JPS6368912A - 位置決め制御装置 - 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、ステップアンドリピート型露光装置やＩＣボ
ンダ等の半導体製造装置、または産業用ロボットおよび
ＮＣ工作機械等における可動体の位置決め制御装置に関
し、特に、負荷の変動や摺動部の摩擦力変化等の外乱の
影響を補正し、短時間に、かつ定常位置偏差なく位置決
めでき、さらに位置決め方向による定常位置偏差の差を
なくすることを可能とした位置決め制御装置に関する。

［従来の技術］ 従来、この種の位置決め制御装置の制御回路は、第２図
のように構成されており、可動体の位置決めは、第４図
のような速度曲線に従って行なわれていた。第４図にお
いて、ａ〜ｅまでが速度制御区間であり、目標位置近傍
のｅ点で位置制御に切換えて最終的な位置決めを行なっ
ている。同図において、ａは加速開始点、ｂは最高速度
に達して定速駆動に移行する加速終了点、Ｃは減速開始
点、ｄは終速度に達した点で減速終了点、ｅは制御モー
ド切換点、ｆは位置決め完了点である。

第２図において、速度制御時、アナログスイッチ７は速
度指令用Ｄ／Ａ変換器２を選択し、速度関数発生器１で
、第４図ａ　”’−ａ　ｅのような速度曲線を作り、Ｄ
／Ａ変換器２で速度指令電圧を得る。

ドライバアンプ９、モータ１０および速度検出器１１の
閉ループは速度フィードバック制御による速度制御を行
ない、Ｄ／Ａ変換器２からの速度指令電圧に従った速度
で可動体１２を移動する。次に制御切換位置ｅにて位置
制御に切換わり、アナログスイッチ７は位置偏差出力用
Ｄ／Ａ変換器６を選択する。現在位置カウンタ１４には
じまる差分器４、Ｄ／Ａ変換器６、ドライバアンプ９、
モータ１０、可動体１２、位置検出器１３の閉ループは
位置決めフィードバック制御系を形成する。

このような構成では、速度および位置の各制御系のルー
プゲインはそれぞれ一定であり、負荷の変動、摺動部の
摩擦力の変化、または系の剛性の変化等の要因により、
あるいは制御系を不安定にしないためにはループゲイン
を高くできない等の理由により、位置制御切換時に振動
が起きたり、第５図すのように定常位置偏差（目標位置
と実際の停止位置との偏差）が大きい、位置および移動
方向により定常位置偏差の大きさが変化するという欠点
があった。

これらの問題を解決するため、第３図のように非線形回
路１６を追加した位置決め制御系を形成し、目標値の近
傍での位置偏差に対する指令値を増幅し、定常位置偏差
を小さくする方法が一般に使用されている。

［発明が解決しようとする問題点］ しかしながら、この制御系では第４図の８〜０点までの
速度制御から、第４図のｅ点以降の位置制御に切り換え
た場合、第５図Ｃに示すようにオーバーシュート量が増
加し、位置決め制定時間が増加するという欠点がある。

本発明は、上述の従来形における問題点に鑑み、位置決
め制御装置において、定常位置偏差および目標位置や移
動方向による定常位置偏差の変化を減少して位置決め精
度の向上を図るとともに、位置決め時間の短縮を図るこ
とを目的とする。

［問題点を解決するための手段］ 本発明においては、サーボ制御系のゲイン特性すなわち
ゲインパターンを複数種類に選択可能とし、位置決め時
の振動制定状態に応じてゲインパターンを切換える構成
とし、複数種類のゲインパターンを記憶するため例えば
デジタルメモリが使用される。

［作用］ 上述の手段において、例えば位置決め開始時は一定ゲイ
ンとし、振動がある程度少なくなったところで折れ線ゲ
イン特性とすることにより、摩擦力による不感帯を打ち
消すことができ振動の拡大が防止されるから、位置決め
精度が向上しかつ位置決め時間の短縮を図ることが可能
となる。

［実施例］ 以下、図面を用いて本発明の詳細な説明する。第１図は
本発明の一実施例における位置決め制御装置の位置決め
フィードバック制御系の構成を示す。同図の装置は、目
標位置設定器３、差分器４、位置偏差に応じたゲイン設
定値を複数記憶しているメモリ５、デジタルデータをア
ナログ出力に変換するＤ／Ａ変換器６、ドライバアンプ
９、可動体１２を駆動するモーター０、スライドテーブ
ル又はロボットの腕等の可動体１２、レーザ測長器等の
位置検出器１３、現在位置カウンター４、振動振幅およ
び振動速度を判定する振動判定器１５等によって構成さ
れる。

第１図の装置の作用説明に先立って本構成の原理につい
て説明する。

位置決め制御系の開ループゲインをＫｏ　　［１／Ｓ］
、モータ定格トルクなＴｐ　［Ｎ−ｍ］、そ−タ８が定
格回転数のときの送り速度なＦｒ　　［ｍ／Ｓコ、モー
タ軸換算負荷トルクをＴｄ　　［Ｎ・ｍ］、位置決め偏
差なε［ｍ］とすると、負荷トルク、摺動部の摩擦力の
変化による定常位置偏差は ε＞　　（Ｆｒ　／Ｋｏ　　）　　・（Ｔｄ　／Ｔｐ　
　）となる。また、間ループゲインＫｏはサーボ系のシ
ステム構成により一定の値以上に上げると発振状態とな
り不安定となるために上げられない。このため従来の方
法では定常位置偏差Ｃは一定の値以下に下げることがで
きなかった。

