特許 5836161 制御装置および位置決めテーブル装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5836161

(24)【登録日】2015年11月13日

(45)【発行日】2015年12月24日

(54)【発明の名称】制御装置および位置決めテーブル装置

(51)【国際特許分類】

   G05B 13/02 20060101AFI20151203BHJP

   H02P 29/00 20060101ALI20151203BHJP

   G05D 3/12 20060101ALI20151203BHJP

【ＦＩ】

   G05B13/02 C

   H02P5/00 X

   G05D3/12 305V

【請求項の数】7

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2012-48041(P2012-48041)

(22)【出願日】2012年3月5日

(65)【公開番号】特開2013-182579(P2013-182579A)

(43)【公開日】2013年9月12日

【審査請求日】2014年7月31日

(73)【特許権者】

【識別番号】502129933

【氏名又は名称】株式会社日立産機システム

(74)【代理人】

【識別番号】100084412

【弁理士】

【氏名又は名称】永井 冬紀

(72)【発明者】

【氏名】山崎 勝

(72)【発明者】

【氏名】大橋 敬典

(72)【発明者】

【氏名】高野 裕理

(72)【発明者】

【氏名】上井 雄介

【審査官】 川東 孝至

(56)【参考文献】

【文献】 特開平１０−２７４２３８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００２−０２８８５８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０５Ｂ １３／０２

Ｇ０５Ｄ ３／１２

Ｈ０２Ｐ ２９／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

駆動対象を駆動するアクチュエータを制御するための指令と、前記アクチュエータの駆動状態を検出する検出部の検出情報とに基づき、前記アクチュエータを制御する制御装置であって、
前記検出情報に基づいて前記駆動対象が受ける外乱の周波数を推定する外乱周波数推定部と、
前記外乱周波数推定部で推定された周波数に基づいて、その後の前記外乱を予測して予測外乱信号を発生する外乱予測部と、
前記予測外乱信号に基づいて、外乱によって前記駆動対象が受ける力を相殺する外乱抑制力の発生を前記アクチュエータに要求する抑制力指示部と、を備え、
前記検出情報と前記抑制力指示部の要求とに基づいて前記アクチュエータを制御し、
前記外乱予測部は、前記外乱周波数推定部で推定した周波数で駆動される複数の説明変数を生成し、前記複数の説明変数と前記検出情報とから各説明変数の係数をそれぞれ決定し、前記複数の説明変数および前記複数の係数に基づいて前記予測外乱信号を発生し、
前記外乱予測部は、前記予測外乱信号と前記検出情報に含まれる外乱信号成分とを比較し、重回帰分析を用いて前記複数の係数を決定することを特徴とする制御装置。

【請求項2】

駆動対象を駆動するアクチュエータを制御するための指令と、前記アクチュエータの駆動状態を検出する検出部の検出情報とに基づき、前記アクチュエータを制御する制御装置であって、
前記検出情報に基づいて前記駆動対象が受ける外乱の周波数を推定する外乱周波数推定部と、
前記外乱周波数推定部で推定された周波数に基づいて、その後の前記外乱を予測して予測外乱信号を発生する外乱予測部と、
前記予測外乱信号に基づいて、外乱によって前記駆動対象が受ける力を相殺する外乱抑制力の発生を前記アクチュエータに要求する抑制力指示部と、を備え、
前記検出情報と前記抑制力指示部の要求とに基づいて前記アクチュエータを制御し、
前記外乱予測部は、前記外乱周波数推定部で推定した周波数で駆動される複数の説明変数を生成し、前記複数の説明変数と前記検出情報とから各説明変数の係数をそれぞれ決定し、前記複数の説明変数および前記複数の係数に基づいて前記予測外乱信号を発生し、
前記説明変数は、前記推定された周波数と同一周期のＳＩＮ関数およびＣＯＳ関数と、定数１とで構成されることを特徴とする制御装置。

【請求項3】

請求項２に記載の制御装置において、
前記外乱周波数推定部による周波数の推定および前記外乱予測部による前記予測外乱信号の発生が繰り返し実行され、
前記繰り返し実行の度に前記定数１の係数の変化量を検出する検出部と、
前記推定された周波数を前記変化量に基づいて補正する補正部と、を備えたことを特徴とする制御装置。

【請求項4】

駆動対象を駆動するアクチュエータを制御するための指令と、前記アクチュエータの駆動状態を検出する検出部の検出情報とに基づき、前記アクチュエータを制御する制御装置であって、
前記検出情報に基づいて前記駆動対象が受ける外乱の周波数を推定する外乱周波数推定部と、
前記外乱周波数推定部で推定された周波数に基づいて、その後の前記外乱を予測して予測外乱信号を発生する外乱予測部と、
前記予測外乱信号に基づいて、外乱によって前記駆動対象が受ける力を相殺する外乱抑制力の発生を前記アクチュエータに要求する抑制力指示部と、を備え、
前記検出情報と前記抑制力指示部の要求とに基づいて前記アクチュエータを制御し、
前記外乱周波数推定部による周波数の推定および前記外乱予測部による前記予測外乱信号の発生は、所定の条件に基づいて繰り返し行われ、
前記所定の条件とは、前記指令による指令位置と前記検出情報に基づく前記駆動対象の位置との差が所定閾値以上となったか否かの条件であり、
前記指令位置と前記駆動対象の位置との差が所定閾値以上となった場合に、前記外乱周波数推定部による周波数の推定および前記外乱予測部による前記予測外乱信号の発生が行われることを特徴とする制御装置。

