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公開番号2020099175
公報種別公開特許公報(A)
公開日20200625
出願番号2019166410
出願日20190912
発明の名称ガントリーステージの制御方法及び制御装置
出願人国立大学法人豊橋技術科学大学,日立金属株式会社
代理人個人,個人
主分類H02P 5/46 20060101AFI20200529BHJP(電力の発電,変換,配電)
要約【課題】設計の流れ、制御器の調整が容易であり、制御理論に関する特別な知識を必要とせずに、高精度で高速な位置決めを可能とする、NCTF制御法に基づくガントリーステージの制御方法及及び制御装置を提供する。
【解決手段】平行配置した2つのリニアモータを介して定盤にテーブルが設置されているガントリーステージで位置決めをする際に、リニアモータへの入力信号を用いた開ループ実験より得られる規範特性軌跡に基づくNCTF制御により、定盤に起因する振動にテーブルを追従させ、定盤の振動にテーブルを追従させる過程で発生する高周波振動を抑制する制御を、2つのリニアモータ夫々に対して独立して行う。
【選択図】図10
特許請求の範囲【請求項1】
平行配置した2つのリニアモータを介して定盤にテーブルが設置されているガントリーステージの位置を制御する方法であって、
前記リニアモータへの入力信号を用いた開ループ実験より得られる規範特性軌跡に基づくNCTF制御を用いて、前記定盤の振動に前記テーブルを追従させ、前記定盤の振動に前記テーブルを追従させる過程で発生する高周波振動を抑制する制御を、前記2つのリニアモータ夫々に独立して行うことを特徴とするガントリーステージの制御方法。
続きを表示(約 630 文字)【請求項2】
前記NCTF制御にフィードフォワード制御を加えることを特徴とする請求項1に記載のリニアモータステージの制御方法。
【請求項3】
平行配置した2つのリニアモータを介して定盤にテーブルが設置されているガントリーステージの位置を制御する装置であって、
前記リニアモータへの入力信号を用いた開ループ実験より得られる規範特性軌跡に基づく制御を行うNCTF制御系と、前記定盤の振動に前記テーブルを追従させる第1制御部と、前記定盤の振動に前記テーブルを追従させる過程で発生する高周波振動を抑制する第2制御部とを備える制御システムを、
前記2つのリニアモータ夫々に独立して設けてあることを特徴とするガントリーステージの制御装置。
【請求項4】
前記NCTF制御系にフィードフォワード制御を加えるフィードフォワード制御器を更に備えることを特徴とする請求項3に記載のガントリーステージの制御装置。
【請求項5】
前記第1制御部は下記B(s)で表される伝達関数を有するバンドパスフィルタである(ω
b
:角振動数、ζ
1
,ζ
2
:減衰係数)ことを特徴とする請求項3または4に記載のガントリーステージの制御装置。
【請求項6】
前記第2制御部は微分器であることを特徴とする請求項3から5の何れかに記載のガントリーステージの制御装置。

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
本発明は、ガントリーステージの位置を制御する方法及び装置に関する。
続きを表示(約 7,500 文字)【背景技術】
【0002】
工作機械、測定器、半導体装置、ディスプレイ装置などの産業用製品の製造現場にあってリニアモータステージの利用が広く行われている。リニアモータステージにおける運動精度は、製品の品質及び特性に大きな影響を及ぼすため、高精度で高速な位置決めへの要求が高まっている。リニアモータステージは、リニアモータによって移動可能であるテーブルを定盤上に配設して構成される。
【0003】
近年、例えば、ディスプレイ装置の大型化に伴って、大型で高重量の液晶パネルをリニアモータステージにて搬送することが必要となってきている。そこで、大きな推力を得て高重量の製品を支持搬送できるように、平行配置した2つの直動機構を用いて製品の搬送を行うガントリーステージ、即ち、平行に設置された2つのリニアモータステージを連結用のテーブルで接続した構成をなすガントリーステージが使用されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
特開2008−221444号公報
特許第5574762号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
一般的なリニアモータステ−ジの制御には、従来より、設計・調整が簡単で扱いやすいPID制御が精密機構に広く用いられているが、近年の厳しい要求性能を達成することが難しく、利便性を維持しつつ高い性能を実現できる制御方法が求められている。
【0006】
