制御装置、照射装置及び駆動装置
【課題】複数のモータの制御において、同期の高精度化及び制御の高速化の両立に有利な技術を提供する。
【解決手段】複数のモータのそれぞれについてフィードフォワード制御器を備え、前記複数のモータをそれぞれ制御する制御装置であって、前記フィードフォワード制御器の少なくとも１つは、当該フィードフォワード制御器が制御対象とするモータとは異なる少なくとも１つのモータの入出力特性を表す関数を含む、ことを特徴とする制御装置を提供する。
【解決手段】複数のモータのそれぞれについてフィードフォワード制御器を備え、前記複数のモータをそれぞれ制御する制御装置であって、前記フィードフォワード制御器の少なくとも１つは、当該フィードフォワード制御器が制御対象とするモータとは異なる少なくとも１つのモータの入出力特性を表す関数を含む、ことを特徴とする制御装置を提供する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、制御装置、照射装置及び駆動装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザ穴あけ装置、レーザトリマ装置、レーザリペア装置などのレーザ加工装置（工作機械装置）では、モータの制御装置を含むガルバノ装置が使用されている。ガルバノ装置は、モータの出力軸（回転軸）に取り付けられたミラーの回転角度を制御しながら、かかるミラーでレーザ光を反射して目標位置に照射する。レーザ光の照射位置を目標位置に制御する（位置決めする）際には、ミラーの回転角度を制御することが必要となるため、ガルバノ装置には、ミラーの回転角度を検出する検出器（例えば、静電容量センサ、光学式又は磁気式エンコーダ）が備えられている。
【０００３】
また、レーザ加工装置においては、生産性の向上や加工品質の向上が要求されているため、ガルバノ装置のモータには、ミラーを高速、且つ、高精度に目標位置に制御することが求められている。レーザ加工装置は、一般的に、複数のガルバノ装置を用いて、レーザ加工面においてレーザ光を２次元方向に走査する。従って、レーザ加工面においてレーザ光を直線に沿って照射する際には、複数のガルバノ装置のそれぞれのモータの出力軸の回転角度（即ち、ミラーの回転角度）を同期させる必要がある。複数のモータ（の出力軸の回転角度）を同期制御する技術に関しては従来から提案されている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−３３９０３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
レーザ加工装置に要求される生産性の向上や加工品質の向上は日増しに高まっており、複数のガルバノ装置（のモータの出力軸）に関しては、同期の高精度化に加えて、制御（例えば、回転角度制御）の高速化も求められている。しかしながら、特許文献１の技術では、同期の高精度化は実現できるものの、制御の高速化を実現することは困難である。
【０００６】
本発明は、このような従来技術の課題に鑑みてなされたもので、複数のモータの制御において、同期の高精度化及び制御の高速化の両立に有利な技術を提供することを例示的目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明の一側面としての制御装置は、複数のモータのそれぞれについてフィードフォワード制御器を備え、前記複数のモータをそれぞれ制御する制御装置であって、前記フィードフォワード制御器の少なくとも１つは、当該フィードフォワード制御器が制御対象とするモータとは異なる少なくとも１つのモータの入出力特性を表す関数を含む、ことを特徴とする。
【０００８】
本発明の更なる目的又はその他の側面は、以下、添付図面を参照して説明される好ましい実施形態によって明らかにされるであろう。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、例えば、複数のモータの制御において、同期の高精度化及び制御の高速化の両立に有利な技術を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一側面としてのレーザ加工装置の構成を示す概略図である。
【図２】図１に示すレーザ加工装置におけるＸ軸モータのモータ特性及びＹ軸モータのモータ特性を示す図である。
【図３】一般的なモデルマッチング２自由度制御系の構成を示す概略図である。
【図４】図１に示すレーザ加工装置におけるＸ軸モータ制御部及びＹ軸モータ制御部の構成を示す図である。
【図５】本実施形態におけるフィードバック制御のクローズドループ特性を示す図である。
【図６】本実施形態の制御系及び従来の制御系のそれぞれの制御によるＸ軸モータ及びＹ軸モータの応答を示す図である。
【図７】本実施形態の制御系及び従来の制御系のそれぞれの制御によるＸ軸モータのステップ応答を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施の形態について説明する。なお、各図において、同一の部材については同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。
【００１２】
図１は、本発明の一側面としてのレーザ加工装置１０００の構成を示す概略図である。なお、レーザ加工装置は一例に過ぎず、同期を要する複数のモータを含む装置に本発明は適用することができる。レーザ加工装置１０００は、加工対象の物体（被加工物）ＯＢにレーザ光ＬＬを照射し、例えば、物体ＯＢの切断、穴あけ、溶接などの加工を行う工作機械装置である。物体ＯＢとしては、金属、ガラス、プラスチックなどの材料を選択することができる。
【００１３】
レーザ加工装置１０００は、Ｘ軸モータ１００２と、Ｙ軸モータ１００４とを備える。Ｘ軸モータ１００２は、出力軸（回転軸）に取り付けられたＸ軸ミラー１００６を回転させる。同様に、Ｙ軸モータ１００４は、出力軸に取り付けられたＹ軸ミラー１００８を回転させる。
【００１４】
Ｘ軸検出部１０１０は、例えば、ロータリエンコーダで構成され、Ｘ軸モータ１００２の出力軸の位置（即ち、Ｘ軸ミラー１００６の回転角度）を検出する。同様に、Ｙ軸検出部１０１２は、例えば、ロータリエンコーダで構成され、Ｙ軸モータ１００４の出力軸の位置（即ち、Ｙ軸ミラー１００８の回転角度）を検出する。
【００１５】
主制御部１０１４は、レーザ加工装置１０００の全体（動作）を制御する。例えば、主制御部１０１４は、所定の入力値に基づいて、Ｘ軸モータ位置指令部１０１８にＸ軸モータ１００２の出力軸の回転角度に関する制御信号を出力し、Ｙ軸モータ位置指令部１０２２にＹ軸モータ１００４の出力軸の回転角度に関する制御信号を出力する。また、主制御部１０１４は、光源１０１６に対して、レーザ光ＬＬの照射（発光）を指示するＯＮ信号やレーザ光ＬＬの非照射（非発光）を指示するＯＦＦ信号を出力する。
【００１６】
Ｘ軸モータ位置指令部１０１８は、主制御部１０１４からの制御信号に基づいて、Ｘ軸モータ制御部１０２０に所定の指令信号を出力する。同様に、Ｙ軸モータ位置指令部１０２２は、主制御部１０１４からの制御信号に基づいて、Ｙ軸モータ制御部１０２４に所定の指令信号を出力する。
