JP4585346B2 - Control method of ultrasonic motor - Google Patents
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Description
本発明は、移動体を、位置偏差を小さくして高精度に移動させるための超音波モータの制御方法に関する。 The present invention relates to an ultrasonic motor control method for moving a moving body with high accuracy while reducing a positional deviation.
例えば、超音波モータを駆動して移動体を所定位置へ移動させる位置決めシステムが知られている。ここで、超音波モータは移動体との間に生ずる摩擦力を利用して移動体を移動させるので、静止状態にある超音波モータを起動させるために超音波モータに駆動信号(入力電圧)を投入しても、入力電圧が一定の値に上がるまでの間や共振が安定するまでの間は移動体が移動しない、所謂、不感帯が存在する。 For example, a positioning system that drives an ultrasonic motor to move a moving body to a predetermined position is known. Here, since the ultrasonic motor moves the moving body by using the frictional force generated between the ultrasonic motor and the ultrasonic motor, a drive signal (input voltage) is sent to the ultrasonic motor in order to start the ultrasonic motor in a stationary state. Even if it is turned on, there is a so-called dead zone where the moving body does not move until the input voltage rises to a certain value or until the resonance is stabilized.
そこで、位置決めシステムにおける移動体の始動特性を高める方法として、例えば、超音波モータの起動時に駆動周波数をスイープする方法や、超音波モータの駆動電圧を高める方法、あるいは、超音波モータの不感帯をフィードフォワード制御に取り入れる方法等が提案されている(例えば、特許文献1,2参照)。
Therefore, as a method of improving the starting characteristics of the moving body in the positioning system, for example, a method of sweeping the driving frequency when starting the ultrasonic motor, a method of increasing the driving voltage of the ultrasonic motor, or a dead zone of the ultrasonic motor is fed. Methods for incorporating forward control have been proposed (see, for example,
図6にこのような従来の制御方法の一例に係る制御ブロック図を示す。プロファイルジェネレータ(PG)50はホスト等からの移動指示値に基づき移動体を指令位置へ移動させるための軌道生成を行う。プロファイルジェネレータ(PG)50で作成した位置指示量spから、移動体の実位置を測定するエンコーダ(ENCODER)52の検出値が減算され、これにより位置誤差が求められる。この位置誤差に位置フィードバックのための係数Kepを掛け合わせることで位置フィードバックゲインが求められる。また、位置指示量spを微分演算子sで微分して速度指示値svを求め、この速度指示値svと速度フィードフォワードのための係数Kvfを掛け合わせることで速度フィードフォワードゲインを求める。さらに、エンコーダ(ENCODER)52の検出値の微分値に速度フィードバックのための係数Ksを掛け合わせて速度フィードバックゲインを求める。 FIG. 6 shows a control block diagram according to an example of such a conventional control method. A profile generator (PG) 50 generates a trajectory for moving the moving body to a command position based on a movement instruction value from a host or the like. The detected value of the encoder (ENCODER) 52 that measures the actual position of the moving object is subtracted from the position indication amount sp created by the profile generator (PG) 50, thereby obtaining a position error. A position feedback gain is obtained by multiplying this position error by a coefficient Kep for position feedback. Further, the speed instruction value sv is obtained by differentiating the position instruction quantity sp with a differential operator s, and the speed feedforward gain is obtained by multiplying the speed instruction value sv and a coefficient Kvf for speed feedforward. Further, the differential value of the detected value of the encoder (ENCODER) 52 is multiplied by a coefficient Ks for speed feedback to obtain a speed feedback gain.
