JP2020095718A - Linear motor stage control method and control device - Google Patents

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Abstract

To provide a control method and control device of a 2-axis linear motor stage (gantry stage) based on NCTF control method easy-to-design the flow and easy-to-adjust a controller capable of high-accuracy and high-speed positioning without requiring special knowledge about control theory.SOLUTION: When positioning with a two-axis linear motor stage (gantry stage) in which two linear motors installed parallel to the surface plate are connected with a table, by means of NCTF control that uses the reference characteristic locus obtained from open loop experiment using input signal to linear motor stage, high frequency vibrations that occur when the table follows the vibration of the surface plate are suppressed by making the table follow the vibrations caused by the surface plate.SELECTED DRAWING: Figure 13

Description

本発明は、リニアモータステージの位置を制御する方法及び装置に関する。 The present invention relates to a method and apparatus for controlling the position of a linear motor stage.

工作機械、測定器、半導体製造装置などの産業用機械に使用されるリニアモータステージは、現場にあって重要な役割を果たしている。このリニアモータステージにおける運動精度は、製品の品質及び特性に大きな影響を及ぼすため、高精度で高速な位置決めへの要求が高まっている。 The linear motor stage used in industrial machines such as machine tools, measuring instruments, and semiconductor manufacturing equipment plays an important role in the field. Since the motion accuracy of this linear motor stage has a great influence on the quality and characteristics of products, there is an increasing demand for high-accuracy and high-speed positioning.

従来より、設計・調整が比較的簡単で扱いやすいPID制御が精密機構に広く用いられているが、近年の厳しい要求性能を達成することが難しく、利便性を維持しつつ高い性能を実現できる制御方法が求められている。 Conventionally, PID control, which is relatively easy to design and adjust and is easy to handle, has been widely used for precision mechanisms, but it is difficult to achieve the severe performance requirements of recent years, and it is possible to achieve high performance while maintaining convenience. A method is needed.

特許第5574762号明細書Patent No. 5574762

高精度な位置決めが必要な場合、十分な剛性を有する定盤に固定することが一般的であるが、高加速度運動の必要性が年々高まり、定盤を含めた装置全体の振動問題が顕在化しており、その抑制が重要な課題となっている。定盤などに起因する振動を抑制する方法としては、大質量の定盤と高剛性の支柱との組み合わせに加え、アクチュエータを組み込んだアクティブ除振装置または反力補償装置を利用する方法がある。しかしながら、装置が大型化しコストが上昇するという問題があるため、それを許容する機構にしか利用できない。そこで、制御的な対策として、現在主流であるPID制御に変わる、アドバンスド制御(スライディングモード制御または外乱オブザーバを利用したロバスト制御など)を用いた制御が行われている。しかし、モデリングを事前に求める労力を必要とし、基礎となる制御理論の十分な知識も必要となるなど、普及しきれていない。 When high-precision positioning is required, it is generally fixed on a surface plate with sufficient rigidity, but the need for high-acceleration motion increases year by year, and the vibration problem of the entire device including the surface plate becomes apparent. And its control is an important issue. As a method of suppressing vibration caused by a surface plate or the like, there is a method of using an active vibration isolator or a reaction force compensator incorporating an actuator in addition to a combination of a large-mass surface plate and a highly rigid support. However, there is a problem that the device becomes large and the cost increases, so that it can be used only for a mechanism that allows it. Therefore, as a control measure, control using advanced control (sliding mode control, robust control using a disturbance observer, or the like) is used instead of PID control, which is currently the mainstream. However, it is not widely used because it requires the effort to obtain modeling in advance and also requires sufficient knowledge of the underlying control theory.

ところで、高精度及び扱いやすさを両立する制御系設計法として、簡単な開ループ実験とコントローラのパラメータ調整とから高精度位置決め制御系を設計することができるNCTF(Nominal Characteristic Trajectory Following) 制御法が知られている。しかし、このNCTF制御法にあっても、顕在化する振動問題は解決されていないことが実情である。 By the way, NCTF (Nominal Characteristic Trajectory Following) control method that can design a high-accuracy positioning control system from a simple open-loop experiment and controller parameter adjustment is a control system design method that achieves both high accuracy and ease of handling. Are known. However, even with this NCTF control method, the actual vibration problem has not been solved.

本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、設計の流れ、制御器の調整が容易であり、制御理論に関する特別な知識を必要とせずに、高精度で高速な位置決めを可能とする、NCTF制御法に基づくリニアモータステージの制御方法及び制御装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, enables easy flow of design and adjustment of a controller, and enables high-accuracy and high-speed positioning without requiring special knowledge about control theory. , NCTF control method based linear motor stage control method and control device.

本発明の他の目的は、定盤振動が定盤・テーブル間の相対変位に及ぼす影響が低減し、定盤に対するテーブルの剛性を向上して、定盤振動にテーブルが追従することで相対変位には定盤振動の影響が現れない、NCTF制御法に基づくリニアモータステージの制御方法及び制御装置を提供することにある。 Another object of the present invention is to reduce the influence of the surface plate vibration on the relative displacement between the surface plate and the table, improve the rigidity of the table with respect to the surface plate, and allow the table to follow the surface plate vibration so that the relative displacement is The object of the present invention is to provide a control method and a control device for a linear motor stage based on the NCTF control method in which the influence of surface plate vibration does not appear.

本発明に係るリニアモータステージの制御方法は、定盤に平行に設置された2つのリニアモータをテーブルで接続した2軸のリニアモータステージの位置を制御する方法であって、前記リニアモータステージへの入力信号を用いた開ループ実験より得られる規範特性軌跡に基づく制御を行うNCTF制御を用い、前記定盤の振動に前記テーブルを追従させ、前記定盤の振動に前記テーブルを追従させる過程で発生する高周波振動を抑制することを特徴とする。 A linear motor stage control method according to the present invention is a method for controlling the position of a biaxial linear motor stage in which two linear motors installed in parallel to a surface plate are connected by a table. In the process of causing the table to follow the vibration of the surface plate and causing the table to follow the vibration of the surface plate by using NCTF control that performs control based on a reference characteristic locus obtained by an open loop experiment using the input signal of It is characterized by suppressing high-frequency vibrations that occur.

本発明に係るリニアモータステージの制御装置は、定盤に平行に設置された2つのリニアモータをテーブルで接続した2軸のリニアモータステージの位置を制御する装置であって、前記リニアモータステージへの入力信号を用いた開ループ実験より得られる規範特性軌跡に基づく制御を行うNCTF制御系と、前記定盤の振動に前記テーブルを追従させる第1制御部と、前記定盤の振動に前記テーブルを追従させる過程で発生する高周波振動を抑制する第2制御部とを備えることを特徴とする。 A linear motor stage control device according to the present invention is a device for controlling the position of a biaxial linear motor stage in which two linear motors installed in parallel to a surface plate are connected by a table. NCTF control system that performs control based on a reference characteristic locus obtained by an open-loop experiment using the input signal, a first control unit that causes the table to follow the vibration of the surface plate, and the table based on the vibration of the surface plate. And a second control unit that suppresses high-frequency vibration that occurs in the process of following the.

本発明にあっては、NCTF制御を利用するとともに定盤の振動にテーブルを追従させ、定盤の振動にテーブルを追従させる過程で発生する高周波振動を抑制する。定盤に対するテーブルの相対運動は、定盤の振動の影響を受けることがなくなり、定盤に対するテーブルの相対的な位置決め時間が短くなり、また、高周波振動を抑制できるため、2軸のリニアモータステージ(ガントリステージ)における高精度で高速な位置決めがなされる。 According to the present invention, NCTF control is used, and the table is made to follow the vibration of the surface plate, and high frequency vibration generated in the process of making the table follow the vibration of the surface plate is suppressed. The relative movement of the table with respect to the surface plate is not affected by the vibration of the surface plate, the relative positioning time of the table with respect to the surface plate is shortened, and high frequency vibration can be suppressed, so that the two-axis linear motor stage High-accuracy and high-speed positioning is performed in the (gantry stage).

