JP2006190074A - 同期制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ２軸間の位置及び速度の同期誤差を最小にするように制御する同期制御において、１軸目、２軸目どちらに外乱が与えられた場合でも、また、２軸間で摩擦の大きさが大きく異なるような場合でも、２軸を同期させることができるとともに、定常状態においても過渡状態においても、また、速度フィードバックだけでなく位置フィードバックも同期させることができるようにする。
【解決手段】 各軸について位置フィードバックによる位置制御手段を備えた同期制御装置において、位置指令に基づいて各軸のフィードフォワード信号を作成するフィードフォワード制御部と、２軸間の位置フィードバックの差から同期誤差を求める同期誤差演算部と、求められた同期誤差から位置補正信号を求める位置補正信号演算部と、各軸のフィードフォワード信号と位置補正信号から各軸のフィードフォワード補正信号を求めるフィードフォワード補正信号演算部と、フィードフォワード補正信号を速度指令に加える加算部と、を備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、２軸間の位置及び速度の同期誤差を最小にするように制御する同期制御装置に関する。

近年、電子部品実装装置や液晶製造装置において２つのモータでテーブルの一軸を駆動するツインドライブ駆動が利用されるようになってきている。このような装置の場合、高速・高加減速駆動が要求されるとともに静音性・低振動・低リップルも要求される。２軸間の同期誤差が大きいと駆動時の異音や振動の原因となり要求を満たすことができない。高速・高加減速駆動や静音性・低振動・低リップルを実現するためには２軸間の同期化が必要であるが、軸間の動特性が異なる場合などでは、各軸を個別に制御する従来のフィードバック制御装置では限界がある。そこで、２軸間の同期を行う同期制御装置が必要となる。

従来の同期制御装置は、２軸間の速度フィードバックの平均値を用いて速度制御を行うとともに、２軸間の速度差を用いて補正トルクを求め、両モータのトルクを補正し同期制御を行っている（例えば、特許文献１参照）。また、２軸間の位置フィードバックの差分に位置制御と同じゲインを乗じて位置補正値を求め、補正した速度指令を用いて従属軸の制御を行い、同期制御を行っているものもある（例えば、特許文献２参照）。また、多軸間の速度偏差信号を比較して算出した差信号に基づき同期制御を行っているものもある（例えば、特許文献３参照）。また、各軸の速度指令と速度フィードフォワード量を加算して、その値を速度フィードフォワード量で除算することにより速度誤差率を求め、速度フィードフォワード量に対し速度誤差率による補正を行うことで同期制御を行っているものもある（例えば、特許文献４参照）。また、各軸の速度指令により補償信号を作成し同期制御を行っているものもある（例えば、特許文献５参照）。

特許文献１の技術を説明する。図４において、１１は位置制御部であり、位置指令と位置フィードバックに基づき位置制御を行う。１２は速度制御部であり、１１位置制御部の出力である速度指令と速度フィードバックに基づき速度制御を行う。１３は電流制御部であり、１２速度制御部の出力であるトルク指令に基づき電流制御を行う。２３は同じく１２速度制御部の出力であるトルク指令に基づき２軸目の電流制御を行う電流制御部である。そして、５１は速度平均演算部であり、１軸目の速度フィードバックと２軸目の速度フィードバックを平均して平均速度を演算する。５２はダンピング補償器であり、１軸目の速度フィードバックと２軸目の速度フィードバックの速度差を求め、ダンピング係数を乗算して補正トルクを求めている。
図４において、位置制御及び速度制御は１軸目のみで行っており、電流制御については各々独立して制御している。また、速度制御については１軸目、２軸目の平均速度を用いて行っており、２軸間の速度差に基づいて補正トルクを求め両モータのトルクを補正することにより同期制御を行っている。

特許文献２の技術を説明する。図５において、２２は２軸目の速度制御部であり、２軸目の速度フィードバックに基づき速度制御を行う。なお、前述した図４と同じ部分には同一符号を付して説明を省略する。そして、５３は位置補正ゲインであり、２軸間の位置フィードバックの差分に位置制御と同じゲインを乗じて位置補正値を出力している。
図５において、位置制御は１軸目のみで行っており、速度制御及び電流制御については各々独立して制御している。そして、２軸間の位置フィードバックの差分に位置制御と同じゲインを乗じて位置補正値を求め、補正した速度指令を用いて２軸目の速度制御を行うことで同期制御を行っている。

