JPH0750417B2 - Position control device using piezoelectric actuator - Google Patents

Position control device using piezoelectric actuator

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JPH0750417B2
JPH0750417B2 JP2197687A JP2197687A JPH0750417B2 JP H0750417 B2 JPH0750417 B2 JP H0750417B2 JP 2197687 A JP2197687 A JP 2197687A JP 2197687 A JP2197687 A JP 2197687A JP H0750417 B2 JPH0750417 B2 JP H0750417B2
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piezoelectric actuator
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、半導体製造における露光装置の位置決め、レ
ーザ光学部品の超精密加工機械、精密で且つ高速応答の
ピストン旋盤など、一般に超精密加工と呼ばれる分野に
用いられる圧電アクチュエータを用いた位置制御装置に
関する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Industrial field of application] The present invention is generally applicable to ultra-precision machining such as positioning of an exposure apparatus in semiconductor manufacturing, ultra-precision machining machine for laser optical parts, and precise and high-speed response piston lathe. The present invention relates to a position control device using a piezoelectric actuator used in a called field.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

第6図は微小変位制御系をフィードバック制御系として
実現した従来の例を示す図、第7図は第6図に示すフィ
ードバック制御系のブロック線図、第8図はフィードバ
ック制御系の根軌跡を示す図、第9図は圧電素子を使っ
た微小変位工具台の例を示す図である。
FIG. 6 is a diagram showing a conventional example in which a small displacement control system is realized as a feedback control system, FIG. 7 is a block diagram of the feedback control system shown in FIG. 6, and FIG. 8 shows a root locus of the feedback control system. FIG. 9 and FIG. 9 are diagrams showing an example of a micro-displacement tool base using a piezoelectric element.

従来、微小変位制御系をフィードバック制御系として実
現した例に、第6図に示すような制御系(内野著・圧電
/電歪アクチュエータ、森北出版、1985年、P123、図6.
17)がある。このフィードバック制御系において、印加
電圧Eは、目標値eiと位置信号eoとの差の積分値として
与えられる。このフィードバック制御系をブロック線図
で表したものが第7図であり、圧電アクチュエータとあ
るブロックがアクチュエータと質量とで構成される機械
振動系の伝達関数である。ここで、ζは、電歪アクチュ
エータの減衰を表すパラメータである。
A control system as shown in Fig. 6 (Piezoelectric / electrostrictive actuator by Uchino, Morikita Shuppan, 1985, P123, Fig. 6.
17) In this feedback control system, the applied voltage E is given as an integral value of the difference between the target value e i and the position signal e o . A block diagram of this feedback control system is shown in FIG. 7. A transfer function of a mechanical vibration system in which a piezoelectric actuator and a certain block are composed of an actuator and a mass is shown. Here, ζ is a parameter representing the damping of the electrostrictive actuator.

また、圧電素子を使った微小変位工具台の従来例に、第
9図に示すもの(日経メカニカル、1986、9、22付掲載
の記事)がある。この例も、圧電アクチュエータを閉ル
ープ制御するものであり、機械振動系の固有周波数付近
のゲインを下げて閉ループの安定性を高めるためにノッ
チフィルタが挿入されていることに特徴がある。
Further, as a conventional example of a micro-displacement tool base using a piezoelectric element, there is a micro-displacement tool base shown in FIG. 9 (Nikkei Mechanical Co., Ltd., 1986, 9, 22). This example also performs closed-loop control of the piezoelectric actuator, and is characterized in that a notch filter is inserted in order to lower the gain near the natural frequency of the mechanical vibration system and improve the stability of the closed loop.

