JP5382777B2 - 位置決め制御系の外乱非干渉化補償装置 - Google Patents

Description

本発明は、連結された複数の機台又は単一の機台に、複数の駆動体を搭載した装置における各駆動体の位置を制御する位置決め制御系の外乱非干渉化補償装置に関する発明である。

連結された複数の機台又は単一の機台に、複数の駆動体を搭載した装置としては、例えば、特許文献１（特開２００４−１０４０７５号公報）に記載された構成のモジュール型部品実装機が知られている。このモジュール型部品実装機は、図１に示すように、複数台（図面では２台）のモジュール１，２を連結し、各モジュール１，２にそれぞれ２つの駆動体１Ａ，１Ｂと２Ａ，２Ｂを搭載した構成のものがある。この構成では、一方のモジュール１の一方の駆動体１Ａを加減速駆動したときに発生する外乱（振動）が自身のモジュール１の機台１Ｃを介して他方の駆動体１Ｂに伝達されて当該他方の駆動体１Ｂの位置決め精度を悪化させるだけではなく、当該外乱が、隣接する他のモジュール２の機台２Ｃを介して当該他のモジュール２の駆動体２Ａ，２Ｂにも伝達されて、当該駆動体２Ａ，２Ｂの位置決め精度を悪化させる場合がある。

このような問題に対しては、従来より、各モジュール１，２を高剛性化して外乱（振動）を抑制することが一般的な対策となっているが、機台１Ｃ，２Ｃや駆動機構の高剛性化は、機台１Ｃ，２Ｃの大型化、重量増加、高コスト化を招き、近年の重要な技術的課題である装置のコンパクト化、軽量化、低コスト化の要求を満たすことができないばかりでなく、高剛性化による外乱抑制効果にも限界があるため、近年来の高速駆動化に伴って益々増大する外乱の影響を十分に抑え込むことができくなってきている。

また、露光機等の大型装置については、特許文献２（特開２００６−３２７８８号公報）に記載されているように、外乱（振動）を打ち消すためのカウンタマスと、これを駆動するアクチュエータと、外乱を検出するセンサとを設け、このセンサの出力に基づいてアクチュエータによりカウンタマスを能動的に駆動して外乱を打ち消すようにしたものがある。しかし、この構成では、カウンタマスを用いた制振制御システムを新たに搭載する必要があり、装置のコンパクト化、軽量化、低コスト化の要求を満たすことができない。

尚、特許文献３（特開２００４−２５９１８０号公報）には、駆動体を直交する２方向（Ｘ軸方向とＹ軸方向）に駆動するＸＹ駆動機構において、駆動体をＸ軸方向とＹ軸方向に二次元的に移動させる場合に、Ｘ軸・Ｙ軸の傾き等によるＸ軸・Ｙ軸の構造上の誤差により駆動体の運動軌跡が目標の経路からずれるという課題を解決するために、駆動体の運動軌跡のＸ軸方向のずれを低減する手段として、Ｘ軸駆動系の周波数伝達特性に応じた補正係数によりＸ軸方向指令信号を補正し、駆動体の運動軌跡のＹ軸方向のずれを低減する手段として、Ｙ軸駆動系の周波数伝達特性に応じた補正係数によりＹ軸方向指令信号を補正するサーボ制御系が記載されている。

しかし、この特許文献３のサーボ制御系は、Ｘ軸・Ｙ軸の傾き等によるＸ軸・Ｙ軸の構造上の誤差により駆動体の運動軌跡が目標の経路からずれるという課題を解決するものであり、いずれかの駆動体の加減速駆動により発生する外乱が機台を介して隣接する他の駆動体に伝達されて当該他の駆動体の位置決め精度を悪化させるという課題を解決するものではない。

特開２００４−１０４０７５号公報 特開２００６−３２７８８号公報 特開２００４−２５９１８０号公報

上述したように、いずれかの駆動体の加減速駆動により発生する外乱が機台を介して隣接する他の駆動体に伝達されて当該他の駆動体の位置決め精度を悪化させるという課題に対しては、従来技術では、装置の高剛性化やカウンタマスを用いた制振制御システムで対策しているため、装置が大型化、重量増加、コストアップするのは避けられず、近年の重要な技術的課題である装置のコンパクト化、軽量化、低コスト化の要求を満たすことができない。しかも、現在使用している既存の装置では、高剛性化やカウンタマスを用いた制振制御システムを搭載する空きスペースを確保するのは困難であり、隣接する駆動体から伝達される外乱による駆動体の位置決め精度の悪化の課題を解決することは出来ない。

