JP3888555B2 - Position control device and position control method - Google Patents

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Description

本発明は、位置制御装置および位置制御方法に係り、とくに出力位置を位置の目標値と比較して偏差を制御要素に入力し、該制御要素によって制御対象の位置を目標値に一致するように制御する位置制御装置および位置制御方法に関する。   The present invention relates to a position control device and a position control method, and in particular, compares an output position with a target value of a position, inputs a deviation to a control element, and matches the position of a controlled object with the target value by the control element. The present invention relates to a position control device and a position control method.

産業における制御技術の代表的なものに、モーションコントロールの技術が存在する。モーションコントロールの技術は、FA機器、メカトロニクス、ロボティクス等の分野において、電気と機械との複合系のいろいろな動作を成立させるための重要な技術である。そしてこのような技術の中に、位置決め制御が含まれる。   Motion control technology exists as a representative industrial control technology. Motion control technology is an important technology for establishing various operations of composite systems of electricity and machines in the fields of FA equipment, mechatronics, robotics and the like. Such technology includes positioning control.

例えば特開平5−252772号公報には、サーボモータの高速位置決め制御において、外乱抑制特性と耐ノイズ特性の周波数特性を有する補償器をサーボモータに直列に接続し、位置情報のみによってサーボモータを高速位置決めする制御方法が開示されており、このような構成によれば、速度や加速度情報を用いることなく位置情報のみによってサーボモータの位置決めが可能になる。   For example, in Japanese Patent Laid-Open No. 5-252772, in high-speed positioning control of a servo motor, a compensator having frequency characteristics of disturbance suppression characteristics and noise resistance characteristics is connected in series to the servo motor, and the servo motor is operated at high speed only by position information. A control method for positioning is disclosed, and according to such a configuration, the servo motor can be positioned only by position information without using speed or acceleration information.

このような位置決め制御の内の、分解加速度制御法による位置決めの制御系の構成を図8によって説明する。この制御系は制御対象1を制御要素2によって制御するものであって、制御対象1の出力側に積分器3が接続され、積分器3の出力側にさらに積分器4が接続されている。また積分器4の出力と目標位置との比較のための比較器5と、積分器3の出力と速度の目標値との比較を行なう比較器6を備えている。そしてこの比較器6の出力側に比例要素7が接続され、比例要素7は加算器8に接続される構成になっている。   Of such positioning control, the configuration of a positioning control system based on the decomposition acceleration control method will be described with reference to FIG. This control system controls the controlled object 1 by the control element 2. The integrator 3 is connected to the output side of the controlled object 1, and the integrator 4 is further connected to the output side of the integrator 3. Further, a comparator 5 for comparing the output of the integrator 4 and the target position, and a comparator 6 for comparing the output of the integrator 3 and the target value of the speed are provided. The proportional element 7 is connected to the output side of the comparator 6, and the proportional element 7 is connected to the adder 8.

このような制御系においては、制御対象1の出力として得られる加速度を、該制御対象1に含まれる等価的な積分器3によって速度に変換し、さらにこの速度を積分器4によって位置に変換し、この位置に関する情報を比較器5において目標位置と比較し、その偏差を制御要素2に入力する。一方上記積分器3の速度出力を比較器6によって目標の速度と比較し、比例要素7を介して加算器8によって制御要素2が出力する制御対象1の制御入力に加算する。ここではさらに加算器8によって加速度の目標値が加算される。そしてこのような加算器8の出力を制御入力として制御対象1の制御が行なわれる。   In such a control system, the acceleration obtained as the output of the controlled object 1 is converted into a speed by an equivalent integrator 3 included in the controlled object 1, and this speed is converted into a position by the integrator 4. The position information is compared with the target position by the comparator 5 and the deviation is input to the control element 2. On the other hand, the speed output of the integrator 3 is compared with the target speed by the comparator 6 and added to the control input of the control object 1 output from the control element 2 by the adder 8 via the proportional element 7. Here, the target value of acceleration is further added by the adder 8. The control object 1 is controlled using the output of the adder 8 as a control input.

このような図8に示す構成の分解加速度制御法は、制御対象1の位置や速度情報を必要とし、しかもシステムの伝達特性は位置偏差ゲインKと速度偏差ゲインKによって決まってしまう特徴がある。 Such a decomposition acceleration control method having the configuration shown in FIG. 8 requires the position and speed information of the controlled object 1, and the transfer characteristics of the system are determined by the position deviation gain Kp and the speed deviation gain Kv . is there.

図9は別の従来の位置制御装置の構成を示しており、ここでは制御対象1を制御するための制御要素2の他に、外乱オブザーバ11と、この外乱オブザーバ11の出力を出力位置と比較する比較器12と、逆動特性の外乱オブザーバ13と、この外乱オブザーバ13の出力を制御入力に加算する加算器14と、出力位置を微分する微分器15とを備え、上記微分器15の出力を比較器6に供給するようにしている。   FIG. 9 shows the configuration of another conventional position control apparatus. Here, in addition to the control element 2 for controlling the controlled object 1, the disturbance observer 11 and the output of the disturbance observer 11 are compared with the output position. Comparator 12, a disturbance observer 13 having reverse motion characteristics, an adder 14 for adding the output of the disturbance observer 13 to the control input, and a differentiator 15 for differentiating the output position. Is supplied to the comparator 6.

