JP6786024B1 - 免振制御装置および免振制御方法 - Google Patents

Abstract

免振制御装置（４）は、架台（２）に固定された第１モータ（３０２）で第１可動部（３０１）を駆動し架台（２）に固定された第２モータ（３１２）で第２可動部（３１１）を駆動する駆動装置（３）を制御対象とし、時系列の追従指令（１０）に第１可動部（３０１）が追従するように第１モータ（３０２）の位置または速度を制御する第１制御部（４０）と、追従指令（１０）に含まれる架台（２）の振動周波数成分に相当する位置または速度の次元の指令である振動抑制指令（１１）の比例倍に第２モータ（３１２）の位置または速度を追従させる第２制御部（４１）と、を備えることを特徴とする。

Description

本開示は、架台に固定されたモータで可動部を駆動する駆動装置の運転中に生じる架台の振動を抑制する免振制御装置および免振制御方法に関する。

架台に固定されたモータで可動部を駆動して指定の位置に物を運ぶ位置決め装置のような駆動装置において、高速化および高精度化が求められている。しかしながら、駆動装置を高速化するとモータの回転数を上げる必要があるため架台に振動が生じ、駆動装置の動作精度が低下してしまう。架台に生じる振動を抑制する技術としては、架台に生じる振動周波数に基づいたフィルタを用いて、モータを制御する追従指令を修正する方法が知られている。しかしながら、追従指令を修正する場合、駆動装置の動作完了までの時間が増加してしまう。

特許文献１には、駆動装置のモータとは異なる免振制御用のモータを備え、免振制御用のモータを駆動装置のモータと逆向きに駆動して、駆動装置の動作に伴って発生する架台の振動を抑制する免振制御装置が開示されている。免振制御用のモータは、駆動装置のモータが駆動する第１の可動部と異なる第２の可動部を駆動する。免振制御用のモータを備えることで、駆動装置のモータに与える追従指令を修正する必要がないため、駆動装置の動作完了までの時間を維持することが可能である。また、特許文献１に開示された技術では、位置速度制御による推力指令から架台の振動成分を除去した推力指令を生成し、免振制御用のカウンタ推力指令に追加している。これにより、免振制御用のモータが駆動する第２の可動部は、駆動装置を動作させた後に初期位置に戻るため、連続で同一方向への駆動を繰り返す場合であっても第２の可動部の可動範囲を抑制することができる。

特開２０１２−５２６６６号公報

しかしながら、上記従来の技術によれば１回の位置決めによる第２の可動部の可動範囲は、第１の可動部と同じ程度必要であり、さらに可動範囲を抑制することが求められていた。

本開示は、上記に鑑みてなされたものであって、駆動装置の動作により生じる振動を抑制するとともに、免振制御用のモータが駆動する可動部の可動範囲を抑制することが可能な免振制御装置を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本開示にかかる免振制御装置は、架台に固定された第１モータで第１可動部を駆動し架台に固定された第２モータで第２可動部を駆動する駆動装置を制御対象とし、時系列の追従指令に第１可動部が追従するように第１モータの位置または速度を制御する第１制御部と、追従指令に含まれる架台の振動周波数成分に相当する位置または速度の次元の指令である振動抑制指令の比例倍に第２モータの位置または速度を追従させる第２制御部と、を備えることを特徴とする。

本発明にかかる免振制御装置は、駆動装置の動作により生じる振動を抑制するとともに、免振制御用のモータが駆動する可動部の可動範囲を抑制することが可能であるという効果を奏する。

実施の形態１にかかる位置決め装置の構成を示す図 追従指令から生成される駆動装置の各指令波形の一例を示す図 図１に示す振動抑制演算部の第１の例を説明するための図 図３に示す第１の例における追従指令および振動抑制指令の和を周波数解析した結果を示す図 図１に示す振動抑制演算部の第２の例を説明するための図 図５に示す第２の例における追従指令および振動抑制指令の和を周波数解析した結果を示す図 図１に示す振動抑制演算部の第３の例を説明するための図 図７に示す第３の例における追従指令および振動抑制指令の和を周波数解析した結果を示す図 図１に示す振動抑制演算部の第４の例を説明するための図 図９に示す第４の例における追従指令および振動抑制指令の和を周波数解析した結果を示す図 図１に示す振動抑制演算部の第５の例を説明するための図 第１の比較例で使用する追従指令を示す図 第１の比較例において架台に発生する加速度をシミュレーションした結果を示す図 第２の比較例で使用する追従指令と、追従指令および振動抑制指令の和とを示す図 第２の比較例において架台に発生する加速度をシミュレーションした結果を示す図 図１に示す位置決め装置が使用する追従指令を示す図 図１に示す位置決め装置が使用する振動抑制指令を示す図 実施の形態１において架台に発生する加速度をシミュレーションした結果を示す図 実施の形態２にかかる位置決め装置の構成を示す図 実施の形態３にかかる位置決め装置の構成を示す図 実施の形態４にかかる位置決め装置の構成を示す図 図２１に示す位置決め装置が用いる追従指令および振動抑制指令を生成するエンジニアリングツールの構成例を示す図 実施の形態５にかかる位置決め装置の構成を示す図 実施の形態６にかかる位置決め装置の構成を示す図

以下に、本開示の実施の形態にかかる免振制御装置および免振制御方法を図面に基づいて詳細に説明する。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１にかかる位置決め装置１の構成を示す図である。位置決め装置１は、駆動装置３と免振制御装置４とを有する。

駆動装置３は、位置決め用の第１モータ３０２および第１可動部３０１を備える位置決め駆動部３０と、免振制御用の第２モータ３１２および第２可動部３１１を備える免振駆動部３１とを有する。第１モータ３０２および第２モータ３１２は、架台２に固定されている。第１可動部３０１は、第１モータ３０２に機械的に接続されている。第１モータ３０２は、第１可動部３０１を駆動する。第２可動部３１１は、第２モータ３１２に機械的に接続されている。第２モータ３１２は、第２可動部３１１を駆動し、その反力をもって、第１モータ３０２が第１可動部３０１を駆動したときに生じる架台２の振動を抑制する。第１モータ３０２は、免振制御装置４が出力する指令に基づいて第１可動部３０１を駆動し、第２モータ３１２は、免振制御装置４が出力する指令に基づいて第２可動部３１１を駆動する。

