JP2008220022A - Apparatus and method of positioning control - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、超音波モータを用いて移動体を目標位置へ移動させる位置決め装置等に用いられる位置決め制御装置および位置決め制御方法に関する。 The present invention relates to a positioning control device and a positioning control method used in a positioning device or the like that moves a moving body to a target position using an ultrasonic motor.
Ｘ−Ｙステージ等の移動体を所定位置へ移動させて位置決めするシステムとして、移動体との間に生じる摩擦力を利用して移動体を移動させる超音波モータを備えたものが知られている。 As a system for moving and positioning a moving body such as an XY stage to a predetermined position, a system including an ultrasonic motor that moves the moving body using a frictional force generated between the moving body and the moving body is known. .
超音波モータを駆動して移動体を所定位置へ移動させる位置決めシステムの従来の制御方法の一例を図６のブロック図に示す。 An example of a conventional control method of a positioning system for driving an ultrasonic motor to move a moving body to a predetermined position is shown in the block diagram of FIG.
オペレータが位置決めシステムの操作盤を操作することによりまたは自動運転プログラムが実行されていること等により、移動体を目標位置に移動させるための移動指示値がプロファイルジェネレータ（ＰＧ）に入力される。 When the operator operates the operation panel of the positioning system or the automatic operation program is executed, a movement instruction value for moving the moving body to the target position is input to the profile generator (PG).
プロファイルジェネレータ（ＰＧ）は、移動指示値に基づいて移動体を目標位置へ移動させるための移動プロファイルを生成する。この移動プロファイルは、移動体の位置指示量ｓｐ（移動体を一定時間後にどの位置にまで移動させるのかを示す制御量）を含んでいる。この位置指示量ｓｐから移動体の実位置を測定するエンコーダ（位置センサ）の検出値が減算され、これにより位置誤差が求められる。この位置誤差に位置フィードバックのための係数Ｋｐを掛け合わせることにより、位置偏差に基づく制御量が求められる。 The profile generator (PG) generates a movement profile for moving the moving body to the target position based on the movement instruction value. This movement profile includes a position indication amount sp of the moving body (a control amount indicating to which position the moving body is moved after a certain time). The detection value of the encoder (position sensor) that measures the actual position of the moving body is subtracted from the position indication amount sp, thereby obtaining a position error. By multiplying this position error by a coefficient Kp for position feedback, a control amount based on the position deviation is obtained.
また、プロファイルジェネレータ（ＰＧ）で作成された位置指示量ｓｐを微分して速度指示値ｓｖを求め、この速度指示値ｓｖからエンコーダにより測定した移動体の実位置の微分により求めた実速度を減算して、これに係数Ｋｖを掛け合わせることにより、速度偏差に基づく制御量が求められる。 Also, the speed indication value sv is obtained by differentiating the position indication amount sp created by the profile generator (PG), and the actual speed obtained by differentiating the actual position of the moving body measured by the encoder is subtracted from the speed indication value sv. Then, the control amount based on the speed deviation is obtained by multiplying this by the coefficient Kv.
これらの位置偏差制御量と速度偏差制御量とが合算されてＰＩＤ演算部（Ｇ（ＰＩＤ））へ入力される。ＰＩＤ演算部（Ｇ（ＰＩＤ））での処理により得られる制御量と、不感帯を考慮して始動特性を高めるためのオフセット値とを合わせた制御量が、電圧に変換されて超音波モータに与えられる。移動体の位置はエンコーダによって検出されており、前述の通り、この検出値がフィードバック制御に用いられる。このような超音波モータの駆動制御において、係数Ｋｐ，係数ＫｖおよびＰＩＤ演算部（Ｇ（ＰＩＤ））のＰ項，Ｉ項，Ｄ項の値は一定値である（例えば、特許文献１参照）。 These position deviation control amount and speed deviation control amount are added together and input to the PID calculation unit (G (PID)). A control amount obtained by combining the control amount obtained by the processing in the PID calculation unit (G (PID)) and the offset value for enhancing the starting characteristics in consideration of the dead zone is converted into a voltage and given to the ultrasonic motor. It is done. The position of the moving body is detected by an encoder, and as described above, this detected value is used for feedback control. In such drive control of the ultrasonic motor, the values of the coefficient Kp, coefficient Kv, and P term, I term, and D term of the PID calculation unit (G (PID)) are constant values (see, for example, Patent Document 1). .
近時、移動体の移動中の位置偏差としては、移動体の静止時の位置偏差を１ｎｍ程度にまで小さくすることが必要になってきている。そのため、係数Ｋｐ等が一定である制御方法によってこのような精度を得るためには、位置偏差による制御に重点が置かれるように係数Ｋｐ等の値を設定する必要がある。 Recently, it has become necessary to reduce the positional deviation of the moving body when it is stationary to about 1 nm as the positional deviation during movement of the moving body. Therefore, in order to obtain such accuracy by a control method in which the coefficient Kp or the like is constant, it is necessary to set the value of the coefficient Kp or the like so that emphasis is placed on the control based on the position deviation.
