JP4478898B2 - リニアモータの制御装置 - Google Patents
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Description
本発明は、リニアモータを駆動制御する方法とその装置に関し、特にリニアモータの高精度送りを実現する上で制御パラメータの高ゲイン化が必要であるときのキーとなる機械の固有振動対策を施す制御手段に係る。
これまでのリニアモータの構成例で、固有振動対策を施した従来例としては、例えば特開平９−１２１５８９号公報に掲載されているのがそれである。この従来例のリニアモータの駆動回路のブロック構成図を、図８に示す。これは図８に示すように、固定子側に配列された界磁マグネットと、この界磁マグネットと磁気空隙を介して移動可能に設けられた電機子コイル８１４Ａ，８１４Ｂ，８１４Ｃを有する移動体８０６とを具備する可動コイル型リニアモータ８０２であって、移動体８０６に設けた位置読出し部８２２からの信号に基づいて移動体８０６の位置を認識するエンコーダ部８２４と、界磁マグネットの磁極を検出するための磁極検出部８１６と、エンコーダ部８２４からの位置信号と位置指令信号とに基づいて制御信号を求める制御部８２６と、この制御部８２６の制御信号と磁極検出部８１６からの磁極検出信号に基づいて電機子コイル８１４Ａ，８１４Ｂ，８１４Ｃに供給する駆動電流を形成する駆動部８４４と、制御信号あるいは磁極検出信号から可動コイル型リニアモータ８０２の固有振動周波数と実質的に同一の周波数帯域の信号成分を減衰させる帯域減衰フィルタ部８４２とを備えるように構成することによって、帯域減衰フィルタ部８４２にて固有振動周波数と同一周波数成分の信号を減衰させ、移動体８０６の共振を抑制するものである。
ところで一般的にリニアモータおいては、可動部の質量と軸受の剛性により、ヨーイング(yawing・偏揺れ),ピッチング(pitching・縦揺れ),ローリング(rolling・横揺れ)の３つの固有振動モードを有する[図９参照]。そこで、特開平９−１２１５８９号公報以前の通常のリニアモータにおいては、位置(あるいは速度)センサでは目標指令値に対する動作量の他に、これらの振動成分を含んだ信号が検出される。よって、制御器にフィードバックされる信号に振動成分が含まれるため、機械的固有振動数で発振する現象が生じる。これを図１０に示し、制御に甚だしい障害となっていたことが分かる。
それで、先の特開平９−１２１５８９号公報では、予めリニアモータの機械的固有振動数に一致する周波数の帯域減衰フィルタ８４２を制御部８２６に設けて、機械の振動を除去し、ホスト・ホストコンピュータよりの位置指令信号(目標指令値)に対する追従性を向上させている[図１１参照]。
それで、先の特開平９−１２１５８９号公報では、予めリニアモータの機械的固有振動数に一致する周波数の帯域減衰フィルタ８４２を制御部８２６に設けて、機械の振動を除去し、ホスト・ホストコンピュータよりの位置指令信号(目標指令値)に対する追従性を向上させている[図１１参照]。
ところがこの従来技術 [特開平９−１２１５８９号公報] では、１つの機械的固有振動数にのみ対応しており、制御性能に影響を与える機械的固有振動数が２つ以上ある場合に、対応できないという問題がある。また、可動部の質量や経年変化により軸受の剛性が変化した場合、制御器に設定した周波数と機械的固有振動数との間にずれが生じるため、振動抑制ができなくなるという問題がある [図１２参照] 。
ここにおいて本発明では、このような機械的固有振動数が変化する場合や、２つ以上の機械的固有振動数が存在する場合でも、これらの振動を抑制し、高速、かつ高精度な動作を可能とするリニアモータの制御方法およびその装置を提供することを目的とする。
ここにおいて本発明では、このような機械的固有振動数が変化する場合や、２つ以上の機械的固有振動数が存在する場合でも、これらの振動を抑制し、高速、かつ高精度な動作を可能とするリニアモータの制御方法およびその装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明の請求項１の発明は、リニアモータを駆動させて機台に対し軸受を介した可動部を移動させるリニアモータ制御装置であって、前記可動部と前記機台との相対位置を検出する前記可動部の外側端に取付けられたセンサと、目標指令値に基づいて前記可動部の位置または速度を制御するフィードバック制御器と、前記フィードバック制御器の出力である推力指令に基づいて前記リニアモータを駆動させるドライブ部と、を備えたリニアモータ制御装置において、前記可動部および前記軸受を含む機械系のモデルと前記相対位置とに基づいて、前記可動部の重心点を中心とした３次元の回転振動によるセンサ点の変位を算出し、前記センサ点の変位と前記推力指令とに基づいて、前記重心点における前記可動部の移動位置および移動速度を推定するオブザーバを備え、推定した前記移動位置または前記移動速度を前記フィードバック制御器にフィードバックするものである。
