JP3600025B2

JP3600025B2 - Shape measuring device

Info

Publication number: JP3600025B2
Application number: JP22090598A
Authority: JP
Inventors: 実高橋
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 1998-08-04
Filing date: 1998-08-04
Publication date: 2004-12-08
Anticipated expiration: 2018-08-04
Also published as: JP2000055646A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、形状測定装置に係り、特に上下方向（重力方向）に駆動するアクチュエータがばねによって吊される形状測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ばねによって吊され上下方向に駆動する駆動手段を有する形状測定装置に、特開平２−１３４５０６号公報に記載された形状測定装置がある。
特開平２−１３４５０６号公報に記載された形状測定装置は、アクチュエータを駆動する時に発生するばね力の影響を低減するために、アクチュエータの変位からばね力相当の力を算出し、ばね力と反対方向の力を発生させる手段によってばね力を補償している。
【０００３】
言い換えると、位置信号にばね定数相当の比例ゲインを乗算しばね力を求め、コントローラから出力される操作量へと算出したばね力を加算するマイナーフイードバックによってばね力を補償している。
また、位置信号から駆動力相当を演算し、駆動信号（操作量）とを比較し、その差を操作量に加算することによって駆動部重量やばね張力の変動を補償している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の形状測定装置にあっては、位置信号の正帰還の状態フイードバックであるマイナーループを付加することによって、ばね力の影響を抑えているため、位置信号からばね力相当に変換するときの変換定数の選び方や実機のばね定数の変動などによって、制御系が不安定になる可能性がある。
【０００５】
例えば、ばね支持されたアクチュエータの力から変位への伝達関数は、下記（１）式となる。
【０００６】
【数１】

【０００７】
Ｘ：位置、Ｆ：力、Ｍ：重量、Ｃ：減衰係数、ｋ：ばね定数
フイードバックゲインをｋ’とした正帰還のマイナーフイードバックを付加すると伝達関数は下記（２）式となる。
【０００８】
【数２】