しかしながら、移動体の移動中における位置偏差制御を強調すると、移動体の速度が不安定になり、移動体の移動制御（つまり超音波モータの駆動制御）が安定しない。そのため、最終的な位置決めまでの時間が長くかかる等の問題が生じる。一方、移動体の移動中における速度偏差制御を強調すると、移動体の速度は安定するが、目標位置の極めて狭い範囲に移動体を静止させることは極めて困難になる。
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、移動体の移動時における位置偏差を小さく抑えつつ移動体を安定した速度で移動させ、しかも高い精度で移動体を目標位置に停止させることを可能とする位置決め制御装置および位置決め制御方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and it is possible to move the moving body at a stable speed while suppressing a positional deviation during movement of the moving body, and to stop the moving body at a target position with high accuracy. An object of the present invention is to provide a positioning control device and a positioning control method which can be performed.
本発明に係る位置決め制御装置は、移動体を超音波モータによる摩擦駆動によって所定位置へ移動させて位置決めするために、前記移動体を前記目標位置へ移動させるための位置指示量と前記移動体の実際の位置データとから求められる位置偏差に基づく制御量と、前記移動体を前記目標位置へ移動させるための速度指示量と前記移動体の実際の速度データとから求められる速度偏差に基づく制御量とを用いて、前記超音波モータをＰＩＤフィードバック制御するものであり、換言すれば、超音波モータの駆動制御装置とも言える。 The positioning control device according to the present invention includes a position instruction amount for moving the moving body to the target position and a position instruction amount for moving the moving body to the target position in order to move the moving body to a predetermined position by friction drive by an ultrasonic motor. Control amount based on position deviation obtained from actual position data, control amount based on speed deviation obtained from speed instruction amount for moving said moving body to said target position and actual speed data of said moving body Are used for PID feedback control of the ultrasonic motor, in other words, it can also be said to be a drive control device for the ultrasonic motor.
第１発明の位置決め制御装置は、予めＰ値，Ｉ値，Ｄ値が定められた２組以上のＰＩＤパラメータの中から選択した１組のＰＩＤパラメータを用いて超音波モータを駆動する制御量を決定するＰＩＤ演算部を具備することを特徴としている。 The positioning control device according to the first aspect of the invention provides a control amount for driving the ultrasonic motor using one set of PID parameters selected from two or more sets of PID parameters for which P value, I value, and D value are determined in advance. It is characterized by comprising a PID calculation unit to be determined.
第２発明の位置決め制御装置は、超音波モータを駆動する制御量を決定するＰＩＤ演算部と、前記ＰＩＤ演算部に入力する位置偏差に基づく制御量と速度制御量に基づく制御量の割合を変更する位置／速度偏差調整部と、を具備することを特徴としている。 A positioning control device according to a second aspect of the invention changes a ratio of a control amount based on a PID operation unit that determines a control amount for driving an ultrasonic motor, a control amount based on a positional deviation input to the PID operation unit and a speed control amount And a position / speed deviation adjusting unit.
本発明に係る位置決め制御方法は、上記位置決め制御装置により実現される制御方法であり、逆に、本発明に係る位置決め制御方法を実行するための制御装置が上記位置決め制御装置である。 The positioning control method according to the present invention is a control method realized by the positioning control device, and conversely, the control device for executing the positioning control method according to the present invention is the positioning control device.
本発明に係る第１、第２の位置決め制御方法は、移動体を摩擦駆動する超音波モータをＰＩＤフィードバック制御して、前記移動体を所定位置へ移動させて位置決めする位置決め制御方法であって、
移動体を目標位置へ移動させる指令信号にしたがって、前記移動体を前記目標位置まで移動させるための位置指示量を含む移動プロファイルを作成し、この位置指示量から速度指示量を求め、
前記移動体の実際の位置を測定して位置データを求め、この位置データから前記移動体の速度データを求め、
前記位置指示量と前記位置データとから位置偏差に基づく制御量を求め、前記速度指示量と前記速度データとから速度偏差に基づく制御量を求める、という以上のプロセスで共通する。
The first and second positioning control methods according to the present invention are positioning control methods in which an ultrasonic motor that frictionally drives a moving body is subjected to PID feedback control, and the moving body is moved to a predetermined position for positioning.
In accordance with a command signal for moving the moving body to the target position, a movement profile including a position instruction amount for moving the moving body to the target position is created, and a speed instruction amount is obtained from the position instruction amount,
Determine the position data by measuring the actual position of the mobile body, determine the speed data of the mobile body from this position data,
The above-described processes are common in that a control amount based on a position deviation is obtained from the position instruction amount and the position data, and a control amount based on a speed deviation is obtained from the speed instruction amount and the speed data.
そして、第１の位置決め制御方法では、前記位置偏差に基づく制御量と、前記速度偏差に基づく制御量と、予めＰ値，Ｉ値，Ｄ値が定められた２組以上のＰＩＤパラメータの中から選択した１組のＰＩＤパラメータと、を用いて前記超音波モータを駆動する制御量を決定する。 In the first positioning control method, the control amount based on the position deviation, the control amount based on the speed deviation, and two or more sets of PID parameters in which P value, I value, and D value are determined in advance. A control amount for driving the ultrasonic motor is determined using the selected set of PID parameters.
