JP7219115B2 - Disturbance suppression control device - Google Patents
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本発明は、制御対象に加わる外乱力を抑止可能な外乱抑止制御装置に関する。
BACKGROUND OF THE
制御対象に加わる外乱力を抑止する方法として、外乱オブザーバが知られている(例えば特許文献1参照)。図13は、従来の外乱オブザーバを備える制御装置61のブロック線図である。62は力指令(推力指令又はトルク指令)を出力する制御部、fdは外乱力、63は制御対象(モータと駆動機械)、64は外乱オブザーバ、65は制御対象のノミナルモデル(規範モデル)の逆システム、66はローパスフィルタである。
A disturbance observer is known as a method of suppressing a disturbance force acting on a controlled object (see, for example, Patent Document 1). FIG. 13 is a block diagram of a
制御部62は、例えば位置指令Xrefと制御対象63の位置帰還情報Xに基づいて、力指令frefを出力する。力指令frefには、外乱力fdが加わる。制御部62がモータを最適に動作させる力指令frefを出力しても、制御対象63には設計どおりの力指令frefが加わらず、fref+fdが加わる。外乱オブザーバ64は、この外乱力fdを除去する役割を持つ。
The
外乱オブザーバ64は、ノミナルモデルの逆システム65を備える。ノミナルモデルは、制御対象63を理想化したモデルP^(s)であり、伝達関数などの数式で定義される。ノミナルモデルP^(s)に対して、P^(s)・P^-1(s)=1を満たすP^-1(s)が逆システムである。
The
外乱オブザーバ64は、制御対象63の位置帰還情報Xを逆システムP^-1(s)に入力し、力f^(f^=fref)を算出する。次に、外乱オブザーバ64は、外乱オブザーバ64による補正後の力指令fref-fd^を引出し点67から引き出し、力f^からfref-fd^を引いて推定外乱力fd^を算出する。そして、推定外乱力fd^をローパスフィルタ66に入力し、ノイズを除去した後、減算器68にて推定外乱力fd^を力指令frefから減算する。外乱力fdは推定外乱力fd^によって相殺される。このため、制御対象63に設計どおりの力指令frefを加えることができる。なお、引出し点67よりも前に、外乱オブザーバ64が力指令frefから推定外乱力fd^を減算する減算点(減算器68)がある。外乱力fdを推定外乱力fd^によって相殺するためである。
The disturbance observer 64 inputs the position feedback information X of the controlled
しかし、従来の外乱オブザーバにおいては、調整可能なパラメータがローパスフィルタの時定数τだけなので、外乱抑止能力に限界があるという課題がある。 However, in the conventional disturbance observer, since the only adjustable parameter is the time constant τ of the low-pass filter, there is a problem that there is a limit to the disturbance suppression capability.
また、従来の外乱オブザーバは、微分特性の周波数特性を有するので、外乱抑止後の位置偏差にも微分特性が現れるという課題がある。このため、外乱抑止後の位置偏差に逆応答が生ずることがあり、例えば切削加工等では削り過ぎが生ずる。 In addition, since the conventional disturbance observer has frequency characteristics of differential characteristics, there is a problem that the differential characteristics also appear in the positional deviation after disturbance suppression. For this reason, a reverse response may occur in the positional deviation after the suppression of the disturbance, and for example, excessive cutting may occur in cutting or the like.
そこで、本発明は、外乱抑止能力が高い外乱抑止制御装置を提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, it is an object of the present invention to provide a disturbance suppression control device having a high disturbance suppression capability.
上記課題を解決するために、本発明の一態様は、力指令を出力する制御部と、制御対象の帰還情報を前記制御対象のノミナルモデルの逆システムに入力して力を算出し、前記力指令及び前記力に基づいて力偏差を算出し、前記力偏差及び比例ゲインに基づいて補正量を算出し、前記補正量を前記力指令に加算又は減算する外乱力抑止部と、を備え、前記外乱力抑止部が前記力指令を引き出す引出し点の後に、前記外乱力抑止部が前記補正量を前記力指令に加算又は減算する加算点又は減算点がある外乱抑止制御装置である。 In order to solve the above-described problems, one aspect of the present invention provides a control unit that outputs a force command, and inputs feedback information of a controlled object to an inverse system of a nominal model of the controlled object to calculate a force. a disturbance force suppression unit that calculates a force deviation based on the command and the force, calculates a correction amount based on the force deviation and the proportional gain, and adds or subtracts the correction amount to or from the force command; In the disturbance suppression control device, there is an addition point or a subtraction point at which the disturbance force suppression section adds or subtracts the correction amount to or from the force command after a draw point from which the disturbance force suppression section derives the force command.
