JPS63273902A

JPS63273902A - 移動体の位置決め制御方法

Info

Publication number: JPS63273902A
Application number: JP11026987A
Authority: JP
Inventors: Takashi Yamaguchi; 高司山口; Hirotake Hirai; 洋武平井; Shoji Kobashi; 小橋　章二
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1987-05-06
Filing date: 1987-05-06
Publication date: 1988-11-11
Anticipated expiration: 2010-12-18
Also published as: JPH07117855B2

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、摩擦接触を伴なって高速移動する移動体の位
置決め制御方法に係り、特に微少な動きが要求されるＸ
Ｙステージの各ｘＹテーブル等の位置決め制御に好適な
制御方法に関する。

〔従来の技術〕

各種移動体を現在の位置（又は設定位置）から目標位置
に移動させる場合の周該移動体の位置め制御方法として
種々の方法が考えられている。その制御に当ってとられ
る一般的な手法は、制御ループの制御モードを移動体の
位置または速度量に応じて切換えるというものである。

具体的には次のものが公知である。公知例１として速度
制御モードと位置制御モードとでそれぞれ独立のフィー
ドバックループを有する制御ループを構成し、これらを
適宜切換える方式のものがある（特開昭５０−４２２８
４号公報参照）。公知例２としてコアース制御モード（
速度制御モード）とファイン制御モード（位置制御モー
ド）とでそれぞれ独立したフィードバックループを有す
る制御ループを構成し、コアース制御からファイン制御
に切換る際に速度帰還量を変化させる方式のものがある
（特開昭５１−１２６４８６号公報参照）。公知例３と
して、移動モードと保持モードにそれぞれ独立した積分
要素を設け、上記モード切換えとともに積分要素を切換
える方式のものが知られている（特開昭５５−９５１０
４号公報参照）。

上記従来技術の特徴は、移動体の位置または移動速度に
従って速度検出信号のフィードバック量を最適値に設定
して位置決め時間の短縮化を図ったり、定常特性を改善
するための積分要素のゲインを最適値に設定することに
より位置決め時間の短縮化を図った点にある。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記従来技術は、移動体の移動量が比較的大きい場合を
対象としたものであり、移動体の移動開始時や停止時に
おいて当該移動体に高次の振動特性による微少残留振動
が生じる場合や、移動体の物理的特性（弾性）が移動量
によって変化することにより振動が生じる場合について
は考慮されておらず、したがってこのような現象が生じ
た場合に安定化させることは困難である。このような振
動は、特に移動体を極めて微少距離だけ移動する際に問
題となる。

すなわち、ここで移動体としてＸＹステージのＸテーブ
ルを考える（Ｙテーブルも同様に考えればよい、）、制
御対象であるＸテーブルは現在位置から目標位置近傍ま
での長い距離については高速移動するが、この場合のロ
ーラ２４は第８図に示すように正常に転動しており、Ｘ
テーブル２１はマクロ的にみて慣性体としてモデル化す
ることができ、Ｘテーブル２１とローラ２４との間には
微少なころがり案内面の摩擦力が作用している程度であ
る。したがって、制御回路は慣性質量を位置決めする制
御系であればよく、比較的簡単な構成となっている。し
かしながら、Ｘテーブル２１が目標位置のごく近傍（１
μｍオーダ）に接近したとき第９図に示すようにころが
り案内のローラは転動せず、ローラとＸテーブルとの接
触面において弾性挙動が生じる。この様子を第１１図に
示す。

第１１図はＸテーブルを入力電圧を変えて正弦波掃引を
おこなったときの入力電圧とＸテーブル２１の変化との
周波数特性を示したものである。

第１１図中の■〜■の番号は図の右側に示しである振動
値（１０Ｈｚ）に対応し、また１図の横軸は周波数、縦
軸は出力変化／入力電圧の振幅比をデシベルで表わして
いる。