【請求項5】

駆動対象を駆動するアクチュエータを制御するための指令と、前記アクチュエータの駆動状態を検出する検出部の検出情報とに基づき、前記アクチュエータを制御する制御装置であって、
前記検出情報に基づいて前記駆動対象が受ける外乱の周波数を推定する外乱周波数推定部と、
前記外乱周波数推定部で推定された周波数に基づいて、その後の前記外乱を予測して予測外乱信号を発生する外乱予測部と、
前記予測外乱信号に基づいて、外乱によって前記駆動対象が受ける力を相殺する外乱抑制力の発生を前記アクチュエータに要求する抑制力指示部と、を備え、
前記検出情報と前記抑制力指示部の要求とに基づいて前記アクチュエータを制御し、
前記外乱周波数推定部は、前記検出情報に基づいて前記駆動対象が受ける外乱の周波数を複数推定し、
前記外乱予測部は、前記外乱周波数推定部で推定された複数の周波数に基づいて前記予測外乱信号を発生することを特徴とする制御装置。

【請求項6】

駆動対象を駆動するアクチュエータを制御するための指令と、前記アクチュエータの駆動状態を検出する検出部の検出情報とに基づき、前記アクチュエータを制御する制御装置であって、
前記検出情報に基づいて前記駆動対象が受ける外乱の周波数を推定する外乱周波数推定部と、
前記外乱周波数推定部で推定された周波数に基づいて、その後の前記外乱を予測して予測外乱信号を発生する外乱予測部と、
前記予測外乱信号に基づいて、外乱によって前記駆動対象が受ける力を相殺する外乱抑制力の発生を前記アクチュエータに要求する抑制力指示部と、を備え、
前記検出情報と前記抑制力指示部の要求とに基づいて前記アクチュエータを制御し、
前記外乱周波数推定部は、前記検出情報に基づいて、前記アクチュエータの発生する駆動力と前記駆動対象の速度変化に必要な力との差分量、または、前記アクチュエータの発生する駆動トルクと前記駆動対象の速度変化に必要なトルクとの差分量を求め、その差分量に基づいて前記周波数の推定を行うことを特徴とする制御装置。

【請求項7】

請求項１乃至６のいずれか一項に記載の制御装置と、
前記駆動対象であってワークが搭載されるテーブルと、
前記テーブルをスライド駆動するアクチュエータと、
前記検出部であって前記アクチュエータによる駆動量を検出するエンコーダと、を備えたことを特徴とする位置決めテーブル装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、アクチュエータを制御する制御装置、および、位置決めテーブル装置に関する。

【背景技術】

【0002】

位置決め動作において、装置の内部あるいは外部に位置決め動作を乱す加振力等の外乱があると、より高精度な位置決めを目指す場合には、その外乱が微細であっても影響を無視できなくなる。そのような状況においては、通常のフィードバック系の制御システムで位置決め制御を行っても、外乱による偏差が生じてから制御量が決定されるため、本質的に外乱の影響を抑えることは難しい。

【0003】

そのため、制御装置に外乱を推定する手段を設け、外乱による影響を抑えるように制御量を調整することによって高精度な位置決めを行っている電気モータ用制御装置が知られている。（例えば、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２００９−２４７０９８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

特許文献１に記載の発明では、ある特定の周波数の信号を選択的に増幅する伝達関数を用いて検出信号を増幅することで既に発生した外乱を推定し、この推定した外乱信号を用いて外乱による影響を抑える抑制信号を生成するようにしている。このように、外乱の影響を含む信号が入力されてから信号処理を行って抑制信号を生成しているので、この場合も信号処理に要する時間分の出力の遅延は避けられず、外乱を十分に抑えられない。また、外乱以外の信号成分も増幅されてしまうため、外乱の推定精度を十分に高められないという欠点もある。

