JP6605178B2 - POSITION CONTROL DEVICE AND METHOD, PROGRAM, AND RECORDING MEDIUM - Google Patents
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Description
本発明は、位置制御装置及び方法に関する。本発明は特に弾性支持機構を備えたアクチュエータの位置制御に適した位置制御装置及び方法に関する。本発明はまた、位置制御装置又は方法における処理をコンピュータに実行させるためのプログラム、及び該プログラムを記録した記録媒体に関する。 The present invention relates to a position control apparatus and method. The present invention relates to a position control apparatus and method particularly suitable for position control of an actuator having an elastic support mechanism. The present invention also relates to a program for causing a computer to execute processing in the position control apparatus or method, and a recording medium on which the program is recorded.
弾性支持機構を備えたアクチュエータの可動部の位置制御として、一般的にはフィードバック制御が用いられる。フィードバック制御は、アクチュエータの可動部の位置情報を元に、アクチュエータの可動部を目標位置まで動かす制御である。フィードバック制御の性能指標として、安定性と応答性がある。安定性は、フィードバック制御における位相余裕或いはゲイン余裕を確保することで得られるが、このためには制御ゲインを下げる必要がある。制御ゲインを下げると応答性が悪くなることから、安定性と応答性はトレードオフの関係にある。更に、アクチュエータの特性ばらつき或いはアクチュエータに作用する外乱を考慮して最適な制御設計を行うのは容易ではない。 In general, feedback control is used as the position control of the movable portion of the actuator having the elastic support mechanism. The feedback control is control for moving the movable part of the actuator to the target position based on the position information of the movable part of the actuator. The performance index of feedback control includes stability and responsiveness. Stability can be obtained by securing a phase margin or gain margin in feedback control. For this purpose, it is necessary to lower the control gain. When the control gain is lowered, the responsiveness deteriorates. Therefore, stability and responsiveness are in a trade-off relationship. Furthermore, it is not easy to perform optimal control design in consideration of variations in actuator characteristics or disturbances acting on the actuator.
例えば、特許文献1には、アクチュエータの特性ばらつき或いはアクチュエータに作用する外乱を補償する外乱オブザーバについて説明されている。外乱オブザーバは、アクチュエータの可動部の位置に対し、アクチュエータの伝達特性を模擬したノミナルモデル部の伝達関数を除算することで、アクチュエータの特性ばらつき或いはアクチュエータに作用する外乱を推定し、その推定された信号を用いてアクチュエータ駆動電圧(あるいは駆動電流)を補正するものである。外乱オブザーバは、推定された信号を入力に帰還するため、一種のループ制御と言える。このループ制御は、フィードバック制御内でマイナーループを構成している。外乱オブザーバは、このマイナーループでの制御の制御帯域以下の特性ばらつき或いは外乱を補償する。
For example,
特許文献1に記載の技術では、外乱オブザーバを用いることで、アクチュエータの特性ばらつき或いはアクチュエータに作用する外乱を考慮しなくても良くなるが、フィードバック制御における安定性と応答性のトレードオフの問題は残る。
In the technique described in
本発明は、弾性支持機構を備えたアクチュエータの位置制御における安定性と応答性のトレードオフの問題を解消し、応答性を向上させることを目的としている。 An object of the present invention is to solve the problem of tradeoff between stability and responsiveness in position control of an actuator provided with an elastic support mechanism, and to improve responsiveness.
本発明に係る位置制御装置は、
弾性支持機構を備えたアクチュエータの可動部の位置を制御する位置制御装置であって、
前記可動部の位置制御における前記可動部の目標位置を示す位置目標信号を出力する位置目標信号発生部と、
前記位置目標信号を、前記アクチュエータの伝達特性を模擬したノミナルモデルの直流感度で除算する直流感度除算部と、
前記直流感度除算部の出力を入力として、前記アクチュエータの特性ばらつきと、前記アクチュエータに作用する外乱を補償する外乱補償部と
を有する。The position control device according to the present invention includes:
A position control device for controlling the position of a movable part of an actuator having an elastic support mechanism,
A position target signal generator for outputting a position target signal indicating the target position of the movable part in the position control of the movable part;
A DC sensitivity division unit that divides the position target signal by the DC sensitivity of a nominal model that simulates the transfer characteristics of the actuator;
A disturbance compensator that compensates for a variation in characteristics of the actuator and a disturbance acting on the actuator, using the output of the DC sensitivity divider as an input;
本発明に係る位置制御装置によれば、位置制御にフィードバック制御を用いる必要がないため、安定性と応答性のトレードオフの問題を解消し、応答性を向上させることができる。 According to the position control device of the present invention, since it is not necessary to use feedback control for position control, it is possible to eliminate the trade-off problem between stability and responsiveness and improve responsiveness.
実施の形態1.
図1は、本発明の実施の形態1に係る位置制御装置1の構成を概略的に示すブロック図である。この位置制御装置は、弾性支持機構を備えたアクチュエータの可動部の位置制御に用いられるものである。
FIG. 1 is a block diagram schematically showing a configuration of a
図1に示される位置制御装置1は、位置目標信号発生部10、変化幅信号生成部12、直流感度除算部14及び外乱補償部20を備え、アクチュエータ30を駆動して、その可動部の位置を制御する。ここで、アクチュエータ30は、弾性支持機構を備え、アクチュエータ30の可動部は弾性支持機構により弾性的に支持されている。
A
位置目標信号発生部10は、位置目標信号ref_pを出力する。位置目標信号ref_pは、アクチュエータ30の位置制御における目標位置を示す。
The position
変化幅信号生成部12は、位置目標信号ref_pの変化幅、即ち所望の移動量を示す信号(変化幅信号)ref_p_sを出力する。変化幅信号ref_p_sは、例えば、位置目標信号発生部10から出力される位置目標信号ref_pを受け取り、該位置目標信号ref_pがステップ状に変化したときにその変化幅を示す変化幅信号ref_p_sを出力する。
The change width
直流感度除算部14は、位置目標信号発生部10から位置目標信号ref_pを受け取り、変化幅信号生成部12から変化幅信号ref_p_sを受け取り、これらに基づいて電圧信号Edrを生成して出力する。直流感度除算部14は、変化幅信号ref_p_sに基づいてノミナルモデルの直流感度DCSmを定め、該直流感度DCSmで、位置目標信号ref_pを除算することで電圧信号Edrを生成する。直流感度除算部14の伝達関数は、ノミナルモデルの直流感度DCSmを用いて表わすと、1/DCSmである。The
外乱補償部20は、直流感度除算部14から電圧信号Edrを受け取る。外乱補償部20は、電圧信号Edrに基づいてアクチュエータ30の可動部の位置を制御する。アクチュエータ30の可動部の位置は検出されて、位置検出値を表す位置検出信号act_pとして外乱補償部20に入力される。外乱補償部20の入力(電圧信号Edr)からアクチュエータ30の可動部の位置(位置検出信号act_pで表される)までの伝達関数、即ち外乱補償部20とアクチュエータ30の総合伝達関数を、O(s)とする。ここで、sはラプラス変数である。
アクチュエータ30の可動部の位置の制御は外乱源16からの外乱gの影響を受ける。The
Control of the position of the movable part of the
実施の形態1では、図1に示すようにフィードバック制御を用いることなくアクチュエータ位置制御を行う。その理由は後に説明する。 In the first embodiment, actuator position control is performed without using feedback control as shown in FIG. The reason will be explained later.
