JP4478584B2 - 位置制御装置、測定装置および加工装置 - Google Patents

Description

本発明は、位置制御装置、測定装置および加工装置に関する。詳しくは、駆動手段により駆動される被駆動体の位置を所定の位置指令に基づいて制御する位置制御装置、この位置制御装置を含んで構成される測定装置および加工装置に関する。

従来、モータなどにより駆動される被駆動体の位置を所定の位置指令に基づいて制御するサーボ機構が知られている（例えば、特許文献１参照）。このサーボ機構は、ＮＣ（ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｃｏｎｔｒｏｌ：数値制御）座標測定機やＮＣ工作機械などに用いられている。
そして、モータとの連結部に低剛性部分を有するなどにより変位、速度、加速度に振動的な応答が生じる低剛性負荷（被駆動体）を駆動制御する場合に、電流制御ループ、モータ速度制御ループ、負荷の位置を制御する位置制御ループに加えて、負荷の速度を制御する速度制御ループを有する４重ループ制御系で構成されるサーボ機構が考案されている（例えば、特許文献１参照）。

図２５に、このような従来のサーボ機構１０の構成を示す。
図２５では、電流制御ループおよびモータ速度制御ループをまとめて、伝達関数Ｇｍを有する駆動制御部５０として表示している。なお、駆動制御部５０から出力されるのは、モータ速度制御ループからの出力としてのモータ速度Ｖｍである。また、被駆動体２０の伝達特性をＧｆとして表示している。
なお、詳細は省略するが、電流制御ループは、モータ、モータドライブパワーアンプ、モータトルク電流検出器、電流特性補償器を備え、モータ速度制御ループは、モータの回転位置を検出するモータ回転位置検出器、モータ回転位置を微分してモータの回転速度を算出する微分器、モータ速度特性補償器を備えて構成される。
速度制御ループ３０は、被駆動体２０の位置Ｐｄを微分して被駆動体２０の速度Ｖｄを算出する微分器３３０と、位置制御ループ４０から出力される速度指令Ｖｄｒと微分器３３０で算出された被駆動体２０の速度Ｖｄとを比較して速度偏差Ｅｖｄ＝Ｖｄｒ−Ｖｄを出力する速度比較器３１０と、伝達関数Ｇｌｖを有する速度特性補償器３２０を備えて構成されている。なお、速度特性補償器３２０からの出力は、モータ速度制御ループに対するモータ速度指令Ｖｍｒである。
位置制御ループ４０は、被駆動体２０の現在位置Ｐｄを所定の位置指令Ｐｄｒと比較して位置偏差Ｅｐｄ＝Ｐｄｒ−Ｐｄを出力する位置比較器４１０と、比例ゲインＫを有する位置特性補償器４２０とを備えて構成されている。なお、図２５における４３０は、伝達関数１／ｓ（ｓはラプラス演算子）を有する積分要素であり、被駆動体２０の速度Ｖｄを積分して被駆動体２０の位置Ｐｄを算出する。
そして、このように速度制御ループ３０を備えることにより、被駆動体２０の剛性が低い場合でも制御システムの制振性を高め、被駆動体２０の位置あるいは速度を安定させて高精度に制御することができる。

このサーボ機構１０では、前記の各伝達関数・ゲインを適当な値に設定することにより所望の伝達特性を実現できる。各伝達関数・ゲインの設定は種々の観点から行うことができ、例えば、駆動制御部５０に含まれるモータのトルクリップルや、被駆動体２０に作用する摩擦力などの外乱による被駆動体２０の振動的な振舞いを抑制する観点から各伝達関数・ゲインを設定することもできるし、また、被駆動体２０の位置Ｐｄや速度Ｖｄが位置指令Ｐｄｒや速度指令Ｖｄｒに対してオーバーシュート（行過ぎ）しないようにする観点から各伝達関数・ゲインを設定することもできる。

次に、このサーボ機構１０の伝達特性について検討する。
以下、説明を簡素化するために、便宜上、駆動制御部５０（伝達関数Ｇｍ）の応答周波数と、被駆動体２０（伝達関数Ｇｆ）の共振周波数とが、速度制御ループ３０における速度特性補償器３２０（伝達関数Ｇｌｖ）の折れ点周波数よりも十分高いと仮定した場合を例にとって、伝達特性の検討を行う。この仮定の下では、Ｇｍ≒１、Ｇｆ≒１と近似でき、図２５のサーボ機構１０を図２６のように描き換えることができる。さらに、図２６の速度制御ループ３０を等価変換していけば、図２７を経て図２８が得られる。そして、図２８を、さらに等価変換することにより（図示省略）、位置指令Ｐｄｒから位置出力Ｐｄまでの伝達関数Ｇｃが次の式（１）で表されることがわかる。

