JP2012059146A

JP2012059146A - 位置決め装置及び位置決め方法

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Publication number: JP2012059146A
Application number: JP2010203601A
Authority: JP
Inventors: Tadashi Kuroiwa; 正黒岩
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2010-09-10
Filing date: 2010-09-10
Publication date: 2012-03-22
Anticipated expiration: 2030-09-10
Also published as: JP5558277B2

Abstract

【課題】高速かつ高精度に位置決めすることが可能な位置決め装置を提供する。
【解決手段】外乱相殺信号生成部において、粗動機構アクチュエータ電流センサによって検出される粗動機構アクチュエータ駆動電流信号と粗動機構から提供される粗動機構センサ信号とから粗動機構を駆動する力またはトルクを求めるとともに、さらにこの粗動機構の駆動力または駆動トルクと、粗動機構及び微動機構のセンサ信号と、機構パラメータ記憶部に記憶された粗動機構及び微動機構に関する機構パラメータとから、粗動機構の動作により微動機構に発生する外乱量を求め、この外乱量を打消すための外乱相殺信号を生成して微動機構制御信号に加算する位置決め装置を提供する。
【選択図】図２

Description

本発明の実施形態は、目標追跡装置などに用いられる位置決め装置及び位置決め方法に関する。

目標追跡装置では、目標物を追跡する範囲を広くすること、速度を速くすること、精度を高くすること等が求められる。そのため、粗動機構と微動機構とを組合せて装置を構成する場合が多く、一般的には、粗動機構の可動部上に微動機構の固定部が取り付けられる。

粗動機構の動作方向と微動機構の動作方向とが平行に近いと、粗動機構を動かすことによって生じる加速度や角加速度は、微動機構による位置決めに対しては外乱として作用する。従来は、粗動機構を動かす速さが遅かったり、微動機構に求められる位置決めの精度が粗くても良かったため、上記外乱による位置決め誤差の悪化は大きな問題とはならなかった。また、粗動機構の制御系と、微動機構の制御系とは、相互作用による影響は考えないで設計し、動作させることが通常であった。

一方、高速・高精度な位置決め性能を実現するために、機構系の共振、摩擦等の外乱による影響を外乱オブザーバと２自由度制御系によって補償する制御手法や、機構系の共振等がある装置に対してモデルを内蔵型の適応制御系を構成して応答特性を改善する制御手法などが提案されている。

特開２００５−２６７２９６号公報

吉田収志ほか：高速・高精度を実現する制御系設計技術、富士技報、Vol.77、No、6、2000．

しかしながら、より高速に目標物への追跡を行うために、粗動機構を動かすアクチュエータやモータの力やトルクの能力の限界に近い領域で動作させたり、微動機構に求められる位置決めの精度が非常に高精度になると、粗動機構を動かすことによって生じる加速度や角加速度による微動機構の位置決め誤差の増大が無視できなくなる。

微動機構に外乱オブザーバ等を適用しても、粗動機構を動かすことに起因する微動機構での位置決め誤差を十分に低減させることは困難であった。

本発明の目的は、高速かつ高精度に位置決めすることが可能な位置決め装置及び位置決め方法を提供することにある。

実施形態によれば、粗動機構と、粗動機構より単位変化量が小さい微動機構と、粗動機構の位置、角度、速度及び角速度のうち少なくとも１つに関するセンサ信号に基づく粗動機構制御信号により粗動機構を制御し駆動する粗動機構制御駆動部と、微動機構の位置、角度、速度及び角速度のうち少なくとも１つに関するセンサ信号に基づく微動機構制御信号により微動機構を制御し駆動する微動機構制御駆動部と、粗動機構を駆動するアクチュエータの駆動電流を検出する粗動機構アクチュエータ電流センサと、粗動機構及び微動機構に関するパラメータを記憶する記憶部と、粗動機構アクチュエータ電流センサによって検出した粗動機構アクチュエータ駆動電流信号と粗動機構センサ信号とから上記粗動機構を駆動する力またはトルクを算出し、粗動機構の駆動力または駆動トルクと、粗動機構及び微動機構のセンサ信号と、記憶部に記憶された粗動機構及び微動機構に関する機構パラメータとから、粗動機構の動作により微動機構に発生する外乱量を算出し、外乱量を打消すための外乱相殺信号を生成して微動機構制御信号に加算する外乱相殺信号生成部とを備えた位置決め装置を提供できる。