免振制御装置４は、位置決め駆動部３０を制御する第１制御部４０と、免振駆動部３１を制御する第２制御部４１と、振動抑制演算部４２と、振動特性設定部４３とを有する。第１制御部４０は、外部から入力される時系列の追従指令１０に基づいて、第１モータ３０２に電流を供給して第１可動部３０１の動きを制御する。具体的には、第１制御部４０は、第１可動部３０１が追従指令１０に追従するように第１モータ３０２の位置または速度を制御する。追従指令１０は、位置または速度の次元の指令である。第２制御部４１は、後述する振動抑制演算部４２が演算する振動抑制指令１１に基づいて、第２モータ３１２に電流を供給して第２可動部３１１の動きを制御する。振動抑制指令１１は、追従指令１０に含まれる架台２の振動周波数成分に相当する指令である。具体的には、第２制御部４１は、振動抑制指令１１の比例倍に第２モータ３１２の位置または速度を追従させるように第２モータ３１２を制御する。

振動抑制演算部４２は、追従指令１０に基づいて、第２制御部４１が免振駆動部３１を制御するための振動抑制指令１１を演算する。振動抑制演算部４２は、追従指令１０に含まれる架台２の振動周波数成分に相当する振動抑制指令１１を位置または速度の次元で演算する。振動特性設定部４３は、架台２に応じた振動周波数を予め保持する。

図１において、駆動装置３および免振制御装置４は架台２上に設置されているが、免振制御装置４の一部または全部を架台２とは別の機器に設置してもよい。この場合、第１制御部４０と第１モータ３０２との間および第２制御部４１と第２モータ３１２との間は、ケーブル等を用いて接続される。

追従指令１０は、外部から免振制御装置４に送られる時系列の位置指令または速度指令である。図２は、追従指令１０から生成される駆動装置３の各指令波形の一例を示す図である。図２は、位置指令、速度指令、および、推力指令のそれぞれの波形を含む。なお、追従指令１０の取得方法および生成方法は、特に制限されない。追従指令１０は、駆動装置３および免振制御装置４が実行可能な任意の形状の指令であってよい。例えば、追従指令１０は、ＰＬＣ（Programmable Logic Controller）、ＩＰＣ（Industrial Personal Computer）などで生成した位置指令または速度指令であって、産業用ネットワークまたはアナログ信号などを介して取得されたものである。また、追従指令１０は、駆動装置３の駆動距離などに基づいて生成した指令を通信路を介して免振制御装置４に送信したものであってもよい。ただし、位置決め精度の観点から追従指令１０および振動抑制指令１１は同期されていることが望ましい。

第１制御部４０は、位置指令または速度指令である追従指令１０に応じて、第１モータ３０２の位置または速度を追従指令１０の比例倍に追従させるように駆動する。第２制御部４１は、位置指令または速度指令である振動抑制指令１１に応じて、第２モータ３１２の位置または速度を振動抑制指令１１の比例倍に追従させるように駆動する。このとき、第２制御部４１の応答速度を第１制御部４０の応答速度と同一に設定することによって、第１モータ３０２および第２モータ３１２で発生させる力の応答を同一とすることができ、架台２に発生する振動を精度よく抑制することが可能になる。なお、第１制御部４０の応答速度と第２制御部４１の応答速度との差が閾値以下である場合、第１制御部４０の応答速度と第２制御部４１の応答速度とは同一であるとみなすことができる。この閾値は、第１モータ３０２および第２モータ３１２で発生させる力の応答が同一であるとみなせる程度の値とすることが望ましい。また、第１制御部４０の応答速度と第２制御部４１の応答速度とを同一にした場合、位置決め装置１の使用者は、第１制御部４０の設定値をそのまま流用して、第２制御部４１のゲインなどの設定値を決定することができ、設定値の決定を容易に行うことが可能になる。

振動抑制演算部４２は、振動抑制指令１１と追従指令１０との和が、架台２に応じて予め振動特性設定部４３に設定された架台振動周波数において極小となる周波数応答を持つように、振動抑制指令１１を演算する。

なお、免振制御装置４は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）９２およびメモリ９３を用いた制御回路を備えるコンピュータによって構成される。ＣＰＵ９２は、処理回路、演算装置、プロセッサ、マイクロコンピュータ、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）などとも呼ばれる。メモリ９３は、例えば、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、フラッシュメモリ、ＥＰＲＯＭ（Erasable Programmable ＲＯＭ）、ＥＥＰＲＯＭ（登録商標）（Electrically ＥＰＲＯＭ）などの不揮発性または揮発性の半導体メモリ、磁気ディスク、フレキシブルディスク、光ディスク、コンパクトディスク、ミニディスク、ＤＶＤ（Digital Versatile Disk）などである。

ＣＰＵ９２は、メモリ９３に記憶された、各処理に対応するコンピュータプログラムを読み出して実行することによって、第１制御部４０、第２制御部４１、振動抑制演算部４２、および振動特性設定部４３の機能を実現する。メモリ９３は、ＣＰＵ９２が実行する各処理における一時メモリとしても使用される。ＣＰＵ９２が実行するプログラムは、通信路を介して提供されてもよいし、記憶媒体に記録された状態で提供されてもよい。

なお、上記ではＣＰＵ９２およびメモリ９３を用いた例について示したが、免振制御装置４の少なくとも一部の機能は、専用のハードウェアにより実現されてもよい。専用のハードウェアは、例えば、単一回路、複合回路、プログラム化したプロセッサ、並列プログラム化したプロセッサ、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）、またはこれらを組み合わせたものである。以下の実施の形態についても同様である。

図３は、図１に示す振動抑制演算部４２の第１の例を説明するための図である。第１の例では、振動抑制演算部４２は、ＩＩＲ（Infinite Impulse Response：無限インパルス応答）フィルタを用いて、振動抑制指令１１を演算する。第１の例で用いられるＩＩＲフィルタのフィルタ関数は、以下の数式（１）で表される。

