JP5037873B2 - 位置決め制御装置 - Google Patents

Description

この発明は、各種駆動機構の位置決め制御装置、特に位置決め精度の向上に関するものである。

特許文献１や特許文献２、特許文献３に示すように、プリンタ装置のキャリッジ駆動機構や紙送り機構等のモータを用いた各種駆動機構の位置決め制御系は、速度及び位置情報に基づくフィードバック制御が行われている。この位置決め制御系は、図５のブロック図に示すように、位置制御ループと速度制御ループを有する。位置制御ループは減算器１と位置コントローラ２を有し、目標位置とモータ７の回転角を検出するエンコーダ８から出力するパルスを計数するパルスカウンタ９の計数値との差により位置コントローラ２で目標速度を算出する。速度制御ループは、減算器３と速度コントローラ４及びパルスカウンタ９の計数値でモータ７の回転速度を検出する速度検出部５を有し、位置コントローラ２から送られる目標速度と速度検出部５で検出した実速度の差により速度コントローラ４でモータ７の操作量を算出してモータ駆動部６に送りモータ７の回転速度を制御する。この位置決め制御系でモータ７を駆動制御したときに制御応答をシミュレーションした結果を図６に示す。図６（ａ）はモータ７の駆動電流の時間に対する変化を示し、（ｂ）はモータ７の駆動速度の時間に対する変化を示し、（ｃ）はモータ７の回転により位置を変える被駆動体の位置変化の時間に対する変化を示す。

この位置決め制御系でモータ７の回転速度の変化開始時や終了時で回転速度が急激に変化することによるモータ７や被駆動体に生じる振動を抑制してモータ７の回転速度を滑らかに変化させるため、特許文献２に示すように、モータ７の加速及び減速時の速度推移を示す速度プロファイルとして、両端部は２次関数により示される曲線とし、中間部を１次関数で示される直線とし、曲線と直線を滑らかに接続した形状を示す速度プロファイルを使用してモータの回転速度を制御している。

また、位置決め制御系で高速に高精度の位置決めを行うため、特許文献３に示すように、速度プロファイルで定速制御から減速制御に移行するとき、目標速度を零にしてから所定サンプリング周期後に定速制御の速度よりも低い等速領域を設定している。
特開２００５−２４２８９３号公報 特開２００５−３３８８９号公報 特開２００５−１３７０７５号公報

例えば駆動機構としてインクジェット記録装置に使用するキャリッジ駆動機構は、図７に示すように、キャリッジ３０がガイド軸３１上を往復運動することにより用紙表面の所定の位置にインクを滴下する機構であり、駆動プーリ３２と従動プーリ３３とがタイミングベルト３４によって連結され、タイミングベルト３４上にキャリッジ３０が接続されている。駆動プーリ３２にはＤＣモータ３５が連結され、従動プーリ３３にはテンション調整機構が設けられており、リニアスケール３６を使用してキャリッジ３０の位置を検出装置３７で検出し、検出した位置信号により制御装置３８でモータ３５の速度を制御して駆動装置３９によりモータ３５を駆動制御してキャリッジ３０を往復運動させる。

このようなキャリッジ駆動機構では、モータ３５からキャリッジ３０への駆動伝達経路中に、タイミングベルト３４が介在しており、かつ、キャリッジ３０には動作方向及び速度に応じて停止させるようにクーロン摩擦力や粘性摩擦力が働くために、前記位置決め制御系でキャリッジ３０を短時間に高精度に位置決め制御しようとすると、目標とする位置精度に対して過大な位置偏差（バラツキ）が生じてしまう問題があった。

また、紙送り駆動機構の場合には、キャリッジが主走査方向の印字を終える毎に、全送りの場合、記録用紙を正確にインクヘッド幅の距離だけ短時間に送る必要がある。この機構では、図８に示すように、モータ４１の軸と一体に連結された駆動プーリ４２と、エンコーダ４３が取り付けられた従動プーリ４４とがタイミングベルト４５で連結されており、かつ、従動プーリ４４に連結された駆動ローラ４６とテンション調整機能を有する従動ローラ４７とに紙送りベルト４８が巻き回され、エンコーダ４３からの信号を入力して検出装置４９から出力する位置信号により制御装置５０でモータ４１の速度を制御して駆動装置５１によりモータ４１を駆動制御する。このモータ４１の回転力は駆動プーリ４２からタイミングベルト４５で減速されて従動プーリ４４に伝えられ、減速によってトルクが増加した回転力は従動プーリ４４から駆動ローラ４６へ伝達される。駆動ローラ４６は紙送りベルト４８を駆動することにより用紙４０を規定の距離だけ移動させる。

