JPS589441B2 - サ−ボ制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はサーボ制御方法に関し、更に詳細に述べると、
常時位置帰還がかけられている閉ループ位置決め制術系
のサーボ制御装置に関する。

例えば、電子ビーム露光装置においては、被露光体を２
（ｍｍ）ステップで迅速且つ正確に位置決めを行う必要
があり、このため位置帰還をかけたサーボ制御装置が用
いられている。

若し、このような装置において、現在位置と目標位置と
の間の差である移動量をステップ状の比較位置関数とし
て与えて位置制御を行おうとすると、この比較位置関数
に忠実に従って制御するためには、最高速度がほぼ無限
大に近いような速度特性をもつ移動装置を使用しなけれ
ばならないことになる。

しかしながら、現実には、移動装置の最高速度はそれほ
ど高くなく、また加速性能も低いので、その結果、目標
位置付近において振動を生ずる等の状態を呈し、位置制
御を良好に行ないえないという不具合が生じる。

このため、比較位置関数をランプ状にして与え、応答性
を犠牲にして安定な位置制御を行なうようにする方法も
あり、これにより制御に必要な最高移動速度を移動装置
において実現しうる程度の速度に抑えることができるが
、加速度成分の制御ができず、このため、駆動モータ用
のパワーアンプには大電流が流れてしまうという欠点を
有している。

従って、本発明の目的は、位置帰還がかけられている閉
ループ位置決め制御系において、迅速且つ安全に位置決
めを行なうことができるサーボ制却装置を提供すること
にある。

上記目的を達成するための本発明の特徴は、常時位置帰
還がかけられている閉ループ位置決め制御系のサーボ制
御装置において、制御対象物を第１の位置から第２の位
置へ位置決め制御する場合に前記装置の最大加速度及び
最大速度をこえない加速度成分及び速度成分を有する比
較位置関数を発生する手段と、前記比較位置関数に基づ
いて比較速度関数を発生する手段と、前記比較位置関数
に基づいて比較加速度関数を発生する手段と、前記比較
位置関数、前記比較速度関数及び前記比較速度関数に追
従して位置制御動作する閉ループ制御装置とを備えたこ
とにある。

以下、図示の実施例により、本発明を詳細に説明する。

第１図には、本発明によるサーボ制御装置の一実施例が
ブロック図にて示されている。

サーボ制御装置１は、図示しないコントローラからの目
標位置設定値Ｘ。

に基づいて、比較位置関数、比較速度関数、比較加速度
関数を夫々発生する比較関数発生器２を有し、比較関数
発生器２により発生した各関数にもとづく２進デイジタ
ル信号の比較位置信号Ｘｒ，アナログ信号の比較速度信
号Ｖｒ及びアナログ信号の比較加速度信号ａ，は、夫夫
閉ループ制御装置３に入力されている。

閉ループ制御装置３は比較関数発生器２からの各信号Ｘ
ｒ，ｖｒ，ａｒに追従して図示しない制御対象物を目標
位置設定値Ｘ。

で示される位置才で移動する。

閉ループ制御装置３において、４は比較加速度信号ａｒ
と制御器５からの加速度偏差信号Ｓ１との和である加速
度信号Ｓ２を出力する加算器、６は増幅器、７，８は増
幅器６によって増幅された加速度信号Ｓ２により駆動さ
れるＤＣモータを等価的に表わした積分器で該加速度信
号Ｓ２に比例するトルクを受けて回転するＤＣモークの
回転速度および回転量各々が検出せられてなる速度信号
Ｓ３および位置信号Ｓｏｕｔを有するもの、９は位置信
号Ｓ。

ｕ１と比較位置信号Ｘｒとの差分をとり位置偏差信号Ｓ
４を得るための加算器、１０は速度信号Ｓ３と比較速度
信号Ｖ，との差分をとり速度偏差信号Ｓ，を得るための
加算器である。

制御器５は位置偏差信号Ｓ４と速度偏差信号Ｓ５とによ
って不慮の外乱に対してもこれらの偏差信号を速かに零
に収束させるための加速度偏差信号Ｓ１得ている。

閉ループ制御装置３は上述の如く構成されているので、
位置帰還がかけられているのは勿論である。

加えて、制御対象物が初期位置から目標位置まで移動す
るときの各時点における速度の値が比較関数発生器２か
らの比較速度信号Ｖｒにより所定の状態に制瞬さ札且つ
、比較加速度信号ａｒと加速度偏差信号Ｓ１との加算に
より、各時点における加速度の値が比較加速変信号ａｒ
により所定の状態に制御される。

この結果、制御対象物を駆動する駆動系の速度特注、及
び加速度特性を考慮して比較位置関数、比較速度関数、
及び比較加速度関数を夫々定めておけば、制御対象物は
、これらの関数に従った動きを行って所定の目標位置に
至るので極めて安定且つ迅速に位置決めを行うことがで
きる。