第２の位置決め制御方法では、前記位置偏差に基づく制御量と前記速度偏差に基づく制御量と割合を変更して前記超音波モータを駆動する制御量を決定する。 In the second positioning control method, the control amount for driving the ultrasonic motor is determined by changing the control amount based on the position deviation and the control amount based on the speed deviation and the ratio.
本発明によれば、移動体の移動時における位置偏差を小さく抑えつつ移動体を安定した速度で移動させることができ、しかも目標位置からの距離誤差が極めて小さい範囲に移動体を停止させることができるという、高精度な制御が可能となる。 According to the present invention, it is possible to move the moving body at a stable speed while suppressing the positional deviation during the movement of the moving body, and to stop the moving body in a range where the distance error from the target position is extremely small. High-precision control is possible.
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。図１に位置決め装置１００の概略構成を示す。この位置決め装置１００は、移動体たるスライダ５０と、スライダ５０を移動させるための超音波モータ１０と、スライダ５０の移動／位置決めの制御のために超音波モータ１０の駆動制御を行う制御装置２０と、スライダ５０をＸ方向にスライド自在に保持するガイド３０ａと、スライダ５０の位置を算出するエンコーダ３０ｂと、スライダ５０の移動位置等を指令するための操作盤４０とを備えている。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 shows a schematic configuration of the
ここでは、超音波モータ１０として、スライダ５０に当接するヘッド１１と、ヘッド１１を駆動するための圧電素子１２ａ，１２ｂと、圧電素子１２ａ，１２ｂを保持するための保持部材１３とを備えた構造のものを示している。なお、図１に示す符号１４ａはバネ等の付勢部材であり、この付勢部材１４ａは、ヘッド１１とスライダ５０との間にスライダ５０を移動させるために必要な摩擦力が生じるようにヘッド１１を一定の力でスライダ５０に押し付けている。また、図１に示す符号１４ｂもまたバネ等の付勢部材であり、２個の付勢部材１４ｂは保持部材１３のＸ方向でのぶれやずれを防止している。
Here, the
ヘッド１１は、耐摩耗性に優れるエンジニアリングセラミックス（例えば、アルミナ、窒化珪素等）からなる。圧電素子１２ａ，１２ｂには、所謂、積層型圧電アクチュエータであり、電圧の印加によって生じる伸縮方向が一定角度（例えば、３０度〜９０度）で交差するように、伸縮方向端の一方がヘッド１１に取り付けられ、伸縮方向端の他方が保持部材１３の側壁部内面に取り付けられている。保持部材１３は、例えば、エンジニアプラスチックや金属からなる。
The
超音波モータ１０の駆動は、圧電素子１２ａ，１２ｂに位相が９０度ずれた共振周波数電圧を印加することにより行われ、これによりヘッド１１に楕円運動を生じさせて、スライダ５０を摩擦駆動する。
The
ガイド３０ａはスライダ５０のＸ方向位置（座標）を測定するためのセンサ（図示せず）を備えており、そのセンサによるスライダ５０の検出信号はエンコーダ３０ｂに入力される。エンコーダ３０ｂはその検出信号をスライダ５０の位置を示すデジタル信号に変換して制御装置２０へと出力する。操作盤４０から制御装置２０へは、オペレータがスライダ５０を移動させる目標位置を入力することによりあるいは所定の作業プログラムの進行にしたがって自動的に、スライダ５０を目標位置へ移動させる移動指示値が送信される。
The
制御装置２０は、スライダ５０を目標位置へ移動させるという操作盤４０からの移動指示値に基づいて、スライダ５０を移動させるために超音波モータ１０を駆動する電圧波形（電圧値、印加時間等）を計算し、それを圧電素子１２ａ，１２ｂに印加する。
Based on the movement instruction value from the
制御装置２０は、１または複数の演算素子（プロセッサ；ＣＰＵ）と、制御プログラムや後述する係数Ｋｐ１，Ｋｖ１等の制御パラメータがデータテーブルとして記憶された不揮発性半導体メモリー（ＲＯＭ）と、スライダ５０の移動時の種々の情報を記憶するための揮発性半導体メモリー（ＲＡＭ）およびハードディスク（ＨＤ）等を備えている。演算素子は各記憶装置との間で情報の送受信を行う。また、制御装置２０は超音波モータ１０を駆動するための電源となるパワーアンプを備えている。
The
なお、制御プログラムは、後述するプロファイルジェネレータ２１，位置／速度偏差調整部２２（位置フィードバック調整部２３ａと速度フィードバック調整部２３ｂを含む）、ＰＩＤ演算部２４、微分処理部２５ａ，２５ｂとしてのそれぞれの機能を発現させるためのプログラムを含んでおり、また、各種制御量の加減計算を行うプログラム等を含んでいる。つまり、これら各部は制御装置２０内で行われる各種演算処理を、その機能ごとに分類したものである。
The control program includes a
図２に、制御装置２０の制御ブロック図を示す。最初に、目標位置へのスライダ５０の移動を指示する移動指示値が操作盤４０から制御装置２０へ入力される。この移動指示値に基づいて、プロファイルジェネレータ（ＰＧ）２１がスライダ５０を目標位置へ移動させるための移動プロファイルを作成する。
FIG. 2 shows a control block diagram of the
移動プロファイルは、超音波モータ１０の動作能力に基づいて、スライダ５０を目標位置へ到達させるまでに必要な時間を定め、その時間内において、一定時間ごとにスライダ５０をどの位置にまで移動させるのかを示す制御量（以下「位置指示量ｓｐ」という）を含んでいる。
The movement profile determines the time required for the