高精度な位置決めが必要な場合、十分な剛性を有する定盤に固定することが一般的であるが、高加速度運動の必要性が年々高まり、定盤を含めた装置全体の振動問題が顕在化しており、その抑制が重要な課題となっている。定盤などに起因する振動を抑制する方法としては、大質量の定盤と高剛性の支柱との組み合わせに加え、アクチュエータを組み込んだアクティブ除振装置または反力補償装置を利用する方法がある。しかしながら、装置が大型化しコストが上昇するという問題があるため、それを許容する機構にしか利用できない。そこで、制御的な対策として、現在主流であるPID制御に変わる、アドバンスド制御(スライディングモード制御または外乱オブザーバを利用したロバスト制御など)を用いた制御が行われている。しかし、モデリングを事前に求める労力を必要とし、基礎となる制御理論の十分な知識も必要となるなど、普及しきれていない。
【0007】
また、ガントリーステージでは、平行配置した2つの直動機構を精密に同期制御することが求められているため、従来技術では、クロスカップリングコントローラのような2軸の連係動作を担う制御要素が制御系に組み込まれている例もある。
【0008】
ところで、高精度及び扱いやすさを両立する制御系設計法として、簡単な開ループ実験とコントローラのパラメータ調整とから高精度位置決め制御系を設計することができるNCTF(Nominal Characteristic Trajectory Following) 制御法が知られている。しかし、このNCTF制御法にあっても、顕在化する振動問題は解決されていないことが実情である。
【0009】
本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、設計の流れ、制御器の調整が容易であり、制御理論に関する特別な知識を必要とせずに、高精度で高速な位置決めを可能とする、NCTF制御法に基づくガントリーステージの制御方法及び制御装置を提供することを目的とする。
【0010】
本発明の他の目的は、定盤振動が定盤・テーブル間の相対変位に及ぼす影響が低減し、定盤に対するテーブルの剛性を向上して、定盤振動にテーブルが追従することで相対変位には定盤振動の影響が現れず、テーブルのヨーイング(回転方向の揺れ)に伴う振動も抑制できる、NCTF制御法に基づくガントリーステージの制御方法及び制御装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0011】
本発明に係るガントリーステージの制御方法は、平行配置した2つのリニアモータを介して定盤にテーブルが設置されているガントリーステージの位置を制御する方法であって、前記リニアモータへの入力信号を用いた開ループ実験より得られる規範特性軌跡に基づくNCTF制御を用いて、前記定盤の振動に前記テーブルを追従させ、前記定盤の振動に前記テーブルを追従させる過程で発生する高周波振動を抑制する制御を、前記2つのリニアモータ夫々に独立して行うことを特徴とする。
【0012】
本発明に係るガントリーステージの制御装置は、平行配置した2つのリニアモータを介して定盤にテーブルが設置されているガントリーステージの位置を制御する装置であって、前記リニアモータへの入力信号を用いた開ループ実験より得られる規範特性軌跡に基づく制御を行うNCTF制御系と、前記定盤の振動に前記テーブルを追従させる第1制御部と、前記定盤の振動に前記テーブルを追従させる過程で発生する高周波振動を抑制する第2制御部とを備える制御システムを、前記2つのリニアモータ夫々に独立して設けてあることを特徴とする。
【0013】
本発明にあっては、NCTF制御を利用するとともに定盤の振動にテーブルを追従させ、定盤の振動にテーブルを追従させる過程で発生する高周波振動を抑制する。また、このような制御を、2つのリニアモータに対して独立的に行って、ガントリー化によるテーブルのヨーイングに伴う振動を抑制する。よって、ガントリーステージにおける高精度で高速な位置決めがなされる。
【0014】
本発明に係るガントリーステージの制御方法は、前記NCTF制御にフィードフォワード制御を加えることを特徴とする。
【0015】
本発明に係るガントリーステージの制御装置は、前記NCTF制御系にフィードフォワード制御を加えるフィードフォワード制御器を更に備えることを特徴とする。
【0016】
本発明にあっては、学習制御を利用したフィードフォワード制御をNCTF制御に加える。よって、より高精度で高速な位置決めがなされる。
【0017】
本発明に係るガントリーステージの制御装置は、前記第1制御部は後述する式(3)で表される伝達関数を有するバンドパスフィルタであることを特徴とする。
【0018】
本発明にあっては、第1制御部が後述する式(3)で表される伝達関数を有するバンドパスフィルタである。よって、制御系の構成がより簡素化する。
【0019】