リニアモータの機械的固有振動モード（ピッチング，ヨーイング，ローリング）では、可動部の重心点が振動の節となる。よって重心点における位置または速度の情報には、これらの振動成分が含まれない。この現象を利用して、重心点における位置や速度を制御器にフィードバックすれば、機械的固有振動の影響を受けない制御を行うことが可能である。
また、振動成分のみを制御器にフィードバックすると、振動の周波数，減衰を制御することが可能となる。従って、このようなリニアモータの機械的な固有の振動メカニズムに着目し、リニアモータの力学モデルを定式化した。この式をオブザーバとして制御系に組み込むことで、機械的固有振動成分を含まない重心点の位置，速度情報や機械的固有振動成分のみの分離を可能とした。
つまり、本発明の請求項１の発明によれば、先の従来の制御手段の問題点を解決するために、位置もしくは速度センサの情報と速度制御器から出力された推力指令の信号より、リニアモータ可動部の重心点における位置および速度の情報を推定し、この推定値を制御器にフィードバックするリニアモータの制御方法である。例えば可動部の質量が変化した場合でも、ノッチフィルタ[可変帯域フィルタ]を使用しなくても、その他制御系で予め予測設定した振動周波数が外乱でずれが生じた場合でも、機械的固有振動数の影響を全く受けることなく、被制御体（ワーク）の位置及び速度の制御が高精度送りを実現する上での制御パラメータのハイゲイン化の要求を完璧に充足できるという特段の効果を奏することが可能である。
リニアモータの機械的固有振動モード（ピッチング，ヨーイング，ローリング）では、可動部の重心点が振動の節となる。よって重心点における位置または速度の情報には、これらの振動成分が含まれない。この現象を利用して、重心点における位置や速度を制御器にフィードバックすれば、機械的固有振動の影響を受けない制御を行うことが可能である。
また、振動成分のみを制御器にフィードバックすると、振動の周波数，減衰を制御することが可能となる。従って、このようなリニアモータの機械的な固有の振動メカニズムに着目し、リニアモータの力学モデルを定式化した。この式をオブザーバとして制御系に組み込むことで、機械的固有振動成分を含まない重心点の位置，速度情報や機械的固有振動成分のみの分離を可能とした。
つまり、本発明の請求項１の発明によれば、先の従来の制御手段の問題点を解決するために、位置もしくは速度センサの情報と速度制御器から出力された推力指令の信号より、リニアモータ可動部の重心点における位置および速度の情報を推定し、この推定値を制御器にフィードバックするリニアモータの制御方法である。例えば可動部の質量が変化した場合でも、ノッチフィルタ[可変帯域フィルタ]を使用しなくても、その他制御系で予め予測設定した振動周波数が外乱でずれが生じた場合でも、機械的固有振動数の影響を全く受けることなく、被制御体（ワーク）の位置及び速度の制御が高精度送りを実現する上での制御パラメータのハイゲイン化の要求を完璧に充足できるという特段の効果を奏することが可能である。
本発明の請求項２の発明は、リニアモータを駆動させて機台に対し軸受を介した可動部を移動させるリニアモータ制御装置であって、前記推力指令と前記可動部と前記機台との相対位置を検出する前記可動部の外側端に取付けられたセンサと、目標指令値に基づいて前記可動部の位置または速度を制御するフィードバック制御器と、前記フィードバック制御器の出力である推力指令に基づいて前記リニアモータを駆動させるドライブ部と、を備えたリニアモータ制御装置において、前記可動部および前記軸受を含む機械系のモデルと前記相対位置とに基づいて、前記可動部の重心点を中心とした３次元の回転角および回転角速度の状態量を算出するオブザーバを備え、算出した前記回転角および前記回転角速度の状態量を前記推力指令に加算するものである。
