(57)【要約】【課題】位置情報の差分値とサンプル時間に依存することなく速度情報を生成して制御帯域を上げることを可能とするリニアアクチュエータを実現する。【解決手段】面モータを有するスライダの位置検出値と位置指令値との偏差を演算して速度指令値を出力する位置制御手段と、前記スライダの速度検出値と前記速度指令値との偏差を演算して前記面モータに推力指令を出力する速度制御手段とを具備するリニアアクチュエータにおいて、  前記位置検出値及び前記推力指令に基づいて、前記速度検出値を推定演算する状態推定器を備える。【選択図】図１
2009032008.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
面モータを有するスライダの位置検出値と位置指令値との偏差を演算して速度指令値を出力する位置制御手段と、前記スライダの速度検出値と前記速度指令値との偏差を演算して前記面モータに推力指令を出力する速度制御手段とを具備するリニアアクチュエータにおいて、
前記位置検出値及び前記推力指令に基づいて、前記速度検出値を推定演算する状態推定器を備えることを特徴とするリニアアクチュエータ。
【請求項２】
前記状態推定器は、位置検出値をｘ（ｔ）、前記推力指令をｆ（ｔ）、前記スライダの質量をｍ、粘性係数をｄ、復元係数をｋ、定数をＡとするとき、前記スライダの運動方程式、
ｍ・ｄ２ｘ（ｔ）／ｄｔ２＋ｄ・ｄｘ（ｔ）／ｄｔ＋ｋ・ｘ（ｔ）＝Ａ・ｆ（ｔ）
に基づいて、前記速度検出値ｄｘ（ｔ）／ｄｔを推定演算することを特徴とする請求項１に記載のリニアアクチュエータ。
【請求項３】
所定距離を隔てて平行に配置された一対のリニアモータの夫々のスライダをアーム部材で結合し、前記位置制御手段及び前記推力指令を出力する速度制御手段により前記アーム部材の中点の位置制御及び速度制御を実行することを特徴とする請求項１または２に記載のリニアアクチュエータ。
【請求項４】
前記アーム部材のヨーイング角の検出値とヨーイング角目標値との偏差を演算して角速度指令値を出力する姿勢制御手段と、前記アーム部材の角速度検出値と前記角速度指令値との偏差を演算して前記推力指令を出力する速度制御手段とを備えることを特徴とする請求項３に記載のリニアアクチュエータ。
【請求項５】
前記アーム部材のヨーイング角の検出値及び前記推力指令に基づいて、前記ヨーイング角の角速度の検出値を推定演算する状態推定器を備えることを特徴とする請求項４に記載のリニアアクチュエータ。
【請求項６】
前記状態推定器は、ヨーイング角の検出値をθ（ｔ）、前記推力指令をｆ（ｔ）、前記アーム部材の慣性モーメントをＪ、粘性係数をＤ、復元係数をＫ、定数をＡとするとき、
Ｊ・ｄ２θ（ｔ）／ｄｔ２＋Ｄ・θ（ｔ）／ｄｔ＋Ｋ・θ（ｔ）＝Ａ・ｆ（ｔ）
に基づいて、前記角速度検出値ｄθ（ｔ）／ｄｔを推定演算することを特徴とする請求項５に記載のリニアアクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、面モータを有するスライダの位置検出値と位置指令値との偏差を演算して速度指令値を出力する位置制御手段と、前記スライダの速度検出値と前記速度指令値との偏差を演算して前記面モータに推力指令を出力する速度制御手段とを具備するリニアアクチュエータに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一対のリニアモータのステータを、所定距離を隔てて平行に配置すると共に、これらリニアモータのスライダ間をアーム部材で結合したリニアアクチュエータにおいて、アーム部材の中点位置を指令位置に制御すると共に、アーム部材のヨーイングを抑制する姿勢制御部を備えたリニアアクチュエータが特許文献１に開示されている。
【０００３】
図５は、特許文献１に開示されている従来のリニアアクチュエータの構成を示す機能ブロック図である。第１リニアモータ１０と第２リニアモータ２０が所定距離を隔てて平行に配置されている。