このような構成において、比較器5は制御対象1の出力である位置を目標値位置と比較し、偏差を制御要素2に入力する。また制御対象1の出力である位置は微分器15によって微分されて速度に変換され、この速度が比較器6で目標速度と比較されて比例要素7を通して加算器8で制御入力に加算される。なお加算器8は加速度の目標値をも制御入力に加算する。また制御入力は外乱オブザーバ11に入力されるとともに、外乱オブザーバ11の出力と制御対象1の出力位置とを比較器12によって比較し、その偏差を逆特性の外乱オブザーバ13を通して加算器14によって制御入力に加算し、これによって制御対象1を制御している。   In such a configuration, the comparator 5 compares the position that is the output of the controlled object 1 with the target value position, and inputs the deviation to the control element 2. The position which is the output of the control object 1 is differentiated by the differentiator 15 and converted into a speed. This speed is compared with the target speed by the comparator 6 and added to the control input by the adder 8 through the proportional element 7. The adder 8 also adds the acceleration target value to the control input. The control input is input to the disturbance observer 11, and the output of the disturbance observer 11 and the output position of the controlled object 1 are compared by the comparator 12, and the deviation is controlled by the adder 14 through the disturbance observer 13 having an inverse characteristic. Thus, the control object 1 is controlled.

この制御系においては、位置偏差ゲインKと速度偏差ゲインKにかかわらず、システムの伝達ゲインを1に極めて近い値とする伝達特性を達成することが可能になる。ところが加速度制御系の構成は、フィードバック型となるために、ノイズ特性や安定性を劣化させる危険がある。また閉ループ系の極操作を行なうために、位置制御器を再設計する必要がある。また速度センサまたは位置の微分演算が必要となる。またここでは外乱オブザーバによる手法を示したが、加速度制御系を構成する場合も同様で、この場合にはさらに制御器の次数が高次元化する場合が多く、その次数に比例して演算量も増大する問題がある。 In this control system, regardless of the position deviation gain Kp and the speed deviation gain Kv , it is possible to achieve a transmission characteristic that makes the transmission gain of the system very close to 1. However, since the configuration of the acceleration control system is a feedback type, there is a risk of deteriorating noise characteristics and stability. In addition, it is necessary to redesign the position controller in order to perform a closed loop system pole operation. Also, a speed sensor or position differential calculation is required. Although the method using a disturbance observer is shown here, the same applies to the case of configuring an acceleration control system.In this case, the order of the controller is often higher, and the amount of computation is proportional to the order. There are increasing problems.

一方精密ステージ、例えば半導体製造用露光装置に用いる精密ステージにおいては、ステップアンドリピート駆動方式がこれまで主流であった。今後は生産性の向上に向け、連続軌跡駆動方式に置換えられるのが明白である。この場合に、制御の観点から、高応答、高速度、低追従誤差という条件が同時に満足される必要がある。
特開平5−252772号公報
On the other hand, in a precision stage, for example, a precision stage used in an exposure apparatus for manufacturing a semiconductor, a step-and-repeat driving method has been mainstream. In the future, it is clear that the system will be replaced with a continuous trajectory drive system to improve productivity. In this case, from the viewpoint of control, the conditions of high response, high speed, and low tracking error must be satisfied at the same time.
JP-A-5-252772

本願発明の課題は、高応答性、高速度、低追従誤差の条件が同時に満足される位置制御装置および位置制御方法を提供することである。   An object of the present invention is to provide a position control device and a position control method that can simultaneously satisfy the conditions of high responsiveness, high speed, and low tracking error.

本願発明の別の課題は、各状態量(位置、速度、または加速度)の目標値に対する伝達特性の理想ゲインを1に近づけ、連続軌跡プロファイルに対する制御性能の向上を図るようにした位置制御装置および位置制御方法を提供することである。   Another object of the present invention is to provide a position control device and an ideal gain of a transfer characteristic with respect to a target value of each state quantity (position, velocity, or acceleration) approaching 1 to improve control performance for a continuous trajectory profile, and It is to provide a position control method.

本願発明のさらに別の課題は、連続軌跡に対する応答特性に優れた制御が可能な位置制御装置および位置制御方法を提供することである。   Still another object of the present invention is to provide a position control device and a position control method capable of controlling with excellent response characteristics with respect to a continuous trajectory.

本願発明の別の課題は、精密ステージ、NC工作機、産業用ロボット、自律飛行制御等の連続軌跡をプロファイルとする制御分野に広く応用可能な位置制御装置および位置制御方法を提供することである。   Another object of the present invention is to provide a position control device and a position control method that can be widely applied to the control field having a continuous trajectory as a profile, such as a precision stage, NC machine tool, industrial robot, and autonomous flight control. .