ここでは、プロファイルジェネレータ２１は、位置指示量ｓｐを微分（ラプラス変換）して導かれる速度指示量ｓｖ１のプロファイルがＳ形プロファイルとなる移動プロファイルを作成するものとする。移動プロファイルの微分処理は微分処理部２５ａで行われる。図３にプロファイルジェネレータ２１で作成される移動プロファイルと、微分処理部２５ａで得られるＳ形プロファイルを示す。
Here, it is assumed that the
図３に示されるように、Ｓ形プロファイルはスライダ５０の速度の時間変化がＳ形を描くように変化するプロファイルであり、プロファイルジェネレータ２１で作成される移動プロファイルもまたＳ形を描くように変化する。
As shown in FIG. 3, the S-shaped profile is a profile in which the time change of the speed of the
Ｓ形プロファイルの速度−時間曲線は、時間０（ゼロ）〜ｔ１の間が加速度が一次関数的に大きくなることで速度が経時的に大きくなる加速度増加域（Ａ１）、時間ｔ１〜ｔ２の間は加速度が一定となることで速度が大きくなる定加速度域（Ａ２）、時間ｔ２〜ｔ３は加速度が一次関数的に小さくなることで速度は大きくなるがその増加率が小さくなる加速度減少域（Ａ３）、時間ｔ３〜ｔ４の間は加速度が０（ゼロ）となって速度が一定ｖ０となる定速域（Ａ４）、時間ｔ４〜ｔ５の間は負の加速度（以下「減速度」という）の絶対値が一次関数的に大きくなることで速度が小さくなる減速度増加域（Ａ５）、時間ｔ５〜ｔ６の間は減速度が一定となることで速度が小さくなる定減速度域（Ａ６）、時間ｔ６〜ｔ７の間は減速度の絶対値が一次関数的に小さくなることで速度は小さくなるがその減少率が小さくなる減速度減少域（Ａ７）から構成される。 Rate of S-shaped profile - time curve, time 0 (zero) ~t acceleration increasing range rate is with time significantly between 1 that the acceleration is greater linear function manner (A 1), the time t 1 ~ constant acceleration zone while the speed is increased by acceleration is a constant t 2 (a 2), the time t 2 ~t 3 is speed increases by the acceleration is a linear function smaller rate of increase is Decrease in acceleration decrease range (A 3 ), during time t 3 to t 4 , acceleration is 0 (zero), constant speed range (A 4 ) where the speed is constant v 0 , time t 4 to t 5 During this period, the absolute value of negative acceleration (hereinafter referred to as “deceleration”) increases linearly as a linear function, and the deceleration decreases (A 5 ) where the speed decreases, and the deceleration is between time t 5 and t 6. constant deceleration range where the speed is reduced by a constant (a 6), the time t 6 ~t 7 During consists deceleration decreases range decreases its reduction rate is small velocity by the absolute value of the deceleration is a linear function smaller (A 7).
図３中の時間ｔ７は、スライダ５０が移動量Ｍ０だけ移動して、目標位置に到達する時間であり、時間ｔ７以降が停止域（Ａ８）となる。以下において、時間０（ゼロ）〜ｔ７の間を“移動プロファイル終了前”といい、時間ｔ７以降を“移動プロファイル終了後”ということとする。
A time t 7 in FIG. 3 is a time for the
なお、時間ｔ７において、スライダ５０が目標位置から許容誤差範囲内に入っているときには、時間ｔ７でプロファイルジェネレータ２１からの位置指示量ｓｐの出力は終了する。しかし、この許容誤差範囲が±１ｎｍという極めて狭い範囲に設定されているときには、通常、時間ｔ７ではスライダ５０がこの許容誤差範囲内に収まることはまれである。
Incidentally, at time t 7, when the
そのため、プロファイル終了後（時間ｔ７以降）は、プロファイルジェネレータ２１から位置指示量ｓｐが出力されるが、位置指示量ｓｐは目標位置を示す値Ｍ０で一定である。そのため、速度指示量ｓｖ１は常に０（ゼロ）となる。
Therefore, after the profile ends (time t 7 or later), the position indicated amounts sp from the
このようにして移動プロファイルが作成されるとともに、作成された移動プロファイルに適した制御パラメータ、すなわち位置偏差に基づく制御量を定める位置フィードバック調整部２３ａで用いられる係数Ｋｐ、速度偏差に基づく制御量を定める速度フィードバック調整部２３ｂで用いられる係数Ｋｖ、最終的な制御量（但し、オフセット値を除く）を定めるＰＩＤ演算部２４で用いられるＰＩＤ制御パラメータ（Ｐ値，Ｉ値，Ｄ値）の組み合わせがそれぞれ、ＲＯＭに記憶されたデータテーブルから読み出される。
In this way, the movement profile is created, and the control parameter suitable for the created movement profile, that is, the coefficient Kp used in the position
なお、位置フィードバック調整部２３ａと速度フィードバック調整部２３ｂとは、後述するように、位置偏差に基づく制御量と速度偏差に基づく制御量との割合を変更する位置／速度偏差調整部２２として機能する。
The position
ここでは、表１に示す係数およびパラメータが選択されたものとする。こうして、超音波モータ１０の駆動制御が実際に開始される。