第１の実施形態の位置決め装置を示す構成図である。第１の実施形態の位置決め装置を示すブロック図である。第１の実施形態における外乱相殺信号生成部の制御処理手順を示すフローチャートである。

以下、実施の形態について、図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る位置決め装置を示す構成図である。図２は、第１の実施形態に係る位置決め装置を示すブロック図である。図１において、位置決め装置は、大別して、粗動・微動機構部５と、制御駆動部５０とを備えている。

粗動・微動機構部５は、粗動機構１及び微動機構２からなる。粗動機構１は、広範な動作範囲内で高速に目標物の位置・方向に指向させる機構で、微動機構２は、粗動機構１に比べると狭い動作範囲内で精密な位置・方向を行わせる機構である。

制御駆動部５０は、粗動機構制御駆動部１０、微動機構制御駆動部２０及び外乱相殺信号生成部３０を備える。

粗動機構制御駆動部１０は、図２に示すように、粗動機構制御系１１と粗動機構駆動系１２を備える。粗動機構制御系１１は、粗動機構駆動指令と粗動機構１の位置、角度、速度、角速度等に関するセンサ信号に基づいて粗動機構制御信号を生成する。粗動機構駆動系１２は、前記粗動機構制御信号に従って粗動機構１を駆動するための粗動機構駆動信号を生成する。

粗動機構１は、粗動機構制御駆動部１０からの粗動機構駆動信号により粗動機構アクチュエータを動作させ、目標物の位置・方向に指向させる。

粗動機構駆動系１２は、粗動機構１を駆動する粗動機構アクチュエータの駆動電流を検出する粗動機構アクチュエータ電流センサ１３を備える。

外乱相殺信号生成部３０は、外乱相殺信号演算部３１と機構パラメータ記憶部３２とを備える。機構パラメータ記憶部３２には、例えば、粗動機構１及び微動機構２のそれぞれについて、可動部の質量、慣性モーメント、重心位置、動作軸の種類（並進、回転）と個数、動作軸の取付位置と向き、並びに粗動機構可動部に対する微動機構の取付位置と向きが記憶される。

外乱相殺信号演算部３１は、粗動機構アクチュエータ電流センサ１３によって検出された粗動機構アクチュエータの駆動電流値と、粗動機構制御系１１に入力される粗動機構センサ信号と、機構パラメータ記憶部３２に記憶されている粗動機構パラメータ及び微動機構パラメータから、粗動機構を動作させることによって発生する微動機構の位置決め誤差を相殺させるための微動機構外乱相殺信号を生成する。

微動機構制御駆動部２０は、微動機構制御系２１と微動機構駆動系２２を備える。微動機構制御系２１は、微動機構駆動指令と微動機構２の位置、角度、速度、角速度等に関するセンサ信号に基づいて微動機構制御信号を生成する。微動機構駆動系２２は、微動機構制御系２１から出力された粗動機構制御信号に外乱相殺信号演算部３１から出力された微動機構外乱相殺信号を加算した微動機構制御信号に従って微動機構２を駆動するための微動機構駆動信号を生成する。

次に、上記構成による位置決め装置の動作について説明する。
図３は、上述した外乱相殺信号生成部３０における動作のフローチャートを示す。

外乱相殺信号生成部３０は、起動時に、予め粗動機構１及び微動機構２のパラメータ値を機構パラメータ記憶部３２から読み出しておく（ステップＳ１）。

微動機構２の各制御タイムステップごとに、以下の処理を繰り返し行う。

まず、外乱相殺信号演算部３１は、粗動機構駆動系１２からの粗動機構アクチュエータ駆動電流信号と粗動機構制御系１１からの粗動機構センサ信号を取り込む（ステップＳ２）。

