JP2006184996A - 位置制御装置および位置制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
制御対象の摩擦による位置決め性能劣化を防止するとともに、物理的な静止摩擦を考慮して、フィードバック制御の出力を調整することにより、目標軌道への追従特性と目標精度内への整定時間の大幅な改善を行なう。
【解決手段】
制御系をフィードバック制御器１１と静止摩擦補償器とから構成し、制御対象１２が摩擦の影響から目標値に対して追従誤差とともに静止した場合に、静止摩擦相当の制御入力印加が補償されるようにフィードバック制御器の出力を調整し、実際の静止摩擦相当の制御入力を制御対象１２に印加し、静止摩擦による制御性能劣化を大幅に改善し、ステップ関数型目標軌道への追従特性と目標精度内への整定時間を大幅に改善する。
【選択図】 図３

Description

本発明は位置制御装置および位置制御方法に係り、とくに制御量と目標値との偏差に応じて、制御器によって制御対象をフィードバック制御して出力位置を目標値に一致させる位置制御装置および位置制御方法に関する。

位置制御装置を概念的に、ブロック図によって示すと、図１５のようになる。ここでは制御器１を用いて制御対象２を制御し、その制御量を、すなわち出力位置を目標値に一致させるようにフィードバック制御する。そのために制御対象２の出力たる制御量(位置)をコンパレータ３によって目標値と比較し、偏差(誤差)を制御器１に入力する。そして制御器１の出力を制御対象２に加えて制御量の補正を行なう。

とくに制御対象２の制御量が位置である場合に、フィードバック位置決め制御対象２の摩擦問題に起因したスティックスリップ現象が発生する。図１６に示すように、目標位置に対して制御対象２の出力位置が目標位置よりも行き過ぎ、その位置で静止した場合に、制御対象２に対して静止摩擦相当の駆動力を超える駆動力を印加しないと、制御対象２が再び移動しない。そこで制御対象２に対して静止摩擦補償信号を加算器４のところで制御器出力に加算し、これを制御対象２に加えるようにしている。

このような静止摩擦補償信号の印加に伴う補償動作によって、駆動力が図１６においてマイナス側の静止摩擦力ｆ_ｓｎを超えた場合に、再び制御対象２が逆方向に移動を開始する。

このように、従来の図１５に示す位置決め制御におけるスティックスリップ防止のためのｂａｎｇ−ｂａｎｇ制御法は、出力たる制御量が追従誤差を伴って静止した場合に、静止摩擦補償信号を制御器１の出力信号に加算した量を制御入力として、制御対象２に印加することによって、摩擦の影響を軽減し、素早く目標値へ追従させる制御である。しかるに制御器１とｂａｎｇ−ｂａｎｇ制御の常時結合状態では、制御器１の出力信号の大小により、印加される制御入力が制御対象２の実際の静止摩擦力とは等しくならない。すなわち厳密には、制御器１の出力が零でない場合には、制御入力は静止摩擦力と異なる値になる。このために摩擦補償効果が低く、結果としてスティックスリップ防止効果が良好でない問題があった。

とくに静止摩擦補償信号として加える制御入力の値が小さいと、制御対象２の駆動力が最大摩擦力をｆ_ｓｐ、ｆ_ｓｎを超えないために、制御対象２が再び動くことができなくなり、これによって位置制御が誤差を有したままで中断してしまう。逆に静止摩擦補償信号として過大な信号を加えると、この信号によって制御対象２に対して交互に逆方向に不必要に大きな駆動力が印加される。このために制御対象２が、図１７に示すようにオーバシュートとアンダーシュートとを繰返すことになり、整定しなくなる。

また図１５に示す常時結合型の従来の手法によると、摩擦の影響の低い系や、あるいは位置決め精度が要求されない系では有効であるが、摩擦駆動機構を有する系や位置決め精度が要求される系においては、あまり有効ではない。このような系としては、とくに、超精密ステージ制御系が挙げられる。そこで超精密ステージ制御系においても、確実にスティックスリップ現象が防止できる手法が必要である。本願発明は、静止摩擦を厳密に考慮できるようにフィードバック制御器の出力を修正し、これによってスティックスリップの防止を図るようにしたものであって、目標値追従性および位置決め整定時間の改善を図ることを目的としている。
特開平５−５３６４９号公報 特開２００１−１５５４５１号公報 特開２０００−１０６３５号公報

