JP2000039921A - Positioning controller - Google Patents

Positioning controller

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JP2000039921A
JP2000039921A JP20790698A JP20790698A JP2000039921A JP 2000039921 A JP2000039921 A JP 2000039921A JP 20790698 A JP20790698 A JP 20790698A JP 20790698 A JP20790698 A JP 20790698A JP 2000039921 A JP2000039921 A JP 2000039921A
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide the positioning controller equipped with an H∞ controller which satisfies robust control performance and is not conservative for a spring- supported actuator. SOLUTION: The position controller has a carriage 101 which is supported by a spring 102, a linear encoder 104 which detects the position of the carriage 101, a weight of uncertainty which specifies robust stability and represents the uncertainty of a control system, a weight of control performance which specifies control performance as disturbance suppression effect, and the H∞ controller which has an H∞ norm, regarding a generalized plant including a mathematical model for the carriage 101, below a specific value and satisfies the robust control performance and is equipped with a positioning control controller 105 which outputs a manipulated variable based upon a target position and the position signal of the carriage 101 and a driver 106 which drives the carriage 101 with the manipulated variable, and the H∞ controller is so designed that the weight of uncertainty of the control system where the nonlinearity, etc., of the spring 102 is brought into consideration is a weight of an actual number (noncomplex number).

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は,主に粗動・微動の
2段アクチュエータによるフォーカス追従サーボを用
い,例えばWTL(湾曲軸型トロイダルレンズ)形状測
定装置,光ディスクドライバ,ロボット等に利用可能な
位置決め制御装置に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention mainly uses a focus following servo by a two-stage actuator for coarse movement and fine movement, and is applicable to, for example, a WTL (curved axis toroidal lens) shape measuring device, an optical disk driver, a robot, and the like. The present invention relates to a positioning control device.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来より,本発明に関連する参考技術文
献として,例えば,フォーカスサーボのアクチュエータ
をばねで支持し,そのばねの力をフィードフォワードに
よって追従性能へのばね力の影響を低減する特許公報第
2638157号の『形状測定装置及びその方法』,レ
ーザ加工機のフォーカス追従サーボに限定し,多関節ロ
ボットの姿勢変化の安定化にH∞コントローラを使用し
ている特開平8−47785号公報の『レーザ加工機用
オートフォーカスシステム』,振動制御装置に限定した
H∞コントローラの設計を行っている特開平9−223
04号公報の『振動抑制装置』が開示されている。
2. Description of the Related Art Conventionally, as reference technical documents related to the present invention, for example, a patent is disclosed in which an actuator of a focus servo is supported by a spring and the force of the spring is reduced by feedforward to reduce the influence of the spring force on the following performance. Japanese Unexamined Patent Publication No. Hei 8-47785, entitled "Shape Measuring Apparatus and Method" of Japanese Patent Publication No. 2638157, in which an H∞ controller is used for stabilizing a posture change of an articulated robot, limited to a focus following servo of a laser processing machine. Of Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-223, which designs an H∞ controller limited to a vibration control device.
No. 04 discloses a "vibration suppression device".

【0003】また,H∞制御に関連する参考技術文献と
して,『ロバスト制御性能とμ−シンセシス』(システ
ム/制御/情報.Vol.37,No.2 pp.93
〜101,1993),および『LGGからH∞へ』
(計測と制御,Vol.29,No.2 1990,2
月)にそれぞれ開示されている。
As a reference technical document related to H∞ control, “Robust control performance and μ-synthesis” (System / Control / Information. Vol. 37, No. 2 pp. 93)
-101, 1993), and "From LGG to H∞"
(Measurement and Control, Vol. 29, No. 2, 1990, 2
Month).

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら,上記に
示されるような従来の技術にあっては,以下のような問
題点があった。特許公報第2638157号の『形状測
定装置及びその方法』にあっては,ばねを用いた場合に
はそのばね定数に経時変化が生じ,フィードフォワード
に影響を与えるため,制御系が不安定になる可能性があ
り,かつ非線形性が大きなばねには上記の方法を使用す
ることができなくなる。また,その他のパラメータ変動
があった場合に制御系の安定性と制御性能について考慮
されていない。
However, the prior art as described above has the following problems. In Japanese Patent No. 2638157, “Shape Measuring Apparatus and Method”, when a spring is used, the spring constant changes over time and affects feedforward, so that the control system becomes unstable. The above method cannot be used for springs that are likely and have high non-linearity. In addition, the stability and control performance of the control system are not taken into consideration when other parameters fluctuate.

【0005】また,特開平8−47785号公報の『レ
ーザ加工機用オートフォーカスシステム』において,安
定性能に関する重みとしてあるものを不確かさの重みと
考えた場合,安定性能に関する重みは周波数重みである
ためゲイン変動のみではなく位相変動まで考えた複素数
の重みである。ところが,実機のパラメータの変動はゲ
イン変動のみの実数変動が主であるため,複素数の重み
を使用すると求まったコントローラは保守的な解になる
可能性が生じる。さらに,特開平9−22304号公報
の『振動抑制装置』においては,上述と同様に周波数重
みであるため,コントローラは保守的な解になる可能性
が生じる。
Further, in the "autofocus system for laser beam machine" disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-47785, when the weight relating to the stability performance is considered as the weight of the uncertainty, the weight relating to the stability performance is the frequency weight. Therefore, it is the weight of a complex number considering not only the gain fluctuation but also the phase fluctuation. However, since the variation of the parameters of the real machine is mainly the variation of the real number, which is only the variation of the gain, the controller obtained by using the complex number weight may be a conservative solution. Furthermore, in the "vibration suppression device" disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-22304, since the frequency weight is used in the same manner as described above, there is a possibility that the controller becomes a conservative solution.

【0006】また,粗動・微動アクチェータの場合,H
∞コントローラは多入力・多出力系モデルとして設計を
進めると,粗動・微動それぞれの帯域分離方法が問題と
なってくる。一般的には,帯域分離のための周波数重み
を加える必要がある。さらに多入力・多出力系の設計の
場合,一般化プラントの数学モデルの次元が大きくなる
ため,制御系CADの演算精度の低下や演算時間が長く
なる等の問題も生じる。さらに,ばね支持された粗動に
よって発生する微少な振動を抑制することができなかっ
たり,高い周波数における機械共振およびノイズを抑制
することができない等の問題点もあった。
In the case of a coarse / fine actuator, H
(4) If the controller is designed as a multi-input / multi-output system model, the method of separating the coarse and fine motion bands will become an issue. Generally, it is necessary to add a frequency weight for band separation. Furthermore, in the case of designing a multi-input / multi-output system, the dimensions of the mathematical model of the generalized plant become large, and thus problems such as a decrease in the calculation accuracy of the control system CAD and a long calculation time occur. Further, there are also problems such as the inability to suppress minute vibrations generated by the spring-supported coarse motion and the inability to suppress mechanical resonance and noise at high frequencies.

【0007】本発明は,上記に鑑みてなされたものであ
って,ばね支持されたアクチュエータにおいてロバスト
制御性能を満足し,かつ保守的でなないH∞コントロー
ラを備えた位置決め制御装置を提供することを第1の目
的とする。
The present invention has been made in view of the above, and provides a positioning control device having an H∞ controller that satisfies robust control performance in a spring-supported actuator and is not conservative. As a first object.

【0008】また,ばね支持されたアクチュエータの減
衰性を向上させることにより,さらにロバスト制御性能
を向上させたH∞コントローラを備えた位置決め制御装
置を提供することを第2の目的とする。
It is a second object of the present invention to provide a positioning control device provided with an H∞ controller in which robust control performance is further improved by improving the damping of a spring-supported actuator.

【0009】また,フォーカス変動に対してもロバスト
なH∞コントローラを備え,フォーカス信号を用いた位
置決め制御装置を提供することを第3の目的とする。
It is a third object of the present invention to provide a positioning control device which includes an H.infin. Controller which is robust against focus fluctuations and uses a focus signal.

【0010】また,被測定物の表面形状に対する追従性
能を満足するH∞コントローラを備えるフォーカス信号
を用いた位置決め制御装置を提供することを第4の目的
とする。
It is a fourth object of the present invention to provide a positioning control device using a focus signal provided with an H∞ controller that satisfies the performance of following the surface shape of the object to be measured.

【0011】また,粗動・微動の2段サーボ化すること
により,制御帯域を広げて追従性能をより向上させたH
∞コントローラを備えるフォーカス信号を用いた位置決
め制御装置を提供することを第5の目的とする。
[0011] In addition, by using a two-stage servo of coarse and fine movement, the control band is expanded to improve the tracking performance.
A fifth object is to provide a positioning control device using a focus signal, which includes a controller.

【0012】また,被測定物の表面形状に対する高精度
な追従性能を満足し,かつばね支持された粗動によって
発生する微少な振動を微動によって抑圧させるH∞コン
トローラを備えるフォーカス信号を用いた位置決め制御
装置を提供することを第6の目的とする。
[0012] Further, positioning using a focus signal provided with an H∞ controller that satisfies a high-precision tracking performance with respect to the surface shape of an object to be measured and suppresses minute vibration generated by spring-supported coarse movement by fine movement. A sixth object is to provide a control device.