〔発明が解決しようとする問題点〕[Problems to be solved by the invention]

しかしながら、上記のような第6図に示す従来のフィー
ドバック制御系では、電歪アクチュエータの減衰を表す
パラメータζが通常の素子ではかなり小さく、このため
減衰性の悪い機械振動系が構成されることになる。第7
図(a)のブロック線図で示される制御系の応答を説明
する。第7図(a)の積分増幅器および圧電アクチュエ
ータの特性は、それぞれ第8図のS平面上では×で示さ
れる原点の極および△で示される二次振動系の極として
示される。ここで、積分増幅器のゲインK1をゼロから順
次大きくしていったときの閉ループの極の根軌跡が実線
で示されている。圧電アクチュエータの二次振動系の極
△より出発する閉ループの極は、ゲインK1の増大ととも
にS平面右方向に動く。つまり、だんだん安定性を失っ
ていく。限界ゲインK1cにて(この時の極を第8図中に
●で示す)安定限界となる。ゲインK1が限界ゲインK1c
より大きくなると、S平面右半面に極が動き不安定とな
る。実用的には安定度を確保するためゲインK1を限界ゲ
インK1cよりかなり小さな値に設定せざるを得ない。こ
のように、第6図に示す従来のフィードバック制御系で
は、減衰性の悪い振動系の場合、閉ループのゲインを大
きくとることができないため、閉ループの応答が遅くな
り、位置決め精度が高くできないという問題がある。
However, in the conventional feedback control system shown in FIG. 6 as described above, the parameter ζ representing the damping of the electrostrictive actuator is considerably small in an ordinary element, so that a mechanical vibration system having a poor damping property is constructed. Become. 7th
The response of the control system shown in the block diagram of FIG. The characteristics of the integrating amplifier and the piezoelectric actuator of FIG. 7 (a) are shown as the pole of the origin indicated by x and the pole of the secondary vibration system indicated by Δ on the S plane of FIG. 8, respectively. Here, the root locus of the poles of the closed loop when the gain K 1 of the integrating amplifier is gradually increased from zero is shown by a solid line. The pole of the closed loop starting from the pole Δ of the secondary vibration system of the piezoelectric actuator moves to the right in the S plane as the gain K 1 increases. In other words, it gradually loses stability. At the limit gain K 1c (the pole at this time is shown by ● in FIG. 8), the stability limit is reached. Gain K 1 is the limit gain K 1c
When it becomes larger, the pole moves to the right half of the S plane and becomes unstable. Practically, in order to ensure stability, the gain K 1 must be set to a value considerably smaller than the limit gain K 1c . As described above, in the conventional feedback control system shown in FIG. 6, in the case of an oscillating system having a poor damping property, a large closed loop gain cannot be obtained, so that the closed loop response becomes slow and the positioning accuracy cannot be increased. There is.

また、第9図に示すフィードバック制御系では、ノッチ
フィルタが挿入されているため、閉ループ系で自ら振動
を励起することはないが、もし、何らかの原因で機械振
動系が固有周波数(ノッチフィルタの遮断周波数)で振
動を始めたとすると、この周波数では、ノッチフィルタ
のため何らかの操作もされない。このため、機械振動系
そのものの減衰作用しかなく、振動が長く続くという問
題がある。また、第9図の積分器が周波数f→0のとき
ゲイン∞にならないため、低周波数域でオフセットを生
ずるという問題がある。
Further, in the feedback control system shown in FIG. 9, since the notch filter is inserted, the closed loop system does not excite the vibration by itself, but if the mechanical vibration system causes the natural frequency (cutoff of the notch filter) for some reason. If we start oscillating at (frequency), there is no operation at this frequency because of the notch filter. For this reason, there is a problem that the mechanical vibration system itself has only a damping action and the vibration continues for a long time. Further, since the gain of the integrator of FIG. 9 does not become ∞ when the frequency f → 0, there is a problem that an offset occurs in the low frequency range.

