JP5284229B2

JP5284229B2 - 位置決め装置

Info

Publication number: JP5284229B2
Application number: JP2009210919A
Authority: JP
Inventors: 正黒岩
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2009-09-11
Filing date: 2009-09-11
Publication date: 2013-09-11
Anticipated expiration: 2029-09-11
Also published as: JP2011060139A

Description

この発明は、目標追跡装置などに用いられる位置決め装置に関する。

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み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支障がなかったため、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（非特許文献１参照）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（特許文献１参照）などが提案されている。

特開２００５−２６７２９６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，富士時報，Vol.77，No,6，200４．

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。また、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。

この発明は上記事情に着目してなされたもので、その目的とするところは、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を提供することにある。

上記目的を達成するためにこの発明に係る位置決め装置は、粗動機構と、前記粗動機構より単位変位量が小さい微動機構と、前記粗動機構の位置、角度、速度、角速度等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する粗動機構制御部と、前記微動機構の位置、角度、速度、角速度等に関するセンサ信号に基づく微動機構制御信号により制御する微動機構制御部と、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、前記粗動制御信号及び前記粗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パラメータとから、前記粗動機構の動作により発生する前記微動機構の位置決め誤差を算出し、前記誤差を相殺させるための外乱相殺信号を生成して前記微動制御信号に加算する外乱相殺信号生成部とを具備する。

また、この発明に係る位置決め方法は、粗動機構と、前記粗動機構より単位変位量が小さい微動機構と、前記粗動機構の位置、角度、速度、角速度等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する粗動機構制御部と、前記微動機構の位置、角度、速度、角速度等に関するセンサ信号に基づく微動機構制御信号により制御する微動機構制御部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し、前記粗動制御信号及び前記粗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パラメータとから、前記粗動機構の動作により発生する前記微動機構の位置決め誤差を算出し、前記誤差を相殺させるための外乱相殺信号を生成して前記微動制御信号に加算するものである。

したがってこの発明によれば、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。

この発明に係る位置決め装置の一実施形態を示す構成図。図１に示した位置決め装置の機能ブロック図。図１に示した外乱相殺信号生成部の動作を示すフローチャート。

以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態を詳細に説明する。
図１に、本発明に係る位置決め装置の一実施形態を示す構成図を示す。図２に、この位置決め装置の機能ブロック図を示す。

粗動微動機構部５は、粗動機構１及び微動機構２を備える。粗動機構１は、広範な動作範囲内で高速に対象物の位置・方向に指向させる機構で、微動機構２は、粗動機構１に比べると単位変位量が小さく、狭い動作範囲内で精密な位置・方向を合わせる機構である。

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、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く粗動機構制御信号により粗動機構１を制御し駆動する。微動機構制御駆動部２０は、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く微動機構制御信号により微動機構２を制御し駆動する。

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の、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、粗動機構制御駆動部１０内の粗動機構制御系１１に入出力される粗動機構駆動信号及び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とから、粗動機構１を動作させることによって発生する微動機構２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し、微動機構制御駆動部２０内の微動機構制御系２１からの出力である微動機構制御信号に加算する。

次にこのように構成された位置決め装置の動作について説明する。
図３に、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、粗動機構制御系１１から粗動機構制御信号と粗動機構センサ信号とを取り込む（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）。粗動機構センサ信号と粗動機構制御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やアクチュエータの動作式等に基づいて粗動機構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の動作軸が回転２軸の場合の粗動機構の運動方程式を次式に示す。

次に、上記加速度又は角加速度のうち、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、駆動機構及び微動機構のパラメータと駆動機構のセンサ信号を用い、駆動機構の動作軸の方向と微動機構の動作軸とのなす角度の方向余弦から算出する。

次に、微動機構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への外乱量（加速度、角加速度、力、トルク等）を算出する。以下に、微動機構２の動作軸が回転軸の場合の微動機構への外乱量の算出式の一例を示す。
微動機構への外乱トルク＝
微動機構可動部の慣性モーメント（回転軸回り）×粗動機構角加速度×外乱寄与率
外乱相殺信号演算部３１は、微動機構のパラメータ値を用い、微動機構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補正制御量（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）。

以上述べたように、上記実施形態では、粗動制御信号及び粗動機構のセンサ信号と、粗動機構及び微動機構に関するパラメータとから、粗動機構１の動作により発生する微動機構２の位置決め誤差を算出し、誤差を相殺させるための外乱相殺信号を生成して微動制御信号に加算するようにしている。

したがって、上記実施形態によれば、粗動機構１の動作によって生じる加速度や角加速度に起因する微動機構２の位置決め誤差が増大する影響を低減させ、高速かつ高精度な目標追跡装置を実現することができる。

なお、この発明は、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せにより種々の発明を形成できる。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、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合せてもよい。

５…粗動微動機構部、１…粗動機構、２…微動機構、５０…制御駆動部、１０…粗動機構制御駆動部、２０…微動機構制御駆動部、３０…外乱相殺信号生成部、１１…粗動機構制御系、１２…粗動機構駆動系、２１…微動機構制御系、２２…微動機構駆動系、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位量が小さい微動機構と、
前記粗動機構の位置、角度、速度、角速度等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する粗動機構制御部と、
前記微動機構の位置、角度、速度、角速度等に関するセンサ信号に基づく微動機構制御信号により制御する微動機構制御部と、
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、
前記粗動制御信号及び前記粗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パラメータとから、前記粗動機構の動作により発生する前記微動機構の位置決め誤差を算出し、前記誤差を相殺させるための外乱相殺信号を生成して前記微動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位量が小さい微動機構と、前記粗動機構の位置、角度、速度、角速度等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する粗動機構制御部と、前記微動機構の位置、角度、速度、角速度等に関するセンサ信号に基づく微動機構制御信号により制御する微動機構制御部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し、
前記粗動制御信号及び前記粗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パラメータとから、前記粗動機構の動作により発生する前記微動機構の位置決め誤差を算出し、前記誤差を相殺させるための外乱相殺信号を生成して前記微動制御信号に加算することを特徴とする位置決め方法。