本願発明の上記の課題および別の課題は、以下に述べる本願発明の技術的思想およびその実施の形態によって明らかにされよう。   The above-described problems and other problems of the present invention will be clarified by the technical idea of the present invention and the embodiments thereof described below.

本願の主要な発明は、出力位置を位置の目標値と比較して偏差を制御要素に入力し、該制御要素によって制御対象の位置を目標値に一致するように制御する位置制御装置において、
状態オブザーバを具備し、該状態オブザーバが出力位置に基いて速度の推定値を出力するとともに、該速度の推定値と速度の目標値との偏差を前記制御要素の出力に加算して前記制御対象に入力し、
しかも速度の目標値と制御対象の逆動特性の積を前記制御要素の出力に加算して前記制御対象に入力するようにした位置制御装置であって、
前記制御要素の出力側に加算器を有し、該加算器によって前記速度の推定値と速度の目標値との偏差と、前記速度の目標値と制御対象の逆動特性の積とを、前記制御対象に制御入力に加算して入力することを特徴とする位置制御装置に関するものである。
A main invention of the present application is a position control device that compares an output position with a target value of a position, inputs a deviation into a control element, and controls the position of a controlled object to match the target value by the control element.
A state observer, the state observer outputs an estimated value of speed based on an output position, and adds a deviation between the estimated value of speed and a target value of speed to the output of the control element to Enter
In addition, the position control device is configured to add the product of the target value of the speed and the reverse motion characteristic of the controlled object to the output of the control element and input to the controlled object ,
An adder is provided on the output side of the control element, and the adder calculates a deviation between the estimated value of the speed and the target value of the speed, and a product of the target value of the speed and the reverse motion characteristic of the controlled object. The present invention relates to a position control device characterized in that a control input is added to a control input .

ここで制御対象がその動特性中に粘性項を含んでよい。また制御要素と、状態オブザーバと、速度の目標値と制御対象の動特性の積を形成する手段と、前記加算器とがコンピュータによって構成されてよい。   Here, the control target may include a viscosity term in its dynamic characteristics. Further, the control element, the state observer, the means for forming the product of the speed target value and the dynamic characteristic to be controlled, and the adder may be configured by a computer.

制御方法に関する主要な発明は、出力位置を位置の目標値と比較して偏差を制御要素に入力し、該制御要素によって制御対象の位置を目標値に一致するように制御する位置制御方法において、
状態オブザーバによって出力位置に基いて速度の推定値を出力し、該速度の推定値と速度の目標値との偏差を前記制御要素の出力側に設けた加算器によって制御入力に加算して前記制御対象に入力し、
しかも速度の目標値と制御対象の逆動特性の積を前記加算器によって前記制御入力に加算して前記制御対象に入力することを特徴とする位置制御法に関するものである。
A main invention related to a control method is a position control method in which an output position is compared with a target value of a position, a deviation is input to a control element, and the position of a controlled object is controlled by the control element so as to match the target value.
The state observer outputs an estimated value of speed based on the output position, and adds the deviation between the estimated value of speed and the target value of speed to the control input by an adder provided on the output side of the control element. Enter the target,
Moreover the present invention relates to a position control how, characterized by inputting the product of reverse dynamic characteristic of the controlled object to the target value of the speed to the control object is added to the control input by the adder.

ここで制御系全体の伝達ゲインをほぼ1にしてよい。また前記速度の目標値と制御対象の逆動特性の積を低域通過フィルタによってプロパーな伝達関数にして制御入力に加算してよい。   Here, the transfer gain of the entire control system may be set to approximately 1. Further, the product of the target value of the speed and the reverse motion characteristic of the controlled object may be added to the control input as a proper transfer function by a low-pass filter.

本願発明の好ましい態様は、連続軌跡プロファイルに対する追従性向上を目的とした制御系設計法に関するものであって、提案する制御系設計法は従来から用いられている分解加速度制御法(図8参照)をシステムの動特性を利用して拡張したものであって、その特徴は、加速度制御系を用いない簡便な構成によって、理想伝達ゲイン1に近い伝達特性を達成でき、速度センサや位置近似微分が必要でなく、位置情報のみによって制御系の構成を可能にするものであり、フィードバックによる極操作がないために、現在利用の位置制御に追加・拡張できることを特徴とするものである。このような構成によって連続軌跡に対する応答性に優れた制御を可能にするものである。   A preferred aspect of the present invention relates to a control system design method for the purpose of improving followability with respect to a continuous trajectory profile, and the proposed control system design method is a conventional decomposition acceleration control method (see FIG. 8). The system is expanded by utilizing the dynamic characteristics of the system. Its features are that it can achieve a transfer characteristic close to the ideal transfer gain 1 with a simple configuration that does not use an acceleration control system. It is not necessary, and allows the configuration of the control system only by position information. Since there is no pole operation by feedback, it can be added to and expanded to the currently used position control. With such a configuration, control with excellent responsiveness to a continuous trajectory is enabled.