本発明によれば、外乱力を抑止するように力制御のフィードバックループを形成することができる。このフィードバックループの比例ゲインで補正量を調整することで、外乱抑止能力を高くすることができる。また、外乱抑止後の位置偏差に逆応答を生じにくくすることもできる。 According to the present invention, a force control feedback loop can be formed so as to suppress the disturbance force. By adjusting the correction amount with the proportional gain of this feedback loop, the disturbance suppression capability can be enhanced. In addition, it is possible to make it difficult for a reverse response to occur in the positional deviation after disturbance suppression.
以下、添付図面に基づいて、本発明の実施形態の外乱抑止制御装置を詳細に説明する。ただし、本発明の外乱抑止制御装置は種々の形態で具体化することができ、本明細書に記載される実施形態に限定されるものではない。本実施形態は、明細書の開示を十分にすることによって、当業者が発明の範囲を十分に理解できるようにする意図をもって提供されるものである。
(第1の実施形態)
A disturbance suppression control device according to an embodiment of the present invention will be described in detail below with reference to the accompanying drawings. However, the disturbance suppression control apparatus of the present invention may be embodied in various forms and should not be limited to the embodiments set forth herein. The present embodiments are provided with the intention of allowing those skilled in the art to fully understand the scope of the invention through a thorough disclosure of the specification.
(First embodiment)
図1は、本発明の第1の実施形態の外乱抑止制御装置のブロック線図である。図1において、Xrefは位置指令、1は制御部、2は外乱力抑止部、3は制御対象で伝達関数はP(s)、Xは位置検出器によって検出された制御対象3の位置である。
FIG. 1 is a block diagram of a disturbance suppression control device according to a first embodiment of the present invention. In FIG. 1, X ref is a position command, 1 is a control unit, 2 is a disturbance force suppression unit, 3 is a controlled object whose transfer function is P(s), and X is the position of the controlled
本実施形態の外乱抑止制御装置4は、制御部1と、外乱力抑止部2と、を備える。制御部1の減算器6は、位置指令Xrefから制御対象3の位置帰還情報Xを引いて位置偏差を算出する。制御部1は、減算器6を介して入力された位置偏差に基づいて、位置偏差を少なくするように力指令fref(推力指令又はトルク指令)を出力する。
A disturbance
外乱力抑止部2は、制御対象3の位置帰還情報Xを制御対象3のノミナルモデルP^(s)の逆システム7(P^-1(s))に入力して力f^を算出する。ノミナルモデルP^(s)は、モータを含む駆動機構である制御対象P(s)を理想化したモデルである。ノミナルモデルP^(s)に対して、P^(s)・P^-1(s)=1を満たすP^-1(s)が逆システム7である。sはラプラス演算子である。
The disturbance
例えば、制御対象P(s)が剛体モデルの1/Ms2の場合、P^-1(s)はMs2である。P^-1(s)は入力された位置帰還情報Xを2階微分して加速度を算出し、これに質量Mを乗じて慣性力を算出する。 For example, if the controlled object P(s) is 1/Ms 2 of the rigid body model, P̂ −1 (s) is Ms 2 . P̂ -1 (s) is obtained by second-order differentiating the input position feedback information X to calculate the acceleration, and multiplying this by the mass M to calculate the inertial force.
減算器8は、引出し点10から力指令fref力を引き出し、力指令frefからP^-1(s)が出力する力f^を引いて、力偏差eを算出する。
A
外乱力抑止部2は、力偏差eをローパスフィルタに入力し、ローパスフィルタの出力に比例ゲインKを乗じて、補正量uを算出する。9はローパスフィルタと比例ゲインのブロックである。
The disturbance
ローパスフィルタと比例ゲインの伝達関数は、数1で表される。
P^-1(s)が力f^を算出するにあたって、微分が必要であり、微分時にノイズが発生する。力偏差eをローパスフィルタに入力することで、微分時に発生するノイズを低減することができる。 Differentiation is required when P̂ -1 (s) calculates the force f̂, and noise is generated at the time of differentiation. By inputting the force deviation e to a low-pass filter, noise generated during differentiation can be reduced.
