JP7360124B2 - Gantry stage control method and control device - Google Patents

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本発明は、ガントリーステージの位置を制御する方法及び装置に関する。 The present invention relates to a method and apparatus for controlling the position of a gantry stage.

工作機械、測定器、半導体装置、ディスプレイ装置などの産業用製品の製造現場にあってリニアモータステージの利用が広く行われている。リニアモータステージにおける運動精度は、製品の品質及び特性に大きな影響を及ぼすため、高精度で高速な位置決めへの要求が高まっている。リニアモータステージは、リニアモータによって移動可能であるテーブルを定盤上に配設して構成される。 Linear motor stages are widely used at manufacturing sites for industrial products such as machine tools, measuring instruments, semiconductor devices, and display devices. Since the motion accuracy of a linear motor stage has a large effect on the quality and characteristics of a product, there is an increasing demand for high-precision and high-speed positioning. A linear motor stage is constructed by disposing a table movable by a linear motor on a surface plate.

近年、例えば、ディスプレイ装置の大型化に伴って、大型で高重量の液晶パネルをリニアモータステージにて搬送することが必要となってきている。そこで、大きな推力を得て高重量の製品を支持搬送できるように、平行配置した2つの直動機構を用いて製品の搬送を行うガントリーステージ、即ち、平行に設置された2つのリニアモータステージを連結用のテーブルで接続した構成をなすガントリーステージが使用されている。 In recent years, for example, as display devices have become larger, it has become necessary to transport large and heavy liquid crystal panels using linear motor stages. Therefore, in order to obtain a large thrust and support and transport heavy products, we have developed a gantry stage that transports products using two linear motion mechanisms arranged in parallel, that is, two linear motor stages arranged in parallel. A gantry stage is used that is connected by a connecting table.

特開2008-221444号公報Japanese Patent Application Publication No. 2008-221444 特許第5574762号公報Patent No. 5574762

一般的なリニアモータステ-ジの制御には、従来より、設計・調整が簡単で扱いやすいPID制御が精密機構に広く用いられているが、近年の厳しい要求性能を達成することが難しく、利便性を維持しつつ高い性能を実現できる制御方法が求められている。 Conventionally, PID control, which is easy to design and adjust and is easy to handle, has been widely used in precision mechanisms to control general linear motor stages. There is a need for a control method that can achieve high performance while maintaining performance.

高精度な位置決めが必要な場合、十分な剛性を有する定盤に固定することが一般的であるが、高加速度運動の必要性が年々高まり、定盤を含めた装置全体の振動問題が顕在化しており、その抑制が重要な課題となっている。定盤などに起因する振動を抑制する方法としては、大質量の定盤と高剛性の支柱との組み合わせに加え、アクチュエータを組み込んだアクティブ除振装置または反力補償装置を利用する方法がある。しかしながら、装置が大型化しコストが上昇するという問題があるため、それを許容する機構にしか利用できない。そこで、制御的な対策として、現在主流であるPID制御に変わる、アドバンスド制御(スライディングモード制御または外乱オブザーバを利用したロバスト制御など)を用いた制御が行われている。しかし、モデリングを事前に求める労力を必要とし、基礎となる制御理論の十分な知識も必要となるなど、普及しきれていない。 When high-precision positioning is required, it is common to fix it to a surface plate with sufficient rigidity, but as the need for high-acceleration motion increases year by year, vibration problems of the entire device, including the surface plate, have become apparent. Therefore, its suppression has become an important issue. As a method of suppressing vibrations caused by a surface plate, etc., there is a method of using an active vibration isolator or a reaction force compensator incorporating an actuator, in addition to a combination of a large-mass surface plate and a highly rigid column. However, since there is a problem that the device becomes larger and the cost increases, it can only be used in a mechanism that allows this. Therefore, as a control measure, control using advanced control (sliding mode control, robust control using a disturbance observer, etc.) is being performed in place of the currently mainstream PID control. However, it has not become widespread because it requires a lot of effort to perform modeling in advance and requires sufficient knowledge of the underlying control theory.

また、ガントリーステージでは、平行配置した2つの直動機構を精密に同期制御することが求められているため、従来技術では、クロスカップリングコントローラのような2軸の連係動作を担う制御要素が制御系に組み込まれている例もある。 In addition, in gantry stages, it is required to precisely synchronize control of two linear motion mechanisms arranged in parallel, so in conventional technology, control elements such as cross-coupling controllers that are responsible for coordinated movement of two axes are used to control There are also examples where it is incorporated into the system.

ところで、高精度及び扱いやすさを両立する制御系設計法として、簡単な開ループ実験とコントローラのパラメータ調整とから高精度位置決め制御系を設計することができるNCTF(Nominal Characteristic Trajectory Following) 制御法が知られている。しかし、このNCTF制御法にあっても、顕在化する振動問題は解決されていないことが実情である。 By the way, as a control system design method that achieves both high accuracy and ease of use, the NCTF (Nominal Characteristic Trajectory Following) control method is used to design a high-precision positioning control system from simple open-loop experiments and controller parameter adjustment. Are known. However, even with this NCTF control method, the actual situation is that the vibration problem that has become apparent has not been solved.

本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、設計の流れ、制御器の調整が容易であり、制御理論に関する特別な知識を必要とせずに、高精度で高速な位置決めを可能とする、NCTF制御法に基づくガントリーステージの制御方法及び制御装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and allows for easy design flow and controller adjustment, and enables high-accuracy and high-speed positioning without requiring special knowledge of control theory. , an object of the present invention is to provide a gantry stage control method and control device based on the NCTF control method.

本発明の他の目的は、定盤振動が定盤・テーブル間の相対変位に及ぼす影響が低減し、定盤に対するテーブルの剛性を向上して、定盤振動にテーブルが追従することで相対変位には定盤振動の影響が現れず、テーブルのヨーイング(回転方向の揺れ)に伴う振動も抑制できる、NCTF制御法に基づくガントリーステージの制御方法及び制御装置を提供することにある。 Another object of the present invention is to reduce the influence of surface plate vibration on the relative displacement between the surface plate and the table, improve the rigidity of the table with respect to the surface plate, and reduce the relative displacement by allowing the table to follow the surface plate vibration. It is an object of the present invention to provide a control method and a control device for a gantry stage based on the NCTF control method, which is not affected by surface plate vibration and can also suppress vibrations caused by table yawing (swing in the rotational direction).

本発明に係るガントリーステージの制御方法は、平行配置した2つのリニアモータを介して定盤にテーブルが設置されているガントリーステージの位置を制御する方法であって、前記リニアモータへの入力信号を用いた開ループ実験より得られる規範特性軌跡に基づくNCTF制御を用いて、前記定盤の振動に前記テーブルを追従させ、前記定盤の振動に前記テーブルを追従させる過程で発生する高周波振動を抑制する制御を、前記2つのリニアモータ夫々に独立して行うことを特徴とする。 A gantry stage control method according to the present invention is a method for controlling the position of a gantry stage, in which a table is installed on a surface plate, via two linear motors arranged in parallel, and in which input signals to the linear motors are The table is made to follow the vibration of the surface plate using NCTF control based on the reference characteristic locus obtained from the open-loop experiment using the method, and high-frequency vibrations that occur in the process of making the table follow the vibration of the surface plate are suppressed. The present invention is characterized in that the control is performed independently for each of the two linear motors.