エンコーダ３０ｂはスライダ５０の実位置を測定している。プロファイルジェネレータ２１で作成した位置指示量ｓｐからエンコーダ３０ｂの検出値が差し引かれ、これにより位置誤差が求められる。この位置誤差は位置フィードバック調整部２３ａに入力される。
The
スライダ５０が図３に示される移動プロファイルに基づいて移動している加速度増加域（Ａ１）〜減速度減少域（Ａ７）の間、つまり移動プロファイル終了前では、位置フィードバック調整部２３ａは、表１に示すように、この位置誤差に位置フィードバックのための係数Ｋｐ１を掛け合わせることによって、位置偏差に基づく制御量を求める。
Between the acceleration increase range (A 1 ) and the deceleration decrease range (A 7 ) in which the
エンコーダ３０ｂの検出値は微分処理部２５ｂに入力され、そこでスライダ５０の実速度量ｓｖ２が求められる。微分処理部２５ａで得られる速度指示量ｓｖ１からこの実速度量ｓｖ２が差し引かれて、速度誤差が求められる。この速度誤差は、速度フィードバック調整部２３ｂに入力される。表１に示されるように、移動プロファイル終了前では、速度フィードバック調整部２３ｂは、この速度誤差に速度フィードバック制御のための係数Ｋｖ１を掛け合わせることによって、速度偏差による制御量を求める。
Detection value of the
こうして求められた位置偏差による制御量と速度偏差による制御量とが合算されて、ＰＩＤ演算部２４へ入力される。表１に示されるように、移動プロファイル終了前では、ＰＩＤ演算部２４では、Ｇ１（ＰＩＤ）（Ｐ値＝Ｐ１，Ｉ値＝Ｉ１，Ｄ値＝Ｄ１）が用いられて、超音波モータ１０に印加する電圧を決定する制御量が求められる。
The control amount based on the position deviation thus obtained and the control amount based on the speed deviation are added together and input to the
ＰＩＤ演算部２４により得られる制御量と、超音波モータ１０の不感帯を考慮したオフセット制御量とが合算され、こうして得られた制御量がアンプ（図示せず）へ入力される。そして、アンプから駆動電圧Ｖが出力され、超音波モータ１０を構成する圧電素子１２ａ，１２ｂに印加される。このような一連の制御が、時間０（ゼロ）から時間ｔ７に至るまで行われる。
The control amount obtained by the
このような移動プロファイル終了前の制御においては、速度偏差に基づく制御に比重が置かれるように係数Ｋｐ１，Ｋｖ１およびＰＩＤパラメータを定めておくことで、スライダ５０を安定した速度で移動させることが可能になる。また、これらの値を適切に設定することにより、位置偏差を狭い範囲に抑えることができる。
In such control before the end of the moving profile, the
移動プロファイルが終了する時間ｔ７に至ると、スライダ５０はほぼ目標位置Ｐへ移動しているが、許容される位置誤差範囲内には収まっていないとする。なお、時間ｔ７においてスライダ５０が目標位置Ｐの許容位置誤差範囲内に入っていれば、その時点で制御は終了することになる。
When reaching the time t 7 the roaming profile is completed, the
前述の通り、移動プロファイル終了後（つまり時間ｔ７以降）では、プロファイルジェネレータ２１からは、位置指示量ｓｐとして目標位置Ｐを示す一定値が出力され、その結果、速度指示量ｓｖ１は０（ゼロ）となる。
As described above, the post-completion roaming profile (that is, the time t 7 or later), from the
そして、移動プロファイル終了後には、移動プロファイル終了前と比較して、位置偏差に基づく制御の比重を大きくすることにより、スライダ５０を速やかに目標位置Ｐの許容位置誤差範囲内に収めることが容易となる。
Then, after the end of the moving profile, the specific gravity of the control based on the position deviation is increased compared to before the end of the moving profile, so that the
そのために、位置／速度偏差調整部２２が位置偏差に基づく制御量と速度偏差に基づく制御量との割合を変更する。表１に示されるように、移動プロファイル終了後に位置フィードバック調整部２３ａでは係数がＫｐ１からＫｐ２へ、速度フィードバック調整部２３ｂでは係数がＫｖ１からＫｖ２へ切り替えられる。ここで、（Ｋｐ１／Ｋｖ１）＜（Ｋｐ２／Ｋｖ２）とされる。
For this purpose, the position / speed
また、ＰＩＤ演算部２４ではＰＩＤパラメータがＧｌ（ＰＩＤ）からＧ２（ＰＩＤ）（Ｐ値＝Ｐ２，Ｉ値＝Ｉ２，Ｄ値＝Ｄ２）へ切り替えられる。ここで、Ｐ１≦Ｐ２，Ｉ１≦Ｉ２，Ｄ１≦Ｄ２とすることができる。
In the
表２に、係数Ｋｐ，ＫｖおよびＰＩＤパラメータの具体例を示す。また、図４Ａに、この表２に記載の係数およびパラメータを用いて、スライダ５０を２０ｍｍ移動させる指令を行った場合の移動プロファイルによる位置指示値と実位置（位置実測値）の変化を、図４Ｂにこのときの移動プロファイルによる速度指示値と実速度（速度実測値）の変化を、図４Ｃにこのときの位置誤差の変化をそれぞれ示す。
超音波モータ１０の動作特性から、移動プロファイルとして、２００ｍ秒でスライダ５０を２０ｍｍ移動させる移動プロファイルが作成されている。図４Ａでは位置指示値と実位置を示す２つの曲線は縦軸レンジが広いために重なって見えている。しかし、実際には図４Ｃに示すように、数μｍの位置誤差があって変動している。また図４Ｂでも、速度指示値と実速度を示す２つの曲線は縦軸レンジが広いために重なって見えている。
From the operating characteristics of the
移動プロファイル終了時の２００ｍ秒においては、位置誤差が約１．５μｍあるために、移動プロファイル終了前と終了後とで係数等の切り替えが行われ、これにより、制御開始から約２２５ｍ秒後に、スライダ５０が目標位置について設定された許容誤差範囲内に入ったことがわかる。 At the end of the moving profile, since the position error is about 1.5 μm, the coefficient and the like are switched between before and after the end of the moving profile. As a result, after about 225 ms from the start of the control, the slider is changed. It can be seen that 50 falls within the allowable error range set for the target position.
