JP2010098894A - Drive system of linear motor - Google Patents

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Ryoichi Teshigawara
良一 勅使河原
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Neomax Engineering Co Ltd
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Hitachi Metals Ltd
Neomax Co Ltd
Neomax Engineering Co Ltd
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a drive system of a linear motor, capable of switching a servo gain, without adding a special function to a controller and a driver. <P>SOLUTION: In the drive system of the linear motor, the driver 3 includes a drive part 4 to supply a sinusoidal driving current to the linear motor 2 equipped with a mover having a three-phase coil, and a controller 5 which outputs control signals which constitutes a feedback control system to the drive part. A controller 10 for output of position instructions is connected to the driver. The mover is moved toward a target position by a first servo gain. The mover is stopped by switching to a second servo gain (<the first servo gain), when the mover approaches the target position. A program for switching to the second servo gain immediately before the mover is stopped, is stored in a memory built in the driver 3. The mover is stopped by performing the program, immediately before the mover is stopped. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、ドライバに格納したプログラムを実行することによりサーボゲインの切り替えを行うリニアモータのドライブシステムに関する。   The present invention relates to a linear motor drive system that switches servo gains by executing a program stored in a driver.

半導体製造装置(例えば投影露光装置や検査装置)においては、コアレスタイプのリニア同期モータ(以下単にリニアモータという)によりガラス基板などを搭載したステージを所定位置に移動させることにより露光工程あるいは検査工程が行われる。このリニアモータを駆動するためのドライバは、巻線(多相コイル)に正弦波状の駆動電流を供給するパワー部(電流アンプ)と、高精度の位置決め精度及び停止精度を達成するために、外部コントローラから出力された目標値とリニアモータの現在位置及び現在速度とを比較して、その誤差が少なくなるようにフィードバック制御を行う制御部を有する。   In a semiconductor manufacturing apparatus (for example, a projection exposure apparatus or an inspection apparatus), an exposure process or an inspection process is performed by moving a stage on which a glass substrate or the like is mounted to a predetermined position by a coreless type linear synchronous motor (hereinafter simply referred to as a linear motor). Done. The driver for driving this linear motor has a power unit (current amplifier) that supplies a sinusoidal drive current to the winding (multiphase coil), and an external device to achieve high precision positioning accuracy and stopping accuracy. A control unit that compares the target value output from the controller with the current position and current speed of the linear motor and performs feedback control so as to reduce the error is provided.

この半導体製造装置では、多相コイルに所定振幅の正弦波電流を流して可動子を加速した後、可動子が一定の速度で移動する間に所定の工程が実行され、その工程が終了すると、可動子を減速して目標位置で停止させることが行われている。加速〜定速走行までは、制御系のゲイン(周波数応答における出力と入力の振幅の比)を大きな値に設定して、可動子を所定位置まで移動させることが行われる。一方、停止時においては、大きなゲインであると、共振により、異音や振動が発生し、所定の位置決め精度が得られないので、ステージを高精度(サブミクロンあるいはナノメータオーダ)で位置決めするために、制御系のゲインを小さくしている。   In this semiconductor manufacturing apparatus, after a sine wave current of a predetermined amplitude is passed through the multiphase coil to accelerate the mover, a predetermined process is executed while the mover moves at a constant speed, and when the process ends, The mover is decelerated and stopped at the target position. From acceleration to constant speed running, the control system gain (ratio of output and input amplitude in the frequency response) is set to a large value and the mover is moved to a predetermined position. On the other hand, when stopping, if the gain is large, abnormal noise and vibration are generated due to resonance, and the predetermined positioning accuracy cannot be obtained. Therefore, in order to position the stage with high accuracy (submicron or nanometer order) The gain of the control system is reduced.

リニアモータのサーボチューニングゲインの調整については、種々の構成が提案されている。特許文献1には、ブラシレスリニアDCサーボモータ(但しリニアパルスモータ)の可動子が停止中又は所定の速度以下の場合と、可動子が加減速又は移動中の場合とで速度偏差出力部の出力を増幅する誤差増幅部のサーボゲインを2段階に切り替えることが記載されている。   Various configurations have been proposed for adjusting the servo tuning gain of the linear motor. In Patent Document 1, the output of the speed deviation output unit is obtained when the mover of the brushless linear DC servo motor (however, the linear pulse motor) is stopped or at a predetermined speed or less and when the mover is accelerating / decelerating or moving. It is described that the servo gain of the error amplifying unit for amplifying the signal is switched in two stages.