【００１７】
Ｘ軸モータ制御部１０２０は、電流アンプを含み、Ｘ軸モータ位置指令部１０１８からの指令信号に基づいて、電流をＸ軸モータ１００２に供給してＸ軸モータ１００２の出力軸の回転角度を制御する。また、Ｘ軸モータ制御部１０２０は、Ｘ軸検出部１０１０で検出されるＸ軸モータ１００２の出力軸の実際の回転角度と、Ｘ軸モータ１００２の出力軸の目標角度との差が小さくなるように、Ｘ軸モータ１００２の出力軸の回転角度を制御する。
【００１８】
Ｙ軸モータ制御部１０２４は、電流アンプを含み、Ｙ軸モータ位置指令部１０２２からの指令信号に基づいて、電流をＹ軸モータ１００４に供給してＹ軸モータ１００４の出力軸の回転角度を制御する。また、Ｙ軸モータ制御部１０２４は、Ｙ軸検出部１０１２で検出されるＹ軸モータ１００４の出力軸の実際の回転角度と、Ｙ軸モータ１００４の出力軸の目標角度との差が小さくなるように、Ｙ軸モータ１００４の出力軸の位置を制御する。
【００１９】
Ｘ軸モータ制御部１０２０及びＹ軸モータ制御部１０２４は、本実施形態では、Ｘ軸モータ１００２（の出力軸）とＹ軸モータ１００４（の出力軸）とを制御するモータ制御装置として機能する。
【００２０】
物体ＯＢの加工において、光源１０１６からのレーザ光ＬＬは、Ｙ軸ミラー１００８及びＸ軸ミラー１００６で順次反射され、物体ＯＢに照射される。レーザ光ＬＬは、Ｘ軸ミラー１００６が回転することによって、物体ＯＢにおいてＸ軸方向（正側及び負側）に走査される。また、レーザ光ＬＬは、Ｙ軸ミラー１００８が回転することによって、物体ＯＢにおいてＹ軸方向（正側及び負側）に走査される。この際、後述するように、Ｘ軸モータ１００２の出力軸及びＹ軸モータ１００４の出力軸は、Ｘ軸モータ制御部１０２０及びＹ軸モータ制御部１０２４によって、高精度に同期がなされ、且つ、高速に制御（位置制御）される。従って、レーザ加工装置１０００は、高精度、且つ、高速に物体ＯＢを加工することができる。
【００２１】
以下、Ｘ軸モータ制御部１０２０及びＹ軸モータ制御部１０２４によるＸ軸モータ１００２及びＹ軸モータ１００４の制御について詳細に説明する。図２（ａ）及び図２（ｂ）は、Ｘ軸ミラー１００６が出力軸に取り付けられたＸ軸モータ１００２のモータ特性Ｐｘ、及び、Ｙ軸ミラー１００８が出力軸に取り付けられたＹ軸モータ１００４のモータ特性Ｐｙを示す図である。ここでは、Ｘ軸モータ１００２の出力軸の入出力特性である周波数応答特性（Ｘ軸モータ１００２への電流指令値を入力とし、Ｘ軸モータ１００２の回転角度を出力とするボード線図）をモータ特性Ｐｘとして示している。同様に、Ｙ軸モータ１００４の出力軸の入出力特性である周波数応答特性（Ｙ軸モータ１００４への電流指令値を入力とし、Ｙ軸モータ１００４の回転角度を出力とするボード線図）をモータ特性Ｐｙとして示している。また、図２（ａ）では、横軸に周波数［Ｈｚ］、縦軸に振幅（ゲイン）［ｄＢ］を採用し、図２（ｂ）では、横軸に周波数［Ｈｚ］、縦軸に位相［ｄｅｇ］を採用している。
【００２２】
図２（ａ）及び図２（ｂ）を参照するに、Ｘ軸モータ１００２及びＹ軸モータ１００４のそれぞれは、２つの共振モード（共振周波数）を高周波数帯域に有している。また、Ｘ軸モータ１００２及びＹ軸モータ１００４のそれぞれを駆動する電流アンプ（不図示）の特性は、むだ時間Ｔｄとしてｅ−ｓＴｄで近似することができる。
【００２３】
ここで、Ｘ軸モータ１００２のモータ特性ＰｘとＸ軸モータ１００２を駆動する電流アンプの特性との積をＰ〜ｘとする。同様に、Ｙ軸モータ１００４のモータ特性ＰｙとＹ軸モータ１００４を駆動する電流アンプの特性との積をＰ〜ｙとする。
【００２４】
Ｘ軸モータ１００２及びＹ軸モータ１００４のそれぞれは、剛体モード及び２つの共振モードからなる伝達特性でモデル化することが可能であり、Ｘ軸モータ１００２のモータ特性Ｐｘ及びＹ軸モータ１００４のモータ特性Ｐｙは、以下のように表される。
【００２５】
Ｐｘ＝ｋｘ０／ｓ２＋ｋｘ１／（ｓ２＋２ζｘ１ωｘ１ｓ＋ωｘ１２）＋ｋｘ２／（ｓ２＋２ζｘ２ωｘ２ｓ＋ωｘ２２）
Ｐｙ＝ｋｙ０／ｓ２＋ｋｙ１／（ｓ２＋２ζｙ１ωｙ１ｓ＋ωｙ１２）＋ｋｙ２／（ｓ２＋２ζｙ２ωｙ２ｓ＋ωｙ２２）
【００２６】
なお、ｋｘ０、ｋｘ１、ｋｘ２、ωｘ１、ωｘ２、ζｘ１、ζｘ２、ｋｙ０、ｋｙ１、ｋｙ２、ωｙ１、ωｙ２、ζｙ１及びζｙ２の値は、以下の通りである。また、ｓは、ラプラス演算子を示している。
ｋｘ０＝１．５ｅ＋００４、 ｋｘ１＝３．７ｅ＋００３、 ｋｘ２＝−１．３ｅ＋００４
ωｘ１＝２×π×８５００、 ωｘ２＝９．６ｅ＋００４
ζｘ１＝０．００６５、 ζｘ２＝０．０１４
ｋｙ０＝１．５ｅ＋００４、 ｋｙ１＝３．７ｅ＋００３、 ｋｙ２＝−１．３ｅ＋００４
ωｙ１＝２×π×４５００、 ωｙ２＝６．６ｅ＋００４
ζｙ１＝０．００６５、 ζｙ２＝０．０１４
【００２７】
Ｘ軸モータ１００２及びＹ軸モータ１００４の従来の制御系について説明する。ここでは、２自由度制御系の設計に広く用いられているモデルマッチング２自由度制御系を説明する。モデルマッチング２自由度制御系は、規範モデルを用いて、位置応答（角度応答）を概ね設計することができる。
【００２８】
図３は、一般的なモデルマッチング２自由度制御系の構成を示す概略図である。図３では、Ｘ軸モータ１００２及びＹ軸モータ１００４のうち一方のモータに対する制御系のみを示しているが、実際には、Ｘ軸モータ１００２及びＹ軸モータ１００４のそれぞれに対して、図３に示すような制御系が設けられることになる。図３において、Ｃはフィードバック制御器、Ｇｆｆはフィードフォワード制御器、Ｇｒはフィードバック系の目標値（目標角度）を生成するためのモデル、Ｐ〜は制御対象（即ち、制御の対象とする制御対象モータ）である。ＧｆｆをＭＰ−１とし、ＧｒをＭとすれば、外乱の影響やモデル化誤差の影響などがない場合、フィードバック制御器Ｃは動作せず、目標値ｒから出力ｙまでの応答はｙ＝Ｍｒとなり、出力（応答）ｙはＧｒの出力（Ｍｒ）と一致する。そこで、Ｍは、規範モデルと呼ばれる。但し、実際には、外乱の影響やモデル化誤差の影響があるため、出力ｙは、厳密には、Ｇｒの出力と一致しない。従って、フィードバック制御器Ｃによって、出力ｙとＧｒの出力との差異を低減させている（即ち、制御対象モータの出力軸の回転角度をフィードバック制御している）。
【００２９】
図４は、本実施形態におけるＸ軸モータ１００２及びＹ軸モータ１００４の制御系であるＸ軸モータ制御部１０２０及びＹ軸モータ制御部１０２４の構成を示す図である。本実施形態では、図４に示すように、Ｘ軸モータ制御部１０２０及びＹ軸モータ制御部１０２４にモデルマッチング２自由度制御系を適用している。また、規範モデルは、主に、ローパルフィルタ及びノッチフィルタによって設計する。規範モデルの設計においては、高周波数帯域の周波数成分を励起しないように、１／（ｓＴ＋１）Ｎで表されるＮ次ローパスフィルタ（時定数Ｔでカットオフ周波数が決定される）を用いて、高周波数帯域の周波数成分をカットする。また、共振モードを励起しないようにするため、ノッチフィルタによって、共振周波数を含む周波数帯域の周波数成分を低減する。