本発明に係るリニアモータステージの制御方法は、2軸のリニアモータステージの変位の平均で示される前記テーブルの中心変位をフィードバックして制御することを特徴とする。 The control method of the linear motor stage according to the present invention is characterized in that the central displacement of the table, which is represented by the average displacement of the biaxial linear motor stages, is fed back and controlled.

本発明に係るリニアモータステージの制御装置は、2軸のリニアモータステージの変位を加算する加算器と、前記加算器の加算結果の1/2を求める1/2器とを備え、前記1/2器の出力をフィードバックして制御するようにしたことを特徴とする。 A linear motor stage control device according to the present invention includes an adder that adds displacements of biaxial linear motor stages, and a 1/2 unit that obtains 1/2 of the addition result of the adder. It is characterized in that the outputs of the two devices are fed back and controlled.

本発明にあっては、2軸のリニアモータステージの変位(xs1,xs2)の平均で示されるテーブルの中心変位((xs1+xs2)/2)をフィードバックして制御する、いわゆる重心位置制御を行う。よって、各リニアモータステージへの指令値は同じであり、構成が簡素である。 In the present invention, the center displacement ((x s1 +x s2 )/2) of the table, which is represented by the average of the displacements (x s1 , x s2 ) of the biaxial linear motor stage, is fed back and controlled, so-called center of gravity. Position control is performed. Therefore, the command value to each linear motor stage is the same, and the configuration is simple.

本発明に係るリニアモータステージの制御方法は、Fd (s)=Kc ・s(Kc :減衰性能調整のためのゲイン)を満たす微分器により、前記高周波振動を抑制することを特徴とする。 The linear motor stage control method according to the present invention is characterized in that the high-frequency vibration is suppressed by a differentiator that satisfies F d (s)=K c ·s (K c : gain for adjusting damping performance). To do.

本発明に係るリニアモータステージの制御装置は、前記第2制御部は、Fd (s)=Kc ・s(Kc :減衰性能調整のためのゲイン)を満たす微分器を有することを特徴とする。 In the linear motor stage controller according to the present invention, the second controller includes a differentiator that satisfies F d (s)=K c ·s (K c : gain for adjusting damping performance). And

本発明にあっては、定盤の振動にテーブルを追従させる過程で発生する高周波振動を抑制するために、Fd (s)=Kc ・s(Kc :減衰性能調整のためのゲイン)を満たす微分器を用いる。簡素な構成により、高周波振動の抑制効果が得られる。 In the present invention, in order to suppress the high frequency vibration generated in the process of causing the table to follow the vibration of the surface plate, F d (s)=K c s (K c : gain for adjusting damping performance). Use a differentiator that satisfies. With a simple configuration, the effect of suppressing high frequency vibration can be obtained.

本発明に係るリニアモータステージの制御方法は、各軸のリニアモータステージの変位差の微分を局所フィードバックして、前記テーブルの回転振動を抑制することを特徴とする。 The control method of the linear motor stage according to the present invention is characterized in that the differential of the displacement difference of the linear motor stage of each axis is locally fed back to suppress the rotational vibration of the table.

本発明に係るリニアモータステージの制御装置は、前記第2制御部は、各軸のリニアモータステージの変位差の微分を局所フィードバックする制御器を有することを特徴とする。 In the control device for a linear motor stage according to the present invention, the second control unit has a controller that locally feeds back the differentiation of the displacement difference of the linear motor stage of each axis.

本発明にあっては、テーブルの回転振動を抑制するために、各軸のリニアモータステージの変位差の微分を局所フィードバックする。各軸の同期ずれによるテーブルの回転振動を効率よく抑制する。 In the present invention, in order to suppress the rotational vibration of the table, the differential of the displacement difference of the linear motor stage of each axis is locally fed back. The rotational vibration of the table due to the synchronization deviation of each axis is efficiently suppressed.

本発明に係るリニアモータステージの制御方法は、後述する式(6)で表される伝達関数を有するバンドパスフィルタ(ωb :角振動数、ζ1 ,ζ2 :減衰係数)により、前記定盤の振動に前記テーブルを追従させることを特徴とする。 The linear motor stage control method according to the present invention uses a bandpass filter (ω b : angular frequency, ζ 1 , ζ 2 : damping coefficient) having a transfer function represented by the equation (6) described later to determine the constant value. The table is made to follow the vibration of the board.

本発明に係るリニアモータステージの制御装置は、前記第1制御部は後述する式(6)で表される伝達関数を有するバンドパスフィルタであることを特徴とする。 The linear motor stage control device according to the present invention is characterized in that the first control unit is a bandpass filter having a transfer function represented by the following equation (6).

本発明にあっては、定盤の振動にテーブルを追従させるために、後述する式(6)で表される伝達関数を有するバンドパスフィルタを用いる。よって、制御系の構成がより簡素化する。 In the present invention, in order to make the table follow the vibration of the surface plate, a bandpass filter having a transfer function represented by the equation (6) described later is used. Therefore, the configuration of the control system is further simplified.

本発明に係るリニアモータステージの制御方法は、前記NCTF制御にフィードフォワード制御を加えることを特徴とする。 The linear motor stage control method according to the present invention is characterized by adding feedforward control to the NCTF control.

本発明に係るリニアモータステージの制御装置は、前記NCTF制御系にフィードフォワード制御を加えるフィードフォワード制御器を更に備えることを特徴とする。 The linear motor stage control device according to the present invention is characterized by further including a feedforward controller that applies feedforward control to the NCTF control system.

本発明にあっては、学習制御を利用したフィードフォワード制御をNCTF制御に加える。よって、より高精度で高速な位置決めがなされる。 In the present invention, feedforward control using learning control is added to NCTF control. Therefore, more accurate and high-speed positioning is performed.

本発明のリニアモータステージの制御方法及び制御装置では、設計の流れ、制御器の調整が容易であり、制御理論の十分な知識を必要とせずに、高精度で高速な位置決めを実現することができる。定盤の振動にテーブルを追従させるので、定盤に対するテーブルの相対運動は定盤の振動の影響を受けることかなくなり、テーブルの定盤に対する相対的な位置決めを短時間で完了することができる。 In the linear motor stage control method and control device of the present invention, the flow of design and adjustment of the controller are easy, and highly accurate and high-speed positioning can be realized without requiring sufficient knowledge of control theory. it can. Since the table follows the vibration of the surface plate, the relative movement of the table with respect to the surface plate is not affected by the vibration of the surface plate, and the relative positioning of the table with respect to the surface plate can be completed in a short time.

NCTF制御系の一般的な構成を示すブロック線図である。It is a block diagram which shows the general structure of an NCTF control system. 本発明における制御方法及び制御装置が適用されるリニアモータステージの構成を示す概略図である。It is a schematic diagram showing the composition of the linear motor stage to which the control method and control device in the present invention are applied. 本発明の実施形態における制御系を示すブロック線図である。It is a block diagram showing a control system in an embodiment of the present invention. 1軸リニアモータステージの力学的モデルを示す図である。It is a figure which shows the mechanical model of a 1-axis linear motor stage. 微視的モデルを示す図である。It is a figure which shows a microscopic model. NCTF制御系に制御器B(s)を追加した制御系を示すブロック線図である。It is a block diagram which shows the control system which added controller B(s) to the NCTF control system. 制御器F(s)の配置を示すブロック線図である。It is a block diagram showing arrangement of a controller F(s). NCTF制御系に制御器F(s)を追加した制御系の一例を示すブロック線図である。It is a block diagram which shows an example of the control system which added controller F(s) to the NCTF control system. NCTF制御系に制御器F(s)を追加した制御系の他の例を示すブロック線図である。It is a block diagram which shows the other example of the control system which added controller F(s) to the NCTF control system. フィードフォワード制御器FFtiv(t)を組み込んだ本発明の他の実施の形態における制御系を示すブロック線図である。It is a block diagram which shows the control system in other embodiment of this invention which incorporated the feedforward controller FF tiv (t). 2軸のリニアモータステ−ジに適用される本発明の更に他の実施の形態における制御系を示すブロック線図である。FIG. 11 is a block diagram showing a control system according to still another embodiment of the present invention applied to a two-axis linear motor stage. 2軸のリニアモータステ−ジに適用されるフィードフォワード制御器FFtiv(t)を組み込んだ本発明の更に他の実施の形態における制御系の一例を示すブロック線図である。It is a block diagram which shows an example of the control system in another embodiment of this invention which incorporated the feedforward controller FF tiv (t) applied to a 2-axis linear motor stage. 2軸のリニアモータステ−ジに適用されるフィードフォワード制御器FFtiv(t)を組み込んだ本発明の更に他の実施の形態における制御系の他の例を示すブロック線図である。It is a block diagram which shows the other example of the control system in other embodiment of this invention which incorporated the feedforward controller FF tiv (t) applied to a 2-axis linear motor stage.

