JP2014228930A - サーボ制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高いループゲインを要す高精度なステージ機構等のサーボ制御装置におけるサーボ系評価のためのパラメータの実測定が可能なステージ制御装置を提供する。
【解決手段】ステージ制御装置１００は、ステージ２００の位置を計測する位置計測器１２０と、位置計測器によって計測された位置フィードバック信号とステージ２００の軌道指令との偏差を演算する位置偏差演算器１３０と、位置偏差演算器によって演算された位置偏差信号に基づいてサーボ系の補償を施すための補償信号を生成するＰＩＤ補償器１４０と、補償信号と外乱信号とを加算する加算器１６０と、ステージ２００を駆動するモータ２１０を加算器１６０によって演算された加算演算信号に応じて駆動するドライバアンプ１７０と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、サーボ制御装置に関するものである。

近年、半導体製造など様々な分野において、ステージ機構などの制御対象物の位置あるいは速度の制御を行うために、サーボ制御装置が用いられている。サーボ制御装置におけるサーボ系を構築するためには、制御対象物を事前にモデル化し、サーボ系の設計ツール等を活用するのが一般的である。すなわち、シミュレーション段階においてサーボ系の設計ツール等を活用してサーボ系の開ループの周波数伝達関数を求め、この周波数伝達関数に基づいて、安定性を確保したサーボ制御装置を開発することが行われている。

しかしながら、現実のサーボ制御装置のサーボ系のゲイン調整には、位置決めによる静止安定性あるいはステップ応答による動的追従性にてサーボ系を評価していることが多く、サーボ系の安定性に関しては実測定を省略していることから、サーボ系の安定性に不安が残ることになる。この点、従来技術では、フィードバックループの閉ループ伝達関数あるいは開ループ伝達関数を測定する装置について知られている。

実開昭６０−２７３７０号公報

しかしながら、従来技術は、高いループゲインを要す高精度なステージ機構等のサーボ制御装置におけるサーボ系の評価については考慮されていない。

すなわち、サーボ系の安定性を判別するためには、サーボ系評価のためのパラメータ（例えば一巡フィードバックループを開いた開ループの周波数伝達関数など）の実測定を要すことになる。しかしながら、一般的に高精度なステージ機構等のサーボ制御系には高いループゲインを要し、開ループの周波数伝達関数などの実測定にはローノイズかつ安定性の良い微少な入力信号を必要とすることから現実的ではない。

そこで、本発明は、高いループゲインを要す高精度なステージ機構等のサーボ制御装置におけるサーボ系評価のためのパラメータの実測定が可能なサーボ制御装置を提供することを課題とする。

本願発明のサーボ制御装置の一形態は、上記課題に鑑みなされたもので、制御対象物の位置あるいは速度の制御を行なうサーボ制御装置であって、前記制御対象物の位置を計測する位置計測器と、前記位置計測器によって計測された位置信号と前記制御対象物の目標位置信号との偏差を演算する偏差演算器と、前記偏差演算器によって演算された位置偏差信号に基づいてサーボ系の補償を施すための補償信号を生成する制御補償器と、前記補償信号と外乱信号とを加算する加算器と、前記制御対象物を駆動する駆動装置を前記加算器によって演算された加算演算信号に応じて駆動するドライバアンプと、を備えたことを特徴とする。

また、サーボ制御装置のサーボ制御動作の実行中において、前記外乱信号は、所定の振
幅値を有し所定の周波数範囲でスイープされたスイープ信号である場合、前記スイープ信号の周波数に対する前記加算演算信号と前記補償信号との振幅値の比を測定することによってサーボ系の開ループの周波数伝達関数の実測定を行うために、前記外乱信号を入力し、かつ前記補償信号と前記加算演算信号とをそれぞれ外部に出力する、ことができる。

また、前記外乱信号が、所定の振幅値を有し所定の周波数範囲でスイープされたスイープ信号である場合、前記スイープ信号の周波数に対する前記外乱信号と前記補償信号との振幅値の比を測定することによってサーボ系の閉ループの周波数伝達関数の実測定を行うために、前記外乱信号を入力し、かつ前記補償信号を外部に出力する、ことができる。

