JP2012014719A - 同期制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 複数のモータで同一方向の座標軸を駆動する機械に対して、汎用的な電機品を用いて各軸間相互に加わる無効反力を抑制すると共に、作業位置に対する同期制御を高精度に行なう同期制御装置を提供する。
【解決手段】 位置指令１２１を生成する位置指令生成部２１と、２台の位置情報１３１，１４１に基づいてＸＹ軸座標系である作業位置１２２を演算し、位置指令１２１と作業位置の一方の軸座標系位置１２２との差に基づいて新たな位置指令１２５を演算する第１の位置制御系を有する指令装置２と、新たな位置指令１２５と位置情報１３１，１４１との差に基づいてモータを駆動する指令を演算する第２の位置制御系をそれぞれ有する２台のモータ制御装置３，４と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、機械的に結合された複数のモータを同期して駆動する同期制御装置に関する。

第１の従来技術の同期制御装置は、スピンドルモータに対する上位制御装置からの指令及びスピンドルモータに設けられた検出器からフィードバックされたスピンドルモータの検出値の差である位置偏差と、送り側モータの上位制御装置からの指令及び送り側モータに設けられた検出器からフィードバックされた送り側モータの検出値の差である位置偏差との差分である同期誤差に基づいて送り側モータの位置偏差を補正する補正データを算出する補正データ算出手段を備え、補正データを送り側モータの位置偏差に加算し、同期誤差をゼロに近づける制御をすることが記載されている（例えば、特許文献１参照）。

第２の従来技術の同期制御装置は、位置指令と位置検出器からの位置フィードバックとの位置偏差に基づいて所定周期毎に速度指令を出力する位置制御部と、速度指令と速度検出器からの速度フィードバックとに基づいて所定周期毎にトルク指令を出力する速度制御部によりサーボモータを駆動制御する制御装置であって、同じ制御対象を駆動する２つのサーボモータを同期制御し、この２つのサーボモータ間に働く力に基づいて２つのサーボモータ間に働く力を減少させる同期補正処理部を備えることが記載されている（例えば、特許文献２参照）。

第３の従来技術の同期制御装置は、マスタ軸およびスレーブ軸の現在位置をそれぞれ検出し、検出されたマスタ軸の位置に基づいて、マスタ軸の位置に対応する理論的位置をスレーブ軸ごとに算出し、各スレーブ軸について、算出された理論的位置と検出された実際の位置との同期誤差を算出し、算出された同期誤差に基づいて、スレーブ軸の利得を変化させることが記載されている（例えば、特許文献３参照）。

特開２００７−０４２０６８号公報（第５−７頁、図１） 特開２００４−２８８１６４号公報（第５−１１頁、図２） 特開２００３−１３１７１２号公報（第３−６頁、図２）

第１乃至３の従来技術の同期制御装置が駆動する同期機構を用いて、その課題を説明する。図６は、同期制御装置が駆動する第１の同期機構（ガントリ構造）を示す図である。この第１の同期機構（ガントリ構造）は、基板に半導体部品をマウントするマウンタ、基板に半導体部品をはんだ付けするボンディングマシン、塗布装置などの産業機械、半導体または液晶製造装置に用いられる構成である。
第１乃至３の従来技術の同期制御装置は、このような第１の同期機構（ガントリ構造）を駆動する場合、同一の位置制御構成であるサーボアンプ１５，１６に対して指令器１４から同一の位置指令を位置情報伝送路１２６を介して送信して２軸（Ｘ１軸、Ｘ２軸）を同期制御する。

しかしながら、互いの軸を機械結合部９で締結するような第１の同期機構（ガントリ構造）では、この機械結合部９の剛性が高いほど、一方の軸が他方の軸へ、他方の軸から一方の軸へ、互いに加えるねじり反力（以下、無効反力という）が大きくなる。
この無効反力は、リニアスケール１２の製造のばらつきや機構への取り付け誤差、機構自体の組み付け精度等に起因するものであって、サーボアンプ１５，１６に対する外乱として双方の位置制御系に影響を与えるものである。すなわち、この無効反力は、サーボアンプ１５，１６の推力指令値に対して逆符号の推力となり、サーボアンプ１５，１６ではこの無効反力を打ち消すために、更に推力指令値を増加させる必要があるため（負荷率の増加のため）、エネルギー効率が著しく悪化するという問題があった。また、この無効反力が大きい場合、サーボアンプ１５，１６が出力できる推力上限値を超える恐れがあり、越えた場合は正常な位置制御動作および同期制御も出来ないという問題もあった。

また、第１乃至３の従来技術の同期制御装置は、サーボアンプ軸間に位置情報伝送路以外の伝送路が必要である。すなわち、第１の従来技術の同期制御装置は位置偏差伝送路、第２，３の従来技術の同期制御装置はトルク指令伝送路が、サーボアンプ軸間に必要である。これら新たな伝送路は、通常、サーボアンプの汎用製品には存在しないものであるため、第１乃至３の従来技術の同期制御装置は専用品で構成せざるを得ず、コスト面や保守性、納期等の問題もあった。

更に、Ｎ軸同期制御（Ｎは軸数であり、Ｎ＞１の自然数）において、１つの検出位置をマスタ位置とし残りの（Ｎ−１）軸の位置はスレーブ位置とする場合がある。例えば、図６においては、Ｘ１軸の検出位置がマスタ位置、Ｘ２軸の検出位置がスレーブ位置となる。図６のような同期機構（ガントリ構造）の場合、Ｘ１およびＸ２軸と直交するＹ軸が存在し、これらＸＹ軸座標系上に作業位置（作業中心）が存在することが多い。Ｙ軸座標は、Ｘ１軸とＸ２軸との軸間を移動する座標であるため、作業位置は必ずしもマスタ位置上（Ｘ１軸上）に存在するとは限らず、作業位置に対する同期制御ができないという問題もあった。

本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、複数のモータで同一方向の座標軸を駆動する機械に対して、汎用的な電機品（モータ、サーボアンプ、指令器など）を用いて各軸間相互に加わる無効反力を抑制すると共に、作業位置に対する同期制御を高精度に行なう同期制御装置を提供する。