特許文献３の技術を説明する。図６において、５４、５５はフィードフォワードコントローラであり、各々の軸のフィードフォワード量を算出しフィードフォワード制御を行う。５６は同期化コントローラであり、２軸間の速度偏差信号を比較して算出した差信号に基づき同期制御を行う。
図６において、速度制御及び電流制御については各々独立して制御しており、フィードフォワード制御についても各々独立して制御している。そして、２軸間の速度偏差信号を比較して算出した差信号に基づき同期制御を行っている。

特許文献４の技術を説明する。図７において、５７、５９は速度フィードフォワード量演算部であり、各々の軸の速度フィードフォワード量を算出しフィードフォワード制御を行う。５８、６０は速度制御誤差率算出部であり、各軸の速度指令と速度フィードフォワード量を加算して、その値を速度フィードフォワード量で除算することにより各軸の速度誤差率を求めている。
図７において、位置制御、速度制御、電流制御及びフィードフォワード制御については各々独立して制御している。そして、各軸において、速度指令と速度フィードフォワード量を加算して、その値を速度フィードフォワード量で除算することにより速度誤差率を求め、速度フィードフォワード量に対し速度誤差率による補正を行うことで同期制御を行っている。

特許文献５の技術を説明する。図８において、６１はツイン軸位置ずれ補償器であり、各軸の速度指令により補償信号を作成する。６２は速度ループゲイン調整器であり、３軸目の位置フィードバックにより、１軸目及び２軸目の速度ループゲインを調整する。
図８において、３軸とも位置制御、速度制御及び電流制御については各々独立して制御している。そして、各軸の速度指令により補償信号を作成し、また、３軸目の位置により１軸目及び２軸目の速度ループゲインを調整することにより、１軸目と２軸目の同期制御を行っている。
特開平８−１６２４６号公報 （図１参照） 特開平１１−３０５８３９号公報 （図２参照） 特許第３２００９０７号公報 （図２参照） 特許第２８５４４２５号公報 （図１参照） 特開平５−４０５２８号公報 （図１参照）

前記図４及び図５の従来の同期制御装置は、どちらの装置も位置制御は１軸目でしか行っておらず、２軸目は位置制御されていない。このため、２軸目に外乱が与えられた場合、２軸間の位置がずれてしまうという問題があった。また、図５の従来の同期制御装置は、補正が行われる軸が２軸目のみであるため、１軸目が外乱などにより振動した場合、それにあわせて２軸目も振動してしまうという問題もあった。また、図７の従来の同期制御装置は、各々の速度誤差を減らすことで同期制御を行っているが、各々独立で制御されているため、一度位置がずれてしまうと補正が効かないという問題もあった。また、図６及び図８の従来の同期制御装置は、速度情報から補正信号を作成しているため速度フィードバックを同期させることはできるが、２軸間で摩擦の大きさが大きく異なるような場合、位置フィードバックまで同期させることができないという問題があった。また、図７の従来の同期制御装置は、過渡状態において同期させることができないという問題もあった。

本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、１軸目、２軸目どちらに外乱が与えられた場合でも、また、２軸間で摩擦の大きさが大きく異なるような場合でも、２軸を同期させることができるとともに、定常状態においても過渡状態においても、また、速度フィードバックだけでなく位置フィードバックも同期させることができる同期制御装置を提供することを目的とする。

上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したのである。

本発明は、複数のモータで１軸を同期駆動するものであって、各軸毎に位置フィードバックによる位置制御手段を備えた同期制御装置において、位置指令に基づいて各軸のフィードフォワード信号を作成する各軸毎のフィードフォワード制御部と、２軸間の位置フィードバックの差から同期誤差を求める同期誤差演算部と、求められた同期誤差から位置補正信号を求める位置補正信号演算部と、各軸のフィードフォワード信号と位置補正信号から各軸のフィードフォワード補正信号を求めるフィードフォワード補正信号演算部と、フィードフォワード補正信号を各軸毎の速度指令に加える各軸毎の加算部と、を備えたものである。
また、前記位置補正演算部は、前記同期誤差をローパスフィルタでフィルタリング処理し、同期誤差が最小になるように前記位置補正信号演算部のゲインを調整するものである。
また、前記位置補正信号演算部で求められた位置補正信号は、第１軸目のフィードフォワード信号に対しては加算してフィードフォワード補正信号を求め、第２軸目のフィードフォワード信号に対しては減算してフィードフォワード補正信号を求めるものである。

