JP2001136767A - リニアモータの制御方法とその装置 - Google Patents
リニアモータの制御方法とその装置Info
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Abstract
(ヨーイング、ピッチング、ローリング)を伴い、速度
・位置の精度を保つことが難しいので、リニアモータの
推力の変化に連続して対応できる制振制御手段を得て、
ハイゲイン化された高速で高精度の駆動が行える方法と
装置を求める。 【解決手段】 リニアモータの可動部106 の重心点13に
おける位置および速度の情報10を、位置もしくは速度セ
ンサ8の情報10と速度制御器102 から出力された信号(
推力指令値11) より推定する推定手段( オブザーバ・10
7)を有し、この推定手段107 から得られた位置および速
度の推定情報16,17 をそれぞれの制御器102,104 へフィ
ードバックすることで、位置および速度制御を行うリニ
アモータの制御方法とその装置から成る。
Description
御する方法とその装置に関し、特にリニアモータの高精
度送りを実現する上で制御パラメータの高ゲイン化が必
要であるときのキーとなる機械の固有振動対策を施す制
御手段に係る。
有振動対策を施した従来例としては、例えば特開平9-12
1589号公報に掲載されているのがそれである。この従来
例のリニアモータの駆動回路のブロック構成図を、図8
に示す。これは図8に示すように、固定子側に配列され
た界磁マグネットと、この界磁マグネットと磁器空隙を
介して移動可能に設けられた電機子コイル814A,814B,81
4Cを有する移動体806 とを具備する可動コイル型リニア
モータ802 であって、移動体806 に設けた位置読出し部
822 からの信号に基づいて移動体806 の位置を認識する
エンコーダ部824 と、界磁マグネットの磁極を検出する
ための磁極検出部816 と、エンコーダ部824 からの位置
信号と位置指令信号とに基づいて制御信号を求める制御
部826 と、この制御部826 の制御信号と磁極検出部816
からの磁極検出信号に基づいて電機子コイル814A,814B,
814Cに供給する駆動電流を形成する駆動部844 と、制御
信号あるいは磁極検出信号から可動コイル型リニアモー
タ802 の固有振動周波数と実質的に同一の周波数帯域の
信号成分を減衰させる帯域減衰フィルタ部842 とを備え
るように構成することによって、帯域減衰フィルタ部84
2 にて固有振動周波数と同一周波数成分の信号を減衰さ
せ、移動体806 の共振を抑制するものである。
可動部の質量と軸受の剛性により、ヨーイング(yawing
・偏揺れ),ピッチング( pichibg ・縦揺れ),ローリング
(ro-lling ・横揺れ) の3つの固有振動モードを有する
[図9参照] 。そこで、特開平9-121589号公報以前の通
常のリニアモータにおいては、位置(あるいは速度) セ
ンサでは目標指令値に対する動作量の他に、これらの振
動成分を含んだ信号が検出される。よって、制御器にフ
ィードバックされる信号に振動成分が含まれるため、機
械的固有振動数で発振する現象が生じる。これを図10に
示し、制御に甚だしい障碍となっていたことが分かる。
それで、先の特開平9-121589号公報では、予めリニアモ
ータの機械的固有振動数に一致する周波数の帯域減衰フ
ィルタ842 を制御部826 に設けて、機械の振動を除去
し、ホスト・ホストコンピュータよりの位置指令信号
(目標指令値) に対する追従性を向上させている [図11
参照] 。
[特開平9-121589号公報] では、1 つの機械的固有振動
数にのみ対応しており、制御性能に影響を与える機械的
固有振動数が2つ以上ある場合に、対応できないという
問題がある。また、可動部の質量や経年変化により軸受
の剛性が変化した場合、制御器に設定した周波数と機械
的固有振動数との間にずれが生じるため、振動抑制がで
きなくなるという問題がある [図12参照]。ここにおい
て本発明では、このような機械的固有振動数が変化する
場合や、2つ以上の機械的固有振動数が存在する場合で
も、これらの振動を抑制し、高速、かつ高精度な動作を
可能とするリニアモータの制御方法およびその装置を提
供することを目的とする。
に、本発明の請求項1の発明は、リニアモータ可動部の
重心点における位置および速度の情報を、位置もしくは
速度センサの情報と速度制御器から出力された信号より
推定する推定手段を有し、この推定手段から得られた位
置および速度の推定情報をそれぞれの制御器へフィード
バックすることで、位置および速度制御を行うことを特
