JPS63805B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は暴走抑制方式に関するものであつて、
特に目標位置に向つて制御するサーボ制御方式に
おいて、制御系に固有の最大加速度を越えないよ
うにサーボ系の移動速度を制御するとともに位置
偏差量及びサーボモータを駆動する操作量があら
かじめ設定した制限を越えて大きくなつたことを
検出することにより暴走の発生を抑制するように
した暴走抑制方式に関する。

例えば電子ビーム露光装置では、指定された位
置に対して被露光体を迅速かつ正確に位置決めを
行なう必要があるが、このため位置帰還をかけた
サーボ装置が使用されている。このような位置帰
還をかけた閉ループサーボ装置は高い位置決め精
度と速い移動速度を同時に実現でき、しかも振動
の少ないなめらかな駆動が可能である等すぐれた
点が多いが、一方では制御系の制御限界を超えた
信号が生じると暴走を生ずることがあるという欠
点がある。それ故、従来の此種サーボ装置ではリ
ミツトスイツチを設けてサーボ装置が暴走して限
界位置に到達する前にこれを検出し、暴走による
被害を防止するようにしていた。しかしながら装
置が暴走したときこれをリミツトスイツチで検出
し、該暴走装置を停止させようとしても、装置の
慣性や暴走速度の大きさ等によりこれを確実に停
止させることは不可能であり、何等かの被害を生
ずることがあつた。

例えばロータリ・エンコーダと接続されたモー
タにより装置を駆動して該装置の位置を位置検知
器により検出するように構成されたサーボ装置の
場合、暴走の原因として次のようなものがある。

(イ) 調整時に起こる暴走の原因 モータの結線、位置検出器の結線が逆位置
になつているとき（正帰還となり暴走）。

閉ループ制御器の中のフイードバツク係数
の設定を間違えたとき（安定条件が満されず
暴走）。

(ロ) 嫁動時に偶発的に起こる暴走の原因 ロータリエンコーダが故障して出力パルス
が出なくなつたとき（位置情報が帰還されず
暴走、なおこの場合は同時に速度情報の帰還
もなくなる）。

レーザ測長器が故障してカウンタを無意味
に計数するとき。

ロータリエンコーダでパルスの発生を誤る
とき（位置情報が帰還されなくなり暴走）。
なおこの原因としてノイズによるパルス発生
ミスやロータリエンコーダのコード板の傷に
よるパルス発生ミス等が考えられる。

パワーアンプなど回路系の故障によるも
の。

実際にロータリエンコーダはコード板とマスク
板の隙間が狭く、軸受が弱いため、軸に大きな力
が加わるとこの隙間が変化してひどい時にはコー
ド板に傷を付けてしまうことが時時起こると考え
られる。

以上のような原因でひとたび暴走が起ると精密
なサーボメカニズムを破損したり、時には人体に
も危害を加えることもあるので暴走は絶対に避け
なければならない問題であるにもかかわらず、上
記の如く、リミツトスイツチを使用する従来の暴
走制御手段ではこれを有効に防止することは困難
であつた。

したがつて本発明では、制御系に固有の最大加
速度を越えないようにサーボ系の移動速度を制御
するとともに、このような暴走状態を事前に検出
して暴走抑制する方式を提供することを目的とす
るものであつて、このために本発明における暴走
抑制方式では、サーボ装置の移動によつて与えら
れた位置を検出する位置検出手段を有し、該検出
された位置が与えられた目標位置と合致するよう
制御する位置決めサーボ制御装置において、上記
制御系に固有の最大加速度を超えない範囲に定め
られるクロツクが入力される第１の比較速度情報
出力部、上記制御の間における指示速度情報と上
記第１の比較速度情報出力部の出力とが比較され
る第１の比較部、上記与えられた目標位置に対応
する目標位置情報と入力される比較位置情報との
偏差値にもとづいて当該偏差値が零となる時点で
速度が零となるような第２の比較速度情報を生成
する第２の比較速度情報生成部、入力される第１
と第２の比較速度情報を比較する第２の比較部、
第１と第２の比較速度情報のうち、その小さい方
の比較速度情報を出力するよう切替える切替手
段、を有する比較速度関数発生部と、この比較速
度関数発生部から出力される比較速度情報にもと
づいて比較位置情報を生成する比較位置情報生成
手段と、上記比較速度情報にもとづいた比較加速
度情報を生成する比較加速度情報生成手段と、上
記比較位置生成手段によつて得られた比較位置情
報と上記サーボ装置の移動に応じて前記位置検出
手段より与えられる位置に対応する現位置情報と
の偏差を算出する位置偏差算出部を備え、該偏差
量が零となるように該制御対象の動作を制御する
閉ループ制御部とを有すると共に、該位置偏差算
出部の出力があらかじめ限定した値を越えたこと
を検出する限定量検出手段を設け、該偏差量が限
定量を越えたとき上記サーボ装置の駆動を停止す
るように制御することにより暴走の発生を直ちに
制御するようにしたことを特徴とする。