第１１図において、Ｘテープの振動振幅が太きい場合（
■の６５．５ｐｍ）１００Ｈｚまではほぼ二重積分特性
を示しており、慣性質量の周波数特性と見なせる。とこ
ろが、振幅を小さくするにつれて周波数特性中に共振点
と思われるピークが存在し、しかも、このピークは振幅
が小さくなるにつれて高い周波数領域に現われ、減衰係
数が小さくなっている。このように周波数特性に共振が
みられるのは弾性体のふるまい固有の現象であり。

制御対象であるＸテーブル２１の特性を単なる慣性質量
モデルとして考えるのではなく、質量と弾性体（バネ）
の組合せモデルで考えなければならないことを示してい
る。そして、この弾性特性は。

第１０図に示すように、振幅に依存する非線形ばねにモ
デル°化しうる。このようにＸテーブル２１が目標値近
傍に接近すると、制御対象であるＸテーブル２１は慣性
質量体と非線形ばねとの組合せでモデル化できるため、
従来の制御方式では、系の固有振動数が高くなり、減衰
率が小さくなる。

このため、制御系の安定性が損なわれ、振動を生じたり
、減衰の悪い振動になったりして正確な位置決めが困難
となる。

そこで、本発明は上記慣性質量に基づく挙動と弾性に基
づく挙動の両面を考慮して微小距離移動時の位置決めを
正確に行いうる制御方法を提供することを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的は、摩擦接触状態を伴なって目標位置まで移動
する移動体の現在位置と前記目標位置との間の相対距離
を検出して前記移動体の位置制御を行う位置決め制御方
法において、前記移動体の微小距離移動時と長距離移動時とで前記移
動体の弾性特性を含めた当該位置決め制御ループの伝達
関数を異ならせることにより達成される。

〔作用〕

上記本発明の構成によれば、移動体の現在位置と目標位
置との相対距離が微少距離である場合に、当該移動体の
弾性特性に応じた伝達関数となるように位置決め制御ル
ープの構成を切換え、相対距離が長距離である場合には
当該移動体が通常の慣性質量の挙動であるとして定めた
伝達関数となるように位置決め制御ループの構成を切換
える。このように、移動距離の違いによって、単に移動
速度を切換えるのではなく、移動体の微動時の物理的特
性を考慮することにより、振動特性を効果的に抑制し、
迅速かつ正確に目標位置に位置決めすることができる。

〔実施例〕

次に、本発明に係る実施例を図面に基づいて説明する。

制御対象まず、本発明に係る制御の制御対象としてＸＹステージ
の概要を説明する。

第２図はＸＹステージの構成例を示す部分破断斜視図で
ある。第２図において、２１はＸテーブル、２２はＹテ
ーブル、２３はＸ軸すニア直流モータ、２４はＸ軸ころ
がり案内機構、２５はＹ軸すニア直流モータ、２６はＹ
軸ころがり案内機構、２７はミラーである。Ｘテーブル
２１はＸ軸すニア直流モータ２３により力を受けてＸ軸
ころがり案内機構２４の案内面に沿って移動する。Ｘ軸
についても同様である。Ｘテーブル２１の位［０出は、
レーザ測長器（図示せず）によって行い、Ｘテーブル２
１上のミラー２７との距離を測長することにより行われ
る。

制御原理まず、本発明に係る位置決め制御の制御原理を第１図に
示す。

先に述べたように（第８図〜第１０図）、Ｘテーブル２
１の移動に際しては、微少距離移動時におけるミクロ的
なＸテーブル２１の弾性挙動と長距離移動時におけるマ
クロ的なＸテーブル２１の挙動とを組合わせた制御が必
要である。そこで。

制御ループは大別して微少位置決め制御系１０３と粗位
置決め制御系１０４との二つのループからなる。これら
の各制御系１０３と１０４の切換えはＸテーブル２１の
現在位置と目標位置との相対距離の大きさに依存してお
こなう。

すなわち、第１図に示すように、目標位置に対応する目
標値が発生すると（ステップ１００）、その目標値と現
在位置との相対距離を予め設定された第１基準値ＬＭＢ
Ｇ　（例えば、０．５ｍ＋）と比較する（ステップ１０
１）。