本発明に係るガントリーステージの制御装置は、平行配置した2つのリニアモータを介して定盤にテーブルが設置されているガントリーステージの位置を制御する装置であって、前記リニアモータへの入力信号を用いた開ループ実験より得られる規範特性軌跡に基づく制御を行うNCTF制御系と、前記定盤の振動に前記テーブルを追従させる第1制御部と、前記定盤の振動に前記テーブルを追従させる過程で発生する高周波振動を抑制する第2制御部とを備える制御システムを、前記2つのリニアモータ夫々に独立して設けてあることを特徴とする。 A gantry stage control device according to the present invention is a device that controls the position of a gantry stage in which a table is installed on a surface plate via two linear motors arranged in parallel, and which inputs an input signal to the linear motors. an NCTF control system that performs control based on a reference characteristic locus obtained from an open-loop experiment, a first control unit that causes the table to follow the vibrations of the surface plate, and a process that causes the table to follow the vibrations of the surface plate. The linear motor is characterized in that a control system including a second control section for suppressing high-frequency vibrations generated in the linear motor is independently provided for each of the two linear motors.

本発明にあっては、NCTF制御を利用するとともに定盤の振動にテーブルを追従させ、定盤の振動にテーブルを追従させる過程で発生する高周波振動を抑制する。また、このような制御を、2つのリニアモータに対して独立的に行って、ガントリー化によるテーブルのヨーイングに伴う振動を抑制する。よって、ガントリーステージにおける高精度で高速な位置決めがなされる。 In the present invention, NCTF control is utilized, the table is made to follow the vibration of the surface plate, and high frequency vibrations generated in the process of making the table follow the vibration of the surface plate are suppressed. Further, such control is performed independently on the two linear motors to suppress vibrations caused by yawing of the table due to the gantry. Therefore, highly accurate and high-speed positioning on the gantry stage is achieved.

本発明に係るガントリーステージの制御方法は、前記NCTF制御にフィードフォワード制御を加えることを特徴とする。 The gantry stage control method according to the present invention is characterized in that feedforward control is added to the NCTF control.

本発明に係るガントリーステージの制御装置は、前記NCTF制御系にフィードフォワード制御を加えるフィードフォワード制御器を更に備えることを特徴とする。 The gantry stage control device according to the present invention is characterized in that it further includes a feedforward controller that applies feedforward control to the NCTF control system.

本発明にあっては、学習制御を利用したフィードフォワード制御をNCTF制御に加える。よって、より高精度で高速な位置決めがなされる。 In the present invention, feedforward control using learning control is added to NCTF control. Therefore, positioning can be performed with higher precision and higher speed.

本発明に係るガントリーステージの制御装置は、前記第1制御部は後述する式(3)で表される伝達関数を有するバンドパスフィルタであることを特徴とする。 The gantry stage control device according to the present invention is characterized in that the first control section is a bandpass filter having a transfer function expressed by equation (3) described below.

本発明にあっては、第1制御部が後述する式(3)で表される伝達関数を有するバンドパスフィルタである。よって、制御系の構成がより簡素化する。 In the present invention, the first control section is a bandpass filter having a transfer function expressed by equation (3) described later. Therefore, the configuration of the control system is further simplified.

本発明に係るガントリーステージの制御装置は、前記第2制御部は微分器であることを特徴とする。 The gantry stage control device according to the present invention is characterized in that the second control section is a differentiator.

本発明にあっては、第2制御部が微分器である。よって、制御系の構成がより簡素化する。 In the present invention, the second control section is a differentiator. Therefore, the configuration of the control system is further simplified.

本発明のガントリーステージの制御方法及び制御装置では、設計の流れ、制御器の調整が容易であり、制御理論の十分な知識を必要とせずに、高精度で高速な位置決めを実現することができる。定盤の振動にテーブルを追従させるので、定盤に対するテーブルの相対運動は定盤の振動の影響を受けることがなくなり、テーブルの定盤に対する相対的な位置決めを短時間で完了することができる。また、2つのリニアモータ夫々に対して独立的に制御を行うので、ガントリー化に伴うテーブルのヨーイングの影響をなくすことができる。 With the gantry stage control method and control device of the present invention, the design flow and controller adjustment are easy, and high-accuracy and high-speed positioning can be achieved without requiring sufficient knowledge of control theory. . Since the table follows the vibration of the surface plate, the relative movement of the table with respect to the surface plate is not affected by the vibration of the surface plate, and the relative positioning of the table with respect to the surface plate can be completed in a short time. Furthermore, since each of the two linear motors is controlled independently, it is possible to eliminate the influence of yawing of the table due to the use of a gantry.

NCTF制御系の一般的な構成を示すブロック線図である。FIG. 2 is a block diagram showing a general configuration of an NCTF control system. 本発明の制御に用いる基本の制御系を示すブロック線図である。FIG. 2 is a block diagram showing a basic control system used for control of the present invention. リニアモータステージの力学的な微視的モデルを示す図である。FIG. 3 is a diagram showing a dynamic microscopic model of a linear motor stage. NCTF制御系に制御器B(s)を追加した制御系を示すブロック線図である。FIG. 2 is a block diagram showing a control system in which a controller B(s) is added to the NCTF control system. 制御器F(s)の配置を示すブロック線図である。FIG. 2 is a block diagram showing the arrangement of a controller F(s). NCTF制御系に制御器F(s)を追加した制御系の一例を示すブロック線図である。FIG. 2 is a block diagram illustrating an example of a control system in which a controller F(s) is added to the NCTF control system. NCTF制御系に制御器F(s)を追加した制御系の他の例を示すブロック線図である。FIG. 3 is a block diagram showing another example of a control system in which a controller F(s) is added to the NCTF control system. 本発明における制御方法及び制御装置が適用されるガントリーステージの構成を示す概略図である。1 is a schematic diagram showing the configuration of a gantry stage to which a control method and a control device according to the present invention are applied. ガントリーステージの重心位置制御を目的とした制御系を示すブロック線図である。FIG. 2 is a block diagram showing a control system for controlling the center of gravity position of a gantry stage. ガントリーステージの重心位置制御及びヨーイングに伴う振動の抑制を目的とした本発明の実施の形態としての制御系を示すブロック線図である。FIG. 2 is a block diagram showing a control system as an embodiment of the present invention, which aims to control the center of gravity position of a gantry stage and suppress vibrations caused by yawing. テーブルのヨーイングの有無を示す図である。It is a figure which shows the presence or absence of yawing of a table. 図9に示す制御系及び図10に示す制御系における両プラント(リニアモータ)間の位置偏差を示すグラフである。11 is a graph showing a positional deviation between both plants (linear motors) in the control system shown in FIG. 9 and the control system shown in FIG. 10. フィードフォワード制御器FFtiv(t)を組み込んだ本発明の他の実施の形態における制御系を示すブロック線図である。FIG. 7 is a block diagram showing a control system in another embodiment of the present invention incorporating a feedforward controller FF tiv (t).