そこで、本発明が解決しようとする課題は、隣接する駆動体から伝達される外乱による駆動体の位置決め精度の悪化の課題を、ソフトウエアの変更又は追加のみで解決することができて、装置の大型化、重量増加を回避しながら、低コストで駆動体の位置決め精度を向上できる位置決め制御系の外乱非干渉化補償装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、請求項１に係る発明は、連結された複数の機台又は単一の機台に、複数の駆動源で個別に加減速駆動される複数の駆動体を搭載し、且ついずれかの駆動体の加減速駆動により発生した外乱が前記機台を介して隣接する他の駆動体に伝達される装置における各駆動体の位置を制御する位置決め制御系において、前記駆動体の位置を観測する観測手段と、前記外乱の影響を受ける側の駆動体の制御量に対して該外乱の非干渉化補償を行う外乱非干渉化補償器とを備え、前記外乱非干渉化補償器は、外乱発生側の駆動体の操作量を入力として、前記外乱の影響を受ける側の駆動体の制御量に対する該外乱の非干渉化補償を行うためのフィードフォワード補償量を出力する第１のフィードフォワード補償器と、前記外乱発生側の駆動体の操作量を入力として目標指令補正量を出力する第２のフィードフォワード補償器と、前記外乱の影響を受ける側の駆動体の操作量を前記第１のフィードフォワード補償器の出力で補正する第１の演算器と、前記外乱の影響を受ける側の駆動体の目標指令を前記第２のフィードフォワード補償器の出力で補正する第２の演算器とを備えた構成としたものである。

この構成では、いずれかの駆動体の加減速駆動により発生した外乱が機台を介して隣接する他の駆動体に伝達される装置において、外乱の影響を受ける側の駆動体の制御量に対して該外乱の非干渉化補償を行う外乱非干渉化補償器を備えているため、外乱の影響を受ける側の駆動体の制御量を外乱の影響が非干渉化されるように補償することで、当該駆動体の制御量に外乱の影響が現れるのを防止することができる。これにより、隣接する駆動体から伝達される外乱による駆動体の位置決め精度の悪化の課題を、ソフトウエアの変更又は追加のみで解決することが可能となり、装置の大型化、重量増加を回避しながら、低コストで駆動体の位置決め精度を向上させることができる。

更に、請求項２のように、第１のフィードフォワード補償器は、外乱の影響を受ける側の駆動体の操作量から制御量までの伝達特性のノミナルモデルの逆特性と、その逆特性をプロパ化するために制御帯域よりも高い遮断周波数を有するフィルタと、前記外乱発生側の駆動体の操作量から外乱の影響を受ける側の駆動体の制御量までの伝達特性との積により表現される構成とすれば良い。

また、請求項３のように、第２のフィードフォワード補償器は、外乱の影響を受ける側の駆動体の操作量から制御量までの伝達特性のノミナルモデルの逆特性と、その逆特性をプロパ化するために制御帯域よりも高い遮断周波数を有するフィルタと、前記外乱発生側の駆動体の操作量から外乱の影響を受ける側の駆動体の制御量までの伝達特性と、前記外乱の影響を受ける側の駆動体の操作量から観測量までの伝達特性との積により得られる伝達関数と、前記外乱発生側の駆動体の操作量から外乱の影響を受ける側の駆動体の観測量までの伝達関数との差によって表現される構成とすれば良い。

また、請求項４のように、外乱発生側の駆動体が複数存在し、複数の外乱発生側の駆動体の加減速駆動により発生した複数の外乱が１つの駆動体に伝達されるシステムでは、外乱非干渉化補償器は、前記複数の外乱発生側の駆動体に対応して前記第１のフィードフォワード補償器と前記第１のフィードフォワード補償器をそれぞれ複数個ずつ備え、前記複数の第１のフィードフォワード補償器の出力の和を演算して新たなフィードフォワード補償量として前記第１の演算器に出力する第３の演算器と、前記複数の第２のフィードフォワード補償器の出力の和を演算して新たな目標指令補正量として前記第２の演算器に出力する第４の演算器とを備えた構成とすれば良い。この構成により、複数の外乱発生側の駆動体で発生した複数の外乱の影響を受ける側の駆動体の制御量を複数の外乱の影響が非干渉化されるように補償することができる。