【０００９】
仮に、ｋ＝ｋ’であればアクチュエータは、ばね力のない系と見なすことができるが、実機では必ずしもｋとｋ’は一致しない。ｋ’の選択の仕方やパラメータ変動によって機械共振周波数は ω＝（（ｋ −ｋ’）／Ｍ）^１／２となるため、設計されたコントローラとずれが発生し低周波数領域に共振周波数が発生したり、位相が変動し制御系が不安定化する可能性がある。
【００１０】
また、位置信号から算出した力と駆動電流値から算出した力とを比較し、その差をフイードバックすることによってパラメータの変動を補償しているが、これは定常特性については問題無いが、動的な場合や信号にノイズ成分が含まれている場合、正確な補正は不可能であり誤作動や不安定化の原因となる。
そこで本発明は、目標位置に応じたばね力相当の操作量補正値を算出し、操作量に加算することによって、位置決め制御系の閉ループの制御性能と安定性に影響を及ぼすことなくばね力を補償し、目標位置に対する応答性を改善する位置決め制御系を備えた形状測定装置を提供する。
【００１１】
また、上記目的に加えて、ばね力の補償だけではなくアクチュエータの周波数に依存する特性を改善し、目標位置に対する過渡特性を改善する位置決め制御系を備えた形状測定装置を提供する。
また、フォーカス制御系では直接目標位置を検出できないため、フォーカス信号と位置信号から目標位置を演算し、求めた目標位置を使用してばね力相当の操作量補正値を算出し、操作量に加算することによって、位置決め制御系の閉ループの制御性能と安定性に影響を及ぼすことなくばね力を補償し、目標位置に対する応答性を改善する位置決め制御系を備えた形状測定装置を提供する。
【００１２】
また、上記目的に加えて、ばね力の補償だけではなくアクチュエータの周波数に依存する特性を改善し、目標位置に対する過渡特性を改善する位置決め制御系を備えた形状測定装置を提供する。
さらに、上記の目的に加えて、装置の傾き等により外乱が印加されたり、パラメータ変動による操作量補正値のずれによって発生する定常的な微小位置偏差を低減する位置決め制御系を備えた形状測定装置を提供する。
【００１３】
また、外乱オブザーバを付加することによって、パラメータ変動を補償し、かつ、外乱を抑圧可能な位置決め制御系を備えた形状測定装置を提供する。
また、制御性能を横牲にすることなく、あらかじめ考えられるパラメータ変動等の不確かさに対してロバストである位置決め制御系を備えた形状測定装置を提供する。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、上記目的達成のため、ばねで垂直方向に吊るされ上下方向に駆動されるアクチュエータと、原点からのアクチュエータの変位を検出し位置信号を出力する位置検出部と、目標位置と位置検出部からの位置信号を比較し操作量を出力する位置決め制御コントローラと、操作量に応じてアクチュエータ駆動電流を出力しアクチュエータを駆動するドライバと、を備えた形状測定装置において、ばねの変位に比例して発生するばね力を補償するために前記目標位置に応じたばね力相当の操作量補正値を演算する操作量補正値演算部と、前記操作量補正値を前記操作量に加える操作量補正部と、を備えたことを特徴とするものである。
【００１５】
請求項２記載の発明は、上記目的達成のため、ばねで垂直方向に吊るされ上下方向に駆動されるアクチュエータと、原点からのアクチュエータの変位を検出し位置信号を出力する位置検出部と、目標位置と位置検出部からの位置信号を比較し操作量を出力する位置決め制御コントローラと、操作量に応じてアクチュエータ駆動電流を出力しアクチュエータを駆動するドライバと、を備えた形状測定装置において、ばねの変位に比例して発生するばね力とアクチュエータの動特性を補償するために目標位置から位置への開ループ伝達関数が要求される特性となるように補償する補償器による補償値を前記目標位置に乗ずることにより操作量補正値を演算する操作量補正値演算部と、前記操作量補正値を前記操作量に加える操作量補正部と、を備えたことを特徴とするものである。
【００１６】
請求項３記載の発明は、上記目的達成のため、ばねで垂直方向に吊るされ上下方向に駆動されるアクチュエータと、原点からのアクチュエータの変位を検出し位置信号を出力する位置検出部と、アクチュエータ上に被測定面との距離に応じたフォーカス信号を発生させるフォーカス検出部と、フォーカス信号が０となるように操作量を出力する位置決め制御コントローラと、操作量に応じてアクチュエータ駆動電流を出力しアクチュエータを駆動するドライバと、を備えたフォーカス制御系を応用した形状測定装置において、ばねの変位に比例して発生するばね力を補償するために前記フォーカス検出部からのフォーカス信号と前記位置検出部からの位置信号より目標位置を演算する目標位置演算部と、目標位置に応じたばね力相当の操作量補正値を演算する操作量補正値演算部と、前記操作量補正値を前記操作量に加える操作量補正部と、を備えたことを特徴とするものである。
【００１７】
請求項４記載の発明は、上記目的達成のため、ばねで垂直方向に吊るされ上下方向に駆動されるアクチュエータと、原点からのアクチュエータの変位を検出し位置信号を出力する位置検出部と、アクチュエータ上に被測定面との距離に応じたフォーカス信号を発生させるフォーカス検出部と、フォーカス信号が０となるように操作量を出力する位置決め制御コントローラと、操作量に応じてアクチュエータ駆動電流を出力しアクチュエータを駆動するドライバと、を備えたフォーカス制御系を応用した形状測定装置において、ばねの変位に比例して発生するばね力とアクチュエータの動特性を補償するために前記フォーカス検出部からのフォーカス信号と前記位置検出部からの位置信号より目標位置を演算する操作量補正値演算部と、目標位置から位置への開ループ伝達関数が要求される特性となるように補償する補償器による補償値を前記目標位置に乗ずることにより操作量補正値を演算する操作量補正値演算部と、前記操作量補正値を前記操作量に加える操作量補正部と、を備えたことを特徴とするものである。
【００１８】
請求項５記載の発明は、上記目的達成のため、請求項１から４のいずれか１項に記載の形状測定装置において、目標位置に対して１型のサーボとなるように積分要素を含んだ位置決め制御コントローラを備えたことを特徴とするするものである。
請求項６記載の発明は、上記目的達成のため、請求項１から４のいずれか１項に記載の形状測定装置において、アクチュエータ電流値と位置信号もしくはフォーカス信号からアクチュエータに加わる外乱を推定する外乱オブザーバを備え、推定された外乱を電流値相当に変換し、操作量である電流司令値に加算することによって、アクチュエータに加わる外乱やアクチュエータのパラメータ変動に対してロバストであることを特徴とするものである。
【００１９】
請求項７記載の発明は、上記目的達成のため、請求項１から４のいずれか１項に記載の形状測定装置において、ばね特性を含んだアクチュエータのパラメータ変動等の不確かさと、要求される制御性能を考慮し、Ｈ∞制御則に基づいて設計されたロバストコントローラを位置決め制御コントローラとして備えたことを特徴とするものである。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照しつつ説明する。
本発明の形状測定装置の第１実施例を図１に示す。図１に示すように、形状測定装置は、キャリッジ１、ばね２、ボイスコイルモータ３、リニアエンコーダ４、位置決めコントローラ５、モータドライバ６、操作量補正値演算部７および操作量補正部８を備えている。
【００２１】
キャリッジ１は、重量Ｍでばね２によって吊るされている。キャリッジ１は、ボイスコイルモータ３によって上下方向（重力方向）に駆動される。キャリッジ１の原点からの変位量Ｘはキャリッジ１に取り付けられているリニアエンコーダ４によって検出される。
モータ推力定数をＫｆ、モータ電流をＩ、モータ推力をＦ、ばね定数をｋ、減衰係数をＣとすると、ばね２に吊るされたキャリッジ１のモデルは下記（３）、（４）式で表される。
【００２２】
【数３】

【００２３】
よって、電流から位置へ伝達関数は下記（５）式で表される。
【００２４】
【数４】

【００２５】
目標位置Ｘｒｅｆとリニアエンコーダ４によって検出された位置信号Ｘｓは位置決めコントローラ５で比較され偏差に応じた電流司令値ｉｃ（操作量）が出力される。加えて、ばね力相当の力を操作量補正値演算部７においてノミナルのパラメータを使用した下記（６）式の演算をおこない電流司令補正値ｉｆ（操作量補正値）を算出し、操作量補正部８において電流司令値ｉｃと電流司令補正値ｉｆは加算されてモータドライバ６へ入力される。モータドライバ６は入力ｉｃ’に比例したモータ電流Ｉをボイスコイルモータ３に流しキャリッジ１を駆動する。ここではｉｃ’＝Ｉとしている。
【００２６】
【数５】