【０００４】
第１リニアモータ１０上に配置されたステータ１１に沿って面モータを内蔵するスライダ１２が移動して位置制御される。スライダ１２には、ステータ１１に沿って配置されたスケール（図示せず）を読んで位置検出信号ＸＭを出力する位置検出手段１３が搭載されている。
【０００５】
同様に、第２リニアモータ２０上に配置されたステータ２１に沿って面モータを内蔵するスライダ２２が移動して位置制御される。スライダ２２には、ステータ２１に沿って配置されたスケール（図示せず）を読んで位置検出信号Ｘｓを出力する位置検出手段２３が搭載されている。
【０００６】
第１リニアモータ１０のスライダ１２と第２リニアモータ２０のスライダ２２間は、アーム部材３０でブリッジ状に結合されており、スライダ１２，スライダ２２，アーム部材３０は一体で移動し、アーム部材３０の中点３１が仮想的な中点位置Ｘｃとして位置制御される。
【０００７】
上位装置４０からの位置指令Ｐｓは、中点位置制御部５０の中点位置制御手段５１に入力される。位置検出信号ＸＭおよび位置検出信号Ｘｓは、中点位置検出手段５２に入力され、これらの和に基づき中点位置信号Ｘｃが算出される。
【０００８】
中点位置制御手段５１は、位置指令Ｐｓと中点位置信号Ｘｃとの偏差を演算した速度指令Ｖｓを中点速度制御手段５３に出力する。中点速度制御手段５３は、中点位置信号Ｘｃの変化率に基づいて速度を算出する速度検出手段５４の速度信号Ｖｃと速度指令Ｖｓとの偏差を演算した推力指令Ｆｃを出力する。
【０００９】
推力指令Ｆｃは、加算器６１を介して後述の姿勢制御部９０からの補正推力指令Ｆｅと加算されて第１ドライバ７０に入力される。同様に、推力指令Ｆｃは、減算器６２を介して姿勢制御部９０からの補正推力指令Ｆｅと減算されて第２ドライバ８０に入力される。
【００１０】
第１ドライバ７０は、補正された推力指令（Ｆｃ＋Ｆｅ）に基づく駆動電流Ｉｍを、第１リニアモータ１０のスライダ１２が備える面モータ（図示せず）に出力する。同様に、第２ドライバ８０は、補正された推力指令（Ｆｃ−Ｆｅ）に基づく駆動電流Ｉｓを、第２リニアモータ２０のスライダ２２が備える面モータ（図示せず）に出力する。
【００１１】
アーム部材３０が位置決めされた時、第１リニアアクチュエータのスライダ１２と第２リニアアクチュエータのスライダ２２は、進行方向に対して位置偏差（ヨーイング角度誤差、直角度誤差）を発生する。その発生要因は、以下の機械的特性である。
・ステージのレベル
・リニアモータの平行度
・アーム部材の捩れ
・制御対象の動的な遅れ（姿勢制御の対象は２次遅れ系のため）
・摩擦
・外乱等
【００１２】
姿勢制御部９０は、ＸＭとＸｓの位置偏差によるアーム部材３０のヨーイング角度を抑制する機能を持つ。姿勢制御部９０より出力される補正推力指令Ｆｅにより、第１ドライバ７０および第２ドライバ８０への推力指令Ｆｃを差動的に操作し、第１リニアアクチュエータのスライダ１２の位置を矢印Ｐ方向に、第２リニアアクチュエータのスライダ２２の位置を反対の矢印Ｐ´方向に操作してヨーイング角度を抑制する。
【００１３】
姿勢目標値θsは、ヨーイング角度を理想的な０度とするために、例えばθs＝０に設定され、姿勢制御部９０の姿勢制御手段９１に入力される。位置検出信号ＸＭおよび位置検出信号Ｘｓは、姿勢検出手段９２に入力され、これらの差に基づき出力角を表す姿勢信号θを算出する。
【００１４】
姿勢制御手段９１は、姿勢目標値θs（＝０または定数）と姿勢信号θとの偏差を演算した速度指令Ｖｓ´を速度制御手段９３に出力する。速度制御手段９３は、出力角θの変化率に基づいて角速度を算出する角速度検出手段９４の出力θ´と速度指令Ｖｓ´との偏差を演算した補正推力指令Ｆｅを出力する。
【００１５】
図６は、中点位置制御部５０及び姿勢制御部９０においてディジタル処理で実行している従来の速度制御系を示す機能ブロック図である。速度指令Ｖcmdと速度フィードバック値Ｖfbの偏差Ｖerrは、速度制御比例ゲインＫvを経て推力指令ｆを制御対象（質量ｍ）に与える。フィードバック回路では、制御対象の速度Ｖｏをディジタル処理して速度フィードバック値Ｖfbを生成している。