なお、数1の代わりに数2を使用することもできる。
ローパスフィルタを使用すると、位相が遅れる。数2を使用することで、位相を進めることができる。a=Kの場合、数2は定数Kになる。
Using a low pass filter will lag the phase. Using
外乱力抑止部2の加算器11は、補正量uを力指令frefに加算する。加算点(加算器11)は、外乱力抑止部2が力指令frefを引き出す引出し点10よりも後にある。すなわち、外乱力抑止部2が力指令frefを引き出した後に、外乱力抑止部2が補正量uを力指令frefに加算する。なお、外乱力fd等の符号によっては、減算器8が力指令frefから補正量uを減算する場合もある。
The
制御部1が出力する力指令frefは、補正量uと外乱力fdを受けてfref+u+fdとなる。出力XはP(s)(fref+u+fd)となる。
The force command f ref output by the
本実施形態の外乱抑止制御装置によれば、以下の効果を奏する。外乱力を抑止するように力制御のフィードバックループを形成することができる。このフィードバックループの比例ゲインで補正量を調整することで、外乱抑止能力を高くすることができる。 According to the disturbance suppression control device of this embodiment, the following effects are obtained. A force control feedback loop can be formed to suppress disturbance forces. By adjusting the correction amount with the proportional gain of this feedback loop, the disturbance suppression capability can be enhanced.
比例ゲインKとローパスフィルタの時定数τの2つのパラメータを調整できるので、多様な調整が可能になり、外乱抑止後の位置偏差に逆応答を生じにくくすることができる。例えば象限突起発生後の位置偏差に逆応答(負方向の位置偏差)を生じにくくすることができる。逆応答の低減効果は後述する。
(第2の実施形態)
Since two parameters, the proportional gain K and the time constant τ of the low-pass filter, can be adjusted, various adjustments can be made, and the reverse response to the positional deviation after disturbance suppression can be prevented. For example, it is possible to make the reverse response (positional deviation in the negative direction) less likely to occur in the positional deviation after the occurrence of the quadrant protrusion. The effect of reducing the reverse response will be described later.
(Second embodiment)
図2は、本発明の第2の実施形態の外乱抑止制御装置14のブロック線図である。第2の実施形態では、位置帰還情報Xをノミナルモデルの逆システム7(P^-1(s))に入力して算出した力f^にブロック21にて帰還ゲインβを乗じている点が第1の実施形態と異なる。減算器8は、力指令frefから力f^に帰還ゲインβを乗じたβf^を減算して力偏差eを算出する。その他の構成は、第1の実施形態と同一なので、同一の符号を附してその説明を省略する。
FIG. 2 is a block diagram of a disturbance
第2の実施形態の外乱抑止制御装置14によれば、第1の実施形態の外乱抑止制御装置4と同様な効果を奏する他、帰還ゲインβも調整できるので、外乱抑止能力をより高くすることができる。例えば象限突起の振幅を低減することができる。象限突起の振幅の低減効果については後述する。
(第3の実施形態)
According to the disturbance
(Third embodiment)
図3は、本発明の第3の実施形態の外乱抑止制御装置31のブロック線図である。第3の実施形態の外乱抑止制御装置31では、制御対象22を伝達関数P(s)=M/s2で表される剛体モデルとしている。Mは制御対象の質量である。そして、ノミナルモデルの逆システム24(P^-1(s))に入力して力f^を算出し(すなわち、位置帰還情報Xを2階微分して加速度を算出し、この加速度に制御対象の質量Mを乗じて慣性力f^を算出し)、慣性力f^に帰還ゲインβを乗じている。
FIG. 3 is a block diagram of a disturbance
また、ブロック23にて位置帰還情報Xを1階微分して速度を算出し、この速度に制御対象の質量Mを乗じて摩擦力g^を算出し、ブロック25にて摩擦力g^に帰還ゲインγを乗じている。
In
加算器26は、βf^とγg^を加算する。減算器8は、力指令frefから加算した値βf^+γg^を引いて、力偏差eを算出する。その他の構成は、第1の実施形態と同一なので、同一の符号を附してその説明を省略する。
第3の実施形態の外乱抑止制御装置31によれば、第1の実施形態の外乱抑止制御装置4及び第2の実施形態の外乱抑止制御装置14と同様な効果を奏する他、摩擦力g^を算出するので、外乱抑止能力をより高くすることができる。
(本実施形態の外乱抑止制御装置を用いた制御システム)
According to the disturbance
(Control system using the disturbance suppression control device of the present embodiment)
以下に、制御対象がリニアモータとステージである制御システムの例を用いて、本実施形態の外乱抑止制御装置の象限突起の低減効果を説明する。 Using an example of a control system in which objects to be controlled are a linear motor and a stage, the effect of reducing quadrant projections of the disturbance suppression control device of this embodiment will be described below.
