JP5168281B2 - 多自由度ステージ制御装置 - Google Patents
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Description
本発明は、多自由度ステージの位置または速度を制御する多自由度ステージ制御装置に関する。
従来の多自由度ステージ制御装置は、制御対象となる多自由度ステージのセンサ構成やアクチュエータ構成に応じて、専用のコントローラを開発していた。
図３において、１１０は多自由度ステージであり、ステージの位置および姿勢を駆動するためのアクチュエータと、位置および姿勢を検出するためのセンサを備えており、センサ信号を出力する。１００は多自由度ステージ制御装置であり、多自由度ステージ１１０のセンサ信号を元にアクチュエータに流す電流を変化させ、多自由度ステージ１１０の位置および姿勢を制御する。多自由度ステージ制御装置は、指令生成器１４０、制御演算器１５０、推力変換演算器１６０、電流指令器１７０、位置演算器１８０、センサ信号変換器１９０よりなる。１４０は指令生成器であり、多自由度ステージの位置および姿勢の指令を与える。位置指令は、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向の位置と、ロール、ピッチ、ヨーの姿勢とを合わせた６自由度で与える。それぞれ使用者が与える位置決めコマンドを元に制御周期ごとに補完して生成するか、あらかじめ決められた動作を制御周期ごとの位置指令として与える。１９０はセンサ信号変換器であり、センサ信号を受け取り、絶対座標で表したセンサ位置を算出する。１８０は位置演算器であり、センサ信号変換器１９０により算出されたセンサ位置情報を用いて、多自由度ステージ１１０の位置および姿勢を演算する。１５０は制御演算器であり、位置演算器１８０により算出された位置および姿勢を、指令生成器１４０が生成した指令に追従させるように操作量を決定する。操作量とは、具体的には重心位置の並進推力と重心まわりのモーメントなどとする。Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸、ロール、ピッチ、ヨーの６自由度でそれぞれ位置ＰＩＤ制御や、位置ＰＩ制御・速度Ｐ制御のカスケード制御、位置Ｐ制御・速度ＰＩ制御のカスケード制御などとし、フィードフォワード制御や一次遅れフィルタ、ノッチフィルタなどの技術を用いる。指令生成器１４０の生成する指令を速度指令とし、制御演算器１５０は、位置および姿勢の微分に相当する量を算出して、位置および姿勢の微分相当量を指令に追従させるように操作量を決定する速度制御系としてもよい。１６０は推力変換演算器であり、制御演算器１５０が算出した操作量を実現するために各アクチュエータが出すべき推力を算出する。１７０は電流指令器であり、推力変換演算器１６０から受け取った推力指令通りの推力を発生するように多自由度ステージ１１０のアクチュエータ電流を制御する。
位置演算器１８０での演算の内容は、多自由度ステージ１１０のセンサ構成によって異なる。図４から図１３に示したような各種センサ構成に対応した多自由度ステージの位置姿勢算出方法が考案されている。（例えば、特許文献１参照）。
図４において、２２は固定子であり、動かない固定されたセンサ基準位置である。２１は移動子であり、固定子２２に対し移動する制御対象である。図示しない多自由度ステージ制御装置は固定子２２に対する移動子２１の位置または姿勢を制御する装置である。１乃至３はギャップセンサであり、３点のＺ軸方向の位置を測定している。５および６は二次元センサであり、２点のＸ軸およびＹ軸方向の移動距離をそれぞれ測定している。すなわちＸ軸方向２点、Ｙ軸方向２点、Ｚ軸方向３点の情報から位置を求めている。
図５において、１乃至３はギャップセンサであり、３点のＺ軸方向の位置を測定している。７ないし９は変位センサであり、２点のＹ軸方向の移動距離および１点のＸ軸方向の移動距離を測定している。すなわちＸ軸方向１点、Ｙ軸方向２点、Ｚ軸方向３点の情報から位置を求めている。
図６において、１乃至３はギャップセンサであり、３点のＺ軸方向の位置を測定している。７ないし９は変位センサであり、２点のＸ軸方向の移動距離および１点のＹ軸方向の移動距離を測定している。すなわちＸ軸方向２点、Ｙ軸方向１点、Ｚ軸方向３点の情報から位置を求めている。
図７において、１乃至３はギャップセンサであり、３点のＺ軸方向の位置を測定している。５および６は二次元センサであり、２点のＸ軸およびＹ軸方向の移動距離をそれぞれ測定している。すなわちＸ軸方向２点、Ｙ軸方向２点、Ｚ軸方向３点の情報から位置を求めている。ただし、図４ではギャップセンサ１乃至３のセンサヘッドは固定子側に、ターゲットが移動子側にあるのに対し、図７ではセンサヘッドが移動子側に、ターゲットが固定子側にある点が異なる。
図８において、１乃至３はギャップセンサであり、３点のＺ軸方向の位置を測定している。７ないし９は変位センサであり、２点のＹ軸方向の移動距離および１点のＸ軸方向の移動距離を測定している。すなわちＸ軸方向１点、Ｙ軸方向２点、Ｚ軸方向３点の情報から位置を求めている。ただし、図５ではギャップセンサ１乃至３のセンサヘッドは固定子側に、ターゲットが移動子側にあるのに対し、図８ではセンサヘッドが移動子側に、ターゲットが固定子側にある点が異なる。
図９において、１乃至３はギャップセンサであり、３点のＺ軸方向の位置を測定している。７ないし９は変位センサであり、２点のＸ軸方向の移動距離および１点のＹ軸方向の移動距離を測定している。すなわちＸ軸方向２点、Ｙ軸方向１点、Ｚ軸方向３点の情報から位置を求めている。ただし、図６ではギャップセンサ１乃至３のセンサヘッドは固定子側に、ターゲットが移動子側にあるのに対し、図９ではセンサヘッドが移動子側に、ターゲットが固定子側にある点が異なる。
図１０において、１乃至４はギャップセンサであり、４点のＺ軸方向の位置を測定している。すなわちＺ軸方向４点の情報から位置を求めている。
