JPH08196090A - 超音波モータ制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は適応制御方式に基づいた実用的な超
音波モータ制御装置を提供する。 【構成】 本発明では、超音波モータ１を不感帯２と線
形部分３とから成る制御対象として捕らえ、可調節補償
器１１と超音波モータ１との間に可調節不感帯補償器９
と固定不感帯補償器７とを設け、オフセットを含む拡大
制御対象を想定し、該拡大制御対象に対する適応制御系
を構成した。具体的には、可調節不感帯補償器９の出力
である仮想操作量８を同定機構２０と符号判定器１８と
に入力させ、同定機構２０は、符号判定器１８の符号判
定信号１９及び仮想操作量８並びに制御量５に応じて推
定パラメータ２１及び推定オフセット２２を変化させ、
これにより可調節不感帯補償器９の可変バイアス値δ''
を変化させる一方、補償器調整機構２３により前置補償
器１３及びフィードバック補償器１２のそれぞれのパラ
メータを変化させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は超音波モータの制御装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】超音波モータはよく知られているよう
に、振動体と移動体との摩擦により駆動力が発生する駆
動源であるため、不感帯を有した制御対象であり、ま
た、周囲温度などに応じて特性が変化したり、経年劣化
によっても特性変化が生じる制御対象である。従って、
超音波モータの制御は電磁モータの制御にくらべて複雑
な制御が必要になる。

【０００３】超音波モータを制御するための先行技術と
して、電気学会論文集Ｄ１１３−１０（１９９３）「適
応制御による超音波モータ速度制御」に開示されている
制御系の構成を図５に示す。

【０００４】図５において、１は制御対象である超音波
モータであり、該モータを駆動するための入力は操作量
４として表示され、該モータの出力は制御量５として表
示されている。１７は目標値発生器であり、目標値１６
を発生する。１１は可調節補償器であり、該可調節補償
器１１には操作量４を発生する前置補償器１３と、制御
量５を入力としてフィードバックループの構成要素とな
っているフィードバック補償器１２とが設けられてい
る。フィードバック補償器１１の出力すなわちフィード
バック量１４は目標値１６に加え合されて偏差量１５が
生じ、該偏差量１５が前置補償器１３の入力となる。

【０００５】前置補償器１３の出力である操作量４と、
制御対象の超音波モータの出力すなわち制御量５は同定
機構３２に取り込まれ、該同定機構は両入力に基づいて
推定パラメータ２１を発生する。所望極設定器２４は所
望の特性を示す所望極２５を設定し、補償器調整機構２
３に所望極２５を与える。補償器調整機構２３は超音波
モータの特性変動や外乱３３が生じた場合でも所望極設
定器２４により設定された特性になるように演算を行っ
て前置補償器１３とフィードバック補償器１２を調節す
る。

【０００６】前述の公知の制御装置では、同定機構を有
する構成のため、制御対象である超音波モータに特性変
動や負荷変動が生じても、その変化に追従していくこと
ができる。

【０００７】不感帯を有する系に対して従来技術を用い
た場合の波形を図６に示す。同図において、（ａ）は推
定パラメータ、（ｂ）は制御量の波形である。図６に示
されるように、不感帯により制御量が乱れてしまう。ま
た、推定パラメータもばらついている。推定パラメータ
のばらつきがひどくなると制御系の安定性さえ失われる
ことになる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】超音波モータにおいて
振幅電圧を入力した場合には不感帯が存在しているた
め、そのまま適応制御を適用して同定機構を用いると正
しいパラメータにならず、制御量を望み通りに制御する
ことができなかった。

【０００９】本発明は従来技術の持つ前記課題を解決
し、不感帯が存在した場合でも同定機構が不感帯の影響
を受けることなく動作して適切に補償器を調整すること
により、制御対象たる超音波モータに特性変動が起こっ
た場合でも該モータを確実に制御できる超音波モータ制
御装置を提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
には、不感帯が存在した場合でも同定機構が不感帯に影
響されない構成が必要である。それ故、本発明では、不
感帯の前に不感帯幅よりも充分に大きなバイアス値を持
つ固定不感帯補償器を設け、該固定不感帯補償器の出力
を含めた形で同定機構に入力し、実質的に不感帯が存在
しないようにしてパラメータの推定を行うように構成す
るとともに、固定不感帯補償器による余分なオフセット
を補償する可調節補償器を前置するようにした。このよ
うな構成要素を設けた上で適応制御系を構成することに
より、不感帯が存在する超音波モータの運動制御系にお
いても、不感帯がない場合と同様に摩耗による経年劣化
や特性変動に対しても制御性能の劣化のない超音波モー
タ制御装置を実現できる。