その時点でプロファイルジェネレータ２１からの出力が終了して超音波モータ１０の駆動が停止するか、またはプロファイルジェネレータ２１からの出力は継続していても、ＰＩＤ演算部２４への入力が０になるために、実質的に超音波モータ１０へ電圧が印加されなくなって駆動が停止する。
At that time, the output from the
上記表１では、移動プロファイルの終了前と終了後とで係数Ｋｐ，ＫｖおよびＰＩＤパラメータの全ての値を変更することができるとし、表２では移動プロファイルの終了前と終了後とで係数Ｋｖを一定として、係数ＫｐとＰＩＤパラメータを変更したが、このような形態に限られるものではなく、係数Ｋｐ，Ｋｖを一定としてＰＩＤパラメータを切り替えたり、ＰＩＤパラメータを一定として係数Ｋｐ，Ｋｖの値を切り替えたりすることによっても、スライダ５０をスムーズに目標位置Ｐへ移動させて、速やかに許容位置誤差範囲内に収めることができる。
In Table 1 above, it is assumed that all values of the coefficients Kp, Kv and the PID parameter can be changed before and after the end of the moving profile. In Table 2, the coefficient Kv is set before and after the end of the moving profile. The coefficient Kp and the PID parameter have been changed as being constant. However, the present invention is not limited to such a form. The PID parameter is switched with the coefficients Kp and Kv being constant, or the values of the coefficients Kp and Kv are switched with the PID parameter being constant. Also, the
また、係数Ｋｐ，ＫｖおよびＰＩＤパラメータの切り替えのタイミングは上記形態に限られるものではない。例えば、図３に示した加速度増加域（Ａ１），定加速度域（Ａ２），加速度減少域（Ａ３），定速域（Ａ４），減速度増加域（Ａ５），定減速度域（Ａ６），減速度減少域（Ａ７），停止域（Ａ８）の領域ごとに、係数Ｋｐ，ＫｖおよびＰＩＤパラメータの中から選ばれる１または複数の値を切り替えてもよく、これによってより高精度で安定した制御を行うことができる。このとき、係数Ｋｐ，ＫｖおよびＰＩＤパラメータは各域で異なる値であってもよいし、同じ値が用いられる領域があってもよい。 Further, the switching timing of the coefficients Kp, Kv and the PID parameter is not limited to the above form. For example, the acceleration increase range (A 1 ), constant acceleration range (A 2 ), acceleration decrease range (A 3 ), constant speed range (A 4 ), deceleration increase range (A 5 ), constant decrease shown in FIG. One or more values selected from the coefficients Kp, Kv and the PID parameter may be switched for each of the speed range (A 6 ), the deceleration decrease range (A 7 ), and the stop range (A 8 ), As a result, more accurate and stable control can be performed. At this time, the coefficients Kp, Kv and the PID parameter may have different values in each region, or there may be a region where the same value is used.
また、移動プロファイル終了前の減速度減少域（Ａ７）から移動プロファイル終了後の停止域（Ａ８）へと変わるタイミングで位置偏差制御の比重が大きくなるような最初の係数等の切り替えを行い、停止域（Ａ８）に入ってから所定時間が経過したときにさらに位置偏差制御の比重が大きくなるような２回目の係数等の切り替えを行ってもよい。特に、許容誤差範囲が狭い場合には、このような制御も効果的である。 In addition, the first coefficient or the like is switched so that the specific gravity of the position deviation control becomes large at the timing when the deceleration reduction area (A 7 ) before the end of the movement profile changes to the stop area (A 8 ) after the end of the movement profile. The second coefficient or the like may be switched such that the specific gravity of the position deviation control further increases when a predetermined time elapses after entering the stop zone (A 8 ). Such control is particularly effective when the allowable error range is narrow.