この場合にもキャリッジ駆動と同様に、紙送り駆動機構には動作方向および速度に応じて停止させるようにクーロン摩擦力や粘性摩擦力が働くために、前記位置決め制御系により紙送りベルト４８を短時間に高精度に位置決め制御しようとすると、目標とする位置精度に対して過大な位置偏差（バラツキ）が生じてしまう問題があった。

一般に、高速高精度な位置決め動作を必要とする機器においては、搭載するモータや電源の関係上、モータへ投入できる電圧や電流に制限があり、搭載するエンコーダの分解能やパルスカウンタの動作周波数の関係上、機構の動作速度が制限されてしまう。また、機器個体毎に発生する機構内部の摩擦負荷にはばらつきがあり、この負荷変動に影響されないことが望まれるが、このような制約条件下で動作仕様（整定時間や位置決め精度）を満足しなければならない。

しかしながら前記位置決め制御系のように、速度制御ループにおける速度コントローラの出力部分又はモータドライバの出力部分において、物理的に（回路的に）操作量制限を行ってしまうと、加減速時に操作量が最大値に達してしまい、一時的に制御不能の状態に陥るおそれが生じる。このため、機構の駆動制御時に電流制限一杯に駆動する構成では、駆動能力に余裕を残して置かないために、製品個々における機構部の負荷変動に対応できず、制御応答にバラツキを生じる問題があった。

また、特許文献３に示すように、高速に高精度の位置決めを行うため、速度プロファイルで定速制御から減速制御に移行するとき、目標速度を零にした後に所定周期をおいて定速制御の速度よりも低い等速制御を行うと、定速制御の速度よりも低い等速制御に移行するとき実速度に振動が発生する。この振動のため位置決めして停止するまでに時間がかかると共に停止位置が変動する可能性がある。

この発明は、このような問題点を改善し、インクジェット方式プリンタ等に用いられる各種駆動機構を高速で高精度に位置決めすることができる位置決め制御装置を提供することを目的とするものである。

この発明の位置決め制御装置は、被駆動体を移動するモータを駆動して被駆動体を目標近傍へ移動するための粗動作を行う目標速度を算出する目標速度算出手段と、被駆動体の目標位置と被駆動体の実際の位置との差である位置偏差により被駆動体を目標位置に位置決めを行う微動作を行う目標速度を生成する位置コントローラと、前記目標速度算出手段で発生した目標速度及び前記位置コントローラで発生した目標速度を切り替える目標速度切替手段と、前記目標速度切替手段で切り替えられた目標速度とモータの実速度との差によりモータの回転速度を制御する速度コントローラとを有し、前記目標速度算出手段は、第１の速度生成手段、第２の速度生成手段及び出力速度切替手段を有し、前記第１の速度生成手段は、あらかじめ時間に対する目標速度が格納された速度／時間テーブルを有し、加速領域及び等速領域で時間情報を基に速度／時間テーブルの内容を使って加速及び等速の目標速度を発生し、前記第２の速度生成手段は、あらかじめ位置偏差に対する目標速度が格納された速度／位置テーブルを有し、目標位置の極近傍までの減速領域で位置偏差を基に速度／位置テーブルの内容を使って被駆動体の位置に対して所定の減速特性で減速する仮の目標速度を求めて出力し、前記出力速度切替手段は、前記第２の速度生成手段で生成している仮の目標速度が前記第１の速度生成手段で生成している等速度以下になったとき、目標速度を等速度から仮の目標速度に切り替えて前記目標速度切替手段に出力し、仮の目標速度が予め設定された低等速度に達したとき、目標速度を仮の目標速度から低等速度に切り替えて前記目標速度切替手段に出力し、前記目標速度切替手段は、位置偏差の情報を基に被駆動体の実位置が目標位置の極近傍に達したことを検知すると前記速度コントローラへの目標速度の供給を前記位置コントローラ側に切り替えて被駆動体を目標位置に位置決めを行う位置決め制御をすることを特徴とする。

前記速度／時間テーブルに格納された時間に対する目標速度の加速軌跡の傾斜と前記速度／位置テーブルに格納された位置偏差に対する目標速度の減速軌跡の傾斜を任意に設定できるようにすると良い。

また、前記速度／時間テーブルに格納された時間に対する目標速度と前記速度／位置テーブルに格納された位置偏差に対する目標速度は、速度生成時に速度零近傍の加減速軌跡が高周波成分をあらかじめ除いた速度傾斜にしてあることが望ましい。