相対距離が第１基準値ＬＭＢＧより大きい場合（ＮＯ）
はＢ　ａｎｇ−Ｂ　ａｎｇ制御系１０５により通常の位
置決め制御を行う（ステップ１０５）、なお、ここにい
う通常の位置決め制御とは、Ｘテーブル２１を単なる慣
性質量体として取扱う制御であり、ミクロ的特性の変化
を考慮しない場合である。

ステップ１０５において相対距離が第１基準値ＬＭＢＧ
より小さい場合（ＹＥＳ）には次のステップ１０２に進
み、制御モードの切換判断を行う。

ステップ１０２では相対距離と第２基準値ＬＭＬＮ（例
えば０．５μｍ）とを比較することにより制御モードの
切換判断を行う。

その比較の結果、相対距離が第２基準値ＬＭＬＮより大
きい場合（Ｎｏ）はステップ１０４に進む、ステップ１
０４では粗位置決め制御系により通常の制御を行う。但
し、ここでいう通常の制御は、ステップ１０５の場合が
フィードバック補償のみで位置決め制御を行うのに対し
、後述する直列補償要素を含む点で異なる。その理由は
移動距離がステップ１０１での判断時点よりさらに微少
距離に接近しつつあることから、より精密な制御を行う
必要があるからである。

一方、ステップ１０２における比較の結果、相対距離が
第２基準値ＬＭＬＮより小さい場合（ＹＥＳ）はステッ
プ１０３に進む。

ステップ１０３では微少位置決めの制御系により微少制
御を行う。ここにいう微少制御とは、Ｘテーブル２１を
単なる慣性質量体としてみなすのではなく、動き出し時
点および停止直前時点でのＸテーブル２１とローラとの
接触面において相互に弾性体としての挙動が存在するこ
とを前提として、その弾性に基づく振動の折制のための
直列補償要素ならびに安定化補償要素を含む制御ループ
に切換えて行う制御である。すなわち、ステップ１０２
は粗位置決め制御モードと微少位置決め制御モードの切
換判断要素として機能する。

以上の処理はＸテーブル２１の各移動時（すなわち、目
標値発生のたびに）繰返して行われる。

１↓尖凰孤次に、上記制御原理に基づく具体的な実施例（第１実施
例）を説明する。

第３図に第１実施例における制御ブロックを示す。第３
図において、目標値発生回路１から目標位置信号が発生
すると、その目標位置信号は比較回路２１においてレー
ザ測長器１２からの現在位置検出信号と比較される。比
較の結果得られた偏差信号ｅは目標位置と現在位置との
相対距離に対応する。

偏差信号ｅは粗位置決め制御系Ａか、または微少位置決
め制御系Ｂのいずれかを経てアンプ６により増幅され、
操作手段としてのモータ７に与えられる。モータ７はＸ
テーブル２１を偏差信号ｅに応じた相対距離だけ移動さ
せて目標位置に位置決めする。

粗位置決め制御系Ａと微少位置決め制御系Ｂの区別は補
償要素の内容により異なりしたがって伝達関数が相互に
異なり、この各制御系ＡとＢの切換えは制御モード判定
回路１３からの切換信号により切換回路４を介して行わ
れる。

粗位置決め制御系Ａは比較回路２と切換回路４との間に
直列補償要素３を介在させることで構成される。この直
列補償要素３は制御ループの定常特性を改善するため（
すなわち、安定度の改善）の比例＋秋分（Ｐｌ）回路で
ある。

微少位置決め制御系Ｂは比較回路２と切換回路４との間
に直列補償要素９および安定化補償要素４１０を介在さ
せることで構成される。直列補償要１Ｉ４９は制御ルー
プの定常特性改善のための比例十積分（ＰＩ）回路であ
る。安定化補償要素１０は。