【課題を解決するための手段】

【0006】

請求項１の発明は、駆動対象を駆動するアクチュエータを制御するための指令と、アクチュエータの駆動状態を検出する検出部の検出情報とに基づき、アクチュエータを制御する制御装置であって、検出情報に基づいて駆動対象が受ける外乱の周波数を推定する外乱周波数推定部と、外乱周波数推定部で推定された周波数に基づいて、その後の外乱を予測して予測外乱信号を発生する外乱予測部と、予測外乱信号に基づいて、外乱によって駆動対象が受ける力を相殺する外乱抑制力の発生をアクチュエータに要求する抑制力指示部と、を備え、検出情報と抑制力指示部の要求とに基づいてアクチュエータを制御し、外乱予測部は、外乱周波数推定部で推定した周波数で駆動される複数の説明変数を生成し、複数の説明変数と検出情報とから各説明変数の係数をそれぞれ決定し、複数の説明変数および複数の係数に基づいて予測外乱信号を発生し、外乱予測部は、予測外乱信号と検出情報に含まれる外乱信号成分とを比較し、重回帰分析を用いて複数の係数を決定することを特徴とする。
請求項２の発明は、駆動対象を駆動するアクチュエータを制御するための指令と、アクチュエータの駆動状態を検出する検出部の検出情報とに基づき、アクチュエータを制御する制御装置であって、検出情報に基づいて駆動対象が受ける外乱の周波数を推定する外乱周波数推定部と、外乱周波数推定部で推定された周波数に基づいて、その後の外乱を予測して予測外乱信号を発生する外乱予測部と、予測外乱信号に基づいて、外乱によって駆動対象が受ける力を相殺する外乱抑制力の発生をアクチュエータに要求する抑制力指示部と、を備え、検出情報と抑制力指示部の要求とに基づいてアクチュエータを制御し、外乱予測部は、外乱周波数推定部で推定した周波数で駆動される複数の説明変数を生成し、複数の説明変数と検出情報とから各説明変数の係数をそれぞれ決定し、複数の説明変数および複数の係数に基づいて予測外乱信号を発生し、説明変数は、推定された周波数と同一周期のＳＩＮ関数およびＣＯＳ関数と、定数１とで構成されることを特徴とする。
請求項３の発明は、請求項２に記載の制御装置において、外乱周波数推定部による周波数の推定および外乱予測部による予測外乱信号の発生が繰り返し実行され、繰り返し実行の度に定数１の係数の変化量を検出する検出部と、推定された周波数を変化量に基づいて補正する補正部と、を備えたことを特徴とする。
請求項４の発明は、駆動対象を駆動するアクチュエータを制御するための指令と、アクチュエータの駆動状態を検出する検出部の検出情報とに基づき、アクチュエータを制御する制御装置であって、検出情報に基づいて駆動対象が受ける外乱の周波数を推定する外乱周波数推定部と、外乱周波数推定部で推定された周波数に基づいて、その後の外乱を予測して予測外乱信号を発生する外乱予測部と、予測外乱信号に基づいて、外乱によって駆動対象が受ける力を相殺する外乱抑制力の発生をアクチュエータに要求する抑制力指示部と、を備え、検出情報と抑制力指示部の要求とに基づいてアクチュエータを制御し、外乱周波数推定部による周波数の推定および外乱予測部による予測外乱信号の発生は、所定の条件に基づいて繰り返し行われ、所定の条件とは、指令による指令位置と検出情報に基づく駆動対象の位置との差が所定閾値以上となったか否かの条件であり、指令位置と駆動対象の位置との差が所定閾値以上となった場合に、外乱周波数推定部による周波数の推定および外乱予測部による予測外乱信号の発生が行われることを特徴とする。
請求項５の発明は、駆動対象を駆動するアクチュエータを制御するための指令と、アクチュエータの駆動状態を検出する検出部の検出情報とに基づき、アクチュエータを制御する制御装置であって、検出情報に基づいて駆動対象が受ける外乱の周波数を推定する外乱周波数推定部と、外乱周波数推定部で推定された周波数に基づいて、その後の外乱を予測して予測外乱信号を発生する外乱予測部と、予測外乱信号に基づいて、外乱によって駆動対象が受ける力を相殺する外乱抑制力の発生をアクチュエータに要求する抑制力指示部と、を備え、検出情報と抑制力指示部の要求とに基づいてアクチュエータを制御し、外乱周波数推定部は、検出情報に基づいて駆動対象が受ける外乱の周波数を複数推定し、外乱予測部は、外乱周波数推定部で推定された複数の周波数に基づいて予測外乱信号を発生することを特徴とする。
請求項６の発明は、駆動対象を駆動するアクチュエータを制御するための指令と、アクチュエータの駆動状態を検出する検出部の検出情報とに基づき、アクチュエータを制御する制御装置であって、検出情報に基づいて駆動対象が受ける外乱の周波数を推定する外乱周波数推定部と、外乱周波数推定部で推定された周波数に基づいて、その後の外乱を予測して予測外乱信号を発生する外乱予測部と、予測外乱信号に基づいて、外乱によって駆動対象が受ける力を相殺する外乱抑制力の発生をアクチュエータに要求する抑制力指示部と、を備え、検出情報と抑制力指示部の要求とに基づいてアクチュエータを制御し、外乱周波数推定部は、検出情報に基づいて、アクチュエータの発生する駆動力と駆動対象の速度変化に必要な力との差分量、または、アクチュエータの発生する駆動トルクと駆動対象の速度変化に必要なトルクとの差分量を求め、その差分量に基づいて周波数の推定を行うことを特徴とする。
請求項７の発明による位置決めテーブル装置は、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の制御装置と、駆動対象であってワークが搭載されるテーブルと、テーブルをスライド駆動するアクチュエータと、検出部であってアクチュエータによる駆動量を検出するエンコーダと、を備えたことを特徴とする。

