JP2006335529A - 位置決め制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】状態フィードバック制御により駆動ローラまたは用紙搬送ベルトの高速且つ確実な位置決めが可能な位置決め制御装置を提供する。
【解決手段】この位置決め制御装置は、用紙搬送ベルト駆動機構の位置決め制御を行うものであり、モータと減速機構を含む駆動側慣性体と、用紙搬送ベルトとこれを支えるローラ群とを含む従動側慣性体とが柔結合される２慣性体近似で構成される機構の場合に、従動側慣性体の軸に角度検出器を設けて、この角度検出器の出力を基に用紙搬送機構を状態フィードバック制御するものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、位置決め制御装置に関し、特に、用紙搬送ベルト駆動を行って位置決め制御するＯＡ機器やＦＡ機器に適用して好適である。

図４は、インクジェット方式プリンタ等に用いられる用紙搬送ベルト駆動機構の構成例である。この構成例では、従動プーリ２側面部にエンコーダホイール６が取り付けてあり、エンコーダホイール６円周部に刻まれているスリットの数をエンコーダセンサ５で読み取ることにより、検出装置１０で従動プーリ角度を検出し、制御装置２０で従動プーリ角度をもとに移動量を計算し、駆動装置３０では計算された移動量と目標とする移動量との差異がなくなるようにモータ４を回転駆動してフィードバック制御する構成となっている。

この場合、駆動プーリ１から従動プーリ２まではタイミングベルト３で接続され、従動プーリ２と駆動ローラ８とはシャフト７で接続されている。
しかし、コストや構造上の制約によりシャフト７の剛性には限度があり、従動プーリ２と駆動ローラ８間にトルクが作用するとそこに捩れが発生し、従動プーリ角度と駆動ローラ角度とに差異を生じる。

したがって、従動プーリ角度を検出して用紙搬送ベルト９の位置決め制御を行っても、従動プーリ２の角度を制御していることになり、用紙搬送ベルト９の駆動ローラ８を直接制御することができない。

そこで、従動プーリ２側ではなく駆動ローラ８側の軸にエンコーダを取付け、駆動ローラ８の角度を直接検出する構成を考えると、制御ループ内にシャフト回りの捩れが存在することになってしまう。
このように、トルク伝達機構に弾性体要素が含まれていると、慣性体の慣性モーメントと関係して共振系を成すようになる。

以上のことは、図５で示すようなモータ側（駆動側慣性体）と負荷側（従動側慣性体）が捩れのあるバネ系により結合されている２慣性系の物理モデルとして説明できる。
このような２慣性系では、目的値追従性と外乱抑制性を向上させようとすると、モータ側は指示通り動こうとするが、負荷側には振動が生じてしまう。制御の目的は、負荷側を指令通りに動かすことであるため、この振動は好ましくない。

この場合の共振周波数ω_Ｏは以下の式で計算することができる。
ω_Ｏ＝√（Ｋ_Ｃ（１／Ｊ_Ｍ＋１／Ｊ_Ｌ））
ここで、Ｊ_Ｍ：駆動側慣性モーメント、Ｊ_Ｌ：従動側慣性モーメント、Ｋ_Ｃ：捩り軸バネ定数である。

また、上記のような捩り振動を制御する技術としては、特許文献１、２、３がある。
特許第３２４４１８４号公報 特許第３２６６３９１号公報 特開平１１−２８２５３９号公報

前述のような２慣性系を上記のような従来の制御手法（ＰＩＤ（Proportional Integral Derivative）や位相補償等）で制御しようとすると、制御対象の出力の１変数のみで制御を行うため、制御対象の共振周波数において位相遅れの増大が問題となり、これを越えて制御を行うことは困難である。
一方、状態フィードバック制御による方法では、制御対象の内部状態すべてを扱うため、制御対象が線形システムとみなせる範疇では、状態フィードバック制御することにより、共振周波数を越えて制御することが可能となる。