特許文献2には、ソフト処理部からの位置移動のタイミング目標値と、モータの回転を検出するエンコーダからの信号によるカウンタの現在位置との差を位置ループアンプで増幅して出力し、速度作成回路からの速度信号をゲイン可変速度フィードバックアンプが増幅して出力し、両出力差を速度ループアンプが増幅してドライバに送り、モータを駆動する構成でソフト処理部が現在位置と位置移動のタイミング目標値との偏差の大きさを求め、ゲイン可変速度フィードバックアンプのゲインを、この偏差が一定値よりも大きいときは大きなゲインに、小さいときは小さなゲインに切り替えることが記載されている。   In Patent Document 2, the difference between the position movement timing target value from the software processing unit and the current position of the counter based on the signal from the encoder that detects the rotation of the motor is amplified by a position loop amplifier and output to create a speed. The speed signal from the circuit is amplified and output by the gain variable speed feedback amplifier, and the difference between the two outputs is amplified by the speed loop amplifier and sent to the driver. It is described that the magnitude of the deviation from the target value is obtained and the gain of the gain variable speed feedback amplifier is switched to a large gain when the deviation is larger than a certain value and to a small gain when the deviation is small.

特許文献3には、指令値と出力により決定されるゲインを収納するゲイン記憶部とこのゲインを読み出しコントローラのゲインを変更するゲイン読み出し部を有することにより、初期的にチューニング作業をしておくことで、実用時に負荷の変動に応じてリアルタイムなゲイン変更を安価に実現できることが記載されている。   Patent Document 3 has a gain storage unit that stores a gain determined by a command value and an output, and a gain reading unit that reads the gain and changes the gain of the controller, so that tuning work can be performed initially. Thus, it is described that a real-time gain change can be realized at a low cost in accordance with a load variation in practical use.

特許文献4には、第1ゲインテーブルと第2ゲインテーブルを切り替えスイッチによって切り替えられる構成とし、第1ゲインテーブルおよび第2ゲインテーブルは位置比例ゲイン、位置積分ゲイン、速度比例ゲイン、速度積分ゲイン等で構成される複数の制御ゲインセットを記憶し、パラメータに応じて制御ゲインセットが段階的に対応付けされており、パラメータの値を大きくすると、位置比例ゲイン、速度比例ゲインも大きくなるように制御ゲインセットが設定されており、サーボモータの動作状況に応じて制御ゲインを切り替えることにより、オートチューニング時でも位置決め時間を短くできることが記載されている。   In Patent Document 4, the first gain table and the second gain table are configured to be switched by a changeover switch, and the first gain table and the second gain table are a position proportional gain, a position integral gain, a speed proportional gain, a speed integral gain, and the like. A plurality of control gain sets are stored, and the control gain sets are associated in stages according to the parameters. When the parameter value is increased, the position proportional gain and speed proportional gain are also increased. It is described that a gain set is set, and the positioning time can be shortened even during auto-tuning by switching the control gain according to the operating state of the servo motor.

特許文献5には、ステージを移動させるモータと、モータを駆動する駆動回路を有するドライブ装置と、ドライブ装置を制御するコントロール装置を備えたステージ駆動装置において、ドライブ装置が駆動回路に送出する電流指令PIのゲインを、コントロール装置が送出する切替信号CCにより検査区間以外は電流指令PIを高ゲインで増幅してステージの移動を高速度にし、検査区間は低ゲインで増幅してステージの移動を低速度に切替えることが記載されている。   Patent Document 5 discloses a current command that a drive device sends to a drive circuit in a stage drive device that includes a motor that moves the stage, a drive device that includes a drive circuit that drives the motor, and a control device that controls the drive device. The gain of PI is amplified by a high gain at a gain other than the inspection section by the switching signal CC sent from the control device to increase the stage movement at a high speed, and the movement of the stage is reduced by amplifying at a low gain in the inspection section. It is described to switch to speed.

特開昭60−134793号公報(第3頁、図4)JP 60-134793 A (page 3, FIG. 4) 特開平5−6223号公報(第3頁、図2)Japanese Patent Laid-Open No. 5-6223 (page 3, FIG. 2) 特開平9−9662号公報(第2−3頁、図1)Japanese Patent Laid-Open No. 9-9662 (page 2-3, FIG. 1) 特許第3969093号公報(第3−6頁、図3−図5)Japanese Patent No. 3969903 (page 3-6, FIG. 3 to FIG. 5) 特開2006−85566号公報(第3−4頁、図1−図3)JP 2006-85566 A (page 3-4, FIGS. 1 to 3)