図2は、実施の形態1における外乱補償部20の構成を概略的に示すブロック図である。
図2に示されるように、外乱補償部20は、加算部21、ノミナルモデル除算部22、減算部25及びLPF部26を備える。外乱補償部20は、外乱オブザーバとも呼ばれる。FIG. 2 is a block diagram schematically showing the configuration of the
As shown in FIG. 2, the
加算部21は、直流感度除算部14から電圧信号Edrを受け取る。また、加算部21は、LPF部26から電圧信号Edr3を受け取る。加算部21は、電圧信号Edrと電圧信号Edr3との和(Edr+Edr3)を算出し、この和を表す電圧信号Edroを出力する。
The
アクチュエータ30は、弾性支持機構を備える。弾性支持機構は、可動部を移動可能に支持する弾性支持部材を有する。アクチュエータ30の伝達関数をP(s)とする。
The
ノミナルモデル除算部22は、アクチュエータ30の可動部の位置を示す位置検出信号act_pを受け取る。ノミナルモデル除算部22は、位置検出信号act_pをノミナルモデルの伝達関数Pn(s)で除算することで電圧信号Edr1を生成して出力する。
ノミナルモデル除算部22は、伝達関数生成部23及び除算部24を有し、伝達関数生成部23が上記のノミナルモデルの伝達関数Pn(s)の生成を行い、除算部24が上記の除算を行う。The nominal
The nominal
減算部25は、加算部21から電圧信号Edroを受け取る。また、減算部25は、ノミナルモデル除算部22から電圧信号Edr1を受け取る。減算部25は、電圧信号Edroと電圧信号Edr1との差(Edro−Edr1)を算出し、この差を表す電圧信号Edr2を出力する。
The
LPF部26は、減算部25から電圧信号Edr2を受け取る。LPF部26は、電圧信号Edr2に対して低域通過フィルタリングを施すことで電圧信号Edr3を生成して出力する。
The
図2の外乱補償部20は、アクチュエータ30の位置検出信号act_pを元にLPF部26で生成された電圧信号Edr3を、当該外乱補償部20の入力に帰還する構成となっている。
外乱補償部20は、位置制御装置1内でマイナーループとなっている。LPF部26は、マイナーループの制御帯域を決めるものであり、LPF部26のカットオフ周波数がマイナーループの制御帯域となる。LPF部26の伝達関数をFc(s)で表す。The
The
実施の形態1におけるアクチュエータ30はその伝達関数に着目すれば、図3のブロック図に示される構成を有するものとして把握することができる。
図3は、アクチュエータ30が、光ピックアップにおける対物レンズアクチュエータである場合を想定している。図3はさらに、アクチュエータ30が、ボイスコイルモータを含み、コイルに電流を流すことで、対物レンズを駆動する場合を想定している。If attention is paid to the transfer function of the
FIG. 3 assumes a case where the
図3に示されるように、アクチュエータ30は、減算部301、電圧電流変換部302、電流力変換部303、減算部304、可動部質量除算部305、加算部306、加速度速度変換部307、速度逆起電力変換部308、速度位置変換部309、可動部粘性係数乗算部310、可動部弾性係数乗算部311、及び加算部312を備える。
As shown in FIG. 3, the
減算部301は、図2の加算部21から電圧信号Edroを受け取る。また、減算部301は、速度逆起電力変換部308から電圧信号Edro4を受け取る。減算部301は、電圧信号Edroと電圧信号Edro4との差(Edro−Edro4)を算出する。そして、減算部301は、この差に応じた電圧信号Edro1を出力する。
The
電圧電流変換部302は、減算部301から電圧信号Edro1を受け取る。電圧電流変換部302は、電圧信号Edro1に基づいて電流信号Idro1を出力する。電圧電流変換部302の伝達関数は、ボイスコイルの抵抗RとインダクタンスLとを用いて表わすと、1/(Ls+R)である。
The voltage-
電流力変換部303は、電圧電流変換部302から電流信号Idro1を受け取る。電流力変換部303は、電流信号Idro1に基づいて力信号Fdro1を出力する。電流力変換部303の伝達関数は、力定数(電流力変換係数)Ktである。電流力変換部303は、ボイスコイルモータが電流を可動部に作用する力(電磁力)に変換する機能に相当する。The current
減算部304は、電流力変換部303から力信号Fdro1を受け取る。また、減算部304は、加算部312から力信号Fdro2を受け取る。減算部304は、力信号Fdro1と力信号Fdro2との差(Fdro1−Fdro2)を算出する。そして、減算部304は、この差に応じた力信号Fdro3を出力する。
The
可動部質量除算部305は、減算部304から力信号Fdro3を受け取る。可動部質量除算部305は、力信号Fdro3をアクチュエータ30の可動部の質量m1で除算することで加速度信号Adro3を生成して出力する。可動部質量除算部305の伝達関数は、可動部の質量m1を用いて表わすと、1/m1である。
可動部質量除算部305は、ボイスコイルモータによる電磁力が加速度に変換される作用に相当する。The movable part
The movable part
加算部306は、可動部質量除算部305から加速度信号Adro3を受け取る。また、加算部306は、加速度外乱gを受け取る。加算部306は、加速度信号Adro3と加速度外乱gとの和(Adro3+g)を算出し、この和を表す加速度信号Adro4を出力する。
加算部306は、ボイスコイルモータの電磁力による加速度に加速度外乱gが加わる過程に相当する。The
The adding
加速度速度変換部307は、加算部306から加速度信号Adro4を受け取る。加速度速度変換部307は、加速度信号Adro4を積分して速度信号Vdro4を出力する。加速度速度変換部307の伝達関数は、1/sである。
The acceleration
速度逆起電力変換部308は、加速度速度変換部307から速度信号Vdro4を受け取る。速度逆起電力変換部308は、速度信号Vdro4に逆起電力定数Keを乗算して電圧信号Edro4を生成して出力する。速度逆起電力変換部308の伝達関数は、逆起電力定数Keである。速度逆起電力変換部308はボイスコイルモータが、可動部の移動をコイルに発生する逆起電力に変換する機能に相当する。The speed counter electromotive
速度位置変換部309は、加速度速度変換部307から速度信号Vdro4を受け取る。速度位置変換部309は、速度信号Vdro4を積分してアクチュエータ位置検出信号act_pを出力する。速度位置変換部309の伝達関数は、1/sである。
加速度速度変換部307及び速度位置変換部309は、可動部に作用する加速度が速度、位置に変換される作用に相当する。The
The acceleration
可動部粘性係数乗算部310は、加速度速度変換部307から速度信号Vdro4を受け取る。可動部粘性係数乗算部310は、速度信号Vdro4に粘性係数c1を乗算することで力信号Fdro4を生成して出力する。可動部粘性係数乗算部310の伝達関数は、粘性係数c1である。可動部粘性係数乗算部310は可動部が受ける粘性抵抗によって速度が力に変換される作用に相当する。The movable part viscosity
可動部弾性係数乗算部311は、速度位置変換部309からアクチュエータ位置検出信号act_pを受け取る。可動部弾性係数乗算部311は、アクチュエータ位置検出信号act_pに弾性係数k1を乗算することで力信号Fdro5を生成して出力する。可動部弾性係数乗算部311の伝達関数は、弾性係数k1である。可動部弾性係数乗算部311は、弾性支持機構が、可動部の変位を復元力に変換する作用に相当する。The movable part elastic coefficient multiplier 311 receives the actuator position detection signal act_p from the
加算部312は、可動部粘性係数乗算部310から力信号Fdro4を受け取る。また、加算部312は、可動部弾性係数乗算部311から力信号Fdro5を受け取る。加算部306は、力信号Fdro4と力信号Fdro5との和(Fdro4+Fdro5)を算出し、この和で与えられる力を表す力信号Fdro2を出力する。
The
上記のように加算部312の出力Fdo2は、減算部304で、電流力変換部303の出力Fdro1から減算される。
加算部312及び減算部304による処理は、ボイスコイルモータで発生する電磁力の一部が粘性抵抗及び弾性による復元力に抗するために用いられ、残りが可動部の駆動に寄与することに相当する。As described above, the output Fdo2 of the
The processing by the adding
上記のように伝達関数生成部23は、アクチュエータ30の伝達関数を模擬するモデルの伝達関数Pn(s)を生成する。除算部24は、伝達関数生成部23で生成された伝達関数Pn(s)で、位置検出信号act_pを除算する。As described above, the transfer
伝達関数生成部23で伝達関数の生成に用いられるノミナルモデルは、図3に示されるアクチュエータ30と概して同じ構成を有する。但し、ノミナルモデルは、図3のうち、加速度外乱gの入力がなく、加算部306を備えず、可動部質量除算部305の出力Adro3がそのまま加速度速度変換部307に入力される点で異なる。また、アクチュエータ30においては可動部粘性係数乗算部310で乗じられる粘性係数c1、可動部弾性係数乗算部311で乗じられる弾性係数k1、電圧電流変換部302における抵抗R及びインダクタンスL、電流力変換部303における定数Kt、及び速度逆起電力変換部308における定数Keが温度の影響を受けるが、ノミナルモデルにおいては、これらが温度に無関係に一定であるとしている。さらに、粘性係数c1及び弾性係数k1が変更可能であり、これらを変えることによりノミナルモデルの直流感度及び1次共振周波数におけるQ値が調整可能となっている。The nominal model used for generating the transfer function in the transfer
具体的には、変化幅信号生成部12から出力される変化幅信号ref_p_sを伝達関数生成部23に供給し、ノミナルモデルの1次共振周波数におけるQ値が0dB以下になるように、かつこの変化幅信号ref_p_sに応じて、ノミナルモデルの直流感度DCSmが十分小さくなるようにノミナルモデルのパラメータを調整する。より具体的には、ノミナルモデルの1次共振周波数におけるQ値が−6dBから0dBの範囲内の値になるように、かつ変化幅信号ref_p_sで表される変化幅を符号ref_p_eで表し、アクチュエータ30に印加可能な電圧の最大値をV_maxとしたときに、ノミナルモデルの直流感度DCSmがref_p_e/V_maxで与えられる値又はこれより若干大きい値、例えば、ref_p_e/V_maxで与えられる値からその1.25倍の値までの範囲内の値になるようにノミナルモデルのパラメータを調整するのが望ましい。