また、請求項１記載の同期制御装置において、前記同期誤差演算部により求めた同期誤差を微分する微分演算部と、前記微分演算部によって出力される微分された同期誤差から速度補正信号を求める速度補正信号演算部と、前記位置補正信号演算部から出力する前記位置補正信号と、速度補正信号演算部から出力する速度補正信号とを加算することにより補正信号を求める補正信号演算部と、各軸毎のフィードフォワード信号と前記補正信号から各軸毎のフィードフォワード補正信号を求めるフィードフォワード補正信号演算部と、を備えたものである。
また、請求項４記載の同期制御装置において、前記速度補正信号演算部は、微分した同期誤差をローパスフィルタでフィルタリング処理し、同期誤差が最小になるように前記速度補正信号演算部のゲインを調整することを特徴とするものである。
また、請求項４記載の同期制御装置において、前記補正信号演算部で求められた補正信号は、第１軸目のフィードフォワード信号に対しては加算してフィードフォワード補正信号を求め、第２軸目のフィードフォワード信号に対しては減算してフィードフォワード補正信号を求めるものである。

本発明によると、各々独立して位置制御を行っているため、定常状態では位置がずれることはない。また、各軸のフィードフォワード信号は同一の位置指令から作成されるため、過渡状態においても簡単に速度を同期させることができる。また、外乱や摩擦などで２軸間にずれが発生しても、２軸間の位置フィードバックの差から同期誤差を求め、各軸のフィードフォワード信号に補正を行うため、速度のみならず位置においても同期誤差を最小限に抑えることができる。さらに、片軸にのみに外乱が与えられた場合も、同期誤差を最小に抑えるように制御されるため、１軸のみで制御を行う場合に比べて外乱に強くなるというメリットもある。
また、前記効果に加え、同期誤差を微分して求めた補正信号で補正を行うため、２軸間の速度がずれた場合においてもずれを最小限に抑えることができる。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

図１は本発明の第１実施例の構成を説明する制御ブロック図である。なお、前述した図４、５、６、７、８と同じ部分には同一符号を付して説明を省略する。図において、１７、２７はフィードフォワード制御部であり、位置指令の変化分にフィードフォワードゲインを掛けてフィードフォワード信号を作成する。４１は同期誤差演算部であり、２軸間の位置フィードバックの差を演算し同期誤差を求めている。４２は位置補正信号演算部であり、求められた同期誤差にゲインを乗じて位置補正信号を求めている。また、４２位置補正演算部では、入力された同期誤差に対して必要に応じてローパスフィルタなどのフィルタリング処理を施すこともできる。このゲインを調整することにより、同期誤差が最小になるように制御することができる。１８、２８は各軸フィードフォワード信号と４２位置補正信号演算部で求められた位置補正信号から各軸のフィードフォワード補正信号を求めている。４２位置補正信号演算部で求められた位置補正信号は、１軸目のフィードフォワード信号に対しては加算することによりフィードフォワード補正信号を求め、２軸目のフィードフォワード信号に対しては減算させることによりフィードフォワード補正信号を求める。この符号は同期誤差を求めるとき１軸目の方向を正方向としているためであり、これにより２軸間の同期誤差を減少させる方向に補正信号を加えることができる。１９、２９はフィードフォワード補正信号を速度指令に加える加算部である。

本発明が特許文献１、２、３、４、５と異なる部分は、位置制御、速度制御及び電流制御については各々独立して制御しているおり、位置指令に基づいて各軸のフィードフォワード信号を作成するフィードフォワード制御部（１７、２７）と、２軸間の位置フィードバックの差から同期誤差を求める同期誤差演算部（４１）と、求められた同期誤差から位置補正信号を求める位置補正信号演算部（４２）と、各軸のフィードフォワード信号と位置補正信号から各軸のフィードフォワード補正信号を求めるフィードフォワード補正信号演算部（１８、２８）と、フィードフォワード補正信号を速度指令に加える加算部（１９、２９）と、を備えた部分である。

各軸は独立して位置制御を行っているため、定常状態では位置がずれることはない。また、過渡状態においても、同一の位置指令から作成されたフィードフォワード信号によりフィードフォワード制御されているため、位置、速度ともに同定誤差は最小限に抑えられている。また、外乱や摩擦などで２軸間の位置にずれが発生しても、位置補正信号演算部において、ずれた量に応じた補正信号が求められ、フィードフォワード信号に対してずれを減少させる方向に補正が行われるので、直ちに位置のずれは補正される。そして、補正は各軸に対して行われるため、片軸にのみが外乱などにより振動した場合においても、それにあわせて２軸目も振動してしまうという問題は起こらず、むしろ、振動を抑制する方向に補正が働くため、１軸のみで制御を行う場合に比べて外乱に強くなるというメリットもある。

