KR0176444B1 - Position control device for XY-stage - Google Patents
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Abstract
XY-스테이지용 위치 제어 장치가 개시된다.Disclosed is a position control apparatus for an XY-stage.
본 발명은 XY-스테이지 시스템을 전체적으로 제어하는 CPU와, 상기 CPU로부터 전송받은 XY-스테이지의 현재위치와 목표위치와의 위치 오차 데이터를 소정 신호로 변환하여 출력하는 위치 오차 변환부와, 상기 위치 오차 변환부로부터 출력된 신호를 입력받아 비례, 적분 및 미분제어를 수행하는 PID 제어부와, 상기 XY-스테이지의 가감속 구간에서 발생되는 실제적인 위치 오차를 보상해주기 위한 위치 오차 보상부와, 상기 XY-스테이지의 목표 위치량을 정현파 값으로 변환하여 출력하는 정현파 변환부와, 상기 정현파 변환부로부터의 신호를 입력받아 상기 XY-스테이지의 모터를 구동시키는 모터 드라이버와, 상기 CPU와 XY-스테이지 사이에 마련되며, 전자파의 간섭 현상을 관측하여 상기 CPU로 전송하는 인터페로미터를 구비한다.The present invention provides a CPU for controlling the XY-stage system as a whole, a position error converting unit for converting and outputting position error data between the current position and the target position of the XY-stage received from the CPU into a predetermined signal, and the position error. A PID controller which receives the signal output from the converter and performs proportional, integral and derivative control, a position error compensator for compensating actual position error generated in the acceleration / deceleration section of the XY-stage, and the XY- A sine wave conversion unit for converting and outputting a target position amount of a stage into a sine wave value, a motor driver for driving a motor of the XY-stage by receiving a signal from the sine wave conversion unit, and between the CPU and the XY-stage It is provided with an interferometer to observe the interference phenomenon of the electromagnetic wave and transmit to the CPU.
이와 같은 본 발명에 의하면, 위치 오차 보상부에 의해 구동 모터의 가감속 구간에서 발생하는 실제적인 위치 오차를 신속히 보상하여 제어에 반영하므로 고정밀도의 위치 제어가 가능해진다.According to the present invention as described above, the position error compensator quickly compensates the actual position error occurring in the acceleration / deceleration section of the drive motor and reflects it in the control, thereby enabling high precision position control.
Description
제1도는 종래 XY-스테이지 시스템의 개략적인 장치 구성도.1 is a schematic device diagram of a conventional XY-stage system.
제2도는 제1도의 시스템을 분리한 상태를 나타내 보인 분리 사시도.2 is an exploded perspective view showing a state in which the system of FIG.
제3도는 종래 XY-스테이지 시스템의 제어 회로부를 나타내 보인 블럭 구성도.3 is a block diagram showing a control circuit portion of a conventional XY-stage system.
제4도는 본 발명에 따른 XY-스테이지용 위치 제어 장치의 개략적인 시스템 구성도.4 is a schematic system diagram of a position control apparatus for an XY-stage according to the present invention.
제5도는 제4도의 위치 제어 장치에서 PID 제어부의 내부 회로 구성도.5 is an internal circuit diagram of the PID control unit in the position control device of FIG.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for main parts of the drawings
11 : 스테이지 베이스 12 : Y-스테이지11: stage base 12: Y-stage
13 : X-스테이지 12m,13m : 구동모터13: X-stage 12m, 13m: Drive motor
12k, 13k : 구동부 12s,13s : 볼스크류12k, 13k: Drive part 12s, 13s: Ball screw
12b1, 12b2, 13b1, 13b2 : 리니어 베어링 31,41 : CPU12b1, 12b2, 13b1, 13b2: Linear bearing 31, 41: CPU
32 : 버퍼 33 : D/A 컨버터32: Buffer 33: D / A Converter
34 : 샘플홀더 35,46 : 모터 드라이버34: sample holder 35,46: motor driver
36 : 엔코더 37 : 체배 및 위상판별회로36: encoder 37: multiplication and phase discrimination circuit
38 : 카운터 42 : 위치 오차 변환부38: counter 42: position error conversion unit
43 : PID 제어부 44 : 위치 오차 보상부43: PID control section 44: position error compensation section
45 : 정현파 변환부 47 : 인터페로미터45: sine wave conversion unit 47: interferometer
본 발명은 산업용 서보 제어 시스템에 관한 것으로서, 더 상세히는 정밀 서보 제어 시스템의 제어 기술 분야인 XY-스테이지(stage)의 위치 제어 장치에 관한 것이다.The present invention relates to an industrial servo control system, and more particularly, to a position control apparatus of an XY-stage, which is a control technology field of a precision servo control system.
