JPS6132120A - Positioning control system - Google Patents

Positioning control system

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Publication number
JPS6132120A
JPS6132120A JP15306184A JP15306184A JPS6132120A JP S6132120 A JPS6132120 A JP S6132120A JP 15306184 A JP15306184 A JP 15306184A JP 15306184 A JP15306184 A JP 15306184A JP S6132120 A JPS6132120 A JP S6132120A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
motor
stage
positioning
state
control system
Prior art date
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Pending
Application number
JP15306184A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Ryozo Masaki
良三 正木
Tsutomu Omae
大前 力
Ken Fujii
憲 藤井
Tsutomu Saitou
斉藤 ▲つとむ▼
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hitachi Ltd filed Critical Hitachi Ltd
Priority to JP15306184A priority Critical patent/JPS6132120A/en
Publication of JPS6132120A publication Critical patent/JPS6132120A/en
Pending legal-status Critical Current

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    • GPHYSICS
    • G05CONTROLLING; REGULATING
    • G05DSYSTEMS FOR CONTROLLING OR REGULATING NON-ELECTRIC VARIABLES
    • G05D3/00Control of position or direction
    • G05D3/12Control of position or direction using feedback
    • G05D3/14Control of position or direction using feedback using an analogue comparing device
    • G05D3/1445Control of position or direction using feedback using an analogue comparing device with a plurality of loops

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • Feedback Control In General (AREA)
  • Control Of Position Or Direction (AREA)

Abstract

PURPOSE:To attain positioning without vibration by deciding the feedback gain so that the transfer function of the control system is expressed with a product of 1st-order delay elements while taking notice that the characteristic such as overshoot and response time are clarified from the transfer function of the control system in the positioning characteristic of the control system. CONSTITUTION:A motor 1 is driven, a drive shaft is turned to position an XY state 3, and the stage position theta and state speed omegas of the XY stage 3 are detected by a stage detector 4. Further, a motor position thetaM and motor speed omegaM are detected by a motor detector 5 and the four detected state variables X are fed back to a position control circuit 6. The position control circuit 6 uses a position command thetas0 given from a position command circuit 7 and the fedback state X to apply positioning control operation so as to decide a motor current ia inputted to the motor 1. Further, the transfer function of the XY stage 3 is selected as the 2nd order delay system including the vibrating system.

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は振動系を含む移動体を高速で高精度に位置決め
する位置決め制御方式に関する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Field of Application of the Invention] The present invention relates to a positioning control method for positioning a moving body including a vibration system at high speed and with high precision.

〔発明の背景〕[Background of the invention]

投影露光装置におけるXYステージのように、高速に位
置決めする必要がある移動体では、その制御系に含まれ
ている振動成分が制御特性に及ぼす影響が大きい。そこ
で、この振動を抑制する位置決め制御方式として、例え
ば、特開昭57−71281号公報に示されるように、
移動体の速度。
In a moving body that needs to be positioned at high speed, such as an XY stage in a projection exposure apparatus, vibration components included in the control system have a large influence on control characteristics. Therefore, as a positioning control method for suppressing this vibration, for example, as shown in Japanese Patent Application Laid-Open No. 57-71281,
speed of the moving object.

位置等の複数個の状態量を検出し、これら状態量をフィ
ードバックすることにより最適に制御する方法が知られ
ている。この方法によれば、複数個の状態を用いて決め
られた評価関数を最小にするように制御するため、その
評価関数の下で最適な制御を行うことができる。しかし
、位置決めの際に問題となる応答速度、オーバーシュー
ト等の特性と評価関数との関係が把握しにくいため、試
行錯誤的に評価関数を決める必要があった。
A method is known in which a plurality of state quantities such as position are detected and these state quantities are fed back to perform optimal control. According to this method, control is performed so as to minimize the evaluation function determined using a plurality of states, so that optimal control can be performed under the evaluation function. However, because it is difficult to understand the relationship between the evaluation function and characteristics such as response speed and overshoot that are problematic during positioning, it has been necessary to determine the evaluation function by trial and error.

