JP4424350B2 - 位置制御装置及びその制御方法 - Google Patents

Description

この発明は、工作機械や半導体製造装置などの機械系の位置制御を行う位置制御装置およびその制御方法に関するものである。

位置制御装置において、機械系における制御対象が有する摩擦特性は温度や経年変化によって大きく変化するため、摩擦特性を予め考慮にいれてオーバーシュートが発生しないようにその制御対象に対して最適なゲインを設定したとしても、摩擦特性の変動により、あるときは摩擦が大きくなってオーバーシュートが発生し、あるいは摩擦が逆に小さくなって、オーバーシュートは発生しないものの、位置決めするまでの時間が遅くなってしまうことがある。従って、摩擦変動が起こる機械では、このような変化する摩擦特性に対してオーバーシュートを抑制するため、制御ゲインを自動的に調整する技術が必要であった。

従来の技術の例として日本国特許３４６３３５５号に記載の技術がある。この従来の技術によれば、粘性摩擦同定用速度指令信号を印加して制御対象を駆動させ、サーボアンプでは速度ＰＩ制御系を組むことにより、その出力である「ＰＩ速度制御系指令トルク」と、その出力に一次遅れフィルタをかけた「等価ＩＰ速度制御系指令トルク」とを観測する。「ＰＩ速度制御系指令トルク」と「等価ＩＰ速度制御系指令トルク」の差信号の定常値は、粘性摩擦係数に依存した値に収束するので、その値から既知パラメータを用いて粘性摩擦係数が同定される。

次に、速度制御系において、プラントの実速度に粘性摩擦係数同定値を掛けたものを粘性摩擦補償トルクとして、トルク指令に加算する。その結果、この粘性摩擦補償トルクが摩擦トルクを補償することによって、摩擦によるオーバーシュートを抑制しようとする方法である。

日本国特許３４６３３５５号

しかし、従来の技術における粘性摩擦トルク補償方法によれば、実速度を用い、摩擦トルクを補償するようにトルクを増やす方向に調整するので、摩擦補償が共振を励起する恐れがある。また、速度の符号に応じて補償トルクの符号が反転する速度零近傍で制御は発散して発振する場合がある。さらに摩擦トルクを陽に補償する方式の為、摩擦係数推定結果に誤差がある場合はオーバーシュートやアンダーシュートが発生する等、全体として制御のロバスト性が悪いという問題点があった。

この発明は、以上のような問題点を解決するためのものであり、位置指令に基づいて少なくとも速度のフィードフォワードであるモデル速度を生成して、少なくとも前記モデル速度と被制御対象の実速度を入力として速度積分補償を行う位置制御装置において、任意の摩擦係数を推定した値を設定する摩擦係数推定値設定手段と、前記摩擦係数推定値設定手段によって設定された摩擦係数推定値に基づいて速度積分項フィードフォワードゲインを決定するオーバーシュート抑制ゲイン演算手段と、前記速度積分項フィードフォワードゲインと位置指令に基づくモデル速度との乗算値を算出する速度フィードフォワード乗算手段とを備え、前記速度フィードフォワード乗算手段により算出された乗算値を用いてモデル速度から前記速度積分補償の積分項への入力までの伝達関数を１より小さい値になるように減少させることを特徴とするものである。

また、位置指令に基づいて少なくとも速度のフィードフォワードであるモデル速度を生成して、少なくとも前記モデル速度と被制御対象の実速度を入力として速度積分補償を行う位置制御装置において、被制御対象を制御する際の推定された外乱トルクから摩擦係数を推定する摩擦係数推定手段と、前記摩擦係数推定手段によって推定された摩擦係数推定値に基づいて速度積分項フィードフォワードゲインを決定するオーバーシュート抑制ゲイン演算手段と、
前記速度積分項フィードフォワードゲインと位置指令に基づくモデル速度との乗算値を算出する速度フィードフォワード乗算手段とを備え、前記速度フィードフォワード乗算手段により算出された乗算値を用いてモデル速度から前記速度積分補償の積分項への入力までの伝達関数を１より小さい値になるように減少させることを特徴とするものである。

かかる位置制御装置及びその制御方法によれば、オーバーシュートを抑制するための制御ゲインを自動的に調整する際に、推定された外乱トルクに基づくゲインをフィードフォワードを減らす方向に作用させてオーバーシュート抑制を行うので、機械共振を励起する可能性が小さく、速度に応じて補償トルクが反転しないので速度零近傍でばたつかないのでロバスト性の高い位置制御装置及びその制御方法を得ることができる。