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこのような形態に限定されるものではない。例えば、プロファイルジェネレータ２１はＳ型プロファイルが得られる移動プロファイルを作成するとしたが、図５に示す台形プロファイルが得られる移動プロファイルを作成してもよい。
As mentioned above, although embodiment of this invention was described, this invention is not limited to such a form. For example, the
台形プロファイルは、加速域（Ｂ１），定速域（Ｂ２），減速域（Ｂ３）から構成され、減速域（Ｂ３）終了後に停止域（Ｂ４）に入る。係数Ｋｐ，ＫｖおよびＰＩＤパラメータの中から選ばれる１または複数の値を切り替えは、移動プロファイル終了のタイミングに合わせて行ってもよいし、台形プロファイルの領域ごとに行ってもよい。 The trapezoid profile includes an acceleration area (B 1 ), a constant speed area (B 2 ), and a deceleration area (B 3 ), and enters the stop area (B 4 ) after the deceleration area (B 3 ) ends. Switching between one or more values selected from the coefficients Kp, Kv and the PID parameter may be performed in accordance with the timing of the end of the movement profile, or may be performed for each region of the trapezoid profile.
また、プロファイルジェネレータ２１は、位置指示量ｓｐについての移動プロファイルを作成するとともに、速度指示量ｓｖ１についての移動プロファイルをも作成する形態としてもよい。つまり、微分処理部２５ａでの演算処理がプロファイルジェネレータ２１で行われるようにしてもよい。
Further, the
超音波モータは、図１に示される構造のものに限定されるものはなく、スライダ等の移動体との接触部が楕円軌道を描くように運動することで移動体を所定方向へ移動させる超音波モータであれば、その構造は問わない。また、本発明は、円盤等の回転体の駆動に超音波モータを用いた位置決め装置にも適用することができる。 The ultrasonic motor is not limited to the structure shown in FIG. 1, and an ultrasonic motor that moves the moving body in a predetermined direction by moving the contact portion with the moving body such as a slider in an elliptical orbit. If it is a sonic motor, the structure will not ask | require. The present invention can also be applied to a positioning device that uses an ultrasonic motor to drive a rotating body such as a disk.
１０…超音波モータ、１１…ヘッド、１２ａ・１２ｂ…圧電素子、１３…保持部材、１４ａ・１４ｂ…付勢部材、２０…制御装置、２１…プロファイルジェネレータ（ＰＧ）、２２…位置／速度偏差調整部、２３ａ…位置フィードバック調整部、２３ｂ…速度フィードバック調整部、２４…ＰＩＤ演算部、２５ａ・２５ｂ…微分処理部、３０ａ…ガイド、３０ｂ…エンコーダ、４０…操作盤、５０…スライダ、１００…位置決め装置。
DESCRIPTION OF
Claims (10)
予めＰ値，Ｉ値，Ｄ値が定められた２組以上のＰＩＤパラメータの中から選択した１組のＰＩＤパラメータを用いて超音波モータを駆動する制御量を決定するＰＩＤ演算部を具備することを特徴とする位置決め制御装置。 A position obtained from a position indication amount for moving the moving body to the target position and actual position data of the moving body in order to move and position the moving body to a predetermined position by friction drive by an ultrasonic motor. Using the control amount based on the deviation, the control amount based on the speed deviation obtained from the speed instruction amount for moving the moving body to the target position and the actual speed data of the moving body, the ultrasonic motor Is a positioning control device that performs PID feedback control,
A PID operation unit that determines a control amount for driving the ultrasonic motor using one set of PID parameters selected from two or more sets of PID parameters for which P value, I value, and D value are determined in advance; A positioning control device.
前記ＰＩＤ演算部は、２組以上のＰＩＤパラメータを前記Ｓ形プロファイルの加速度増加域，定加速度域，加速度減少域，定速域，減速度増加域、定減速度域、減速度減少域、停止域の各域に割り当てることを特徴とする請求項１に記載の位置決め制御装置。 The speed instruction amount profile is an S-shaped profile,
The PID operation unit can set two or more sets of PID parameters in the S-profile, such as the acceleration increase area, constant acceleration area, acceleration decrease area, constant speed area, deceleration increase area, constant deceleration area, deceleration decrease area, and stop. The positioning control device according to claim 1, wherein the positioning control device is assigned to each of the areas.
超音波モータを駆動する制御量を決定するＰＩＤ演算部と、
前記ＰＩＤ演算部に入力する位置偏差に基づく制御量と速度制御量に基づく制御量の割合を変更する位置／速度偏差調整部と、を具備することを特徴とする位置決め制御装置。 A position obtained from a position indication amount for moving the moving body to the target position and actual position data of the moving body in order to move and position the moving body to a predetermined position by friction drive by an ultrasonic motor. Using the control amount based on the deviation, the control amount based on the speed deviation obtained from the speed instruction amount for moving the moving body to the target position and the actual speed data of the moving body, the ultrasonic motor Is a positioning control device that performs PID feedback control,
A PID calculation unit for determining a control amount for driving the ultrasonic motor;
A positioning control apparatus comprising: a position / speed deviation adjusting unit that changes a ratio of a control amount based on a position deviation input to the PID calculating unit and a control amount based on a speed control amount.