本発明に係るガントリーステージの制御装置は、前記第2制御部は微分器であることを特徴とする。
【0020】
本発明にあっては、第2制御部が微分器である。よって、制御系の構成がより簡素化する。
【発明の効果】
【0021】
本発明のガントリーステージの制御方法及び制御装置では、設計の流れ、制御器の調整が容易であり、制御理論の十分な知識を必要とせずに、高精度で高速な位置決めを実現することができる。定盤の振動にテーブルを追従させるので、定盤に対するテーブルの相対運動は定盤の振動の影響を受けることがなくなり、テーブルの定盤に対する相対的な位置決めを短時間で完了することができる。また、2つのリニアモータ夫々に対して独立的に制御を行うので、ガントリー化に伴うテーブルのヨーイングの影響をなくすことができる。
【図面の簡単な説明】
【0022】
NCTF制御系の一般的な構成を示すブロック線図である。
本発明の制御に用いる基本の制御系を示すブロック線図である。
リニアモータステージの力学的な微視的モデルを示す図である。
NCTF制御系に制御器B(s)を追加した制御系を示すブロック線図である。
制御器F(s)の配置を示すブロック線図である。
NCTF制御系に制御器F(s)を追加した制御系の一例を示すブロック線図である。
NCTF制御系に制御器F(s)を追加した制御系の他の例を示すブロック線図である。
本発明における制御方法及び制御装置が適用されるガントリーステージの構成を示す概略図である。
ガントリーステージの重心位置制御を目的とした制御系を示すブロック線図である。
ガントリーステージの重心位置制御及びヨーイングに伴う振動の抑制を目的とした本発明の実施の形態としての制御系を示すブロック線図である。
テーブルのヨーイングの有無を示す図である。
図9に示す制御系及び図10に示す制御系における両プラント(リニアモータ)間の位置偏差を示すグラフである。
フィードフォワード制御器FF
tiv
(t)を組み込んだ本発明の他の実施の形態における制御系を示すブロック線図である。
【発明を実施するための形態】
【0023】
以下、本発明をその実施の形態を示す図面に基づいて詳述する。
【0024】
まず、本発明の基礎となるフィードバック制御系としてのNCTF制御系について、簡単に説明する。図1は、NCTF制御系の一般的な構成を示すブロック線図である。
【0025】
NCTF制御系にあっては、望ましい減衰特性を位相面上に表記してなる規範特性軌跡(Nominal Characteristic Trajectory:NCT)と、制御対象(プラント)の動作をNCTに拘束して、位相面上の原点で停止させるためのPI補償器とから構成される。NCTは簡単な開ループ実験より作成され、PI補償器のゲインはステップ応答及び軌跡制御実験により最適な値に決定される。そのため、NCTF制御系では、詳細なモデルパラメータを必要とせず、制御理論の知識なしでも容易にその設計が可能である。開ループ実験は、モータに矩形波の電流指令を与えて行うのが望ましい。また、その矩形波入力の大きさと時間は、テーブルが可動領域内で目標最大速度を超えて動作するように調整をするのが望ましい。
【0026】
まず、矩形波信号を用いて制御対象を実際に加減速運動させる開ループ実験を行って、制御対象(プラント)の実際の動作結果を取得する。NCTは開ループ変位応答波形の減速領域を利用し、横軸を変位の最終値と過渡応答との差(仮想誤差)、縦軸をその微分として位相平面上に記述される。NCTの原点近傍ではさらに仮想誤差の微分が所定値以下となる点の傾きで直線近似を行う。
【0027】
続いて、PI補償器のゲインの調整を行う。比例ゲインK
p
は比例制御のみを使用した所定高さのステップ応答実験より決定する。また、積分ゲインK
I
は、三角波加速度目標値の2階積分を目標変位軌跡として、軌跡制御実験を行い、停止位置近傍での軌跡追従性能が最も良く、安定性が保たれる値に決定する。積分器には下記式(1)の条件に従う飽和条件付き積分器を用いる。
【0028】
【0029】
なお、式(1)の各パラメータは、図1に示すように、u
p
は現時点における偏差の微分値とNCT出力値との差、u
0
はP制御器の出力値、u
i
はI制御器の出力値、Δu
i
はu
i
の変化率、u
s
は増幅器に送ることが可能な操作量の最大絶対値を示す。
【0030】
図2は、本発明の制御に用いる基本の制御系を示すブロック線図である。この制御系には、NCT、PI補償器などを有するNCTF制御系11と、第1の制御器12と、第2の制御器13と、制御対象としてのプラント14とが含まれている。NCTF制御系11に追加された第1の制御器12及び第2の制御器13が、本発明の特徴要素である。
【0031】