図３は本発明の第１実施例のシミュレーション結果である。
（ａ）は補正を行わず２軸を独立させて制御した場合の応答である。左側の波形は２軸間で摩擦の大きさが大きく異なる場合のシミュレーション結果であり、それぞれ位置、トルク、位置偏差、同期誤差の応答である。２軸間で摩擦の大きさが異なると、過渡状態において同期誤差が大きく出ていることがわかる。右側の波形は片軸にのみ外乱が与えられ振動が発生している場合のシミュレーション結果である。片軸のみに外乱が与えられているので、外乱が与えられた方の軸は振動しているが、もう一方の軸は外乱が与えられていないので振動していない。
（ｂ）は従来の同期制御装置のシミュレーション結果である。同じく左側の波形は２軸間で摩擦の大きさが大きく異なる場合のシミュレーション結果であり、右側の波形は片軸にのみ外乱が与えられ振動が発生している場合のシミュレーション結果である。従来の同期制御装置では、２軸間で摩擦の大きさが異なる場合は多少同期誤差が小さくなる傾向があるものの、片軸にのみ外乱が与えられ振動が発生している場合では同期誤差は小さくならず、しかも、各軸の位置偏差を見るとむしろ振動が大きくなってしまっている。
（ｃ）は本発明の第１実施例のシミュレーション結果である。２軸間で摩擦の大きさが異なる場合においても同期誤差はほとんど発生せず、片軸にのみ外乱が与えられ振動が発生している場合でも同期誤差はわずかであり、各軸の振動も減少しているのがわかる。

図２は本発明の第２実施例の構成を説明する制御ブロック図である。なお、前述した第１実施例と同じ部分には同一符号を付して説明を省略する。図２が図１と異なる部分は、微分演算部４３、４４速度補正信号演算部、補正信号演算部４５を追加した部分である。 図において、４３は微分演算部であり、４１同期誤差演算部において求められた同期誤差を微分する。４４は速度補正信号演算部であり、微分された同期誤差にゲインを乗じて速度補正信号を求めている。また、４４速度補正演算部では、微分された同期誤差に対して必要に応じてローパスフィルタなどのフィルタリング処理を施すこともできる。このゲインを調整することにより、速度同期誤差が最小になるように制御することができる。４５は補正信号演算部であり、４２位置補正信号演算部で求められた位置補正信号と４４速度補正信号演算部で求められた速度補正信号を加算し補正信号を求めている。１８、２８は各軸フィードフォワード信号と４５補正信号演算部で求められた補正信号から各軸のフィードフォワード補正信号を求めている。４５補正演算部で求められた補正信号は、１軸目のフィードフォワード信号に対しては加算することによりフィードフォワード補正信号を求め、２軸目のフィードフォワード信号に対しては減算させることによりフィードフォワード補正信号を求める。この符号は同期誤差を求めるとき１軸目の方向を正方向としているためであり、これにより２軸間の同期誤差を位置、速度ともに減少させる方向に補正信号を加えることができる。

本発明が特許文献１、２、３、４、５と異なる部分は、位置制御、速度制御及び電流制御については各々独立して制御しているおり、位置指令に基づいて各軸のフィードフォワード信号を作成するフィードフォワード制御部（１７、２７）と、２軸間の位置フィードバックの差から同期誤差を求める同期誤差演算部（４１）と、求められた同期誤差から位置補正信号を求める位置補正信号演算部（４２）と、求められた同期誤差を微分する微分演算部（４３）と、微分された同期誤差から速度補正信号を求める速度補正信号演算部（４４）と、位置補正信号と速度補正信号を加算し補正信号を求める補正信号演算部（４５）と、各軸のフィードフォワード信号と補正信号から各軸のフィードフォワード補正信号を求めるフィードフォワード補正信号演算部（１８、２８）と、フィードフォワード補正信号を速度指令に加える加算部（１９、２９）と、を備えた部分である。

第２実施例においては第１実施例の作用に加えて、同期誤差を微分して求めた速度補正信号でも補正を行うため、外乱や摩擦などで２軸間の速度がずれた場合においてもずれを最小限に抑えることができる。