上記問題を解決するため、本願の代表的な発明は、次のように構成したのである。
同期制御装置は、複数台のモータと、モータの位置情報をそれぞれ検出する複数台の位置検出器と、モータの可動部分を互いに締結する機械結合部を含む機械と、を有する制御対象に対して、モータを同期制御する同期制御装置であって、位置比例・速度比例制御系をそれぞれ構成し、それぞれに対応する位置検出器からの位置情報と駆動位置指令との差に基づいて、それぞれに対応するモータを駆動する複数台のモータ制御装置と、位置比例積分もしくは位置積分制御系を構成し、複数の位置情報に基づいて機械における作業中心である作業位置を算出すると共に、作業位置指令と作業位置との差に基づいて駆動位置指令を算出して、複数のモータ制御装置に駆動位置指令を出力する指令装置と、を備える。

本願の代表的な発明によると、複数のモータで同一方向の座標軸を駆動する機械に対して、汎用的な電機品（モータ、サーボアンプ、指令器など）を用いて各軸間相互に加わる無効反力を抑制すると共に、作業位置に対する同期制御を高精度に行なうことができる。すなわち、同期すべき複数のモータの推力（トルク）がほぼ同程度とすることができ、位置データの授受を行う位置情報伝送路（汎用のシリアル通信等を利用する）だけで、位置決め動作時や位置決め完了後の無効反力が少ない同期動作を実現することができる。
また、機械結合部の剛性や粘性摩擦の影響によるずれを小さくすることができ、指令器内の作業位置情報を位置決め完了時点で位置指令に厳密に一致させることができる。

本発明の第１の実施形態に係る同期制御装置のブロック図 第１の実施形態における速度およびトルクのシミュレーション波形を示す図 本発明の第２の実施形態に係る同期制御装置のブロック図 本発明の第３の実施形態に係る同期制御装置のブロック図 第２の実施形態における速度およびトルクのシミュレーション波形を示す図 同期制御装置が駆動する第１の同期機構（ガントリ構造）を示す図 同期制御装置が駆動する第２の同期機構（他のガントリ構造）を示す図 同期制御装置が駆動する第３の同期機構（円弧リニア）を示す図 本発明の第４の実施形態に係る同期制御装置における速度制御部（比例＋不完全積分）のブロック図 第１の従来技術の同期制御装置のブロック図 第１の従来技術の同期制御装置における速度およびトルクのシミュレーション波形を示す図 第２の従来技術の同期制御装置のブロック図 第２の従来技術の同期制御装置における速度およびトルクのシミュレーション波形を示す図 第３の従来技術の同期制御装置のブロック図 第３の従来技術の同期制御装置における速度およびトルクのシミュレーション波形を示す図 図６における第１の同期機構（ガントリ構造）を模式的に表した図 本発明の第５の実施の形態における通常ゲイン設定時の円弧補間動作波形図 本発明の第５の実施の形態に係るゲイン設定時の円弧補間動作波形図 本発明の第６の実施の形態における通常ゲイン設定時の円弧補間動作波形図 本発明の第６の実施の形態に係るゲイン設定時の円弧補間動作波形図 遅れが大きい場合の本発明の第５の実施の形態に係るゲイン設定時の円弧補間動作波形図 本発明の第７の実施の形態に係るゲイン設定時の円弧補間動作波形図 本発明の第７の実施形態に係る同期制御装置のブロック図 本発明の第７の実施形態に係る位置オブザーバの制御ブロック図 本発明の第７の実施形態に係る位置オブザーバの他の制御ブロック図

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

先ず、本発明の第１の実施形態について図を参照して説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る同期制御装置のブロック図である。図において、同期制御装置１は、指令器２、サーボアンプ３，４を備える。
指令器２は、位置指令生成部２１、位置制御部２２、位置情報演算部２３で構成しており、位置指令生成部２１は、モータ５，６を駆動するための内部位置指令１２１を生成して位置制御部２２へ出力する。位置情報演算部２３は、サーボアンプ３，４から位置情報伝送路１２６を介して、エンコーダ７，８で検出された検出位置情報１３１，１４１を入力し、後述する演算により作業位置情報１２２を出力する。位置制御部２２は、内部位置指令１２１と作業位置情報１２２との偏差を入力して比例積分制御演算し、新たな位置指令信号１２５を位置情報伝送路１２６を介してサーボアンプ３，４に出力する。なお、位置情報伝送路１２６は、例えば高速のシリアル通信路等であればよく、各サーボアンプ３，４へ同期して位置情報を双方向で通信ができるものである。
また、作業位置情報１２２は、例えば、同期制御装置１が駆動する機構系がＸＹ軸座標系であって、内部位置指令１２１がＸＹ軸座標系での位置指令の場合、そのＸＹ軸座標系上に存在する作業位置（作業中心）の座標である。

サーボアンプ３は、位置制御部３１、速度制御部３２、速度演算部３３、電流制御部３４で構成しており、サーボアンプ４も同一の構成（位置制御部４１、速度制御部４２、速度演算部４３、電流制御部４４）のものである。
位置制御部３１，４１は、新たな位置指令信号１２５と検出位置情報１３１，１４１との偏差を入力して比例制御演算し、速度指令を出力する。速度演算部３３，３４は、検出位置情報１３１，１４１を入力して微分演算し、速度フィードバック信号を出力する。速度制御部３２，４２は、速度指令と速度フィードバック信号との偏差を入力して比例制御演算し、モータを駆動する指令を出力する。モータ巻き線に電圧を加え、電流を流すことでモータへ電力を供給するので、モータを駆動する指令としては、電圧または電流指令となる。通常は電流指令とすることが多い。すなわち、電流制御部３４，４４は、電流指令相当の電流を制御演算してモータ５，６に供給する。モータは、供給された電流に比例した力を発生する。例えば、同期回転型モータならばトルク、リニアモータならば推力を発生する。