本願発明の課題は、目標値追従性を改善した位置制御装置および位置制御方法を提供することである。

本願発明の別の課題は、位置決め整定時間を改善するようにした位置制御装置および位置制御方法を提供することである。

本願発明のさらに別の課題は、スティックスリップ現象を防止するようにした位置制御装置および位置制御方法を提供することである。

本願発明のさらに別の課題は、制御対象たる装置の摩擦の影響を軽減して素早く目標値へ追従させる制御を可能にした位置制御装置および位置制御方法を提供することである。

本願発明のさらに別の課題は、装置の静止摩擦力と等価な補償信号を印加することによって摩擦の影響を軽減し、素早く目標値へ追従させる位置制御装置および位置制御方法を提供することである。

本願発明の上記の課題および別の課題は、以下に述べる本願発明の技術的思想、およびその実施の形態によって明らかにされよう。

本願の主要な発明は、制御量と目標値との偏差に応じて、制御器によって制御対象をフィードバック制御して出力位置を目標値に一致させる位置制御装置において、
制御量が誤差を含んだ状態で制御対象が静止したときに、該制御対象の静止摩擦力に相当する値と同じかそれよりも大きな値の制御入力を前記制御対象に入力する補償手段を設けたことを特徴とする位置制御装置に関するものである。

別の主要な発明は、制御量と目標値との偏差に応じて、制御器によって制御対象をフィードバック制御して出力位置を目標値に一致させる位置制御装置において、
制御器が比例要素と積分要素とを含むＰＩ制御器から構成され、
制御量が誤差を含んだ状態で制御対象が静止したときに、前記積分器の出力をリセットするとともに、前記比例要素の出力に前記制御対象の静止摩擦力に相当する値を加えた制御入力を前記制御対象に入力する補償手段を設けたことを特徴とする位置制御装置に関するものである。ここで、この位置制御装置が離散型の制御を行なうとともに、前記補償手段は誤差を含んだ状態で静止する条件が連続して成立した最初の１回目のみ補償動作を行なうようにするのが好適である。

本願のさらに別の主要な発明は、制御量と目標値との偏差に応じて、制御器によって制御対象をフィードバック制御して出力位置を目標値に一致させる位置制御装置において、
制御器が積分要素と比例要素とを含むＩＰ制御器から構成され、
前記積分要素の出力と前記比例要素の出力の差分が前記制御対象に対する制御入力とされ、
制御量が誤差を含んだ状態で制御対象が静止したときに、前記積分要素の出力と前記比例要素の出力とを一致させて差分を零とするとともに、前記制御対象の静止摩擦力に相当する値を前記制御対象に入力する補償手段を設けたことを特徴とする位置制御装置に関するものである。ここで、この位置制御装置が離散型の制御を行なうとともに、前記補償手段は誤差を含んだ状態で静止する条件が連続して成立した最初の１回目のみ補償動作を行なうようにすることが好適である。また積分要素の出力から比例要素の出力を減算する減算器を備え、前記積分要素の出力と前記比例要素の出力とが等しくなると、前記減算器の出力が零になるようにしてよい。

制御方法に関する発明は、制御量と目標値との偏差に応じて、制御器によって制御対象をフィードバック制御して出力位置を目標値に一致させる位置制御方法において、
制御器として比例要素と積分要素とを含むＰＩ制御器を用い、
制御量が誤差を含んだ状態で制御対象が静止したときに、前記積分要素の出力をリセットするとともに、前記比例要素の出力に前記制御対象の静止摩擦力に相当する値を加えた制御入力を前記制御対象に入力することを特徴とする位置制御方法に関するものである。

制御方法に関する別の発明は、制御量と目標値との偏差に応じて、制御器によって制御対象をフィードバック制御して出力位置を目標値に一致させる位置制御方法において、
制御器として積分要素と比例要素とを含むＩＰ制御器を用い、
前記積分要素の出力と前記比例要素の出力の差分が前記制御対象に対する制御入力とされ、
制御量が誤差を含んだ状態で制御対象が静止したときに、前記積分要素の出力と前記比例要素の出力を一致させて差分を零とするとともに、前記制御対象の静止摩擦力に相当する値を前記制御対象に入力することを特徴とする位置制御方法に関するものである。ここで積分要素の出力から比例要素の出力を減算器によって減算するようにし、制御対象が静止する条件が成立したら前記減算器の出力を目標偏差から減算して前記積分要素の出力と前記比例要素の出力とを等しくしてよい。

