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JPS586963B2 - Servo method - Google Patents
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JPS586963B2 - Servo method - Google Patents

Servo method

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JPS586963B2
JPS586963B2 JP1830177A JP1830177A JPS586963B2 JP S586963 B2 JPS586963 B2 JP S586963B2 JP 1830177 A JP1830177 A JP 1830177A JP 1830177 A JP1830177 A JP 1830177A JP S586963 B2 JPS586963 B2 JP S586963B2
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JP
Japan
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force
spring
positioning
actuator
signal
Prior art date
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JP1830177A
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Japanese (ja)
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溝下義文
斎藤忠男
白鳥孝尚
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Fujitsu Ltd
NTT Inc
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Fujitsu Ltd
Nippon Telegraph and Telephone Corp
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Publication date
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、バネにより支持された機構に対して高精度の
位置決めを行うサーボ方式に関するものである。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to a servo system that performs highly accurate positioning of a mechanism supported by a spring.

ますます微細化された半導体集積回路の作製においては
、フォト・マスクとパターンのマスク合わせに0.1μ
m程度の精度が要求される。
In the production of increasingly miniaturized semiconductor integrated circuits, 0.1 μm is required for mask alignment between photo mask and pattern.
Accuracy on the order of m is required.

このような高精度の位置決めに対しては、その支持、案
内機構が大きな問題であり、例えばベアリングを用いた
従来の案内機構では、非線形要素である摩擦やガタによ
るサーボ系のオフ・セットが問題となる。
For such high-precision positioning, the support and guide mechanisms are a major problem.For example, with conventional guide mechanisms that use bearings, offset of the servo system due to nonlinear elements such as friction and backlash is a problem. becomes.

このため、本質的に線形であるバネを用いて支持、案内
機構を構成することが考えられるが、バネにより支持さ
れた機構に対し、通常のサーボ制御系によって位置決め
を行う場合には、バネのたわみ力によるオフ・セットが
生じ、高精度位置決めに対して大きな障害となる。
For this reason, it is conceivable to construct a support and guide mechanism using an essentially linear spring, but when positioning a mechanism supported by a spring using a normal servo control system, the spring Offset occurs due to deflection force, which is a major obstacle to high-precision positioning.

本発明の目的は、上記のような問題を解決するため、バ
ネにより支持された機構に対する位置決め制御系におい
て、バネのたわみ力によるオフ・セットをなくすことに
ある。
SUMMARY OF THE INVENTION In order to solve the above problems, an object of the present invention is to eliminate offset caused by the deflection force of a spring in a positioning control system for a mechanism supported by a spring.

上記の目的は、バネにより支持される機構と該機構に力
を加えるアクチュエータとにより位置決め機構を構成す
るとともに、該位置決め機構に対し所定の時定数に従い
位置決め誤差を連続的に減少させる信号を該位置決め誤
差から作成して前記アクチュエータに加える系と、該系
に並列に設けられ前記バネのたわみ力に起因する位置決
め誤差を前記時定数より十分長い一定時間おきにサンプ
ルしてデイジタル信号に変換して逐次積算し該積算値を
アナログ信号に変換して前記アクチュエータに加える系
とを設けることによって達成される。
The above object is to configure a positioning mechanism with a mechanism supported by a spring and an actuator that applies force to the mechanism, and to transmit a signal to the positioning mechanism that continuously reduces the positioning error according to a predetermined time constant. A system created from the error and applied to the actuator, and a system provided in parallel with the system to sample the positioning error caused by the deflection force of the spring at regular intervals sufficiently longer than the time constant, convert it into a digital signal, and sequentially convert it into a digital signal. This is achieved by providing a system that integrates the integrated value, converts the integrated value into an analog signal, and applies it to the actuator.

以下、本発明の実施例を図面により説明する。Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

第1図は、バネによる支持機構およびそれに対し力を及
ぼすアクチュエータからなる位置決め機構の概念図であ
る。
FIG. 1 is a conceptual diagram of a positioning mechanism consisting of a support mechanism using a spring and an actuator that exerts a force on the support mechanism.

位置決めされるべき制御対象1はバネ2,3によりベー
ス4上に支持されており、この制御対象1に対してアク
チュエータ5は矢印で示す方向に力を加える。
A controlled object 1 to be positioned is supported on a base 4 by springs 2 and 3, and an actuator 5 applies a force to this controlled object 1 in the direction shown by the arrow.