以下、本発明をその実施の形態を示す図面に基づいて詳述する。 Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings showing an embodiment thereof.

まず、本発明の基礎となるフィードバック制御系としてのNCTF制御系について、簡単に説明する。図1は、NCTF制御系の一般的な構成を示すブロック線図である。 First, an NCTF control system as a feedback control system which is the basis of the present invention will be briefly described. FIG. 1 is a block diagram showing a general configuration of an NCTF control system.

NCTF制御系にあっては、望ましい減衰特性を位相面上に表記してなる規範特性軌跡(Nominal Characteristic Trajectory:NCT)と、制御対象(プラント)の動作をNCTに拘束して、位相面上の原点で停止させるためのPI補償器とから構成される。NCTは簡単な開ループ実験より作成され、PI補償器のゲインはステップ応答及び軌跡制御実験により最適な値に決定される。そのため、NCTF制御系では、詳細なモデルパラメータを必要とせず、制御理論の知識なしでも容易にその設計が可能である。開ループ実験は、モータに矩形波の電流指令を与えて行うのが望ましい。また、その矩形波入力の大きさと時間は、テーブルが可動領域内で目標最大速度を超えて動作するように調整をするのが望ましい。 In the NCTF control system, the nominal characteristic trajectory (NCT) in which the desired damping characteristic is written on the phase plane and the operation of the controlled object (plant) are constrained to the NCT and It is composed of a PI compensator for stopping at the origin. The NCT is created by a simple open loop experiment, and the gain of the PI compensator is determined to be an optimum value by a step response and trajectory control experiment. Therefore, the NCTF control system does not need detailed model parameters and can be easily designed without knowledge of control theory. The open loop experiment is preferably performed by giving a rectangular wave current command to the motor. Further, it is desirable to adjust the magnitude and time of the rectangular wave input so that the table operates in the movable area at a speed exceeding the target maximum speed.

まず、矩形波信号を用いて制御対象を実際に加減速運動させる開ループ実験を行って、制御対象(プラント)の実際の動作結果を取得する。NCTは開ループ変位応答波形の減速領域を利用し、横軸を変位の最終値と過渡応答との差(仮想誤差)、縦軸をその微分として位相平面上に記述される。NCTの原点近傍ではさらに仮想誤差の微分が所定値以下となる点の傾きで直線近似を行う。 First, an open-loop experiment of actually accelerating and decelerating a controlled object using a rectangular wave signal is performed to obtain an actual operation result of the controlled object (plant). The NCT uses the deceleration region of the open-loop displacement response waveform, and is described on the phase plane with the horizontal axis representing the difference (virtual error) between the final value of the displacement and the transient response, and the vertical axis representing the derivative thereof. In the vicinity of the origin of NCT, linear approximation is further performed with a slope of a point at which the differentiation of the virtual error is equal to or less than a predetermined value.

続いて、PI補償器のゲインの調整を行う。比例ゲインKp は比例制御のみを使用した所定高さのステップ応答実験より決定する。また、積分ゲインKI は、三角波加速度目標値の2階積分を目標変位軌跡として、軌跡制御実験を行い、停止位置近傍での軌跡追従性能が最も良く、安定性が保たれる値に決定する。積分器には下記式(1)の条件に従う飽和条件付き積分器を用いる。 Then, the gain of the PI compensator is adjusted. The proportional gain K p is determined by a step response experiment of a predetermined height using only proportional control. In addition, the integration gain K I is determined to be a value that provides the best trajectory tracking performance near the stop position and maintains stability, by performing a trajectory control experiment using the second-order integral of the triangular wave acceleration target value as the target displacement trajectory. .. As the integrator, an integrator with a saturation condition according to the condition of the following formula (1) is used.

Figure 2020095718
Figure 2020095718

なお、式(1)の各パラメータは、図1に示すように、up は現時点における偏差の微分値とNCT出力値との差、u0 はP制御器の出力値、ui はI制御器の出力値、Δui はui の変化率、us は増幅器に送ることが可能な操作量の最大絶対値を示す。 As shown in FIG. 1, u p is the difference between the differential value of the deviation and the NCT output value at the present time point, u 0 is the output value of the P controller, and u i is the I control value. The output value of the device, Δu i, is the rate of change of u i , and u s is the maximum absolute value of the manipulated variable that can be sent to the amplifier.

図2は、本発明における制御方法及び制御装置が適用されるリニアモータステージの構成を示す概略図である。図2において、1は定盤であり、定盤1は複数の脚部1aを有し、アジャスター1bで接地されている。定盤1上には、リニアモータによって移動可能であるテーブル2が設置されている。使用するリニアモータは、例えば電磁石である可動子と永久磁石からなる固定子とを有するコアレスリニアモータである。 FIG. 2 is a schematic diagram showing the configuration of a linear motor stage to which the control method and control device of the present invention are applied. In FIG. 2, reference numeral 1 is a surface plate, and the surface plate 1 has a plurality of legs 1a and is grounded by an adjuster 1b. A table 2 that can be moved by a linear motor is installed on the surface plate 1. The linear motor used is, for example, a coreless linear motor having a mover, which is an electromagnet, and a stator, which is a permanent magnet.

図3は、本発明の実施形態における制御系を示すブロック線図である。この制御系には、NCT、PI補償器などを有するNCTF制御系11と、第1の制御器12と、第2の制御器13と、制御対象としてのプラント14とが含まれている。NCTF制御系11に追加された第1の制御器12及び第2の制御器13が、本発明の特徴要素である。 FIG. 3 is a block diagram showing a control system in the embodiment of the present invention. This control system includes an NCTF control system 11 having an NCT, a PI compensator, etc., a first controller 12, a second controller 13, and a plant 14 as a control target. The first controller 12 and the second controller 13 added to the NCTF control system 11 are characteristic elements of the present invention.

第1の制御器12は、定盤1の振動を抑制するために設けられた制御器であり、具体的には後述する式(6)で表される伝達関数を有するバンドパスフィルタ(B(s))である。第2の制御器16は、定盤1の振動にテーブル2が追従する過程で発生する高周波振動を抑制するために設けられた制御器であり、具体的には微分器(F(s))である。 The first controller 12 is a controller provided to suppress the vibration of the surface plate 1, and specifically, a bandpass filter (B( having a transfer function represented by Expression (6) described later) (B( s)). The second controller 16 is a controller provided to suppress high-frequency vibration generated in the process of the table 2 following the vibration of the surface plate 1, and specifically, a differentiator (F(s)). Is.

図3に示す制御系は、簡単な開ループ実験とコントローラのパラメータ調整とから高精度な位置決め制御系を設計することができるNCTF制御系11を基本とし、除去困難な装置架台の残留振動にテーブル2が追従するための後述する式(6)で表される伝達関数を有するバンドパスフィルタ(B(s))及び高周波振動を抑制するための微分器(F(s))を追加した制御系である。 The control system shown in FIG. 3 is based on the NCTF control system 11 capable of designing a highly accurate positioning control system based on a simple open-loop experiment and controller parameter adjustment, and is used to eliminate residual vibrations of the equipment frame that are difficult to remove. A control system in which a band-pass filter (B(s)) having a transfer function represented by the following equation (6) for the 2 to follow and a differentiator (F(s)) for suppressing high frequency vibration are added. Is.