本願の主要な発明は、制御量と目標値との偏差に応じて、制御器によって制御対象をフィードバック制御して出力位置を目標値に一致させる位置制御装置において、制御器が比例要素と積分要素とを含むＰＩ制御器から構成され、制御量が誤差を含んだ状態で制御対象が静止したときに、前記積分器の出力をリセットするとともに、前記比例要素の出力に前記制御対象の静止摩擦力に相当する値を加えた制御入力を前記制御対象に入力する補償手段を設けたことを特徴とする位置制御装置および位置制御方法に関するものである。

従ってこのような構成によれば、制御器が比例要素と積分要素とを含むＰＩ制御器から構成されるＰＩ制御において、制御対象が誤差を含んだ状態で静止した場合に、比例要素の出力に静止摩擦力に相当する値を加えた制御入力が制御対象に入力されるようになり、静止摩擦力と等しいかそれよりも大きな駆動力に対応する制御入力を制御対象に入力して制御量を目標値に一致させる制御を迅速に行なうことが可能になる。

本願の別の主要な発明は、制御量と目標値との偏差に応じて、制御器によって制御対象をフィードバック制御して出力位置を目標値に一致させる位置制御装置において、制御器が積分要素と比例要素とを含むＩＰ制御器から構成され、前記積分要素の出力と前記比例要素の出力の差分が前記制御対象に対する制御入力とされ、制御量が誤差を含んだ状態で制御対象が静止したときに、前記積分要素の出力と前記比例要素の出力とを一致させて差分を零とするとともに、前記制御対象の静止摩擦力に相当する値を前記制御対象に入力する補償手段を設けたことを特徴とする位置制御装置および位置制御方法に関するものである。

従ってこのような構成によれば、誤差を含んだ状態で制御対象が停止したときには、積分要素の出力と比例要素の出力とを一致させて制御器の出力を零とし、しかも静止摩擦力に相当する値を制御対象に入力することになり、これによって制御対象に入力される制御入力が実際の静止摩擦力と等価になり、過大または過小な駆動力を加えることなく制御対象を動作させ、目標精度内への整定時間を大幅に改善できるようになる。

実施の形態１
以下本願発明を図示の実施の形態によって説明する。まず制御器が、比例要素と積分要素とから成るＰＩ制御器を用いる第１の実施の形態について説明する。図１に示すように、この実施の形態は制御器１１によって制御対象１２を制御し、この制御対象１２の出力としての位置ｘを目標値に一致させる制御系である。制御対象１２の出力である位置ｘはコンパレータ１３で目標値と比較され、偏差ｅが制御器１１に入力される。そして制御器１１で制御を行ない、その制御出力ｕｃを制御対象２に加えるようにしている。

制御器１１と制御対象１２との間には加算器１４が設定され、この加算器１４で、制御器１１の出力ｕ_ｃに静止摩擦補償信号ｕ_ｓｐ、ｕ_ｓｎを加えるようにしてい る。ここでｕ_ｓｐはプラス側の補償信号であり、ｕ_ｓｎはマイナス側の補償信号である。

上述の如く制御器１１は、比例要素と積分要素とを含むＰＩ制御器から構成される。このＰＩ制御器のシステム構成は図２に示される。ここで加算器２１に着目すれば、加算器２１はフィードバック要素Ａの出力と乗数項ｂの出力とを加算する。従って次の式が成立する。
ｘ（ｋ＋１）＝Ａｘ（ｋ）＋ｂｅ（ｋ）
次にこの制御器１１の制御出力ｕ_ｃを出力する加算器２２に着目すると、加算器２２は比例項ｃの出力とフィードフォワード要素ｄの出力とを加算する。従って次式が成立する。
ｕ_ｃ＝ｃｘ（ｋ）＋ｄｅ（ｋ）
従って上記図２の制御器１１の構成を、図１の制御器１１に適用すると、図１のブロック図は図３の形式に表現できる。