図4は、制御システム40の駆動系の構成を示す。4は外乱抑止制御装置、46はサーボアンプ、43はステージである。外乱抑止制御装置4は、パソコン、デジタルサーボ回路等のコンピュータから構成され、プロセッサ、ROM、RAM等を備える。
FIG. 4 shows the configuration of the drive system of the
外乱抑止制御装置4は、制御部1(図1参照)を備え、上位装置から位置指令を受け取り、ステージ43の位置制御、速度制御を行い、推力指令(電流指令)を出力する。
The disturbance
サーボアンプ46は、トランジスタインバータ等から構成される。サーボアンプ46は、外乱抑止制御装置4が出力する推力指令(電流指令)を受け取り、電流指令に応じた電力をリニアモータ44に供給する。
The
リニアモータ44は、磁石を有する固定子44bと、コイルを有する可動子44aと、を備える。可動子44aのコイルに電力を供給すると、ステージ43のテーブル41に軸方向の推力が発生する。テーブル41の位置は、位置検出器47によって検出される。位置検出器47の信号は、外乱抑止制御装置4に位置帰還情報として取り込まれる。
The
ステージ43は、ベース48と、ベース48に対して移動可能なテーブル41と、テーブル41の移動を案内するリニアガイド42と、を備える。
The
リニアガイド42は、レール42aとガイドブロック42bとの間に球又はころの転動体を介在させ、その転動体が循環するようにしたものである。
The
リニアガイド42のガイドブロック42bに印加力を与えたとき、その印加力と生じた変位の関係はヒステリシスを生じ、非線形性を示すことが知られている。非線形ばね特性は、ガイドブロック42b内の転動体が転がり始まるときや転がり方向を反転するときに出現する。リニアガイド42の非線形ばね特性に起因する摩擦力は、ステージ43に外乱力として働く。ステージ43に働くこの外乱力は、象限突起を生じさせる。象限突起は、例えばXYステージを用いて円弧運動を行ったとき、各象限の切替え時に発生する突起状の位置偏差であり、Xステージを用いて往復運動を行ったとき、方向転換時に発生する突起状の位置偏差である。
It is known that when an applied force is applied to the
図5(a)は、本発明の第1の実施形態の外乱抑止制御装置4を組み込んだ制御システム40のブロック線図を示す。制御部1は、P制御の位置制御器51と、PI制御の速度制御器52と、を備える。位置制御器51は、位置指令Xrefと位置帰還情報Xを入力して速度指令Vrefを出力する。Kpは位置ループ比例ゲインである。速度制御器52は、速度指令Vrefと位置帰還情報Xを1階微分した速度帰還情報Vを入力して、推力指令frefを出力する。Kvは速度ループ比例ゲイン、Tiは積分時間、s、1/sがそれぞれラプラス変換における微分、積分である。
FIG. 5(a) shows a block diagram of a
リニアモータ44とステージ43の伝達関数P(s)は、P(s)=1/Ms2である。Mは可動部の質量である。制御対象のノミナルモデルの逆システム7は、P^-1(s)=Ms2である。
The transfer function P(s) of
図5(a)に示すブロック線図において、図6(b)に示すような外乱力抑止部2の等価変換がなされている。図6(a)は、等価変換前の外乱力抑止部2のブロック線図を示し、図6(b)は等価変換後の外乱力抑止部2のブロック線図を示す。
In the block diagram shown in FIG. 5(a), the equivalent transformation of the disturbance
図5(a)に示すブロック線図において、外乱力fdの加算点は推力の次元にある。図5(b)に示すように、外乱力fdの加算点を位置の次元に移動すると、外乱力fdによる位置偏差dの伝達関数は数3で表すことができる。 In the block diagram shown in FIG. 5(a), the addition point of the disturbance force fd is in the thrust dimension. As shown in FIG. 5(b), when the addition point of the disturbance force fd is moved to the dimension of position, the transfer function of the position deviation d due to the disturbance force fd can be expressed by Equation (3).