【0013】また,高い周波数における機械共振やノイ
ズを抑制するために,制御性能の重みの高い周波数漁期
にローパスフィルタを付加することにより,高い周波数
の影響を抑えたH∞コントローラを得ることを第7の目
的とする。
[0013] In addition, in order to suppress mechanical resonance and noise at high frequencies, a low pass filter is added to a frequency fishing season with high control performance to obtain an H∞ controller that suppresses the effects of high frequencies. The purpose of 7.

【0014】[0014]

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに,請求項1に係る位置決め制御装置にあっては,ば
ねにより支持されたアクチュエータと,前記アクチュエ
ータの位置を検出する位置検出手段と,ロバスト安定性
を指定し,制御系における不確かさを表す不確かさの重
みと,外乱抑圧効果である制御性能を指定する制御性能
の重みと,前記アクチュエータの数学モデルと,を含む
一般化プラントに関するH∞ノルムが所定値以下とな
り,かつロバスト制御性能を満足するH∞コントローラ
を有し,あらかじめ入力した目標位置と前記位置検出手
段からの位置信号とに基づいて操作量を出力する位置決
め制御手段と,前記位置決め制御手段からの操作量に応
じて前記アクチュエータを駆動する駆動手段と,を備え
た位置決め制御装置において,前記H∞コントローラ
が,前記アクチュエータを支持する前記ばねの非線形性
等を考慮した制御系の不確かさの重みを,非複素数であ
る実数の重みとして設計されるものである。
According to a first aspect of the present invention, there is provided a positioning control apparatus comprising: an actuator supported by a spring; and a position detecting means for detecting a position of the actuator. , Robust stability, and uncertainty weight indicating uncertainty in the control system, control performance weight specifying control performance which is a disturbance suppression effect, and a mathematical model of the actuator. A positioning control means for outputting an operation amount based on a target position inputted in advance and a position signal from the position detection means, comprising an H∞ controller which satisfies a robust control performance with H∞ norm being equal to or less than a predetermined value; And a driving unit for driving the actuator in accordance with an operation amount from the positioning control unit. Oite the H∞ controller, the weight of uncertainty of the control system with Nonlinear etc. of the spring for supporting the actuator, in which are designed as a weight of the real is non-complex.

【0015】また,請求項2に係る位置決め制御装置に
あっては,さらに,前記位置検出手段からの位置検出信
号から前記アクチュエータの速度を検出する速度検出手
段を備え,前記速度検出手段による速度値に所定値を乗
算し,前記位置決め制御手段の操作量にマイナーフィー
ドバックして修正操作量を獲得し,前記駆動手段に前記
修正操作量を供給するものである。
Further, the positioning control device according to the present invention further comprises speed detecting means for detecting the speed of the actuator from a position detection signal from the position detecting means, and a speed value detected by the speed detecting means. Is multiplied by a predetermined value, minor correction is obtained to the operation amount of the positioning control means to obtain a correction operation amount, and the correction operation amount is supplied to the driving means.

【0016】また,請求項3に係る位置決め制御装置に
あっては,さらに,前記アクチュエータ上に,該アクチ
ュエータと被測定物との間隔を光学的に検出し,フォー
カス信号を発生する検出手段を備え,前記H∞コントロ
ーラが,前記アクチュエータを支持する前記ばねの非線
形性等を考慮した制御系の不確かさの重みと,前記被測
定物の表面形状の傾斜角度によって変化する前記フォー
カス信号の不確かさの重みを非複素数である実数の重み
として設計されるものである。
According to a third aspect of the present invention, the positioning control device further comprises a detecting means for optically detecting a distance between the actuator and the object to be measured and generating a focus signal on the actuator. , The H∞ controller calculates the weight of the uncertainty of the control system in consideration of the nonlinearity and the like of the spring supporting the actuator, and the uncertainty of the focus signal that changes depending on the inclination angle of the surface shape of the device under test. The weight is designed as a non-complex real number weight.

【0017】また,請求項4に係る位置決め制御装置に
あっては,所定周波数で必要となるゲインよりも大きな
ゲインとなる周波数の重みを制御性能の重みとし,前記
被測定物の表面形状に対して所定の走査速度で,位置偏
差が所定値以下となる追従動作を実行するものである。
Further, in the positioning control device according to the fourth aspect, a weight of a frequency having a gain larger than a gain required at a predetermined frequency is set as a weight of control performance, and the weight of the control performance is determined with respect to the surface shape of the object to be measured. At a predetermined scanning speed, a tracking operation in which the position deviation is equal to or less than a predetermined value is executed.

【0018】また,請求項5に係る位置決め制御装置に
あっては,ばねにより支持された粗動アクチュエータ
と,前記粗動アクチュエータに対して応答周波数が高
く,かつ可動範囲が小さな微動アクチュエータと,前記
微動アクチュエータの移動量を検出し,微動位置信号を
出力する微動位置検出手段と,前記微動アクチュエータ
と被測定物との間隔を光学的に検出し,フォーカス信号
を発生するフォーカス信号発生手段と,あらかじめ入力
された目標位置と前記フォーカス信号とに基づいて微動
操作量を出力し,微動の位置決め制御を実行する微動コ
ントローラと,前記微動操作量に従って前記微動アクチ
ュエータを駆動する駆動手段と,前記微動位置信号に基
づいて粗動操作量を出力し,粗動の位置決め制御を実行
する粗動コントローラと,を備え,ロバスト安定性を指
定し,制御系における不確かさを表す不確かさの重み
と,外乱抑圧効果である制御性能を指定する制御性能の
重みと,前記アクチュエータの数学モデルとを含む一般
化プラントに関するH∞ノルムが所定値以下となり,か
つロバスト制御性能を満足するH∞コントローラが設計
された位置決め制御装置において,制御性能の重みと,
前記粗動コントローラと,前記粗動アクチュエータの数
学モデルと,前記微動アクチュエータの数学モデルと,
前記被測定物の表面形状の傾斜角度によって変化する前
記フォーカス信号の不確かさの重みを非複素数である実
数の重みとして設計される微動H∞コントローラを備え
たものである。
According to a fifth aspect of the present invention, there is provided a positioning control device, comprising: a coarse movement actuator supported by a spring; a fine movement actuator having a high response frequency and a small movable range with respect to the coarse movement actuator; A fine movement position detecting means for detecting a moving amount of the fine movement actuator and outputting a fine movement position signal; a focus signal generating means for optically detecting an interval between the fine movement actuator and the object to be measured to generate a focus signal; A fine movement controller that outputs a fine movement operation amount based on the input target position and the focus signal and executes fine movement positioning control; a driving unit that drives the fine movement actuator according to the fine movement operation amount; Coarse movement controller that outputs the coarse operation amount based on And a generalization including a weight of uncertainty indicating robustness and representing uncertainty in the control system, a weight of control performance specifying control performance as a disturbance suppression effect, and a mathematical model of the actuator. In the positioning control device in which the H∞ norm relating to the plant is equal to or less than a predetermined value and the H∞ controller that satisfies the robust control performance is provided,
The coarse motion controller, a mathematical model of the coarse motion actuator, a mathematical model of the fine motion actuator,
The apparatus further includes a fine movement H を controller which is designed so that the weight of the uncertainty of the focus signal, which changes according to the inclination angle of the surface shape of the device under test, is the weight of a non-complex real number.

【0019】また,請求項6に係る位置決め制御装置に
あっては,前記微動H∞コントローラは,微動に要求さ
れる前記被測定物に表面形状に対し,所定の走査速度
で,かつ所定の位置偏差以下で追従するために必要とな
る所定周波数におけるゲインよりも大きなゲインとなる
周波数重みを微動の制御性能の重みとし,前記微動の制
御性能の重みと,前記粗動コントローラの設計時に使用
した粗動の制御性能の重みとを一般化プラントに含めて
設計されるものである。
Further, in the positioning control device according to the sixth aspect, the fine movement H , controller may be configured such that the object to be measured required for the fine movement has a predetermined scanning speed and a predetermined position with respect to the surface shape. A frequency weight that gives a gain larger than a gain at a predetermined frequency required to follow the deviation or less is set as a weight for the control performance of the fine movement, and the weight of the control performance for the fine movement and the coarse weight used in designing the coarse movement controller are used. The weight of the dynamic control performance is designed to be included in the generalized plant.

【0020】また,請求項7に係る位置決め制御装置に
あっては,前記微動H∞コントローラは,制御性能の重
みの高い周波数領域にローパスフィルタが付加されるも
のである。
Further, in the positioning control device according to the present invention, the fine movement H∞ controller has a low-pass filter added to a frequency region having a high control performance weight.