ここで数式（１）に含まれる３つの定数ａ_１，ａ_２，ｂのそれぞれの値は、振動特性設定部４３に設定された振動特性の情報に基づいて設定される。例えば、架台２の振動周波数がω［Ｈｚ］であるとき、定数ａ_１＝２／２πωであり、定数ａ_２＝１／（２πω）^２であり、定数ｂ＝０．３／（２πω）^２である場合、架台２の振動を抑制することができる。定数ａ_１は、架台２の振動周波数ωのマイナス１乗に比例し、定数ａ_２および定数ｂは、架台２の振動周波数ωのマイナス２乗に比例する。

振動抑制演算部４２が第１の例のＩＩＲフィルタを用いることで、少ないメモリで効率的に架台２に発生する振動を抑制することができる。また、フィルタを連続の表現とすることで、精度よく振動を抑制することが可能になる。

図４は、図３に示す第１の例における追従指令１０および振動抑制指令１１の和を周波数解析した結果を示す図である。図４の横軸は周波数であり、縦軸は追従指令１０および振動抑制指令１１の和である。架台２の振動周波数ωにおいて、周波数応答は極小値をとっている。

図５は、図１に示す振動抑制演算部４２の第２の例を説明するための図である。第２の例は、第１の例におけるＩＩＲフィルタを離散で実装し、さらにａ_２＝ｂとした例である。ＩＩＲフィルタを離散で実装することにより、さらに少ない演算で架台２の振動を抑制することができる。また、ａ_２＝ｂとすることで、伝達関数の分子の２次の係数が０となる。このため、演算量をより少なくすることができる。

図６は、図５に示す第２の例における追従指令１０および振動抑制指令１１の和を周波数解析した結果を示す図である。図６の横軸は周波数であり、縦軸は追従指令１０および振動抑制指令１１の和である。架台２の振動周波数ωにおいて、周波数応答は極小値をとっている。

図７は、図１に示す振動抑制演算部４２の第３の例を説明するための図である。第３の例では、振動抑制演算部４２は、ＦＩＲ（Finite Impulse Response：有限インパルス応答）フィルタを用いて、振動抑制指令１１を演算する。第３の例で用いられるＦＩＲフィルタの第１の離散系伝達関数Ｆ_１（ｚ）は、以下の数式（２）で表される。

定数Ｎ_１の値は、振動特性設定部４３に設定された振動特性の情報に応じて設定される。例えば、架台２の振動周波数ω、振動抑制演算部４２の処理周期ｔとした場合、Ｎ_１＝１／ωｔとすることで、架台２の振動を抑制することができる。

振動抑制演算部４２が第３の例に示すＦＩＲフィルタを用いることで、フィルタの演算を行うときの演算誤差の影響を抑制して、振動を抑制することができる。また、ＦＩＲフィルタを用いることで、振動抑制指令１１を安定させることが可能になる。

図８は、図７に示す第３の例における追従指令１０および振動抑制指令１１の和を周波数解析した結果を示す図である。図８の横軸は周波数であり、縦軸は追従指令１０および振動抑制指令１１の和である。架台２の振動周波数ωにおいて、周波数応答は極小値をとっている。

図９は、図１に示す振動抑制演算部４２の第４の例を説明するための図である。第４の例では、振動抑制演算部４２は、移動平均フィルタを用いて、振動抑制指令１１を演算する。図９に示す移動平均フィルタの段数はＮ_２である。段数を示す定数Ｎ_２の値は、第３の例における定数Ｎ_１と同様に、振動特性設定部４３に設定された振動特性の情報に応じて設定される。第４の例で用いられる移動平均フィルタの第２の離散系伝達関数Ｆ_２（ｚ）は、以下の数式（３）で表される。

振動抑制演算部４２が図９に示す移動平均フィルタを用いることで、振動抑制演算部４２の入力にノイズがある場合であっても、安定した振動抑制指令１１を演算することができる。

図１０は、図９に示す第４の例における追従指令１０および振動抑制指令１１の和を周波数解析した結果を示す図である。図１０の横軸は周波数であり、縦軸は追従指令１０および振動抑制指令１１の和である。架台２の振動周波数ωにおいて、周波数応答は極小値をとっている。

以上、振動抑制演算部４２の第１〜第４の例について説明したが、振動抑制演算部４２は、追従指令１０と振動抑制指令１１との和が、架台２の振動周波数ωにおいて極小となる周波数応答を持つように振動抑制指令１１を演算することができればよい。上記は一例であって、振動抑制演算部４２の構成は、説明した例に限定されない。

例えば、望まれる特性に応じて、フィルタの次数が変更されてよい。また、振動抑制演算部４２は、複数のフィルタを組み合わせて構成することもできる。また、振動抑制演算部４２が用いる各フィルタの定数を、周波数応答に応じて変更することもできる。位置決め装置１の使用者または設計者は、装置構成、使用状況などに応じて、適した手法を選択することができる。また、状況に応じて、フィルタの使い分けができるように振動抑制演算部４２を構成してもよい。

図１１は、図１に示す振動抑制演算部４２の第５の例を説明するための図である。振動抑制演算部４２は、複数の振動周波数ωに基づいて、振動抑制指令１１を演算してもよい。第５の例において、振動抑制演算部４２は、２つの振動周波数ω_１，ω_２に基づいて、振動抑制指令１１を演算する。例えば、振動抑制演算部４２は２つのＩＩＲフィルタを用いて、振動抑制指令１１を演算する。一方のＩＩＲフィルタのフィルタ関数は、上記の数式（１）で表され、他方のＩＩＲフィルタのフィルタ関数は、以下の数式（４）で表される。

第５の例では、数式（１）に含まれる定数ａ_１＝２／２πω_１であり、定数ａ_２＝１／（２πω_１）^２であり、定数ｂ＝０．３／（２πω_１）^２であり、数式（４）に含まれるａ３＝２／２πω_２であり、定数ａ_２＝１／（２πω_２）^２であり、定数ｂ＝０．３／（２πω_２）^２である場合、架台２の振動を抑制することができる。

第５の例では、追従指令１０と振動抑制指令１１との和が、それぞれの振動周波数ω_１，ω_２で極小となる周波数応答を有するため、より精度よく架台２の振動を抑制することができる。