【００２７】
上記の構成によって、ばね力を補正し目標位置に対する応答を向上できる。
また、第２実施例として、上記第１実施例の構成の定常的なばね力相当の力を演算する操作量補正値演算部７に変えて、下記（７）式で表される目標位置Ｘｒｅｆから位置Ｘまでの開ループ伝達関数が、要求される応答となるように図２に示す操作量補正値演算部９の補償器Ｇｆを設定する。
【００２８】
【数６】

【００２９】
これにより、補償器Ｇｆの設定によってばね力の補償だけではなくアクチュエータの周波数に依存する特性を改善し、目標位置に対する過渡特性を向上することができる。
この制御系では、目標位置に対する応答はＧｆによって調整でき、外乱抑圧性能や安定性は位置決めコントローラ５によって調整できる。
【００３０】
次に、第３実施例として、上記第１実施例のキャリッジ１上にフォーカス検出部１０を備える。フォーカス検出部１０では、ワーク１１表面との距離が焦点距離と一致するジャストフォーカス位置よりずれると、位置偏差Ｘｅ相当のフォーカス信号が出力される。フォーカス信号は位置偏差相当の出力であるため所定のゲインにより位置偏差Ｘｅに変換し、位置決めコントローラ５に入力され位置偏差Ｘｅ＝０となるように閉ループによってフォーカス制御がおこなわれる。
【００３１】
フォーカス制御の場合、目標位置Ｘｒｅｆは追従するワーク１１の表面形状である。しかし、直接目標位置を検出できないため下記（８）式の関係から目標位置Ｘｒｅｆ’を目標位置演算部１２によって算出し、算出された目標位置Ｘｒｅｆ’を使用して上記第１実施例と同様にばね力を補償する。
【００３２】
【数７】

【００３３】
これにより、フォーカス追従時の応答性を向上できる。
次に、第４実施例を図４に示す。図４に示す図は、ばねの変位に比例して発生するばね力に加え、アクチュエータの周波数に依存する特性を改善する操作量補正値演算部９、フォーカス検出部１０を備えた形状測定装置の一実施例を示す概念図である。
【００３４】
この形状測定装置は上記第２実施例のキャリッジ１上にフォーカス検出部１０を備える。フォーカス検出部１０では、ワーク１１表面との距離がジャストフォーカス位置よりずれると、位置偏差Ｘｅ相当のフォーカス信号が出力される。フォーカス信号は位置偏差相当の出力であるため所定のゲインにより位置偏差Ｘｅに変換し、位置決めコントローラ５に入力され位置偏差Ｘｅ＝０となるように閉ループによってフォーカス制御がおこなわれる。
【００３５】
フォーカス制御の場合、目標位置Ｘｒｅｆは追従するワーク１１の表面形状である。しかし、直接目標位置を検出できないため（８）式の関係から目標位置Ｘｒｅｆ’を目標位置演算部１２によって算出し、算出された目標位置Ｘｒｅｆ’を使用して上記第２実施例と同様に補償器Ｇｆによってばね力の補償だけではなくアクチュエータの周波数に依存する特性を改善し、ワーク１１表面への追従時の過渡特性を向上できる。
【００３６】
また、上記第１実施例の形状測定装置を基にしてアクチュエータの伝達関数をＰ、コントローラをＫ、ｋｎ／Ｋｆｎ＝Ｇｆとおいた位置決め制御系のブロック線図を図５とする。これを書き換えると図６となる。最終値の定理から、目標位置から位置への最終値を求めると下記（９）式となり、パラメータ変動によって微小な位置偏差が発生することがわかる。
【００３７】
【数８】

【００３８】
よって、Ｐ（０）とＧｆ＝ｋｎ／ｋｆｎを代入すると
【００３９】
【数９】

【００４０】
そこで、コントローラに積分要素を含めてＫ／ｓとすると、最終値は下記（１０）式のように位置偏差は発生しない。
【００４１】
【数１０】

【００４２】
これによって、外乱やパラメータ変動による操作量補正値のずれによって発生する定常的な微小位置偏差を低減できる。
次に、第１実施例の形状測定装置に外乱オブザーバを付加したブロック線図を図７に示す。
【００４３】
【外１】

【００４４】
ここでは下記（１１）式の状態方程式と下記（１２）式の出力方程式で表す。
【００４５】
【数１１】

【００４６】
一般的なオブザーバのブロック線図を図８に示す。
オブザーバの状態方程式は下記（１３）式、出力方程式は下記（１４）式で表される。
【００４７】
【数１２】

【００４８】
プラントに印加される外乱もしくはノミナルモデルに対するパラメータ変動相当の推定加速度外乱となる。推定された加速度外乱を電流値に変換しフイードバックすることによって外乱およびパラメータ変動を抑圧する。
【００４９】
【外２】

【００５０】
ことによって外乱およびパラメータ変動を抑圧する。
また、外乱オブザーバのパラメータの設計方法によって、外乱やパラメータ変動の周波数に対する応答性を設定できノイズに対して強くできる。
次に、（５）式のアクチュエータの伝達関数を下記（１５）式として書き換える。また添え字のｎｏｍはノミナルモデルを示す。
【００５１】
【数１３】