【００３０】
図４において、Ｃｘ及びＣｙのそれぞれはＸ軸フィードバック制御器及びＹ軸フィードバック制御器、Ｇｆｆｘ及びＧｆｆｙのそれぞれはＸ軸フィードフォワード制御器及びＹ軸フィードフォワード制御器である。また、Ｇｒｘ及びＧｒｙのそれぞれは、Ｘ軸フィードバック系の目標値を生成するためのモデル及びＹ軸フィードバック系の目標値を生成するためのモデルである。
【００３１】
本実施形態におけるＸ軸モータ１００２及びＹ軸モータ１００４の制御の効果を示すため、従来の制御系と比較しながらＸ軸モータ制御部１０２０及びＹ軸モータ制御部１０２４を説明する。
【００３２】
Ｘ軸モータ１００２及びＹ軸モータ１００４のフィードフォワード制御の設計において、従来の制御系では、ローパスフィルタに関しては、Ｔを０．２ｅ−３、Ｎを６とし、ノッチフィルタに関しては、２つの共振周波数に対して深さ４０ｄＢ、Ｑ値を１とした。フィードフォワード制御器Ｇｆｆ（図３参照）を設計する際のモータモデルには、制御対象モータ（の出力軸）の剛体モードの成分のみを表すｋｘ０／ｓ２及びｋｙ０／ｓ２を用いた。従って、Ｘ軸モータ１００２をフィードフォワード制御するフィードフォワード制御器Ｇｆｆは、ローパスフィルタの伝達特性と、ノッチフィルタの伝達特性と、Ｘ軸モータ１００２の剛体モードの逆モデル（ｋｘ０／ｓ２）−１との積を含む。また、Ｘ軸モータ１００２のフィードバック系の目標値を生成するためのモデルＧｒは、フィードフォワード制御器Ｇｆｆと、Ｘ軸モータ１００２のモータ特性Ｐｘと、電流アンプのモデルｅ−ｓＴｄとの積である。同様に、Ｙ軸モータ１００４をフィードフォワード制御するフィードフォワード制御器Ｇｆｆは、ローパスフィルタの伝達特性と、ノッチフィルタの伝達特性と、Ｙ軸モータ１００４の剛体モードの逆モデル（ｋｙ０／ｓ２）−１との積を含む。また、Ｙ軸モータ１００４のフィードバック系の目標値を生成するためのモデルＧｒは、フィードフォワード制御器Ｇｆｆと、Ｙ軸モータ１００４のモータ特性Ｐｙと、電流アンプのモデルｅ−ｓＴｄとの積である。
【００３３】
一方、Ｘ軸モータ１００２及びＹ軸モータ１００４のフィードフォワード制御の設計において、本実施形態（Ｘ軸モータ制御部１０２０及びＹ軸モータ制御部１０２４）では、ローパスフィルタ及びノッチフィルタを以下のようにした。ローパスフィルタに関しては、Ｔを０．０２ｅ−３、Ｎを６とし、ノッチフィルタに関しては、Ｘ軸モータ１００２及びＹ軸モータ１００４のそれぞれの２つの共振周波数に対して深さ４０ｄＢ、Ｑ値を１とした（４つのノッチフィルタを適用した）。Ｘ軸フィードフォワード制御器Ｇｆｆｘ（図４参照）を設計する際のモータモデルには、制御対象モータであるＸ軸モータ１００２（の出力軸）の剛体モードの成分のみを用いた。同様に、Ｙ軸フィードフォワード制御器Ｇｆｆｙ（図４参照）を設計する際のモータモデルには、制御対象モータであるＹ軸モータ１００４（の出力軸）の剛体モードの成分のみを用いた。
【００３４】
図４に示すように、Ｘ軸フィードフォワード制御器Ｇｆｆｘは、Ｙ軸モータ１００４のモータ特性Ｐｙを含んだモデルＰ・ｙを含む。ここで、モデルＰ・ｙは、Ｙ軸モータ１００４のモータ特性とＹ軸モータ１００４のモータ特性の剛体モードの逆モデル（ｋｙ０／ｓ２）−１との積である。また、Ｘ軸フィードフォワード制御器Ｇｆｆｘは、ローパスフィルタの伝達特性と、４つの共振周波数を含む周波数帯域の周波数成分を低減するノッチフィルタの伝達特性と、Ｘ軸モータ１００２のモータ特性の剛体モードの逆モデルとの積Ｇｆｆｘ’を含む。従って、Ｘ軸フィードフォワード制御器Ｇｆｆｘは、本実施形態では、Ｇｆｆｘ’とＰ・ｙとの積で表される。また、モデルＧｒｘは、Ｇｆｆｘ’と、Ｘ軸モータ１００２のモータ特性Ｐｘと、電流アンプのモデルｅ−ｓＴｄとの積Ｇｒｘ’と、モデルＰ・ｙとを含み、Ｇｒｘ’とＰ・ｙとの積で表される。
【００３５】
同様に、Ｙ軸フィードフォワード制御器Ｇｆｆｙは、Ｘ軸モータ１００２のモータ特性Ｐｘを含んだモデルＰ・ｘを含む。ここで、モデルＰ・ｘは、Ｘ軸モータ１００２のモータ特性とＸ軸モータ１００２のモータ特性の剛体モードの逆モデル（ｋｘ０／ｓ２）−１との積である。また、Ｙ軸フィードフォワード制御器Ｇｆｆｙは、ローパスフィルタの伝達特性と、４つの共振周波数を含む周波数帯域の周波数成分を低減するノッチフィルタの伝達特性と、Ｙ軸モータ１００４のモータ特性の剛体モードの逆モデルとの積Ｇｆｆｙ’を含む。従って、Ｙ軸フィードフォワード制御器Ｇｆｆｙは、本実施形態では、Ｇｆｆｙ’とＰ・ｘとの積で表される。また、モデルＧｒｙは、Ｇｆｆｙ’と、Ｙ軸モータ１００４のモータ特性Ｐｙと、電流アンプのモデルｅ−ｓＴｄとの積Ｇｒｙ’と、モデルＰ・ｘとを含み、Ｇｒｙ’とＰ・ｘとの積で表される。
【００３６】
フィードバック制御器Ｃｘ及びＣｙのそれぞれには、ＰＩＤ制御系を適用した。かかるＰＩＤ制御系の制御ゲインＫｘ及びＫｙの具体的な数値を以下に示す。
【００３７】
Ｋｘｐ＝２１４．３６７１、 Ｋｘｉ＝１１５７７．６２２７、 Ｋｘｄ＝０．４８８４２、 Ｔｘｆ＝２．５４２９ｅ−５、 Ｋｘ＝Ｋｘｐ＋Ｋｘｉ／ｓ＋ｓ×Ｋｘｄ／（Ｔｘｆ＋１）
Ｋｙｐ＝４７．３９８、 Ｋｙｉ＝１０７２．６４８２、 Ｋｙｄ＝０．１９６１３、 Ｔｙｆ＝９．４９０６ｅ−５、 Ｋｙ＝Ｋｙｐ＋Ｋｙｉ／ｓ＋ｓ×Ｋｙｄ／（Ｔｙｆ＋１）
【００３８】
また、フィードバック制御器Ｃｘ及びＣｙのそれぞれは、共振周波数での発振を回避するために、ノッチフィルタを含んでいる。かかるノッチフィルタに関しては、Ｘ軸モータ１００２及びＹ軸モータ１００４のそれぞれにおける２つの共振周波数に対して深さ４０ｄＢ、Ｑ値を１とした。本実施形態におけるフィードバック制御のクローズドループ特性を図５（ａ）及び図５（ｂ）に示す。図５（ａ）では、横軸に周波数［ｒａｄ／ｓ］、縦軸に振幅（ゲイン）［ｄＢ］を採用し、図５（ｂ）では、横軸に周波数［Ｈｚ］、縦軸に位相［ｄｅｇ］を採用している。
【００３９】
Ｘ軸モータ１００２（の出力軸）及びＹ軸モータ１００４（の出力軸）の応答を確認する。ここでは、被加工物である物体ＯＢに対して、レーザ光ＬＬを直線状に照射する（即ち、レーザ光ＬＬで直線を描画する）場合を考える。具体的には、Ｘ軸モータ１００２及びＹ軸モータ１００４に対して、０から１へ移動（回転）する、及び、１から０へと移動（回転）する位置指令を入力し、ステップ応答の往復動作を行った。
【００４０】
本実施形態のＸ軸モータ制御部１０２０及びＹ軸モータ制御部１０２４の制御によるＸ軸モータ１００２及びＹ軸モータ１００４の応答を図６（ａ）に示し、従来の制御系の制御によるＸ軸モータ１００２及びＹ軸モータ１００４の応答を図６（ｂ）に示す。図６（ａ）及び図６（ｂ）では、横軸にＸ軸モータ１００２（の出力軸）の位置を採用し、縦軸にＹ軸モータ１００４（の出力軸）の位置を採用している。
【００４１】