なお、モータ５，６、エンコーダ７，８、機械結合部９の構成は、図６で説明した第１の同期機構（ガントリ構造）の構成を簡単に表したものである。また、外乱トルク（反力）１９１は無効反力を意味するものであり、この無効反力は、例えばサーボアンプ３に対しては負の推力相当、サーボアンプ４に対しては正の推力相当となるものである。更に、図６における指令器１４、サーボアンプ１５，１６は、図１における指令器２、サーボアンプ３，４に相当するものである。
このように、本発明の第１の実施形態に係る同期制御装置は、サーボアンプ３，４内に構成した位置制御系とは別に、指令器２で他の位置制御系を備えるものである。指令器２内の位置制御部２２は積分演算を含むため、位置指令生成部２１が出力する内部位置指令１２１に対して作業位置情報１２２が位置ずれなく追従または位置決め動作を行うことができる。
なお、位置制御２２は積分制御のみでも同様の動作を行うことができる。

次に、位置情報演算部２３が、検出位置情報１３１，１４１から作業位置情報１２２を演算する方法を説明する。
位置情報演算部２３は、式（１）で作業位置情報１２２のＸ座標を演算する。なお、ｍは０≦ｍ≦１であり、予め任意に指定される作業位置から決定されるものである（ｍの計算方法は後述の通りである）。
（作業位置情報１２２のＸ座標）
＝ ｍ×（検出位置情報１３１）＋（１−ｍ）×（検出位置情報１４１） ・・・ （１）

図６（図１同様）に示す第１の同期機構（ガントリ構造）の構成であって、Ｘ１軸とＸ２軸との軸間の任意の位置に作業位置がある場合、式（１）により、Ｘ１軸の位置（検出位置情報１３１）とＸ２軸の位置（検出位置情報１４１）との間の任意の位置の作業位置情報１２２をＸ座標として算出することができ、エンコーダを取付けていない位置を位置指令に対して追従または位置決めすることができる。
例えば、式（１）におけるｍを０．５とすれば、Ｘ１軸とＸ２軸との軸間の中央位置を作業位置情報１２２のＸ座標として算出することができる。
このように、Ｘ１軸とＸ２軸との軸間距離をＬとした場合、ｍＬのＸ軸方向の作業位置情報が算出できる。

また、図６（図１同様）に示す第１の同期機構（ガントリ構造）の構成の場合、Ｘ１軸とＸ２軸に直交するＹ軸を構成し、Ｘ１軸、Ｘ２軸、Ｙ軸の各座標で決定される位置、すなわち作業位置で物の加工等の作業が行なわれる産業機械、半導体または液晶製造装置が多い。
なお、Ｙ軸もＸ１軸とＸ２軸と同様に他の（Ｙ軸用の）サーボアンプを備えて位置制御系を構成し、指令器２からの他の（Ｙ軸用の）位置指令に基づいて、他の（Ｙ軸用の）モータを駆動するように構成するものである。この場合、後述するようにＸ１軸、Ｘ２軸の座標に対し、これらに直交するＹ軸の座標にもとづいてｍの値が計算できる。すなわち、Ｙ軸の位置が作業位置情報１２２のＹ座標となり、ｍを用いた（１）式で計算した位置が作業位置情報１２２のＸ座標となる。

以下、ｍの計算式を説明する。
図１６は、図６における第１の同期機構（ガントリ構造）を模式的に表した図である。図において、Ｘ１軸とＸ２軸はともにリニアスケールの位置であり、リニアスケールヘッドは検出位置１３１と１４１に位置している。Ｙ軸は、ストロークＬｙである。Ｙ軸のストロークエンドからＸ１軸エンコーダヘッドまでのオフセット距離をｄＹ１とし、Ｙ軸の原点（０位置）からＸ２軸までのオフセット距離をｄＹ２とする。
Ｙ軸の原点（０位置）をＹ座標（作業座標）の原点（０位置）にとり、Ｘ１軸、Ｘ２軸の原点（０位置）をＸ座標（作業座標）の原点（０位置）にとり、作業位置を（Ｐｘ、Ｐｙ）とする。
この場合、ｍは式（２）で計算できる。
ｍ＝（Ｐｙ＋ｄＹ２)／（ｄＹ１＋Ｌｙ＋ｄＹ２） ・・・ （２）
なお、図１６ではＹ軸の傾きを誇張しているが、実際の機械では、１ｍ前後のＹ軸ストロークに対して検出位置１３１と検出位置１４１の差は数十μｍ程度であるため、Ｙ軸の傾きはごくわずかな量である。Ｙ軸方向はＹ座標（作業座標）とほぼ平行と考えても計算上問題ないため、（２）式のｍを上述の（１）式に適用して検出位置１２２のＸ座標（Ｐｘ）を計算できる。

このように、Ｙ軸の位置からＸ軸方向の作業位置情報を算出することができる。また、図６に示す機械結合部９にＹ軸を移動する作業用ヘッド１３を取り付けた場合、Ｘ１軸とＸ２軸間の機械結合部９に歪みがあると、Ｙ軸の作業用ヘッド１３の位置によっては作業用ヘッド１３のＸ座標位置が、位置指令に対して機械的誤差が生じる問題があったが、前述した位置情報演算部２３の演算によれば、Ｙ軸が移動しても作業用ヘッド１３のＸ軸方向の位置を位置指令通りに位置決めすることができる。

図２は、第１の実施形態における速度およびトルクのシミュレーション波形を示す図である。図において、図１における作業位置情報１２２＝検出位置情報１３１とした場合であり、上段は速度波形、下段はトルク波形、縦軸は各振幅、横軸は時間軸である。
この場合、位置決め動作後の停止時(時間軸１６以降)の無効反力に相当する推力は約０．０５［ｐ−ｐ］程度であり、加減速時（時間軸０から３）の最大推力振幅（０．５程度）の約１０％程度である。

ここで、第１乃至３の従来技術の同期制御装置における無効反力について説明する。
図１０は第１の従来技術の同期制御装置のブロック図、図１２は第２の従来技術の同期制御装置のブロック図、図１４は第３の従来技術の同期制御装置のブロック図である。また、図１１は第１の従来技術の同期制御装置における速度およびトルクのシミュレーション波形を示す図、図１３は第２の従来技術の同期制御装置における速度およびトルクのシミュレーション波形を示す図、図１５は第３の従来技術の同期制御装置における速度およびトルクのシミュレーション波形を示す図である。図１１，１３，１５において、図シミュレーション条件は図２と同様であり、上段は速度波形、下段はトルク波形、縦軸は各振幅、横軸は時間軸である。

