JP2007206830A - Servo control device for moving body and laser processing device - Google Patents

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Soichi Toyama
聡一 遠山
Yaichi Okubo
弥市 大久保
Hirotake Hirai
洋武 平井
Noriaki Hirose
徳晃 廣瀬
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Nagoya Institute of Technology NUC
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Nagoya Institute of Technology NUC
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Abstract

【課題】補償効果に優れる移動体のサーボ制御装置およびレーザ加工装置を提供することおよび付加入力の演算に語長制限がある場合でも十分な補償効果を持たせる。
【解決手段】フィードバック・ループを備え、移動体を位置指令データに基づいて位置決めする移動体のディジタルサーボ制御装置において、位置指令データを受けた時刻におけるフィードバック・ループの状態量に関する伝達関数に対して、フィードバック・ループに固有の極を相殺するような零点を付加するディジタル・フィルタ10a、10b(付加入力手段)を設け、位置指令データに加えてディジタル・フィルタ10a、10bの出力をフィードバック・ループに入力して前記移動体を位置決めする。また、ディジタル・フィルタを縦続型構造とし、この構造を構成する伝達関数が複素平面上で接近した極と零点を持つようにして、演算に語長制限がある場合でも十分な補償効果を得る。
【選択図】図1
To provide a servo control device and a laser processing device for a moving body which are excellent in compensation effect, and to provide a sufficient compensation effect even when there is a word length limitation in the operation of additional input.
In a digital servo controller for a moving body that includes a feedback loop and positions the moving body based on position command data, a transfer function relating to a state quantity of the feedback loop at the time when the position command data is received. , Digital filters 10a and 10b (additional input means) for adding zeros that cancel out the poles unique to the feedback loop are provided, and in addition to the position command data, the outputs of the digital filters 10a and 10b are fed to the feedback loop. Input to position the moving body. In addition, the digital filter has a cascade structure, and the transfer function constituting this structure has poles and zeros that are close to each other on the complex plane, so that a sufficient compensation effect can be obtained even when the word length is limited in the operation.
[Selection] Figure 1

Description

この発明は、移動体の位置を検出し、移動体の位置が指定された目標値に追従するように制御するサーボ制御装置、及びこのような移動体のサーボ制御装置により移動部を制御するレーザ加工装置に関するものである。   The present invention relates to a servo control device that detects the position of a moving body and controls the position of the moving body to follow a specified target value, and a laser that controls a moving unit by the servo control device of such a moving body. The present invention relates to a processing apparatus.

例えばプリント配線板の製造工程において穴あけ加工を行うレーザ加工装置では、被加工物の複数の加工位置にレーザ光を次々と照射するための位置決め制御機構が必要であり、高い加工スループットと高精度な加工を実現するためにガルバノミラー制御装置が多く用いられている。   For example, a laser processing apparatus that performs drilling in a printed wiring board manufacturing process requires a positioning control mechanism for irradiating a plurality of processing positions of a workpiece one after another with high processing throughput and high accuracy. In order to realize the processing, a galvanometer mirror control device is often used.

レーザ加工装置は通常、階層的な制御構造を有する数値制御(NC)装置であって、ガルバノミラー制御装置はその最下位の階層に含まれる。上位階層の制御装置(以下、「上位制御」と呼ぶ。)では、プリント配線板のCAM(Computer Aided Manufacturing)データに基づき、二次元の穴位置座標が加工される順番でNCプログラムに記述される。ここで穴加工の順番は、高い加工スループットを実現するように最適化される。このようなNCプログラムは事前に作られており、加工が始まると、上位制御はプログラム中の穴位置座標を次々に座標変換し、ガルバノミラー制御装置に対して時系列的な角度指令データを送信する。穴を真円に加工するには、ガルバノミラーが角度指令データで指定された角度で静止してからレーザ光を照射する必要がある。このため、角度指令データの送信とレーザ光の照射制御は、上位制御の内部で同期を取って行われる。   The laser processing apparatus is usually a numerical control (NC) apparatus having a hierarchical control structure, and the galvanometer mirror control apparatus is included in the lowest hierarchy. In the control device of the upper layer (hereinafter referred to as “upper control”), two-dimensional hole position coordinates are described in the NC program in the order in which the two-dimensional hole position coordinates are processed based on CAM (Computer Aided Manufacturing) data of the printed wiring board. . Here, the order of drilling is optimized to achieve high machining throughput. Such NC programs are created in advance. When machining starts, the host control converts the hole position coordinates in the program one after another and sends time-series angle command data to the galvanometer mirror control device. To do. In order to process the hole into a perfect circle, it is necessary to irradiate the laser beam after the galvano mirror is stopped at an angle specified by the angle command data. For this reason, transmission of angle command data and laser light irradiation control are performed in synchronization within the host control.

ガルバノミラー制御装置の主な構成要素は、ガルバノミラーと、ミラーを固定する回転軸を備え、回転軸を回転させることによりミラーの角度を変えるアクチュエータ(ロータリ・アクチュエータ)と、ミラーの角度をフィードバック制御する制御回路である。ロータリ・アクチュエータとしては、電磁気的な原理で駆動トルクを発生する電磁式のロータリ・アクチュエータが多く用いられる。さらにこのロータリ・アクチュエータはミラーの角度を検出するセンサを内蔵しており、このセンサからの角度検出データは制御回路にフィードバックされる。この制御回路はオペアンプからなるアナログ制御で実現される場合もあるし、マイクロ・プロセッサとプログラムを合わせたディジタル制御ファームウェアで実現される場合もある。特に近年は、後者の構成によって短期間で柔軟に制御プログラムを高性能化して、作業の高能率化が図られている。   The main components of the galvanometer mirror control device include a galvanometer mirror, a rotary shaft that fixes the mirror, an actuator that changes the mirror angle by rotating the rotary shaft (rotary actuator), and feedback control of the mirror angle Control circuit. As the rotary actuator, an electromagnetic rotary actuator that generates a drive torque on an electromagnetic principle is often used. Furthermore, this rotary actuator has a built-in sensor for detecting the angle of the mirror, and angle detection data from this sensor is fed back to the control circuit. This control circuit may be realized by analog control including an operational amplifier, or may be realized by digital control firmware combining a microprocessor and a program. In particular, in recent years, the latter configuration has made it possible to improve the performance of a control program flexibly in a short period of time, thereby improving work efficiency.

ガルバノミラーの位置決めには角度ストロークのバリエーションがあり、位置決め時間も角度ストロークによって異なる。一回の位置決めに対応して、一つの角度指令データをステップ入力信号として受信する。それに応答して、ミラーが回転動作を開始すると、ミラー角度を角度指令データに誤差無く一致させるための積分補償が働く。この補償では、角度指令データから角度検出データを引き算した値、すなわち追従誤差信号を時間積分する。さらに、ガルバノミラー制御装置のフィードバック・ループが安定に動作するには、一巡伝達関数の位相余有やゲイン余有を十分大きくする必要がある。このため、角度検出データを微分したり、いわゆる状態オブザーバを用いることで、角速度信号による安定化補償や位相進み補償が作用する。これらの制御方式はフィードバック制御理論の基本として、良く知られている(非特許文献1)。   There are variations of angular stroke in positioning of the galvanometer mirror, and the positioning time varies depending on the angular stroke. Corresponding to one positioning, one angle command data is received as a step input signal. In response to this, when the mirror starts to rotate, integral compensation is performed to match the mirror angle with the angle command data without error. In this compensation, the value obtained by subtracting the angle detection data from the angle command data, that is, the tracking error signal is time-integrated. Furthermore, in order for the feedback loop of the galvanomirror control device to operate stably, it is necessary to sufficiently increase the phase margin and gain margin of the one-round transfer function. For this reason, stabilization compensation or phase advance compensation by the angular velocity signal acts by differentiating the angle detection data or using a so-called state observer. These control methods are well known as the basis of feedback control theory (Non-Patent Document 1).