図１は、複数の駆動体を搭載した装置の一例を説明する構成図である。 図２は、モジュール間干渉特性を考慮したシステムのブロック線図である。 図３は、ボールねじ駆動テーブルモジュールからリニアモータ駆動テーブルモジュールへの外乱の非干渉化補償（モジュール間干渉補償）を行う外乱非干渉化補償装置のブロック線図である。 図４は、図３のブロック線図に、制御量に対する外乱非干渉化補償を追加したブロック線図である。 図５は、モジュール間干渉補償に伴う特性誤差補償後のブロック線図である。 図６は、リニアモータ駆動テーブルモジュールにおける、観測量に対するモジュール間干渉補償を適用したシステムのブロック線図である（実施例１）。 図７は、モジュール間干渉補償に用いるＰ´_ublm(s) モデルのゲインと位相の周波数特性を示す図である。 図８は、ｕ^* _b −ｕ_c 間のゲインと位相の周波数特性を示す図である。 図９は、ボールねじ駆動テーブルモジュールが１００００パルス移動したときのモジュール間干渉補償入力の応答波形を示す図である。 図１０は、ボールねじ駆動テーブルモジュールが１００００パルス移動したときのモジュール間干渉補償入力の周波数特性を示す図である。 図１１はモジュール間干渉補償を行わない比較例の測定結果を示し、（ａ）はボールねじ駆動テーブルモジュールのモータ位置偏差応答波形を示し、（ｂ）はリニアモータ駆動テーブルモジュールのモータ位置偏差応答波形を示す図である。 図１２はモジュール間干渉補償を行わない比較例の測定結果を示し、（ａ）はボールねじ駆動テーブルモジュールの軌跡追従誤差を示し、（ｂ）はリニアモータ駆動テーブルモジュールの軌跡追従誤差を示す図である。 図１３はモジュール間干渉補償を行わない比較例の測定結果を示し、（ａ）はボールねじ駆動テーブルモジュールのノズル先端と基板との間の相対位置に対してＦＦＴ（高速フーリエ変換）を行った解析結果を示し、（ｂ）はリニアモータ駆動テーブルモジュールのノズル先端と基板との間の相対位置に対してＦＦＴを行った解析結果を示す図である。 図１４はモジュール間干渉補償を行う実施例１の測定結果を示し、（ａ）はボールねじ駆動テーブルモジュールのモータ位置偏差応答波形を示し、（ｂ）はリニアモータ駆動テーブルモジュールのモータ位置偏差応答波形を示す図である。 図１５はモジュール間干渉補償を行う実施例１の測定結果を示し、（ａ）はボールねじ駆動テーブルモジュールの軌跡追従誤差を示し、（ｂ）はリニアモータ駆動テーブルモジュールの軌跡追従誤差を示す図である。 図１６はモジュール間干渉補償を行う実施例１の測定結果を示し、（ａ）はボールねじ駆動テーブルモジュールのノズル先端と基板との間の相対位置に対してＦＦＴ（高速フーリエ変換）を行った解析結果を示し、（ｂ）はリニアモータ駆動テーブルモジュールのノズル先端と基板との間の相対位置に対してＦＦＴを行った解析結果を示す図である。 図１７は、複数の駆動体から受ける複数の外乱を同時に補償するシステムのブロック線図である（実施例３）。

本発明は、連結された複数の機台又は単一の機台に、複数の駆動体を搭載した装置における各駆動体の位置を制御する位置決め制御系に広く適用して実施可能であるが、本発明の理論を理解しやすくするために、まず、連結された２台の機台又は単一の機台に、２つの駆動体を搭載した装置を用いて説明する。

図２は、モジュール間干渉特性を考慮したシステムのブロック線図であり、「モジュール間干渉特性」とは、例えば、ボールねじ駆動テーブルモジュール１とリニアモータ駆動テーブルモジュール２との間で、一方のモジュールの駆動体の加減速駆動により発生した外乱が各モジュール１，２の機台を介して他方のモジュールの駆動体に伝達される特性のことである。

図２において、添字ｂ，ｌは、それぞれボールねじ駆動テーブルモジュール１とリニアモータ駆動テーブルモジュール２のものを示し、ｕ_b ，ｕ_l は操作量、ｘ_bm，ｘ_lmはモータ位置、ｘ_bs″，ｘ_ls″は機台加速度、Ｐ_bm，Ｐ_lmは操作量とモータ位置との間の伝達特性、Ｐ_bs，Ｐ_lsは操作量と機台加速度との間の伝達特性である。Ｐ_ulbmはリニアモータ駆動テーブルモジュール２の操作量とボールねじ駆動テーブルモジュール１のモータ位置との間の干渉特性、Ｐ_ulbsはリニアモータ駆動テーブルモジュール２の操作量とボールねじ駆動テーブルモジュール１の機台加速度との間の伝達特性、Ｐ_ublmは、ボールねじ駆動テーブルモジュール１の操作量とリニアモータ駆動テーブルモジュール２のモータ位置との間の伝達特性、Ｐ_ublsは、ボールねじ駆動テーブルモジュール１の操作量とリニアモータ駆動テーブルモジュール２の機台加速度の伝達特性である。