また、本実施形態のＸ軸モータ制御部１０２０の制御によるＸ軸モータ１００２のステップ応答を図７（ａ）に示し、従来の制御系の制御によるＸ軸モータ１００２のステップ応答を図７（ｂ）に示す。図７（ａ）及び図７（ｂ）では、横軸に時間を採用し、縦軸にＸ軸モータ１００２（の出力軸）の位置を採用している。
【００４２】
図６（ａ）及び図６（ｂ）を参照するに、Ｘ軸モータ１００２及びＹ軸モータ１００４の応答の非直線性に関しては、本実施形態と従来とでほぼ同等であることがわかる。一方、図７（ａ）及び図７（ｂ）を参照するに、Ｘ軸モータ１００２のステップ応答に関しては、移動量の５％以内に位置決めできる時間が従来では２．１ｍｓであるが、本実施形態では０．３ｍｓであることがわかる。従って、本実施形態では、各モータの位置決めに要する時間を従来の１／７にすることができ、物体ＯＢの加工に要する時間を大幅に削減することができる。
【００４３】
本実施形態のフィードフォワード制御器は、制御対象モータの出力軸の入出力特性である周波数応答特性を表す第１関数の逆関数（例えば、Ｘ軸モータ１００２のモータ特性の剛体モードの逆モデル）を含んでいる。更に、かかるフィードフォワード制御器は、制御対象モータとは異なる少なくとも１つのモータの出力軸の入出力特性である周波数応答特性を表す第２関数と、第２関数の逆関数との積（例えば、モデルＰ・ｙ）を含んでいる。これにより、本実施形態では、Ｘ軸モータ１００２及びＹ軸モータ１００４の制御において、同期の高精度化及び制御の高速化を両立させることができる。
【００４４】
なお、一般的に、モータの特性は安定なシステムであり、モータ特性の逆モデルは、不安定なシステムとなることが知られている。従って、制御対象モータの特性の逆モデルをフィードフォワード制御器に含むことは難しい。そのため、本実施形態では、モータの特性における剛体モードの逆モデルを利用している。また、モータの特性は、一般的に、各モータ単体のフィードフォワード制御器を設計する際に求められている。従って、モータの特性は、複数のモータのそれぞれの出力軸の同期のための調整を行うときに再度求める必要はないため、フィードフォワード制御器に簡単に含めることができる。
【００４５】
また、本実施形態では、Ｘ軸モータ１００２及びＹ軸モータ１００４のそれぞれを２つの共振モードまでモデル化し、一方の軸の制御器に他方の軸のモータの特性のモデルを含ませることで、見掛け上互いの応答特性が一致しているかのように構成している。なお、モータ特性のモデルのモデル化誤差等により、各軸の応答特性が厳密に一致するわけではないことに留意されたい。また、モータの出力軸の制御では、一般的に、モータを駆動するにあたって電流の低周波成分の寄与が大きい。そこで、より低い周波数帯域に共振周波数（機械共振の周波数）を有するモータから順にモデル化を行うことが、互いの応答特性を近づける上で有効であると考えられる。従って、複数のモータのうち最も低い周波数帯域に共振周波数（共振特性）を有する軸のモータをモデル化し、そのモデルを他軸の制御器に上述のように含めることは、互いの応答特性を近づける上で効果がある。このことから、各軸の制御器は、必ずしも他軸全てのモータのモデルを適用されなくてもよい。
【００４６】
また、制御対象モータによってはモータ特性の変動が大きい場合も考えられる。このような場合には、フィードフォワード制御器におけるノッチフィルタによって、共振周波数の変動幅を含む周波数帯域の入力信号成分を低減すればよい。また、ローパスフィルタの時定数を大きくすることによって、共振周波数の変動に対する感度を低減させてもよい。これにより、複数のモータ（の出力軸）の制御において、高精度な同期を維持しながら制御の高速化を実現することができる。
【００４７】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されないことはいうまでもなく、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。例えば、以下の変形又は変更が可能である。これまでの実施形態では、２つの対象物にそれぞれ対応する２つのモータの制御について説明した。但し、本発明は、それに限らず、３つ以上の対象物にそれぞれ対応する３つ以上のモータを制御する場合にも適用可能である。１つの対象物に対応する制御器に、その他の対象物に対応するモータの特性を含ませればよいからである。また、本発明は、複数の自由度において可動の可動体を当該複数の自由度において移動させる複数のモータ（例えば、Ｘ−Ｙ−θｚステージに対するＸ軸方向移動用モータ・Ｙ軸方向移動用モータ・Ｚ軸周り回転用モータ）の制御にも適用可能である。そのような駆動装置においては、１つの自由度（軸）に対応する制御器に、その他の自由度に対応するモータの特性を含ませればよいからである。また、本発明は、対象物の位置の制御に限らず、対象物の速度、加速度、加加速度等の制御にも適用可能である。また、モータの特性を表す関数を制御器に含ませる旨の記載をしたが、当該関数とフィルタ等に相当する関数との合成関数を求め、当該合成関数を制御器に含ませてもよい。そのような構成も、モータの特性を表す関数が当該合成関数の中に内在しているため、本発明の範囲内のものである。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、制御装置、照射装置及び駆動装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザ穴あけ装置、レーザトリマ装置、レーザリペア装置などのレーザ加工装置（工作機械装置）では、モータの制御装置を含むガルバノ装置が使用されている。ガルバノ装置は、モータの出力軸（回転軸）に取り付けられたミラーの回転角度を制御しながら、かかるミラーでレーザ光を反射して目標位置に照射する。レーザ光の照射位置を目標位置に制御する（位置決めする）際には、ミラーの回転角度を制御することが必要となるため、ガルバノ装置には、ミラーの回転角度を検出する検出器（例えば、静電容量センサ、光学式又は磁気式エンコーダ）が備えられている。
【０００３】
また、レーザ加工装置においては、生産性の向上や加工品質の向上が要求されているため、ガルバノ装置のモータには、ミラーを高速、且つ、高精度に目標位置に制御することが求められている。レーザ加工装置は、一般的に、複数のガルバノ装置を用いて、レーザ加工面においてレーザ光を２次元方向に走査する。従って、レーザ加工面においてレーザ光を直線に沿って照射する際には、複数のガルバノ装置のそれぞれのモータの出力軸の回転角度（即ち、ミラーの回転角度）を同期させる必要がある。複数のモータ（の出力軸の回転角度）を同期制御する技術に関しては従来から提案されている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−３３９０３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
レーザ加工装置に要求される生産性の向上や加工品質の向上は日増しに高まっており、複数のガルバノ装置（のモータの出力軸）に関しては、同期の高精度化に加えて、制御（例えば、回転角度制御）の高速化も求められている。しかしながら、特許文献１の技術では、同期の高精度化は実現できるものの、制御の高速化を実現することは困難である。