【発明の効果】

【0007】

本発明によれば、アクチュエータの駆動を高精度に制御することができる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】位置決めテーブル装置の全体構成を示す図である。

【図2】外乱推定器１０の構成を示す図である。

【図3】外乱推定器１０の動作を説明するフローチャートである。

【図4】テーブルの変位ｘを示す図である。

【図5】位置制御器９の出力Ｏ１（Ｎ）の時間的変化を示す図である。

【図6】外乱推定器１０の出力を示す図である。

【図7】外乱推定器１０の推定精度が悪い場合のテーブル１の変位ｘを示す図である。

【図8】変形例１を説明する図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、図を参照して本発明を実施するための形態について説明する。以下では、サーボモータを用いてテーブルを動かして位置決めを行う装置、すなわち、生産設備等で用いられる位置決めテーブル装置を例に、本発実施の形態の制御装置について説明する。

【0010】

図１は、位置決めテーブル装置の全体構成を示す図である。テーブル１は、左ガイド２ａおよび右ガイド２ｂによりガイド長手方向にスライドできるように保持されている。テーブル１には、テーブル１をスライドさせるための駆動ベルト４が固定されている。駆動ベルト４は、駆動プーリ３ａおよび従動プーリ３ｂに架け回されている。サーボモータ５の出力軸は駆動プーリ３ａの軸に直結しており、サーボモータ５により駆動プーリ３ａに回転力を与えると駆動ベルト４が駆動され、テーブル１がガイド長手方向にスライド移動する。

【0011】

サーボアンプ７は、図示しない上位コントローラからの指令とサーボモータ５に設けられたエンコーダ６からの信号Ｓ１とに基づいて、サーボモータ５を駆動するための三相交流を生成し、サーボモータ５に供給する。

【0012】

サーボアンプ７に設けられた入力処理器８では、エンコーダ６からの信号Ｓ１をサーボモータ５の制御に必要な物理量、例えば、サーボモータ５の角加速度や角速度、回転角度等に変換する。位置制御器９、外乱推定器１０は、入力処理器８から出力される物理量（駆動情報としての制御信号）を用いてサーボモータ５の駆動トルクを計算する。電力変換器１１は、この駆動トルクに基づいてサーボモータ５に印加する三相交流Ｏ３を生成する。なお、この他の構成として、電力変換器１１へ電力供給を行うパワーライン系や、サーボモータ５に流れる電流を調整する電流制御系などの付随回路等があるが、これらについては説明及び図示を省略する。

【0013】

図１において、エンコーダ６→入力処理器８→位置制御器９→電力変換器１１→サーボモータ５で示す制御系は、従来のフィードバック制御系に相当するものである。例えば、位置決めテーブル装置にて位置決め動作を行う場合、上位コントローラからサーボアンプ７に対して指令（例えば、サーボモータ５の速度指令）が入力される。上述したように、サーボアンプ７の入力処理器８には、サーボモータ５に取り付けられているエンコーダ６の検出する位置信号（パルス信号）Ｓ１が入力されている。入力処理器８は、その位置信号Ｓ１に基づいて現在の状態でのサーボモータ５の速度を計算する。

【0014】

位置制御器９は、位置と速度の両方を指令値に近付けるようにサーボモータで発生させるトルクを計算する。指令値は上位コントローラから入力される。なお、位置制御器９では位置制御の計算と速度制御の計算は独立になされるため、速度指令だけを入力した場合には、位置制御器９は速度制御を行う計算ブロックとして動作する。そのため、本実施の形態に示す例では、速度指令のみを入力し速度制御を行うように動作させている。

【0015】

なお、本実施例では速度制御の例で説明するが、これに限らず、位置指令を入力して位置制御を行っても良いし、位置と速度の両方指令を入力しての両方の制御を行っても良い。このようにして、位置制御器９の出力Ｏ１として、サーボモータ５の速度を指令値と一致させるような駆動トルクが算出される。外乱推定器１０を備えていない従来の制御装置では、電力変換器１１は、この出力Ｏ１と、入力処理器８から入力されるモータロータ位置信号Ｓ２とに基づいて、三相交流Ｏ３を生成する。

【0016】

本実施の形態では、このようなフィードバック制御系に加えて外乱推定器１０を備えている。図２は外乱推定器１０の構成を示す図であり、図３は外乱推定器１０の動作を説明するフローチャートである。以下では、図２，３を用いて外乱推定器１０の構成および動作を説明する。外乱推定器１０は、外乱周波数推定部１０ａ、関数決定部１０ｂおよび外乱補正信号発生部１０ｃを備えている。外乱推定器１０に入力された物理量（制御信号）は，外乱周波数推定部１０ａおよび関数決定部１０ｂに入力される。