以下、ボールねじ駆動テーブルモジュール１の加減速駆動により発生した外乱がリニアモータ駆動テーブルモジュール２に伝達されてモータ位置の位置決め精度に与える影響を低減することを目的として、本発明の外乱非干渉化補償装置を適用した例を説明する。

外乱の非干渉化補償を行う方法は、観測量に対して外乱の非干渉化補償を行う場合と、制御量に対して外乱の非干渉化補償を行う場合の２通りの方法があり、以下、それぞれの方法を説明する。
［観測量に対する外乱非干渉化補償］
まず、外乱の影響を受ける側の駆動体（テーブル）の観測量に対して該外乱の非干渉化補償を行う外乱非干渉化補償装置について説明する。

図３は、ボールねじ駆動テーブルモジュール１からリニアモータ駆動テーブルモジュール２への外乱の非干渉化補償（モジュール間干渉補償）を行う外乱非干渉化補償装置のブロック線図であり、観測量（モータ位置）に対して外乱の非干渉化補償を行う。

図３において、ｘ^* _lmは目標値、Ｃ_l (s) はフィードバック補償器、ｕ_l は操作量、 Ｐ_l (s) はリニアモータ駆動テーブルモジュール２の特性、ｘ_lmはモータ位置、ｘ_ls″は機台加速度、ｕ_b はボールねじ駆動テーブルモジュール１の操作量、ｕ_c はモジュール間干渉の補償入力である。Ｐ_ublm(s) は、ボールねじ駆動テーブルモジュール１の操作量とリニアモータ駆動テーブルモジュール２のモータ位置との間の伝達特性、Ｐ_ubls(s) は、ボールねじ駆動テーブルモジュール１の操作量とリニアモータ駆動テーブルモジュール２の機台加速度の伝達特性である。

以下、外乱（モジュール間干渉）による影響を低減するために必要な補償入力ｕ_c を導き出す方法を説明する。
図３中、目標値ｘ^* _lmからモータ位置ｘ_lm（観測量）までの特性は次式で表される。
｛（ｘ^* _lm−ｘ_lm）・Ｃ_l (s) −ｕ_c ｝Ｐ_la(s) ＋ｕ_b ・Ｐ_ublm(s) ＝ｘ_lm …（１）

上式の左辺は、次のように変形される。
（ｘ^* _lm−ｘ_lm）・Ｃ_l (s) ・Ｐ_la(s) −ｕ_c ・Ｐ_la(s) ＋ｕ_b ・Ｐ_ublm(s) ＝ｘ_lm
…（２）

上記（１）、（２）式において、Ｐ_la(s) は、リニアモータ駆動テーブルモジュール２の特性Ｐ_l (s) の操作量からモータ位置までの伝達特性である。
従って、観測量に対する外乱（モジュール間干渉）の影響を打ち消すためには、次の条件を満たす必要がある。
ｕ_c ・Ｐ_la(s) ＝ｕ_b ・Ｐ_ublm(s) …（３）

補償入力ｕ_c は、次式で求められる。
ｕ_c ＝ｕ_b ・Ｐ_ublm(s) ／Ｐ_la(s) …（４）
上記（４）式から、補償入力ｕ_c は、モジュール間干渉特性、プラント特性及び他モジュール操作量で表現されていることが分かる。

［制御量に対する外乱非干渉化補償］
図４は、図３のブロック線図に、制御量に対する外乱非干渉化補償を追加したブロック線図であり、制御量に対する外乱の影響を低減することを目的に、図３の干渉モデルベースのフィードフォワード補償を実施する。

図４において、ｘ^* _lmは目標値、ｘ_llは制御量、Ｃ_l (s) はフィードバック補償器、 ｕ_l は操作量、Ｐ_l (s) はリニアモータ駆動テーブルモジュール２の特性、Ｐ_ll(s) は推力と制御量との間の特性、ｕ_b (s) はボールねじ駆動テーブルモジュール１の操作量、 ｕ_c はモジュール間干渉の補償入力（フィードフォワード補償量）、Ｐ_ubll(s) は、ボールねじ駆動テーブルモジュール１の操作量とリニアモータ駆動テーブルモジュール２の相対変位間特性、Ｐ_ublm(s) は、ボールねじ駆動テーブルモジュール１の操作量とリニアモータ駆動テーブルモジュール２のモータ位置との間の伝達特性、Ｐ_ubls(s) は、ボールねじ駆動テーブルモジュール１の操作量とリニアモータ駆動テーブルモジュール２の機台加速度の伝達特性である。