산업 현장에서 각종 정밀기기 등에 사용되는 스테이지는 통상 X,Y축 방향으로 이동이 가능한 XY-스테이지를 구비하고 있다. 그리고, 각 스테이지는 각각의 구동 모터에 의해 직선 왕복 운동이 가능하게 구성되어 있다. 이와 같은 구성의 XY-스테이지에 있어서, 위치 제어 시스템은 보통 주제어부(CPU)에서 엔코더(encoder) 펄스의 귀환값을 소정의 시간 간격으로 카운팅(counting)하여 위치 변위향을 계산한 후, 설정된 목표 위치량과의 오차를 위치 명령 신호로 사용하는 방식을 취하고 있다.Stages used in various precision instruments and the like in an industrial field are usually equipped with XY stages capable of moving in the X and Y axis directions. And each stage is comprised by each drive motor so that linear reciprocation is possible. In the XY-stage of such a configuration, the position control system usually counts the feedback value of the encoder pulse at a predetermined time interval in the main control unit (CPU), calculates the position displacement direction, and then sets the set target direction. The error with the position amount is used as the position command signal.
제1도는 종래 XY-스테이지 시스템의 개략적인 장치구성도이다.1 is a schematic diagram of a device of a conventional XY-stage system.
이를 참조하면, 종래 XY-스테이지 시스템(10)은 장치를 지지하는 스테이지 베이스(11)가 마련되어 있고, 그 위로 Y-스테이지(12)가 안착되고, Y-스테이지(12) 위에는 X-스테이지(13)가 안착되어 있다. 그리고, 상기 각 스테이지의 왕복 직선이동의 구동력을 발생시키는 X-스테이지 구동모터(13m)와 Y-스테이지 구동 모터(12m)가 장치의 일측에 각각 설치되어 있다.Referring to this, the conventional XY-stage system 10 is provided with a stage base 11 for supporting the apparatus, on which the Y-stage 12 rests, and on the Y-stage 12 the X-stage 13 ) Is seated. In addition, an X-stage drive motor 13m and a Y-stage drive motor 12m for generating the driving force of the reciprocating linear movement of each stage are provided on one side of the apparatus, respectively.
한편, 제2도는 상기 제1도의 시스템을 분리한 상태를 나타내 보인 분리 사시도이다.2 is an exploded perspective view showing a state in which the system of FIG. 1 is separated.
이를 참조하면, 상기 X-스테이지(13)와 Y-스테이지(12)를 이동시키는 각 구동부(12k, 13k)에는 대략 그 중심부 일측에 구동 모터(12m, 13m)가 설치되어 있고, 구동 모터(12m, 13m)의 축에는 볼스크류(ball screw;12s, 13s)가 각각 설치되어 있다. 그리고, 볼스크류(12s, 13s)의 양측으로는 리니어 베어링(linear bearing;12b1, 12b2, 13b1, 13b2)이 각각 설치되어 있다.Referring to this, each of the driving units 12k and 13k for moving the X-stage 13 and the Y-stage 12 is provided with driving motors 12m and 13m at one side of the central portion thereof, and the driving motor 12m , 13m) are provided with ball screws 12s and 13s, respectively. Linear bearings 12b1, 12b2, 13b1, and 13b2 are provided on both sides of the ball screws 12s and 13s, respectively.
한편, 제3도는 상기 종래 XY-스테이지 시스템의 제어 회로부를 나타내 보인 블럭 구성도이다.3 is a block diagram showing the control circuit of the conventional XY-stage system.
이를 참조하면, 종래 XY-스테이지 시스템의 제어 회로부는 시스템을 전체적으로 제어하는 CPU(31)와, CPU(31)로부터 송출되는 소정 위치 제어 명령 신호나 CPU(31)로 입력되는 데이터를 임시로 저장하거나 잠시 지연시켜 CPU(31)의 프로그램과 종속되는 입출력 장치들 간의 데이터 커뮤니케이션(communication)을 원활하게 하는 버퍼(buffer;32)와, CPU(31)로부터 송출된 디지탈 명령 신호를 아날로그 신호로 변환하는 D/A(digital-to-analog)컨버터(33)와, 샘플홀더(34)와, XY-스테이지의 X축 구동모터 및 Y축 구동모터를 구동시키기 위한 모터 드라이버(35)와, X축 구동모터 및 Y축 구동모터로부터의 펄스를 부호화하여 출력하는 엔코더(36)와, 체배 및 위상 판별회로(37)와, 카운터(38)로 구성되어 있다.Referring to this, the control circuit of the conventional XY-stage system temporarily stores the CPU 31 that controls the system as a whole, a predetermined position control command signal sent from the CPU 31, or data input to the CPU 31. A buffer 32 which facilitates data communication between the programs of the CPU 31 and the input / output devices that depend on the CPU 31 for a while, and D which converts the digital command signal sent from the CPU 31 into an analog signal. / A (digital-to-analog) converter 33, sample holder 34, motor driver 35 for driving the XY-stage X-axis drive motor and Y-axis drive motor, X-axis drive motor And an encoder 36 for encoding and outputting pulses from the Y-axis drive motor, a multiplication and phase discrimination circuit 37, and a counter 38.