また、ガルバノミラーの位置決め時間を短縮するために、フィードバック・ループを広帯域化する技術が使われている。前述の電磁式のロータリ・アクチュエータの場合、回転軸にはミラーに加えて、センサと、可動コイルまたは可動磁石と、が取り付けられており、それらが慣性負荷として作用するので、高速動作では軸ねじり振動を発生することがある。数kHz以上の領域に複数のねじり振動モードが存在するので、従来のガルバノミラー制御装置では、振動モードの安定化補償器によって、フィードバック・ループを広帯域化している。この安定化補償器はねじり振動モードの状態量を推定してフィードバックする(特許文献1、2)。   In order to shorten the positioning time of the galvanometer mirror, a technique for widening the feedback loop is used. In the case of the above-described electromagnetic rotary actuator, in addition to the mirror, a sensor and a moving coil or moving magnet are attached to the rotating shaft, and these act as inertia loads. May generate vibration. Since there are a plurality of torsional vibration modes in a region of several kHz or more, in the conventional galvanometer mirror control device, the feedback loop is broadened by a vibration mode stabilization compensator. This stabilization compensator estimates and feeds back the torsional vibration mode state quantity (Patent Documents 1 and 2).

そしてこれらの方式を上述の積分補償や位相進み補償と組み合わせて、フィードバック・ループが構成される。フィードバック・ループの特性は、一回の位置決めに要する時間(位置決め時間)が目標仕様を満たし、かつ目標角度近傍での過渡応答(セトリング応答)に含まれるオーバーシュートや残留ねじり振動が許容範囲に収まるように調整される。   These methods are combined with the above-described integral compensation and phase lead compensation to form a feedback loop. As for the characteristics of the feedback loop, the time required for one positioning (positioning time) satisfies the target specification, and the overshoot and residual torsional vibration included in the transient response (settling response) near the target angle are within the allowable range. To be adjusted.

上位制御から送信される一連の角度指令データ(以下、「角度指令パターン」と呼ぶ。)は、前述の最適化された穴加工の順番に基づいている。角度指令パターンをフーリエ解析すると、それぞれ異なる周波数スペクトルを持つことが分かる。あるスペクトル成分が前述のねじり振動の共振周波数に一致すれば、その振動モードが残留振動となって穴加工位置精度が悪くなることが考えられる。レーザ加工装置のスループットを向上するために、角度指令パターンのステップ信号の時間間隔(以下、「指令インターバル」と呼ぶ。)は短縮する傾向にある。指令インターバルが短くなれば、角度指令パターンの周波数スペクトルは高周波成分が増大する。このため、ロータリ・アクチュエータの高次振動モードによる残留振動が発生しやすく、位置決め精度の劣化が懸念される。また指令インターバルを極めて短くすると、セトリング応答振幅の許容範囲に入った後、ガルバノミラーが完全に静止する前にレーザ光の照射を行い、次の位置決め動作に移ることになる。この時、前回位置決めのセトリング応答が残留すると、次の動作開始時点で、フィードバック・ループに含まれる動特性モードの状態量(以下、「初期状態量」と呼ぶ。)は0にならない。そして角度指令パターンは一般に不規則なので、様々な初期状態量を取り得る。特に角度ストロークの小さな位置決めでは位置決め時間が短く、初期状態量の影響が十分に減衰する前に目標角度近傍に到達するので、その後のセトリング応答波形が毎回異なることになる。高精度加工のためにセトリング応答振幅の許容範囲を狭くするには、どのような角度指令パターンに対してもセトリング応答振幅を抑える技術が必要になる。このため、角度指令以外の付加入力信号をフィードバック・ループに入力する技術がある(特許文献3、非特許文献2)。   A series of angle command data (hereinafter referred to as “angle command pattern”) transmitted from the host control is based on the optimized drilling sequence described above. When the angle command pattern is Fourier-analyzed, it can be seen that each has a different frequency spectrum. If a certain spectral component matches the resonance frequency of the torsional vibration described above, it is considered that the vibration mode becomes a residual vibration and the drilling position accuracy deteriorates. In order to improve the throughput of the laser processing apparatus, the time interval of the step signal of the angle command pattern (hereinafter referred to as “command interval”) tends to be shortened. If the command interval is shortened, the frequency spectrum of the angle command pattern increases the high frequency component. For this reason, residual vibration due to the higher-order vibration mode of the rotary actuator is likely to occur, and there is a concern about deterioration of positioning accuracy. Also, if the command interval is made extremely short, after entering the allowable range of the settling response amplitude, laser light is irradiated before the galvanometer mirror completely stops, and the next positioning operation is started. At this time, if the settling response of the previous positioning remains, the state quantity (hereinafter referred to as “initial state quantity”) of the dynamic characteristic mode included in the feedback loop does not become zero at the start of the next operation. Since the angle command pattern is generally irregular, various initial state quantities can be taken. In particular, in positioning with a small angle stroke, the positioning time is short, and the vicinity of the target angle is reached before the influence of the initial state quantity is sufficiently attenuated, so that the subsequent settling response waveforms are different each time. In order to narrow the allowable range of the settling response amplitude for high-precision machining, a technique for suppressing the settling response amplitude for any angle command pattern is required. For this reason, there is a technique for inputting an additional input signal other than the angle command to the feedback loop (Patent Document 3, Non-Patent Document 2).

特許文献3と非特許文献2が開示する技術(以下、「従来の付加入力式初期値補償制御」と呼ぶ。)は、フィードバック・ループに含まれる動特性モードの初期状態量の影響を速やかに減衰させるために、動特性モードに固有の極を相殺するような付加入力信号を用いる技術である。これにより様々な角度指令パターンで、短い指令インターバルにおいても移動体を高精度に位置決めすることが可能であり、レーザ加工装置のスループットと加工精度の向上に有効である。
特開2002−40357号公報 特開2002−40358号公報 特開2005−221845号公報。 片山 徹著「フィードバック制御の基礎」、朝倉書店、1987年5月20日、6章〜7章。 廣瀬 徳晃、川福 基裕、岩崎 誠、平井 洋武「繰り返し位置決め制御時の初期値補償による残留振動抑制」、電気学会論文誌D、125巻1号、pp。76〜83、2005年。
The technology disclosed in Patent Document 3 and Non-Patent Document 2 (hereinafter referred to as “conventional additional input type initial value compensation control”) promptly affects the influence of the initial state quantity of the dynamic characteristic mode included in the feedback loop. This technique uses an additional input signal that cancels out the pole inherent in the dynamic characteristic mode in order to attenuate the signal. Accordingly, it is possible to position the moving body with high accuracy even in a short command interval with various angle command patterns, which is effective in improving the throughput and processing accuracy of the laser processing apparatus.
JP 2002-40357 A JP 2002-40358 A Japanese Patent Application Laid-Open No. 2005-221845. Toru Katayama, “Basics of Feedback Control”, Asakura Shoten, May 20, 1987, Chapters 6-7. Noriaki Hirose, Motohiro Kawafuku, Makoto Iwasaki, Hirotake Hirai “Residual Vibration Suppression by Compensating Initial Values during Repeated Positioning Control”, IEEJ Transactions D, Vol. 125, No. 1, pp. 76-83, 2005.