各軸を独立して位置制御を行うことで、定常状態での同期誤差を最小にし、同一の位置指令から作成されたフィードフォワード信号によりフィードフォワード制御することで、過渡状態においても、簡単に速度を同期させることができる。また、外乱や摩擦などで２軸間にずれが発生しても、２軸間の位置フィードバックの差から同期誤差を求め、各軸のフィードフォワード信号に補正を行うことで、速度のみならず位置においても同期誤差を最小限に抑えることができる。さらに、片軸にのみに外乱が与えられた場合も、同期誤差を最小に抑えるように制御されることで、１軸のみで制御を行う場合に比べて外乱に強くなるというメリットもあるので、電子部品実装装置や液晶製造装置において２つのモータで一つのテーブルを駆動するツインドライブ駆動装置という用途にも適用できる。本発明は、特に超精密の位置決め精度が要求される半導体製造装置、露光装置の駆動用ステッパー、液晶製造装置に有用である。

本発明の第１実施例の構成を説明する制御ブロック図 本発明の第２実施例の構成を説明する制御ブロック図 本発明の第１実施例のシミュレーション結果 従来の同期制御装置の制御ブロック図 従来の同期制御装置の制御ブロック図 従来の同期制御装置の制御ブロック図 従来の同期制御装置の制御ブロック図 従来の同期制御装置の制御ブロック図

符号の説明

１１、２１、３１ 位置制御部
１２、２２、３２ 速度制御部
１３、２３、３３ 電流制御部
１４、２４、３４ モータ
１５、２５、３５ エンコーダ
１６、２６、３６ 速度演算部
１７、２７ フィードフォワード制御部
１８、２８ フィードフォワード補正信号演算部
１９、２９ 加算部
４１ 同期誤差演算部
４２ 位置補正信号演算部
４３ 微分演算部
４４ 速度補正信号演算部
４５ 補正信号演算部
５１ 速度平均演算部
５２ ダンピング補償器
５３ 位置補正ゲイン
５４、５５ フィードフォワードコントローラ
５６ 同期化コントローラ
５７、５９ 速度フィードフォワード量演算部
５８、６０ 速度制御誤差率算出部
６１ ツイン軸位置ずれ補償器
６２ 速度ループゲイン調整器

Claims (6)

1. 複数のモータで１軸を同期駆動するものであって、各軸毎に位置フィードバックによる位置制御手段を備えた同期制御装置において、
   位置指令に基づいて各軸のフィードフォワード信号を作成する各軸毎のフィードフォワード制御部と、
   ２軸間の位置フィードバックの差から同期誤差を求める同期誤差演算部と、
   求められた同期誤差から位置補正信号を求める位置補正信号演算部と、
   各軸のフィードフォワード信号と位置補正信号から各軸のフィードフォワード補正信号を求めるフィードフォワード補正信号演算部と、
   フィードフォワード補正信号を各軸毎の速度指令に加える各軸毎の加算部と、
   を備えたことを特徴とする同期制御装置。
2. 前記位置補正演算部は、前記同期誤差をローパスフィルタでフィルタリング処理し、同期誤差が最小になるように前記位置補正信号演算部のゲインを調整することを特徴とする請求項１記載の同期制御装置。
3. 前記位置補正信号演算部で求められた位置補正信号は、第１軸目のフィードフォワード信号に対しては加算してフィードフォワード補正信号を求め、第２軸目のフィードフォワード信号に対しては減算してフィードフォワード補正信号を求めることを特徴とする請求項１記載の同期制御装置。
4. 前記同期誤差演算部により求めた同期誤差を微分する微分演算部と、
   前記微分演算部によって出力される微分された同期誤差から速度補正信号を求める速度補正信号演算部と、
   前記位置補正信号演算部から出力する前記位置補正信号と、速度補正信号演算部から出力する速度補正信号とを加算することにより補正信号を求める補正信号演算部と、
   各軸毎のフィードフォワード信号と前記補正信号から各軸毎のフィードフォワード補正信号を求めるフィードフォワード補正信号演算部と、を備えたことを特徴とする請求項１記載の同期制御装置。
5. 前記速度補正信号演算部は、微分した同期誤差をローパスフィルタでフィルタリング処理し、同期誤差が最小になるように前記速度補正信号演算部のゲインを調整することを特徴とする請求項４記載の同期制御装置。
6. 前記補正信号演算部で求められた補正信号は、第１軸目のフィードフォワード信号に対しては加算してフィードフォワード補正信号を求め、第２軸目のフィードフォワード信号に対しては減算してフィードフォワード補正信号を求めることを特徴とする請求項４記載の同期制御装置。

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