【0021】[0021]

【発明の実施の形態】以下,本発明の位置決め制御装置
について添付図面を参照し,詳細に説明する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, a positioning control device according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

【0022】〔実施の形態1〕図1は,本発明の実施の
形態1に係る位置決め制御装置の構成を示す説明図であ
る。図において,101は重量m1 のキャリッジ(アク
チュエータ),102はキャリッジ101を支持するば
ね,103はキャリッジ101を駆動するボイスコイル
モータ,104はキャリッジ101の移動量を検出する
位置検出手段としてのリニアエンコーダ,105は目標
位置とリニアエンコーダ104による位置検出信号から
操作量を出力する位置決め制御手段としての位置決め制
御コントローラ,106は位置決め制御コントローラ1
05から出力される操作量に基づいてモータ駆動電流を
ボイスコイルモータ103に出力する駆動手段としての
ドライバである。
[First Embodiment] FIG. 1 is an explanatory diagram showing the configuration of a positioning control device according to a first embodiment of the present invention. In the figure, the spring 101 is a carriage (actuator) 102 weight m 1 which supports the carriage 101, the voice coil motor 103 for driving the carriage 101, 104 linear as a position detecting means for detecting the amount of movement of the carriage 101 An encoder 105 is a positioning controller as positioning control means for outputting an operation amount from a target position and a position detection signal from the linear encoder 104, and 106 is a positioning controller 1
The driver is a driving unit that outputs a motor driving current to the voice coil motor 103 based on the operation amount output from the control unit 05.

【0023】以上の構成において,重量m1 のキャリッ
ジ101は,バネ102によって支持されており,ボイ
スコイルモータ103により駆動される。この際,キャ
リッジ101の移動量は,リニアエンコーダ104によ
って検出され,これに応じた位置検出信号がリニアエン
コーダ104から出力される。
In the above configuration, the carriage 101 having a weight of m 1 is supported by a spring 102 and is driven by a voice coil motor 103. At this time, the amount of movement of the carriage 101 is detected by the linear encoder 104, and a corresponding position detection signal is output from the linear encoder 104.

【0024】次いで,位置決め制御コントローラ105
は,目標位置およびリニアエンコーダ104から供給さ
れた位置検出信号から操作量をドライバ106に対して
出力する。ドライバ106は,位置決め制御コントロー
ラ105から与えられた操作量に応じたモータ駆動電流
をボイスコイルモータ103に供給する。これにより,
推力f1 が発生する。
Next, the positioning controller 105
Outputs an operation amount to the driver 106 from the target position and the position detection signal supplied from the linear encoder 104. The driver 106 supplies a motor drive current corresponding to the operation amount given from the positioning controller 105 to the voice coil motor 103. This gives
Thrust f 1 occurs.

【0025】ここで,ボイスコイルモータ103のモー
タ推力定数をKn,ドライバ106の出力であるモータ
駆動電流と位置決め制御コントローラ105の操作量が
等価であると場合の電流値をu1 ,ボイスコイルモータ
103のモータ推力をf1 ,ばね102のばね定数をk
1 ,減衰係数をC1 ,キャリッジ101の重量をm1
キャリッジ101の移動量をx1 とすると,アクチュエ
ータのノミナル数学モデルは,下記(1),(2)の各
式で表される。
Here, the motor thrust constant of the voice coil motor 103 is Kn, the motor drive current output from the driver 106 and the current value when the operation amount of the positioning controller 105 are equivalent are u 1 , the voice coil motor The motor thrust of 103 is f 1 and the spring constant of the spring 102 is k
1 , the attenuation coefficient is C 1 , the weight of the carriage 101 is m 1 ,
When the amount of movement of the carriage 101 and x 1, nominal mathematical model of the actuator, the following (1) is represented by the formula (2).

【0026】[0026]

【数1】 (Equation 1)

【0027】さらに,上記(1),(2)の各式を入力
1 ,出力x1 とした伝達関数Gcn omで表すと,下記式
となる。
Further, when the above equations (1) and (2) are represented by a transfer function Gcn om with an input u 1 and an output x 1 , the following equations are obtained.

【0028】[0028]

【数2】 (Equation 2)

【0029】また,上記式を書き直すと,下記(3)式
となる。
When the above equation is rewritten, the following equation (3) is obtained.

【0030】[0030]

【数3】 (Equation 3)

【0031】ここで,以下の3つのパラメータ(数4)
について考える。
Here, the following three parameters (Equation 4)
think about.

【0032】[0032]

【数4】 (Equation 4)

【0033】上記3つのパラメータに以下のような加法
的摂動(パラメータ変動)がある場合を考える。 減衰項の摂動 γ1 共振周波数項の摂動 γ2 比例項の摂動 γ3
Consider a case where the above three parameters have the following additive perturbations (parameter variations). Perturbation of attenuation term γ 1 Perturbation of resonance frequency term γ 2 Perturbation of proportional term γ 3

【0034】ここで,まず,従来における設計方法につ
いて説明しておく。従来においては,図16に示すよう
な不確かさ(Uncertainty)を覆う。(数
5)の伝達関数として表される不確かさの周波数重み
と,制御性能の周波数重み(ここでは,(数6,数7)
の如く2種類とする)と,アクチュエータのノミナル数
学モデルから図17で表される一般化プラントを設計す
る。さらに,その一般化プラントにおけるH∞ノルムが
所定値以下となるH∞コントローラの算出,複素μ解析
(Complex μ−analysis),Dスケー
リング行列を用いたモデルの再構築,再びH∞コントロ
ーラ算出,の繰り返しを複素μ設計(Complex
μ−synthesis,D−K iteratio
n)によって行い,H∞ノルムが1以下で,かつ複素μ
解析によって得られる構造化特異値μの値が1以下とな
るようなH∞コントローラKc を設計していた。
First, a conventional design method will be described. Conventionally, uncertainty (Uncertainty) as shown in FIG. 16 is covered. The frequency weight of the uncertainty expressed as the transfer function of (Expression 5) and the frequency weight of the control performance (here, (Expression 6, Expression 7)
And a generalized plant represented in FIG. 17 from the nominal mathematical model of the actuator. Further, calculation of an H∞ controller in which the H∞ norm is equal to or less than a predetermined value in the generalized plant, complex μ-analysis, reconstruction of a model using a D scaling matrix, and calculation of the H∞ controller again Complex iterative μ design (Complex
μ-synthesis, DK iteratio
n), the H∞ norm is 1 or less, and the complex μ
The H∞ controller K c has been designed such that the value of the structured singular value μ obtained by the analysis is 1 or less.

【0035】[0035]

【数5】 (Equation 5)

【0036】[0036]

【数6】 (Equation 6)

【0037】[0037]

【数7】 (Equation 7)

【0038】なお,図17では,計算の都合から各周波
数重みを入力/出力の2つに分けて描いてある(添え字
のl,r)。また,図中の摂動Δはそれぞれ,|ΔOO
≦1を満足する複素数パラメータとする。
In FIG. 17, for convenience of calculation, each frequency weight is divided into two parts, input and output (subscripts l and r). The perturbation Δ in the figure is | Δ OO |
A complex parameter satisfying ≦ 1.

【0039】ところが,以上の方法で設計されたH∞コ
ントローラは,実機におけるパラメータ変動が実数領域
での変動であるにもかかわらず複素数領域の変動まで考
慮されたコントローラであるため,保守的な解になって
しまう可能性がある。つまり,実数変動のみであると複
素数変動の場合よりも安定性に余裕が発生し,性能をよ
り向上できた可能性のある解になってしまう。
However, the H∞ controller designed by the above method is a controller that takes into account the variation in the complex number domain even though the parameter variation in the actual machine is the variation in the real number domain. There is a possibility of becoming. In other words, if there are only real number fluctuations, there is a margin of stability in comparison with the case of complex number fluctuations, and the solution may be a solution that may have improved performance.

【0040】そこで,本発明では,パラメータに摂動を
含めた,下記(4)式する。
Therefore, in the present invention, the following equation (4) including perturbation in parameters is used.

【0041】[0041]

【数8】 (Equation 8)

【0042】図2で示すように摂動を外に出したブロッ
ク線図を行列式で表すと,以下のようになる。
The block diagram excluding the perturbation as shown in FIG. 2 is represented by the following determinant.

【0043】[0043]

【数9】 (Equation 9)

【0044】したがって,加法的摂動を含んだアクチェ
エータのブロック線図は図3に示すようになる。また,
前述の複素μ設計で求めた構造化特異値が1以下となっ
ていないH∞コントローラKc 402を図4の一般化プ
ラント402に結合し,摂動を実数領域の変動した混合
μ解析(Mixed μ−analysis)を行う。
そして,複素μ設計および混合μ解析を繰り返し実行
し,混合μ解析の構造化特異値μが1以下となるような
H∞コントローラを求める。これらの手法を用いること
によって,ロバスト制御性能を満足する位置決め制御装
置を提供することができる。
Therefore, the block diagram of the actuator including the additive perturbation is as shown in FIG. Also,
The H∞ controller K c 402 whose structured singular value obtained by the above-mentioned complex μ design is not less than 1 is connected to the generalized plant 402 of FIG. 4 and the perturbation is mixed μ analysis (Mixed μ -Analysis).
Then, the complex μ design and the mixed μ analysis are repeatedly executed to obtain an H∞ controller that makes the structured singular value μ of the mixed μ analysis equal to or less than 1. By using these techniques, a positioning control device that satisfies the robust control performance can be provided.