第2図は、第1図の位置決め機構に対する一軸位置決め
制御系のブロック図である。
FIG. 2 is a block diagram of a uniaxial positioning control system for the positioning mechanism of FIG. 1.

第2図において、xtは目標位置、xは制御対象の位置
、eは位置決め誤差、AXは位置信号増幅器の利得、C
ONTはサーボ制御回路、KMはアクチュエータ5(例
えばモータ)の力定数、APはアクチュエータ5を駆動
するための増幅器の利得、SPは支持機構、Fは支持機
構に加えられる力、CPSは補償回路、Kはバネのたわ
み力である。
In Fig. 2, xt is the target position, x is the position of the controlled object, e is the positioning error, AX is the gain of the position signal amplifier, and C
ONT is the servo control circuit, KM is the force constant of the actuator 5 (for example, a motor), AP is the gain of the amplifier for driving the actuator 5, SP is the support mechanism, F is the force applied to the support mechanism, CPS is the compensation circuit, K is the deflection force of the spring.

目標位置xtと実際の位置xの誤差信号eを増幅して制
御回路CONTに与え、制御信号を得る3制御回路CO
NTは通常のサーボ制御回路であって、制御系が望まし
い応答を得るように設計されている。
3 control circuits CO that amplify the error signal e between the target position xt and the actual position x and give it to the control circuit CONT to obtain a control signal;
The NT is a conventional servo control circuit designed to give the control system the desired response.

制御信号をパワー・アンプで増幅してモータ等を駆動さ
せることにより、支持機構SPに力Fを加える。
A force F is applied to the support mechanism SP by amplifying the control signal with a power amplifier and driving a motor or the like.

第1図に示すように、支持機構SPはバネ2,3で支え
られており、もしバネ2,3の均衡した位置よりずれた
ところに位置決めしようとするならば、バネ2,3にた
わみ力が生ずる。
As shown in Fig. 1, the support mechanism SP is supported by springs 2 and 3, and if the springs 2 and 3 are to be positioned at a position deviated from the balanced position, a deflection force will be applied to the springs 2 and 3. occurs.

すなわちバネ2,3の戻る力Kが働くため、モータ5の
力Fとバネ2,3の力Kが均合った位置で停止する。
That is, since the return force K of the springs 2 and 3 acts, the motor stops at a position where the force F of the motor 5 and the force K of the springs 2 and 3 are balanced.

したがって、この場合には、誤差信号eは0にならない
Therefore, in this case, the error signal e does not become 0.

そこで、本発明においては、一般的位置決め制御系に対
し、第2図の点線内に示す補償回路CPSを付加するこ
とにより、バネのたわみ力Kによる位置決め誤差を除去
する。
Therefore, in the present invention, the positioning error caused by the deflection force K of the spring is removed by adding a compensation circuit CPS shown within the dotted line in FIG. 2 to the general positioning control system.

第3図は、第2図における補償回路のブロック図である
FIG. 3 is a block diagram of the compensation circuit in FIG. 2.

第3図中、SPLはサンプラ、ACTは作動回路、A/
Dはアナログ・デイジタル変換器、D/Aはディジタル
・アナログ変換器、ACMは積算回路、ACは補償回路
全体の利得である。
In Figure 3, SPL is a sampler, ACT is an operating circuit, and A/
D is an analog-to-digital converter, D/A is a digital-to-analog converter, ACM is an integration circuit, and AC is the gain of the entire compensation circuit.

サンプラSPLは、作動回路ACTにより目標値設定の
T秒後によりサンプリングを開始し、以後一定周期T秒
で誤差信号がサンプルされ、A/D変換器によりデイジ
タル信号に変換される。
The sampler SPL starts sampling T seconds after the target value is set by the operating circuit ACT, and thereafter the error signal is sampled at a constant period of T seconds and converted into a digital signal by the A/D converter.

これがさらに積算回路ACMにより順次積算され、D/
A変換器によりアナログ量に変換される。
This is further integrated in sequence by the integration circuit ACM, and D/
It is converted into an analog quantity by the A converter.

このような手順は、積分補償と同じである。Such a procedure is the same as integral compensation.

積分補償の場合と同じように、一定時間ごとの加算(積
算)をアナログ的に行うことは難しいので、一旦デイジ
タル量に変換して積算した後に再びアナログ量に変換す
る。
As in the case of integral compensation, it is difficult to perform addition (integration) at regular intervals in an analog manner, so it is first converted into a digital quantity, integrated, and then converted back into an analog quantity.