以下、本発明をその実施の形態を示す図面に基づいて詳述する。 DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The present invention will be described in detail below based on drawings showing embodiments thereof.

まず、本発明の基礎となるフィードバック制御系としてのNCTF制御系について、簡単に説明する。図1は、NCTF制御系の一般的な構成を示すブロック線図である。 First, the NCTF control system as a feedback control system that is the basis of the present invention will be briefly explained. FIG. 1 is a block diagram showing a general configuration of an NCTF control system.

NCTF制御系にあっては、望ましい減衰特性を位相面上に表記してなる規範特性軌跡(Nominal Characteristic Trajectory:NCT)と、制御対象(プラント)の動作をNCTに拘束して、位相面上の原点で停止させるためのPI補償器とから構成される。NCTは簡単な開ループ実験より作成され、PI補償器のゲインはステップ応答及び軌跡制御実験により最適な値に決定される。そのため、NCTF制御系では、詳細なモデルパラメータを必要とせず、制御理論の知識なしでも容易にその設計が可能である。開ループ実験は、モータに矩形波の電流指令を与えて行うのが望ましい。また、その矩形波入力の大きさと時間は、テーブルが可動領域内で目標最大速度を超えて動作するように調整をするのが望ましい。 In the NCTF control system, the desired damping characteristics are expressed on the phase plane (Nominal Characteristic Trajectory: NCT), the operation of the controlled object (plant) is constrained to the NCT, and the desired damping characteristics are expressed on the phase plane. It consists of a PI compensator for stopping at the origin. The NCT is created through simple open-loop experiments, and the gain of the PI compensator is determined to an optimal value through step response and trajectory control experiments. Therefore, the NCTF control system does not require detailed model parameters and can be easily designed without knowledge of control theory. It is desirable to perform open-loop experiments by giving a rectangular wave current command to the motor. It is also desirable to adjust the magnitude and duration of the rectangular wave input so that the table moves within the movable region above the target maximum speed.

まず、矩形波信号を用いて制御対象を実際に加減速運動させる開ループ実験を行って、制御対象(プラント)の実際の動作結果を取得する。NCTは開ループ変位応答波形の減速領域を利用し、横軸を変位の最終値と過渡応答との差(仮想誤差)、縦軸をその微分として位相平面上に記述される。NCTの原点近傍ではさらに仮想誤差の微分が所定値以下となる点の傾きで直線近似を行う。 First, an open-loop experiment is conducted in which the controlled object is actually accelerated and decelerated using a rectangular wave signal, and the actual operation results of the controlled object (plant) are obtained. NCT utilizes the deceleration region of the open-loop displacement response waveform, and is described on a phase plane with the horizontal axis representing the difference (virtual error) between the final displacement value and the transient response, and the vertical axis representing the differential. Near the origin of the NCT, linear approximation is further performed using the slope of the point where the differential of the virtual error is less than or equal to a predetermined value.

続いて、PI補償器のゲインの調整を行う。比例ゲインKp は比例制御のみを使用した所定高さのステップ応答実験より決定する。また、積分ゲインKI は、三角波加速度目標値の2階積分を目標変位軌跡として、軌跡制御実験を行い、停止位置近傍での軌跡追従性能が最も良く、安定性が保たれる値に決定する。積分器には下記式(1)の条件に従う飽和条件付き積分器を用いる。 Subsequently, the gain of the PI compensator is adjusted. The proportional gain K p is determined from a step response experiment at a predetermined height using only proportional control. In addition, the integral gain K I is determined by conducting a trajectory control experiment using the second-order integral of the triangular wave acceleration target value as the target displacement trajectory, and is determined to a value that provides the best trajectory tracking performance near the stop position and maintains stability. . As the integrator, an integrator with a saturation condition that complies with the condition of equation (1) below is used.

Figure 0007360124000001
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なお、式(1)の各パラメータは、図1に示すように、up は現時点における偏差の微分値とNCT出力値との差、u0 はP制御器の出力値、ui はI制御器の出力値、Δui はui の変化率、us は増幅器に送ることが可能な操作量の最大絶対値を示す。 As shown in Figure 1, each parameter in equation (1) is as follows: u p is the difference between the differential value of the deviation at the current moment and the NCT output value, u 0 is the output value of the P controller, and u i is the I control Δu i is the rate of change of u i , and u s is the maximum absolute value of the manipulated variable that can be sent to the amplifier.

図2は、本発明の制御に用いる基本の制御系を示すブロック線図である。この制御系には、NCT、PI補償器などを有するNCTF制御系11と、第1の制御器12と、第2の制御器13と、制御対象としてのプラント14とが含まれている。NCTF制御系11に追加された第1の制御器12及び第2の制御器13が、本発明の特徴要素である。 FIG. 2 is a block diagram showing a basic control system used for control of the present invention. This control system includes an NCTF control system 11 having an NCT, a PI compensator, etc., a first controller 12, a second controller 13, and a plant 14 as a controlled object. The first controller 12 and second controller 13 added to the NCTF control system 11 are characteristic elements of the present invention.

第1の制御器12は、定盤の振動にテーブルを追従させるために設けられた制御器であり、具体的には後述する式(3)で表される伝達関数を有するバンドパスフィルタ(B(s))である。第2の制御器13は、定盤の振動にテーブルが追従する過程で発生する高周波振動を抑制するために設けられた制御器であり、具体的には微分器(F(s))である。 The first controller 12 is a controller provided to make the table follow the vibration of the surface plate, and specifically, the first controller 12 is a bandpass filter (B (s)). The second controller 13 is a controller provided to suppress high-frequency vibrations that occur in the process of the table following the vibrations of the surface plate, and is specifically a differentiator (F(s)). .

図2に示す制御系は、簡単な開ループ実験とコントローラのパラメータ調整とから高精度な位置決め制御系を設計することができるNCTF制御系11を基本とし、除去困難な装置架台の残留振動にテーブルが追従するための後述する式(3)で表される伝達関数を有するバンドパスフィルタ(B(s))及び高周波振動を抑制するための微分器(F(s))を追加した制御系である。 The control system shown in Fig. 2 is based on the NCTF control system 11, which allows a highly accurate positioning control system to be designed from simple open-loop experiments and controller parameter adjustments. A control system that includes a bandpass filter (B(s)) having a transfer function expressed by equation (3) described later to follow be.

以下、高速運動時に発生する定盤振動の影響を抑制し、制御性能を改善するための図2に示すような制御系の基本的な考え方とその設計手順とについて説明する。 Below, the basic concept and design procedure of a control system as shown in FIG. 2 for suppressing the influence of surface plate vibration that occurs during high-speed motion and improving control performance will be explained.