以下、図3に示すような制御系の設計手順、調整方法について説明する。 Hereinafter, the design procedure and the adjusting method of the control system as shown in FIG. 3 will be described.

図4は、1軸リニアモータステージの力学的モデルを示す図である。以下の説明では、対象の定性的な特性のみを利用し、詳細モデルを必要としない制御系設計法とするが、本発明の説明に際し、図4に示す力学モデルにおけるパラメータの同定法についても併せて説明しておく。テーブル2が高速運動する際の定盤振動が定盤1に対するテーブル2の相対変位x2 −x1 に及ぼす影響を低減するための制御系検討に力学モデルを利用する。そのため、定盤1を含む2慣性系でモデル化を行っている。モデル化においては、リニアガイド及び固定子等を含む、可動部分以外のすべての部品を纏めて定盤と見なし、質量m1 の質点としている。また、リニアボールガイドには微視的領域において非線形ばね特性が存在し微小挙動に影響を与えるため、巨視的領域(a)と微視的領域(b)とでモデルの切り替えを行う。 FIG. 4 is a diagram showing a mechanical model of the one-axis linear motor stage. In the following description, a control system design method that uses only qualitative characteristics of an object and does not require a detailed model is used. I will explain. A dynamic model is used to study the control system for reducing the influence of the table vibration when the table 2 moves at high speed on the relative displacement x 2 −x 1 of the table 2 with respect to the table 1. Therefore, modeling is performed with a two-inertia system including the surface plate 1. In the modeling, all the parts including the linear guide, the stator, and the like, except for the movable parts, are collectively regarded as a surface plate, and the mass point of mass m 1 is set. Since the linear ball guide has a non-linear spring characteristic in the microscopic region and affects the microscopic behavior, the model is switched between the macroscopic region (a) and the microscopic region (b).

巨視的領域における運動方程式は下記式(2)で表され、微視的領域における運動方程式は下記式(3)で表される。なお、m1:定盤1の質量、m2 :テーブル2の質量、c1 :定盤1の粘性係数、c2 :非線形ばねの粘性係数、c3 :テーブル2の粘性係数、k1 :定盤1のばね係数、k2 :非線形ばねのばね係数、f:クーロン摩擦力、p:推力である。 The equation of motion in the macroscopic region is represented by the following formula (2), and the equation of motion in the microscopic region is represented by the following formula (3). Note that m 1 : mass of surface plate 1, m 2 : mass of table 2, c 1 : viscosity coefficient of surface plate 1, c 2 : viscosity coefficient of nonlinear spring, c 3 : viscosity coefficient of table 2, k 1 : The spring coefficient of the surface plate 1, k 2 : spring coefficient of the non-linear spring, f: Coulomb friction force, p: thrust.

Figure 2020095718
Figure 2020095718

各モデルパラメータの同定方法を説明する。
(a)クーロン摩擦力f
リニアガイドのクーロン摩擦力はロードセルを用いて測定する。ロードセルをガイドに取り付け、テーブル2とビニール紐で繋ぎ、テーブル2が静止した状態からロードセルをほぼ一定の速度でゆっくり移動させてテーブル2を引張り、そのときの摩擦力をロードセルで測定し、テーブル変位をエンコーダで測定する。
A method of identifying each model parameter will be described.
(A) Coulomb friction force f
Coulomb friction force of the linear guide is measured using a load cell. Attach the load cell to the guide, connect it to the table 2 with a vinyl string, and slowly move the load cell from the state where the table 2 is stationary at a substantially constant speed to pull the table 2, measure the frictional force at that time with the load cell, and displace the table. Is measured with an encoder.

(b)テーブル2の粘性係数c3
テーブル2の粘性係数は、巨視的領域と微視的領域との両領域に含まれる要素である。この係数は速度低下と共に増加する傾向が見られるため、速度の関数として扱う。1慣性系の運動方程式を粘性係数について解くと、下記式(4)が得られる。
(B) Viscosity coefficient c 3 of Table 2
The viscosity coefficient of Table 2 is an element included in both the macroscopic region and the microscopic region. Since this coefficient tends to increase with decreasing speed, it is treated as a function of speed. Solving the equation of motion of the one-inertia system for the viscosity coefficient gives the following equation (4).

Figure 2020095718
Figure 2020095718

式(4)の離散系は、後退差分法を用いて下記式(5)で表される。添え字のjはサンプリング番号、Ts はサンプリング周期である。 The discrete system of Expression (4) is expressed by the following Expression (5) using the backward difference method. The subscript j is the sampling number, and T s is the sampling period.

Figure 2020095718
Figure 2020095718

電流を印加していない状態であれば推力p=0とできるため、テーブル2が所定速度の状態から自然に停止するまでの変位を測定する実験を行って、減速領域の測定変位を式(5)に適用して、粘性係数c3 を導出する。 The thrust p can be set to 0 when no current is applied. Therefore, an experiment for measuring the displacement from the state where the table 2 is at a predetermined speed until it naturally stops is performed, and the measured displacement in the deceleration region is calculated by the formula (5 ) To derive the viscosity coefficient c 3 .

(c)定盤1のばね定数k1
定盤1のばね定数は、矩形波加減速入力での開ループ実験より決定する。減速矩形波入力後、入力がゼロになっても振動が減衰するまでに時間を要しており、この振動は定盤1の揺れに起因するものであると考えられる。そこで、この振動波形をFFT解析して定盤1の振動周波数fs を求め、下記のように定盤1のばね定数k1 を導出する。
1 =(2πfs2 ・m1
(C) Spring constant k 1 of surface plate 1
The spring constant of the surface plate 1 is determined by an open loop experiment with a rectangular wave acceleration/deceleration input. After the deceleration rectangular wave is input, it takes time for the vibration to be attenuated even when the input becomes zero, and this vibration is considered to be caused by the shaking of the surface plate 1. Therefore, this vibration waveform is subjected to FFT analysis to obtain the vibration frequency f s of the surface plate 1, and the spring constant k 1 of the surface plate 1 is derived as follows.
k 1 =(2πf s ) 2 ·m 1

(d)定盤1の粘性係数c1 と非線形ばねの粘性係数c2 及びばね定数k2
残りのパラメータである定盤1の粘性係数c1 と非線形ばねの粘性係数c2 及びばね定数k2 は、開ループ実験結果にモデルを用いたシミュレーション結果がフィッティングするように微調整して決定する。
(D) the viscosity coefficient of the surface plate 1 c 1 and the viscosity coefficient of the non-linear spring c 2 and the spring constant k 2
Viscosity coefficient c 2 and the spring constant k 2 of the remaining viscosity coefficient c 1 of the surface plate 1 is a parameter and the nonlinear spring, the simulation result is determined by fine adjustment to the fitting using model open loop experiments ..

以上が図4に示す力学モデルのパラメータの同定方法である。本発明については、パラメータの同定は不要である。 The above is the method for identifying the parameters of the dynamic model shown in FIG. No parameter identification is required for the present invention.

以下、高速運動時に発生する定盤振動の影響を抑制し、制御性能を改善するための制御系の基本的な考え方とその設計手順とについて説明する。 Hereinafter, the basic idea of the control system and the design procedure for suppressing the influence of the surface plate vibration generated during high-speed motion and improving the control performance will be described.