【０００６】
本発明は、このような従来技術の課題に鑑みてなされたもので、複数のモータの制御において、同期の高精度化及び制御の高速化の両立に有利な技術を提供することを例示的目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明の一側面としての制御装置は、複数のモータのそれぞれについてフィードフォワード制御器を備え、前記複数のモータをそれぞれ制御する制御装置であって、前記フィードフォワード制御器の少なくとも１つは、当該フィードフォワード制御器が制御対象とするモータとは異なる少なくとも１つのモータの入出力特性を表す関数を含む、ことを特徴とする。
【０００８】
本発明の更なる目的又はその他の側面は、以下、添付図面を参照して説明される好ましい実施形態によって明らかにされるであろう。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、例えば、複数のモータの制御において、同期の高精度化及び制御の高速化の両立に有利な技術を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一側面としてのレーザ加工装置の構成を示す概略図である。
【図２】図１に示すレーザ加工装置におけるＸ軸モータのモータ特性及びＹ軸モータのモータ特性を示す図である。
【図３】一般的なモデルマッチング２自由度制御系の構成を示す概略図である。
【図４】図１に示すレーザ加工装置におけるＸ軸モータ制御部及びＹ軸モータ制御部の構成を示す図である。
【図５】本実施形態におけるフィードバック制御のクローズドループ特性を示す図である。
【図６】本実施形態の制御系及び従来の制御系のそれぞれの制御によるＸ軸モータ及びＹ軸モータの応答を示す図である。
【図７】本実施形態の制御系及び従来の制御系のそれぞれの制御によるＸ軸モータのステップ応答を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施の形態について説明する。なお、各図において、同一の部材については同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。
【００１２】
図１は、本発明の一側面としてのレーザ加工装置１０００の構成を示す概略図である。なお、レーザ加工装置は一例に過ぎず、同期を要する複数のモータを含む装置に本発明は適用することができる。レーザ加工装置１０００は、加工対象の物体（被加工物）ＯＢにレーザ光ＬＬを照射し、例えば、物体ＯＢの切断、穴あけ、溶接などの加工を行う工作機械装置である。物体ＯＢとしては、金属、ガラス、プラスチックなどの材料を選択することができる。
【００１３】
レーザ加工装置１０００は、Ｘ軸モータ１００２と、Ｙ軸モータ１００４とを備える。Ｘ軸モータ１００２は、出力軸（回転軸）に取り付けられたＸ軸ミラー１００６を回転させる。同様に、Ｙ軸モータ１００４は、出力軸に取り付けられたＹ軸ミラー１００８を回転させる。
【００１４】
Ｘ軸検出部１０１０は、例えば、ロータリエンコーダで構成され、Ｘ軸モータ１００２の出力軸の位置（即ち、Ｘ軸ミラー１００６の回転角度）を検出する。同様に、Ｙ軸検出部１０１２は、例えば、ロータリエンコーダで構成され、Ｙ軸モータ１００４の出力軸の位置（即ち、Ｙ軸ミラー１００８の回転角度）を検出する。
【００１５】
主制御部１０１４は、レーザ加工装置１０００の全体（動作）を制御する。例えば、主制御部１０１４は、所定の入力値に基づいて、Ｘ軸モータ位置指令部１０１８にＸ軸モータ１００２の出力軸の回転角度に関する制御信号を出力し、Ｙ軸モータ位置指令部１０２２にＹ軸モータ１００４の出力軸の回転角度に関する制御信号を出力する。また、主制御部１０１４は、光源１０１６に対して、レーザ光ＬＬの照射（発光）を指示するＯＮ信号やレーザ光ＬＬの非照射（非発光）を指示するＯＦＦ信号を出力する。
【００１６】
Ｘ軸モータ位置指令部１０１８は、主制御部１０１４からの制御信号に基づいて、Ｘ軸モータ制御部１０２０に所定の指令信号を出力する。同様に、Ｙ軸モータ位置指令部１０２２は、主制御部１０１４からの制御信号に基づいて、Ｙ軸モータ制御部１０２４に所定の指令信号を出力する。
【００１７】
Ｘ軸モータ制御部１０２０は、電流アンプを含み、Ｘ軸モータ位置指令部１０１８からの指令信号に基づいて、電流をＸ軸モータ１００２に供給してＸ軸モータ１００２の出力軸の回転角度を制御する。また、Ｘ軸モータ制御部１０２０は、Ｘ軸検出部１０１０で検出されるＸ軸モータ１００２の出力軸の実際の回転角度と、Ｘ軸モータ１００２の出力軸の目標角度との差が小さくなるように、Ｘ軸モータ１００２の出力軸の回転角度を制御する。
【００１８】
Ｙ軸モータ制御部１０２４は、電流アンプを含み、Ｙ軸モータ位置指令部１０２２からの指令信号に基づいて、電流をＹ軸モータ１００４に供給してＹ軸モータ１００４の出力軸の回転角度を制御する。また、Ｙ軸モータ制御部１０２４は、Ｙ軸検出部１０１２で検出されるＹ軸モータ１００４の出力軸の実際の回転角度と、Ｙ軸モータ１００４の出力軸の目標角度との差が小さくなるように、Ｙ軸モータ１００４の出力軸の位置を制御する。
【００１９】
Ｘ軸モータ制御部１０２０及びＹ軸モータ制御部１０２４は、本実施形態では、Ｘ軸モータ１００２（の出力軸）とＹ軸モータ１００４（の出力軸）とを制御するモータ制御装置として機能する。
【００２０】
物体ＯＢの加工において、光源１０１６からのレーザ光ＬＬは、Ｙ軸ミラー１００８及びＸ軸ミラー１００６で順次反射され、物体ＯＢに照射される。レーザ光ＬＬは、Ｘ軸ミラー１００６が回転することによって、物体ＯＢにおいてＸ軸方向（正側及び負側）に走査される。また、レーザ光ＬＬは、Ｙ軸ミラー１００８が回転することによって、物体ＯＢにおいてＹ軸方向（正側及び負側）に走査される。この際、後述するように、Ｘ軸モータ１００２の出力軸及びＹ軸モータ１００４の出力軸は、Ｘ軸モータ制御部１０２０及びＹ軸モータ制御部１０２４によって、高精度に同期がなされ、且つ、高速に制御（位置制御）される。従って、レーザ加工装置１０００は、高精度、且つ、高速に物体ＯＢを加工することができる。
【００２１】
以下、Ｘ軸モータ制御部１０２０及びＹ軸モータ制御部１０２４によるＸ軸モータ１００２及びＹ軸モータ１００４の制御について詳細に説明する。図２（ａ）及び図２（ｂ）は、Ｘ軸ミラー１００６が出力軸に取り付けられたＸ軸モータ１００２のモータ特性Ｐｘ、及び、Ｙ軸ミラー１００８が出力軸に取り付けられたＹ軸モータ１００４のモータ特性Ｐｙを示す図である。ここでは、Ｘ軸モータ１００２の出力軸の入出力特性である周波数応答特性（Ｘ軸モータ１００２への電流指令値を入力とし、Ｘ軸モータ１００２の回転角度を出力とするボード線図）をモータ特性Ｐｘとして示している。同様に、Ｙ軸モータ１００４の出力軸の入出力特性である周波数応答特性（Ｙ軸モータ１００４への電流指令値を入力とし、Ｙ軸モータ１００４の回転角度を出力とするボード線図）をモータ特性Ｐｙとして示している。また、図２（ａ）では、横軸に周波数［Ｈｚ］、縦軸に振幅（ゲイン）［ｄＢ］を採用し、図２（ｂ）では、横軸に周波数［Ｈｚ］、縦軸に位相［ｄｅｇ］を採用している。
