モータ制御装置及び制御方法
【課題】共振系の振動を低減すると共に、動力伝達機構内部や被駆動体に発生する外乱によって生じる振動を低減すること。
【解決手段】フィードバック制御系は、速度制御器１３の出力に共振比係数Ｋを掛け合わせた値を第１の乗算結果として出力する第１の共振比ゲイン付与部１４と、ギヤ１８の入力側及び出力側のそれぞれの回転角度を検出するための第１、第２の位置検出器２０、２１と、これらの検出値を用いてギヤ１８の捻り量を算出する換算部２２及び減算器２３とを含む。フィードバック制御系はまた、算出された捻り量から被駆動体１９の運動による反力の推定値を算出するゲイン付与部２６と、算出された反力の推定値に（１−Ｋ）を掛け合わせた値を第２の乗算結果として出力する第２の共振比ゲイン付与部２７と、前記第１の乗算結果と前記第２の乗算結果とを足し合わせた値を最終的なトルク指令値としてトルク制御器１６に出力する加算器１５とを含む。
【解決手段】フィードバック制御系は、速度制御器１３の出力に共振比係数Ｋを掛け合わせた値を第１の乗算結果として出力する第１の共振比ゲイン付与部１４と、ギヤ１８の入力側及び出力側のそれぞれの回転角度を検出するための第１、第２の位置検出器２０、２１と、これらの検出値を用いてギヤ１８の捻り量を算出する換算部２２及び減算器２３とを含む。フィードバック制御系はまた、算出された捻り量から被駆動体１９の運動による反力の推定値を算出するゲイン付与部２６と、算出された反力の推定値に（１−Ｋ）を掛け合わせた値を第２の乗算結果として出力する第２の共振比ゲイン付与部２７と、前記第１の乗算結果と前記第２の乗算結果とを足し合わせた値を最終的なトルク指令値としてトルク制御器１６に出力する加算器１５とを含む。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はモータ制御装置及び制御方法に関し、減速機構、送りネジ機構等の動力伝達機構を備えるモータに適した制御装置及び制御方法に関する。なお、本発明による制御装置及び制御方法はリニアモータにも適用可能である。
【背景技術】
【０００２】
モータのうち、出力軸に動力伝達機構として、例えば機械的な減速機構（以後、ギヤと呼ぶ）を備えるモータでは、ギヤの機械的剛性、モータにおけるロータのイナーシャ、ギヤの出力軸に連結する被駆動体のイナーシャによって、機械共振系が構成される。この機械共振系の共振現象により制御周波数帯域の向上が阻害される。
【０００３】
また、この様なモータの制御系は、モータにおけるロータの回転速度あるいは角度を計測してモータの駆動トルクを調整する、いわゆるセミクローズド制御による構成が一般的である。しかしながら、ギヤのバックラッシや伝達誤差などは、モータのロータでは検出し難いことから、ギヤ出力側の運動制御精度の向上は困難である。
【０００４】
その為、ギヤ出力側に回転数あるいは角度を検出するセンサを設置し、その検出信号をフィードバックすることにより、上記のようなギヤで生じる運動誤差を低減する提案がこれまでにもなされている（例えば、特許文献１、２参照）。
【０００５】
一方、機械共振系の共振現象を考慮した制御手法として共振比制御手法が知られており、例えば特許文献３には「共振比制御による２慣性共振系の振動抑制装置」が開示されている。
【０００６】
【特許文献１】特許第２６２３５３１号公報
【特許文献２】特開平１０−２３７７５号公報
【特許文献３】特開平８−１３７５０３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、特許文献１の例では、特に振動成分の低減を目的としており、摩擦抵抗などの低周波数域において発生する問題に対しては有効な対策となっていない。
【０００８】
また、特許文献２の例では、ギヤ出力軸に結合される被駆動体のイナーシャを考慮していない構成のため、上記の共振現象に対して有効な対策にはなっていない。
【０００９】
一方、共振比制御に関連する技術として、駆動モータと被駆動体とをギヤを介して連結した構成に共振比制御を適用する場合に考えられる制御系を、図２を参照して説明する。
【００１０】
図２において、駆動モータ１７の出力軸にギヤ１８を介して被駆動体１９が連結される。駆動モータ１７のロータ（図示せず）にはその回転角度θＭを検出するための角度センサ（図示せず）が設置される。検出された回転角度θＭは疑似微分器２９で微分されることでロータの角速度ωＭが得られる。
【００１１】
第１の減算器１２により速度指令器１１からの速度指令値ωＲと疑似微分器２９からのロータ角速度ωＭとの偏差ωＥが算出される。速度制御器１３は偏差ωＥに基づいてトルクを示す出力τＲ０を出力する。
【００１２】
共振比制御では、外乱オブザーバ３１によって駆動モータ１７のロータに加わるギヤ１８からの反力を推定する。推定した反力に第２の共振比ゲイン付与部３２により第２の共振比係数(１−Ｋ)を掛けた値と、速度制御器１３からの出力τＲ０に第１の共振比ゲイン付与部１４により第１の共振比係数Ｋを掛けた出力τＲ１とを加算器１５によって足し合わせた値を最終的なトルク指令値τＲとする。なお、共振比係数Ｋは正数であり、駆動モータ１７のロータと被駆動体１９のイナーシャ比に応じて調整する。トルク制御器１６はトルク指令値τＲに基づいて駆動モータ１７の駆動を制御する。
【００１３】
これにより、疑似微分器２９からの角速度計測値のフィードバック信号ωＭを開いた時の、出力τＲ０から駆動モータ１７のロータ角速度ωＭまでの開ループ伝達関数は図３に実線で示すように共振周波数が変化し、角速度フィードバックループを閉じた時の被駆動体１９の反共振点より高域のゲイン特性が改善される。
【００１４】
図２に示す制御系による共振比制御では、被駆動体１９の動作による反力を駆動モータ１７のロータ回転角度θＭから推定する。しかし、ギヤ１８の摩擦が強いと被駆動体１９の動作による反力は、摩擦力によって相殺され、駆動モータ１７のロータヘ影響を及ぼさない。この様な場合、外乱オブザーバ３１によって被駆動体１９の動作による反力を推定できず、よって、上記のような共振比制御の効果が得られない。
【００１５】
以上のような状況を鑑みて、本発明は、ギヤ、送りネジ機構等の動力伝達機構が備えられるモータにおいて、動力伝達機構の出力側に設置されたセンサから得られる信号をフィードバックして、モータのイナーシャ、動力伝達機構の剛性、被駆動体のイナーシャによる共振系の振動を低減すると共に、動力伝達機構内部や被駆動体に発生する外乱によって生じる振動を低減することのできるモータの制御装置及び制御方法を提供しようとするものである。
【００１６】
本発明はまた、動力伝達機構における摩擦の影響による共振比制御の特性劣化を防止できるモータの制御装置及び制御方法を提供しようとするものである。
【００１７】
本発明は更に、上記のモータ制御装置をリニアモータにも適用可能とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明は、モータの回転力を、動力伝達部材を介して被駆動体に伝達するようにしたモータの制御装置であって、前記モータに対してトルクを指定する出力トルク信号を出力する速度制御器を含むフィードバック制御系を備えたモータ制御装置に適用される。本発明によるモータ制御装置は、前記フィードバック制御系が、前記速度制御器の出力に共振比係数Ｋを掛け合わせた値を第１の乗算結果として出力する第１の算出手段と、前記動力伝達部材の入力側及び出力側に設置され、前記動力伝達部材の入力側及び出力側のそれぞれの変位量を検出するための第１、第２のセンサと、前記第１、第２のセンサの検出値を用いて前記動力伝達部材の歪量を算出する第２の算出手段と、算出された歪量から前記被駆動体による反力の推定値を算出する第３の算出手段と、算出された反力の推定値に（１−Ｋ）を掛け合わせた値を第２の乗算結果として出力する第４の算出手段と、前記第１の乗算結果と前記第２の乗算結果とを足し合わせた値を最終的なトルク指令値としてトルク制御器に出力する第１の加算手段とを含むことを特徴とする。
【００１９】
上記モータ制御装置において、前記動力伝達部材がギヤの場合には、前記第１、第２のセンサは前記ギヤの入力側及び出力側の回転角度を検出するようにされる。また、前記第２の算出手段は、検出された前記ギヤの出力側の回転角度を当該ギヤの入力側回転角度に換算する換算部と、換算された前記入力側回転角度と検出された前記ギヤの入力側の回転角度との差である前記ギヤの捻り量を前記歪量として算出する減算手段とを含み、前記第３の算出手段は、算出された前記捻り量にあらかじめ計測された前記ギヤの捻り剛性ＫＧを掛け合わせて前記被駆動体による反力の推定値を算出する。
【００２０】