［図１］本発明の実施例１を示す位置制御装置のブロック図である。
［図２］本発明の実施例１における速度フィードフォワード乗算手段２の詳細図である。
［図３］本発明の実施例１における動作示す波形図である。
［図４］本発明の実施例２におけるオーバーシュート抑制ゲイン演算手段１０のブロック図である。
［図５］本発明の実施例３の全体ブロック図を示す。
［図６］本発明の実施例４における位置制御装置の最小自乗法に基づく摩擦係数推定手段９の詳細ブロック図である。
［図７］本発明の実施例５の全体ブロック図を示す。
［図８］本発明の実施例６の全体ブロック図を示す。

符号の説明

１ モデル演算手段、２ 速度フィードフォワード乗算手段、３ 位置比例補償手段、４ 積分補償手段、５ 速度比例補償手段、６ プラント、７ 微分手段、８ 外乱オブザーバー手段、９ 摩擦係数推定手段、１０ オーバーシュート抑制ゲイン演算手段、１１ 、１２ 位置フィードフォワード係数手段、１３ 速度フィードフォワード乗算手段、１４ トルクフィードフォワード係数手段、１０１ フィルタ、１０２ 絶対値検出手段、１０３フィルタ、１０４ 絶対値検出手段、１０５最小自乗ゲイン手段、１０６ 積分手段、１０７乗算手段、１０８減算手段。

図１は、本発明の実施例１の全体ブロック図を示す。本ブロック図においてフィードバック制御は位置Ｐ（比例）速度ＰＩ（比例＋積分）制御を基本としている。

実施例１の構成を説明する。

モデル演算手段１は指令位置ｘｒを入力として、位置制御に理想的なモデルトルクＴａ、モデル速度ｖａ、モデル位置ｘａを出力する。

モデルトルクＴａ、モデル速度ｖａ、モデル位置ｘａは指令位置に対して適切な加速度、速度、位置をモデルとして出力するものであるため、モデル演算手段１の構成としてはそのモデルに応じて様々なものが考えられる。単純にモデル位置＝指令位置、モデル速度を指令位置の一階微分、モデルトルクの出力を０とした場合や、モデルトルクを指令位置の二階微分にモデルイナーシャをかけたものとする場合などが挙げられる。またモデル演算手段１の出力が位置指令ｘｒに対して、等加速、等速、等減速となるようモデル演算手段１の中を構成させることもできる。

位置比例補償手段３は、出力されたモデル位置ｘａと被制御対象であるプラント６から検出された実位置ｘｍとの位置偏差ｘｄに対し、位置比例ゲインｗｐｃ２を乗じて出力する。位置比例補償手段３の出力値とモデル速度ｖａとの和と、被制御対象であるプラント６の実位置ｘｍから微分手段７を経て検出された実速度ｖｍとの偏差をとり、速度偏差ｖｄとした後、積分補償手段４は、速度偏差ｖｄと、モデル速度ｖａに速度フィードフォワード乗算手段２の速度積分項フィードフォワードゲインｖｆｆを乗じた値との偏差を入力し、その偏差を積分して係数ｗｐｉを乗じた後に出力する。速度比例補償手段５は、速度偏差ｖｄと積分補償手段４の出力との和に対し、速度比例ゲインＫｓｐを乗じてフィードバックトルク指令を出力する。フィードバックトルク指令とモデルトルクＴａを加算してこれをトルク指令とする。ここではトルク制御系は省略し、実トルク＝トルク指令と考えており、このトルク指令が被制御対象であるプラント６へ入力される実トルクＴｍとしている。プラント６は入力された実トルクを元に動作し、位置ｘｍが変動する。

速度フィードフォワード乗算手段２の速度積分項フィードフォワードゲインｖｆｆの導出について説明する。実施例１の制御ではモデル演算手段１において正しいイナーシャ値が設定され、且つフィードバック系の制御ゲインが十分に高い場合には、トルク指令からモデルトルクＴａを減じたトルクが外乱トルクと推定しても問題はない。この場合、フィードバックトルク指令である速度比例補償手段５の出力を外乱トルク推定値Ｔｄとして推定され、摩擦係数推定手段９へ入力される。

摩擦係数推定手段９は、外乱トルク推定値Ｔｄと実速度ｖｍより摩擦係数推定値Ｄｅを導出する。摩擦係数推定値Ｄｅは理論的には実速度ｖｍと摩擦トルク推定値Ｔｄの関係より下式で表現することができる。

オーバーシュート抑制ゲイン演算手段１０では、摩擦係数推定手段９から出力された摩擦係数推定値Ｄｅに対しオーバーシュート抑制の為の速度積分項フィードフォワードゲインｖｆｆを導出する。