以下本発明の一実施例を第１図乃至第５図にも
とづき説明する。

第１図は本発明の一実施例構成を示し第２図乃
至第４図は比較速度関数発生器についての説明
図、第５図は飽和状態検出論理回路を示す。

図中、１は直流モータ、２は回転運動を直進運
動に変換する回転・直進変換部であつて例えばボ
ールネジの如きもの、３は回転・直進変換部２に
接続された支持台の如き共振系を模型的に表現し
た棒、４はロータリエンコーダの如きモータ回転
量検知器、５はレーザ測長部の如き移動量検知
器、６は比較速度関数発生器であつて、中央処理
装置からの指令である目標位置データと指示速度
データにより上記直流モータ１が出せる最大加速
度を越えないように考慮しながら上記棒３の移動
速度の基準となる比較速度関数を発生させる回路
である。７は比較速度関数発生器６から発生され
た比較速度のデイジタル量をアナログ量に変換す
るデイジタル・アナログ・コンバータ、８は微分
回路であつて比較速度を微分して比較加速度を得
るもの、９は電圧・周波数コンバータ、１０は比
較位置カウンタであつて比較速度を積分して比較
位置を作るもの、１１はアナログ加算器、１２は
パワーアンプであつて直流モータ１を定電流駆動
するもの、１３はエンコーダ位置カウンタであつ
てロータリエンコーダ４の出力であるアツプ・ダ
ウンパルスを積算するアツプ・ダウンカウンタに
より構成されるもの、１４はデイジタル乗算回路
であつてロータリエンコーダ４とレーザ測長部５
との位置検出分解能が異なるときに1LSB当りの
重みを変えるための定係数乗算回路である。１５
はデイジタル加算器、１６はデイジタル・アナロ
グコンバータ、１７はレーザカウンタ、１８はデ
イジタル加算器、１９はデイジタル・アナログコ
ンバータ、２０は閉ループ制御器、２１，２２は
飽和状態検出論理回路、２３はオア回路、２４は
過電流検知回路、２５はオア回路、２６は電流検
出器である。

回転・直進変換部２はボールネジ２−１及び該
ボールネジ２−１と係合する移動部２−２により
構成されている。このボールネジ２−１は直流モ
ータ１と結合しているので、直流モータ１を駆動
することによりボールネジ２−１は回転し、これ
により移動部２−２はその回転方向にもとづき前
後に移動する。なお、第１図では棒３はＸ軸方向
にしか移動されないが、これを平面移動させる場
合には同様に構成されたＹ軸方向の回転・直進変
換部を設ける。

移動量検知器５はレーザ光源５−１及びレーザ
光汗渉器５−２より構成されている。そしてレー
ザ光汗渉器５−２により棒３とレーザ光汗渉器５
−２との間の距離を正確に測定する。

比較速度関数発生器６は、特許出願人がすでに
出願した特願昭54−97615号明細書に詳述された
構成を有するものであつて、概略は第２図に示す
如く構成されている。この比較速度関数発生器６
は、第１比較器３１、発振器３２、スイツチ３
３、カウンタ３４、アナログ加算器３５、平方根
発生用ROM３６、第２比較器３７、スイツチ３
８等により構成される。第１比較器３１は指示速
度υ_cとカウンタ３４の内容で与えられる比較速度
υ_rとの大きさを比較してスイツチ３３を駆動す
る。発振器３２はサーボ系の取り得る最大加速度
に対応して定められる周波数をもつており、カウ
ンタ３４の内容をカウント・アツプあるいはカウ
ント・ダウンする。スイツチ３３は第１比較器３
１の比較結果により、図示「ａ＜ｃ」位置、「ａ
＝ｃ」位置および「ａ＞ｃ」位置をとる。カウン
タ３４は発振器３２の出力をカウント・アツプあ
るいはカウント・ダウンして上記第１の比較速度
Vrを生成し、第１比較速度情報出力部として機
能する。加算器３５は与えられる目標位置χ_eと後
述する比較位置χ_rとの偏差値をつくる。平方根発
生用ROM３６は入力｜χ_e−χ_r｜の平方根に対応
した出力を発し、制御の最終ステツプにおける目
標位置χ_eに向う減速を定加速度にするものであ
り、上記偏差値が零となる時点で速度が零となる
第２の比較速度情報を生成する第２の比較速度情
報生成部として機能する。第２比較器３７は上記
最終ステツプの制御に切替わる切替わり点を検出
してスイツチ３８を図示の状態から下方に切替え
るものであり、これによりスイツチ３８はカウン
タ３４の出力する第１の比較速度Vrと、平方根
発生用ROM３６の出力する第２の比較速度のう
ち少ない方の比較速度情報を出力する。