制御装置に関する主要な発明は、出力位置を位置の目標値と比較して偏差を制御要素に入力し、該制御要素によって制御対象の位置を目標値に一致するように制御する位置制御装置において、状態オブザーバを具備し、該状態オブザーバが出力位置に基いて速度の推定値を出力するとともに、該速度の推定値と速度の目標値との偏差を制御要素の出力に加算して制御対象に入力し、しかも速度の目標値と制御対象の逆動特性の積を制御要素の出力に加算して制御対象に入力するようにした位置制御装置であって、制御要素の出力側に加算器を有し、該加算器によって速度の推定値と速度の目標値との偏差と、速度の目標値と制御対象の逆動特性の積とを、制御対象に制御入力に加算して入力するようにしたものである。 A main invention related to a control device is a position control device that compares an output position with a target value of a position, inputs a deviation into a control element, and controls the position of a controlled object to match the target value by the control element. A state observer is provided, and the state observer outputs an estimated value of the speed based on the output position, and adds the deviation between the estimated value of the speed and the target value of the speed to the output of the control element and inputs it to the control target In addition , the position control device adds the product of the target value of speed and the reverse motion characteristic of the controlled object to the output of the control element and inputs it to the controlled object, and has an adder on the output side of the controlled element. The adder adds the deviation between the estimated value of speed and the target value of speed, and the product of the target value of speed and the reverse motion characteristic of the control object to the control object by adding it to the control input . Is.

従ってこのような位置制御装置によれば、加速度制御系を必要とせず、構成を簡便にでき、しかも理想伝達ゲインがほぼ1の伝達特性を達成できる。また速度センサや位置近似微分を必要とせず、位置情報のみによって制御系の構成を可能にする。またフィードバックによる極操作がないために、現在利用されている制御系に追加・拡張できる。従ってこのような制御装置は、連続軌跡に対する応答特性に優れた制御を可能にすることになる。   Therefore, according to such a position control device, an acceleration control system is not required, the configuration can be simplified, and a transfer characteristic with an ideal transfer gain of approximately 1 can be achieved. Further, the configuration of the control system is made possible by only the position information without requiring a speed sensor or position approximate differentiation. In addition, since there is no pole operation by feedback, it can be added / extended to the control system currently used. Therefore, such a control device enables control with excellent response characteristics with respect to a continuous trajectory.

以下本願発明を図示の実施の形態によって説明する。図1は本実施の形態の位置制御装置のシステム構成を示すものであって、この位置制御装置は制御対象30を制御要素31によって位置制御するものである。制御対象30の出力側には積分器32が接続される。また積分器32の出力と目標値との比較を行なうための比較器33が設けられている。さらにこのシステムは状態オブザーバ35を備え、この状態オブザーバ35の出力が比較器36において速度の目標値と比較されるようになっている。また比較器36の出力側には比例要素37が接続され、比例要素37の出力側は加算器38に接続されている。加算器38は制御要素31の出力に上記の比例要素37の出力を加算する。また加算器38は乗算器39の出力をも加算するようになっている。   The present invention will be described below with reference to embodiments shown in the drawings. FIG. 1 shows a system configuration of a position control apparatus according to the present embodiment. This position control apparatus controls the position of a control target 30 by a control element 31. An integrator 32 is connected to the output side of the controlled object 30. A comparator 33 is provided for comparing the output of the integrator 32 and the target value. The system further includes a state observer 35, and the output of the state observer 35 is compared with a target speed value in a comparator 36. The proportional element 37 is connected to the output side of the comparator 36, and the output side of the proportional element 37 is connected to the adder 38. The adder 38 adds the output of the proportional element 37 to the output of the control element 31. The adder 38 also adds the output of the multiplier 39.

このようなシステムは、次のような動作を行なう。制御対象30の出力が積分器32によって位置情報に変換されるとともに、この位置情報、すなわち出力位置が比較器33において目標位置と比較される。そしてこの比較器33の出力を制御要素31に供給し、この制御要素31によって制御対象30の制御を行なうようにしている。   Such a system performs the following operations. The output of the controlled object 30 is converted into position information by the integrator 32, and this position information, that is, the output position is compared with the target position by the comparator 33. The output of the comparator 33 is supplied to the control element 31, and the control target 30 is controlled by the control element 31.

ここで状態オブザーバ35は積分器32の出力として得られる出力位置情報と制御入力とに基いて速度の推定値を演算する。そして演算された速度の推定値が比較器36において速度の目標値と比較されるとともに、この目標値を比例要素37を通して加算器38で制御対象31の出力である制御入力に加算する。さらに速度の目標値に制御系の逆動特性を乗算した値を乗算器39によって得、この乗算器39の出力を加算器38によって制御入力に加算している。従って制御入力は上記制御要素31の出力に上記の2つの値が加算されたものとなり、この加算された値が制御入力として制御対象30に入力され、位置制御が行なわれる。   Here, the state observer 35 calculates an estimated value of the speed based on the output position information obtained as the output of the integrator 32 and the control input. The calculated estimated value of the speed is compared with the target value of the speed in the comparator 36, and this target value is added to the control input that is the output of the controlled object 31 by the adder 38 through the proportional element 37. Further, the multiplier 39 obtains a value obtained by multiplying the target speed value by the reverse motion characteristic of the control system, and the adder 38 adds the output of the multiplier 39 to the control input. Therefore, the control input is obtained by adding the above two values to the output of the control element 31, and the added value is input to the control object 30 as the control input to perform position control.