特許文献1の制御装置は、可動子の移動速度に基づいてサーボゲインを切替えるので、可動子が停止する直前の時間帯では可動子の移動が不安定になる(非線形摩擦などにより)ので、停止精度が低下すると考えられる。また特許文献2に記載された位置決め装置は、ステージを高精度(サブミクロンあるいはナノメータオーダ)で位置決めするためにソフト処理部をどのように構成するのかについて記載がない。特許文献3に記載されたモータ制御装置は、一定時間ごとにゲインを切替えるので、制御回路が複雑になり、実用性に欠ける。特許文献4の制御回路は複雑であり、実用性に欠ける。特許文献5のステージ駆動装置は、検査区間とそれ以外の区間とで電流指令のゲインを変えることを記載しているにとどまり、停止位置近傍でのゲインを切替えることを記載していない。   Since the control device of Patent Document 1 switches the servo gain based on the moving speed of the mover, the movement of the mover becomes unstable (due to non-linear friction or the like) in the time zone immediately before the mover stops. It is considered that the accuracy is lowered. In addition, the positioning apparatus described in Patent Document 2 does not describe how to configure the software processing unit in order to position the stage with high accuracy (submicron or nanometer order). Since the motor control device described in Patent Document 3 switches the gain at regular intervals, the control circuit becomes complicated and lacks practicality. The control circuit of Patent Document 4 is complicated and lacks practicality. The stage drive device of Patent Document 5 only describes changing the gain of the current command between the inspection section and other sections, and does not describe switching the gain in the vicinity of the stop position.

従って本発明の目的は、コントローラ及びドライバに特別な機能を付加せずにサーボゲインの切り替えを行うことができるリニアモータのドライブシステムを提供することである。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a linear motor drive system capable of switching servo gain without adding a special function to a controller and a driver.

上記目的を達成するために、本発明のリニアモータのドライブシステムは、3相コイルを有する可動子を備えたリニア同期モータに正弦波状の駆動電流を供給する駆動部と前記駆動部にフィードバック制御系を構成する制御信号を出力する制御部を含むドライバに、位置指令を出力するコントローラを接続し、第1サーボゲインで前記可動子を目標位置に向って移動させ、前記可動子が目標位置に近づいたときに第2サーボゲイン(<第1サーボゲイン)に切り替えることにより前記可動子を停止させるリニアモータの制御方法において、前記ドライバに内蔵した記憶部に前記可動子が停止する直前に第2サーボゲインに切り替えるプログラムを格納し、前記可動子の停止直前に前記プログラムを自動的に実行することにより、前記可動子を前記第2サーボゲインで停止させることを特徴とするものである。   In order to achieve the above object, a drive system for a linear motor according to the present invention includes a drive unit for supplying a sinusoidal drive current to a linear synchronous motor having a mover having a three-phase coil, and a feedback control system for the drive unit. A controller that outputs a position command is connected to a driver that includes a control unit that outputs a control signal, and the mover moves toward the target position with a first servo gain, and the mover approaches the target position. In the linear motor control method for stopping the mover by switching to the second servo gain (<first servo gain) when the second servo gain is reached, the second servo is stopped immediately before the mover is stopped in the storage unit built in the driver. A program for switching to gain is stored, and the program is automatically executed immediately before the mover is stopped, so that the mover is It is characterized in that the stop in serial the second servo gain.

本発明において、ステージの高速移動と位置決め精度の向上を図るために、前記第1サーボゲイン及び前記第2サーボゲインは、位置ゲイン、速度ゲイン及び加速度ゲインを含み、前記制御回路はPID型又はP−PI型の制御系を構成することが好ましい。   In the present invention, the first servo gain and the second servo gain include a position gain, a speed gain, and an acceleration gain, and the control circuit is a PID type or P It is preferable to configure a PI type control system.

本発明によれば、振動を伴わずにリニアモータを目標位置と実質的に一致した位置で停止させることが可能となり、しかもドライバの制御部に格納したプログラムを実行する(ソフトウエア処理する)ことにより自動的にサーボゲインの切り替えを行うことができ、極めて高い実用性を有するものである。   According to the present invention, it is possible to stop the linear motor at a position substantially coincident with the target position without vibration, and to execute a program stored in the control unit of the driver (software processing) Thus, the servo gain can be switched automatically, which has extremely high practicality.