制御性能劣化要因となる定盤振動の低減に有効な制御系を検討する。テーブルが高速運動する際の定盤振動が定盤に対するテーブルの相対変位x2 -x1 に及ぼす影響を低減するための制御系検討に力学モデルを利用する。停止位置では制御対象は微視的モデルの状態にあると考えられるため、本発明の制御系は、図3に示すような微視的モデルに基づいて導出する。モデル化においては、リニアガイド及び固定子等を含む、可動部分以外のすべての部品を纏めて定盤と見なし、質量m1 の質点としている。また、リニアボールガイドには微視的領域において非線形ばね特性が存在し微小挙動に影響を与える。 We will investigate a control system that is effective in reducing surface plate vibration, which is a factor in deteriorating control performance. A dynamic model is used to study a control system to reduce the effect of surface plate vibration when the table moves at high speed on the relative displacement x 2 −x 1 of the table with respect to the surface plate. Since the controlled object is considered to be in the state of a microscopic model at the stop position, the control system of the present invention is derived based on the microscopic model as shown in FIG. In modeling, all parts other than the movable parts, including linear guides and stators, are collectively regarded as a surface plate, and are defined as a mass point of mass m 1 . Furthermore, the linear ball guide has nonlinear spring characteristics in the microscopic region, which affects microscopic behavior.

微視的領域における運動方程式は下記式(2)で表される。なお、m2 :テーブルの質量、c1 :定盤の粘性係数、c2 :非線形ばねの粘性係数、c3 :テーブルの粘性係数、k1 :定盤のばね係数、k2 :非線形ばねのばね係数、p:推力である。 The equation of motion in the microscopic region is expressed by the following equation (2). In addition, m 2 : mass of table, c 1 : viscosity coefficient of surface plate, c 2 : viscosity coefficient of nonlinear spring, c 3 : viscosity coefficient of table, k 1 : spring coefficient of surface plate, k 2 : coefficient of nonlinear spring. Spring coefficient, p: thrust.

Figure 0007360124000002
Figure 0007360124000002

高速運動時に定盤振動が位置精度の劣化要因となるのは、テーブルの高加減速運動によって定盤に振動が励起され、テーブルが停止位置に到達した後もその振動が残留して外乱的に働き、定盤に対するテーブルの相対変位に影響を及ぼすためであると考えられる。定盤とテーブルとの質量差は大きく(例えば、定盤:200kg程度、テーブル:2kg程度)、テーブルの制御によってこの残留振動を除去することは困難である。よって定盤と同じようにテーブルが揺れて、定盤に対するテーブルの相対変位に定盤振動の影響が現れないようにすることが現実的である。言い換えると定盤の振動にテーブルを追従させることが現実的である。 The reason why surface plate vibration deteriorates position accuracy during high-speed motion is that vibrations are excited in the surface plate by the table's high acceleration/deceleration motion, and even after the table reaches the stop position, the vibrations remain and cause disturbances. This is thought to be due to the effect on the relative displacement of the table with respect to the surface plate. The mass difference between the surface plate and the table is large (for example, the surface plate: about 200 kg, the table: about 2 kg), and it is difficult to remove this residual vibration by controlling the table. Therefore, it is practical to prevent the table from shaking in the same way as the surface plate and to prevent the effect of surface plate vibration from appearing on the relative displacement of the table with respect to the surface plate. In other words, it is practical to make the table follow the vibration of the surface plate.

したがって、テーブルは定盤振動の振動数で運動を行える必要があり、共振点が存在しないことが望ましい。そこで、振動数fs の目標値入力に対する追従性を向上するため、図4に示すようにNCTF制御系のPI補償器に下記式(3)で表される制御器B(s)を直列に配置し、振動数fs における剛性の向上を図る。なお、式(3)にあって、ωb :角振動数、ζ1 ,ζ2 :減衰係数である。 Therefore, the table needs to be able to move at the frequency of the surface plate vibration, and it is desirable that no resonance points exist. Therefore, in order to improve the followability of the frequency f s to the target value input, a controller B(s) expressed by the following formula (3) is connected in series to the PI compensator of the NCTF control system, as shown in Figure 4. to improve rigidity at the frequency f s . Note that in equation (3), ω b : angular frequency, ζ 1 , ζ 2 : damping coefficient.

Figure 0007360124000003
Figure 0007360124000003

制御器B(s)をPI補償器に直列に配置することにより、NCTF制御のみを用いた場合より、目標値追従性能が向上する。また、制御器B(s)を設けることにより、振動数fs のゲインが下降して外乱の影響を抑制する特性の向上を図れる。 By arranging the controller B(s) in series with the PI compensator, the target value tracking performance is improved compared to the case where only NCTF control is used. Further, by providing the controller B(s), the gain of the frequency f s decreases, thereby improving the characteristic of suppressing the influence of disturbance.

減衰係数ζ2 の値を小さく設定するほど、制御器B(s)の減衰性能の向上を期待できる。しかしながら、制御器B(s)の減衰係数ζ2 の値を小さく設定した場合には、非線形ばねに起因する、高周波振動が発生しやすくなる。 The smaller the value of the damping coefficient ζ 2 is set, the more the damping performance of the controller B(s) can be expected to improve. However, if the value of the damping coefficient ζ 2 of the controller B(s) is set to a small value, high frequency vibrations due to the nonlinear spring are likely to occur.

そこで、このような高周波振動を抑制するための制御について検討する。上記式(2)で表されるような微視的モデルの運動方程式をラプラス変換すると、下記式(4)が得られる。 Therefore, we will consider control to suppress such high-frequency vibrations. When the equation of motion of the microscopic model expressed by the above equation (2) is subjected to Laplace transform, the following equation (4) is obtained.

Figure 0007360124000004
Figure 0007360124000004

ここで簡単のために、下記式(5)のように置きかえる。 Here, for simplicity, it is replaced as shown in equation (5) below.

Figure 0007360124000005
Figure 0007360124000005

式(5)を用いて、式(4)を書き換えると下記式(6)が得られる。 By rewriting equation (4) using equation (5), the following equation (6) is obtained.

Figure 0007360124000006
Figure 0007360124000006

この伝達関数で表される機構に、図5に示すように配置することで機構の減衰特性を向上させるような制御器F(s)を検討する。制御器F(s)を含む伝達関数は、下記式(7)で表される。そして、式(7)の分母を下記式(8)のように因数分解できれば、任意に決定できるパラメータGc によって非線形ばねのパラメータを含むc2 +c3 及びk2 を調整できることになる。そのためには、制御器F(s)を下記式(9)のように設計すれば良い。 Consider a controller F(s) that improves the damping characteristics of the mechanism by arranging it as shown in FIG. 5 in the mechanism represented by this transfer function. A transfer function including the controller F(s) is expressed by the following equation (7). If the denominator of Equation (7) can be factorized as shown in Equation (8) below, c 2 +c 3 and k 2 including the parameters of the nonlinear spring can be adjusted using the arbitrarily determined parameter G c . For this purpose, the controller F(s) may be designed as shown in equation (9) below.

Figure 0007360124000007
Figure 0007360124000007

減衰性能を向上させるためには、Gc =Kc ・sとすれば、式(7)の分母は、下記式(10)のように変形でき、減衰係数を任意に設定することができる。このときの制御器F(s)の伝達関数を下記式(11)に示す。 In order to improve the damping performance, if G c =K c ·s, the denominator of equation (7) can be modified as shown in equation (10) below, and the damping coefficient can be set arbitrarily. The transfer function of the controller F(s) at this time is shown in the following equation (11).