それぞれの位置決め動作後の停止時(時間軸１６以降)の無効反力に相当する推力は、第１の従来技術の同期制御装置が約０．１［ｐ−ｐ］（図１１）、第２の従来技術の同期制御装置が約０．１５［ｐ−ｐ］（図１３）、第３の従来技術の同期制御装置が約０．３［ｐ−ｐ］（図１５）である。これらは、加減速時（時間軸０から３）の最大推力振幅（０．５程度）の約２０％、約３０％、約６０％に相当するものである。

このように、第１乃至３の従来技術の同期制御装置は、同一の位置指令に対して、各サーボアンプが位置指令に検出位置を完全に追従させようとするが、エンコーダ自身の誤差や取り付け誤差や機械の誤差（軸間でのズレ）により、特に位置決め停止後では各サーボアンプに無効反力が生じてしまう。この軸間でのズレを位置偏差やトルク指令等で検出して軸間で補正処理を行なっているが、本発明の実施形態と比べ無効反力を低減させるに至っていない。

本発明の実施形態（第１の実施形態および後述する第２，３，４の実施形態）に係る同期制御装置は、Ｎ軸同期制御（Ｎは軸数であり、Ｎ＞１の自然数）において、軸数分のエンコーダ位置と実際の同期機構における機械位置は厳密には一致しないこと、軸数分のモータの可動軸を互いに締結する結合部材の剛性により無効反力が発生すること、軸数分のエンコーダ位置の軸間でのズレと無効反力は相反すること、に着眼したものである。
すなわち、本発明の実施形態（第１の実施形態および後述する第２，３，４の実施形態）に係る同期制御装置は、Ｎ軸同期制御（Ｎは軸数であり、Ｎ＞１の自然数）において、位置指令に一致させる検出位置は複数ではなく１つに限定すること、各サーボアンプでの位置制御系を備えると共に位置指令に対して１つの検出位置を用いた位置制御系が必要であること、に基づき構成したものである。

本願の代表的な発明は、Ｎ軸同期制御（Ｎは軸数であり、Ｎ＞１の自然数）において、複数のエンコーダ位置から作業位置を算出してこの作業位置を位置指令に追従させる構成、各サーボアンプ内の積分演算をなくす構成（積分演算は動きが低周波になる程にゲインが大きくなるため、位置決め完了の停止時点で無効反力が増大する。この積分演算をなくすことで無効反力の増加を抑える）、サーボアンプのさらに外側に新たに位置制御系を１つ追加し、この位置制御系だけに積分演算を備える構成、とするものである。
このように、本願の代表的な発明は、制御対象の機械の精度なども総合的・本質的に考察したものである。

なお、検出位置情報が各請求項記載の位置情報に、内部位置指令が位置指令に、作業位置情報が作業位置に、指令器が指令装置に、サーボアンプがモータ制御装置に相当する。

以下、様々な同期機構に対して、本発明の実施形態に係る同期制御装置の適用例を順に説明する。
次に、本発明の第２の実施形態について図を参照して説明する。
図７は、同期制御装置が駆動する第２の同期機構（他のガントリ構造）を示す図である。図において、作業位置近傍のＸ方向位置を正確に計測するために、レーザ干渉計１０１を用いた位置計測装置を取付けている。
レーザ干渉計１０１は、反射ミラーを機械結合部９上に設置し、レーザ干渉計からのレーザ光線の干渉により非接触で位置を計測する。このため、リニアスケール１２を設置できない場所で、機械結合部９の作業位置がＸ軸方向に直接計測できる。

図３は、本発明の第２の実施形態に係る同期制御装置のブロック図である。図において、同期制御装置１０は、指令器２、サーボアンプ３，４、１７を備える。
第２の実施形態が第１の実施形態と異なる点は、同期制御装置１０が、レーザ干渉計１０１の検出位置情報をサーボアンプ１７に入力し、検出位置情報１７１として位置情報伝送路１２６を介して指令器２内の位置情報演算部２３に入力する点、位置情報演算部２３は、レーザ干渉計１０１だけの検出位置情報１７１を用い、サーボアンプ３，４からの検出位置情報１３１と検出位置情報１４１は用いない点である。このため、同期制御装置１０は、サーボアンプ１７にはモータは接続せず、レーザ干渉計１０１の検出位置情報１７１のみを位置情報伝送路１２６に伝送するデータ変換器としてサーボアンプ１７使用している。このように構成することで汎用製品のみで構成できる。
なお、エンコーダ（リニアスケール）７とエンコーダ８の検出分解能（１パルスあたりの長さ：例０．１μｍ／１パルスなど）と、レーザ干渉計１０１の検出位置分解能が異なる場合は、位置情報演算部２３内で電子ギア演算を行い、分解能をあわせておけばよい。

第２の実施形態では、作業位置近傍の位置をレーザ干渉計１０１で検出し、指令器２内の作業位置情報１２２として指令器２内の位置制御系へフィードバックしているため、Ｘ方向の作業位置を指令位置に対して第１の実施形態よりも正確に追従させることができる。

なお、レーザ干渉計が各請求項記載の位置計測装置に相当する。

次に、本発明の第３の実施形態について図を参照して説明する。
図８は、同期制御装置が駆動する第３の同期機構（円弧リニア）を示す図である。図４は、本発明の第３の実施形態に係る同期制御装置のブロック図である。図４において、同期制御装置１１は、指令器２、サーボアンプ３，４、１７を備える。なお、サーボアンプ４，１７の制御構成は、サーボアンプ３と同一のため詳細な記載を省略している。
本発明の第３の実施形態に係る同期制御装置は、図８における円弧形状のリニアモータ５，６，１８に電力を供給して複数のリニアモータ可動子（例えば、リニアモータ可動子５３）を同期制御するものである。各リニアモータ可動子にリニアスケールの位置読み取りヘッドを取付けており、テープ式のリニアスケールなどを用いることで円弧状にスケールを貼り付けることができ、１本のリニアスケールを３個のヘッドで位置検出もしくは各ヘッドに対してそれぞれにリニアスケールを取付けてもよい。
第３の実施形態が第１の実施形態と異なる点は、同期制御装置１１が、３軸で構成される同期機構（例えば、図８）を同期制御する点である。なお、第１の実施形態の代表図である図１と同一の符号を付した構成要素は、その作用効果が同一のため詳細な説明を省略する。