以下、本発明の詳細を添付図面を参照して説明する。   Hereinafter, details of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

図1は本発明の実施の形態に係る可変速ドライブシステムを実施するための制御系の構成を示すブロック図、図2はリニアモータの速度線図、図3は図2の一部(停止直前の状態)を拡大した図、図4はゲイン切り替え手段の構成を示すブロック図、図5はゲイン切り替え動作を示すフロー図、図6はリニアモータの概略断面図、図7は図6をA方向からみた矢視図である。   FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of a control system for implementing a variable speed drive system according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a velocity diagram of a linear motor, and FIG. 3 is a part of FIG. 4 is a block diagram showing the configuration of the gain switching means, FIG. 5 is a flowchart showing the gain switching operation, FIG. 6 is a schematic sectional view of the linear motor, and FIG. 7 is FIG. FIG.

[制御系の機器構成]
図1に示すように、ステージ100を目標位置までに移動させるリニアモータ2には、可動子(不図示)に駆動電流を供給するドライバ3が接続されている。ドライバ3はラインレシーバとコントローラ4が接続されて、パレス列の指令信号(最大入力周波数は例えば4MHz)が入力される。ドライバ3とリニアモータ2との給電ライン(電流母線)11には、駆動電流を検出する電流センサ7が設けられている。リニアモータ2には、リニアスケール(不図示)から現在位置を読み取る位置センサ(例えば磁気式又は光学式リニアエンコーダ)8が設けられている。
[Control system configuration]
As shown in FIG. 1, a driver 3 that supplies a drive current to a mover (not shown) is connected to a linear motor 2 that moves the stage 100 to a target position. The driver 3 is connected to the line receiver and the controller 4, and receives a command signal (maximum input frequency is, for example, 4 MHz) of the palace train. A power supply line (current bus) 11 between the driver 3 and the linear motor 2 is provided with a current sensor 7 that detects a drive current. The linear motor 2 is provided with a position sensor (for example, a magnetic or optical linear encoder) 8 that reads a current position from a linear scale (not shown).

[ドライバの構成]
ドライバ3は、リニアモータ2の負荷(3相コイル)に駆動電流を供給する駆動部4と、指令信号(例えば目標位置や目標速度)と、電流センサ7で検出された駆動電流(実電流)やリニアエンコーダからの位置信号を用いて駆動電流を制御してリニアモータ2の可変速ドライブを実現するために、フルクローズドループの多重サーボループを形成する制御部5と、制御系のサーボゲインをソフト的に2段階に切り替えるゲイン切り替え手段6を有する。目標位置(指令パルス数)と現在位置(位置センサ8から出力されたパルス数)との偏差を演算し、その位置偏差に対応したサーボゲイン(位置ゲイン、速度ゲイン及び積分ゲイン)をサーボループに与える駆動部4は、図示を省略するが、交流電源(3相200V)を所定の直流電圧に変換する全波整流回路及びチョッパ回路(DC−DCコンバータ)を有するスイッチング電源部(電流アンプ)と、直流を交流に変換して駆動電流を出力するために、複数の半導体素子を有するインバータ部を備えている。
[Driver configuration]
The driver 3 includes a drive unit 4 that supplies a drive current to a load (three-phase coil) of the linear motor 2, a command signal (for example, a target position and a target speed), and a drive current (actual current) detected by the current sensor 7. In order to realize the variable speed drive of the linear motor 2 by controlling the drive current using the position signal from the linear encoder, the control unit 5 that forms a multiple servo loop of a fully closed loop, and the servo gain of the control system Gain switching means 6 is provided for switching in two steps in terms of software. The deviation between the target position (command pulse number) and the current position (pulse number output from the position sensor 8) is calculated, and the servo gain (position gain, speed gain and integral gain) corresponding to the position deviation is calculated in the servo loop. Although not shown, the driving unit 4 that supplies the switching power source unit (current amplifier) having a full-wave rectifier circuit and a chopper circuit (DC-DC converter) that converts an AC power source (three-phase 200 V) into a predetermined DC voltage; In order to convert a direct current into an alternating current and output a drive current, an inverter unit having a plurality of semiconductor elements is provided.

