JPS63126013A - 位置制御方式 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、半導体製造装置、光応用部品や高密度記憶媒
体の加工装置などいわゆる超精密加工を行うｖｔ置に用
いられる位置制御方式に関する。

〔従来の技術〕

第１８図は位置制御系の基本的な構成を示す図であり、
従来の位置制御系の動作をこの第１８図面の簡単な説明
する。移動体２３の位置を制御するには、モータ２２に
よりボールスクリュー２４を回転させ、ボールスクリュ
ー２４のナンドに結合された移動体２３を動かす、移動
体２３の位置ｘＬは、レーザ測長器２６により、また、
モータ２２の速度★７は、モータ２２に直結された速度
検出器２１により計測される。このようなモータ２２の
駆動力（回転モータではトルク）を操作量とする制御系
は、位置ＸＬｓ速度＊９をフィードバックする系として
構成される。

〔発明が解決しようとする問題点〕

加工装置において、精密でかつ短時間に所望の加工がで
きるようにすることは装置の一般的な要求である。しか
し、このような要求は、位置制御系の位置分解能を高く
し、さらに最高速度を高くすることを要求することにな
る。ところで、最高速度と位置分解能との比を最高パル
ス速度ＰＰＳｍａｘ（ｐｐりで表すと、上述の位置制御
系に対する要求は、この最高パルス速度を高くすること
になる。

第１９図は位置制御系を伝達関数で表したブロック線図
である。ここで、「は位置指令、■は速度、Ｘは位置で
あり、ＰＰＳｍａｘ／２”　は位１ループのゲインで記
号Ｋｐ　　（３−’）で表わされる。Ｎは速度制御系の
ダイナミックレンジを表すビット数であり、速度制御系
のダイナミックレンジは、速度指令を発生するＤ／Ａ変
換器の特性でほぼ決定される。従って、ＮはこのＤ／Ａ
変換器の有効ビット数と考えて良い。

この位置制御系をみると、 ＫＰ−ＰＰＳｍａＸ／２訃１・・・・・・（１）より、 ＰＰＳｍａ　ｘｍＫ、　　・２’−’　　　　・−・（
２１となり、最高パルス速度ＰＰＳｍａｘを大きくする
には、位置ループのゲインに、と有効ビット数Ｎを大き
くする必要がある。しかし、Ｄ／Ａ変換器のビット数を
大きくすることは信号のＳＮ比の制限から限界がある。

このため、最高パルス速度ＰＰＳｍａｘを大きくする要
求は、位置ループのゲインＫＰを大きくする問題に帰着
される。

しかし、従来の（ＸＬ　ｓ　文Ｍ）をフィードバックす
る位置制御系において、位置ループのゲインＫＰを大き
くすることにも制約がある。次にその理由を説明し、本
発明が解決しようとする問題点を明らかにする。

第２０図は機構部の機械的振動特性を考慮した位置制御
系の動的モデルを示す図、第２１図は第２０図に示す位
置制御系のブロック線図、第２２図は第２１図を単純化
したブロック線図、第２３図はゲインに、をパラメータ
とした根軌跡を示す図であり、以下このモデルを対象と
して考察を行う、ｆはモータ駆動力、ＪＭはモータの慣
性、Ｊ、は負荷の慣性、Ｋはバネ１．Ｃは粘性結合を示
し、バネにと粘性結合Ｃによる振動系が構成されている
。この第２０図に示す系において、従来の負荷の位ＷＸ
Ｌ　、モータの速度５ＣＩ４のフィードバックを行った
ときのブロック線図を示すと第２１図に示すようになる
。なお、Ｋｐ、Ｋｖはそれぞれ位置ループのゲイン、速
度ループのゲインである。

そこで、Ｋ、・ＫＶ＞＞１という仮定の下に第２１図に
示すブロック線図を単純化すると第２２図に示すシステ
ムになる。

ここで、　Ｔ、■Ｊ、ｌ／Ｋｖ ω、−、／Ｔ７”了Ｔ ζ、−（Ｃ／ＪＬ　）／２ω、 である、そして、この第２２図において、Ｔｖ→０かつ
ω、−閃の仮定をすると第１９図に示すシステムに等し
くなり、ゲインに、をパラメータとした根軌跡を示すと
第２３図に示すようになる。

