JP2003345402A - Position control device - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は位置制御装置に係
り、特に少なくとも1軸方向に駆動されるステージ等の
駆動制御に適した位置制御装置に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a position control device, and more particularly to a position control device suitable for drive control of a stage or the like driven in at least one axis direction.
【0002】[0002]
【従来の技術】例えばX−Yステージ装置のように、モ
ータ及び負荷で構成される機構の移動及び位置決めを行
なう装置の位置制御装置の一例として外乱補償器を備え
たものがある。図11に、外乱補償器として外乱オブザ
ーバ6を備えた位置制御装置の一例を示す。2. Description of the Related Art As an example of a position control device of a device for moving and positioning a mechanism constituted by a motor and a load, such as an XY stage device, there is a device provided with a disturbance compensator. FIG. 11 shows an example of a position control device provided with a disturbance observer 6 as a disturbance compensator.
【0003】同図に示す位置制御装置はPID制御方式
によるものであり、大略するとPID制御器よりなる位
置制御器1と外乱オブザーバ6とにより構成されてい
る。位置制御器1は、位置指令値xcと位置検出値xと
を一致させるようにその偏差(xc−x)に対し、比例
(P)、積分(I)、微分(D)処理を加え、モータド
ライバ2への電流目標値ic を演算する。The position control device shown in FIG. 1 is based on a PID control system, and is roughly composed of a position controller 1 composed of a PID controller and a disturbance observer 6. The position controller 1 performs proportional (P), integral (I), and derivative (D) processing on the deviation (xc−x) so that the position command value xc matches the position detection value x, and The current target value ic to the driver 2 is calculated.
【0004】外乱オブザーバ6は、ローパスフィルタ7
によりフィルタリングされたモータドライバ2へのトル
ク指令値τcと、入力トルク推定フィルタ8により位置
検出値xから推定された推定負荷入力トルクとの差を減
算器22で演算し、得られた差分によりモータトルク定
数逆モデル9において推定負荷外乱トルクに相当する電
流値を算出する。The disturbance observer 6 includes a low-pass filter 7
The subtractor 22 calculates a difference between the torque command value τc to the motor driver 2 filtered by the filter and the estimated load input torque estimated from the position detection value x by the input torque estimation filter 8, and the motor obtains the difference from the obtained difference. In the torque constant inverse model 9, a current value corresponding to the estimated load disturbance torque is calculated.
【0005】そして、減算器21により推定負荷外乱ト
ルクに相当する電流値を電流目標値ic から減算するこ
とで、外乱トルクを打ち消すように電流目標値icを補
正し、モータドライバ2への電流指令値irを算出す
る。なお、モータドライバ2に与えられるのは電流指令
値icであるが、ローパスフィルタ7ではこの電流指令
値icに定数Ktを乗じることでトルク指令値τcを得
る。Then, the current value corresponding to the estimated load disturbance torque is subtracted from the current target value ic by the subtractor 21 to correct the current target value ic so as to cancel the disturbance torque. Calculate the value ir. Although the current command value ic is given to the motor driver 2, the low-pass filter 7 obtains a torque command value τc by multiplying the current command value ic by a constant Kt.
【0006】[0006]
【発明が解決しようとする課題】上記のように制御部1
8に位置制御器1に加えて外乱オブザーバ6を設けた構
成とすることにより、通常のPID制御のみからなる制
御方式に比べ、目標値追随特性,速度安定特性等におい
て非常に有効である。SUMMARY OF THE INVENTION As described above, the control unit 1
The configuration in which the disturbance observer 6 is provided in addition to the position controller 1 in the position controller 8 is very effective in a target value tracking characteristic, a speed stability characteristic, and the like, as compared with a control system including only normal PID control.
【0007】しかしながら、上記したように従来の位置
制御装置では、外乱オブザーバ6において、ローパスフ
ィルタ7によりフィルタリングされたモータドライバ2
へのトルク指令値τcと、入力トルク推定フィルタ8に
より位置検出値xから推定された推定負荷入力トルクと
の差分により、モータトルク定数逆モデル9において推
定負荷外乱トルクに相当する電流値を算出する構成であ
ったため、外乱オブザーバ6の推定負荷外乱トルクを演
算するプロセスが複雑で、これにより応答性が低下する
という問題点があった。However, as described above, in the conventional position control device, the motor driver 2 filtered by the low-pass filter 7 in the disturbance observer 6 is used.