本発明の請求項３の発明は、リニアモータを駆動させて機台に対し軸受を介した可動部を移動させるリニアモータ制御装置であって、前記可動部と前記機台との相対位置を検出する前記可動部の外側端に取付けられたセンサと、目標指令値に基づいて前記可動部の位置または速度を制御するフィードバック制御器と、前記フィードバック制御器の出力である推力指令に基づいて前記リニアモータを駆動させるドライブ部と、を備えたリニアモータ制御装置において、前記可動部および前記軸受を含む機械系のモデルと前記相対位置とに基づいて、前記可動部の重心点を中心とした３次元の回転振動によるセンサ点の変位を算出し、前記センサ点の変位と前記推力指令とに基づいて、前記重心点における前記可動部の移動位置および移動速度を推定し、かつ、前記推力指令と前記可動部および前記軸受を含む機械系のモデルと前記相対位置とに基づいて、前記可動部の重心点を中心とした３次元の回転角および回転角速度の状態量を算出するオブザーバを備え、推定した前記移動位置または前記移動速度を前記フィードバック制御器にフィードバックし、かつ、算出した前記回転角および前記回転角速度の状態量を前記推力指令に加算するものである。
本発明の請求項２および請求項３の発明によれば、さらに、推定された前記重心点を中心とした前記可動部の回転角度または回転角速度の状態量を用いてフィードバック制御が行われることで、きめ細かい制振作用が働き、さらなる高速・高精度の制御が可能になり、斯界に裨益するところ大と言える。
本発明の請求項４の発明は、請求項１乃至３のいずれか１つに記載された前記機械系のモデルが、前記リニアモータの推力を表すベクトルと、前記重心点における前記可動部の３次元の変位および前記重心点を中心とした前記可動部の３次元の回転角度を表すベクトルと、前記可動部と前記軸受との摺動面のクーロン摩擦を表すベクトルと、前記可動部の質量を表す行列と、前記可動部の減衰を表す行列と、前記軸受の剛性を表す行列と、で構成されるものである。
この本発明の請求項４の発明によれば、請求項１乃至請求項３の発明と同様な優れた効果が発揮できる。
以上のような、本発明の制御方法および制御装置を用いることで、機械的固有振動数の影響を受けずにリニアモータの制御が可能になるという特段の効果を奏する。
すなわち、リニアモータの機械的固有振動モード（ピッチング，ヨーイング，ローリング）では、可動部の重心点が振動の節となる。よって重心点における位置または速度の情報には、これらの振動成分が含まれない。この現象を利用して、重心点における位置や速度を制御器にフィードバックすれば、機械的固有振動の影響を受けない制御を行うことが可能である。また、振動成分のみを制御器にフィードバックすると、振動の周波数，減衰を制御することが可能となる。従って、このようなリニアモータの機械的な固有の振動メカニズムに着目し、リニアモータの力学モデルを定式化した。この式をオブザーバとして制御系に組み込むことで、機械的固有振動成分を含まない重心点の位置，速度情報や機械的固有振動成分のみの分離を可能とした。
すなわち、リニアモータの機械的固有振動モード（ピッチング，ヨーイング，ローリング）では、可動部の重心点が振動の節となる。よって重心点における位置または速度の情報には、これらの振動成分が含まれない。この現象を利用して、重心点における位置や速度を制御器にフィードバックすれば、機械的固有振動の影響を受けない制御を行うことが可能である。また、振動成分のみを制御器にフィードバックすると、振動の周波数，減衰を制御することが可能となる。従って、このようなリニアモータの機械的な固有の振動メカニズムに着目し、リニアモータの力学モデルを定式化した。この式をオブザーバとして制御系に組み込むことで、機械的固有振動成分を含まない重心点の位置，速度情報や機械的固有振動成分のみの分離を可能とした。
つまり、本発明によれば、先の従来の制御手段の問題点を解決するために、位置もしくは速度センサの情報と速度制御器から出力された信号より、リニアモータ可動部の重心点における位置および速度の情報を推定し、この推定値を制御器にフィードバックするリニアモータの制御方法である。
例えば可動部の質量が変化した場合でも、ノッチフィルタを使用しなくても、その他制御系で予め予測設定した振動周波数が外乱でずれが生じた場合でも、機械的固有振動数の影響を全く受けることなく、被制御体（ワーク）の位置及び速度の制御が高精度送りを実現する上での制御パラメータのハイゲイン化の要求を完璧に充足できるという顕著な効果を発揮できる。
例えば可動部の質量が変化した場合でも、ノッチフィルタを使用しなくても、その他制御系で予め予測設定した振動周波数が外乱でずれが生じた場合でも、機械的固有振動数の影響を全く受けることなく、被制御体（ワーク）の位置及び速度の制御が高精度送りを実現する上での制御パラメータのハイゲイン化の要求を完璧に充足できるという顕著な効果を発揮できる。