本発明は、上述の実情を考慮してなされたものであって、状態フィードバック制御により駆動ローラまたは用紙搬送ベルトの高速且つ確実な位置決めが可能な位置決め制御装置を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、用紙搬送ベルト駆動機構の位置決め制御を行う位置決め制御装置において、モータと減速機構を含む駆動側慣性体と、用紙搬送ベルトとこれを支えるローラ群とを含む従動側慣性体とが柔結合される２慣性体近似で構成される機構の場合に、従動側慣性体の軸に角度検出器を設けて、この角度検出器の出力を基に用紙搬送機構を状態フィードバック制御することを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、用紙搬送ベルト駆動機構の位置決め制御を行う位置決め制御装置において、モータと減速機構を含む駆動側慣性体と、用紙搬送ベルトとこれを支えるローラ群とを含む従動側慣性体とが柔結合される２慣性体近似で構成される機構の場合に、従動側慣性体の一部である用紙搬送ベルト面上に位置検出器を設けて、この位置検出器の出力を基に用紙搬送機構を状態フィードバック制御することを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の位置決め制御装置において、状態フィードバック制御を実現するにあたり、状態推定を行う手段として、状態オブザーバを用いることを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１または２に記載の位置決め制御装置において、状態フィードバック制御を実現するにあたり、機構の負荷を推定する手段として外乱オブザーバを用いることを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、請求項１または２に記載の位置決め制御装置において、状態フィードバック制御を実現するにあたり、予め制御対象モデルを用いて、要求仕様を満たす最適な状態軌道系列および操作量系列を求めておき、これらの系列でフィードフォワード制御を行い、誤差修正としてフィードバック制御を用いることを特徴とする。

本発明によれば、従動側慣性体の一部である駆動ローラの角度を検出することにより、用紙搬送ベルトを駆動するローラ角度を観測できるため、負荷トルクにより従動プーリと駆動ローラ間のシャフトが捩れる場合でも、確実な駆動ローラの位置制御が可能になる。

また、従動側慣性体の一部である用紙搬送ベルトの位置を検出することにより、用紙搬送ベルトの位置を直接観測できるため、負荷トルクにより従動プーリと駆動ローラ間のシャフトが捩れる場合でも、確実な搬送ベルトの位置制御が可能になる。

さらに、捩れを有する２慣性体を制御する場合には、状態フィードバック制御が有効であり、その実装上、状態の検出個所や個数が制限されることから、状態オブザーバを用いて推定することで制御が可能になる。
ここで、状態オブザーバを用いて状態を推定する場合、制御対象の入力と出力から内部状態を推定するが、一般に制御対象には外乱（負荷）が混入する。このため状態推定誤差を低減するためには外乱の推定が必要となり、外乱オブザーバを用いることにより推定誤差を低減できる。

また、予め制御対象モデルを用いて、要求仕様を満たす最適な状態軌道系列および操作量系列を求めておき、これらの系列でフィードフォワード制御を行い、誤差修正としてフィードバック制御を用いることにより、フィードバック制御のみでは得られない高い応答性が得られる。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施形態について説明する。この実施形態においては、インクジェット方式の用紙搬送ベルト駆動機構を例にして説明するが、これに限ったものではなく、２慣性系の物理モデルで表現される位置決め機構であれば適用可能である。

図１は、実施形態１に係るインクジェット方式の用紙搬送ベルト駆動機構、図２は実施形態２に係るインクジェット方式の用紙搬送ベルト駆動機構を示す構成図である。図１および図２において、図４と同じものは同じ符号を付してその説明を省略する。

図１は、用紙搬送ベルト９を駆動ローラ８の軸の延長上にエンコーダホイール６を設け、エンコーダセンサ（角度検出器）５で駆動ローラ８の軸の回転角度を検出する構成であり、エンコーダホイール６と駆動ローラ８間のシャフト７には殆どトルクがかからないため、駆動ローラ軸角度がそのままエンコーダを通して読み取ることができる。

また、図２は、用紙搬送ベルト９の裏面に位置読取用のリニアスケール１１を貼りつけ、これをセンサ１２で読み取ることで用紙搬送ベルト９の位置を検出する構成であり、回転軸の偏心やベルト厚みの影響を受けずに直接用紙搬送ベルト９の位置を検出できる。