[制御部]
制御部5は、目標位置(指令パルス数)と現在位置(位置センサ8から出力されたパルス数)との偏差を演算する偏差演算部50と、この位置偏差信号に基づいて現在速度(位置の変位量)を算出する速度検出部51と、目標位置から現在位置を減算することにより、速度指令を算出する位置制御部52と、この速度指令を現在速度から減算して、速度誤差量を求めることにより、電流指令を算出する速度制御部53と、この電流指令から電流センサ7で読み取られた実電流を減算することにより、電流誤差量を求めて駆動部4に制御信号を出力する電流制御部54(例えばPWMアンプ)を有する。PWMアンプは、半導体スイッチ素子のスイッチング動作により、例えば、振幅が時間に対して直線的に変化するキャリア波(三角波やのこぎり波など)と120°の位相差をもつ変調信号波とを比較することにより、パルス幅変調出力(振幅に比例したパルス幅)に変換し、平均化することにより、リニアモータの巻線に正弦波電流を供給するように構成される。
[Control unit]
The control unit 5 calculates a deviation between the target position (the number of command pulses) and the current position (the number of pulses output from the position sensor 8), and the current speed (position position) based on the position deviation signal. A speed detection unit 51 that calculates a displacement amount), a position control unit 52 that calculates a speed command by subtracting the current position from the target position, and a speed error amount by subtracting the speed command from the current speed. Thus, the speed control unit 53 for calculating the current command and the current control for subtracting the actual current read by the current sensor 7 from this current command to obtain the current error amount and output the control signal to the drive unit 4 The unit 54 (for example, a PWM amplifier) is included. The PWM amplifier, for example, compares a carrier wave (a triangular wave, a sawtooth wave, etc.) whose amplitude changes linearly with time and a modulated signal wave having a phase difference of 120 ° by the switching operation of the semiconductor switch element. Thus, a sine wave current is supplied to the winding of the linear motor by converting to a pulse width modulation output (pulse width proportional to the amplitude) and averaging.

本発明では、高精度の位置決めを実現するために、制御ループの伝達関数が式(1)で与えられるPID型の制御系とすることができる。この伝達関数は、入力と出力の関係を表す微分方程式を求め、これをラプラス変換して、初期条件を全て0とし、出力と入力とのラプラス変換の比をとることにより求めることができる。式(1)において、第1項(Kp:比例感度)は比例動作(目標値変化に追従させる)を示す。比例動作のみでは定常位置偏差(オフセット)が残るので、第2項の積分動作(TIS:積分時間)を導入すると、定常偏差は減少するが、立ち上がり時間の遅れが生じるので、第3項の微分動作(TDS:微分時間)を導入してその遅れを改善し、静定時間を短くする(速応性を改善する)ことができる。   In the present invention, in order to realize highly accurate positioning, a PID type control system in which the transfer function of the control loop is given by Expression (1) can be used. This transfer function can be obtained by obtaining a differential equation representing the relationship between input and output, performing Laplace transform, setting all initial conditions to 0, and taking the ratio of Laplace transform between output and input. In Expression (1), the first term (Kp: proportional sensitivity) indicates a proportional operation (follows a change in target value). Since the steady position deviation (offset) remains only with the proportional action, the introduction of the second term integral action (TIS: integration time) reduces the steady deviation but the rise time delay. An operation (TDS: derivative time) can be introduced to improve the delay, and the settling time can be shortened (speed response can be improved).

Figure 2010098894
Figure 2010098894

また本発明では、立ち上がり時間の遅れがわずかである場合は、制御ループの伝達関数が式(2)で与えられるP−PI型の制御系とすることができる。   In the present invention, when the delay of the rise time is slight, a P-PI type control system in which the transfer function of the control loop is given by Expression (2) can be obtained.

Figure 2010098894
Figure 2010098894

[ゲイン切り替え手段]
前記のサーボゲインの切り替えを実現するために、ゲイン切り替え手段6は、図4に示すように、偏差演算部50(IC)で算出された位置偏差を基準パルスと比較する位置偏差比較手段61と、第1サーボゲイン(高ゲイン)を格納する第1ゲインテーブル62と、第2サーボゲイン(低ゲイン)を格納する第2ゲインテーブル63と、位置偏差に基づいて第1サーボゲイン又は第2サーボゲインを読み出して位置制御部52、速度制御部53及び電流制御部54に出力するゲイン切り替えプログラム64を有する。位置偏差比較手段61、第1ゲインテーブル62、第2ゲインテーブル63及びゲイン切り替えプログラム64は、制御部5をシングルチップマイコン(例えば32bit)で構成し、そこに内蔵された記憶部[メモリ(例えばEEPROM)]に格納される。
[Gain switching means]
In order to realize the switching of the servo gain, the gain switching means 6 includes a position deviation comparing means 61 for comparing the position deviation calculated by the deviation calculating section 50 (IC) with a reference pulse, as shown in FIG. A first gain table 62 for storing the first servo gain (high gain), a second gain table 63 for storing the second servo gain (low gain), and the first servo gain or the second servo based on the position deviation. A gain switching program 64 that reads out the gain and outputs the gain to the position control unit 52, the speed control unit 53, and the current control unit 54 is provided. The position deviation comparing means 61, the first gain table 62, the second gain table 63, and the gain switching program 64 comprise the control unit 5 with a single chip microcomputer (for example, 32 bits), and a built-in storage unit [memory (for example, EEPROM)].