以下、外乱（モジュール間干渉）による影響を低減するために必要な補償入力ｕ_c を導き出す方法を説明する。

図４中、目標値ｘ^* _lmから制御量ｘ_llまでの特性は次式で表される。
｛（ｘ^* _lm−ｘ_lm）・Ｃ_l (s) −ｕ_c ｝Ｐ_ll(s) ＋ｕ_b ・Ｐ_ubll(s) ＝ｘ_ll …（５）
上式の左辺は、次のように変形される。
（ｘ^* _lm−ｘ_lm）・Ｃ_l (s) ・Ｐ_ll(s) −ｕ_c ・Ｐ_ll(s) ＋ｕ_b ・Ｐ_ubll(s) ＝ｘ_ll
…（６）

従って、制御量ｘ_llに対する外乱（モジュール間干渉）の影響を打ち消すためには、次の条件を満たす必要がある。
ｕ_c ・Ｐ_ll(s) ＝ｕ_b ・Ｐ_ubll(s) …（７）

補償入力ｕ_c は、次式で求められる。
ｕ_c ＝Ｆ_n1(s) ・ｕ_b …（８）
但し、Ｆ_n1(s) ＝Ｐ_ubll(s) ／Ｐ_ll(s)
上記（８）式から、補償入力ｕ_c は、モジュール間干渉特性、プラント特性及び他モジュール操作量で表現されていることが分かる。

ここで、モジュール間干渉の補償入力ｕ_c を付加した際の目標値ｘ^* _lmから観測量ｘ_lmまでの特性は、次式で表される。
｛（ｘ^* _lm−ｘ_lm）・Ｃ_l (s) −ｕ_c ｝Ｐ_la(s) ＋ｕ_b ・Ｐ_ublm(s) ＝ｘ_lm …（９）

上式の左辺は、次のように変形される。
（ｘ^* _lm−ｘ_lm）・Ｃ_l (s) ・Ｐ_la(s) −ｕ_c ・Ｐ_la(s) ＋ｕ_b ・Ｐ_ublm(s) ＝ｘ_lm
…（１０） 上記（９）、（１０）式において、Ｐ_la(s) は、リニアモータ駆動テーブルモジュール２の特性Ｐ_l (s) の操作量からモータ位置までの伝達特性である。

更に、前記（１０）式に（８）式を代入すると、次式が導き出される。
（ｘ^* _lm−ｘ_lm）・Ｃ_l (s) ・Ｐ_la(s) −Ｆ_n2(s) ・ｕ_b ＝ｘ_lm …（１１）
但し、Ｆ_n2(s) ＝｛Ｐ_ubll(s) ／Ｐ_ll(s) ｝・Ｐ_la(s) −Ｐ_ublm(s)
上記（１１）で示したＦ_n2(s) は、制御量に対するモジュール間干渉の影響を除去することを目的としたモジュール間補償量を入力とし、観測量を出力としたときの伝達特性を示す。

ここで、フィードバック系の目標量を、ｘ^* _lm＋Ｆ_n2(s) ・ｕ_b とすることによって、モジュール間干渉補償入力ｕ_c を挿入した際に発生するフィードバック操作量が制御量に対して適切に働くために、前述の伝達特性による観測量の応答が偏差量として反映されないフィードバック系の構築が可能となる。

以上のようにして導出したＦ_n1(s) 、Ｆ_n2(s) を具備した制御量に対するモジュール間干渉補償を提案し、そのブロック線図を図５に示す。図５は、モジュール間干渉補償に伴う特性誤差補償後のブロック線図である。

図５において、ｘ^* _bm は目標値、Ｃ_l (s) はフィードバック補償器、ｕ_l は操作量、 Ｐ_l (s) はリニアモータ駆動テーブルモジュール２の特性、Ｐ_ll(s) は推力・トルクと制御量との間の特性、ｘ_llは制御量、ｕ_b (s) はボールねじ駆動テーブルモジュール１の操作量、ｕ_c はモジュール間干渉の補償入力（フィードフォワード補償量）、Ｐ_ubll(s) は、ボールねじ駆動テーブルモジュール１の操作量とリニアモータ駆動テーブルモジュール２の相対変位間特性、Ｐ_ublm(s) は、ボールねじ駆動テーブルモジュール１の操作量とリニアモータ駆動テーブルモジュール２のモータ位置との間の伝達特性、Ｐ_ubls(s) は、ボールねじ駆動テーブルモジュール１の操作量とリニアモータ駆動テーブルモジュール２の機台加速度の伝達特性である。