このような連続軌跡追従制御系において、図1におけるP(s)は制御対象30の動特性を示し、C(s)は位置制御器31の伝達特性である。またsはラプラス演算子を表わしている。従来手法の1つである分解加速度制御系(図8参照)と異なる点は、図8における加速度指令accref を入力し、加速度制御系を構成する代りに、速度指令velref にP(s)の逆動特性P−1(s)を乗算して入力する点にある。ここで、F(s)はP−1(s)をプロパーな伝達関数とするための低域通過フィルタである。このフィードフォワード項によって、加速度制御系を構成せずに伝達ゲイン1に極めて近い伝達特性が達成可能になる。同時に、加速度フィードバック制御による極操作がないために、現在利用の位置制御系に対しても適用可能である。またその動特性を用いて状態オブザーバ35を構成することによって、速度推定が可能になるために、速度センサや位置の近似微分演算が不要になる。 In such a continuous trajectory tracking control system, P (s) in FIG. 1 indicates the dynamic characteristic of the controlled object 30, and C (s) is the transfer characteristic of the position controller 31. S represents a Laplace operator. The difference from the conventional acceleration control system (see FIG. 8) is that the acceleration command acc ref in FIG. 8 is input, and instead of configuring the acceleration control system, P (s) is added to the speed command vel ref. The reverse motion characteristic P −1 (s) is multiplied and input. Here, F (s) is a low-pass filter for making P −1 (s) a proper transfer function. This feedforward term makes it possible to achieve a transfer characteristic very close to the transfer gain 1 without configuring an acceleration control system. At the same time, since there is no pole operation by acceleration feedback control, the present invention can be applied to a currently used position control system. In addition, since the state observer 35 is configured using the dynamic characteristics, the speed can be estimated, so that an approximate differential calculation of the speed sensor and the position becomes unnecessary.

なおこのような制御システムにおいて、制御対象30および積分器32以外の部分はコンピュータによって達成される。図2はこのようなコンピュータによって図1に示すシステムの動作を可能にするフローチャートを示している。図2に示すフローチャートにおいて、中央のルーチンがこの制御システムの骨格を成す制御要素31の動作を示している。これに対して左側のルーチンは、加算器38に対して乗算器39によって演算した出力を加算する動作を示している。また右側のルーチンは、状態オブザーバ35による速度推定値を比較器36で比較して、比例要素37を通して加算器38によって制御入力に加算する動作を示している。   In such a control system, parts other than the control object 30 and the integrator 32 are achieved by a computer. FIG. 2 shows a flow chart that allows such a computer to operate the system shown in FIG. In the flowchart shown in FIG. 2, the central routine shows the operation of the control element 31 forming the framework of the control system. On the other hand, the routine on the left shows the operation of adding the output calculated by the multiplier 39 to the adder 38. Further, the routine on the right side shows an operation in which the speed estimated value by the state observer 35 is compared by the comparator 36 and added to the control input by the adder 38 through the proportional element 37.

この制御系の大きな特徴は、上述の如く伝達ゲイン1に極めて近い伝達特性が達成可能になることである。伝達ゲイン1になることは次に示す証明の通りである。   A major feature of this control system is that a transfer characteristic very close to the transfer gain 1 can be achieved as described above. The fact that the transmission gain is 1 is as shown in the following proof.

Figure 0003888555
Figure 0003888555

図1および図2に示す制御方法において、位置、速度、加速度の各状態量の指令に対する伝達特性を、理想ゲイン1とするために、加速度制御系ではなく、制御対象の逆動特性P−1(s)をフィードフォワード部に用いている。従って制御対象30の動特性に粘性項を含めることで容易に粘性補償ができるようになる。また制御系の構成が容易でありながら、従来と同等、またはそれ以上の制御性能を達成することができる。また制御系の極を変化させないため、安定性に優れるという利点を奏する。 In the control method shown in FIG. 1 and FIG. 2, in order to set the transfer characteristic for the command of each state quantity of position, velocity, and acceleration to the ideal gain 1, not the acceleration control system but the reverse characteristic P −1 of the controlled object. (S) is used for the feedforward unit. Therefore, viscosity compensation can be easily performed by including a viscosity term in the dynamic characteristics of the controlled object 30. In addition, while having a simple control system configuration, it is possible to achieve control performance equal to or higher than that of the prior art. Moreover, since the pole of the control system is not changed, there is an advantage that the stability is excellent.