第２図には、上述の如き各比較関数にもとづき、各比較
信号を発生させる第１図に示した比較関数発生器２が詳
述されている。

比較関数発生器２は、移動前の位置デークＸｒが補数形
式の２進データとしてプリセットされている２進カウン
タ１１を備えている。

このカウンタ１１からの位置データｘｒは、２進のデイ
ジタルデータの形で与えられる目標位置設定値Ｘ０が印
加されている加算器１２に入力され、加算器１２からは
Ｘ０−Ｘｒの値に相応した２進のデイジタルデータの形
態の差分データＤ１が出力され、正負判定回路１３に入
力される。

正負判定回路１３は差分データＤ１，即ちＸ０−Ｘｒの
値が正の場合には「１」で負の場合には「０」の論理レ
ベルとなる切換制御信号Ｓ６と，Ｘ０−ｘｒの値がＯと
なったときにのみ「１」となる停止制御信号Ｓ７とを出
力する。

差分データＤ１は，また、絶対値検出回路１４に入力さ
れる。

絶対値検出回路１４の入出力特性は、第３図に示すよう
に，差分データＤ１の値が所定の範囲内においては出力
信号Ｄ２はＤ１の絶対値となり、差分データＤ１の値が
所定の範囲外にあるときは出力信号Ｄ２は正の一定の値
となる。

出力信号Ｄ２は２進のデイジタル信号の形態で出力され
、ＲＯＭ１５のアドレス信号としてＲＯＭ１５に供給さ
れる。

ＲＯＭ１５には減速時の速度曲線が予めデータとして格
納されており，出力信号Ｄ２の値に従って速度設定デー
タＤ３が出力される。

符号１６で示されるのは、目標位置設定値Ｘ。

が印加されたときに発振を開始するカウントパルス発生
器であり、このカウントパルス発生器１６からのカウン
トパルスＰ１はカウンタ１７に入力されて計数され、カ
ウンタ１７からの計数出力データＤ４と加速度設定デー
タＤ３とは比較器１８に入力され、比較器１８において
いずれのデータの値が大きいかが比較される。

計数出力データＤ４と加速度設定データＤ３とは比較器
１８からの出力信号Ｓ８によって切換制街が行なわれる
マルチプレクサ１９に入力されており、データＤ３の値
がデータＤ４の値より大きい場合にはデータＤ４をＤ／
Ａコンバータ２０に入力し、データＤ４の値がデータＤ
３の値より大きい場合にはデータＤ３をＤ／Ａコンバー
タ２０に入力する。

Ｄ／Ａコンバータ２０からのアナログ信号Ｓ９は電圧／
周波数変換器（以下Ｖ／Ｆ変換器という）２１に周波数
制御用の信号として入力される。

Ｖ／Ｆ変換器２１は停止制御信号Ｓ７が「１」となった
ときにその発振動作を停止するようになっており、Ｖ／
Ｆ変換器２１からのパルス信号Ｐ２はマルチプレクサ２
２を介してカウンタ１１に入力される。

マルチプレクサ２２は、パルス信号Ｐ２をカウンタ１１
の加算端子１１ａ又は減算端子１ｌｂのいずれか一方に
供給するためのものであり、切換制御信号Ｓ６が「１」
の場合には１Ｉｂ側に接続され、「０」の場合には１１
ａ側に接続される。

アナログ信号Ｓ９はマルチプレクサ２３の一方の端子２
３ａに直接供給されると共に、インバータ２４を介して
他方の端子２３ｂに供給されており、マルチプレクサ２
３からの出力は比較速度信号Ｖｒとして取出される。

マルチプレクサ２３もまた、切換制御信号Ｓ６によって
切換が制薗されており、信号Ｓ６が「１」の場合には切
換端子２３ｃは端子２３ａに接続され、信号Ｓ６が「０
」の場合には切換端子２３ｃは端子２３ｂに接続される
。

比較速度信号Ｖ，は微分回路２４によって微分され，比
較加速度信号ａｒとして取出される。

次に、第２図に示す比較関数発生器２の動作について述
べる。

初期時には、カウントパルス発生器１６は停止しており
、カウンタ１７は零にリセットされている。

この状態で新しい移動目標地点を表わす目標位置設定値
Ｘ。

が時間ｔ＝ｔｏで入力されると（第４図ａ参照）、これ
と同時にカウントパルス発生器１６が所定周期でカウン
トパルスＰ１を発生しはじめ、カウンタ１７が計数動作
を開始する。

この時、減算器１２からは目標位置設定値Ｘ。

と比較位置信号Ｘｒとの差すなわち差分データＤ１が出
力され，この差分データＤ１に基づいて、絶対値検出回
路１４から上述の如き出力信号Ｄ２が出力され（第３図
参照），また、この信号Ｄ２の値に従って第４図ｂに示
すように変化する速度設定データＤ３がＲＯＭ１５より
出力される。