ノミナルモデルのパラメータの調整は、例えば、伝達関数生成部23で用いられる粘性係数c1及び弾性係数k1の変更により行い得る。Specifically, the change width signal ref_p_s output from the change width
Adjustment of the parameters of the nominal model can be performed, for example, by changing the viscosity coefficient c 1 and the elastic coefficient k 1 used in the transfer
図4(a)及び図4(b)は、実施の形態1におけるアクチュエータ30の電圧信号Edroに対する位置検出信号act_pの周波数特性を示す図である。図4(a)にはゲインの周波数特性(ゲイン特性)が示されている。横軸は周波数[Hz]で縦軸はゲイン[dB]である。図4(b)には位相の周波数特性(位相特性)が示されている。横軸は周波数[Hz]で縦軸は位相[deg]である。
FIGS. 4A and 4B are diagrams illustrating frequency characteristics of the position detection signal act_p with respect to the voltage signal Edro of the
図4(a)及び図4(b)において、鎖線で表わされている特性曲線GA1、PH1はアクチュエータ30の温度が−30℃の場合の周波数特性を示す。破線で表わされている特性曲線GA2、PH2はアクチュエータ30の温度が+20℃の場合の周波数特性を示す。点線で表わされている特性曲線GA3、PH3はアクチュエータ30の温度が+85℃の場合の周波数特性を示す。
In FIG. 4A and FIG. 4B, characteristic curves GA1 and PH1 indicated by chain lines indicate frequency characteristics when the temperature of the
図4(a)及び図4(b)に示されるように、アクチュエータ30の周波数特性は、1次共振周波数におけるQ値が0dBより大きくなっている。また、アクチュエータ30の温度によってゲイン特性と位相特性が変わっている。温度によってゲイン特性および位相特性が変わるのは、アクチュエータのパラメータが温度によって変わるためである。具体的には、図3のうち粘性係数c1、弾性係数k1、抵抗R、インダクタンスL、力定数Kt、逆起電力定数Keが、温度により変わる。温度によってゲイン特性および位相特性が変わるので、アクチュエータ30の特性ばらつきを考慮して最適な位置制御を行うのは容易ではない。As shown in FIGS. 4A and 4B, the frequency characteristic of the
図5(a)及び図5(b)は、実施の形態1における外乱補償部20への入力電圧信号Edrに対する位置検出信号act_pの周波数特性の一例を示す図である。図5(a)にはゲインの周波数特性(ゲイン特性)が示されている。横軸は周波数[Hz]で縦軸はゲイン[dB]である。図5(b)には位相の周波数特性(位相特性)が示されている。横軸は周波数[Hz]で縦軸は位相[deg]である。
FIGS. 5A and 5B are diagrams illustrating an example of frequency characteristics of the position detection signal act_p with respect to the input voltage signal Edr to the
図5(a)及び図5(b)において、鎖線で表わされている特性曲線GA4、PH4はアクチュエータ30の温度が−30℃の場合の周波数特性を示す。破線で表わされている特性曲線GA5、PH5はアクチュエータ30の温度が+20℃の場合の周波数特性を示す。点線で表わされている特性曲線GA6、PH6はアクチュエータ30の温度が+85℃の場合の周波数特性を示す。実線で表わされている特性曲線GA7、PH7はノミナルモデルの周波数特性を示す。
In FIG. 5A and FIG. 5B, characteristic curves GA4 and PH4 indicated by chain lines indicate frequency characteristics when the temperature of the
図5(a)及び図5(b)に示されるように、アクチュエータ30の温度によってゲイン特性と位相特性は変わっていない。また、外乱補償部20への入力電圧信号Edrに対する位置検出信号act_pの周波数特性、即ち、外乱補償部20とアクチュエータ30の総合周波数特性が、ノミナルモデルの周波数特性と良好に一致する。このように、外乱補償部20は、アクチュエータ30の特性ばらつきを補償することができる。
As shown in FIGS. 5A and 5B, the gain characteristic and the phase characteristic are not changed depending on the temperature of the
次に、図6(a)乃至図12を参照して、ノミナルモデルの1次共振周波数におけるQ値Q1mの設計について説明する。 Next, the design of the Q value Q1m at the primary resonance frequency of the nominal model will be described with reference to FIGS.
図6(a)乃至図8(b)は、実施の形態1におけるノミナルモデルの1次共振周波数におけるQ値を変えた場合の、外乱補償部20への入力電圧信号Edrに対する位置検出信号act_pの周波数特性を示す図である。但し、温度を20℃に設定している。
図6(a)、図7(a)、及び図8(a)にはゲインの周波数特性(ゲイン特性)が示されている。横軸は周波数[Hz]で縦軸はゲイン[dB]である。図6(b)、図7(b)、及び図8(b)には位相の周波数特性(位相特性)が示されている。横軸は周波数[Hz]で縦軸は位相[deg]である。6A to 8B show the position detection signal act_p with respect to the input voltage signal Edr to the
FIG. 6A, FIG. 7A, and FIG. 8A show gain frequency characteristics (gain characteristics). The horizontal axis represents frequency [Hz] and the vertical axis represents gain [dB]. FIG. 6B, FIG. 7B, and FIG. 8B show the frequency characteristics (phase characteristics) of the phase. The horizontal axis is frequency [Hz] and the vertical axis is phase [deg].
図6(a)及び図6(b)において、鎖線で表わされている特性曲線GA11、PH11はノミナルモデルの1次共振周波数におけるQ値が4dBの場合の周波数特性を示す。破線で表わされている特性曲線GA12、PH12はノミナルモデルの1次共振周波数におけるQ値が2dBの場合の周波数特性を示す。点線で表わされている特性曲線GA13、PH13はノミナルモデルの1次共振周波数におけるQ値が0dBの場合の周波数特性を示す。 In FIG. 6A and FIG. 6B, characteristic curves GA11 and PH11 represented by chain lines indicate frequency characteristics when the Q value at the primary resonance frequency of the nominal model is 4 dB. Characteristic curves GA12 and PH12 represented by broken lines indicate frequency characteristics when the Q value at the primary resonance frequency of the nominal model is 2 dB. Characteristic curves GA13 and PH13 represented by dotted lines show frequency characteristics when the Q value at the primary resonance frequency of the nominal model is 0 dB.
図7(a)及び図7(b)において、鎖線で表わされている特性曲線GA14、PH14はノミナルモデルの1次共振周波数におけるQ値が−2dBの場合の周波数特性を示す。破線で表わされている特性曲線GA15、PH15はノミナルモデルの1次共振周波数におけるQ値が−4dBの場合の周波数特性を示す。点線で表わされている特性曲線GA16、PH16はノミナルモデルの1次共振周波数におけるQ値が−6dBの場合の周波数特性を示す。 In FIGS. 7A and 7B, characteristic curves GA14 and PH14 represented by chain lines indicate frequency characteristics when the Q value at the primary resonance frequency of the nominal model is −2 dB. Characteristic curves GA15 and PH15 represented by broken lines indicate frequency characteristics when the Q value at the primary resonance frequency of the nominal model is −4 dB. Characteristic curves GA16 and PH16 represented by dotted lines show frequency characteristics when the Q value at the primary resonance frequency of the nominal model is −6 dB.