従来の付加入力式初期値補償制御では、制御入力信号が必要以上の高周波成分を含んで飽和するケースがあり、その場合には移動体の高域共振が励起されて、理論どおりの十分な補償効果が得られないことが分かった。しかし、この課題の解決方法は、前記のいずれの公知技術にも開示されていない。   In conventional additional input type initial value compensation control, there are cases where the control input signal saturates with a higher frequency component than necessary. In this case, the high frequency resonance of the moving body is excited, and sufficient compensation as theoretically possible. It turned out that an effect was not acquired. However, a solution to this problem is not disclosed in any of the above known techniques.

そこで、本発明が解決しようとする第一の課題は、補償効果に優れる移動体のサーボ制御装置およびレーザ加工装置を提供することである。   Accordingly, a first problem to be solved by the present invention is to provide a servo control device and a laser processing device for a moving body that are excellent in compensation effect.

また従来の付加入力式初期値補償制御では、付加入力信号を発生するディジタル・フィルタに関して、最適な実現の構造が開示されていない。このため、ディジタル制御マイクロプロセッサの内部で、このディジタル・フィルタを倍精度浮動小数点演算する場合には十分な補償効果が得られるが、単精度の浮動小数点演算では理論どおりの補償効果が得られないケースがあることが分かった。しかし、次数の高いディジタル・フィルタでは、単精度演算の方が演算時間を短くできて望ましい。しかし、この課題も、前記のいずれの公知技術にも解決方法は開示されていない。   In addition, in the conventional additional input type initial value compensation control, an optimal implementation structure is not disclosed for a digital filter that generates an additional input signal. Therefore, a sufficient compensation effect can be obtained when double-precision floating-point arithmetic is performed on this digital filter inside the digital control microprocessor, but a theoretical compensation effect cannot be obtained by single-precision floating-point arithmetic. I found out that there was a case. However, for high-order digital filters, single-precision computation is preferable because it can shorten the computation time. However, this problem is not disclosed in any of the above-mentioned known techniques.

そこで、本発明が解決しようとする第二の課題は、ディジタル・フィルタの演算に語長制限がある場合でも(すなわち、単精度の浮動小数点演算を行っても)、倍精度浮動小数点演算と同等の十分な補償効果を有する移動体のサーボ制御装置およびレーザ加工装置を提供することである。   Therefore, the second problem to be solved by the present invention is equivalent to double-precision floating-point arithmetic even when the digital filter operation has a word length limitation (that is, even if single-precision floating-point arithmetic is performed). It is an object of the present invention to provide a moving body servo control device and a laser processing device having a sufficient compensation effect.

上記課題を解決するために、第1の手段は、フィードバック・ループを備え、移動体を位置指令データに基づいて位置決めする移動体のディジタルサーボ制御装置において、前記位置指令データを受けた時刻における前記フィードバック・ループの状態量に関する伝達関数に対して、前記フィードバック・ループに固有の極を相殺するような零点を付加する付加入力手段を設け、前記位置指令データに加えて前記付加入力手段の出力を前記フィードバック・ループに入力して前記移動体を位置決めすることを特徴とする。   In order to solve the above-described problem, the first means includes a feedback loop, and in the digital servo control device for a moving body that positions the moving body based on the position command data, the first means at the time when the position command data is received. An additional input means for adding a zero point that cancels a pole unique to the feedback loop to a transfer function relating to a state quantity of the feedback loop is provided, and an output of the additional input means is added to the position command data. The moving body is positioned by inputting to the feedback loop.

また第2の手段は、レーザ加工装置として、移動体がガルバノミラーである移動体のサーボ制御装置と、前記ガルバノミラーの角度を制御する制御手段と、を備え、前記ガルバノミラーで反射されるレーザ光の角度を前記制御手段によって制御することにより、前記レーザ光を被加工物の所定の位置に入射させて前記被加工物に穴を加工することを特徴とする。   The second means includes, as a laser processing apparatus, a servo control device for a moving body in which the moving body is a galvano mirror, and a control means for controlling the angle of the galvano mirror, and the laser reflected by the galvano mirror. By controlling the angle of light by the control means, the laser beam is made incident on a predetermined position of the workpiece to process a hole in the workpiece.

移動体を高速かつ高精度に位置決めできるので、加工スループットや加工精度を向上さえることが可能となる。さらに付加入力信号を発生するディジタル・フィルタの演算の語長を短くできるので、安価なマイクロプロセッサの使用が可能となり、装置コストを低減することができる。   Since the moving body can be positioned at high speed and with high accuracy, it is possible to improve the processing throughput and processing accuracy. Furthermore, since the word length of the digital filter operation for generating the additional input signal can be shortened, an inexpensive microprocessor can be used, and the device cost can be reduced.

以下、本発明をガルバノミラー制御装置に適用する場合について説明する。   Hereinafter, a case where the present invention is applied to a galvanomirror control device will be described.

図1は、本発明に係るガルバノミラー制御装置のブロック線図である。なお、このガルバノミラー制御装置は、図示していないマイクロ・プロセッサを用いたディジタル制御ファームウェアで実現されており、積分補償器2、比例補償器3、速度オブザーバ4、ねじり振動安定化補償器5、ディジタル・フィルタ10a、10bおよび加算器20〜24に関する処理演算は、前記マイクロ・プロセッサが実行するプログラムの一部に記述されている。そして、一定サンプル周期毎の離散的な時刻(以下、「離散的時刻」と呼ぶ。)において処理演算が実行される。   FIG. 1 is a block diagram of a galvanometer mirror control apparatus according to the present invention. The galvanometer mirror control device is realized by digital control firmware using a microprocessor not shown, and includes an integral compensator 2, a proportional compensator 3, a speed observer 4, a torsional vibration stabilization compensator 5, Processing operations relating to the digital filters 10a and 10b and the adders 20 to 24 are described in a part of a program executed by the microprocessor. Then, the processing operation is executed at discrete times (hereinafter referred to as “discrete times”) at regular sample periods.

ロータリ・アクチュエータ1には、図示を省略するガルバノミラーが1つ取り付けられており、ガルバノミラーの角度がこのガルバノミラー制御装置の制御量信号11である。また、ロータリ・アクチュエータ1は、図示を省略するロータリ・エンコーダを内蔵しており、このエンコーダは離散的時刻ごとに角度検出データ9を出力する。   One rotary galvanometer mirror (not shown) is attached to the rotary actuator 1, and the angle of the galvanometer mirror is the control amount signal 11 of this galvanometer mirror control device. The rotary actuator 1 includes a rotary encoder (not shown), and the encoder outputs angle detection data 9 for each discrete time.

次に、ガルバノミラー制御装置がガルバノミラーを位置決めする手順について説明する。   Next, a procedure for positioning the galvanometer mirror by the galvanometer mirror control device will be described.

上位制御から角度指令データ8を受信すると、加算器(減算器)20により、受信した角度指令データ8から角度検出データ9を減算し、その結果を追従誤差として積分補償器2に出力する。積分補償器2は追従誤差の時間積分を演算し、演算結果を加算器21に出力する。加算器21は、加算器22によって加算されたディジタル・フィルタ10aと10bの出力と、積分補償器2の出力とを加算して加算器23に出力する。ディジタル・フィルタ10aと10bは本発明の重要な要素であり、後で詳細に説明する。   When the angle command data 8 is received from the host control, an adder (subtracter) 20 subtracts the angle detection data 9 from the received angle command data 8 and outputs the result to the integral compensator 2 as a tracking error. The integral compensator 2 calculates the time integration of the tracking error and outputs the calculation result to the adder 21. The adder 21 adds the outputs of the digital filters 10 a and 10 b added by the adder 22 and the output of the integral compensator 2 and outputs the result to the adder 23. Digital filters 10a and 10b are important elements of the present invention and will be described in detail later.

