(57)【要約】【課題】ディジタル処理上で発生する遅延時間をみかけ上補正したフィードバック信号を生成することを可能とした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、  前記位置検出値の現在値及び過去にサンプルした位置検出値に基づいて、１サンプル後の前記速度検出値を予測演算する速度予測手段を備える。【選択図】図１
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【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、
前記位置検出値の現在値及び過去にサンプルした位置検出値に基づいて、１サンプル後の前記速度検出値を予測演算する速度予測手段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】
前記速度予測手段は、位置検出値の現在値をＰi、１サンプル前の位置検出値をＰi-1、２サンプル前の位置検出値をＰi-2、サンプル周期をΔｔとするとき、１サンプル後の前記速度検出値Ｖi+1を、
Ｖi+1＝（２Ｐi−３Ｐi-1＋Ｐi-2）／Δｔ
で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検出値の現在値及び過去にサンプルしたヨーイング角検出値に基づいて、１サンプル後の前記角速度の検出値を予測演算する角速度予測手段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】
前記角速度予測手段は、ヨーイング角検出値の現在値をθi、１サンプル前のヨーイング角検出値をθi-1、２サンプル前のヨーイング角検出値をθi-2、サンプル周期をΔｔとするとき、１サンプル後の前記角速度検出値θ´i+1を、
θ´i+1＝（２θi−３θi-1＋θi-2）／Δｔ
で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。
【請求項７】
前記速度予測手段及び角速度予測手段は、前記位置及びヨーイング角の値を速度及び角速度のディジタル値に変換するときに発生する１サンプル時間の時間遅れを補償することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか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４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５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され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ＴＦcmdを制御対象（質量Ｍ、粘性係数Ｄ）に与える。
【００１６】
フィードバック回路では、制御対象の速度Ｖｏを、ディジタル処理により生ずる１サンプル時間の遅延時間Ｌ及び速度比例ゲインＫFVを経由して前記速度フィードバック値Ｖfbを生成している。
【００１７】
遅延を考慮した速度フィードバックゲインは、周知のパディー近似の手法により式（１）で表記される。
【００１８】
【数１】
2009032009.tif 000003
【００１９】
粘性係数を考慮した速度制御系の伝達関数は、式（２）で与えられる。
【００２０】
【数２】
2009032009.tif 000004
【００２１】
（２）式を展開するときの条件は、式（３）である。
【００２２】
【数３】
2009032009.tif 000005
【００２３】
速度制御系の比例ゲインＫvの最適解は、速度制御帯域ｆｖｅｌとしたとき、最適伝達関数を求める周知のバターワースパターンに基づいて、式（４）で与えられる。
【００２４】
【数４】
2009032009.tif 000006
【００２５】
式（４）を式（２）に代入し、分母をゼロとしたときの速度制御系の特性根ｓは、式（５）で与えられる。
【００２６】
【数５】
2009032009.tif 000007
【００２７】
式（５）の分母（１−πｆｖｅｌＬ）に着目する。（１−πｆｖｅｌＬ）＞０のとき、複素平面上の特性根ｓは負となり、左半面に移動して速度制御系は安定となるが、（１−πｆｖｅｌＬ）＜０のとき、複素平面上の特性根ｓは正となり、右半面に移動するために、速度制御系は不安定となり、発振する。
【００２８】
【特許文献１】特開２００６−１０１５７０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２９】
式（５）の分母（１−πｆｖｅｌＬ）に着目したとき、次の問題が発生する。
（１）速度制御帯域ｆｖｅｌを高く設定すると特性根ｓは正となり系は発振するので、設定に限界がある。
【００３０】
（２）同様に、遅延時間Ｌが大きいと特性根ｓは正となり、系は発振する。ディジタル処理上で発生するこの遅延時間の存在により、系を安定状態に保持して速度制御帯域ｆｖｅｌをより高く設定したい場合の障害要因となっている。
【００３１】
（３）速度制御帯域の設定が低く制約されることで、遅延時間Ｌ並びの制御対象の機械的特性である粘性項Ｄの影響により、速度制御における立ち上がり及び立下りのオーバーシュートを抑制することができない。
【００３２】
図６は、スライダを移動制御したときの速度応答波形図であり、立ち上がり及び立下りにオーバーシュートが発生している。
【００３３】
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、ディジタル処理上で発生する遅延時間をみかけ上補正したフィードバック信号を生成することを可能とした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】
【００３４】
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、
前記位置検出値の現在値及び過去にサンプルした位置検出値に基づいて、１サンプル後の前記速度検出値を予測演算する速度予測手段を備えることを特徴とするリニアアクチュエータ。
【００３５】
（２）前記速度予測手段は、位置検出値の現在値をＰi、１サンプル前の位置検出値をＰi-1、２サンプル前の位置検出値をＰi-2、サンプル周期をΔｔとするとき、１サンプル後の前記速度検出値Ｖi+1を、
Ｖi+1＝（２Ｐi−３Ｐi-1＋Ｐi-2）／Δｔ
で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。
【００３６】
（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。
【００３７】
（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。
【００３８】
（５）前記アーム部材のヨーイング角検出値の現在値及び過去にサンプルしたヨーイング角検出値に基づいて、１サンプル後の前記角速度の検出値を予測演算する角速度予測手段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。
【００３９】
（６）前記角速度予測手段は、ヨーイング角検出値の現在値をθi、１サンプル前のヨーイング角検出値をθi-1、２サンプル前のヨーイング角検出値をθi-2、サンプル周期をΔｔとするとき、１サンプル後の前記角速度検出値θ´i+1を、