図8(a)及び図8(b)において、鎖線で表わされている特性曲線GA17、PH17はノミナルモデルの1次共振周波数におけるQ値が−8dBの場合の周波数特性を示す。破線で表わされている特性曲線GA18、PH18はノミナルモデルの1次共振周波数におけるQ値が−10dBの場合の周波数特性を示す。点線で表わされている特性曲線GA19、PH19はノミナルモデルの1次共振周波数におけるQ値が−12dBの場合の周波数特性を示す。 In FIGS. 8A and 8B, characteristic curves GA17 and PH17 represented by chain lines indicate frequency characteristics when the Q value at the primary resonance frequency of the nominal model is −8 dB. Characteristic curves GA18 and PH18 represented by broken lines indicate frequency characteristics when the Q value at the primary resonance frequency of the nominal model is −10 dB. Characteristic curves GA19 and PH19 represented by dotted lines indicate frequency characteristics when the Q value at the primary resonance frequency of the nominal model is −12 dB.
図6(a)乃至図8(b)に示されるように、ノミナルモデルの1次共振周波数におけるQ値が変わると、ノミナルモデルの1次共振周波数f0m付近におけるゲイン特性、位相特性が変わる。Q値が小さくなるほど、1次共振周波数f0m付近におけるゲインは小さくなり、位相は0degから−180degまでの変化が緩やかとなる。As shown in FIGS. 6A to 8B, when the Q value at the primary resonance frequency of the nominal model changes, the gain characteristics and phase characteristics around the primary resonance frequency f 0m of the nominal model change. The smaller the Q value, the smaller the gain in the vicinity of the primary resonance frequency f 0 m , and the phase gradually changes from 0 deg to -180 deg.
図9(a)乃至図11(b)は、実施の形態1におけるノミナルモデルの1次共振周波数におけるQ値を変えた場合のアクチュエータ30のステップ応答を示す図である。但し、ノミナルモデルの直流感度DCSmを5.3333e−5とし、温度を20℃に設定している。図9(a)乃至図11(b)で横軸はある基準となる時点からの経過時間[sec]である。FIGS. 9A to 11B are diagrams showing the step response of the
図9(a)、図10(a)、及び図11(a)には、アクチュエータ30の位置目標信号ref_pを0.002秒経過後に0[m]から1e−4[m](「e−4」は「×10−4」を表す。以下同様。)に変えた時の位置目標信号ref_pの変化が示されている。
図9(b)、図10(b)、及び図11(b)には、アクチュエータ30の位置目標信号ref_pを、図9(a)、図10(a)、及び図11(a)に示されるように変えた時の位置検出信号act_pのステップ応答が示されている。9 (a), 10 (a), and 11 (a), the position target signal ref_p of the
9B, FIG. 10B, and FIG. 11B show the position target signal ref_p of the
図9(a)及び図9(b)において、鎖線で表わされている特性曲線RE21、A21はノミナルモデルの1次共振周波数におけるQ値が4dBの場合のステップ応答を示す。破線で表わされている特性曲線RE22、A22はノミナルモデルの1次共振周波数におけるQ値が2dBの場合のステップ応答を示す。点線で表わされている特性曲線RE23、A23はノミナルモデルの1次共振周波数におけるQ値が0dBの場合のステップ応答を示す。 In FIG. 9A and FIG. 9B, characteristic curves RE21 and A21 represented by chain lines indicate step responses when the Q value at the primary resonance frequency of the nominal model is 4 dB. Characteristic curves RE22 and A22 represented by broken lines show step responses when the Q value at the primary resonance frequency of the nominal model is 2 dB. Characteristic curves RE23 and A23 represented by dotted lines show step responses when the Q value at the primary resonance frequency of the nominal model is 0 dB.
図10(a)及び図10(b)において、鎖線で表わされている特性曲線RE24、A24はノミナルモデルの1次共振周波数におけるQ値が−2dBの場合のステップ応答を示す。破線で表わされている特性曲線RE25、A25はノミナルモデルの1次共振周波数におけるQ値が−4dBの場合のステップ応答を示す。点線で表わされている特性曲線RE26、A26はノミナルモデルの1次共振周波数におけるQ値が−6dBの場合のステップ応答を示す。 10 (a) and 10 (b), characteristic curves RE24 and A24 represented by chain lines indicate step responses when the Q value at the primary resonance frequency of the nominal model is −2 dB. Characteristic curves RE25 and A25 represented by broken lines show step responses when the Q value at the primary resonance frequency of the nominal model is −4 dB. Characteristic curves RE26 and A26 represented by dotted lines show step responses when the Q value at the primary resonance frequency of the nominal model is −6 dB.
図11(a)及び図11(b)において、鎖線で表わされている特性曲線RE27、A27はノミナルモデルの1次共振周波数におけるQ値が−8dBの場合のステップ応答を示す。破線で表わされている特性曲線RE28、A28はノミナルモデルの1次共振周波数におけるQ値が−10dBの場合のステップ応答を示す。点線で表わされている特性曲線RE29、A29はノミナルモデルの1次共振周波数におけるQ値が−12dBの場合のステップ応答を示す。 In FIG. 11A and FIG. 11B, characteristic curves RE27 and A27 represented by chain lines indicate step responses when the Q value at the primary resonance frequency of the nominal model is −8 dB. Characteristic curves RE28 and A28 represented by broken lines show step responses when the Q value at the primary resonance frequency of the nominal model is −10 dB. Characteristic curves RE29 and A29 represented by dotted lines show step responses when the Q value at the primary resonance frequency of the nominal model is −12 dB.
図9(a)乃至図11(b)に示されるように、ノミナルモデルの1次共振周波数におけるQ値が変わると、ステップ応答でのオーバーシュート量が変わり、応答が変わる。Q値が大きいほど応答速度は高くなるがオーバーシュートが大きくなる。Q値が小さいほどオーバーシュートは小さくなるが、応答速度が低くなる。 As shown in FIGS. 9A to 11B, when the Q value at the primary resonance frequency of the nominal model changes, the overshoot amount in the step response changes and the response changes. As the Q value increases, the response speed increases but the overshoot increases. The smaller the Q value, the smaller the overshoot, but the response speed becomes lower.
図12は、実施の形態1におけるノミナルモデルの1次共振周波数におけるQ値と、アクチュエータのステップ応答における目標値収束時間との関係を示す図である。横軸はノミナルモデルの1次共振周波数におけるQ値[dB]で縦軸は目標値収束時間[sec]である。ここで、目標値収束時間とは、ステップ応答開始からアクチュエータが目標位置に静定するまでの時間である。 FIG. 12 is a diagram showing the relationship between the Q value at the primary resonance frequency of the nominal model in the first embodiment and the target value convergence time in the step response of the actuator. The horizontal axis represents the Q value [dB] at the primary resonance frequency of the nominal model, and the vertical axis represents the target value convergence time [sec]. Here, the target value convergence time is the time from the start of the step response until the actuator settles at the target position.
図12から、ノミナルモデルの1次共振周波数におけるQ値が−6dBから0dBの間で目標値収束時間が短いことが分かる。そこで、ノミナルモデルの1次共振周波数におけるQ値を−6dB以上0dB以下に設定する。Q値を−6dB以上0dB以下に設定した場合、目標値収束時間を0.00481[sec]から0.0052[sec]の間に抑えることができる。目標値収束時間の最小値0.00481[sec]に対するその誤差の範囲(変動範囲)の割合は{(0.0052−0.00481)/0.00481}×100=8.1%であり、およそ10%以内であると言える。 FIG. 12 shows that the target value convergence time is short when the Q value at the primary resonance frequency of the nominal model is between −6 dB and 0 dB. Therefore, the Q value at the primary resonance frequency of the nominal model is set to -6 dB or more and 0 dB or less. When the Q value is set to -6 dB or more and 0 dB or less, the target value convergence time can be suppressed between 0.00481 [sec] and 0.0052 [sec]. The ratio of the error range (variation range) to the minimum value of the target value convergence time 0.00481 [sec] is {(0.0052−0.00481) /0.00481} × 100 = 8.1%, It can be said that it is within about 10%.
次に、図13(a)乃至図15を参照して、ノミナルモデルの直流感度の設計について説明する。 Next, the design of the DC sensitivity of the nominal model will be described with reference to FIGS.