一方、上記モータ制御装置において、前記動力伝達部材が送りネジ機構の場合には以下のようになる。前記第１、第２のセンサはそれぞれ送りネジの入力側の回転角度、直動部材の直動変位量を検出する。前記第２の算出手段は、検出された前記直動部材の直動変位量を前記送りネジの入力側回転角度に換算する換算部と、換算された前記入力側回転角度と検出された前記送りネジの入力側の回転角度との差である前記送りネジの変形量を前記歪量として算出する減算手段を含み、前記第３の算出手段は、算出された前記変形量にあらかじめ計測された前記送りネジの変形剛性ＫＳを掛け合わせて前記被駆動体による反力の推定値を算出する。
【００２１】
上記のモータ制御装置においては、前記フィードバック制御系が更に、前記歪量として算出された前記差を微分して角速度を算出する疑似微分器と、算出された角速度にあらかじめ定められたゲインを掛け合わせ、これを補正値として出力する第５の算出手段と、前記補正値を前記第４の算出手段からの前記第２の乗算結果に足し合わせた加算結果を出力する第２の加算手段とを備えていても良い。この場合、前記第１の加算手段は、前記第１の乗算結果と前記加算結果とを足し合わせた値を前記最終的なトルク指令値として前記トルク制御器に出力する。
【００２２】
本発明によればまた、被駆動体に、ギヤを介して駆動力を伝達するモータの制御方法であって、前記モータに対してトルクを指定する出力トルク信号を出力する速度制御器を含むフィードバック制御系によるモータ制御方法が提供される。本発明によるモータ制御方法は、前記速度制御器の出力に共振比係数Ｋを掛け合わせた値τＲ１を算出するステップと、前記モータにおけるロータの回転角度θＭと前記ギヤの出力軸角度θＬ’とを検出するステップと、検出された出力軸角度θＬ’から前記ギヤの入力軸換算角度θＬを算出するステップと、検出された回転角度θＭと算出された入力軸換算角度θＬとの差θＴを算出するステップと、算出された差θＴに対してあらかじめ計測された前記ギヤの捻り剛性ＫＧを掛け合わせて前記被駆動体による反力の推定値τＲ２’を算出するステップと、算出された反力の推定値τＲ２’に対して(１−Ｋ)を掛け合わせた値τＲ２を算出するステップと、算出された値τＲ１と値τＲ２とを足し合わせた値を最終的なトルク指令値τＲとしてトルク制御器に出力するステップとを含む。
【００２３】
上記モータ制御方法において、ギヤに代えて送りネジ機構を備える場合には、前記速度制御器の出力に共振比係数Ｋを掛け合わせた値τＲ１を算出するステップと、前記モータにおけるロータの回転角度θＭを前記送りネジ機構における入力側の回転角度として検出すると共に、直動部材の直動変位量を検出するステップと、検出された前記直動部材の直動変位量を前記送りネジ機構における入力側回転角度θＬに換算するステップと、検出された前記回転角度θＭと換算された前記入力側回転角度θＬとの差θＴを算出するステップと、算出された差θＴに対して前記送りネジの変形剛性ＫＳを掛け合わせて前記被駆動体による反力の推定値τＲ２’を算出するステップと、算出された反力の推定値τＲ２’に対して(１−Ｋ)を掛け合わせた値τＲ２を算出するステップと、算出された値τＲ１と値τＲ２とを足し合わせた値を最終的なトルク指令値τＲとしてトルク制御器に出力するステップとを含むようにされる。
【００２４】
上記のいずれのモータ制御方法においても、更に、前記算出された差θＴを微分して角速度ωｔを算出するステップと、算出された角速度ωｔにあらかじめ定められたゲインを掛け合わせて補正値τＲ３を算出するステップと、算出された補正値τＲ３を前記算出された値τＲ２に足し合わせるステップとを含んでも良い。この場合、足し合わされた値（τＲ２＋τＲ３）を前記値τＲ１に足し合わせた値を前記最終的なトルク指令値τＲとする。
【００２５】
本発明はまた、被駆動体を駆動するリニアモータの制御装置であって、該リニアモータに対して推力を指定する出力推力信号を出力する速度制御器を含むフィードバック制御系を備えたリニアモータモータ制御装置にも適用され得る。この場合、前記フィードバック制御系は、前記速度制御器の出力に共振比係数Ｋを掛け合わせた値を第１の乗算結果として出力する第１の算出手段と、前記リニアモータに備えられたリニアエンコーダと、前記被駆動体の位置を検出するためのセンサと、前記リニアエンコーダの検出値と前記センサの検出値との差を算出する第２の算出手段と、算出された差に前記被駆動体の軸受剛性ＫＢを掛け合わせて前記被駆動体による反力の推定値を算出する第３の算出手段と、算出された反力の推定値に（１−Ｋ）を掛け合わせた値を第２の乗算結果として出力する第４の算出手段と、前記第１の乗算結果と前記第２の乗算結果とを足し合わせた値を最終的な推力指令値として推力制御器に出力する第１の加算手段とを含む。
【００２６】
本発明によるリニアモータ制御装置においては、前記フィードバック制御系が更に、前記算出された差を微分して速度を算出する疑似微分器と、算出された速度にあらかじめ定められたゲインを掛け合わせ、これを補正値として出力する第５の算出手段と、前記補正値を前記第４の算出手段からの前記第２の乗算結果に足し合わせた加算結果を出力する第２の加算手段とを備えても良い。この場合、前記第１の加算手段は、前記第１の乗算結果と前記加算結果とを足し合わせた値を前記最終的な推力指令値として前記推力制御器に出力する。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、ギヤ、ボールネジ機構等の動力伝達機構が備えられるモータにおいて、動力伝達機構の入力側に設置されたセンサから得られる信号だけでなく、出力側に設置されたセンサから得られる信号をもフィードバックして、いわゆる共振比制御を行うことにより、モータのイナーシャ、動力伝達機構の剛性、被駆動体のイナーシャによる共振系の振動を低減すると共に、動力伝達機構内部や被駆動体に発生する外乱によって生じる振動を低減することができる。
【００２８】
本発明によればまた、動力伝達機構における摩擦の影響による共振比制御の特性劣化を防止することができる。例えば、本発明を、動力伝達機構としてギヤを備えるモータに適用した場合には、ギヤの摩擦の影響による共振比制御手法の特性劣化を起こさず、良好にギヤの捻り共振を抑制することが可能となる。これにより、ギヤのバックラッシや伝達誤差に起因するギヤの捻り振動も良好に抑制される。その結果、モータの制御性能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】
【００２９】
図１を参照して、本発明によるモータ制御装置の好ましい実施形態について説明する。
【００３０】
図１は、図２と同様、駆動モータと被駆動体とをギヤを介して連結した構成に共振比制御を適用する場合の本発明による制御系の一例をブロック図で示す。図１において、図２と同じ構成要素については同じ参照番号を付している。
【００３１】
本実施形態の特徴を要約すれば、以下の通りである。
【００３２】
１．ギヤ１８の入力側及び出力側でそれぞれ、位置検出器２０、２１による位置（回転角度）検出を行うようにした。
【００３３】
２．２つの位置検出器２０、２１からの検出値を用い、ギヤ１８からの反力推定を、図２の外乱オブザーバ３１とは異なる、改良された手段により行うようにした。
【００３４】
３．新たに、ギヤ１８の捻り振動をより良く減衰させるための手段を備えた。
【００３５】
図１において、駆動モータ１７の出力軸にギヤ１８を介して被駆動体１９が連結される。駆動モータ１７のロータ（図示せず）にはその回転角度θＭを検出するための位置検出器（第１のセンサ）２０が設置される。一方、ギヤ１８の出力軸にはその回転角度θＬ’を検出するための位置検出器（第２のセンサ）２１が設置される。検出された回転角度θＭは疑似微分器２９で微分されることでロータの角速度ωＭが得られる。
【００３６】
第１の減算器１２により速度指令器１１からの速度指令値ωＲと疑似微分器２９からのロータ角速度ωＭとの偏差ωＥが算出される。速度制御器１３は偏差ωＥに基づいてトルクを示す出力τＲ０を出力する。
【００３７】
本実施形態による共振比制御では、換算部２２によりギヤ１８の出力軸角度θＬ’が入力軸換算角度θＬに換算される。この換算には、ギヤ１８の減速比が用いられる。続いて、第２の減算器２３によりロータ回転角度θＭと入力軸換算角度θＬとの差θＴがギヤ１８の歪量、ここでは捻り量として算出される。換算部２２と第２の減算器２３はまとめて第２の算出手段として機能する。算出された捻り量θＴに対してゲイン付与部（第３の算出手段）２６により、あらかじめ計測されたギヤ１８の捻り剛性ＫＧを掛け合わせることで被駆動体１９による反力の推定値τＲ２’を算出する。ここで、被駆動体１９による反力の推定値というのは、動力伝達部材であるギヤ１８を介して駆動モータ１７へ伝わる被駆動体１９の運動による反力の推定値を意味する。一方、ギヤ１８の捻り剛性ＫＧは、ギヤ１８に加えられたトルクτと捻り量θＴとの関係、具体的にはトルクτを横軸とし捻り量θＴを縦軸とする特性直線（曲線）の傾きから算出される。