第1サーボゲインは、例えば位置ゲインKp1、速度ゲインKv1、加速度ゲインKI1を含み、第2サーボゲインは、例えば位置ゲインKp2(<Kp1)、速度ゲインKv2(<Kv1)、加速度ゲインKI2(<KI1)を含む。これらのサーボゲインは、式(1)の伝達関数から周波数応答を求め、複素数を極座標の形に変形し、絶対値を求めその対数をとる(ボード線図を得る)ことにより、式(3)で表される。式(3)において、τeは電気時定数、ωは周波数を示す。   The first servo gain includes, for example, a position gain Kp1, a speed gain Kv1, and an acceleration gain KI1, and the second servo gain includes, for example, a position gain Kp2 (<Kp1), a speed gain Kv2 (<Kv1), and an acceleration gain KI2 (<KI1 )including. These servo gains are obtained by obtaining a frequency response from the transfer function of Equation (1), transforming a complex number into a polar coordinate form, obtaining an absolute value, and taking its logarithm (obtaining a Bode diagram), thereby obtaining Equation (3). It is represented by In Equation (3), τe is an electrical time constant, and ω is a frequency.

Figure 2010098894
Figure 2010098894

[リニアモータ]
上記のリニアモータ2は、正弦波状の速度起電力波形をもち、トルク(推力)を所定値に制御するための電流制御ループをもつことにより、高速な速度応答(高精度と大加速度)を実現することができるように構成される。図6及び図7に示すようにリニアモータ2は、例えば、X軸方向に移動するX軸ステージ(図示を省略)を搭載し、Y軸方向に移動するY軸ステージ102を有するXYステージ100のX軸方向の両端部(但し図5では一方のリニアモータのみ示す)に配置される。このXYステージ100において、Y軸ステージ102はベース101上に設置されたレール部103にリニアガイド104を介して支持されている。リニアモータ2は、強磁性体からなるコ字形のヨーク211とそこに固着された複数の永久磁石212を有し、ベース100上に設置された磁石ユニット部21(固定子)と、3相結線(例えばY形結線)した偏平な複数の空心コイル221を樹脂220でモールドしたコイル部22(可動子)を有する。永久磁石212は、磁気空隙にY軸方向に沿って正弦波状の磁束密度分布が現出するような磁気回路を形成するために、Z軸方向において異なる極性の磁極が対向し(図6参照)かつY軸方向に沿って異極性の磁極が交互に並ぶように所定間隔をおいて配列されている。コイル部22は、Y軸ステージ102の裏面に連結部222を介して接続されている。このコイル部22にドライバから駆動電流[例えば6〜10A程度の正弦波電流(最大定格電流)]が供給されて、コイル部22がY軸方向(図6参照)に駆動される。このように、コイル部の各巻線(空心コイル)に供給する電流を正弦波にすることにより、トルク変動を少なくすることができる。
[Linear motor]
The above linear motor 2 has a sinusoidal velocity electromotive force waveform and has a current control loop for controlling the torque (thrust) to a predetermined value, thereby realizing a high speed response (high accuracy and large acceleration). Configured to be able to. As shown in FIGS. 6 and 7, for example, the linear motor 2 includes an X-axis stage (not shown) that moves in the X-axis direction and includes a Y-axis stage 102 that moves in the Y-axis direction. They are arranged at both ends in the X-axis direction (however, only one linear motor is shown in FIG. 5). In the XY stage 100, the Y-axis stage 102 is supported by a rail portion 103 installed on the base 101 via a linear guide 104. The linear motor 2 includes a U-shaped yoke 211 made of a ferromagnetic material and a plurality of permanent magnets 212 fixed to the U-shaped yoke 211, and a magnet unit portion 21 (stator) installed on the base 100 and a three-phase connection. A coil portion 22 (movable element) is formed by molding a plurality of flat air-core coils 221 (for example, Y-shaped connection) with a resin 220. In the permanent magnet 212, magnetic poles having different polarities in the Z-axis direction are opposed to each other in order to form a magnetic circuit in which a sinusoidal magnetic flux density distribution appears in the magnetic gap along the Y-axis direction (see FIG. 6). In addition, magnetic poles of different polarities are arranged at predetermined intervals along the Y-axis direction. The coil unit 22 is connected to the back surface of the Y-axis stage 102 via a coupling unit 222. A drive current [for example, a sine wave current (maximum rated current) of about 6 to 10 A] is supplied to the coil unit 22 from the driver, and the coil unit 22 is driven in the Y-axis direction (see FIG. 6). In this way, torque fluctuation can be reduced by making the current supplied to each winding (air core coil) of the coil part a sine wave.