これら位置フィードバックゲインと、速度フィードフォワードゲインと、速度フィードバックゲインとが合算されてPID演算部G(PID)51に入力される。PID演算部G(PID)51で処理されて得られる電圧値と、不感帯を考慮して始動特性を高めるためのオフセット電圧値(offset)とを合わせた電圧が、超音波モータ10(図6において「USM」で示す)へ印加される。そして、移動体の位置はエンコーダ52によって検出され、前述の通り、この検出値がフィードバック制御に用いられる。この図6に示されるフィードフォワード制御において、速度フィードフォワードゲインを求めるための各種係数Kvf,Kep,Ksは一定値である。
These position feedback gain, speed feed forward gain, and speed feedback gain are added together and input to the PID calculation unit G (PID) 51. A voltage obtained by combining the voltage value obtained by processing by the PID calculation unit G (PID) 51 and the offset voltage value (offset) for enhancing the starting characteristics in consideration of the dead zone is the ultrasonic motor 10 (in FIG. 6). Applied to "USM"). Then, the position of the moving body is detected by the
しかしながら、前述の通り、超音波モータは、移動体との間に作用する摩擦力を利用するものであり、移動体において超音波モータと接触する部分の表面状態は全範囲にわたって同じであるとは限らず、また、移動体と超音波モータとの間の摩擦摩耗によって移動体と超音波モータの接触部の表面状態は刻々と変化するので、静止した超音波モータを上記フィードフォワード制御等を用いて一定の条件で始動させても、移動体の停止位置によって移動体の始動特性が変化するという問題を生じる。 However, as described above, the ultrasonic motor uses a frictional force acting between the moving body and the surface state of the portion that contacts the ultrasonic motor in the moving body is the same over the entire range. In addition, the surface state of the contact portion between the moving body and the ultrasonic motor changes every moment due to frictional wear between the moving body and the ultrasonic motor. Even if the vehicle is started under certain conditions, there arises a problem that the starting characteristic of the moving body changes depending on the stop position of the moving body.
また、前述の通りに、移動体において超音波モータと接触する部分の表面状態は全範囲にわたって同じであるとは限らず、また摩耗によって刻々と変化するので、上記フィードフォワード制御と、位置および速度フィードバック制御では、移動体の実速度が予定された速度(指令速度)や位置(指令位置)からずれてしまう、つまり、速度偏差や位置偏差が大きくなって、制御精度が低下するという問題が生じる。
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、移動体を、位置偏差を小さくして高精度に移動させることができる超音波モータの制御方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide an ultrasonic motor control method capable of moving a moving body with high accuracy while reducing a positional deviation.
すなわち、本発明によれば、フィードフォワード制御およびフィードバック制御を併用する超音波モータの制御方法において、
前記フィードフォワード制御では、超音波モータを駆動することによって移動する移動体の移動範囲における超音波モータの駆動力の変動を予めデータ化し、実際の超音波モータの駆動時には、フィードフォワード値として用いられ、テーブルデータとして記憶されている前記データを、移動体の位置情報とその位置における超音波モータの駆動出力に基づいて、逐次、更新することを特徴とする超音波モータの制御方法、が提供される。
That is, according to the present invention, in an ultrasonic motor control method using both feedforward control and feedback control,
In the feedforward control, fluctuations in the driving force of the ultrasonic motor in the moving range of the moving body that moves by driving the ultrasonic motor are converted into data in advance and used as a feedforward value when the actual ultrasonic motor is driven. An ultrasonic motor control method is provided in which the data stored as table data is sequentially updated based on position information of a moving body and drive output of the ultrasonic motor at the position. The
この超音波モータの制御方法においては、可変フィードフォワード値としては、速度フィードフォワード値が好適に選定される。 In this control method of the ultrasonic motor, the variable feedforward value, the speed feedforward value is suitably chosen.
本発明によれば、フィードフォワード制御に用いるフィードフォワード値を、移動体の移動範囲における超音波モータと移動体の間の摩擦力の変化等に起因する超音波モータの駆動力の変動を予めデータ化し、実際の超音波モータの駆動時には、移動体の位置情報にしたがって、フィードフォワード値をこのデータに基づいて変化させているので、移動体の位置に対応した適切な制御値が設定することができるので、速度偏差や位置偏差を小さく抑えた高精度な駆動制御を実現することができる。 According to the present invention, the feedforward value used for the feedforward control is preliminarily stored as fluctuations in the driving force of the ultrasonic motor due to changes in the frictional force between the ultrasonic motor and the moving body in the moving range of the moving body. When the actual ultrasonic motor is driven, the feedforward value is changed based on this data in accordance with the position information of the moving body. Therefore, an appropriate control value corresponding to the position of the moving body can be set. As a result, it is possible to realize highly accurate drive control with reduced speed deviation and position deviation.