図４におけるモータ５，６，１８、エンコーダ７，８、１９、機械結合部９，１０５，１０６の構成は、図８で説明した第３の同期機構（円弧リニア）の構成を簡単に表したものである。なお、図８におけるターンテーブル（９，１０５，１０６）は、モータ５，６，１８がこのターンテーブル（９，１０５，１０６）を介して機械的に結合されているため、図４では機械結合部９，１０５，１０６で表記している。また、第１の実施例同様、各軸は機械結合部９，１０５，１０６により機械的に結合されているため、無効反力(外乱トルク１９１)が各軸に加わることになる。
指令器２における位置情報演算部２３は、サーボアンプ３，４、１７からの検出位置情報１３１，１４１，１７１に基づいて作業位置情報１２２を算出する。例えば、第１の実施例で説明した式（１）を用いた２軸の算出方法を３軸に展開すればよい（式（３），（４）参照）。

また、図８において、リニアスケールの取り付け誤差により１回転でＮ周期の誤差が発生（Ｎは自然数）する場合がある。例えば、図８中では、薄い厚みの円筒形状の部材にリニアスケールを貼っているが、直径が２ｍ程にもなる大型の円弧形状のターンテーブルの場合、円筒形状の部材が加工誤差や取り付け時の誤差により直径方向に歪む場合がある。この場合、機械結合部であるターンテーブル１回転でＮ周期の誤差が発生（Ｎは自然数）する。この誤差は、ターンテーブルが１回転すると元に戻るのでＮ周期の誤差となる。

例えば、１本のリニアスケールに３個のリニアスケールヘッドを取り付けて位置を検出する場合、サーボアンプ３経由でリニアスケールから検出する検出位置情報Ｘ１の真値をθ［ｒａｄ］、誤差に相当する微小値をδとし、リニアスケールに１周期の誤差が出るとすると、Ｘ１＝θ＋δｓｉｎ（θ）となる。
また、このリニアスケール円周上に１２０度（２π／３）毎にそれぞれリニアスケールヘッドを配置すれば、サーボアンプ４の検出位置情報Ｘ２、サーボアンプ１７の検出位置情報Ｘ３は、Ｘ２＝θ＋δｓｉｎ（θ―２π／３）、Ｘ３＝θ＋δｓｉｎ（θ―４π／３）となる。ここで、３個のリニアスケールヘッドは１２０度ずつ配置がずれているが、３つのモータで原点位置を共通の１つにすれば、真値θの値は同じにできるため、１周期の誤差は物理的な位置に依存し、θから１２０度、２４０度ずれた値となる。

本発明の第３の実施形態に係る同期制御装置における位置情報演算部２３は、式（３）で作業位置情報１２２を平均化演算する。
（作業位置情報１２２）
＝（（検出位置情報１３１）＋（検出位置情報１４１）＋（検出位置情報１７１））／３ ・・・ （３）
また、式（３）は式（４）で表される。
（作業位置情報１２２）
＝θ＋δ（ｓｉｎ（θ）＋ｓｉｎ（θ―２π／３）＋ｓｉｎ（θ―４π／３）） ・・・ （４）
ここで、ｓｉｎ（θ）＋ｓｉｎ（θ―２π／３）＋ｓｉｎ（θ―４π／３）＝０であるから、（作業位置情報１２２）＝θとなり、作業位置情報１２２は誤差のない真値として求められる。
円弧状のリニアモータの個数がｍ個の場合は、３６０／ｍ度＝２π／ｍ毎にリニアスケールヘッドを配置すればよく、位置情報演算部２３ではｍ個の平均化演算を行えばよい。

このように、本発明の第３の実施形態に係る同期制御装置は、サーボアンプ３，４，１７内に構成した位置制御系とは別に、指令器２で他の位置制御系を備えるものである。指令器２内の位置制御部２２は積分演算を含むため、位置指令生成部２１が出力する内部位置指令１２１に対して作業位置情報１２２が位置ずれなく追従または位置決め動作を行うことができる。また、位置情報演算部２３の平均化演算により、リニアスケールの取付け誤差により発生する１回転でＮ周期（Ｎは自然数）の誤差を低減することができる。

図５は、第３の実施形態における速度およびトルクのシミュレーション波形を示す図である。図において、上段は速度波形、下段はトルク波形、縦軸は各振幅、横軸は時間軸である。この場合、位置決め動作後の停止時(時間軸１６以降)の無効反力に相当する推力は約０．１［ｐ−ｐ］程度であり、加減速時（時間軸０から３）の最大推力振幅（０．５程度）の約２０％程度である。３軸の場合においても無効反力が少ないことが分かる。

このように、第３の実施形態によれば、同期制御する軸を容易に増やすことができ、各軸の無効反力も少なく抑えることができる。第１乃至３の従来の同期制御装置では、同期制御する軸数が増えるにつれて、軸間の制御構成が複雑となり、制御ゲイン等の調整も複雑であった。一方、第３の実施形態によれば、Ｎ軸（ＮはＮ＞１の自然数）に対する同期制御系を構成する際、Ｎ軸分の同一制御系のサーボアンプ（例えば、汎用のサーボアンプ）を準備すればよい。