【００３８】
次に、第２の共振比ゲイン付与部（第４の算出手段）２７により反力の推定値τＲ２’に対して第２の共振比係数(１−Ｋ)を掛け合わせた値τＲ２を算出する。この値τＲ２と、速度制御器１３からの出力τＲ０に第１の共振比ゲイン付与部（第１の算出手段）１４により第１の共振比係数Ｋを掛け合わせた出力τＲ１とを加算器（第１の加算手段）１５によって足し合わせた値を最終的なトルク指令値τＲとする。前述したように、共振比係数Ｋは正数であり、駆動モータ１７のロータと被駆動体１９のイナーシャ比に応じて調整する。トルク制御器１６はトルク指令値τＲに基づいて駆動モータ１７の駆動を制御する。
【００３９】
以上のような制御系により、図２の制御系と同様、疑似微分器２９からの角速度計測値のフィードバック信号ωＭを開いた時の、出力τＲ０から駆動モータ１７のロータ角速度ωＭまでの開ループ伝達関数が図３に実線で示すように共振周波数が変化し、角速度フィードバックループを閉じた時の被駆動体１９の反共振点より高域のゲイン特性が改善される。
【００４０】
加えて、前述したように、図２の共振比制御では被駆動体１９の動作による反力を駆動モータ１７のロータ回転角度θＭのみによって推定しているために、ギヤ１８の摩擦が強いと被駆動体１９の動作による反力は、摩擦力によって相殺されてしまい、外乱オブザーバ３１によって被駆動体１９の動作による反力を推定できない。
【００４１】
これに対し、本実施形態では被駆動体１９の動作による反力の推定に、ギヤ１８の出力軸回転角度θＬ’、つまり被駆動体１９の回転角度を用いているので、上記の様な現象は起こらず、常に良好な制御特性を実現できる。ここで、ギヤ１８の出力軸回転角度θＬ’を被駆動体１９の回転角度と見なしているのは、ギヤ１８と被駆動体１９とを連結している出力軸を剛体と見なすことができるからである。換言すれば、この出力軸が剛体と見なせない場合には、被駆動体１９自体の回転角度を検出するようにされる。
【００４２】
本実施形態では更に、差θＴ（ギヤ１８の捻り量）に対して疑似微分器２４により微分を行って角速度ωｔを算出し、これにゲイン付与部（第５の算出手段）２５により適当なゲインを掛けた補正値τＲ３を加算器（第２の加算手段）２８で共振比ゲイン付与部２７からの値τＲ２に足し合わせるようにしている。これにより、ギヤ１８の捻り振動をより良く減衰することが可能となる。
【００４３】
以上のようにして、本実施形態によれば、ギヤ１８の摩擦の影響による共振比制御手法の特性劣化を起こさず、良好にギヤ１８の捻り共振を抑制することが可能となる。これにより、ギヤ１８のバックラッシや伝達誤差に起因するギヤ１８の捻り振動も良好に抑制される。
【００４４】
上記の実施形態は、本発明を、駆動モータと被駆動体とをギヤを介して連結した構成に適用した場合であるが、本発明はこれに限らず、例えば駆動モータに動力伝達機構としてボールネジ機構、滑りネジ機構等による送りネジ機構が連結される場合にも適用することができ、同様の効果が得られる。
【００４５】
図４を参照して、送りネジ機構としてのボールネジ機構を２つ組み合わせてＸ−Ｙステージ装置を構成した例について説明する。図４において、このＸ−Ｙステージ装置は、サーボモータ６１とボールネジ（送りネジ）６２とを組み合わせたＸ軸ステージ６０に、サーボモータ７１とボールネジ（送りネジ）７２とを組み合わせたＹ軸ステージ７０を積み上げるように構成している。ボールネジ６２には、図示していないが、その回転によりＸ軸方向に駆動される被駆動部材（直動部材）が組み合わされており、この被駆動部材にＹ軸ステージ７０が搭載された構成となっている。そして、Ｙ軸ステージ７０のボールネジ７２にはトッププレート（直動部材）８０が組み合わされ、ボールネジ７２の回転によりトッププレート８０がＹ軸方向に駆動される。結果として、Ｘ軸ステージ６０とＹ軸ステージ７０との組み合わせにより、トッププレート８０はＸ軸方向及びＹ軸方向に駆動される。６３、７３はそれぞれ回転量検出用のエンコーダである。
【００４６】
このようなＸ−Ｙステージ装置の位置制御方式として、トッププレート８０の位置を直接検出してフィードバックするフルクローズドループ位置制御方式を採用した場合、高速移動時のボールネジ部分の振動による制御ループの安定性が確保できず、応答性をあげられないという問題があることは前述した通りである。
【００４７】
これに対して、図４のＸ−Ｙステージ装置に本発明を適用した場合、図１を参照して説明すると以下のようになる。なお、図１の制御系はＸ軸ステージ６０、Ｙ軸ステージ７０のそれぞれに適用されるが、以下ではＹ軸ステージ７０に適用した場合について説明する。
【００４８】
エンコーダ７３（図１の位置検出器２０に対応）ではサーボモータ７１（図１の駆動モータ１７に対応）のロータ回転角度θＭを検出する。一方、トッププレート８０（図１の被駆動体１９に対応）の位置が、例えばレーザ干渉計（図示省略）（図１の位置検出器２１に対応）により検出され、そのＹ軸成分がＹ軸変位量として用いられる。トッププレート８０のＹ軸変位量は換算部２２により入力軸換算角度θＬに換算される。エンコーダ７３からの回転角度θＭとレーザ干渉計のＹ軸変位量から得られた回転角度θＬとの差、つまりネジ体の変形量（歪量）に、ゲイン付与部２６によりネジ体の変形剛性（歪剛性）ＫＳを掛けることで被駆動体１９の動作による反力の推定値が算出される。被駆動体１９の動作による反力の推定値というのは、動力伝達部材であるボールネジ機構を介して駆動モータ１７へ伝わる被駆動体１９の運動による反力の推定値を意味する。ネジ体の変形剛性ＫＳは、ネジ体の捻り変形に対する剛性と、圧縮／引張変形に対する剛性とが合わさった剛性であり、例えばネジ体に加えられたトルクと変形量との関係、具体的にはトルクを横軸とし変形量を縦軸とする特性の傾きから算出される。
【００４９】
次に、第２の共振比ゲイン付与部２７により反力の推定値に対して第２の共振比係数(１−Ｋ)を掛け合わせた値を算出する。この値と、速度制御器１３からの出力τＲ０に第１の共振比ゲイン付与部１４により第１の共振比係数Ｋを掛けた出力τＲ１とを加算器１５によって足し合わせた値を最終的なトルク指令値τＲとする。共振比係数Ｋは正数であり、サーボモータ７１のロータとトッププレート８０のイナーシャ比に応じて調整する。トルク制御器１６はトルク指令値τＲに基づいてサーボモータ７１の駆動を制御する。以上の説明は、レーザ干渉計により検出されたトッププレート８０の位置のＹ軸成分に代えてＸ軸成分を用いる点を除いて、Ｘ軸ステージ６０についてもまったく同様に当てはまる。
【００５０】
以上のような制御系により、上記の実施形態と同様、被駆動体、つまりトッププレート８０の反共振点より高域のゲイン特性が改善される。また、ネジ体とこれに組み合わされる直動部材（例えばトッププレート８０）との間の摩擦が強い場合であっても、直動部材の動作による反力を推定することができる。これにより、ネジ体の捻り振動も良好に抑制される。
【００５１】
本発明による制御系は更に、リニアモータにも適用可能である。例えば、図４に示したＸ−Ｙステージ装置におけるＸ軸ステージ６０の駆動源としてボールネジ機構に代えてＸ軸リニアモータを用い、Ｙ軸ステージ７０の駆動源としてボールネジ機構に代えてＹ軸リニアモータを用いたＸ−Ｙステージ装置が提供されている。この種のＸ−Ｙステージ装置には、図１の位置検出器２０に相当するセンサとしてＸ軸ステージ、Ｙ軸ステージのそれぞれにリニアエンコーダが備えられ、図１の位置検出器２１に相当するセンサとしてはトッププレートに設置されたレーザ干渉計を利用することができる。また、リニアモータの場合、トルクではなく、推力として制御が行われる。本例の場合は図１の換算部２２は不要であり、図１のゲイン付与部２６における捻り剛性ＫＳに代えて、Ｘ軸ステージ、Ｙ軸ステージのそれぞれにおける被駆動体の軸受剛性ＫＢが用いられる。
【００５２】
つまり、図１を参照して説明すれば、被駆動体１９を駆動するリニアモータの制御装置であって、リニアモータに対して推力を指定する出力推力信号を出力する速度制御器１３を含むフィードバック制御系を備えたリニアモータ制御装置である。フィードバック制御系は、速度制御器１３の出力に共振比係数Ｋを掛け合わせた値を第１の乗算結果として出力する第１の共振比ゲイン付与部１４と、リニアモータに備えられた上記のリニアエンコーダ（位置検出器２０）と、被駆動体１９の位置を検出するためのレーザ干渉計（位置検出器２１）と、リニアエンコーダの検出値とレーザ干渉計の検出値との差を算出する第２の減算器２３と、算出された差に被駆動体１９の軸受剛性ＫＢを掛け合わせて被駆動体１９による反力の推定値を算出するゲイン付与部２６と、算出された反力の推定値に（１−Ｋ）を掛け合わせた値を第２の乗算結果として出力する第２の共振比ゲイン付与部２７と、前記第１の乗算結果と前記第２の乗算結果とを足し合わせた値を最終的な推力指令値として推力制御器（トルク制御器１６に対応）に出力する加算器１５とを含む。