制御性能劣化要因となる定盤振動の低減に有効な制御系を検討する。前述した力学モデルは巨視的運動時と微視的運動時とで2つのモデルを切り替えるものであったが、停止位置では制御対象は微視的モデルの状態にあると考えられるため、本発明の制御系は、図5に示すような微視的モデルに基づいて導出する。なお、図5にあって、図4と同じパラメータには同じ符号を付し、d:外乱である。 Examine a control system that is effective in reducing surface plate vibration, which causes control performance deterioration. The dynamic model described above switches between two models during macroscopic movement and during microscopic movement. However, at the stop position, the control target is considered to be in the state of the microscopic model. The control system is derived based on a microscopic model as shown in FIG. In FIG. 5, the same parameters as those in FIG. 4 are designated by the same reference numerals, and d is the disturbance.

高速運動時に定盤振動が位置精度の劣化要因となるのは、テーブル2の高加減速運動によって定盤1に振動が励起され、テーブル2が停止位置に到達した後もその振動が残留して外乱的に働き、定盤1に対するテーブル2の相対変位に影響を及ぼすためであると考えられる。定盤1とテーブル2との質量差は大きく(例えば、定盤1:200kg、テーブル2:2kg程度)、テーブル2の制御によってこの残留振動を除去することは困難である。よって定盤1と同じようにテーブル2が揺れて、定盤1に対するテーブル2の相対変位に定盤振動の影響が現れないようにすることが現実的である。言い換えると定盤1の振動にテーブル2を追従させることが現実的である。 The reason why the surface plate vibration deteriorates the position accuracy during high-speed movement is that the high acceleration/deceleration motion of the table 2 excites the surface plate 1 to vibrate and the vibration remains after the table 2 reaches the stop position. It is considered that this is because it acts as a disturbance and affects the relative displacement of the table 2 with respect to the surface plate 1. The mass difference between the surface plate 1 and the table 2 is large (for example, surface plate 1:200 kg, table 2:2 kg), and it is difficult to remove this residual vibration by controlling the table 2. Therefore, it is realistic that the table 2 shakes like the surface plate 1 and the influence of the surface plate vibration does not appear on the relative displacement of the table 2 with respect to the surface plate 1. In other words, it is realistic to make the table 2 follow the vibration of the surface plate 1.

したがって、テーブル2は定盤振動の振動数で運動を行える必要があり、共振点が存在しないことが望ましい。そこで、振動数fs の目標値入力に対する追従性を向上するため、図6に示すようにNCTF制御系のPI補償器に下記式(6)で表される制御器B(s)を直列に配置し、振動数fs における剛性の向上を図る。なお、式(6)にあって、ωb :角振動数、ζ1 ,ζ2 :減衰係数である。 Therefore, the table 2 needs to be able to move at the frequency of the platen vibration, and it is desirable that there is no resonance point. Therefore, in order to improve the followability of the frequency f s to the target value input, the controller B(s) represented by the following equation (6) is connected in series to the PI compensator of the NCTF control system as shown in FIG. It is arranged to improve the rigidity at the frequency f s . In equation (6), ω b is the angular frequency, and ζ 1 and ζ 2 are damping coefficients.

Figure 2020095718
Figure 2020095718

制御器B(s)をPI補償器に直列に配置することにより、NCTF制御のみを用いた場合より、目標値追従性能が向上する。また、制御器B(s)を設けることにより、振動数fs のゲインが下降して外乱dの影響を抑制する特性の向上を図れる。 By arranging the controller B(s) in series with the PI compensator, the target value tracking performance is improved as compared with the case where only NCTF control is used. Further, by providing the controller B(s), the gain of the frequency f s is decreased, and the characteristic of suppressing the influence of the disturbance d can be improved.

減衰係数ζ2 の値を小さく設定するほど、制御器B(s)の減衰性能の向上を期待できる。しかしながら、制御器B(s)の減衰係数ζ2 の値を小さく設定した場合には、非線形ばねに起因する、高周波振動が発生しやすくなる。 The smaller the damping coefficient ζ 2 is set, the more the damping performance of the controller B(s) can be expected to improve. However, when the value of the damping coefficient ζ 2 of the controller B(s) is set small, high frequency vibration due to the non-linear spring is likely to occur.

そこで、このような高周波振動を抑制するための制御について検討する。前記式(3)で表される微視的モデルの運動方程式をラプラス変換すると、下記式(7)が得られる。 Therefore, a control for suppressing such high frequency vibration will be examined. The following equation (7) is obtained by Laplace transforming the equation of motion of the microscopic model represented by the equation (3).

Figure 2020095718
Figure 2020095718

ここで簡単のために、下記式(8)のように置きかえる。 Here, for simplification, it is replaced by the following equation (8).

Figure 2020095718
Figure 2020095718

式(8)を用いて、式(7)を書き換えると下記式(9)が得られる。 By rewriting the formula (7) using the formula (8), the following formula (9) is obtained.

Figure 2020095718
Figure 2020095718

この伝達関数で表される機構に、図7に示すように配置することで機構の減衰特性を向上させるような制御器F(s)を検討する。制御器F(s)を含む伝達関数は、下記式(10)で表される。そして、式(10)の分母を下記式(11)のように因数分解できれば、任意に決定できるパラメータGc によって非線形ばねのパラメータを含むc2 +c3 及びk2 を調整できることになる。そのためには、制御器F(s)を下記式(12)のように設計すれば良い。 A controller F(s) that improves the damping characteristics of the mechanism by arranging the mechanism represented by this transfer function as shown in FIG. 7 will be examined. A transfer function including the controller F(s) is expressed by the following equation (10). Then, if the denominator of the equation (10) can be factorized as the following equation (11), c 2 +c 3 and k 2 including the parameters of the nonlinear spring can be adjusted by the parameter G c that can be arbitrarily determined. For that purpose, the controller F(s) may be designed as in the following formula (12).

Figure 2020095718
Figure 2020095718

減衰性能を向上させるためには、Gc =Kc ・sとすれば、式(10)の分母は、下記式(13)のように変形でき、減衰係数を任意に設定することができる。このときの制御器F(s)の伝達関数を下記式(14)に示す。 In order to improve the damping performance, if G c =K c ·s, the denominator of equation (10) can be transformed into equation (13) below, and the damping coefficient can be set arbitrarily. The transfer function of the controller F(s) at this time is shown in the following equation (14).

Figure 2020095718
Figure 2020095718

このような制御器F(s)をNCTF制御系に追加したブロック線図の一例を図8に示す。図8のように制御器F(s)を局所フィードバックの位置に配置した場合には、制御器F(s)への入力が相対変位x2 −x1 となり、定盤変位x1 とテーブル変位x2 との原点は開始位置にあるため、目標値が変化する場合、制御器F(s)はテーブル2の動作を妨げようとする力を出力してしまう。制御器F(s)は、テーブル2を最終の停止位置に留める力、即ち最終の停止位置からの変位誤差をゼロにする力を出力しなければならないため、入力が変位誤差となるような位置に制御器F(s)を配置すべきである。この場合の制御系のブロック線図を図9に示す。 FIG. 8 shows an example of a block diagram in which such a controller F(s) is added to the NCTF control system. When the controller F(s) is arranged at the local feedback position as shown in FIG. 8, the input to the controller F(s) is the relative displacement x 2 −x 1 , and the platen displacement x 1 and the table displacement. Since the origin of x 2 is at the start position, when the target value changes, the controller F(s) outputs a force that hinders the operation of the table 2. Since the controller F(s) must output a force for holding the table 2 at the final stop position, that is, a force for making the displacement error from the final stop position zero, the position where the input becomes the displacement error. The controller F(s) should be located at. A block diagram of the control system in this case is shown in FIG.