θ´i+1＝（２θi−３θi-1＋θi-2）／Δｔ
で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。
【００４０】
（７）前記速度予測手段及び角速度予測手段は、前記位置及びヨーイング角の値を速度及び角速度のディジタル値に変換するときに発生する１サンプル時間の時間遅れを補償することを特徴とする（１）乃至（６）のいずれかに記載のリニアアクチュエータ。
【発明の効果】
【００４１】
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）フィードバック回路に挿入される速度予測手段１００により、現在のサンプル時間の位置情報及び過去サンプルの位置情報に基づいて１サンプル後の速度情報を予測することにより、遅延時間をみかけ上補正することができる。
【００４２】
（２）この遅延補正により、速度制御帯域を大きくする設定が可能となり、速度制御における立ち上がり及び立下りのオーバーシュートを抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４３】
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４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。
【００４４】
本発明の構成上の特徴は、フィードバック回路の途中に速度予測手段１００を備える点にある。この速度予測手段１００は、遅延時間Ｌを経由した位置検出値の現在値及び１サンプル前の位置検出値及び２サンプル前の位置検出値に基づいて、１サンプル後の速度検出値を予測演算する。この予測演算の結果、遅延時間Ｌはみかけ上補正される。
【００４５】
予測演算のアルゴリズムは、位置検出値の現在値をＰi、１サンプル前の位置検出値をＰi-1、２サンプル前の位置検出値をＰi-2、サンプル周期をΔｔとするとき、１サンプル後の前記速度検出値Ｖi+1を、
Ｖi+1＝（２Ｐi−３Ｐi-1＋Ｐi-2）／Δｔ
で演算する。
【００４６】
以下、予測演算アルゴリズムの導出プロセスを説明する。位置検出値の現在値Ｐiと、１サンプル前の位置検出値Ｐi-1と、サンプル周期をΔｔに基づいて、速度Ｖiは式（６）で表記される。
【００４７】
【数６】
2009032009.tif 000008
【００４８】
１サンプル前の位置検出値Ｐi-1と、２サンプル前の位置検出値Ｐi-2と、サンプル周期をΔｔに基づいて、１サンプル前の速度Ｖi-1は式（７）で表記される。
【００４９】
【数７】
2009032009.tif 000009
【００５０】
式（６）と式（７）より、現在の加速度Ａiは、式（８）で表記される。
【００５１】
【数８】
2009032009.tif 000010
【００５２】
式（８）の加速度情報を用いた現在速度Ｖiは、式（９）で表記される。
【００５３】
【数９】
2009032009.tif 000011
【００５４】
式（９）の現在速度Ｖｉに基づく１サンプル後の速度Ｖi+1は、式（１０）の前提条件、即ち、制御対象の加速度変化が緩やかで連続・滑らかな場合に、式（１１）で近似して表記される。
【００５５】
【数１０】
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【００５６】
【数１１】
2009032009.tif 000013
【００５７】
次に、速度予測手段１００の機能構成につき説明する。遅延時間を経た現在位置検出値Ｐiは、２倍の係数器１０１を経由して加算器１０２に入力される。データ保持手段（図示せず）にアクセスする過去データ取得手段１０３により取得された１サンプル前の位置検出値Ｐi-1は、−３倍の係数器１０４を経由して加算器１０２に入力される。
【００５８】
加算器１０２の出力、（２Ｐi−３Ｐi-1）と過去データ取得手段１０５により取得された２サンプル前の位置検出値Ｐi-2は、加算器１０６に入力される。加算器１０６の出力、（２Ｐi−３Ｐi-1＋Ｐi-2）は、除算器１０７に入力されてサンプル周期Δｔで除算演算されて、１サンプル時間後の速度検出値の予測値Ｖi+1が、
Ｖi+1＝（２Ｐi−３Ｐi-1＋Ｐi-2）／Δｔ
で出力される。
【００５９】
図１の速度制御系は、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が、図４の実施形態に示すような一対のリニアモータのスライダ間をアーム部材で結合したブリッジ構成のリニアアクチュエータの中点位置の速度制御系にそのまま適用することができる。
【００６０】
更にアーム部材のヨーイング角度（姿勢）を制御する姿勢制御部９０の角速度制御系に適用することができる。角速度の制御系では、式（１０）の位置を角度に、速度を角速度に置き換えた式（１２）により、１サンプル後の角速度θ´i+1を予測演算する。
【００６１】
【数１２】
2009032009.tif 000014
【００６２】
図２は、本発明を適用した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４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。
【００６３】
中点位置制御部５０における速度予測手段１００及び姿勢制御部９０における角速度予測手段２００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。
【００６４】
図３は、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において、スライダを移動制御したときの速度応答波形図である。図６で説明した従来構成の波形図との比較では、遅延補正に伴い速度制御帯域を上げることによる効果で、立ち上がり及び立下りのオーバーシュートが抑制されている。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【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３】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において、スライダを移動制御したときの速度応答波形図である。
【図４】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５】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。
【図６】スライダを移動制御したときの速度応答波形図である。
【符号の説明】
【００６６】
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
５４  速度検出手段
１００  速度予測手段
１０１  ２倍係数器
１０２、１０６  加算器
１０３、１０５  過去データ取得手段
１０４  −３倍係数器
１０７  除算器
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
２００  角速度予測手段
【図１】
2009032009.tif 000015
【図２】
2009032009.tif 000016
【図４】
2009032009.tif 000017
【図５】
2009032009.tif 000018
【図３】
2009032009.tif 000019
【図６】
2009032009.tif 000020