Is calculated from the torque command value τc to the estimated load input torque estimated from the position detection value x by the input torque estimation filter 8 in the motor torque constant inverse model 9. Due to the configuration, the process of calculating the estimated load disturbance torque of the disturbance observer 6 is complicated, and there is a problem that the response is reduced.
【0008】具体的には、制御部18は例えばPMAC
(Programmable Multi-Axis Controller)等のコントロー
ラが適用され、また外乱オブザーバ6はこのコントロー
ラに内設されているPLCC0の拡張サーボ演算を使用
している。しかしながら、PLCC0の拡張サーボ演算
を外乱オブザーバ6の外乱トルク推定に用いた構成では
演算負荷が問題となり、よって制御周期を高めることが
困難となる。Specifically, the control unit 18 is, for example, a PMAC
(Programmable Multi-Axis Controller) or the like, and the disturbance observer 6 uses the extended servo calculation of the PLCC0 provided in the controller. However, in the configuration in which the extended servo calculation of the PLCC0 is used for estimating the disturbance torque of the disturbance observer 6, the calculation load becomes a problem, and it becomes difficult to increase the control cycle.
【0009】本発明は上記の点に鑑みてなされたもので
あり、簡易的な外乱オブザーバを実現することにより制
御系の演算負荷の軽減及び応答性の向上を図った位置制
御装置を提供することを目的とする。The present invention has been made in view of the above points, and provides a position control device which realizes a simple disturbance observer to reduce a calculation load on a control system and improve responsiveness. With the goal.
【0010】[0010]
【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めに本発明では、次に述べる各手段を講じたことを特徴
とするものである。Means for Solving the Problems In order to solve the above problems, the present invention is characterized by taking the following means.
【0011】請求項1記載の発明は、少なくとも1軸方
向に駆動される被駆動部材の位置を検出し位置検出値を
出力する位置検出器と、位置指令値に基づいて前記被駆
動部材を駆動する駆動装置と、前記位置検出値と前記位
置指令値との差により前記駆動装置の目標駆動値を生成
するPID制御器と、外乱を抑制したい周波数帯域で前
記目標駆動値をフィルタリングした指令推定値と、前記
位置検出値から推定された推定負荷入力値とに基づき推
定負荷外乱値を算出する外乱オブザーバとを有し、算出
された推定負荷外乱値に基づいて外乱値を打ち消すよう
に前記目標駆動値に対する補正を行なう位置制御装置に
おいて、前記外乱オブザーバを前向き制御器のみにより
構成したことを特徴とするものである。According to a first aspect of the present invention, there is provided a position detector which detects a position of a driven member driven in at least one axis direction and outputs a position detection value, and drives the driven member based on a position command value. A driving device, a PID controller that generates a target driving value of the driving device based on a difference between the position detection value and the position command value, and a command estimation value obtained by filtering the target driving value in a frequency band in which disturbance is to be suppressed. And a disturbance observer that calculates an estimated load disturbance value based on the estimated load input value estimated from the position detection value, and the target drive is configured to cancel the disturbance value based on the calculated estimated load disturbance value. In a position control device for correcting a value, the disturbance observer is constituted by only a forward controller.
【0012】また、請求項2記載の発明は、請求項1記
載の位置制御装置において、前記外乱オブザーバは、安
定性を保証するための安定性フィルタと、外乱要素とな
る低周波外乱を除去するための低周波外乱防止フィルタ
とを有することを特徴とするものである。According to a second aspect of the present invention, in the position control device of the first aspect, the disturbance observer removes a low-frequency disturbance serving as a disturbance element and a stability filter for guaranteeing stability. And a low-frequency disturbance prevention filter.
【0013】上記請求項1及び請求項2記載の発明によ
れば、外乱オブザーバが前向き制御器のみにより構成さ
れているため、制御系の構成の簡単化及び処理の高速化
を図ることができる。According to the first and second aspects of the present invention, since the disturbance observer includes only the forward controller, the configuration of the control system can be simplified and the processing speed can be increased.
【0014】また、請求項3記載の発明は、請求項1ま
たは2記載の位置制御装置において、前記外乱オブザー
バとしてノッチフィルタを用いてなることを特徴とする
ものである。According to a third aspect of the present invention, in the position control device of the first or second aspect, a notch filter is used as the disturbance observer.