【００５３】
また、フィードバック制御系は更に、前記算出された差を微分して速度を算出する疑似微分器２４と、算出された速度にあらかじめ定められたゲインを掛け合わせ、これを補正値として出力するゲイン付与部２５と、前記補正値を第２の共振比ゲイン付与部２７からの前記第２の乗算結果に足し合わせた加算結果を出力する加算器２８とを備え、加算器１５は、前記第１の乗算結果と前記加算結果とを足し合わせた値を前記最終的な推力指令値として推力制御器に出力する。
【００５４】
このリニアモータ制御系においても、上記の実施形態と同様の効果が得られる。つまり、リニアモータで直接被駆動体を駆動する時に被駆動体が共振モードを有する場合、その共振による制御特性の劣化を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】図１は、本発明によるモータ制御装置の実施形態の構成を示したブロック図である。
【図２】図２は、共振比制御を実現すべく提案されている制御系の構成を示したブロック図である。
【図３】図３は、共振比制御によるゲイン特性の改善について説明するための特性図である。
【図４】本発明が適用される、ボールネジ機構の組み合わせによるＸ−Ｙステージ装置の例を示した斜視図である。
【符号の説明】
【００５６】
６０ Ｘ軸ステージ
６１、７１ サーボモータ
６２、７２ ボールネジ
６３、７３ エンコーダ
７０ Ｙ軸ステージ
８０ トッププレート
【技術分野】
【０００１】
本発明はモータ制御装置及び制御方法に関し、減速機構、送りネジ機構等の動力伝達機構を備えるモータに適した制御装置及び制御方法に関する。なお、本発明による制御装置及び制御方法はリニアモータにも適用可能である。
【背景技術】
【０００２】
モータのうち、出力軸に動力伝達機構として、例えば機械的な減速機構（以後、ギヤと呼ぶ）を備えるモータでは、ギヤの機械的剛性、モータにおけるロータのイナーシャ、ギヤの出力軸に連結する被駆動体のイナーシャによって、機械共振系が構成される。この機械共振系の共振現象により制御周波数帯域の向上が阻害される。
【０００３】
また、この様なモータの制御系は、モータにおけるロータの回転速度あるいは角度を計測してモータの駆動トルクを調整する、いわゆるセミクローズド制御による構成が一般的である。しかしながら、ギヤのバックラッシや伝達誤差などは、モータのロータでは検出し難いことから、ギヤ出力側の運動制御精度の向上は困難である。
【０００４】
その為、ギヤ出力側に回転数あるいは角度を検出するセンサを設置し、その検出信号をフィードバックすることにより、上記のようなギヤで生じる運動誤差を低減する提案がこれまでにもなされている（例えば、特許文献１、２参照）。
【０００５】
一方、機械共振系の共振現象を考慮した制御手法として共振比制御手法が知られており、例えば特許文献３には「共振比制御による２慣性共振系の振動抑制装置」が開示されている。
【０００６】
【特許文献１】特許第２６２３５３１号公報
【特許文献２】特開平１０−２３７７５号公報
【特許文献３】特開平８−１３７５０３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、特許文献１の例では、特に振動成分の低減を目的としており、摩擦抵抗などの低周波数域において発生する問題に対しては有効な対策となっていない。
【０００８】
また、特許文献２の例では、ギヤ出力軸に結合される被駆動体のイナーシャを考慮していない構成のため、上記の共振現象に対して有効な対策にはなっていない。
【０００９】
一方、共振比制御に関連する技術として、駆動モータと被駆動体とをギヤを介して連結した構成に共振比制御を適用する場合に考えられる制御系を、図２を参照して説明する。
【００１０】
図２において、駆動モータ１７の出力軸にギヤ１８を介して被駆動体１９が連結される。駆動モータ１７のロータ（図示せず）にはその回転角度θＭを検出するための角度センサ（図示せず）が設置される。検出された回転角度θＭは疑似微分器２９で微分されることでロータの角速度ωＭが得られる。
【００１１】
第１の減算器１２により速度指令器１１からの速度指令値ωＲと疑似微分器２９からのロータ角速度ωＭとの偏差ωＥが算出される。速度制御器１３は偏差ωＥに基づいてトルクを示す出力τＲ０を出力する。
【００１２】
共振比制御では、外乱オブザーバ３１によって駆動モータ１７のロータに加わるギヤ１８からの反力を推定する。推定した反力に第２の共振比ゲイン付与部３２により第２の共振比係数(１−Ｋ)を掛けた値と、速度制御器１３からの出力τＲ０に第１の共振比ゲイン付与部１４により第１の共振比係数Ｋを掛けた出力τＲ１とを加算器１５によって足し合わせた値を最終的なトルク指令値τＲとする。なお、共振比係数Ｋは正数であり、駆動モータ１７のロータと被駆動体１９のイナーシャ比に応じて調整する。トルク制御器１６はトルク指令値τＲに基づいて駆動モータ１７の駆動を制御する。
【００１３】
これにより、疑似微分器２９からの角速度計測値のフィードバック信号ωＭを開いた時の、出力τＲ０から駆動モータ１７のロータ角速度ωＭまでの開ループ伝達関数は図３に実線で示すように共振周波数が変化し、角速度フィードバックループを閉じた時の被駆動体１９の反共振点より高域のゲイン特性が改善される。
【００１４】
図２に示す制御系による共振比制御では、被駆動体１９の動作による反力を駆動モータ１７のロータ回転角度θＭから推定する。しかし、ギヤ１８の摩擦が強いと被駆動体１９の動作による反力は、摩擦力によって相殺され、駆動モータ１７のロータヘ影響を及ぼさない。この様な場合、外乱オブザーバ３１によって被駆動体１９の動作による反力を推定できず、よって、上記のような共振比制御の効果が得られない。
【００１５】
以上のような状況を鑑みて、本発明は、ギヤ、送りネジ機構等の動力伝達機構が備えられるモータにおいて、動力伝達機構の出力側に設置されたセンサから得られる信号をフィードバックして、モータのイナーシャ、動力伝達機構の剛性、被駆動体のイナーシャによる共振系の振動を低減すると共に、動力伝達機構内部や被駆動体に発生する外乱によって生じる振動を低減することのできるモータの制御装置及び制御方法を提供しようとするものである。
【００１６】
本発明はまた、動力伝達機構における摩擦の影響による共振比制御の特性劣化を防止できるモータの制御装置及び制御方法を提供しようとするものである。
【００１７】
本発明は更に、上記のモータ制御装置をリニアモータにも適用可能とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明は、モータの回転力を、動力伝達部材を介して被駆動体に伝達するようにしたモータの制御装置であって、前記モータに対してトルクを指定する出力トルク信号を出力する速度制御器を含むフィードバック制御系を備えたモータ制御装置に適用される。本発明によるモータ制御装置は、前記フィードバック制御系が、前記速度制御器の出力に共振比係数Ｋを掛け合わせた値を第１の乗算結果として出力する第１の算出手段と、前記動力伝達部材の入力側及び出力側に設置され、前記動力伝達部材の入力側及び出力側のそれぞれの変位量を検出するための第１、第２のセンサと、前記第１、第２のセンサの検出値を用いて前記動力伝達部材の歪量を算出する第２の算出手段と、算出された歪量から前記被駆動体による反力の推定値を算出する第３の算出手段と、算出された反力の推定値に（１−Ｋ）を掛け合わせた値を第２の乗算結果として出力する第４の算出手段と、前記第１の乗算結果と前記第２の乗算結果とを足し合わせた値を最終的なトルク指令値としてトルク制御器に出力する第１の加算手段とを含むことを特徴とする。
【００１９】
上記モータ制御装置において、前記動力伝達部材がギヤの場合には、前記第１、第２のセンサは前記ギヤの入力側及び出力側の回転角度を検出するようにされる。また、前記第２の算出手段は、検出された前記ギヤの出力側の回転角度を当該ギヤの入力側回転角度に換算する換算部と、換算された前記入力側回転角度と検出された前記ギヤの入力側の回転角度との差である前記ギヤの捻り量を前記歪量として算出する減算手段とを含み、前記第３の算出手段は、算出された前記捻り量にあらかじめ計測された前記ギヤの捻り剛性ＫＧを掛け合わせて前記被駆動体による反力の推定値を算出する。
【００２０】