ここで制御量が誤差とともに静止するという条件、すなわちｅ≠０、かつｄｘ／ｄｔ＝０が成立した１回目に、
１．制御器の内部状態クリア（ｘ（ｋ）＝０）
２．制御器１１の出力を定常項ｄのみに設定（ｕ_ｃ（ｋ）＝ｄｅ（ｋ））
３．誤差の符号(正、負)により、正または負の摩擦補償信号を制御器出力に加算（ ｕ＝ｕ_ｃ＋ｕ_ｓ）
を行なう。従ってこのことは、制御対象１２に入力される制御入力ｕ_ｃとして次の値を加算器１４が出力することを意味する 。
ｕ＝ｄｅ＋ｕ_ｓｐ ｉｆ ｅ＞０、ｄｘ／ｄｔ＝０
ｕ＝ｄｅ＋ｕ_ｓｎ ｉｆ ｅ＜０、ｄｘ／ｄｔ＝０
このように上記の制御出力ｕを制御対象１２に加える際に、同時に制御器１１の内部状態のリセット、すなわちｘ（ｋ）＝０の設定を行なうことによって、摩擦の影響により静止した対象に対して、正または負の静摩擦と同等の追従誤差に対する厳密な補償が行なわれる。

ここで制御器１１の動作が、コンピュータによってソフトウエアで達成される離散化方式のデジタルサーボである。そして制御器１１の制御動作は、制御対象１２が目標位置となるように移動している場合には、通常の離散型のＰＩ制御が行なわれる。この制御動作はまずフラグの初期値を零（ｆｌａｇ＝０）として開始する。そして制御対象１２が静止状態でない場合には、通常のＰＩ制御動作が行なわれ、ｕ_ｓ（ｋ）＝０とし、さらにｕ（ｋ）＝ｕ_ｃ（ｋ）とする。そしてこのときに同時に、フラグのセットを行なう（ｆｌａｇ＝０）。そして１回の動作を終わる毎にｋをｋ＋１にする。従ってこの動作が何回も繰返される。そして制御対象１２の出力である位置の誤差が零になって目標値に到達した場合に、ｕ（ｋ）＝０として制御動作を終了する。

これに対してとくに摩擦補償動作は、図４に示すフローチャート中の、追従誤差ありと判断された分岐ルーチンに基づいて行なわれる。この制御動作の特徴は、制御対象の速度が零（ｄｘ／ｄｔ＝０またはｖｅｌ（ｋ）＝０）であってしかも追従誤差がある場合（ｅ（ｋ）≠０）に、フラグの確認を行ない、フラグが零の場合に積分項の出力を零にリセットし（ｘ（ｋ）＝０）、しかも定常項ｄの出力をｕ_ｃ（ｋ）＝ｄｅ（ｋ）とし、さらにフラグを１にセットすることである。そして この後にエラーｅ（ｋ）の正負の判断を行ない、それぞれの場合に静止摩擦相当の正方向あるいは負方向の出力ｕ（ｋ）を印加することである。

この動作のにおいては、制御器１１の内部状態をクリアする動作（ｘ（ｋ）＝０）の際に、同時にフラグセット(ｆｌａｇ＝１)を行なうようにしている。従って次の回（ｋ＋１）においては、フラグが零ではないために、制御器１１の内部状態のクリアがスキップされる。従って２回目以降は制御器１１内の積分器が出力を生ずる。しかも積分器の出力は１回毎にその値が次第に大きくなるために、やがて制御器１１に加えられる制御信号ｕは静止摩擦相当の力(ｆ_ｓｐまたはｆ_ｓｎ)を必ず超えることになる。従って駆動力が不足で制御対象１２が静止したままの状態になることがない。

図５はこのような制御動作をグラフによって示したものであって、とくに制御対象１２が所定の位置で停止した場合に、その後に制御対象１２に加えられる摩擦補償信号(ｕ_ｓｐ、ｕ_ｓｎ)によって駆動力が静止摩擦力ｆ_ｓｎを超えることが明確に示されており、これによってスティックスリップの防止が可能であるとともに、目標値追従特性および位置決め整定時間の改善が可能になる。

このように本実施の形態は、静止摩擦の物理量を考慮し、制御器１１の出力を調整することを特徴とする位置決め制御法である。この制御系の構成は、上述の如くフィードバック制御系１１と静止摩擦補償信号を印加する静止摩擦補償器とから成り、制御対象１２が摩擦の影響から目標値に対して追従誤差ｅ≠０とともに静止した場合に、静止摩擦相当の制御入力（ｕ_ｓｐ、ｕ_ｓｎ）印加が補償されるように、フィードバック制御の出力の調整をする機能を有する。