【００１１】

【実施例】以下に本発明の実施例について説明する。

【００１２】図１に本発明による超音波モータ制御装置
の一実施例を示す。

【００１３】制御対象である超音波モータ１の入出力特
性は不感帯２と線形部分３とから構成されている。超音
波モータ１に対する入力は操作量４であり、該モータ１
の出力は制御量５である。

【００１４】不感帯２と操作量４との間には次式の関係
が成立している。

【００１５】

【数１】

【００１６】但し、ｕ（ｋ）は操作量、ｕ’（ｋ）は一
般に観測のできない不感帯出力６であり、δは不感帯幅
を示す。

【００１７】固定不感帯補償器７には、不感帯幅δより
充分大きいバイアス値δ’を持たせてあり、該補償器７
に対する入力は仮想操作量８、出力は操作量４である。
これは、仮想操作量８から見た制御対象の動作を保証す
るためである。

【００１８】ここで、制御対象１と固定不感帯補償器７
とから成る新たな系を拡大系制御対象と見なす。

【００１９】拡大系制御対象２６は図２のように表すこ
とができる。

【００２０】図２（ａ）には制御対象１と固定不感帯補
償器７のみが描かれている。

【００２１】図２（ｂ）は固定不感帯補償器７を別の形
に変形して表示したものである。固定不感帯補償器７の
バイアス値δ’は不感帯幅δに較べて充分に大きな値で
あるため、不感帯幅δが変動した場合でも拡大系制御対
象は見かけ上、図２（ｃ）のように表すことができる。
この拡大制御対象２６は入力の符号によってそれぞれ拡
大制御系のオフセット２７の影響を受けるものの、不感
帯２の影響は見かけ上ではなくすことができる。

【００２２】可調節不感帯補償器９の入出力はそれぞ
れ、線形操作量１０、仮想操作量８であり、可変バイア
ス値δ''はオフセット推定値２２により調節される。

【００２３】線形部分の補償を行う可調節補償器１１に
は前置補償器１３とフィードバック補償器１２とが含ま
れている。フィードバック補償器１２の入力は前記制御
量５であり、出力はフィードバック量１４である。ま
た、前置補償器１３に対する入力は目標値１７とフィー
ドバック量１４との偏差量１５であり、出力は線形操作
量１０である。

【００２４】同定機構２０は仮想操作量８と制御量５と
符号判定信号１９を入力とし、拡大制御対象のパラメー
タとオフセットの推定値を算出する。次いで、求められ
た推定パラメータ２１から所望極設定器２４により設定
されている特性になるように補償器調整機構２３におい
て計算を行い、フィードバック補償器１２と前置補償器
１３を調節する。

【００２５】符号判定器１８は仮想操作量８の符号に応
じて、＋１または−１の符号判定信号１９を出力する。

【００２６】以上が本実施例の構成であり、本発明の作
用を併記した。

【００２７】以下には更に前記各機構について詳細に説
明する。

【００２８】まず、同定機構２０について説明する。

【００２９】同定機構２０が不感帯２の影響を受けない
ために、入力を仮想操作量８とし、出力を制御量５とす
る新たな拡大制御対象２６を同定することにする。

【００３０】図３には、この同定機構２０のブロック図
を示す。

【００３１】拡大制御対象２６は以下のように表現でき
る。

【００３２】

【数２】

【００３３】ただし、ｕ''（ｋ）は仮想操作量８、ｙ
（ｋ）は制御量５、ｚ^-1は遅れ演算子、ｋは離散時間、
Τは転置、を表している。

【００３４】また、仮想プラント２８と仮想外乱２９と
から成る同定モデルを下記の式で表すことにする。

【００３５】ただし、

【００３６】

【外１】

【００３７】は推定値であることを示す。

【００３８】

【数３】

【００３９】ここで、

【００４０】

【外２】

【００４１】は推定パラメータ２１とオフセット推定値
２２であり、推定パラメータ２１とオフセット推定値２
２はパラメータ調整式３０によって以下に示す形で得ら
れる。

【００４２】

【数４】

【００４３】Ｆ（ｋ）は同定速度に関する適応ゲイン、
ε（ｋ）は同定誤差３１であり、λ（ｋ）は忘却係数、
である。

【００４４】次に、可調節不感帯補償器９について説明
する。

【００４５】可調節不感帯補償器９は拡大系制御対象２
６のオフセットを打ち消すために置かれている。同定機
構２０により推定されたオフセット推定値２２は不感帯
幅δと固定不感帯補償器７のバイアス値δ’の差である
ことから、可調節不感帯補償器９では