本発明は、上記の問題点を解決するものであって、本発
明の目的は、圧電アクチュエータを用いた位置制御系に
おいて、圧電アクチュエータをバネ系、移動体を質量と
して構成する機械振動系に対して、減衰を高める制御を
付加することにより、振動系を安定化することである。
さらには、この効果により位置制御ループのゲインを高
く設定することによって、位置制御系の応答を速くし、
精度を高めるとともに、外部からの作用により発生した
振動もすみやかに減衰させようとするものである。
The present invention is to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a position control system using a piezoelectric actuator with respect to a mechanical vibration system in which a piezoelectric actuator is a spring system and a moving body is a mass. Then, the vibration system is stabilized by adding a control for increasing the damping.
Furthermore, by setting the gain of the position control loop high by this effect, the response of the position control system is made faster,
It is intended to improve the accuracy and to quickly damp vibrations generated by the action from the outside.

〔問題点を解決するための手段〕[Means for solving problems]

そのために本発明の圧電アクチュエータを用いた位置制
御装置は、圧電アクチュエータの印加電圧を操作するこ
とにより、質量のある移動体の位置を制御する位置制御
系において、移動体の位置xと加速度aとを検出する検
出手段と、該検出手段により検出した加速度aの信号を
積分する一次遅れ回路と、該一次遅れ回路の出力信号v
と位置指令rとゲイン定数K1、K2から圧電アクチュエー
タの印加電圧を E=K1∫(r−x)dt−K2v とするように制御する制御回路とを備えたことを特徴と
するものである。
Therefore, a position control device using a piezoelectric actuator of the present invention controls a position x of a moving body and an acceleration a in a position control system for controlling the position of a moving body having a mass by operating an applied voltage of the piezoelectric actuator. Detecting means, a primary delay circuit for integrating the signal of the acceleration a detected by the detecting means, and an output signal v of the primary delay circuit.
And a control circuit for controlling the applied voltage of the piezoelectric actuator from the position command r and the gain constants K 1 and K 2 so that E = K 1 ∫ (r−x) dt−K 2 v. To do.

〔作用〕[Action]

本発明のアクチュエータを用いた位置制御装置では、圧
電アクチュエータをバネ系、移動体を質量として構成す
る機械振動系に対して、移動体の位置と加速度を検出
し、加速度を機械振動系の固有周波数fr付近で積分した
量で圧電アクチュエータにフィードバックすることによ
って、減衰を高める制御が実現でき、振動系を安定化す
ることができる。また、位置制御ループのゲインを高く
設定することができ、位置制御系の応答を速くし、精度
を高めるとともに、外部からの作用により発生した振動
もすみやかに減衰させることができる。
In the position control device using the actuator of the present invention, the position and acceleration of the moving body are detected with respect to the mechanical vibration system in which the piezoelectric actuator is a spring system and the moving body is a mass, and the acceleration is the natural frequency of the mechanical vibration system. By feeding back to the piezoelectric actuator in an integrated amount near f r , control that increases damping can be realized and the vibration system can be stabilized. Further, the gain of the position control loop can be set high, the response of the position control system can be speeded up, the accuracy can be improved, and the vibration generated by the action from the outside can be quickly attenuated.

〔実施例〕〔Example〕

以下、図面を参照しつつ実施例を説明する。 Hereinafter, embodiments will be described with reference to the drawings.

第1図は本発明に係るアクチュエータを用いた位置制御
装置の1実施例を説明するための図、第2図は一次遅れ
回路のゲイン特性を示す図、第3図は一次遅れ回路を演
算増幅器により構成した例を示す図である。
FIG. 1 is a diagram for explaining one embodiment of a position control device using an actuator according to the present invention, FIG. 2 is a diagram showing a gain characteristic of a first-order lag circuit, and FIG. 3 is an operational amplifier with a first-order lag circuit. It is a figure which shows the example comprised by.

第1図において、1−1は圧電アクチュエータ、1−2
は移動体、1−3は位置センサ、1−4は増幅器、1−
5は積分増幅器、1−6は高電圧増幅器、1−7は加速
度計、1−8は一次遅れ回路、1−9は減算器、rは位
置指令、xは位置、Eは圧電アクチュエータの駆動電圧
を示す。
In FIG. 1, 1-1 is a piezoelectric actuator, 1-2
Is a moving body, 1-3 is a position sensor, 1-4 is an amplifier, 1-
Reference numeral 5 is an integrating amplifier, 1-6 is a high voltage amplifier, 1-7 is an accelerometer, 1-8 is a first-order delay circuit, 1-9 is a subtractor, r is a position command, x is a position, and E is a piezoelectric actuator drive. Indicates the voltage.