式（１）に示されるように、伝達関数Ｇｃは、速度制御ループ３０における速度特性補償器３２０の伝達関数Ｇｌｖを含んでいる。

特開２００４−１１８６３５号公報

さて、Ｇｌｖを含む伝達関数Ｇｃを有する以上のようなサーボ機構１０において、被駆動体２０の振動的な振舞いの抑制を目的としてＧｌｖを設定した場合には、オーバーシュートが発生してしまうおそれがあった。なぜなら、振動的な振舞いの抑制を目的として設定されたＧｌｖが、被駆動体２０の位置Ｐｄや速度Ｖｄの指令位置Ｐｄｒや指令速度Ｖｄｒに対するオーバーシュートの発生防止に適したものであるとは限らないためである。また、逆に、オーバーシュートの発生防止を目的としてＧｌｖを設定した場合には、設定されたＧｌｖが被駆動体２０の振動的な振舞いの抑制に適したものであるとは限らないため、被駆動体２０が振動的な振舞いをしてしまうおそれがあった。

本発明の目的は、被駆動体の振動的な振舞いを抑制できるとともに、被駆動体の位置や速度のオーバーシュートの発生を的確に防止することができる位置制御装置、この位置制御装置を含んで構成される測定装置および加工装置を提供することである。

本発明の位置制御装置は、駆動手段により駆動される被駆動体の位置を所定の位置指令に基づいて制御する位置制御装置であって、前記被駆動体の現在位置を前記位置指令と比較する位置比較器と、この位置比較器での比較結果に基づいて前記被駆動体の位置特性補償を行う位置特性補償器とを有する位置制御ループと、前記位置特性補償器からの出力値を速度指令として、前記被駆動体の現在速度を当該速度指令と比較する速度比較器と、この速度比較器での比較結果に基づいて前記被駆動体の速度特性補償を行う速度特性補償器とを有する速度制御ループと、前記位置特性補償器からの出力値と前記速度特性補償器からの出力値とを加算する加算器と、前記加算器での加算結果に基づいて前記駆動手段を動作して前記被駆動体を駆動する駆動制御部と、を備え、前記駆動制御部の応答周波数と、前記被駆動体の共振周波数とが、前記速度特性補償器の折れ点周波数よりも十分高く、前記位置指令から前記現在位置までの伝達関数に前記速度特性補償器の伝達関数を含まない１次遅れ系の制御装置として表現されることを特徴とする。

ここで、被駆動体の位置を制御する「位置制御ループ」には、被駆動体の位置を直接的に制御するものに限らず、被駆動体を駆動する駆動手段における可動部（例えば、回転モータにおける回転子や、リニアモータにおける直動部材）の位置を制御することにより間接的に被駆動体の位置を制御するものも含まれる。同様に、被駆動体の速度を制御する「速度制御ループ」には、被駆動体の速度を直接的に制御するものに限らず、駆動手段における可動部の速度を制御することにより間接的に被駆動体の速度を制御するものも含まれる。

以上のような本発明の位置制御装置の構成例を図１に示す。
なお、本発明は、この図に示される構成例によって限定されるものではなく、この構成例を、本発明の目的を達成できる範囲内において変形したものであれば、特に、図１の構成例を等価変換したに過ぎないものであれば、本発明の技術的範囲に含まれる。
図１において、１が本発明の位置制御装置、２が被駆動体、３が速度制御ループ、４が位置制御ループ、５が駆動制御部、６が加算器、３１が速度比較器、３２が速度特性補償器、４１が位置比較器、４２が位置特性補償器を、それぞれ表している。また、３３は被駆動体２の位置Ｐｄを微分して速度を算出する微分器であり、４３は積分要素である。ここで、伝達関数１／ｓ（ｓはラプラス演算子）を有する積分要素４３は、実際の装置構成においては、被駆動体２の位置Ｐｄを検出する位置検出器などとして構成されている。なお、駆動手段は、駆動制御部５とまとめて図示されており、単独では図示されていない。
本発明の位置制御装置１は、加算器６を有する点で、図２５に示される従来のサーボ機構１０の構成と大きく相違している。

本発明の位置制御装置１の伝達特性について検討する。
以下、従来のサーボ機構１０についての説明と同様に、説明を簡素化するために、便宜上、駆動制御部５（伝達関数Ｇｍ）の応答周波数と、被駆動体２（伝達関数Ｇｆ）の共振周波数とが、速度制御ループ３における速度特性補償器３２（伝達関数Ｇｌｖ）の折れ点周波数よりも十分高いと仮定した場合を例にとって、伝達特性の検討を行う。したがって、Ｇｍ≒１、Ｇｆ≒１と近似でき、図１の位置制御装置１を図２のように描き換えることができる。