従ってこのような構成によれば、摩擦の影響から制御対象１２が静止したときに、実際の静止摩擦相当の制御入力の印加が可能になるために、静止摩擦による制御性能劣化を大幅に改善できる。同時に、制御器１１の内部状態の内容を利用せずに、比例項だけの制御入力分を印加するために、従来のように過大な制御入力にはならず、図１６のようなオーバシュートの繰返し動作が防止される。本実施の形態は、とくにステップ関数型目標軌道への追従特性と、目標精度内への整定時間に対して大幅な改善が期待できる。

実施の形態２
次に第２の実施の形態を、図６〜図８によって説明する。この実施の形態は比例先行型の制御系、すなわち積分要素２５と比例要素２６とを含むＩＰ制御器による制御の際における静摩擦補償に関するものである。

図６において制御対象１２の出力ｘはコンパレータ１３で目標値と比較される。そしてコンパレータ１３で出力される偏差値ｅが積分要素２５に入力され、積分要素２５はｕ_ｉを出力する。減算器２７は、上記積分要素２５の出力ｕ_ｉから制御対象１２の出力をフィードバックする比例要素２６の出力を引く減算を行なう。そして減算器２７の出力が制御対象１２に制御入力として加えられる。そして上記制御対象１２の前段に設けられた加算器２８が減算器２７の出力に対して静摩擦補償信号を印加する。

このような比例先行型の制御系であるＩＰ制御器１１から成る制御システムに適用する場合には、静摩擦補償のために、上記第１の実施の形態におけるような内部状態クリアを利用することができない。これは積分要素２５の出力をリセットしてｕ_ｉ＝０にすると、減算器２７の出力が−ｕ_ｐのみになり、この−ｕ_ｐが制御対象１２に入力されるために、制御対象１２は制御不能の状態に陥る。よって積分器２５の内部状態クリアが利用できない。

そこで本実施の形態においては、積分要素２５の出力ｕ_ｉと比例要素２６の出力ｕ_ｐの差が制御対象１２の制御入力となることから、上述の条件であって制御量が誤差を有せず、ｅ≠０であってしかも静止する（ｄｘ／ｄｔ＝０）の場合に、上記積分要素２５の出力と比例要素２６の出力との差を零にする。これは積分要素２５の出力と比例要素２６の出力とを一致させることにより達成される。そして積分器リセットの代わりに、積分要素２５の出力を比例要素２６の出力に一致させるために、積分要素２５の離散状態空間実現を、
ｘ（ｋ＋１）＝Ａ_ｉｐｘ（ｋ）＋ｂ_ｉｐｅ（ｋ）
ｕｉ＝ｃ_ｉｐｘ（ｋ）＋ｄ_ｉｐｅ（ｋ）
とする。そして上述の条件（ｅ≠０、ｄｘ／ｄｔ＝０ ）の条件が成立した場合に、
ｘ~（ｋ＋１）＝Ａ_ｉｐｘ（ｋ）＋ｂ_ｉｐｅ~（ｋ）
ｕｉ＝ｃ_ｉｐｘ（ｋ）＋ｄ_ｉｐｅ~（ｋ）
とアルゴリズムを修正する。ただしここで、
ｅ~（ｋ）＝ｅ（ｋ）−（ｕ_ｉ（ｋ） −ｕ_ｐ（ｋ））／ｄ_ｉｐ
である。そしてその後に、同一サンプル内で静止摩擦補償電圧を加算すればよい。

誤差がある状態（ｅ≠０）で制御対象１２の速度が零になって静止した場合（ｄｘ／ｄｔ＝０）になったら、その回だけ上記のアルゴリズムを成立させるシステム構成が図７に示される。すなわち上記の条件が成立した場合に、その回だけ積分要素２５の出力ｕ_ｉから比例要素２６の出力ｕ_ｐを減算器２９で差引いて、１／ｄ_ｉｐの比例要素を経由し積分要素２５の入力側に減算器３１によって印加する 。従ってその分だけ積分器２５の入力が小さくなるとともに、積分項２５の出力ｕ_ｉがｕ_ｉ＝ｕ_ｐになる。従って積分要素２５の出力側の減算器２７の減算動作は、ｕ_ｉ−ｕ_ｐ＝０となる。このために制御対象１２に加えられる制御入力は加算器２８で加えられる静止摩擦補償入力ｕ_ｓのみになる。