補償回路CPSの全体の利得は、ACにより制御回路C
ONTの直流利得に合わせてある。
The overall gain of the compensation circuit CPS is controlled by the control circuit C by AC.
It is matched to the ONT's DC gain.

説明を簡単にするため、この補償回路CPSを除いた制
御系の応答を、1つの時定数τで代表させる。
To simplify the explanation, the response of the control system excluding the compensation circuit CPS will be represented by one time constant τ.

また、補償回路CPSのサンプル周期Tは、時定数τに
対して十分大きな値をとる。
Further, the sampling period T of the compensation circuit CPS takes a sufficiently large value with respect to the time constant τ.

第4図aは、第3図のサーボ方式において、ステップ状
の目標値設定を行った場合の応答曲線図、第4図bは補
償回路を除いた一般の制御系に対する応答曲線図である
FIG. 4a is a response curve diagram when stepwise target value setting is performed in the servo system of FIG. 3, and FIG. 4b is a response curve diagram for a general control system excluding a compensation circuit.

目標位置xtの設定があってから、T秒後に補償回路C
PSが動作して、以後一定周期Tごとに誤差信号eが積
算され、積算値がアクチュエータの入力に加えられるこ
とにより、支持機構SPのバネ力Kが順次打消されてい
く。
After the target position xt is set, the compensation circuit C is activated after T seconds.
PS operates, and thereafter the error signal e is integrated at regular intervals T, and the integrated value is added to the input of the actuator, thereby sequentially canceling out the spring force K of the support mechanism SP.

i番目のサンプル時における位置決め誤差をe(iT)
とすると、次式が成立する。
The positioning error at the i-th sample is e(iT)
Then, the following formula holds true.

ここで、kはバネ系のバネ定数、xtは目標設定値(均
合いの位置からの距離)であり、またAF=AX・AC
・AF・KMである。
Here, k is the spring constant of the spring system, xt is the target setting value (distance from the equilibrium position), and AF=AX・AC
・AF・KM.

したがって、第4図aにおいて、0からTまでの期間で
はまだ補償回路CPSは動作せず、支持機構SPは目標
位置xtに対してある時定数τで近づき、Tにはx(T
)の位置に達する。
Therefore, in FIG. 4a, the compensation circuit CPS does not operate yet in the period from 0 to T, the support mechanism SP approaches the target position xt with a certain time constant τ, and T
) position is reached.

このときの位置決め誤差e(T)は、前記(i)式から
、 となる。
The positioning error e(T) at this time is as follows from equation (i) above.

もし、補償回路CPSを設けない場合には、第4図bに
示すように、アクチュエータの力Fとバネのたわみ力と
の均合ったx(T)の位置で停止し、xtとx(T)の
誤差e1は時間が経過してもそのままの値を示し、0に
はならない。
If the compensation circuit CPS is not provided, as shown in FIG. ) error e1 remains the same value even after time elapses and does not become 0.

これに対して第4図aでは、T秒後に前記(ii)式に
示す誤差信号e(T)をサンプルして積算し、とのe(
T)に比例した力Fでバネのたわみ力Kを打消す。
On the other hand, in FIG. 4a, the error signal e(T) shown in equation (ii) above is sampled and integrated after T seconds, and e(T) is sampled and integrated.
The deflection force K of the spring is canceled by a force F proportional to T).

2T秒後には、x(2T)の位置まで近づくが、ここで
xtとx(2T)との誤差信号e2をサンプルして積算
し、積算値に比例した力Fで再びバネの力Kを打消す。
After 2T seconds, the position approaches x(2T), where the error signal e2 between xt and x(2T) is sampled and integrated, and the spring force K is applied again with a force F proportional to the integrated value. erase.

さらに3T秒後においても、サンプリングを繰返すこと
により、補償回路CPSはバネのたわみ力Kによる位置
決め誤差eを完全に補正し、支持機構SPを目標位置x
tに到達させる。
Furthermore, after 3T seconds, by repeating the sampling, the compensation circuit CPS completely corrects the positioning error e due to the spring deflection force K, and moves the support mechanism SP to the target position x.
reach t.