【0017】

ここで、外乱推定器１０に入力され制御信号（物理量）としては、例えば、（ａ）サーボモータ５の角加速度、（ｂ）サーボモータ５の角速度とサーボモータ５によって駆動される慣性体の慣性合計値の積、（ｃ）サーボモータ５によって駆動される慣性体の慣性合計値とサーボモータ５の角加速度との積からサーボモータ５の発生するトルクを引いた値、（ｄ）図示しないトルクセンサ（例えば、サーボモータ５に設けられている）の値の計測値、（ｅ）上位コントローラで計算されたサーボモータ５の発生する駆動力、（ｆ）サーボモータ５によって駆動される慣性体の慣性合計値とサーボモータ５の角加速度との積から図示しないトルクセンサの計測値を引いた値等を用いることができる。いずれを制御信号として使用するかは、装置の構成や要求仕様に依存し、算出にかかるコストや精度等を考慮して適するものを用いれば良い。

【0018】

図３のステップＳ１０１では、外乱周波数推定部１０ａは、現在の状態でのサーボモータ５の速度および電力変換器１１から出力されるサーボモータ５の出力トルクモニタ信号Ｓ３等から得られる上記制御信号に基づいて、制御信号の変動の周波数ｆ（外乱成分の周波数）を求める。なお、出力トルクモニタ信号Ｓ３は必ずしも使用しなくても良いが。使用することで推定精度を高めることができる。周波数の求め方としては、高速フーリエ変換を行っても良いし、制御信号の波形の山と山の間などの時間から求めても良い。本実施形態では高速フーリエ変換を用いて変換後の信号強度から周波数を求めている。なお、高速フーリエ変換については確立された技術であるためその動作説明は省略する。外乱周波数推定部１０ａから出力された周波数ｆは、増幅器１０ｄで２π倍されて角速度ωに変換される。

【0019】

ステップＳ１０２では、外乱周波数推定部１０ａで決定した周波数ｆ（角速度ω）で駆動される説明変数（波形）が生成される。本実施形態では、角速度をω、現在の時刻をｔとしたとき、sin（ω・ｔ）、cos（ω・ｔ）および定数１を説明変数に用いた。なお、本実施形態で用いた説明変数は一例であって、例えば、ｔの累乗関数や指数関数や分数関数、また、これらの組合せであっても良く、装置の構成や要求仕様を考慮して、算出にかかるコストや精度等を考慮して適するものを用いれば良い。

【0020】

ステップＳ１０３では、関数決定部１０ｂにおいて、生成された説明変数と入力された制御信号とから説明変数の係数が決定される。決定方法としては回帰分析やＴ検定のような種々の方法があるが、ここでは、制御信号を目的変数として説明変数への回帰計算を行って、各説明変数の係数を決定する。すなわち、係数の決定においては、目的変数と説明変数の係数倍の線形和の誤差が最小となるように計算を行う。例えば、最小二乗法により計算する。本実施形態では、この計算に重回帰分析による計算を用いて係数の決定を行っている。制御信号には上述した（ａ）〜（ｆ）のような制御信号が用いられ、信号Ｓ１に含まれる外乱成分に近いものが用いられるので、回帰分析の結果は外乱信号を精度良く近似している。

【0021】

ステップＳ１０４では、外乱補正信号発生部１０ｃは、推定した周波数ｆ（角速度ω）を用いた説明変数と、関数決定部１０ｂで決定した係数とを用いて現在以後（周波数推定後）に印加される外乱を予測し、予測外乱信号モデルを生成する。関数決定部１０ｂで決定した係数をそれぞれＡ１，Ａ２，Ａ３とすると、予測外乱信号モデルは次式（１）のように表される。
Ａ１・sin（ω・ｔ）＋Ａ２・cos（ω・ｔ）＋Ａ３ …（１）

【0022】

このようにして予測外乱信号モデルが決定したならば、ステップＳ１０５に進んで、外乱補正信号発生部１０ｃは、予測外乱信号モデルに基づく外乱補正信号Ｏ２を出力する。なお、外乱補正信号は予測外乱信号の正負を反転したものである。すなわち、上位コントローラからの指令に基づく駆動トルクに加えて、駆動対象であるテーブル１が受けると予測される外乱による力（加振力）と逆方向の力（外乱抑制力）を、外乱に遅れることなくサーボモータ５に発生させることによって、外乱による加振力がサーボモータ５によって発生した外乱抑制力（補正トルク）によって相殺される。