Figure 0007360124000008
Figure 0007360124000008

このような制御器F(s)をNCTF制御系に追加したブロック線図の一例を図6に示す。図6のように制御器F(s)を局所フィードバックの位置に配置した場合には、制御器F(s)への入力が相対変位x2 -x1 となり、定盤変位x1 とテーブル変位x2 との原点は開始位置にあるため、目標値が変化する場合、制御器F(s)はテーブルの動作を妨げようとする力を出力してしまう。制御器F(s)は、テーブルを最終の停止位置に留める力、即ち最終の停止位置からの変位誤差をゼロにする力を出力しなければならないため、入力が変位誤差となるような位置に制御器F(s)を配置すべきである。この場合の制御系のブロック線図を図7に示す。 FIG. 6 shows an example of a block diagram in which such a controller F(s) is added to the NCTF control system. When the controller F(s) is placed at the local feedback position as shown in Figure 6, the input to the controller F(s) is the relative displacement x 2 - x 1 , and the surface plate displacement x 1 and the table displacement Since the origin with x 2 is at the starting position, if the target value changes, the controller F(s) will output a force that attempts to prevent the table from operating. The controller F(s) must output a force that keeps the table at the final stop position, that is, a force that makes the displacement error from the final stop position zero. A controller F(s) should be placed. A block diagram of the control system in this case is shown in FIG.

NCTF制御系に上述したような制御器B(s)及び制御器F(s)を追加したブロック線図が、前述した図2である。制御器B(s)(第1の制御器12)を追加したことにより持ち上がった高周波域のゲインを、制御器F(s)(第2の制御器13)を併用することにより、NCTF制御の場合と同程度まで下げることができる。この結果、NCTF制御系に定盤振動にテーブルを追従させる制御器B(s)を追加したことで発生しやすくなる非線形ばねに起因する高周波振動を、制御器F(s)を追加することによって抑制できる。制御器B(s)を追加することによって下がった高周波振動の減衰率が、制御器F(s)を併用することでNCTF制御系のみの場合よりも向上する。また、外乱特性については、制御器F(s)を併用した場合でも制御器B(s)の効果を維持できる。以上より、制御器F(s)を併用することで制御器B(s)の定盤振動への追従効果を損なうことなく、高周波振動の抑制効果が期待できる。図2に示す制御系にあっては、定盤の振動にテーブルを追従させる制御を行う。即ち、定盤の振動にテーブルを追従させることを制御の対象とする。よって、定盤に対するテーブルの相対運動は、定盤の振動の影響を受けることがなくなり、定盤に対するテーブルの相対的な位置決め時間が短くなる。 A block diagram in which the above-mentioned controller B(s) and controller F(s) are added to the NCTF control system is shown in FIG. 2 described above. By using the controller F(s) (second controller 13) together with the gain in the high frequency range that has been increased by adding the controller B(s) (first controller 12), the NCTF control can be increased. It can be lowered to the same level as the case. As a result, by adding controller F(s) to the NCTF control system, high-frequency vibrations caused by nonlinear springs that are likely to occur due to the addition of controller B(s) that causes the table to follow surface plate vibrations can be reduced. It can be suppressed. The attenuation rate of high-frequency vibrations, which was lowered by adding the controller B(s), is improved by using the controller F(s) in combination than in the case of only the NCTF control system. Furthermore, regarding the disturbance characteristics, even when the controller F(s) is used in combination, the effect of the controller B(s) can be maintained. From the above, by using the controller F(s) in combination, the effect of suppressing high-frequency vibrations can be expected without impairing the effect of the controller B(s) in following the surface plate vibrations. The control system shown in FIG. 2 controls the table to follow the vibrations of the surface plate. That is, the object of control is to make the table follow the vibration of the surface plate. Therefore, the relative movement of the table with respect to the surface plate is not affected by the vibration of the surface plate, and the time required for relative positioning of the table with respect to the surface plate is shortened.

制御器F(s)を併用することで高周波振動を発生することなく、減衰係数ζ2 の値を下げることができる。制御器B(s)の追加によって現れる高周波振動のピークが制御器F(s)の併用により消え、制御器F(s)による高周波振動抑制効果が得られる。 By using the controller F(s) in combination, the value of the damping coefficient ζ 2 can be lowered without generating high-frequency vibrations. The peak of high frequency vibration that appears due to the addition of the controller B(s) disappears by the combined use of the controller F(s), and the high frequency vibration suppressing effect of the controller F(s) is obtained.

ところで、式(11)で表される制御器F(s)を設計するためには、パラメータk1 ,k2 ,c1 ,c2 +c3,m1 +m2 を同定する必要がある。ここで、k1 は開ループ実験から推定することができ、機構の質量m1 ,m2 は既知であると考えても、残りのパラメータの同定には手間がかかるため、制御系の簡単な設計を行えない事態も考えられる。 By the way, in order to design the controller F(s) expressed by equation (11), it is necessary to identify parameters k 1 , k 2 , c 1 , c 2 +c 3 , m 1 +m 2 . Here, k 1 can be estimated from an open-loop experiment, and even if we assume that the masses m 1 and m 2 of the mechanism are known, it takes time to identify the remaining parameters. There may also be situations where the design cannot be carried out.

そこで、以下のようにして、高周波振動抑制のための制御器F(s)の簡素化を図る。式(7)より、制御器F(s)を局所フィードバックに持つ機構の伝達関数は、下記式(12)で表される。 Therefore, the controller F(s) for suppressing high frequency vibrations is simplified as follows. From equation (7), the transfer function of the mechanism having local feedback with controller F(s) is expressed by equation (12) below.

Figure 0007360124000009
Figure 0007360124000009

本発明で用いるリニアモータステ-ジは比較的簡素な定盤の上に設置されているが、それでもテーブルを含むステージ可動部の質量に対して可動部を除く装置の質量は非常に大きく、m1 >>m2 の関係が成り立つと言える。この条件を満たす場合、m2 の項を無視することにより、式(12)の第1項に含まれる分数部分は下記式(13)のように近似できる。このとき、式(12)は下記式(14)で表される。 Although the linear motor stage used in the present invention is installed on a relatively simple surface plate, the mass of the device excluding the movable part is still very large compared to the mass of the stage movable part including the table. It can be said that the relationship 1 >> m 2 holds true. When this condition is satisfied, the fractional part included in the first term of equation (12) can be approximated as shown in equation (13) below by ignoring the term m 2 . At this time, equation (12) is expressed by equation (14) below.

Figure 0007360124000010
Figure 0007360124000010

従って、減衰性能を向上するためには、制御器F(s)は下記式(15)を満たせば良い。この場合の簡単化された制御器F(s)を式(11)と区別するためにFd (s)とする。
d (s)=Kc ・s (15)
Therefore, in order to improve the damping performance, the controller F(s) only needs to satisfy the following equation (15). The simplified controller F(s) in this case is designated as F d (s) to distinguish it from Equation (11).
F d (s)=K c・s (15)

このように、m1 >>m2 の条件を満たす場合には式(11)の第2項が省略可能であるため、パラメータは減衰性能調整のためのゲインであるKc のみを決定すれば良く、各種のモデルパラメータを同定する必要がない。このような場合でも、高周波振動の抑制効果は失われない。 In this way, if the condition of m 1 >>m 2 is satisfied, the second term of equation (11) can be omitted, so the only parameter that needs to be determined is K c , which is the gain for adjusting the damping performance. Good, there is no need to identify various model parameters. Even in such a case, the effect of suppressing high frequency vibrations is not lost.

