JP7363428B2 - Control method and control device for linear motor stage - Google Patents
Control method and control device for linear motor stage Download PDFInfo
- Publication number
- JP7363428B2 JP7363428B2 JP2019219886A JP2019219886A JP7363428B2 JP 7363428 B2 JP7363428 B2 JP 7363428B2 JP 2019219886 A JP2019219886 A JP 2019219886A JP 2019219886 A JP2019219886 A JP 2019219886A JP 7363428 B2 JP7363428 B2 JP 7363428B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- linear motor
- control
- motor stage
- surface plate
- controller
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 45
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 claims description 34
- 238000013016 damping Methods 0.000 claims description 20
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 claims description 17
- 238000012546 transfer Methods 0.000 claims description 10
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 7
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 23
- 238000013461 design Methods 0.000 description 16
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 11
- 230000006870 function Effects 0.000 description 9
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 6
- 230000004044 response Effects 0.000 description 4
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 3
- 230000001629 suppression Effects 0.000 description 3
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 2
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 2
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 2
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 2
- 238000005070 sampling Methods 0.000 description 2
- 230000006399 behavior Effects 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 1
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 1
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 1
- 230000002542 deteriorative effect Effects 0.000 description 1
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 1
- 230000005484 gravity Effects 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 1
- 230000001052 transient effect Effects 0.000 description 1
- 125000000391 vinyl group Chemical group [H]C([*])=C([H])[H] 0.000 description 1
- 229920002554 vinyl polymer Polymers 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
- H02P25/00—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of AC motor or by structural details
- H02P25/02—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of AC motor or by structural details characterised by the kind of motor
- H02P25/06—Linear motors
-
- G—PHYSICS
- G05—CONTROLLING; REGULATING
- G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
- G05B11/00—Automatic controllers
- G05B11/01—Automatic controllers electric
- G05B11/36—Automatic controllers electric with provision for obtaining particular characteristics, e.g. proportional, integral, differential
- G05B11/42—Automatic controllers electric with provision for obtaining particular characteristics, e.g. proportional, integral, differential for obtaining a characteristic which is both proportional and time-dependent, e.g. P. I., P. I. D.
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Automation & Control Theory (AREA)
- Control Of Position Or Direction (AREA)
- Control Of Linear Motors (AREA)
- Feedback Control In General (AREA)
Description
本発明は、リニアモータステージの位置を制御する方法及び装置に関する。 The present invention relates to a method and apparatus for controlling the position of a linear motor stage.
工作機械、測定器、半導体製造装置などの産業用機械に使用されるリニアモータステージは、現場にあって重要な役割を果たしている。このリニアモータステージにおける運動精度は、製品の品質及び特性に大きな影響を及ぼすため、高精度で高速な位置決めへの要求が高まっている。 Linear motor stages used in industrial machinery such as machine tools, measuring instruments, and semiconductor manufacturing equipment play an important role in the field. The motion accuracy of this linear motor stage has a large effect on the quality and characteristics of products, so there is an increasing demand for high-precision and high-speed positioning.
従来より、設計・調整が比較的簡単で扱いやすいPID制御が精密機構に広く用いられているが、近年の厳しい要求性能を達成することが難しく、利便性を維持しつつ高い性能を実現できる制御方法が求められている。 Conventionally, PID control, which is relatively easy to design and adjust and is easy to handle, has been widely used for precision mechanisms, but in recent years it has been difficult to achieve the strict performance requirements, so there is a need for control that can achieve high performance while maintaining convenience. A method is needed.
高精度な位置決めが必要な場合、十分な剛性を有する定盤に固定することが一般的であるが、高加速度運動の必要性が年々高まり、定盤を含めた装置全体の振動問題が顕在化しており、その抑制が重要な課題となっている。定盤などに起因する振動を抑制する方法としては、大質量の定盤と高剛性の支柱との組み合わせに加え、アクチュエータを組み込んだアクティブ除振装置または反力補償装置を利用する方法がある。しかしながら、装置が大型化しコストが上昇するという問題があるため、それを許容する機構にしか利用できない。そこで、制御的な対策として、現在主流であるPID制御に変わる、アドバンスド制御(スライディングモード制御または外乱オブザーバを利用したロバスト制御など)を用いた制御が行われている。しかし、モデリングを事前に求める労力を必要とし、基礎となる制御理論の十分な知識も必要となるなど、普及しきれていない。 When high-precision positioning is required, it is common to fix it to a surface plate with sufficient rigidity, but as the need for high-acceleration motion increases year by year, vibration problems of the entire device, including the surface plate, have become apparent. Therefore, its suppression has become an important issue. As a method of suppressing vibrations caused by a surface plate, etc., there is a method of using an active vibration isolator or a reaction force compensator incorporating an actuator, in addition to a combination of a large-mass surface plate and a highly rigid column. However, since there is a problem that the device becomes larger and the cost increases, it can only be used in a mechanism that allows this. Therefore, as a control measure, control using advanced control (sliding mode control, robust control using a disturbance observer, etc.) is being performed in place of the currently mainstream PID control. However, it has not become widespread because it requires a lot of effort to perform modeling in advance and requires sufficient knowledge of the underlying control theory.
ところで、高精度及び扱いやすさを両立する制御系設計法として、簡単な開ループ実験とコントローラのパラメータ調整とから高精度位置決め制御系を設計することができるNCTF(Nominal Characteristic Trajectory Following) 制御法が知られている。しかし、このNCTF制御法にあっても、顕在化する振動問題は解決されていないことが実情である。 By the way, as a control system design method that achieves both high accuracy and ease of use, the NCTF (Nominal Characteristic Trajectory Following) control method is used to design a high-precision positioning control system from simple open-loop experiments and controller parameter adjustment. Are known. However, even with this NCTF control method, the actual situation is that the vibration problem that has become apparent has not been solved.
本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、設計の流れ、制御器の調整が容易であり、制御理論に関する特別な知識を必要とせずに、高精度で高速な位置決めを可能とする、NCTF制御法に基づくリニアモータステージの制御方法及び制御装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and allows for easy design flow and controller adjustment, and enables high-accuracy and high-speed positioning without requiring special knowledge of control theory. , an object of the present invention is to provide a control method and a control device for a linear motor stage based on the NCTF control method.
本発明の他の目的は、定盤振動が定盤・テーブル間の相対変位に及ぼす影響が低減し、定盤に対するテーブルの剛性を向上して、定盤振動にテーブルが追従することで相対変位には定盤振動の影響が現れない、NCTF制御法に基づくリニアモータステージの制御方法及び制御装置を提供することにある。 Another object of the present invention is to reduce the influence of surface plate vibration on the relative displacement between the surface plate and the table, improve the rigidity of the table with respect to the surface plate, and reduce the relative displacement by allowing the table to follow the surface plate vibration. An object of the present invention is to provide a control method and a control device for a linear motor stage based on the NCTF control method, in which the influence of surface plate vibration does not appear.
本発明に係るリニアモータステージの制御方法は、定盤に平行に設置された2つのリニアモータをテーブルで接続した2軸のリニアモータステージの位置を制御する方法であって、前記リニアモータステージへの入力信号を用いた開ループ実験より得られる規範特性軌跡に基づく制御を行うNCTF制御と、前記定盤の振動に前記テーブルを追従させる第1の制御と、前記定盤の振動に前記テーブルを追従させる過程で発生する高周波振動を抑制する第2の制御とを用いることを特徴とする。 A method for controlling a linear motor stage according to the present invention is a method for controlling the position of a two-axis linear motor stage in which two linear motors installed parallel to a surface plate are connected by a table. NCTF control performs control based on a reference characteristic locus obtained from an open-loop experiment using an input signal; first control causes the table to follow the vibration of the surface plate; It is characterized by using a second control that suppresses high-frequency vibrations generated in the process of following the .