【００１６】
【特許文献１】特開２００６−１０１５７０号公報
【非特許文献１】「入門現代制御理論」白石昌武著            日刊工業新聞社  １９９７年６月１０日初版４刷発行
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
従来の速度制御系では、リアルタイムエンコーダで構成される位置検出手段１３，２３の位置情報の差分値（現在位置と１サンプル前の位置の差）とサンプル時間から制御対象の速度Ｖｏを算出している。
【００１８】
位置分解能（差分値）ΔＸとサンプル時間ΔＴから速度分解能ΔＶを算出すると、次式となる。
ΔＶ＝ΔＸ／ΔＴ
【００１９】
速度制御の制御帯域を上げるために、速度分解能ΔＶを上げるには、上式より、
（ａ）位置分解能ΔＸを小さくする
（ｂ）サンプル時間ΔＴを長くする
ことで実現される。
【００２０】
位置分解能ΔＸは、エンコーダの構造上制約がある。従って、サンプル時間ΔＴを長く設定した場合には、制御対象の早い速度変化に対応することができなくなり、速度制御の信頼性が低下するので、制約がある。
【００２１】
従って、位置情報の差分値とサンプル時間による従来の速度算出手法では、速度制御の信頼性を低下させることなく速度分解能を上げることができないので、制御帯域を上げることが困難であるという問題がある。
【００２２】
本発明は上述した問題点を解決するためになされたものであり、位置情報の差分値とサンプル時間に依存することなく速度情報を生成して制御帯域を上げることを可能とするリニアアクチュエータの実現を目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
このような課題を達成するために、本発明は次の通りの構成になっている。
（１）面モータを有するスライダの位置検出値と位置指令値との偏差を演算して速度指令値を出力する位置制御手段と、前記スライダの速度検出値と前記速度指令値との偏差を演算して前記面モータに推力指令を出力する速度制御手段とを具備するリニアアクチュエータにおいて、
前記位置検出値及び前記推力指令に基づいて、前記速度検出値を推定演算する状態推定器を備えることを特徴とするリニアアクチュエータ。
【００２４】
（２）前記状態推定器は、位置検出値をｘ（ｔ）、前記推力指令をｆ（ｔ）、前記スライダの質量をｍ、粘性係数をｄ、復元係数をｋ、定数をＡとするとき、前記スライダの運動方程式、
ｍ・ｄ２ｘ（ｔ）／ｄｔ２＋ｄ・ｄｘ（ｔ）／ｄｔ＋ｋ・ｘ（ｔ）＝Ａ・ｆ（ｔ）
に基づいて、前記速度検出値ｄｘ（ｔ）／ｄｔを推定演算することを特徴とする（１）に記載のリニアアクチュエータ。
【００２５】
（３）所定距離を隔てて平行に配置された一対のリニアモータの夫々のスライダをアーム部材で結合し、前記位置制御手段及び前記推力指令を出力する速度制御手段により前記アーム部材の中点の位置制御及び速度制御を実行することを特徴とする（１）または（２）に記載のリニアアクチュエータ。
【００２６】
（４）前記アーム部材のヨーイング角の検出値とヨーイング角目標値との偏差を演算して角速度指令値を出力する姿勢制御手段と、前記アーム部材の角速度検出値と前記角速度指令値との偏差を演算して前記推力指令を出力する速度制御手段とを備えることを特徴とする（３）に記載のリニアアクチュエータ。
【００２７】
（５）前記アーム部材のヨーイング角の検出値及び前記推力指令に基づいて、前記ヨーイング角の角速度の検出値を推定演算する状態推定器を備えることを特徴とする（４）に記載のリニアアクチュエータ。
【００２８】
（６）前記状態推定器は、ヨーイング角の検出値をθ（ｔ）、前記推力指令をｆ（ｔ）、前記アーム部材の慣性モーメントをＪ、粘性係数をＤ、復元係数をＫ、定数をＡとするとき、