図2に示した制御系を使用して、以下の順序にて設計、調整を行う。
(ステップ1:NCTF制御系11の設計及び問題となる振動周波数fs の特定)
まず、前述した手順で基礎となるNCTF制御系(図1参照)の設計を行う。また、NCT作成のために行う開ループ実験で得られる変位波形及び速度波形を例えばFFT解析することにより、高速運動時に問題となる振動周波数fs を実験的に特定する。
Using the control system shown in FIG. 2, design and adjustment are performed in the following order.
(Step 1: Design of NCTF control system 11 and identification of problematic vibration frequency f s )
First, the basic NCTF control system (see FIG. 1) is designed using the procedure described above. Further, by performing, for example, FFT analysis on the displacement waveform and velocity waveform obtained in an open-loop experiment performed for NCT creation, the vibration frequency f s that becomes a problem during high-speed motion is experimentally identified.

(ステップ2:定盤振動にテーブルを追従させる制御器B(s)の設計・調整)
ステップ1で特定した振動を抑制するためにNCTF制御系のPI補償器に直列に配置する制御器B(s)(図4参照)の設計、調整を行う。制御器B(s)の各パラメータの設定法を以下に示す。
(a)ωb
制御器B(s)は周波数fb =ωb /2πにおけるPI補償器の出力を増幅させるため、ステップ1で特定した問題となる周波数fsとfb とを一致させてωb =2πfs と設定する。
(b)ζ1 とζ2
制御器B(s)はζ1 とζ2 との差が大きいほど周波数fb における増幅率が大きく、振動抑制効果を期待できる。しかし、ζ2 を下げすぎると新たに高周波振動が発生してしまう恐れがあるため、新たな振動が発生しない範囲内で、定盤振動の影響を十分に抑制することができるようにζ1 とζ2 との値を調整する必要がある。そのため例えばζ1 =0.9に設定し、ζ2 (<ζ1 )の値を徐々に下げながら制御実験を行って適切な増幅率が得られるように調整する。なお、本明細書においてはζ1 =0.9に設定した。ζ1 =0.9は本制御法における有力値(好ましい値)の一つであるが、この値に限定されるものではなく、適用される制御系の仕様に合わせてζ1 の値は適宜設定すればよい。
(Step 2: Design and adjustment of controller B(s) that makes the table follow the surface plate vibration)
In order to suppress the vibration identified in step 1, a controller B(s) (see FIG. 4) placed in series with the PI compensator of the NCTF control system is designed and adjusted. The method of setting each parameter of the controller B(s) is shown below.
(a) ω b
In order to amplify the output of the PI compensator at the frequency f bb /2π, the controller B(s) matches the problematic frequency f s identified in step 1 with f b and sets ω b =2πf s and set.
(b) ζ 1 and ζ 2
The controller B(s) has a larger amplification factor at the frequency f b as the difference between ζ 1 and ζ 2 becomes larger, and a vibration suppressing effect can be expected. However, if ζ 2 is lowered too much, there is a risk that new high-frequency vibrations will occur, so ζ 1 and It is necessary to adjust the value with ζ 2 . Therefore, for example, ζ 1 =0.9 is set, and control experiments are performed while gradually lowering the value of ζ 2 (<ζ 1 ) to obtain an appropriate amplification factor. Note that in this specification, ζ 1 is set to 0.9. Although ζ 1 =0.9 is one of the possible values (preferred values) in this control method, it is not limited to this value, and the value of ζ 1 can be changed as appropriate according to the specifications of the applied control system. Just set it.

(ステップ3:高周波振動抑制用の制御器F(s)の設計・調整)
ステップ2で十分なテーブルの定盤振動への追従効果が得られる前に新たな高周波振動が発生してしまう場合あるいは既に高周波振動が発生している場合には、制御器F(s)を更に追加する(図2参照)。簡単化したF(s)は微分器Fd (s)であり、調整するパラメータはゲインKc のみである。Kc を徐々に上げていき、高周波振動を抑制できる適切なKc に調整する。
(Step 3: Design and adjustment of controller F(s) for high frequency vibration suppression)
If a new high-frequency vibration occurs before a sufficient follow-up effect of the table surface plate vibration is obtained in step 2, or if high-frequency vibration has already occurred, the controller F(s) should be adjusted further. Add (see Figure 2). The simplified F(s) is a differentiator F d (s), and the only parameter to be adjusted is the gain K c . Gradually increase K c and adjust to an appropriate K c that can suppress high-frequency vibrations.

(ステップ4:制御器F(s)(微分器Fd (s))の再設計)
制御器F(s)(微分器Fd (s))を追加してそのパラメータを調整することにより、高周波振動の発生が抑制されて、制御器B(s)のζ2 をさらに下げることができる。目標性能を達成するまで、再度ζ2 を調整する。
(Step 4: Redesign of controller F(s) (differentiator F d (s)))
By adding the controller F(s) (differentiator F d (s)) and adjusting its parameters, the occurrence of high-frequency vibrations can be suppressed, and ζ 2 of the controller B(s) can be further lowered. can. Adjust ζ 2 again until the target performance is achieved.

以上の4つのステップを順次実行することにより、高速運動時の振動抑制のための制御系の設計・調整は完了する。 By sequentially executing the above four steps, the design and adjustment of the control system for vibration suppression during high-speed motion is completed.

以下、上述したような、NCTF制御系に制御器B(s)及び制御器F(s)を追加した制御系を用いてガントリーステージを制御する形態について説明する。 Hereinafter, a mode in which the gantry stage is controlled using a control system in which a controller B(s) and a controller F(s) are added to the NCTF control system as described above will be described.

図8は、本発明における制御方法及び制御装置が適用されるガントリーステージの構成を示す概略図である。図8において、1は定盤であり、定盤1は複数の脚部1aを有し、アジャスター1bで接地されている。定盤1上には、例えば電磁石である可動子と永久磁石からなる固定子とを有するコアレスリニアモータである2つのリニアモータ2a,2bが平行に設けられている。2つのリニアモータ2a,2bに跨る態様で、連結用のテーブル3が設けられ、テーブル3は各リニアモータ2a,2bの可動子に固着されている。テーブル3上に搬送対象の製品が載置され、テーブル3は、2つのリニアモータ2a,2bによって、可動子と一体に移動する。 FIG. 8 is a schematic diagram showing the configuration of a gantry stage to which the control method and control device of the present invention are applied. In FIG. 8, 1 is a surface plate, and the surface plate 1 has a plurality of legs 1a and is grounded by an adjuster 1b. On the surface plate 1, two linear motors 2a and 2b, which are coreless linear motors having, for example, a mover that is an electromagnet and a stator that is a permanent magnet, are provided in parallel. A connecting table 3 is provided so as to straddle the two linear motors 2a, 2b, and the table 3 is fixed to the mover of each linear motor 2a, 2b. A product to be transported is placed on a table 3, and the table 3 is moved together with a movable member by two linear motors 2a and 2b.