Ｎ軸を同期制御する本発明の第３の実施形態に係る同期制御装置（２軸の場合は本発明の第１の実施形態に係る同期制御装置）は、例えば、プレス機械や射出成型機等の産業機械に適用可能である。
２台のモータと１枚の駆動歯車とをカップリング結合させた機構のプレス機械や射出成型機等の産業機械の場合、このカップリングが剛体の場合、一方の軸のモータのみを位置制御して他方のモータを連れ回しても、双方のモータのエンコーダ回転角度は一致するため、本発明の第１または３の実施形態に係る同期制御装置を適用できる。
一方、このカップリングの剛性が低い場合、駆動歯車の回転角度と２軸のモータ回転角度と必ずしも一致しないため、指令器内の位置情報演算部で式（５）の演算を行なう。
駆動歯車の回転角度＝１軸目モータ回転角度＋（ねじりモーメント÷ねじり剛性×１軸目エンコーダから駆動歯車までの距離） ・・・ （５）
このようにして駆動歯車の回転角度を作業位置情報とすれば、駆動歯車の回転角度を指令位置に追従させることができるため、本発明の第１または３の実施形態に係る同期制御装置を適用できる。
なお、ねじりモーメントは１軸目モータのトルクによって与えられ、ねじり剛性はカップリングの材質や形状によって与えられる。また、１軸目エンコーダから駆動歯車までの距離はモータを機械に組み付けた時点で幾何的に決定される。

また、Ｎ軸を同期制御する本発明の第３の実施形態に係る同期制御装置（２軸の場合は本発明の第１の実施形態に係る同期制御装置）は、例えば、ワイヤソー送り出し軸とワイヤソー巻き取り軸の同期制御（ワイヤソーの基準位置からの送り出し量を外部センサによって計測し、この計測値を指令器へのフィードバック位置とする）、フィルム送り出し軸とフィルム巻き取り軸の同期制御（フィルムの基準位置からの送り出し量を外部センサによって計測し、この計測値を指令器へのフィードバック位置とする）にも適用可能である。

次に、本発明の第４の実施形態について図を参照して説明する。
本発明の第１の実施形態に係る同期制御装置は、サーボアンプ３，４における速度制御部３２，４２が比例制御のみであるため、サーボアンプ３、４の検出位置情報１３１,１３２は、位置決め完了時点で新たな位置指令１２５との差が出る場合がある。
本発明第１の実施形態では、作業位置情報１２２を位置決めする、すなわち内部位置指令１２１と作業位置情報１２２とを一致させることが目的のため、サーボアンプ３、４の検出位置情報１３１,１３２と位置決め完了時点の新たな位置指令１２５との差は問題ない。しかしながら、機械結合部９の剛性が低い場合や粘性摩擦が大きい場合等には、この差が大きくなる。この場合、サーボアンプ３，４における速度制御部３２，４２の制御系を不完全積分に変更することで、この差を少なくすることができる。

図９は、本発明の第４の実施形態に係る同期制御装置における速度制御部（比例＋不完全積分）のブロック図である。本発明の第４の実施形態に係る同期制御装置は、本発明の第１の実施形態に係る同期制御装置における各サーボアンプ３，４内の速度制御部３２，４２を、図９の速度制御部に置き換えるものである。
不完全積分の場合、不完全積分率を大きくすると比例制御に近づき、小さくすると積分制御に近づく。そのため、機械剛性が低い場合などは、モータトルクや推力での無効反力成分が小さいので、許容範囲内で不完全積分率を小さく調整すればよい（不完全積分率を小さくすると、この差は小さくなるが、無効反力が大きくなる。不完全積分率を大きくすると逆の動作となる）。

更に、本発明の第１乃至３の実施形態に係る同期制御装置は、前述した構成にすることにより、Ｎ軸同期制御（Ｎは軸数であり、Ｎ＞１の自然数）において、加減速時における各軸のトルク（推力）をバランスさせることができる。このことは、図２，５（第１，３の実施形態における速度およびトルクのシミュレーション波形）と、図１０、１２，１４（第１乃至３の従来技術の同期制御装置における速度およびトルクのシミュレーション波形）とを比較すれば分かる。
また、本発明の第１乃至３の実施形態に係る同期制御装置は、前述した構成にすることにより、機械の実際の作業位置を位置指令に追従させることができる。

なお、本発明の第１乃至４の実施形態に係る同期制御装置は、指令器、サーボアンプそれぞれに位置制御系を有する構成を例として挙げたが、指令器およびサーボアンプが一体となる装置であっても、同様な作用効果を奏するものである。
また、外部からの位置指令を入力する装置であって、同様な２つの位置制御系を有する装置であってもよい。

次に、本発明の第５の実施形態について図を参照して説明する。
図６のようなガントリ機構を備えた工作機械などでは、Ｘ, Ｙ方向への単独の位置決め動作だけではなく、Ｘ軸とＹ軸を円弧補間動作して軌跡を制御することもできる。例えば、Ｘ軸を正弦波形でＹ軸を余弦波形とすることで円弧補間動作ができる。
工作機械用途における同期制御装置の制御系は、位置比例・速度積分比例制御系とすることが多い。ここで、図６のＹ軸は単軸駆動であるから、この制御系（位置比例・速度積分比例制御）とし、Ｘ軸はツイン駆動であるから、本発明の第１の実施形態と同様に図１のブロック図に示す同期制御装置を適用すればよい。ただし、制御系のバランスをとる意味で、ツイン駆動のＸ軸において図１における位置制御部２２は、内部位置指令１２１と作業位置情報１２２との偏差を入力して積分制御演算し、新たな位置指令信号１２５を位置情報伝送路１２６を介してサーボアンプ３，４に出力する構成とすることで位置積分比例・速度比例制御系とする。

図１７は本発明の第５の実施の形態における通常ゲイン設定時の円弧補間動作波形図、図１８は本発明の第５の実施の形態に係るゲイン設定時の円弧補間動作波形図である。図において、Ｘ軸方向にｓｉｎ関数の位置指令を入力し、Ｙ軸方向にｃｏｓ関数の位置指令を入力したときの位置指令と検出位置情報をプロットしたものであって、横軸がＸ軸、縦軸がＹ軸、実線が検出位置情報、一点鎖線が位置指令である。
円弧補間動作を行う場合、通常通りにＸ軸とＹ軸の制御系の対応するゲイン設定を同じにした場合、図１７に示すように軌跡が歪み、Ｘ軸方向に長い楕円となる問題がある。すなわち、位置指令に対して検出位置情報が追従しない。