図２を図３へと等価変換し、さらに、図３の位置特性補償器４２と積分要素４３との間の部分を等価変換すれば、図４のようになる。また、図４において破線で囲んだ２つの部分を、それぞれ、等価変換すれば、図５のようになる。この図５において、等価変換されて生成される各部分の伝達関数は、それぞれ、（Ｇｌｖ＋１）／Ｇｌｖ、および、Ｇｌｖ／（Ｇｌｖ＋１）であり、互いに逆数の関係にあるから、乗算することによって、伝達関数が１になる。そして、図５を、さらに等価変換することにより（図示省略）、位置指令Ｐｄｒから位置出力Ｐｄまでの伝達関数Ｇｎが次の式（２）で表されることがわかる。

この式（２）を、従来のサーボ機構１０についての式（１）と比較すると、式（１）のＧｃがＧｌｖを含むのに対し、式（２）のＧｎはＧｌｖを含まないことがわかる。また、式（２）の右辺の分母がラプラス演算子ｓの１次式になっているので、本発明の位置制御装置１は、１次遅れ系の制御装置であることがわかる。
なお、図１〜図５の流れで行った等価変換は、本発明の位置制御装置１が１次遅れ系の制御装置であることを説明するために行ったにすぎず、このような等価変換を行うことは本発明の構成上の必須要件ではない。

以上のような１次遅れ系の制御装置では、被駆動体の位置や速度のオーバーシュートが発生しないことが一般に知られている。したがって、本発明の位置制御装置１によれば、オーバーシュートの発生を的確に防止できる。
また、式（２）がＧｌｖを含まないので、Ｇｌｖの設定如何によらず、常にオーバーシュートの発生を防止できる。したがって、被駆動体の振動的な振舞いの抑制を目的としてＧｌｖを設定すれば、被駆動体の振動的な振舞いを抑制できると同時に、オーバーシュートの発生を的確に防止することができる。

また、本発明の位置制御装置では、前記駆動手段は運動可能に設けられる可動部を備え、前記被駆動体は前記可動部に連結されて駆動され、前記駆動制御部は、前記駆動手段の可動部の駆動速度を制御する駆動速度制御ループを備えて構成され、前記駆動速度制御ループは、前記加算器での加算結果を駆動速度指令として、前記可動部の現在の駆動速度を当該駆動速度指令と比較する駆動速度比較器と、この駆動速度比較器での比較結果に基づいて前記可動部の駆動速度特性補償を行う駆動速度特性補償器とを有する、ことが好ましい。
ここで、駆動手段の「可動部」とは、回転動力を発生させる回転モータにおける回転子（ロータ）や、直線動力を発生させるリニアモータにおける直動部材などである。
以上のような構成の位置制御装置では、駆動速度制御ループによって駆動手段の稼動部の駆動速度を精密に制御できるので、被駆動体の速度や位置をより精密に制御することができる。

また、本発明の位置制御装置では、前記被駆動体は、位置制御装置の制御特性を劣化させる低剛性負荷である、ことが好ましい。
このように、被駆動体を低剛性負荷とした場合であっても、速度制御ループによって低剛性負荷の速度を精密に制御することができるので、低剛性負荷の振動的な振舞いを抑制でき、制御特性の劣化を防止することができる。

また、本発明の位置制御装置では、前記速度特性補償器は、ＰＩ（比例積分）補償器を含んで構成される、ことが好ましい。
また、本発明の位置制御装置では、前記位置特性補償器は、Ｐ（比例）補償器を含んで構成される、ことが好ましい。

本発明の測定装置は、本発明の位置制御装置を含み、前記被駆動体が、被測定物の測定に関与する測定子である、ことを特徴とする。
本発明の加工装置は、本発明の位置制御装置を含み、前記被駆動体が、被加工物の加工に関与する工具である、ことを特徴とする。
このような測定装置および加工装置は、前述した本発明の位置制御装置を含んでいるので、本発明の位置制御装置について前述した作用・効果を奏することができる。

次に、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図６は、本実施形態の位置制御装置１を示すブロック図である。
位置制御装置１は、駆動手段としてのモータ（図示せず）により駆動される被駆動体２の位置Ｐｄを所定の位置指令Ｐｄｒに基づいて制御する装置である。モータは回転可能に設けられるロータ（可動部）を備え、このロータを回転させることにより回転動力を発生し、適当な動力伝達手段を介してロータに連結された被駆動体２を駆動する。なお、被駆動体２としては、低剛性負荷を用いている。