【0045】〔実施の形態2〕この実施の形態2におけ
る位置決め制御装置の基本的な構成およびコントローラ
の設計手法は,前述した実施の形態1と同様であるが,
ここでは特に,速度検出機能を備え,その検出速度を用
いる例について述べる。
[Second Embodiment] The basic configuration of the positioning control device and the design method of the controller according to the second embodiment are the same as those of the first embodiment described above.
Here, an example in which a speed detection function is provided and the detected speed is used will be described.

【0046】図5は,本発明の実施の形態2に係る位置
決め制御装置の構成を示す説明図であり,前述の図1の
構成に対し,速度検出手段としての速度検出部501
と,乗算器502とが付加された構成となっている。
FIG. 5 is an explanatory diagram showing the configuration of a positioning control device according to Embodiment 2 of the present invention. In contrast to the configuration of FIG. 1 described above, a speed detecting section 501 as speed detecting means is provided.
And a multiplier 502 are added.

【0047】図5に示す位置決め制御装置では,リニア
エンコーダ104で検出されたキャリッジ101の位置
検出信号は,位置決め制御コントローラ105へのフィ
ードバックに加え,並行して速度制御部501へ入力さ
れ,そこで速度信号が検出される。
In the positioning control device shown in FIG. 5, the position detection signal of the carriage 101 detected by the linear encoder 104 is input to the speed control unit 501 in parallel with the feedback to the positioning control controller 105, where the speed is detected. A signal is detected.

【0048】この検出された速度信号は,任意のゲイン
v が乗算され,位置決め制御コントローラ105の出
力である操作量にマイナーフィードバックされる。そし
て,操作量からフィードバック量を減算し,その値をド
ライバ106へ供給し,該ドライバ106がその値に応
じたモータ駆動電流をボイスコイルモータ103に与え
て駆動することにより,キャリッジ101が駆動され
る。
[0048] The detected speed signal, any gain K v is multiplication, it is a minor back to which is the output manipulated variable of the positioning controller 105. Then, the feedback amount is subtracted from the operation amount, the value is supplied to the driver 106, and the driver 106 drives the voice coil motor 103 by supplying a motor drive current corresponding to the value, whereby the carriage 101 is driven. You.

【0049】この場合におけるキャリッジ101の数学
モデルは,下記(5)式の伝達関数で表現される。
The mathematical model of the carriage 101 in this case is represented by the following transfer function (5).

【0050】[0050]

【数10】 (Equation 10)

【0051】上記(5)式からわかるように,減衰項に
v が入ってくるため,このKv を選ぶことによって減
衰を変化させることができる。したがって,前述の実施
の形態1の位置決め制御装置に,上記(5)式のキャリ
ッジの数学モデルをノミナルモデルとして使用すること
によって,減衰性に劣るアクチュエータの応答性を向上
させることが可能となり,よりロバストな位置決め制御
装置を提供することができる。
As can be seen from the above equation (5), since K v is included in the attenuation term, the attenuation can be changed by selecting this K v . Therefore, by using the mathematical model of the carriage of the above formula (5) as a nominal model in the positioning control device of the first embodiment, it is possible to improve the response of the actuator having poor damping. A robust positioning control device can be provided.

【0052】〔実施の形態3〕図6は,本発明の実施の
形態3に係る位置決め制御装置の構成を示す説明図であ
り,前述した図1の構成に対し,ワーク(被測定物)6
02とキャリッジ101との距離を光学的に検出し,フ
ォーカス信号を発生するフォーカス信号発生機能を有す
る検出手段としての光触針601が付加された構成とな
っている。
[Embodiment 3] FIG. 6 is an explanatory view showing a configuration of a positioning control apparatus according to Embodiment 3 of the present invention. In contrast to the configuration of FIG.
An optical stylus 601 is added as a detection unit having a focus signal generation function of optically detecting a distance between the carriage 02 and the carriage 101 and generating a focus signal.

【0053】図6に示す位置決め制御装置では,光触針
601からのフォーカス信号を位置信号とし,フォーカ
ス信号からの位置信号とフォーカスずれ量を指示し,こ
こでは0とする目標位置は位置決め制御コントローラ1
05に入力される。ここで,位置決め制御コントローラ
105は操作量を出力する。ドライバ106はその操作
量に応じたモータ駆動電流をボイスコイルモータ103
に供給し,キャリッジ101を駆動する。
In the positioning control device shown in FIG. 6, the focus signal from the optical stylus 601 is used as a position signal, and the position signal from the focus signal and the amount of focus deviation are designated. 1
05 is input. Here, the positioning controller 105 outputs the operation amount. The driver 106 supplies a motor drive current corresponding to the operation amount to the voice coil motor 103.
To drive the carriage 101.

【0054】このとき,光触針601によって光触針と
ワーク602の距離を光学的に検出する。そして,キャ
リッジ101は光触針601とワーク602の距離を一
定(just focus)に保ち,フォーカスのずれ
をxf =0となるようにワーク602の表面形状に追従
する。
At this time, the distance between the optical stylus and the work 602 is optically detected by the optical stylus 601. The carriage 101 keeps the distance between the optical stylus 601 and the work 602 constant (just focus), and follows the surface shape of the work 602 so that the focus shift becomes xf = 0.

【0055】前述の実施の形態1あるいは実施の形態2
では,不確かさをアクチュエータの数学モデルの減衰
項,共振周波数項,比例項としたが,この実施の形態3
では,上記3つの不確かさに加えてフォーカス信号の不
確かさについて考える。
Embodiment 1 or Embodiment 2 described above
In the above, the uncertainties were set as the damping term, the resonance frequency term, and the proportional term of the mathematical model of the actuator.
Now, consider the uncertainty of the focus signal in addition to the three uncertainties.

【0056】フォーカス信号は,ワーク表面形状の傾斜
角度に依存して変動する。その変動範囲を,フォーカス
の不確かさとする。複素μ設計における不確かさは,ば
ね支持されたアクチュエータの不確かさと前述のフォー
カスの不確かさを含めた周波数重み(数5)として設計
する。
The focus signal fluctuates depending on the inclination angle of the workpiece surface shape. The fluctuation range is defined as focus uncertainty. The uncertainty in the complex μ design is designed as a frequency weight (Equation 5) including the uncertainty of the spring-supported actuator and the aforementioned focus uncertainty.

【0057】混合μ解析におけるフォーカスの不確かさ
の実数領域の加法的摂動とする。 フォーカスゲイン 通常1とする フォーカスの摂動 γ4
It is assumed that the uncertainty of the focus in the mixed μ analysis is an additive perturbation in the real number region. Focus gain Normally set to 1 Focus perturbation γ 4

【0058】実施の形態1で説明した摂動に加えて,フ
ォーカス信号について以下の行列式(数11)で表す。
In addition to the perturbation described in the first embodiment, the focus signal is represented by the following determinant (Equation 11).

【0059】[0059]

【数11】 [Equation 11]

【0060】この場合,前述の実施の形態1における図
3のブロック線図は図7で表現され,図4の一般化プラ
ントは図8で表現される。したがって,図8の一般化プ
ラントにおいて,実施の形態1と同様に複素μ設計,混
合μ解析を繰り返してコントローラを設計することによ
り,ロバスト制御性能を満足したフォーカス信号を用い
た位置決め制御装置を提供することができる。
In this case, the block diagram of FIG. 3 in the first embodiment is represented by FIG. 7, and the generalized plant of FIG. 4 is represented by FIG. Therefore, in the generalized plant of FIG. 8, by providing a controller by repeating complex μ design and mixed μ analysis similarly to the first embodiment, a positioning control device using a focus signal satisfying robust control performance is provided. can do.

【0061】〔実施の形態4〕この実施の形態4では,
前述した実施の形態3の位置決め制御装置における制御
性能の重みを決定する手法について述べる。
[Fourth Embodiment] In the fourth embodiment,
A method of determining the weight of control performance in the above-described positioning control device according to the third embodiment will be described.

【0062】ワーク表面形状と走査する速度によって,
追従すべき周波数と大きさが求まる。ここでは,下記
(数12)とする。
Depending on the workpiece surface shape and the scanning speed,
The frequency and magnitude to follow are determined. Here, the following (Equation 12) is used.

【0063】[0063]

【数12】 (Equation 12)

【0064】また,追従時の許容位置偏差を下記(数1
3)とすると,周波数(数14)で必要となるゲイン
は,下記(6)式となり,これから追従に必要となる制
御系の閉ループゲインを求める。
Further, the allowable position deviation at the time of following is given by the following (Equation 1).
Assuming 3), the gain required at the frequency (Equation 14) is given by the following equation (6), from which the closed loop gain of the control system required for following is obtained.

【0065】[0065]

【数13】 (Equation 13)

【0066】[0066]

【数14】 [Equation 14]

【0067】[0067]

【数15】 (Equation 15)

【0068】周波数(数14)で,下記(数16)とな
る2次のゲインの公差周波数は,下記(7)式で表され
る。
At the frequency (Equation 14), the second-order gain tolerance frequency that becomes the following (Equation 16) is expressed by the following equation (7).