第２図は本発明の実施例１におけるオーバーシュート抑制ゲイン演算手段１０の詳細図である。理論上、摩擦によるオーバーシュートを抑制するフィードフォワードゲイン最適値は（２）式で与えられる。

上式について説明する。

まず摩擦が在る場合にオーバーシュートが発生する理由については、摩擦が存在した場合にモデル速度ｖａと実速度ｖｍとに差異が生じるため、速度積分項がその摩擦トルク分を補償するトルクを時間積分することで蓄積し、一定の時間が経過した位置決め整定時に、その時間積分された摩擦トルク補償を積分補償手段４が行うために、速度零近傍で制御が一時的に発散しやすく、オーバーシュートが発生して収束する時間が大きくなるものと考えられる。そこで積分補償手段４の出力に対し、摩擦トルク分について積分項から減少するような速度積分項フィードフォワードゲインｖｆｆを与えれば最適にオーバーシュートが抑制される。すなわち、速度積分項フィードフォワードゲインｖｆｆの最適値としては、加減速時の積分項入力ｈの一定値が０になるような値を与えればよい。

今、プラント６の伝達関数を（３）式とする。ここでＪはトータルイナーシャ、Ｄは摩擦係数である。

積分補償器４への入力をｈと置いた時、位置指令ｘｒからｈまでの伝達関数を計算すると式（４）となる。ここでＧａ（ｓ）はモデルの伝達関数である。

上式において、単位加減速状態でのｈの値を考えると定常的に（５）式の一定値となる。但し負荷トルクは無視している。

上式においてｈ＝０と置くことで積分項入力の一定値＝０となるｖｆｆが得られる。以上により、摩擦係数推定値Ｄｅより速度積分項フィードフォワードゲインｖｆｆの理論最適値を導出する（２）式が得られる。

摩擦係数推定手段９は、外乱トルク推定値Ｔｄと実速度ｖｍより摩擦係数推定値Ｄｅを導出した後、オーバーシュート抑制ゲイン演算手段１０は、摩擦係数推定値Ｄｅを入力としてオーバーシュート抑制用の速度積分項フィードフォワードゲインｖｆｆを演算して出力する。得られた速度積分項フィードフォワードゲインｖｆｆゲインを用いて速度フィードフォワード乗算手段２のゲインを書き換える。速度フィードフォワード乗算手段２はモデル速度ｖａに速度積分項フィードフォワードゲインｖｆｆを掛ける。得られた速度積分項フィードフォワード係数器２の乗算値を、積分補償器４の入力である速度偏差から減じることによりオーバーシュート抑制が行われる。

次に実施例１の動作を説明する。

まずオーバーシュート抑制を行わない場合の動作を説明する。オーバーシュート抑制を行わない場合の動作は図において速度積分項フィードフォワードゲインｖｆｆを仮に０とした場合として説明できる。

第３図は本発明の実施例１における動作示す波形図である。第３図（ａ）は速度積分項フィードフォワードゲインｖｆｆ＝０とした場合のものであり、第３図（ｂ）は速度積分項フィードフォワードゲインｖｆｆを摩擦係数推定値Ｄｅを用いて設定した場合のものである。双方の波形図とも、横軸は時間、縦軸は位置と速度で、波形図中の点線の縦軸が速度に対応し、実線が位置に対応する。

この時、モデル演算手段１は、サーボ制御に理想的なモデルトルクＴａ、モデル速度ｖａ、モデル位置ｘａを出力し、プラント６はそのモデルに追従するように動作する。モデル演算手段１のモデルが実際のプラント６と完全に一致している場合は、実速度・実位置はモデル速度・モデル位置と全く同一の動作をするが、実際には摩擦等のモデル化誤差が存在する為、速度偏差ｖｄ及び位置偏差ｘｄが発生する。位置偏差ｘｄがある場合には位置比例手段３の位置比例ゲインｗｐｃ２を乗じて位置偏差ｘｄに対し比例的にフィードバック制御することにより位置偏差ｘｄに対する補償が行われる。また速度偏差ｖｄが存在した場合にはフィードバックの速度ＰＩ（比例＋積分）制御により速度偏差が補償されるが、第３図（ａ）に示すように位置偏差にオーバーシュートは発生する。

次にオーバーシュート抑制を行う場合の説明をする。第３図（ｂ）では、外乱トルク推定値Ｔｄと実速度を用いて摩擦係数推定値Ｄｅが推定された後、速度積分項フィードフォワードゲインｖｆｆが最適に設定される。