位置制御装置１は、内側から外側へ向かって、モータを動作させる電流Ｉを制御する電流制御ループ（図示せず）、モータのロータの回転速度Ｖｍ（駆動速度）を制御する駆動速度制御ループとしてのモータ速度制御ループ（図示せず）、被駆動体２の速度Ｖｄを制御する速度制御ループ３、被駆動体２の位置Ｐｄを制御する位置制御ループ４の、計４つの制御ループ（フィードバックループ）を備えて構成される４重ループ位置制御装置である。
なお、モータ、電流制御ループ、モータ速度制御ループは、１つにまとめられて、伝達関数Ｇｍを有する駆動制御部５として図示されている。

位置制御ループ４は、外部から入力される位置指令Ｐｄｒと、被駆動体２の現在位置Ｐｄとの位置偏差Ｅｐｄ＝Ｐｒｄ−Ｐｄを算出して出力する位置比較器４１と、位置偏差Ｅｐｄに比例ゲインＫを乗算することによって被駆動体２の位置特性補償を行う位置特性補償器４２とを有する。ここで、位置特性補償器４２は、比例ゲインＫを有するＰ（比例）補償器である。

速度制御ループ３は、位置特性補償器４２からの出力値Ｋ・Ｅｐｄを速度指令Ｖｄｒとして、この速度指令Ｖｄｒと被駆動体２の現在速度Ｖｄとの速度偏差Ｅｖｄ＝Ｖｄｒ−Ｖｄを算出して出力する速度比較器３１と、速度偏差Ｅｖｄに伝達関数Ｇｌｖを乗算することによって被駆動体２の速度特性補償を行う速度特性補償器３２とを有する。
速度特性補償器３２は、ＰＩ（比例積分）補償器であり、互いに並列に接続される比例補償器３２１と積分補償器３２２とを備えて構成される。比例補償器３２１は比例ゲインＫｐを有する。積分補償器３２２は、積分を表す１／ｓとゲインＫｉとが直列に接続されて構成されている。ここで、速度特性補償器３２の伝達関数Ｇｌｖは、比例補償器３２１の伝達関数Ｋｐと、積分補償器３２２の伝達関数Ｋｉ／ｓとの和として、Ｇｌｖ＝Ｋｐ＋（Ｋｉ／ｓ）、と表すことができる。

速度制御ループ３と駆動制御部５との間には、速度特性補償器３２からの出力値（＝Ｇｌｖ・Ｅｖｄ）に、位置特性補償器４２からの出力値（＝Ｋ・Ｅｐｄ＝速度指令Ｖｄｒ）を加算する加算器６が設けられている。加算器６は、その加算結果を、駆動制御部５における外側の制御ループとしてのモータ速度制御ループへ入力する。

モータ速度制御ループは、加算器６から入力された加算結果をモータ速度指令Ｖｍｒ（駆動速度指令）として、このモータ速度指令Ｖｍｒと、モータにおけるロータの現在の回転速度Ｖｍとのモータ速度偏差Ｅｖｍ＝Ｖｍｒ−Ｖｍを算出して出力するモータ速度比較器（駆動速度比較器）と、モータ速度偏差Ｅｖｍに所定の伝達関数を乗算することによってモータ速度の特性補償を行うモータ速度特性補償器（駆動速度特性補償器）とを有して構成されている。

駆動制御部５においてモータ速度制御ループの内側に設けられる電流制御ループは、モータ速度特性補償器からの出力値を電流指令Ｉｒとして、この電流指令Ｉｒとモータに入力されている現在の電流Ｉとの電流偏差Ｅｉ＝Ｉｒ−Ｉを算出して出力する電流比較器と、電流偏差Ｅｉに相当する電流をモータに追加する電流ソースとを有する。これにより、モータには電流指令Ｉｒと等しい所望の電流が流されることになる。

以上のようにして、モータ速度制御ループによりモータ速度Ｖｍが、速度制御ループ３により被駆動体２の速度Ｖｄが、位置制御ループ４により被駆動体２の位置Ｐｄが、それぞれ、所望の値になるように精密な制御が行われることになる。

なお、電流制御ループは、モータ電流Ｉを検出するモータ電流検出器を備えており、検出されたＩが電流比較器に入力されるようになっている。
また、モータ速度制御ループは、ロータの回転位置を検出する回転位置検出器と、検出された回転位置を微分してロータの回転速度Ｖｍを算出する微分器とを備えており、算出されたＶｍがモータ速度比較器に入力されるようになっている。
また、速度制御ループ３は、被駆動体２の位置Ｐｄを微分して速度Ｖｄを算出する微分器３３（伝達関数ｓ）を備えており、算出されたＶｄが速度比較器３１に入力されるようになっている。
また、位置制御ループ４は、被駆動体２の速度Ｖｄを積分して位置Ｐｄを算出する積分要素４３（伝達関数１／ｓ）を備えており、算出されたＰｄが位置比較器４１に入力されるようになっている。なお、積分要素４３は、実際の装置構成においては、被駆動体２の位置Ｐｄを直接検出する位置検出器などとして構成されている。