Ｆ_n1(s) は、ボールねじ駆動テーブルモジュール１の操作量とモジュール間干渉補償入力との間の特性であり、特許請求の範囲でいう「第１のフィードフォワード補償器」として機能する。このＦ_n1(s) の出力ｕ_c （フィードフォワード補償量）とＣ_l (s) の出力を加算する加算器１１が特許請求の範囲でいう「第１の演算器」として機能する。

Ｆ_n2(s) は、制御量補償に伴う誤差補償特性（ボールねじ駆動テーブルモジュール１の操作量とリニアモータ駆動テーブルモジュール２のモータ位置の特性）であり、特許請求の範囲でいう「第２のフィードフォワード補償器」として機能する。このＦ_n2(s) の出力（目標指令補正量）と目標値ｘ^* _lmを加算する加算器１２が特許請求の範囲でいう「第２の演算器」として機能する。

モジュール型部品実装機に対して、観測量に対するモジュール間干渉補償（外乱非干渉化補償）を適用した実施例１を説明する。
本実施例１のモジュール型部品実装機は、図１に示すように、２つのモジュール１，２から構成されている。図６は、リニアモータ駆動テーブルモジュール２における観測量に対してモジュール間干渉補償を適用したシステムのブロック線図である。

本実施例１では、モータ位置特性のノミナルモデルとして剛体モデルを用い、その逆特性をプロパ化するために、制御帯域より十分高い遮断周波数を有するフィルタＦ_int (s) を付加して構成されている。フィルタＦ_int (s) は、例えば２次のローパスフィルタ（カットオフ周波数：２００Ｈｚ）が用いられる。

本実施例１のシステムは、各モジュール１，２がそれぞれ位置決め制御系を構成しているが、他モジュールの操作量ｕ_b は、位置決め制御装置の構造如何にかかわらず、用いることが可能であるとする。本実施例１では、各モジュール１，２間の位置決め制御装置がバス接続されており、バス通信で得た操作量ｕ_b を入力ｕ^* _b とする。

尚、本実施例１の位置決め制御系は、フィードバック制御による１自由度制御系に本発明を適用した構成としているが、本発明の適用範囲はこれに限定されるものではない。例えば、特願２００３−０２７８８０、特願２００７−０５２１４３、特願２００７−０５０８４５の明細書に記載の実施例で示した二自由度制御系に本発明を適用することが可能である。

図６において、ｘ^* _lmは目標軌道、Ｃ_l (s) はフィードバック補償器、ｕ_l は操作量、Ｐ_l (s) はリニアモータ駆動テーブルモジュール２の特性、ｘ_lmはモータ位置、ｘ_ls″は機台加速度、ｕ_b はボールねじ駆動テーブルモジュール１の操作量、ｕ^* _b はボールねじ駆動テーブルモジュール１のフィードフォワード補償トルク、ｕ_c はモジュール間干渉補償入力、Ｐ_ublm(s) は、ボールねじ駆動テーブルモジュール１の操作量とリニアモータ駆動テーブルモジュール２のモータ位置との間の伝達特性、Ｐ_ubls(s) は、ボールねじ駆動テーブルモジュール１の操作量とリニアモータ駆動テーブルモジュール２の機台加速度の伝達特性、Ｐ´_ublm(s) はＰ_ublm(s) のモデル、Ｆ_int (s) はプロパ化フィルタ、Ｐ´_lm(s) は、リニアモータ駆動テーブルモジュール２のモータ位置のノミナルモデルである。

本実施例１では、移動距離１００００パルスの位置決めを対象とした実験により、本実施例１の外乱非干渉化補償器の有用性を検討する。
図７はモジュール間干渉補償に用いるＰ´_ublm(s) モデルのゲインと位相の周波数特性を示し、図８はｕ^* _b −ｕ_c 間のゲインと位相の周波数特性を示している。図７、図８から、３ｆ、６ｆ［Ｈｚ］の付近にピークを有していることが確認できる。ここで、ｆは、ある周波数を量子化した値である。

また、図９は、ボールねじ駆動テーブルモジュール１が１００００パルス移動したときのモジュール間干渉補償入力の応答波形を示し、図１０はボールねじ駆動テーブルモジュール１が１００００パルス移動したときのモジュール間干渉補償入力の周波数特性を示している。図１０よりモジュール間干渉の影響が大きい３ｆ［Ｈｚ］の付近にピークを持つことが確認された。