図9は、ガントリーステージの重心位置制御を目的とした制御系を示すブロック線図であり、図10は、ガントリーステージの重心位置制御及びヨーイングに伴う振動の抑制を目的とした本発明の実施の形態としての制御系を示すブロック線図である。図9及び図10にあって、図2と同様の要素には同一符号を付して説明を省略する。図9及び図10に示す制御系は、ガントリーステージに対応して制御対象である2つのプラント14a,14bが存在し、加算器21及び1/2器22を備えている。また、図9に示す制御系は、更に制御器23を備えている。 FIG. 9 is a block diagram showing a control system aimed at controlling the center of gravity position of the gantry stage, and FIG. 10 is a block diagram showing the implementation of the present invention aimed at controlling the center of gravity position of the gantry stage and suppressing vibrations caused by yawing. It is a block diagram showing a control system as a form. In FIGS. 9 and 10, elements similar to those in FIG. 2 are denoted by the same reference numerals, and explanations thereof will be omitted. The control system shown in FIGS. 9 and 10 includes two plants 14a and 14b to be controlled corresponding to the gantry stage, and includes an adder 21 and a 1/2 unit 22. Further, the control system shown in FIG. 9 further includes a controller 23.

図9に示す例では、2つのプラント14a,14b(リニアモータ2a,2b)に共通した図2に示す構成をなす1つの制御系にて制御を行っている。図9に示す制御系では、制御器23を用いて、各軸の変位差xs1-xs2の微分を局所フィードバックする構成としている。また、各リニアモータ2a,2bのエンコーダ出力の平均値より算出される連結用のテーブル3の中心変位xc (=((xs1+xs2)/2)が目標値xrを追従するように制御を行う。そのため、各プラント14a,14bへの指令値は同じである。ガントリーステージの重心位置制御を行う場合には、図9に示す制御系で十分であるが、ヨーイングが大きいときには精度良い位置制御を行えないことがある。 In the example shown in FIG. 9, the two plants 14a, 14b (linear motors 2a, 2b) are controlled by one control system having the configuration shown in FIG. 2 common to them. In the control system shown in FIG. 9, a controller 23 is used to locally feed back the differential of the displacement difference x s1 -x s2 of each axis. Also, the center displacement x c (=(x s1 + x s2 )/2) of the connection table 3 calculated from the average value of the encoder output of each linear motor 2a, 2b follows the target value x r . Therefore, the command value to each plant 14a, 14b is the same.When controlling the center of gravity position of the gantry stage, the control system shown in FIG. 9 is sufficient, but when the yawing is large, the control system shown in FIG. Position control may not be possible.

これに対して、図10に示す実施の形態では、2つのプラント14a,14b(リニアモータ2a,2b)毎に図2に示す構成をなす1つの制御系を設けて、各プラント14a,14b毎に独立して制御を行っている。それぞれの軸用に設けたエンコーダをフィードバックして位置制御を行い、それぞれに独立して制御されたxs1及びxs2の平均値(=((xs1+xs2)/2)を出力xc としている。 On the other hand, in the embodiment shown in FIG. 10, one control system having the configuration shown in FIG. 2 is provided for each of the two plants 14a, 14b (linear motors 2a, 2b), and are independently controlled. Position control is performed by feeding back encoders provided for each axis, and the average value (=((x s1 + x s2 )/2) of x s1 and x s2 that are independently controlled is used as the output x c . There is.

ガントリーステージの制御においては、ガントリー化によって連結用のテーブル3のヨーイングによる新たな振動の発生を考慮する必要がある。図11A,Bはテーブル3のヨーイングの有無を示す図であり、図11Aはヨーイングが生じていない状態を表し、図11Bはヨーイングが生じている状態を表している。図11A,Bにおける白抜矢符はテーブル3(可動子)の進行方向を示し、図11Bにおける矢符はテーブル3のヨーイング方向を示している。 In controlling the gantry stage, it is necessary to consider the generation of new vibrations due to the yawing of the connecting table 3 due to the gantry. 11A and 11B are diagrams showing the presence or absence of yawing of the table 3. FIG. 11A shows a state in which yawing does not occur, and FIG. 11B shows a state in which yawing occurs. The white arrows in FIGS. 11A and 11B indicate the traveling direction of the table 3 (mover), and the arrows in FIG. 11B indicate the yawing direction of the table 3.

図9に示す制御系と図10に示す制御系(実施の形態)との制御性能の比較について説明する。図12は、図9に示す制御系及び図10に示す制御系における両プラント14a,14b(リニアモータ2a,2b)間の位置偏差を示すグラフである。図12にあって、横軸は制御開始からの時間[秒]を示し、縦軸は位置偏差xs1-xs2[μm]を示している。また、図12にあって、(a)は図9に示す制御系における結果、(b)は図10に示す制御系(実施の形態)における結果を表している。 A comparison of control performance between the control system shown in FIG. 9 and the control system (embodiment) shown in FIG. 10 will be described. FIG. 12 is a graph showing the positional deviation between both plants 14a, 14b (linear motors 2a, 2b) in the control system shown in FIG. 9 and the control system shown in FIG. In FIG. 12, the horizontal axis shows the time [seconds] from the start of control, and the vertical axis shows the positional deviation x s1 −x s2 [μm]. Moreover, in FIG. 12, (a) shows the results in the control system shown in FIG. 9, and (b) shows the results in the control system (embodiment) shown in FIG.

図9に示す制御系にあっては、定盤1の振動、及び、テーブル3の高周波振動は十分に抑制できているが、テーブル3のヨーイングに伴う振動は抑制できていない。これに対して、図10に示す制御系(実施の形態)では、定盤1の振動、及び、テーブル3の高周波振動は勿論のこと、テーブル3のヨーイングに伴う振動も十分に抑制できている。図10に示す実施の形態の制御系にあっては、両プラント14a,14b(リニアモータ2a,2b)が、それぞれ各軸用に設けたエンコーダをフィードバックし、独立的に位置制御するようにしているので、ヨーイング方向の振動を抑制しながら重心位置の位置制御を行うことが可能である。 In the control system shown in FIG. 9, the vibrations of the surface plate 1 and the high frequency vibrations of the table 3 can be sufficiently suppressed, but the vibrations accompanying the yawing of the table 3 cannot be suppressed. In contrast, in the control system (embodiment) shown in FIG. 10, not only the vibration of the surface plate 1 and the high-frequency vibration of the table 3, but also the vibration accompanying the yawing of the table 3 can be sufficiently suppressed. . In the control system of the embodiment shown in FIG. 10, both plants 14a and 14b (linear motors 2a and 2b) feed back encoders provided for each axis, and perform position control independently. Therefore, it is possible to control the position of the center of gravity while suppressing vibration in the yawing direction.

上記の実施の形態では、上述したように設計、調整した図2に示す構成をなす2つの制御系を使用して独立制御を行う制御系(図10参照)を用いることにより、所望の目標整定時間(例えば150ms)以内で、所望の目標整定幅内(例えば±50nm)に位置を収束させることができた。 In the above embodiment, the desired target setting is achieved by using a control system (see FIG. 10) that performs independent control using two control systems having the configuration shown in FIG. 2, designed and adjusted as described above. It was possible to converge the position within a desired target settling width (for example, ±50 nm) within a time (for example, 150 ms).