＜オーバーシュートに関する検討＞
次に、以上の構成を備える位置制御装置１について、被駆動体２の位置Ｐｄや速度Ｖｄのオーバーシュートに関する検討を行う。
速度特性補償器３２の伝達関数Ｋｐ＋（Ｋｉ／ｓ）を伝達関数Ｇｌｖで置き換えることにより、図６は、既に説明した図１とほとんど同じ様に書き換えることができる。したがって、以降、図１→図２→図３→図４→図５の流れと同様に等価変換を行っていけば、位置指令Ｐｄｒから位置出力Ｐｄまでの伝達関数Ｇｎが式（２）と全く同じで表されることがわかる。ここで、式（２）の右辺の分母がラプラス演算子ｓの１次式になっており、位置制御装置１は１次遅れ系の制御装置になっているから、位置制御装置１によれば、被駆動体２の位置Ｐｄや速度Ｖｄのオーバーシュートの発生を的確に防止できる。

＜被駆動体２の振動的な振舞いに関する検討＞
次に、被駆動体２の振動的な振舞いについて、図２５に示される構成の従来のサーボ機構１０と対比しながら検討する。なお、対比を適正に行うため、位置制御装置１とサーボ機構１０との間で共通のゲイン・伝達関数（Ｋ，Ｋｐ，Ｇｌｖなど）は互いに等しいものとして説明する。
以下、被駆動体２の振動的な振舞いの原因である外乱トルクが制御系に加わっている場合について検討する。ここで、外乱トルクとは、駆動制御部５に含まれるモータのトルクリップルや、被駆動体２に作用する摩擦力を等価変換したものなどである。

図７に、外乱トルクが加わっている従来のサーボ機構１０（本実施形態における加算器６が設けられていないもの）を示す。外乱トルクは、本来はモータの出力（トルク）に加わるものであるが、図７では、等価的に、外乱トルクをＧｔ（外乱トルクからモータ速度出力Ｖｍまでの伝達関数）を介してモータ速度出力Ｖｍに加えている。なお、位置制御装置１とサーボ機構１０との対比を適正に行うために、速度特性補償器３２０は、本実施形態の速度特性補償器３２と同様に、比例補償器３２１０（ゲインＫｐ）と積分補償器３２２０（ゲインＫｉ）とを備えるＰＩ補償器としている。

前記の説明と同様に、Ｇｍ≒１、Ｇｆ≒１と近似して説明を行う。この近似を行い、さらに、外乱トルクをサーボ機構１０への入力と見立てて配置変更を行うと、図７を図８に書き換えることができる。
次に、比例補償器３２１０と積分補償器３２２０とをまとめて、伝達関数が、Ｋｐ＋（Ｋｉ／ｓ）＝Ｇｌｖ、の速度特性補償器３２０とすれば図９が得られ、これを更に等価変換すれば図１０が得られる。

続いて、外乱トルクの影響のみを考えるために位置指令Ｐｄｒを０として、さらに、減算ポイントの変更（図１０の想像線参照）を行えば、図１１が得られる。
そして、図１１を等価変換すると図１２が得られる。ここで、図１２の前向き要素Ｆ１ａ，Ｆ１ｂは、図１１の後ろ向き要素Ｂ１を等価変換したものであり、また、図１２の前向き要素Ｆ２ａ，Ｆ２ｂは、図１１の後ろ向き要素Ｂ２を等価変換したものである。
図１２の前向き要素Ｆ１ｂと前向き要素Ｆ２ａとを乗算（乗算結果はＫ）し、かつ、図１２の前向き要素Ｆ２ｂを含むフィードバックループ（破線で囲まれた部分）を等価変換すれば、図１３が得られる。そして、図１３のフィードバックループを等価変換すれば図１４が得られる。
このように得られた図１４より、従来のサーボ機構１０における外乱トルクから位置出力Ｐｄまでの伝達関数Ｇｃは、次の式（３）のようになる。

次に、本実施形態の位置制御装置１に対して同様の等価変換を行う。
図１５に、外乱トルクが加わっている本実施形態１の位置制御装置１を示す。
前と同様にＧｍ≒１、Ｇｆ≒１の近似を行い、さらに、外乱トルクを位置制御装置１への入力と見立てて配置変更を行うと、図１５を図１６に書き換えることができる（なお、速度特性補償器３２の伝達関数をＧｌｖにまとめて表示した）。さらに、図１６は図１７へと等価変換される。