予め定められた複数の係数の中から、前記移動体を前記目標位置へ移動させるための移動プロファイルの進行に応じて１つの係数を選択し、その係数を用いて前記位置偏差に基づく制御量を決定する位置フィードバック調整部と、
予め定められた複数の係数の中から、前記移動体を前記目標位置へ移動させるための移動プロファイルの進行に応じて１つの係数を選択し、その係数を用いて前記速度偏差に基づく制御量を決定する速度フィードバック調整部と、を具備することを特徴とする請求項４または請求項５に記載の位置決め制御装置。 The position / speed deviation adjusting unit is
One coefficient is selected from a plurality of predetermined coefficients according to the progress of the movement profile for moving the moving body to the target position, and the control amount based on the position deviation is determined using the coefficient. A position feedback adjustment unit to be determined;
One coefficient is selected from a plurality of predetermined coefficients according to the progress of the movement profile for moving the moving body to the target position, and the control amount based on the speed deviation is determined using the coefficient. The positioning control device according to claim 4, further comprising: a speed feedback adjusting unit that determines the positioning feedback control unit.
前記位置／速度偏差調整部は、前記位置偏差に基づく制御量と前記速度偏差による制御量の割合として予め定められた２つ以上の値を、前記Ｓ形プロファイルの加速度増加域，定加速度域，加速度減少域，定速域，減速度増加域，定減速度域，減速度減少域，停止域の各域に割り当てることを特徴とする請求項５に記載の位置決め制御装置。 The speed instruction amount profile is an S-shaped profile,
The position / velocity deviation adjustment unit uses two or more predetermined values as a ratio of a control amount based on the position deviation and a control amount based on the speed deviation, as an acceleration increase area, a constant acceleration area, 6. The positioning control device according to claim 5, wherein the positioning control device is assigned to each of an acceleration decrease area, a constant speed area, a deceleration increase area, a constant deceleration area, a deceleration decrease area, and a stop area.
移動体を目標位置へ移動させる指令信号にしたがって、前記移動体を前記目標位置まで移動させるための位置指示量を含む移動プロファイルを作成し、この位置指示量から速度指示量を求め、
前記移動体の実際の位置を測定して位置データを求め、この位置データから前記移動体の速度データを求め、
前記位置指示量と前記位置データとから位置偏差に基づく制御量を求め、前記速度指示量と前記速度データとから速度偏差に基づく制御量を求め、
前記位置偏差に基づく制御量と、前記速度偏差に基づく制御量と、予めＰ値，Ｉ値，Ｄ値が定められた２組以上のＰＩＤパラメータの中から選択した１組のＰＩＤパラメータと、を用いて前記超音波モータを駆動する制御量を決定することを特徴とする位置決め制御方法。 A positioning control method for positioning an ultrasonic motor that frictionally drives a moving body by performing PID feedback control and moving the moving body to a predetermined position,
In accordance with a command signal for moving the moving body to the target position, a movement profile including a position instruction amount for moving the moving body to the target position is created, and a speed instruction amount is obtained from the position instruction amount,
Determine the position data by measuring the actual position of the mobile body, determine the speed data of the mobile body from this position data,
A control amount based on a position deviation is determined from the position instruction amount and the position data, and a control amount based on a speed deviation is determined from the speed instruction amount and the speed data,
A control amount based on the position deviation, a control amount based on the speed deviation, and a set of PID parameters selected from two or more sets of PID parameters in which P value, I value, and D value are determined in advance. A positioning control method, comprising: determining a control amount for driving the ultrasonic motor.
移動体を目標位置へ移動させる指令信号にしたがって、前記移動体を前記目標位置まで移動させるための位置指示量を含む移動プロファイルを作成し、この位置指示量から速度指示量を求め、
前記移動体の実際の位置を測定して位置データを求め、この位置データから前記移動体の速度データを求め、
前記位置指示量と前記位置データとから位置偏差に基づく制御量を求め、前記速度指示量と前記速度データとから速度偏差に基づく制御量を求め、
前記位置偏差に基づく制御量と前記速度偏差に基づく制御量と割合を変更して前記超音波モータを駆動する制御量を決定することを特徴とする位置決め制御方法。 A positioning control method for performing PID feedback control of an ultrasonic motor that frictionally drives a moving body, and moving and positioning the moving body to a predetermined position,
In accordance with a command signal for moving the moving body to a target position, a movement profile including a position instruction amount for moving the moving body to the target position is created, and a speed instruction amount is obtained from the position instruction amount,
Determine the position data by measuring the actual position of the moving body, determine the speed data of the moving body from this position data,
A control amount based on a position deviation is determined from the position instruction amount and the position data, and a control amount based on a speed deviation is determined from the speed instruction amount and the speed data,
A positioning control method for determining a control amount for driving the ultrasonic motor by changing a control amount based on the position deviation and a control amount based on the speed deviation and a ratio thereof.
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