【0015】上記発明によれば、外乱オブザーバとして
ノッチフィルタを用いたことにより、外乱推定処理に拡
張サーボ演算処理を行なう必要がなくなり、処理の高速
化を図ることが可能となる。According to the present invention, since the notch filter is used as the disturbance observer, it is not necessary to perform the extended servo arithmetic processing for the disturbance estimation processing, and the processing can be sped up.
【0016】また、請求項4記載の発明は、請求項1乃
至3のいずれか1項に記載の位置制御装置において、前
記駆動装置は、リニアモータであることを特徴とするも
のである。According to a fourth aspect of the present invention, in the position control device according to any one of the first to third aspects, the driving device is a linear motor.
【0017】また、請求項5記載の発明は、請求項1乃
至4のいずれか1項に記載の位置制御装置において、前
記被駆動部材は、少なくとも1軸方向に駆動されるステ
ージであることを特徴とするものである。According to a fifth aspect of the present invention, in the position control device according to any one of the first to fourth aspects, the driven member is a stage driven in at least one axial direction. It is a feature.
【0018】[0018]
【発明の実施の形態】次に、本発明の実施の形態につい
て図面と共に説明する。Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
【0019】先ず、図1を参照して、本発明が適用され
るステージ装置を1軸について説明する。ステージ装置
は種々の形態が考えられ、通常はX軸用ステージとY軸
用ステージとを直交するように積み上げてX−Yステー
ジが構成される。First, a stage apparatus to which the present invention is applied will be described for one axis with reference to FIG. Various types of stage devices are conceivable. Usually, an X-Y stage is formed by stacking an X-axis stage and a Y-axis stage so as to be orthogonal to each other.
【0020】しかしながら、ここでは説明の便宜上、1
軸について図示し説明するものとする。但し、本発明は
1軸に限定されるものではなく、2軸以上の多軸のステ
ージ装置に対しても適用可能なものである。However, here, for convenience of explanation, 1
The axes are illustrated and described. However, the present invention is not limited to a single axis, but can be applied to a multi-axis stage apparatus having two or more axes.
【0021】ステージ装置は、ベース上に駆動装置とな
るモータ3(同図に示す例ではリニアモータ)とガイド
系となるスライドガイド4aとを取り付け、このスライ
ドガイド4aに負荷となる可動ステージ4を組み付けた
構成とされている。尚、駆動系には、直接直線運動を実
現するリニアモータの代わりに、回転型モータとボール
ねじにより回転運動を直線運動に変換する方式が採用さ
れることもある。ガイド系については、一般に使用され
る接触式のボール/ローラベアリング方式と空気静圧軸
受け(エアースライダ)方式に大別されるが、高精度品
では空気静圧軸受けが有利である。The stage device has a motor 3 (a linear motor in the example shown in FIG. 1) serving as a driving device and a slide guide 4a serving as a guide system mounted on a base, and a movable stage 4 serving as a load is mounted on the slide guide 4a. It is configured to be assembled. In some cases, instead of a linear motor that directly achieves a linear motion, a drive system that uses a rotary motor and a ball screw to convert the rotational motion into a linear motion is employed. The guide system is roughly classified into a contact ball / roller bearing system and an air static pressure bearing (air slider) system, which are generally used. In a high-precision product, an air static pressure bearing is advantageous.
【0022】また、外乱オブザーバを考えた場合は、各
部の機械剛性が高い必要があり、静圧軸受け方式を用い
たリニアモータによるダイレクトドライブ構成のステー
ジ装置が最もその効果が期待できる。When a disturbance observer is considered, the mechanical rigidity of each part needs to be high, and a stage device of a direct drive configuration using a linear motor using a hydrostatic bearing system can be expected to exert its effect most.
【0023】一方、可動ステージ4の位置の検出は、リ
ニアエンコーダ(位置検出器)5によって行われる。こ
の種のリニアモータ3では、可動部に検出器を持たせ、
ガイド部(固定部)にリニアスケールを固定して、移動
距離に対応したパルス数をカウントすることで相対的な
位置を計算する。勿論、リニアエンコーダ以外、例えば
レーザ干渉計でも同じ機能を実現することができる。On the other hand, the position of the movable stage 4 is detected by a linear encoder (position detector) 5. In this type of linear motor 3, the movable part has a detector,
The relative position is calculated by fixing the linear scale to the guide portion (fixed portion) and counting the number of pulses corresponding to the moving distance. Of course, the same function can be realized with a laser interferometer other than the linear encoder, for example.