図１１において、１０は三次元センサであり、１点のＺ軸方向の位置、ロール角、ピッチ角を測定している。１１は三次元センサであり、１点のＸ軸方向の位置、Ｙ軸方向の位置、ヨー角を測定している。
また、図１２のようなアクチュエータ構成の場合について、各アクチュエータの推力指令を算出する方法を以下に説明する。
図１２において、３１乃至３６はアクチュエータであり、Ｘ軸方向の力を発生するアクチュエータを１つ、Ｙ軸方向の力を発生するアクチュエータを２つ、Ｚ軸方向の力を発生するアクチュエータを３つ備えたアクチュエータ構成となっている。制御する自由度とアクチュエータの数が一致しているため、この場合の推力変換演算式は以下のように求められる。
重心位置を（ｘＧ、ｙＧ、ｚＧ）、Ｘ軸アクチュエータの位置を（ｘｘ１、ｙｘ１、ｚｘ１）、２つのＹ軸アクチュエータの位置をそれぞれ（ｘｙ１、ｙｙ１、ｚｙ１）、（ｘｙ２、ｙｙ２、ｚｙ２）、３つのＺ軸アクチュエータの位置をそれぞれ（ｘｚ１、ｙｚ１、ｚｚ１）、（ｘｚ２、ｙｚ２、ｚｚ２）、（ｘｚ３、ｙｚ３、ｚｚ３）とする。Ｘ軸アクチュエータの推力をＦｘ１、２つのＹ軸アクチュエータの推力をそれぞれＦｙ１、Ｆｙ２、３つのＺ軸アクチュエータの推力をそれぞれＦｚ１、Ｆｚ２、Ｆｚ３とする。重心位置の並進推力のＸ軸成分、Ｙ軸成分、Ｚ軸成分をそれぞれＦｘ、Ｆｙ、Ｆｚとし、重心まわりのモーメントのＸ軸成分、Ｙ軸成分、Ｚ軸成分をそれぞれＴｘ、Ｔｙ、Ｔｚする。このとき（１）式が成り立つ。
図３において、１１０は多自由度ステージであり、ステージの位置および姿勢を駆動するためのアクチュエータと、位置および姿勢を検出するためのセンサを備えており、センサ信号を出力する。１００は多自由度ステージ制御装置であり、多自由度ステージ１１０のセンサ信号を元にアクチュエータに流す電流を変化させ、多自由度ステージ１１０の位置および姿勢を制御する。多自由度ステージ制御装置は、指令生成器１４０、制御演算器１５０、推力変換演算器１６０、電流指令器１７０、位置演算器１８０、センサ信号変換器１９０よりなる。１４０は指令生成器であり、多自由度ステージの位置および姿勢の指令を与える。位置指令は、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向の位置と、ロール、ピッチ、ヨーの姿勢とを合わせた６自由度で与える。それぞれ使用者が与える位置決めコマンドを元に制御周期ごとに補完して生成するか、あらかじめ決められた動作を制御周期ごとの位置指令として与える。１９０はセンサ信号変換器であり、センサ信号を受け取り、絶対座標で表したセンサ位置を算出する。１８０は位置演算器であり、センサ信号変換器１９０により算出されたセンサ位置情報を用いて、多自由度ステージ１１０の位置および姿勢を演算する。１５０は制御演算器であり、位置演算器１８０により算出された位置および姿勢を、指令生成器１４０が生成した指令に追従させるように操作量を決定する。操作量とは、具体的には重心位置の並進推力と重心まわりのモーメントなどとする。Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸、ロール、ピッチ、ヨーの６自由度でそれぞれ位置ＰＩＤ制御や、位置ＰＩ制御・速度Ｐ制御のカスケード制御、位置Ｐ制御・速度ＰＩ制御のカスケード制御などとし、フィードフォワード制御や一次遅れフィルタ、ノッチフィルタなどの技術を用いる。指令生成器１４０の生成する指令を速度指令とし、制御演算器１５０は、位置および姿勢の微分に相当する量を算出して、位置および姿勢の微分相当量を指令に追従させるように操作量を決定する速度制御系としてもよい。１６０は推力変換演算器であり、制御演算器１５０が算出した操作量を実現するために各アクチュエータが出すべき推力を算出する。１７０は電流指令器であり、推力変換演算器１６０から受け取った推力指令通りの推力を発生するように多自由度ステージ１１０のアクチュエータ電流を制御する。
位置演算器１８０での演算の内容は、多自由度ステージ１１０のセンサ構成によって異なる。図４から図１３に示したような各種センサ構成に対応した多自由度ステージの位置姿勢算出方法が考案されている。（例えば、特許文献１参照）。
図４において、２２は固定子であり、動かない固定されたセンサ基準位置である。２１は移動子であり、固定子２２に対し移動する制御対象である。図示しない多自由度ステージ制御装置は固定子２２に対する移動子２１の位置または姿勢を制御する装置である。１乃至３はギャップセンサであり、３点のＺ軸方向の位置を測定している。５および６は二次元センサであり、２点のＸ軸およびＹ軸方向の移動距離をそれぞれ測定している。すなわちＸ軸方向２点、Ｙ軸方向２点、Ｚ軸方向３点の情報から位置を求めている。
図５において、１乃至３はギャップセンサであり、３点のＺ軸方向の位置を測定している。７ないし９は変位センサであり、２点のＹ軸方向の移動距離および１点のＸ軸方向の移動距離を測定している。すなわちＸ軸方向１点、Ｙ軸方向２点、Ｚ軸方向３点の情報から位置を求めている。
図６において、１乃至３はギャップセンサであり、３点のＺ軸方向の位置を測定している。７ないし９は変位センサであり、２点のＸ軸方向の移動距離および１点のＹ軸方向の移動距離を測定している。すなわちＸ軸方向２点、Ｙ軸方向１点、Ｚ軸方向３点の情報から位置を求めている。
図７において、１乃至３はギャップセンサであり、３点のＺ軸方向の位置を測定している。５および６は二次元センサであり、２点のＸ軸およびＹ軸方向の移動距離をそれぞれ測定している。すなわちＸ軸方向２点、Ｙ軸方向２点、Ｚ軸方向３点の情報から位置を求めている。ただし、図４ではギャップセンサ１乃至３のセンサヘッドは固定子側に、ターゲットが移動子側にあるのに対し、図７ではセンサヘッドが移動子側に、ターゲットが固定子側にある点が異なる。
図８において、１乃至３はギャップセンサであり、３点のＺ軸方向の位置を測定している。７ないし９は変位センサであり、２点のＹ軸方向の移動距離および１点のＸ軸方向の移動距離を測定している。すなわちＸ軸方向１点、Ｙ軸方向２点、Ｚ軸方向３点の情報から位置を求めている。ただし、図５ではギャップセンサ１乃至３のセンサヘッドは固定子側に、ターゲットが移動子側にあるのに対し、図８ではセンサヘッドが移動子側に、ターゲットが固定子側にある点が異なる。