本発明に係るリニアモータステージの制御装置は、定盤に平行に設置された2つのリニアモータをテーブルで接続した2軸のリニアモータステージの位置を制御する装置であって、前記リニアモータステージへの入力信号を用いた開ループ実験より得られる規範特性軌跡に基づく制御を行うNCTF制御系と、前記定盤の振動に前記テーブルを追従させる第1制御部と、前記定盤の振動に前記テーブルを追従させる過程で発生する高周波振動を抑制する第2制御部とを備えることを特徴とする。 A linear motor stage control device according to the present invention is a device for controlling the position of a two-axis linear motor stage in which two linear motors installed parallel to a surface plate are connected by a table, and the linear motor stage is connected to the linear motor stage. an NCTF control system that performs control based on a reference characteristic locus obtained from an open-loop experiment using an input signal; a first control section that causes the table to follow the vibration of the surface plate; and a second control section that suppresses high-frequency vibrations generated in the process of following the .
本発明にあっては、NCTF制御を利用するとともに定盤の振動にテーブルを追従させ、定盤の振動にテーブルを追従させる過程で発生する高周波振動を抑制する。定盤に対するテーブルの相対運動は、定盤の振動の影響を受けることがなくなり、定盤に対するテーブルの相対的な位置決め時間が短くなり、また、高周波振動を抑制できるため、2軸のリニアモータステージ(ガントリステージ)における高精度で高速な位置決めがなされる。 In the present invention, NCTF control is utilized, the table is made to follow the vibration of the surface plate, and high frequency vibrations generated in the process of making the table follow the vibration of the surface plate are suppressed. The relative movement of the table to the surface plate is no longer affected by the vibrations of the surface plate, the time required to position the table relative to the surface plate is shortened, and high frequency vibrations can be suppressed, making it possible to use a two-axis linear motor stage. High-accuracy and high-speed positioning at the (gantry stage) is performed.
本発明に係るリニアモータステージの制御方法は、2軸のリニアモータステージの変位の平均で示される前記テーブルの中心変位をフィードバックして制御することを特徴とする。 The method for controlling a linear motor stage according to the present invention is characterized in that the center displacement of the table, which is represented by the average displacement of the two-axis linear motor stage, is controlled by feedback.
本発明に係るリニアモータステージの制御装置は、2軸のリニアモータステージの変位を加算する加算器と、前記加算器の加算結果の1/2を求める1/2器とを備え、前記1/2器の出力をフィードバックして制御するようにしたことを特徴とする。 A control device for a linear motor stage according to the present invention includes an adder that adds displacements of a two-axis linear motor stage, and a 1/2 unit that calculates 1/2 of the addition result of the adder, the 1/2 The feature is that the outputs of the two devices are fed back for control.
本発明にあっては、2軸のリニアモータステージの変位(xs1,xs2)の平均で示されるテーブルの中心変位((xs1+xs2)/2)をフィードバックして制御する、いわゆる重心位置制御を行う。よって、各リニアモータステージへの指令値は同じであり、構成が簡素である。 In the present invention, the so-called center of gravity is controlled by feedback of the center displacement ((x s1 +x s2 )/2) of the table, which is represented by the average displacement (x s1 , x s2 ) of the two-axis linear motor stage. Perform position control. Therefore, the command value to each linear motor stage is the same, and the configuration is simple.
本発明に係るリニアモータステージの制御方法は、前記第2の制御は、F(s)=Kc ・s(Kc :減衰性能調整のためのゲイン)を満たす微分器により、前記高周波振動を抑制することを特徴とする。 In the method for controlling a linear motor stage according to the present invention, the second control suppresses the high-frequency vibration using a differentiator that satisfies F(s)=Kc·s (Kc: gain for adjusting damping performance). It is characterized by
本発明に係るリニアモータステージの制御装置は、前記第2制御部は、Fd (s)=Kc ・s(Kc :減衰性能調整のためのゲイン)を満たす微分器を有することを特徴とする。 The linear motor stage control device according to the present invention is characterized in that the second control section includes a differentiator that satisfies F d (s) = K c ·s (K c : gain for adjusting damping performance). shall be.
本発明にあっては、定盤の振動にテーブルを追従させる過程で発生する高周波振動を抑制するために、Fd (s)=Kc ・s(Kc :減衰性能調整のためのゲイン)を満たす微分器を用いる。簡素な構成により、高周波振動の抑制効果が得られる。 In the present invention, in order to suppress high-frequency vibrations that occur during the process of making the table follow the vibrations of the surface plate, F d (s) = K c · s (K c : gain for adjusting damping performance). Use a differentiator that satisfies the following. The simple configuration provides the effect of suppressing high frequency vibrations.
本発明に係るリニアモータステージの制御方法は、各軸のリニアモータステージの変位差の微分を局所フィードバックして、前記テーブルの回転振動を抑制することを特徴とする。 A method for controlling a linear motor stage according to the present invention is characterized in that rotational vibration of the table is suppressed by locally feeding back the differential of the displacement difference of the linear motor stage for each axis.
本発明に係るリニアモータステージの制御装置は、前記第2制御部は、各軸のリニアモータステージの変位差の微分を局所フィードバックする制御器を有することを特徴とする。 The linear motor stage control device according to the present invention is characterized in that the second control section includes a controller that locally feeds back the differential of the displacement difference of the linear motor stage for each axis.
本発明にあっては、テーブルの回転振動を抑制するために、各軸のリニアモータステージの変位差の微分を局所フィードバックする。各軸の同期ずれによるテーブルの回転振動を効率よく抑制する。 In the present invention, in order to suppress rotational vibration of the table, the differential of the displacement difference of the linear motor stage of each axis is locally fed back. To efficiently suppress rotational vibration of the table due to out-of-synchronization of each axis.
本発明に係るリニアモータステージの制御方法は、前記第1の制御は、後述する式(6)で表される伝達関数を有するバンドパスフィルタ(ωb :角振動数、ζ1 ,ζ2 :減衰係数)により、前記定盤の振動に前記テーブルを追従させることを特徴とする。 In the linear motor stage control method according to the present invention, the first control includes a bandpass filter (ωb: angular frequency, ζ1, ζ2: damping coefficient) having a transfer function expressed by equation (6) described below. Accordingly, the table is made to follow the vibration of the surface plate.
本発明に係るリニアモータステージの制御装置は、前記第1制御部は後述する式(6)で表される伝達関数を有するバンドパスフィルタであることを特徴とする。 The linear motor stage control device according to the present invention is characterized in that the first control section is a bandpass filter having a transfer function expressed by equation (6) described below.
本発明にあっては、定盤の振動にテーブルを追従させるために、後述する式(6)で表される伝達関数を有するバンドパスフィルタを用いる。よって、制御系の構成がより簡素化する。 In the present invention, in order to cause the table to follow the vibration of the surface plate, a bandpass filter having a transfer function expressed by equation (6) described later is used. Therefore, the configuration of the control system is further simplified.