他方、外乱力の補正無しでの位置偏差(象限突起)の発生式は、数5で表される。
数4の右辺の第1項をd1とし、右辺の第2項をd2とすると、d1は数5の象限突起(補正無しで発生する象限突起)の微分値にτ/(K+1)を乗じたものに略等しい。一次遅れ系の影響を無視すると、すなわち1/(τs/(K+1)+1)=1とすると、d1は数5の象限突起の微分値にτ/(K+1)を乗じたものに等しい。このd1は外乱オブザーバで補正した後に発生する象限突起と同じ形をしている。微分値であるがゆえ、d1にも外乱オブザーバで補正した後に発生する象限突起にも、象限突起発生後に逆応答(逆符号の位置偏差)が発生する。外乱オブザーバで補正した後に発生する象限突起dobsは、数5-1で与えられる。
d2は数5の象限突起(補正無しで発生する象限突起)に1/(K+1)を乗じたものに略等しく、上記のように一次遅れ系の影響を無視すると等しい。このd2をd1に加算することで、逆応答(逆符号の位置偏差)を低減することができる。逆応答の低減効果については実施例1で説明する。なお、τ/(K+1)を一定に保ち、Kを大きくすると、d2のみ小さくなり、d1が支配的になり、外乱オブザーバと同じ応答に近づく。 d2 is approximately equal to the quadrant protrusion (quadrant protrusion generated without correction) of Equation 5 multiplied by 1/(K+1), and is equal if the influence of the first-order lag system is ignored as described above. By adding this d2 to d1, it is possible to reduce the inverse response (the positional deviation of the inverse sign). The effect of reducing the reverse response will be described in the first embodiment. If τ/(K+ 1 ) is kept constant and K is increased, only d2 becomes smaller and d1 becomes dominant, approaching the same response as the disturbance observer.
図7(a)は、本発明の第2の実施形態の外乱抑止制御装置14を組み込んだ制御システム40のブロック線図を示す。外乱抑止制御装置14は、制御部1と、外乱力抑止部2と、を備える。図5(a)に示す外乱抑止制御装置4と同様に、制御部1は、P制御の位置制御器51と、PI制御の速度制御器52と、を備える。Kpは位置ループ比例ゲイン、Kvは速度ループ比例ゲイン、Tiは積分時間である。s、1/sがそれぞれラプラス変換における微分、積分である。
FIG. 7(a) shows a block diagram of a
外乱力抑止部2は、図5(a)に示す外乱抑止制御装置4と同様に、ノミナルモデルの逆システム7を備える。τは、ローパスフィルタの時定数、Kは比例ゲイン、βは帰還ゲインである。
The disturbance
図7(a)に示すブロック線図において、外乱力fdの加算点は推力の次元にある。図7(b)に示すように、外乱力fdの加算点を位置の次元に移動すると、外乱力fdによる位置偏差dの伝達関数は、上記の数3と同一の式で表すことができる。帰還ゲインβは、位置偏差dの伝達関数には含まれない。外乱力fdによる位置偏差dは、上記の数4と同一の式で表すことができる。帰還ゲインβは、数4には含まれない。
(象限突起及び逆応答の低減効果)
In the block diagram shown in FIG. 7(a), the addition point of the disturbance force fd is in the thrust dimension. As shown in FIG. 7B, when the addition point of the disturbance force fd is moved to the position dimension, the transfer function of the position deviation d due to the disturbance force fd can be expressed by the same equation as
(Effect of reducing quadrant protrusion and reverse response)
数4の伝達関数を用い、位置偏差(象限突起)のシミュレーションを行った。リニアガイドの摩擦力(外乱力fd)には、摩擦力モデルの数6を用いた。
A positional deviation (quadrant projection) was simulated using the transfer function of
図8(a)は、摩擦力を示す。摩擦力は、ステージ43の方向が反転したとき(時間0のとき)から急激に大きくなり、時間の経過と共に一定値に近づく。