【0024】制御部10にはDSP(ディジタル信号処
理プロセッサ)などの高速プロセッサを用いる。制御部
10は、PID制御器を持ち演算結果をモータドライバ
2に与えるためのアナログ出力ポート、リニアエンコー
ダ21からの検出信号を受ける入力ポートを備えた汎用
のサーボ制御ボードで実現される。As the control unit 10, a high-speed processor such as a DSP (digital signal processor) is used. The control unit 10 is realized by a general-purpose servo control board having a PID controller and an analog output port for providing a calculation result to the motor driver 2 and an input port for receiving a detection signal from the linear encoder 21.
【0025】ここで説明の便宜上、先に図11を用いて
説明した制御方式の種に外乱オブザーバ6のブロック線
図を図2に示す。本発明は外乱オブザーバ6の簡易化を
目的としているため、同図では位置制御器1の図示は省
略している。また、ローパスフィルタ7、入力トルク推
定フィルタ8の伝達関数は、対応するブロックの中に記
入された通りである。Here, for convenience of explanation, a block diagram of the disturbance observer 6 is shown in FIG. 2 for the types of control system described above with reference to FIG. Since the present invention aims at simplifying the disturbance observer 6, the illustration of the position controller 1 is omitted in FIG. The transfer functions of the low-pass filter 7 and the input torque estimation filter 8 are as described in the corresponding blocks.
【0026】また、図2に図示されたブロック中に記入
されている符号のうち、符号9で示すブックにはモータ
トルク定数逆モデルが記入され、符号11で示すブック
にはモータと負荷を含んだ機構の伝達関数が記入され、
符号12で示すブックにはモータのトルク定数が記入さ
れている。更に、図中Mはモータ3と負荷との慣性項、
ζはフィルタの減衰係数、ωはフィルタのカットオフ周
波数、sはラプラス演算子をそれぞれ示している。In addition, among the codes written in the blocks shown in FIG. 2, a book indicated by reference numeral 9 is a motor torque constant inverse model, and a book indicated by reference numeral 11 includes a motor and a load. The transfer function of the mechanism is entered,
The book indicated by reference numeral 12 contains the torque constant of the motor. Further, in the figure, M is an inertia term between the motor 3 and the load,
ζ indicates a filter attenuation coefficient, ω indicates a filter cutoff frequency, and s indicates a Laplace operator.
【0027】ローパスフィルタ7は、モータドライバ2
へのトルク指令値τc を外乱抑制周波数帯域でフィルタ
リングし、トルク指令推定値eτcを算出する。入力ト
ルク推定フィルタ8はモータ3と負荷とを含んだ機構の
入力トルクから位置への伝達関数Ktの逆モデル(1/
Kt)に基づいて位置検出値xより入力トルク(τc +
τd)の推定値(eτc +eτd )を求める。この入力
トルク推定フィルタ8もローパスフィルタ7と同様のフ
ィルタ特性を持たせ、外乱抑制周波数帯域のみの入力ト
ルク推定値(eτc +eτd )を算出する。The low-pass filter 7 includes a motor driver 2
Is filtered in the disturbance suppression frequency band to calculate an estimated torque command value eτc. The input torque estimation filter 8 is an inverse model of the transfer function Kt from the input torque to the position of the mechanism including the motor 3 and the load (1/1).
Kt) and the input torque (τc +
τd) is obtained (eτc + eτd). This input torque estimation filter 8 also has the same filter characteristics as the low-pass filter 7, and calculates the input torque estimation value (eτc + eτd) only in the disturbance suppression frequency band.
【0028】更に、モータトルク定数逆モデル9におい
てトルク指令推定値eτcと、入力トルク推定値(eτc
+eτd )とを減算器22により減算し、その差分で
ある外乱トルク推定値eτdを算出する。演算された外
乱トルク推定値eτd にモータトルク定数逆モデル(1
/Kt)を乗じ、電流補正値eidを算出する。減算器1
5において、電流目標値ic から電流補正値eid を減
じ、モータドライバ2への電流指令値ir とする。Further, in the motor torque constant inverse model 9, the torque command estimated value eτc and the input torque estimated value (eτc
+ Eτd) is subtracted by the subtractor 22 to calculate a disturbance torque estimated value eτd which is the difference between the two. The calculated disturbance torque eτd is added to the motor torque constant inverse model (1
/ Kt) to calculate a current correction value eid. Subtractor 1
In step 5, the current correction value eid is subtracted from the current target value ic to obtain a current command value ir to the motor driver 2.
