく上げることができ、速やかに位置フィードバック信号を目標位置に追従させることができる。一方、位置指令終了後かつ位置偏差が小さくなった後、周期外乱のモデル要素を含む補償器を加えてあるため、外乱の悪影響を抑制することができる。このとき、低周波数の周期外乱のモデル要素が位相遅れであるため、制御ゲインを下げなければならないが、位置決めがほぼ完了しているので、位置決め時間にはほとんど影響しない。すなわち、位置決め時間が短く、位置決め精度を良好にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施例における制御系の原理的な構成ブロック図
【図２】 一般的な位置制御系が適用されるシステム構成図
【図３】 本発明の実施例における位置制御部の処理の流れ図
【図４】 位置制御を常に比例制御で行う場合のシミュレーション結果
【図５】 位置制御を常に周期外乱のモデル要素を含む制御で行う場合のシミュレーション結果
【図６】 本発明の実施例による位置制御を比例補償と周期外乱のモデル要素を含む補償の切替制御で行った場合のシミュレーション結果
【符号の説明】
１  位置制御部
２、７  減算器
３  切替判別部
４  切替スイッチ
５  周期外乱の内部モデル要素を含む制御器
６  比例制御器
８  速度制御部
９、２０３  サーボモータ
１０  機械可動部
１１  位置検出部（エンコーダ）
１２  位置検出部（リニアスケール）
１３  微分処理部
２００  ベース
２０１  ボールネジ
２０２  テーブル
２０４  リニアスケール
２０５  測定ヘッド
【図１】
0003906480.tif 000004
【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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