一方、上記モータ制御装置において、前記動力伝達部材が送りネジ機構の場合には以下のようになる。前記第１、第２のセンサはそれぞれ送りネジの入力側の回転角度、直動部材の直動変位量を検出する。前記第２の算出手段は、検出された前記直動部材の直動変位量を前記送りネジの入力側回転角度に換算する換算部と、換算された前記入力側回転角度と検出された前記送りネジの入力側の回転角度との差である前記送りネジの変形量を前記歪量として算出する減算手段を含み、前記第３の算出手段は、算出された前記変形量にあらかじめ計測された前記送りネジの変形剛性ＫＳを掛け合わせて前記被駆動体による反力の推定値を算出する。
【００２１】
上記のモータ制御装置においては、前記フィードバック制御系が更に、前記歪量として算出された前記差を微分して角速度を算出する疑似微分器と、算出された角速度にあらかじめ定められたゲインを掛け合わせ、これを補正値として出力する第５の算出手段と、前記補正値を前記第４の算出手段からの前記第２の乗算結果に足し合わせた加算結果を出力する第２の加算手段とを備えていても良い。この場合、前記第１の加算手段は、前記第１の乗算結果と前記加算結果とを足し合わせた値を前記最終的なトルク指令値として前記トルク制御器に出力する。
【００２２】
本発明によればまた、被駆動体に、ギヤを介して駆動力を伝達するモータの制御方法であって、前記モータに対してトルクを指定する出力トルク信号を出力する速度制御器を含むフィードバック制御系によるモータ制御方法が提供される。本発明によるモータ制御方法は、前記速度制御器の出力に共振比係数Ｋを掛け合わせた値τＲ１を算出するステップと、前記モータにおけるロータの回転角度θＭと前記ギヤの出力軸角度θＬ’とを検出するステップと、検出された出力軸角度θＬ’から前記ギヤの入力軸換算角度θＬを算出するステップと、検出された回転角度θＭと算出された入力軸換算角度θＬとの差θＴを算出するステップと、算出された差θＴに対してあらかじめ計測された前記ギヤの捻り剛性ＫＧを掛け合わせて前記被駆動体による反力の推定値τＲ２’を算出するステップと、算出された反力の推定値τＲ２’に対して(１−Ｋ)を掛け合わせた値τＲ２を算出するステップと、算出された値τＲ１と値τＲ２とを足し合わせた値を最終的なトルク指令値τＲとしてトルク制御器に出力するステップとを含む。
【００２３】
上記モータ制御方法において、ギヤに代えて送りネジ機構を備える場合には、前記速度制御器の出力に共振比係数Ｋを掛け合わせた値τＲ１を算出するステップと、前記モータにおけるロータの回転角度θＭを前記送りネジ機構における入力側の回転角度として検出すると共に、直動部材の直動変位量を検出するステップと、検出された前記直動部材の直動変位量を前記送りネジ機構における入力側回転角度θＬに換算するステップと、検出された前記回転角度θＭと換算された前記入力側回転角度θＬとの差θＴを算出するステップと、算出された差θＴに対して前記送りネジの変形剛性ＫＳを掛け合わせて前記被駆動体による反力の推定値τＲ２’を算出するステップと、算出された反力の推定値τＲ２’に対して(１−Ｋ)を掛け合わせた値τＲ２を算出するステップと、算出された値τＲ１と値τＲ２とを足し合わせた値を最終的なトルク指令値τＲとしてトルク制御器に出力するステップとを含むようにされる。
【００２４】
上記のいずれのモータ制御方法においても、更に、前記算出された差θＴを微分して角速度ωｔを算出するステップと、算出された角速度ωｔにあらかじめ定められたゲインを掛け合わせて補正値τＲ３を算出するステップと、算出された補正値τＲ３を前記算出された値τＲ２に足し合わせるステップとを含んでも良い。この場合、足し合わされた値（τＲ２＋τＲ３）を前記値τＲ１に足し合わせた値を前記最終的なトルク指令値τＲとする。
【００２５】
本発明はまた、被駆動体を駆動するリニアモータの制御装置であって、該リニアモータに対して推力を指定する出力推力信号を出力する速度制御器を含むフィードバック制御系を備えたリニアモータモータ制御装置にも適用され得る。この場合、前記フィードバック制御系は、前記速度制御器の出力に共振比係数Ｋを掛け合わせた値を第１の乗算結果として出力する第１の算出手段と、前記リニアモータに備えられたリニアエンコーダと、前記被駆動体の位置を検出するためのセンサと、前記リニアエンコーダの検出値と前記センサの検出値との差を算出する第２の算出手段と、算出された差に前記被駆動体の軸受剛性ＫＢを掛け合わせて前記被駆動体による反力の推定値を算出する第３の算出手段と、算出された反力の推定値に（１−Ｋ）を掛け合わせた値を第２の乗算結果として出力する第４の算出手段と、前記第１の乗算結果と前記第２の乗算結果とを足し合わせた値を最終的な推力指令値として推力制御器に出力する第１の加算手段とを含む。
【００２６】
本発明によるリニアモータ制御装置においては、前記フィードバック制御系が更に、前記算出された差を微分して速度を算出する疑似微分器と、算出された速度にあらかじめ定められたゲインを掛け合わせ、これを補正値として出力する第５の算出手段と、前記補正値を前記第４の算出手段からの前記第２の乗算結果に足し合わせた加算結果を出力する第２の加算手段とを備えても良い。この場合、前記第１の加算手段は、前記第１の乗算結果と前記加算結果とを足し合わせた値を前記最終的な推力指令値として前記推力制御器に出力する。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、ギヤ、ボールネジ機構等の動力伝達機構が備えられるモータにおいて、動力伝達機構の入力側に設置されたセンサから得られる信号だけでなく、出力側に設置されたセンサから得られる信号をもフィードバックして、いわゆる共振比制御を行うことにより、モータのイナーシャ、動力伝達機構の剛性、被駆動体のイナーシャによる共振系の振動を低減すると共に、動力伝達機構内部や被駆動体に発生する外乱によって生じる振動を低減することができる。
【００２８】
本発明によればまた、動力伝達機構における摩擦の影響による共振比制御の特性劣化を防止することができる。例えば、本発明を、動力伝達機構としてギヤを備えるモータに適用した場合には、ギヤの摩擦の影響による共振比制御手法の特性劣化を起こさず、良好にギヤの捻り共振を抑制することが可能となる。これにより、ギヤのバックラッシや伝達誤差に起因するギヤの捻り振動も良好に抑制される。その結果、モータの制御性能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】
【００２９】
図１を参照して、本発明によるモータ制御装置の好ましい実施形態について説明する。
【００３０】
図１は、図２と同様、駆動モータと被駆動体とをギヤを介して連結した構成に共振比制御を適用する場合の本発明による制御系の一例をブロック図で示す。図１において、図２と同じ構成要素については同じ参照番号を付している。
【００３１】
本実施形態の特徴を要約すれば、以下の通りである。
【００３２】
１．ギヤ１８の入力側及び出力側でそれぞれ、位置検出器２０、２１による位置（回転角度）検出を行うようにした。
【００３３】
２．２つの位置検出器２０、２１からの検出値を用い、ギヤ１８からの反力推定を、図２の外乱オブザーバ３１とは異なる、改良された手段により行うようにした。
【００３４】
３．新たに、ギヤ１８の捻り振動をより良く減衰させるための手段を備えた。
【００３５】
図１において、駆動モータ１７の出力軸にギヤ１８を介して被駆動体１９が連結される。駆動モータ１７のロータ（図示せず）にはその回転角度θＭを検出するための位置検出器（第１のセンサ）２０が設置される。一方、ギヤ１８の出力軸にはその回転角度θＬ’を検出するための位置検出器（第２のセンサ）２１が設置される。検出された回転角度θＭは疑似微分器２９で微分されることでロータの角速度ωＭが得られる。
【００３６】
第１の減算器１２により速度指令器１１からの速度指令値ωＲと疑似微分器２９からのロータ角速度ωＭとの偏差ωＥが算出される。速度制御器１３は偏差ωＥに基づいてトルクを示す出力τＲ０を出力する。
【００３７】
本実施形態による共振比制御では、換算部２２によりギヤ１８の出力軸角度θＬ’が入力軸換算角度θＬに換算される。この換算には、ギヤ１８の減速比が用いられる。続いて、第２の減算器２３によりロータ回転角度θＭと入力軸換算角度θＬとの差θＴがギヤ１８の歪量、ここでは捻り量として算出される。換算部２２と第２の減算器２３はまとめて第２の算出手段として機能する。算出された捻り量θＴに対してゲイン付与部（第３の算出手段）２６により、あらかじめ計測されたギヤ１８の捻り剛性ＫＧを掛け合わせることで被駆動体１９による反力の推定値τＲ２’を算出する。ここで、被駆動体１９による反力の推定値というのは、動力伝達部材であるギヤ１８を介して駆動モータ１７へ伝わる被駆動体１９の運動による反力の推定値を意味する。一方、ギヤ１８の捻り剛性ＫＧは、ギヤ１８に加えられたトルクτと捻り量θＴとの関係、具体的にはトルクτを横軸とし捻り量θＴを縦軸とする特性直線（曲線）の傾きから算出される。
【００３８】