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。全ての図面において、同一符号は同一もしくは相当部材を示す。
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態におけるリニアモータの制御を行う電気的回路の構成を示すブロック図である。図２は、その主としてリニアモータ及び可動部周辺の機構を表す斜視図である。可動部１は電機子コイル２と一体となっており、固定側となる機台３に取付けられたレール４に対して、軸受５を用いて一定方向にのみ可働する。推力を発生するマグネット６は機台３に固着されている。電機子コイル２は、マグネット６に対向している。スケール７は機台３に取付けられ、可動部１の動作位置を測定するものであり、位置検出センサ８は可動部１に取付けられていて、スケール７から可動部１の位置を検出するものである。まずこの制御手段は、目標指令値９と可動部１に取付けられたセンサ８で検出した位置および速度の情報１０を比較し、偏差をとり、この偏差より制御演算を行い、推力指令１１を算出する。ドライブ部１０５は推力指令１１に相当する電流１２をリニアモータへ出力する。制御器では多くの場合、比例・積分・微分制御という制御則が用いられている。
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態におけるリニアモータの制御を行う電気的回路の構成を示すブロック図である。図２は、その主としてリニアモータ及び可動部周辺の機構を表す斜視図である。可動部１は電機子コイル２と一体となっており、固定側となる機台３に取付けられたレール４に対して、軸受５を用いて一定方向にのみ可働する。推力を発生するマグネット６は機台３に固着されている。電機子コイル２は、マグネット６に対向している。スケール７は機台３に取付けられ、可動部１の動作位置を測定するものであり、位置検出センサ８は可動部１に取付けられていて、スケール７から可動部１の位置を検出するものである。まずこの制御手段は、目標指令値９と可動部１に取付けられたセンサ８で検出した位置および速度の情報１０を比較し、偏差をとり、この偏差より制御演算を行い、推力指令１１を算出する。ドライブ部１０５は推力指令１１に相当する電流１２をリニアモータへ出力する。制御器では多くの場合、比例・積分・微分制御という制御則が用いられている。
位置制御器１０２には目標指令値９とオブザーバ１０７で推定した可動部重心点の位置情報１６との偏差が取り込まれる。速度制御器１０４には位置制御器１０２の出力とオブザーバ１０７で推定した可動部重心点の速度情報１７との偏差が取り込まれる。オブザーバ１０７から出力される位置および速度情報は、リニアエンコーダ[以下、単に『センサ』という]８からの位置情報１０と速度制御器１０４から出力される推力指令値１１から推定される。ドライブ部１０５では推力指令値１１に相当する電流１２が出力され、その電流１２により、リニアモータ１０６が駆動される。可動部１の位置情報１０は、センサ８によって検出され、オブザーバ１０７に取り込まれる。
図８の従来例の制御装置との相違点は、センサ８によって検出された位置情報１０を直接に制御器１０２，１０４にフィードバックするのではなく、センサ８の位置情報１０と推力指令値１１よりオブザーバ１０７で可動部１の重心点の位置情報１６,速度情報１７を推定して制御器１０２，１０４にフィードバックしていることである。
この実施の形態により、機械的固有振動の影響を受けずに制御が可能となり、高速かつ高精度な制御が実現できる。
この実施の形態により、機械的固有振動の影響を受けずに制御が可能となり、高速かつ高精度な制御が実現できる。
初めに機械モデルについて言及しておく。オブザーバを構成するために、リニアモータ駆動の可動部１の振動メカニズムの定式化を行う。軸受５の横（Ｙ）方向、上下（Ｚ）方向の剛性および摺動面の粘性摩擦、クーロン摩擦をモデル化する必要がある。
Ｆ＝Ｍｄ２Ｘ／ｄｔ２＋ＣｄＸ／ｄｔ＋ＫＸ＋Ｆｃ…（１式）
ここで、Ｘは可動部１の重心点における状態量を表すベクトルであり、重心点における位置と重心点を中心とした可動部の回転角度の状態量を表す。Ｍ，Ｃ，Ｋはそれぞれリニアモータの質量、減衰、剛性を表す行列、Ｆはリニアモータの推力、Ｆｃはリニアモータのクーロン摩擦を表すベクトルである。物体が弾性支持されている振動絶縁装置の運動方程式より、（１式）に示した行列成分とベクトル成分を求めた。