図９において、１乃至３はギャップセンサであり、３点のＺ軸方向の位置を測定している。７ないし９は変位センサであり、２点のＸ軸方向の移動距離および１点のＹ軸方向の移動距離を測定している。すなわちＸ軸方向２点、Ｙ軸方向１点、Ｚ軸方向３点の情報から位置を求めている。ただし、図６ではギャップセンサ１乃至３のセンサヘッドは固定子側に、ターゲットが移動子側にあるのに対し、図９ではセンサヘッドが移動子側に、ターゲットが固定子側にある点が異なる。
図１０において、１乃至４はギャップセンサであり、４点のＺ軸方向の位置を測定している。すなわちＺ軸方向４点の情報から位置を求めている。
図１１において、１０は三次元センサであり、１点のＺ軸方向の位置、ロール角、ピッチ角を測定している。１１は三次元センサであり、１点のＸ軸方向の位置、Ｙ軸方向の位置、ヨー角を測定している。
また、図１２のようなアクチュエータ構成の場合について、各アクチュエータの推力指令を算出する方法を以下に説明する。
図１２において、３１乃至３６はアクチュエータであり、Ｘ軸方向の力を発生するアクチュエータを１つ、Ｙ軸方向の力を発生するアクチュエータを２つ、Ｚ軸方向の力を発生するアクチュエータを３つ備えたアクチュエータ構成となっている。制御する自由度とアクチュエータの数が一致しているため、この場合の推力変換演算式は以下のように求められる。
重心位置を（ｘＧ、ｙＧ、ｚＧ）、Ｘ軸アクチュエータの位置を（ｘｘ１、ｙｘ１、ｚｘ１）、２つのＹ軸アクチュエータの位置をそれぞれ（ｘｙ１、ｙｙ１、ｚｙ１）、（ｘｙ２、ｙｙ２、ｚｙ２）、３つのＺ軸アクチュエータの位置をそれぞれ（ｘｚ１、ｙｚ１、ｚｚ１）、（ｘｚ２、ｙｚ２、ｚｚ２）、（ｘｚ３、ｙｚ３、ｚｚ３）とする。Ｘ軸アクチュエータの推力をＦｘ１、２つのＹ軸アクチュエータの推力をそれぞれＦｙ１、Ｆｙ２、３つのＺ軸アクチュエータの推力をそれぞれＦｚ１、Ｆｚ２、Ｆｚ３とする。重心位置の並進推力のＸ軸成分、Ｙ軸成分、Ｚ軸成分をそれぞれＦｘ、Ｆｙ、Ｆｚとし、重心まわりのモーメントのＸ軸成分、Ｙ軸成分、Ｚ軸成分をそれぞれＴｘ、Ｔｙ、Ｔｚする。このとき（１）式が成り立つ。
（１）式は正方行列となっており逆行列を求めることができるため、それをＧとおけば（２）式が得られる。
推力変換演算器１６０で、（２）式の演算をすることにより多自由度ステージの操作量から各アクチュエータの推力指令を算出できる。
冗長なアクチュエータを持つ図１３のようなアクチュエータ構成の場合についても、推力指令を分配する方法が考案されている（例えば、特許文献２参照）。
図１３において、３１乃至３７はアクチュエータであり、Ｘ軸方向の力を発生するアクチュエータを１つ、Ｙ軸方向の力を発生するアクチュエータを２つ、Ｚ軸方向の力を発生するアクチュエータを４つ備えたアクチュエータ構成となっている。制御する自由度が６であるのに対し、アクチュエータの数７つあるため、この場合の推力変換演算式は何らかの拘束条件を与えて求める。例えば特許文献２では、無理な力が作用しないようにする拘束条件を与えている。
このように、従来の多自由度ステージ制御装置は、制御対象のセンサ構成に合った位置演算式を選択するためのセンサ構成入力装置や、制御対象のアクチュエータ構成に合ったアクチュエータ推力変換演算式を選択するためのアクチュエータ構成入力装置を備えておらず、専用の位置算出演算やアクチュエータ推力変換演算を用いているのである。
特開２００１−１５９９０１号公報（第２３頁乃至第２４頁、図１乃至図８）
特開２００６−７２３９８号公報（第９頁、図２）
冗長なアクチュエータを持つ図１３のようなアクチュエータ構成の場合についても、推力指令を分配する方法が考案されている（例えば、特許文献２参照）。
図１３において、３１乃至３７はアクチュエータであり、Ｘ軸方向の力を発生するアクチュエータを１つ、Ｙ軸方向の力を発生するアクチュエータを２つ、Ｚ軸方向の力を発生するアクチュエータを４つ備えたアクチュエータ構成となっている。制御する自由度が６であるのに対し、アクチュエータの数７つあるため、この場合の推力変換演算式は何らかの拘束条件を与えて求める。例えば特許文献２では、無理な力が作用しないようにする拘束条件を与えている。
このように、従来の多自由度ステージ制御装置は、制御対象のセンサ構成に合った位置演算式を選択するためのセンサ構成入力装置や、制御対象のアクチュエータ構成に合ったアクチュエータ推力変換演算式を選択するためのアクチュエータ構成入力装置を備えておらず、専用の位置算出演算やアクチュエータ推力変換演算を用いているのである。
従来の多自由度ステージ制御装置は、センサ構成入力装置や、アクチュエータ構成入力装置を備えおらず、各種センサ構成に対応する位置演算式の中から制御対象のセンサ構成に合った位置演算式を選択したり、各種アクチュエータ構成に対応するアクチュエータ推力変換演算式の中から制御対象のアクチュエータ構成に合ったアクチュエータ推力変換演算式を選択したりして用いることができないので、汎用性がなく、センサ構成やアクチュエータ構成が異なる制御対象に対しては新たに専用の制御装置を開発しなければならないという問題があった。新たに専用の制御装置を開発する場合には、開発に多くの時間やコストが必要となる。また、ソフトの不具合も生じやすく信頼性が低くなるというような問題もあった。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、各種センサ構成に対応する位置演算式の中から制御対象のセンサ構成に合った位置演算式を選択したり、各種アクチュエータ構成に対応するアクチュエータ推力変換演算式の中から制御対象のアクチュエータ構成に合ったアクチュエータ推力変換演算式を選択したりして用いることができるようにして汎用性を高め、制御演算や指令生成器などのソフトウェアを制御対象によらず共通して使用できるようにすることで信頼性の高い多自由度ステージ制御装置を提供することを目的とする。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、各種センサ構成に対応する位置演算式の中から制御対象のセンサ構成に合った位置演算式を選択したり、各種アクチュエータ構成に対応するアクチュエータ推力変換演算式の中から制御対象のアクチュエータ構成に合ったアクチュエータ推力変換演算式を選択したりして用いることができるようにして汎用性を高め、制御演算や指令生成器などのソフトウェアを制御対象によらず共通して使用できるようにすることで信頼性の高い多自由度ステージ制御装置を提供することを目的とする。