続いて、加算ポイントの変更を行う（図１７のＰ１→図１８のＰ２）と、図１８が得られ、図１８において破線で囲まれた部分を等価変換すると図１９が得られる。
続いて、外乱トルクの影響のみを考えるために位置指令Ｐｄｒを０として、さらに、減算ポイントの変更（図１９の想像線参照）を行えば、図２０が得られる。
そして、図２０を等価変換すると図２１が得られる（従来のサーボ機構１０における図１１→図１２の等価変換と同様）。
さらに、図２１において破線で囲まれた部分を等価変換すると、図２２が得られる。そして、図２２のフィードバックループ（図２２において破線で囲まれた部分）を等価変換すれば図２３が得られる。
このように得られた図２３より、本実施形態の位置制御装置１における外乱トルクから位置出力Ｐｄまでの伝達関数Ｇｎは、次の式（４）のようになる。

式（３）のＧｃと、式（４）のＧｎとを比較すると、両者の違いは分母におけるＫのみである。ここでＫは位置特性補償器４２（４２０）の比例ゲインなので正である。したがって、Ｇｎのゲイン＜Ｇｃのゲイン、が常に成立する。このことは、本実施形態の位置制御装置１（伝達関数Ｇｎ）のほうが、従来のサーボ機構１０（伝達関数Ｇｃ）よりも、外乱トルクに対して被駆動体２（２０）の位置Ｐｄが変動しにくいことを示している。したがって、本実施形態の位置制御装置１のほうが、従来のサーボ機構１０よりも、被駆動体２（２０）の振動的な振舞いを抑制できることがわかる。

特に、以上の例のように速度特性補償器３２（３２０）がＰＩ補償器のときは、Ｇｌｖ＝Ｋｐ＋（Ｋｉ／ｓ）＝｛Ｋｐ（Ｔｃ・ｓ＋１）｝／（Ｔｃ・ｓ）、を式（３）および式（４）に代入すれば、次の式（５）および式（６）が得られる。但し、Ｔｃは速度特性補償器３２（３２０）の時定数であり、Ｔｃ＝Ｋｐ／Ｋｉ、である。

式（５）のＧｃと、式（６）のＧｎとを比較すると、両者の違いは減衰比（ζｃおよびζｎ）のみである。さらに、減衰比ζｃと減衰比ζｎとの違いは、ζｎの分子に加わっているＫ・Ｔｃの項のみである。ここで、位置特性補償器４２（４２０）の比例ゲインＫと、速度特性補償器３２（３２０）の時定数Ｔｃとは共に正であるので、ζｃ＜ζｎ、が成り立つ。したがって、周波数ωによらず、Ｇｎのゲイン＜Ｇｃのゲイン、である。このことは、本実施形態の位置制御装置１のほうが、従来のサーボ機構１０よりも、被駆動体２（２０）の振動的な振舞いを抑制できることを示している。
また、これに加えてＧｌｖを適切に設定すれば、被駆動体２（２０）の振動的な振舞いをよりいっそう抑制することができる。

＜本実施形態の位置制御装置と従来のサーボ機構との比較シミュレーション＞
図２４に、本実施形態の位置制御装置１と従来のサーボ機構１０との比較シミュレーション結果を示す。この図において、横軸は時間ｔを表し、縦軸は被駆動体２（２０）の速度を表す。また、実線で本実施形態の位置制御装置１のシミュレーション結果を示し、破線で従来のサーボ機構１０のシミュレーション結果を示す。ｔ_１は、ランプ関数状の位置指令Ｐｄｒ（ステップ関数状の速度指令Ｖｄｒに対応）を入力した時刻を表し、ｔ_２は、ステップ関数状の外乱トルクが加わった時刻を表す。
図２４に示されるように、従来のサーボ機構１０では時刻ｔ_１直後に指令速度Ｖｄｒに対する速度Ｖｄのオーバーシュートが生じているが、本実施形態の位置制御装置１ではオーバーシュートが生じていないことがわかる。
また、外乱トルクが加わった後（時刻ｔ_２以降）、本実施形態の位置制御装置１のほうが、従来のサーボ機構１０に比べて、指令速度Ｖｄｒからの速度変動が小さく、指令速度Ｖｄｒへの復帰が早い。このことは、本実施形態の位置制御装置１のほうが、従来のサーボ機構１０に比べて、被駆動体２（２０）の振動的な振舞いを抑制していることを示している。