次に、第２の共振比ゲイン付与部（第４の算出手段）２７により反力の推定値τＲ２’に対して第２の共振比係数(１−Ｋ)を掛け合わせた値τＲ２を算出する。この値τＲ２と、速度制御器１３からの出力τＲ０に第１の共振比ゲイン付与部（第１の算出手段）１４により第１の共振比係数Ｋを掛け合わせた出力τＲ１とを加算器（第１の加算手段）１５によって足し合わせた値を最終的なトルク指令値τＲとする。前述したように、共振比係数Ｋは正数であり、駆動モータ１７のロータと被駆動体１９のイナーシャ比に応じて調整する。トルク制御器１６はトルク指令値τＲに基づいて駆動モータ１７の駆動を制御する。
【００３９】
以上のような制御系により、図２の制御系と同様、疑似微分器２９からの角速度計測値のフィードバック信号ωＭを開いた時の、出力τＲ０から駆動モータ１７のロータ角速度ωＭまでの開ループ伝達関数が図３に実線で示すように共振周波数が変化し、角速度フィードバックループを閉じた時の被駆動体１９の反共振点より高域のゲイン特性が改善される。
【００４０】
加えて、前述したように、図２の共振比制御では被駆動体１９の動作による反力を駆動モータ１７のロータ回転角度θＭのみによって推定しているために、ギヤ１８の摩擦が強いと被駆動体１９の動作による反力は、摩擦力によって相殺されてしまい、外乱オブザーバ３１によって被駆動体１９の動作による反力を推定できない。
【００４１】
これに対し、本実施形態では被駆動体１９の動作による反力の推定に、ギヤ１８の出力軸回転角度θＬ’、つまり被駆動体１９の回転角度を用いているので、上記の様な現象は起こらず、常に良好な制御特性を実現できる。ここで、ギヤ１８の出力軸回転角度θＬ’を被駆動体１９の回転角度と見なしているのは、ギヤ１８と被駆動体１９とを連結している出力軸を剛体と見なすことができるからである。換言すれば、この出力軸が剛体と見なせない場合には、被駆動体１９自体の回転角度を検出するようにされる。
【００４２】
本実施形態では更に、差θＴ（ギヤ１８の捻り量）に対して疑似微分器２４により微分を行って角速度ωｔを算出し、これにゲイン付与部（第５の算出手段）２５により適当なゲインを掛けた補正値τＲ３を加算器（第２の加算手段）２８で共振比ゲイン付与部２７からの値τＲ２に足し合わせるようにしている。これにより、ギヤ１８の捻り振動をより良く減衰することが可能となる。
【００４３】
以上のようにして、本実施形態によれば、ギヤ１８の摩擦の影響による共振比制御手法の特性劣化を起こさず、良好にギヤ１８の捻り共振を抑制することが可能となる。これにより、ギヤ１８のバックラッシや伝達誤差に起因するギヤ１８の捻り振動も良好に抑制される。
【００４４】
上記の実施形態は、本発明を、駆動モータと被駆動体とをギヤを介して連結した構成に適用した場合であるが、本発明はこれに限らず、例えば駆動モータに動力伝達機構としてボールネジ機構、滑りネジ機構等による送りネジ機構が連結される場合にも適用することができ、同様の効果が得られる。
【００４５】
図４を参照して、送りネジ機構としてのボールネジ機構を２つ組み合わせてＸ−Ｙステージ装置を構成した例について説明する。図４において、このＸ−Ｙステージ装置は、サーボモータ６１とボールネジ（送りネジ）６２とを組み合わせたＸ軸ステージ６０に、サーボモータ７１とボールネジ（送りネジ）７２とを組み合わせたＹ軸ステージ７０を積み上げるように構成している。ボールネジ６２には、図示していないが、その回転によりＸ軸方向に駆動される被駆動部材（直動部材）が組み合わされており、この被駆動部材にＹ軸ステージ７０が搭載された構成となっている。そして、Ｙ軸ステージ７０のボールネジ７２にはトッププレート（直動部材）８０が組み合わされ、ボールネジ７２の回転によりトッププレート８０がＹ軸方向に駆動される。結果として、Ｘ軸ステージ６０とＹ軸ステージ７０との組み合わせにより、トッププレート８０はＸ軸方向及びＹ軸方向に駆動される。６３、７３はそれぞれ回転量検出用のエンコーダである。
【００４６】
このようなＸ−Ｙステージ装置の位置制御方式として、トッププレート８０の位置を直接検出してフィードバックするフルクローズドループ位置制御方式を採用した場合、高速移動時のボールネジ部分の振動による制御ループの安定性が確保できず、応答性をあげられないという問題があることは前述した通りである。
【００４７】
これに対して、図４のＸ−Ｙステージ装置に本発明を適用した場合、図１を参照して説明すると以下のようになる。なお、図１の制御系はＸ軸ステージ６０、Ｙ軸ステージ７０のそれぞれに適用されるが、以下ではＹ軸ステージ７０に適用した場合について説明する。
【００４８】
エンコーダ７３（図１の位置検出器２０に対応）ではサーボモータ７１（図１の駆動モータ１７に対応）のロータ回転角度θＭを検出する。一方、トッププレート８０（図１の被駆動体１９に対応）の位置が、例えばレーザ干渉計（図示省略）（図１の位置検出器２１に対応）により検出され、そのＹ軸成分がＹ軸変位量として用いられる。トッププレート８０のＹ軸変位量は換算部２２により入力軸換算角度θＬに換算される。エンコーダ７３からの回転角度θＭとレーザ干渉計のＹ軸変位量から得られた回転角度θＬとの差、つまりネジ体の変形量（歪量）に、ゲイン付与部２６によりネジ体の変形剛性（歪剛性）ＫＳを掛けることで被駆動体１９の動作による反力の推定値が算出される。被駆動体１９の動作による反力の推定値というのは、動力伝達部材であるボールネジ機構を介して駆動モータ１７へ伝わる被駆動体１９の運動による反力の推定値を意味する。ネジ体の変形剛性ＫＳは、ネジ体の捻り変形に対する剛性と、圧縮／引張変形に対する剛性とが合わさった剛性であり、例えばネジ体に加えられたトルクと変形量との関係、具体的にはトルクを横軸とし変形量を縦軸とする特性の傾きから算出される。
【００４９】
次に、第２の共振比ゲイン付与部２７により反力の推定値に対して第２の共振比係数(１−Ｋ)を掛け合わせた値を算出する。この値と、速度制御器１３からの出力τＲ０に第１の共振比ゲイン付与部１４により第１の共振比係数Ｋを掛けた出力τＲ１とを加算器１５によって足し合わせた値を最終的なトルク指令値τＲとする。共振比係数Ｋは正数であり、サーボモータ７１のロータとトッププレート８０のイナーシャ比に応じて調整する。トルク制御器１６はトルク指令値τＲに基づいてサーボモータ７１の駆動を制御する。以上の説明は、レーザ干渉計により検出されたトッププレート８０の位置のＹ軸成分に代えてＸ軸成分を用いる点を除いて、Ｘ軸ステージ６０についてもまったく同様に当てはまる。
【００５０】
以上のような制御系により、上記の実施形態と同様、被駆動体、つまりトッププレート８０の反共振点より高域のゲイン特性が改善される。また、ネジ体とこれに組み合わされる直動部材（例えばトッププレート８０）との間の摩擦が強い場合であっても、直動部材の動作による反力を推定することができる。これにより、ネジ体の捻り振動も良好に抑制される。
【００５１】
本発明による制御系は更に、リニアモータにも適用可能である。例えば、図４に示したＸ−Ｙステージ装置におけるＸ軸ステージ６０の駆動源としてボールネジ機構に代えてＸ軸リニアモータを用い、Ｙ軸ステージ７０の駆動源としてボールネジ機構に代えてＹ軸リニアモータを用いたＸ−Ｙステージ装置が提供されている。この種のＸ−Ｙステージ装置には、図１の位置検出器２０に相当するセンサとしてＸ軸ステージ、Ｙ軸ステージのそれぞれにリニアエンコーダが備えられ、図１の位置検出器２１に相当するセンサとしてはトッププレートに設置されたレーザ干渉計を利用することができる。また、リニアモータの場合、トルクではなく、推力として制御が行われる。本例の場合は図１の換算部２２は不要であり、図１のゲイン付与部２６における捻り剛性ＫＳに代えて、Ｘ軸ステージ、Ｙ軸ステージのそれぞれにおける被駆動体の軸受剛性ＫＢが用いられる。
【００５２】
つまり、図１を参照して説明すれば、被駆動体１９を駆動するリニアモータの制御装置であって、リニアモータに対して推力を指定する出力推力信号を出力する速度制御器１３を含むフィードバック制御系を備えたリニアモータ制御装置である。フィードバック制御系は、速度制御器１３の出力に共振比係数Ｋを掛け合わせた値を第１の乗算結果として出力する第１の共振比ゲイン付与部１４と、リニアモータに備えられた上記のリニアエンコーダ（位置検出器２０）と、被駆動体１９の位置を検出するためのレーザ干渉計（位置検出器２１）と、リニアエンコーダの検出値とレーザ干渉計の検出値との差を算出する第２の減算器２３と、算出された差に被駆動体１９の軸受剛性ＫＢを掛け合わせて被駆動体１９による反力の推定値を算出するゲイン付与部２６と、算出された反力の推定値に（１−Ｋ）を掛け合わせた値を第２の乗算結果として出力する第２の共振比ゲイン付与部２７と、前記第１の乗算結果と前記第２の乗算結果とを足し合わせた値を最終的な推力指令値として推力制御器（トルク制御器１６に対応）に出力する加算器１５とを含む。