比例補償器3は角度検出データ9を比例ゲインで係数倍し、その結果を加算器24に出力する。速度オブザーバ4はねじり振動安定化補償器5の出力と角度検出データ9とからミラーの角速度の推定値を演算し、その結果を加算器24に出力する。加算器24は比例補償器3と速度オブザーバ4の出力との和を加算器23に出力する。加算器23は、加算器21の出力から加算器24の出力を減算して、ねじり振動安定化補償器5に出力する。ねじり振動安定化補償器5は、ロータリ・アクチュエータ1が有する一つ以上のねじり振動モードに対して、このガルバノミラー制御装置のフィードバック・ループを安定化する。DA変換器6はねじり振動安定化補償器5の出力をアナログ値に変換する。このアナログ値は電流指令値であり、電流制御回路7は、この電流指令値に追従するように駆動電流を制御して、ロータリ・アクチュエータ1に供給する。   The proportional compensator 3 multiplies the angle detection data 9 by a proportional gain and outputs the result to the adder 24. The velocity observer 4 calculates an estimated value of the angular velocity of the mirror from the output of the torsional vibration stabilization compensator 5 and the angle detection data 9 and outputs the result to the adder 24. The adder 24 outputs the sum of the output of the proportional compensator 3 and the speed observer 4 to the adder 23. The adder 23 subtracts the output of the adder 24 from the output of the adder 21 and outputs the result to the torsional vibration stabilization compensator 5. The torsional vibration stabilization compensator 5 stabilizes the feedback loop of the galvanomirror control device with respect to one or more torsional vibration modes of the rotary actuator 1. The DA converter 6 converts the output of the torsional vibration stabilization compensator 5 into an analog value. This analog value is a current command value, and the current control circuit 7 controls the drive current so as to follow this current command value and supplies it to the rotary actuator 1.

次に、初期値補償を行う付加入力について説明する。   Next, additional input for performing initial value compensation will be described.

この実施形態では、付加入力を、ディジタル・フィルタ10aと10bが離散的時刻ごとに発生するインパルス列信号とする。以下、定式化の都合により、図1において破線で囲んだ領域Sを拡大制御対象と呼ぶことにする。   In this embodiment, the additional input is an impulse train signal generated by the digital filters 10a and 10b at discrete times. Hereinafter, for the sake of formulation, the region S surrounded by the broken line in FIG. 1 is referred to as an enlargement control target.

拡大制御対象Sは1入力1出力系であって、加算器21の出力すなわち積分補償器2の出力とディジタル・フィルタ10aと10bの出力の和が拡大制御対象Sへの入力信号であり、角度検出データ9が拡大制御対象Sの出力信号である。   The enlargement control target S is a 1-input 1-output system, and the sum of the output of the adder 21, that is, the output of the integral compensator 2 and the outputs of the digital filters 10a and 10b, is an input signal to the enlargement control target S. Detection data 9 is an output signal of the enlargement control target S.

拡大制御対象Sの離散時間状態方程式は式1、2で表される。

Figure 2007206830
The discrete time state equation of the expansion control object S is expressed by Equations 1 and 2.
Figure 2007206830

式1、2において、iは離散的時刻の経過を表すインデクス、xpはm次の拡大制御対象の状態ベクトル、u‘は拡大制御対象Sの入力信号、yは拡大制御対象Sの出力信号(制御量信号11)、Ap、Bp、Cpはそれぞれm×m、m×1、1×mの実数行列である。   In Equations 1 and 2, i is an index representing the passage of discrete time, xp is a state vector of an m-th order expansion control target, u ′ is an input signal of the expansion control target S, and y is an output signal of the expansion control target S ( Control amount signals 11), Ap, Bp, and Cp are real matrixes of m × m, m × 1, and 1 × m, respectively.

また、積分補償器2の離散時間状態方程式は式3、4で表される。

Figure 2007206830
Further, the discrete time state equation of the integral compensator 2 is expressed by equations 3 and 4.
Figure 2007206830

式3、4において、xcはn次の積分補償器の状態ベクトル、rは角度指令データ、Ac、Bc、Cc、Dcはそれぞれn×n、n×1、1×n、1×1の実数行列である。
式1〜式4から、式5で表されるフィードバック・ループの伝達関数を導くことができる。

Figure 2007206830
In Expressions 3 and 4, xc is a state vector of the n-th order integral compensator, r is angle command data, Ac, Bc, Cc, and Dc are real numbers of n × n, n × 1, 1 × n, and 1 × 1, respectively. It is a matrix.
From Equation 1 to Equation 4, the transfer function of the feedback loop expressed by Equation 5 can be derived.
Figure 2007206830

式5において、zはz変換の複素変数、Rは角度指令データrのz変換、Yは拡大制御対象Sの出力信号yのz変換、D(z)とNr(z)はそれぞれzに関する高次多項式、Np(z)はzに関する1×m次の高次多項式行列、Nc(z)はzに関する1×n次の高次多項式行列である。またxp0は式1、2における状態変数ベクトルxp(i)の初期状態量xp(0)、xc0は式3、4における状態変数ベクトルxc(i)の初期状態量xc(0)を表してる。   In Expression 5, z is a complex variable of z conversion, R is z conversion of the angle command data r, Y is z conversion of the output signal y of the enlargement control object S, and D (z) and Nr (z) are high values related to z, respectively. A first-order polynomial, Np (z) is a 1 × m-order high-order polynomial matrix for z, and Nc (z) is a 1 × n-order high-order polynomial matrix for z. Further, xp0 represents the initial state quantity xp (0) of the state variable vector xp (i) in Expressions 1 and 2, and xc0 represents the initial state quantity xc (0) of the state variable vector xc (i) in Expressions 3 and 4.

ここで、上記の初期状態量を考える初期時刻i=0とは、ある一回の位置決め動作を開始する時刻、すなわち一つの角度指令データをガルバノミラー制御装置が受信した時刻と定義する。   Here, the initial time i = 0 considering the above-mentioned initial state quantity is defined as the time at which a single positioning operation is started, that is, the time at which one angle command data is received by the galvanomirror control device.

式5が意味することは、フィードバック・ループの応答Y(z)は角度指令データR(z)に対する応答と、初期状態量xp0に対する応答と、初期状態量xc0に対する応答の線形な重ねあわせで決まるということである。   What Equation 5 means is that the feedback loop response Y (z) is determined by a linear superposition of the response to the angle command data R (z), the response to the initial state quantity xp0, and the response to the initial state quantity xc0. That's what it means.