【００５２】
ここで、以下の３つのパラメータに対してロバスト安定性を確保する場合を例とする。
減衰項２ζｃｎｏｍωｃｎｏｍ
共振周波数項 ωｃｎｏｍ^２
比例項Ｇｃｏ＿ｎｏｍ
上記３つのパラメータに以下のような加法的摂動（パラメータ変動）がある場合を考える。
【００５３】
減衰項の摂動 γ １
共振周波数項の摂動 γ ２
比例項の摂動 γ ３
伝達関数Ｗａｄｄ＿ｃとして表される３つの不確かさを覆う不確かさの周波数重みと、制御性能の周波数重み（ここでは、Ｗｐｅｒｆ＿ｃ１、Ｗｐｅｒｆ＿ｃ２とする）を図９に示す。上記周波数重みとアクチュエータのノミナル数学モデルから図１０のブロック線図で表される一般化プラントを設計する。
【００５４】
ここでは、制御性能と安定性を確保するロバスト制御性能を満足するコントローラの設計方法として、評価関数として構造化特異μを使用したμ設計を導入する。
一般化プラントにおけるＨ∞ノルムが所定値以下となるＨ∞コントローラの算出をし、次に、μ解析、Ｄスケーリング行列を用いたモデルの再構築、再びＨ∞コントローラの算出の繰り返し（Ｄ−Ｋｉｔｅｒａｔｉｏｎ）を行い、Ｈ∞ノルムが１以下で構造化特異値μが１以下となるロバストコントローラＫｃを設計する。
【００５５】
図１０では、計算の都合上、各周波数重みを入力出力の２つに分けて描いてある。（添え字のｌ、ｒ）
【００５６】
【外３】

【００５７】
Ｈ∞制御理論に基づいたコントローラを位置決め制御コントローラに用いたことによって、制御性能を犠牲にすることなくパラメータ変動に対してロバストとなる。
【００５８】
【発明の効果】
請求項１記載の発明によれば、目標位置に応じたばね力相当の操作量補正値を算出し、操作量に加算することによって、位置決め制御系の閉ループの制御性能と安定性に影響を及ぼすことなくばね力を補償し、目標位置に対する応答性を改善する位置決め制御系を備えた形状測定装置を提供することができる。
【００５９】
請求項２記載の発明によれば、請求項１記載の発明の効果に加えて、ばね力の補償だけではなくアクチュエータの周波数に依存する特性を改善し、目標位置に対する過渡特性を改善する位置決め制御系を備えた形状測定装置を提供することができる。
請求項３記載の発明によれば、フォーカス制御系では直接目標位置を検出できないため、フォーカス信号と位置信号から目標位置を演算し、求めた目標位置を使用してばね力相当の操作量補正値を算出し、操作量に加算することによって、位置決め制御系の閉ループの制御性能と安定性に影響を及ぼすことなくばね力を補償し、目標位置に対する応答性を改善する位置決め制御系を備えた形状測定装置を提供することができる。
【００６０】
請求項４記載の発明によれば、請求項３記載の発明の効果に加えて、ばね力の補償だけではなくアクチュエータの周波数に依存する特性を改善し、目標位置に対する過渡特性を改善する位置決め制御系を備えた形状測定装置を提供することができる。
請求項５記載の発明によれば、請求項１から４記載の発明の効果に加えて、装置の傾き等により外乱が印加されたり、パラメータ変動による操作量補正値のずれによって発生する定宮的な微小位置偏差を低減する位置決め制御系を備えた形状測定装置を提供することができる。
【００６１】
請求項６記載の発明によれば、請求項１から４記載の発明の効果に加えて、パラメータ変動を補償し、かつ、外乱を抑圧可能な位置決め制御系を備えた形状測定装置を提供することができる。
請求項７記載の発明によれば、請求項１から４記載の発明の効果に加えて、ロバスト制御性能を満足する位置決め制御系を備えた形状測定装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る形状測定装置の第１実施例を示す概念図である。
【図２】本発明に係る形状測定装置の第２実施例を示す概念図である。
【図３】本発明に係る形状測定装置の第３実施例を示す概念図である。
【図４】本発明に係る形状測定装置の第４実施例を示す概念図である。
【図５】位置決め制御系のブロック線図である。
【図６】位置決め制御系のブロック線図である。
【図７】第１実施例に外乱オブザーバを付加したブロック線図である。
【図８】一般的なオブザーバのブロック線図である。
【図９】伝達関数Ｗａｄｄ＿ｃとして表される３つの不確かさを覆う不確かさの周波数重みと、制御性能の周波数重みを示す図である。
【図１０】周波数重みとアクチュエータのノミナル数学モデルから設計した一般化プラントのブロック線図である。
【符号の説明】
１キャリッジ
２ばね
３ボイスコイルモータ
４リニアエンコーダ
５位置決めコントローラ
６モータドライバ
７操作量補正値演算部
８操作量補正部
９操作量補正値演算部
１０フォーカス検出部
１１ワーク
１２目標位置演算部[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a shape measuring device, and more particularly to a shape measuring device in which an actuator driven in a vertical direction (gravity direction) is suspended by a spring.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Conventionally, as a shape measuring device having a driving means suspended in a vertical direction and suspended by a spring, there is a shape measuring device described in JP-A-2-134506.
The shape measuring apparatus described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2-134506 calculates a force equivalent to a spring force from a displacement of an actuator to reduce the effect of a spring force generated when the actuator is driven, and calculates a force opposite to the spring force. The spring force is compensated by means for generating a directional force.
[0003]
In other words, the spring force is obtained by multiplying the position signal by a proportional gain corresponding to the spring constant to obtain the spring force, and the spring force is compensated by the minor feedback that adds the calculated spring force to the operation amount output from the controller.
Further, a driving force equivalent is calculated from the position signal, the driving signal (operation amount) is compared, and the difference is added to the operation amount, thereby compensating for variations in the driving unit weight and spring tension.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the above-described conventional shape measuring device, the influence of the spring force is suppressed by adding a minor loop which is a state feedback of the positive feedback of the position signal. The control system may become unstable depending on how to select the conversion constant at the time or the fluctuation of the spring constant of the actual machine.
[0005]
For example, the transfer function from the force of the actuator supported by the spring to the displacement is represented by the following equation (1).
[0006]
(Equation 1)