図13(a)及び図13(b)は、実施の形態1におけるノミナルモデルの直流感度を変えた場合の、外乱補償部20への入力電圧信号Edrに対する位置検出信号act_pの周波数特性を示す図である。但し、ノミナルモデルの1次共振周波数におけるQ値を−4dBに設定している。また、温度を20℃に設定している。
FIGS. 13A and 13B are diagrams showing frequency characteristics of the position detection signal act_p with respect to the input voltage signal Edr to the
図13(a)にはゲインの周波数特性(ゲイン特性)が示されている。横軸は周波数[Hz]で縦軸はゲイン[dB]である。図13(b)には位相の周波数特性(位相特性)が示されている。横軸は周波数[Hz]で縦軸は位相[deg]である。 FIG. 13A shows the frequency characteristic (gain characteristic) of the gain. The horizontal axis represents frequency [Hz] and the vertical axis represents gain [dB]. FIG. 13B shows the frequency characteristics (phase characteristics) of the phase. The horizontal axis is frequency [Hz] and the vertical axis is phase [deg].
図13(a)及び図13(b)において、鎖線で表わされている特性曲線GA31、PH31はノミナルモデルの直流感度が8.00e−5[m/V]の場合の周波数特性を示す。破線で表わされている特性曲線GA32、PH32はノミナルモデルの直流感度が3.20e−5[m/V]の場合の周波数特性を示す。点線で表わされている特性曲線GA33、PH33はノミナルモデルの直流感度が2.00e−5[m/V]の場合の周波数特性を示す。 In FIGS. 13A and 13B, characteristic curves GA31 and PH31 represented by chain lines indicate frequency characteristics when the DC sensitivity of the nominal model is 8.00e-5 [m / V]. Characteristic curves GA32 and PH32 represented by broken lines indicate frequency characteristics when the DC sensitivity of the nominal model is 3.20e-5 [m / V]. Characteristic curves GA33 and PH33 represented by dotted lines show frequency characteristics when the DC sensitivity of the nominal model is 2.00e-5 [m / V].
図13(a)及び図13(b)に示されるように、ノミナルモデルの直流感度が変わると、ゲイン特性、位相特性が変わる。直流感度が小さくなるほど、ゲインは小さくなり、位相は0degから−180degまでの変化が急となる。 As shown in FIGS. 13A and 13B, when the DC sensitivity of the nominal model changes, the gain characteristic and the phase characteristic change. As the DC sensitivity decreases, the gain decreases and the phase changes more rapidly from 0 deg to -180 deg.
図14(a)及び図14(b)は、実施の形態1におけるノミナルモデルの直流感度を変えた場合のアクチュエータ30のステップ応答を示す図である。但し、ノミナルモデルの1次共振周波数におけるQ値を−4dBに設定している。また、温度を20℃に設定している。図14(a)及び図14(b)で横軸はある基準となる時点からの経過時間[sec]である。
FIG. 14A and FIG. 14B are diagrams showing the step response of the
図14(a)には、アクチュエータ30の位置目標信号ref_pを0.002秒経過後に0[m]から1e−4[m]に変えた時の位置目標信号ref_pの変化が示されている。図14(b)には、アクチュエータ30の位置目標信号ref_pを、図14(a)に示されるように変えた時の位置検出信号act_pのステップ応答が示されている。
FIG. 14A shows a change in the position target signal ref_p when the position target signal ref_p of the
図14(a)及び図14(b)において、鎖線で表わされている特性曲線RE41、A41はノミナルモデルの直流感度が8.00e−5[m/V]の場合のステップ応答を示す。破線で表わされている特性曲線RE42、A42はノミナルモデルの直流感度が3.20e−5[m/V]の場合のステップ応答を示す。点線で表わされている特性曲線RE43、A43はノミナルモデルの直流感度が2.00e−5[m/V]の場合のステップ応答を示す。 In FIG. 14A and FIG. 14B, characteristic curves RE41 and A41 represented by chain lines indicate step responses when the DC sensitivity of the nominal model is 8.00e-5 [m / V]. Characteristic curves RE42 and A42 represented by broken lines show step responses when the DC sensitivity of the nominal model is 3.20e-5 [m / V]. Characteristic curves RE43 and A43 represented by dotted lines indicate step responses when the DC sensitivity of the nominal model is 2.00e-5 [m / V].
図14(a)及び図14(b)に示されるように、ノミナルモデルの直流感度が変わると、目標位置までの応答速度が変わる。直流感度が小さくなるほど、応答速度が高くなり、目標値に速く到達する。 As shown in FIGS. 14A and 14B, when the DC sensitivity of the nominal model changes, the response speed to the target position changes. As the DC sensitivity decreases, the response speed increases and the target value is reached quickly.
図15は、実施の形態1におけるノミナルモデルの直流感度と、アクチュエータのステップ応答における目標値収束時間との関係を示す図である。横軸はノミナルモデルの直流感度で縦軸は目標値収束時間[sec]である。ここで、目標値収束時間とは、ステップ応答開始からアクチュエータが目標位置に静定するまでの時間である。
FIG. 15 is a diagram showing a relationship between the DC sensitivity of the nominal model in
図15から、ノミナルモデルの直流感度が小さいほど、目標値収束時間が短いことが分かる。直流感度が小さくなると、目標位置まで動かすための電圧信号Edrを大きくする必要がある。位置目標信号の変化後の値をref_p_e、アクチュエータ30に印加可能な電圧の最大値をV_maxとすると、ノミナルモデルの直流感度を、
ref_p_e/V_max
以上に設定しなければならない。V_max=5Vであり、図14に示されるように、ref_p_e=1e−4[m]であれば、ノミナルモデルの直流感度を2e−5[m/V]以上に設定しなければならない。FIG. 15 shows that the target value convergence time is shorter as the DC sensitivity of the nominal model is smaller. When the direct current sensitivity decreases, it is necessary to increase the voltage signal Edr for moving to the target position. If the value after the change of the position target signal is ref_p_e and the maximum value of the voltage that can be applied to the
ref_p_e / V_max
Must be set above. If V_max = 5V and ref_p_e = 1e-4 [m] as shown in FIG. 14, the DC sensitivity of the nominal model must be set to 2e-5 [m / V] or more.
印加電圧を最大値V_max以下にし、かつ目標値収束時間を最小値からその1.1倍の値までの範囲内に収めるという制約のもとでは、ノミナルモデルの直流感度を、
ref_p_e/V_max
で与えられる値に設定することで、最も良い応答性が得られる。図15の場合、目標値収束時間の最小値は0.002069[sec]なので、目標値収束時間を
0.0023[sec](=0.002069×1.1)
以内にすればよい。この時のノミナルモデルの直流感度は2.5e−5[m/V]である。これは、下限値である2e−5[m/V]の1.25倍である。
そこで、ノミナルモデルの直流感度を、
ref_p_e/V_max
で与えられる値又はこれより若干大きい値、例えば、
ref_p_e/V_max
で与えられる値からその1.25倍の値までの範囲内の値になるように設計するのが望ましい。但し、図15の目標値収束時間が許容範囲内であれば、ノミナルモデルの直流感度を必ずしも上記の範囲内に設定する必要はない。
ここで、印加可能な電圧の最大値V_maxは例えばアクチュエータ30の仕様書に記載されている最大定格値である。Under the constraint that the applied voltage is not more than the maximum value V_max and the target value convergence time is within the range from the minimum value to 1.1 times the value, the DC sensitivity of the nominal model is
ref_p_e / V_max
The best responsiveness can be obtained by setting the value given by. In the case of FIG. 15, since the minimum value of the target value convergence time is 0.002069 [sec], the target value convergence time is set to 0.0023 [sec] (= 0.002069 × 1.1).
Should be within. The direct current sensitivity of the nominal model at this time is 2.5e-5 [m / V]. This is 1.25 times the lower limit of 2e-5 [m / V].
Therefore, the DC sensitivity of the nominal model is
ref_p_e / V_max
Or a value slightly larger than this, for example,
ref_p_e / V_max
It is desirable to design so as to be a value within a range from the value given by 1.25 to a value 1.25 times that value. However, if the target value convergence time in FIG. 15 is within the allowable range, the DC sensitivity of the nominal model is not necessarily set within the above range.