Ｘ＝（ｘ ｇ ｙ ｇ ｚ ｇ θ ｘ θ ｙ θ ｚ ） Ｔ …（２式）
Ｆ＝Ｍｄ２Ｘ／ｄｔ２＋ＣｄＸ／ｄｔ＋ＫＸ＋Ｆｃ…（１式）
ここで、Ｘは可動部１の重心点における状態量を表すベクトルであり、重心点における位置と重心点を中心とした可動部の回転角度の状態量を表す。Ｍ，Ｃ，Ｋはそれぞれリニアモータの質量、減衰、剛性を表す行列、Ｆはリニアモータの推力、Ｆｃはリニアモータのクーロン摩擦を表すベクトルである。物体が弾性支持されている振動絶縁装置の運動方程式より、（１式）に示した行列成分とベクトル成分を求めた。
Ｘ＝（ｘ ｇ ｙ ｇ ｚ ｇ θ ｘ θ ｙ θ ｚ ） Ｔ …（２式）
ここで、ｘ、ｙ、ｚは、それぞれ、リニアモータの動作方向、可動部のピッチング動作をなす軸となる方向、可動部のヨーイング動作をなす軸となる方向、Ｆ ｘ は可動部に与えられるリニアモータの推力（Ｎ）、ｘｇ，ｙｇ，ｚｇ はそれぞれ可動部重心点のｘ、ｙ、ｚ方向の変位（ｍ）、ｍは可動部質量（ｋｇ）、Ｉは可動部重心点周りの慣性テンソル（ｋｇ・ｍ２）［対角項が慣性モーメント、非対角項は慣性乗積］、Ｃｔは可動部摺動面の粘性摩擦（Ｎ・ｓ・ｍ）、Ｃｙ，Ｃｚ は重心点におけるヨーイング方向およびピッチング方向の減衰［Ｎ・ｍ・（ｓ／ｒａｄ）］、ｉは可動部の軸受の番号、ａｉｘ，ａｉｙ，ａｉｚはそれぞれ重心点から軸受ｉまでのｘ、ｙ、ｚ方向の距離、Δｙ，Δｚはそれぞれ重心点から推力作用点までのｙ、ｚ方向の距離（ｍ）、θｘ，θｙ，θｚ はそれぞれ可動部重心点のｘ軸まわり、ｙ軸まわり、ｚ軸まわりの回転角度（ｒａｄ）、Ｃｃｔは可動部摺動面のクーロン摩擦（Ｎ）、Ｋｉｙ，Ｋｉｚは軸受ｉの横方向と上下方向の剛性、Ｔは転置を意味する。
（２式）より、リニアモータ駆動可動部の振動は重心点位置を基準とした回転振動（ヨーイング、ピッチング、ローリング）と並進振動（translative vibration本発明の制御手段には余り関連がない）であることが分かる。
次に、（２式）より得られたθｙ，θｚ，ｘｇを用いて運動学計算し、センサ点の変位を算出する。ただし、ロール角θｘは制御性能には影響しないため、省略する。
センサ点の変位ｘ s は、
ｘ ｓ ＝（−Ｓｙsinθｚ＋Ｓｘcosθｚcosθｙ＋Ｓｚcosθｚsinθｙ＋ｘｇ）−Ｓ ｘ …（３式）
と表すことができる。ここでＳｘ，Ｓｙ，Ｓｚは重心点からセンサまでのｘ、ｙ、ｚ方向の距離（ｍ）である。
（２式）より、リニアモータ駆動可動部の振動は重心点位置を基準とした回転振動（ヨーイング、ピッチング、ローリング）と並進振動（translative vibration本発明の制御手段には余り関連がない）であることが分かる。
次に、（２式）より得られたθｙ，θｚ，ｘｇを用いて運動学計算し、センサ点の変位を算出する。ただし、ロール角θｘは制御性能には影響しないため、省略する。
センサ点の変位ｘ s は、
ｘ ｓ ＝（−Ｓｙsinθｚ＋Ｓｘcosθｚcosθｙ＋Ｓｚcosθｚsinθｙ＋ｘｇ）−Ｓ ｘ …（３式）
と表すことができる。ここでＳｘ，Ｓｙ，Ｓｚは重心点からセンサまでのｘ、ｙ、ｚ方向の距離（ｍ）である。
そしてオブザーバ１０７の構成について説明する。先に示した機械モデルを基にオブザーバ１０７を構成する。慣性乗積の項は十分小さく、慣性乗積の項は十分小さいことから、演算を簡略化するため、Ｉ ｘｙ ，Ｉ ｙｚ ，Ｉ ｚｚ ≒０、sinθ≒θ，cosθ≒１の近似を行った。
オブザーバ１０７における演算式は次の（４ａ式）、（４ｂ式）のように表せる。
オブザーバ１０７における演算式は次の（４ａ式）、（４ｂ式）のように表せる。
（第２の実施の形態）
図３は、オブザーバによる可動部重心点の位置情報の推定の代わりにリニアモータの機構で構成した第２の実施の形態の斜視図である。この場合、可動部１の重心点１３上にレーザセンサ１５の反射板１４[図示する可動部表面上の開溝側面でレーザセンサに対向する表面を指す]を配置する。機台３にレーザセンサ１５を設置し、可動部重心点１３上の位置を検出する。検出した位置情報はピッチングやヨーイングの振動成分を含まない信号であり、この信号を制御器１０２，１０４にフィードバックすることで、図２に示すオブザーバ１０７による制振制御と同様に機械的固有振動数の影響をうけずに高速かつ高精度な動作が可能となる。