FIG. 8(a) shows the friction force. The frictional force suddenly increases when the direction of the
図8(b)は、外乱力の補正無しで発生する象限突起を示す。ステージ43の方向が反転した直後に約4.8nmの象限突起が発生することがわかる。
FIG. 8(b) shows a quadrant projection that occurs without disturbance force correction. It can be seen that a quadrant protrusion of about 4.8 nm is generated immediately after the direction of the
図8(c)は、本実施形態の外乱抑止制御装置4で補正した後に発生する象限突起を示す。ここでは、象限突起発生後の逆応答が最も小さくなるように、τとKを調整している。補正することで象限突起の振幅を大幅に低減できることがわかる。また、d1には象限突起発生後に逆応答irが発生したが、d2を加えることでd1の逆応答irを略無くすことができることがわかる。
FIG. 8(c) shows quadrant projections generated after correction by the disturbance
図4に示す制御システム40を用い、ステージ43を正弦波指令の動作パターン(振幅1mm、周波数0.1Hz)で動作させ、位置偏差を測定した。図9は、外乱力の補正無しで発生する位置偏差(象限突起)を示す。図9の1点鎖線が正弦波指令を示し、図9の実線が位置偏差を示す。ステージ43の方向を反転させる毎に象限突起54が発生し、象限突起54の振幅は約150nmであった。
Using the
図10は、本実施形態の外乱抑止制御装置14で補正した後に発生する象限突起を示す。図10の破線は、従来の外乱オブザーバで補正した後に発生する象限突起を示し、図10の1点鎖線は、本実施形態の外乱抑止制御装置14で補正した後に発生する象限突起(β=1の場合)を示し、図10の実線は、本実施形態の外乱抑止制御装置14で補正した後に発生する象限突起(β=0.6の場合)を示す。
FIG. 10 shows quadrant projections generated after correction by the disturbance
外乱オブザーバでは、象限突起の振幅を約7nmに低減できた。しかし、象限突起発生後に逆応答irが発生した。 The disturbance observer was able to reduce the quadrant projection amplitude to about 7 nm. However, the inverse response ir occurred after the quadrant projection.
β=1の場合、応答が発振しない程度にτ/(K+1)を小さくした上で、τとKを調整した。この調整により、外乱オブザーバで補正した場合に比べて、象限突起発生後の逆応答irを約1/2に低減できた。象限突起の振幅自体は、約7nmであり、外乱オブザーバで補正した場合と大きな違いはなかった。 When β=1, τ and K were adjusted after reducing τ/(K+1) to the extent that the response did not oscillate. By this adjustment, the inverse response ir after the occurrence of the quadrant protrusion could be reduced to about 1/2 compared to the case of correcting with the disturbance observer. The amplitude of the quadrant protrusion itself was about 7 nm, and there was no significant difference from the correction with the disturbance observer.
β=0.6の場合、β=1の場合と同様にτとKを調整し、さらにβを0.6に調整した。βを0.6に調整することで、象限突起を5nm程度まで小さくできると共に、象限突起発生後の逆応答irを大幅に低減でき、略零にすることができた。
(パラメータτ、K、βの調整方法)
When β=0.6, τ and K were adjusted in the same way as when β=1, and β was further adjusted to 0.6. By adjusting β to 0.6, it was possible to reduce the quadrant projections to about 5 nm, and also to significantly reduce the reverse response ir after the generation of the quadrant projections, making it substantially zero.