なお、Ｐｒ、ｆ’ｒは、 Ｓ２＋２ζ、ωＰＳ＋ω、′−０ の２根である。第２３図から明らかなようにゲインに、
を大きくするにともなって、Ｐｒ、ｆ’ｒから出発する
振動銀はだんだん不安定になり、Ａ、人のところで安定
限界となることが分かる。従って、実際には安定限界よ
りも小さいに、を設定しなければならない。

以上の説明が、（ＸＬ　％　太、４）のフィードバック
系では、機構系の振動特性が閉ループに含まれ、この振
動銀かに、の増大とともに不安定になるため、Ｋ、が大
きな値に設定できないことの理由である。

本発明は、上記の問題点を解決するものであって、位置
ループのゲインを大きな値に設定でき、安定で応答性の
高い位置制御系が実現できる位置制御方式を提供するこ
とを目的とする。

ｃ問題点を解決するための手段〕 そのために本発明の位置制御方式は、駆動手段、移動部
、及び駆動手段と移動部とを結合する結合機構とを有し
、駆動手段の発生力により移動部の位置を制御する位置
側ｍ装置において、移動部の位置Ｘｔと速度大、及び機
構部のひずみεとひずみ速度ｔを計測し、位ｔＸＬ％速
度ＸＬｓひずみε、ひずみ速度をなる状態を駆動手段に
フィードバンクするように位置制御系を構成したことを
特徴とするものである。

〔作用〕

本発明の位ｆ′＃ＩＮ御方弐では、機構部におけるひず
みε及びひずみ速度ｔを移動部の位置ｘＬ及び速度大り
と共に駆動手段にフィードバックするので、制御系にお
ける機構部の振動特性を補償し安定化することができ、
位置ループのゲインを大きくすることができる。

〔実施例〕

以下、図面を参照しつつ実施例を説明する。

第り図は本発明に係る位置制御方式の１実施例を示す図
、第２図は本発明に係る位置制御方式で構成される制御
系のブロック線図である。

第１図において、モータ１が駆動手段であり、この発生
力により機構部２を介して移動部３を動かして位置制御
を行う、センサ５は、機構部２のひずみＥとひずみ速度
ｔを計測するものであり、センサ６は、移動部３の位置
ｘＬと速度太りを検出するものである。コントローラ７
は、フィードバック制御するものであり、センサ５．６
よりフィードバック信号として機構部２のひずみεとひ
ずみ速度を及び移動部３の位ｆＸＬと速度■Ｍを読み込
み、駆動部４を制御することによってモータの発生力を
制御するものである。上記制御系の構成に対応する基本
的なブロック線図を示したのが第２図である。

本発明に係る位置制御方式は、位置ループのゲインに、
を大き（できるようなフィードバック系を与えるもので
あり、その要点は、第１図及び第２図に示すように機構
部２のびずみεとその速度ｔをフィードバックすること
により機構の振動特性を安定化すると共に、移動部３の
位置ＸＬとその変化速度■Ｍをフィードバックすること
により安定で応答性の高い位置制御系とすることである
。

つまり、移動部３の位置ＫＬｘその速度ｋＬ、ひずみＥ
、その速度ｔのフィードバック系となる。

以下、本発明の詳細な説明する。

第３図はモータの発生力からひずみ８０間の関係を表す
ブロック線図、第４図は図３で表される系にひずみとひ
ずみ速度＜１．１）のフィードバックを加えた場合のブ
ロック線図、第５図はひずみとひずみ速度（ε、ｔ）の
フィードバックによる極配置の変化を示す図、第６図は
第２図を等価変換したブロック線図、第７図は第６図の
ブロックＢの部分を示す図、第８図は第６図のＣで表し
た部分のゲインＫｗをパラメータとしたときの根軌跡を
示す図、第９図は第６図の全体のシステムを示す図、第
１０図は第９図においてゲインに２をパラメータとした
ときの根軌跡を示す図である。