Ｊ・ｄ２θ（ｔ）／ｄｔ２＋Ｄ・θ（ｔ）／ｄｔ＋Ｋ・θ（ｔ）＝Ａ・ｆ（ｔ）
に基づいて、前記角速度検出値ｄθ（ｔ）／ｄｔを推定演算することを特徴とする（５）に記載のリニアアクチュエータ。
【発明の効果】
【００２９】
本発明によれば、次のような効果を期待することができる。
（１）状態推定器による速度推定演算により、従来手法による離散的な速度情報に対してより連続・滑らかな波形の速度情報をリアルタイムに得ることができ、速度制御の制御性を向上させることができる。
【００３０】
（２）状態推定器による速度推定演算により、位置情報の差分値とサンプル時間に依存することなく速度情報をリアルタイムに生成できるので、制御帯域を上げて高速時のオーバーシュートを抑制した速度制御を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
以下、本発明を図面により詳細に説明する。図１は、本発明を適用した速度制御系を示す機能ブロック図であり、シングル構成のリニアモータのスライダの速度制御系を示したものである。図６で説明した従来の速度制御系と同一要素には同一符号を付して説明を省略する。
【００３２】
フィードバック回路に設けた状態推定器１００は、制御対象への推力指令ｆと現在位置ｘ１を入力し、リアルタイムの推定速度ｘ２（ハット付）を出力する。状態推定器は制御分野では周知の技術であり、非特許文献１に理論の開示がある。
【００３３】
以下式（１）〜式（３）により状態推定器の基本機能を説明する。制御対象（リニアモータ、ブリッジ構成のリニアアクチュエータの中点、アーム部材の姿勢制御系）の運動方程式は、ｘ（ｔ）：位置、ｆ（ｔ）：推力、ｍ：質量、ｄ：粘性係数、ｋ：復元係数とするとき、式（１）で表記される。
【００３４】
【数１】
2009032008.tif 000003
【００３５】
なお、式（１）は次の式のようにも表現できる。
ｍ・ｄ２ｘ（ｔ）／ｄｔ２＋ｄ・ｄｘ（ｔ）／ｄｔ＋ｋ・ｘ（ｔ）＝Ａ・ｆ（ｔ）
【００３６】
ここで、位置、速度、加速度を式（２）のように定義することで式（１）の運動方程式は、式（３）で表記される。
【００３７】
【数２】
2009032008.tif 000004
【００３８】
【数３】
2009032008.tif 000005
【００３９】
この一般式に基づいて実測した位置情報及び推力から速度情報を推定するプロセスを式（４）〜式（１４）により説明する。式（２）で定義した速度を、式（４）に示す推定速度ｘ２（ハット付）で表記する。
【００４０】
【数４】
2009032008.tif 000006
【００４１】
同様に、式（２）で定義した加速度を、式（５）に示す推定加速度ｘ２（ハット付）で表記する。
【００４２】
【数５】
2009032008.tif 000007
【００４３】
式（４）の両辺に定数ｃを乗算して式（６）を得る。
【００４４】
【数６】
2009032008.tif 000008
【００４５】
式（５）と式（６）の差を演算して式（７）を得る。
【００４６】
【数７】
2009032008.tif 000009
【００４７】
ここで、式（７）の左辺をｚと定義して推定速度ｘ２（ハット付）を求めると式（８）を得る。
【００４８】
【数８】
2009032008.tif 000010
【００４９】
式（８）を微分して式（７）を代入することで、式（９）を得る。
【００５０】
【数９】
2009032008.tif 000011
【００５１】
式（９）の右辺の−（ｃ＋ｄ／ｍ）ｚを左辺に移動した値をゼロとし、これをｚについて解くことで式（１０）を得る。
【００５２】
【数１０】
2009032008.tif 000012
【００５３】
式（１０）の特性根λ及び定数ｃは、式（１１）で求められる。特性根λが負のとき速度制御系は安定する。
【００５４】
【数１１】
2009032008.tif 000013
【００５５】
式（１０）を式（９）に代入することで、式（１２）を得る。
【００５６】