【００５３】
また、フィードバック制御系は更に、前記算出された差を微分して速度を算出する疑似微分器２４と、算出された速度にあらかじめ定められたゲインを掛け合わせ、これを補正値として出力するゲイン付与部２５と、前記補正値を第２の共振比ゲイン付与部２７からの前記第２の乗算結果に足し合わせた加算結果を出力する加算器２８とを備え、加算器１５は、前記第１の乗算結果と前記加算結果とを足し合わせた値を前記最終的な推力指令値として推力制御器に出力する。
【００５４】
このリニアモータ制御系においても、上記の実施形態と同様の効果が得られる。つまり、リニアモータで直接被駆動体を駆動する時に被駆動体が共振モードを有する場合、その共振による制御特性の劣化を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】図１は、本発明によるモータ制御装置の実施形態の構成を示したブロック図である。
【図２】図２は、共振比制御を実現すべく提案されている制御系の構成を示したブロック図である。
【図３】図３は、共振比制御によるゲイン特性の改善について説明するための特性図である。
【図４】本発明が適用される、ボールネジ機構の組み合わせによるＸ−Ｙステージ装置の例を示した斜視図である。
【符号の説明】
【００５６】
６０ Ｘ軸ステージ
６１、７１ サーボモータ
６２、７２ ボールネジ
６３、７３ エンコーダ
７０ Ｙ軸ステージ
８０ トッププレート
【特許請求の範囲】
【請求項１】
モータの回転力を、動力伝達部材を介して被駆動体に伝達するようにしたモータの制御装置であって、前記モータに対してトルクを指定する出力トルク信号を出力する速度制御器を含むフィードバック制御系を備えたモータ制御装置において、
前記フィードバック制御系は、
前記速度制御器の出力に共振比係数Ｋを掛け合わせた値を第１の乗算結果として出力する第１の算出手段と、
前記動力伝達部材の入力側及び出力側に設置され、前記動力伝達部材の入力側及び出力側のそれぞれの変位量を検出するための第１、第２のセンサと、
前記第１、第２のセンサの検出値を用いて前記動力伝達部材の歪量を算出する第２の算出手段と、
算出された歪量から前記被駆動体による反力の推定値を算出する第３の算出手段と、
算出された反力の推定値に（１−Ｋ）を掛け合わせた値を第２の乗算結果として出力する第４の算出手段と、
前記第１の乗算結果と前記第２の乗算結果とを足し合わせた値を最終的なトルク指令値としてトルク制御器に出力する第１の加算手段とを含むことを特徴とするモータ制御装置。
【請求項２】
請求項１に記載のモータ制御装置において、
前記動力伝達部材はギヤであって、前記第１、第２のセンサは前記ギヤの入力側及び出力側の回転角度を検出するものであり、
前記第２の算出手段は、検出された前記ギヤの出力側の回転角度を当該ギヤの入力側回転角度に換算する換算部と、換算された前記入力側回転角度と検出された前記ギヤの入力側の回転角度との差である前記ギヤの捻り量を前記歪量として算出する減算手段とを含み、
前記第３の算出手段は、算出された前記捻り量にあらかじめ計測された前記ギヤの捻り剛性ＫＧを掛け合わせて前記被駆動体による反力の推定値を算出することを特徴とするモータ制御装置。
【請求項３】
請求項１に記載のモータ制御装置において、
前記動力伝達部材は送りネジ機構であって、前記第１、第２のセンサはそれぞれ送りネジの入力側の回転角度、直動部材の直動変位量を検出するものであり、
前記第２の算出手段は、検出された前記直動部材の直動変位量を前記送りネジの入力側回転角度に換算する換算部と、換算された前記入力側回転角度と検出された前記送りネジの入力側の回転角度との差である前記送りネジの変形量を前記歪量として算出する減算手段を含み、
前記第３の算出手段は、算出された前記変形量にあらかじめ計測された前記送りネジの変形剛性ＫＳを掛け合わせて前記被駆動体による反力の推定値を算出することを特徴とするモータ制御装置。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか１項に記載のモータ制御装置において、
前記フィードバック制御系は更に、前記歪量として算出された前記差を微分して角速度を算出する疑似微分器と、算出された角速度にあらかじめ定められたゲインを掛け合わせ、これを補正値として出力する第５の算出手段と、前記補正値を前記第４の算出手段からの前記第２の乗算結果に足し合わせた加算結果を出力する第２の加算手段とを備え、
前記第１の加算手段は、前記第１の乗算結果と前記加算結果とを足し合わせた値を前記最終的なトルク指令値として前記トルク制御器に出力することを特徴とするモータ制御装置。
【請求項５】
被駆動体に、ギヤを介して駆動力を伝達するモータの制御方法であって、前記モータに対してトルクを指定する出力トルク信号を出力する速度制御器を含むフィードバック制御系によるモータ制御方法において、
前記速度制御器の出力に共振比係数Ｋを掛け合わせた値τＲ１を算出するステップと、
前記モータにおけるロータの回転角度θＭと前記ギヤの出力軸角度θＬ’とを検出するステップと、
検出された出力軸角度θＬ’から前記ギヤの入力軸換算角度θＬを算出するステップと、
検出された回転角度θＭと算出された入力軸換算角度θＬとの差θＴを算出するステップと、
算出された差θＴに対してあらかじめ計測された前記ギヤの捻り剛性ＫＧを掛け合わせて前記被駆動体による反力の推定値τＲ２’を算出するステップと、
算出された反力の推定値τＲ２’に対して(１−Ｋ)を掛け合わせた値τＲ２を算出するステップと、
算出された値τＲ１と値τＲ２とを足し合わせた値を最終的なトルク指令値τＲとしてトルク制御器に出力するステップとを含むことを特徴とするモータ制御方法。
【請求項６】
被駆動体に、送りネジ機構を介して駆動力を伝達するモータの制御方法であって、前記モータに対してトルクを指定する出力トルク信号を出力する速度制御器を含むフィードバック制御系によるモータ制御方法において、
前記速度制御器の出力に共振比係数Ｋを掛け合わせた値τＲ１を算出するステップと、
前記モータにおけるロータの回転角度θＭを前記送りネジ機構における入力側の回転角度として検出すると共に、直動部材の直動変位量を検出するステップと、
検出された前記直動部材の直動変位量を前記送りネジ機構における入力側回転角度θＬに換算するステップと、
検出された前記回転角度θＭと換算された前記入力側回転角度θＬとの差θＴを算出するステップと、
算出された差θＴに対して前記送りネジの変形剛性ＫＳを掛け合わせて前記被駆動体による反力の推定値τＲ２’を算出するステップと、
算出された反力の推定値τＲ２’に対して(１−Ｋ)を掛け合わせた値τＲ２を算出するステップと、
算出された値τＲ１と値τＲ２とを足し合わせた値を最終的なトルク指令値τＲとしてトルク制御器に出力するステップとを含むことを特徴とするモータ制御方法。
【請求項７】
請求項５又は６に記載のモータ制御方法において、
更に、前記算出された差θＴを微分して角速度ωｔを算出するステップと、
算出された角速度ωｔにあらかじめ定められたゲインを掛け合わせて補正値τＲ３を算出するステップと、
算出された補正値τＲ３を前記算出された値τＲ２に足し合わせるステップとを含み、
足し合わされた値（τＲ２＋τＲ３）を前記値τＲ１に足し合わせた値を前記最終的なトルク指令値τＲとすることを特徴とするモータ制御方法。
【請求項８】
被駆動体を駆動するリニアモータの制御装置であって、該リニアモータに対して推力を指定する出力推力信号を出力する速度制御器を含むフィードバック制御系を備えたリニアモータモータ制御装置において、
前記フィードバック制御系は、
前記速度制御器の出力に共振比係数Ｋを掛け合わせた値を第１の乗算結果として出力する第１の算出手段と、
前記リニアモータに備えられたリニアエンコーダと、
前記被駆動体の位置を検出するためのセンサと、
前記リニアエンコーダの検出値と前記センサの検出値との差を算出する第２の算出手段と、
算出された差に前記被駆動体の軸受剛性ＫＢを掛け合わせて前記被駆動体による反力の推定値を算出する第３の算出手段と、
算出された反力の推定値に（１−Ｋ）を掛け合わせた値を第２の乗算結果として出力する第４の算出手段と、
前記第１の乗算結果と前記第２の乗算結果とを足し合わせた値を最終的な推力指令値として推力制御器に出力する第１の加算手段とを含むことを特徴とするリニアモータ制御装置。
【請求項９】
請求項８に記載のリニアモータ制御装置において、
前記フィードバック制御系は更に、前記算出された差を微分して速度を算出する疑似微分器と、算出された速度にあらかじめ定められたゲインを掛け合わせ、これを補正値として出力する第５の算出手段と、前記補正値を前記第４の算出手段からの前記第２の乗算結果に足し合わせた加算結果を出力する第２の加算手段とを備え、