第２０図において、バネにのひずみをＥで表し、駆動力
ｆを入力した場合のブロック線図を示すと第３図のよう
になる。なお、このモデルは線形なのでε−Ｘ）１−ｘ
Ｌ　＋ε。と表され、さらにｓｏ−〇の状態でｘＬｓＸ
工の原点をとれば一般性を失うことなくε。−〇として
良い、そうすると、第３図に示すブロック線図の伝達関
数は、ＪＭ　　　　　ＪＬ　　　　　　　　ＪＭ　　　
　　ＪＬとなる。なお、機構系の振動特性が問題となる
のは、 が小さい値となるからである。

ここで、駆動力ｆをＣｔ、１’）のフィードバックによ
り駆動することを考えると、その線図は第４図に示すよ
うになる。このシステムブロック線図の伝達関数は、 Ｋ＋Ｋｔ ＪＭ ここで、 とお（と、Ｋ　＋　、Ｋ　ｚはフィードパ７クゲインで
、これらの値は人為的に調整可能であるから、Ｃｔ、ζ
、は任意の値にすることができる。特に安定度に関係す
るのはζｌであり、ζｔ≧１になるようにゲインを設定
すれば問題となっていた振動根により生ずる不安定性の
問題を大巾に緩和することができる。ひずみ（ε、ｔ）
のフィードバックによる極配置の変化を第５図に定性的
に示す、×はフィードバックを行わない元の振動系の極
であり、口はひずみ（ｃ、ｆ）のフィードバックにより
ζｇ＝１となるように安定化したときの極である。

上記ひずみ（ε、ｔ）のフィードバックは、ひずみ（ε
、ｔ）→（０，０）とするような制御であり、最終目的
である位置（ｘｔ　、ｉｔ　）の制御は、ひずみＣｔ、
ｔ”）のフィードバックにさらに位置（ＸＬ　、ＸＬ）
のフィードバックを加えることにより達成される。つま
り、（Ｘ５、大１、ε、ｔ）をフィードバンクする系で
ある。この系のブロック線図を示すと第２図になり、さ
らにこれを等価変換すると第６図が得られる。この第６
図においてブロックＢは、第４図に示したひずみ（ε、
ｔ）のフィードバック系と基本的に等しいものであり、
ひずみ（ε、ｔ）のフィードバックの項で述べたように
ゲインに＋、Ｋｔを適切な値に選ぶことにより、ブロッ
クＢの部分を第７図に示すように希望するω２、ζＣに
設定することができる。

ζｔ−１の場合、第６図のＣで表した部分のゲインＫｖ
をパラメータとしたときの根軌跡を第８図に示す、ゲイ
ンＫｖを適切な値に選ぶと第８図のＤ点に示すような二
重様を持つ状態にすることができる。このとき、第６図
にＣで示した部分は近似的に伝達関数 （Ｓ＋ω　）　２ で表すことができる。

以上の条件の下に第６図の全体のシステムは第９図に示
すようになる。

第９図でｔ１目すべきことは、このシステムには元の機
構の振動根が含まれていないことである。

言い換えれば、ひずみ（ｇ、＃）のフィードバックによ
り機構の振動特性が補償され、振動特性とは無関係のシ
ステムが構成できるようになったということである。

第９図のシステムで、ゲインＫＰをパラメータとしたと
きの根軌跡を第１０図に示す、安定限界Ｅ、ｔとなるゲ
インに、の値は第２３図に示した（ＸＬ　％　ｉｃ、ｌ
）のフィードバックの場合よりも、５〜１０倍以上に設
定することができる。この場合には、第１０図のＦに示
すような二重様を持つゲインに、を設定すると、位置ル
ープが非振動的条件の下で最も速い応答となるシステム
にすることができ、このときｒ−４ｘＬの伝達関数は（
Ｓ＋ωＰ）ｚ となる。

以上説明したように（ＸＬ−、大４、ε、ｔ）のフィー
ドバックにより、位置制御系の特性は、機構系の振動特
性に依存することな（応答が速くかつ望ましい応答波形
を持つようにすることができ、結果的にゲインに、を位
置（ＸＬ　、　大Ｈ）のフィードバック系よりもはるか
に大きく設定することができる。