[0007]
X: Position, F: Force, M: Weight, C: Damping coefficient, k: Spring constant Feedback When a positive feedback minor feedback with a gain of k 'is added, the transfer function becomes the following equation (2).
[0008]
(Equation 2)

[0009]
If k = k ', the actuator can be regarded as a system having no spring force, but k and k' do not always match in the actual machine. The mechanical resonance frequency becomes ω = ((k-k ') / M) ^1/2 depending on the selection method of k' and the parameter fluctuation, so that the deviation from the designed controller occurs and the resonance frequency occurs in the low frequency region. Or the phase may fluctuate and the control system may become unstable.
[0010]
In addition, the force calculated from the position signal is compared with the force calculated from the drive current value, and the difference is fed back to compensate for the parameter variation. In such cases, or when the signal contains a noise component, accurate correction is not possible and causes malfunction or instability.
Therefore, the present invention compensates the spring force without affecting the control performance and stability of the closed loop of the positioning control system by calculating the operation amount correction value corresponding to the spring force according to the target position and adding the correction value to the operation amount. In addition, the present invention provides a shape measuring device including a positioning control system that improves responsiveness to a target position.
[0011]
Further, in addition to the above object, there is provided a shape measuring apparatus provided with a positioning control system that improves not only compensation of a spring force but also characteristics that depend on the frequency of an actuator and improves transient characteristics with respect to a target position.
In addition, since the focus control system cannot directly detect the target position, the target position is calculated from the focus signal and the position signal, an operation amount correction value equivalent to the spring force is calculated using the obtained target position, and added to the operation amount. Accordingly, there is provided a shape measuring apparatus including a positioning control system that compensates for a spring force without affecting control performance and stability of a closed loop of the positioning control system and improves responsiveness to a target position.
[0012]
Further, in addition to the above object, there is provided a shape measuring apparatus provided with a positioning control system that improves not only compensation of a spring force but also characteristics that depend on the frequency of an actuator and improves transient characteristics with respect to a target position.
Further, in addition to the above objects, a shape measuring device including a positioning control system for reducing a steady minute position deviation caused by disturbance applied due to a tilt of the device or a deviation of an operation amount correction value due to a parameter change. I will provide a.
[0013]
Further, the present invention provides a shape measuring apparatus including a positioning control system capable of compensating for parameter fluctuations and suppressing disturbance by adding a disturbance observer.
Further, there is provided a shape measuring apparatus provided with a positioning control system which is robust against uncertainties such as parameter fluctuations which can be considered in advance without compromising control performance.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
According to a first aspect of the present invention, there is provided an actuator which is suspended in a vertical direction by a spring and is driven in a vertical direction, a position detecting section which detects a displacement of the actuator from an origin and outputs a position signal, In a shape measuring device including: a position control controller that compares a position and a position signal from a position detection unit and outputs an operation amount; and a driver that outputs an actuator driving current according to the operation amount and drives the actuator, An operation amount correction value calculation unit that calculates an operation amount correction value corresponding to the spring force corresponding to the target position in order to compensate for a spring force generated in proportion to the displacement, and an operation of adding the operation amount correction value to the operation amount And a quantity correction unit.
[0015]
According to a second aspect of the present invention, there is provided an actuator which is suspended in a vertical direction by a spring and is driven in a vertical direction, a position detecting section which detects a displacement of the actuator from an origin and outputs a position signal, and In a shape measuring device including: a position control controller that compares a position and a position signal from a position detection unit and outputs an operation amount; and a driver that outputs an actuator driving current according to the operation amount and drives the actuator, In order to compensate for the spring force generated in proportion to the displacement and the dynamic characteristics of the actuator, a compensation value by a compensator for compensating for an open-loop transfer function from the target position to the position to have the required characteristic is added to the target position. An operation amount correction value calculation unit that calculates an operation amount correction value by multiplying the operation amount; and an operation amount correction unit that adds the operation amount correction value to the operation amount. It is characterized in that the.
[0016]
According to a third aspect of the present invention, there is provided an actuator which is suspended in a vertical direction by a spring and is driven in a vertical direction, a position detection unit which detects a displacement of the actuator from an origin and outputs a position signal, and A focus detection unit for generating a focus signal according to the distance to the surface to be measured, a positioning controller for outputting an operation amount so that the focus signal becomes 0, and outputting an actuator drive current according to the operation amount A driver for driving an actuator, and a focus measuring system including a focus control system, wherein a focus signal from the focus detecting unit and the position detecting unit for compensating a spring force generated in proportion to a spring displacement. Target position calculation unit that calculates the target position from the position signal from the controller, and an operation amount equivalent to the spring force according to the target position An operation amount correction value calculation section that calculates a positive value and is characterized by comprising a manipulated variable correcting unit adding said operation amount correction value to the operation amount.
[0017]
According to a fourth aspect of the present invention, there is provided an actuator which is suspended in a vertical direction by a spring and driven in a vertical direction, a position detecting unit which detects a displacement of the actuator from an origin and outputs a position signal, and A focus detection unit for generating a focus signal according to the distance to the surface to be measured, a positioning controller for outputting an operation amount so that the focus signal becomes 0, and outputting an actuator drive current according to the operation amount A driver for driving an actuator, and a focus measuring system having a focus control system including a focus signal from the focus detection unit for compensating a spring force generated in proportion to a spring displacement and a dynamic characteristic of the actuator. A manipulated variable correction value calculating unit for calculating a target position from a position signal from the position detecting unit and a target position; A manipulated variable correction value computing unit that computes a manipulated variable correction value by multiplying the target position by a compensation value by a compensator that compensates for an open loop transfer function from a position to a required characteristic; An operation amount correction unit that adds a correction value to the operation amount.
[0018]
According to a fifth aspect of the present invention, in order to achieve the above object, in the shape measuring apparatus according to any one of the first to fourth aspects, an integral element is provided so as to be a type 1 servo with respect to a target position. A positioning control controller is provided.
According to a sixth aspect of the present invention, in order to achieve the above object, the disturbance for estimating a disturbance applied to the actuator from the actuator current value and the position signal or the focus signal in the shape measuring apparatus according to any one of the first to fourth aspects. It is equipped with an observer, and is characterized in that it is robust against disturbance applied to the actuator and fluctuations in actuator parameters by converting the estimated disturbance to the current value and adding it to the current command value that is the manipulated variable. It is.
[0019]
According to a seventh aspect of the present invention, in order to achieve the above object, in the shape measuring apparatus according to any one of the first to fourth aspects, uncertainty such as parameter variation of an actuator including a spring characteristic and required control are provided. A robust controller designed based on the H∞ control law in consideration of performance is provided as a positioning controller.
[0020]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 shows a first embodiment of a shape measuring apparatus according to the present invention. As shown in FIG. 1, the shape measuring device includes a carriage 1, a spring 2, a voice coil motor 3, a linear encoder 4, a positioning controller 5, a motor driver 6, an operation amount correction value calculation unit 7, and an operation amount correction unit 8. ing.
[0021]
The carriage 1 is suspended by a spring 2 with a weight M. The carriage 1 is driven in a vertical direction (gravity direction) by a voice coil motor 3. The displacement X of the carriage 1 from the origin is detected by a linear encoder 4 attached to the carriage 1.
Assuming that the motor thrust constant is Kf, the motor current is I, the motor thrust is F, the spring constant is k, and the damping coefficient is C, the model of the carriage 1 suspended on the spring 2 is expressed by the following equations (3) and (4). Is done.
[0022]
(Equation 3)