図３は、オブザーバによる可動部重心点の位置情報の推定の代わりにリニアモータの機構で構成した第２の実施の形態の斜視図である。この場合、可動部１の重心点１３上にレーザセンサ１５の反射板１４[図示する可動部表面上の開溝側面でレーザセンサに対向する表面を指す]を配置する。機台３にレーザセンサ１５を設置し、可動部重心点１３上の位置を検出する。検出した位置情報はピッチングやヨーイングの振動成分を含まない信号であり、この信号を制御器１０２，１０４にフィードバックすることで、図２に示すオブザーバ１０７による制振制御と同様に機械的固有振動数の影響をうけずに高速かつ高精度な動作が可能となる。
（第３の実施の形態）
図４は、本発明の第３の実施の形態における回路の構成を示すブロック図である。
位置制御器１０２には、目標指令値９とセンサ８の位置情報１０との偏差が取り込まれる。速度制御器１０４にはセンサ８の位置情報１０を差分演算 [ここではディジタル演算であるが、アナログ演算の場合は微分演算である] した速度情報２０と位置制御器との偏差が取り込まれる。速度制御器１０４では、推力指令値１１を出力する。センサ８によって検出された位置情報１０と推力指令値１１よりオブザーバ１０７で可動部１の重心点の回転角情報１８と回転角速度情報１９を推定し、回転角フィードバックゲインＫ１,角速度フィードバックゲインＫ２を乗じて推力指令値１１に加算する。ドライブ部１０５では推力指令値１１に相当する電流１２が出力され、その電流１２により、リニアモータ１０６ が駆動される。可動部１の位置情報１０はセンサ８によって検出され、オブザーバ１０７ と制御器に取り込まれる。
図４は、本発明の第３の実施の形態における回路の構成を示すブロック図である。
位置制御器１０２には、目標指令値９とセンサ８の位置情報１０との偏差が取り込まれる。速度制御器１０４にはセンサ８の位置情報１０を差分演算 [ここではディジタル演算であるが、アナログ演算の場合は微分演算である] した速度情報２０と位置制御器との偏差が取り込まれる。速度制御器１０４では、推力指令値１１を出力する。センサ８によって検出された位置情報１０と推力指令値１１よりオブザーバ１０７で可動部１の重心点の回転角情報１８と回転角速度情報１９を推定し、回転角フィードバックゲインＫ１,角速度フィードバックゲインＫ２を乗じて推力指令値１１に加算する。ドライブ部１０５では推力指令値１１に相当する電流１２が出力され、その電流１２により、リニアモータ１０６ が駆動される。可動部１の位置情報１０はセンサ８によって検出され、オブザーバ１０７ と制御器に取り込まれる。
この実施の形態により、機械的固有振動数を除去した制御が可能となり、高速かつ高精度な動作が実現できる。本実施の形態では、１つの機械的固有振動モードの回転角と回転角速度のみを推定し、フィードバックしているが、２つ以上の機械的固有振動モードに対しても可能である、つまり制振制御が常に連続して行われているので逐次変化する機械的固有振動モードに対応できることは自明である。オブザーバ１０７による推定の代わりに、リニアモータの機構で構成することも可能である。その場合、可動部１にジャイロセンサ[不図示]を配置する。これにより可動部の回転角情報，回転角速度情報のみを検出し、制御器にフィードバックすることで機械的固有振動数の影響を受けずに高速かつ高精度な動作が可能となる。
（第４の実施の態様）
図５は、本発明の第４の実施の形態における回路の構成を示すブロック図である。位置制御器１０２には目標指令値９とオブザーバ１０７で推定した可動部重心点の位置情報１６との偏差が取り込まれる。速度制御器１０４には、位置制御器１０２の出力とオブザーバ１０７で推定した可動部重心点の速度情報１７との偏差が取り込まれる。速度制御器１０４では、推力指令値１１を出力する。センサ８によって検出された位置情報１０と推力指令値１１によりオブザーバ１０７で可動部１の重心点における位置情報１６,速度情報１７と重心点の回転角情報１８,回転角速度情報１９を推定する。推定した回転角情報１８と回転角速度情報１９は、それぞれ回転角フィードバックゲインＫ１,角速度フィードバックゲインＫ２を乗じて推力指令値１１に加算する。ドライブ部では推力指令値１１に相当する電流１２が出力され、その電流１２により、リニアモータ１０６が駆動される。可動部１の位置情報１０はセンサ８によって検出され、オブザーバ１０７と制御器１０２，１０４に取り込まれる。この第４の実施の態様により、機械的固有振動数の影響を受けずに制御が可能となり、高速かつ高精度な動作が実現できる。また、この第４の実施の態様では、１つの固有振動モードの回転角と回転角速度のみを推定し、フィードバックしたが、２つ以上の固有振動モードに対して、推定し、フィードバックすることも可能である、すなわち、制御は連続してセンサからの検出された位置または速度情報により演算されるから、円滑に高速かつ高精度の制振制御ができる。