図８は上記のような動作を、この積分要素２５を含む制御器を構成するコンピュータのソフトウエアによって行なう場合のフローチャートを示しており、制御対象の出力の微分値が零（ｖｅｌ（ｋ）＝０）と判断するステップにおいて、速度が存在する場合には、通常の離散型のＩＰ制御が行なわれ、ｕ_ｓ（ｋ）＝０とし、ｕ（ｋ）＝ｕ_ｉ（ｋ）−ｕ_ｐ（ｋ）とする。さらにこのときにフラグのセットを行ない、ｆｌａｇ＝０にする。そしてその回を終わった後にｋをｋ＋１にする。従ってこのＩＰ制御動作が何回も繰返して行なわれる。

次に摩擦補償動作は、追従誤差なしの判断のステップにおいて、ｎｏと判断された場合の分岐ルーチンに基づいて行われる。すなわち追従誤差ｅ≠０であってしかもステージの速度ｄｘ／ｄｔ＝０の状態で、フラグが零であることが確認された場合に、上述のアルゴリズムの変更を行なうとともに、加算器２８によって静止摩擦相当の補償信号（ｕ_ｓｐ、ｕ_ｓｎ）を制御対象１２に印加する動作を示している。

図９は図７に示すシステム構成の変形例である。ここではｅ≠０であってしかもｄｘ／ｄｔ＝０の場合に、その回だけ１／ｄ_ｉｐのフィードバック回路をソフト的に成立させる。そして加算器２７の出力であって、制御対象１２に加える出力ｕを１／ｄ_ｉｐの比例要素を通して積分器２５の入力側に減算器３１を通して印加する。するとそのとき１回だけ
ｕ_ｉ＝（ｕ_ｉｐ−ｕ_ｐ）．（１／ｄ_ｉｐ）．ｋ／ｓ＝ｕ_ｐ
従ってその１回だけｕ_ｉ＝ｕ_ｐになり、このために減算器２７の出力は
ｕ_ｉ−ｕ_ｐ＝０
となる。従って積分出力が実質的に１回だけリセットされる。そしてこのときに加算器２８によって静止摩擦相当の出力ｕ_ｓｐまたｕ_ｓｎが制御対象１２に印加される。従ってこの変形例においても、図７に示す場合と同様の作用効果を奏する。

次に上記の位置制御を、半導体製造用の精密ステージの制御に用いた実施例を説明する。図１０に示すようにこの制御装置はステージ４２を備え、一対のリニアガイド４３によってそれらの長さ方向に移動自在に支持される。そしてステージ４２は非共振型超音波モータ４４によってリニアガイド４３に沿って移動されるようになっている。非共振型超音波モータ４４は上述の位置制御を行なうコンピュータを内蔵するコントローラ４５によって制御されるようになっている。

コントローラ４５にはリニアスケール４６の出力から位置情報を読込むリニアエンコーダ４７の出力と、リミットセンサ４８の出力とがそれぞれ入力される。さらにコントローラ４５は操作用パソコン４９と接続される。

上記非共振型超音波モータ４４は、駆動脚５１、５２を備えている。これらの駆動脚５１、５２はそれぞれ図１１に示すように、伸縮変形部５３と剪断変形部５４とを備えている。伸縮変形部５３はその伸縮方向、すなわち長さ方向に分極され、これに対して剪断変形部５４は横方向に分極されている。

ここで駆動脚５１の伸縮変形部５３に電圧が加えられると伸張し、この駆動脚５１の先端側の部分がステージ４２に接触する。そしてこの状態において剪断変形部５４を剪断変形させることによって、駆動脚５１の先端部が送り方向にステージ４２に駆動力を与える。なおこのときに反対側の駆動脚５２の伸縮変形部５３が収縮しているために、駆動脚５２はその先端部がステージ４２から離間している。そしてこのように先端部がステージ４２から離間している駆動脚５２の剪断変形部５４は、次の駆動に備えて反対方向に剪断変形を行なっている。

このような動作が２本の駆動脚５１、５２に交互にかつ順次繰返されることによって、ステージ４２が矢印で示すリニアガイド４３の長さ方向に移動される。そしてその位置がリニアスケール４６と対接するリニアエンコーダ４７によって読出され、コントローラ４５に入力される。