【0029】上記のように、従来の外乱オブザーバにお
いて使用されている外乱推定は、制御対象の逆モデル
(モータトルク定数逆モデル9)を用い、制御入力と制
御出力との間に入る外乱を逆算し、制御入力の値を生成
する段階で補正する構成となっている。しかしながら、
この外乱推定方法では、モータトルク定数逆モデル(1
/Kt)が適正な制御器として表せないため、通常はモ
ータトルク定数逆モデル9に対して十分考慮されたフィ
ルタを用いることにより、等価で適正な制御器を実現し
ている。As described above, the disturbance estimation used in the conventional disturbance observer uses the inverse model of the controlled object (motor torque constant inverse model 9) to calculate the disturbance between the control input and the control output. Then, the correction is performed at the stage of generating the value of the control input. However,
In this disturbance estimation method, a motor torque constant inverse model (1
/ Kt) cannot be expressed as an appropriate controller, so that an equivalent and appropriate controller is usually realized by using a filter sufficiently considered for the inverse model 9 of the motor torque constant.
【0030】しかしながら、図2に示される外乱オブザ
ーバ6のブロック線図の表現は、古典制御理論や現代制
御理論により導出される制御器の構造と比べると、複雑
な表現とされている。そこで、図2に示される制御器を
展開し整理すること考える。However, the expression of the block diagram of the disturbance observer 6 shown in FIG. 2 is a complicated expression as compared with the structure of a controller derived by classical control theory or modern control theory. Therefore, it is considered to develop and arrange the controller shown in FIG.
【0031】具体的には、前向き制御器と逆モデル制御
器を完全に分離し、前向き制御器を整理する。図3は図
2に示される逆モデル制御器である入力トルク推定フィ
ルタ8とモータトルク定数逆モデル9を纏めた構成であ
る。また図4は、図3に示された構成において、ローパ
スフィルタ7を前向き制御器として表現したものであ
る。そして最終的には、図2に示される制御器は図5に
示すように展開される。同図より、前向き制御器及び逆
モデル制御器の伝達関数は、同じ構造の「積分器+一次
遅れ」で構成された制御器であることが判る。Specifically, the forward controller and the inverse model controller are completely separated, and the forward controller is arranged. FIG. 3 shows a configuration in which the input torque estimation filter 8 and the motor torque constant inverse model 9 which are the inverse model controllers shown in FIG. FIG. 4 shows the low-pass filter 7 as a forward controller in the configuration shown in FIG. And finally, the controller shown in FIG. 2 is developed as shown in FIG. From the figure, it can be seen that the transfer functions of the forward controller and the inverse model controller are controllers configured by “integrator + first-order lag” having the same structure.
【0032】次に、図5に示されるように展開された制
御器の、外乱推定の検討と制御目的との整合性について
検討する。まず、外乱に対する低感度化は、外乱推定の
制御器によって発生した積分特性によって実現される。Next, the estimation of disturbance and the consistency with the control purpose of the controller developed as shown in FIG. 5 will be examined. First, the reduction in sensitivity to disturbance is realized by an integral characteristic generated by a controller for disturbance estimation.
【0033】ここで、外乱オブザーバ6の外のループに
PID制御器が設けられていることを前提とし、また主
な混入する外乱をトルク外乱とする。この時、外乱混入
の手前に二次の積分器が構成されていることから、外乱
入力に対しては、内部モデルの原理よりステップ状外乱
まで漸近的に除去できることがわかる。Here, it is assumed that a PID controller is provided in a loop outside the disturbance observer 6, and the main mixed disturbance is a torque disturbance. At this time, since the second-order integrator is configured before the disturbance is mixed, it is understood that the disturbance input can be asymptotically removed up to the step-like disturbance according to the principle of the internal model.
【0034】即ち、図5に示す符号14で示すブロック
で示す伝達関数は、主に低周波外乱防止フィルタとして
機能していると予測できる。また、符号14で示すブロ
ックで示す伝達関数は、主に安定性フィルタとして機能
していると予想できる。That is, it can be predicted that the transfer function indicated by the block indicated by reference numeral 14 in FIG. 5 mainly functions as a low-frequency disturbance prevention filter. The transfer function indicated by the block indicated by reference numeral 14 can be expected to mainly function as a stability filter.