本発明に係るリニアモータステージの制御方法は、前記NCTF制御にフィードフォワード制御を加えることを特徴とする。 A method for controlling a linear motor stage according to the present invention is characterized in that feedforward control is added to the NCTF control.
本発明に係るリニアモータステージの制御装置は、前記NCTF制御系にフィードフォワード制御を加えるフィードフォワード制御器を更に備えることを特徴とする。 The linear motor stage control device according to the present invention is characterized in that it further includes a feedforward controller that applies feedforward control to the NCTF control system.
本発明にあっては、学習制御を利用したフィードフォワード制御をNCTF制御に加える。よって、より高精度で高速な位置決めがなされる。 In the present invention, feedforward control using learning control is added to NCTF control. Therefore, positioning can be performed with higher precision and higher speed.
本発明のリニアモータステージの制御方法及び制御装置では、設計の流れ、制御器の調整が容易であり、制御理論の十分な知識を必要とせずに、高精度で高速な位置決めを実現することができる。定盤の振動にテーブルを追従させるので、定盤に対するテーブルの相対運動は定盤の振動の影響を受けることかなくなり、テーブルの定盤に対する相対的な位置決めを短時間で完了することができる。 With the linear motor stage control method and control device of the present invention, the design flow and controller adjustment are easy, and high-precision and high-speed positioning can be achieved without requiring sufficient knowledge of control theory. can. Since the table follows the vibration of the surface plate, the relative movement of the table with respect to the surface plate is not affected by the vibration of the surface plate, and the relative positioning of the table with respect to the surface plate can be completed in a short time.
以下、本発明をその実施の形態を示す図面に基づいて詳述する。 DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The present invention will be described in detail below based on drawings showing embodiments thereof.
まず、本発明の基礎となるフィードバック制御系としてのNCTF制御系について、簡単に説明する。図1は、NCTF制御系の一般的な構成を示すブロック線図である。 First, the NCTF control system as a feedback control system that is the basis of the present invention will be briefly explained. FIG. 1 is a block diagram showing a general configuration of an NCTF control system.
NCTF制御系にあっては、望ましい減衰特性を位相面上に表記してなる規範特性軌跡(Nominal Characteristic Trajectory:NCT)と、制御対象(プラント)の動作をNCTに拘束して、位相面上の原点で停止させるためのPI補償器とから構成される。NCTは簡単な開ループ実験より作成され、PI補償器のゲインはステップ応答及び軌跡制御実験により最適な値に決定される。そのため、NCTF制御系では、詳細なモデルパラメータを必要とせず、制御理論の知識なしでも容易にその設計が可能である。開ループ実験は、モータに矩形波の電流指令を与えて行うのが望ましい。また、その矩形波入力の大きさと時間は、テーブルが可動領域内で目標最大速度を超えて動作するように調整をするのが望ましい。 In the NCTF control system, the desired damping characteristics are expressed on the phase plane (Nominal Characteristic Trajectory: NCT), the operation of the controlled object (plant) is constrained to the NCT, and the desired damping characteristics are expressed on the phase plane. It consists of a PI compensator for stopping at the origin. The NCT is created through simple open-loop experiments, and the gain of the PI compensator is determined to an optimal value through step response and trajectory control experiments. Therefore, the NCTF control system does not require detailed model parameters and can be easily designed without knowledge of control theory. It is desirable to perform open-loop experiments by giving a rectangular wave current command to the motor. It is also desirable to adjust the magnitude and duration of the rectangular wave input so that the table moves within the movable region above the target maximum speed.
まず、矩形波信号を用いて制御対象を実際に加減速運動させる開ループ実験を行って、制御対象(プラント)の実際の動作結果を取得する。NCTは開ループ変位応答波形の減速領域を利用し、横軸を変位の最終値と過渡応答との差(仮想誤差)、縦軸をその微分として位相平面上に記述される。NCTの原点近傍ではさらに仮想誤差の微分が所定値以下となる点の傾きで直線近似を行う。 First, an open-loop experiment is conducted in which the controlled object is actually accelerated and decelerated using a rectangular wave signal, and the actual operation results of the controlled object (plant) are obtained. NCT utilizes the deceleration region of the open-loop displacement response waveform, and is described on a phase plane with the horizontal axis representing the difference (virtual error) between the final displacement value and the transient response, and the vertical axis representing the differential. Near the origin of the NCT, linear approximation is further performed using the slope of the point where the differential of the virtual error is less than or equal to a predetermined value.
続いて、PI補償器のゲインの調整を行う。比例ゲインKp は比例制御のみを使用した所定高さのステップ応答実験より決定する。また、積分ゲインKI は、三角波加速度目標値の2階積分を目標変位軌跡として、軌跡制御実験を行い、停止位置近傍での軌跡追従性能が最も良く、安定性が保たれる値に決定する。積分器には下記式(1)の条件に従う飽和条件付き積分器を用いる。 Subsequently, the gain of the PI compensator is adjusted. The proportional gain K p is determined from a step response experiment at a predetermined height using only proportional control. In addition, the integral gain K I is determined by conducting a trajectory control experiment using the second-order integral of the triangular wave acceleration target value as the target displacement trajectory, and is determined to a value that provides the best trajectory tracking performance near the stop position and maintains stability. . As the integrator, an integrator with a saturation condition that complies with the condition of equation (1) below is used.
なお、式(1)の各パラメータは、図1に示すように、up は現時点における偏差の微分値とNCT出力値との差、u0 はP制御器の出力値、ui はI制御器の出力値、Δui はui の変化率、us は増幅器に送ることが可能な操作量の最大絶対値を示す。 As shown in Figure 1, each parameter in equation (1) is as follows: u p is the difference between the differential value of the deviation at the current moment and the NCT output value, u 0 is the output value of the P controller, and u i is the I control Δu i is the rate of change of u i , and u s is the maximum absolute value of the manipulated variable that can be sent to the amplifier.
図2は、本発明における制御方法及び制御装置が適用されるリニアモータステージの構成を示す概略図である。図2において、1は定盤であり、定盤1は複数の脚部1aを有し、アジャスター1bで接地されている。定盤1上には、リニアモータによって移動可能であるテーブル2が設置されている。使用するリニアモータは、例えば電磁石である可動子と永久磁石からなる固定子とを有するコアレスリニアモータである。
FIG. 2 is a schematic diagram showing the configuration of a linear motor stage to which the control method and control device of the present invention are applied. In FIG. 2, 1 is a surface plate, and the
図3は、本発明の実施形態における制御系を示すブロック線図である。この制御系には、NCT、PI補償器などを有するNCTF制御系11と、第1の制御器12と、第2の制御器13と、制御対象としてのプラント14とが含まれている。NCTF制御系11に追加された第1の制御器12及び第2の制御器13が、本発明の特徴要素である。
FIG. 3 is a block diagram showing a control system in an embodiment of the present invention. This control system includes an
第1の制御器12は、定盤1の振動を抑制するために設けられた制御器であり、具体的には後述する式(6)で表される伝達関数を有するバンドパスフィルタ(B(s))である。第2の制御器16は、定盤1の振動にテーブル2が追従する過程で発生する高周波振動を抑制するために設けられた制御器であり、具体的には微分器(F(s))である。
The
図3に示す制御系は、簡単な開ループ実験とコントローラのパラメータ調整とから高精度な位置決め制御系を設計することができるNCTF制御系11を基本とし、除去困難な装置架台の残留振動にテーブル2が追従するための後述する式(6)で表される伝達関数を有するバンドパスフィルタ(B(s))及び高周波振動を抑制するための微分器(F(s))を追加した制御系である。
The control system shown in Fig. 3 is based on the
以下、図3に示すような制御系の設計手順、調整方法について説明する。 The design procedure and adjustment method for a control system as shown in FIG. 3 will be described below.