次に、外乱相殺信号演算部３１は、粗動機構１を動かすことに起因する微動機構２の位置決め誤差を相殺するための微動機構外乱相殺信号を生成する（ステップＳ３）。

粗動機構アクチュエータ駆動電流値と粗動機構センサ信号と粗動機構パラメータを用い、粗動機構の運動方程式に基づいて粗動機構１を動かすことによって生じる位置、角度、速度、角速度等を算出する。粗動機構１の動作軸の個数がn（ｎは正の整数）の場合の粗動機構１の運動方程式を次式に示す。

粗動機構のアクチュエータの駆動力又は駆動トルクは、粗動機構アクチュエータ駆動電流の関数として表されるので、粗動機構アクチュエータ駆動電流を電流センサによって計測することによって、粗動機構のアクチュエータの駆動力又は駆動トルクを算出することができる。例えば、粗動機構のi番めの動作軸のアクチュエータがモータの場合、駆動トルクは次式で表される。

次に、上記加速度または角加速度のうち、微動機構２の位置決め誤差に対する外乱として作用する外乱寄与率を、粗動機構１及び微動機構２のパラメータと粗動機構１のセンサ信号を用い、粗動機構１の動作軸の方向と微動機構２の動作軸とのなす角度の方向余弦から算出する。

粗動機構１のi番めの動作軸による微動機構２のk番めの動作軸に対する外乱寄与率 ηik は、次式で表される。

次に、微動機構２のパラメータ値を用い、上記外乱寄与率を考慮した微動機構２への外乱量（力、トルク等）を算出する。以下に、微動機構２のk番めの動作軸が回転軸の場合の微動機構２のk番めの動作軸への外乱量（トルク）の算出式の一例を示す。

また、微動機構２のk番目の動作軸が並進軸の場合の微動機構２のk番目の動作軸への外乱量（力）の算出式の一例を示す。

外乱相殺信号演算部３１は、微動機構２のパラメータ値を用い、微動機構２の運動方程式やアクチュエータの動作式等に基づき、上記微動機構２への外乱量と符号が逆の補正量を発生させるために必要な微動機構外乱相殺信号を算出する。

外乱相殺信号演算部３１は、上記ステップＳ３で算出された微動機構外乱相殺信号を微動機構制御信号に加算する（ステップＳ４）。このように、微動機構外乱相殺信号が加算された微動機構制御信号により微動機構２を駆動させることによって、粗動機構１を動かすことによって生じる位置、角度、速度、角速度等により増大する微動機構２の位置決め誤差を低減させる。

外乱相殺信号演算部３１は、粗動微動機構部５の動作終了まで、各制御タイムステップ毎に上記ステップＳ１〜ステップＳ４の処理を繰り返し行う（ステップＳ５）。

以上のように上記第１の実施形態では、外乱相殺信号生成部３０において、粗動機構アクチュエータ電流センサ１３によって検出される粗動機構アクチュエータ駆動電流信号と粗動機構１から提供される粗動機構センサ信号とから粗動機構１を駆動する力またはトルクを求めるとともに、さらにこの粗動機構１の駆動力または駆動トルクと、粗動機構１及び微動機構２のセンサ信号と、機構パラメータ記憶部３２に記憶された粗動機構及び微動機構に関する機構パラメータとから、粗動機構１の動作により微動機構２に発生する外乱量を求め、この外乱量を打消すための外乱相殺信号を生成して微動機構制御信号に加算するようにしている。