尚、本実験では、目標軌道が所定範囲に収まる２８０サンプル以降の応答に対して、残留振動の評価を行っている。１サンプルの時間は位置決め制御装置の制御周期とする。
以上の条件下で、実機試験を行った結果について説明する。尚、電子部品自動組立機の実装精度に直結するノズル先端と基板との間の相対変位を最終制御量として測定している。実験結果を図１１〜図１６に示している。

各図中、点線は位置指令波形、一点鎖線は単体位置決めの場合、破線はリニアモータ駆動テーブルモジュール２とボールねじ駆動テーブルモジュール１が同時に位置決めを開始した場合、実線はボールねじ駆動テーブルモジュール１の位置決め時間をリニアモータ駆動テーブルモジュール２に対して１００サンプル遅らせた結果を示している。実験条件としては、１００００パルス移動で５回往復する往復位置決め動作としている。

図１１〜図１３は、外乱非干渉化補償（モジュール間干渉補償）を行わない比較例の測定結果である。
図１１の（ａ）は上記各条件下でのボールねじ駆動テーブルモジュール１のモータ位置偏差応答波形を示し、（ｂ）はリニアモータ駆動テーブルモジュール２のモータ位置偏差応答波形を示す図である。

図１２の（ａ）は上記各条件下でのボールねじ駆動テーブルモジュール１の軌跡追従誤差を示し、（ｂ）はリニアモータ駆動テーブルモジュール２の軌跡追従誤差を示す図である。

図１３の（ａ）は上記各条件下でのボールねじ駆動テーブルモジュール１のノズル先端と基板との間の相対位置に対してＦＦＴ（高速フーリエ変換）を行った解析結果を示し、（ｂ）はリニアモータ駆動テーブルモジュール２のノズル先端と基板との間の相対位置に対してＦＦＴを行った解析結果を示す図である。

図１４〜図１６は、外乱非干渉化補償（モジュール間干渉補償）を行った実施例１の測定結果であり、図１４〜図１５の波形は、それぞれ図１１〜図１３と同じ条件で測定した波形である。

図１３（ａ）と図１６（ａ）のノズル先端−基板間相対位置の比較より、外乱非干渉化補償を適用することで、外乱の影響を抑制できていることが確認された。また、図１３（ｂ）と図１６（ｂ）に示す、ノズル先端−基板間相対位置の周波数応答より、外乱の干渉の影響が大きい３ｆ［Ｈｚ］付近における振動成分の抑制を実現できていることが確認された。

上記実施例１では、位置観測量に対する外乱非干渉化補償（モジュール間干渉補償）を行うことにより、モータ位置と最終位置制御量の改善ができたことを示した。
しかしながら、位置観測量と位置制御量が一致しない場合には、制御量をノズル先端−基板間相対位置として、制御量に対する外乱非干渉化補償（モジュール間干渉補償）を用いれば、更なる改善が期待できる。

また、位置制御量をノズル先端−基板間相対位置としているが、位置制御量はそれが可制御である限り、装置の要求仕様に従って任意に決めることができる。例えば、電子部品自動組立機の吸着位置やパーツカメラ位置での相対位置誤差を、外乱の影響を補償するための制御量とすることが可能である。

図１７に示す実施例３では、複数の隣接駆動体から受ける外乱に対して、本発明の外乱非干渉化補償（モジュール間干渉補償）を適用している。
図１７のように拡張することで、隣接する複数の駆動体から受ける複数の外乱を同時に補償することが可能となる。

図１７において、ｘ^* _lmは目標軌道（目標指令）、ｕ_b1は第１の隣接駆動体のモジュール操作量、ｕ_b2は第２の隣接駆動体のモジュール操作量、ｕ_c はモジュール間干渉の補償入力（フィードフォワード補償量）、Ｃ_l (s) はフィードバック補償器、Ｆ₁₁(s) は第１の隣接駆動体のモジュール操作量とモジュール間干渉補償入力との間の特性、Ｆ₁₂(s) は第２の隣接駆動体の制御量補償に伴う誤差補償特性（モジュール操作量とモータ位置との間の特性）、Ｆ₂₁(s) は第１の隣接駆動体のモジュール操作量とモジュール間干渉補償入力との間の特性、Ｆ₂₂(s) は第２の隣接駆動体の制御量補償に伴う誤差補償特性である。