この発明は、加速から等速までの制御では、時間情報を基に、あらかじめ時間に対する目標速度が格納された速度／時間テーブルの内容を使って加速及び等速の目標速度を発生し、発生した目標速度とモータの実速度との差により被駆動体を移動するモータの回転速度を制御し、減速から低等速度までの制御では、被駆動体の目標位置と被駆動体の実際の位置との差である位置偏差を基に、あらかじめ位置偏差に対する目標速度が格納された速度／位置テーブルの内容を使って被駆動体の位置に対して所定の減速特性で減速する仮の目標速度を発生し、発生した目標速度とモータの実速度との差により被駆動体を移動するモータの回転速度を制御し、仮の目標速度があらかじめ設定された低等速度に達したとき、目標速度を仮の目標速度から低等速度に切り替えて低等速度とモータの実速度との差により被駆動体を移動するモータの回転速度を制御し、被駆動体を目標位置に位置決めを行う位置決め制御では、位置偏差の情報を基に目標速度を算出し、算出した目標速度とモータの実速度との差により被駆動体を移動するモータの回転速度を制御するようにしたから、駆動機構の位置決め制御において制御応答のバラツキを低減して高精度に位置決めすることができるとともに速度精度や位置決め整定時間に優れた効果を得ることができる。

また、速度／時間テーブルに格納された時間に対する目標速度の加速軌跡の傾斜と速度／位置テーブルに格納された位置偏差に対する目標速度の減速軌跡の傾斜を任意に設定できるようにすることにより、操作量制限に見合った加減速軌跡の傾斜に設定できるため、モータへ投入する電圧や電流を抑えた位置決め制御を容易に行うことができる。

さらに、速度／時間テーブルと速度／位置テーブルに格納された目標速度の生成時に速度零近傍の加減速軌跡が高周波成分をあらかじめ除いた速度傾斜にしてあることにより、加減速時で発生する機構の振動を抑えることができるため、高速で高精度を要する位置決め制御を行うことができる。

図１はこの発明の位置決め制御装置の制御系の構成を示すブロック図である。位置決め制御装置の制御系は、減算器１と位置コントローラ２とエンコーダ８とパルスカウンタ９を有し、被駆動体の目標位置とモータ７の回転角を検出するエンコーダ８から出力するパルスを計数するパルスカウンタ９の計数値との差により位置コントローラ２で目標速度を算出する位置制御ループと、減算器３と速度コントローラ４とエンコーダ８とパルスカウンタ９及び速度検出部５を有し、目標速度と速度検出部５で検出した実速度の差により速度コントローラ４でモータ７の操作量を算出してモータ駆動部６に送りモータ７の回転速度を制御する速度制御ループのほかに、速度制御ループに入力する目標速度を算出する目標速度算出部１０と、目標速度算出部１０と位置コントローラ２からの目標速度を切り替える目標速度切替スイッチ１１を有する。目標速度算出部１０は、位置決め制御装置の位置決め動作でモータ７を駆動して被駆動体を目標近傍へ最短時間で移動するための粗動作を行うための台形駆動又は三角駆動する指標となる目標速度を発生し、位置コントローラ２は目標位置に正確に位置決めを行う微動作を行うための台形駆動又は三角駆動する指標となる目標速度を発生する。

この目標速度算出部１０は、図２のブロック図に示すように、第１のスイッチ１２と第１の速度生成部１３と第２の速度生成部１４と第２のスイッチ１５と第３のスイッチ１６と第４のスイッチ１７及び符号付加部１８を有する。

第１のスイッチ１２と第２のスイッチ１５と第３のスイッチ１６と第４のスイッチ１７は条件式に示すように、入力Ｘが閾値より大きいとき条件真の方に接続され、入力Ｘが閾値と等しいか小さいとき条件偽の方に接続される。

第１のスイッチ１２には、目標速度の等速度到達時間が入力されるとともに入力Ｘとして位置決め制御を開始してからの時間が入力され、入力している時間が等速度到達時間に達するまでは入力している時間を出力し、入力している時間が等速度到達時間に達すると出力を等速度到達時間に切り替える。第１の速度生成部１３はあらかじめ時間に対する加速と等速の目標速度が格納された速度／時間テーブル１９を有し、時間情報を基に速度／時間テーブル１９の内容を使って、図３に示すように、加速の目標速度を発生し、第１のスイッチ１２の出力が等速度到達時間に切り替えられると目標速度として規定の等速度を継続して出力する。第２の速度生成部１４はあらかじめ位置偏差(絶対値）に対する目標速度が格納された速度／位置テーブル２０を有し、位置偏差を基に速度／位置テーブル２０の内容を使って、図３に示すように、被駆動体の位置に対して所定の減速特性で減速する仮の目標速度を求めて出力する。この第２の速度生成部１４に入力する位置偏差には加算器２０で位相調整値を加算しているが、これは得られた位置偏差の時間遅れ分を補償するためである。