一方，カウンタ１７は単純加算動作を行なっているので
、その計数出力データＤ４は、第４図Ｃに示すように時
間ｔの経過と共に直線的に増加する。

これら２つのデータＤ３， Ｄ４は、比較器１８とマル
チプレクサ１９とによって既述の如く選択的に取出され
る。

つまりマルチプレクサ１９から取出される出力信号Ｓ２
０は、移動開始直後ではデータＤ４が取出され、たとえ
ばある時刻ｔ１以降でデータＤ４がデータＤ３より大き
くなるとデータＤ３が取出されることとなる。

従って、マルチプレクサ１９から取出される合成データ
Ｓ２０は第４図ｄに示すようになる。

それ故，マルチプレクサ１９で選択された比較速度デー
タなＲＯＭ１ ５において予め定められた最大加速度及
び最大速度をこえることがない。

なお、具体的には第４図ｂではＤ２とＤ３との関係は平
方根関数であり，このとき第４図ｄの減速部分は定加速
度すなわち直線的になる。

従って整定時ｔ２において、急激に加速度が変化（零に
なる）し、振動を誘発するおそれがある。

そこで、前記ＲＯＭ１５に組込まれるＤ２とＤ３との関
数関係は、実際上においては振動を誘発しないような適
当な関数に定められるのが好都合である。

このようにして得られた比較速度データは、Ｄ／Ａコン
バータ２０でアナログ信号Ｓ９に変換された後、Ｖ／Ｆ
変換器２１によって比較速度データの値に応じた周波数
の変化するパルス信号Ｐ２に変換され、減算器１２のデ
ータの正負（すなわち移動方向）に応じてカウンタ１１
をこのパルス信号Ｐ２によって減算又は加算する。

これにより、比較速度データの積分値である比較位置信
号Ｘ，が得られる。

なお，Ｘｏ＝Ｘｒとなる時は、停止制御信号Ｓ７が「１
」となるので、Ｖ／Ｆ変換器の発振は停止せられ、従っ
てカウンタの動きも止められる。

もし，停止制御信号Ｓ７がなければ、Ｖ／Ｆ変換器はア
ナログ信号Ｓ，が「０」のときも実際には少し発振し誤
差を生ぜしめる。

一方、アナログ信号Ｓ９は比較速度データをアナログ化
したものであり、これは即ち比較速度信号Ｖｒとなって
出力される。

このとき、やはり減算器１２の出力のデータの正負に応
じてマルチプレクサ２３により極性反転されて出力され
る。

即ち、たとえば，これまで正方向に移動してきて、いま
だにデータＤ１が正であれは目標地点にまだ到達してい
ないのであるから、アナログ信号Ｓ９はそのまま出力さ
れ、若し、データＤ１が負になれば、目標地点を越して
いるのであるから、アナログ信号Ｓ，はインバータ２２
を介して極性反転されて出力される。

マルチプレクサ２３からの出力は微分回路２４によって
微分されることになり、比較加速度信号ａｒとして出力
される。

上記の通り、この比較関数発生器２によれば、現在地点
と目標地点との差から、サーボ機構の性能に見合った最
適な比較位置関数、比較速度関数、比較加速度関数を発
生させることができるので、第１図に示す閉ループ制御
装置３の制御動作を極めて安定且つ迅速に行なえるもの
である。

本発明によれば、上述の如く、移動量を正確に指示する
だけでなく、その移動速度及び加速度をサーボ機構の性
能に見合った最適な値で指示することができるので、ほ
ぼ理想的なサーボ制御を行なうことができる。

これにより、位置偏差、速度偏差をほぼ零とすることが
できダイナミックレンジを小さくすることができ、制御
系の設計が容易になる上に、追従性能の極めて高く、且
つ高安定な制御装置を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例のブロック図、第２図は、第
１図に示す比較関数発生器の詳細なブロック図，瀉３図
は第２図に示す絶対値検出回路の入出力特性、第４図ａ
乃至第４図ｄは第２図に示す比較関数発生器の動作を説
明するための各部の特性図である。 １：サーボ制御装置、２：比較関数発生器、３：閉ルー
プ制御装置、ａ ｒ ’比較加速度信号、■ｒ：比較速
度信号、Ｘｏ：目標位置設定値、Ｘｌ：比較位置信号。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 常時位置帰還がかけられている閉ループ位置決め制
   御系のサーボ制御装置において、制御対象物を第１の位
   置から第２の位置へ位置決め制御する場合に前記装置の
   最大加速度及び最大速度をこえない加速度成分及び速度
   成分を有する比較位置関数を発生する手段と、前記比較
   位置関数に基づいて比較速度関数を発生する手段と、前
   記比較位置関数に基づいて比較加速度関数を発生する手
   段と、前記比較位置関数、前記比較速度関数及び前記比
   較加速度関数に追従して位置制御動作する閉ループ制御
   装置とを備えたことを特徴とするサーボ制御装置。