ここでストロークが１００ｍｍであって、計測分解能が１００ｎｍの精密ステージ装置の位置決め制御に、上記実施の形態1を応用した結果を図１２および図１３に示す。これらの場合の目標値はそれぞれ０．０５ｍｍおよび０．００１ｍｍのステップ指令である。制御入力は力相当の電圧であって、制御器には制御帯域が１００ＨｚのＰＩ制御器が用いられた。

従来の摩擦補償法によると、ステージ静止時に位置追従誤差が正であれば、制御器出力に正の補償信号（７．７Ｖ：同定値）を、また追従誤差が負であれば負の補償信号（−９．２Ｖ：同定値）を加算する。その結果、静止摩擦近傍の電圧（−１０Ｖ付近）でステージが静止した場合に、その値に静止摩擦相当の電圧（合計：−１９．２Ｖ）を加算するため過大な制御入力になり、短時間の動作と停止・摩擦補償を繰返し、目標値に整定するまでに３５ｍｓ要している。また、目標値追従の直前（３０ｍｓ付近）からは、制御入力がプラスの量となっており、静止摩擦電圧を加算しても、実際の静止摩擦力には足りず、制御器の誤差積分効果により、静止摩擦に達するまで時間を要していることが確認された。

これに対して、本願発明を応用した場合には、ステージ静止時に必ず静止摩擦相当の電圧に誤差比例の電圧を加えたものが印加されるために、従来法より過大な制御入力にはならずに、しかも印加される制御入力が必ず静止摩擦相当値以上となるために、静止と移動に対する時間ロスが極めて少なくなる。その結果、目標値に対する追従性がよく、整定時間も目標値が０．０５ｍｍの場合に２０ｍｓ程度であって、従来手法に比べて４３％の位置決め時間の短縮が可能になっている。

次に実施の形態２のＩＰ制御系を用いた制御要素を有するステージ装置に本願発明を適用した場合において、上記のＰＩ制御系の場合と同様の目標値が０．０５ｍｍのステップ応答実験を行なって有用性を検討した。その結果を図１４に示す。この場合においても、ＰＩ制御の場合と同様に、目標値への追従特性が改善され、整定時間も従来比３７％の時間短縮が確認された。

以上本願発明を、図示の実施の形態および実施例によって説明したが、本願発明は上記実施の形態や実施例によって限定されることなく、本願発明の技術的思想の範囲内で各種の変更が可能である。例えば本願発明は、ＰＩ制御、ＩＰ制御、位相進み・位相遅れ制御、ロバスト制御等、動特性を有するフィードバック制御全般に対して広く適用可能である。

また本願発明は、スティックスリップの防止とともに要求される目標精度に対する整定時間の短縮と、目標軌道に対する追従特性の改善とが可能になるために、精度が要求される半導体製造装置、電子線測長装置、電子線描画装置、ＤＶＤマスタリング装置に適用できる。また本発明に係る装置あるいは方法の導入によって、生産性の向上や、素子の微細化が期待できる。またその他にも、ＮＣ工作機、産業用ロボット等の、摩擦機構を有するほとんどの制御分野に適用でき、同様の作用効果が期待できる。

本発明は、制御量を目標値に一致させるようにフィードバック制御を行なう位置制御装置に広く利用可能であって、半導体製造用精密ステージ、ＮＣ工作機、産業用ロボット等の制御対象が摩擦機構を有するほとんどの位置制御装置に適用可能である。

ＰＩ型制御器を含む制御システムのブロック図である。 制御器の構成を示すブロック図である。 離散化実現の制御器としたときのシステム構成を示すブロック図である。 制御動作を示すフローチャートである。 制御動作を示すグラフである。 ＩＰ制御系から成る制御システムの構成を示すブロック図である。 離散化実現の制御器としたときのシステム構成のブロック図である。 同システムの動作を示すフローチャートである。 変形例に係るシステムの図７と同様のブロック図である。 ステージの位置決め装置のブロック図である。 非共振型超音波モータの動作原理を示す要部正面図である。 ＰＩ制御系の制御器を用いたときの精密ステージの位置と制御電圧の変化を示すグラフである。 ＰＩ制御系の制御器で目標値を変えたときの精密ステージの位置と制御電圧の変化を示すグラフである。 ＩＰ制御系の制御器を用いたときの精密ステージの位置と制御電圧の変化を示すグラフである。 従来の静止摩擦補償動作を示す制御システムのブロック図である。 同装置による位置と駆動力の変化を示すグラフである。 スティックスリップ現象を示すグラフである。