この場合、Ｆ₁₁(s) とＦ₂₁(s) がそれぞれ「第１のフィードフォワード補償器」に相当し、Ｆ₁₂(s) とＦ₂₂(s) がそれぞれ「第２のフィードフォワード補償器」に相当する。また、Ｆ₁₁(s) とＦ₂₁(s) の出力を加算する加算器１３が「第３の演算器」に相当し、この第３の演算器１３の出力ｕ_c とフィードバック補償器Ｃ_l (s) の出力を加算する加算器１１が「第１の演算器」に相当する。また、Ｆ₁₂(s) とＦ₂₂(s) の出力を加算する加算器１４が「第４の演算器」に相当し、この第４の演算器１４の出力と目標指令ｘ^* _lmを加算する加算器１２が「第２の演算器」に相当する。

１…ボールねじ駆動テーブルモジュール、１Ａ，１Ｂ…駆動体、１Ｃ…機台、２…リニアモータ駆動テーブルモジュール、２Ａ，２Ｂ…駆動体、２Ｃ…機台、１１…加算器（第１の演算器）、１２…加算器（第２の演算器）、１３…加算器（第３の演算器）、１４…加算器（第４の演算器）

Claims (4)

1. 連結された複数の機台又は単一の機台に、複数の駆動源で個別に加減速駆動される複数の駆動体を搭載し、且ついずれかの駆動体の加減速駆動により発生した外乱が前記機台を介して隣接する他の駆動体に伝達される装置における各駆動体の位置を制御する位置決め制御系において、
   前記駆動体の位置を観測する観測手段と、
   前記外乱の影響を受ける側の駆動体の制御量に対して該外乱の非干渉化補償を行う外乱非干渉化補償器とを備え、
   前記外乱非干渉化補償器は、外乱発生側の駆動体の操作量を入力として、前記外乱の影響を受ける側の駆動体の制御量に対する該外乱の非干渉化補償を行うためのフィードフォワード補償量を出力する第１のフィードフォワード補償器と、前記外乱発生側の駆動体の操作量を入力として目標指令補正量を出力する第２のフィードフォワード補償器と、前記外乱の影響を受ける側の駆動体の操作量を前記第１のフィードフォワード補償器の出力で補正する第１の演算器と、前記外乱の影響を受ける側の駆動体の目標指令を前記第２のフィードフォワード補償器の出力で補正する第２の演算器とを備えていることを特徴とする位置決め制御系の外乱非干渉化補償装置。
2. 請求項１に記載の位置決め制御系の外乱非干渉化補償装置において、
   前記第１のフィードフォワード補償器は、前記外乱の影響を受ける側の駆動体の操作量から制御量までの伝達特性のノミナルモデルの逆特性と、その逆特性をプロパ化するために制御帯域よりも高い遮断周波数を有するフィルタと、前記外乱発生側の駆動体の操作量から前記外乱の影響を受ける側の駆動体の制御量までの伝達特性との積により表現されることを特徴とする位置決め制御系の外乱非干渉化補償装置。
3. 請求項１又は２に記載の位置決め制御系の外乱非干渉化補償装置において、
   前記第２のフィードフォワード補償器は、前記外乱の影響を受ける側の駆動体の操作量から制御量までの伝達特性のノミナルモデルの逆特性と、その逆特性をプロパ化するために制御帯域よりも高い遮断周波数を有するフィルタと、前記外乱発生側の駆動体の操作量から前記外乱の影響を受ける側の制御量までの伝達特性と、前記外乱の影響を受ける側の駆動体の操作量から観測量までの伝達特性との積により得られる伝達関数と、前記外乱発生側の駆動体の操作量から前記外乱の影響を受ける側の駆動体の観測量までの伝達関数との差によって表現されることを特徴とする位置決め制御系の外乱非干渉化補償装置。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載の位置決め制御系の外乱非干渉化補償装置において、 前記外乱発生側の駆動体が複数存在し、複数の外乱発生側の駆動体の加減速駆動により発生した複数の外乱が１つの駆動体に伝達され、
   前記外乱非干渉化補償器は、前記複数の外乱発生側の駆動体に対応して前記第１のフィードフォワード補償器と前記第２のフィードフォワード補償器をそれぞれ複数個ずつ備え、前記複数の第１のフィードフォワード補償器の出力の和を演算して新たなフィードフォワード補償量として前記第１の演算器に出力する第３の演算器と、前記複数の第２のフィードフォワード補償器の出力の和を演算して新たな目標指令補正量として前記第２の演算器に出力する第４の演算器とを備えていることを特徴とする位置決め制御系の外乱非干渉化補償装置。

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