徴とするリニアモータの制御方法である。リニアモータ
の機械的固有振動モード(ピッチング,ヨーイング,ロ
ーリング)では、可動部の重心点が振動の節となる。よ
って重心点における位置または速度の情報には、これら
の振動成分が含まれない。この現象を利用して、重心点
における位置や速度を制御器にフィードバックすれば、
機械的固有振動の影響を受けない制御を行うことが可能
である。また、振動成分のみを制御器にフィードバック
すると、振動の周波数,減衰を制御することが可能とな
る。従って、このようなリニアモータの機械的な固有の
振動メカニズムに着目し、リニアモータの力学モデルを
定式化した。この式をオブザーバとして制御系に組み込
むことで、機械的固有振動成分を含まない重心点の位
置,速度情報や機械的固有振動成分のみの分離を可能と
した。つまり、本発明の請求項1の発明によれば、先の
従来の制御手段の問題点を解決するために、位置もしく
は速度センサの情報と速度制御器から出力された信号よ
り、リニアモータ可動部の重心点における位置および速
度の情報を推定し、この推定値を制御器にフィードバッ
クするリニアモータの制御方法である。例えば可動部の
質量が変化した場合でも、ノッチフィルタ[ 可変帯域フ
ィルタ] を使用しなくても、その他制御系で予め予測設
定した振動周波数が外乱でずれが生じた場合でも、機械
的固有振動数の影響を全く受けることなく、被制御体
(ワーク)の位置及び速度の制御が高精度送りを実現す
る上での制御パラメータのハイゲイン化の要求を完璧に
充足できるという特段の効果を奏することが可能であ
る。
載のリニアモータの制御方法において、前記推定手段か
ら得られた位置および速度の推定情報と共に、さらに回
転角および回転角速度情報を導出し、ドライブ部へフィ
ードバックすることを特徴とする請求項1に記載のリニ
アモータの制御方法である。この本発明の請求項2の発
明によって、きめ細かい制振作用が働き、さらなる高速
・高精度の制御が可能になり、斯界に裨益するところ大
と言える。
可動部の振動成分を、位置もしくは速度センサの情報と
速度制御器から出力された信号より推定する推定手段を
有し、この推定手段から得られた振動成分の推定情報を
制御器へフィードバックすることで、位置および速度制
御を行うことを特徴とするリニアモータの制御方法であ
る。この本発明の請求項3の発明によれば、位置もしく
は速度センサの情報と速度制御器から出力された信号よ
り、リニアモータ可動部の振動成分を推定する推定手段
を有しているから、その推定された振動成分をリニアモ
ータ及び可動部のドライブ部へ帰還すればよく、制御が
より簡潔ながら高速かつ精度の優れた制御が可能になる
顕著な効果を発揮できる。
し請求項3のいずれかの項に記載のリニアモータの制御
方法において、前記推定手段は、
項3のいずれかの項に記載のリニアモータの制御方法で
ある。この本発明の請求項4の発明によれば、適切な演
算手法によって、ハード・ウェアが簡潔ながら高精度な
制御が可能であり効果の卓越した手段が得られる。
の制御方法において、前記リニアモータ可動部の重心点
における位置および速度の情報を、固定部である機台に
配置したレーザセンサが発射するレーザの反射光から得
ることを特徴とする請求項1に記載のリニアモータの制
御方法である。この本発明の請求項5の発明によれば、
可動部へのリニアモータからの推力が時々刻々変化して
も、それぞれの推力に対応した適切な制振制御が簡単に
連続して高速に行われる有用性を持つ。
推定された可動部重心点の位置情報との偏差を受け入れ
る位置制御器と、この位置制御器からの出力と推定され
た可動部重心点の速度情報との偏差を導入する速度制御
器と、この速度制御器からの出力の推力指令値に従いリ
ニアモータおよび可動部を駆動するドライブ部と、その
ドライブ部の出力で駆動されるリニアモータおよび可動
部と、この可動部の位置を検出するセンサと、そのセン
サからの位置情報と前記速度制御器からの前記推力指令
値から、前記推定された可動部重心点の位置情報と前記
推定された可動部重心点の速度情報を算出するオブザー
バとを備えることを特徴とするリニアモータの制御装置
である。この本発明の請求項6の発明によれば、請求項
1の発明と同様な優れた効果が発揮できる。
載のリニアモータの制御装置において、前記オブザーバ
に、前記センサからの前記位置情報と、前記速度制御器
からの出力の推力指令値よりさらに前記可動部重心点の
回転角情報と前記可動部重心点の回転角速度情報をも導
出する手段を設けるとともに、前記オブザーバからの回
転角情報および回転角速度情報に比例定数を掛ける係数
器と、これらの係数器の出力を前記推力指令値に加算し