＜実施形態の効果＞
本実施形態によれば、以下の効果を奏することができる。
加算器６を設けることにより、位置制御装置１が一次遅れ系の制御装置になるから、オーバーシュートを的確に防止できる。
また、加算器６を設けることにより、被駆動体２の振動的な振舞いを、従来のサーボ機構１０よりも抑制することができる。
また、以上の２つの効果を奏する位置制御装置１を構成するためには、従来のサーボ機構１０に加算器６を付加するだけでよいので、位置制御装置１の構成の複雑化を防止でき、製造コストの増加も小さく抑えることができる。

本実施形態の位置制御装置１は、電流制御ループ、モータ速度制御ループ、速度制御ループ３、位置制御ループ４の計４つの制御ループを備える４重ループ位置制御装置であるから、従来の一般的な３重ループ位置制御装置に比べて被駆動体２の位置制御を精密に行うことができ、振動的な振舞いを抑制することができる。
特に、被駆動体２とモータとの連結部の剛性が低い場合などは、モータの可動部（ロータ等）の運動と被駆動体２の運動とが完全には一致しないので、本実施形態のように、モータ速度制御ループと（被駆動体２の）速度制御ループ３とを設けることにより、被駆動体２の位置Ｐｄを精密に制御することができる。

被駆動体２を位置制御装置１の制御特性を劣化させるような低剛性負荷とした場合であっても、速度制御ループ３によって低剛性負荷の速度を精密に制御することができるので、低剛性負荷の振動的な振舞いを抑制でき、制御特性の劣化を防止することができる。

＜変形例＞
本発明は、以上で説明した実施形態によって限定されるものではなく、この実施形態を、本発明の目的を達成できる範囲内において変形したものであれば、本発明の技術的範囲に含まれる。

例えば、前記実施形態では、電流制御ループ、モータ速度制御ループ、速度制御ループ３、位置制御ループ４の計４つの制御ループを備える４重ループ位置制御装置１について説明したが、本発明は、電流制御ループ、速度制御ループ、位置制御ループの計３つの制御ループを備える３重ループ位置制御装置にも適用できる。このとき、位置制御ループは、被駆動体の位置を直接的に制御するものであってもよいし、駆動手段における可動部の位置を制御することにより間接的に被駆動体の位置を制御するものであってもよい。また、速度制御ループも、被駆動体の速度を直接的に制御するものであってもよいし、駆動手段における可動部の速度を制御することにより間接的に被駆動体の速度を制御するものであってもよい。なお、電流制御ループは駆動手段に入力される電流を制御するものである。このような３重ループ位置制御装置において、加算器は、位置制御ループにおける位置特性補償器からの出力値と、速度制御ループにおける速度特性補償器からの出力値とを加算し、その加算結果を電流指令として、電流制御ループにおける電流比較器に入力するように構成される。

また、前記実施形態では、位置検出器（積分要素４３に相当）などによって被駆動体２の位置Ｐｄを検出し、微分器３３で位置Ｐｄを微分することにより被駆動体２の速度Ｖｄを算出していたが、本発明では、演算により速度Ｖｄを取得する代わりに、速度検出器によって速度Ｖｄを直接検出してもよい。また、位置検出器などによって被駆動体２の位置Ｐｄを直接検出する代わりに、被駆動体２の速度Ｖｄを速度検出器により検出し、この速度Ｖｄを積分することによって被駆動体２の位置Ｐｄを算出することも原理的には可能である。

また、前記実施形態では、速度特性補償器３２として、比例補償器３２１と積分補償器３２２とを並列接続したＰＩ補償器を用いていたが、本発明ではＰＩ補償器に限らず、速度特性補償器３２の構成は適宜自由に設定することができる。速度特性補償器３２がＰＩ補償器ではない場合も、式（３）および式（４）に基づいて、Ｇｎ（本発明）のゲイン＜Ｇｃ（従来）のゲイン、が常に成立するので、本発明によれば被駆動体の振動的な振舞いを常に抑制することができる。

また、前記実施形態では、被駆動体２の位置を制御する位置制御装置１について説明したが、このような位置制御装置を含んで構成される測定装置や加工装置も本発明の技術的範囲に含まれる。測定装置においては測定子が、加工装置においては工具が、それぞれ、本発明の被駆動体として、その位置が制御されるようになっている。