閉ループ制御器２０はいわゆるフイード・バツ
ク係数を与えるものであつて、デイジタル・アナ
ログコンバータ１６及び１９から出力される位置
偏差量から直流モータ１の角速度や棒３の揺れの
状態を推定する状態推定器と、この状態推定器の
出力である各状態変数とデイジタル・アナログコ
ンバータ１９の出力の積分量にそれぞれフイード
バツク係数を掛けて帰還するところの状態フイー
ドバツクを行なう回路から成るアナログ演算回路
である。ここにおいてできるだけ小さな補正電流
でかつデイジタル・アナログコンバータ１９の出
力である位置偏差をできるだけ速やかに零に収束
させるようなフイードバツク係数をカルマンの最
適レギユレータ理論により決定するものである。

飽和状態検出論理回路２１はデイジタル加算器
１５の出力である上位ビツトを使用してデイジタ
ル・アナログコンバータ１６の飽和状態を検出す
るものである。この飽和状態検出論理回路２１
は、例えば第５図に示す如く、２入力エクスクル
シーブ・オア回路２１−１乃至２１−ｎと多入力
オア回路２１−０により構成されている。正の場
合は符号ビツト「2ⁿ」が「０」であるので、デイ
ジタル加算器１５の出力の上位ビツト2¹¹乃至
2^n-1のうちいずれか１つが「１」であればオア回
路２１−０の出力は「１」となり、また負の場合
は符号ビツト「2ⁿ」が「１」であるのでデイジタ
ル加算器１５の上位ビツト2¹¹乃至2^n-1のうちい
ずれか１つが「０」であるとオア回路２１−０の
出力は「１」となりデイジタル・アナログコンバ
ータ１６の飽和を検出する。

飽和状態検出論理回路２２はデイジタル加算器
１８の出力である上位ビツトを使用してデイジタ
ル・アナログコンバータ１９の飽和状態を検出す
るものであつて、上記飽和状態検出論理回路２１
と同様に構成されている。

第１図及び第２図において、静止時にカウンタ
３４の値は零であり、電圧・周波数コンバータ９
は停止しているのでカウンタ１０の値はそれ以前
から与えられている目標値χ_rの値と一致したまま
動かない。いま新らたな目標位置χ_eが設定されか
つ適当な指示速度υ_e1（第３図）が与えられると、
比較器３１によりスイツチ３３が動作して発振器
３２のパルス列はカウンタ３４をカウント・アツ
プする。一方目標位置χ_eはステツプ状に変化して
もカウンタ１０の値χ_rはいまだ殆んど動いていな
いのでROM３６の出力は第３図図示ｂの如く大
きい値（｜χ_e−χ_r｜が大）となつているために比
較器３７によつてスイツチ３８はａ＜ｂ側に倒れ
ている。したがつてカウンタ３４の値がデジタ
ル・アナログコンバータ７に供給されている。こ
のデイジタル・アナログコンバータ７の出力は第
３図図示ａ即ち比較速度υ_rであり、この信号をも
とにしてサーボモータである直流モータ１を駆動
する。即ち電圧・周波数コンバータ９とカウンタ
１０とによつて積分されたデジタル量の比較位置
信号χ_rと、微分回路８を通して得たアナログ量の
比較加速度α_rとが閉ループ制御系に送られ、直流
モータ１を回転駆動する。

この状態でカウンタ３４の値が指示速度υ_e1に
等しくなると、スイツチ３３はａ＝ｃ位置に切替
わり、以後定速制御に入る。以下指示速度がυ_e2，
υ_e3………のように切替わるたびにスイツチ３３
が動かされカウンタ３４の値を増減する。