Here, the maximum value V_max of the voltage that can be applied is, for example, the maximum rated value described in the specifications of the
図16(a)及び図16(b)は、従来例におけるアクチュエータ30のステップ応答を示す図である。図16(a)及び図16(b)で横軸はある基準となる時点からの経過時間[sec]である。
FIGS. 16A and 16B are diagrams showing step responses of the
図16(a)には、アクチュエータ30の位置目標信号ref_pを0.002秒経過後に0[m]から1e−4[m]に変えた時の位置目標信号ref_pの変化が示されている。図16(b)には、アクチュエータ30の位置目標信号ref_pを、図16(a)に示されるように変えた時の位置検出信号act_pのステップ応答が示されている。
FIG. 16A shows a change in the position target signal ref_p when the position target signal ref_p of the
図16(a)及び図16(b)において、鎖線で表わされている特性曲線RE51、A51はアクチュエータ30の温度が−30℃の場合のステップ応答を示す。破線で表わされている特性曲線RE52、A52はアクチュエータ30の温度が+20℃の場合のステップ応答を示す。点線で表わされている特性曲線RE53、A53はアクチュエータ30の温度が+85℃の場合のステップ応答を示す。
In FIG. 16 (a) and FIG. 16 (b), characteristic curves RE51 and A51 indicated by chain lines indicate step responses when the temperature of the
図16(a)及び図16(b)に示されるように、従来例におけるアクチュエータ30のステップ応答では、オーバーシュート量が大きいことが分かる。
As shown in FIGS. 16A and 16B, it can be seen that the overshoot amount is large in the step response of the
図17(a)及び図17(b)は、実施の形態1におけるアクチュエータ30のステップ応答を示す図である。図17(a)及び図17(b)で横軸はある基準となる時点からの経過時間[sec]である。
FIGS. 17A and 17B are diagrams showing the step response of the
図17(a)には、アクチュエータ30の位置目標信号ref_pを0.002秒経過後に0[m]から1e−4[m]に変えた時の位置目標信号ref_pの変化が示されている。図17(b)には、アクチュエータ30の位置目標信号ref_pを、図17(a)に示されるように変えた時の位置検出信号act_pのステップ応答が示されている。
FIG. 17A shows a change in the position target signal ref_p when the position target signal ref_p of the
図17(a)及び図17(b)において、鎖線で表わされている特性曲線RE61、A61はアクチュエータ30の温度が−30℃の場合のステップ応答を示す。破線で表わされている特性曲線RE62、A62はアクチュエータ30の温度が+20℃の場合のステップ応答を示す。点線で表わされている特性曲線RE63、A63はアクチュエータ30の温度が+85℃の場合のステップ応答を示す。
In FIG. 17 (a) and FIG. 17 (b), characteristic curves RE61 and A61 represented by chain lines indicate step responses when the temperature of the
図17(a)及び図17(b)に示されるように、実施の形態1におけるアクチュエータ30のステップ応答では、オーバーシュートがなく、良好な応答となることが分かる。
As shown in FIGS. 17A and 17B, it can be seen that the step response of the
従来、ノミナルモデルの特性として、アクチュエータ30の温度が+20℃の場合の特性と同じになるようにしている。これは、+20℃がアクチュエータ30の位置制御における設計中心となるからである。この場合、ノミナルモデルの1次共振周波数におけるQ値は0dBより大きくなる。このため、位置制御としてフィードバック制御が必要となる。これにより、制御における安定性と応答性のトレードオフの問題が発生する。一方、実施の形態1では、アクチュエータ30への印加電圧を大きくする必要があるが、ノミナルモデルの1次共振周波数におけるQ値を0dB以下に設定することで、フィードバック制御を行うことなく正常に位置制御を行うことができる。
Conventionally, the characteristic of the nominal model is the same as that when the temperature of the
以上に説明したように、実施の形態1に係る位置制御装置1によれば、ノミナルモデルの1次共振周波数におけるQ値を0dB以下に設定し、ノミナルモデルの直流感度を小さくすることで、アクチュエータ30の位置制御における安定性と応答性のトレードオフの問題を解消し、ステップ応答を向上させることができる。
As described above, according to the
実施の形態2.
実施の形態1においては、アクチュエータ30が光ピックアップにおける対物レンズアクチュエータである場合を想定し、アクチュエータ30の可動部の位置制御について説明した。実施の形態2では、アクチュエータ30が指向制御用ミラーの駆動機構である場合の位置制御について説明する。指向制御用ミラーは、例えば、高精度光学観測衛星に搭載される光学観測機器の振動による指向軸ズレ或いは観測用画像ブレが発生するのを補正するものであり、光学観測機器内部に設置されるものである。
なお、実施の形態2の位置制御装置は、回転方向の位置(角位置)を制御するものであるが簡単のため単に位置と言う。同様に角速度、角加速度を簡単のため速度、角速度と言う。
In the first embodiment, the position control of the movable part of the
The position control device according to the second embodiment controls the position in the rotational direction (angular position), but is simply referred to as a position for simplicity. Similarly, the angular velocity and angular acceleration are referred to as velocity and angular velocity for simplicity.
図18は、本発明の実施の形態2に係る位置制御装置1bの構成を概略的に示すブロック図である。図18の位置制御装置1bは、図1の位置制御装置1と概して同じであるが、図1の直流感度除算部14及び外乱補償部20の代わりに、直流感度除算部14b及び外乱補償部20bが設けられている。
FIG. 18 is a block diagram schematically showing the configuration of the
図19は、実施の形態2における外乱補償部20bの構成を概略的に示すブロック図である。図19の外乱補償部20bは、図2の外乱補償部20と概して同じであるが、図2のノミナルモデル除算部22の代わりにノミナルモデル除算部22bが設けられている。
FIG. 19 is a block diagram schematically showing the configuration of the
実施の形態2におけるアクチュエータ30bは、その伝達関数に着目すれば、図20のブロック図に示される構成を有するものとして把握することができる。
図20は、アクチュエータ30bが指向制御ミラーの駆動機構である場合を想定している。図20はさらに、アクチュエータ30bが、電磁駆動機構を含み、コイルに電流を流すことで、指向制御ミラーを含む可動部を駆動する場合を想定している。The
FIG. 20 assumes a case where the
図20において図3と同じ符号は同様のものを示す。図20に示されるアクチュエータ30bは図3のアクチュエータ30と概して同じであるが、図3の電流力変換部303、可動部質量除算部305、可動部粘性係数乗算部310、及び可動部弾性係数乗算部311の代わりに、電流トルク変換部323、慣性モーメント除算部325、軸受け粘性係数乗算部330、及び軸受け弾性係数乗算部331を備える。
20, the same reference numerals as those in FIG. 3 denote the same components. The
電流トルク変換部323は、電圧電流変換部302から電流信号Idro1を受け取る。電流トルク変換部323は、電流信号Idro1に基づいてトルク信号τdro1を出力する。電流トルク変換部323の伝達関数は、トルク定数Kτである。The
慣性モーメント除算部325は、減算部304からトルク信号τdro3を受け取る。慣性モーメント除算部325は、トルク信号τdro3を慣性モーメントJで除算することで角加速度信号Adro3を生成して出力する。慣性モーメント除算部325の伝達関数は、慣性モーメントJを用いて表すと、1/Jである。
The inertia
軸受け粘性係数乗算部330は、加速度速度変換部307から速度信号Vdro4を受け取る。軸受け粘性係数乗算部330は、速度信号Vdro4に粘性係数c2を乗算することでトルク信号τdro4を生成して出力する。軸受け粘性係数乗算部330の伝達関数は、粘性係数c2である。ここで言う「軸受け」は、指向制御用ミラーを回転可能に支持する軸受けである。The bearing viscosity coefficient multiplier 330 receives the speed signal Vdro4 from the
軸受け弾性係数乗算部331は、速度位置変換部309からアクチュエータ位置検出信号act_pを受け取る。軸受け弾性係数乗算部331は、アクチュエータ位置検出信号act_pに弾性係数k2を乗算することでトルク信号τdro5を生成して出力する。軸受け弾性係数乗算部331の伝達関数は、弾性係数k2である。The bearing elastic coefficient multiplier 331 receives the actuator position detection signal act_p from the
直流感度除算部14bは、位置目標信号発生部10から位置目標信号ref_pを受け取り、変化幅信号生成部12から変化幅信号ref_p_sを受け取り、これらに基づいて電圧信号Edrを生成して出力する。直流感度除算部14は、変化幅信号ref_p_sに基づいてノミナルモデルの直流感度DCSmを定め、該直流感度DCSmで、位置目標信号ref_pを除算することで電圧信号Edrを生成する。直流感度除算部14bの伝達関数は、ノミナルモデルの直流感度DCSmを用いて表わすと、1/DCSmである。The
ノミナルモデル除算部22bは、アクチュエータ30bから位置検出信号act_pを受け取る。ノミナルモデル除算部22bは、位置検出信号act_pをノミナルモデルの伝達関数Pn(s)で除算することで電圧信号Edr1を生成して出力する。The nominal
ノミナルモデル除算部22bは、伝達関数生成部23b及び除算部24を有する。
伝達関数生成部23bは、アクチュエータ30bの伝達関数を模擬するモデルの伝達関数Pn(s)を生成する。除算部24は、伝達関数生成部23bで生成された伝達関数Pn(s)で、位置検出信号act_pを除算する。The nominal
The transfer