例えば、２次の位相進み補償要素で構成され、安定度と
連応性の改善に供される。その伝達特性は次の式で表わ
される。

ただし、ω　、ω′、ξ、ξ′は係数、Ｓはうｎ　　　
　　ｎプラス演算子である。

また、安定化補償要素１１の特性は、目標値との偏差ｅ
に応じその特性を変化させる構造としてもよく、例えば
位相進み回路の係数を変化させるようにしてもよい。

一方、レーザ測長器１２からはフィードバック補償要素
１１を介して比較回路５に帰還するフィードバックルー
プが形成されている。これは制御系全体の特性改善のた
め、Ｘテーブル２１の速度又は速度と加速度にそれぞれ
所定の係数をかけ合せて補償するものである。

次に、第４図に第１図に示した制御方法を実現するため
の制御系ハード構成図を示す。第４図において、３０は
システムプロセッサ、３１はシステム用バス、３２はサ
ーボプロセッサ、３３はサーボ用バス、３４はＤ／Ａ変
換器、３５は通信バッファ、３６は位置カウンタ、１２
は位置検出器（レーザ測長器）、３８はＸ軸制御装置、
３９はＸ軸制御装置である。システムプロセッサ１は制
御装置の起動、位置表示や係数変更、目標値設定を司る
。サーボプロセッサ３２はサーボループに含まれる全て
の補償演算を行う。したがって、第１図に示した直列補
回路３、直列補償回路９、安定化補償回路１０およびフ
ィードバック補償回路１１がこのサーボプロセッサ３２
内で行われる。

本実施例では、このように第１図で示された制御方法は
第４図のハート構成で実現される。なお、Ｙ軸制御装置
３９も上記同様の構成でよいので説明を省略する。

ところで、ころを用いたころがり案内機構の微少挙動時
に生じる弾性挙動特性は、一般に、円筒ころの特性とし
て第５図に示したようにヒステリシス特性が知られてい
る。第５図において、横軸はころのころがり変位、縦軸
はころがり力である。

この第５図かられかるように、このようなヒステリシス
特性でもころがり変位が小さくなると、ころがり変位に
対するころがり力（すなわち弾性系数）が変化し、変化
が小さくなるにつれて弾性係数が大きくなる傾向を示す
、このことは第１１図に示したＸテーブル２１の特性と
女性的に一致している。しかし、本実施例のＸテーブル
２１は、円筒ころが第２図に示したように長手方向に多
数配列されており、しかも、水平方向と鉛直方向の２方
向にころが配列されているといった構造になっており、
第１１図で示された特性はころの特性からは直ちに類推
されるものではない。

以上、本実施例では、第１図において、微少位置決め制
御系Ｂにおいて、−巡伝達特性を予め測定して安定余有
を求めたのち、余有度を確保するように安定化補償要素
１０を構成することができ。

Ｘテーブル２１の特性変化にも安定した位置決め制御が
行えるという効果がある。

■１尖凰舅第６図に本発明の第２の実施例を示す。第６図において
、第１図と同一番号は同一内容を示す。

本実施例は安定化補償要素１０をアンプ６の直前に挿入
している。このことにより、アンプ６の入力信号からＸ
テーブル２１の変位までの機構系の伝達特性が微少位置
決め領域において共振点を有する場合に、このピークを
安定化補償回路１０により相殺することができる。そし
て、補償後の特性に対して直列補償要素３とフィードバ
ック補償要素１１により定常特性の改善、速溶性の改善
を行う。このように本実施例では、機構系の伝達特性を
みかけ上大きく変動しないように安定化補償回路１０を
付加するので、他の補償回路の設計が容易になるという
効果を有する。

第３実施例第７図に本発明の第３の実施例を示す。第７図において
、第１図又は第６図は同一番号のものは同一内容を示す
。１２は最短時間制御回路である。

本実施例では、Ｘテーブル２１の移動距離が長い場合に
、目標位置との偏差が長いときはよく知られた最短時間
制御則にのっとった最短時間制御回路１２を通る制御ル
ープＣが構成され短時間で目標位置近傍まで接近する。