速度積分項フィードフォワードゲインｖｆｆは０より大きい値であるので、比例と積分からなる速度フィードフォワード項を減らす効果をもたらし、結果として位置に対するフィードフォワード成分を減らすことと等価となる。つまり、摩擦が生じた場合、速度比例補償手段５の出力を外乱トルク推定値Ｔｄとして推定し、外乱トルク推定Ｔｄと実速度ｖｍとから摩擦係数推定手段９が導出した摩擦係数推定値Ｄｅを用いて、オーバーシュート抑制ゲイン演算手段１０が速度積分項フィードフォワードゲインｖｆｆを導出し、速度フィードフォワード乗算手段２がモデル速度と速度積分項フィードフォワードゲインｖｆｆとの乗算値を、速度フィードフォワード項を減算させることに用いることにより、プラント６に存在する粘性すなわち速度に比例する外乱トルクに相当する部分を抑制するので、その外乱トルクに相当するゲイン量が積分されるのを除外し、オーバーシュートを抑制することができる。特に、指令位置近傍では外乱トルクに相当するゲインが位置の整定に要する時間分積分されてしまい、速度が零近傍となったときに発振してしまうのを抑える効果がある。さらに摩擦トルクに対しゲインを減少させる方向に補償する方式の為、摩擦係数推定結果に誤差がある場合でもオーバーシュートやアンダーシュートが発生しにくい。
また、摩擦係数推定値Ｄｅは逐次推定されているので、位置決め制御応答が調節され、摩擦によるオーバーシュートを抑制することができる。よってこれらからロバスト性の高い位置制御装置を得ることが可能となる。

従って、実施例１によれば、フィードフォワード型位置制御において、被制御対象を制御する際の推定された外乱トルクから摩擦係数を推定する摩擦係数推定手段９と、摩擦係数推定手段９によって推定された摩擦係数推定値に基づいて速度積分項フィードフォワードゲインｖｆｆを決定するオーバーシュート抑制ゲイン演算手段１０と、速度積分項フィードフォワードゲインｖｆｆと位置指令ｘｒに基づく速度指令との乗算値を算出する速度フィードフォワード乗算手段とを備え、速度フィードフォワード乗算手段２の乗算値を用いてフィードフォワード項を減少させるようにしたので、オーバーシュートを抑制するための制御ゲインを自動的に調整する際に、推定された外乱トルクに基づくゲインをフィードフォワードを減らす方向に作用させてオーバーシュート抑制を行い、機械共振を励起する可能性が小さく、速度に応じて補償トルクが反転しないので速度零近傍でばたつかないロバスト性の高い位置制御装置及びその制御方法を得ることができる。

尚、実施例１はモデル演算手段１の出力のモデル速度ｖａに対して速度積分項フィードフォワードゲインｖｆｆを乗じたものを速度偏差ｖｄから引いているが、本発明の効果を得るだけであれば速度フィードフォワード項に対して速度積分項フィードフォワードゲインｖｆｆを乗じたものを位置に対するゲイン等から減少させても本発明と同様の効果を奏することは可能であるため、モデル演算手段１を用いた構成は必ずしも必要というわけではない。

実施例２は、実施例１に対し、オーバーシュート抑制ゲイン演算手段１０の出力をプラント６の実態に合わせてテーブルによるマップによって行うものである。

第４図は本発明の実施例２におけるオーバーシュート抑制ゲイン演算手段１０のブロック図である。実施例１においては、摩擦係数推定値Ｄｅが速度に対してほぼ比例するような場合における位置制御について説明した。

しかし、プラント６の構造等によっては、摩擦係数推定値Ｄｅがプラント６の実速度ｖｍに対して比例することなく、不規則に変化する場合も存在する。その場合は実施例１に記載された（４）式にて速度積分項フィードフォワードゲインｖｆｆを与えるのではなく、この速度積分項フィードフォワードゲインｖｆｆに対応する摩擦係数推定値Ｄｅの値をあらかじめテーブルとして備えておき、推定された摩擦係数推定値Ｄｅに基づいて速度積分項フィードフォワードゲインｖｆｆを設定する方が適切である。実施例１では摩擦係数推定値Ｄｅ自体、（２）式より実速度ｖｍに比例しているが、テーブルに基づいて設定することにより、例えば摩擦係数推定値Ｄｅが実速度ｖｍの２乗に比例するような計算が複雑になる場合や計算式に表現しにくい不規則な変化等に応じた速度積分項フィードフォワードゲインｖｆｆを設定することが可能となる。