前記第１の加算手段は、前記第１の乗算結果と前記加算結果とを足し合わせた値を前記最終的な推力指令値として前記推力制御器に出力することを特徴とするリニアモータ制御装置。
【請求項１】
モータの回転力を、動力伝達部材を介して被駆動体に伝達するようにしたモータの制御装置であって、前記モータに対してトルクを指定する出力トルク信号を出力する速度制御器を含むフィードバック制御系を備えたモータ制御装置において、
前記フィードバック制御系は、
前記速度制御器の出力に共振比係数Ｋを掛け合わせた値を第１の乗算結果として出力する第１の算出手段と、
前記動力伝達部材の入力側及び出力側に設置され、前記動力伝達部材の入力側及び出力側のそれぞれの変位量を検出するための第１、第２のセンサと、
前記第１、第２のセンサの検出値を用いて前記動力伝達部材の歪量を算出する第２の算出手段と、
算出された歪量から前記被駆動体による反力の推定値を算出する第３の算出手段と、
算出された反力の推定値に（１−Ｋ）を掛け合わせた値を第２の乗算結果として出力する第４の算出手段と、
前記第１の乗算結果と前記第２の乗算結果とを足し合わせた値を最終的なトルク指令値としてトルク制御器に出力する第１の加算手段とを含むことを特徴とするモータ制御装置。
【請求項２】
請求項１に記載のモータ制御装置において、
前記動力伝達部材はギヤであって、前記第１、第２のセンサは前記ギヤの入力側及び出力側の回転角度を検出するものであり、
前記第２の算出手段は、検出された前記ギヤの出力側の回転角度を当該ギヤの入力側回転角度に換算する換算部と、換算された前記入力側回転角度と検出された前記ギヤの入力側の回転角度との差である前記ギヤの捻り量を前記歪量として算出する減算手段とを含み、
前記第３の算出手段は、算出された前記捻り量にあらかじめ計測された前記ギヤの捻り剛性ＫＧを掛け合わせて前記被駆動体による反力の推定値を算出することを特徴とするモータ制御装置。
【請求項３】
請求項１に記載のモータ制御装置において、
前記動力伝達部材は送りネジ機構であって、前記第１、第２のセンサはそれぞれ送りネジの入力側の回転角度、直動部材の直動変位量を検出するものであり、
前記第２の算出手段は、検出された前記直動部材の直動変位量を前記送りネジの入力側回転角度に換算する換算部と、換算された前記入力側回転角度と検出された前記送りネジの入力側の回転角度との差である前記送りネジの変形量を前記歪量として算出する減算手段を含み、
前記第３の算出手段は、算出された前記変形量にあらかじめ計測された前記送りネジの変形剛性ＫＳを掛け合わせて前記被駆動体による反力の推定値を算出することを特徴とするモータ制御装置。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか１項に記載のモータ制御装置において、
前記フィードバック制御系は更に、前記歪量として算出された前記差を微分して角速度を算出する疑似微分器と、算出された角速度にあらかじめ定められたゲインを掛け合わせ、これを補正値として出力する第５の算出手段と、前記補正値を前記第４の算出手段からの前記第２の乗算結果に足し合わせた加算結果を出力する第２の加算手段とを備え、
前記第１の加算手段は、前記第１の乗算結果と前記加算結果とを足し合わせた値を前記最終的なトルク指令値として前記トルク制御器に出力することを特徴とするモータ制御装置。
【請求項５】
被駆動体に、ギヤを介して駆動力を伝達するモータの制御方法であって、前記モータに対してトルクを指定する出力トルク信号を出力する速度制御器を含むフィードバック制御系によるモータ制御方法において、
前記速度制御器の出力に共振比係数Ｋを掛け合わせた値τＲ１を算出するステップと、
前記モータにおけるロータの回転角度θＭと前記ギヤの出力軸角度θＬ’とを検出するステップと、
検出された出力軸角度θＬ’から前記ギヤの入力軸換算角度θＬを算出するステップと、
検出された回転角度θＭと算出された入力軸換算角度θＬとの差θＴを算出するステップと、
算出された差θＴに対してあらかじめ計測された前記ギヤの捻り剛性ＫＧを掛け合わせて前記被駆動体による反力の推定値τＲ２’を算出するステップと、
算出された反力の推定値τＲ２’に対して(１−Ｋ)を掛け合わせた値τＲ２を算出するステップと、
算出された値τＲ１と値τＲ２とを足し合わせた値を最終的なトルク指令値τＲとしてトルク制御器に出力するステップとを含むことを特徴とするモータ制御方法。
【請求項６】
被駆動体に、送りネジ機構を介して駆動力を伝達するモータの制御方法であって、前記モータに対してトルクを指定する出力トルク信号を出力する速度制御器を含むフィードバック制御系によるモータ制御方法において、
前記速度制御器の出力に共振比係数Ｋを掛け合わせた値τＲ１を算出するステップと、
前記モータにおけるロータの回転角度θＭを前記送りネジ機構における入力側の回転角度として検出すると共に、直動部材の直動変位量を検出するステップと、
検出された前記直動部材の直動変位量を前記送りネジ機構における入力側回転角度θＬに換算するステップと、
検出された前記回転角度θＭと換算された前記入力側回転角度θＬとの差θＴを算出するステップと、
算出された差θＴに対して前記送りネジの変形剛性ＫＳを掛け合わせて前記被駆動体による反力の推定値τＲ２’を算出するステップと、
算出された反力の推定値τＲ２’に対して(１−Ｋ)を掛け合わせた値τＲ２を算出するステップと、
算出された値τＲ１と値τＲ２とを足し合わせた値を最終的なトルク指令値τＲとしてトルク制御器に出力するステップとを含むことを特徴とするモータ制御方法。
【請求項７】
請求項５又は６に記載のモータ制御方法において、
更に、前記算出された差θＴを微分して角速度ωｔを算出するステップと、
算出された角速度ωｔにあらかじめ定められたゲインを掛け合わせて補正値τＲ３を算出するステップと、
算出された補正値τＲ３を前記算出された値τＲ２に足し合わせるステップとを含み、
足し合わされた値（τＲ２＋τＲ３）を前記値τＲ１に足し合わせた値を前記最終的なトルク指令値τＲとすることを特徴とするモータ制御方法。
【請求項８】
被駆動体を駆動するリニアモータの制御装置であって、該リニアモータに対して推力を指定する出力推力信号を出力する速度制御器を含むフィードバック制御系を備えたリニアモータモータ制御装置において、
前記フィードバック制御系は、
前記速度制御器の出力に共振比係数Ｋを掛け合わせた値を第１の乗算結果として出力する第１の算出手段と、
前記リニアモータに備えられたリニアエンコーダと、
前記被駆動体の位置を検出するためのセンサと、
前記リニアエンコーダの検出値と前記センサの検出値との差を算出する第２の算出手段と、
算出された差に前記被駆動体の軸受剛性ＫＢを掛け合わせて前記被駆動体による反力の推定値を算出する第３の算出手段と、
算出された反力の推定値に（１−Ｋ）を掛け合わせた値を第２の乗算結果として出力する第４の算出手段と、
前記第１の乗算結果と前記第２の乗算結果とを足し合わせた値を最終的な推力指令値として推力制御器に出力する第１の加算手段とを含むことを特徴とするリニアモータ制御装置。
【請求項９】
請求項８に記載のリニアモータ制御装置において、
前記フィードバック制御系は更に、前記算出された差を微分して速度を算出する疑似微分器と、算出された速度にあらかじめ定められたゲインを掛け合わせ、これを補正値として出力する第５の算出手段と、前記補正値を前記第４の算出手段からの前記第２の乗算結果に足し合わせた加算結果を出力する第２の加算手段とを備え、
前記第１の加算手段は、前記第１の乗算結果と前記加算結果とを足し合わせた値を前記最終的な推力指令値として前記推力制御器に出力することを特徴とするリニアモータ制御装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２００８−４８５３９（Ｐ２００８−４８５３９Ａ）
【公開日】平成２０年２月２８日（２００８．２．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−２２２２２６（Ｐ２００６−２２２２２６）
【出願日】平成１８年８月１７日（２００６．８．１７）
【出願人】（０００００２１０７）住友重機械工業株式会社 (2,241)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年２月２８日（２００８．２．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年８月１７日（２００６．８．１７）
【出願人】（０００００２１０７）住友重機械工業株式会社 (2,241)
【Ｆターム（参考）】
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