次に上記の連続軌跡追従位置制御を半導体製造用の精密ステージの制御に用いた実施例を説明する。図4に示すようにこの制御装置はステージ42を備え、一対のリニアガイド43によってそれらの長さ方向に移動自在に支持される。そしてステージ42は非共振型超音波モータ44によってリニアガイド43に沿って移動されるようになっている。非共振型超音波モータ44は上述の連続軌跡追従位置制御を行なうコンピュータを内蔵するコントローラ45によって制御されるようになっている。   Next, an embodiment in which the above-described continuous trajectory tracking position control is used for controlling a precision stage for semiconductor manufacturing will be described. As shown in FIG. 4, the control device includes a stage 42 and is supported by a pair of linear guides 43 so as to be movable in the length direction thereof. The stage 42 is moved along the linear guide 43 by a non-resonant ultrasonic motor 44. The non-resonant type ultrasonic motor 44 is controlled by a controller 45 incorporating a computer that performs the above-described continuous trajectory tracking position control.

コントローラ45にはリニアスケール46の出力から位置情報を読込むリニアエンコーダ47の出力と、リミットセンサ48の出力とがそれぞれ入力される。さらにコントローラ45は操作用パソコン49と接続される。   The controller 45 receives the output of the linear encoder 47 that reads position information from the output of the linear scale 46 and the output of the limit sensor 48. Further, the controller 45 is connected to the operation personal computer 49.

上記非共振型超音波モータ44は駆動脚51、52を備えている。これらの駆動脚51、52はそれぞれ図5に示すように、伸縮変形部53と剪断変形部54とを備えている。伸縮変形部53はその伸縮方向、すなわち長さ方向に分極され、これに対して剪断変形部54は横方向に分極されている。   The non-resonant type ultrasonic motor 44 includes driving legs 51 and 52. These drive legs 51 and 52 are each provided with an expansion / contraction deformation part 53 and a shear deformation part 54 as shown in FIG. The expansion / contraction deformation part 53 is polarized in the expansion / contraction direction, that is, the length direction, while the shear deformation part 54 is polarized in the lateral direction.

ここで駆動脚51の伸縮変形部53に電圧が加えられると伸張し、この駆動脚51の先端側の部分がステージ42に接触する。そしてこの状態において剪断変形部54を剪断変形させることによって、駆動脚51の先端部が送り方向にステージ42に駆動力を与える。なおこのときに反対側の駆動脚52の伸縮変形部53が収縮しているために、駆動脚52はその先端部がステージ42から離間している。そしてこのように先端部がステージ42から離間している駆動脚52の剪断変形部54は、次の駆動に備えて反対方向に剪断変形を行なっている。   Here, when a voltage is applied to the expansion / contraction deforming portion 53 of the driving leg 51, the driving leg 51 expands, and the tip side portion of the driving leg 51 comes into contact with the stage 42. In this state, the shear deformation portion 54 is subjected to shear deformation, so that the distal end portion of the drive leg 51 applies a driving force to the stage 42 in the feed direction. At this time, since the expansion / contraction deformation portion 53 of the driving leg 52 on the opposite side is contracted, the tip end portion of the driving leg 52 is separated from the stage 42. The shear deformation portion 54 of the drive leg 52 having the tip portion separated from the stage 42 in this way is shearing in the opposite direction in preparation for the next drive.

このような動作が2本の駆動脚51、52に交互にかつ順次繰返されることによって、ステージ42が矢印で示すリニアガイド43の長さ方向に移動される。そしてその位置がリニアスケール46と対接するリニアエンコーダ47によって読出され、コントローラ45に入力される。   Such an operation is alternately and sequentially repeated by the two drive legs 51 and 52, whereby the stage 42 is moved in the length direction of the linear guide 43 indicated by an arrow. The position is read by a linear encoder 47 that contacts the linear scale 46 and input to the controller 45.

実際に、100mmストロークの精密ステージに応用した結果を示す。制御系の設計条件としては、位置制御帯域幅が100Hz、速度制御帯域が400Hz、F(s)の帯域幅が400Hz、状態推定オブザーバの帯域幅が1000Hz、サンプリング時間が0.1msである。   Actually, the results applied to a precision stage with a 100 mm stroke are shown. As design conditions of the control system, the position control bandwidth is 100 Hz, the speed control bandwidth is 400 Hz, the F (s) bandwidth is 400 Hz, the state estimation observer bandwidth is 1000 Hz, and the sampling time is 0.1 ms.

図5に5mm/secの傾きを持つランプ位置指令に対するステージの位置42および追従誤差を示す。図5は提案法(proposed)と、従来法(conventional 1)、さらには従来法を改善(位置制御器にPI制御器を利用、外乱および速度は状態オブザーバによる推定値を利用:conventional 2)した結果を同時に示す。従来法では、位置制御器が比例項のみであるために定常偏差が大きいが、提案法では、定常偏差も小さく、応答性も改善されていることが確認できる。   FIG. 5 shows a stage position 42 and a tracking error with respect to a lamp position command having an inclination of 5 mm / sec. FIG. 5 shows the proposed method (proposed) and the conventional method (conventional 1), and further improves the conventional method (using a PI controller for the position controller, disturbance and speed using estimated values from the state observer: conventional 2). Results are shown simultaneously. In the conventional method, since the position controller has only the proportional term, the steady-state deviation is large. However, in the proposed method, it can be confirmed that the steady-state deviation is small and the responsiveness is improved.