図５は、本発明の第４の実施の形態における回路の構成を示すブロック図である。位置制御器１０２には目標指令値９とオブザーバ１０７で推定した可動部重心点の位置情報１６との偏差が取り込まれる。速度制御器１０４には、位置制御器１０２の出力とオブザーバ１０７で推定した可動部重心点の速度情報１７との偏差が取り込まれる。速度制御器１０４では、推力指令値１１を出力する。センサ８によって検出された位置情報１０と推力指令値１１によりオブザーバ１０７で可動部１の重心点における位置情報１６,速度情報１７と重心点の回転角情報１８,回転角速度情報１９を推定する。推定した回転角情報１８と回転角速度情報１９は、それぞれ回転角フィードバックゲインＫ１,角速度フィードバックゲインＫ２を乗じて推力指令値１１に加算する。ドライブ部では推力指令値１１に相当する電流１２が出力され、その電流１２により、リニアモータ１０６が駆動される。可動部１の位置情報１０はセンサ８によって検出され、オブザーバ１０７と制御器１０２，１０４に取り込まれる。この第４の実施の態様により、機械的固有振動数の影響を受けずに制御が可能となり、高速かつ高精度な動作が実現できる。また、この第４の実施の態様では、１つの固有振動モードの回転角と回転角速度のみを推定し、フィードバックしたが、２つ以上の固有振動モードに対して、推定し、フィードバックすることも可能である、すなわち、制御は連続してセンサからの検出された位置または速度情報により演算されるから、円滑に高速かつ高精度の制振制御ができる。
図６は、本発明を用いた場合の可動部の応答速度の時間の推移による変化曲線特性図である。図１１の従来技術( 帯域減衰フィルタを使った場合) と同等な効果が得られている。さらに、機械的固有振動数が変化した場合でも、図１２の従来技術( 帯域減衰フィルタを使った場合) に比べ制振が可能である[ 図７参照] 。
さらに、本発明の全ての実施の態様において、図６，図７の結果が得られる。
さらに、本発明の全ての実施の態様において、図６，図７の結果が得られる。
１ 可動部
２ 電機子コイル
３ 機台
４ レール
５ 軸受
６ マグネット
７ スケール
８ センサ
９ 目標指令値
１０ センサ位置情報
１１ 推力指令値
１２ 電流
１３ 可動部の重心点
１４ レーザセンサの反射板
１５ レーザセンサ
１６ 可動部の重心点の位置情報
１７ 可動部の重心点の速度情報
１８ 可動部の重心点の回転角情報
１９ 可動部の重心点の回転角速度情報
２０ センサ速度情報
１０１，１０３ 減算器
１０２ 位置制御器
１０４ 速度制御器
１０５ ドライブ部
１０６ リニアモータおよび可動部
１０７ オブザーバ
１０８ 差分演算器
１０９ 加算器
２ 電機子コイル
３ 機台
４ レール
５ 軸受
６ マグネット
７ スケール
８ センサ
９ 目標指令値
１０ センサ位置情報
１１ 推力指令値
１２ 電流
１３ 可動部の重心点
１４ レーザセンサの反射板
１５ レーザセンサ
１６ 可動部の重心点の位置情報
１７ 可動部の重心点の速度情報
１８ 可動部の重心点の回転角情報
１９ 可動部の重心点の回転角速度情報
２０ センサ速度情報
１０１，１０３ 減算器
１０２ 位置制御器
１０４ 速度制御器
１０５ ドライブ部
１０６ リニアモータおよび可動部
１０７ オブザーバ
１０８ 差分演算器
１０９ 加算器
Claims (4)
- リニアモータを駆動させて機台に対し軸受を介した可動部を移動させるリニアモータ制御装置であって、前記可動部と前記機台との相対位置を検出する前記可動部の外側端に取付けられたセンサと、目標指令値に基づいて前記可動部の位置または速度を制御するフィードバック制御器と、前記フィードバック制御器の出力である推力指令に基づいて前記リニアモータを駆動させるドライブ部と、を備えたリニアモータ制御装置において、
前記可動部および前記軸受を含む機械系のモデルと前記相対位置とに基づいて、前記可動部の重心点を中心とした３次元の回転振動によるセンサ点の変位を算出し、前記センサ点の変位と前記推力指令とに基づいて、前記重心点における前記可動部の移動位置および移動速度を推定するオブザーバを備え、