〔発明の目的〕[Purpose of the invention]

本発明の目的は、複数個の状態量のフィードバックゲイ
ンを最適に選ぶことにより、移動体の振動を伴うことな
く高速に位置決めすることができる位置決め制御方式を
提供することにある。
An object of the present invention is to provide a positioning control system that can perform high-speed positioning without vibration of a moving body by optimally selecting feedback gains of a plurality of state quantities.

〔発明の概要〕[Summary of the invention]

本発明は、制御系の位置決め特性においてオーバーシュ
ート量や応答時間等の特性が制御系の伝達関数から明ら
かになることに着目し、制御系の伝達関数が1次遅れの
積で表されるように、フィードバックゲインを決定する
ことにより、振動を伴うことなく位置決めを行うもので
ある。
The present invention focuses on the fact that in the positioning characteristics of a control system, characteristics such as the amount of overshoot and response time are revealed from the transfer function of the control system. In addition, by determining the feedback gain, positioning is performed without vibration.

本発明の最も好適な実施例によれば、モータ速度、モー
タ位置、移動体の速度並びに移動体の位置を状態量とし
てフィードバックし、これらのフィードバックゲインを
用いて制御系の伝達関数が4重根になるように制御する
ことにより、モータと移動体の間に存在する振動系の振
動を抑制するように構成されている。
According to the most preferred embodiment of the present invention, the motor speed, motor position, speed of the moving body, and position of the moving body are fed back as state quantities, and the transfer function of the control system is transformed into a quadruple root using these feedback gains. The structure is configured such that vibrations in the vibration system existing between the motor and the moving object are suppressed by controlling the motor so that the vibrations occur.

〔発明の実施例〕 以ド、本発明の一実施例を図面により説明する。[Embodiments of the invention] Hereinafter, one embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

第1図は移動体としてXYステージを用いた場合の位置
決め装置の一実施例であり、モータ1を駆動し、駆動軸
2を回転させることにより、XYステージ3を位置決め
するようになっている。このXYステージ3のステージ
位置θBおよびステージ速度ωBはステージ検出器4に
より検出される。また、モータ位置θMおよびモータ速
度ωにはモータ検出器5で検出される。これらの検出さ
れた4つの状態量Xは位置決め制御回路6にフィードバ
ックされる。この位置決め制御回路6では、位置指令回
路7から与えられる位置指令θsOとフィードバックさ
れた状態Xとを用いて位置決め制御演算を行い、モータ
1に入力するモータ電流inを決定している。
FIG. 1 shows an embodiment of a positioning device using an XY stage as a moving body, and the XY stage 3 is positioned by driving a motor 1 and rotating a drive shaft 2. The stage position θB and stage speed ωB of the XY stage 3 are detected by the stage detector 4. Further, the motor position θM and the motor speed ω are detected by the motor detector 5. These four detected state quantities X are fed back to the positioning control circuit 6. This positioning control circuit 6 performs positioning control calculations using the position command θsO given from the position command circuit 7 and the fed back state X, and determines the motor current in input to the motor 1.

モータ1.駆動軸2およびXYステージ3の等価ブロッ
ク図を第2図に示す。
Motor 1. An equivalent block diagram of the drive shaft 2 and the XY stage 3 is shown in FIG.

第2図ではモータ1は電流駆動として記述しているが、
電圧駆動でも電流制御を高速にすることによりほぼ電流
駆動とみなすことができる。また、XYステージ3の伝
達関数は振動系を含む2次遅れ系としている。さらに、
第3図に位置決め制御回路6の具体的な実施例を示して
いる。この位置決め制御回路6ば、特開昭57−712
81号公報に示されているように、従来の状態フィート
ノくツクによる制御方式と同様に構成されている。しか
し、フィードバックゲインの決定方法が異なる。
In Fig. 2, the motor 1 is described as being driven by current, but
Even voltage drive can be regarded as almost current drive by increasing the current control speed. Further, the transfer function of the XY stage 3 is a second-order lag system including a vibration system. moreover,
A specific embodiment of the positioning control circuit 6 is shown in FIG. This positioning control circuit 6 is
As shown in Japanese Patent No. 81, the structure is similar to the conventional control system using a state foot check. However, the method of determining the feedback gain is different.