그런데, 이와 같은 구성의 종래 XY-스테이지 시스템은 리니어 베어링과 볼스크류에 의한 기구적 마출로 오차가 발생하며, 주위의 환경 변화에 따라 엔코더 펄스상의 손실이 초래된다는 것이 하나의 문제점으로 지적되고 있다. 뿐만 아니라, XY-스테이지의 미소한 회전 변위에 대한 위치제어가 불가능하여 정밀한 위치 제어에 상당한 어려움이 수반되고 있다.However, the conventional XY-stage system having such a configuration has been pointed out as a problem that an error occurs due to mechanical ejection caused by a linear bearing and a ball screw, and a loss in an encoder pulse is caused by a change in the surrounding environment. In addition, it is impossible to control the position of the microscopic rotational displacement of the XY-stage, which brings considerable difficulty in precise position control.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위하여 창출된 것으로서, 기구적 마찰로 인한 오차를 최소화시키고, 미소한 회전변위를 가능하게 하며, 주위환경에 따른 자체 보정기능을 구비하고 있어 고정도의 위치 제어를 가능하게 하는 XY-스테이지용 위치 제어 장치를 제공함에 그 목적이 있다.The present invention was created in order to solve the above problems, to minimize the errors due to mechanical friction, to enable a small rotational displacement, and has a self-correction function according to the surrounding environment to ensure high-precision position control It is an object to provide a position control apparatus for the XY-stage that makes it possible.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 XY-스테이지용 위치 제어 장치는,In order to achieve the above object, the position control apparatus for XY-stage according to the present invention,
XY-스테이지 시스템을 전체적으로 제어하는 CPU와,CPU that controls the XY-stage system as a whole,
상기 CPU로부터 전송받은 XY-스테이지의 현재 위치와 목표 위치와의 위치 오차 데이터를 소정 신호로 변환하여 출력하는 위치 오차 변환부와,A position error converting unit converting the position error data between the current position and the target position of the XY-stage received from the CPU into a predetermined signal, and outputting the predetermined signal;
상기 위치 오차 변환부로부터 출력된 신호를 입력받아 비례, 적분 및 미분제어를 수행하는 PID(proportional, integral and differential)제어부와,PID (proportional, integral and differential) control unit for receiving the signal output from the position error conversion unit to perform proportional, integral and differential control,
상기 XY-스테이지의 가감속 구간에서 발생되는 실제적인 위치 오차를 보상해주기 위한 위치 오차 보상부와,A position error compensator for compensating an actual position error generated in the acceleration / deceleration section of the XY-stage;
상기 XY-스테이지의 목표 위치량을 정현파(sinusoidal) 값으로 변환하여 출력하는 정현파 변환부와,A sinusoidal converting unit converting a target positional amount of the XY-stage into a sinusoidal value and outputting the sinusoidal value;
상기 정현파 변환부로부터의 신호를 입력받아 상기 XY-스테이지의 모터를 구동시키는 모터 드라이버와,A motor driver that receives a signal from the sinusoidal wave converter and drives a motor of the XY-stage;
상기 CPU와 XY-스테이지 사이에 마련되며, 전자파의 간섭현상을 관측하여 상기 CPU로 전송하는 인터페로미터(interferometer)를 구비하여 된 점에 그 특징이 있다.It is characterized in that it is provided between the CPU and the XY-stage, and provided with an interferometer for observing the interference phenomenon of electromagnetic waves and transmitting it to the CPU.