[0023]
Therefore, the transfer function from the current to the position is represented by the following equation (5).
[0024]
(Equation 4)

[0025]
The target position Xref and the position signal Xs detected by the linear encoder 4 are compared by the positioning controller 5, and a current command value ic (operating amount) corresponding to the deviation is output. In addition, the operation amount correction value if (operation amount correction value) is calculated by performing the operation of the following equation (6) using the nominal parameter in the operation amount correction value calculation unit 7 using the force equivalent to the spring force. In the unit 8, the current command value ic and the current command correction value if are added and input to the motor driver 6. The motor driver 6 supplies a motor current I proportional to the input ic ′ to the voice coil motor 3 to drive the carriage 1. Here, ic '= I.
[0026]
(Equation 5)

[0027]
With the above configuration, the spring force can be corrected and the response to the target position can be improved.
As a second embodiment, a target position Xref expressed by the following equation (7) is used instead of the manipulated variable correction value calculator 7 for calculating a force equivalent to a steady spring force in the configuration of the first embodiment. The compensator Gf of the manipulated variable correction value calculator 9 shown in FIG. 2 is set so that the open-loop transfer function from to the position X has a required response.
[0028]
(Equation 6)

[0029]
Thus, by setting the compensator Gf, not only the compensation of the spring force but also the characteristics depending on the frequency of the actuator can be improved, and the transient characteristics with respect to the target position can be improved.
In this control system, the response to the target position can be adjusted by Gf, and the disturbance suppression performance and stability can be adjusted by the positioning controller 5.
[0030]
Next, as a third embodiment, a focus detection unit 10 is provided on the carriage 1 of the first embodiment. The focus detection unit 10 outputs a focus signal corresponding to the position deviation Xe when the distance from the surface of the work 11 is shifted from the just focus position that matches the focal length. Since the focus signal is an output equivalent to the position deviation, the focus signal is converted into a position deviation Xe by a predetermined gain, input to the positioning controller 5, and the focus control is performed by a closed loop so that the position deviation Xe = 0.
[0031]
In the case of focus control, the target position Xref is the surface shape of the work 11 to be followed. However, since the target position cannot be directly detected, the target position Xref 'is calculated by the target position calculation unit 12 from the relationship of the following equation (8), and the calculated target position Xref' is used in the same manner as in the first embodiment. Compensate for spring force.
[0032]
(Equation 7)