これら何れの場合でも、従動プーリ２にエンコーダを設けてその角度を読み取る場合と比べて、より用紙上のインク着弾位置に近い場所で位置検出しているために、精度よく位置情報を得ることができる。

また、制御ループ内に従動プーリ⇔駆動ローラ間の機構捩れが存在するため、従来の制御法では位置決め制御が困難であるが、これは状態フィードバック制御方式により解決できる。

図３は、本発明による状態フィードバック制御系の全体構成図を示している。
状態フィードバック制御を実現するためには、全ての状態変数を知っておく必要があり、このままでは状態フィードバック制御することができないが、実際の制御対象では状態観測できるものは限られることが多い。

そこで、状態フィードバック制御を実現するために、まず、制御対象５０の内部状態Ｘを推定する状態推定部２３を用意する。このとき状態推定部２３の入力として、操作量τ_Ｍと観測出力θ_Ｌのほかに外乱トルクτ_Ｌが必要である。
しかし、一般には外乱トルクτ_Ｌの計測は困難であることから、簡単にするために外乱トルクを零、または一定値に設定することが考えられるが、いずれも実際に発生する外乱トルクとの差異により状態推定部２３の出力に大きな誤差を生じるため、系を不安定化させる恐れがある。

この点に関しては、さらに外乱トルクτ_ＬＥを推定するための外乱推定部２４を追加する。これにより、推定したトルク値τ_ＬＥを状態推定部２３に入力することで、状態推定誤差を低減し、負荷変動に対するロバスト性を向上させることができる。

さらに、目標仕様を満足する制御対象の動きについて、予めその動的モデルを用いて予測される状態軌道や操作量が得られる場合には、それらの値を操作量軌道系列や状態軌道系列として、それぞれフィードフォワード制御部２１内部の操作量軌道系列記憶部２１ａや状態軌道系列記憶部２１ｂに用意しておき、実時間で系列を出力し、フィードフォワード制御することにより、動的モデルに基づいた理想に近い応答をさせることができる。

次に、図１〜図３を用いて、状態フィードバック制御方式の動作について説明する。
図１または図２に示すように、駆動ローラ８軸に取り付けられた角度検出器（エンコーダセンサ５）、または、用紙搬送ベルト９に取り付けられた位置検出器（センサ１２）から得られるエンコーダ出力は角度（位置）に応じたパルスが出力され、検出装置１０でこのパルス数をカウントすることにより、現在の変位情報（角度・位置）を得ることができる。また、パルス入力の前段処理として方向判別も同時に行うことで、双方向動作が可能となる。

制御装置２０内では、図３に示すように、得られた変位情報が、外乱推定部２４と状態推定部２３に入力される。
また、状態フィードバック制御部２２から出力される操作量τ_Ｍは、制御対象５０に入力されると共に、外乱推定部２４と状態推定部２３にも入力される。制御対象５０から被制御量（観測出力）として出力される。ここでは、被制御量として回転角θ_Ｌを用いて説明する。

外乱推定部２４では、操作量τ_Ｍと回転角θ_Ｌから制御対象のモデルを使って、駆動ローラ８回りに印加される外乱トルクτ_ＬＥを推定し、その推定値は状態推定部２３に入力されると共に、操作量τ_Ｍの補正に用いられる。

状態推定部２３では、予め推定しておいた外乱トルクτ_ＬＥ、および操作量τ_Ｍと回転角θ_Ｌから制御対象のモデルを使って、制御対象５０の内部状態Ｘ_Ｅ（ω_ＭＥ，ω_ＬＥ，θ_ＭＥ，θ_ＬＥ）を推定する。ここで、ω_ＭＥは駆動側角速度、ω_ＬＥは従動側角速度、θ_ＭＥは駆動側角度、θ_ＬＥは従動側角度の推定値である。
このとき、常に推定状態θ_ＬＥと回転角θ_Ｌとを比較し、誤差が生じたときにはフィードバックゲインの効果によって回転角θ_Ｌに合わせて推定状態θ_ＬＥを修正する動作を行う。