第1の制御器12は、定盤の振動にテーブルを追従させるために設けられた制御器であり、具体的には後述する式(3)で表される伝達関数を有するバンドパスフィルタ(B(s))である。第2の制御器13は、定盤の振動にテーブルが追従する過程で発生する高周波振動を抑制するために設けられた制御器であり、具体的には微分器(F(s))である。
【0032】
図2に示す制御系は、簡単な開ループ実験とコントローラのパラメータ調整とから高精度な位置決め制御系を設計することができるNCTF制御系11を基本とし、除去困難な装置架台の残留振動にテーブルが追従するための後述する式(3)で表される伝達関数を有するバンドパスフィルタ(B(s))及び高周波振動を抑制するための微分器(F(s))を追加した制御系である。
【0033】
以下、高速運動時に発生する定盤振動の影響を抑制し、制御性能を改善するための図2に示すような制御系の基本的な考え方とその設計手順とについて説明する。
【0034】
制御性能劣化要因となる定盤振動の低減に有効な制御系を検討する。テーブルが高速運動する際の定盤振動が定盤に対するテーブルの相対変位x
2
−x
1
に及ぼす影響を低減するための制御系検討に力学モデルを利用する。停止位置では制御対象は微視的モデルの状態にあると考えられるため、本発明の制御系は、図3に示すような微視的モデルに基づいて導出する。モデル化においては、リニアガイド及び固定子等を含む、可動部分以外のすべての部品を纏めて定盤と見なし、質量m
1
の質点としている。また、リニアボールガイドには微視的領域において非線形ばね特性が存在し微小挙動に影響を与える。
【0035】
微視的領域における運動方程式は下記式(2)で表される。なお、m
2
:テーブルの質量、c
1
:定盤の粘性係数、c
2
:非線形ばねの粘性係数、c
3
:テーブルの粘性係数、k
1
:定盤のばね係数、k
2
:非線形ばねのばね係数、p:推力である。
【0036】
【0037】
高速運動時に定盤振動が位置精度の劣化要因となるのは、テーブルの高加減速運動によって定盤に振動が励起され、テーブルが停止位置に到達した後もその振動が残留して外乱的に働き、定盤に対するテーブルの相対変位に影響を及ぼすためであると考えられる。定盤とテーブルとの質量差は大きく(例えば、定盤:200kg程度、テーブル:2kg程度)、テーブルの制御によってこの残留振動を除去することは困難である。よって定盤と同じようにテーブルが揺れて、定盤に対するテーブルの相対変位に定盤振動の影響が現れないようにすることが現実的である。言い換えると定盤の振動にテーブルを追従させることが現実的である。
【0038】
したがって、テーブルは定盤振動の振動数で運動を行える必要があり、共振点が存在しないことが望ましい。そこで、振動数f
s
の目標値入力に対する追従性を向上するため、図4に示すようにNCTF制御系のPI補償器に下記式(3)で表される制御器B(s)を直列に配置し、振動数f
s
における剛性の向上を図る。なお、式(3)にあって、ω
b
:角振動数、ζ
1
,ζ
2
:減衰係数である。
【0039】
【0040】
制御器B(s)をPI補償器に直列に配置することにより、NCTF制御のみを用いた場合より、目標値追従性能が向上する。また、制御器B(s)を設けることにより、振動数f
s
のゲインが下降して外乱の影響を抑制する特性の向上を図れる。
【0041】
減衰係数ζ
2
の値を小さく設定するほど、制御器B(s)の減衰性能の向上を期待できる。しかしながら、制御器B(s)の減衰係数ζ
2
の値を小さく設定した場合には、非線形ばねに起因する、高周波振動が発生しやすくなる。
【0042】
そこで、このような高周波振動を抑制するための制御について検討する。上記式(2)で表されるような微視的モデルの運動方程式をラプラス変換すると、下記式(4)が得られる。
【0043】
【0044】
ここで簡単のために、下記式(5)のように置きかえる。
【0045】
【0046】
式(5)を用いて、式(4)を書き換えると下記式(6)が得られる。
【0047】
【0048】
この伝達関数で表される機構に、図5に示すように配置することで機構の減衰特性を向上させるような制御器F(s)を検討する。制御器F(s)を含む伝達関数は、下記式(7)で表される。そして、式(7)の分母を下記式(8)のように因数分解できれば、任意に決定できるパラメータG
c
によって非線形ばねのパラメータを含むc
2
+c
3
及びk
2
を調整できることになる。そのためには、制御器F(s)を下記式(9)のように設計すれば良い。
【0049】
【0050】
減衰性能を向上させるためには、G
c
=K
c
・sとすれば、式(7)の分母は、下記式(10)のように変形でき、減衰係数を任意に設定することができる。このときの制御器F(s)の伝達関数を下記式(11)に示す。
(【0051】以降は省略されています)

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