従って、実施例１に加えて、摩擦係数推定値Ｄｅに基づいてあらかじめテーブル化しておいた速度積分項フィードフォワードゲインｖｆｆに設定することにより、プラント６の摩擦が実速度ｖｍに応じて不規則に変化する場合においても、オーバーシュートを効果的になくすことができる。

実施例３は、実施例１における、外乱トルク推定値Ｔｄを外乱オブザーバー手段を用いて推定したものである。

第５図は、本発明の実施例３の全体ブロック図を示す。第５図中、第１図と同符号は同一または相当部分を示す。

実施例１においては、モデル演算手段１において正しいイナーシャ値が設定され、且つフィードバック系の制御ゲインが十分に高い場合には、トルク指令からモデルトルクＴａを減じたトルクを外乱トルクと推定しても問題ない。実施例３ではそうではない場合であり、図５に示すように外乱トルクＴｄを推定するのに、プラントに入力される実トルクＴｍと実速度ｖｍとから外乱オブザーバー手段８が外乱トルク推定値を推定して摩擦係数推定手段９に出力している。

外乱オブザーバー手段８は、（６）式のような計算を用いて外乱トルクを推定する。

従って、実施例３によれば、実施例１の場合に加えて、プラント６に入力するトルクと実速度ｖｍを用いて手段が前記外乱トルクを推定するので、より安定的に外乱トルクＴｄを推定することができる。

実施例４は、実施例１における摩擦係数推定手段９による摩擦係数推定値Ｄｅの推定を最小自乗法を用いて推定したものである。

実施例１に示す（１）式を用いて摩擦係数を推定を行うことは可能だが外乱トルク推定値Ｔｄの絶対値が小さいとＳ／Ｎ比が悪くなり正確な値を推定することは難しい場合がある。実施例４では最小自乗法を用いて統計的計算を行い摩擦係数を推定している。最小自乗法による摩擦係数推定の式を（７）式に示す。

第６図は、本発明の実施例４における位置制御装置の最小自乗法に基づく摩擦係数推定手段９の詳細ブロック図である。外乱トルク推定値Ｔｄから摩擦トルク以外の不要成分を除去するためにフィルタ１０１を通過させて摩擦トルク成分のみを抽出する。フィルタ１０１は通常、高周波ノイズ成分と重力負荷等の定常外乱とを同時に除去するバンドパスフィルタ等を用いる。得られた摩擦トルクから絶対値検出手段１０２により摩擦トルクの絶対値を導出する。また実速度ｖｍも同様にフィルタ１０３と絶対値検出手段１０４を通過させて実速度の絶対値を導出する。この実速度絶対値と摩擦トルク絶対値とから最小自乗法を用いて摩擦係数を推定する。

まず乗算手段１０７が実速度の絶対値とすでに出力した前回の摩擦係数推定値Ｄｅとを乗算する。次に、その出力を外乱トルクの絶対値から減算手段１０８が減算し、偏差を出力する。そしてその偏差に最小自乗ゲイン手段１０５が推定ゲインＰを乗じて出力し、積分手段１０６が積算し、結果を出力する。その結果が今回の摩擦係数推定値Ｄｅとなる。

従って、実施例４によれば、実施例１の場合に加えて摩擦係数推定手段９が推定する摩擦係数推定値Ｄｅは、最小自乗法を用いて推定されるので精度の高い安定した摩擦係数の推定が可能となる。
尚、図示しないが実速度ｖｍが低い場合には推定精度が落ちる為、速度に応じて推定実行・停止などの処理を行う。また今回は推定ゲインＰは固定値としているが、入力の値に応じて変更するなどの方法も取られる。そのような手法により、逐次最小自乗法や固定トレース法などの別の統計処理方法を用いることも可能である。

実施例５は、実施例１における摩擦係数推定手段９が出力する摩擦係数推定値Ｄｅを所望の時にオーバーシュート抑制ゲイン演算手段１０に出力する摩擦係数設定手段１１を備えている。