続いて、図１に示す位置決め装置１の奏する効果について説明する。図１２および図１３は、本実施の形態の第１の比較例を説明するための図である。図１２は、第１の比較例で使用する追従指令１０を示す図である。図１３は、第１の比較例において架台２に発生する加速度をシミュレーションした結果を示す図である。なお、図１３は、図１２に示す追従指令１０を用いて位置決め駆動部３０を単独で駆動し、免振駆動部３１を駆動しない場合のシミュレーション結果を示している。

図１３に示すように、免振駆動部３１を駆動させずに、位置決め駆動部３０を駆動した場合、第１可動部３０１が追従指令１０に従って駆動すると、架台２が振動して位置に誤差が発生するため、位置決め精度が低下してしまうことがある。

図１４および図１５は、本実施の形態の第２の比較例を説明するための図である。図１４は、第２の比較例で使用する追従指令１０と、追従指令１０および振動抑制指令１１の和とを示す図である。図１５は、第２の比較例において架台２に発生する加速度をシミュレーションした結果を示す図である。図１４の実線は、追従指令１０および振動抑制指令１１の和を示しており、図１４の破線は、追従指令１０単体を示している。図１５の実線は、図１４の実線で示される追従指令１０および振動抑制指令１１の和を使用して、位置決め駆動部３０を駆動した場合に架台２に発生する加速度のシミュレーション結果を示しており、図１５の破線は、図１４の破線で示される追従指令１０単体を使用して、位置決め駆動部３０を駆動した場合に架台２に発生する加速度のシミュレーション結果を示している。

図１５の実線と破線とを比較すると、追従指令１０に振動抑制指令１１を追加することで、架台２に発生する加速度は、追従指令１０単体で位置決め駆動部３０を駆動した場合よりも大幅に抑制されている。しかしながら、追従指令１０に振動抑制指令１１を追加した場合、位置決めが完了するまでの時間が増加している。

図１６は、図１に示す位置決め装置１が使用する追従指令１０を示す図である。図１７は、図１に示す位置決め装置１が使用する振動抑制指令１１を示す図である。図１８は、実施の形態１において架台２に発生する加速度をシミュレーションした結果を示す図である。図１８は、図１６に示す追従指令１０を用いて位置決め駆動部３０を駆動し、図１７に示す振動抑制指令１１を用いて免振駆動部３１を駆動した場合のシミュレーション結果を示している。

本実施の形態にかかる位置決め装置１では、位置決め駆動部３０は、追従指令１０に基づいて制御されるため、第２の比較例で生じたような位置決め時間の増加を抑制しつつ、免振駆動部３１を振動抑制指令１１に基づいて制御することで、架台２の振動を抑制することができる。このとき振動抑制演算部４２は、位置決め駆動部３０の推力指令、加速度指令ではなく、位置指令および速度指令に対して、その駆動時の架台２の振動の反力を演算するため、第１可動部３０１にかかる摩擦の影響を抑えつつ、振動を抑制することができる。

ここで、第２可動部３１１の可動範囲は、位置指令に図３，５，７，９，１１に示したようなフィルタを適用したものであるため、摩擦などの影響を考慮する必要なく、容易に計算することができる。

また、振動抑制演算部４２が使用するフィルタの性質によって、第２可動部３１１は、位置決め終了時に自然に始動位置に戻る。これにより、追従指令１０が同一方向に連続で動作するような場合であっても、第２可動部３１１の可動範囲は、追従指令１回分と同等となる。さらに、第２モータ３１２は、追従指令１０に含まれる振動周波数成分に相当する振動抑制指令１１の比例倍に追従するように制御される。振動周波数成分は、元の追従指令と比較して小さいため、第２可動部３１１の１回分の可動範囲は、元の追従指令に対して短縮される。

以上説明したように、実施の形態１にかかる免振制御装置４によれば、第１可動部３０１は、時系列の追従指令に追従するように第１モータ３０２の位置または速度が制御され、第２モータ３１２の位置または速度は、架台２の振動周波数成分に相当する振動抑制指令１１の比例倍に追従するように制御される。このため、制御対象である駆動装置３の動作により生じる振動を抑制するとともに、第２可動部３１１の可動範囲を抑制することが可能になる。

また、第１制御部４０の応答速度と第２制御部４１の応答速度との差は閾値以下に設定される。これにより、第１モータ３０２および第２モータ３１２で発生させる力の応答を同一とすることができ、架台２に発生する振動を精度よく抑制することが可能になる。また、第１制御部４０の応答速度と第２制御部４１の応答速度とを同一にした場合、位置決め装置１の使用者は、第１制御部４０の設定値をそのまま流用して、第２制御部４１のゲインなどの設定値を決定することができ、設定値の決定を容易に行うことが可能になる。

なお、振動抑制演算部４２は、追従指令１０との和が、架台２の振動周波数に基づいた周波数で極小となる周波数応答を持つように振動抑制指令１１を演算することで、振動抑制指令１１を、追従指令１０に含まれる架台２の振動周波数成分に相当する指令とすることができる。つまり、振動抑制指令１１は、架台２の振動が小さくなる周波数応答をもつ指令と、追従指令１０との差をとることで計算される。このため、簡易な演算で架台２の振動を抑制することが可能になる。

なお、振動抑制演算部４２は、上記の第１〜第５の例に示す方法で、振動抑制指令１１を演算することができる。フィルタを用いることで、容易に振動抑制指令１１を生成することが可能になる。

実施の形態２．
図１９は、実施の形態２にかかる位置決め装置１−１の構成を示す図である。位置決め装置１−１の構成の一部は、位置決め装置１と共通である。以下、位置決め装置１と共通する部分については、同じ符号を用いることで、詳細な説明を省略し、位置決め装置１と異なる部分について主に説明する。位置決め装置１−１は、駆動装置３−１と、免振制御装置４−１とを有する。

駆動装置３−１は、位置決め駆動部３０−１と、免振駆動部３１−１とを有する。位置決め駆動部３０−１は、第１可動部３０１と、第１モータ３０２と、第１位置検出器３０３とを有する。免振駆動部３１−１は、第２可動部３１１と、第２モータ３１２と、第２位置検出器３１３とを有する。