式5右辺の第2項と第3項はともに初期状態量に対する応答であるから、以下、これらをまとめてY0(z)と表すことにする。Y0(z)は、式6のように展開できる。

Figure 2007206830
Since both the second term and the third term on the right side of Equation 5 are responses to the initial state quantity, these will be collectively expressed as Y0 (z). Y0 (z) can be expanded as shown in Equation 6.
Figure 2007206830

式6において、Np1(z)〜Npm(z)はそれぞれzに関する高次多項式であり、式5における高次多項式行列Np(z)の要素である。同様にNc1(z)〜Ncn(z)はそれぞれzに関する高次多項式であり、式5における高次多項式行列Nc(z)の要素である。またxp01〜xp0mは式5における初期状態ベクトルxp0の各要素、xc01〜xc0nは式5における初期状態ベクトルxc0の各要素である。   In Expression 6, Np1 (z) to Npm (z) are high-order polynomials related to z, and are elements of the high-order polynomial matrix Np (z) in Expression 5. Similarly, Nc1 (z) to Ncn (z) are high-order polynomials related to z, and are elements of the high-order polynomial matrix Nc (z) in Equation 5. Further, xp01 to xp0m are elements of the initial state vector xp0 in Expression 5, and xc01 to xc0n are elements of the initial state vector xc0 in Expression 5.

いま、式6右辺第1項のq番目の初期状態量xp0qによる初期値応答がフィードバック・ループの応答Y(z)に悪影響を及ぼしているものと仮定し、図1のディジタル・フィルタ10aと10bが出力する付加入力によってその悪影響を抑圧することを考える。   Now, assuming that the initial value response by the q-th initial state quantity xp0q in the first term on the right side of Equation 6 has an adverse effect on the response Y (z) of the feedback loop, the digital filters 10a and 10b in FIG. Let us consider that the adverse effect is suppressed by the additional input output by.

なお、以下、一つのディジタル・フィルタの伝達関数を、nq(z)/dq(z)と表す。ここで、qは添え字であり、式6右辺第1項に現れたq番目の初期状態量xp0qの添え字qと同じ意味で用いるので、q=1、2、…、mである。また、nq(z)とdq(z)は、それぞれzに関する高次多項式である。さらに、ディジタル・フィルタが出力する付加入力のz変換をUaq(z)と表すことにする。   Hereinafter, the transfer function of one digital filter is represented as nq (z) / dq (z). Here, q is a subscript, and q = 1, 2,..., M since it is used in the same meaning as the subscript q of the q-th initial state quantity xp0q that appears in the first term on the right side of Equation 6. Nq (z) and dq (z) are high-order polynomials related to z. Further, the z-transform of the additional input output from the digital filter is expressed as Uaq (z).

いま、式7で示すように、伝達関数nq(z)/dq(z)に対して、初期状態量xp0qに等しい大きさのインパルス信号を入力して、その応答を付加入力Uaq(z)にすることを考える。

Figure 2007206830
As shown in Expression 7, an impulse signal having a magnitude equal to the initial state quantity xp0q is input to the transfer function nq (z) / dq (z), and the response is input to the additional input Uaq (z). Think about what to do.
Figure 2007206830

図1に示したように、付加入力Uaq(z)は拡大制御対象Sへの入力信号に加算される。この時、式6の右辺には、付加入力Uaq(z)に対する応答の項が線形に重ね合わされて、式8のように展開される。

Figure 2007206830
As shown in FIG. 1, the additional input Uaq (z) is added to the input signal to the enlargement control target S. At this time, the term of the response to the additional input Uaq (z) is linearly superimposed on the right side of Expression 6 and developed as Expression 8.
Figure 2007206830

式8において、Nu(z)はzに関する高次多項式であり、伝達関数Nu(z)/D(z)は、付加入力Uaq(z)が拡大制御対象Sへの入力信号に加算される形でフィードバック・ループに作用することを表している。   In Expression 8, Nu (z) is a high-order polynomial with respect to z, and the transfer function Nu (z) / D (z) is a form in which the additional input Uaq (z) is added to the input signal to the expansion control target S. Represents acting on the feedback loop.

式8の右辺第3項について、次のことが言える。式6では、初期状態量xp0qに対する伝達関数がNpq(z)/D(z)であったが、式7のような付加入力Uaq(z)を用いると、初期状態量xp0qに対する伝達関数を式8右辺第3項のように変えることができる。   Regarding the third term on the right side of Equation 8, the following can be said. In Expression 6, the transfer function for the initial state quantity xp0q is Npq (z) / D (z). However, when the additional input Uaq (z) as shown in Expression 7 is used, the transfer function for the initial state quantity xp0q is expressed by 8 It can be changed as the third term on the right side.

従って、式7で表されるディジタル・フィルタの伝達関数nq(z)/dq(z)を適切に設計すれば、応答Y(z)に悪影響を及ぼしていた初期状態量xp0qによる初期値応答を所望の望ましい応答に変えることができて、応答Y(z)を改善することができる。   Therefore, if the transfer function nq (z) / dq (z) of the digital filter expressed by Equation 7 is appropriately designed, the initial value response by the initial state quantity xp0q that has adversely affected the response Y (z) can be obtained. The desired response can be changed and the response Y (z) can be improved.

以下、式7のディジタル・フィルタnq(z)/dq(z)の具体的な設計例について説明する。   Hereinafter, a specific design example of the digital filter nq (z) / dq (z) of Expression 7 will be described.

式1、2で述べた拡大制御対象Sの次数mは、ロータリ・アクチュエータ1に固有のねじり振動モード、速度オブザーバ4、ねじり振動安定化補償器5、及びフィードバック・ループの位相遅れの大きさによって決まる。   The order m of the expansion control object S described in Equations 1 and 2 depends on the torsional vibration mode inherent to the rotary actuator 1, the speed observer 4, the torsional vibration stabilization compensator 5, and the magnitude of the phase delay of the feedback loop. Determined.

今、ねじり振動の第1次モードに起因する初期値応答を改善したいとする。各振動モードは角変位と角速度の二つの状態量を持つので、式6の右辺第1項で、ねじり振動1次モードの角変位と角速度の初期状態量を形式的にq=1、2とする。そして、以下、角変位の初期状態量(q=1)を補償するディジタル・フィルタを図1の10aとし、角速度の初期状態量(q=2)を補償するディジタル・フィルタを図1の10bとする。   Now, suppose that it is desired to improve the initial value response resulting from the primary mode of torsional vibration. Since each vibration mode has two state quantities, angular displacement and angular velocity, the initial state quantities of the angular displacement and angular velocity of the torsional vibration primary mode are formalized as q = 1, 2 in the first term on the right side of Equation 6. To do. In the following, the digital filter for compensating the initial state quantity (q = 1) of the angular displacement is denoted by 10a in FIG. 1, and the digital filter for compensating the initial state quantity (q = 2) of the angular velocity is denoted by 10b in FIG. To do.

まず、q=1について、ディジタル・フィルタn1(z)/d1(z)を次のように設計する。ここで基本となる考え方は、伝達関数における極と零点の配置である。   First, for q = 1, the digital filter n1 (z) / d1 (z) is designed as follows. The basic idea here is the arrangement of poles and zeros in the transfer function.

図9は、式6の右辺第1項で、ねじり振動1次モードの角変位の初期状態量xp01にかかる伝達関数Np1(z)/D(z)に関する極と零点の配置を示す図である。   FIG. 9 is a diagram showing an arrangement of poles and zeros relating to the transfer function Np1 (z) / D (z) related to the initial state quantity xp01 of the angular displacement of the first-order torsional vibration mode in the first term on the right side of Equation 6. .

図9は複素平面であり、横軸は複素数の実数部を表す実軸、縦軸は虚数部を表す虚軸である。また、図中破線で示す円は座標原点を中心とする半径1の単位円であり、記号×は極、記号○は零点を表している。   FIG. 9 is a complex plane, where the horizontal axis is the real axis representing the real part of the complex number, and the vertical axis is the imaginary axis representing the imaginary part. A circle indicated by a broken line in the figure is a unit circle having a radius of 1 centered on the coordinate origin, a symbol x represents a pole, and a symbol ◯ represents a zero point.