この問題を解決するために、ゲイン設定式を導く必要がある。
ツイン駆動のＸ軸において、位置積分比例・速度比例制御系の位置指令から検出位置情報までの伝達関数をまとめると式（６）で表される。

一方、単軸駆動のＹ軸において、位置比例・速度積分比例制御系の位置指令から検出位置情報までの伝達関数をまとめると式（７）で表される。

ここで、式（６）と式（７）が一致すれば、円弧補間動作における位置指令に対して検出位置情報は一致する。特に、伝達関数の応答特性を決定するのは特性多項式と呼ばれる伝達関数の分母であるので、式（６）と式（７）の分母における各係数が一致するようにゲイン設定値を決定すればよく、式（８）および（９）を満足すればよい。
Ｋｐ１Ｋｖ＝Ｋｖ／Ｔｉ ・・・ （８）
Ｋｐ１Ｋｖ／Ｔｉｒ＝ＫｐＫｖ／Ｔｉ ・・・ （９）

すなわち、式（８）より
Ｋｐ１＝１／Ｔｉ ・・・ （１０）
であり、式（１０）を式（９）に代入して、
Ｔｉｒ＝１／Ｋｐ ・・・ （１１）
である。このとき、式（６）と式（７）の分子も一致する。

このように式（１０）と式（１１）から求められるゲイン設定値を使用した場合、図１８を見れば、図１７に示した軌跡の歪みは改善されて位置指令に対して検出位置情報が追従していることがわかる。

次に、本発明の第６の実施形態について図を参照して説明する。
第５の実施形態では、ツイン駆動のＸ軸において図１における位置制御部２２は位置積分比例・速度比例制御系としたが、位置比例積分・速度比例制御系であっても同様の効果を得ることは可能である。その場合、式（１０）および式（１１）とは異なるゲイン設定式を使用する必要がある。

ツイン駆動のＸ軸において、位置比例積分・速度比例制御系の位置指令から検出位置情報までの伝達関数をまとめると式（１２）で表される。

一方、単軸駆動のＹ軸において、位置比例・速度比例積分制御系の位置指令から検出位置情報までの伝達関数をまとめると式（１３）で表される。

ここで、式（１２）と式（１３）が一致すれば、円弧補間動作における位置指令に対して検出位置情報は一致する。特に、伝達関数の応答特性を決定するのは特性多項式と呼ばれる伝達関数の分母であるので、式（１２）と式（１３）の分母における各係数が一致するようにゲイン設定値を決定すればよく、式（１４）および（１５）を満足すればよい。
２Ｋｐ１Ｋｖ＝Ｋｖ／Ｔｉ＋ＫｐＫｖ ・・・ （１４）
Ｋｐ１Ｋｖ／Ｔｉｒ＝ＫｐＫｖ／Ｔｉ ・・・ （１５）

すなわち、式（１４）より
Ｋｐ１＝１／（２Ｔｉ）＋Ｋｐ／２ ・・・ （１６）
であり、式（１６）を式（１５）に代入して、
Ｔｉｒ＝１／（２Ｋｐ）＋Ｔｉ／２ ・・・ （１７）
である。

しかし、第５の実施形態とは異なり、式（１６）および式（１７）を満足するだけでは、式（１２）と式（１３）の分子は一致せず、若干ではあるがＸ, Ｙ軸の位置指令に対する検出位置情報も一致しない。分子も含めて伝達関数を一致させるためには、式（１６）および式（１７）に加えて次式（１８）を満足する必要がある。
Ｔｉ＝１／Ｋｐ ・・・ （１８）

図１９は本発明の第６の実施の形態における通常ゲイン設定時の円弧補間動作波形図、図２０は本発明の第６の実施の形態に係るゲイン設定時の円弧補間動作波形図である。図において、Ｘ軸方向にｓｉｎ関数の位置指令を入力し、Ｙ軸方向にｃｏｓ関数の位置指令を入力したときの位置指令と検出位置情報をプロットしたものであって、横軸がＸ軸、縦軸がＹ軸、実線が検出位置情報、一点鎖線が位置指令である。
このように式（１０）と式（１１）から求められるゲイン設定値を使用した場合、図１８を見れば、図１７に示した軌跡の歪みは改善されて位置指令に対して検出位置情報が追従していることがわかる。
このように式（１６）〜式（１８）から求められるゲイン設定値を使用した場合、図２０を見れば、図１９に示した軌跡の歪み（Ｘ軸方向へ長い楕円）は改善されて位置指令に対して検出位置情報が追従していることがわかる。

次に、本発明の第７の実施形態について図を参照して説明する。
図１における新たな位置指令１２５に対する検出位置情報１３１，１４１の検出遅れが数ｍｓ程度の小さい場合、第５の実施形態の図１８に示したように、式（１０）と式（１１）から求められるゲイン設定値を使用すれば、図１７に示した軌跡の歪みは改善されて位置指令に対して検出位置情報が追従する。

しかし、図１における新たな位置指令１２５に対する検出位置情報１３１，１４１の検出遅れが十数ｍｓ程度に大きい場合、検出位置情報は大きく歪む。第５の実施形態の単軸駆動のＹ軸における位置比例・速度積分比例制御系の場合、この検出位置情報の検出遅れが位置指令のみに入るのに対して、ツイン駆動のＸ軸における位置積分比例・速度比例制御系の場合、位置指令１２５および検出位置情報１３１，１４１に入ることになるため、この検出位置情報の検出遅れが大きくなり、制御ループ中の伝達関数の誤差が顕著になってくるためである。

図２１は遅れが大きい場合の本発明の第５の実施の形態に係るゲイン設定時の円弧補間動作波形図、図２２は本発明の第７の実施の形態に係る円弧補間動作波形図である。
また、図２３は本発明の第７の実施形態に係る同期制御装置のブロック図、図２４は本発明の第７の実施形態に係る位置オブザーバの制御ブロック図、図２５は本発明の第７の実施形態に係る位置オブザーバの他の制御ブロック図である。
図２３における同期制御装置１２の構成において、図１における同期制御装置１と異なる部分は、ツイン駆動のＸ軸のサーボアンプ３，４に対して更に単軸駆動のＹ軸のサーボアンプ２００およびモータ２１１、エンコーダ２１２の構成を追加した部分、指令器２内における位置オブザーバ２４の構成を追加した部分である。なお、図１と同一の符号を付した構成要素は、その作用効果が同一のため詳細な説明を省略する。