第２のスイッチ１５は第１の速度生成部１３から目標速度として出力する等速度を入力するとともに入力Ｘとして第２の速度生成部１４で求めた仮の目標速度が入力され、仮の目標速度が等速度に達するまでは等速度を出力し、仮の目標速度が等速度に達すると仮の目標速度を出力する。スイッチ１６は、スイッチ１５の出力と図３に示す低等速度を入力すると共に条件判定用の入力Ｘとして第２の速度生成部１４で求めた仮の目標速度を入力し、仮の目標速度が等速度に達するまでは等速度を出力し、仮の目標速度が等速度に達すると低等速度を出力する。第４のスイッチ１７は第２のスイッチ１５の出力を条件判定用の入力Ｘと入力信号として入力するとともに第３のスイッチ１６の出力を入力し、第２のスイッチ１５から出力する仮の目標速度が低等速度に達するまでは等速度又は仮の目標速度を出力し、第２のスイッチ１５から出力する仮の目標速度が低等速度に達すると低等速度を出力する。符号付加部１８配置偏差の符号を入力して停止目標位置への移動方向を指示する。

この位置決め制御装置の制御系でモータ７の速度を制御して被駆動体の位置制御を行うときの処理を図３の時間に対する速度と位置の変化特性図を参照して説明する。

ステップ１では加速から等速までの制御を行う。この制御では目標速度切替スイッチ１１は目標速度算出部１０に接続されている。そしてシステム側より位置制御開始等の指令を受け取ると、目標速度算出部１０は加速区間において第１の速度生成部１３で時間情報を基に速度／時間テーブル１９の内容を使って目標速度として加速速度を発生して第２のスイッチ１５と第４のスイッチ１７及び符号付加部１８を介して目標速度切替スイッチ１１に出力し、目標速度切替スイッチ１１から速度制御ループに目標速度を送る。この目標速度が規定の等速度に達して第１のスイッチ１２から等速度到達時間が出力されると規定の等速度を目標速度として出力して速度制御ループに送る。並行して第２の速度生成部１４は位置偏差から速度／位置テーブル２０を使って仮の目標速度を求め、第２のスイッチ１５と第３のスイッチ１６に出力する。第２のスイッチ１５は送られている仮の目標速度が等速度以下になったときに、目標速度を等速度から仮の目標速度に切り替えて速度制御ループに送り減速を開始してステップ２に移行する。

ステップ２は減速から低等速までの制御を行う。この制御で目標速度算出部１０は第２の速度生成部１４で求めた仮の目標速度を目標速度として速度制御ループに送り減速させる。この仮の目標速度が規定の低速度に達して第３のスイッチ１６と第４のスイッチ１７が切り替えられると、規定の低速度を速度制御ループに送り、規定の低速度による低速度制御を行い、被駆動体を微移動させる。これと並行して位置コントローラ２は位置偏差の情報を基に被駆動体の実位置が目標位置の極近傍に達したとことを検知すると目標速度切替スイッチ１１を目標速度算出部１０から位置コントローラ２側に切り替えて最終位置決め制御であるステップ３に移行する。

最終位置決め制御であるステップ３に移行すると、位置偏差の情報を基に位置コントローラ２を用いた位置制御ループと速度コントローラ４を用いた速度制御ループにより位置決め制御を行い被駆動体の実位置を目標位置に停止させてその状態を維持する。

この制御系でモータ７の速度を制御して被駆動体の位置制御を行ったときの制御応答をシミュレーションした結果を図４に示す。図４（ａ）はモータ７の駆動電流の時間に対する変化を示し、（ｂ）はモータ７の駆動速度の時間に対する変化を示し、（ｃ）はモータ７の回転により位置を変える被駆動体の位置変化の時間に対する変化を示す。

このように速度コントローラ４で設定された目標速度に実速度が追従するように速度フィードバック制御を行って目標操作量を発生するが、実速度として動作可能な範囲としてはエンコーダ８の分解能やパルスカウンタ９の動作周波数の関係で速度制限する必要がある。またモータ駆動部６では目標操作量に基づいてモータ７を駆動するが、実際にはこの操作量に制限がある場合が殆どであり、ＤＣモータ７の場合には投入できる印加電圧や駆動電流に制限がある。この操作量制限や速度制限をあらかじめ考慮した速度プロファイルを速度／時間テーブル１９と速度／位置テーブル２０に記憶しておき、速度／時間テーブル１９と速度／位置テーブル２０に記憶した速度プロファイルから目標速度を生成して速度フィードバック制御を行い、かつ、目標位置近傍で位置フィードバック制御をすることにより、図４に示すように、モータ７の駆動電流の最大値は、図６に示す従来例の場合と比べて低減されており、かつ位置精度±１（ｐ）以下としたときの整定時間が短くなっている。