やがてカウンタ１０の値χ_rが目標位置x_eに近づ
いてくると、ROM３６の出力は｜χ_e−χ_r｜の減
少につれて小さくなり、カウンタ３４の値以下に
なると比較器３７が動作してスイツチ３８をａ≧
ｂ側に倒し、ROM３６の出力がデイジタル・ア
ナログコンバータ７に導びかれて最終ステツプに
入つて、第３図の線ｂにしたがつた減速が行なわ
れる。そしてχ_e＝χ_rとなつたときROM３６の出
力は零となり、電圧・周波数コンバータ９は発振
を停止して再び静止状態になる。

いま第１図に示すサーボ系が正常に動作してい
るときは、棒３が静止しているときも移動すると
きもカウンタ１７及びカウンタ１３の示す位置情
報はカウンタ１０の示す位置情報に等しくなるよ
う閉ループ制御器２０が動作する（特願昭53−
157580号参照）。即ちデイジタル加算器１８の出
力とデイジタル加算器１５の出力である位置偏差
量は、正常な場合零を平均値とした微少な量であ
り、したがつてデイジタル・アナログコンバータ
１９及び１６は線形な領域で動作し飽和すること
はない。

しかしながら、本明細書の最初に記載した如
く、暴走原因の上記、の場合には、電源を投
入して閉ループ状態になると同時に暴走状態にな
り、カウンタ１７及び１３の示す位置情報とカウ
ンタ１０の示す位置情報とは最初一致していた状
態からどんどん離れてゆき、その結果デイジタル
加算器１８及び１５の出力である位置偏差量がど
んどん大きくなり、デイジタル・アナログコンバ
ータ１９及び１６が飽和する値になると、上記の
如く飽和状態検出論理回路２２及び２１は「１」
を出力する。したがつて飽和状態検出論理回路２
１及び２２のいずれか片方または両方が「１」を
出力するとオア回路２３及び２５は「１」を出力
する。そしてオア回路２５が「１」を出力する
と、パワーアンプ１２はその出力を停止し、直流
モータ１への電流供給は停止される。それ故、棒
３の移動量が限界点に到達する以前に偏差値が限
界値を超えたことにもとづいてその暴走状態を停
止することができる。

また上記暴走原因のの場合にはロータリエン
コーダ４の結線が断線した瞬間から暴走状態が始
まるが、この場合カウンタ１３は暴走状態が始ま
つても計数しない。しかしながらレーザ測長部５
が正常に動作しているので、この暴走状態がデイ
ジタル加算器１８の出力に現われ、飽和状態検出
論理回路２２が「１」を出力し、これにもとづき
パワーアンプ１２はその出力を停止することにな
る。

また上記暴走原因、の場合には加算器１８
と１５の出力する位置偏差情報が相違することに
なる。このような場合、閉ループ制御器２０の内
部に存在する積分器が動作して、加算器１８の方
の位置偏差を零にするのでデイジタル・アナログ
コンバータ１９が飽和することはない。また加算
器１５の出力に多少位置偏差が現われてもデイジ
タル・アナログコンバータ１６が飽和しない限り
暴走はしない。しかしこの加算器１５の上記位置
偏差出力が大となりデイジタル・アナログコンバ
ータ１６が飽和すれば、飽和状態検出論理回路２
１が「１」を出力し、この暴走状態を予知し、パ
ワーアンプ１２の出力を停止することは言うまで
もない。

そして上記暴走原因の場合には、上記、
の場合と同様に故障と同時に暴走状態になり、デ
イジタル加算器１８，１５の出力である位置偏差
量が大きくなる。そしてデイジタル・アナログコ
ンバータ１９，１６が飽和すると飽和状態検出論
理回路２２，２１の出力が「１」になり、パワー
アンプ１２の出力を停止する。

また、比較速度関数発生器６により移動時の最
大加速度（即ち比較速度関数の最大変化率）が制
限されているので、正常な場合、直流モータ１に
流れる電流は加速、減速のいずれのときもある値
以下に制限されている。しかし何等かの原因にも
とづきこれよりも大きな電流が直流モータ１に流
れるとき、該直流モータ１は暴走することにな
る。それ故、直流モータ１に流れる電流を電流検
出器２６で検出して、その値が規定値よりも大き
くなつたとき過電流検知回路２４から「１」を出
力させ、これによりオア回路２５より「１」を発
生させてパワーアンプ１２の出力を停止すること
ができる。

ここで本発明による暴走検知の感度を計算して
みると次のようになる。

デイジタル・アナログコンバータ１６及び１９
の飽和が起るのは、 （飽和点）≒（位置検出分解能）×（±2¹¹） となり、例えばロータリエンコーダ４の位置検出
分解能を棒３の直進距離に換算して0.25μｍとす
ると、デイジタル・アナログコンバータ１６の飽
和は±512μｍとなる。またレーザ測長部５の位
置検出分解能を0.02μｍとするとデイジタル・ア
ナログコンバータ１９の飽和は±41μｍとなる。
したがつてこのようにわずかな暴走量で暴走の判
定ができ、しかも位置でこれを規定しているので
動作が非常に確実である。