上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したのである。
本発明は、複数自由度の指令を生成する指令生成器と、制御対象に取り付けられた複数のセンサ信号から複数自由度の位置を算出する位置演算器と、前記複数自由度の指令と前記複数自由度の位置から複数自由度の操作量を演算する制御演算器と、前記複数自由度の操作量から複数のアクチュエータの推力指令を演算する推力変換演算器と、前記複数のアクチュエータに流すべき電流指令を演算する電流指令器とを備えた多自由度ステージ制御装置において、複数のセンサ構成の中から所望のセンサ構成を選択するためのセンサ構成入力装置を備え、前記センサ構成入力装置は、選択されたセンサ構成で使用される各センサの複数自由度の位置座標を入力するためのセンサ位置入力部を備え、選択されたセンサ構成に対応する位置演算式を使用して前記複数自由度の位置を演算し、前記位置演算器は、複数のセンサ構成それぞれに対応する位置演算式を、あらかじめメモリ上に保有するものである。
また、本発明は、前記位置演算器は、複数のセンサ構成それぞれに対応する位置演算式を、後から関数として追加する機能を備えたとするものである。
また、本発明は、前記センサ構成入力装置は、使用者が定義したＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸に対し、それぞれいくつのセンサを備えているかを入力するためのセンサ数入力部を備えるとするものである。
また、本発明は、 前記センサ構成入力装置は、選択されたセンサ構成で使用される各センサの種別を入力するためのセンサ種別入力部を備えるとするものである。
また、本発明は、前記センサ種別入力部は、少なくとも絶対位置センサと起動位置を零とする相対位置センサとを選択できるとするものである。
また、本に記載の発明は、前記位置演算器は、相対位置センサの零位置信号を検出する零位置信号検出器を備え、零位置信号を検出したときのセンサ信号を保存する機能を備えたとするものである。
また、本発明は、複数のアクチュエータ構成の中から所望のアクチュエータ構成を選択するためのアクチュエータ構成入力装置を備え、選択されたアクチュエータ構成に対応する推力変換演算式を使用して前記複数のアクチュエータの推力指令を演算するとするものである。
また、本発明は、前記推力変換演算器は複数のアクチュエータ構成それぞれに対応する推力変換演算式を、あらかじめメモリ上に保有しているとするものである。
また、本発明は、前記推力変換演算器は、複数のアクチュエータ構成それぞれに対応する推力変換演算式を、後から関数として追加する機能を備えたとするものである。
また、本発明は、前記アクチュエータ構成入力装置は、使用者が定義したＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸に対し、それぞれいくつのアクチュエータを備えているかを入力するためのアクチュエータ数入力部を備えたとするものである。
また、本発明は、前記アクチュエータ構成入力装置は、選択されたアクチュエータ構成で使用される各アクチュエータの位置座標を入力するためのアクチュエータ位置入力部を備えたとするものである。
また、本発明は、前記アクチュエータ構成入力装置は、選択されたアクチュエータ構成で使用される各アクチュエータの種別を入力するためのアクチュエータ種別入力部を備えたとするものである。
本発明は、複数自由度の指令を生成する指令生成器と、制御対象に取り付けられた複数のセンサ信号から複数自由度の位置を算出する位置演算器と、前記複数自由度の指令と前記複数自由度の位置から複数自由度の操作量を演算する制御演算器と、前記複数自由度の操作量から複数のアクチュエータの推力指令を演算する推力変換演算器と、前記複数のアクチュエータに流すべき電流指令を演算する電流指令器とを備えた多自由度ステージ制御装置において、複数のセンサ構成の中から所望のセンサ構成を選択するためのセンサ構成入力装置を備え、前記センサ構成入力装置は、選択されたセンサ構成で使用される各センサの複数自由度の位置座標を入力するためのセンサ位置入力部を備え、選択されたセンサ構成に対応する位置演算式を使用して前記複数自由度の位置を演算し、前記位置演算器は、複数のセンサ構成それぞれに対応する位置演算式を、あらかじめメモリ上に保有するものである。
また、本発明は、前記位置演算器は、複数のセンサ構成それぞれに対応する位置演算式を、後から関数として追加する機能を備えたとするものである。
また、本発明は、前記センサ構成入力装置は、使用者が定義したＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸に対し、それぞれいくつのセンサを備えているかを入力するためのセンサ数入力部を備えるとするものである。
また、本発明は、 前記センサ構成入力装置は、選択されたセンサ構成で使用される各センサの種別を入力するためのセンサ種別入力部を備えるとするものである。
また、本発明は、前記センサ種別入力部は、少なくとも絶対位置センサと起動位置を零とする相対位置センサとを選択できるとするものである。
また、本に記載の発明は、前記位置演算器は、相対位置センサの零位置信号を検出する零位置信号検出器を備え、零位置信号を検出したときのセンサ信号を保存する機能を備えたとするものである。
また、本発明は、複数のアクチュエータ構成の中から所望のアクチュエータ構成を選択するためのアクチュエータ構成入力装置を備え、選択されたアクチュエータ構成に対応する推力変換演算式を使用して前記複数のアクチュエータの推力指令を演算するとするものである。