従って、粗動機構アクチュエータ電流センサ１３を利用して直接に粗動機構１の駆動力または駆動トルクを求めることができるとともに、この粗動機構１の駆動力または駆動トルクを利用して微動機構２に発生する外乱量を求めることができ、この外乱量で微動機構駆動信号を補正することで粗動機構１の動作によって生じる加速度や角加速度により微動機構２の位置決め誤差が増大する影響を低減でき、これにより高速かつ高精度な目標追跡装置を実現できる。また、粗動機構アクチュエータ電流センサ１３による検出結果を微動機構２に発生する外乱量の演算に用いるようにしているので、外乱量の演算上の信頼性を向上できる。

（その他の実施形態）
その他、上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせであってもよい。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

これら実施形態によれば、粗動機構の動作によって生じる加速度や角加速度により微動機構の位置決め誤差が増大する影響を低減でき、高速かつ高精度に位置決めすることが可能な位置決め装置を提供することができる。

１…粗動機構、２…微動機構、５…粗動微動機構部、１０…粗動機構制御駆動部、１１…粗動機構制御系、１２…粗動機構駆動系、１３…粗動機構アクチュエータ電流センサ、２０…微動機構制御駆動部、２１…微動機構制御系、２２…微動機構駆動系、３０…外乱相殺信号生成部、３１…外乱相殺信号演算部、３２…機構パラメータ記憶部。

Claims

粗動機構と、
前記粗動機構より単位変化量が小さい微動機構と、
前記粗動機構の位置、角度、速度及び角速度のうち少なくとも１つに関するセンサ信号に基づく粗動機構制御信号により前記粗動機構を制御し駆動する粗動機構制御駆動部と、
前記微動機構の位置、角度、速度及び角速度のうち少なくとも１つに関するセンサ信号に基づく微動機構制御信号により前記微動機構を制御し駆動する微動機構制御駆動部と、
前記粗動機構を駆動するアクチュエータの駆動電流を検出する粗動機構アクチュエータ電流センサと、
前記粗動機構及び前記微動機構に関するパラメータを記憶する記憶部と、
前記粗動機構アクチュエータ電流センサによって検出した粗動機構アクチュエータ駆動電流信号と前記粗動機構センサ信号とから上記粗動機構を駆動する力またはトルクを算出し、前記粗動機構の駆動力または駆動トルクと、前記粗動機構及び前記微動機構のセンサ信号と、前記記憶部に記憶された粗動機構及び微動機構に関する機構パラメータとから、前記粗動機構の動作により前記微動機構に発生する外乱量を算出し、前記外乱量を打消すための外乱相殺信号を生成して前記微動機構制御信号に加算する外乱相殺信号生成部とを具備することを特徴とする位置決め装置。
粗動機構と、前記粗動機構より単位変化量が小さい微動機構と、前記粗動機構の位置、角度、速度及び角速度のうち少なくとも１つに関するセンサ信号に基づく粗動機構制御信号により前記粗動機構を制御し駆動する粗動機構制御駆動部と、前記微動機構の位置、角度、速度及び角速度のうち少なくとも１つに関するセンサ信号に基づく微動機構制御信号により前記微動機構を制御し駆動する微動機構制御駆動部と、前記粗動機構を駆動するアクチュエータの駆動電流を検出する粗動機構アクチュエータ電流センサとを備える位置決め装置に用いられる方法であって、
前記粗動機構及び前記微動機構に関するパラメータを記憶部に記憶し、
前記粗動機構アクチュエータ電流センサによって検出した粗動機構アクチュエータ駆動電流信号と前記粗動機構センサ信号とから上記粗動機構を駆動する力またはトルクを算出し、
前記粗動機構の駆動力または駆動トルクと、前記粗動機構及び前記微動機構のセンサ信号と、前記記憶部に記憶された粗動機構及び微動機構に関する機構パラメータとから、前記粗動機構の動作により前記微動機構に発生する外乱量を算出し、前記外乱量を打消すための外乱相殺信号を生成して前記微動機構制御信号に加算することを特徴とする位置決め方法。