極と零点はそれぞれ一般的には複素数であるから、複素平面上の二次元座標で表される。これらの極と零点の配置は、フィードバック・ループが持つ動特性モードの応答の性質を決めるものである。   Since poles and zeros are generally complex numbers, they are represented by two-dimensional coordinates on the complex plane. The arrangement of these poles and zeros determines the response characteristics of the dynamic characteristic mode of the feedback loop.

フィードバック・ループに固有の極はm+n=16個存在し、これらは特性方程式D(z)=0を数値計算で解くと、図9の記号×に配置されている。フィードバック・ループが安定であるために、すべての極は前述の単位円の中に存在している。一方、零点は方程式Np1(z)=0の根であって、この方程式を数値計算で解くと、図9の記号○に配置されている。   There are m + n = 16 poles unique to the feedback loop, and these are arranged at symbol x in FIG. 9 when the characteristic equation D (z) = 0 is solved by numerical calculation. Because the feedback loop is stable, all poles are in the unit circle. On the other hand, the zero point is the root of the equation Np1 (z) = 0, and when this equation is solved by numerical calculation, it is arranged at symbol O in FIG.

次に、付加入力Uaq(z)を加えた後の初期状態量xp01にかかる伝達関数、すなわち式8右辺第3項の伝達関数の極と零点について考える。   Next, consider the transfer function relating to the initial state quantity xp01 after adding the additional input Uaq (z), that is, the pole and zero of the transfer function in the third term on the right side of Equation 8.

この伝達関数の極は分母多項式=0とした方程式の根であるから、前述の特性方程式D(z)=0の根と、方程式d1(z)=0の根を合わせたものに一致する。この多項式d1(z)は、ここで設計しようとしているディジタル・フィルタの伝達関数n1(z)/d1(z)の分母多項式である。一方、式8右辺第3項の伝達関数の零点は分子多項式=0とした方程式の根であり、零点の配置は任意に決めることができる。なぜならば、この分子多項式には、設計パラメータであるディジタル・フィルタの伝達関数の分母多項式d1(z)と分子多項式n1(z)が含まれているからである。   Since the pole of this transfer function is the root of the equation with the denominator polynomial = 0, it coincides with the combination of the root of the characteristic equation D (z) = 0 and the root of the equation d1 (z) = 0. This polynomial d1 (z) is a denominator polynomial of the transfer function n1 (z) / d1 (z) of the digital filter to be designed here. On the other hand, the zero of the transfer function in the third term on the right side of Equation 8 is the root of the equation where the numerator polynomial = 0, and the arrangement of the zeros can be determined arbitrarily. This is because the numerator polynomial includes a denominator polynomial d1 (z) and a numerator polynomial n1 (z) of the transfer function of the digital filter, which are design parameters.

そこで、図9に示された16個の極を相殺するように零点を配置する。さらに、制御入力が必要以上に高周波成分を含むことを避けるために、付加入力を発生するディジタル・フィルタが持つ極をナイキスト周波数以下の領域に配置する。   Therefore, the zeros are arranged so as to cancel the 16 poles shown in FIG. Further, in order to prevent the control input from including a higher frequency component than necessary, the pole of the digital filter that generates the additional input is arranged in a region below the Nyquist frequency.

上記のような極と零点の配置になるように、ディジタル・フィルタの伝達関数の分子多項式n1(z)と分母多項式d1(z)を決めると、式8右辺第3項の伝達関数の極と零点は、図10に示すような配置になる。ここで、図10は図9と同様の複素平面である。   When the numerator polynomial n1 (z) and the denominator polynomial d1 (z) of the transfer function of the digital filter are determined so that the arrangement of the poles and zeros is as described above, the pole of the transfer function in the third term on the right side of Equation 8 The zero points are arranged as shown in FIG. Here, FIG. 10 is a complex plane similar to FIG.

図9に含まれていた16個の極には、新たに配置した16個の零点が重なって相殺されるので、これらの極が初期値応答に与える影響は抑圧される。さらに,新たに追加される極は、図10の破線の四角で囲んだ領域である。   Since the 16 poles included in FIG. 9 are offset by the newly arranged 16 zeros, the influence of these poles on the initial value response is suppressed. Further, the newly added pole is a region surrounded by a broken-line square in FIG.

また、以上の考えで設計したディジタル・フィルタの伝達関数をマイクロプロセッサのプログラムで実現するには、語長制限の影響を受けにくくする必要がある。これに適した構成として、本発明では図11に示す縦続型を用いる。これは2次/2次の伝達関数の直列接続で構成する方法である。なお、図11における−b01〜−bL2、a01〜aL2は係数であり、z−1はシフト演算子である。また、Xはインパルス入力、Yは付加入力信号である。 Moreover, in order to realize the transfer function of the digital filter designed based on the above idea by the program of the microprocessor, it is necessary to make it less susceptible to the word length restriction. As a configuration suitable for this, a cascade type shown in FIG. 11 is used in the present invention. This is a method in which a second-order / second-order transfer function is connected in series. Note that −b 01 to −b L2 and a 01 to a L2 in FIG. 11 are coefficients, and z −1 is a shift operator. X is an impulse input, and Y is an additional input signal.

2次/2次の伝達関数の係数の決定方法については、以下に示す考え方を用いる。   The following concept is used for determining the coefficients of the second-order / second-order transfer function.

ディジタル・フィルタの極と零点は図12に示す配置になる。なお、図9の場合と同様に、図中の記号×は極、記号○は零点、破線の円は座標原点を中心とする半径1の単位円である。   The poles and zeros of the digital filter are arranged as shown in FIG. As in the case of FIG. 9, the symbol x in the figure is a pole, the symbol O is a zero point, and the dashed circle is a unit circle of radius 1 centered on the coordinate origin.

ここで単位円に近い極と零点について、互いに最も近い極と零点を一組のペアとする。この操作をペアリングと呼ぶ。実数ではない極と零点は必ず共役複素数であるから、あるペアとその共役複素数を極と零点に持つような2次/2次の伝達関数を作ることができる。図12において、実線で囲んだa、b、c、dの領域がペアリングの結果である。このようなペアリングに基づく一般的なディジタル・フィルタの実現方法は、Signal Processing Toolbox User’s Guide、MathWorks, Inc.、(2000年)に説明されている。   Here, for poles and zeros close to the unit circle, the closest poles and zeros are set as a pair. This operation is called pairing. Since poles and zeros that are not real numbers are always conjugate complex numbers, a second-order / second-order transfer function having a certain pair and its conjugate complex number at the poles and zeros can be created. In FIG. 12, regions a, b, c, and d surrounded by solid lines are the results of pairing. A general digital filter implementation method based on such pairing is described in Signal Processing Tool User's Guide, MathWorks, Inc. (2000).

以上述べたように、付加入力を発生するディジタルフィルタを縦続型構造とペアリングで実装することにより、語長制限のある制御プログラムでも理論どおりの初期値補償の効果を実現できる。   As described above, by implementing a digital filter that generates an additional input by pairing with a cascade structure, it is possible to realize the effect of initial value compensation as expected even in a control program with word length limitation.

以上のようにして、ねじり振動1次モードの角変位の初期状態量xp01を補償するディジタル・フィルタ10aの伝達関数n1(z)/d1(z)が設計された。   As described above, the transfer function n1 (z) / d1 (z) of the digital filter 10a for compensating the initial state quantity xp01 of the angular displacement of the torsional vibration primary mode is designed.