【００４６】

【外３】

【００４７】となるように可変バイアス値δ''を調節す
ることで拡大制御系２６のオフセットすなわち不感帯２
及び固定不感帯補償器７の影響を取り除くことができ
る。

【００４８】最後に、フィードバック補償器１２、前置
補償器１３により閉ループ極が任意に配置できること、
すなわち制御性能を仕様に合せて設定できること、を説
明する。

【００４９】補償器調整機構２３では同定機構２０によ
って推定された推定パラメータ

【００５０】

【外４】

【００５１】を用いて以下の式（１４）及び（１５）を
満たすようにフィードバック補償器１２と前置補償器１
３を調整して伝達関数の極が所望極２５と等しくなるよ
う配置する。

【００５２】

【数５】

【００５３】なお、ｒ_e は目標値１７、ｕ^O （ｋ）は線
形操作量１０であり、Ｓ（ｚ^-1）は前置補償器１３の、
Ｒ（ｚ^-1）はフィードバック補償器１２のパラメータ、
である。Ｄ（ｚ^-1）は所望極２５で、所望極設定器２４
により任意に与える。

【００５４】本実施例による波形を図４に示す。図４
（ａ）は推定パラメータ、図４（ｂ）は制御量を示して
いる。

【００５５】このように、不感帯を有する制御対象にお
いても推定パラメータがばらつくことなく制御性能を満
足している。

【００５６】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、超音波
モータを用いた運動制御系において不感帯が存在し且つ
変動した場合でも、不感帯が存在しない場合と同様に正
しい同定を行なうことができ、特性や負荷の変動が存在
した場合でも制御性能を維持することができる。

【００５７】また、同定機構が不感帯の影響を受けずに
正しく動作するのでパラメータ調整が不要であり、調整
に係わるコストを縮小できる。更に、摩耗による経年劣
化があった場合においても、補償器を自動で調節するこ
とで製品の寿命を延ばすことのできる高性能な制御装置
を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を適用して構成された超音波モータ制御
装置の構成を示した図。

【図２】（ａ）は制御対象である超音波モータ１の制御
要素の構成と固定不感帯補償器７の構成要素を示した
図。（ｂ）は固定不感帯補償器７の変形実施例を示した
図。（ｃ）は固定不感帯補償器７の見かけ上の変形とし
てのオフセット２７を含む拡大制御対象２６を示した
図。

【図３】拡大制御対象２６に対する適応制御系の構成を
示した図。

【図４】（ａ）は本発明の制御装置における同定機構２
０により生じる推定パラメータの波形図。（ｂ）は本発
明の制御装置における制御量を示す波形図。

【図５】従来の超音波モータ制御装置の構成を示した
図。

【図６】図５の構成において同定機構３２により発生さ
れる推定パラメータ２１の波形図。（ｂ）は図５の構成
における制御量５の波形図。

【符号の説明】

１…超音波モータ ２…不感帯 ３…線形部分 ４…操作量 ５…制御量 ６…不感帯出力 ７…固定不感帯補償器 ８…仮想操作量 ９…可調節不感帯補償器 １０…線形操作量 １１…可調節補償器 １２…フィードバ
ック補償器 １３…前置補償器 １４…フィードバ
ック量 １５…偏差量 １６…目標値発生
器 １７…目標値 １８…符号判定器 １９…符号判定信号 ２０…同定機構 ２１…推定パラメータ ２２…オフセット
推定値 ２３…補償器調整機構 ２４…所望極設定
器 ２６…拡大制御対象 ２７…オフセット

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 不感帯を有する超音波モータを制御する
   ための制御装置において、 目標値と制御量とが入力されるとともに操作量を出力す
   る可調節補償器と、制御対象たる超音波モータに前置さ
   れ該不感帯の幅より充分に大きなバイアス値を持つ固定
   不感帯補償器と、該固定不感帯補償器に前置され可変バ
   イアス値を有する可調節不感帯補償器と、入力の符号を
   判別する符号判定器と、該可調節不感帯補償器の出力と
   該制御量と該符号判定器の出力を入力とし該制御対象を
   同定する同定機構と、を有する超音波モータ制御装置。
2. 【請求項２】 該同定機構は、該超音波モータのパラメ
   ータとオフセット値を推定するものであることを特徴と
   する請求項１の超音波モータ制御装置。