【0069】[0069]

【数16】 (Equation 16)

【0070】[0070]

【数17】 [Equation 17]

【0071】よって,周波数ωs 付近では,下記(数1
8)のゲインを覆うような制御性能の周波数重みを設計
する。
Therefore, near the frequency ω s ,
The frequency weight of the control performance is designed to cover the gain of 8).

【0072】[0072]

【数18】 (Equation 18)

【0073】制御性能の周波数重み(数19)を上述し
たように設計し(図9参照),実施の形態3の手法によ
って,H∞コントローラを設計することにより,ロバス
ト制御性能を満足したフォーカス信号を用いた位置決め
制御装置を提供することができる。
The frequency weight of the control performance (Equation 19) is designed as described above (see FIG. 9), and the H∞ controller is designed by the method of the third embodiment, so that the focus signal satisfying the robust control performance is obtained. Can be provided.

【0074】[0074]

【数19】 [Equation 19]

【0075】〔実施の形態5〕図10は,本発明の実施
の形態5に係る位置決め制御装置の構成を示す説明図で
ある。図において,粗動アクチュエータ1001は,ば
ね1003によって重力方向に支持され.かつ重力補償
され,さらにエアースライダ1005によって拘束され
ている。また,粗動アクチュエータ1001は,ボイス
コイルモータ1008によって駆動されるように構成さ
れている。
[Fifth Embodiment] FIG. 10 is an explanatory diagram showing the configuration of a positioning control device according to a fifth embodiment of the present invention. In the figure, a coarse actuator 1001 is supported in the direction of gravity by a spring 1003. In addition, gravity is compensated, and the air slider 1005 is restrained. The coarse movement actuator 1001 is configured to be driven by a voice coil motor 1008.

【0076】また,粗動アクチュエータ1001上に
は,ピエゾ圧電素子によって駆動される微動アクチュエ
ータ1002と粗動アクチュエータ1002に対する微
動アクチュエータ1002の位置を検出する静電容量セ
ンサ1009が取り付けられている。
On the coarse movement actuator 1001, a fine movement actuator 1002 driven by a piezoelectric element and a capacitance sensor 1009 for detecting the position of the fine movement actuator 1002 with respect to the coarse movement actuator 1002 are mounted.

【0077】また,微動アクチュエータ1002上に
は,ワーク1007との間隔を光学的に検出する非接触
センサである光触針1004が取り付けられている。こ
の光触針1004からのフォーカス信号に応じて光触針
1004とワーク1007との間隔が所定値となるよう
に微動アクチュエータ1002を駆動し,微動アクチュ
エータ1002と粗動アクチュエータ1001との相対
位置が所定の値になるように静電容量センサ1009の
位置信号に応じて粗動アクチュエータ1001を駆動す
る2段サーボのオートフォーカス機構を実現している。
On the fine movement actuator 1002, an optical stylus 1004, which is a non-contact sensor for optically detecting the distance from the work 1007, is mounted. The fine actuator 1002 is driven in accordance with the focus signal from the optical stylus 1004 so that the distance between the optical stylus 1004 and the workpiece 1007 becomes a predetermined value, and the relative position between the fine actuator 1002 and the coarse actuator 1001 is determined. Thus, a two-stage servo autofocus mechanism for driving the coarse movement actuator 1001 in accordance with the position signal of the capacitance sensor 1009 so as to have the value of?

【0078】また,この装置は,フォーカス制御を行っ
た状態で,走査アクチュエータ1006によって表面形
状を走査し,ワーク表面形状に基づいて倣い動作を行う
ことによってワーク表面形状を測定するものである。
In this apparatus, the surface shape is scanned by the scanning actuator 1006 in the state where the focus control is performed, and the copying operation is performed based on the workpiece surface shape to measure the workpiece surface shape.

【0079】図11は,図10の如く構成された位置決
め制御装置をモデル化した説明図である。図において,
粗動アクチュエータ1100は,ばね1101で支持さ
れ,粗動アクチュエータ1100上には微動アクチュエ
ータ1102が装着され,さらに微動アクチュエータ1
102上には光触針1103が取り付けられている。
FIG. 11 is an explanatory diagram modeling the positioning control device configured as shown in FIG. In the figure,
The coarse actuator 1100 is supported by a spring 1101, a fine actuator 1102 is mounted on the coarse actuator 1100, and the fine actuator 1100 is further mounted.
An optical stylus 1103 is mounted on 102.

【0080】また,1104は粗動アクチュエータ11
00を駆動するボイスコイルモータ,1105は微動ア
クチュエータ1102を駆動するピエゾアクチュエー
タ,1106は粗動アクチュエータ1100の移動量を
検出するリニアエンコーダ,1107は粗動アクチュエ
ータ1100と微動アクチュエータ1101との相対位
置を検出する静電容量センサ,1108は粗動アクチュ
エータ1100の速度を検出する速度検出部,1109
は所定のゲインKV を乗算する乗算器,1110は後述
する粗動コントローラ,1111は後述する微動コント
ローラ,1112は後述する粗動ドライバ,1113は
ピエゾアクチュエータ1005を駆動するピエゾドライ
バ,1114はワークである。
Further, reference numeral 1104 denotes a coarse actuator 11
00, a piezo actuator for driving the fine actuator 1102, 1106, a linear encoder for detecting the amount of movement of the coarse actuator 1100, 1107, the relative position between the coarse actuator 1100 and the fine actuator 1101. A capacitive sensor 1108 for detecting the speed of the coarse actuator 1100;
Is a multiplier for multiplying a predetermined gain K V , 1110 is a coarse motion controller described later, 1111 is a fine motion controller described later, 1112 is a coarse motion driver described later, 1113 is a piezo driver for driving a piezo actuator 1005, and 1114 is a work. is there.

【0081】図11のモデル構成において,まず,光触
針1103からのフォーカス信号は位置信号として微動
コントローラ1111に入力される。微動コントローラ
1111は,フォーカス信号と目標位置(ここでは0と
する)とを比較し,フォーカス信号が所定値(just
focus)となるように操作量を出力する。この操
作量はピエゾドライバ1113に入力され,その操作量
に基づいてピエゾアクチュエータ1005が駆動され
る。
In the model configuration shown in FIG. 11, first, a focus signal from the optical stylus 1103 is input to the fine movement controller 1111 as a position signal. The fine movement controller 1111 compares the focus signal with a target position (here, 0), and determines that the focus signal is a predetermined value (just).
The manipulated variable is output so as to be focused. This operation amount is input to the piezo driver 1113, and the piezo actuator 1005 is driven based on the operation amount.

【0082】粗動アクチュエータ1100と微動アクチ
ュエータ1101との相対位置を検出する静電容量セン
サ1107の位置信号は,粗動コントローラ1110に
入力され,粗動アクチュエータ1100と微動アクチュ
エータ1101との相対位置が所定値となるように操作
量が出力される。
A position signal of the capacitance sensor 1107 for detecting the relative position between the coarse actuator 1100 and the fine actuator 1101 is input to the coarse controller 1110, and the relative position between the coarse actuator 1100 and the fine actuator 1101 is determined. The manipulated variable is output to be a value.

【0083】このとき,粗動アクチュエータ1100の
移動量は,リニアエンコーダ1106によって検出さ
れ,速度検出部1108によって粗動アクチュエータ1
100の速度を検出し,所定のゲインKV を乗算し,粗
動コントローラ1110の出力部にマイナーフィードバ
ックされる。このマイナーフィードバックにより減衰の
悪い粗動アクチュエータ1100の応答を改善する。
At this time, the moving amount of the coarse movement actuator 1100 is detected by the linear encoder 1106, and the speed detection unit 1108 detects the movement amount of the coarse movement actuator 1100.
The speed 100 is detected, multiplied by a predetermined gain K V , and minor feedback is provided to the output of the coarse motion controller 1110. This minor feedback improves the response of the coarse actuator 1100 with poor damping.

【0084】操作量からフィードバック量を減算した値
は,粗動ドライバ1112に入力される。そこで,粗動
ドライバ1112はボイスコイルモータ1104にモー
タ駆動電流を供給し,粗動アクチュエータ1100を駆
動する。このように,2段タイプにアクチュエータ化す
ることにより,制御帯域を広げることができるので,制
御性能の向上が実現する。
The value obtained by subtracting the feedback amount from the operation amount is input to coarse movement driver 1112. Therefore, the coarse movement driver 1112 supplies a motor drive current to the voice coil motor 1104 to drive the coarse movement actuator 1100. As described above, by adopting the two-stage actuator, the control band can be widened, so that the control performance is improved.

【0085】さて,コントローラの設計は,前述の実施
の形態1と同様な手法を用いて行う。粗動アクチュエー
タ1100の数学モデルは前述の(5)式とする。ま
た,微動アクチュエータ1101の数学モデルは下記
(8)式とする。
The controller is designed using the same method as in the first embodiment. The mathematical model of the coarse motion actuator 1100 is the above-described equation (5). The mathematical model of the fine movement actuator 1101 is expressed by the following equation (8).