【００２２】
図２（ａ）及び図２（ｂ）を参照するに、Ｘ軸モータ１００２及びＹ軸モータ１００４のそれぞれは、２つの共振モード（共振周波数）を高周波数帯域に有している。また、Ｘ軸モータ１００２及びＹ軸モータ１００４のそれぞれを駆動する電流アンプ（不図示）の特性は、むだ時間Ｔｄとしてｅ−ｓＴｄで近似することができる。
【００２３】
ここで、Ｘ軸モータ１００２のモータ特性ＰｘとＸ軸モータ１００２を駆動する電流アンプの特性との積をＰ〜ｘとする。同様に、Ｙ軸モータ１００４のモータ特性ＰｙとＹ軸モータ１００４を駆動する電流アンプの特性との積をＰ〜ｙとする。
【００２４】
Ｘ軸モータ１００２及びＹ軸モータ１００４のそれぞれは、剛体モード及び２つの共振モードからなる伝達特性でモデル化することが可能であり、Ｘ軸モータ１００２のモータ特性Ｐｘ及びＹ軸モータ１００４のモータ特性Ｐｙは、以下のように表される。
【００２５】
Ｐｘ＝ｋｘ０／ｓ２＋ｋｘ１／（ｓ２＋２ζｘ１ωｘ１ｓ＋ωｘ１２）＋ｋｘ２／（ｓ２＋２ζｘ２ωｘ２ｓ＋ωｘ２２）
Ｐｙ＝ｋｙ０／ｓ２＋ｋｙ１／（ｓ２＋２ζｙ１ωｙ１ｓ＋ωｙ１２）＋ｋｙ２／（ｓ２＋２ζｙ２ωｙ２ｓ＋ωｙ２２）
【００２６】
なお、ｋｘ０、ｋｘ１、ｋｘ２、ωｘ１、ωｘ２、ζｘ１、ζｘ２、ｋｙ０、ｋｙ１、ｋｙ２、ωｙ１、ωｙ２、ζｙ１及びζｙ２の値は、以下の通りである。また、ｓは、ラプラス演算子を示している。
ｋｘ０＝１．５ｅ＋００４、 ｋｘ１＝３．７ｅ＋００３、 ｋｘ２＝−１．３ｅ＋００４
ωｘ１＝２×π×８５００、 ωｘ２＝９．６ｅ＋００４
ζｘ１＝０．００６５、 ζｘ２＝０．０１４
ｋｙ０＝１．５ｅ＋００４、 ｋｙ１＝３．７ｅ＋００３、 ｋｙ２＝−１．３ｅ＋００４
ωｙ１＝２×π×４５００、 ωｙ２＝６．６ｅ＋００４
ζｙ１＝０．００６５、 ζｙ２＝０．０１４
【００２７】
Ｘ軸モータ１００２及びＹ軸モータ１００４の従来の制御系について説明する。ここでは、２自由度制御系の設計に広く用いられているモデルマッチング２自由度制御系を説明する。モデルマッチング２自由度制御系は、規範モデルを用いて、位置応答（角度応答）を概ね設計することができる。
【００２８】
図３は、一般的なモデルマッチング２自由度制御系の構成を示す概略図である。図３では、Ｘ軸モータ１００２及びＹ軸モータ１００４のうち一方のモータに対する制御系のみを示しているが、実際には、Ｘ軸モータ１００２及びＹ軸モータ１００４のそれぞれに対して、図３に示すような制御系が設けられることになる。図３において、Ｃはフィードバック制御器、Ｇｆｆはフィードフォワード制御器、Ｇｒはフィードバック系の目標値（目標角度）を生成するためのモデル、Ｐ〜は制御対象（即ち、制御の対象とする制御対象モータ）である。ＧｆｆをＭＰ−１とし、ＧｒをＭとすれば、外乱の影響やモデル化誤差の影響などがない場合、フィードバック制御器Ｃは動作せず、目標値ｒから出力ｙまでの応答はｙ＝Ｍｒとなり、出力（応答）ｙはＧｒの出力（Ｍｒ）と一致する。そこで、Ｍは、規範モデルと呼ばれる。但し、実際には、外乱の影響やモデル化誤差の影響があるため、出力ｙは、厳密には、Ｇｒの出力と一致しない。従って、フィードバック制御器Ｃによって、出力ｙとＧｒの出力との差異を低減させている（即ち、制御対象モータの出力軸の回転角度をフィードバック制御している）。
【００２９】
図４は、本実施形態におけるＸ軸モータ１００２及びＹ軸モータ１００４の制御系であるＸ軸モータ制御部１０２０及びＹ軸モータ制御部１０２４の構成を示す図である。本実施形態では、図４に示すように、Ｘ軸モータ制御部１０２０及びＹ軸モータ制御部１０２４にモデルマッチング２自由度制御系を適用している。また、規範モデルは、主に、ローパルフィルタ及びノッチフィルタによって設計する。規範モデルの設計においては、高周波数帯域の周波数成分を励起しないように、１／（ｓＴ＋１）Ｎで表されるＮ次ローパスフィルタ（時定数Ｔでカットオフ周波数が決定される）を用いて、高周波数帯域の周波数成分をカットする。また、共振モードを励起しないようにするため、ノッチフィルタによって、共振周波数を含む周波数帯域の周波数成分を低減する。
【００３０】
図４において、Ｃｘ及びＣｙのそれぞれはＸ軸フィードバック制御器及びＹ軸フィードバック制御器、Ｇｆｆｘ及びＧｆｆｙのそれぞれはＸ軸フィードフォワード制御器及びＹ軸フィードフォワード制御器である。また、Ｇｒｘ及びＧｒｙのそれぞれは、Ｘ軸フィードバック系の目標値を生成するためのモデル及びＹ軸フィードバック系の目標値を生成するためのモデルである。
【００３１】
本実施形態におけるＸ軸モータ１００２及びＹ軸モータ１００４の制御の効果を示すため、従来の制御系と比較しながらＸ軸モータ制御部１０２０及びＹ軸モータ制御部１０２４を説明する。
【００３２】
Ｘ軸モータ１００２及びＹ軸モータ１００４のフィードフォワード制御の設計において、従来の制御系では、ローパスフィルタに関しては、Ｔを０．２ｅ−３、Ｎを６とし、ノッチフィルタに関しては、２つの共振周波数に対して深さ４０ｄＢ、Ｑ値を１とした。フィードフォワード制御器Ｇｆｆ（図３参照）を設計する際のモータモデルには、制御対象モータ（の出力軸）の剛体モードの成分のみを表すｋｘ０／ｓ２及びｋｙ０／ｓ２を用いた。従って、Ｘ軸モータ１００２をフィードフォワード制御するフィードフォワード制御器Ｇｆｆは、ローパスフィルタの伝達特性と、ノッチフィルタの伝達特性と、Ｘ軸モータ１００２の剛体モードの逆モデル（ｋｘ０／ｓ２）−１との積を含む。また、Ｘ軸モータ１００２のフィードバック系の目標値を生成するためのモデルＧｒは、フィードフォワード制御器Ｇｆｆと、Ｘ軸モータ１００２のモータ特性Ｐｘと、電流アンプのモデルｅ−ｓＴｄとの積である。同様に、Ｙ軸モータ１００４をフィードフォワード制御するフィードフォワード制御器Ｇｆｆは、ローパスフィルタの伝達特性と、ノッチフィルタの伝達特性と、Ｙ軸モータ１００４の剛体モードの逆モデル（ｋｙ０／ｓ２）−１との積を含む。また、Ｙ軸モータ１００４のフィードバック系の目標値を生成するためのモデルＧｒは、フィードフォワード制御器Ｇｆｆと、Ｙ軸モータ１００４のモータ特性Ｐｙと、電流アンプのモデルｅ−ｓＴｄとの積である。
【００３３】
一方、Ｘ軸モータ１００２及びＹ軸モータ１００４のフィードフォワード制御の設計において、本実施形態（Ｘ軸モータ制御部１０２０及びＹ軸モータ制御部１０２４）では、ローパスフィルタ及びノッチフィルタを以下のようにした。ローパスフィルタに関しては、Ｔを０．０２ｅ−３、Ｎを６とし、ノッチフィルタに関しては、Ｘ軸モータ１００２及びＹ軸モータ１００４のそれぞれの２つの共振周波数に対して深さ４０ｄＢ、Ｑ値を１とした（４つのノッチフィルタを適用した）。Ｘ軸フィードフォワード制御器Ｇｆｆｘ（図４参照）を設計する際のモータモデルには、制御対象モータであるＸ軸モータ１００２（の出力軸）の剛体モードの成分のみを用いた。同様に、Ｙ軸フィードフォワード制御器Ｇｆｆｙ（図４参照）を設計する際のモータモデルには、制御対象モータであるＹ軸モータ１００４（の出力軸）の剛体モードの成分のみを用いた。