免振制御装置４−１は、第１制御部４０−１と、第２制御部４１−１と、振動抑制演算部４２と、振動特性設定部４３と、慣性比補償部４４と、慣性特性設定部４５とを有する。

第１位置検出器３０３は、第１可動部３０１の位置を測定し、測定した位置を示す第１位置情報１２を第１制御部４０−１に出力する。第１位置検出器３０３は、第１可動部３０１に設置、または第１可動部３０１に近接して設置される。第１位置検出器３０３は、例えば、リニアスケール、近接センサ、レーザ変位計、ビジョンセンサなどである。なお、図１９では、第１位置検出器３０３は、第１可動部３０１に取り付けられているが、第１位置検出器３０３は、第１モータ３０２に取り付けられたエンコーダ、レゾルバなどであってもよいし、第１位置検出器３０３は、第１可動部３０１および第１モータ３０２の両方に取り付けられてもよい。

第２位置検出器３１３は、第２可動部３１１の位置を測定し、測定した位置を示す第２位置情報１３を第２制御部４１−１に出力する。第２位置検出器３１３は、第２可動部３１１に設置、または第２可動部３１１に近接して設置される。第２位置検出器３１３は、例えば、リニアスケール、近接センサ、レーザ変位計、ビジョンセンサなどである。なお、図１９では、第２位置検出器３１３は、第２可動部３１１に取り付けられているが、第２位置検出器３１３は、第２モータ３１２に取り付けられたエンコーダ、レゾルバなどであってもよいし、第２位置検出器３１３は、第２可動部３１１および第２モータ３１２の両方に取り付けられてもよい。

第１制御部４０−１は、第１位置検出器３０３が測定した第１可動部３０１の位置を示す第１位置情報１２を受信し、受信した第１位置情報１２と追従指令１０とに基づいて第１モータ３０２をフィードバック制御するサーボシステムである。同様に、第２制御部４１−１は、第２位置検出器３１３が測定した第２可動部３１１の位置を示す第２位置情報１３を受信し、受信した第２位置情報１３と振動抑制指令１１とに基づいて第２モータ３１２をフィードバック制御するサーボシステムである。

慣性比補償部４４は、予め慣性特性設定部４５に設定された慣性比に応じて、追従指令１０に対して、慣性比による振動への影響を補償する。ここで、慣性比は、第１可動部３０１および第１モータ３０２と、第２可動部３１１および第２モータ３１２との慣性比に応じて予め設定される。例えば、第１可動部３０１の質量がＭ、第２可動部３１１の質量がｍの場合、慣性比補償部４４は、追従指令１０にＭ／ｍを乗ずることによって、第１可動部３０１と第２可動部３１１との質量差による架台２の振動の影響を補うことができる。

また、第１可動部３０１の可動方向と第２可動部３１１の可動方向とが並行でない場合、慣性比補償部４４は、第１可動部３０１の可動方向と、第２可動部３１１の可動方向との差による架台２の振動への影響を補間することができる。例えば、第１可動部３０１の可動方向と、第２可動部３１１の可動方向とが角度θ［ｒａｄ］で交わる場合、慣性比補償部４４は、追従指令１０にＭ／ｍｃｏｓθを乗ずることで、架台２に発生する振動を抑制することができる。

慣性特性設定部４５に設定される慣性比は、位置決め装置１−１の設計者が予め設定してもよいし、装置構成に応じて、使用者が設定してもよい。特に、第１可動部３０１の構成と第２可動部３１１の構成とが同一であって、その駆動方向が同一である場合、慣性特性設定部４５に設定される慣性比は「１」となることから、免振制御装置４−１は、慣性比補償部４４および慣性特性設定部４５を省略した構成とすることができる。また、図１９では、慣性比補償部４４は、振動抑制演算部４２の後段に設けられているが、振動抑制演算部４２および慣性比補償部４４の処理順は逆であってもよい。

第１制御部４０−１は、追従指令１０および第１位置情報１２に基づいて、第１可動部３０１を駆動させる推力指令を生成し、第１可動部３０１に加わる外力を制御することができる。第２制御部４１−１は、振動抑制指令１１および第２位置情報１３に基づいて、第２可動部３１１を駆動させる推力指令を生成し、第２可動部３１１に加わる外力を制御することができる。このような構成を有することによって、第１可動部３０１とその接地面との間に発生する摩擦と、第２可動部３１１とその接地面との間に発生する摩擦とが異なる場合であっても、推力が調整され、第１可動部３０１に加わる外力と第２可動部３１１に加わる外力とを同一にすることができる。したがって、駆動装置３−１の駆動時に発生する架台２の振動を精度よく抑制することが可能になる。

なお、免振制御装置４−１は、例えばＣＰＵ９２およびメモリ９３を用いた制御回路を備えるコンピュータによって構成される。ＣＰＵ９２は、メモリ９３に記憶された、各処理に対応するコンピュータプログラムを読み出して実行することによって、第１制御部４０−１、第２制御部４１−１、振動抑制演算部４２、振動特性設定部４３、慣性比補償部４４、および、慣性特性設定部４５の機能を実現することができる。

実施の形態３．
図２０は、実施の形態３にかかる位置決め装置１−２の構成を示す図である。位置決め装置１−２の構成の一部は、位置決め装置１と共通である。以下、位置決め装置１と共通する部分については、同じ符号を用いることで、詳細な説明を省略し、位置決め装置１と異なる部分について主に説明する。位置決め装置１−２は、駆動装置３−２と、免振制御装置４−２とを有する。

駆動装置３−２は、複数の位置決め駆動部３０Ａ，３０Ｂと、免振駆動部３１とを有する。位置決め駆動部３０Ａは、第１可動部３０１Ａと、第１モータ３０２Ａとを有する。位置決め駆動部３０Ｂは、第１可動部３０１Ｂと、第１モータ３０２Ｂとを有する。なお、第１可動部３０１Ａ，３０１Ｂは、第１可動部３０１と同様の機能を有し、第１モータ３０２Ａ，３０２Ｂは、第１モータ３０２と同様の機能を有する。

免振制御装置４−２は、複数の第１制御部４０Ａ，４０Ｂと、第２制御部４１と、振動抑制演算部４２と、振動特性設定部４３と、複数の慣性比補償部４４Ａ，４４Ｂと、複数の慣性特性設定部４５Ａ，４５Ｂとを有する。