【0086】[0086]

【数20】 (Equation 20)

【0087】複素μ設計において,微動アクチュエータ
1101の不確かさをフォーカスの不確かさのみとして
乗法的摂動で表し,周波数重み(数21)とする。ま
た,制御性能は粗動アクチュエータ1100の制御性能
(実施の形態4で求めた(数19))と同等の周波数重
み(数22)と,粗動アクチュエータ1100よりも応
答帯域の高い周波数重み(数23)とする。
In the complex μ design, the uncertainty of the fine movement actuator 1101 is represented by a multiplicative perturbation as only the focus uncertainty, and is defined as a frequency weight (Equation 21). Further, the control performance is the same as the frequency weight (equation 22) equivalent to the control performance of the coarse motion actuator 1100 (equation 19 obtained in the fourth embodiment), and the frequency weight (equation 22) having a higher response band than the coarse motion actuator 1100. 23).

【0088】[0088]

【数21】 (Equation 21)

【0089】[0089]

【数22】 (Equation 22)

【0090】[0090]

【数23】 (Equation 23)

【0091】各周波数重みと前述の(8)式の微動アク
チュエータ1101の数学モデルと,前述の(5)式の
粗動アクチュエータ1100の数学モデルと,あらかじ
め求めておいた粗動コントローラKC から図12に示す
ような一般化プラント1200を設計する。
The frequency weights, the mathematical model of the fine actuator 1101 in the above equation (8), the mathematical model of the coarse actuator 1100 in the above equation (5), and the coarse controller K C obtained in advance are shown in FIG. A generalized plant 1200 as shown in FIG.

【0092】この図12の一般化プラント1200で
は,計算の都合上,周波数重みを入力/出力の2つに分
けている(添え字l,r)。上記一般化プラントにおい
て,複素μ設計を行いH∞コントローラKf 1201を
設計する。
In the generalized plant 1200 shown in FIG. 12, for the sake of calculation, the frequency weight is divided into two of input and output (subscripts l and r). In the generalized plant, a complex μ design is performed to design an H∞ controller K f 1201.

【0093】次に,上述の手法によって設計された制御
系の混合μ解析を行う。粗動アクチュエータ1100の
各パラメータとフォーカスの変動を実数領域の変動とし
(実施の形態1,3参照),一般化プラントを図13に
示すブロック線図とし,M(s)とする。
Next, a mixed μ analysis of the control system designed by the above method is performed. Variations of each parameter and focus of the coarse actuator 1100 are regarded as variations in the real number region (see Embodiments 1 and 3), and a generalized plant is represented by a block diagram shown in FIG.

【0094】図13に示す一般化プラントM(s)に粗
動コントローラKC と複素μ設計で求めた微動コントロ
ーラ1111Kf とを結合し,不確かさを実数領域で解
析する混合μ解析を実行する。複素μ設計および混合μ
解析を繰り返し実行し,混合μ解析の構造化特異値μが
1以下となる微動用H∞コントローラを設計する。
[0094] Generally plant M (s) shown in FIG. 13 combines the fine motion controller 1111K f determined at the design coarse controller K C and the complex mu, performing a mixed mu analysis to analyze the uncertainty in real area . Complex μ design and mixed μ
The analysis is repeatedly executed, and an H∞ controller for fine movement in which the structured singular value μ of the mixed μ analysis is 1 or less is designed.

【0095】したがって,以上の手法によって設計され
た微動用H∞コントローラによって,ロバスト制御性能
を満足し,高性能なフォーカス信号を用いた位置決め制
御装置を提供することができる。
Therefore, the positioning control apparatus which satisfies the robust control performance and uses the high-performance focus signal can be provided by the fine movement H∞ controller designed by the above method.

【0096】〔実施の形態6〕この実施の形態6では,
前述の実施の形態4と同様な方法でワーク表面形状(数
24参照)と許容位置偏差(数25)から追従に必要と
なるゲイン(数26)を算出し,周波数(数27)で
(数28)となる1次の閉ループゲインを求める。
[Sixth Embodiment] In the sixth embodiment,
A gain (Equation 26) necessary for tracking is calculated from the workpiece surface shape (see Equation 24) and the allowable position deviation (Equation 25) in the same manner as in the above-described fourth embodiment, and the frequency (Equation 27) is used to calculate (Equation 27). 28) is obtained.

【0097】[0097]

【数24】 (Equation 24)

【0098】[0098]

【数25】 (Equation 25)

【0099】[0099]

【数26】 (Equation 26)

【0100】[0100]

【数27】 [Equation 27]

【0101】[0101]

【数28】 [Equation 28]

【0102】ここで,必要な閉ループゲインを下記(数
29)とすると,制御したい帯域付近においてこれを覆
うような制御性能の周波数重み(数23)を求める。
Here, assuming that the required closed loop gain is (Equation 29) below, the frequency weight (Equation 23) of the control performance that covers the band near the band to be controlled is obtained.

【0103】[0103]

【数29】 (Equation 29)

【0104】この周波数重み(数23)を前述の実施の
形態5の手法に使用し,微動用H∞コントローラを設計
する。これにより,ロバスト制御性能を満足し,高性能
なフォーカス信号を用いた位置決め制御装置を提供する
ことができる。
The frequency weight (Equation 23) is used in the method of the fifth embodiment to design an H∞ controller for fine movement. This makes it possible to provide a positioning control device that satisfies the robust control performance and uses a high-performance focus signal.

【0105】〔実施の形態7〕前述の実施の形態6にお
いて,高い周波数の機械共振やノイズの影響を抑制する
ために,一般的には,不確かさの重みの高い周波数を大
きくするが,それに加えて制御性能や周波数重みの高い
周波数を抑制するローパスフィルタを付加した形の制御
性能の周波数重み(数23)を設計する(図14参
照)。
[Embodiment 7] In the above-described Embodiment 6, in order to suppress the effects of high-frequency mechanical resonance and noise, generally, the frequency with a high uncertainty weight is increased. In addition, a frequency weight (equation 23) of the control performance in the form of adding a low-pass filter for suppressing the frequency having a high control performance and a high frequency weight is designed (see FIG. 14).

【0106】例えば,下記(数30)に示すように,カ
ットオフ周波数ωLPF としたローパスフィルタを付加す
る。
For example, as shown in the following (Equation 30), a low-pass filter having a cutoff frequency ω LPF is added.

【0107】[0107]

【数30】 [Equation 30]

【0108】一般的に,H∞コントローラは,与えた制
御性能の周波数重みよりも大きなゲインとなる。そこ
で,制御性能の周波数重みの高い周波数領域を積極的に
低くすることにより,高い周波数における感度を抑制す
ることができる。
Generally, the H∞ controller has a gain larger than the frequency weight of the given control performance. Therefore, the sensitivity at a high frequency can be suppressed by positively lowering the frequency region where the frequency weight of the control performance is high.

【0109】[0109]

【発明の効果】以上説明したように,本発明に係る位置
決め制御装置(請求項1)によれば,ばね支持されたア
クチュエータにおいて,ばねモデルのパラメータ変動を
実数領域の変動と考えて複素μ設計・混合μ解析を繰り
返し実行するため,ロバスト制御性能を満足し,かつ保
守的ではないH∞コントローラを備えた位置決め制御装
置を提供することができる。
As described above, according to the positioning control apparatus (claim 1) of the present invention, in the spring-supported actuator, the complex μ design is performed by considering the parameter variation of the spring model as a variation in the real number domain.・ Since the mixed μ analysis is repeatedly executed, it is possible to provide a positioning control device which satisfies the robust control performance and has a non-conservative H∞ controller.

【0110】また,本発明に係る位置決め制御装置(請
求項2)によれば,請求項1が奏する効果に加え,アク
チュエータの移動速度を検出し,その速度に所定値を乗
算してコントローラの出力にフィードバックし,マイナ
ーフィードバックを含めたアクチュエータ数学モデルと
して使用するため,減衰の悪いアクチュエータに対する
減衰性能を向上させることができる。
According to the positioning control device of the present invention (claim 2), in addition to the effect of claim 1, the moving speed of the actuator is detected, and the speed is multiplied by a predetermined value to output the output of the controller. The actuator is used as an actuator mathematical model including minor feedback, so that the damping performance of an actuator with poor damping can be improved.