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。ここでは、2つのランジュバン型の超音波振動子を略V字型に連結させて構成される超音波モータを例に挙げることとする。図1にこのような超音波モータ10の概略構造を表す断面図を示す。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Here, an ultrasonic motor configured by connecting two Langevin type ultrasonic transducers in a substantially V shape will be described as an example. FIG. 1 is a sectional view showing the schematic structure of such an
超音波モータ10は、ランジュバン型構造を有する2個の超音波振動子11a・11bと、超音波振動子11a・11bを所定角度(図1では90度としている)で保持する保持部材12と、移動体15に接する略V字型の形状を有するヘッド13とを有している。保持部材12には、例えば、エアーシリンダや油圧シリンダ、スプリングコイル等の押圧機構14が取り付けられており、所定の力でヘッド13を移動体15に押し当てている。
The
超音波振動子11aは、両端がネジ切りされたボルト21と、ボルト21のネジ溝に嵌合するネジ穴を有する袋ナット22と、ボルト21を通すことができる2枚のリング状の圧電板23a・23bと、ボルト21を通すことができるリング状の電極板24a〜24cとを有している。
The
超音波振動子11bは、超音波振動子11aと同様に、ボルト21′と、袋ナット22′と、2枚のリング状の圧電板23a′・23b′と、リング状の電極板24a′〜24c′とを有している。圧電板23a・23b・23a′・23b′の表裏面には電極(図示せず)が形成されている。なお、1個の超音波振動子に設けられる圧電板の枚数は任意であり、2枚に限定されるものではない。
Similar to the
保持部材12にはボルト21を通すための孔部が設けられている。ヘッド13は、移動体15に接する当接部13aと、超音波振動子11a・11bと連結される連結部13b・13b′と、当接部13aと連結部13b・13b′とを連結するネック部13c・13c′から構成されている。
The
ヘッド13の連結部13b・13b′にはそれぞれ、ボルト21・21′のネジ溝に嵌合するネジ穴が形成されている。このヘッド13には、耐摩耗性に優れる材料、例えば、ステンレスや超硬合金等の金属材料や、アルミナや窒化ケイ素、炭化ケイ素等のセラミックスが用いられる。
Screw holes that fit into the thread grooves of the
図1に示されるように、圧電板23a・23bが電極板24a〜24cに挟まれるように配置し、これら圧電板23a・23bと電極板24a〜24cおよび保持部材12の孔部にボルト21を通し、ボルト21の端部にそれぞれヘッド13と袋ナット22を取り付ける。これによって圧電板23a・23bは所定の力で締め付けられ、超音波振動子11aが構成される。これと同様にして、超音波振動子11bが構成される。
As shown in FIG. 1, the
通常、ボルト21と袋ナット22と保持部材12は金属材料が用いられ、この場合には電極板24a・24cは保持部材12を介して袋ナット22と導通する。このため、保持部材12または超音波振動子11aの袋ナット22を圧電体23a・23bを駆動するための接地電極として用いることができ、このときに超音波振動子11bが具備する圧電板23a′・23b′を駆動するためのアースを同時にとることができる。
Normally, a metal material is used for the
圧電板23a・23bには、PZT系等の圧電セラミックスが好適に用いられる。圧電板23a・23bの分極の向きは、圧電板23a・23bの間に挟まれている電極板24bについて対称となっている。また、電極板24a・24cは互いに電気的に接続されている。したがって、電極板24bと電極板24cとの間に電圧を印加すると、圧電板23a・23bには同じ位相で変位(振動)が生ずる。つまり、圧電板23a・23bがその厚み方向に共に伸び、または、共に縮む。
For the
圧電板23a・23bに共振周波数の電圧信号を投入して超音波振動子11aを振動させることにより、この振動はネック部13cによって拡大されて当接部13aに伝えられる。これと同時に、この電圧信号とは位相が90度ずれた共振周波数の電圧信号を圧電板23a′・23b′に投入して超音波振動子11bを振動させると、この振動もネック部13c′によって拡大されて当接部13aに伝えられる。
By applying a voltage signal having a resonance frequency to the
こうして当接部13aでは、2つの超音波振動子11a・11bからそれぞれネック部13c・13c′を介して伝えられた振動が合成されて、楕円運動が発生する。この楕円運動の回転の向きに応じて、移動体15を所定方向に移動させることができる。また、2つの超音波振動子11a・11b′を駆動する電圧信号の位相を逆転させると、当接部13aに生じる楕円運動の回転の向きが逆転するので、移動体15の移動方向も逆転させることができる。
In this manner, in the
次に、超音波モータ10の駆動方法について説明する。図2に超音波モータ10の制御ブロックの概略構成を示す。なお、以下に説明する各種の演算は1または複数のプロセッサ(CPU)により行うことができ、プロセッサ(CPU)は、制御プログラムや後述する制御データテーブル等を格納した半導体メモリー等の記憶装置との間で情報の送受信を行うものとする。
Next, a method for driving the