第１制御部４０Ａは、第１の追従指令１０Ａに基づいて動作する以外は、第１制御部４０と同様の機能を有する。第１制御部４０Ｂは、第２の追従指令１０Ｂに基づいて動作する以外は、第１制御部４０と同様の機能を有する。第１制御部４０Ａは、第１の追従指令１０Ａに基づいて第１モータ３０２Ａに電流を供給し、第１モータ３０２Ａに機械的に接続された第１可動部３０１Ａの位置または速度を第１の追従指令１０Ａに追従させる。第１制御部４０Ｂは、第２の追従指令１０Ｂに基づいて第１モータ３０２Ｂに電流を供給し、第１モータ３０２Ｂに機械的に接続された第１可動部３０１Ｂの位置または速度を第２の追従指令１０Ｂに追従させる。

位置決め装置１−２は、２つの位置決め駆動部３０Ａ，３０Ｂがそれぞれ発生させる架台２の振動を、免振駆動部３１を駆動させることによる反力をもって相殺する。このため、第２制御部４１は、第１の追従指令１０Ａおよび第２の追従指令１０Ｂに基づいて、免振駆動部３１を制御することになる。第１の追従指令１０Ａおよび第２の追従指令１０Ｂのそれぞれは、慣性比補償部４４Ａ，４４Ｂで慣性による影響を補償された後、補償後の第１の追従指令１０Ａおよび第２の追従指令１０Ｂの和が振動抑制演算部４２に出力される。振動抑制演算部４２は、補償後の第１の追従指令１０Ａおよび第２の追従指令１０Ｂの和に基づいて、振動抑制指令１１を演算する。

慣性比補償部４４Ａは、第１の追従指令１０Ａに対して、第１可動部３０１Ａおよび第１モータ３０２Ａと第２可動部３１１および第２モータ３１２との慣性比に応じて予め慣性特性設定部４５Ａに設定された慣性比を用いて、慣性比による架台２の振動への影響を補償する。慣性比補償部４４Ｂは、第２の追従指令１０Ｂに対して、第１可動部３０１Ｂおよび第１モータ３０２Ｂと第２可動部３１１および第２モータ３１２との慣性比に応じて予め慣性特性設定部４５Ｂに設定された慣性比を用いて、慣性比による架台２の振動への影響を補償する。具体的な補償方法は、実施の形態１と同様であるため説明を省略する。

一般的に、免振駆動部３１の第２モータ３１２に発生させる最大推力は、第１モータ３０２Ａ，３０２Ｂの発生させる最大推力の和に近い値となる。このため、位置決め装置１−２では、第２モータ３１２は、第１モータ３０２Ａ，３０２Ｂのそれぞれよりも出力の大きいモータであることが望ましい。

また、図２０では、２つの位置決め駆動部３０Ａ，３０Ｂを有する位置決め装置１−２について説明したが、位置決め装置１−２は、３つ以上の位置決め駆動部３０を備えてもよい。この場合、振動抑制演算部４２は、位置決め駆動部３０と同数の追従指令１０の和に基づいて、振動抑制指令１１を演算する。

実施の形態３にかかる位置決め装置１−２は、複数の位置決め駆動部３０Ａ，３０Ｂにより発生する架台２の振動を１つの免振駆動部３１を用いて効率的に抑制することができる。このため、位置決め駆動部３０Ａ，３０Ｂの数と同数の免振駆動部３１を設けるよりも、位置決め装置１−２全体の大きさを低減することが可能になる。

なお、免振制御装置４−２は、例えばＣＰＵ９２およびメモリ９３を用いた制御回路を備えるコンピュータによって構成される。ＣＰＵ９２は、メモリ９３に記憶された、各処理に対応するコンピュータプログラムを読み出して実行することによって、第１制御部４０Ａ，４０Ｂ、第２制御部４１、振動抑制演算部４２、振動特性設定部４３、慣性比補償部４４Ａ，４４Ｂ、および、慣性特性設定部４５Ａ，４５Ｂの機能を実現することができる。

実施の形態４．
図２１は、実施の形態４にかかる位置決め装置１−３の構成を示す図である。位置決め装置１−３の構成の一部は、位置決め装置１と共通である。以下、位置決め装置１と共通する部分については、同じ符号を用いることで、詳細な説明を省略し、位置決め装置１と異なる部分について主に説明する。位置決め装置１−３は、駆動装置３と、免振制御装置４−３とを有する。

免振制御装置４−３は、第１制御部４０−３と、第２制御部４１−３と、第１指令テーブル４６と、第２指令テーブル４７とを有する。第１指令テーブル４６は、予め使用者が入力した追従指令１０を記憶する。第２指令テーブル４７は、予め使用者が入力した振動抑制指令１１を記憶する。

第１制御部４０−３は、外部から供給される追従指令１０の代わりに、第１指令テーブル４６から供給される追従指令１０に基づいて、位置決め駆動部３０を制御する。第２制御部４１−３は、振動抑制演算部４２が演算した振動抑制指令１１の代わりに、第２指令テーブル４７から供給される振動抑制指令１１に基づいて、免振駆動部３１を制御する。

架台２の振動を抑制するために、位置決め駆動部３０と免振駆動部３１とは、同期して駆動されることが望ましい。このため、第１制御部４０−３および第２制御部４１−３は、同期信号１４に基づいて、第１モータ３０２の駆動タイミングと第２モータ３１２の駆動タイミングとを同期させる。

なお、免振制御装置４−３は、例えばＣＰＵ９２およびメモリ９３を用いた制御回路を備えるコンピュータによって構成される。ＣＰＵ９２は、メモリ９３に記憶された、各処理に対応するコンピュータプログラムを読み出して実行することによって、第１制御部４０−３および第２制御部４１−３の機能を実現することができる。メモリ９３には、第１指令テーブル４６および第２指令テーブル４７が記憶されている。

図２２は、図２１に示す位置決め装置１−３が用いる追従指令１０および振動抑制指令１１を生成するエンジニアリングツール５１の構成例を示す図である。エンジニアリングツール５１は、指令入力部５２と、通信部５３と、振動抑制演算部４２と、振動特性設定部４３とを有する。