正弦波位置指令(±1mmp−p ,1Hz)に対する位置および追従誤差を図6に示す。提案手法により追従誤差が低減できることが確認できる。また図7に提案法と従来法の改善システムに対する追従誤差の度数分布を示す。ここでデータ数は10000個で、センサ分解能は0.1μmである。センサ分解能内に入る度数、および標準偏差ともに提案法により改善されていることが確認される。 FIG. 6 shows the position and tracking error with respect to the sine wave position command (± 1 mm pp , 1 Hz). It can be confirmed that the tracking error can be reduced by the proposed method. FIG. 7 shows the frequency distribution of the tracking error for the proposed method and the conventional improved system. Here, the number of data is 10,000 and the sensor resolution is 0.1 μm. It is confirmed that both the frequency within the sensor resolution and the standard deviation are improved by the proposed method.

このように本実施の形態は、連続軌跡に対する追従性向上に用いられる分解速度制御法をシステムの動特性を利用して拡張したもので、その特徴は、(1)システムの逆動特性P−1(s)をフィードフォワードに用いることで、加速度制御系を用いない簡便な構成で理論的に伝達ゲイン1を達成することができる。(2)速度センサや位置近似微分が必要でなく、位置情報のみによって制御系の構成が可能である。(3)フィードバックによる極操作がないために、現在利用の位置制御系に追加・拡張できる点である。これによって連続軌跡に対する応答特性の優れた制御系の構築が可能になる。 As described above, the present embodiment is an expansion of the decomposition speed control method used for improving the followability to the continuous trajectory by using the dynamic characteristics of the system. The feature is (1) the reverse dynamic characteristic P − of the system. By using 1 (s) for feedforward, a transfer gain of 1 can be theoretically achieved with a simple configuration that does not use an acceleration control system. (2) A speed sensor and position approximate differentiation are not required, and a control system can be configured only by position information. (3) Since there is no pole operation by feedback, it can be added / extended to the currently used position control system. This makes it possible to construct a control system with excellent response characteristics for a continuous trajectory.

このような制御装置は、連続軌跡に対する追従性が大幅に改善可能であるために、実施例として示した精密ステージの制御のみならず、NC工作機や、産業用ロボット、自律飛行制御等の連続軌跡をプロファイルとするほとんどの制御分野に広く応用可能である。またこのような機器の制御装置に付加導入するのに最適である。   Since such a control device can greatly improve the followability to the continuous trajectory, not only the precision stage control shown as an example, but also NC machine tools, industrial robots, autonomous flight control, etc. It can be widely applied to almost all control fields using a trajectory as a profile. Further, it is most suitable for additional introduction into the control device of such equipment.

以上本願発明を図示の実施の形態および実施例によって説明したが、本願発明は上記実施の形態や実施例によって限定されることなく、本願に含まれる発明の技術的思想の範囲内で各種の変更が可能である。   While the present invention has been described with reference to the illustrated embodiments and examples, the present invention is not limited to the above-described embodiments and examples, and various modifications are possible within the scope of the technical idea of the invention included in the present application. Is possible.

本願発明は、精密ステージ、NC工作機、産業用ロボット、自律飛行制御等における連続軌跡をプロファイルとする位置制御装置に適用可能である。   The present invention can be applied to a position control device having a profile of a continuous locus in a precision stage, NC machine tool, industrial robot, autonomous flight control, and the like.

位置制御装置のシステムの構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the system of a position control apparatus. 同システムの動作をコンピュータによって実現するためのフローチャートである。It is a flowchart for implement | achieving operation | movement of the system by computer. ステージの位置決め装置のブロック図である。It is a block diagram of the positioning device of a stage. 非共振型超音波モータの動作を示す要部正面図である。It is a principal part front view which shows operation | movement of a non-resonance type | mold ultrasonic motor. ランプ位置指令に対するステージの位置および追従誤差の比較を示すグラフである。It is a graph which shows the comparison of the position of a stage with respect to a lamp position command, and a tracking error. 正弦波位置指令に対する位置および追従誤差の比較を示すグラフである。It is a graph which shows the comparison of the position and tracking error with respect to a sine wave position command. 追従誤差に対する度数分布の比較を示すグラフである。It is a graph which shows the comparison of the frequency distribution with respect to a tracking error. 従来の分解加速度制御法のシステム構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the system configuration | structure of the conventional decomposition acceleration control method. 従来の外乱オブザーバによる加速度制御系のシステム構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the system configuration | structure of the acceleration control system by the conventional disturbance observer.