이와 같은 본 발명에 의하면, 위치 오차 보상부에 의해 구동 모터의 가감속 구간에서 발생하는 실제적인 위치 오차를 신속히 보상하여 제어에 반영하게 되므로 고정밀도의 위치 제어가 가능해 진다.According to the present invention as described above, the position error compensator quickly compensates the actual position error occurring in the acceleration / deceleration section of the drive motor and reflects it in the control, thereby enabling high-precision position control.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
제4도는 본 발명에 따른 XY-스테이지용 위치 제어 장치의 개략적인 시스템 구성도이다.4 is a schematic system configuration diagram of the position control apparatus for XY-stage according to the present invention.
이를 참조하면, 본 발명에 따른 XY-스테이지용 위치 제어 장치는 XY-스테이지 시스템을 전체적으로 제어하는 CPU(41)와, 그 CPU(41)로부터 전송받은 위치 오차 데이터, 즉, XY-스테이지(48)의 현재 위치와 목표 위치와의 위치 오차 데이터를 소정 신호로 변환하여 출력하는 위치 오차 변환부(42)를 구비한다. 여기에서, 상기 위치 오차 변환부(42)는 X축 오차와 회전변위 오차를 각각 처리하는 2개의 D/A(digital-to-analog) 컨버터로 구성된다.Referring to this, the position control apparatus for XY-stage according to the present invention includes the CPU 41 which controls the XY-stage system as a whole, and the position error data transmitted from the CPU 41, that is, the XY-stage 48. And a position error converter 42 for converting the position error data between the current position and the target position into a predetermined signal. Here, the position error converting section 42 is composed of two digital-to-analog (D / A) converters respectively processing the X-axis error and the rotational displacement error.
또한, 상기 위치 오차 변환부(42)로부터 출력된 신호를 입력받아 비례, 적분 및 미분제어를 수행하는 PID 제어부(43)와, 상기 XY-스테이지(48)의 가감속 구간에서 발생되는 실제적인 위치 오차를 보상해주기 위한 위치 오차 보상부(44)를 구비한다. 그리고, 상기 XY-스테이지(48)의 목표 위치량을 정현파 값으로 변환하여 출력하는 정현파 변환부(45)와, 그 정현파 변환부(45)로부터의 신호를 입력받아 상기 XY-스테이지(48)의 모터를 구동시키는 모터 드라이버(46)를 구비한다. 그리고, 상기 CPU(41)와 XY-스테이지(48) 사이에, 전자파의 간섭 현상을 관측하여 CPU(41)로 전송하는 인터페로미터(47)를 구비한다.In addition, the PID controller 43 which receives the signal output from the position error converter 42 and performs the proportional, integral and derivative control, and the actual position generated in the acceleration / deceleration section of the XY-stage 48. A position error compensator 44 is provided to compensate for the error. The XY-stage 48 receives a signal from the sine wave converter 45 for converting the target positional amount of the XY-stage 48 into a sine wave value and outputs the signal from the sine-wave converter 45. A motor driver 46 for driving the motor is provided. An interferometer 47 is provided between the CPU 41 and the XY-stage 48 to observe the interference phenomenon of electromagnetic waves and transmit it to the CPU 41.
한편, 상기 PID 제어부(43)는 제5도에 도시된 바와 같은 내부 회로 구성을 가진다. 여기에서, 입출력 신호의 게인(gain)을 조정할 수 있도록 저항 R2a를 가변 저항으로 구성한다. 커패시터 C2는 -40dB 기울기의 불안정한 시스템을 -20dB로 조정하여 시스템을 안정화시켜 준다. 또한, 저항 R2b와 커패시터 C2의 조정에 의해 사용 주파수 영역을 설정하게 되며, 커패시터 C4는 인덕터 케이블의 유도율(inductivity)을 감쇄시키는 역할을 한다. 그리고, 저항 R2c는 시스템 전체의 잔류 편차(offset)를 조정하는 역할을 한다. 그리고, 다이오드 Vf2와 Vz은 낮은 입력전압에 대해서는 일정한 출력전압, V=R11/(R10+R11)×(±V15)를 발생하고, 높은 입력전압에 대해서는 출력전압이 Vz으로 제한되도록 한다.On the other hand, the PID control section 43 has an internal circuit configuration as shown in FIG. Here, the resistor R2a is configured as a variable resistor so as to adjust the gain of the input / output signal. Capacitor C2 stabilizes the system by adjusting an unstable system with a -40dB slope to -20dB. In addition, the use frequency range is set by adjusting the resistor R2b and the capacitor C2, and the capacitor C4 serves to attenuate the inductivity of the inductor cable. In addition, the resistor R2c serves to adjust the residual offset of the entire system. The diodes Vf2 and Vz generate a constant output voltage for the low input voltage, V = R11 / (R10 + R11) × (± V15), and limit the output voltage to Vz for the high input voltage.