指令入力部５２は、使用者から、位置決め駆動部３０の動きを指定する追従指令１０の入力を受け付ける。指令入力部５２は、受け付けた追従指令１０を通信部５３および振動抑制演算部４２のそれぞれに出力する。通信部５３は、位置決め装置１−３と通信路を介して接続されている。通信部５３は、追従指令１０を第１指令テーブル４６に記憶させる。振動抑制演算部４２および振動特性設定部４３のそれぞれは、実施の形態１と同様の機能を有する。振動抑制演算部４２は、追従指令１０に基づいて、振動抑制指令１１を生成し、生成した振動抑制指令１１を通信部５３に出力する。通信部５３は、振動抑制指令１１を第２指令テーブル４７に記憶させる。

なお、図２２に示すエンジニアリングツール５１は、実施の形態１と同様の動作により振動抑制演算部４２が演算した振動抑制指令１１を第２指令テーブル４７に記憶させるが、使用者が振動抑制指令１１を予め算出して、第２指令テーブル４７に記憶させてもよい。また、図２１に示す免振制御装置４−３は、振動抑制演算部４２を省略した構成となっているが、免振制御装置４−３は、振動抑制演算部４２および振動特性設定部４３を有し、第１指令テーブル４６に記憶された追従指令１０に基づいて、振動抑制指令１１を生成してもよい。

実施の形態４にかかる免振制御装置４−３は、追従指令１０を予め第１指令テーブル４６に記憶しているため、外部装置との間の通信量を低減することができる。また、免振制御装置４−３は、振動抑制指令１１を予め第２指令テーブル４７に記憶しており、実行時には第２指令テーブル４７を参照するため、駆動時に行う演算量を削減することができる。

実施の形態５．
図２３は、実施の形態５にかかる位置決め装置１−４の構成を示す図である。位置決め装置１−４の構成の一部は、位置決め装置１と共通である。以下、位置決め装置１と共通する部分については、同じ符号を用いることで、詳細な説明を省略し、位置決め装置１と異なる部分について主に説明する。位置決め装置１−４は、駆動装置３と、免振制御装置４−４とを有する。

免振制御装置４−４は、第１制御部４０−４と、第２制御部４１−４と、振動抑制演算部４２−４とを有する。免振制御装置４−４は、アナログの電圧または電流を駆動指令として使用する。第１制御部４０−４は、アナログ信号である追従指令１０−４を受け付け、追従指令１０−４をデジタル変換して駆動指令として用いる。また、第１制御部４０−４は、アナログ信号である追従指令１０−４を振動抑制演算部４２−４に供給する。このとき、第１制御部４０−４は、アナログ信号である追従指令１０−４をそのまま振動抑制演算部４２−４に供給してもよいし、追従指令１０−４にオフセット、指令制限などの補正を加えたものを振動抑制演算部４２−４に供給してもよい。

振動抑制演算部４２−４は、アナログフィルタを用いてアナログ信号である振動抑制指令１１−４を演算する。振動抑制演算部４２−４が用いるアナログフィルタは、架台２の振動周波数ωに基づいて、入力指令と出力指令との和が、極小となる周波数応答をもつように予め設計されている。振動抑制演算部４２−４は、演算した振動抑制指令１１−４を第２制御部４１−４に出力する。

第２制御部４１−４は、振動抑制演算部４２−４が出力するアナログ信号である振動抑制指令１１−４をデジタル信号に変換して、駆動指令として用いる。

なお、免振制御装置４−４は、例えばＣＰＵ９２およびメモリ９３を用いた制御回路を備えるコンピュータによって構成される。ＣＰＵ９２は、メモリ９３に記憶された、各処理に対応するコンピュータプログラムを読み出して実行することによって、第１制御部４０−４、第２制御部４１−４、および、振動抑制演算部４２−４の機能を実現することができる。

以上説明したように、実施の形態５にかかる免振制御装置４−４は、アナログ信号である追従指令１０および振動抑制指令１１を用いて、駆動装置３を制御する。振動抑制演算部４２−４は、アナログフィルタを用いて、振動抑制指令１１−４を演算する。このような構成を有することで、第２制御部４１−４は、演算量の多いフィルタ処理を行う必要がないため、第２制御部４１−４の処理量を削減することができる。

実施の形態６．
図２４は、実施の形態６にかかる位置決め装置１−５の構成を示す図である。位置決め装置１−５の構成の一部は、位置決め装置１と共通である。以下、位置決め装置１と共通する部分については、同じ符号を用いることで、詳細な説明を省略し、位置決め装置１と異なる部分について主に説明する。位置決め装置１−５は、駆動装置３−５と、免振制御装置４−５とを有する。

駆動装置３−５は、位置決め駆動部３０−５と、免振駆動部３１−１とを有する。位置決め駆動部３０−５は、第１可動部３０１と、第１モータ３０２と、第１位置検出器３０３−５とを有する。第１位置検出器３０３−５は、検出した第１位置情報１２を第１制御部４０−１および振動抑制演算部４２−５のそれぞれに出力する以外は、実施の形態２で説明した第１位置検出器３０３と同様の機能を有する。免振駆動部３１−１は、第２可動部３１１と、第２モータ３１２と、第２位置検出器３１３とを有する。

免振制御装置４−５は、第１制御部４０−１と、第２制御部４１−１と、振動抑制演算部４２−５と、振動特性設定部４３とを有する。振動抑制演算部４２−５は、第１位置検出器３０３−５が出力する第１位置情報１２と、振動抑制指令１１との和が架台２の振動周波数ωにおいて極小となる周波数応答を持つように、振動抑制指令１１を演算する。振動抑制演算部４２−５は、演算した振動抑制指令１１を第２制御部４１−１に出力する。

なお、免振制御装置４−５は、例えばＣＰＵ９２およびメモリ９３を用いた制御回路を備えるコンピュータによって構成される。ＣＰＵ９２は、メモリ９３に記憶された、各処理に対応するコンピュータプログラムを読み出して実行することによって、第１制御部４０−１、第２制御部４１−１、振動抑制演算部４２−５、および、振動特性設定部４３の機能を実現することができる。