第1図に示す位置制御系と第6図に示す従来の位置制御
系とを比較すると明らかなように、本発明に係る圧電ア
クチュエータを用いた位置制御系の制御方式は、加速度
計1−7、一次遅れ回路1−8、加算器1−9が追加さ
れている。加速度計1−7は、圧電アクチュエータ1−
1の変位に平行な方向の移動体1−2の加速度を計測す
るもので、移動体1−2に上に設置される。一次遅れ回
路1−8は、加速度計1−7で計測された加速度を積分
するためのもので、そのゲイン特性は、第2図に示すよ
うに周波数frにおいて積分特性、つまり−20dB/decの傾
きを有する。ここで、周波数frは、圧電アクチュエータ
1−1をバネ系、移動体1−2を質量として構成する機
械振動系の固有周波数であり、 で表される。なお、Kpはバネ定数、Mは質量である。減
算器1−9は、積分器1−5の出力と一次遅れ回路1−
8の出力vとの減算を行い、圧電アクチュエータ1−1
の駆動電圧Eを E=K1∫(r−x)dx−K2v とするものであり、K1、K2はゲイン定数である。
As is clear from comparison between the position control system shown in FIG. 1 and the conventional position control system shown in FIG. 6, the control system of the position control system using the piezoelectric actuator according to the present invention is the accelerometer 1-7. , A first-order delay circuit 1-8 and an adder 1-9 are added. The accelerometer 1-7 is a piezoelectric actuator 1-
It measures the acceleration of the moving body 1-2 in the direction parallel to the displacement of 1, and is installed on the moving body 1-2. The first-order lag circuit 1-8 is for integrating the acceleration measured by the accelerometer 1-7, and its gain characteristic is an integral characteristic at a frequency f r , that is, −20 dB / dec as shown in FIG. Has a slope of. Here, the frequency f r is a natural frequency of a mechanical vibration system that configures the piezoelectric actuator 1-1 as a spring system and the moving body 1-2 as a mass, It is represented by. Note that K p is the spring constant and M is the mass. The subtractor 1-9 outputs the output of the integrator 1-5 and the first-order delay circuit 1-
8 is subtracted from the output v to obtain the piezoelectric actuator 1-1.
The driving voltage E of E is set to E = K 1 ∫ (r−x) dx−K 2 v, and K 1 and K 2 are gain constants.

上記のように本発明に係る圧電アクチュエータを用いた
位置制御装置は、位置センサ1−3と加速度計1−7に
より移動体1−2の位置xと加速度aとを検出し、加速
度aを一次遅れ回路1−8で積分して信号vを求め、圧
電アクチュエータ1−1の駆動電圧Eを生成するもので
あり、これにより機械振動系に対して、減衰を高める制
御ができ、機械振動系を安定化できる。その結果、位置
制御ループのゲインを高く設定することができる。
As described above, the position control device using the piezoelectric actuator according to the present invention detects the position x and the acceleration a of the moving body 1-2 by the position sensor 1-3 and the accelerometer 1-7, and the acceleration a is a primary value. The delay circuit 1-8 integrates the signal v to obtain the drive voltage E of the piezoelectric actuator 1-1. This allows the mechanical vibration system to be controlled so as to increase the damping, thereby reducing the mechanical vibration system. Can be stabilized. As a result, the gain of the position control loop can be set high.