また、この発明の制御系では、従来例と同じ駆動機構、制約条件であれば、駆動能力に余裕が生じるため、被駆動体の駆動機構の負荷変動があっても負荷に適した操作量を発生することができ、制御応答のバラツキを大幅に低減できる。また、シミュレーション結果で示したように、等速度精度や位置決め整定時間に優れる効果を有する。

また、図４では目標速度を規定する速度プロファイルとして直線加減速を行った場合について説明したが、加減速の影響で被駆動体や駆動機構に振動が発生する場合には、速度零近傍の加減速軌跡を、あらかじめ高周波成分を除いた速度傾斜にすることにより、被駆動体や駆動機構に加わる振動を低減することができる。

この発明の位置決め制御装置の制御系の構成を示すブロック図である。 目標速度算出部の構成を示すブロック図である。 時間に対する速度と位置の変化特性図である。 位置制御を行ったときの制御応答をシミュレーションした結果を示す特性図である。 従来の位置決め制御系の構成を示すブロック図である。 従来の位置決め制御系の制御応答をシミュレーションした結果を示す特性図である。 キャリッジ駆動機構の構成図である。 紙送り駆動機構の構成図である。

符号の説明

１；減算器、２；位置コントローラ、３；減算器、４；速度コントローラ、
５；速度検出部、６；モータ駆動部、７；モータ、８；エンコーダ、
９；パルスカウンタ、１０：目標速度算出部、１１；目標速度切替スイッチ、
１２；第１のスイッチ、１３；第１の速度生成部、１４；第２の速度生成部、
１５；第２のスイッチ、１６；第３のスイッチ、１７；第４のスイッチ、
１８；符号付加部。

Claims (3)

1. 被駆動体を移動するモータを駆動して被駆動体を目標近傍へ移動するための粗動作を行う目標速度を発生する目標速度算出手段と、
   被駆動体の目標位置と被駆動体の実際の位置との差である位置偏差により被駆動体を目標位置に位置決めを行う微動作を行う目標速度を発生する位置コントローラと、
   前記目標速度算出手段で発生した目標速度及び前記位置コントローラで発生した目標速度を切り替える目標速度切替手段と、
   前記目標速度切替手段で切り替えられた目標速度とモータの実速度との差によりモータの回転速度を制御する速度コントローラとを有し、
   前記目標速度算出手段は、第１の速度生成手段、第２の速度生成手段及び出力速度切替手段を有し、
   前記第１の速度生成手段は、あらかじめ時間に対する目標速度が格納された速度／時間テーブルを有し、加速領域及び等速領域で時間情報を基に速度／時間テーブルの内容を使って加速及び等速の目標速度を発生し、
   前記第２の速度生成手段は、あらかじめ位置偏差に対する目標速度が格納された速度／位置テーブルを有し、目標位置の極近傍までの減速領域で位置偏差を基に速度／位置テーブルの内容を使って被駆動体の位置に対して所定の減速特性で減速する仮の目標速度を求めて出力し、
   前記出力速度切替手段は、前記第２の速度生成手段で発生している仮の目標速度が前記第１の速度生成手段で発生している等速度以下になったとき、目標速度を等速度から仮の目標速度に切り替えて前記目標速度切替手段に出力し、仮の目標速度が予め設定された低等速度に達したとき、目標速度を仮の目標速度から低等速度に切り替えて前記目標速度切替手段に出力し、
   前記目標速度切替手段は、位置偏差の情報を基に被駆動体の実位置が目標位置の極近傍に達したことを検知すると前記速度コントローラへの目標速度の供給を前記位置コントローラ側に切り替えて被駆動体を目標位置に位置決めを行う位置決め制御をすることを特徴とする位置決め制御装置。
2. 前記速度／時間テーブルに格納された時間に対する目標速度の加速軌跡の傾斜と前記速度／位置テーブルに格納された位置偏差に対する目標速度の減速軌跡の傾斜を任意に設定可能な請求項１記載の位置決め制御装置。
3. 前記速度／時間テーブルに格納された時間に対する目標速度と前記速度／位置テーブルに格納された位置偏差に対する目標速度は、速度生成時に速度零近傍の加減速軌跡が高周波成分を予め除いた速度傾斜にしてある請求項１記載の位置決め制御装置。

Images