従来のフィードバックゲインは決められた評価関数Jを
最小にするように決定していた。例えば、特開昭57−
71281号公報の例では、指令と出力との偏差r (
K) −y (K)および入力の変化量u (K)−u
(K−1)を用いて ・・・・・・・・・・・・(1) という評価関数を定めていた。この次(1)式では、重
み係数Wによって入力の変化量u (K)−u (K−
1)を小さくしながら、指令と出力との偏差r (K)
 −y(K)を短時間で小さくすることを目的としてい
る。
Conventionally, the feedback gain was determined so as to minimize a determined evaluation function J. For example, JP-A-57-
In the example of Publication No. 71281, the deviation r (
K) -y (K) and the amount of change in input u (K) - u
(K-1) was used to determine the evaluation function (1). In this next equation (1), the input change amount u (K)-u (K-
1) while reducing the deviation r (K) between the command and the output.
The purpose is to reduce -y(K) in a short time.

そのため、第(1)式の結果を最小にするようにフィー
ドバックゲインを決定すれば、この目的に対して最適な
制御ができる。このように、従来の状態フィードバック
による制御は現代制御理論におけル評価関数からフィー
トノくツクゲインを決定するのが一般的であった。しか
し、高精度の位置決め制御においては最も重要になるオ
ーバーシュート量の評価関数の関係が把握できにくい。
Therefore, optimal control for this purpose can be achieved by determining the feedback gain so as to minimize the result of equation (1). As described above, in conventional control using state feedback, it has been common practice in modern control theory to determine the feedback gain from the evaluation function. However, it is difficult to grasp the relationship between the evaluation function of the amount of overshoot, which is most important in high-precision positioning control.

そこで本発明では、まず、現代制御理論における状態変
数の概念を導入すれば、第2図においてモータ速度ωM
、モータ位置θM、ステージ速度ω8並びにステージ位
置θBを状態変数とすることができる。このとき、モー
タ電流1.を入力Uに対しステージ位置θBを出力yに
すると、第2図における状態方程式は次式で表される。
Therefore, in the present invention, firstly, by introducing the concept of state variables in modern control theory, motor speed ωM is shown in FIG.
, motor position θM, stage speed ω8, and stage position θB can be used as state variables. At this time, motor current 1. When the stage position θB is the output y for the input U, the state equation in FIG. 2 is expressed by the following equation.

パ ただし、入力u=i、、出力y−θ日 θSからステージ位置θ8への伝達関数HPG(S’)
を とするためには、極配置問題から公知のように、フィー
ドバックゲイン行列Fおよびフィードフォワードゲイン
gを次式のように選べばよい。
where input u=i, output y-θ day θS to stage position θ8 transfer function HPG(S')
In order to obtain , the feedback gain matrix F and the feedforward gain g may be selected as shown in the following equation, as is known from the pole placement problem.