図4は、1軸リニアモータステージの力学的モデルを示す図である。以下の説明では、対象の定性的な特性のみを利用し、詳細モデルを必要としない制御系設計法とするが、本発明の説明に際し、図4に示す力学モデルにおけるパラメータの同定法についても併せて説明しておく。テーブル2が高速運動する際の定盤振動が定盤1に対するテーブル2の相対変位x2 -x1 に及ぼす影響を低減するための制御系検討に力学モデルを利用する。そのため、定盤1を含む2慣性系でモデル化を行っている。モデル化においては、リニアガイド及び固定子等を含む、可動部分以外のすべての部品を纏めて定盤と見なし、質量m1 の質点としている。また、リニアボールガイドには微視的領域において非線形ばね特性が存在し微小挙動に影響を与えるため、巨視的領域(a)と微視的領域(b)とでモデルの切り替えを行う。
FIG. 4 is a diagram showing a mechanical model of a 1-axis linear motor stage. In the following explanation, we will discuss a control system design method that uses only the qualitative characteristics of the target and does not require a detailed model, but when explaining the present invention, we will also explain the parameter identification method in the dynamic model shown in Figure 4. Let me explain. A dynamic model is used to study a control system to reduce the influence of surface plate vibration when table 2 moves at high speed on the relative displacement x 2 −x 1 of table 2 with respect to
巨視的領域における運動方程式は下記式(2)で表され、微視的領域における運動方程式は下記式(3)で表される。なお、m1:定盤1の質量、m2 :テーブル2の質量、c1 :定盤1の粘性係数、c2 :非線形ばねの粘性係数、c3 :テーブル2の粘性係数、k1 :定盤1のばね係数、k2 :非線形ばねのばね係数、f:クーロン摩擦力、p:推力である。
The equation of motion in the macroscopic domain is expressed by the following equation (2), and the equation of motion in the microscopic domain is expressed by the following equation (3). In addition, m 1 : mass of
各モデルパラメータの同定方法を説明する。
(a)クーロン摩擦力f
リニアガイドのクーロン摩擦力はロードセルを用いて測定する。ロードセルをガイドに取り付け、テーブル2とビニール紐で繋ぎ、テーブル2が静止した状態からロードセルをほぼ一定の速度でゆっくり移動させてテーブル2を引張り、そのときの摩擦力をロードセルで測定し、テーブル変位をエンコーダで測定する。
We will explain how to identify each model parameter.
(a) Coulomb friction force f
The Coulomb friction force of the linear guide is measured using a load cell. Attach the load cell to the guide, connect it to the table 2 with a vinyl string, move the load cell slowly at a nearly constant speed from a stationary state to pull the table 2, measure the frictional force at that time with the load cell, and measure the table displacement. is measured with an encoder.
(b)テーブル2の粘性係数c3
テーブル2の粘性係数は、巨視的領域と微視的領域との両領域に含まれる要素である。この係数は速度低下と共に増加する傾向が見られるため、速度の関数として扱う。1慣性系の運動方程式を粘性係数について解くと、下記式(4)が得られる。
(b) Viscosity coefficient c 3 in Table 2
The viscosity coefficients in Table 2 are elements included in both the macroscopic area and the microscopic area. Since this coefficient tends to increase as the speed decreases, it is treated as a function of speed. When the equation of motion of a one-inertia system is solved for the viscosity coefficient, the following equation (4) is obtained.
式(4)の離散系は、後退差分法を用いて下記式(5)で表される。添え字のjはサンプリング番号、Ts はサンプリング周期である。 The discrete system of equation (4) is expressed by equation (5) below using the backward difference method. The subscript j is the sampling number, and T s is the sampling period.
電流を印加していない状態であれば推力p=0とできるため、テーブル2が所定速度の状態から自然に停止するまでの変位を測定する実験を行って、減速領域の測定変位を式(5)に適用して、粘性係数c3 を導出する。 Since the thrust force p can be set to 0 when no current is applied, an experiment was conducted to measure the displacement of the table 2 from a predetermined speed until it stops naturally, and the measured displacement in the deceleration region was calculated using the formula (5 ) to derive the viscosity coefficient c3 .
(c)定盤1のばね定数k1
定盤1のばね定数は、矩形波加減速入力での開ループ実験より決定する。減速矩形波入力後、入力がゼロになっても振動が減衰するまでに時間を要しており、この振動は定盤1の揺れに起因するものであると考えられる。そこで、この振動波形をFFT解析して定盤1の振動周波数fs を求め、下記のように定盤1のばね定数k1 を導出する。
k1 =(2πfs )2 ・m1
(c) Spring
The spring constant of the
k 1 = (2πf s ) 2・m 1
(d)定盤1の粘性係数c1 と非線形ばねの粘性係数c2 及びばね定数k2
残りのパラメータである定盤1の粘性係数c1 と非線形ばねの粘性係数c2 及びばね定数k2 は、開ループ実験結果にモデルを用いたシミュレーション結果がフィッティングするように微調整して決定する。
(d) Viscosity coefficient c 1 of
The remaining parameters, the viscosity coefficient c 1 of the
以上が図4に示す力学モデルのパラメータの同定方法である。本発明については、パラメータの同定は不要である。 The above is the method for identifying parameters of the dynamic model shown in FIG. 4. For the present invention, parameter identification is not required.
以下、高速運動時に発生する定盤振動の影響を抑制し、制御性能を改善するための制御系の基本的な考え方とその設計手順とについて説明する。 Below, we will explain the basic concept of a control system and its design procedure for suppressing the effects of surface plate vibration that occurs during high-speed motion and improving control performance.
制御性能劣化要因となる定盤振動の低減に有効な制御系を検討する。前述した力学モデルは巨視的運動時と微視的運動時とで2つのモデルを切り替えるものであったが、停止位置では制御対象は微視的モデルの状態にあると考えられるため、本発明の制御系は、図5に示すような微視的モデルに基づいて導出する。なお、図5にあって、図4と同じパラメータには同じ符号を付し、d:外乱である。 We will investigate a control system that is effective in reducing surface plate vibration, which is a factor in deteriorating control performance. The above-mentioned mechanical model switches between two models during macroscopic movement and microscopic movement, but since the controlled object is considered to be in the state of the microscopic model at the stop position, the present invention The control system is derived based on a microscopic model as shown in FIG. Note that in FIG. 5, the same parameters as in FIG. 4 are given the same symbols, and d: disturbance.