[制御系の動作]
このフィードバック制御系の動作を説明する。ドライバ3の電源がオンされてリニアモータ2の運転が開始され、コントローラ4から制御部5に目標位置が出力されると、位置制御部52で速度指令を算出する。速度検出部55では、速度指令と現在速度から電流指令(目標電流)を算出し、電流制御部53では、この電流指令から現在電流を減算することにより、電流誤差量を求めて電圧指令を算出する。この指令を駆動部4に出力することにより、ステージを目標位置まで移動させることができる。
[Control system operation]
The operation of this feedback control system will be described. When the power of the driver 3 is turned on and the operation of the linear motor 2 is started, and the target position is output from the controller 4 to the control unit 5, the position control unit 52 calculates a speed command. The speed detection unit 55 calculates a current command (target current) from the speed command and the current speed, and the current control unit 53 subtracts the current current from the current command to obtain a current error amount and calculate a voltage command. To do. By outputting this command to the drive unit 4, the stage can be moved to the target position.

上記のステージでは、図2に示すように、コイルに所定方向の電流を流して可動子を加速した後、可動子が一定の速度で移動する間に所定の工程が実行され、その工程が終了すると、可動子を減速して目標位置で停止するようにその駆動が制御される。ここで、加速領域(0−t1)、定速領域(t1−t2)、減速領域(t2−t3)では、制御ループに大きなゲイン(第1サーボゲイン)を投入して、可動子を所定位置まで移動させる。また停止位置近傍の領域(t3―t4)になると、大きなゲインでは共振により、異音や振動が発生し、所定の位置決め精度が得られない。そこで図3に示すように、停止位置(t3)の直前(tc:位置偏差が基準パルスよりも小さくなった時点)で、制御ループに小さなゲインを投入する(第2サーボゲインに切り替える)ことにより、ステージを高精度(サブミクロンあるいはナノメータオーダ)で位置決めすることができる。   In the above stage, as shown in FIG. 2, after a current in a predetermined direction is passed through the coil to accelerate the mover, a predetermined process is executed while the mover moves at a constant speed, and the process ends. Then, the drive is controlled so that the mover is decelerated and stopped at the target position. Here, in the acceleration region (0-t1), the constant speed region (t1-t2), and the deceleration region (t2-t3), a large gain (first servo gain) is input to the control loop, and the mover is moved to a predetermined position. To move. In the region near the stop position (t3-t4), abnormal noise and vibration are generated due to resonance at a large gain, and a predetermined positioning accuracy cannot be obtained. Therefore, as shown in FIG. 3, immediately before the stop position (t3) (tc: when the position deviation becomes smaller than the reference pulse), a small gain is input to the control loop (by switching to the second servo gain). The stage can be positioned with high accuracy (submicron or nanometer order).

[ゲインの切り替え手順]
上記のようにドライバに2種類のサーボゲインを設定し、図5に示す処理手順を実行することにより、ソフト的にサーボゲインの切り替えを自動的に行うことができる。すなわち、加速、定速走行及び減速(但し停止位置の直前まで)の区間[図2のta]では、第1サーボゲインでリニアモータを駆動しながら(S1)、位置偏差を演算し(S2)、その位置偏差(Sp)を基準パルス(例えば、位置指令が1000パルスの場合では、30パルス)と比較し(S3)、位置偏差が基準パルスよりも小さくなった場合は、第2サーボゲインに変更し(S4)、リニアモータを目標位置で停止させる(S5)。すなわち停止直前(目標位置の直前)[図2のtb]になると、リニアモータは低ゲインで駆動されるので、リニアモータの振動や異音を防止することができる。またリニアモータの駆動を再開した場合は、S1のステップに戻り、前記と同じステップ(S2〜S5)を繰り替えすことにより、ステージを次の目標位置まで移動することができる。なお、最適な基準パルスは、リニアモータの動作仕様などによって異なるので、実験により予め求めておく。
[Gain switching procedure]
As described above, by setting two types of servo gains in the driver and executing the processing procedure shown in FIG. 5, the servo gain can be automatically switched in software. That is, in the section of acceleration, constant speed travel and deceleration (until just before the stop position) [ta in FIG. 2], the linear motor is driven with the first servo gain (S1), and the position deviation is calculated (S2). The position deviation (Sp) is compared with a reference pulse (for example, 30 pulses when the position command is 1000 pulses) (S3). If the position deviation is smaller than the reference pulse, the second servo gain is set. The change is made (S4) and the linear motor is stopped at the target position (S5). That is, immediately before stopping (immediately before the target position) [tb in FIG. 2], the linear motor is driven at a low gain, so that vibration and abnormal noise of the linear motor can be prevented. When the driving of the linear motor is resumed, the process returns to step S1, and the stage can be moved to the next target position by repeating the same steps (S2 to S5) as described above. Note that the optimum reference pulse varies depending on the operation specifications of the linear motor and the like, and is obtained in advance by experiments.