同様にして、q=2、すなわち、ねじり振動1次モードの角速度の初期状態量xp02についても、ディジタル・フィルタ10bの伝達関数n2(z)/d2(z)を設計する。   Similarly, the transfer function n2 (z) / d2 (z) of the digital filter 10b is designed for q = 2, that is, the initial state quantity xp02 of the angular velocity of the torsional vibration primary mode.

次に、上記のディジタル・フィルタを用いた初期値応答の補償方法について説明する。   Next, an initial value response compensation method using the digital filter will be described.

まず、初期時刻において、ねじり振動1次モードの角変位と角速度の初期状態量xp01とxp02を検出する。通常、これらの状態量をセンサ等で直接検出することは困難である。そこで、複数のねじり振動モードを含む制御対象の状態方程式モデルを構築し、これを元に状態オブザーバを設計し、ディジタル制御ファームウェアに実装すれば、初期状態量を推定計算することができる。特に未知外乱を考慮した状態オブザーバを用いれば、初期状態量を高精度に推定できる。未知外乱を考慮した状態オブザーバの設計法は、岩井、井上、川路:「オブザーバ」6章、コロナ社(1988年)に説明されている。それらの初期状態量を、式7に関する説明で述べたように、q=1、2の各ディジタル・フィルタ10aと10bに対してインパルス入力する。ねじり振動1次モードの初期値応答を補償する付加入力は、ディジタル・フィルタ10aと10bの各インパルス応答の加算である。これを図1に示したように積分補償器2の出力に加算する。 さらに、角度指令パターンに対する位置決めを次々と連続して行うために、次のようなことを実施する。すなわちディジタル・フィルタ10aと10b各々の内部の状態変数を、毎回の初期時刻においてゼロにクリアする。その理由は、指令インターバルが非常に短い場合、すなわち、ディジタル・フィルタ10aと10bのインパルス応答が定常的に0に減衰する前に次の角度指令データを受信して、新たな初期時刻になる場合でも、正常な付加入力を発生させるためである。   First, initial state quantities xp01 and xp02 of the angular displacement and angular velocity of the torsional vibration primary mode are detected at the initial time. Usually, it is difficult to directly detect these state quantities with a sensor or the like. Therefore, if a state equation model of a control target including a plurality of torsional vibration modes is constructed, a state observer is designed based on the model, and the initial state quantity can be estimated and calculated. In particular, if a state observer taking account of unknown disturbances is used, the initial state quantity can be estimated with high accuracy. The state observer design method considering unknown disturbance is described in Iwai, Inoue, Kawaji: “Observer”, Chapter 6, Corona (1988). These initial state quantities are impulse-inputted to the respective digital filters 10a and 10b with q = 1, 2 as described in the explanation regarding Expression 7. An additional input that compensates for the initial value response of the torsional vibration primary mode is the addition of the impulse responses of the digital filters 10a and 10b. This is added to the output of the integral compensator 2 as shown in FIG. Further, in order to continuously perform positioning with respect to the angle command pattern one after another, the following is performed. That is, the internal state variables of the digital filters 10a and 10b are cleared to zero at each initial time. The reason is that when the command interval is very short, that is, when the next angle command data is received before the impulse responses of the digital filters 10a and 10b are steadily attenuated to 0, and a new initial time is reached. However, this is to generate a normal additional input.

次に、本発明の付加入力式初期値補償制御を用いたガルバノミラー制御装置とレーザ加工装置の動作について説明する。図2は、製造中のプリント配線板の穴加工位置を丸(○)で示した模式図であり、レーザ加工装置が図2の穴加工を行うとする。   Next, operations of the galvanomirror control device and the laser processing device using the additional input type initial value compensation control of the present invention will be described. FIG. 2 is a schematic diagram showing a hole processing position of a printed wiring board being manufactured by a circle (◯), and it is assumed that the laser processing apparatus performs the hole processing of FIG.

本発明のレーザ加工装置には、縦軸方向と横軸方向それぞれを受け持つガルバノミラーが搭載されており、各々のミラーに対して図1に示したガルバノミラー制御装置が用いられる。縦軸と横軸それぞれのガルバノミラー制御装置には、異なる角度指令パターンが上位制御から送信される。縦軸方向のミラーは穴間隔Lに相当する角度ストロークの往復動作を行うので、図3のような角度指令パターンとなる。角度ストロークが一定なので、指令インターバルも一定であり、この値を以下τ(ただし、τは無次元化時刻である。)と表す。一方、横軸方向のミラーは穴間隔Lに相当する角度ストロークで、一定方向の送り動作を行うので、図4のような角度指令パターンとなる。指令インターバルはτである。この説明では簡単のため、図2で穴の個数を9個にしており、図3と図4の角度指令パターンは8個の角度指令データによるステップ状のパターンになっているが、実際のレーザ加工装置では加工する穴の個数は膨大であり、各軸の角度指令パターンもさらに長い時間で連続したステップ状のパターンになる。   The laser processing apparatus of the present invention is equipped with a galvano mirror that handles each of the vertical axis direction and the horizontal axis direction, and the galvano mirror control apparatus shown in FIG. 1 is used for each mirror. Different angle command patterns are transmitted from the host control to the galvanometer mirror control devices on the vertical axis and the horizontal axis. Since the mirror in the vertical axis direction reciprocates at an angular stroke corresponding to the hole interval L, an angle command pattern as shown in FIG. 3 is obtained. Since the angular stroke is constant, the command interval is also constant, and this value is hereinafter expressed as τ (where τ is a dimensionless time). On the other hand, the mirror in the horizontal axis direction performs a feed operation in a fixed direction with an angular stroke corresponding to the hole interval L, so that an angle command pattern as shown in FIG. 4 is obtained. The command interval is τ. In this explanation, for the sake of simplicity, the number of holes is 9 in FIG. 2, and the angle command patterns in FIGS. 3 and 4 are step-like patterns based on eight angle command data. In the machining apparatus, the number of holes to be machined is enormous, and the angle command pattern for each axis also becomes a step-like pattern continuous in a longer time.

次に、ガルバノミラー制御装置の応答波形を説明する。   Next, the response waveform of the galvanometer mirror control device will be described.

図5〜8は、図3のような往復動作を継続した場合の、ガルバノミラーの応答波形を示す図である。これらの図が示す波形は追従誤差、つまり図1において、角度指令データ8から角度検出データ9を引き算した値の時間波形である。なお、図5〜8における上段(a)はいずれも、ガルバノミラーが往復動作を開始(時刻0)してから時刻36までに行った4回の往復動作のすべての追従誤差信号を順番に示しており、下段(b)は4回の往復動作の往きと戻りそれぞれの追従誤差を重ね描きしたもの(つまり、往きの動作の初期時刻における追従誤差信号の不連続な立ち上がりエッジをトリガにした場合の、オシロスコープによる重ね描き波形)のうち、追従誤差ゼロ近傍を拡大して示している。また、図中2本の破線で挟まれる領域が、本発明と従来技術とのセトリング波形の違いを示すために設定した範囲(以下、「整定範囲」と呼ぶ)である。   FIGS. 5-8 is a figure which shows the response waveform of a galvanometer mirror at the time of continuing reciprocation like FIG. The waveforms shown in these figures are tracking errors, that is, time waveforms having values obtained by subtracting the angle detection data 9 from the angle command data 8 in FIG. 5A to 8A sequentially show all the tracking error signals of the four reciprocating operations performed from the time when the galvano mirror starts the reciprocating operation (time 0) to the time 36. The lower part (b) is the result of overlaying the follow-up and return errors of the four reciprocating motions (that is, when the discontinuous rising edge of the follow-up error signal at the initial time of the forward motion is used as a trigger) Of the waveform drawn by the oscilloscope) in the vicinity of the zero tracking error. In addition, a region between two broken lines in the figure is a range (hereinafter referred to as “settling range”) set to show the difference in settling waveform between the present invention and the prior art.