結局本発明によれば正常動作時には起こり得な
い程度に位置偏差が増大したことにより暴走状態
と判定するようにしたので、暴走による被害が発
生する以前に暴走を確実に阻止することができ
る。しかも１つの位置検知器しか使用しない場合
にはその位置検知器の故障による暴走は判定する
ことができないが、１つの駆動体又は駆動系にお
いて２つ以上の位置検知器を使用するときにはそ
れぞれの位置検出器における位置偏差の内どれか
１つでも規定の位置偏差より大きくなつたときに
これを暴走状態と判定することにより、他の位置
検知器の故障による暴走をも検知することがで
き、上記の例においては、ロータリエンコーダ及
びレーサ測長器の両方が同時に故障しない限り
（このような確率は非常に小さい。）暴走の心配を
皆無にすることができる。

このようにして、パワーアンプの最大出力電流
やモータが出せる最大トルクには限界があるた
め、回転指令がこれを上回る割合で変化するとモ
ータは当然回転指令に追いついて行けずこの状態
が続くと偏差がどんどん大きくなつてついには
Ｄ／Ａ変換器が飽和し、偏差補正用の帰還がかか
らなくなり暴走することがあるという問題点を解
決することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例構成を示し、第２図
乃至第４図は比較速度関数発生器についての説明
図、第５図は飽和状態検出論理回路を示す。 図中、１は直流モータ、２は回転・直進変換
部、３は棒、４はロータリエンコーダ、５はレー
ザ測長部、６は比較速度関数発生器、７はデイジ
タル・アナログコンバータ、８は微分回路、９は
電圧・周波数コンバータ、１０は比較位置カウン
タ、１１はアナログ加算器、１２はパワーアン
プ、１３はエンコーダ位置カウンタ、１４はデイ
ジタル乗算回路、１５はデイジタル加算器、１６
はデイジタル・アナログコンバータ、１７はレー
ザカウンタ、１８はデイジタル加算器、１９はデ
イジタル・アナログコンバータ、２０は閉ループ
制御器、２１，２２は飽和状態検出論理回路、２
３はオア回路、２４は過電流検知回路、２５はオ
ア回路、２６は電流検出器、３１は比較器、３２
は発振器、３３はスイツチ、３４はカウンタ、３
５はアナログ加算器、３６は平方根発生用
ROM、３７は比較器、３８はスイツチをそれぞ
れ示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ サーボ装置の移動によつて与えられた位置を
   検出する位置検出手段を有し、該検出された位置
   が与えられた目標位置と合致するよう制御する位
   置決めサーボ制御装置において、 上記制御系に固有の最大加速度を超えない範囲
   に定められるクロツクが入力される第１の比較速
   度情報出力部３４、 上記制御の間における指示速度情報と上記第１
   の比較速度情報出力部３４の出力とが比較される
   第１の比較部３１、 上記与えられた目標位置に対応する目標位置情
   報と入力される比較位置情報との偏差値にもとづ
   いて当該偏差値が零となる時点で速度が零となる
   ような第２の比較速度情報を生成する第２の比較
   速度情報生成部３６、 入力される第１と第２の比較速度情報を比較す
   る第２の比較部３７、 第１と第２の比較速度情報のうち、その小さい
   方の比較速度情報を出力するよう切替える切替手
   段３８、 を有する比較速度関数発生部６と、 この比較速度関数発生部６から出力される比較
   速度情報にもとづいて比較位置情報を生成する比
   較位置情報生成手段１０と、 上記比較速度情報にもとづいた比較加速度情報
   を生成する比較加速度情報生成手段８と、 上記比較位置生成手段１０によつて得られた比
   較位置情報と上記サーボ装置の移動に応じて前記
   位置検出手段より与えられる位置に対応する現位
   置情報との偏差を算出する位置偏差算出部を備
   え、該偏差量が零となるように該制御対象の動作
   を制御する閉ループ制御部２０とを有すると共
   に、 該位置偏差算出部の出力があらかじめ限定した
   値を越えたことを検出する限定量検出手段を設
   け、 該偏差量が限定量を越えたとき上記サーボ装置
   の駆動を停止するように制御することにより暴走
   の発生を直ちに抑御するようにしたことを特徴と
   する暴走抑制方式。