次に位置制御系の具体的な実施例を説明する。

位置（ＸＬ　％　太Ｌ　）のフィードバックについての
構成は従来の位置（ＸＬ％　大、）のフィードバック系
と全く同じハード的構成、すなわち隼に信号大、の代わ
りに■Ｍを入れればよいから実施例の説明は省略する。

ここではひずみ（ε、ｔ）のフィードバックの構成につ
いて説明する。

まず、ひずみＥの検出法の例を挙げる。

第１１図は差動トランスを用いてひずみεを検出する例
である。１１はリニアモータの可動部、１４は移動体、
１３は剛性の機構の結合部を模式的に表している。１２
はひずみを計測するための差動トランスである。差動ト
ランス１２のコア部はリニアモータ１１の可動部に、コ
イル部は移動体１４にそれぞれ剛体結合される。この系
では差動トランス１２の出力がそのままひずみεとなる
。

第１２図はモータと移動体の位置Ｘ。％ＸＬを同じ種類
のリニアスケール１５．１６で測定し、ε−ＸＰＩ−Ｘ
Ｌなる演算によりひずみεを検出するものである。リニ
アスケールの代わりにレーザ測長器を用いても良い。な
お、ひずみεの検出は位置ｘＬの検出よりは精度が粗く
ても実用上は問題がないので、位置Ｘイの検出には位置
ｘＬの検出より精度の粗い安価なものを用いることがで
きる０位置ｘＭ　、Ｘｔで分解能の異なる位置検出器を
用いたときは、ひずみεの演算は当然単位を合わせる必
要がある。

第１３図は第１８図に示したのと同じくモータに回転モ
ータを用いた場合であり、この場合にはモータに速度検
出器２１と共に回転位置検出器、たとえばパルスゼネレ
ータやレゾルバを取り付ける。この場合は回転と直線運
動の分解能を合わせる定数をｋとして、ｇ−ｋｘ１４−
ｘＬとしてひずみεを求める。

ひずみεあるいは位置ｘＬよりひずみの速度ｔあるいは
移動体の速度■Ｌを求める方法は、アナグロ信号の場合
には第１４図に示すような微分回路、ディジタルのパラ
レルデータの場合には第１５閏のような差分演算回路を
、また、パルス列信号の場合には第１６図に示すＦ／Ｖ
コンバータを用いる。

ひずみεとひずみの速度ｔが得られると第１７図に示す
゛演算回路により ｆｔ−に＋（ε十ｋｇ　１’） なる演算を行い、モータの力指令となる信号に加算すれ
ば良い。

〔発明の効果〕

以上の説明から明らかなように、本発明によれば、（Ｘ
Ｌ　１大４、ε、ｔ）のフィードバックにより、機構部
の振動特性による不安定性を完全に排除できる制御系の
構成とすることができる。そのため、従来より格段に位
置ループゲインに、を高くとることができ、応答波形が
良く、応答速度が速く、さらに精度が高い位置制御系を
得ることができる。また、ＫＰの値が大きくなることに
より、従来よりも最高パルス速度を高くすることができ
る。このように、位置精度と最高速度をいず　′れも従
来より高くすることができるため、様々な産業機緘にお
いてより精密な加工あるいは作業が可能になり、産業上
大きな効果がある。

本発明の制御方式の効果を実験データにて示す。

振動的な特性を有する位置制御系に適用した例である。

第２４図は位置制御系の速度のステップ応答に関する実
験結果の例を説明するための図である。

第２４図ｆａ）は従来の制御方式を適用した場合で、振
動的な応答となっており、固を振動数ｆ７＝１２Ｈｚ、
減衰定数ζ−０，１である。第２４図（ト））は同じ系
に本発明の制御方式を適用し、減衰度を高めたときの応
答の１例で、固有振動数はｆ、−１２Ｈｚと変化ないが
、減衰定数はζ＝１．０と約１０倍に増大している。第
２４図（Ｃ）は、さらに、固有周波数を高めた時の応答
の１例で固有振動数はｆｎ＝９０Ｈｚと７．５倍に増大
している。これは、機構の剛性が等価的に７．５”　４
５６倍増大したことになる。