以上説明したように、実施の形態６にかかる位置決め装置１−５は、第１可動部３０１の位置を示す第１位置情報１２に基づいて、振動抑制指令１１が演算される。このような構成を有することで、架台２の振動を簡便な方法で効率的に抑制することが可能になる。

以上の実施の形態に示した構成は、一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、実施の形態同士を組み合わせることも可能であるし、要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

１，１−１，１−２，１−３，１−４，１−５ 位置決め装置、２ 架台、３，３−１，３−２，３−５ 駆動装置、４，４−１，４−２，４−３，４−４，４−５ 免振制御装置、１０，１０−４ 追従指令、１０Ａ 第１の追従指令、１０Ｂ 第２の追従指令、１１，１１−４ 振動抑制指令、１２ 第１位置情報、１３ 第２位置情報、１４ 同期信号、３０，３０Ａ，３０Ｂ，３０−１，３０−５ 位置決め駆動部、３１，３１−１ 免振駆動部、４０，４０Ａ，４０Ｂ，４０−１，４０−３，４０−４ 第１制御部、４１，４１−１，４１−３，４１−４ 第２制御部、４２，４２−４，４２−５ 振動抑制演算部、４３ 振動特性設定部、４４，４４Ａ，４４Ｂ 慣性比補償部、４５，４５Ａ，４５Ｂ 慣性特性設定部、４６ 第１指令テーブル、４７ 第２指令テーブル、５１ エンジニアリングツール、５２ 指令入力部、５３ 通信部、９２ ＣＰＵ、９３ メモリ、３０１，３０１Ａ，３０１Ｂ 第１可動部、３０２，３０２Ａ，３０２Ｂ 第１モータ、３０３，３０３−５ 第１位置検出器、３１１ 第２可動部、３１２ 第２モータ、３１３ 第２位置検出器。

Claims (14)

1. 架台に固定された第１モータで第１可動部を駆動し前記架台に固定された第２モータで第２可動部を駆動する駆動装置を制御対象とする免振制御装置であって、
   時系列の追従指令に前記第１可動部が追従するように前記第１モータの位置または速度を制御する第１制御部と、
   前記追従指令に含まれる前記架台の振動周波数成分に相当する位置または速度の次元の指令である振動抑制指令の比例倍に前記第２モータの位置または速度を追従させる第２制御部と、
   を備えることを特徴とする免振制御装置。
2. 前記第１制御部は、前記第１可動部の位置情報を取得し、前記第１可動部の位置情報と前記追従指令とに基づいて前記第１モータを制御するサーボシステムであり、
   前記第２制御部は、前記第２可動部の位置情報を取得し、前記第２可動部の位置情報と前記振動抑制指令とに基づいて前記第２モータを制御するサーボシステムであることを特徴とする請求項１に記載の免振制御装置。
3. 前記第１制御部の応答速度と前記第２制御部の応答速度との差が閾値以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の免振制御装置。
4. 前記追従指令および前記振動抑制指令の和は、前記架台の振動周波数に基づいた周波数で極小となる周波数応答を持つことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の免振制御装置。
5. 前記第１可動部の位置情報および前記振動抑制指令の和は、前記架台の振動周波数に基づいた周波数で極小となる周波数応答を持つことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の免振制御装置。
6. 前記振動抑制指令を演算する振動抑制演算部をさらに備えることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の免振制御装置。
7. 前記振動抑制演算部は、前記追従指令の２階微分と前記架台の振動周波数のマイナス２乗に基づく係数とを乗算した値に基づいて、前記振動抑制指令を演算することを特徴とする請求項６に記載の免振制御装置。
8. 前記振動抑制演算部は、無限インパルス応答フィルタを用いて、前記振動抑制指令を演算し、前記無限インパルス応答フィルタの伝達関数は、前記架台の振動周波数のマイナス２乗に基づく定数ｂと、予め定められた定数ａ_１，ａ_２とを用いて、以下の数式（１）で表される演算を含むことを特徴とする請求項６または７に記載の免振制御装置。
   

   
9. 定数ａ_２は、定数ｂと等しいことを特徴とする請求項８に記載の免振制御装置。
10. 振動抑制演算部は、有限インパルス応答フィルタを用いて、前記振動抑制指令を演算し、前記有限インパルス応答フィルタの伝達関数は、前記架台の振動周波数に基づいて定められた整数である定数Ｎ_１を用いて以下の数式（２）で表される第１の離散系伝達関数Ｆ_１（ｚ）、または、前記架台の振動周波数に基づいて定められた整数である定数Ｎ_２を用いて以下の数式（３）で表される第２の離散系伝達関数Ｆ２（ｚ）を含むことを特徴とする請求項６から９のいずれか１項に記載の免振制御装置。
    

    

    
11. 前記第２制御部は、前記第１可動部の並進慣性と前記第１可動部の可動方向に換算した前記第２可動部の並進慣性との比を含む慣性比を前記振動抑制指令に乗じた信号に前記第２可動部が追従するように制御することを特徴とする請求項１から１０のいずれか１項に記載の免振制御装置。
12. 前記第１制御部に前記追従指令を供給する第１指令テーブルと、
    前記第２制御部に前記振動抑制指令を供給する第２指令テーブルと、
    をさらに備え、
    前記第１制御部および前記第２制御部は、同期信号に基づいて、前記第１モータの駆動タイミングと前記第２モータの駆動タイミングとを同期させることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の免振制御装置。
13. 前記追従指令および前記振動抑制指令は、アナログ信号であり、
    前記振動抑制演算部は、アナログフィルタを用いて、前記振動抑制指令を演算することを特徴とする請求項６に記載の免振制御装置。
14. 架台に固定された第１モータで第１可動部を駆動し前記架台に固定された第２モータで第２可動部を駆動する駆動装置を制御対象とする免振制御方法であって、
    免振制御装置が、時系列の追従指令に前記第１可動部が追従するように前記第１モータの位置または速度を制御するステップと、
    前記免振制御装置が、前記追従指令に含まれる前記架台の振動周波数成分に相当する位置または速度の次元の指令である振動抑制指令の比例倍に前記第２モータの位置または速度を追従させるステップと、
    を含むことを特徴とする免振制御方法。

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