伝達関数生成部23bで伝達関数の生成に用いられるノミナルモデルは、図20に示されるアクチュエータ30bと概して同じ構成を有する。但し、ノミナルモデルは、図20のうち、加速度外乱gの入力がなく、加算部306を備えず、慣性モーメント除算部325の出力Adro3がそのまま加速度速度変換部307に入力される点で異なる。また、アクチュエータ30bにおいては軸受け粘性係数乗算部330で乗じられる粘性係数c2、軸受け弾性係数乗算部331で乗じられる弾性係数k2、電圧電流変換部302における抵抗R及びインダクタンスL、電流トルク変換部323における定数Kτ、及び速度逆起電力変換部308における定数Keが温度の影響を受けるが、ノミナルモデルにおいては、これらが温度に無関係に一定であるとしている。さらに、粘性係数c2及び弾性係数k2が変更可能であり、これらを変えることによりノミナルモデルの直流感度及び1次共振周波数におけるQ値が調整可能となっている。The nominal model used for generating the transfer function in the transfer
具体的には、変化幅信号生成部12から出力される変化幅信号ref_p_sを伝達関数生成部23bに供給し、ノミナルモデルの1次共振周波数におけるQ値が0dB以下になるように、かつこの変化幅信号ref_p_sに応じて、ノミナルモデルの直流感度DCSmが十分小さくなるようにノミナルモデルのパラメータを調整する。より具体的には、ノミナルモデルの1次共振周波数におけるQ値が−6dBから0dBの範囲内の値になるように、かつ変化幅信号ref_p_sで表される変化幅を符号ref_p_eで表し、アクチュエータ30bに印加可能な電圧の最大値をV_maxとしたときに、ノミナルモデルの直流感度DCSmがref_p_e/V_maxで与えられる値又はこれより若干大きい値、例えば、ref_p_e/V_maxで与えられる値からその1.25倍の値までの範囲内の値になるようにノミナルモデルのパラメータを調整するのが望ましい。
ノミナルモデルのパラメータの調整は、例えば、伝達関数生成部23bで用いられる粘性係数c2及び弾性係数k2の変更により行い得る。Specifically, the change width signal ref_p_s output from the change width
Adjustment of the parameters of the nominal model can be performed, for example, by changing the viscosity coefficient c 2 and the elastic coefficient k 2 used in the transfer
図21(a)及び図21(b)は、実施の形態2におけるアクチュエータ30bの電圧信号Edroに対する位置検出信号act_pの周波数特性を示す図である。図21(a)にはゲインの周波数特性(ゲイン特性)が示されている。横軸は周波数[Hz]で縦軸はゲイン[dB]である。図21(b)には位相の周波数特性(位相特性)が示されている。横軸は周波数[Hz]で縦軸は位相[deg]である。 FIGS. 21A and 21B are diagrams illustrating frequency characteristics of the position detection signal act_p with respect to the voltage signal Edro of the actuator 30b in the second embodiment. FIG. 21A shows a frequency characteristic (gain characteristic) of gain. The horizontal axis represents frequency [Hz] and the vertical axis represents gain [dB]. FIG. 21B shows the frequency characteristics (phase characteristics) of the phase. The horizontal axis is frequency [Hz] and the vertical axis is phase [deg].
図21(a)及び図21(b)に示されるように、アクチュエータ30bの周波数特性は、実施の形態1におけるアクチュエータ30の周波数特性と同様、1次共振周波数におけるQ値が0dBより大きくなっている。
As shown in FIGS. 21A and 21B, the frequency characteristic of the
図22(a)及び図22(b)は、実施の形態2における外乱補償部20bへの入力電圧信号Edrに対する位置検出信号act_pの周波数特性を示す図である。図22(a)にはゲインの周波数特性(ゲイン特性)が示されている。横軸は周波数[Hz]で縦軸はゲイン[dB]である。図22(b)には位相の周波数特性(位相特性)が示されている。横軸は周波数[Hz]で縦軸は位相[deg]である。
FIGS. 22A and 22B are diagrams illustrating frequency characteristics of the position detection signal act_p with respect to the input voltage signal Edr to the
図22(a)及び図22(b)において、点線で表わされている特性曲線GA71、PH71はアクチュエータ30bの周波数特性を示す。実線で表わされている特性曲線GA72、PH72はノミナルモデルの周波数特性を示す。なお、ノミナルモデルの1次共振周波数におけるQ値を−4dBに設定している。
In FIGS. 22A and 22B, characteristic curves GA71 and PH71 represented by dotted lines indicate the frequency characteristics of the
図22(a)及び図22(b)に示されるように、外乱補償部20bを設けることで、外乱補償部20bへの入力電圧信号Edrに対する位置検出信号act_pの周波数特性、即ち、外乱補償部20bとアクチュエータ30bの総合特性を、ノミナルモデルの特性と同等のものにすることができる。
As shown in FIGS. 22A and 22B, by providing the
図23(a)及び図23(b)は、実施の形態2におけるアクチュエータ30bのステップ応答を示す図である。図23(a)及び図23(b)で横軸はある基準となる時点からの経過時間[sec]である。 FIG. 23A and FIG. 23B are diagrams showing step responses of the actuator 30b in the second embodiment. In FIG. 23 (a) and FIG. 23 (b), the horizontal axis represents the elapsed time [sec] from a certain reference time.
図23(a)には、アクチュエータ30bの位置目標信号ref_pを0.2秒経過後に0[rad]から1e−4[rad]に変えた時の位置目標信号ref_pの変化が示されている。図23(b)には、アクチュエータ30bの位置目標信号ref_pを、図23(a)に示されるように変えた時の位置検出信号act_pのステップ応答が示されている。
FIG. 23A shows a change in the position target signal ref_p when the position target signal ref_p of the
図23(a)及び図23(b)に示されるように、実施の形態2におけるアクチュエータ30bのステップ応答では、オーバーシュートがなく、良好な応答となることが分かる。 As shown in FIG. 23A and FIG. 23B, it can be seen that the step response of the actuator 30b in the second embodiment has no overshoot and a good response.
以上に説明したように、実施の形態2に係る位置制御装置1bによれば、実施の形態1に係る位置制御装置1と同様の構成で、ステップ応答を向上させることができる。すなわち、実施の形態1と同様のノミナルモデルの設計で、実施の形態1と同様の効果が得られる。
As described above, according to the
上記の位置制御回路の構成の一部又は全部で行われる処理、或いは上記の位置制御方法で行われる処理の一部又は全部はプロセッサを備えたコンピュータに実行させることができる。従って、コンピュータに上記の位置制御装置の構成の一部又は全部で行われる処理、上記の位置制御方法で行われる処理の一部又は全部を実行させるためのプログラム、及び該プログラムを記録した、コンピュータで読み取り可能な記録媒体もまた本発明の一部を成す。 A part or all of the processing performed by part or all of the configuration of the position control circuit described above, or part or all of the processing performed by the position control method described above can be executed by a computer including a processor. Therefore, a program for causing a computer to execute part or all of the configuration of the position control device described above, a part or all of the processing performed by the position control method, and a computer recording the program A readable recording medium also forms part of the present invention.
上記のコンピュータの一例を図24に示す。図24のコンピュータは、プロセッサ51と、プログラムメモリ52と、データメモリ53と、入力インターフェース54と、出力インターフェース55とを備え、これらはデータバス56で接続されている。
プロセッサ51は、プログラムメモリ52に記憶されたプログラムに従って動作し、入力インターフェース54を介して入力された位置検出信号act_pに対して、実施の形態1又は2の位置制御装置の各部の処理を行って、処理の結果得られた電圧信号Edroを出力インターフェース55から出力する。An example of the computer is shown in FIG. The computer shown in FIG. 24 includes a
The
プロセッサ51による処理の内容は、実施の形態1及び2で説明したのと同様である。処理の過程で生成されるデータはデータメモリ53に保持される。データメモリ53はまた、処理に必要なデータ、例えば伝達関数Pn(s)を記憶するのに用いられる。
出力インターフェース55から出力された電圧信号Edroは、アクチュエータ30に供給される。The contents of the processing by the
The voltage signal Edro output from the
なおまた、図24に示されるコンピュータを複数台設け、それぞれに、位置制御装置の各部の処理を行わせることとしても良い。位置制御方法の処理の一部又は全部をコンピュータに実行させる場合も同様である。 In addition, a plurality of computers shown in FIG. 24 may be provided, and each unit may perform processing of each part of the position control device. The same applies to the case where the computer executes part or all of the processing of the position control method.