第２５図は最大の位置ループゲインＫＰ　　Ｃ８−’コ
を第２４図（ａ）、（ｂ）、ＦＣ＋の制御方式に対応し
て測定し、このときの最大パルス速度と共に示した図で
ある０図中、・は従来の制御方式、つまり、第２４図（
ａ）のフィードバックのときで、Ｋ、の最大値は２０［
Ｓ−’コである。ムは第２４図（ｂｌに対応した場合で
、Ｋ、の最大値は５０［Ｓ−”］と２．５倍になってい
る。■は第２４図（Ｃ１に対応した場合でＫｒの最大値
は１５０　［３−’］と７．５倍になっている。最大パ
ルス速度はＫＰに比例するので、やはり７．５倍となっ
ている。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る位置制御方式の１実施例を示す図
、第２図は本発明に係る位置制御方式で構成される制御
系のブロック線図、第３図はモータの発生力からひずみ
εの間の関係を表すブロック線図、第４図は図３で表さ
れる系にひずみとひずみ速度（ｒ、ｊ）のフィードバッ
クを加えた場合のブロック線図、第５図はひずみとひず
み速度（ε、ｔ）のフィードバックによる極配置の変化
を示す図、第６図は第２図を等価変換したブロック線図
、第７図は第６図のブロックＢの部分を示す図、第８図
は第６図のＣで表した部分のゲインＫｖをパラメータと
したときの根軌跡を示す図、第９図は第６図の全体のシ
ステムを示す図、第１０図は第９図においてゲインに、
をパラメータとしたときの根軌跡を示す図、第１１図は
差動トランスを用いてひずみ８を検出する例を示す図、
第１２図はモータと移動体の位置を同じ種類のリニアス
ケールで測定しひずみを検出する例を示す図、第１３図
はモータに回転モータを用いた例を示す図、第１４図は
微分回路を用いて速度を求める例を説明するための図、
第１５図は差分演算回路を用いて速度を求める例を説明
するための図、第１６図はＦ／Ｖコンバータを用いて速
度を求める例を説明するための図、第１７図はひずみε
とひずみの速度ｔから指令信号を生成する回路の例を示
す図、第１８図は位置制御系の基本的な構成を示す図、
第１９図は位置制御系を伝達関数で表したブロック線図
、第２０図は機構部の機械的振動特性を考慮した位置制
御系の動的モデルを示す図、第２１図は第２０図に示す
位置制御系のブロック線図、第２２図は第２１図を革純
化したブロック線図、第２３図はゲインに９をパラメー
タとした根軌跡を示す図、第２４図は位置制御系の速度
のステップ応答に関する実験結果を説明するための図、
第２５図は最大の位置ループゲインに、　　［３−１コ
を第２４図（ａｌ、（ｂｌ、（Ｃ１の制御方式に対応し
て測定し、このときの最大パルス速度と共に示した図で
ある。 ｌ・・・モータ、２・・・機構部、３・・・移動部、４
・・・駆動部、５と６・・・センサ、７・・・コントロ
ーラ。 出　願　人　　新技術開発事業団（外１名）代理人　弁
理士　阿　部　龍　吉 第１図 第２図 第３図 第６図 第７図 第８図 第（７図 第１ム図　　　第１７図 第１′１図 第２０図 第２１図 第２２図 Ｑ　　　　　　　　　　　（ｃ）　　　　　　　ｆｏＯ
ｔＬ″５′第２４図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）駆動手段、移動部、及び駆動手段と移動部とを結
   合する結合機構とを有し、駆動手段の発生力により移動
   部の位置を制御する位置制御装置において、移動部の位
   置ｘ＿Ｌと速度■＿Ｌ及び機構部のひずみεとひずみ速
   度■を計測し、位置ｘ＿Ｌ、速度■＿Ｌ、ひずみε、ひ
   ずみ速度をなる状態を駆動手段にフィードバックするよ
   うに位置制御系を構成したことを特徴とする位置制御方
   式。
2. （２）ひずみεとひずみ速度■は、駆動手段の位置ｘ＿
   Ｍと駆動手段の速度■＿Ｍを計測し、ε＝ｘ＿Ｍ−ｘ＿
   Ｌ ■＝■＿Ｍ−■＿Ｌ の演算により求めることを特徴とする特許請求の範囲第
   １項に記載の位置制御方式。