上記した検出位置情報の検出遅れが大きくなる問題は、位置偏差１２４と作業位置情報１２２を入力し、遅れを補償した新たな検出位置情報１２３を出力する位置オブザーバ２４を作成することで回避でき、この位置オブザーバ２４は、例えば図２４や図２５のように構成できる。この場合の円弧補間動作波形図が図２２であり、第５の実施の形態と同様、図２１に示した軌跡の歪みは改善されて位置指令に対して検出位置情報が追従していることがわかる。

なお、位置オブザーバ２４は、第６の実施の形態であっても同様に作用効果を発揮する。
また、第５乃至７の実施の形態では、Ｘ軸をツイン駆動とするガントリ機構を備えた工作機械として説明しているが、可動テーブルが幅広な超大型機械のようにＸ軸を３軸以上の複数軸駆動としても、同様に作用効果を発揮する。
特に、第７の実施の形態における位置オブザーバ２４は、位置情報演算部２３で複数軸の検出位置情報を演算した作業位置情報１２２と位置偏差１２４とを位置オブザーバ２４に入力して作業位置情報１２２を演算して出力しているため、ツイン軸から複数軸となっても設計変更が不要という効果もある。さらに、本発明の第２の実施形態（図３）に示したレーザ干渉計を使用してフィードバックを行なう場合も同様に作用効果を発揮する。

・ １０，１１，１２ 同期制御装置
２，１４ 指令器
２１ 位置指令生成部
２２ 位置制御部
２３ 位置情報演算部
２４ 位置オブザーバ
３，４，１５，１６，１７，２００ サーボアンプ
３１，４１，２０１ 位置制御部
３２，４２，２０２ 速度制御部
３３，４３，２０３ 速度演算部
３４，４４，２０４ 電流制御部
５，６，１８，２１１ モータ
７，８，１９，２１２ エンコーダ
９，１０５，１０６ 機械結合部
１２１ 内部位置指令
１２２ 作業位置情報
１２３ 新たな作業位置情報
１２４ 位置偏差
１２５ 新たな位置指令
１２６ 位置情報伝送路
１３１，１４１，１７１，２５１ 検出位置情報
１９１ 外乱トルク（反力）
１０，１１ ガイド
１２ リニアスケール
１３ ヘッド
５１，５２ モータ固定子（磁石）
５３，５４ モータ可動子
１０１ レーザ干渉計
１０２ シリアル変換器
１０３ ＳＩＮ／ＣＯＳ信号
１０４ シリアル通信

Claims (6)

1. 複数台のモータと、前記モータの位置情報をそれぞれ検出する複数台の位置検出器と、前記モータの可動部分を互いに締結する機械結合部を含む機械と、を有する制御対象に対して、前記モータを同期制御する同期制御装置であって、
   位置比例・速度比例制御系をそれぞれ構成し、それぞれに対応する前記位置検出器からの前記位置情報と駆動位置指令との差に基づいて、それぞれに対応する前記モータを駆動する複数台のモータ制御装置と、
   位置比例積分もしくは位置積分制御系を構成し、複数の前記位置情報に基づいて前記機械における作業中心である作業位置を算出すると共に、作業位置指令と前記作業位置との差に基づいて前記駆動位置指令を算出して、複数の前記モータ制御装置に前記駆動位置指令を出力する指令装置と、を備えることを特徴とする同期制御装置。
2. 前記制御対象が、ガントリ機構である前記機械を有する場合、
   前記指令装置が、２台の前記モータの軸間距離を１とした際、前記軸間距離範囲内のある割合ｍに一方の前記位置検出器からの前記位置情報を乗じた値と、残りの割合（１−ｍ）に他方の前記位置検出器からの前記位置情報を乗じた値と、を加算して前記作業位置における第１の軸座標系位置を算出する位置情報演算部と、
   前記作業位置指令と前記第１の軸座標系位置との差を、位置比例積分もしくは位置積分制御する位置制御部と、を有することを特徴とする請求項１に記載の同期制御装置。
3. 前記制御対象が、円弧軌道機構である前記機械を有する場合、
   前記指令装置が、全ての前記位置検出器からの前記位置情報を平均化演算して前記作業位置における第２の軸座標系位置を算出する位置情報演算部と、
   前記作業位置指令と前記第２の軸座標系位置との差を、位置比例積分もしくは位置積分制御する位置制御部と、を有することを特徴とする請求項１に記載の同期制御装置。
4. 前記作業位置の近傍位置を計測する位置計測装置と、
   前記モータ制御装置と同一構成であって、前記第３の軸座標系位置を入力して前記指令装置に出力する単数の他のモータ制御装置と、を更に備え、
   前記指令装置が、前記作業位置における第３の軸座標系位置を算出する位置情報演算部と、
   前記作業位置指令と前記第３の軸座標系位置との差を、位置比例積分もしくは位置積分制御する位置制御部と、を有することを特徴とする請求項１に記載の同期制御装置。
5. 複数台の前記モータ制御装置が、それぞれに対応する前記位置検出器からの前記位置情報に基づいてそれぞれに対応する前記モータの速度情報を算出する速度演算部と、
   前記駆動位置指令と前記位置情報との差を比例制御して速度指令を算出する位置制御部と、
   前記速度指令と前記速度情報との差を比例制御する速度制御部と、を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の同期制御装置。
6. 複数台の前記モータ制御装置が、それぞれに対応する前記位置検出器からの前記位置情報に基づいてそれぞれに対応する前記モータの速度情報を算出する速度演算部と、
   前記駆動位置指令と前記位置情報との差を比例制御して速度指令を算出する位置制御部と、
   前記速度指令と前記速度情報との差を比例および不完全積分制御する速度制御部と、を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の同期制御装置。