図5は、指令インターバルをτ=4.5に設定した場合における本発明による追従誤差の波形である。また、図6は、図5と比較するため、初期値補償制御を用いない従来のガルバノミラー制御装置で同じ往復動作を行った時の追従誤差を示している。   FIG. 5 shows the waveform of the tracking error according to the present invention when the command interval is set to τ = 4.5. FIG. 6 shows a tracking error when the same reciprocating operation is performed in a conventional galvanometer mirror control device that does not use the initial value compensation control, for comparison with FIG.

従来技術(図6)の場合、一回の位置決めで整定範囲に一旦入るが、その後のセトリング応答が振動的であり、整定範囲を外れてしまう。また追従誤差ゼロ近傍の応答は、時間の経過とともに変動している。   In the case of the conventional technique (FIG. 6), the settling range is temporarily entered by one positioning, but the subsequent settling response is oscillatory and falls outside the settling range. Further, the response in the vicinity of the zero tracking error varies with time.

一方、本発明(図5)の場合、整定範囲以内に抑えられ、ほとんど変動の無い良好なセトリング応答が実現されている。   On the other hand, in the case of the present invention (FIG. 5), a good settling response with little variation is realized within the settling range.

また、図7は、指令インターバルをτ=3.5に設定した場合における本発明による追従誤差の波形である。また、図8は、図7と比較するため、初期値補償制御を用いない従来のガルバノミラー制御装置で同じ往復動作を行った時の追従誤差を示している。   FIG. 7 shows the waveform of the tracking error according to the present invention when the command interval is set to τ = 3.5. For comparison with FIG. 7, FIG. 8 shows a tracking error when the same reciprocating operation is performed in a conventional galvanometer mirror control apparatus that does not use the initial value compensation control.

本発明では、この条件においても、整定範囲以内に抑えられ、ほとんど変動の無い良好なセトリング応答が実現されている。   In the present invention, even under these conditions, a good settling response that is suppressed within the settling range and hardly fluctuates is realized.

なお、以上ではガルバノミラー制御装置について説明したが、プリント基板加工装置などにおいて、被加工物を保持して移動するテーブルのサーボ制御に対しても本発明を適用することができる。   Although the galvanometer mirror control device has been described above, the present invention can also be applied to servo control of a table that holds and moves a workpiece in a printed circuit board processing device or the like.

本発明に係るガルバノミラー制御装置のブロック線図である。It is a block diagram of the galvanometer mirror control device concerning the present invention. プリント配線板の穴加工位置を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the hole processing position of a printed wiring board. ガルバノミラーに対する角度指令パターンを示す図である。It is a figure which shows the angle command pattern with respect to a galvanometer mirror. ガルバノミラーに対する角度指令パターンを示す図である。It is a figure which shows the angle command pattern with respect to a galvanometer mirror. 本発明における追従誤差の応答波形を示す図である。It is a figure which shows the response waveform of the tracking error in this invention. 従来の追従誤差の応答波形を示す図である。It is a figure which shows the response waveform of the conventional tracking error. 本発明における追従誤差の応答波形を示す図である。It is a figure which shows the response waveform of the tracking error in this invention. 従来の追従誤差の応答波形を示す図である。It is a figure which shows the response waveform of the conventional tracking error. 付加入力を加える前の伝達関数の極と零点の配置を示す図である。It is a figure which shows arrangement | positioning of the pole and zero of a transfer function before adding an additional input. 本発明における伝達関数の極と零点の配置を示す図である。It is a figure which shows arrangement | positioning of the pole and zero of a transfer function in this invention. 本発明におけるディジタル・フィルタのブロック線図である。It is a block diagram of the digital filter in this invention. 本発明におけるディジタル・フィルタの極と零点の配置を示す図である。It is a figure which shows arrangement | positioning of the pole and zero of a digital filter in this invention.

符号の説明Explanation of symbols

2 積分補償器
8 角度指令データ
9 角度検出データ
10a,10b ディジタル・フィルタ
2 Integral compensator 8 Angle command data 9 Angle detection data 10a, 10b Digital filter

Claims (6)

フィードバック・ループを備え、移動体を位置指令データに基づいて位置決めする移動体のディジタルサーボ制御装置において、
前記位置指令データを受けた時刻における前記フィードバック・ループの状態量に関する伝達関数に対して、前記フィードバック・ループに固有の極を相殺するような零点を付加する付加入力手段を設け、
前記位置指令データに加えて前記付加入力手段の出力を前記フィードバック・ループに入力して前記移動体を位置決めすることを特徴とする移動体のディジタルサーボ制御装置。
In a digital servo controller for a moving body that includes a feedback loop and positions the moving body based on position command data,
An additional input means is provided for adding a zero that cancels out a pole unique to the feedback loop, with respect to a transfer function related to the state quantity of the feedback loop at the time when the position command data is received,
A digital servo controller for a moving body, wherein the moving body is positioned by inputting an output of the additional input means to the feedback loop in addition to the position command data.
前記付加入力手段が持つ極は、前記ディジタルサーボ制御のナイキスト周波数以下の極であることを特徴とする請求項1に記載の移動体のディジタルサーボ制御装置。   2. The digital servo control apparatus for a moving body according to claim 1, wherein the pole of the additional input means is a pole not higher than the Nyquist frequency of the digital servo control. 前記付加入力手段は、前記位置指令データを受けた時刻における前記状態量に等しいインパルス信号を入力信号とするディジタル・フィルタであり、縦続型構造であることを特徴とする請求項2に記載の移動体のサーボ制御装置。   The movement according to claim 2, wherein the additional input means is a digital filter having an impulse signal equal to the state quantity at the time of receiving the position command data as an input signal, and has a cascade structure. Servo control device of the body. 前記ディジタル・フィルタの前記縦続型構造を構成する伝達関数は、複素平面上で接近した極と零点を持つことを特徴とする請求項3に記載の移動体のディジタルサーボ制御装置。   4. The digital servo controller for a moving body according to claim 3, wherein the transfer function constituting the cascade structure of the digital filter has a pole and a zero that are close to each other on a complex plane. 前記移動体がガルバノミラーであることを特徴とする請求項1に記載の移動体のディジタルサーボ制御装置。   2. The digital servo controller for a moving body according to claim 1, wherein the moving body is a galvanometer mirror. 請求項5に記載のディジタルサーボ制御装置と、
前記ガルバノミラーの角度を制御する制御手段と、
を備え、
前記ガルバノミラーで反射されるレーザ光の角度を前記制御手段によって制御することにより、前記レーザ光を被加工物の所定の位置に入射させて前記被加工物に穴を加工することを特徴とするレーザ加工装置。
A digital servo control device according to claim 5;
Control means for controlling the angle of the galvanometer mirror;
With
By controlling the angle of the laser beam reflected by the galvanometer mirror by the control means, the laser beam is incident on a predetermined position of the workpiece to process a hole in the workpiece. Laser processing equipment.
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