第７図は、本発明の実施例５の全体ブロック図を示す。第７図中、第１図又は第５図と同符号は同一または相当部分を示す。以下では実施例１との相違点のみを説明する。

実施例５の構成を説明する。

実施例１との相違点は、摩擦係数設定手段１１は、摩擦係数推定手段９が出力する摩擦係数推定値Ｄｅを所望の時にオーバーシュート抑制ゲイン演算手段１０に出力したり、必要であれば摩擦係数推定値Ｄｅを所望の値に変更することにある。プラント６のロストルク等の経時変化は長い月日を要するものであり、かならずしもリアルタイムに摩擦係数推定値Ｄｅを推定して速度積分項フィードフォワードゲインｖｆｆを変化させる必要はなく、所定の時間が経過した際に摩擦係数推定値Ｄｅを推定してオーバーシュート抑制ゲイン演算手段１０に出力し、速度積分項フィードフォワードゲインｖｆｆを更新するだけで十分な場合がある。また、プラント６の実速度ｖｍが大きい動作パターンが存在する場合は摩擦係数推定が容易となるので、その時のみ摩擦係数推定値Ｄｅを出力すれば、精度よく摩擦係数推定値Ｄｅを出力することができる。さらに、摩擦係数推定値Ｄｅがあらかじめ分かっている場合にその値をマニュアルで入力して出力することで、最適かつユーザーの好みにあわせた摩擦係数推定値Ｄｅを出力することができる。尚、摩擦係数設定手段１１は、ユーザーの所望により摩擦係数推定値Ｄｅを表示させたりするように構成することも可能である。

実施例５の動作を説明する。

実施例１〜４では基本的には摩擦係数推定手段９による摩擦係数推定結果を用いて逐次オーバーシュート抑制用の速度積分項フィードフォワードゲインｖｆｆを設定するものであったが、実施例５では、摩擦係数設定手段１１が所望の時に応じて摩擦係数設定手段１１内のスイッチのＯＮ／ＯＦＦを行うことにより、摩擦係数推定値Ｄｅの推定の実行・停止が可能である。また、ユーザーの要望に応じて摩擦係数設定手段１１が摩擦係数推定値Ｄｅの値を変更して出力する。この方法で推定された摩擦係数を用いて、オーバーシュート抑制ゲイン演算手段１０により速度積分項フィードフォワードゲインｖｆｆを設定し、その値で速度積分項フィードフォワードゲイン係数手段２の係数を書き換える。それ以外の動作は実施例１に同じである。

従って、摩擦係数推定値Ｄｅを所望のときにオーバーシュート抑制ゲイン演算手段１０に出力する摩擦係数設定手段１１を備えたので、実施例１の場合に加えてユーザが所望するときにだけ摩擦係数推定の実行が出来る。

すなわち、本実施例においては、ユーザーの要望に応じて摩擦係数設定手段１１が摩擦係数推定値Ｄｅの値を変更して出力するので、必ずしも摩擦係数推定手段９が存在しなくてもユーザーが要望する摩擦係数推定値Ｄｅの値が適正であれば実施例の１と同様の効果を奏することは可能である。

実施例１〜５においては位置Ｐ（比例）速度ＰＩ（比例積分）制御を適用して説明した場合について説明したが、他の制御に利用した場合も本発明の効果を有することは可能である。実施例６は、位置ＰＩ（比例積分）速度Ｐ（比例）制御に適用したものである。

第８図は、本発明の実施例６の全体ブロック図を示す。第８図中、第１図又は第５図と同符号は同一または相当部分を示す。以下では実施例１との相違点のみを説明する。

実施例６の構成を説明する。

全体ブロック図における相違点は、実施例１における速度フィードフォワード乗算手段２の代わりに位置フィードフォワード係数手段１２、速度フィードフォワード乗算手段１３、トルクフィードフォワード係数手段１４が構成されている。位置フィードフォワード係数手段１２、速度フィードフォワード乗算手段１３、トルクフィードフォワード係数手段１４はそれぞれモデル位置ｘａ、モデル速度ｖａ、モデルトルクＴａを入力として、それぞれに対してゲインａｘ、ａｖ、ａＴを乗じてフィードフォワード位置ｘｆ、フィードフォワード速度ｖｆ、フィードフォワードトルクＴｆを導出する。また、実施例６では、位置比例補償手段３の入力はフィードフォワード位置ｘｆと実位置ｘｍとの位置偏差となり、積分補償手段４の入力は、モデル位置ｘａと実位置ｘｍの位置偏差となる。速度比例補償器５の入力は両位置偏差とフィードフォワード速度ｖｆと実速度ｖｍの速度偏差となる。

また、オーバーシュート抑制ゲイン演算手段１０は、摩擦係数推定手段９で得られた摩擦係数推定値Ｄｅに対してオーバーシュート抑制に最適なゲインを出力する点においては実施例１等と同じであるが、実施例６における位置ＰＩ速度Ｐ制御に対応し実施例１の場合と等価となるゲインを出力するため、位置フィードフォワードゲインａｘ、速度フィードフォワードゲインａｖ、トルクフィードフォワードゲインａＴを演算して出力する。オーバーシュート抑制の為の位置フィードフォワードゲインａｘは、実施例１で説明した速度積分項フィードフォワードゲインｖｆｆゲインを変形して最適値は（８）式となる。