本発明の位置制御装置の構成例を示すブロック図である。 図１を、Ｇｍ≒１，Ｇｆ≒１の近似の下で描き換えたブロック図である。 図２を等価変換して得られるブロック図である。 図３を等価変換して得られるブロック図である。 図４を等価変換して得られるブロック図である。 本発明の実施形態としての位置制御装置の構成を示すブロック図である。 外乱トルクが加わっている従来のサーボ機構の構成を示すブロック図である。 図７において、Ｇｍ≒１，Ｇｆ≒１と近似し、さらに、外乱トルクをサーボ機構への入力と見立てて配置変更して得られるブロック図である。 図８を等価変換して得られるブロック図である。 図９を等価変換して得られるブロック図である。 位置指令Ｐｄｒを０とした上で図１０を等価変換して得られるブロック図である。 図１１を等価変換して得られるブロック図である。 図１２を等価変換して得られるブロック図である。 図１３を等価変換して得られるブロック図である。 外乱トルクが加わっている本実施形態の位置制御装置の構成を示すブロック図である。 図１５において、Ｇｍ≒１，Ｇｆ≒１と近似し、さらに、外乱トルクをサーボ機構への入力と見立てて配置変更して得られるブロック図である。 図１６を等価変換して得られるブロック図である。 図１７を等価変換して得られるブロック図である。 図１８を等価変換して得られるブロック図である。 位置指令Ｐｄｒを０とした上で図１９を等価変換して得られるブロック図である。 図２０を等価変換して得られるブロック図である。 図２１を等価変換して得られるブロック図である。 図２２を等価変換して得られるブロック図である。 本実施形態の位置制御装置と、従来のサーボ機構との比較シミュレーション結果を示すグラフ。 従来のサーボ機構の構成を示すブロック図である。 図１５を、Ｇｍ≒１，Ｇｆ≒１の近似の下で描き換えたブロック図である。 図２６を等価変換して得られるブロック図である。 図２７を等価変換して得られるブロック図である。

符号の説明

１…位置制御装置
２…被駆動体
３…速度制御ループ
４…位置制御ループ
５…駆動制御部
６…加算器
３１…速度比較器
３２…速度特性補償器
３３…微分器
４１…位置比較器
４２…位置特性補償器
４３…積分要素

Claims (7)

1. 駆動手段により駆動される被駆動体の位置を所定の位置指令に基づいて制御する位置制御装置であって、
   前記被駆動体の現在位置を前記位置指令と比較する位置比較器と、この位置比較器での比較結果に基づいて前記被駆動体の位置特性補償を行う位置特性補償器とを有する位置制御ループと、
   前記位置特性補償器からの出力値を速度指令として、前記被駆動体の現在速度を当該速度指令と比較する速度比較器と、この速度比較器での比較結果に基づいて前記被駆動体の速度特性補償を行う速度特性補償器とを有する速度制御ループと、
   前記位置特性補償器からの出力値と前記速度特性補償器からの出力値とを加算する加算器と、
   前記加算器での加算結果に基づいて前記駆動手段を動作して前記被駆動体を駆動する駆動制御部と、
   を備え、
   前記駆動制御部の応答周波数と、前記被駆動体の共振周波数とが、前記速度特性補償器の折れ点周波数よりも十分高く、前記位置指令から前記現在位置までの伝達関数に前記速度特性補償器の伝達関数を含まない１次遅れ系の制御装置として表現されることを特徴とする位置制御装置。
2. 請求項１に記載の位置制御装置において、
   前記駆動手段は運動可能に設けられる可動部を備え、前記被駆動体は前記可動部に連結されて駆動され、
   前記駆動制御部は、前記駆動手段の可動部の駆動速度を制御する駆動速度制御ループを備えて構成され、
   前記駆動速度制御ループは、前記加算器での加算結果を駆動速度指令として、前記可動部の現在の駆動速度を当該駆動速度指令と比較する駆動速度比較器と、この駆動速度比較器での比較結果に基づいて前記可動部の駆動速度特性補償を行う駆動速度特性補償器とを有する、
   ことを特徴とする位置制御装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の位置制御装置において、
   前記被駆動体は、位置制御装置の制御特性を劣化させる低剛性負荷である、
   ことを特徴とする位置制御装置。
4. 請求項１から請求項３のいずれかに記載の位置制御装置において、
   前記速度特性補償器は、ＰＩ（比例積分）補償器を含んで構成される、
   ことを特徴とする位置制御装置。
5. 請求項１から請求項４のいずれかに記載の位置制御装置において、
   前記位置特性補償器は、Ｐ（比例）補償器を含んで構成される、
   ことを特徴とする位置制御装置。
6. 請求項１から請求項５のいずれかに記載の位置制御装置を含み、
   前記被駆動体が、被測定物の測定に関与する測定子である、
   ことを特徴とする測定装置。
7. 請求項１から請求項５のいずれかに記載の位置制御装置を含み、
   前記被駆動体が、被加工物の加工に関与する工具である、
   ことを特徴とする加工装置。

Images