【0023】

エンコーダ６からの信号Ｓ１には外乱による加振力の情報が含まれているが、外乱予測を精度良く行うためには、この加振力をサーボモータ軸トルクとして適切に変換された制御信号を用いれば、外乱による加振力をサーボモータ５の補正トルクによって精度良く相殺（抑制）することができる。例えば、上述した（ａ）〜（ｆ）の制御信号を比較した場合、（ｃ）の信号が最も正確に外乱を表しており、これを制御信号として用いるのが好ましい。（ｃ）の制御信号をモータに限らずより一般的に表現すれば、アクチュエータの発生する駆動力と駆動対象の速度変化に必要な力との差分量、または、アクチュエータの発生する駆動トルクと駆動対象の速度変化に必要なトルクとの差分量となる。

【0024】

ここで、図３に示す外乱推定器１０の動作は、サーボアンプ７の計算周期毎に実行しても良いし、または、計算周期とは別の所定時間間隔で行うようにしても良い。また、後述するように所定条件が整った場合に行うようにしても良い。特に、外乱推定器１０の中の関数決定部１０ｂについては、この動作が行われるたびに、係数Ａ１〜Ａ３が更新され、更新されたＡ１〜Ａ２を予測外乱信号モデルに用いることにより、推定器の誤差による累積的なずれをリセットすることができることになり、外乱に対する補正精度がより向上する。また、外乱推定器１０内の外乱補正信号発生部１０ｃ、外乱周波数推定部１０ａについてもサーボアンプ７の計算周期毎に実行しても良いし、ある一定の時間間隔、あるいは、ある条件が整った場合に動作を行っても良い。

【0025】

外乱補正信号発生部１０ｃから出力された外乱補正信号Ｏ２は、図１に示す電力変換器１１に入力される。電力変換器１１は、位置制御器９からの出力Ｏ１と外乱推定器１０からの出力される外乱補正信号Ｏ２とモータロータ位置信号Ｓ２とからサーボモータ５に加える三相交流の参照値を生成し、ＰＷＭによる電力変換を行ってサーボモータ５に加える電力を生成する。上述したように、本実施形態における出力Ｏ１は、サーボモータ５の速度を上位コントローラからの指令値と一致させるような駆動トルクを発生させる指令である。一方、外乱補正信号Ｏ２は、外乱による加振力を相殺する補正トルクを発生させる指令である。その結果、サーボモータ５は、上位コントローラの指令に追従しつつ、外乱による加振力を抑制するトルクを発生する。

【0026】

サーボモータ５からのトルクは駆動プーリ３ａを回転させてベルト４を動かし、テーブル１をスライドさせる。外乱による加振力に変化があってテーブルの運動が変化した場合、その運動の変化はテーブル１からベルト４および駆動プーリ３ａを介してサーボモータ５の回転運動の変化として現れる。その回転運動の変化はエンコーダ６により検出されサーボアンプ７へと入力され、再び外乱推定器１０による演算が行われ角速度ωおよび係数Ａ１〜Ａ３が更新される。その結果、変化後の外乱を打ち消すような新たな外乱補正信号Ｏ２が、外乱推定器１０から出力されることになる。すなわち、図３の動作を繰り返し行うことにより、外乱の変化に対しても追従することができ、テーブル１の制御を精度良く行うことができる。

【0027】

図４〜６は外乱推定器１０の効果を説明する図であり、テーブル１を所定位置に位置決めさせた場合の動作を示している。図４はテーブルの変位ｘを示したものであり、縦軸は変位、横軸は時間である。０secから０．２secまではサーボアンプ７による制御を行っていない場合であり、０．２secから０．４secまでは位置制御器９による位置制御のみを行った場合、０．４seから０．６secまでは位置制御に加えて外乱推定器１０を用いた外乱抑制制御を行った場合を示している。

【0028】

図４に示す例では、テーブル１には一定周期で振動する外乱が模擬的に与えられており、区間Ａ（０sec〜０．２sec）の制御無しの場合には外乱による加振力でテーブル変位が周期的に振動している。なお、区間Ｂ（０．２sec〜０．４sec）は位置制御のみが行われる区間、区間Ｃ（０．４sec〜０．６sec）は位置制御と上述した外乱抑制制御とが行われている区間である。図５は位置制御器９の出力Ｏ１（Ｎ）の時間的変化を示したものであり、図６は外乱推定器１０の出力（外乱補正信号Ｏ２）（Ｎ）を示したものである。制御無しの区間Ａではいずれの出力もゼロとなっている。

【0029】

時刻０．２secからテーブル位置が変位＝０の位置に位置決めされるような位置制御が開始されると、位置制御器９からは図５に示すような振動的な出力Ｏ１が出力される。その結果、テーブル１の位置＝０からの変位は小さくなるが、外乱の加振力による影響を位置制御だけでは抑えることができず、テーブル１は位置＝０を中心として振動している。