て、前記ドライブ部への入力とする手段を設けたことを
特徴とする請求項5に記載のリニアモータの制御装置で
ある。この本発明の請求項7の発明によって、請求項2
の発明と同様に、きめ細かい制振作用が働きさらなる高
速・高精度の制御が可能になる。
の制御装置において、前記センサとして、固定部である
機台に配置して発射するレーザの反射光から位置情報を
得るレーザセンサを具備したことを特徴とするリニアモ
ータの制御装置である。この本発明の請求項8の発明に
よれば、請求項5の発明と同様な可動部へのリニアモー
タからの推力が連続的に変化しても、簡単な装置と手段
で、それぞれの推力の変化に即応した適切な制振制御が
連続して高速に行われる。
は請求項8に記載のリニアモータの制御装置において、
前記オブザーバにおける前記回転角情報および前記回転
角速度情報の推定演算に代えて、前記センサと共に、可
動部にジャイロセンサを配置し、その出力である前記回
転角情報および前記回転角速度情報を前記比例定数を掛
ける係数器へ送出する手段を具備したことを特徴とする
請求項6または請求項8に記載のリニアモータの制御装
置である。この本発明の請求項9の発明によれば、回転
角情報および回転角速度情報が、簡単かつ正確に検出で
き、制振作用に一段と有用となる。
て図面を参照して説明する。全ての図面において、同一
符号は同一もしくは相当部材を示す。 (第1の実施の形態)図1は、本発明の第1の実施の形
態におけるリニアモータの制御を行う電気的回路の構成
を示すブロック図である。図2は、その主としてリニア
モータ及び可動部周辺の機構を表す斜視図である。可動
部1は電機子コイル2と一体となっており、固定側とな
る機台3に取付けられたレール4に対して、軸受5を用
いて一定方向にのみ可働する。推力を発生するマグネッ
ト6は機台3に固着されている。電機子コイル2は、マ
グネット6に対向している。スケール7は機台3に取付
けられ、可動部1の動作位置を測定するものであり、位
置検出センサ8は可動部1に取付けられていて、スケー
ル7から可動部1の位置を検出するものである。まずこ
の制御手段は、目標指令値9と可動部1に取付けられた
センサ8で検出した位置および速度の情報10を比較し、
偏差をとり、この偏差より制御演算を行い、推力指令11
を算出する。ドライブ部は推力指令11に相当する電流12
をリニアモータへ出力する。制御器では多くの場合、比
例・積分・微分制御という制御則が用いられている。
ーバ107 で推定した可動部重心点の位置情報16との偏差
が取り込れる。速度制御器104 の出力とオブザーバ107
で推定した可動部重心点の速度情報17との偏差が取り込
まれる。オブザーバ107 から出力される位置および速度
情報は、リニア・エンコーダ[ 以下、単に『センサ』と
いう] 8からの位置情報10と速度制御器104 から出力さ
れる推力指令値11から推定される。ドライブ部105 では
推力指令値11に相当する電流12が出力され、その電流12
により、リニアモータ106 が駆動される。可動部1の位
置情報10は、センサ8によって検出され、オブザーバ10
7 に取り込まれる。
ンサ8によって検出された位置情報10を直接に制御器10
2,104 にフィードバックするのではなく、センサ8の位
置情報10と推力指令値11よりオブザーバ107 で可動部1
の重心点の位置情報16, 速度情報17を推定して制御器10
2,104 にフィードバックしていることである。この実施
の形態により、機械的固有振動の影響を受けずに制御が
可能となり、高速かつ高精度な制御が実現できる。
による可動部重心点の位置情報の推定の代わりにリニア
モータの機構で構成した第2の実施の形態の斜視図であ
る。この場合、可動部1の重心点13上にレーザセンサ15
の反射板14 [図示する華道部表面上の開溝側面でレーザ
センサに対向する表面を指す] を配置する。機台3にレ
ーザセンサ15を設置し、可動部重心点13上の位置を検出
する。検出した位置情報はピチングやヨーイングの振動
成分を含まない信号であり、この信号を制御器102,104
にフィードバックすることで、図2に示すオブザーバ10
7 による制振制御と同様に機械的固有振動数の影響をう
けずに高速かつ高精度な動作が可能となる。
3の実施の形態における回路の構成を示すブロック図で
ある。位置制御器102 には、目標指令値9とセンサ8の
位置情報10との偏差が取り込まれる。速度制御器104 に
はセンサ8の位置情報10を差分演算 [ここではディジタ
ル演算であるが、アナログ演算の場合は微分演算であ
る] した速度情報20と位置制御器との偏差が取り込まれ