[0033]
Thereby, the response at the time of following the focus can be improved.
Next, a fourth embodiment is shown in FIG. FIG. 4 is a diagram of a shape measuring apparatus including an operation amount correction value calculation unit 9 and a focus detection unit 10 for improving characteristics depending on the frequency of an actuator in addition to a spring force generated in proportion to the displacement of a spring. FIG. 3 is a conceptual diagram showing one embodiment.
[0034]
This shape measuring device includes a focus detection unit 10 on the carriage 1 of the second embodiment. When the distance from the surface of the work 11 deviates from the just focus position, the focus detection unit 10 outputs a focus signal corresponding to the position deviation Xe. Since the focus signal is an output equivalent to the position deviation, the focus signal is converted into a position deviation Xe by a predetermined gain, input to the positioning controller 5, and the focus control is performed by a closed loop so that the position deviation Xe = 0.
[0035]
In the case of focus control, the target position Xref is the surface shape of the work 11 to be followed. However, since the target position cannot be directly detected, the target position Xref 'is calculated by the target position calculating unit 12 from the relationship of the equation (8), and the compensation is performed using the calculated target position Xref' in the same manner as in the second embodiment. The device Gf can improve not only the compensation of the spring force but also the characteristics depending on the frequency of the actuator, and the transient characteristics at the time of following the surface of the work 11 can be improved.
[0036]
FIG. 5 is a block diagram of a positioning control system in which the transfer function of the actuator is P, the controller is K, and kn / Kfn = Gf based on the shape measuring apparatus of the first embodiment. FIG. 6 is obtained by rewriting this. From the final value theorem, when the final value from the target position to the position is obtained, the following expression (9) is obtained, and it is understood that a minute positional deviation occurs due to a parameter change.
[0037]
(Equation 8)

[0038]
Therefore, when P (0) and Gf = kn / kfn are substituted,
(Equation 9)

[0040]
Therefore, if K / s is set to include the integral element in the controller, the final value does not generate a positional deviation as shown in the following equation (10).
[0041]
(Equation 10)

[0042]
As a result, it is possible to reduce a steady minute position deviation caused by a deviation of the operation amount correction value due to a disturbance or a parameter change.
Next, FIG. 7 shows a block diagram in which a disturbance observer is added to the shape measuring apparatus of the first embodiment.
[0043]
[Outside 1]

[0044]
Here, it is represented by the following state equation (11) and the following equation (12).
[0045]
(Equation 11)

[0046]
FIG. 8 shows a block diagram of a general observer.
The state equation of the observer is expressed by the following equation (13), and the output equation is expressed by the following equation (14).
[0047]
(Equation 12)

[0048]
This is an estimated acceleration disturbance corresponding to a parameter applied to a disturbance or a nominal model applied to the plant. The estimated acceleration disturbance is converted into a current value and fed back to suppress the disturbance and parameter fluctuation.
[0049]
[Outside 2]

[0050]
This suppresses disturbances and parameter fluctuations.
In addition, the response to the frequency of disturbance or parameter fluctuation can be set by the method of designing the parameters of the disturbance observer, thereby making it possible to withstand noise.
Next, the transfer function of the actuator of the equation (5) is rewritten as the following equation (15). The subscript nom indicates a nominal model.
[0051]
(Equation 13)

[0052]
Here, a case where robust stability is ensured for the following three parameters is taken as an example.
Attenuation term 2ζcnomωcnom
Resonance frequency term ωcnom ²
Proportional term Gco_nom
Consider a case where the above three parameters have the following additive perturbations (parameter variations).
[0053]
Perturbation of the damping term γ 1
Perturbation of the resonance frequency term γ 2
Perturbation of proportional term γ 3
FIG. 9 shows the frequency weights of the uncertainties covering the three uncertainties represented by the transfer function Wadd_c and the frequency weights of the control performance (here, Wperf_c1 and Wperf_c2). A generalized plant represented by the block diagram of FIG. 10 is designed from the frequency weights and the nominal mathematical model of the actuator.
[0054]
Here, μ design using structured singular μ as an evaluation function is introduced as a controller design method that satisfies robust control performance that ensures control performance and stability.
The H∞ controller in which the H∞ norm in the generalized plant is equal to or less than a predetermined value is calculated, and then the μ analysis, the reconstruction of the model using the D scaling matrix, and the calculation of the H∞ controller again are repeated (D−K Iterative) is performed to design a robust controller Kc in which the H∞ norm is 1 or less and the structured singular value μ is 1 or less.
[0055]
In FIG. 10, for the sake of calculation, each frequency weight is divided into two of input and output. (Subscript l, r)
[0056]
[Outside 3]