【0030】

一方、外乱推定器１０は入力される制御信号に基づいて図６に示すような外乱補正信号Ｏ２を生成し、その外乱補正信号Ｏ２を時刻０．４secから出力する。外乱補正信号Ｏ２が出力されると外乱の加振力による影響が打ち消され、図４の区間Ｃに示すようにテーブル１の変位ｘはほぼゼロとなり、目標位置（ｘ＝０）に精度良く位置決めされる。このように外乱推定器１０の推定精度が高いことから、０．４secから外乱推定器１０による外乱抑制を開始すると外乱推定器１０の出力（外乱補正信号）Ｏ２のみでテーブル１の振動を抑えることができ、位置制御器９の出力Ｏ１が０４sec以後（区間Ｃ）はゼロとなっていることが分かる。

【0031】

図７は、外乱推定器１０の推定精度を意図的に悪くした場合のテーブル１の変位ｘを示したものである。各区間Ａ〜Ｃにおける制御動作は図４に示したものと同様である。この場合、推定精度が悪いために、外乱補正信号Ｏ２だけでは外乱の影響を抑えることが不完全となり、サーボアンプ７の入力信号Ｓ１に、外乱による変位が含まれている。そのため、位置制御器９の制御によって偏差（変位）をゼロにしようとする制御が働くが、それだけでは振動的な外乱の影響を抑えることができない。そのため、図７の区間Ｃに示すように、変位ｘは位置制御のみの場合の大きさに近づくように徐々に大きくなっている。

【0032】

［変形例１］
図４，７に示した例では、外乱推定器１０は学習（周波数の推定）を一度だけ行う場合であって、角速度ωおよび係数Ａ１〜Ａ３の更新（予測外乱信号を生成するモデルの更新）が行われない。ただし、ここで与えた模擬的な外乱は一定周期で振幅の変化のない正弦波的な外乱であるため、上述したように推定精度が高ければ図４の区間Ｃのように変位ｘをゼロに抑えることができる。しかし、計算誤差によって推定精度が悪い場合や、実際の複雑な外乱の場合には、テーブル１の振動を抑えることができない可能性がある。

【0033】

そこで、図３に示した推定動作を繰り返すことにより、角速度ωおよび係数Ａ１〜Ａ３の更新を行うことで、外乱推定器１０の推定精度が悪い場合や外乱が変化する場合であっても、テーブル変位ｘを非常に小さく抑えて高精度に位置決めすることが可能となる。推定動作の繰り返しを行う方法としては、上述したように、サーボアンプ７の計算周期毎に実行しても良いし、計算周期とは別の所定時間間隔で行うようにしても良い。また、図７の区間Ｃのように変位ｘが徐々に大きくなるような場合を考慮して、例えば、変位ｘの大きさ（peak−peakの大きさ）が所定の閾値以上となった場合に図３の推定動作を再度行うようにしても良い。

【0034】

また、図８に示すようにΔω算出部１０ｅを設けて、推定された角速度ωを補正するようにしても良い。外乱周波数推定部１０ａに演算誤差が生じたりして推定された周波数と外乱の周波数との間にずれが発生すると、関数決定部１０ｂで算出される説明変数（定数１）の係数Ａ３が変化する。そこで、係数Ａ３をΔω算出部１０ｅに入力し、Δω算出部１０ｅにおいて係数Ａ３の変化から角速度ωのずれΔωを算出する。ここで、Δω＝（外乱による角速度ω0）−（推定角速度ω）である。算出されたΔωは推定された角速度ωに加算され、その加算結果ω＋Δω＝ω’を用いて説明変数sin（ω’・ｔ）およびcos（ω’・ｔ）が生成される。

【0035】

また、図８の二点差線で示すようにΔωを外乱周波数推定部１０ａに入力し、外乱周波数推定部１０ａにおける推定演算をチューニングするようにしても良い。そうすることで、外乱周波数推定部１０ａからは、ω＋Δωに相当する周波数が出力されることになる。

【0036】

このように算出された係数Ａ３からΔωを算出し、角速度ωを補正することで予測外乱信号（すなわち、外乱補正信号Ｏ２）の精度を向上させることができる。ここでは、Δωは演算誤差に基づくものであるので、Δωが一度算出されてそれによる周波数の補正が行われるようにすれば、それ以後は正確な角速度（ω＋Δω）を用いて予測外乱信号の演算が行われる。そのため、演算誤差が変化しない限りΔωの演算は一回行えば良い。Δωによる補正が行われる構成とした場合、角速度の演算精度が向上するので、外乱推定器１０による推定動作の繰り返し間隔を、Δω補正を行わない場合に比べて延ばすことができる。

【0037】

なお、算出された角速度ωにΔωを加算するような構成の場合には、Δω算出部１０ｅはΔωを一度算出したならばそのΔωを出力し続け、角速度ωが推定される度にΔωの加算が行われる。また、算出されたΔωの値が閾値以上となったならば、Δωの加算またはΔωによるチューニングを行うようにしても良い。