る。速度制御器104 では、推力指令値11を出力する。セ
ンサ8によって検出された位置情報10と推力指令値11よ
りオブザーバ107で可動部1の重心点の回転角情報18と
回転角速度情報19を推定し、回転角フィードバックゲイ
ンK1,角速度フィードバックゲインK2 を乗じて推力指
令値11に加算する。ドライブ部105 では推力指令値11に
相当する電流12が出力され、その電流12により、リニア
モータ106 が駆動される。可動部1の位置情報10はセン
サ8によって検出され、オブザーバ107 と制御器に取り
込まれる。
を除去した制御が可能となり、高速かつ高精度な動作が
実現できる。本実施の形態では、1つの機械的固有振動
モードの回転角と回転角速度のみを推定し、フィードバ
ックしているが、2つ以上の機械的固有振動モードに対
しても可能である、つまり制振制御が常に連続して行わ
れているので逐次変化する機械的固有振動モードに対応
できることは自明である。オブザーバ107 による推定の
代わりに、リニアモータの機構で構成するこも可能であ
る。その場合、可動部1にジャイロセンサ [不図示] を
配置する。これにより可動部の回転角情報,回転角速度
情報のみを検出し、制御器にフィードバックすることで
機械的固有振動数の影響を受けずに高速かつ高精度な動
作が可能となる。
4の実施の形態における回路の構成を示すブロック図で
ある。位置制御器102 には目標指令値9とオブザーバ10
7 で推定した可動部重心点の位置情報16との偏差が取り
込まれる。速度制御器104 には、位置制御器102 の出力
とオブザーバ107 で推定した可動部重心点の速度情報17
との偏差が取り込まれる。速度制御器104 では、推力指
令値11を出力する。センサ8によって検出された位置情
報10と推力指令値11とよりオブザーバ107 で可動部1の
重心点における位置情報16, 速度情報17と重心点の回転
角情報18, 回転角速度情報19を推定する。推定した回転
角情報18と回転角速度情報19は、それぞれ回転角フィー
ドバックゲインK1,角速度フィードバックゲインK2 を
乗じて推力指令値11に加算する。ドライブ部では推力指
令値11に相当する電流12が出力され、その電流12によ
り、リニアモータ106 が駆動される。可動部1の位置情
報10はセンサ8によって検出され、オブザーバ107 と制
御器102,104 に取り込まれる。この第4の実施の態様に
より、機械的固有振動数の影響を受けずに制御が可能と
なり、高速かつ高精度な動作が実現できる。また、この
第4の実施の態様では、1つの固有振動モードの回転角
と回転角速度のみを推定し、フィードバックしたが、2
つ以上の固有振動モードに対して、推定し、フィードバ
ックすることも可能である、すなわち、制御は連続して
センサからの検出された位置または速度情報により演算
されるから、円滑に高速かつ高精度の制振制御ができ
る。
答速度の時間の推移による変化曲線特性図である。図11
の従来技術( 帯域減衰フィルタを使った場合) と同等な
効果が得られている。さらに、機械的固有振動数が変化
した場合でも、図12の従来技術( 帯域減衰フィルタを使
った場合) に比べ制振が可能である[ 図7参照] 。さら
に、本発明の全ての実施の態様において、図6,図7の
結果が得られる。
制御装置を用いることで、機械的固有振動数の影響を受
けずにリニアモータの制御が可能になるという特段の効
果を奏する。すなわち、リニアモータの機械的固有振動
モード(ピッチング,ヨーイング,ローリング)では、
可動部の重心点が振動の節となる。よって重心点におけ
る位置または速度の情報には、これらの振動成分が含ま
れない。この現象を利用して、重心点における位置や速
度を制御器にフィードバックすれば、機械的固有振動の
影響を受けない制御を行うことが可能である。また、振
動成分のみを制御器にフィードバックすると、振動の周
波数,減衰を制御することが可能となる。従って、この
ようなリニアモータの機械的な固有の振動メカニズムに
着目し、リニアモータの力学モデルを定式化した。この
式をオブザーバとして制御系に組み込むことで、機械的
固有振動成分を含まない重心点の位置,速度情報や機械
的固有振動成分のみの分離を可能とした。
手段の問題点を解決するために、位置もしくは速度セン
サの情報と速度制御器から出力された信号より、リニア
モータ可動部の重心点における位置および速度の情報を
推定し、この推定値を制御器にフィードバックするリニ
アモータの制御方法である。例えば可動部の質量が変化
した場合でも、ノッチフィルタを使用しなくても、その
他制御系で予め予測設定した振動周波数が外乱でずれが