ホスト等からの移動指示値に基づき、プロファイルジェネレータ(PG)50が移動体15を所定位置へ移動させるための軌道生成を行う。プロファイルジェネレータ(PG)50で作成した位置指示量spから、移動体15の実位置を測定するエンコーダ(ENCODER)52の検出値が減算され、これにより位置誤差が求められる。
Based on the movement instruction value from the host or the like, the profile generator (PG) 50 generates a trajectory for moving the moving
この位置誤差に位置フィードバックのための係数Kepを掛け合わせることで位置フィードバックゲインが求められる。また、この位置誤差に基づいて、速度フィードフォワードゲインを決めるための係数Kvfに対する演算量gを求め、この演算量gにより移動体15の位置に応じた係数Kvfを決定する。これは、移動体15において超音波モータ10と接触する部分の表面状態は全範囲にわたって同じであるとは限らないからである。つまり、係数Kvfを可変パラメータとして取り扱う。
A position feedback gain is obtained by multiplying this position error by a coefficient Kep for position feedback. Further, based on this position error, a calculation amount g for the coefficient Kvf for determining the speed feedforward gain is obtained, and a coefficient Kvf corresponding to the position of the moving
この移動体15の位置に応じた係数Kvfを決定するために、例えば、予め、超音波モータ10を所定の条件で駆動して移動体15の移動速度データを収集し、これを解析することによって、図3に示すような、移動体15の位置(P1〜Pn)とその位置における速度フィードフォワードゲインの係数Kvf1〜Kvfnとを対応させた制御データテーブルを作成しておく。この制御データテーブルは、例えば、半導体メモリー等の読み書き可能な記憶媒体に記憶されている。
In order to determine the coefficient Kvf according to the position of the moving
そして、あるタイミングで求められた位置誤差によって移動体15の位置Pk(k=1〜n−1)が認識され、そのときに係数Kvfkが決定されていたとする。そのタイミングから所定時間経過後のタイミング、例えば、エンコーダ(ENCODER)52の1サンプリングタイム経過後のタイミングで、移動体15の位置がPkからPk+1に変化したことが認識された場合には、制御データテーブルが参照され係数Kvfkが係数Kvfk+1に変更される。
Then, it is assumed that the position P k (k = 1 to n−1) of the moving
なお、エンコーダ(ENCODER)52から認識される移動体15の位置が、表3に示す隣り合う位置の中間にあると認識される場合には、例えば、係数Kvfとして係数Kvfkを用い、または係数Kvfk+1を用い、または係数Kvfkと係数Kvfk+1の平均値を用い、または係数Kvfkと係数Kvfk+1の値の差と位置PkとPk+1のどちらに寄っているかを示す割合とを考慮した比例配分により新たな係数Kvfを求める等の各種の近似方法を用いて、係数Kvfを決めることができる。
When the position of the moving
このようにして求められた係数Kvfに速度指示値svを掛け合わせることで速度フィードフォワードゲインを求める。この速度指示値svは、プロファイルジェネレータ(PG)50で作成した位置指示量spを微分演算子sで微分することによって求められる。さらに、エンコーダ(ENCODER)52の検出値の微分値に速度フィードバックのための係数Ksを掛け合わせて速度フィードバックゲインを求める。さらに、速度指示値svを微分演算子sで微分することによって加速度指示値saを求め、これに加速度フィードフォワードを決定するための係数Kafを掛け合わせることで加速度フィードフォワードゲインを求めておく。 The speed feedforward gain is obtained by multiplying the coefficient Kvf thus obtained by the speed instruction value sv. The speed instruction value sv is obtained by differentiating the position instruction amount sp created by the profile generator (PG) 50 with a differential operator s. Further, the differential value of the detected value of the encoder (ENCODER) 52 is multiplied by a coefficient Ks for speed feedback to obtain a speed feedback gain. Further, the acceleration instruction value sa is obtained by differentiating the speed instruction value sv with the differential operator s, and the acceleration feedforward gain is obtained by multiplying this by the coefficient Kaf for determining the acceleration feedforward.