それ以外のブロック図の構成は実施例１と同様である。

次に実施例６の動作を説明する。

実施例６ではオーバーシュート抑制ゲイン演算手段１０においてオーバーシュート抑制に最適な位置フィードフォワードゲインａｘを導出し、その値を用いて位置フィードフォワード係数手段１２のゲインａｘを最適に設定してやれば、オーバーシュートが最適に抑制される。その他の動作は実施例１と同様である。

従って、位置ＰＩ（比例積分）速度Ｐ（比例）制御に適用した場合でも実施例１と同様の効果を得ることができる。

なお、ここでは位置フィードフォワードゲインａｘのみを変更するとしたが、位置フィードフォワードゲインａｘに合わせて速度フィードフォワードゲインａｖ及びトルクフィードフォワードゲインａＴを適切に変更するという方法によって高周波特性が良くすることができる。

周知の半導体製造装置においては、例えばウエハから切り取ったチップを基板上に接着するヘッドをサーボモータを駆動源に、その回転動作を直線方向動作に変換するボールネジを介して駆動すると同時に位置制御により上下方向の位置制御を行っている。この場合、可動部分にはサーボモータのロストルクやボールネジの摺動摩擦が存在し、この摩擦は一般的に速度に比例した摩擦成分であり、温度や経年変化によって大きく変化する。このような半導体製造装置に実施例１〜６の位置制御装置を用いることにより、オーバーシュート抑制を最適に設定にすることができ、ヘッドとワークとが接触して破損するなどの問題を回避することができる。また経年的に変化する摩擦に対しても自動的に摩擦係数推定値Ｄｅを推定して速度積分項フィードフォワードゲインｖｆｆを自動的に調節するのでオーバーシュート抑制を自動調整することができる。

この発明に係る位置制御装置またはその制御方法は、工作機械や半導体製造装置など位置制御に適している。

Claims (14)