【0111】また,本発明に係る位置決め制御装置(請
求項3)によれば,請求項1あるいは請求項2が奏する
効果に加え,アクチュエータと被測定物との間隔を光学
的に検出し,フォーカス信号を発生する手段を設けたた
め,フォーカス信号を位置信号とし,目標位置を所定値
として被測定物の表面形状に追従制御させる際に,アク
チュエータを支持する前記ばねの非線形性等を考慮した
制御系の不確かさの重みと,前記被測定物の表面形状の
傾斜角度によって変化する前記フォーカス信号の不確か
さの重みを非複素数である実数の重みとしてH∞コント
ロラを設計するため,フォーカス信号の変動に対しても
ロバスト制御性能を満足するフォーカス信号を用いた位
置決め制御装置を提供することができる。
According to the positioning control device of the present invention (claim 3), in addition to the effects of claim 1 or claim 2, the distance between the actuator and the object to be measured is optically detected and the focus is adjusted. Since a means for generating a signal is provided, a focus signal is used as a position signal, and a target system is controlled to follow a surface shape of an object to be measured by using a target position as a predetermined value. In order to design an H∞ controller using the weight of the uncertainty of the above and the weight of the uncertainty of the focus signal that changes according to the inclination angle of the surface shape of the device under test as the weight of a real number that is a non-complex number, the fluctuation of the focus signal Also, it is possible to provide a positioning control device using a focus signal that satisfies the robust control performance.

【0112】また,本発明に係る位置決め制御装置(請
求項4)によれば,請求項3が奏する効果に加え,所定
周波数で必要となるゲインよりも大きなゲインとなる周
波数の重みを制御性能の重みとし,被測定物の表面形状
に対して所定の走査速度で,位置偏差が所定値以下とな
る追従動作を実行するため,被測定物の表面形状に対す
る追従性能を満足するH∞コントローラを備えるフォー
カス信号を用いた位置決め制御装置を提供することがで
きる。
According to the positioning control device of the present invention (claim 4), in addition to the effect of claim 3, the weight of the frequency at which the gain becomes larger than the gain required at the predetermined frequency is determined by the control performance. An H∞ controller that satisfies the performance of following the surface shape of the object to be measured is used to execute the following operation in which the positional deviation is equal to or less than a predetermined value at a predetermined scanning speed with respect to the surface shape of the object to be measured. A positioning control device using a focus signal can be provided.

【0113】また,本発明に係る位置決め制御装置(請
求項5)によれば,請求項3が奏する効果に加え,粗動
・微動の2段サーボ化構造とするため,制御帯域を広げ
て追従性能をより向上させたH∞コントローラを備える
フォーカス信号を用いた位置決め制御装置を提供するこ
とができ,かつH∞コントローラの設計に古典制御的な
粗動コントローラと微動コントローラとをそれぞれ別々
に設計し,帯域を分離する手段を提供することができ
る。
According to the positioning control device of the present invention (claim 5), in addition to the effect of claim 3, a two-stage servo structure of coarse movement and fine movement is provided, so that the control band is widened and the tracking is performed. It is possible to provide a positioning control device using a focus signal provided with an H∞ controller with improved performance, and to design a classical coarse and fine motion controller separately for the design of the H∞ controller. , Means for separating the bands can be provided.

【0114】また,本発明に係る位置決め制御装置(請
求項6)によれば,請求項5が奏する効果に加え,微動
H∞コントローラを,微動に要求される前記被測定物に
表面形状に対し,所定の走査速度で,かつ所定の位置偏
差以下で追従するために必要となる所定周波数における
ゲインよりも大きなゲインとなる周波数重みを微動の制
御性能の重みとし,微動の制御性能の重みと,粗動コン
トローラの設計時に使用した粗動の制御性能の重みとを
一般化プラントに含めて設計するため,被測定物の表面
形状に対する高精度な追従性能を満足し,かつばね支持
された粗動によって生じる微少な振動を微動によって抑
圧されるH∞H∞コントローラを備えるフォーカス信号
を用いた位置決め制御装置を提供することができる。
According to the positioning control device of the present invention (claim 6), in addition to the effect of claim 5, a fine movement H∞ controller can be used for the surface shape of the object to be measured required for fine movement. A frequency weight having a gain larger than a gain at a predetermined frequency required for following at a predetermined scanning speed and a predetermined position deviation or less is set as the weight of the fine movement control performance; Since the weight of the coarse motion control performance used in the design of the coarse motion controller is included in the generalized plant and designed, the high-precision follow-up performance to the surface shape of the DUT is satisfied, and the spring-supported coarse motion The present invention can provide a positioning control device using a focus signal including an H {H} controller that suppresses minute vibrations caused by fine movement.

【0115】また,本発明に係る位置決め制御装置(請
求項7)によれば,請求項6が奏する効果に加え,高い
周波数における機械共振やノイズを抑制するために制御
性能の重みの高い周波数領域のローパスフィルタを加え
て高い周波数の影響を抑制したH∞コントローラを開発
するので,ノイズや高次共振に強い位置決め制御装置を
提供することができる。
According to the positioning control device of the present invention (claim 7), in addition to the effect of claim 6, in order to suppress mechanical resonance and noise at high frequencies, a frequency region with a high control performance weight is required. By developing an H∞ controller that suppresses the effects of high frequencies by adding a low-pass filter, a positioning controller that is resistant to noise and high-order resonance can be provided.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の実施の形態1に係る位置決め制御装置
の構成を示す説明図である。
FIG. 1 is an explanatory diagram illustrating a configuration of a positioning control device according to a first embodiment of the present invention.

【図2】図1にける位置決め制御装置において摂動を外
に出したブロック線図である。
FIG. 2 is a block diagram in which a perturbation is taken out of the positioning control device in FIG. 1;

【図3】本発明の実施の形態1に係る位置決め制御装置
の加法的摂動を含んだアクチュエータのブロック線図で
ある。
FIG. 3 is a block diagram of an actuator including an additive perturbation of the positioning control device according to the first embodiment of the present invention.

【図4】本発明の実施の形態1に係る位置決め制御装置
の一般化プラントを示すブロック線図である。
FIG. 4 is a block diagram showing a generalized plant of the positioning control device according to the first embodiment of the present invention.

【図5】本発明の実施の形態2に係る位置決め制御装置
の構成を示す説明図である。
FIG. 5 is an explanatory diagram showing a configuration of a positioning control device according to Embodiment 2 of the present invention.

【図6】本発明の実施の形態3に係る位置決め制御装置
の構成を示す説明図である。
FIG. 6 is an explanatory diagram showing a configuration of a positioning control device according to Embodiment 3 of the present invention.

【図7】本発明の実施の形態3に係る位置決め制御装置
の加法的摂動を含んだアクチュエータのブロック線図で
ある。
FIG. 7 is a block diagram of an actuator including an additive perturbation of a positioning control device according to Embodiment 3 of the present invention.

【図8】本発明の実施の形態3に係る位置決め制御装置
の一般化プラントを示すブロック線図である。
FIG. 8 is a block diagram showing a generalized plant of a positioning control device according to Embodiment 3 of the present invention.

【図9】本発明の実施の形態4に係る位置決め制御装置
の制御性能の重みを決定する例を示すグラフである。
FIG. 9 is a graph showing an example of determining a control performance weight of a positioning control device according to Embodiment 4 of the present invention.

【図10】本発明の実施の形態5に係る位置決め制御装
置の構成を示す説明図である。
FIG. 10 is an explanatory diagram showing a configuration of a positioning control device according to Embodiment 5 of the present invention.

【図11】図10の位置決め制御装置をモデル化して示
す説明図である。
FIG. 11 is an explanatory diagram showing a model of the positioning control device of FIG. 10;

【図12】本発明の実施の形態5に係る位置決め制御装
置の一般化プラントを示すブロック線図である。
FIG. 12 is a block diagram showing a generalized plant of a positioning control device according to Embodiment 5 of the present invention.

【図13】本発明の実施の形態5に係るブロック線図で
ある。
FIG. 13 is a block diagram according to a fifth embodiment of the present invention.

【図14】本発明の実施の形態5に係る位置決め制御装
置の一般化プラントを示すブロック線図である。
FIG. 14 is a block diagram showing a generalized plant of a positioning control device according to Embodiment 5 of the present invention.

【図15】本発明の実施の形態7に係る位置決め制御装
置にローパスフィルタを加え,制御性能の重みを決定す
る例を示すグラフである。
FIG. 15 is a graph showing an example in which a low-pass filter is added to the positioning control device according to Embodiment 7 of the present invention to determine control performance weights.

【図16】従来における位置決め制御装置の制御性能の
重みを決定する例を示すグラフである。
FIG. 16 is a graph showing an example of determining a control performance weight of a conventional positioning control device.