高速運動時に定盤振動が位置精度の劣化要因となるのは、テーブル2の高加減速運動によって定盤1に振動が励起され、テーブル2が停止位置に到達した後もその振動が残留して外乱的に働き、定盤1に対するテーブル2の相対変位に影響を及ぼすためであると考えられる。定盤1とテーブル2との質量差は大きく(例えば、定盤1:200kg、テーブル2:2kg程度)、テーブル2の制御によってこの残留振動を除去することは困難である。よって定盤1と同じようにテーブル2が揺れて、定盤1に対するテーブル2の相対変位に定盤振動の影響が現れないようにすることが現実的である。言い換えると定盤1の振動にテーブル2を追従させることが現実的である。
The reason why surface plate vibration deteriorates positional accuracy during high-speed motion is that vibrations are excited in
したがって、テーブル2は定盤振動の振動数で運動を行える必要があり、共振点が存在しないことが望ましい。そこで、振動数fs の目標値入力に対する追従性を向上するため、図6に示すようにNCTF制御系のPI補償器に下記式(6)で表される制御器B(s)を直列に配置し、振動数fs における剛性の向上を図る。なお、式(6)にあって、ωb :角振動数、ζ1 ,ζ2 :減衰係数である。 Therefore, the table 2 needs to be able to move at the frequency of the surface plate vibration, and it is desirable that there is no resonance point. Therefore, in order to improve the followability of the frequency f s to the target value input, a controller B(s) expressed by the following formula (6) is connected in series to the PI compensator of the NCTF control system, as shown in Figure 6. to improve rigidity at the frequency f s . In Equation (6), ω b : angular frequency, ζ 1 , ζ 2 : damping coefficient.
制御器B(s)をPI補償器に直列に配置することにより、NCTF制御のみを用いた場合より、目標値追従性能が向上する。また、制御器B(s)を設けることにより、振動数fs のゲインが下降して外乱dの影響を抑制する特性の向上を図れる。 By arranging the controller B(s) in series with the PI compensator, the target value tracking performance is improved compared to the case where only NCTF control is used. Further, by providing the controller B(s), the gain of the frequency f s decreases, thereby improving the characteristic of suppressing the influence of the disturbance d.
減衰係数ζ2 の値を小さく設定するほど、制御器B(s)の減衰性能の向上を期待できる。しかしながら、制御器B(s)の減衰係数ζ2 の値を小さく設定した場合には、非線形ばねに起因する、高周波振動が発生しやすくなる。 The smaller the value of the damping coefficient ζ 2 is set, the more the damping performance of the controller B(s) can be expected to improve. However, if the value of the damping coefficient ζ 2 of the controller B(s) is set to a small value, high frequency vibrations due to the nonlinear spring are likely to occur.
そこで、このような高周波振動を抑制するための制御について検討する。前記式(3)で表される微視的モデルの運動方程式をラプラス変換すると、下記式(7)が得られる。 Therefore, we will consider control to suppress such high-frequency vibrations. When the equation of motion of the microscopic model expressed by the above equation (3) is subjected to Laplace transform, the following equation (7) is obtained.
ここで簡単のために、下記式(8)のように置きかえる。 Here, for simplicity, it is replaced as shown in equation (8) below.
式(8)を用いて、式(7)を書き換えると下記式(9)が得られる。 By rewriting the equation (7) using the equation (8), the following equation (9) is obtained.
この伝達関数で表される機構に、図7に示すように配置することで機構の減衰特性を向上させるような制御器F(s)を検討する。制御器F(s)を含む伝達関数は、下記式(10)で表される。そして、式(10)の分母を下記式(11)のように因数分解できれば、任意に決定できるパラメータGc によって非線形ばねのパラメータを含むc2 +c3 及びk2 を調整できることになる。そのためには、制御器F(s)を下記式(12)のように設計すれば良い。 Consider a controller F(s) that improves the damping characteristics of the mechanism by arranging it as shown in FIG. 7 in the mechanism represented by this transfer function. A transfer function including the controller F(s) is expressed by the following equation (10). If the denominator of equation (10) can be factorized as shown in equation (11) below, then c 2 +c 3 and k 2 including the parameters of the nonlinear spring can be adjusted by the arbitrarily determined parameter G c . For this purpose, the controller F(s) may be designed as shown in equation (12) below.
減衰性能を向上させるためには、Gc =Kc ・sとすれば、式(10)の分母は、下記式(13)のように変形でき、減衰係数を任意に設定することができる。このときの制御器F(s)の伝達関数を下記式(14)に示す。 In order to improve the damping performance, if G c =K c ·s, the denominator of equation (10) can be modified as shown in equation (13) below, and the damping coefficient can be set arbitrarily. The transfer function of the controller F(s) at this time is shown in the following equation (14).
このような制御器F(s)をNCTF制御系に追加したブロック線図の一例を図8に示す。図8のように制御器F(s)を局所フィードバックの位置に配置した場合には、制御器F(s)への入力が相対変位x2 -x1 となり、定盤変位x1 とテーブル変位x2 との原点は開始位置にあるため、目標値が変化する場合、制御器F(s)はテーブル2の動作を妨げようとする力を出力してしまう。制御器F(s)は、テーブル2を最終の停止位置に留める力、即ち最終の停止位置からの変位誤差をゼロにする力を出力しなければならないため、入力が変位誤差となるような位置に制御器F(s)を配置すべきである。この場合の制御系のブロック線図を図9に示す。 FIG. 8 shows an example of a block diagram in which such a controller F(s) is added to the NCTF control system. When the controller F(s) is placed at the local feedback position as shown in Figure 8, the input to the controller F(s) is the relative displacement x 2 - x 1 , and the surface plate displacement x 1 and the table displacement Since the origin with x 2 is at the starting position, if the target value changes, the controller F(s) will output a force that attempts to prevent the table 2 from operating. The controller F(s) must output a force that keeps the table 2 at the final stop position, that is, a force that makes the displacement error from the final stop position zero, so the controller F(s) must output a force that keeps the table 2 at the final stop position, that is, a force that makes the displacement error from the final stop position zero. The controller F(s) should be placed at . A block diagram of the control system in this case is shown in FIG.
NCTF制御系に上述したような制御器B(s)及び制御器F(s)を追加したブロック線図が、前述した図3である。制御器B(s)(第1の制御器12)を追加したことにより持ち上がった高周波域のゲインを、制御器F(s)(第2の制御器13)を併用することにより、NCTF制御の場合と同程度まで下げることができる。この結果、NCTF制御系に定盤振動にテーブル2を追従させる制御器B(s)を追加したことで発生しやすくなる非線形ばねに起因する高周波振動を、制御器F(s)を追加することによって抑制できる。制御器B(s)を追加することによって下がった高周波振動の減衰率が、制御器F(s)を併用することでNCTF制御系のみの場合よりも向上する。また、外乱特性については、制御器F(s)を併用した場合でも制御器B(s)の効果を維持できる。以上より、制御器F(s)を併用することで制御器B(s)の定盤振動への追従効果を損なうことなく、高周波振動の抑制効果が期待できる。 The above-mentioned FIG. 3 is a block diagram in which the above-mentioned controller B(s) and controller F(s) are added to the NCTF control system. By using the controller F(s) (second controller 13) together with the gain in the high frequency range that has been increased by adding the controller B(s) (first controller 12), the NCTF control can be increased. It can be lowered to the same level as the case. As a result, adding controller F(s) to the NCTF control system eliminates high-frequency vibrations caused by nonlinear springs that are likely to occur by adding controller B(s) that causes table 2 to follow vibrations of the surface plate. can be suppressed by The attenuation rate of high-frequency vibrations, which was lowered by adding the controller B(s), is improved by using the controller F(s) in combination than in the case of only the NCTF control system. Furthermore, regarding the disturbance characteristics, even when the controller F(s) is used in combination, the effect of the controller B(s) can be maintained. From the above, by using the controller F(s) in combination, the effect of suppressing high-frequency vibrations can be expected without impairing the effect of the controller B(s) in following the surface plate vibrations.