その後は、第１の実施例で述べた手順に従って制御ルー
プが切換ねる。

ここで本実施例では、最終的に目標位置に位置決めする
微少位置決め制御ループＢと、最短時間制御ループＣと
微少位置決め制御ループＢとをつなぐ位置決め制御ルー
プＡとは、各々独立したフィードバック補償要素１１ａ
、ｌｌｂを有し、調整しやすいようにしている。このよ
うに本実施例では、比較的長い距離の位置決めにおいて
、三つのそれぞれの偏差量を適した制御ループを切換え
て制御するため応答時間が短くなるという効果がある。

〔発明の効果〕

以上のように、移動体を位置決めする位置決め制御回路
において目標位置と移動体の現在位置との偏差に従って
、位置制御ループを切換えることができるため、応答性
の高い位置決め制御が実現できるという効果がある。特
に、ころがり案内やすべり案内のような動き出し時や位
置決め停止時において特性の変化する機構を有する移動
体に対しては、移動体の特性の変化に対応して、制御特
性が最適になるように制御ループを切換え、しかも補償
回路の特性を移動体の特性に対して変化させることがで
きるので、安定性の高く、かつ高速高精度な位置決めが
できるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る位置決め制御の制御原理を示すフ
ローチャー１〜．第２図はＸＹステージの概要を示す部
分破断斜視図、第３図は本発明の制御方法の第１実施例
を示す制御ブロック図、第４図は本発明の実施に使用す
るハードウェア構成を示すブロック図、第５図はころの
一部的ヒステリシス特性を示す説明図、第６図は本発明
の第２実施例を示す制御ブロック図、第７図は本発明の
第３実施例を示す制御ブロック図、第８図は移動体を慣
性質量体とした場合のモデルを示す説明図、第９図は移
動体を弾性体とした場合のモデルを示す説明図、第１０
図は第９図の等価モデルを示す説明図、第１１図はＸテ
ーブルの駆動時における入力電圧と出力変位の周波数特
性図である。１・・・目標値発生回路。２・・・比較回路、３・・・直列補償要素、４・・・切換え回路、５・・・比較回路。６・・・アンプ、７・・・モータ、９・・・直列補償要素、１０・・・安定化補償要素、１１・・・フィードバック補償要素、１２・・・最短時間制御回路、２１・・・Ｘテーブル。２２・・・Ｙテーブル、２３・・・Ｘ軸すニア直流モータ、２４・・・Ｙ軸ころがり案内機構、′ ２５・・・Ｙ軸すニア直流モータ、２６・・・Ｙ軸ころがり案内機構。２７・・・ミラー。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）摩擦接触状態を伴なって目標位置まで移動する移
動体の現在位置と前記目標位置との間の相対距離を検出
して前記移動体の位置制御を行う位置決め制御方法にお
いて、前記移動体の微少距離移動時と長距離移動時とで前記移
動体の弾性特性を含めた当該位置決め制御ループの伝達
関数を異ならせることを特徴とする移動体の位置決め制
御方法。
（２）特許請求の範囲第１項記載の制御方法において、
前記伝達関数の変化は前記移動体の微小距離移動時の当
該位置決め制御ループの安定化補償要素と長距離移動時
の当該位置決め制御ループの安定化補償要素を切替える
ことにより行うことを特徴とする移動体の位置決め制御
方法。
（３）特許請求の範囲第２項の制御方法において、安定
化補償要素は前記相対距離に対応して固有周波数を変化
させる位相補償要素を有することを特徴とする移動体の
位置決め制御方法。
（４）特許請求の範囲第３項の制御方法において、前記
位相補償要素は前記相対距離に対応して固有周波数の異
なる複数の位相補償要素からなることを特徴とする移動
体の位置決め制御方法。
（５）特許請求の範囲第４項記載の制御方法において、
前記複数の位相補償要素は前記相対距離に対応して切換
え動作する切換回路により切換られることを特徴とする
移動体の位置決め制御方法。