1. 位置指令に基づいて少なくとも速度のフィードフォワードであるモデル速度を生成して、少なくとも前記モデル速度と被制御対象の実速度を入力として速度積分補償を行う位置制御装置において、
   任意の摩擦係数を推定した値を設定する摩擦係数推定値設定手段と、
   前記摩擦係数推定値設定手段によって設定された前記摩擦係数推定値に基づいて速度積分項フィードフォワードゲインを決定するオーバーシュート抑制ゲイン演算手段と、
   前記速度積分項フィードフォワードゲインと位置指令に基づくモデル速度との乗算値を算出する速度フィードフォワード乗算手段と
   を備え、
   前記速度フィードフォワード乗算手段により算出された乗算値を用いてモデル速度から前記速度積分補償の積分項への入力までの伝達関数を１より小さい値になるように減少させることを特徴とする位置制御装置。
2. 位置指令に基づいて少なくとも速度のフィードフォワードであるモデル速度を生成して、少なくとも前記モデル速度と被制御対象の実速度を入力として速度積分補償を行う位置制御装置において、
   被制御対象を制御する際の推定された外乱トルクから摩擦係数を推定する摩擦係数推定手段と、
   前記摩擦係数推定手段によって推定された摩擦係数推定値に基づいて速度積分項フィードフォワードゲインを決定するオーバーシュート抑制ゲイン演算手段と、
   前記速度積分項フィードフォワードゲインと位置指令に基づくモデル速度との乗算値を算出する速度フィードフォワード乗算手段と
   を備え、
   前記速度フィードフォワード乗算手段により算出された乗算値を用いてモデル速度から前記速度積分補償の積分項への入力までの伝達関数を１より小さい値になるように減少させることを特徴とする位置制御装置。
3. 前記オーバーシュート抑制ゲイン演算手段は、前記速度積分項フィードフォワードゲインに対応した前記摩擦係数推定値を示すテーブルを備え、
   前記テーブルに基づいて前記摩擦係数推定値から前記速度積分項フィードフォワードゲインを決定することを特徴とする請求項１または２に記載の位置制御装置。
4. 被制御対象に入力するトルクと実速度を用いて前記外乱トルクを推定する外乱オブザーバー手段を備えたことを特徴とする請求項２に記載の位置制御装置。
5. 前記摩擦係数推定手段が推定する前記摩擦係数推定値は、最小自乗法を用いて推定されることを特徴とする請求項２に記載の位置制御装置。
6. 位置指令に基づいて少なくとも速度のフィードフォワードであるモデル速度を生成して、少なくとも前記モデル速度と被制御対象の実速度を入力として速度積分補償を行う位置制御方法において、
   任意の摩擦係数を推定した値を設定するステップと、
   設定された前記摩擦係数推定値に基づいて速度積分項フィードフォワードゲインを決定するステップと、
   前記速度積分項フィードフォワードゲインと位置指令に基づくモデル速度との乗算値を算出するステップと、
   前記乗算値を用いてモデル速度から前記速度積分補償の積分項への入力までの伝達関数を１より小さい値になるように減少させるステップと
   を備えたことを特徴とする位置制御方法。
7. 位置指令に基づいて少なくとも速度のフィードフォワードであるモデル速度を生成して、少なくとも前記モデル速度と被制御対象の実速度を入力として速度積分補償を行う位置制御方法において、
   被制御対象を制御する際の推定された外乱トルクから摩擦係数を推定するステップと、
   推定された摩擦係数推定値に基づいて速度積分項フィードフォワードゲインを決定するステップと、
   前記速度積分項フィードフォワードゲインと位置指令に基づくモデル速度との乗算値を算出するステップと、
   前記乗算値を用いてモデル速度から前記速度積分補償の積分項への入力までの伝達関数を１より小さい値になるように減少させるステップと
   を備えたことを特徴とする位置制御方法。
8. 位置指令に基づいて少なくともモデル位置と被制御対象の実位置を入力として位置の比例積分補償を行う位置制御装置において、
   任意の摩擦係数を推定した値を設定する摩擦係数推定値設定手段と、
   前記摩擦係数推定値設定手段によって設定された前記摩擦係数推定値に基づいて位置フィードフォワードゲインを決定するオーバーシュート抑制ゲイン演算手段と、
   前記位置フィードフォワードゲインと位置指令に基づくモデル位置との乗算値を算出する位置フィードフォワード係数手段と、
   を備え、
   前記位置フィードフォワード係数手段により算出された乗算値を用いてモデル位置から位置比例項への入力までの伝達関数を１より小さい値になるように減少させることを特徴とする位置制御装置。
9. 位置指令に基づいて少なくともモデル位置と被制御対象の実位置を入力として位置の比例積分補償を行う位置制御装置において、
   被制御対象を制御する際の推定された外乱トルクから摩擦係数を推定する摩擦係数推定手段と、
   前記摩擦係数推定手段によって推定された摩擦係数推定値に基づいて位置フィードフォワードゲインを決定するオーバーシュート抑制ゲイン演算手段と、
   前記位置フィードフォワードゲインと位置指令に基づくモデル位置との乗算値を算出する位置フィードフォワード係数手段と、
   を備え、
   前記位置フィードフォワード係数手段により算出された乗算値を用いてモデル位置から位置比例項への入力までの伝達関数を１より小さい値になるように減少させることを特徴とする位置制御装置。
10. 前記オーバーシュート抑制ゲイン演算手段は、前記位置フィードフォワードゲインに対応した前記摩擦係数推定値を示すテーブルを備え、
    前記テーブルに基づいて前記摩擦係数推定値から前記位置フィードフォワードゲインを決定することを特徴とする請求項８又は９に記載の位置制御装置。
11. 被制御対象に入力するトルクと実速度を用いて前記外乱トルクを推定する外乱オブザーバー手段を備えたことを特徴とする請求項９に記載の位置制御装置。
12. 前記摩擦係数推定手段が推定する前記摩擦係数推定値は、最小自乗法を用いて推定されることを特徴とする請求項９に記載の位置制御装置。
13. 位置指令に基づいて少なくともモデル位置と被制御対象の実位置を入力として位置の比例積分補償を行う位置制御方法において、
    任意の摩擦係数を推定した値を設定するステップと、
    設定された前記摩擦係数推定値に基づいて位置フィードフォワードゲインを決定するステップと、
    前記位置フィードフォワードゲインと位置指令に基づくモデル位置との乗算値を算出するステップと、
    前記乗算値を用いてモデル位置から位置比例項への入力までの伝達関数を１より小さい値になるように減少させるステップと、
    を備えたことを特徴とする位置制御方法。
14. 位置指令に基づいて少なくともモデル位置と被制御対象の実位置を入力として位置の比例積分補償を行う位置制御方法において、
    被制御対象を制御する際の推定された外乱トルクから摩擦係数を推定するステップと、
    推定された摩擦係数推定値に基づいて位置フィードフォワードゲインを決定するステップと、
    前記位置フィードフォワードゲインと位置指令に基づくモデル位置との乗算値を算出するステップと、
    前記乗算値を用いてモデル位置から位置比例項への入力までの伝達関数を１より小さい値になるように減少させるステップと、
    を備えたことを特徴とする位置制御方法。

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