制御器F(s)を併用することで高周波振動を発生することなく、減衰係数ζ2 の値を下げることができる。制御器B(s)の追加によって現れる高周波振動のピークが制御器F(s)の併用により消え、制御器F(s)による高周波振動抑制効果が得られる。 By using the controller F(s) in combination, the value of the damping coefficient ζ 2 can be lowered without generating high-frequency vibrations. The peak of high frequency vibration that appears due to the addition of the controller B(s) disappears by the combined use of the controller F(s), and the high frequency vibration suppressing effect of the controller F(s) is obtained.
ところで、式(14)で表される制御器F(s)を設計するためには、パラメータk1 ,k2 ,c1 ,c2 +c3,m1 +m2 を同定する必要がある。ここで、k1 は前述したように開ループ実験から推定することができ、機構の質量m1 ,m2 は既知であると考えても、残りのパラメータの同定には手間がかかるため、制御系の簡単な設計を行えない事態も考えられる。 By the way, in order to design the controller F(s) expressed by equation (14), it is necessary to identify parameters k 1 , k 2 , c 1 , c 2 +c 3 , m 1 +m 2 . Here, k 1 can be estimated from an open-loop experiment as described above, and even if we assume that the masses m 1 and m 2 of the mechanism are known, identifying the remaining parameters is time-consuming, so the control There may also be situations where a simple design of the system cannot be performed.
そこで、以下のようにして、高周波振動抑制のための制御器F(s)の簡素化を図る。式(10)より、制御器F(s)を局所フィードバックに持つ機構の伝達関数は、下記式(15)で表される。 Therefore, the controller F(s) for suppressing high frequency vibrations is simplified as follows. From the equation (10), the transfer function of the mechanism having the controller F(s) as local feedback is expressed by the following equation (15).
本発明で用いるリニアモータステ-ジは比較的簡素な定盤の上に設置されているが、それでもテーブルを含むステージ可動部の質量に対して可動部を除く装置の質量は非常に大きく、m1 >>m2 の関係が成り立つと言える。この条件を満たす場合、m2 の項を無視することにより、式(15)の第1項に含まれる分数部分は下記式(16)のように近似できる。このとき、式(15)は下記式(17)で表される。 Although the linear motor stage used in the present invention is installed on a relatively simple surface plate, the mass of the device excluding the movable part is still very large compared to the mass of the stage movable part including the table. It can be said that the relationship 1 >> m 2 holds true. When this condition is satisfied, the fractional part included in the first term of equation (15) can be approximated as shown in equation (16) below by ignoring the term m 2 . At this time, equation (15) is expressed by equation (17) below.
従って、減衰性能を向上するためには、制御器F(s)は下記式(18)を満たせば良い。この場合の簡単化された制御器F(s)を式(14)と区別するためにFd (s)とする。
Fd (s)=Kc ・s (18)
Therefore, in order to improve the damping performance, the controller F(s) should satisfy the following equation (18). The simplified controller F(s) in this case is designated as F d (s) to distinguish it from Equation (14).
F d (s)=K c・s (18)
このように、m1 >>m2 の条件を満たす場合には式(14)の第2項が省略可能であるため、パラメータは減衰性能調整のためのゲインであるKc のみを決定すれば良く、各種のモデルパラメータを同定する必要がない。このような場合でも、高周波振動の抑制効果は失われない。 In this way, if the condition of m 1 >> m 2 is satisfied, the second term of equation (14) can be omitted, so the only parameter that needs to be determined is K c , which is the gain for adjusting the damping performance. Good, there is no need to identify various model parameters. Even in such a case, the effect of suppressing high frequency vibrations is not lost.
図3に示した制御系を使用して、以下の順序にて設計、調整を行う。
(ステップ1:NCTF制御系11の設計及び問題となる振動周波数fs の特定)
まず、前述した手順で基礎となるNCTF制御系(図1参照)の設計を行う。また、NCT作成のために行う開ループ実験で得られる変位波形及び速度波形を例えばFFT解析することにより、高速運動時に問題となる振動周波数fs を実験的に特定する。
Using the control system shown in FIG. 3, design and adjustment are performed in the following order.
(Step 1: Design of
First, the basic NCTF control system (see FIG. 1) is designed using the procedure described above. Further, by performing, for example, FFT analysis on the displacement waveform and velocity waveform obtained in an open-loop experiment performed for NCT creation, the vibration frequency f s that becomes a problem during high-speed motion is experimentally identified.
(ステップ2:定盤振動にテーブル2を追従させる制御器B(s)の設計・調整)
ステップ1で特定した振動を抑制するためにNCTF制御系のPI補償器に直列に配置する制御器B(s)(図6参照)の設計、調整を行う。制御器B(s)の各パラメータの設定法を以下に示す。
(a)ωb
制御器B(s)は周波数fb =ωb /2πにおけるPI補償器の出力を増幅させるため、ステップ1で特定した問題となる周波数fsとfb とを一致させてωb =2πfs と設定する。
(b)ζ1 とζ2
制御器B(s)はζ1 とζ2 との差が大きいほど周波数fb における増幅率が大きく、振動抑制効果を期待できる。しかし、ζ2 を下げすぎると新たに高周波振動が発生してしまう恐れがあるため、新たな振動が発生しない範囲内で、定盤振動の影響を十分に抑制することができるようにζ1 とζ2 との値を調整する必要がある。そのため例えばζ1 =0.9に設定し、ζ2 (<ζ1 )の値を徐々に下げながら制御実験を行って適切な増幅率が得られるように調整する。なお、本明細書においてはζ1 =0.9に設定した。ζ1 =0.9は本制御法における有力値(好ましい値)の一つであるが、この値に限定されるものではなく、適用される制御系の仕様に合わせてζ1 の値は適宜設定すればよい。
(Step 2: Design and adjustment of controller B(s) that causes table 2 to follow surface plate vibration)
In order to suppress the vibration identified in
(a) ω b
In order to amplify the output of the PI compensator at the frequency f b =ω b /2π, the controller B(s) matches the problematic frequency f s identified in
(b) ζ 1 and ζ 2
The controller B(s) has a larger amplification factor at the frequency f b as the difference between ζ 1 and ζ 2 becomes larger, and a vibration suppressing effect can be expected. However, if ζ 2 is lowered too much, there is a risk that new high-frequency vibrations will occur, so ζ 1 and It is necessary to adjust the value with ζ 2 . Therefore, for example, ζ 1 =0.9 is set, and control experiments are performed while gradually lowering the value of ζ 2 (<ζ 1 ) to obtain an appropriate amplification factor. Note that in this specification, ζ 1 is set to 0.9. Although ζ 1 =0.9 is one of the possible values (preferred values) in this control method, it is not limited to this value, and the value of ζ 1 can be changed as appropriate according to the specifications of the applied control system. Just set it.
(ステップ3:高周波振動抑制用の制御器F(s)の設計・調整)
ステップ2で十分なテーブル2の定盤振動への追従効果が得られる前に新たな高周波振動が発生してしまう場合あるいは既に高周波振動が発生している場合には、制御器F(s)を更に追加する(図3参照)。簡単化したF(s)は微分器Fd (s)であり、調整するパラメータはゲインKc のみである。Kc を徐々に上げていき、高周波振動を抑制できる適切なKc に調整する。
(Step 3: Design and adjustment of controller F(s) for high frequency vibration suppression)
If a new high-frequency vibration occurs before a sufficient follow-up effect to the surface plate vibration of the table 2 is obtained in
(ステップ4:制御器F(s)(微分器Fd (s))の再設計)
制御器F(s)(微分器Fd (s))を追加してそのパラメータを調整することにより、高周波振動の発生が抑制されて、制御器B(s)のζ2 をさらに下げることができる。目標性能を達成するまで、再度ζ2 を調整する。
(Step 4: Redesign of controller F(s) (differentiator F d (s)))
By adding the controller F(s) (differentiator F d (s)) and adjusting its parameters, the occurrence of high-frequency vibrations can be suppressed, and ζ 2 of the controller B(s) can be further lowered. can. Adjust ζ 2 again until the target performance is achieved.