上述したような実施の形態におけるフィードバック制御にフィードフォワード制御を組み込んだ本発明の他の実施の形態について、以下に説明する。この実施の形態は、NCTF制御系にフィードフォワード制御器を加えたものである。 Other embodiments of the present invention in which feedforward control is incorporated into the feedback control in the embodiments described above will be described below. This embodiment adds a feedforward controller to the NCTF control system.

停止位置到達までの軌跡追従性能を向上させるため、学習制御を利用してフィードフォワード制御器の設計を行う。フィードバック制御器の出力を評価指標とし、所定の運動を繰り返し行ってこの出力を0に収束させるように学習する。複数回の学習を繰り返して、追従誤差が十分小さくなったときの学習制御器の出力からフィードフォワード制御器を設計する。 In order to improve trajectory tracking performance until reaching the stop position, we design a feedforward controller using learning control. Using the output of the feedback controller as an evaluation index, learning is performed so that the output converges to zero by repeatedly performing a predetermined movement. A feedforward controller is designed based on the output of the learning controller when the tracking error becomes sufficiently small by repeating learning multiple times.

図13は、フィードフォワード制御器を組み込んだ本発明の他の実施の形態における制御系を示すブロック線図である。図13にあって、図10と同様の要素には同一符号を付して説明を省略する。図13に示す制御系は、図10に示す制御系にフィードフォワード制御器31を追加した構成をなし、フィードバック制御及びフィードフォワード制御を行う制御系である。図13におけるフィードフォワード制御器31は、上述したような学習制御に基づいて設計された制御器である。 FIG. 13 is a block diagram showing a control system in another embodiment of the present invention incorporating a feedforward controller. In FIG. 13, elements similar to those in FIG. 10 are denoted by the same reference numerals, and explanations thereof will be omitted. The control system shown in FIG. 13 has a configuration in which a feedforward controller 31 is added to the control system shown in FIG. 10, and is a control system that performs feedback control and feedforward control. The feedforward controller 31 in FIG. 13 is a controller designed based on learning control as described above.

フィードフォワード制御器31を追加してフィードフォワード制御を盛り込むようにしたので、停止位置近傍の軌跡追従性能を向上でき、目標変位軌跡に遅れることなく停止位置に到達する精度も改良できる。この実施の形態では、所望の目標整定時間(例えば50ms)以内で、所望の目標整定幅内(例えば±50nm)に、位置を収束させることができた。 Since the feedforward controller 31 is added to incorporate feedforward control, the trajectory tracking performance near the stop position can be improved, and the accuracy of reaching the stop position without falling behind the target displacement trajectory can also be improved. In this embodiment, the position could be converged within a desired target settling width (for example, ±50 nm) within a desired target settling time (for example, 50 ms).

開示された実施の形態は、全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上述の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。 The disclosed embodiments should be considered to be illustrative in all respects and not restrictive. The scope of the present invention is indicated by the claims rather than the above description, and it is intended that all changes within the meaning and range equivalent to the claims are included.

1 定盤
2a,2b リニアモータ
3 テーブル
11 NCTF制御系
12 第1の制御器
13 第2の制御器
14a,14b プラント
21 加算器
22 1/2器
31 フィードフォワード制御器
1 Surface plate 2a, 2b Linear motor 3 Table 11 NCTF control system 12 First controller 13 Second controller 14a, 14b Plant 21 Adder 22 1/2 unit 31 Feedforward controller

Claims (4)

平行配置した2つのリニアモータを介して定盤にテーブルが設置されているガントリーステージの位置を制御する方法であって、
前記リニアモータへの入力信号を用いた開ループ実験より得られる規範特性軌跡に基づくNCTF制御、前記定盤の振動に前記テーブルを追従させる第1の制御と、前記定盤の振動に前記テーブルを追従させる過程で発生する高周波振動を抑制する第2の制御を、前記2つのリニアモータ夫々に独立して行うとともに、
前記第1の制御を下記B(s)で表される伝達関数を有するバンドパスフィルタで行い(ω b :角振動数、ζ 1 ,ζ 2 :減衰係数)、
前記第2の制御を微分器で行う
ことを特徴とするガントリーステージの制御方法。
Figure 0007360124000011
A method for controlling the position of a gantry stage in which a table is installed on a surface plate via two linear motors arranged in parallel, the method comprising:
NCTF control based on a reference characteristic locus obtained from an open-loop experiment using an input signal to the linear motor; a first control that causes the table to follow the vibration of the surface plate; A second control for suppressing high-frequency vibrations generated in the process of making the table follow the table is independently performed on each of the two linear motors, and
The first control is performed using a bandpass filter having a transfer function represented by B(s) below (ω b : angular frequency, ζ 1 , ζ 2 : damping coefficient),
The second control is performed using a differentiator.
A gantry stage control method characterized by:
Figure 0007360124000011
前記NCTF制御にフィードフォワード制御を加えることを特徴とする請求項1に記載のリニアモータステージの制御方法。 2. The method of controlling a linear motor stage according to claim 1, further comprising adding feedforward control to said NCTF control. 平行配置した2つのリニアモータを介して定盤にテーブルが設置されているガントリーステージの位置を制御する装置であって、
前記リニアモータへの入力信号を用いた開ループ実験より得られる規範特性軌跡に基づく制御を行うNCTF制御系と、前記定盤の振動に前記テーブルを追従させる第1制御部と、前記定盤の振動に前記テーブルを追従させる過程で発生する高周波振動を抑制する第2制御部とを備える制御システムを、
前記2つのリニアモータ夫々に独立して設けてあり、
前記第1制御部は下記B(s)で表される伝達関数を有するバンドパスフィルタであり(ω b :角振動数、ζ 1 ,ζ 2 :減衰係数)、
前記第2制御部は微分器である
ことを特徴とするガントリーステージの制御装置。
Figure 0007360124000012
A device that controls the position of a gantry stage in which a table is installed on a surface plate via two linear motors arranged in parallel,
an NCTF control system that performs control based on a reference characteristic locus obtained from an open-loop experiment using an input signal to the linear motor; a first control section that causes the table to follow vibrations of the surface plate; A control system comprising: a second control unit that suppresses high-frequency vibrations generated in the process of causing the table to follow vibrations;
provided independently for each of the two linear motors ,
The first control unit is a bandpass filter having a transfer function represented by B(s) below (ω b : angular frequency, ζ 1 , ζ 2 : damping coefficient),
The second control section is a differentiator.
A gantry stage control device characterized by:
Figure 0007360124000012
前記NCTF制御系にフィードフォワード制御を加えるフィードフォワード制御器を更に備えることを特徴とする請求項3に記載のガントリーステージの制御装置。 The gantry stage control device according to claim 3, further comprising a feedforward controller that applies feedforward control to the NCTF control system.
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佐藤海二,外2名,"2慣性系のための実用的な位置決め制御方法と制御性能",2002年度精密工学会秋期大会学術講演会講演論文集 p.245

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