NCTF制御系に上述したような制御器B(s)及び制御器F(s)を追加したブロック線図が、前述した図3である。制御器B(s)(第1の制御器12)を追加したことにより持ち上がった高周波域のゲインを、制御器F(s)(第2の制御器13)を併用することにより、NCTF制御の場合と同程度まで下げることができる。この結果、NCTF制御系に定盤振動にテーブル2を追従させる制御器B(s)を追加したことで発生しやすくなる非線形ばねに起因する高周波振動を、制御器F(s)を追加することによって抑制できる。制御器B(s)を追加することによって下がった高周波振動の減衰率が、制御器F(s)を併用することでNCTF制御系のみの場合よりも向上する。また、外乱特性については、制御器F(s)を併用した場合でも制御器B(s)の効果を維持できる。以上より、制御器F(s)を併用することで制御器B(s)の定盤振動への追従効果を損なうことなく、高周波振動の抑制効果が期待できる。 The block diagram in which the controller B(s) and the controller F(s) as described above are added to the NCTF control system is FIG. 3 described above. By using the gain of the high frequency range raised by adding the controller B(s) (first controller 12) together with the controller F(s) (second controller 13), the NCTF control It can be lowered to the same level as the case. As a result, by adding the controller F(s) to the NCTF control system, the controller B(s) that causes the table 2 to follow the platen vibration is easily added to the controller F(s). Can be suppressed by The damping ratio of the high frequency vibration lowered by adding the controller B(s) is improved by using the controller F(s) together, compared with the case of only the NCTF control system. Regarding the disturbance characteristic, the effect of the controller B(s) can be maintained even when the controller F(s) is used together. As described above, by using the controller F(s) together, the effect of suppressing high frequency vibration can be expected without impairing the effect of the controller B(s) on the vibration of the surface plate.

制御器F(s)を併用することで高周波振動を発生することなく、減衰係数ζ2 の値を下げることができる。制御器B(s)の追加によって現れる高周波振動のピークが制御器F(s)の併用により消え、制御器F(s)による高周波振動抑制効果が得られる。 By using the controller F(s) together, the value of the damping coefficient ζ 2 can be lowered without generating high frequency vibration. The peak of the high frequency vibration that appears due to the addition of the controller B(s) disappears when the controller F(s) is used together, and the high frequency vibration suppressing effect of the controller F(s) is obtained.

ところで、式(14)で表される制御器F(s)を設計するためには、パラメータk1 ,k2 ,c1 ,c2 +c3,m1 +m2 を同定する必要がある。ここで、k1 は前述したように開ループ実験から推定することができ、機構の質量m1 ,m2 は既知であると考えても、残りのパラメータの同定には手間がかかるため、制御系の簡単な設計を行えない事態も考えられる。 By the way, in order to design the controller F(s) represented by the equation (14), it is necessary to identify the parameters k 1 , k 2 , c 1 , c 2 +c 3 , m 1 +m 2 . Here, k 1 can be estimated from the open loop experiment as described above, and even if it is considered that the masses m 1 and m 2 of the mechanism are known, it takes time to identify the remaining parameters. It is possible that the system cannot be designed simply.

そこで、以下のようにして、高周波振動抑制のための制御器F(s)の簡素化を図る。式(10)より、制御器F(s)を局所フィードバックに持つ機構の伝達関数は、下記式(15)で表される。 Therefore, the controller F(s) for suppressing high frequency vibration is simplified as follows. From the equation (10), the transfer function of the mechanism having the controller F(s) for local feedback is expressed by the following equation (15).

Figure 2020095718
Figure 2020095718

本発明で用いるリニアモータステ−ジは比較的簡素な定盤の上に設置されているが、それでもテーブルを含むステージ可動部の質量に対して可動部を除く装置の質量は非常に大きく、m1 >>m2 の関係が成り立つと言える。この条件を満たす場合、m2 の項を無視することにより、式(15)の第1項に含まれる分数部分は下記式(16)のように近似できる。このとき、式(15)は下記式(17)で表される。 Although the linear motor stage used in the present invention is installed on a relatively simple surface plate, the mass of the device excluding the movable part is very large with respect to the mass of the stage movable part including the table. It can be said that the relationship 1 >>m 2 holds. When this condition is satisfied, the fractional part included in the first term of the equation (15) can be approximated by the following equation (16) by ignoring the term of m 2 . At this time, the equation (15) is represented by the following equation (17).

Figure 2020095718
Figure 2020095718

従って、減衰性能を向上するためには、制御器F(s)は下記式(18)を満たせば良い。この場合の簡単化された制御器F(s)を式(14)と区別するためにFd (s)とする。
d (s)=Kc ・s (18)
Therefore, in order to improve the damping performance, the controller F(s) may satisfy the following expression (18). Let the simplified controller F(s) in this case be F d (s) to distinguish it from equation (14).
F d (s)=K c ·s (18)

このように、m1 >>m2 の条件を満たす場合には式(14)の第2項が省略可能であるため、パラメータは減衰性能調整のためのゲインであるKc のみを決定すれば良く、各種のモデルパラメータを同定する必要がない。このような場合でも、高周波振動の抑制効果は失われない。 As described above, when the condition of m 1 >>m 2 is satisfied, the second term of the equation (14) can be omitted. Therefore, if the parameter K c, which is the gain for damping performance adjustment, is determined. Well, there is no need to identify various model parameters. Even in such a case, the effect of suppressing high frequency vibration is not lost.

図3に示した制御系を使用して、以下の順序にて設計、調整を行う。
(ステップ1:NCTF制御系11の設計及び問題となる振動周波数fs の特定)
まず、前述した手順で基礎となるNCTF制御系(図1参照)の設計を行う。また、NCT作成のために行う開ループ実験で得られる変位波形及び速度波形を例えばFFT解析することにより、高速運動時に問題となる振動周波数fs を実験的に特定する。
Using the control system shown in FIG. 3, design and adjustment are performed in the following order.
(Step 1: Design of NCTF control system 11 and specification of problematic vibration frequency f s )
First, the basic NCTF control system (see FIG. 1) is designed by the procedure described above. Further, the displacement frequency and the velocity waveform obtained in the open loop experiment for making the NCT are subjected to, for example, FFT analysis to experimentally identify the vibration frequency f s which is a problem during high speed motion.

(ステップ2:定盤振動にテーブル2を追従させる制御器B(s)の設計・調整)
ステップ1で特定した振動を抑制するためにNCTF制御系のPI補償器に直列に配置する制御器B(s)(図6参照)の設計、調整を行う。制御器B(s)の各パラメータの設定法を以下に示す。
(a)ωb
制御器B(s)は周波数fb =ωb /2πにおけるPI補償器の出力を増幅させるため、ステップ1で特定した問題となる周波数fsとfb とを一致させてωb =2πfs と設定する。
(b)ζ1 とζ2
制御器B(s)はζ1 とζ2 との差が大きいほど周波数fb における増幅率が大きく、振動抑制効果を期待できる。しかし、ζ2 を下げすぎると新たに高周波振動が発生してしまう恐れがあるため、新たな振動が発生しない範囲内で、定盤振動の影響を十分に抑制することができるようにζ1 とζ2 との値を調整する必要がある。そのため例えばζ1 =0.9に設定し、ζ2 (<ζ1 )の値を徐々に下げながら制御実験を行って適切な増幅率が得られるように調整する。なお、本明細書においてはζ1 =0.9に設定した。ζ1 =0.9は本制御法における有力値(好ましい値)の一つであるが、この値に限定されるものではなく、適用される制御系の仕様に合わせてζ1 の値は適宜設定すればよい。
(Step 2: Design and adjustment of the controller B(s) that causes the table 2 to follow the surface plate vibration)
The controller B(s) (see FIG. 6) arranged in series with the PI compensator of the NCTF control system in order to suppress the vibration identified in step 1 is designed and adjusted. The setting method of each parameter of the controller B(s) is shown below.
(A) ω b
Since the controller B (s) is to amplify the output of the PI compensator at frequency f b = ω b / 2π, it is matched with the frequency f s and f b of interest identified in step 1 ω b = 2πf s And set.
(B) ζ 1 and ζ 2
In the controller B(s), the larger the difference between ζ 1 and ζ 2 , the larger the amplification factor at the frequency f b , and the vibration suppression effect can be expected. However, since there is a possibility that new frequency vibration excessively lowered zeta 2 is generated, to the extent that a new vibration does not occur, the zeta 1 so as to be able to sufficiently suppress the influence of the surface plate vibration It is necessary to adjust the value of ζ 2 . Therefore, for example, ζ 1 =0.9 is set, and a control experiment is performed while gradually reducing the value of ζ 2 (<ζ 1 ), and adjustment is performed so that an appropriate amplification factor is obtained. In this specification, ζ 1 =0.9 is set. ζ 1 =0.9 is one of the influential values (preferred value) in this control method, but it is not limited to this value, and the value of ζ 1 can be set appropriately according to the specifications of the control system to be applied. Just set it.