以上の4つのステップを順次実行することにより、高速運動時の振動抑制のための制御系の設計・調整は完了する。 By sequentially executing the above four steps, the design and adjustment of the control system for vibration suppression during high-speed motion is completed.
本実施の形態では、上述したように設計、調整した図3に示す構成をなす制御系を使用することにより、所望の目標整定時間(例えば150ms)以内で、所望の目標整定幅内(例えば±50nm)に位置を収束させることができた。 In this embodiment, by using the control system having the configuration shown in FIG. 3 designed and adjusted as described above, the desired target settling time (for example, 150 ms) or less and within the desired target settling width (for example, ± 50 nm).
上述したような実施の形態におけるフィードバック制御にフィードフォワード制御を組み込んだ本発明の他の実施の形態について、以下に説明する。この実施の形態は、NCTF制御系にフィードフォワード制御器を加えたものである。 Other embodiments of the present invention in which feedforward control is incorporated into the feedback control in the embodiments described above will be described below. This embodiment adds a feedforward controller to the NCTF control system.
停止位置到達までの軌跡追従性能を向上させるため、学習制御を利用してフィードフォワード制御器の設計を行う。フィードバック制御器の出力を評価指標とし、所定の運動を繰り返し行ってこの出力を0に収束させるように学習する。複数回の学習を繰り返して、追従誤差が十分小さくなったときの学習制御器の出力からフィードフォワード制御器を設計する。 In order to improve trajectory tracking performance until reaching the stop position, we design a feedforward controller using learning control. Using the output of the feedback controller as an evaluation index, learning is performed so that the output converges to zero by repeatedly performing a predetermined movement. A feedforward controller is designed based on the output of the learning controller when the tracking error becomes sufficiently small by repeating learning multiple times.
図10は、フィードフォワード制御器を組み込んだ本発明の他の実施の形態における制御系を示すブロック線図である。図10にあって、図3と同様の要素には同一符号を付して説明を省略する。図10に示す制御系は、図3に示す制御系にフィードフォワード制御器21を追加した構成をなし、フィードバック制御及びフィードフォワード制御を行う制御系である。図10におけるフィードフォワード制御器21は、上述したような学習制御に基づいて設計された制御器である。
FIG. 10 is a block diagram showing a control system in another embodiment of the present invention incorporating a feedforward controller. In FIG. 10, elements similar to those in FIG. 3 are designated by the same reference numerals, and their explanations will be omitted. The control system shown in FIG. 10 has a configuration in which a
フィードフォワード制御器21を追加してフィードフォワード制御を盛り込むようにしたので、停止位置近傍の軌跡追従性能を向上でき、目標変位軌跡に遅れることなく停止位置に到達する精度も改良できる。この実施の形態では、所望の目標整定時間(例えば50ms)以内で、所望の目標整定幅内(例えば±50nm)に、位置を収束させることができた。
Since the
上述した実施の形態では、1軸のリニアモータステ-ジを対象としたが、平行に設置された2つのリニアモータステ-ジを連結用テーブルで接続した2軸のリニアモータステ-ジ(ガントリステージ)に対しても、本発明は適用可能である。2軸のリニアモータステ-ジに適用される本発明の更に他の実施の形態について、以下に説明する。 In the embodiment described above, the target is a single-axis linear motor stage, but a two-axis linear motor stage (gantry) in which two linear motor stages installed in parallel are connected by a connecting table is also applicable. The present invention is also applicable to stages). Still other embodiments of the present invention applied to a two-axis linear motor stage will be described below.
図11は、2軸のリニアモータステ-ジに適用される本発明の更に他の実施の形態における制御系を示すブロック線図である。図11にあって、図3と同様の要素には同一符号を付して説明を省略する。図11に示す制御系は、2軸のリニアモータステ-ジに対応して制御対象である2つのプラント14a,14bが存在し、更に加算器31及び1/2器32を備えている。
FIG. 11 is a block diagram showing a control system in still another embodiment of the present invention applied to a two-axis linear motor stage. In FIG. 11, elements similar to those in FIG. 3 are denoted by the same reference numerals, and explanations thereof will be omitted. The control system shown in FIG. 11 includes two
図11に示す制御系では、各リニアモータステ-ジのエンコーダ出力の平均値より算出される連結用テーブルの中心変位xc (=((xs1+xs2)/2)が目標値xrを追従するように制御を行う。そのため、各プラント14a,14bへの指令値は同じである。
In the control system shown in Fig. 11, the center displacement x c (=(x s1 + x s2 )/2) of the connection table calculated from the average value of the encoder output of each linear motor stage is the target value x r . Control is performed so as to follow. Therefore, the command value to each
図12及び図13は、2軸のリニアモータステ-ジに適用されるフィードフォワード制御器を組み込んだ本発明の更に他の実施の形態における制御系を示すブロック線図である。図12及び図13にあって、図10及び図11と同様の要素には同一符号を付して説明を省略する。図12及び図13に示す制御系は、図11に示す制御系にフィードフォワード制御器21を追加した構成をなし、フィードバック制御及びフィードフォワード制御を行う制御系である。また、図13に示す制御系では、制御器41を更に備えて、各軸の同期ずれによる連結用テーブルの回転振動抑制のために、各リニアモータステ-ジの変位差xs1-xs2の微分を局所フィードバックする構成としている。なお、変位差xs1-xs2の比例を局所フィードバックしても良い。
12 and 13 are block diagrams showing a control system in still another embodiment of the present invention incorporating a feedforward controller applied to a two-axis linear motor stage. In FIGS. 12 and 13, elements similar to those in FIGS. 10 and 11 are denoted by the same reference numerals, and explanations thereof will be omitted. The control system shown in FIGS. 12 and 13 has a configuration in which a
図12及び図13に示す制御系を使用することにより、2軸のリニアモータステ-ジに対する場合(ガントリステージの場合)でも、定盤振動の影響を十分に抑制することができ、所望の目標整定時間(例えば50ms)以内で、所望の目標整定幅内(例えば±50nm)に位置を収束させることができた。 By using the control system shown in Figs. 12 and 13, even for a two-axis linear motor stage (gantry stage), the influence of surface plate vibration can be sufficiently suppressed, and the desired goal can be achieved. The position could be converged within a desired target settling width (for example, ±50 nm) within the settling time (for example, 50 ms).
開示された実施の形態は、全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上述の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。 The disclosed embodiments should be considered to be illustrative in all respects and not restrictive. The scope of the present invention is indicated by the claims rather than the above description, and it is intended that all changes within the meaning and range equivalent to the claims are included.