かかる本願発明によれば、高いループゲインを要す高精度なステージ機構等のサーボ制御装置におけるサーボ系評価のためのパラメータの実測定が可能なサーボ制御装置を提供することができる。

図１は、開ループの周波数伝達関数の実測定を行う場合における本実施形態のステージ制御装置と周波数解析システムとの接続を示す図である。 図２は、開ループのボード線図の一例を模式的に示す図である。 図３は、閉ループの周波数伝達関数の実測定を行う場合における本実施形態のステージ制御装置と周波数解析システムとの接続を示す図である。 図４は、閉ループのボード線図の一例を模式的に示す図である。

以下、本願発明の一実施形態に係るサーボ制御装置を図面に基づいて説明する。以下の実施形態は、サーボ制御装置の一例として、ステージ制御装置を説明するが、これには限られない。本実施形態のステージ制御装置は、ステージ機構等のサーボ制御系における周波数伝達関数の実測定によってサーボ系の信頼性を向上させるものである。このステージ制御装置は、高精度ステージが求められる半導体製造装置等において精度及び生産性を上げるために好適に用いられる。

図１は、開ループの周波数伝達関数の実測定を行う場合における本実施形態のステージ制御装置と周波数解析システムとの接続を示す図である。図１において、制御対象物となるステージ２００は、例えば半導体製造に用いられるマスク等を搬送するステージであり、静圧軸受けによる非接触な案内機構の構造を有している。ステージ２００は、アクチュエータとしてモータ２１０によって駆動される。また、ステージ２００の位置は、位置センサ２２０によってリニアスケールを用いて検出される。

ステージ制御装置１００は、ステージ２００の位置及び速度の制御を行なう装置である。ステージ制御装置１００は、制御対象物であるステージ２００の軌道指令（目標位置信号）を生成するモーションコントローラ１１０と、位置センサ２２０の情報からステージ位置を計測する位置計測器１２０とを備える。また、ステージ制御装置１００は、位置計測器１２０から出力された位置フィードバック信号（位置信号）と軌道指令との位置偏差信号を演算する位置偏差演算器１３０と、位置偏差信号に基づいてサーボ系の制御を補償するための制御補償信号（補償信号）を生成するＰＩＤ補償器（制御補償器）１４０とを備える。また、ステージ制御装置１００は、モータ２１０を励磁するドライバアンプ１７０を備える。

ステージ制御装置１００におけるサーボ制御動作は、位置計測器１２０からの位置フィードバック信号を制御量に、モーションコントローラ１１０からの軌道指令に従ってステ
ージ２００の位置及び速度制御を行なう。ここで、ＰＩＤ補償器１４０のＰは比例を、Ｉは積分を、Ｄは微分動作をそれぞれ意味し、位置及び速度等のサーボ制御の補償器として好適に用いられている。ＰＩＤ補償器１４０の各ゲイン項に関しては、サーボ系の設計ツール等を活用して得た設計値を設定していることが多い。しかし、現実には所望の性能が得られるように各ゲイン項の調整を要すことになり、サーボ系の安定性あるいは設定ゲイン等の実態は不明のままである。

そこで本実施形態では、図１に示すように位置フィードバック信号による一巡フィードバックループ内に配置されたＰＩＤ補償器１４０とドライバアンプ１７０との間にサーボ評価器１５０を備えている。

ステージ制御装置１００は、サーボ評価器１５０を備えているため、サーボ系の安定性あるいは設定ゲイン等の評価を目的として開ループの周波数伝達関数を実測することを可能としている。