【数１２】
2009032008.tif 000014
【００５７】
以上をまとめると、ｚの微分値並びに推定速度ｘ２（ハット付）は、式（１３）及び式（１４）で表記される。
【００５８】
【数１３】
2009032008.tif 000015
【００５９】
【数１４】
2009032008.tif 000016
【００６０】
図１に示す状態推定器１００を構成する機能ブロックは、式（１３）及び式（１４）を機能ブロックで表現したものである。このような機能ブロック構成により、数学的に微分方程式を解く煩雑な計算をしないで、推定速度ｘ２（ハット付）を求めることができる。
【００６１】
図１に示す状態推定器１００を構成する機能ブロックは、汎用的な状態推定器を表している。図２は、本発明の状態推定器を、ブリッジ構成のリニアモータの中点制御系に適用した場合の機能ブロック図である。この状態推定器２００は、汎用的な状態推定器１００におけるｋ＝０、Ａ＝１として得られる。
【００６２】
図３は、本発明の状態推定器を、ブリッジ構成のリニアモータにおけるアーム部材の姿勢制御系に適用した場合の機能ブロック図である。この状態推定器３００は、汎用的な状態推定器１００におけるｍ＝Ｊ（慣性モーメント）、ｄ＝Ｄ、ｋ＝Ｋ、Ａ＝Ｌ／２（Ｌ：アーム部材の長さ）として得られる。
【００６３】
姿勢制御の入力は角度θであるため、状態推定器３００で扱う運動式は、ヨーイング角の検出値をθ（ｔ）、推力指令をｆ（ｔ）、アーム部材の慣性モーメントをＪ、粘性係数をＤ、復元係数をＫ、定数をＡとするとき、
Ｊ・ｄ２θ（ｔ）／ｄｔ２＋Ｄ・θ（ｔ）／ｄｔ＋Ｋ・θ（ｔ）＝Ａ・ｆ（ｔ）
で表記され、速度検出値ｄθ（ｔ）／ｄｔを推定演算する。
【００６４】
図４は、本発明を適用した状態推定器を備える速度制御系を、中点位置制御部５０及び姿勢制御部９０内に備えるリニアアクチュエータの一実施形態を示す機能ブロック図である。図５で説明した従来構成と同一要素には同一符号を付して説明を省略する。
【００６５】
中点位置制御部５０における状態推定器２００及び姿勢制御部９０における状態推定器３００が、従来構成に対して速度制御系の制御特性を改善した本発明実施形態の特徴部である。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】本発明を適用した速度制御系を示す機能ブロック図である。
【図２】本発明の状態推定器を、ブリッジ構成のリニアモータの中点制御系に適用した場合の機能ブロック図である。
【図３】本発明の状態推定器を、ブリッジ構成のリニアモータにおけるアーム部材の姿勢制御系に適用した場合の機能ブロック図である。
【図４】本発明を適用した速度制御系を備えるリニアアクチュエータの一実施形態を示す機能ブロック図である。
【図５】特許文献１に開示されている従来のリニアアクチュエータの構成を示す機能ブロック図である。
【図６】中点位置制御部及び姿勢制御部においてディジタル処理で実行している従来の速度制御系を示す機能ブロック図である。
【符号の説明】
【００６７】
１０  第１リニアモータ
２０  第２リニアモータ
１１，２１  ステータ
１２，２２  スライダ
１３，２３  位置検出手段
３０  アーム部材
４０  上位装置
５０  中点位置制御部
５１  中点位置制御手段
５２  中点位置検出手段
５３  中点速度制御手段
２００  状態推定器
６１  加算器
６２  減算器
７０  第１ドライバ
８０  第２ドライバ
９０  姿勢制御部
９１  姿勢制御手段
９２  姿勢検出手段
９３  速度制御手段
３００  状態推定器
【図１】
2009032008.tif 000017
【図２】
2009032008.tif 000018
【図３】
2009032008.tif 000019
【図４】
2009032008.tif 000020
【図５】
2009032008.tif 000021
【図６】
2009032008.tif 000022