一次遅れ回路1−8を演算増幅器OPにより構成した例を
示したのが第3図であり、カットオフ周波数fc=1/2πR
2Cは、第2図に示すように機械振動系の固有周波数fr
の関係では、fc<frとなるように設計される。
FIG. 3 shows an example in which the first-order delay circuit 1-8 is configured by the operational amplifier OP, and the cutoff frequency f c = 1 / 2πR.
As shown in FIG. 2, 2 C is designed so that f c <f r in relation to the natural frequency f r of the mechanical vibration system.

一般に、圧電アクチュエータのストロークは数μmであ
り、速度を直接検出するのは難しいので、加速度を加速
度計により測定し、これを積分することにより速度を得
るのが実用的である。さらに、減衰作用は、振動系の固
有周波数fr=ωn/2πの付近の周波数帯域で効果があれ
ば良いので、この固有周波数fr付近で積分特性を持つ一
次遅れ回路を用いることができる。さらに、固有周波数
frより高い高次の振動モードでの発振を防ぐため、およ
び低周波数域での安定性を増大させるため、一次遅れ回
路に直列に中心周波数が固有周波数frとなるバンドパス
フィルタ、あるいは固有周波数frにおいてフラットな特
性を有するハイパスフィルタを挿入することが有効な場
合もある。
Generally, the stroke of the piezoelectric actuator is several μm, and it is difficult to directly detect the velocity. Therefore, it is practical to obtain the velocity by measuring the acceleration with an accelerometer and integrating it. Further, since the damping action only needs to be effective in the frequency band near the natural frequency f r = ω n / 2π of the vibration system, a first-order delay circuit having an integral characteristic near this natural frequency f r can be used. . Furthermore, the natural frequency
In order to prevent oscillation in higher-order vibration modes higher than f r and to increase stability in the low-frequency range, a band-pass filter whose center frequency is the natural frequency f r in series with the first-order lag circuit, or It may be effective to insert a high-pass filter having a flat characteristic at the frequency f r .

第4図は中心周波数frとするバンドパスフィルタのゲイ
ン特性を示す図、第5図は周波数frでフラットとなるハ
イパスフィルタのゲイン特性を示す図であり、このよう
な特性のフィルタは、市販のフィルタ用のICを用いるこ
とにより容易に実現できる。
FIG. 4 is a diagram showing a gain characteristic of a bandpass filter having a center frequency f r, and FIG. 5 is a diagram showing a gain characteristic of a high-pass filter flattening at a frequency f r . This can be easily achieved by using a commercially available filter IC.

次に、従来の基本的な構成の位置制御系を基に本発明に
係る圧電アクチュエータを用いた位置制御装置を考案す
る。
Next, a position control device using the piezoelectric actuator according to the present invention will be devised based on the position control system having the conventional basic structure.

第10図は圧電アクチュエータを用いた閉ループ位置制御
系の基本構成を示す図、第11図は圧電アクチュエータと
移動体の部分の動的なモデルを示す図である。
FIG. 10 is a diagram showing a basic configuration of a closed loop position control system using a piezoelectric actuator, and FIG. 11 is a diagram showing a dynamic model of a portion of the piezoelectric actuator and a moving body.

第10図において、第1図と同一の符号は同一の構成要素
を示す。この位置制御系は、第6図に示す従来の位置制
御系の構成と実質的に同じであり、圧電アクチュエータ
1−1と移動体1−2の部分の動的なモデルは第11図に
示すように近似される。ここで、Mは移動体質量、fp
圧電アクチュエータの発生力(これは印加電圧Eに比例
すると近似される)、xは位置である。
10, the same reference numerals as those in FIG. 1 indicate the same components. This position control system has substantially the same structure as the conventional position control system shown in FIG. 6, and a dynamic model of the piezoelectric actuator 1-1 and the moving body 1-2 is shown in FIG. Is approximated as follows. Here, M is the mass of the moving body, f p is the generated force of the piezoelectric actuator (this is approximated to be proportional to the applied voltage E), and x is the position.