(ステップ3:高周波振動抑制用の制御器F(s)の設計・調整)
ステップ2で十分なテーブル2の定盤振動への追従効果が得られる前に新たな高周波振動が発生してしまう場合あるいは既に高周波振動が発生している場合には、制御器F(s)を更に追加する(図3参照)。簡単化したF(s)は微分器Fd (s)であり、調整するパラメータはゲインKc のみである。Kc を徐々に上げていき、高周波振動を抑制できる適切なKc に調整する。
(Step 3: Design and adjustment of controller F(s) for suppressing high frequency vibration)
If new high frequency vibration is generated before the sufficient effect of following the surface plate vibration of the table 2 is obtained in step 2, or if high frequency vibration is already generated, the controller F(s) is set. Add more (see FIG. 3). The simplified F(s) is the differentiator F d (s), and the only parameter to be adjusted is the gain K c . The K c gradually increased, it is adjusted to a suitable K c which can suppress high frequency vibrations.

(ステップ4:制御器F(s)(微分器Fd (s))の再設計)
制御器F(s)(微分器Fd (s))を追加してそのパラメータを調整することにより、高周波振動の発生が抑制されて、制御器B(s)のζ2 をさらに下げることができる。目標性能を達成するまで、再度ζ2 を調整する。
(Step 4: Redesign of controller F(s) (differentiator F d (s)))
By adding the controller F(s) (differentiator F d (s)) and adjusting its parameters, it is possible to suppress the generation of high-frequency vibration and further reduce ζ 2 of the controller B(s). it can. Adjust ζ 2 again until the target performance is achieved.

以上の4つのステップを順次実行することにより、高速運動時の振動抑制のための制御系の設計・調整は完了する。 By sequentially executing the above four steps, the design and adjustment of the control system for suppressing vibration during high-speed motion are completed.

本実施の形態では、上述したように設計、調整した図3に示す構成をなす制御系を使用することにより、所望の目標整定時間(例えば150ms)以内で、所望の目標整定幅内(例えば±50nm)に位置を収束させることができた。 In the present embodiment, by using the control system having the configuration shown in FIG. 3 designed and adjusted as described above, within a desired target settling time (for example, 150 ms) and within a desired target settling range (for example, ± The position could be converged to 50 nm).

上述したような実施の形態におけるフィードバック制御にフィードフォワード制御を組み込んだ本発明の他の実施の形態について、以下に説明する。この実施の形態は、NCTF制御系にフィードフォワード制御器を加えたものである。 Another embodiment of the present invention in which the feed-forward control is incorporated in the feedback control in the above-described embodiment will be described below. In this embodiment, a feedforward controller is added to the NCTF control system.

停止位置到達までの軌跡追従性能を向上させるため、学習制御を利用してフィードフォワード制御器の設計を行う。フィードバック制御器の出力を評価指標とし、所定の運動を繰り返し行ってこの出力を0に収束させるように学習する。複数回の学習を繰り返して、追従誤差が十分小さくなったときの学習制御器の出力からフィードフォワード制御器を設計する。 In order to improve the trajectory tracking performance until reaching the stop position, we design a feedforward controller using learning control. The output of the feedback controller is used as an evaluation index, and a predetermined motion is repeated to learn to converge the output to zero. A feedforward controller is designed from the output of the learning controller when the tracking error becomes sufficiently small by repeating learning a plurality of times.

図10は、フィードフォワード制御器を組み込んだ本発明の他の実施の形態における制御系を示すブロック線図である。図10にあって、図3と同様の要素には同一符号を付して説明を省略する。図10に示す制御系は、図3に示す制御系にフィードフォワード制御器21を追加した構成をなし、フィードバック制御及びフィードフォワード制御を行う制御系である。図10におけるフィードフォワード制御器21は、上述したような学習制御に基づいて設計された制御器である。 FIG. 10 is a block diagram showing a control system according to another embodiment of the present invention in which a feedforward controller is incorporated. 10, the same elements as those of FIG. 3 are designated by the same reference numerals and the description thereof will be omitted. The control system shown in FIG. 10 has a configuration in which a feedforward controller 21 is added to the control system shown in FIG. 3, and is a control system that performs feedback control and feedforward control. The feedforward controller 21 in FIG. 10 is a controller designed based on the learning control as described above.

フィードフォワード制御器21を追加してフィードフォワード制御を盛り込むようにしたので、停止位置近傍の軌跡追従性能を向上でき、目標変位軌跡に遅れることなく停止位置に到達する精度も改良できる。この実施の形態では、所望の目標整定時間(例えば50ms)以内で、所望の目標整定幅内(例えば±50nm)に、位置を収束させることができた。 Since the feedforward controller 21 is added to incorporate the feedforward control, the trajectory following performance in the vicinity of the stop position can be improved, and the accuracy of reaching the stop position without delaying the target displacement trajectory can also be improved. In this embodiment, the position could be converged within the desired target settling time (for example, ±50 nm) within the desired target settling time (for example, 50 ms).

上述した実施の形態では、1軸のリニアモータステ−ジを対象としたが、平行に設置された2つのリニアモータステ−ジを連結用テーブルで接続した2軸のリニアモータステ−ジ(ガントリステージ)に対しても、本発明は適用可能である。2軸のリニアモータステ−ジに適用される本発明の更に他の実施の形態について、以下に説明する。 In the above-described embodiment, a single-axis linear motor stage is targeted, but a two-axis linear motor stage (gantry) in which two linear motor stages installed in parallel are connected by a connecting table. The present invention can also be applied to a stage). Still another embodiment of the present invention applied to a two-axis linear motor stage will be described below.

図11は、2軸のリニアモータステ−ジに適用される本発明の更に他の実施の形態における制御系を示すブロック線図である。図11にあって、図3と同様の要素には同一符号を付して説明を省略する。図11に示す制御系は、2軸のリニアモータステ−ジに対応して制御対象である2つのプラント14a,14bが存在し、更に加算器31及び1/2器32を備えている。 FIG. 11 is a block diagram showing a control system applied to a biaxial linear motor stage according to still another embodiment of the present invention. In FIG. 11, elements similar to those in FIG. 3 are assigned the same reference numerals and explanations thereof will be omitted. The control system shown in FIG. 11 has two plants 14a and 14b to be controlled corresponding to a two-axis linear motor stage, and further includes an adder 31 and a 1/2 unit 32.

図11に示す制御系では、各リニアモータステ−ジのエンコーダ出力の平均値より算出される連結用テーブルの中心変位xc (=((xs1+xs2)/2)が目標値xrを追従するように制御を行う。そのため、各プラント14a,14bへの指令値は同じである。 In the control system shown in FIG. 11, the center displacement x c (=((x s1 +x s2 )/2) of the connecting table calculated from the average value of the encoder output of each linear motor stage is the target value x r . The control is performed so as to follow, so the command values to the plants 14a and 14b are the same.