このようにして求めた位置フィードバックゲインと、速度フィードフォワードゲインと、速度フィードバックゲインとが合算されてPID演算部G(PID)51に入力される。このPID演算部G(PID)51で処理されて得られる電圧値と、超音波モータ10の不感帯(つまり、電圧を印加しても移動体15を移動させることができない電圧値)を考慮して始動特性を高めるためのオフセット電圧値(offset)と、加速度フィードフォワードゲインとを合算して求められる電圧が、超音波モータ10(図2において「USM」で示す)へ印加される。そして、移動体15の位置はエンコーダ(ENCODER)52によって検出され、前述の通り、この検出値がフィードバック制御に用いられる。
The position feedback gain, speed feed forward gain, and speed feedback gain obtained in this way are added together and input to the PID calculation unit G (PID) 51. Considering the voltage value obtained by processing by the PID calculation unit G (PID) 51 and the dead zone of the ultrasonic motor 10 (that is, the voltage value that cannot move the moving
このような超音波モータ10の駆動制御では、移動体15の位置に応じた最適なフィードフォワード値を用いて、フィードフォワード制御およびフィードバック制御を行うので、移動体15の速度および位置を高精度に制御することができる。図4に、所定形状の超音波モータ10を用いてリニアステージを、2つの駆動方法を用いてそれぞれ移動させた場合の指令速度を示すグラフと、実際に得られた速度偏差(つまり、指令速度値と実際に計測された速度との差)を表すグラフを示す。
In such drive control of the
図4(a)の指令速度曲線と図4(b)の指令速度曲線は同じである。図4(a)は、先に図2を参照しながら説明した、速度フィードフォワードを決定するための係数を一定値とした駆動方法を用いた場合の結果を示しており、始動時における速度偏差のばらつきが極めて大きく、一定速度での移動時における速度偏差も大きくなっている。つまり、位置制御性と速度制御性が高いとは言えない。 The command speed curve in FIG. 4A and the command speed curve in FIG. 4B are the same. FIG. 4 (a) shows a result of using the driving method described above with reference to FIG. 2 and having a constant coefficient for determining the speed feed forward, and the speed deviation at the start. Variation is extremely large, and the speed deviation when moving at a constant speed is also large. That is, it cannot be said that the position controllability and the speed controllability are high.
これに対して、図4(b)は図2に示した速度フィードフォワードを決定するための係数を移動体の位置に応じて変化させる駆動方法を用い5往復程度動作させて補正テーブルを学習させた後の結果を示しており、始動時および一定速度での移動時における速度偏差は常に一定であり、図4(a)と比較して、速度偏差が小さくなっていること、つまり移動体の高精度な駆動制御が実現されていること、が確認された。 On the other hand, FIG. 4 (b) causes the correction table to be learned by operating about 5 reciprocations using the driving method shown in FIG. 2 in which the coefficient for determining the speed feed forward is changed according to the position of the moving body. The speed deviation at the time of starting and at the time of moving at a constant speed is always constant, and the speed deviation is smaller than that in FIG. It was confirmed that highly accurate drive control was realized.