上記の実施の形態によれば、XYステージを駆動するリニアモータの駆動電流を制御するために、リニアモータが停止する直前で高ゲインから低ゲインに外部信号によらず、位置検出信号を受けて自動的に切り替わるので、異音や振動を伴わずにリニアモータの駆動を停止することができる。   According to the above embodiment, in order to control the drive current of the linear motor that drives the XY stage, the position detection signal is received from the high gain to the low gain immediately before the linear motor stops, regardless of the external signal. Since switching is performed automatically, the driving of the linear motor can be stopped without any abnormal noise or vibration.

本発明において、第1ゲインと第2ゲインのパラメータ値の変更は、一般的に汎用のパーソナルコンピュータからシリアル通信などの手段で、ドライバのメモリ(例えばEEPROM)を書き換えることができ、極めて実用性が高いものである。   In the present invention, the parameter values of the first gain and the second gain can be changed by rewriting the driver memory (for example, EEPROM) from a general-purpose personal computer by means of serial communication or the like. It is expensive.

本発明は、上記の実施の形態に限定されず、その要旨を逸脱しない範囲で、種々の変更が可能であり、例えば、可動磁石型リニアモータを備えたステージに適用することができる。   The present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made without departing from the scope of the present invention. For example, the present invention can be applied to a stage including a movable magnet type linear motor.

本発明の実施の形態に係るドライブシステムの制御ブロック図である。It is a control block diagram of the drive system concerning an embodiment of the invention. ステージの速度線図である。It is a speed diagram of a stage. 図2の一部を拡大した図である。It is the figure which expanded a part of FIG. ゲイン切り替え手段の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of a gain switching means. ゲイン切替え動作を示すフロー図である。It is a flowchart which shows gain switching operation. 本発明に適用されるリニアモータの一例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows an example of the linear motor applied to this invention. 図6をA方向からみた矢視図である。It is the arrow view which looked at FIG. 6 from the A direction.

符号の説明Explanation of symbols

100:ステージ、2:リニアモータ、3:ドライバ、4:駆動部、5:制御部、6:ゲイン切り替え手段 100: stage, 2: linear motor, 3: driver, 4: drive unit, 5: control unit, 6: gain switching means

Claims (2)

3相コイルを有する可動子を備えたリニア同期モータに正弦波状の駆動電流を供給する駆動部と前記駆動部にフィードバック制御系を構成する制御信号を出力する制御回路部を含むドライバに、位置指令を出力するコントローラを接続し、第1サーボゲインで前記可動子を目標位置に向って移動させ、前記可動子が目標位置に近づいたときに第2サーボゲイン(<第1サーボゲイン)に切り替えることにより前記可動子を停止させるリニアモータのドライブシステムにおいて、前記ドライバに内蔵した記憶部に前記可動子が停止する直前に第2サーボゲインに切り替えるプログラムを格納し、前記可動子の停止直前に前記プログラムを自動的に実行することにより、前記可動子を前記第2サーボゲインで停止させることを特徴とするリニアモータのドライブシステム。 A position command is sent to a driver including a drive unit for supplying a sinusoidal drive current to a linear synchronous motor having a mover having a three-phase coil, and a control circuit unit for outputting a control signal constituting a feedback control system to the drive unit. Is connected to the controller to move the mover toward the target position with the first servo gain, and when the mover approaches the target position, the second servo gain (<first servo gain) is switched. In the linear motor drive system that stops the mover by the above, a program for switching to the second servo gain immediately before the mover stops is stored in the storage unit built in the driver, and the program immediately before the mover stops Is automatically executed to stop the mover at the second servo gain. Data drive system. 前記第1サーボゲイン及び前記第2サーボゲインは位置ゲイン、速度ゲイン及び加速度ゲインを含み、前記フィードバック制御系はPID型又はP−PI型の制御系であることを特徴とする請求項1に記載のリニアモータのドライブシステム。 2. The first servo gain and the second servo gain include a position gain, a speed gain, and an acceleration gain, and the feedback control system is a PID type or P-PI type control system. Linear motor drive system.
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