推定した前記移動位置または前記移動速度を前記フィードバック制御器にフィードバックすることを特徴とするリニアモータ制御装置。 - リニアモータを駆動させて機台に対し軸受を介した可動部を移動させるリニアモータ制御装置であって、前記可動部と前記機台との相対位置を検出する前記可動部の外側端に取付けられたセンサと、目標指令値に基づいて前記可動部の位置または速度を制御するフィードバック制御器と、前記フィードバック制御器の出力である推力指令に基づいて前記リニアモータを駆動させるドライブ部と、を備えたリニアモータ制御装置において、
前記推力指令と前記可動部および前記軸受を含む機械系のモデルと前記相対位置とに基づいて、前記可動部の重心点を中心とした３次元の回転角および回転角速度の状態量を算出するオブザーバを備え、
算出した前記回転角および前記回転角速度の状態量を前記推力指令に加算することを特徴とするリニアモータ制御装置。 - リニアモータを駆動させて機台に対し軸受を介した可動部を移動させるリニアモータ制御装置であって、前記可動部と前記機台との相対位置を検出する前記可動部の外側端に取付けられたセンサと、目標指令値に基づいて前記可動部の位置または速度を制御するフィードバック制御器と、前記フィードバック制御器の出力である推力指令に基づいて前記リニアモータを駆動させるドライブ部と、を備えたリニアモータ制御装置において、
前記可動部および前記軸受を含む機械系のモデルと前記相対位置とに基づいて、前記可動部の重心点を中心とした３次元の回転振動によるセンサ点の変位を算出し、前記センサ点の変位と前記推力指令とに基づいて、前記重心点における前記可動部の移動位置および移動速度を推定し、かつ、前記推力指令と前記可動部および前記軸受を含む機械系のモデルと前記相対位置とに基づいて、前記可動部の重心点を中心とした３次元の回転角および回転角速度の状態量を算出するオブザーバを備え、
推定した前記移動位置または前記移動速度を前記フィードバック制御器にフィードバックし、かつ、算出した前記回転角および前記回転角速度の状態量を前記推力指令に加算することを特徴とするリニアモータ制御装置。 - 前記機械系のモデルが、前記リニアモータの推力を表すベクトルと、前記重心点における前記可動部の３次元の変位および前記重心点を中心とした前記可動部の３次元の回転角度を表すベクトルと、前記可動部と前記軸受との摺動面のクーロン摩擦を表すベクトルと、前記可動部の質量を表す行列と、前記可動部の減衰を表す行列と、前記軸受の剛性を表す行列と、で構成されることを特徴とした請求項１乃至３のいずれか１つに記載のリニアモータ制御装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2008132983A JP4478898B2 (ja) | 2008-05-21 | 2008-05-21 | リニアモータの制御装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2008132983A JP4478898B2 (ja) | 2008-05-21 | 2008-05-21 | リニアモータの制御装置 |
Related Parent Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP32061999A Division JP4182311B2 (ja) | 1999-11-11 | 1999-11-11 | リニアモータの制御方法とその装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2008199893A JP2008199893A (ja) | 2008-08-28 |
| JP4478898B2 true JP4478898B2 (ja) | 2010-06-09 |
Family
ID=39758315
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2008132983A Expired - Lifetime JP4478898B2 (ja) | 2008-05-21 | 2008-05-21 | リニアモータの制御装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP4478898B2 (ja) |
-
2008
- 2008-05-21 JP JP2008132983A patent/JP4478898B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2008199893A (ja) | 2008-08-28 |
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