【００３４】
図４に示すように、Ｘ軸フィードフォワード制御器Ｇｆｆｘは、Ｙ軸モータ１００４のモータ特性Ｐｙを含んだモデルＰ・ｙを含む。ここで、モデルＰ・ｙは、Ｙ軸モータ１００４のモータ特性とＹ軸モータ１００４のモータ特性の剛体モードの逆モデル（ｋｙ０／ｓ２）−１との積である。また、Ｘ軸フィードフォワード制御器Ｇｆｆｘは、ローパスフィルタの伝達特性と、４つの共振周波数を含む周波数帯域の周波数成分を低減するノッチフィルタの伝達特性と、Ｘ軸モータ１００２のモータ特性の剛体モードの逆モデルとの積Ｇｆｆｘ’を含む。従って、Ｘ軸フィードフォワード制御器Ｇｆｆｘは、本実施形態では、Ｇｆｆｘ’とＰ・ｙとの積で表される。また、モデルＧｒｘは、Ｇｆｆｘ’と、Ｘ軸モータ１００２のモータ特性Ｐｘと、電流アンプのモデルｅ−ｓＴｄとの積Ｇｒｘ’と、モデルＰ・ｙとを含み、Ｇｒｘ’とＰ・ｙとの積で表される。
【００３５】
同様に、Ｙ軸フィードフォワード制御器Ｇｆｆｙは、Ｘ軸モータ１００２のモータ特性Ｐｘを含んだモデルＰ・ｘを含む。ここで、モデルＰ・ｘは、Ｘ軸モータ１００２のモータ特性とＸ軸モータ１００２のモータ特性の剛体モードの逆モデル（ｋｘ０／ｓ２）−１との積である。また、Ｙ軸フィードフォワード制御器Ｇｆｆｙは、ローパスフィルタの伝達特性と、４つの共振周波数を含む周波数帯域の周波数成分を低減するノッチフィルタの伝達特性と、Ｙ軸モータ１００４のモータ特性の剛体モードの逆モデルとの積Ｇｆｆｙ’を含む。従って、Ｙ軸フィードフォワード制御器Ｇｆｆｙは、本実施形態では、Ｇｆｆｙ’とＰ・ｘとの積で表される。また、モデルＧｒｙは、Ｇｆｆｙ’と、Ｙ軸モータ１００４のモータ特性Ｐｙと、電流アンプのモデルｅ−ｓＴｄとの積Ｇｒｙ’と、モデルＰ・ｘとを含み、Ｇｒｙ’とＰ・ｘとの積で表される。
【００３６】
フィードバック制御器Ｃｘ及びＣｙのそれぞれには、ＰＩＤ制御系を適用した。かかるＰＩＤ制御系の制御ゲインＫｘ及びＫｙの具体的な数値を以下に示す。
【００３７】
Ｋｘｐ＝２１４．３６７１、 Ｋｘｉ＝１１５７７．６２２７、 Ｋｘｄ＝０．４８８４２、 Ｔｘｆ＝２．５４２９ｅ−５、 Ｋｘ＝Ｋｘｐ＋Ｋｘｉ／ｓ＋ｓ×Ｋｘｄ／（Ｔｘｆ＋１）
Ｋｙｐ＝４７．３９８、 Ｋｙｉ＝１０７２．６４８２、 Ｋｙｄ＝０．１９６１３、 Ｔｙｆ＝９．４９０６ｅ−５、 Ｋｙ＝Ｋｙｐ＋Ｋｙｉ／ｓ＋ｓ×Ｋｙｄ／（Ｔｙｆ＋１）
【００３８】
また、フィードバック制御器Ｃｘ及びＣｙのそれぞれは、共振周波数での発振を回避するために、ノッチフィルタを含んでいる。かかるノッチフィルタに関しては、Ｘ軸モータ１００２及びＹ軸モータ１００４のそれぞれにおける２つの共振周波数に対して深さ４０ｄＢ、Ｑ値を１とした。本実施形態におけるフィードバック制御のクローズドループ特性を図５（ａ）及び図５（ｂ）に示す。図５（ａ）では、横軸に周波数［ｒａｄ／ｓ］、縦軸に振幅（ゲイン）［ｄＢ］を採用し、図５（ｂ）では、横軸に周波数［Ｈｚ］、縦軸に位相［ｄｅｇ］を採用している。
【００３９】
Ｘ軸モータ１００２（の出力軸）及びＹ軸モータ１００４（の出力軸）の応答を確認する。ここでは、被加工物である物体ＯＢに対して、レーザ光ＬＬを直線状に照射する（即ち、レーザ光ＬＬで直線を描画する）場合を考える。具体的には、Ｘ軸モータ１００２及びＹ軸モータ１００４に対して、０から１へ移動（回転）する、及び、１から０へと移動（回転）する位置指令を入力し、ステップ応答の往復動作を行った。
【００４０】
本実施形態のＸ軸モータ制御部１０２０及びＹ軸モータ制御部１０２４の制御によるＸ軸モータ１００２及びＹ軸モータ１００４の応答を図６（ａ）に示し、従来の制御系の制御によるＸ軸モータ１００２及びＹ軸モータ１００４の応答を図６（ｂ）に示す。図６（ａ）及び図６（ｂ）では、横軸にＸ軸モータ１００２（の出力軸）の位置を採用し、縦軸にＹ軸モータ１００４（の出力軸）の位置を採用している。
【００４１】
また、本実施形態のＸ軸モータ制御部１０２０の制御によるＸ軸モータ１００２のステップ応答を図７（ａ）に示し、従来の制御系の制御によるＸ軸モータ１００２のステップ応答を図７（ｂ）に示す。図７（ａ）及び図７（ｂ）では、横軸に時間を採用し、縦軸にＸ軸モータ１００２（の出力軸）の位置を採用している。
【００４２】
図６（ａ）及び図６（ｂ）を参照するに、Ｘ軸モータ１００２及びＹ軸モータ１００４の応答の非直線性に関しては、本実施形態と従来とでほぼ同等であることがわかる。一方、図７（ａ）及び図７（ｂ）を参照するに、Ｘ軸モータ１００２のステップ応答に関しては、移動量の５％以内に位置決めできる時間が従来では２．１ｍｓであるが、本実施形態では０．３ｍｓであることがわかる。従って、本実施形態では、各モータの位置決めに要する時間を従来の１／７にすることができ、物体ＯＢの加工に要する時間を大幅に削減することができる。
【００４３】
本実施形態のフィードフォワード制御器は、制御対象モータの出力軸の入出力特性である周波数応答特性を表す第１関数の逆関数（例えば、Ｘ軸モータ１００２のモータ特性の剛体モードの逆モデル）を含んでいる。更に、かかるフィードフォワード制御器は、制御対象モータとは異なる少なくとも１つのモータの出力軸の入出力特性である周波数応答特性を表す第２関数と、第２関数の逆関数との積（例えば、モデルＰ・ｙ）を含んでいる。これにより、本実施形態では、Ｘ軸モータ１００２及びＹ軸モータ１００４の制御において、同期の高精度化及び制御の高速化を両立させることができる。
【００４４】
なお、一般的に、モータの特性は安定なシステムであり、モータ特性の逆モデルは、不安定なシステムとなることが知られている。従って、制御対象モータの特性の逆モデルをフィードフォワード制御器に含むことは難しい。そのため、本実施形態では、モータの特性における剛体モードの逆モデルを利用している。また、モータの特性は、一般的に、各モータ単体のフィードフォワード制御器を設計する際に求められている。従って、モータの特性は、複数のモータのそれぞれの出力軸の同期のための調整を行うときに再度求める必要はないため、フィードフォワード制御器に簡単に含めることができる。
【００４５】
また、本実施形態では、Ｘ軸モータ１００２及びＹ軸モータ１００４のそれぞれを２つの共振モードまでモデル化し、一方の軸の制御器に他方の軸のモータの特性のモデルを含ませることで、見掛け上互いの応答特性が一致しているかのように構成している。なお、モータ特性のモデルのモデル化誤差等により、各軸の応答特性が厳密に一致するわけではないことに留意されたい。また、モータの出力軸の制御では、一般的に、モータを駆動するにあたって電流の低周波成分の寄与が大きい。そこで、より低い周波数帯域に共振周波数（機械共振の周波数）を有するモータから順にモデル化を行うことが、互いの応答特性を近づける上で有効であると考えられる。従って、複数のモータのうち最も低い周波数帯域に共振周波数（共振特性）を有する軸のモータをモデル化し、そのモデルを他軸の制御器に上述のように含めることは、互いの応答特性を近づける上で効果がある。このことから、各軸の制御器は、必ずしも他軸全てのモータのモデルを適用されなくてもよい。