すなわち、サーボ評価器１５０の機能は、一巡フィードバックループにおけるＰＩＤ補償器１４０の出力の制御補償信号を入力とし、サーボ評価に要する処理を施してドライバアンプ１７０へ出力するものである。具体的には、サーボ評価器１５０は、ＰＩＤ補償器１４０から出力された制御補償信号を入力する入力部１５１と、外部からの測定外乱信号（外乱信号）を入力する入力部１５２とを有する。また、サーボ評価器１５０は、入力部１５１を介して入力された制御補償信号と入力部１５２を介して入力された測定外乱信号とを加算する加算器１６０と、その加算結果の加算演算信号をドライバアンプ１７０へ出力する出力部１５３とを有する。また、サーボ評価器１５０は、入力部１５１を介して入力された制御補償信号（観測用信号Ｂ）を外部へ出力する出力部１５４と、加算演算信号（観測用信号Ａ）を外部へ出力する出力部１５５とを有する。ドライバアンプ１７０は、加算演算信号に応じてモータ２１０を励磁する。なお、サーボ評価器１５０は、測定外乱信号が入力されていない場合には、制御補償信号をそのまま出力するので、この場合、ドライバアンプ１７０は、制御補償信号に応じてモータ２１０を励磁する。

本実施形態のステージ制御装置１００によれば、ステージ制御装置１００と外部の周波数解析システム３００とを接続することによって容易に周波数伝達関数を実測することができる。具体的には、周波数解析システム３００のＳＧから出力された測定外乱信号をＡＤＣ（アナログ−デジタル変換器）１８４を介してサーボ評価器１５０へ入力する。また、サーボ評価器１５０から観測用信号Ｂ及び観測用信号ＡをそれぞれＤＡＣ（デジタル−アナログ変換器）１８２，１８６を介して周波数解析システム３００のＢｃｈ，Ａｃｈへ出力する。

そして、ステージ制御装置１００のサーボ制御系の実行中において、サーボ評価器１５０は、周波数解析システム３００から出力された測定外乱信号（ＳＧ：所定の振幅値を有し所定の周波数範囲でスイープされたスイープ信号）を入力する。すると、測定外乱信号を入力することによって発生する制御補償信号と測定外乱信号との加算演算信号の出力の影響が、一巡フィードバックループによる結果として測定外乱信号の影響を補償するＰＩＤ補償器１４０の出力の制御補償信号となって現れる。このことから、測定周波数範囲に応じての加算演算信号（観測用信号Ａ）に対する制御補償信号（観測用信号Ｂ）の振幅値の比（｜Ｇ｜＝｜観測用信号Ｂ｜／｜観測用信号Ａ｜）を測定することで、サーボ系の開ループの周波数伝達関数を実測することができる。

図２は、開ループのボード線図の一例を模式的に示す図である。図２において上図は、横軸に周波数（Ｈｚ）、縦軸にゲイン（ｄＢ）をとったボード線図であり、下図は、横軸に周波数（Ｈｚ）、縦軸に位相（ｄｅｇ）をとったボード線図である。サーボ評価器１５
０を設けて開ループの周波数伝達関数を取得することによって、例えば図２のようなボード線図などで周波数伝達特性をグラフ化することで、サーボ系のゲイン余裕α及び位相余裕βによる安定性判別あるいは設定ゲイン等の実態を確認することができる。

ここで、本実施形態のステージ制御装置１００は、モータ２１０を励磁するドライバアンプ１７０を除いてはデジタルサーボコントローラで構築される。このため、ステージ制御装置１００と周波数解析システム３００との接続は、測定外乱信号にはＡＤＣ１８４、制御補償信号モニタと加算演算信号モニタにはＤＡＣ１８２，１８６を用いてインターフェースしている。しかしながら、サーボ評価器１５０における加算器１６０を、ＯＰアンプを用いた加算器とすることで、アナログサーボコントローラとしても同様にサーボ系の周波数伝達関数の実測が可能となる。この場合、周波数解析システム３００との接続のために設けたＡＤＣ１８４、及びＤＡＣ１８２，１８６は不要にすることができる。

次に、図１と同一のステージ制御装置１００において閉ループの周波数伝達関数を実測する場合におけるサーボ評価器１５０と周波数解析システム３００との接続について説明する。図３は、閉ループの周波数伝達関数の実測定を行う場合における本実施形態のステージ制御装置と周波数解析システムとの接続を示す図である。