【0038】

［変形例２］
上述した実施の形態では、外乱周波数推定部１０ａにおいて周波数推定を行う場合、周波数分析を行って得られた周波数ピークの内の最もピークの高い周波数（角速度ω）を出力するようにした。外乱源が一つの場合にはこのように周波数を決定しても、図４に示した場合と同様に効果的に外乱の影響を抑制することができる。しかしながら、外乱が複雑な波形であったり、外乱源が複数あったりした場合には、周波数分析を行うと複数の周波数ピークが得られ、ピーク高さが２番目以降のものも無視できなくなる。

【0039】

そこで、第２の変形例では、外乱周波数推定部１０ａにおいて、ピークの高い順に複数の周波数を決定するようにした。例えば、２つの周波数（角速度ω１、ω２）を決定した場合には、説明変数としてsin（ω１・ｔ）、cos（ω１・ｔ）、sin（ω２・ｔ）、cos（ω２・ｔ）および定数１を生成する。関数決定部１０ｂではそれらの説明変数部に対して５つの係数Ａ１，Ａ２，Ａ３，Ｂ１，Ｂ２を決定する。この場合、予測外乱信号は次式（２）のように表される。
Ａ１・sin（ω１・ｔ）＋Ａ２・cos（ω１・ｔ）
＋Ｂ１・sin（ω２・ｔ）＋Ｂ２・cos（ω２・ｔ）＋Ａ３ …（２）

【0040】

周波数を３以上推定する場合も同様にして予測外乱信号を生成する。このように、制御信号から複数の周波数を推定することにより、複雑な外乱であっても精度良く外乱補正信号Ｏ２を生成することができ、外乱によるテーブル１の振動を効果的に抑えることができる。

【0041】

以上説明したように、本実施の形態の制御装置は、駆動対象であるテーブル１を駆動するアクチュエータとしてのサーボモータ５を制御するための指令と、サーボモータ５の駆動状態を検出するエンコーダ６の検出情報（信号Ｓ１）とに基づき、サーボモータ５を制御する制御装置に適用される。そして、検出情報に基づいてテーブル１が受ける外乱の周波数を外乱周波数推定部１０ａで推定し、外乱推定器１０は、推定された周波数に基づいて、その後（周波数推定後）の外乱を予測して予測外乱信号を発生する。外乱補正信号発生部１０ｃは、予測外乱信号に基づいて、外乱によってテーブル１が受ける力を相殺する外乱抑制力の発生をサーボモータ５に要求する外乱補正信号Ｏ２を生成する。そして、検出情報と外乱補正信号Ｏ２とに基づいてアクチュエータ（サーボモータ５）を制御する。

【0042】

このような制御を行うことにより、位置決め装置等に用いられるアクチュエータの制御装置において、装置の内部あるいは外部に位置決め動作を乱す加振力等の外乱があって、位置決めが難しい場合であっても、外乱の影響を抑制し、高精度な位置決め動作を実施することができる。なお、検出情報（信号Ｓ１）に基づいて、アクチュエータの発生する駆動力と駆動対象の速度変化に必要な力との差分量、または、アクチュエータの発生する駆動トルクと駆動対象の速度変化に必要なトルクとの差分量を制御量として求め、外乱周波数推定部１０ａはその制御量に基づいて周波数の推定を行うのが好ましい。

【0043】

なお、上述した実施形態では、位置決めテーブル装置の位置決め動作を例に説明したが、本発明は位置決め動作に限らず、移動中の正確な位置制御や速度制御にも適用することができる。また、テーブル１をベルト駆動する構成に限らず、リニアモータによりテーブル１をスライド駆動する構成にも適用できる。さらには、図１の構成に限らず、駆動対象を並進移動や回転移動等を行わせるアクチュエータの制御装置であれば、種々の形態に適用することができる。

【0044】

また、上述した実施形態では、図示しない加振力源から周期的な加振力が加えられているとしたが、加振源は装置に含まれる場合であっても同様に適用でき、振動を抑制することができる。装置に含まれる加振源としては、例えば、機構のガイド等の振れや表面粗さ等幾何学的な変動要素であっても良いし、サーボモータ５のトルク脈動などの電磁気的な変動要素であっても良いし、サーボアンプ７のインバータ部（電力変換器１１）の電気的な変動要素であっても良いし、空隙の圧力の変化等の流体的な変動要素、またこれらの組合せであっても良い。

【0045】

なお、以上の説明はあくまでも一例であり、発明を解釈する際、上記実施の形態の記載事項と特許請求の範囲の記載事項の対応関係に何ら限定も拘束もされない。

【符号の説明】

【0046】

１：テーブル、２ａ：左ガイド、２ｂ：右ガイド、３ａ：駆動プーリ、３ｂ：従動プーリ、４：ベルト、５：サーボモータ、６：エンコーダ、７：サーボアンプ、８：入力処理器、９：位置制御器、１０：外乱推定器、１０ａ：外乱周波数推定部、１０ｂ：関数決定部、１０ｃ：外乱補正信号発生部、１０ｅ：Δω算出部、１１：電力変換器

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】