また、本発明は、前記推力変換演算器は複数のアクチュエータ構成それぞれに対応する推力変換演算式を、あらかじめメモリ上に保有しているとするものである。
また、本発明は、前記推力変換演算器は、複数のアクチュエータ構成それぞれに対応する推力変換演算式を、後から関数として追加する機能を備えたとするものである。
また、本発明は、前記アクチュエータ構成入力装置は、使用者が定義したＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸に対し、それぞれいくつのアクチュエータを備えているかを入力するためのアクチュエータ数入力部を備えたとするものである。
また、本発明は、前記アクチュエータ構成入力装置は、選択されたアクチュエータ構成で使用される各アクチュエータの位置座標を入力するためのアクチュエータ位置入力部を備えたとするものである。
また、本発明は、前記アクチュエータ構成入力装置は、選択されたアクチュエータ構成で使用される各アクチュエータの種別を入力するためのアクチュエータ種別入力部を備えたとするものである。
本発明によると、複数のセンサ構成の中からセンサ構成を選択することができ、位置演算部の汎用性を高めることができ、多自由度ステージ制御装置を様々な制御対象に使用することができる。
また、本発明によると、位置演算部の演算式のみを後から追加することができ、制御器が対応していないセンサ構成に対しても最小限の労力で追加対応できる。
また、本発明によると、センサ数を選択することができ、様々なセンサ数の制御対象に対して制御装置を使用することができる。
また、本発明によると、センサ位置を入力することができ、様々なセンサ位置の制御対象に対して制御装置を使用することができる。
また、本発明によると、センサ種別を選択することができ、様々なセンサ種別の制御対象に対して制御装置を使用することができる。
また、本発明によると、静電容量センサや絶対値エンコーダなどの絶対位置センサを用いた制御対象に対しても、あるいは相対値リニアスケールやレーザー干渉計などのように起動位置を零とする相対位置センサを用いた制御対象に対しても制御装置を使用することができる。
また、本発明によると、相対位置センサを用いた制御対象に対しても、原点復帰動作を実行した後は、絶対位置で制御することができる。
また、本発明によると、複数のアクチュエータ構成の中からアクチュエータ構成を選択することができ、アクチュエータ推力変換演算部の汎用性を高めることができ、多自由度ステージ制御装置を様々な制御対象に使用することができる。
また、本発明によると、推力変換演算部の演算式のみを後から追加することができ、制御器が対応していないアクチュエータ構成に対しても最小限の労力で追加対応できる。
また、本発明によると、アクチュエータ数を選択することができ、様々なアクチュエータ数の制御対象に対して制御装置を使用することができる。
また、本発明によると、アクチュエータ位置を入力することができ、様々なアクチュエータ位置の制御対象に対して制御装置を使用することができる。
また、本発明によると、アクチュエータ種別を選択することができ、様々なアクチュエータ種別の制御対象に対して制御装置を使用することができる。
また、本発明によると、位置演算部の演算式のみを後から追加することができ、制御器が対応していないセンサ構成に対しても最小限の労力で追加対応できる。
また、本発明によると、センサ数を選択することができ、様々なセンサ数の制御対象に対して制御装置を使用することができる。
また、本発明によると、センサ位置を入力することができ、様々なセンサ位置の制御対象に対して制御装置を使用することができる。
また、本発明によると、センサ種別を選択することができ、様々なセンサ種別の制御対象に対して制御装置を使用することができる。
また、本発明によると、静電容量センサや絶対値エンコーダなどの絶対位置センサを用いた制御対象に対しても、あるいは相対値リニアスケールやレーザー干渉計などのように起動位置を零とする相対位置センサを用いた制御対象に対しても制御装置を使用することができる。
また、本発明によると、相対位置センサを用いた制御対象に対しても、原点復帰動作を実行した後は、絶対位置で制御することができる。
また、本発明によると、複数のアクチュエータ構成の中からアクチュエータ構成を選択することができ、アクチュエータ推力変換演算部の汎用性を高めることができ、多自由度ステージ制御装置を様々な制御対象に使用することができる。
また、本発明によると、推力変換演算部の演算式のみを後から追加することができ、制御器が対応していないアクチュエータ構成に対しても最小限の労力で追加対応できる。
また、本発明によると、アクチュエータ数を選択することができ、様々なアクチュエータ数の制御対象に対して制御装置を使用することができる。
また、本発明によると、アクチュエータ位置を入力することができ、様々なアクチュエータ位置の制御対象に対して制御装置を使用することができる。
また、本発明によると、アクチュエータ種別を選択することができ、様々なアクチュエータ種別の制御対象に対して制御装置を使用することができる。
１ ギャップセンサ
２ ギャップセンサ
３ ギャップセンサ
４ ギャップセンサ
５ 二次元センサ
６ 二次元センサ
７ 変位センサ
８ 変位センサ
９ 変位センサ
１０ 三次元センサ
１１ 三次元センサ
２１ 移動子
２２ 固定子
３１ アクチュエータ
３２ アクチュエータ
３３ アクチュエータ
３４ アクチュエータ
３５ アクチュエータ
３６ アクチュエータ
３７ アクチュエータ
１００ 多自由度ステージ制御装置
１１０ 多自由度ステージ
１４０ 指令生成器
１５０ 制御演算器
１６０ 推力変換演算器
１７０ 電流指令器
１８０ 位置演算器
１９０ センサ信号変換器
２２０ アクチュエータ構成入力装置
２３０ センサ構成入力装置
２ ギャップセンサ
３ ギャップセンサ
４ ギャップセンサ
５ 二次元センサ
６ 二次元センサ
７ 変位センサ
８ 変位センサ