また、この補償回路CPSを含めた制御系は、フイード
・バック・ループを形成しており、補償回路CPSは制
御系のパラメータ変動(例えば各種ゲイン変動や、アク
チュエータの力定数、バネ定数等の熱的変動)等の比較
的時定数の長いものに対して正確に補正を行い、制御回
路CONTは外部振動等の時定数の短い外乱に対し補正
を行う。
In addition, the control system including this compensation circuit CPS forms a feedback loop, and the compensation circuit CPS responds to parameter fluctuations in the control system (for example, various gain fluctuations, heat constants such as actuator force constants, spring constants, etc.). The control circuit CONT accurately corrects disturbances with relatively long time constants such as physical fluctuations), and the control circuit CONT corrects disturbances with short time constants such as external vibrations.

なお、実施例においては、一軸位置決め制御に対する補
償について説明したが、角度やその他の制御に対しても
同じように説明することができる。
In the embodiment, compensation for uniaxial positioning control has been described, but the same explanation can be applied to angle and other controls.

以上のように、本発明によれば、バネを用いたサーボ機
構におけるオフ・セットを正確に補正することができる
ので、例えば0.1μm程度の高精度な位置決めを可能
にする。
As described above, according to the present invention, it is possible to accurately correct the offset in a servo mechanism using a spring, thereby enabling highly accurate positioning of, for example, about 0.1 μm.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は本発明のサーボ方式を用いる位置決め機構の概
念図、第2図は本発明の一実施例を示す一軸位置決め制
御系のブロック図、第3図は第2図における補償回路の
ブロック図、第4図a,bは本発明による補償回路を付
加した場合の応答曲線図、および補償回路を除いた場合
の応答曲線図である。 1:制御対象、2,3:バネ、4:ベース、5:アクチ
ュエータ、xt:目標位置、x:制御対象の実際の位置
、e:位置決め誤差、AX:位置信号に対する増幅利得
、CONT:サーボ制御回路、KM:アクチュエータの
力定数、AP:アクチュ工ータを駆動する信号の増幅利
得、SP:支持機構、F:アクチュエータの力、K:バ
ネ力、CPS:補償回路、ACT:作動回路、ACM:
積算回路、AC:補償回路全体の利得、SPL:サンプ
ラ、A/D:アナログ・デイジタル変換器、D/A:デ
イジタル・アナログ変換器。
Fig. 1 is a conceptual diagram of a positioning mechanism using the servo system of the present invention, Fig. 2 is a block diagram of a uniaxial positioning control system showing an embodiment of the present invention, and Fig. 3 is a block diagram of the compensation circuit in Fig. 2. , FIGS. 4a and 4b are response curve diagrams when the compensation circuit according to the present invention is added, and response curve diagrams when the compensation circuit is excluded. 1: Controlled object, 2, 3: Spring, 4: Base, 5: Actuator, xt: Target position, x: Actual position of controlled object, e: Positioning error, AX: Amplification gain for position signal, CONT: Servo control circuit, KM: force constant of actuator, AP: amplification gain of signal that drives the actuator, SP: support mechanism, F: force of actuator, K: spring force, CPS: compensation circuit, ACT: actuation circuit, ACM :
Integration circuit, AC: gain of the entire compensation circuit, SPL: sampler, A/D: analog-to-digital converter, D/A: digital-to-analog converter.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 1 バネにより支持される機構と該機構に力を加えるア
クチュエータとにより位置決め機構を構成するとともに
、該位置決め機構に対し所定の時定数に従い位置決め誤
差を連続的に減少させる信号を該位置決め誤差から作成
して前記アクチュエータに加える系と、該系に並列に設
けられ前記バネのたわみ力に起因する位置決め誤差を前
記時定数より十分長い一定時間おきにサンプルしてデイ
ジタル信号に変換して逐次積算し該積算値をアナログ信
号に変換して前記アクチュエータに加える系とを設けた
ことを特徴とするサーボ方式。
1 A positioning mechanism is constituted by a mechanism supported by a spring and an actuator that applies force to the mechanism, and a signal is generated from the positioning error to the positioning mechanism to continuously reduce the positioning error according to a predetermined time constant. a system that applies the force to the actuator; and a system that is installed in parallel with the system and samples the positioning error caused by the deflection force of the spring at fixed time intervals sufficiently longer than the time constant, converts it into a digital signal, and successively integrates the signal. A servo system comprising a system for converting a value into an analog signal and applying it to the actuator.
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JPS6245959A (en) * 1985-08-24 1987-02-27 Honda Motor Co Ltd Engine operating state detection circuit

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JPS63158404A (en) * 1987-08-10 1988-07-01 Nikon Corp Transfer device alignment device

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