g−βo[cA”B]’        ・・・・・・
・・・・・・・・・(4)F=g(CA’+αICA3
+α2 C,4−2+α3CA+α4C)・・・・・・
・・・・・・・・・(5)ただし、F−CKIKx K
3に4 ]そこで、(3)式において、伝達関数Hro
(8)が1次遅れの積 で示されるように、α1.α2.α3Iα4Iβ0を決
定し、フィードフォワードゲインgおよびフィードバッ
クゲイン行列Fをそれぞれ(4)、 (5)式で与える
。このことが本発明の特徴である。これにより、振動系
を含むXYテーブルを振動することなく位置決めするこ
とができる。従って、従来の状態フィードバックによる
制御では注目されていなかった伝達関数HFG(S)を
用いて振動なく制御する点が従来と異なる。
g−βo[cA”B]' ・・・・・・
・・・・・・・・・(4) F=g(CA'+αICA3
+α2C,4-2+α3CA+α4C)・・・・・・
・・・・・・・・・(5) However, F-CKIKx K
3 to 4] Therefore, in equation (3), the transfer function Hro
As shown in (8) by the product of first-order lags, α1. α2. α3Iα4Iβ0 is determined, and feedforward gain g and feedback gain matrix F are given by equations (4) and (5), respectively. This is a feature of the present invention. Thereby, the XY table including the vibration system can be positioned without vibration. Therefore, the present invention differs from the conventional one in that vibration-free control is performed using the transfer function HFG(S), which has not attracted attention in conventional state feedback control.

具体的には、例えば第(6)式を とするためには、第(4)、第(5)式よりフィードフ
ォワードゲインgおよびフィードバックゲイン行列Fを ・・・・・・・・・・・・(9) (ただし、FT はFの転置行列を示す)。
Specifically, in order to obtain Equation (6), for example, the feedforward gain g and feedback gain matrix F are calculated from Equations (4) and (5).・(9) (However, FT indicates the transposed matrix of F).

で与えればよい。You can give it as

このように実施例によれば、振動することなく安定にX
Yステージ3を制御できるので、静止摩票−′ なお、この例では1つの振動系を有するXYステージに
適用したが、複数の振動系を有する制御系にも利用でき
る。
In this way, according to the embodiment, X can be stably carried out without vibration.
Since the Y stage 3 can be controlled, the static friction plate -' is applied to an XY stage having one vibration system in this example, but it can also be used to a control system having a plurality of vibration systems.

〔発明の効果〕〔Effect of the invention〕

本発明によれば、振動系を含む被制御対象を振動なく制
御できるので、高速にしかも高精度に位置決めできる効
果がある。
According to the present invention, since the controlled object including the vibration system can be controlled without vibration, there is an effect that positioning can be performed at high speed and with high precision.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は本発明による位置決め装置の一実施例を示すブ
ロック図、第2図はモータおよび被制御対象の一例を示
すブロック図、第3図は位置決め制御回路の一実施例を
示す構成図である。
FIG. 1 is a block diagram showing an example of a positioning device according to the present invention, FIG. 2 is a block diagram showing an example of a motor and a controlled object, and FIG. 3 is a block diagram showing an example of a positioning control circuit. be.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 1、位置指令回路から与えられる目標位置に位置決めす
る移動体と、この移動体を駆動するモータと、前記移動
体および前記モータの速度、位置の状態を検出する検出
回路と、この検出回路から得られた前記状態のフィード
バック量と前記目標位置のフィードフォワード量とによ
り、前記モータの入力を決定する位置決め制御回路とを
備え、前記モータと前記移動体との間に振動系を含むも
のにおいて、前記目標位置から前記移動体の位置への伝
達関数が1次遅れの積で表されるように前記フィードバ
ック量のゲインおよび前記フィードフォワード量のゲイ
ンを選択することを特徴とする位置決め制御方式。
1. A movable body positioned at a target position given by a position command circuit, a motor that drives this movable body, a detection circuit that detects the speed and position status of the movable body and the motor, and information obtained from this detection circuit. a positioning control circuit that determines an input to the motor based on a feedback amount of the state and a feedforward amount of the target position, and a vibration system is included between the motor and the moving body, A positioning control method characterized in that the gain of the feedback amount and the gain of the feedforward amount are selected such that a transfer function from a target position to a position of the moving body is represented by a product of first-order lags.
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2014164498A (en) * 2013-02-25 2014-09-08 Univ Of Tokyo Control system, disturbance estimation system, control method, control program and design method

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