９ 変位センサ
１０ 三次元センサ
１１ 三次元センサ
２１ 移動子
２２ 固定子
３１ アクチュエータ
３２ アクチュエータ
３３ アクチュエータ
３４ アクチュエータ
３５ アクチュエータ
３６ アクチュエータ
３７ アクチュエータ
１００ 多自由度ステージ制御装置
１１０ 多自由度ステージ
１４０ 指令生成器
１５０ 制御演算器
１６０ 推力変換演算器
１７０ 電流指令器
１８０ 位置演算器
１９０ センサ信号変換器
２２０ アクチュエータ構成入力装置
２３０ センサ構成入力装置
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
図１は、本発明の多自由度ステージ制御装置のブロック図である。図において、１００は多自由度ステージ制御装置となっている。２２０はアクチュエータ構成入力装置となっている。制御装置の使用者は、アクチュエータ構成入力装置２２０を用いてアクチュエータ構成を入力する。１６０は推力変換演算器であり、入力されたアクチュエータ構成に応じて推力変換演算器１６０の演算式が変化する。１７０は電流指令器であり、入力されたアクチュエータ構成に応じて演算式が変化する。また２３０は、センサ構成入力装置となっている。制御装置の使用者は、センサ構成入力装置２３０を用いてセンサ構成を入力する。１９０はセンサ信号変換器であり、入力されたセンサ構成により演算式が変化する。１８０は位置演算器であり、入力されたセンサ構成に応じて位置演算器１８０の演算式が変化する。
本発明が従来技術と異なる部分は、アクチュエータ構成入力装置２２０およびセンサ構成入力装置２３０を備えた部分と、推力演算器１６０、電流指令器１７０、位置演算器１８０、センサ信号変換器１９０を可変とした部分である。
本発明が従来技術と異なる部分は、アクチュエータ構成入力装置２２０およびセンサ構成入力装置２３０を備えた部分と、推力演算器１６０、電流指令器１７０、位置演算器１８０、センサ信号変換器１９０を可変とした部分である。
図２は、本発明の多自由度ステージ制御装置の動作を示すフローチャートである。以下では図２を用いてその動作を説明する。多自由度ステージ制御装置１００は、フラッシュメモリまたはハードディスクなどの記憶装置を備え、使用者が入力したアクチュエータ構成とセンサ構成を保存しておくことで、起動するたびに毎回入力する手間を省くことができる。そこで、アクチュエータ構成とセンサ構成を入力するための制御前準備モードと、実際に一定の制御周期で制御演算を行う制御モードとを用意する。使用者は、始めに一度だけ制御前準備モードでアクチュエータ構成とセンサ構成を入力して保存しておき、次回からは制御モードで起動することができる。
多自由度ステージ制御装置１００を起動すると、まずｓｔｅｐ１で制御前準備モードか制御モードかを判定する。この判定は、モニタにモード選択の画面を表示して使用者に入力を求めるか、ディップスイッチなどのハードウェアにより切り替えるか、またはフラッシュメモリまたはハードディスクなどの記憶装置を備え、ソフトウェアフラグにより切り替えられるようにしてもよい。初めて使用する場合は、制御前準備モードとして起動する。制御前準備モードでは、アクチュエータ構成とセンサ構成を入力する。アクチュエータ構成とは、アクチュエータの数と、そのアクチュエータそれぞれの位置および種別を意味し、センサ構成とは、センサの数と、そのセンサそれぞれの位置および種別を意味する。制御前準備モードでは、まずセンサ構成を入力する。始めに、ｓｔｅｐ１１でセンサ数を入力する。センサ数は、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸にそれぞれいくつずつあるかを入力する。次に、ｓｔｅｐ１２でセンサ位置を入力する。センサ位置は、ｓｔｅｐ１１で入力した数のセンサそれぞれについて、センサ信号にオフセットを加えた値が零となる時のセンサ検出点の絶対位置をＸ座標、Ｙ座標、Ｚ座標を入力する。ただし、このセンサオフセットについては、後のｓｔｅｐ１５で入力する。次に、ｓｔｅｐ１３でセンサ種別を選択する。センサ種別は、静電容量センサや絶対値エンコーダなどの絶対位置センサか、あるいは相対値リニアスケールやレーザー干渉計などのように起動位置を零とする相対位置センサかを選択する。相対位置センサの場合、制御モードでは起動直後に起動位置を零とする相対位置情報を用いてステージを制御し、リセット動作を実行する。リセット動作では、零位置信号を検出したときのセンサ信号を保存する。リセット動作完了後は、零位置信号検出時のセンサ信号を実際のセンサ信号から差し引くことにより絶対位置センサと同様に扱うことができる。次に、ｓｔｅｐ１４でセンサ感度を、ｓｔｅｐ１５でセンサオフセットを入力する。
次に、アクチュエータ構成を入力する。始めに、ｓｔｅｐ２１でアクチュエータ数を入力する。アクチュエータ数は、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸にそれぞれいくつずつあるかを入力する。次に、ｓｔｅｐ２２でアクチュエータ位置を入力する。アクチュエータ位置は、ｓｔｅｐ２１で入力した数のアクチュエータそれぞれについて、推力中心点のＸ座標、Ｙ座標、Ｚ座標を入力する。次に、ｓｔｅｐ２３でアクチュエータ種別を選択する。アクチュエータ種別は、例えばボイスコイルモータかリニアモータを選択する。ボイスコイルモータであれば位置によって電流と推力の関係がほぼ一定であるため、推力定数のみ入力すればよい。リニアモータであれば、位置によって流す電流を変化させなければならないため、極ピッチと磁極位置の情報が必要である。ｓｔｅｐ２４で推力定数を入力する。ｓｔｅｐ２５ではアクチュエータ種別がボイスコイルモータであればｓｔｅｐ１へ移行し、リニアモータであればｓｔｅｐ２６へ移行する。ｓｔｅｐ２６では極ピッチを、ｓｔｅｐ２７では磁極位置を入力する。ｓｔｅｐ１００で設定を保存し、制御前準備モードを終了する。必要に応じて、次回起動時には制御モードで起動するようにフラグを設定する。