図12及び図13は、2軸のリニアモータステ−ジに適用されるフィードフォワード制御器を組み込んだ本発明の更に他の実施の形態における制御系を示すブロック線図である。図12及び図13にあって、図10及び図11と同様の要素には同一符号を付して説明を省略する。図12及び図13に示す制御系は、図11に示す制御系にフィードフォワード制御器21を追加した構成をなし、フィードバック制御及びフィードフォワード制御を行う制御系である。また、図13に示す制御系では、制御器41を更に備えて、各軸の同期ずれによる連結用テーブルの回転振動抑制のために、各リニアモータステ−ジの変位差xs1−xs2の微分を局所フィードバックする構成としている。なお、変位差xs1−xs2の比例を局所フィードバックしても良い。 12 and 13 are block diagrams showing a control system according to still another embodiment of the present invention, which incorporates a feedforward controller applied to a two-axis linear motor stage. 12 and 13, elements similar to those in FIGS. 10 and 11 are designated by the same reference numerals, and description thereof will be omitted. The control system shown in FIGS. 12 and 13 is a control system which has a configuration in which a feedforward controller 21 is added to the control system shown in FIG. 11 and performs feedback control and feedforward control. Further, the control system shown in FIG. 13 is further provided with a controller 41 to suppress the displacement difference x s1 -x s2 of each linear motor stage in order to suppress the rotational vibration of the connecting table due to the synchronization deviation of each axis. The differential is locally fed back. The proportionality of the displacement difference x s1 −x s2 may be locally fed back.

図12及び図13に示す制御系を使用することにより、2軸のリニアモータステ−ジに対する場合(ガントリステージの場合)でも、定盤振動の影響を十分に抑制することができ、所望の目標整定時間(例えば50ms)以内で、所望の目標整定幅内(例えば±50nm)に位置を収束させることができた。 By using the control system shown in FIGS. 12 and 13, even in the case of a two-axis linear motor stage (in the case of a gantry stage), the influence of the platen vibration can be sufficiently suppressed, and the desired target can be obtained. Within the settling time (for example, 50 ms), the position could be converged within the desired target settling width (for example, ±50 nm).

開示された実施の形態は、全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上述の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。 The disclosed embodiments are to be considered in all respects as illustrative and not restrictive. The scope of the present invention is shown not by the above description but by the scope of the claims, and is intended to include meanings equivalent to the scope of the claims and all modifications within the scope.

1 定盤
2 テーブル
11 NCTF制御系
12 第1の制御器
13 第2の制御器
14,14a,14b プラント
21 フィードフォワード制御器
31 加算器
32 1/2器
41 制御器
1 Surface Plate 2 Table 11 NCTF Control System 12 First Controller 13 Second Controller 14, 14a, 14b Plant 21 Feedforward Controller 31 Adder 32 1/2 Unit 41 Controller

Claims (12)

定盤に平行に設置された2つのリニアモータをテーブルで接続した2軸のリニアモータステージの位置を制御する方法であって、
前記リニアモータステージへの入力信号を用いた開ループ実験より得られる規範特性軌跡に基づく制御を行うNCTF制御を用い、前記定盤の振動に前記テーブルを追従させ、前記定盤の振動に前記テーブルを追従させる過程で発生する高周波振動を抑制することを特徴とするリニアモータステージの制御方法。
A method for controlling the position of a biaxial linear motor stage in which two linear motors installed in parallel to a surface plate are connected by a table,
Using NCTF control that performs control based on a reference characteristic locus obtained from an open loop experiment using an input signal to the linear motor stage, the table is made to follow the vibration of the surface plate, and the table is made to follow the vibration of the surface plate. A method for controlling a linear motor stage, which is characterized in that high-frequency vibrations generated in the process of following are controlled.
2軸のリニアモータステージの変位の平均で示される前記テーブルの中心変位をフィードバックして制御することを特徴とする請求項1に記載のリニアモータステージの制御方法。 The method of controlling the linear motor stage according to claim 1, wherein the center displacement of the table, which is represented by the average of the displacements of the biaxial linear motor stage, is fed back and controlled. d (s)=Kc ・s(Kc :減衰性能調整のためのゲイン)を満たす微分器により、前記高周波振動を抑制することを特徴とする請求項1または2に記載のリニアモータステージの制御方法。 The linear motor stage according to claim 1, wherein the high-frequency vibration is suppressed by a differentiator that satisfies F d (s)=K c ·s (K c : gain for adjusting damping performance). Control method. 各軸のリニアモータステージの変位差の微分を局所フィードバックして、前記テーブルの回転振動を抑制することを特徴とする請求項1から3の何れかに記載のリニアモータステージの制御方法。 4. The method of controlling a linear motor stage according to claim 1, wherein the differential vibration of the displacement of the linear motor stage of each axis is locally fed back to suppress the rotational vibration of the table. 下記B(s)で表される伝達関数を有するバンドパスフィルタ(ωb :角振動数、ζ1 ,ζ2 :減衰係数)により、前記定盤の振動に前記テーブルを追従させることを特徴とする請求項1から4の何れかに記載のリニアモータステージの制御方法。
Figure 2020095718
The table is made to follow the vibration of the surface plate by a bandpass filter (ω b : angular frequency, ζ 1 , ζ 2 : damping coefficient) having a transfer function represented by B(s) below. The method for controlling a linear motor stage according to claim 1, wherein
Figure 2020095718
前記NCTF制御にフィードフォワード制御を加えることを特徴とする請求項1から5の何れかに記載のリニアモータステージの制御方法。 The method of controlling a linear motor stage according to claim 1, wherein feedforward control is added to the NCTF control. 定盤に平行に設置された2つのリニアモータをテーブルで接続した2軸のリニアモータステージの位置を制御する装置であって、
前記リニアモータステージへの入力信号を用いた開ループ実験より得られる規範特性軌跡に基づく制御を行うNCTF制御系と、前記定盤の振動に前記テーブルを追従させる第1制御部と、前記定盤の振動に前記テーブルを追従させる過程で発生する高周波振動を抑制する第2制御部とを備えることを特徴とするリニアモータステージの制御装置。
A device for controlling the position of a biaxial linear motor stage in which two linear motors installed in parallel to a surface plate are connected by a table,
An NCTF control system that performs control based on a reference characteristic locus obtained by an open loop experiment using an input signal to the linear motor stage, a first control unit that causes the table to follow the vibration of the surface plate, and the surface plate Control unit for a linear motor stage, comprising: a second control unit that suppresses high-frequency vibrations that occur in the process of causing the table to follow the vibrations of 1.
2軸のリニアモータステージの変位を加算する加算器と、前記加算器の加算結果の1/2を求める1/2器とを備え、前記1/2器の出力をフィードバックして制御するようにしたことを特徴とする請求項7に記載のリニアモータステージの制御装置。 An adder for adding the displacements of the two-axis linear motor stages and a 1/2 unit for obtaining 1/2 of the addition result of the adder are provided, and the output of the 1/2 unit is fed back and controlled. The control device for the linear motor stage according to claim 7, wherein 前記第2制御部は、Fd (s)=Kc ・s(Kc :減衰性能調整のためのゲイン)を満たす微分器を有することを特徴とする請求項7または8に記載のリニアモータステージの制御装置。 9. The linear motor according to claim 7, wherein the second control unit has a differentiator that satisfies F d (s)=K c ·s (K c : gain for adjusting damping performance). Stage control device. 前記第2制御部は、各軸のリニアモータステージの変位差の微分を局所フィードバックする制御器を有することを特徴とする請求項7から9の何れかに記載のリニアモータステージの制御装置。 10. The control device for a linear motor stage according to claim 7, wherein the second control unit has a controller that locally feeds back the differential of the displacement difference of the linear motor stage of each axis. 前記第1制御部は下記B(s)で表される伝達関数を有するバンドパスフィルタである(ωb :角振動数、ζ1 ,ζ2 :減衰係数)ことを特徴とする請求項7から10の何れかに記載のリニアモータステージの制御装置。
Figure 2020095718
The first control unit is a bandpass filter having a transfer function represented by the following B(s) (ω b : angular frequency, ζ 1 , ζ 2 : damping coefficient). 10. The control device for the linear motor stage according to any one of 10.
Figure 2020095718
前記NCTF制御系にフィードフォワード制御を加えるフィードフォワード制御器を更に備えることを特徴とする請求項7から11の何れかに記載のリニアモータステージの制御装置。 The controller for a linear motor stage according to claim 7, further comprising a feedforward controller that applies feedforward control to the NCTF control system.
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