この系の微分方程式は、 M+Kpx=fp ……(1) となり、ωn 2=Kp/Mとおくと、 +ωn 2x=fp/M ……(2) となる。この式(2)で表される系は、無減衰の振動系
であり、このままでは、閉ループ系を構成するのは不都
合である。実際には、圧電アクチュエータの内部で生ず
る減衰は存在するが、これは無視できる程度に小さいも
のである。そこで、減衰を高める制御は、 fp=−g ……(3) とすることで実現される。このとき、式(2)は、 となり、これで減衰のある二次振動系となる。従って、
希望する減衰定数がζであるとき、 2ζω=g/M より、 g=2ζω・M ……(5) とすれば良い。
Differential equation of this system is, M + K p x = f p ...... (1) next to, and put the ω n 2 = K p / M , the + ω n 2 x = f p / M ...... (2). The system represented by the equation (2) is an undamped vibration system, and as it is, it is inconvenient to construct a closed loop system. In practice, there is damping that occurs inside the piezoelectric actuator, but it is negligible. Therefore, the control for increasing the attenuation is realized by setting f p = −g (3). At this time, the equation (2) is And becomes a secondary vibration system with damping. Therefore,
When the desired damping constant is ζ, g = 2ζω n · M (5) can be set from 2ζω n = g / M.

上記関係をブロック線図で表すと第12図になる。しか
し、式(3)で表されるフィーバック制御は、単に振動
系の減衰を高めるだけであり、位置制御の目的のための
制御は、別に構成しなければならない。
FIG. 12 is a block diagram showing the above relationship. However, the feedback control expressed by the equation (3) merely increases the damping of the vibration system, and the control for the purpose of position control must be separately configured.

いま、式(1)で示される位置制御系は、 x=fp/Kp ……(6) なる平衡点を有する定位性システムであるから、オフセ
ットのない閉ループ系を構成するためには積分制御とし
なければならない。この積分制御は、 fp=Ki∫(r−x)dt ……(7) とすることで行われる。そこで、積分制御と減衰を高め
る制御を同時に行うには、前記の式(3)、(7)よ
り、 fp=Ki∫(r−x)dt−2ζωnM ……(8) とすれば良いことになる。この式(8)のフィードバッ
クを行ったときの位置制御系のブロック線図を示したの
が第13図であり、ここで、速度フィードバックのループ
を簡単化したのが第14図である。
Now, the position control system of the formula (1), since a localization of a system having x = f p / K p ...... (6) becomes an equilibrium point, in order to constitute an offset-free closed loop system integration It must be controlled. This integral control is performed by setting f p = K i ∫ (r−x) dt (7). Therefore, in order to perform the integral control and the control for increasing the attenuation at the same time, from the above equations (3) and (7), f p = K i ∫ (r−x) dt−2ζω n M (8) It would be good. FIG. 13 shows a block diagram of the position control system when the feedback of the equation (8) is performed, and FIG. 14 shows a simplified speed feedback loop.

第14図に示すシステムは、ζ=1のとき、安定限界での
ループゲインを最も大きくすることができ、最も速い応
答とすることができる。ζ=1の条件でゲインKiをパラ
メータとしたときの根軌跡を示したのが第15図である。
この場合、さらにKiを点Aで示すような重根をもつ条
件、 に設定すれば、r→xの伝達関数は第16図に示すよう
に、 となる。この設定は、位置ループが非振動的という条件
の下で最も速い応答となるものである。このように位置
ループが非振動的であることは一般に望ましい特性であ
り、特に加工物を除去する方法で加工を行う場合、例え
ば、切削、研削など、では不可欠な条件となる。また、
式(8)で示され本発明の制御方式では、に比例した
減衰作用を行うフィードバックが常に行われているの
で、外力により発生した振動も速やかに減衰させること
ができる。
In the system shown in FIG. 14, when ζ = 1, the loop gain at the stability limit can be maximized and the response can be the fastest. FIG. 15 shows the root locus when the gain K i is used as a parameter under the condition of ζ = 1.
In this case, further, a condition having a multiple root such that K i is shown by the point A, , The transfer function of r → x is as shown in FIG. Becomes This setting gives the fastest response under the condition that the position loop is non-oscillatory. Such non-oscillation of the position loop is generally a desirable characteristic, and is an indispensable condition particularly when machining is performed by a method of removing a workpiece, for example, cutting and grinding. Also,
In the control method of the present invention represented by the equation (8), since the feedback that performs the damping action proportional to is always performed, the vibration generated by the external force can be quickly damped.