【図17】従来における位置決め制御装置の一般化プラ
ントを示すブロック線図である。
FIG. 17 is a block diagram showing a generalized plant of a conventional positioning control device.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

101 キャリッジ 102,1003,1101 ばね 103,1008,1104 ボイスコイルモータ 104,1106 リニアエンコーダ 105 位置決め制御コントローラ 106 ドライバ 401 一般化プラント 402 H∞コントローラ 501,1108 速度検出部 601,1004,1103 光触針 602,1007,1114 ワーク 1001,1100 粗動アクチュエータ 1002,1102 微動アクチュエータ 1006 走査アクチュエータ 1009,1107 静電容量センサ 1110 粗動コントローラ 1111 微動コントローラ 1112 粗動ドライバ 1113 ピエゾドライバ 101 Carriage 102, 1003, 1101 Spring 103, 1008, 1104 Voice coil motor 104, 1106 Linear encoder 105 Positioning controller 106 Driver 401 Generalized plant 402 H1 , controller 501, 1108 Speed detector 601, 1004, 1103 Optical stylus 602 , 1007, 1114 Work 1001, 1100 Coarse motion actuator 1002, 1102 Fine motion actuator 1006 Scanning actuator 1009, 1107 Capacitance sensor 1110 Coarse motion controller 1111 Fine motion controller 1112 Coarse motion driver 1113 Piezo driver

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) G05B 13/02 G05B 13/02 C 13/04 13/04 ──────────────────────────────────────────────────の Continued on the front page (51) Int.Cl. 7 Identification symbol FI Theme coat ゛ (Reference) G05B 13/02 G05B 13/02 C 13/04 13/04

Claims (7)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 ばねにより支持されたアクチュエータ
と,前記アクチュエータの位置を検出する位置検出手段
と,ロバスト安定性を指定し,制御系における不確かさ
を表す不確かさの重みと,外乱抑圧効果である制御性能
を指定する制御性能の重みと,前記アクチュエータの数
学モデルと,を含む一般化プラントに関するH∞ノルム
が所定値以下となり,かつロバスト制御性能を満足する
H∞コントローラを有し,あらかじめ入力した目標位置
と前記位置検出手段からの位置信号とに基づいて操作量
を出力する位置決め制御手段と,前記位置決め制御手段
からの操作量に応じて前記アクチュエータを駆動する駆
動手段と,を備えた位置決め制御装置において,前記H
∞コントローラが,前記アクチュエータを支持する前記
ばねの非線形性等を考慮した制御系の不確かさの重み
を,非複素数である実数の重みとして設計されることを
特徴とする位置決め制御装置。
1. An actuator supported by a spring, position detecting means for detecting the position of the actuator, a weight of uncertainty indicating robustness and representing uncertainty in a control system, and a disturbance suppression effect. An H∞ controller for a generalized plant including a control performance weight designating the control performance and a mathematical model of the actuator is not more than a predetermined value, and has an H∞ controller satisfying the robust control performance, and is input in advance. Positioning control comprising: positioning control means for outputting an operation amount based on a target position and a position signal from the position detection means; and driving means for driving the actuator in accordance with the operation amount from the positioning control means. In the apparatus, the H
(4) The positioning control device, wherein the controller is designed such that the weight of the uncertainty of the control system in consideration of the non-linearity of the spring supporting the actuator is set as the weight of a real number which is a non-complex number.
【請求項2】 さらに,前記位置検出手段からの位置検
出信号から前記アクチュエータの速度を検出する速度検
出手段を備え,前記速度検出手段による速度値に所定値
を乗算し,前記位置決め制御手段の操作量にマイナーフ
ィードバックして修正操作量を獲得し,前記駆動手段に
前記修正操作量を供給することを特徴とする請求項1に
記載の位置決め制御装置。
2. The apparatus according to claim 1, further comprising speed detecting means for detecting a speed of said actuator from a position detection signal from said position detecting means, multiplying a speed value by said speed detecting means by a predetermined value, and operating said positioning control means. 2. The positioning control device according to claim 1, wherein the correction operation amount is obtained by performing minor feedback on the amount, and the correction operation amount is supplied to the driving unit.
【請求項3】 さらに,前記アクチュエータ上に,該ア
クチュエータと被測定物との間隔を光学的に検出し,フ
ォーカス信号を発生する検出手段を備え,前記H∞コン
トローラが,前記アクチュエータを支持する前記ばねの
非線形性等を考慮した制御系の不確かさの重みと,前記
被測定物の表面形状の傾斜角度によって変化する前記フ
ォーカス信号の不確かさの重みを非複素数である実数の
重みとして設計されることを特徴とする請求項1または
2に記載の位置決め制御装置。
And a detecting means for optically detecting an interval between the actuator and the object to be measured and generating a focus signal, wherein the H∞ controller supports the actuator. The weight of the uncertainty of the control system in consideration of the non-linearity of the spring, etc., and the weight of the uncertainty of the focus signal that changes depending on the inclination angle of the surface shape of the device under test are designed as real weights that are non-complex numbers. The positioning control device according to claim 1 or 2, wherein:
【請求項4】 所定周波数で必要となるゲインよりも大
きなゲインとなる周波数の重みを制御性能の重みとし,
前記被測定物の表面形状に対して所定の走査速度で,位
置偏差が所定値以下となる追従動作を実行することを特
徴とする請求項3に記載の位置決め制御装置。
4. A weight of a frequency having a gain larger than a gain required at a predetermined frequency is set as a weight of control performance,
4. The positioning control device according to claim 3, wherein a tracking operation is performed at a predetermined scanning speed with respect to the surface shape of the object to be measured so that the positional deviation is equal to or less than a predetermined value.
【請求項5】 ばねにより支持された粗動アクチュエー
タと,前記粗動アクチュエータに対して応答周波数が高
く,かつ可動範囲が小さな微動アクチュエータと,前記
微動アクチュエータの移動量を検出し,微動位置信号を
出力する微動位置検出手段と,前記微動アクチュエータ
と被測定物との間隔を光学的に検出し,フォーカス信号
を発生するフォーカス信号発生手段と,あらかじめ入力
された目標位置と前記フォーカス信号とに基づいて微動
操作量を出力し,微動の位置決め制御を実行する微動コ
ントローラと,前記微動操作量に従って前記微動アクチ
ュエータを駆動する駆動手段と,前記微動位置信号に基
づいて粗動操作量を出力し,粗動の位置決め制御を実行
する粗動コントローラと,を備え,ロバスト安定性を指
定し,制御系における不確かさを表す不確かさの重み
と,外乱抑圧効果である制御性能を指定する制御性能の
重みと,前記アクチュエータの数学モデルとを含む一般
化プラントに関するH∞ノルムが所定値以下となり,か
つロバスト制御性能を満足するH∞コントローラが設計
された位置決め制御装置において,制御性能の重みと,
前記粗動コントローラと,前記粗動アクチュエータの数
学モデルと,前記微動アクチュエータの数学モデルと,
前記被測定物の表面形状の傾斜角度によって変化する前
記フォーカス信号の不確かさの重みを非複素数である実
数の重みとして設計される微動H∞コントローラを備え
たことを特徴とする位置決め制御装置。
5. A coarse movement actuator supported by a spring, a fine movement actuator having a high response frequency with respect to the coarse movement actuator and a small movable range, and detecting a movement amount of the fine movement actuator to generate a fine movement position signal. A fine movement position detecting means for outputting, a focus signal generating means for optically detecting an interval between the fine movement actuator and the object to be measured, and generating a focus signal; and a focus signal based on a previously input target position and the focus signal. A fine movement controller that outputs a fine movement operation amount and performs positioning control of the fine movement; a driving unit that drives the fine movement actuator in accordance with the fine movement amount; and a coarse movement operation amount that is output based on the fine movement position signal. A coarse movement controller that executes positioning control of the robot, specifies robust stability, and H∞ norm for a generalized plant including the uncertainty weight representing the uncertainty, the control performance weight for designating the control performance as the disturbance suppression effect, and the mathematical model of the actuator is less than or equal to a predetermined value, and is robust. In a positioning controller designed with an H∞ controller that satisfies the control performance,
The coarse motion controller, a mathematical model of the coarse motion actuator, a mathematical model of the fine motion actuator,
A positioning control device, comprising: a fine movement H∞ controller designed so that the weight of the uncertainty of the focus signal, which changes according to the inclination angle of the surface shape of the device under test, is a weight of a non-complex real number.
【請求項6】 前記微動H∞コントローラは,微動に要
求される前記被測定物に表面形状に対し,所定の走査速
度で,かつ所定の位置偏差以下で追従するために必要と
なる所定周波数におけるゲインよりも大きなゲインとな
る周波数重みを微動の制御性能の重みとし,前記微動の
制御性能の重みと,前記粗動コントローラの設計時に使
用した粗動の制御性能の重みとを一般化プラントに含め
て設計されることを特徴とする請求項5に記載の位置決
め制御装置。
6. The fine movement H∞ controller has a predetermined frequency required to follow the surface shape of the object to be measured required for the fine movement at a predetermined scanning speed and at a predetermined position deviation or less. A frequency weight having a gain larger than the gain is set as the weight of the control performance of the fine movement, and the weight of the control performance of the fine movement and the weight of the control performance of the coarse movement used in designing the coarse movement controller are included in the generalized plant. The positioning control device according to claim 5, wherein the positioning control device is designed by:
【請求項7】 前記微動H∞コントローラは,制御性能
の重みの高い周波数領域にローパスフィルタが付加され
ることを特徴とする請求項6に記載の位置決め制御装
置。
7. The positioning control device according to claim 6, wherein the fine movement H∞ controller is provided with a low-pass filter in a frequency region having a high control performance weight.
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CN103019098A (en) * 2012-12-15 2013-04-03 江苏大学 Robust controller of automotive chassis integrated system and construction method
CN103034124A (en) * 2012-12-15 2013-04-10 江苏大学 Automotive chassis integrated system generalized inverse internal model controller and construction method

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