上述の通り、図2に示した駆動方法を用いて移動体15を駆動した場合、移動体15と超音波モータ10との接触部分では、その表面状態が摩擦により刻々と変化すると、図3に示す各位置ごとに定められた係数Kvfの値も変化する。また、使用される環境の温度や湿度等が変化する等した場合にも、移動体15と超音波モータ10との間に生じる摩擦力が変化する。こうして、各係数Kvfの変化が大きくなると、移動体15の実速度が指令速度および指令位置からずれてしまい、制御の精度が低下するという問題が生じてくる。
As described above, when the moving
この問題を回避すべく、図3に示す係数Kvfの各値は、移動体15の位置誤差(位置情報)とその位置における超音波モータ10の駆動出力とに基づいて、逐次、更新される(つまり、半導体メモリー等の記憶装置において書き換えられ、記憶される)構成とすることが好ましい。図5に、このような係数Kvfを更新する制御を行うための概略の制御ブロックを示す。
In order to avoid this problem, each value of the coefficient Kvf shown in FIG. 3 is sequentially updated based on the position error (position information) of the moving
この図5に示す制御方法では、PID演算部G(PID)51で求めた出力に基づいて、係数Kvfを補正するための演算量gを算出し、この演算量gに基づいて、制御データテーブルに記憶された各Kvf値を、逐次、書き換える。こうして、移動体15の位置に応じて最新の係数Kvfが選択されるため、速度フィードフォワードゲインの信頼性が高められ、これにより制御性が向上する。
In the control method shown in FIG. 5, a calculation amount g for correcting the coefficient Kvf is calculated based on the output obtained by the PID calculation unit G (PID) 51, and a control data table is calculated based on the calculation amount g. Each Kvf value stored in is sequentially rewritten. In this way, since the latest coefficient Kvf is selected according to the position of the moving
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこのような形態に限定されるものではない。例えば、上記説明においては、図1に示す超音波振動子11a・11bを所定角度で配置した構造のものを取り上げたが、超音波モータはこれに限定されるものではなく、移動体との接触部が楕円軌道を描くように運動することで、移動体を所定方向へ移動させる超音波モータであれば、その構造は問わない。
As mentioned above, although embodiment of this invention was described, this invention is not limited to such a form. For example, in the above description, the
本発明の超音波モータの駆動方法は、精密位置決めが必要な露光装置(ステッパ)等の半導体製造装置に装着されるX−Yステージの送り機構の制御に好適である。 The method for driving an ultrasonic motor according to the present invention is suitable for controlling a feed mechanism of an XY stage mounted on a semiconductor manufacturing apparatus such as an exposure apparatus (stepper) that requires precise positioning.
10;超音波モータ
11a・11b;超音波振動子
12;保持部材
13;ヘッド
13a;当接部
13b・13b′;連結部
13c・13c′;ネック部
14;押圧機構
15;移動体
21・21′;ボルト
22・22′;袋ナット
23a・23b・23a′・23b′;圧電板
24a〜24c;24a′〜24c′;電極板
DESCRIPTION OF
Claims (2)
前記フィードフォワード制御では、超音波モータを駆動することによって移動する移動体の移動範囲における超音波モータの駆動力の変動を予めデータ化し、実際の超音波モータの駆動時には、フィードフォワード値として用いられ、テーブルデータとして記憶されている前記データを、移動体の位置情報とその位置における超音波モータの駆動出力に基づいて、逐次、更新することを特徴とする超音波モータの制御方法。 In an ultrasonic motor control method using both feedforward control and feedback control,
In the feedforward control, fluctuations in the driving force of the ultrasonic motor in the moving range of the moving body that moves by driving the ultrasonic motor are converted into data in advance and used as a feedforward value when the actual ultrasonic motor is driven. An ultrasonic motor control method comprising : sequentially updating the data stored as table data based on position information of a moving body and drive output of the ultrasonic motor at the position .
The method of controlling an ultrasonic motor according to claim 1 , wherein the feedforward value is a velocity feedforward value.
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