変形例.
本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の態様で実施することができる。Modified example.
The present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be implemented in various modes without departing from the gist of the present invention.
例えば、上記の実施の形態では、アクチュエータとして、光ピックアップにおける対物レンズアクチュエータとした場合、及び指向制御用ミラーの駆動機構とした場合を例示した。しかし、本発明はこれに限定されず、弾性支持機構を備えたアクチュエータであれば上記以外のアクチュエータにも適用可能である。 For example, in the above-described embodiment, the case where the actuator is an objective lens actuator in an optical pickup and the case where the actuator is a driving mechanism for a directivity control mirror are exemplified. However, the present invention is not limited to this, and can be applied to actuators other than the above as long as the actuator includes an elastic support mechanism.
1 位置制御装置、 10 位置目標信号発生部、 14,14b 直流感度除算部、 20,20b 外乱補償部、 21 加算部、 30,30b アクチュエータ、 22,22b ノミナルモデル除算部、 23,23b 伝達関数生成部、 24 除算部、 25 減算部、 26 LPF部、 16 外乱源、 301 減算部、 302 電圧電流変換部、 303 電流力変換部、 304 減算部、 305 可動部質量除算部、 306 加算部、 307 加速度速度変換部、 308 速度逆起電力変換部、 309 速度位置変換部、 310 可動部粘性係数乗算部、 311 可動部弾性係数乗算部、 312 加算部、 323 電流トルク変換部、 325 慣性モーメント除算部、 330 軸受け粘性係数乗算部、 331 軸受け弾性係数乗算部、 ref_p 位置目標信号、 Edr 電圧信号、 g 加速度外乱、 act_p 位置検出信号、 Edro 電圧信号、 Edr1 電圧信号、 Edr2 電圧信号、 Edr3 電圧信号、 Edro1 電圧信号、 Idro1 電流信号、 Fdro1 力信号、 Fdro2 力信号、 Fdro3 力信号、 Fdro4 力信号、 Fdro5 力信号、 Adro3 加速度信号、 Adro4 加速度信号、 Vdro4 速度信号、 Edro4 電圧信号、 τdro1 トルク信号、 τdro2 トルク信号、 τdro3 トルク信号、 τdro4 トルク信号、 τdro5 トルク信号、 DCSm 直流感度、 R コイル抵抗、 L コイルインダクタンス、 Kt 力定数、 m1 可動部質量、 Ke 逆起電力定数、 c1 可動部粘性係数、 k1 可動部弾性係数、 Kτ トルク定数、 J 慣性モーメント、 c2 軸受け粘性係数、 k2 軸受け弾性係数、 O(s) 外乱補償部とアクチュエータの総合伝達関数、 P(s) アクチュエータの伝達関数、 Pn(s) ノミナルモデルの伝達関数、 Fc(s) LPFの伝達関数。DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Position control apparatus, 10 Position target signal generation part, 14, 14b DC sensitivity division part, 20, 20b Disturbance compensation part, 21 Adder part, 30, 30b Actuator, 22, 22b Nominal model division part, 23, 23b Transfer function generation Part, 24 division part, 25 subtraction part, 26 LPF part, 16 disturbance source, 301 subtraction part, 302 voltage current conversion part, 303 current force conversion part, 304 subtraction part, 305 movable part mass division part, 306 addition part, 307 Acceleration speed conversion section, 308 Speed counter electromotive force conversion section, 309 Speed position conversion section, 310 Movable section viscosity coefficient multiplication section, 311 Movable section elastic coefficient multiplication section, 312 Addition section, 323 Current torque conversion section, 325 Inertia moment division section 330 bearing viscosity coefficient multiplication unit, 331 bearing elastic coefficient multiplication unit, ref_p position target signal, E dr voltage signal, g acceleration disturbance, act_p position detection signal, Edr voltage signal, Edr1 voltage signal, Edr2 voltage signal, Edr3 voltage signal, Edro1 voltage signal, Idro1 current signal, Fdro1 force signal, Fdro2 force signal, Fdro3 force signal, Fdro3 force signal Force signal, Fdro5 force signal, Adro3 acceleration signal, Adro4 acceleration signal, Vdro4 speed signal, Edro4 voltage signal, τdro1 torque signal, τdro2 torque signal, τdro3 torque signal, τdro4 torque signal, τdro5 torque signal, DCS m coil sensitivity, DCS m coil sensitivity Resistance, L coil inductance, K t force constant, m 1 movable part mass, Ke counter electromotive force constant, c 1 movable part viscosity coefficient, k 1 movable part elastic modulus, K τ torque constant, J moment of inertia, c Two- bearing viscosity coefficient, k Two- bearing elastic coefficient, O (s) Total transfer function of disturbance compensator and actuator, P (s) Actuator transfer function, P n (s) Nominal model transfer function, F c (s) LPF transfer function.
Claims (10)
前記可動部の位置制御における前記可動部の目標位置を示す位置目標信号を出力する位置目標信号発生部と、
前記位置目標信号を、前記アクチュエータの伝達特性を模擬したノミナルモデルの直流感度で除算する直流感度除算部と、
前記直流感度除算部の出力を入力として、前記アクチュエータの特性ばらつきと、前記アクチュエータに作用する外乱を補償する外乱補償部と
を有する位置制御装置。A position control device for controlling the position of a movable part of an actuator having an elastic support mechanism,
A position target signal generator for outputting a position target signal indicating the target position of the movable part in the position control of the movable part;
A DC sensitivity division unit that divides the position target signal by the DC sensitivity of a nominal model that simulates the transfer characteristics of the actuator;
A position control device comprising: a disturbance compensator that compensates for a variation in characteristics of the actuator and a disturbance acting on the actuator, using the output of the DC sensitivity divider as an input.
ことを特徴とする請求項1に記載の位置制御装置。The position controller according to claim 1, wherein the disturbance compensation unit includes a nominal model division unit that divides the position detection value of the movable unit by a transfer function of a nominal model.
前記直流感度除算部は、前記直流感度を用いて前記除算を行い、
前記ノミナルモデル除算部は、前記直流感度を有するノミナルモデルで前記除算を行う
ことを特徴とする請求項2又は3に記載の位置制御装置。When the desired moving amount of the movable part of the actuator is ref_p_e and the maximum value of the voltage that can be applied to the actuator is V_max, the DC sensitivity of the nominal model is 1.25 times the value given by ref_p_e / V_max. Set to a value within the range up to
The direct current sensitivity division unit performs the division using the direct current sensitivity,
The position control device according to claim 2, wherein the nominal model division unit performs the division using a nominal model having DC sensitivity.
前記可動部の位置制御における前記可動部の目標位置を示す位置目標信号を発生し、
前記位置目標信号を、前記アクチュエータの伝達特性を模擬したノミナルモデルの直流感度で除算し、
前記直流感度による除算の結果に基づいて前記アクチュエータの特性ばらつきと、前記アクチュエータに作用する外乱を補償する
ことを特徴とする位置制御方法。A position control method for controlling the position of a movable part of an actuator provided with an elastic support mechanism,
Generating a position target signal indicating a target position of the movable part in the position control of the movable part;
The position target signal is divided by the DC sensitivity of a nominal model that simulates the transfer characteristics of the actuator,
A position control method comprising: compensating for a variation in the characteristics of the actuator and a disturbance acting on the actuator based on a result of division by the DC sensitivity.
前記直流感度による除算を、前記直流感度を用いて行い、
前記ノミナルモデルによる除算を、前記直流感度を有するノミナルモデルを用いて行う
ことを特徴とする請求項6又は7に記載の位置制御方法。When the desired moving amount of the movable part of the actuator is ref_p_e and the maximum value of the voltage that can be applied to the actuator is V_max, the DC sensitivity of the nominal model is 1.25 times the value given by ref_p_e / V_max. Set to a value within the range up to
Division by the DC sensitivity is performed using the DC sensitivity,
The position control method according to claim 6 or 7, wherein division by the nominal model is performed using a nominal model having the DC sensitivity.
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