ここで、ボールネジを使ったステージの位置決め制御系
での発振限界の例を第６図にゲインＫＯと位置偏差εと
の関係で示す。これによると開ループゲインＫＯ１位置
偏差εの関係は Ｋｏ＝Ｋ・ε−２ で表される。ただし、Ｋ、Ｐは比例定数であり位置によ
り変化する場合がある。

従来の方法の場合、速度制御から位置決め制御に切換え
後は第８図のように一定ゲインであり、粘性摩擦を持つ
系では第５図のｂで示すように振動的に一定偏差値に収
束する。

そこで本発明では、振動がおさまった時点で第８図のよ
うな一定ゲインから第７図のような折れ線ゲインに切り
換えることにより、第５図の曲線ａに示すような応答特
性を得て定常位置偏差および可動体の移動方向による定
常位置偏差の差を極めて小さくし、位置決め精度を向上
させている。

なお、ここで、はじめから第７図のような折れ線ゲイン
にすると第５図のＣに示すように振動が大きくなって位
置決め時間が長くなるので、最初は一定ゲインにしてお
き、振動がおさまったところで折れ線ゲインに切り換え
ている。

次に、第１図の制御系の作用を説明する。

第１図は、第４図のｅ−ｆ区間の位置決め制御を行なう
閉ループ制御系の構成を示している。

まず、口櫃位置設定器３に目標位置を設定し、現在位置
カウンタ１４の出力との偏差を差分器４によって計算す
る。この偏差の値をアドレスとしてデジタルメモリ５に
設定しである出力値を読み出し、それをＤ／Ａ変換器６
によってアナログ値に変換する。そしてアンプ９により
増巾された出力はモータ１０を回転させ可動体１２を駆
動し、さらに位置検出器１３により現在の位置がフィー
ドバックされ、位置決めの制御が行なわれる。

ここで、デジタルメモリ５には例えばあらかじめ第８図
の一定ゲインと第７図の折れ線ゲインの２種類の人出力
特性を設定しておく。最初は一定ゲインを選択しておき
可動体１２が振動的に目標位置に接近して振動が収束す
ると、振動判定器１５が振動がおさまったことを判定し
てデジタルメモリ６の入出力特性を折れ線ゲインに切り
換える。これにより、折れ線ゲインにより不感帯が打ち
消され、可動体１２はさらに目標位置に接近する。

このようにすることで、位置決め時間の短縮、定常位置
偏差の減少、および移動方向による定常位置偏差の減少
を図ることができる。

また本発明では可変ゲインを発生させるのにデジタルメ
モリを使用しているので、アナログ回路で可変ゲインを
発生させる方法に比べ最適なゲイン特性を設定させるこ
とができる。また、オフセット調整も不要であり、ドリ
フトもないので安定している。

さらに、本発明ではデジタルメモリを使用しているため
、ゲイン特性の形状として第７図のような折れ線ゲイン
だけではなく、曲線的な形状にしたり、上下にシフトし
たりすることも可能である。

また、デジタルメモリの部分をマイクロプロセッサにお
きかえることによりさらに複雑なゲイン特性を持たせる
ことができる。例えば、２つのゲイン特性を切り換える
判定基準を状況に応じて変化させたり、学習機能を持た
せてゲイン特性を変化させたりすれば、位置決め制御の
精度をさらに向上させることができる。

［発明の効果］ 以上のように本発明によれば、位置決め制御装置におい
て、振動がおさまったところで一定ゲインから折れ線ゲ
インにループゲイン特性を切り換えることにより、摩擦
力による不感帯を打ち消すことができ、さらに振動を大
きくすることもないので位置決め精度の向上および位置
決め時間の短縮を図ることができる。

また、アナログ回路により非線形ゲインを得る方法に比
べ、オフセットを調整する必要がなく、ドリフトもない
ので各特性が安定しており、信頼性の高い制御系を構成
できるという特徴がある。

さらに、ＣＰＵにより直接計算を行なう方法に比べ、非
常に高速に応答できるという特徴もある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係る位置決め制御装置の構
成を示すブロック図、第２図および第３図はそれぞれ従
来の位置決め制御回路を示すブロック図、第４図は速度
指令曲線の１例を示す線図、第５図は位置決め制御に切
換えた後の位置変化（応答）を示す波形図、第６図は位
置決め制御装置における位置偏差とゲインの安定限界を
示すグラフ、第７図は折れ線ゲインの入出力特性を示す
グラフ、そして第８図は一定ゲインの直線的な入出力特
性を示すグラフである。 １：速度関数発生器、 ２　：　Ｄ／Ａ変換器、 ３：目標位置設定器、 ４：差分器、 ５：デジタルメモリ、 ６　：　Ｄ／Ａ変換器、 ９：ドライバアンプ、 １０：モータ、 １１：速度検出器、 １２：可動体、 １３：位置検出器、 １４：現在位置カウンタ、 １５：振動判定器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、可動体を目標位置に移動するに際し、該可動体を、
   先ず速度重視の第１の制御モードで目標位置近傍まで移
   動し、次いで停止位置精度重視の第２の制御モードに切
   換えて目標位置に位置決めするサーボ制御系と、 上記第２の制御モードに切換えた後の上記サーボ制御系
   のループゲインを位置偏差に応じて設定するためのゲイ
   ンパターンを複数種類選択可能なゲインパターン設定手
   段とを有し、 位置決め時の振動制定状態に応じて、上記ゲインパター
   ンを切換えることを特徴とする位置決め制御装置。 ２、前記ゲインパターン設定手段は複数のゲインパター
   ン情報を記憶するデジタルメモリ装置を備える特許請求
   の範囲第１項に記載の位置決め制御装置。