制御モードでは、ｓｔｅｐ３１で初期化処理を行う。ここでは、制御前準備モードで入力された情報を元に、初期化演算を行う。初期化演算は、具体的には、パラメータの読み込み、変数の初期値の設定、演算の高速化のための変数の演算などが含まれる。ここでは、例えばｓｔｅｐ２１で入力されたアクチュエータ数がＸ軸方向１つ、Ｙ軸方向２つ、Ｚ軸方向３つであれば、ｓｔｅｐ２２で入力されたアクチュエータ位置から（２）式の行列Ｇを求める。この行列は、推力変換器１６０で用いる。次に、ｓｔｅｐ３２でセンサ信号を読みとる。次に、ｓｔｅｐ３３でセンサ信号からセンサ位置を算出する。具体的には、例えばＸ軸を検出する絶対位置センサのセンサ信号ＳＸ１が検出されたときのセンサ位置（ｘｗ、ｙｗ、ｚｗ）は次式により算出する。ただし、ｓｔｅｐ１２で入力したセンサ位置を（ｘｌ、ｙｌ、ｚｌ）、ｓｔｅｐ１５で入力したセンサオフセット値をＳｏｆｓ、センサ感度をＫとする。
多自由度ステージ制御装置１００を起動すると、まずｓｔｅｐ１で制御前準備モードか制御モードかを判定する。この判定は、モニタにモード選択の画面を表示して使用者に入力を求めるか、ディップスイッチなどのハードウェアにより切り替えるか、またはフラッシュメモリまたはハードディスクなどの記憶装置を備え、ソフトウェアフラグにより切り替えられるようにしてもよい。初めて使用する場合は、制御前準備モードとして起動する。制御前準備モードでは、アクチュエータ構成とセンサ構成を入力する。アクチュエータ構成とは、アクチュエータの数と、そのアクチュエータそれぞれの位置および種別を意味し、センサ構成とは、センサの数と、そのセンサそれぞれの位置および種別を意味する。制御前準備モードでは、まずセンサ構成を入力する。始めに、ｓｔｅｐ１１でセンサ数を入力する。センサ数は、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸にそれぞれいくつずつあるかを入力する。次に、ｓｔｅｐ１２でセンサ位置を入力する。センサ位置は、ｓｔｅｐ１１で入力した数のセンサそれぞれについて、センサ信号にオフセットを加えた値が零となる時のセンサ検出点の絶対位置をＸ座標、Ｙ座標、Ｚ座標を入力する。ただし、このセンサオフセットについては、後のｓｔｅｐ１５で入力する。次に、ｓｔｅｐ１３でセンサ種別を選択する。センサ種別は、静電容量センサや絶対値エンコーダなどの絶対位置センサか、あるいは相対値リニアスケールやレーザー干渉計などのように起動位置を零とする相対位置センサかを選択する。相対位置センサの場合、制御モードでは起動直後に起動位置を零とする相対位置情報を用いてステージを制御し、リセット動作を実行する。リセット動作では、零位置信号を検出したときのセンサ信号を保存する。リセット動作完了後は、零位置信号検出時のセンサ信号を実際のセンサ信号から差し引くことにより絶対位置センサと同様に扱うことができる。次に、ｓｔｅｐ１４でセンサ感度を、ｓｔｅｐ１５でセンサオフセットを入力する。
次に、アクチュエータ構成を入力する。始めに、ｓｔｅｐ２１でアクチュエータ数を入力する。アクチュエータ数は、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸にそれぞれいくつずつあるかを入力する。次に、ｓｔｅｐ２２でアクチュエータ位置を入力する。アクチュエータ位置は、ｓｔｅｐ２１で入力した数のアクチュエータそれぞれについて、推力中心点のＸ座標、Ｙ座標、Ｚ座標を入力する。次に、ｓｔｅｐ２３でアクチュエータ種別を選択する。アクチュエータ種別は、例えばボイスコイルモータかリニアモータを選択する。ボイスコイルモータであれば位置によって電流と推力の関係がほぼ一定であるため、推力定数のみ入力すればよい。リニアモータであれば、位置によって流す電流を変化させなければならないため、極ピッチと磁極位置の情報が必要である。ｓｔｅｐ２４で推力定数を入力する。ｓｔｅｐ２５ではアクチュエータ種別がボイスコイルモータであればｓｔｅｐ１へ移行し、リニアモータであればｓｔｅｐ２６へ移行する。ｓｔｅｐ２６では極ピッチを、ｓｔｅｐ２７では磁極位置を入力する。ｓｔｅｐ１００で設定を保存し、制御前準備モードを終了する。必要に応じて、次回起動時には制御モードで起動するようにフラグを設定する。
制御モードでは、ｓｔｅｐ３１で初期化処理を行う。ここでは、制御前準備モードで入力された情報を元に、初期化演算を行う。初期化演算は、具体的には、パラメータの読み込み、変数の初期値の設定、演算の高速化のための変数の演算などが含まれる。ここでは、例えばｓｔｅｐ２１で入力されたアクチュエータ数がＸ軸方向１つ、Ｙ軸方向２つ、Ｚ軸方向３つであれば、ｓｔｅｐ２２で入力されたアクチュエータ位置から（２）式の行列Ｇを求める。この行列は、推力変換器１６０で用いる。次に、ｓｔｅｐ３２でセンサ信号を読みとる。次に、ｓｔｅｐ３３でセンサ信号からセンサ位置を算出する。具体的には、例えばＸ軸を検出する絶対位置センサのセンサ信号ＳＸ１が検出されたときのセンサ位置（ｘｗ、ｙｗ、ｚｗ）は次式により算出する。ただし、ｓｔｅｐ１２で入力したセンサ位置を（ｘｌ、ｙｌ、ｚｌ）、ｓｔｅｐ１５で入力したセンサオフセット値をＳｏｆｓ、センサ感度をＫとする。
次に、ｓｔｅｐ３４で、ステージ位置を算出する。ステージ位置の演算式は、センサ構成により異なる。本発明の多自由度ステージ制御装置では、図４から図１１で表されるセンサ構成に対応する位置演算式を全てメモリ上に保有しておき、例えば、入力されたセンサ数がＸ軸２つ、Ｙ軸２つ、Ｚ軸３つである場合、図４のセンサ構成の位置算出式を用い、Ｘ軸１つ、Ｙ軸２つ、Ｚ軸３つである場合、図５のセンサ構成の位置算出式を用いる。後は選択されたセンサ構成に応じて、従来技術と同様にＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向の位置と、ロール、ピッチ、ヨーの姿勢とを合わせた６自由度で位置および姿勢を算出する。次に、ｓｔｅｐ３５で、ステージの位置指令を算出する。次に、ｓｔｅｐ３６で、従来と同様の制御演算を実行する。次に、ｓｔｅｐ３７で、推力変換演算を実行する。推力変換演算では、ｓｔｅｐ３１で求めた行列Ｇを用いて（２）式の演算を実行し、各アクチュエータの推力指令を求める。次に、ｓｔｅｐ３８で、電流指令演算を実行する。電流指令演算では、各アクチュエータの推力指令を電流指令に変換する。例えばｓｔｅｐ２３で入力されたアクチュエータ種別がボイスコイルモータであった場合、電流指令ｉｒｅｆは、次式により計算される。ただし、ｓｔｅｐ２４で入力された推力定数をＫｖｃｍとする。