なお、本発明は、上記の実施例に限定されるものではな
く、種々の変形が可能である。
The present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications can be made.

〔発明の効果〕〔The invention's effect〕

以上の説明から明らかなように、本発明によれば、圧電
アクチュエータを用いる位置制御装置に対して、偏差e
=v−xの積分値のみでなく、加速度の積分値をもフィ
ードバックするので、振動特性が安定化され、その結果
積分ゲインを大きくとることができる。そのため、従来
より高応答で且つ精度の高い位置制御装置を構成するこ
とができる。更に、従来法では困難であった、非振動的
な位置制御系の応答を得ることができるため、切削機械
など振動的な応答が許されない装置の位置制御装置とし
て用いることが可能になる。このように本発明に係るア
クチュエータを用いた位置制御装置の適用により超精密
加工の分野に対する効果が大きい。
As is apparent from the above description, according to the present invention, the deviation e is different from that of the position control device using the piezoelectric actuator.
Since not only the integrated value of = v−x but also the integrated value of acceleration is fed back, the vibration characteristic is stabilized, and as a result, the integral gain can be increased. Therefore, it is possible to configure a position control device having higher response and higher accuracy than the conventional one. Further, since it is possible to obtain a non-oscillating position control system response, which was difficult with the conventional method, it becomes possible to use the device as a position control device for a device such as a cutting machine in which an oscillatory response is not allowed. As described above, the application of the position control device using the actuator according to the present invention has a great effect on the field of ultra-precision machining.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

第1図は本発明に係る圧電アクチュエータを用いた位置
制御装置の1実施例を説明するための図、第2図は一次
遅れ回路のゲイン特性を示す図、第3図は一次遅れ回路
を演算増幅器により構成した例を示す図、第4図は中心
周波数frとするバンドパスフィルタのゲイン特性を示す
図、第5図は周波数frでフラットとなるハイパスフィル
タのゲイン特性を示す図、第6図は微小変位制御系をフ
ィードバック制御系として実現した従来の例を示す図、
第7図は第6図に示すフィードバック制御系のブロック
線図、第8図はフィードバック制御系の根軌跡を示す
図、第9図は圧電素子を使った微小変位工具台の例を示
す図、第10図は従来の圧電アクチュエータを用いた閉ル
ープ位置制御系の基本構成を示す図、第11図は圧電アク
チュエータと移動体の部分の動的なモデルを示す図、第
12図は速度フィードバックのブロック線図、第13図は積
分制御のフィードバックを付加したブロック線図、第14
図は速度フィードバックを簡単化したブロック線図、第
15図はζ=1の条件でゲインKiをパラメータとしたとき
の根軌跡を示す図、第16図は位置指令と位置との間の伝
達関数を示す図である。 1−1……圧電アクチュエータ、1−2……移動体、1
−3……位置センサ、1−4……増幅器、1−5……積
分増幅器、1−6……高電圧増幅器、1−7……加速度
計、1−8……一次遅れ回路、1−9……減算器。
FIG. 1 is a diagram for explaining one embodiment of a position control device using a piezoelectric actuator according to the present invention, FIG. 2 is a diagram showing a gain characteristic of a first-order lag circuit, and FIG. The figure which shows the example comprised by the amplifier, FIG. 4 is a figure which shows the gain characteristic of the band pass filter which makes center frequency f r , FIG. 5 is the figure which shows the gain characteristic of the high pass filter which becomes flat at frequency f r , FIG. 6 is a diagram showing a conventional example in which a small displacement control system is realized as a feedback control system,
FIG. 7 is a block diagram of the feedback control system shown in FIG. 6, FIG. 8 is a diagram showing a root locus of the feedback control system, and FIG. 9 is a diagram showing an example of a microdisplacement tool base using a piezoelectric element. FIG. 10 is a diagram showing a basic configuration of a closed-loop position control system using a conventional piezoelectric actuator, FIG. 11 is a diagram showing a dynamic model of a piezoelectric actuator and a moving body, FIG.
Fig. 12 is a block diagram of velocity feedback, Fig. 13 is a block diagram with feedback of integral control, and Fig. 14
The figure is a block diagram that simplifies velocity feedback.
FIG. 15 is a diagram showing a root locus when the gain K i is a parameter under the condition of ζ = 1, and FIG. 16 is a diagram showing a transfer function between the position command and the position. 1-1: Piezoelectric actuator 1-2: Moving body, 1
-3 ... Position sensor, 1-4 ... Amplifier, 1-5 ... Integrating amplifier, 1-6 ... High-voltage amplifier, 1-7 ... Accelerometer, 1-8 ... First-order delay circuit, 1- 9 ... Subtractor.