図３に示すように、閉ループの周波数伝達関数を実測する場合、周波数解析システム３００のＳＧから出力された測定外乱信号を、周波数解析システム３００のＡｃｈに入力する。なお、周波数解析システム３００のＳＧから出力された測定外乱信号をサーボ評価器１５０へ入力し、サーボ評価器１５０から出力された制御補償信号（観測用信号Ｂ）を周波数解析システム３００のＢｃｈへ入力する点は、開ループの周波数伝達関数を実測する場合と同様である。

閉ループの周波数伝達関数を実測する場合、測定周波数範囲に応じての測定外乱信号（周波数解析システムのＳＧ出力）に対する制御補償信号（観測用信号Ｂ）の振幅値の比（｜Ｇ｜＝｜観測用信号Ｂ｜／｜周波数解析システムのＳＧ出力｜）を測定することで、サーボ系の閉ループの周波数伝達関数を実測することができる。

図４は、閉ループのボード線図の一例を模式的に示す図である。図３において上図は、横軸に周波数（Ｈｚ）、縦軸にゲイン（ｄＢ）をとったボード線図であり、下図は、横軸に周波数（Ｈｚ）、縦軸に位相（ｄｅｇ）をとったボード線図である。サーボ評価器１５０を設けて閉ループの周波数伝達関数を取得することによって、例えばボード線図などで周波数伝達特性としてグラフ化することで、サーボ系の応答周波数あるいはＭＰ値γの実態などを確認することができる。

本実施形態のステージ制御装置１００によれば、高いループゲインを要する高精度なステージ機構等のサーボ制御系においてもサーボ系評価のためのパラメータ（例えば開ループ特性あるいは閉ループ特性の周波数伝達関数）の実測定を行うことができる。よって、対象モデルに適合させたサーボゲインの構築、サーボゲイン調整時の定量化、開ループ特性から実機におけるサーボフイルタの検証及びサーボ系安定判別、あるいは閉ループ特性からのサーボ系の応答周波数、ＭＰ値の評価などが可能であり、サーボ系の信頼性を向上させることができる。

１００ ステージ制御装置
１２０ 位置計測器
１３０ 位置偏差演算器
１４０ ＰＩＤ補償器
１５０ サーボ評価器
１６０ 加算器
１７０ ドライバアンプ
２００ ステージ
２１０ モータ
３００ 周波数解析システム
（Ａ） 観測用信号Ａ
（Ｂ） 観測用信号Ｂ

Claims (3)

1. 制御対象物の位置あるいは速度の制御を行なうサーボ制御装置であって、
   前記制御対象物の位置を計測する位置計測器と、
   前記位置計測器によって計測された位置信号と前記制御対象物の目標位置信号との偏差を演算する偏差演算器と、
   前記偏差演算器によって演算された位置偏差信号に基づいてサーボ系の補償を施すための補償信号を生成する制御補償器と、
   前記補償信号と外乱信号とを加算する加算器と、
   前記制御対象物を駆動する駆動装置を前記加算器によって演算された加算演算信号に応じて駆動するドライバアンプと、
   を備えたことを特徴とするサーボ制御装置。
2. 請求項１のサーボ制御装置のサーボ制御動作の実行中において、
   前記外乱信号は、所定の振幅値を有し所定の周波数範囲でスイープされたスイープ信号であり、
   前記スイープ信号の周波数に対する前記加算演算信号と前記補償信号との振幅値の比を測定することによってサーボ系の開ループの周波数伝達関数の実測定を行うために、前記外乱信号を入力し、かつ前記補償信号と前記加算演算信号とをそれぞれ外部に出力する、
   ことを特徴とするサーボ制御装置。
3. 請求項１又は２のサーボ制御装置において、
   前記外乱信号は、所定の振幅値を有し所定の周波数範囲でスイープされたスイープ信号であり、
   前記スイープ信号の周波数に対する前記外乱信号と前記補償信号との振幅値の比を測定することによってサーボ系の閉ループの周波数伝達関数の実測定を行うために、前記外乱信号を入力し、かつ前記補償信号を外部に出力する、
   ことを特徴とするサーボ制御装置。