符号の説明Explanation of symbols

1‥‥制御対象、2‥‥制御要素、3‥‥積分器、4‥‥積分器、5‥‥比較器、6‥‥比較器、7‥‥比例要素、8‥‥加算器、11‥‥外乱オブザーバ、12‥‥比較器、13‥‥外乱オブザーバ、14‥‥加算器、15‥‥微分器、30‥‥制御対象、31‥‥制御要素、32‥‥積分器、33‥‥比較器、35‥‥状態オブザーバ、36‥‥比較器、37‥‥比例要素、38‥‥加算器、39‥‥乗算器、42‥‥ステージ、43‥‥リニアガイド、44‥‥非共振型超音波モータ、45‥‥コントローラ、46‥‥リニアスケール、47‥‥リニアエンコーダ、48‥‥リミットセンサ、49‥‥操作用パソコン、51、52‥‥駆動脚、53‥‥伸縮変形部、54‥‥剪断変形部

1 ... Control target, 2 ... Control element, 3 ... Integrator, 4 ... Integrator, 5 ... Comparator, 6 ... Comparator, 7 ... Proportional element, 8 ... Adder, 11 ... ... Disturbance observer, 12 ... Comparator, 13 ... Disturbance observer, 14 ... Adder, 15 ... Differentiator, 30 ... Control target, 31 ... Control element, 32 ... Integrator, 33 ... Comparison 35 ... State observer, 36 ... Comparator, 37 ... Proportional element, 38 ... Adder, 39 ... Multiplier, 42 ... Stage, 43 ... Linear guide, 44 ... Non-resonant type Sonic motor, 45 ... Controller, 46 ... Linear scale, 47 ... Linear encoder, 48 ... Limit sensor, 49 ... Operating PC, 51, 52 ... Drive leg, 53 ... Stretching deformation part, 54 ... …… Shear deformation part

Claims (6)

出力位置を位置の目標値と比較して偏差を制御要素に入力し、該制御要素によって制御対象の位置を目標値に一致するように制御する位置制御装置において、
状態オブザーバを具備し、該状態オブザーバが出力位置に基いて速度の推定値を出力するとともに、該速度の推定値と速度の目標値との偏差を前記制御要素の出力に加算して前記制御対象に入力し、
しかも速度の目標値と制御対象の逆動特性の積を前記制御要素の出力に加算して前記制御対象に入力するようにした位置制御装置であって、
前記制御要素の出力側に加算器を有し、該加算器によって前記速度の推定値と速度の目標値との偏差と、前記速度の目標値と制御対象の逆動特性の積とを、前記制御対象に制御入力に加算して入力することを特徴とする位置制御装置。
In a position control device that compares an output position with a target value of a position, inputs a deviation into a control element, and controls the position of a controlled object to match the target value by the control element.
A state observer, the state observer outputs an estimated value of speed based on an output position, and adds a deviation between the estimated value of speed and a target value of speed to the output of the control element to Enter
In addition, the position control device is configured to add the product of the target value of the speed and the reverse motion characteristic of the controlled object to the output of the control element and input to the controlled object ,
An adder is provided on the output side of the control element, and the adder calculates a deviation between the estimated value of the speed and the target value of the speed, and a product of the target value of the speed and the reverse motion characteristic of the controlled object. A position control device characterized in that the control input is added to the control input .
制御対象がその動特性中に粘性項を含むことを特徴とする請求項1に記載の位置制御装置。   The position control device according to claim 1, wherein the controlled object includes a viscosity term in its dynamic characteristics. 制御要素と、状態オブザーバと、速度の目標値と制御対象の動特性の積を形成する手段と、前記加算器とがコンピュータによって構成されることを特徴とする請求項または請求項に記載の位置制御装置。 A control element, a state observer, and means for forming the product of the target value and the dynamic characteristic of the controlled object speed, according to claim 1 or claim 2 and wherein the adder is characterized in that it is composed of a computer Position control device. 出力位置を位置の目標値と比較して偏差を制御要素に入力し、該制御要素によって制御対象の位置を目標値に一致するように制御する位置制御方法において、
状態オブザーバによって出力位置に基いて速度の推定値を出力し、該速度の推定値と速度の目標値との偏差を前記制御要素の出力側に設けた加算器によって制御入力に加算して前記制御対象に入力し、
しかも速度の目標値と制御対象の逆動特性の積を前記加算器によって前記制御入力に加算して前記制御対象に入力することを特徴とする位置制御法。
In a position control method for comparing an output position with a target value of a position, inputting a deviation into a control element, and controlling the position of a controlled object to match the target value by the control element,
The state observer outputs an estimated value of speed based on the output position, and adds the deviation between the estimated value of speed and the target value of speed to the control input by an adder provided on the output side of the control element. Enter the target,
Moreover position control how, characterized by input to the control target the product of the inverse dynamics of the target value and the control target speed is added to the control input by the adder.
制御系全体の伝達ゲインをほぼ1にすることを特徴とする請求項に記載の位置制御方法。 5. The position control method according to claim 4 , wherein a transfer gain of the entire control system is set to approximately 1. 前記速度の目標値と制御対象の逆動特性の積を低域通過フィルタによってプロパーな伝達関数にして制御入力に加算することを特徴とする請求項に記載の位置制御方法。 5. The position control method according to claim 4 , wherein the product of the target value of speed and the reverse motion characteristic of the controlled object is added to the control input as a proper transfer function by a low-pass filter.
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