状態フィードバック制御部２２では、制御対象５０の内部状態Ｘと目標状態Ｘ_Ｒとの偏差に対し、状態フィードバックを行うことで、操作量τ_Ｍを算出し、これに推定した外乱トルクによる補正を行った操作量を制御対象５０の入力とする。

この際、予め制御対象５０の動的モデルを用いて、予測される状態軌道や操作量が得られる場合には、それらの値を操作量軌道系列記憶部２１ａや状態軌道系列記憶部２１ｂから実時間で出力することで、目標状態Ｘ_Ｒおよび目標操作量Ｕ_Ｒを生成してもよい。この場合には、フィードフォワード制御の効果により、フィードバック制御のみでは得られない理想的な応答を得ることができる。

そして、駆動装置３０内では、図１または図２に示すように、操作量に基づいて電源から必要な電流をモータ４に供給する。操作量が指令電流値を指し示している場合には、この指令電流と実際にモータ４に流れる電流が一致するように内部で電流制御が行われ、必要な電圧がモータ４に印加される。あるいは、印加電圧相当のＰＷＭ電圧でモータ４が駆動されて用紙搬送ベルト９が動作する。

以上、説明したように、制御ループ内に弾性体要素を含む機構が存在する場合でも、状態フィードバック制御を行うことにより、トルク伝達時の捩れの影響を受けない高精度な位置決めが実現できる。

実施形態１に係るインクジェット方式の用紙搬送ベルト駆動機構を示す構成図である。 実施形態２に係るインクジェット方式の用紙搬送ベルト駆動機構を示す構成図である。 本発明による状態フィードバック制御系の全体構成図である。 インクジェット方式プリンタ等に用いられる用紙搬送ベルト駆動機構の構成例である。 制御対象となる柔結合された２慣性系の物理モデルである。

符号の説明

１…駆動プーリ、２…従動プーリ、３…タイミングベルト、４…モータ、５…エンコーダセンサ、６…エンコーダホイール、７…シャフト、８…駆動ローラ、９…用紙搬送ベルト、１１…リニアスケール、１２…センサ、１０…検出装置、２０…制御装置、２１…フィードフォワード制御部、２１ａ…操作量軌道系列記憶部、２１ｂ…状態軌道系列記憶部、２２…状態フィードバック制御部、２３…状態推定部、２４…外乱推定部、３０…駆動装置、５０…制御対象。

Claims (5)

1. 用紙搬送ベルト駆動機構の位置決め制御を行う位置決め制御装置において、モータと減速機構を含む駆動側慣性体と、用紙搬送ベルトとこれを支えるローラ群とを含む従動側慣性体とが柔結合される２慣性体近似で構成される機構の場合に、従動側慣性体の軸に角度検出器を設けて、この角度検出器の出力を基に用紙搬送機構を状態フィードバック制御することを特徴とする位置決め制御装置。
2. 用紙搬送ベルト駆動機構の位置決め制御を行う位置決め制御装置において、モータと減速機構を含む駆動側慣性体と、用紙搬送ベルトとこれを支えるローラ群とを含む従動側慣性体とが柔結合される２慣性体近似で構成される機構の場合に、従動側慣性体の一部である用紙搬送ベルト面上に位置検出器を設けて、この位置検出器の出力を基に用紙搬送機構を状態フィードバック制御することを特徴とする位置決め制御装置。
3. 請求項１または２に記載の位置決め制御装置において、状態フィードバック制御を実現するにあたり、状態推定を行う手段として、状態オブザーバを用いることを特徴とする位置決め制御装置。
4. 請求項１または２に記載の位置決め制御装置において、状態フィードバック制御を実現するにあたり、機構の負荷を推定する手段として外乱オブザーバを用いることを特徴とする位置決め制御装置。
5. 請求項１または２に記載の位置決め制御装置において、状態フィードバック制御を実現するにあたり、予め制御対象モデルを用いて、要求仕様を満たす最適な状態軌道系列および操作量系列を求めておき、これらの系列でフィードフォワード制御を行い、誤差修正としてフィードバック制御を用いることを特徴とする位置決め制御装置。