(How to adjust parameters τ, K, β)
本実施形態の外乱抑止制御装置4,14,31の3つのパラメータτ、K、βを以下の手順で調整した。
The three parameters τ, K, β of the disturbance
(1)ローパスフィルタの時定数τ
上記のように、数4の右辺の第1項であるd1は、外乱力抑止部2が補正を行わない場合(すなわち補正無しの場合)に発生する位置偏差(象限突起)dの微分値にτ/(K+1)を乗じたものに等しい。また、数4の右辺の第2項であるd2は、補正無しの場合に発生する象限突起dに1/(K+1)を乗じたものに等しい。象限突起dは、時間の関数で表される。
(1) Low-pass filter time constant τ
As described above, d1, which is the first term on the right side of
d1には、象限突起dの振幅が減少する時刻において、逆応答が発生する。逆応答が最大となる時刻Tおいて、d(T)>0の場合、数7が成り立てば、逆応答が発生しないようにすることができる。
In d1, an inverse response occurs at the time when the amplitude of quadrant projection d decreases. If d(T)>0 at the time T at which the reverse response reaches its maximum, the reverse response can be prevented from occurring if
数7を変形すれば、τの目安値を表す数8が得られる。
本実施例においては、補正無しで発生する象限突起54(図9参照)の時間関数とその時間微分値からτの目安値を求めた。時間微分波形において、運動方向が反転する2.5s付近で生じる逆応答の最大値(数8の右辺の分母)は1152nm/s、逆応答が最大となる時刻Tでの位置偏差(数8の右辺の分子)は-115nmであったので、数8からτ≦115/1152≒0.1sが得られた。このため、τの目安値を0.09sに設定した。
In this embodiment, the reference value of τ was obtained from the time function of the quadrant protrusion 54 (see FIG. 9) generated without correction and its time differential value. In the time-differentiated waveform, the maximum value of the reverse response (the denominator on the right side of Equation 8) occurring around 2.5 s when the motion direction reverses is 1152 nm/s, and the position deviation at time T when the reverse response reaches its maximum ( The numerator on the right side) was −115 nm, so from
図11は、τを0.09sに設定した場合、0.09sの2倍の0.18sに設定した場合、0.09sの1/2の0.045sに設定した場合とで、補正後に発生した位置偏差(象限突起)を比較したグラフである。τを0.09sに設定した場合、逆応答は発生しなかった。τを0.18sに設定した場合、約0.2nm程度の逆応答が発生したが、τを0.09sに設定した場合と比較して、象限突起を2nm程度小さくできた。τを0.045sに設定した場合、逆応答の発生はないものの、τを0.09sに設定した場合と比較して、象限突起が3nm程度大きくなった。逆応答の有無及び補正後の象限突起の大きさに合わせて、τを変化させることもできる。 FIG. 11 shows the occurrence after correction when τ is set to 0.09 s, when it is set to 0.18 s which is twice 0.09 s, and when it is set to 0.045 s which is half of 0.09 s. 10 is a graph comparing positional deviations (quadrant protrusions) obtained by No reverse response occurred when τ was set to 0.09 s. When τ was set to 0.18 s, a reverse response of about 0.2 nm was generated, but compared with the case of setting τ to 0.09 s, the quadrant protrusion could be reduced by about 2 nm. When τ was set to 0.045 s, although no reverse response occurred, the quadrant projections were about 3 nm larger than when τ was set to 0.09 s. It is also possible to change τ according to the presence or absence of the reverse response and the size of the quadrant protrusion after correction.
(2)比例ゲインK、帰還ゲインβ
数4から比例ゲインKが1より大きければ大きいほど、位置偏差(象限突起)dを小さくすることができる。このため、K>1、望ましくはK>10に設定する。ただし、比例ゲインKが大きすぎると、応答が発振する。このため、応答が発振しないように比例ゲインKを調整する。
(2) Proportional gain K, feedback gain β
From
実験により、数4の第1項であるd1は、外乱オブザーバを用いた場合の象限突起dobsのβ倍になることが確認できた。このため、0<β<1に設定し、位置偏差(象限突起)dを小さくする。
Through experiments, it has been confirmed that d1, the first term of
以下に、数4の第1項であるd1が、外乱オブザーバを用いた場合の象限突起dobsのβ倍になる理由を説明する。本実施形態の外乱抑止制御装置14の時定数τ/(1+βK)が、外乱オブザーバの時定数τobsに相当する。応答が発振する直前まで、時定数を調整したところ、外乱オブザーバの時定数τobsと外乱抑止制御装置14の時定数τ/(1+βK)とが略同じ値になった。このため、τobs=τ/(1+βK)とすることができる。
The reason why d1, which is the first term of
τobs=τ/(1+βK)とする場合、βK>>1、かつ0<β<1の条件が成立するならば、数9が成立する。
When τ obs =τ/(1+βK),
数4の右辺の第1項であるd1、数5-1、数9から、d1が外乱オブザーバを用いた場合の象限突起dobsのβ倍だけ小さくなることがわかる。
From d 1 , Equation 5-1, and
本実施例においては、K、βを以下のように設定した。まず、β=1と仮定し、応答が発振する直前までKを大きくし、安定限界となるKをK0とした。K0は、60であった。
In this embodiment, K and β are set as follows. First, assuming that
図12(a)は、τ=0.09s、β=1、K=1に設定したときの位置偏差(象限突起55)を示す。逆応答は発生しないものの、100nm程度の象限突起55が発生した。図12(b)は、τ=0.09s、β=1、K=60に設定したときの位置偏差を示す。Kを大きくすることで、象限突起56を7nm程度まで低減できた。
FIG. 12(a) shows the position deviation (quadrant protrusion 55) when τ=0.09 s, β=1, and K=1. Although no reverse response occurred,
次に、βK=K0、すなわちβK=60が成立するように、βを1より小さくし、Kをさらに大きくした。図12(c)は、τ=0.09s、β=0.4、K=150に設定したときの位置偏差を示す。象限突起57をさらに2.5nm程度まで低減できた。
Next, β was made smaller than 1 and K was made larger so that βK=K 0 , ie βK=60. FIG. 12(c) shows the position deviation when τ=0.09 s, β=0.4, and K=150. The
なお、本発明は上記実施形態に具現化されるのに限られることはなく、本発明の要旨を変更しない範囲で他の実施形態に具現化できる。 In addition, the present invention is not limited to being embodied in the above-described embodiments, and can be embodied in other embodiments without changing the gist of the present invention.