그러면, 이상과 같은 구성을 가지는 본 발명에 따른 XY-스테이지용 위치 제어 장치의 동작에 대해 간략히 설명해 보기로 한다.Then, the operation of the XY-stage position control apparatus according to the present invention having the above configuration will be briefly described.
CPU(41)는 인터페로미터(47)를 경유하여 XY-스테이지의 현재 위치에 대한 데이터 신호를 입력받아 CPU(41) 내에 이미 저장되어 있는 목표 위치에 대한 데이터와 비교하여 소정의 연산을 수행한다. 그리고, 현재 위치와 목표 위치 간의 차이값인 위치 오차를 구하여 위치 오차 변환부(42)로 송출한다. 그러면, 위치 오차 변환부(42)는 그 위치 오차 데이터를 아날로그 전압신호로 변환하여 출력하고, PID 제어부(43)는 그 아날로그 전압신호를 입력받아 비례, 적분 및 미분제어를 수행한다.The CPU 41 receives the data signal for the current position of the XY-stage via the interferometer 47 and compares it with the data for the target position already stored in the CPU 41 to perform a predetermined operation. . Then, the position error that is the difference between the current position and the target position is obtained and sent to the position error conversion unit 42. Then, the position error conversion unit 42 converts the position error data into an analog voltage signal and outputs it, and the PID control unit 43 receives the analog voltage signal to perform proportional, integral, and derivative control.
한편, 상기와 같이 PID 제어를 수행함에도 불구하고 발생하는 XY-스테이지(48)의 실제 가감속 구간에서의 오차를 감소시키기 위하여, CPU(41)는 XY-스테이지(48)의 구동 모터의 실제 가속도값을 위치 오차 보상부(44)에 입력시키게 된다. 그러면 위치 오차 보상부(44)는 그 실제 가속도값과 CPU(41)에 의해 구해진 위치 오차 데이터를 바탕으로 위치 오차 보상을 위한 소정 동작을 수행한다. 이에 따라 XY-스테이지(48)의 실제 가감속 구간에서의 위치 오차가 보상된다. 또한, 이상과 같은 일련의 과정에 있어서 외부로부터의 전자파의 영향으로 인한 제어신호 전송에 있어서의 간섭이나 오류는 상기 인터페로미터(47)에 의해 관측되어 CPU(41)로 전송되며, CPU(41)는 인터페로미터(47)로부터의 입력신호를 분석하여 위치 제어에 반영한다.On the other hand, in order to reduce the error in the actual acceleration / deceleration section of the XY-stage 48 that occurs despite the PID control as described above, the CPU 41 is the actual acceleration of the drive motor of the XY-stage 48 The value is input to the position error compensator 44. Then, the position error compensator 44 performs a predetermined operation for position error compensation based on the actual acceleration value and the position error data obtained by the CPU 41. This compensates for the position error in the actual acceleration / deceleration section of the XY-stage 48. In addition, in the series of processes described above, interference or errors in control signal transmission due to the influence of electromagnetic waves from the outside are observed by the interferometer 47 and transmitted to the CPU 41, and the CPU 41 ) Analyzes the input signal from the interferometer 47 and reflects it to the position control.
정현파 변환부(45)는 이와 같이 해서 얻어진 XY-스테이지(48)의 목표 위치량을 XY-스테이지(48)의 구동 모터를 제어하기 위한 정현파(sine, cosine)값으로 변환하여 출력하며, 그 출력값에 따라 모터 드라이버(46)가 작동하여 XY-스테이지(48)의 모터를 구동시킨다.The sinusoidal wave conversion unit 45 converts the target positional amount of the XY-stage 48 obtained in this way into a sine wave (sine, cosine) value for controlling the drive motor of the XY-stage 48, and outputs the output value. The motor driver 46 operates accordingly to drive the motor of the XY-stage 48.
이상의 설명에서와 같이 본 발명에 따른 XY-스테이지용 위치 제어 장치는 위치 오차 보상부에 의해 구동 모터의 가감속 구간에서 발생하는 실제적인 위치 오차를 신속히 보상하여 제어에 반영하게 되므로 고정밀도의 위치 제어가 가능해 진다.As described above, the position control device for XY-stage according to the present invention compensates the actual position error occurring in the acceleration / deceleration section of the drive motor by the position error compensator so that it is reflected in the control, so that high precision position control is possible. Becomes possible.
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Payment date: 20121031 Year of fee payment: 15 |
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| LAPS | Lapse due to unpaid annual fee |