1 定盤
2 テーブル
11 NCTF制御系
12 第1の制御器
13 第2の制御器
14,14a,14b プラント
21 フィードフォワード制御器
31 加算器
32 1/2器
41 制御器
1
Claims (12)
前記リニアモータステージへの入力信号を用いた開ループ実験より得られる規範特性軌跡に基づく制御を行うNCTF制御と、前記定盤の振動に前記テーブルを追従させる第1の制御と、前記定盤の振動に前記テーブルを追従させる過程で発生する高周波振動を抑制する第2の制御とを用いることを特徴とするリニアモータステージの制御方法。 A method for controlling the position of a two-axis linear motor stage in which two linear motors installed parallel to a surface plate are connected by a table, the method comprising:
NCTF control that performs control based on a reference characteristic locus obtained from an open-loop experiment using an input signal to the linear motor stage; first control that causes the table to follow vibrations of the surface plate; and and second control for suppressing high-frequency vibrations generated in the process of causing the table to follow the vibrations of the linear motor stage.
前記リニアモータステージへの入力信号を用いた開ループ実験より得られる規範特性軌跡に基づく制御を行うNCTF制御系と、前記定盤の振動に前記テーブルを追従させる第1制御部と、前記定盤の振動に前記テーブルを追従させる過程で発生する高周波振動を抑制する第2制御部とを備えることを特徴とするリニアモータステージの制御装置。 A device for controlling the position of a two-axis linear motor stage in which two linear motors installed parallel to a surface plate are connected by a table,
an NCTF control system that performs control based on a reference characteristic locus obtained from an open-loop experiment using input signals to the linear motor stage; a first control unit that causes the table to follow vibrations of the surface plate; and the surface plate. A control device for a linear motor stage, comprising: a second control section that suppresses high-frequency vibrations generated in the process of causing the table to follow the vibrations of the linear motor stage.
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US201862779675P | 2018-12-14 | 2018-12-14 | |
| US62/779,675 | 2018-12-14 | ||
| JP2019138961A JP6631745B1 (en) | 2018-12-14 | 2019-07-29 | Control method and control device for linear motor stage |
Related Parent Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2019138961A Division JP6631745B1 (en) | 2018-12-14 | 2019-07-29 | Control method and control device for linear motor stage |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2020095718A JP2020095718A (en) | 2020-06-18 |
| JP7363428B2 true JP7363428B2 (en) | 2023-10-18 |
Family
ID=69146603
Family Applications (2)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2019138961A Active JP6631745B1 (en) | 2018-12-14 | 2019-07-29 | Control method and control device for linear motor stage |
| JP2019219886A Active JP7363428B2 (en) | 2018-12-14 | 2019-12-04 | Control method and control device for linear motor stage |
Family Applications Before (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2019138961A Active JP6631745B1 (en) | 2018-12-14 | 2019-07-29 | Control method and control device for linear motor stage |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (2) | JP6631745B1 (en) |
| KR (1) | KR102410575B1 (en) |
| CN (1) | CN111324033B (en) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP7721896B2 (en) * | 2021-01-15 | 2025-08-13 | オムロン株式会社 | Manufacturing apparatus, control method and control program |
| JP7775675B2 (en) * | 2021-11-29 | 2025-11-26 | 東京エレクトロン株式会社 | Apparatus for transporting substrates and method for transporting substrates |
| CN116466573B (en) * | 2023-04-03 | 2026-03-13 | 国家能源集团泰州发电有限公司 | Gas capture system control methods, devices, electronic equipment and readable storage media |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2005331402A (en) | 2004-05-20 | 2005-12-02 | Sumitomo Heavy Ind Ltd | Stage equipment |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2001068396A (en) * | 1999-08-26 | 2001-03-16 | Canon Inc | Stage control device |
| KR100991267B1 (en) * | 2008-09-12 | 2010-11-01 | 광주과학기술원 | Method and device for position control of ball screw drive stage |
| JP6242512B2 (en) * | 2015-02-04 | 2017-12-06 | 三菱電機株式会社 | Control device for electric motor and industrial machinery |
-
2019
- 2019-07-29 JP JP2019138961A patent/JP6631745B1/en active Active
- 2019-12-04 JP JP2019219886A patent/JP7363428B2/en active Active
- 2019-12-06 KR KR1020190161808A patent/KR102410575B1/en active Active
- 2019-12-13 CN CN201911280775.8A patent/CN111324033B/en active Active
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2005331402A (en) | 2004-05-20 | 2005-12-02 | Sumitomo Heavy Ind Ltd | Stage equipment |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| 佐藤 海二 KAIJI SATOU,産業機械の高精度化と高速化を支える基盤技術 精密位置決め技術の最新動向と有効活用のポイント,機械設計 第62巻 第9号 MACHINE DESIGN,日本,日刊工業新聞社,2018年08月01日,第62巻 第9号,第32-37頁 |
| 佐藤 海二,2慣性系のための実用的な位置決め制御方法と制御性能,精密工学会 学術講演会 講演論文集1959-2002年 ,日本,新井 民夫 社団法人精密工学会,2009年05月25日,第245頁 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN111324033A (en) | 2020-06-23 |
| JP2020095680A (en) | 2020-06-18 |
| KR102410575B1 (en) | 2022-06-17 |
| KR20200074014A (en) | 2020-06-24 |
| JP2020095718A (en) | 2020-06-18 |
| CN111324033B (en) | 2023-12-08 |
| JP6631745B1 (en) | 2020-01-15 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP7363428B2 (en) | Control method and control device for linear motor stage | |
| Kim et al. | Advanced disturbance observer design for mechanical positioning systems | |
| JP6020537B2 (en) | Motor control device and motor control method | |
| JP4944806B2 (en) | Position control device | |
| Maeda et al. | Practical control method for ultra-precision positioning using a ballscrew mechanism | |
| Itagaki et al. | Control system design of a linear motor feed drive system using virtual friction | |
| WO2000072314A1 (en) | Disturbance attenuation in a precision servomechanism by a frequency-separated acceleration soft sensor | |
| CN103529858A (en) | Position closed-loop system-based minimum phase difference tracking method | |
| US9280144B2 (en) | Compensation for canonical second order systems for eliminating peaking at the natural frequency and increasing bandwidth | |
| Yang et al. | Experimental investigation of shaping disturbance observer design for motion control of precision mechatronic stages with resonances | |
| JP4493484B2 (en) | Active vibration isolation method and apparatus | |
| JP2012182933A (en) | Motor controller | |
| Seki et al. | Feedforward compensation by specified step settling with frequency shaping of position reference | |
| JP3943061B2 (en) | Servo control device | |
| JP7360124B2 (en) | Gantry stage control method and control device | |
| JP2020027311A (en) | Air stage apparatus, its control device, and air actuator control device | |
| JP2017182178A (en) | Resonance suppression control device and control system using the same | |
| JP2005275588A (en) | Motor controller control parameter sensitivity analyzer | |
| Kalbasi Shirvani | Multivariable System Identification, Enhanced Disturbance Rejection, and Precision Motion Control for CNC Machine Tool Feed Drives | |
| Hosseinkhani | Control methods for improving tracking accuracy and disturbance rejection in ball screw feed drives | |
| WO2013008602A1 (en) | Actuator control method and actuator control device | |
| JP2001249720A (en) | Position control device | |
| JP2017188033A (en) | Frequency characteristic measuring method in feed axis control device | |
| CN117031932B (en) | Ball screw transmission error compensation method based on composite integral control | |
| Indrarto | Active and Passive Structural Vibration Mitigation for High-Speed Machine Tools |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20220614 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20230322 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20230801 |
|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20230808 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20230905 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20230918 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 7363428 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |