JP6786024B1 - 免振制御装置および免振制御方法 - Google Patents

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Abstract

免振制御装置(4)は、架台(2)に固定された第1モータ(302)で第1可動部(301)を駆動し架台(2)に固定された第2モータ(312)で第2可動部(311)を駆動する駆動装置(3)を制御対象とし、時系列の追従指令(10)に第1可動部(301)が追従するように第1モータ(302)の位置または速度を制御する第1制御部(40)と、追従指令(10)に含まれる架台(2)の振動周波数成分に相当する位置または速度の次元の指令である振動抑制指令(11)の比例倍に第2モータ(312)の位置または速度を追従させる第2制御部(41)と、を備えることを特徴とする。

Description

本開示は、架台に固定されたモータで可動部を駆動する駆動装置の運転中に生じる架台の振動を抑制する免振制御装置および免振制御方法に関する。
架台に固定されたモータで可動部を駆動して指定の位置に物を運ぶ位置決め装置のような駆動装置において、高速化および高精度化が求められている。しかしながら、駆動装置を高速化するとモータの回転数を上げる必要があるため架台に振動が生じ、駆動装置の動作精度が低下してしまう。架台に生じる振動を抑制する技術としては、架台に生じる振動周波数に基づいたフィルタを用いて、モータを制御する追従指令を修正する方法が知られている。しかしながら、追従指令を修正する場合、駆動装置の動作完了までの時間が増加してしまう。
特許文献1には、駆動装置のモータとは異なる免振制御用のモータを備え、免振制御用のモータを駆動装置のモータと逆向きに駆動して、駆動装置の動作に伴って発生する架台の振動を抑制する免振制御装置が開示されている。免振制御用のモータは、駆動装置のモータが駆動する第1の可動部と異なる第2の可動部を駆動する。免振制御用のモータを備えることで、駆動装置のモータに与える追従指令を修正する必要がないため、駆動装置の動作完了までの時間を維持することが可能である。また、特許文献1に開示された技術では、位置速度制御による推力指令から架台の振動成分を除去した推力指令を生成し、免振制御用のカウンタ推力指令に追加している。これにより、免振制御用のモータが駆動する第2の可動部は、駆動装置を動作させた後に初期位置に戻るため、連続で同一方向への駆動を繰り返す場合であっても第2の可動部の可動範囲を抑制することができる。
特開2012−52666号公報
しかしながら、上記従来の技術によれば1回の位置決めによる第2の可動部の可動範囲は、第1の可動部と同じ程度必要であり、さらに可動範囲を抑制することが求められていた。
本開示は、上記に鑑みてなされたものであって、駆動装置の動作により生じる振動を抑制するとともに、免振制御用のモータが駆動する可動部の可動範囲を抑制することが可能な免振制御装置を得ることを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本開示にかかる免振制御装置は、架台に固定された第1モータで第1可動部を駆動し架台に固定された第2モータで第2可動部を駆動する駆動装置を制御対象とし、時系列の追従指令に第1可動部が追従するように第1モータの位置または速度を制御する第1制御部と、追従指令に含まれる架台の振動周波数成分に相当する位置または速度の次元の指令である振動抑制指令の比例倍に第2モータの位置または速度を追従させる第2制御部と、を備えることを特徴とする。
本発明にかかる免振制御装置は、駆動装置の動作により生じる振動を抑制するとともに、免振制御用のモータが駆動する可動部の可動範囲を抑制することが可能であるという効果を奏する。
実施の形態1にかかる位置決め装置の構成を示す図 追従指令から生成される駆動装置の各指令波形の一例を示す図 図1に示す振動抑制演算部の第1の例を説明するための図 図3に示す第1の例における追従指令および振動抑制指令の和を周波数解析した結果を示す図 図1に示す振動抑制演算部の第2の例を説明するための図 図5に示す第2の例における追従指令および振動抑制指令の和を周波数解析した結果を示す図 図1に示す振動抑制演算部の第3の例を説明するための図 図7に示す第3の例における追従指令および振動抑制指令の和を周波数解析した結果を示す図 図1に示す振動抑制演算部の第4の例を説明するための図 図9に示す第4の例における追従指令および振動抑制指令の和を周波数解析した結果を示す図 図1に示す振動抑制演算部の第5の例を説明するための図 第1の比較例で使用する追従指令を示す図 第1の比較例において架台に発生する加速度をシミュレーションした結果を示す図 第2の比較例で使用する追従指令と、追従指令および振動抑制指令の和とを示す図 第2の比較例において架台に発生する加速度をシミュレーションした結果を示す図 図1に示す位置決め装置が使用する追従指令を示す図 図1に示す位置決め装置が使用する振動抑制指令を示す図 実施の形態1において架台に発生する加速度をシミュレーションした結果を示す図 実施の形態2にかかる位置決め装置の構成を示す図 実施の形態3にかかる位置決め装置の構成を示す図 実施の形態4にかかる位置決め装置の構成を示す図 図21に示す位置決め装置が用いる追従指令および振動抑制指令を生成するエンジニアリングツールの構成例を示す図 実施の形態5にかかる位置決め装置の構成を示す図 実施の形態6にかかる位置決め装置の構成を示す図
以下に、本開示の実施の形態にかかる免振制御装置および免振制御方法を図面に基づいて詳細に説明する。
実施の形態1.
図1は、実施の形態1にかかる位置決め装置1の構成を示す図である。位置決め装置1は、駆動装置3と免振制御装置4とを有する。
駆動装置3は、位置決め用の第1モータ302および第1可動部301を備える位置決め駆動部30と、免振制御用の第2モータ312および第2可動部311を備える免振駆動部31とを有する。第1モータ302および第2モータ312は、架台2に固定されている。第1可動部301は、第1モータ302に機械的に接続されている。第1モータ302は、第1可動部301を駆動する。第2可動部311は、第2モータ312に機械的に接続されている。第2モータ312は、第2可動部311を駆動し、その反力をもって、第1モータ302が第1可動部301を駆動したときに生じる架台2の振動を抑制する。第1モータ302は、免振制御装置4が出力する指令に基づいて第1可動部301を駆動し、第2モータ312は、免振制御装置4が出力する指令に基づいて第2可動部311を駆動する。
免振制御装置4は、位置決め駆動部30を制御する第1制御部40と、免振駆動部31を制御する第2制御部41と、振動抑制演算部42と、振動特性設定部43とを有する。第1制御部40は、外部から入力される時系列の追従指令10に基づいて、第1モータ302に電流を供給して第1可動部301の動きを制御する。具体的には、第1制御部40は、第1可動部301が追従指令10に追従するように第1モータ302の位置または速度を制御する。追従指令10は、位置または速度の次元の指令である。第2制御部41は、後述する振動抑制演算部42が演算する振動抑制指令11に基づいて、第2モータ312に電流を供給して第2可動部311の動きを制御する。振動抑制指令11は、追従指令10に含まれる架台2の振動周波数成分に相当する指令である。具体的には、第2制御部41は、振動抑制指令11の比例倍に第2モータ312の位置または速度を追従させるように第2モータ312を制御する。
振動抑制演算部42は、追従指令10に基づいて、第2制御部41が免振駆動部31を制御するための振動抑制指令11を演算する。振動抑制演算部42は、追従指令10に含まれる架台2の振動周波数成分に相当する振動抑制指令11を位置または速度の次元で演算する。振動特性設定部43は、架台2に応じた振動周波数を予め保持する。
図1において、駆動装置3および免振制御装置4は架台2上に設置されているが、免振制御装置4の一部または全部を架台2とは別の機器に設置してもよい。この場合、第1制御部40と第1モータ302との間および第2制御部41と第2モータ312との間は、ケーブル等を用いて接続される。
追従指令10は、外部から免振制御装置4に送られる時系列の位置指令または速度指令である。図2は、追従指令10から生成される駆動装置3の各指令波形の一例を示す図である。図2は、位置指令、速度指令、および、推力指令のそれぞれの波形を含む。なお、追従指令10の取得方法および生成方法は、特に制限されない。追従指令10は、駆動装置3および免振制御装置4が実行可能な任意の形状の指令であってよい。例えば、追従指令10は、PLC(Programmable Logic Controller)、IPC(Industrial Personal Computer)などで生成した位置指令または速度指令であって、産業用ネットワークまたはアナログ信号などを介して取得されたものである。また、追従指令10は、駆動装置3の駆動距離などに基づいて生成した指令を通信路を介して免振制御装置4に送信したものであってもよい。ただし、位置決め精度の観点から追従指令10および振動抑制指令11は同期されていることが望ましい。
第1制御部40は、位置指令または速度指令である追従指令10に応じて、第1モータ302の位置または速度を追従指令10の比例倍に追従させるように駆動する。第2制御部41は、位置指令または速度指令である振動抑制指令11に応じて、第2モータ312の位置または速度を振動抑制指令11の比例倍に追従させるように駆動する。このとき、第2制御部41の応答速度を第1制御部40の応答速度と同一に設定することによって、第1モータ302および第2モータ312で発生させる力の応答を同一とすることができ、架台2に発生する振動を精度よく抑制することが可能になる。なお、第1制御部40の応答速度と第2制御部41の応答速度との差が閾値以下である場合、第1制御部40の応答速度と第2制御部41の応答速度とは同一であるとみなすことができる。この閾値は、第1モータ302および第2モータ312で発生させる力の応答が同一であるとみなせる程度の値とすることが望ましい。また、第1制御部40の応答速度と第2制御部41の応答速度とを同一にした場合、位置決め装置1の使用者は、第1制御部40の設定値をそのまま流用して、第2制御部41のゲインなどの設定値を決定することができ、設定値の決定を容易に行うことが可能になる。
振動抑制演算部42は、振動抑制指令11と追従指令10との和が、架台2に応じて予め振動特性設定部43に設定された架台振動周波数において極小となる周波数応答を持つように、振動抑制指令11を演算する。
なお、免振制御装置4は、例えばCPU(Central Processing Unit)92およびメモリ93を用いた制御回路を備えるコンピュータによって構成される。CPU92は、処理回路、演算装置、プロセッサ、マイクロコンピュータ、DSP(Digital Signal Processor)などとも呼ばれる。メモリ93は、例えば、RAM(Random Access Memory)、ROM(Read Only Memory)、フラッシュメモリ、EPROM(Erasable Programmable ROM)、EEPROM(登録商標)(Electrically EPROM)などの不揮発性または揮発性の半導体メモリ、磁気ディスク、フレキシブルディスク、光ディスク、コンパクトディスク、ミニディスク、DVD(Digital Versatile Disk)などである。
CPU92は、メモリ93に記憶された、各処理に対応するコンピュータプログラムを読み出して実行することによって、第1制御部40、第2制御部41、振動抑制演算部42、および振動特性設定部43の機能を実現する。メモリ93は、CPU92が実行する各処理における一時メモリとしても使用される。CPU92が実行するプログラムは、通信路を介して提供されてもよいし、記憶媒体に記録された状態で提供されてもよい。
なお、上記ではCPU92およびメモリ93を用いた例について示したが、免振制御装置4の少なくとも一部の機能は、専用のハードウェアにより実現されてもよい。専用のハードウェアは、例えば、単一回路、複合回路、プログラム化したプロセッサ、並列プログラム化したプロセッサ、ASIC(Application Specific Integrated Circuit)、FPGA(Field Programmable Gate Array)、またはこれらを組み合わせたものである。以下の実施の形態についても同様である。
図3は、図1に示す振動抑制演算部42の第1の例を説明するための図である。第1の例では、振動抑制演算部42は、IIR(Infinite Impulse Response:無限インパルス応答)フィルタを用いて、振動抑制指令11を演算する。第1の例で用いられるIIRフィルタのフィルタ関数は、以下の数式(1)で表される。
Figure 0006786024
ここで数式(1)に含まれる3つの定数a,a,bのそれぞれの値は、振動特性設定部43に設定された振動特性の情報に基づいて設定される。例えば、架台2の振動周波数がω[Hz]であるとき、定数a=2/2πωであり、定数a=1/(2πω)であり、定数b=0.3/(2πω)である場合、架台2の振動を抑制することができる。定数aは、架台2の振動周波数ωのマイナス1乗に比例し、定数aおよび定数bは、架台2の振動周波数ωのマイナス2乗に比例する。
振動抑制演算部42が第1の例のIIRフィルタを用いることで、少ないメモリで効率的に架台2に発生する振動を抑制することができる。また、フィルタを連続の表現とすることで、精度よく振動を抑制することが可能になる。
図4は、図3に示す第1の例における追従指令10および振動抑制指令11の和を周波数解析した結果を示す図である。図4の横軸は周波数であり、縦軸は追従指令10および振動抑制指令11の和である。架台2の振動周波数ωにおいて、周波数応答は極小値をとっている。
図5は、図1に示す振動抑制演算部42の第2の例を説明するための図である。第2の例は、第1の例におけるIIRフィルタを離散で実装し、さらにa=bとした例である。IIRフィルタを離散で実装することにより、さらに少ない演算で架台2の振動を抑制することができる。また、a=bとすることで、伝達関数の分子の2次の係数が0となる。このため、演算量をより少なくすることができる。
図6は、図5に示す第2の例における追従指令10および振動抑制指令11の和を周波数解析した結果を示す図である。図6の横軸は周波数であり、縦軸は追従指令10および振動抑制指令11の和である。架台2の振動周波数ωにおいて、周波数応答は極小値をとっている。
図7は、図1に示す振動抑制演算部42の第3の例を説明するための図である。第3の例では、振動抑制演算部42は、FIR(Finite Impulse Response:有限インパルス応答)フィルタを用いて、振動抑制指令11を演算する。第3の例で用いられるFIRフィルタの第1の離散系伝達関数F(z)は、以下の数式(2)で表される。
Figure 0006786024
定数Nの値は、振動特性設定部43に設定された振動特性の情報に応じて設定される。例えば、架台2の振動周波数ω、振動抑制演算部42の処理周期tとした場合、N=1/ωtとすることで、架台2の振動を抑制することができる。
振動抑制演算部42が第3の例に示すFIRフィルタを用いることで、フィルタの演算を行うときの演算誤差の影響を抑制して、振動を抑制することができる。また、FIRフィルタを用いることで、振動抑制指令11を安定させることが可能になる。
図8は、図7に示す第3の例における追従指令10および振動抑制指令11の和を周波数解析した結果を示す図である。図8の横軸は周波数であり、縦軸は追従指令10および振動抑制指令11の和である。架台2の振動周波数ωにおいて、周波数応答は極小値をとっている。
図9は、図1に示す振動抑制演算部42の第4の例を説明するための図である。第4の例では、振動抑制演算部42は、移動平均フィルタを用いて、振動抑制指令11を演算する。図9に示す移動平均フィルタの段数はNである。段数を示す定数Nの値は、第3の例における定数Nと同様に、振動特性設定部43に設定された振動特性の情報に応じて設定される。第4の例で用いられる移動平均フィルタの第2の離散系伝達関数F(z)は、以下の数式(3)で表される。
Figure 0006786024
振動抑制演算部42が図9に示す移動平均フィルタを用いることで、振動抑制演算部42の入力にノイズがある場合であっても、安定した振動抑制指令11を演算することができる。
図10は、図9に示す第4の例における追従指令10および振動抑制指令11の和を周波数解析した結果を示す図である。図10の横軸は周波数であり、縦軸は追従指令10および振動抑制指令11の和である。架台2の振動周波数ωにおいて、周波数応答は極小値をとっている。
以上、振動抑制演算部42の第1〜第4の例について説明したが、振動抑制演算部42は、追従指令10と振動抑制指令11との和が、架台2の振動周波数ωにおいて極小となる周波数応答を持つように振動抑制指令11を演算することができればよい。上記は一例であって、振動抑制演算部42の構成は、説明した例に限定されない。
例えば、望まれる特性に応じて、フィルタの次数が変更されてよい。また、振動抑制演算部42は、複数のフィルタを組み合わせて構成することもできる。また、振動抑制演算部42が用いる各フィルタの定数を、周波数応答に応じて変更することもできる。位置決め装置1の使用者または設計者は、装置構成、使用状況などに応じて、適した手法を選択することができる。また、状況に応じて、フィルタの使い分けができるように振動抑制演算部42を構成してもよい。
図11は、図1に示す振動抑制演算部42の第5の例を説明するための図である。振動抑制演算部42は、複数の振動周波数ωに基づいて、振動抑制指令11を演算してもよい。第5の例において、振動抑制演算部42は、2つの振動周波数ω,ωに基づいて、振動抑制指令11を演算する。例えば、振動抑制演算部42は2つのIIRフィルタを用いて、振動抑制指令11を演算する。一方のIIRフィルタのフィルタ関数は、上記の数式(1)で表され、他方のIIRフィルタのフィルタ関数は、以下の数式(4)で表される。
Figure 0006786024
第5の例では、数式(1)に含まれる定数a=2/2πωであり、定数a=1/(2πωであり、定数b=0.3/(2πωであり、数式(4)に含まれるa3=2/2πωであり、定数a=1/(2πωであり、定数b=0.3/(2πωである場合、架台2の振動を抑制することができる。
第5の例では、追従指令10と振動抑制指令11との和が、それぞれの振動周波数ω,ωで極小となる周波数応答を有するため、より精度よく架台2の振動を抑制することができる。
続いて、図1に示す位置決め装置1の奏する効果について説明する。図12および図13は、本実施の形態の第1の比較例を説明するための図である。図12は、第1の比較例で使用する追従指令10を示す図である。図13は、第1の比較例において架台2に発生する加速度をシミュレーションした結果を示す図である。なお、図13は、図12に示す追従指令10を用いて位置決め駆動部30を単独で駆動し、免振駆動部31を駆動しない場合のシミュレーション結果を示している。
図13に示すように、免振駆動部31を駆動させずに、位置決め駆動部30を駆動した場合、第1可動部301が追従指令10に従って駆動すると、架台2が振動して位置に誤差が発生するため、位置決め精度が低下してしまうことがある。
図14および図15は、本実施の形態の第2の比較例を説明するための図である。図14は、第2の比較例で使用する追従指令10と、追従指令10および振動抑制指令11の和とを示す図である。図15は、第2の比較例において架台2に発生する加速度をシミュレーションした結果を示す図である。図14の実線は、追従指令10および振動抑制指令11の和を示しており、図14の破線は、追従指令10単体を示している。図15の実線は、図14の実線で示される追従指令10および振動抑制指令11の和を使用して、位置決め駆動部30を駆動した場合に架台2に発生する加速度のシミュレーション結果を示しており、図15の破線は、図14の破線で示される追従指令10単体を使用して、位置決め駆動部30を駆動した場合に架台2に発生する加速度のシミュレーション結果を示している。
図15の実線と破線とを比較すると、追従指令10に振動抑制指令11を追加することで、架台2に発生する加速度は、追従指令10単体で位置決め駆動部30を駆動した場合よりも大幅に抑制されている。しかしながら、追従指令10に振動抑制指令11を追加した場合、位置決めが完了するまでの時間が増加している。
図16は、図1に示す位置決め装置1が使用する追従指令10を示す図である。図17は、図1に示す位置決め装置1が使用する振動抑制指令11を示す図である。図18は、実施の形態1において架台2に発生する加速度をシミュレーションした結果を示す図である。図18は、図16に示す追従指令10を用いて位置決め駆動部30を駆動し、図17に示す振動抑制指令11を用いて免振駆動部31を駆動した場合のシミュレーション結果を示している。
本実施の形態にかかる位置決め装置1では、位置決め駆動部30は、追従指令10に基づいて制御されるため、第2の比較例で生じたような位置決め時間の増加を抑制しつつ、免振駆動部31を振動抑制指令11に基づいて制御することで、架台2の振動を抑制することができる。このとき振動抑制演算部42は、位置決め駆動部30の推力指令、加速度指令ではなく、位置指令および速度指令に対して、その駆動時の架台2の振動の反力を演算するため、第1可動部301にかかる摩擦の影響を抑えつつ、振動を抑制することができる。
ここで、第2可動部311の可動範囲は、位置指令に図3,5,7,9,11に示したようなフィルタを適用したものであるため、摩擦などの影響を考慮する必要なく、容易に計算することができる。
また、振動抑制演算部42が使用するフィルタの性質によって、第2可動部311は、位置決め終了時に自然に始動位置に戻る。これにより、追従指令10が同一方向に連続で動作するような場合であっても、第2可動部311の可動範囲は、追従指令1回分と同等となる。さらに、第2モータ312は、追従指令10に含まれる振動周波数成分に相当する振動抑制指令11の比例倍に追従するように制御される。振動周波数成分は、元の追従指令と比較して小さいため、第2可動部311の1回分の可動範囲は、元の追従指令に対して短縮される。
以上説明したように、実施の形態1にかかる免振制御装置4によれば、第1可動部301は、時系列の追従指令に追従するように第1モータ302の位置または速度が制御され、第2モータ312の位置または速度は、架台2の振動周波数成分に相当する振動抑制指令11の比例倍に追従するように制御される。このため、制御対象である駆動装置3の動作により生じる振動を抑制するとともに、第2可動部311の可動範囲を抑制することが可能になる。
また、第1制御部40の応答速度と第2制御部41の応答速度との差は閾値以下に設定される。これにより、第1モータ302および第2モータ312で発生させる力の応答を同一とすることができ、架台2に発生する振動を精度よく抑制することが可能になる。また、第1制御部40の応答速度と第2制御部41の応答速度とを同一にした場合、位置決め装置1の使用者は、第1制御部40の設定値をそのまま流用して、第2制御部41のゲインなどの設定値を決定することができ、設定値の決定を容易に行うことが可能になる。
なお、振動抑制演算部42は、追従指令10との和が、架台2の振動周波数に基づいた周波数で極小となる周波数応答を持つように振動抑制指令11を演算することで、振動抑制指令11を、追従指令10に含まれる架台2の振動周波数成分に相当する指令とすることができる。つまり、振動抑制指令11は、架台2の振動が小さくなる周波数応答をもつ指令と、追従指令10との差をとることで計算される。このため、簡易な演算で架台2の振動を抑制することが可能になる。
なお、振動抑制演算部42は、上記の第1〜第5の例に示す方法で、振動抑制指令11を演算することができる。フィルタを用いることで、容易に振動抑制指令11を生成することが可能になる。
実施の形態2.
図19は、実施の形態2にかかる位置決め装置1−1の構成を示す図である。位置決め装置1−1の構成の一部は、位置決め装置1と共通である。以下、位置決め装置1と共通する部分については、同じ符号を用いることで、詳細な説明を省略し、位置決め装置1と異なる部分について主に説明する。位置決め装置1−1は、駆動装置3−1と、免振制御装置4−1とを有する。
駆動装置3−1は、位置決め駆動部30−1と、免振駆動部31−1とを有する。位置決め駆動部30−1は、第1可動部301と、第1モータ302と、第1位置検出器303とを有する。免振駆動部31−1は、第2可動部311と、第2モータ312と、第2位置検出器313とを有する。
免振制御装置4−1は、第1制御部40−1と、第2制御部41−1と、振動抑制演算部42と、振動特性設定部43と、慣性比補償部44と、慣性特性設定部45とを有する。
第1位置検出器303は、第1可動部301の位置を測定し、測定した位置を示す第1位置情報12を第1制御部40−1に出力する。第1位置検出器303は、第1可動部301に設置、または第1可動部301に近接して設置される。第1位置検出器303は、例えば、リニアスケール、近接センサ、レーザ変位計、ビジョンセンサなどである。なお、図19では、第1位置検出器303は、第1可動部301に取り付けられているが、第1位置検出器303は、第1モータ302に取り付けられたエンコーダ、レゾルバなどであってもよいし、第1位置検出器303は、第1可動部301および第1モータ302の両方に取り付けられてもよい。
第2位置検出器313は、第2可動部311の位置を測定し、測定した位置を示す第2位置情報13を第2制御部41−1に出力する。第2位置検出器313は、第2可動部311に設置、または第2可動部311に近接して設置される。第2位置検出器313は、例えば、リニアスケール、近接センサ、レーザ変位計、ビジョンセンサなどである。なお、図19では、第2位置検出器313は、第2可動部311に取り付けられているが、第2位置検出器313は、第2モータ312に取り付けられたエンコーダ、レゾルバなどであってもよいし、第2位置検出器313は、第2可動部311および第2モータ312の両方に取り付けられてもよい。
第1制御部40−1は、第1位置検出器303が測定した第1可動部301の位置を示す第1位置情報12を受信し、受信した第1位置情報12と追従指令10とに基づいて第1モータ302をフィードバック制御するサーボシステムである。同様に、第2制御部41−1は、第2位置検出器313が測定した第2可動部311の位置を示す第2位置情報13を受信し、受信した第2位置情報13と振動抑制指令11とに基づいて第2モータ312をフィードバック制御するサーボシステムである。
慣性比補償部44は、予め慣性特性設定部45に設定された慣性比に応じて、追従指令10に対して、慣性比による振動への影響を補償する。ここで、慣性比は、第1可動部301および第1モータ302と、第2可動部311および第2モータ312との慣性比に応じて予め設定される。例えば、第1可動部301の質量がM、第2可動部311の質量がmの場合、慣性比補償部44は、追従指令10にM/mを乗ずることによって、第1可動部301と第2可動部311との質量差による架台2の振動の影響を補うことができる。
また、第1可動部301の可動方向と第2可動部311の可動方向とが並行でない場合、慣性比補償部44は、第1可動部301の可動方向と、第2可動部311の可動方向との差による架台2の振動への影響を補間することができる。例えば、第1可動部301の可動方向と、第2可動部311の可動方向とが角度θ[rad]で交わる場合、慣性比補償部44は、追従指令10にM/mcosθを乗ずることで、架台2に発生する振動を抑制することができる。
慣性特性設定部45に設定される慣性比は、位置決め装置1−1の設計者が予め設定してもよいし、装置構成に応じて、使用者が設定してもよい。特に、第1可動部301の構成と第2可動部311の構成とが同一であって、その駆動方向が同一である場合、慣性特性設定部45に設定される慣性比は「1」となることから、免振制御装置4−1は、慣性比補償部44および慣性特性設定部45を省略した構成とすることができる。また、図19では、慣性比補償部44は、振動抑制演算部42の後段に設けられているが、振動抑制演算部42および慣性比補償部44の処理順は逆であってもよい。
第1制御部40−1は、追従指令10および第1位置情報12に基づいて、第1可動部301を駆動させる推力指令を生成し、第1可動部301に加わる外力を制御することができる。第2制御部41−1は、振動抑制指令11および第2位置情報13に基づいて、第2可動部311を駆動させる推力指令を生成し、第2可動部311に加わる外力を制御することができる。このような構成を有することによって、第1可動部301とその接地面との間に発生する摩擦と、第2可動部311とその接地面との間に発生する摩擦とが異なる場合であっても、推力が調整され、第1可動部301に加わる外力と第2可動部311に加わる外力とを同一にすることができる。したがって、駆動装置3−1の駆動時に発生する架台2の振動を精度よく抑制することが可能になる。
なお、免振制御装置4−1は、例えばCPU92およびメモリ93を用いた制御回路を備えるコンピュータによって構成される。CPU92は、メモリ93に記憶された、各処理に対応するコンピュータプログラムを読み出して実行することによって、第1制御部40−1、第2制御部41−1、振動抑制演算部42、振動特性設定部43、慣性比補償部44、および、慣性特性設定部45の機能を実現することができる。
実施の形態3.
図20は、実施の形態3にかかる位置決め装置1−2の構成を示す図である。位置決め装置1−2の構成の一部は、位置決め装置1と共通である。以下、位置決め装置1と共通する部分については、同じ符号を用いることで、詳細な説明を省略し、位置決め装置1と異なる部分について主に説明する。位置決め装置1−2は、駆動装置3−2と、免振制御装置4−2とを有する。
駆動装置3−2は、複数の位置決め駆動部30A,30Bと、免振駆動部31とを有する。位置決め駆動部30Aは、第1可動部301Aと、第1モータ302Aとを有する。位置決め駆動部30Bは、第1可動部301Bと、第1モータ302Bとを有する。なお、第1可動部301A,301Bは、第1可動部301と同様の機能を有し、第1モータ302A,302Bは、第1モータ302と同様の機能を有する。
免振制御装置4−2は、複数の第1制御部40A,40Bと、第2制御部41と、振動抑制演算部42と、振動特性設定部43と、複数の慣性比補償部44A,44Bと、複数の慣性特性設定部45A,45Bとを有する。
第1制御部40Aは、第1の追従指令10Aに基づいて動作する以外は、第1制御部40と同様の機能を有する。第1制御部40Bは、第2の追従指令10Bに基づいて動作する以外は、第1制御部40と同様の機能を有する。第1制御部40Aは、第1の追従指令10Aに基づいて第1モータ302Aに電流を供給し、第1モータ302Aに機械的に接続された第1可動部301Aの位置または速度を第1の追従指令10Aに追従させる。第1制御部40Bは、第2の追従指令10Bに基づいて第1モータ302Bに電流を供給し、第1モータ302Bに機械的に接続された第1可動部301Bの位置または速度を第2の追従指令10Bに追従させる。
位置決め装置1−2は、2つの位置決め駆動部30A,30Bがそれぞれ発生させる架台2の振動を、免振駆動部31を駆動させることによる反力をもって相殺する。このため、第2制御部41は、第1の追従指令10Aおよび第2の追従指令10Bに基づいて、免振駆動部31を制御することになる。第1の追従指令10Aおよび第2の追従指令10Bのそれぞれは、慣性比補償部44A,44Bで慣性による影響を補償された後、補償後の第1の追従指令10Aおよび第2の追従指令10Bの和が振動抑制演算部42に出力される。振動抑制演算部42は、補償後の第1の追従指令10Aおよび第2の追従指令10Bの和に基づいて、振動抑制指令11を演算する。
慣性比補償部44Aは、第1の追従指令10Aに対して、第1可動部301Aおよび第1モータ302Aと第2可動部311および第2モータ312との慣性比に応じて予め慣性特性設定部45Aに設定された慣性比を用いて、慣性比による架台2の振動への影響を補償する。慣性比補償部44Bは、第2の追従指令10Bに対して、第1可動部301Bおよび第1モータ302Bと第2可動部311および第2モータ312との慣性比に応じて予め慣性特性設定部45Bに設定された慣性比を用いて、慣性比による架台2の振動への影響を補償する。具体的な補償方法は、実施の形態1と同様であるため説明を省略する。
一般的に、免振駆動部31の第2モータ312に発生させる最大推力は、第1モータ302A,302Bの発生させる最大推力の和に近い値となる。このため、位置決め装置1−2では、第2モータ312は、第1モータ302A,302Bのそれぞれよりも出力の大きいモータであることが望ましい。
また、図20では、2つの位置決め駆動部30A,30Bを有する位置決め装置1−2について説明したが、位置決め装置1−2は、3つ以上の位置決め駆動部30を備えてもよい。この場合、振動抑制演算部42は、位置決め駆動部30と同数の追従指令10の和に基づいて、振動抑制指令11を演算する。
実施の形態3にかかる位置決め装置1−2は、複数の位置決め駆動部30A,30Bにより発生する架台2の振動を1つの免振駆動部31を用いて効率的に抑制することができる。このため、位置決め駆動部30A,30Bの数と同数の免振駆動部31を設けるよりも、位置決め装置1−2全体の大きさを低減することが可能になる。
なお、免振制御装置4−2は、例えばCPU92およびメモリ93を用いた制御回路を備えるコンピュータによって構成される。CPU92は、メモリ93に記憶された、各処理に対応するコンピュータプログラムを読み出して実行することによって、第1制御部40A,40B、第2制御部41、振動抑制演算部42、振動特性設定部43、慣性比補償部44A,44B、および、慣性特性設定部45A,45Bの機能を実現することができる。
実施の形態4.
図21は、実施の形態4にかかる位置決め装置1−3の構成を示す図である。位置決め装置1−3の構成の一部は、位置決め装置1と共通である。以下、位置決め装置1と共通する部分については、同じ符号を用いることで、詳細な説明を省略し、位置決め装置1と異なる部分について主に説明する。位置決め装置1−3は、駆動装置3と、免振制御装置4−3とを有する。
免振制御装置4−3は、第1制御部40−3と、第2制御部41−3と、第1指令テーブル46と、第2指令テーブル47とを有する。第1指令テーブル46は、予め使用者が入力した追従指令10を記憶する。第2指令テーブル47は、予め使用者が入力した振動抑制指令11を記憶する。
第1制御部40−3は、外部から供給される追従指令10の代わりに、第1指令テーブル46から供給される追従指令10に基づいて、位置決め駆動部30を制御する。第2制御部41−3は、振動抑制演算部42が演算した振動抑制指令11の代わりに、第2指令テーブル47から供給される振動抑制指令11に基づいて、免振駆動部31を制御する。
架台2の振動を抑制するために、位置決め駆動部30と免振駆動部31とは、同期して駆動されることが望ましい。このため、第1制御部40−3および第2制御部41−3は、同期信号14に基づいて、第1モータ302の駆動タイミングと第2モータ312の駆動タイミングとを同期させる。
なお、免振制御装置4−3は、例えばCPU92およびメモリ93を用いた制御回路を備えるコンピュータによって構成される。CPU92は、メモリ93に記憶された、各処理に対応するコンピュータプログラムを読み出して実行することによって、第1制御部40−3および第2制御部41−3の機能を実現することができる。メモリ93には、第1指令テーブル46および第2指令テーブル47が記憶されている。
図22は、図21に示す位置決め装置1−3が用いる追従指令10および振動抑制指令11を生成するエンジニアリングツール51の構成例を示す図である。エンジニアリングツール51は、指令入力部52と、通信部53と、振動抑制演算部42と、振動特性設定部43とを有する。
指令入力部52は、使用者から、位置決め駆動部30の動きを指定する追従指令10の入力を受け付ける。指令入力部52は、受け付けた追従指令10を通信部53および振動抑制演算部42のそれぞれに出力する。通信部53は、位置決め装置1−3と通信路を介して接続されている。通信部53は、追従指令10を第1指令テーブル46に記憶させる。振動抑制演算部42および振動特性設定部43のそれぞれは、実施の形態1と同様の機能を有する。振動抑制演算部42は、追従指令10に基づいて、振動抑制指令11を生成し、生成した振動抑制指令11を通信部53に出力する。通信部53は、振動抑制指令11を第2指令テーブル47に記憶させる。
なお、図22に示すエンジニアリングツール51は、実施の形態1と同様の動作により振動抑制演算部42が演算した振動抑制指令11を第2指令テーブル47に記憶させるが、使用者が振動抑制指令11を予め算出して、第2指令テーブル47に記憶させてもよい。また、図21に示す免振制御装置4−3は、振動抑制演算部42を省略した構成となっているが、免振制御装置4−3は、振動抑制演算部42および振動特性設定部43を有し、第1指令テーブル46に記憶された追従指令10に基づいて、振動抑制指令11を生成してもよい。
実施の形態4にかかる免振制御装置4−3は、追従指令10を予め第1指令テーブル46に記憶しているため、外部装置との間の通信量を低減することができる。また、免振制御装置4−3は、振動抑制指令11を予め第2指令テーブル47に記憶しており、実行時には第2指令テーブル47を参照するため、駆動時に行う演算量を削減することができる。
実施の形態5.
図23は、実施の形態5にかかる位置決め装置1−4の構成を示す図である。位置決め装置1−4の構成の一部は、位置決め装置1と共通である。以下、位置決め装置1と共通する部分については、同じ符号を用いることで、詳細な説明を省略し、位置決め装置1と異なる部分について主に説明する。位置決め装置1−4は、駆動装置3と、免振制御装置4−4とを有する。
免振制御装置4−4は、第1制御部40−4と、第2制御部41−4と、振動抑制演算部42−4とを有する。免振制御装置4−4は、アナログの電圧または電流を駆動指令として使用する。第1制御部40−4は、アナログ信号である追従指令10−4を受け付け、追従指令10−4をデジタル変換して駆動指令として用いる。また、第1制御部40−4は、アナログ信号である追従指令10−4を振動抑制演算部42−4に供給する。このとき、第1制御部40−4は、アナログ信号である追従指令10−4をそのまま振動抑制演算部42−4に供給してもよいし、追従指令10−4にオフセット、指令制限などの補正を加えたものを振動抑制演算部42−4に供給してもよい。
振動抑制演算部42−4は、アナログフィルタを用いてアナログ信号である振動抑制指令11−4を演算する。振動抑制演算部42−4が用いるアナログフィルタは、架台2の振動周波数ωに基づいて、入力指令と出力指令との和が、極小となる周波数応答をもつように予め設計されている。振動抑制演算部42−4は、演算した振動抑制指令11−4を第2制御部41−4に出力する。
第2制御部41−4は、振動抑制演算部42−4が出力するアナログ信号である振動抑制指令11−4をデジタル信号に変換して、駆動指令として用いる。
なお、免振制御装置4−4は、例えばCPU92およびメモリ93を用いた制御回路を備えるコンピュータによって構成される。CPU92は、メモリ93に記憶された、各処理に対応するコンピュータプログラムを読み出して実行することによって、第1制御部40−4、第2制御部41−4、および、振動抑制演算部42−4の機能を実現することができる。
以上説明したように、実施の形態5にかかる免振制御装置4−4は、アナログ信号である追従指令10および振動抑制指令11を用いて、駆動装置3を制御する。振動抑制演算部42−4は、アナログフィルタを用いて、振動抑制指令11−4を演算する。このような構成を有することで、第2制御部41−4は、演算量の多いフィルタ処理を行う必要がないため、第2制御部41−4の処理量を削減することができる。
実施の形態6.
図24は、実施の形態6にかかる位置決め装置1−5の構成を示す図である。位置決め装置1−5の構成の一部は、位置決め装置1と共通である。以下、位置決め装置1と共通する部分については、同じ符号を用いることで、詳細な説明を省略し、位置決め装置1と異なる部分について主に説明する。位置決め装置1−5は、駆動装置3−5と、免振制御装置4−5とを有する。
駆動装置3−5は、位置決め駆動部30−5と、免振駆動部31−1とを有する。位置決め駆動部30−5は、第1可動部301と、第1モータ302と、第1位置検出器303−5とを有する。第1位置検出器303−5は、検出した第1位置情報12を第1制御部40−1および振動抑制演算部42−5のそれぞれに出力する以外は、実施の形態2で説明した第1位置検出器303と同様の機能を有する。免振駆動部31−1は、第2可動部311と、第2モータ312と、第2位置検出器313とを有する。
免振制御装置4−5は、第1制御部40−1と、第2制御部41−1と、振動抑制演算部42−5と、振動特性設定部43とを有する。振動抑制演算部42−5は、第1位置検出器303−5が出力する第1位置情報12と、振動抑制指令11との和が架台2の振動周波数ωにおいて極小となる周波数応答を持つように、振動抑制指令11を演算する。振動抑制演算部42−5は、演算した振動抑制指令11を第2制御部41−1に出力する。
なお、免振制御装置4−5は、例えばCPU92およびメモリ93を用いた制御回路を備えるコンピュータによって構成される。CPU92は、メモリ93に記憶された、各処理に対応するコンピュータプログラムを読み出して実行することによって、第1制御部40−1、第2制御部41−1、振動抑制演算部42−5、および、振動特性設定部43の機能を実現することができる。
以上説明したように、実施の形態6にかかる位置決め装置1−5は、第1可動部301の位置を示す第1位置情報12に基づいて、振動抑制指令11が演算される。このような構成を有することで、架台2の振動を簡便な方法で効率的に抑制することが可能になる。
以上の実施の形態に示した構成は、一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、実施の形態同士を組み合わせることも可能であるし、要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。
1,1−1,1−2,1−3,1−4,1−5 位置決め装置、2 架台、3,3−1,3−2,3−5 駆動装置、4,4−1,4−2,4−3,4−4,4−5 免振制御装置、10,10−4 追従指令、10A 第1の追従指令、10B 第2の追従指令、11,11−4 振動抑制指令、12 第1位置情報、13 第2位置情報、14 同期信号、30,30A,30B,30−1,30−5 位置決め駆動部、31,31−1 免振駆動部、40,40A,40B,40−1,40−3,40−4 第1制御部、41,41−1,41−3,41−4 第2制御部、42,42−4,42−5 振動抑制演算部、43 振動特性設定部、44,44A,44B 慣性比補償部、45,45A,45B 慣性特性設定部、46 第1指令テーブル、47 第2指令テーブル、51 エンジニアリングツール、52 指令入力部、53 通信部、92 CPU、93 メモリ、301,301A,301B 第1可動部、302,302A,302B 第1モータ、303,303−5 第1位置検出器、311 第2可動部、312 第2モータ、313 第2位置検出器。

Claims (14)

  1. 架台に固定された第1モータで第1可動部を駆動し前記架台に固定された第2モータで第2可動部を駆動する駆動装置を制御対象とする免振制御装置であって、
    時系列の追従指令に前記第1可動部が追従するように前記第1モータの位置または速度を制御する第1制御部と、
    前記追従指令に含まれる前記架台の振動周波数成分に相当する位置または速度の次元の指令である振動抑制指令の比例倍に前記第2モータの位置または速度を追従させる第2制御部と、
    を備えることを特徴とする免振制御装置。
  2. 前記第1制御部は、前記第1可動部の位置情報を取得し、前記第1可動部の位置情報と前記追従指令とに基づいて前記第1モータを制御するサーボシステムであり、
    前記第2制御部は、前記第2可動部の位置情報を取得し、前記第2可動部の位置情報と前記振動抑制指令とに基づいて前記第2モータを制御するサーボシステムであることを特徴とする請求項1に記載の免振制御装置。
  3. 前記第1制御部の応答速度と前記第2制御部の応答速度との差が閾値以下であることを特徴とする請求項1または2に記載の免振制御装置。
  4. 前記追従指令および前記振動抑制指令の和は、前記架台の振動周波数に基づいた周波数で極小となる周波数応答を持つことを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の免振制御装置。
  5. 前記第1可動部の位置情報および前記振動抑制指令の和は、前記架台の振動周波数に基づいた周波数で極小となる周波数応答を持つことを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の免振制御装置。
  6. 前記振動抑制指令を演算する振動抑制演算部をさらに備えることを特徴とする請求項1から5のいずれか1項に記載の免振制御装置。
  7. 前記振動抑制演算部は、前記追従指令の2階微分と前記架台の振動周波数のマイナス2乗に基づく係数とを乗算した値に基づいて、前記振動抑制指令を演算することを特徴とする請求項6に記載の免振制御装置。
  8. 前記振動抑制演算部は、無限インパルス応答フィルタを用いて、前記振動抑制指令を演算し、前記無限インパルス応答フィルタの伝達関数は、前記架台の振動周波数のマイナス2乗に基づく定数bと、予め定められた定数a,aとを用いて、以下の数式(1)で表される演算を含むことを特徴とする請求項6または7に記載の免振制御装置。
    Figure 0006786024
  9. 定数aは、定数bと等しいことを特徴とする請求項8に記載の免振制御装置。
  10. 振動抑制演算部は、有限インパルス応答フィルタを用いて、前記振動抑制指令を演算し、前記有限インパルス応答フィルタの伝達関数は、前記架台の振動周波数に基づいて定められた整数である定数Nを用いて以下の数式(2)で表される第1の離散系伝達関数F(z)、または、前記架台の振動周波数に基づいて定められた整数である定数Nを用いて以下の数式(3)で表される第2の離散系伝達関数F2(z)を含むことを特徴とする請求項6から9のいずれか1項に記載の免振制御装置。
    Figure 0006786024
    Figure 0006786024
  11. 前記第2制御部は、前記第1可動部の並進慣性と前記第1可動部の可動方向に換算した前記第2可動部の並進慣性との比を含む慣性比を前記振動抑制指令に乗じた信号に前記第2可動部が追従するように制御することを特徴とする請求項1から10のいずれか1項に記載の免振制御装置。
  12. 前記第1制御部に前記追従指令を供給する第1指令テーブルと、
    前記第2制御部に前記振動抑制指令を供給する第2指令テーブルと、
    をさらに備え、
    前記第1制御部および前記第2制御部は、同期信号に基づいて、前記第1モータの駆動タイミングと前記第2モータの駆動タイミングとを同期させることを特徴とする請求項1から5のいずれか1項に記載の免振制御装置。
  13. 前記追従指令および前記振動抑制指令は、アナログ信号であり、
    前記振動抑制演算部は、アナログフィルタを用いて、前記振動抑制指令を演算することを特徴とする請求項6に記載の免振制御装置。
  14. 架台に固定された第1モータで第1可動部を駆動し前記架台に固定された第2モータで第2可動部を駆動する駆動装置を制御対象とする免振制御方法であって、
    免振制御装置が、時系列の追従指令に前記第1可動部が追従するように前記第1モータの位置または速度を制御するステップと、
    前記免振制御装置が、前記追従指令に含まれる前記架台の振動周波数成分に相当する位置または速度の次元の指令である振動抑制指令の比例倍に前記第2モータの位置または速度を追従させるステップと、
    を含むことを特徴とする免振制御方法。
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