[0057]
By using a controller based on the H∞ control theory for the positioning control controller, it is robust against parameter fluctuation without sacrificing control performance.
[0058]
【The invention's effect】
According to the first aspect of the present invention, an operation amount correction value corresponding to a spring force corresponding to a target position is calculated and added to the operation amount, thereby affecting the control performance and stability of the closed loop of the positioning control system. It is possible to provide a shape measuring apparatus having a positioning control system that compensates for a spring force and improves responsiveness to a target position.
[0059]
According to the second aspect of the present invention, in addition to the effect of the first aspect, not only the compensation of the spring force but also the characteristic dependent on the frequency of the actuator is improved, and the positioning control for improving the transient characteristic with respect to the target position is improved. A shape measuring device provided with a system can be provided.
According to the third aspect of the invention, since the focus control system cannot directly detect the target position, the target position is calculated from the focus signal and the position signal, and the operation amount correction value corresponding to the spring force is calculated using the obtained target position. Is calculated and added to the manipulated variable to compensate for the spring force without affecting the control performance and stability of the closed loop of the positioning control system, and to improve the responsiveness to the target position. A measuring device can be provided.
[0060]
According to the fourth aspect of the invention, in addition to the effect of the third aspect of the invention, not only the compensation of the spring force but also the characteristic dependent on the frequency of the actuator is improved, and the positioning control for improving the transient characteristic with respect to the target position is improved. A shape measuring device provided with a system can be provided.
According to the fifth aspect of the invention, in addition to the effects of the first to fourth aspects of the invention, a disturbance is applied due to the inclination of the device or the like, and a constant value generated due to a shift of the operation amount correction value due to a parameter change. It is possible to provide a shape measuring apparatus provided with a positioning control system that reduces a minute positional deviation.
[0061]
According to the sixth aspect of the present invention, in addition to the effects of the first to fourth aspects of the present invention, there is provided a shape measuring apparatus provided with a positioning control system capable of compensating parameter fluctuations and suppressing disturbance. Can be.
According to the seventh aspect of the invention, in addition to the effects of the first to fourth aspects of the invention, it is possible to provide a shape measuring apparatus having a positioning control system that satisfies the robust control performance.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a conceptual diagram showing a first embodiment of a shape measuring apparatus according to the present invention.
FIG. 2 is a conceptual diagram showing a second embodiment of the shape measuring apparatus according to the present invention.
FIG. 3 is a conceptual diagram showing a third embodiment of the shape measuring apparatus according to the present invention.
FIG. 4 is a conceptual diagram showing a fourth embodiment of the shape measuring apparatus according to the present invention.
FIG. 5 is a block diagram of a positioning control system.
FIG. 6 is a block diagram of a positioning control system.
FIG. 7 is a block diagram in which a disturbance observer is added to the first embodiment.
FIG. 8 is a block diagram of a general observer.
FIG. 9 is a diagram showing a frequency weight of uncertainty covering three uncertainties represented as a transfer function Wadd_c and a frequency weight of control performance.
FIG. 10 is a block diagram of a generalized plant designed from frequency weights and nominal mathematical models of actuators.
[Explanation of symbols]
Reference Signs List 1 carriage 2 spring 3 voice coil motor 4 linear encoder 5 positioning controller 6 motor driver 7 operation amount correction value calculation unit 8 operation amount correction unit 9 operation amount correction value calculation unit 10 focus detection unit 11 work 12 target position calculation unit

Claims

An actuator suspended vertically by a spring and driven vertically, a position detection unit that detects the displacement of the actuator from the origin and outputs a position signal, and compares the position signal from the target position and the position detection unit with the amount of operation. And a driver that outputs an actuator drive current according to the operation amount and drives the actuator, and a shape measurement device comprising:
An operation amount correction value calculation unit that calculates an operation amount correction value corresponding to the spring force according to the target position in order to compensate for a spring force generated in proportion to the displacement of the spring;
An operation amount correction unit that adds the operation amount correction value to the operation amount,
A shape measuring device comprising:

An actuator suspended vertically by a spring and driven vertically, a position detection unit that detects the displacement of the actuator from the origin and outputs a position signal, and compares the position signal from the target position and the position detection unit with the amount of operation. And a driver that outputs an actuator drive current according to the operation amount and drives the actuator, and a shape measurement device comprising:
In order to compensate for the spring force generated in proportion to the displacement of the spring and the dynamic characteristics of the actuator, the compensation value by the compensator for compensating the open-loop transfer function from the target position to the position so that the required characteristic is obtained is described above. An operation amount correction value calculation unit that calculates an operation amount correction value by multiplying the target position,
An operation amount correction unit that adds the operation amount correction value to the operation amount,
A shape measuring device comprising:

An actuator suspended vertically by a spring and driven vertically, a position detector that detects the displacement of the actuator from the origin and outputs a position signal, and a focus signal corresponding to the distance to the surface to be measured on the actuator. A focus control system including a focus detection unit to generate, a positioning control controller that outputs an operation amount so that the focus signal becomes 0, and a driver that outputs an actuator drive current according to the operation amount and drives the actuator. In the applied shape measuring device, in order to compensate for a spring force generated in proportion to the displacement of a spring, a target position for calculating a target position from a focus signal from the focus detection unit and a position signal from the position detection unit. An operation unit;
An operation amount correction value calculation unit that calculates an operation amount correction value corresponding to the spring force according to the target position;
An operation amount correction unit that adds the operation amount correction value to the operation amount,
A shape measuring device comprising:

An actuator suspended vertically by a spring and driven vertically, a position detector that detects the displacement of the actuator from the origin and outputs a position signal, and a focus signal corresponding to the distance to the surface to be measured on the actuator. A focus control system including a focus detection unit to generate, a positioning control controller that outputs an operation amount so that the focus signal becomes 0, and a driver that outputs an actuator drive current according to the operation amount and drives the actuator. In the applied shape measuring device, in order to compensate for the spring force generated in proportion to the displacement of the spring and the dynamic characteristics of the actuator, a target signal is obtained from a focus signal from the focus detection unit and a position signal from the position detection unit. An operation amount correction value calculation unit for calculating
An operation amount correction value calculation unit that calculates an operation amount correction value by multiplying the target position by a compensation value by a compensator that compensates for an open loop transfer function from the target position to the position to have a required characteristic;
An operation amount correction unit that adds the operation amount correction value to the operation amount,
A shape measuring device comprising:

The shape measuring apparatus according to any one of claims 1 to 4, further comprising a positioning controller including an integral element so as to be a type 1 servo with respect to the target position.

Equipped with a disturbance observer for estimating a disturbance applied to the actuator from the actuator current value and the position signal or the focus signal,
5. The method according to claim 1, wherein the estimated disturbance is converted into a current value and added to a current command value, which is an operation amount, so as to be robust against a disturbance applied to the actuator and a parameter change of the actuator. The shape measuring device according to any one of the above.

2. A positioning controller comprising a robust controller designed based on the H∞ control law in consideration of uncertainties such as parameter fluctuations of an actuator including spring characteristics and required control performance. The shape measuring apparatus according to any one of items 1 to 4.