例えば、上記実施形態では、制御対象がリニアモータとステージである例を説明したが、制御対象は回転モータと駆動機械であってもよい。帰還情報として制御対象の位置情報を用いているが、制御対象の速度情報を用いることもできる。 For example, in the above embodiments, the controlled objects are the linear motor and the stage, but the controlled objects may be a rotating motor and a driving machine. Although the position information of the controlled object is used as the feedback information, the speed information of the controlled object can also be used.
上記実施形態では、電流制御部の伝達関数を「1」として外乱抑止制御装置を設計しているが、電流制御部の伝達関数を考慮して外乱抑止制御装置を設計することもできる。 In the above embodiment, the disturbance suppression control device is designed with the transfer function of the current control section set to "1", but the disturbance suppression control device can also be designed in consideration of the transfer function of the current control section.
上記実施形態では、制御対象を剛体モデルとしているが、制御対象を質量とばねを連結した共振モデルとすることもできる。 In the above embodiment, the object to be controlled is a rigid body model, but the object to be controlled can also be a resonance model in which a mass and a spring are coupled.
本発明の外乱抑止制御装置は、半導体製造装置、液晶製造装置、オプトエレクトロニクスの加工、工作機械、三次元造形装置(3Dプリンタ)等の高分解能の位置決め装置に適している。 The disturbance suppression control device of the present invention is suitable for high-resolution positioning devices such as semiconductor manufacturing equipment, liquid crystal manufacturing equipment, optoelectronic processing, machine tools, and three-dimensional modeling equipment (3D printers).
1…制御部、2…外乱力抑止部、3…制御対象、4…外乱抑止制御装置、7…制御対象のノミナルモデルの逆システム、9…ローパスフィルタとゲインのブロック、10…引出し点、11…加算器(加算点)、14…外乱抑止制御装置、21…帰還ゲインのブロック、31…外乱抑止制御装置、fref…力指令、f^…力、e…力偏差、τ…ローパスフィルタの時定数、K…比例ゲイン、β…帰還ゲイン、u…補正量、fd…外乱力
DESCRIPTION OF
Claims (6)
制御対象の帰還情報を前記制御対象のノミナルモデルの逆システムに入力して力を算出し、前記力指令及び前記力に基づいて力偏差を算出し、前記力偏差及び比例ゲインに基づいて補正量を算出し、前記補正量を前記力指令に加算又は減算する外乱力抑止部と、を備え、
前記外乱力抑止部が前記力指令を引き出す引出し点よりも後に、前記外乱力抑止部が前記補正量を前記力指令に加算又は減算する加算点又は減算点がある外乱抑止制御装置。 a control unit that outputs a force command;
The feedback information of the controlled object is inputted to the inverse system of the nominal model of the controlled object to calculate the force, the force deviation is calculated based on the force command and the force, and the correction amount is calculated based on the force deviation and the proportional gain. and a disturbance force suppression unit that adds or subtracts the correction amount to or from the force command,
A disturbance suppression control device having an addition point or a subtraction point at which the disturbance force suppression section adds or subtracts the correction amount from the force command after a point at which the disturbance force suppression section extracts the force command.
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