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】圧電アクチュエータの印加電圧を操作する
ことにより、質量のある移動体の位置を制御する位置制
御系において、移動体の位置xと加速度aとを検出する
検出手段と、該検出手段により検出した加速度aの信号
を積分する一次遅れ回路と、該一次遅れ回路の出力信号
vと位置指令rとゲイン定数K1、K2から圧電アクチュエ
ータの印加電圧を E=K1∫(r−x)dt−K2v とするように制御する制御回路とを備えたことを特徴と
する圧電アクチュエータを用いた位置制御装置。
1. A position control system for controlling a position of a moving body having a mass by operating an applied voltage of a piezoelectric actuator, and a detecting means for detecting a position x and an acceleration a of the moving body, and the detecting means. The first-order delay circuit that integrates the signal of the acceleration a detected by, the output signal v of the first-order delay circuit, the position command r, and the gain constants K 1 and K 2 are used to calculate the voltage applied to the piezoelectric actuator by E = K 1 ∫ (r− x) A position control device using a piezoelectric actuator, which is provided with a control circuit for controlling dt−K 2 v.
【請求項2】前記一次遅れ回路は、移動体の質量をM、
圧電アクチュエータのバネ定数をKpとすると、これらに
より決まる固有周波数fr より充分小さいカットオフ周波数fcとすることを特徴と
する特許請求の範囲第1項記載の圧電アクチュエータを
用いた位置制御装置。
2. The first-order lag circuit has a mass of a moving body, M,
If the spring constant of the piezoelectric actuator is K p , the natural frequency f r determined by these is A position control device using a piezoelectric actuator according to claim 1, wherein a cutoff frequency f c is set to be sufficiently smaller.
【請求項3】前記一次遅れ回路に中心周波数が前記固有
周波数frであるバンドパスフィルタを直列接続したこと
を特徴とする特許請求の範囲第1項記載の圧電アクチュ
エータを用いた位置制御装置。
3. A position control device using a piezoelectric actuator according to claim 1, wherein a bandpass filter having a center frequency of the natural frequency f r is connected in series to the first-order lag circuit.
【請求項4】前記一次遅れ回路に前記固有周波数frにお
いてフラットな特性を持つようなハイパスフィルタを直
列接続したことを特徴とする特許請求の範囲第1項記載
の圧電アクチュエータを用いた位置制御装置。
4. A position control using a piezoelectric actuator according to claim 1, wherein a high-pass filter having flat characteristics at the natural frequency f r is connected in series to the first-order lag circuit. apparatus.
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DE3803032A DE3803032A1 (en) 1987-02-02 1988-02-02 DEVICE FOR CONTROLLING A SERVO SYSTEM USING A PIEZOELECTRIC ACTUATOR
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