【００４６】
また、制御対象モータによってはモータ特性の変動が大きい場合も考えられる。このような場合には、フィードフォワード制御器におけるノッチフィルタによって、共振周波数の変動幅を含む周波数帯域の入力信号成分を低減すればよい。また、ローパスフィルタの時定数を大きくすることによって、共振周波数の変動に対する感度を低減させてもよい。これにより、複数のモータ（の出力軸）の制御において、高精度な同期を維持しながら制御の高速化を実現することができる。
【００４７】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されないことはいうまでもなく、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。例えば、以下の変形又は変更が可能である。これまでの実施形態では、２つの対象物にそれぞれ対応する２つのモータの制御について説明した。但し、本発明は、それに限らず、３つ以上の対象物にそれぞれ対応する３つ以上のモータを制御する場合にも適用可能である。１つの対象物に対応する制御器に、その他の対象物に対応するモータの特性を含ませればよいからである。また、本発明は、複数の自由度において可動の可動体を当該複数の自由度において移動させる複数のモータ（例えば、Ｘ−Ｙ−θｚステージに対するＸ軸方向移動用モータ・Ｙ軸方向移動用モータ・Ｚ軸周り回転用モータ）の制御にも適用可能である。そのような駆動装置においては、１つの自由度（軸）に対応する制御器に、その他の自由度に対応するモータの特性を含ませればよいからである。また、本発明は、対象物の位置の制御に限らず、対象物の速度、加速度、加加速度等の制御にも適用可能である。また、モータの特性を表す関数を制御器に含ませる旨の記載をしたが、当該関数とフィルタ等に相当する関数との合成関数を求め、当該合成関数を制御器に含ませてもよい。そのような構成も、モータの特性を表す関数が当該合成関数の中に内在しているため、本発明の範囲内のものである。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のモータのそれぞれについてフィードフォワード制御器を備え、前記複数のモータをそれぞれ制御する制御装置であって、
前記フィードフォワード制御器の少なくとも１つは、当該フィードフォワード制御器が制御対象とするモータとは異なる少なくとも１つのモータの入出力特性を表す関数を含む、ことを特徴とする制御装置。
【請求項２】
前記関数は、前記少なくとも１つのモータの共振特性を含む、ことを特徴とする請求項１に記載の制御装置。
【請求項３】
前記少なくとも１つのモータは、前記複数のモータのうち最も低い周波数帯域に共振周波数を有するモータである、ことを特徴とする請求項２に記載の制御装置。
【請求項４】
前記フィードフォワード制御器の少なくとも１つは、前記制御対象とするモータ及び前記少なくとも１つのモータの共振周波数を含む周波数帯域において入力信号を低減するフィルタを更に含む、ことを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか１項に記載の制御装置。
【請求項５】
前記関数は、前記少なくとも１つのモータの剛体モードの特性及び共振モードの特性を表す関数と、前記剛体モードの特性を表す関数の逆関数との積を含む、ことを特徴とする請求項１乃至４のうちいずれか１項に記載の制御装置。
【請求項６】
対象に光を照射する照射装置であって、
光を順次反射する複数のミラーと、
前記複数のミラーをそれぞれ回転させる複数のモータと、
前記複数のモータを制御する請求項１乃至５のうちいずれか１項に記載の制御装置と、
を有することを特徴とする照射装置。
【請求項７】
複数の自由度において可動の可動体と、
前記複数の自由度において前記可動体を移動させる複数のモータと、
前記複数のモータを制御する請求項１乃至５のうちいずれか１項に記載の制御装置と、
を有することを特徴とする駆動装置。
【請求項１】
複数のモータのそれぞれについてフィードフォワード制御器を備え、前記複数のモータをそれぞれ制御する制御装置であって、
前記フィードフォワード制御器の少なくとも１つは、当該フィードフォワード制御器が制御対象とするモータとは異なる少なくとも１つのモータの入出力特性を表す関数を含む、ことを特徴とする制御装置。
【請求項２】
前記関数は、前記少なくとも１つのモータの共振特性を含む、ことを特徴とする請求項１に記載の制御装置。
【請求項３】
前記少なくとも１つのモータは、前記複数のモータのうち最も低い周波数帯域に共振周波数を有するモータである、ことを特徴とする請求項２に記載の制御装置。
【請求項４】
前記フィードフォワード制御器の少なくとも１つは、前記制御対象とするモータ及び前記少なくとも１つのモータの共振周波数を含む周波数帯域において入力信号を低減するフィルタを更に含む、ことを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか１項に記載の制御装置。
【請求項５】
前記関数は、前記少なくとも１つのモータの剛体モードの特性及び共振モードの特性を表す関数と、前記剛体モードの特性を表す関数の逆関数との積を含む、ことを特徴とする請求項１乃至４のうちいずれか１項に記載の制御装置。
【請求項６】
対象に光を照射する照射装置であって、
光を順次反射する複数のミラーと、
前記複数のミラーをそれぞれ回転させる複数のモータと、
前記複数のモータを制御する請求項１乃至５のうちいずれか１項に記載の制御装置と、
を有することを特徴とする照射装置。
【請求項７】
複数の自由度において可動の可動体と、
前記複数の自由度において前記可動体を移動させる複数のモータと、
前記複数のモータを制御する請求項１乃至５のうちいずれか１項に記載の制御装置と、
を有することを特徴とする駆動装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１３−３７４４８（Ｐ２０１３−３７４４８Ａ）
【公開日】平成２５年２月２１日（２０１３．２．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１７１３２３（Ｐ２０１１−１７１３２３）
【出願日】平成２３年８月４日（２０１１．８．４）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年２月２１日（２０１３．２．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年８月４日（２０１１．８．４）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
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