符号の説明

１ 制御器
２ 制御対象
３ コンパレータ
４ 加算器
１１ 制御器
１２ 制御対象
１３ コンパレータ
１４ 加算器
２１、２２ 加算器
２５ 積分要素
２６ 比例要素
２７ 減算器
２８ 加算器
２９ 減算器
３１ 減算器
４２ ステージ
４３ リニアガイド
４４ 非共振型超音波モータ
４５ コントローラ
４６ リニアスケール
４７ リニアエンコーダ
４８ リミットセンサ
４９ 操作用パソコン
５１、５２ 駆動脚
５３ 伸縮変形部
５４ 剪断変形部

Claims (9)

1. 制御量と目標値との偏差に応じて、制御器によって制御対象をフィードバック制御して出力位置を目標値に一致させる位置制御装置において、
   制御量が誤差を含んだ状態で制御対象が静止したときに、該制御対象の静止摩擦力に相当する値と同じかそれよりも大きな値の制御入力を前記制御対象に入力する補償手段を設けたことを特徴とする位置制御装置。
2. 制御量と目標値との偏差に応じて、制御器によって制御対象をフィードバック制御して出力位置を目標値に一致させる位置制御装置において、
   制御器が比例要素と積分要素とを含むＰＩ制御器から構成され、
   制御量が誤差を含んだ状態で制御対象が静止したときに、前記積分器の出力をリセットするとともに、前記比例要素の出力に前記制御対象の静止摩擦力に相当する値を加えた制御入力を前記制御対象に入力する補償手段を設けたことを特徴とする位置制御装置。
3. この位置制御装置が離散型の制御を行なうとともに、前記補償手段は誤差を含んだ状態で静止する条件が連続して成立した最初の１回目のみ補償動作を行なうことを特徴とする請求項２に記載の位置制御装置。
4. 制御量と目標値との偏差に応じて、制御器によって制御対象をフィードバック制御して出力位置を目標値に一致させる位置制御装置において、
   制御器が積分要素と比例要素とを含むＩＰ制御器から構成され、
   前記積分要素の出力と前記比例要素の出力の差分が前記制御対象に対する制御入力とされ、
   制御量が誤差を含んだ状態で制御対象が静止したときに、前記積分要素の出力と前記比例要素の出力とを一致させて差分を零とするとともに、前記制御対象の静止摩擦力に相当する値を前記制御対象に入力する補償手段を設けたことを特徴とする位置制御装置。
5. この位置制御装置が離散型の制御を行なうとともに、前記補償手段は誤差を含んだ状態で静止する条件が連続して成立した最初の１回目のみ補償動作を行なうことを特徴とする請求項４に記載の位置制御装置。
6. 積分要素の出力から比例要素の出力を減算する減算器を備え、前記積分要素の出力と前記比例要素の出力とが等しくなると、前記減算器の出力が零になるようにしたことを特徴とする請求項４に記載の位置制御装置。
7. 制御量と目標値との偏差に応じて、制御器によって制御対象をフィードバック制御して出力位置を目標値に一致させる位置制御方法において、
   制御器として比例要素と積分要素とを含むＰＩ制御器を用い、
   制御量が誤差を含んだ状態で制御対象が静止したときに、前記積分要素の出力をリセットするとともに、前記比例要素の出力に前記制御対象の静止摩擦力に相当する値を加えた制御入力を前記制御対象に入力することを特徴とする位置制御方法。
8. 制御量と目標値との偏差に応じて、制御器によって制御対象をフィードバック制御して出力位置を目標値に一致させる位置制御方法において、
   制御器として積分要素と比例要素とを含むＩＰ制御器を用い、
   前記積分要素の出力と前記比例要素の出力の差分が前記制御対象に対する制御入力とされ、
   制御量が誤差を含んだ状態で制御対象が静止したときに、前記積分要素の出力と前記比例要素の出力を一致させて差分を零とするとともに、前記制御対象の静止摩擦力に相当する値を前記制御対象に入力することを特徴とする位置制御方法。
9. 積分要素の出力から比例要素の出力を減算器によって減算するようにし、制御対象が静止する条件が成立したら前記減算器の出力を目標偏差から減算して前記積分要素の出力と前記比例要素の出力とを等しくすることを特徴とする請求項８に記載の位置制御方法。
   

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