また、例えばｓｔｅｐ２３で入力されたアクチュエータ種別が３相のリニアモータであった場合、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の電流指令ｉＵｒｅｆ、ｉＶｒｅｆｉＷｒｅｆは、次式により計算される。ただし、ｓｔｅｐ２４で入力された推力定数をＫｌｍ、ｓｔｅｐ２６で入力された極ピッチをＰｉ、ｓｔｅｐ２７で入力された磁極位置をＰｏとする。
次に、ｓｔｅｐ３９では、ｓｔｅｐ３８で求めた電流指令を多自由度ステージ制御装置１００の電流アンプに出力する。多自由度ステージ制御装置１００は受け取った電流指令通りに各アクチュエータの電流を制御し、発生した推力により動作する。次にｓｔｅｐ３２に戻り、一定の制御周期ごとに以上の演算を繰り返す。
このように、センサ構成入力装置とアクチュエータ構成入力装置を備え、推力演算器、電流指令器、位置演算器、センサ信号変換器を可変とした構成をしているので、複数のセンサ構成・アクチュエータ構成の中から選択することができ、位置演算部とアクチュエータ推力変換演算部の汎用性を高めることができ、多自由度ステージ制御装置を様々な制御対象に使用することができる。また、始めからあらゆるセンサ構成やアクチュエータ構成に対応することが困難な場合は、主によく使用されるセンサ構成やアクチュエータの演算式のみをメモリ上に備えておき、対応するセンサ構成やアクチュエータ構成を追加したい場合に後から別に位置算出式や推力変換演算式を関数として与えるようにしてもよい。これにより、新たに対応するセンサ構成やアクチュエータ構成を、追加のアップデート機能としてネットワーク配信するなどの使い方も可能になる。
センサやアクチュエータ情報を基に自動演算することで、個別設定する必要がなくなることから、多自由度ステージ制御だけでなく、ロボットのような多関節制御への適用も可能となる。
Claims (12)
- 複数自由度の指令を生成する指令生成器と、
制御対象に取り付けられた複数のセンサ信号から複数自由度の位置を算出する位置演算器と、
前記複数自由度の指令と前記複数自由度の位置から複数自由度の操作量を演算する制御演算器と、
前記複数自由度の操作量から複数のアクチュエータの推力指令を演算する推力変換演算器と、
前記複数のアクチュエータに流すべき電流指令を演算する電流指令器とを備えた多自由度ステージ制御装置において、
複数のセンサ構成の中から所望のセンサ構成を選択するためのセンサ構成入力装置を備え、
前記センサ構成入力装置は、選択されたセンサ構成で使用される各センサの複数自由度の位置座標を入力するためのセンサ位置入力部を備え、
選択されたセンサ構成に対応する位置演算式を使用して前記複数自由度の位置を演算し、
前記位置演算器は、複数のセンサ構成それぞれに対応する位置演算式を、あらかじめメモリ上に保有していることを特徴とする多自由度ステージ制御装置。 - 前記位置演算器は、複数のセンサ構成それぞれに対応する位置演算式を、後から関数として追加する機能を備えたことを特徴とする請求項１記載の多自由度ステージ制御装置。
- 前記センサ構成入力装置は、使用者が定義したＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸に対し、それぞれいくつのセンサを備えているかを入力するためのセンサ数入力部を備えたことを特徴とする請求項１記載の多自由度ステージ制御装置。
- 前記センサ構成入力装置は、選択されたセンサ構成で使用される各センサの種別を入力するためのセンサ種別入力部を備えたことを特徴とする請求項１記載の多自由度ステージ制御装置。
- 前記センサ種別入力部は、少なくとも絶対位置センサと起動位置を零とする相対位置センサとを選択できることを特徴とする請求項４記載の多自由度ステージ制御装置。
- 前記位置演算器は、相対位置センサの零位置信号を検出する零位置信号検出器を備え、零位置信号を検出したときのセンサ信号を保存する機能を備えたことを特徴とする請求項４記載の多自由度ステージ制御装置。
- 複数のアクチュエータ構成の中から所望のアクチュエータ構成を選択するためのアクチュエータ構成入力装置を備え、
選択されたアクチュエータ構成に対応する推力変換演算式を使用して前記複数のアクチュエータの推力指令を演算することを特徴とする請求項１記載の多自由度ステージ制御装置。 - 前記推力変換演算器は、複数のアクチュエータ構成それぞれに対応する推力変換演算式を、あらかじめメモリ上に保有していることを特徴とする請求項７記載の多自由度ステージ制御装置。
- 前記推力変換演算器は、複数のアクチュエータ構成それぞれに対応する推力変換演算式を、後から関数として追加する機能を備えたことを特徴とする請求項７記載の多自由度ステージ制御装置。
- 前記アクチュエータ構成入力装置は、使用者が定義したＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸に対し、それぞれいくつのアクチュエータを備えているかを入力するためのアクチュエータ数入力部を備えたことを特徴とする請求項７記載の多自由度ステージ制御装置。
- 前記アクチュエータ構成入力装置は、選択されたアクチュエータ構成で使用される各アクチュエータの位置座標を入力するためのアクチュエータ位置入力部を備えたことを特徴とする請求項７記載の多自由度ステージ制御装置。
- 前記アクチュエータ構成入力装置は、選択されたアクチュエータ構成で使用される各アクチュエータの種別を入力するためのアクチュエータ種別入力部を備えたことを特徴とする請求項７記載の多自由度ステージ制御装置。
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