生じた場合でも、機械的固有振動数の影響を全く受ける
ことなく、被制御体(ワーク)の位置及び速度の制御が
高精度送りを実現する上での制御パラメータのハイゲイ
ン化の要求を完璧に充足できるという顕著な効果を発揮
できる。
ニアモータの制御を行う電気的回路の構成を示すブロッ
ク図
ータ及び可動部周辺の機構を表す斜視図
ーバによる可動部重心点の位置情報の推定の代わりにリ
ニアモータの機構で構成した斜視図
を示す制御ブロック図
を示す制御ブロック図
経過図
の可動部の速度応答の時間経過図
89号公報に掲載されている〕リニアモータの駆動回路の
制御ブロック構成図
振動モードの説明図で、 (a) はヨーイング・モード (b) はピッチング・モード (c) はローリング・モード
場合の可動部の速度応答の時間経過からの振動状態図
〔制御に甚だしい障碍となっていた〕
衰フィルタを用いた場合の可動部の速度応答の時間経過
からの振動状態図
が変化した場合の可動部の速度応答の時間経過からの振
動状態図
Claims (9)
- 【請求項1】 リニアモータ可動部の重心点における位
置および速度の情報を、位置もしくは速度センサの情報
と速度制御器から出力された信号より推定する推定手段
を有し、この推定手段から得られた位置および速度の推
定情報をそれぞれの制御器へフィードバックすること
で、位置および速度制御を行うことを特徴とするリニア
モータの制御方法。 - 【請求項2】 請求項1に記載のリニアモータの制御方
法において、 前記推定手段から得られた位置および速度の推定情報と
共に、さらに回転角および回転角速度情報を導出し、ド
ライブ部へフィードバックすることを特徴とする請求項
1に記載のリニアモータの制御方法。 - 【請求項3】 リニアモータ可動部の振動成分を、位置
もしくは速度センサの情報と速度制御器から出力された
信号より推定する推定手段を有し、この推定手段から得
られた振動成分の推定情報を制御器へフィードバックす
ることで、位置および速度制御を行うことを特徴とする
リニアモータの制御方法。 - 【請求項4】 請求項1ないし請求項3のいずれかの項
に記載のリニアモータの制御方法において、前記推定手
段は、 【数1】 オブザーバであることを特徴とする請求項1ないし請求
項3のいずれかの項に記載のリニアモータの制御方法。 - 【請求項5】 リニアモータの制御方法において、 前記リニアモータ可動部の重心点における位置および速
度の情報を、固定部である機台に配置したレーザセンサ
が発射するレーザの反射光から得ることを特徴とするリ
ニアモータの制御方法。 - 【請求項6】 目標指令値と推定された可動部重心点の
位置情報との偏差を受け入れる位置制御器と、 この位置制御器からの出力と推定された可動部重心点の
速度情報との偏差を導入する速度制御器と、 この速度制御器からの出力の推力指令値に従いリニアモ
ータおよび可動部を駆動するドライブ部と、 そのドライブ部の出力で駆動されるリニアモータおよび
可動部と、 この可動部の位置を検出するセンサと、 そのセンサからの位置情報と前記速度制御器からの前記
推力指令値から、前記推定された可動部重心点の位置情
報と前記推定された可動部重心点の速度情報を算出する
オブザーバとを備えることを特徴とするリニアモータの
制御装置。 - 【請求項7】 請求項6に記載のリニアモータの制御装
置において、 前記オブザーバに、前記センサからの前記位置情報と、
前記速度制御器からの出力の推力指令値よりさらに前記
可動部重心点の回転角情報と前記可動部重心点の回転角
速度情報をも導出する手段を設けるとともに、前記オブ
ザーバからの回転角情報および回転角速度情報に比例定
数を掛ける係数器と、これらの係数器の出力を前記推力
指令値に加算して、前記ドライブ部への入力とする手段
を設けたことを特徴とする請求項6に記載のリニアモー
タの制御装置。 - 【請求項8】 リニアモータの制御装置において、 前記センサとして、固定部である機台に配置して発射す
るレーザの反射光から可動部重心点の位置情報を得るレ
ーザセンサを具備したことを特徴とするリニアモータの
制御装置。 - 【請求項9】 請求項6または請求項8に記載のリニア
モータの制御装置において、 前記オブザーバにおける前記回転角情報および前記回転
角速度情報の推定演算に代えて、前記センサと共に、可
動部にジャイロセンサを配置し、その出力である前記回
転角情報および前記回転角速度情報を前記比例定数を掛
ける係数器へ送出する手段を具備したことを特徴とする
請求項6または請求項8に記載のリニアモータの制御装
置。
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