【0035】これに対し、符号14で示される逆モデル
制御器15は、その構造から加速度のフィードバックで
ある。本発明では、この低周波外乱防止に機能しない加
速度のフィードバックである逆モデル制御器15を除去
することを特徴としている。On the other hand, the inverse model controller 15 indicated by reference numeral 14 is a feedback of acceleration from its structure. The present invention is characterized in that the inverse model controller 15 which is the feedback of the acceleration which does not function for preventing the low-frequency disturbance is removed.
【0036】このように逆モデル制御器15を除去する
ことにより、外乱オブザーバの構成を簡易化することが
可能となる。具体的な逆モデル制御器15を除去の手段
としては、図5に示す逆モデル制御器15と減算器21
とを接続する位置で切断して切断部16を設ける。従っ
て、比較的容易に逆モデル制御器15を除去することが
できる。By removing the inverse model controller 15, the configuration of the disturbance observer can be simplified. As a specific means for removing the inverse model controller 15, the inverse model controller 15 and the subtractor 21 shown in FIG.
Is cut at a position where the connection is made, and a cutting portion 16 is provided. Therefore, the inverse model controller 15 can be removed relatively easily.
【0037】次に、図5に示される簡易化された外乱オ
ブザーバを有する位置制御器において、外乱の影響がど
のように抑制されるのかを見るシミュレーションを行な
った結果について述べる。具体的には、図1に示したよ
うな1軸駆動のステージ装置を想定し、これに対してシ
ミュレーションを実施した。Next, a description will be given of the result of a simulation for seeing how the influence of disturbance is suppressed in the position controller having the simplified disturbance observer shown in FIG. Specifically, a stage device driven by one axis as shown in FIG. 1 was assumed, and a simulation was performed on the stage device.
【0038】また、以下のシミュレーションにおいて
は、制御部10として前記したPMACを用いた場合を
想定している。更に、外乱オブザーバの処理である外乱
推定処理をPMACのPLCC0の拡張サーボ演算を使
用せずに、PMACの標準制御器として設けられている
「ノッチフィルタ(Notch filter)」を外乱推定の前向き
制御器として使用することとしている。In the following simulation, it is assumed that the PMAC is used as the control unit 10. Further, the disturbance estimation process, which is the process of the disturbance observer, is performed without using the extended servo operation of the PLCC0 of the PMAC, and a "Notch filter" provided as a standard controller of the PMAC is used as a forward controller for disturbance estimation. It is going to be used as.
【0039】PMACのノッチフィルタは、二次の離散
型伝達関数で、その変数も自由に決定することができ
る。従って、ノッチフィルタの変数に外乱推定の制御器
の離散変数を代入することで、簡易型の外乱推定を実現
することができる。The notch filter of the PMAC is a second-order discrete transfer function, and its variables can be freely determined. Therefore, a simple disturbance estimation can be realized by substituting the discrete variables of the disturbance estimation controller into the variables of the notch filter.
【0040】続いて、図5で求められた簡易型の外乱オ
ブザーバにおいて、外乱推定のための変数を決定する。
この簡易型外乱オブザーバと、モータドライバ2,モー
タ3,制御部10(PMAC)等からなる制御系を等価
モデルで表現すると図6のようになる。また、同図に示
す等価モデルにおいて、制御系の各要素(パラメータ)
の条件は図7に示すように設定した。Subsequently, in the simplified disturbance observer obtained in FIG. 5, variables for disturbance estimation are determined.
FIG. 6 shows a simplified disturbance observer and a control system including the motor driver 2, the motor 3, the control unit 10 (PMAC), and the like expressed by an equivalent model. In the equivalent model shown in the figure, each element (parameter) of the control system
Were set as shown in FIG.
【0041】ここで、簡易型外乱オブザーバであって
も、各要素(パラメータ)の決定方法は従来から行われ
ている通常の外乱オブザーバにおける決定方法と同じで
あるため、ここでは特性多項式の比較のみ下記するもの
とする。Here, even in the case of the simple disturbance observer, the method of determining each element (parameter) is the same as the method of determining a conventional disturbance observer which has been conventionally performed. It shall be described below.
【0042】簡易型外乱オブザーバの場合In the case of a simple disturbance observer
【0043】[0043]
【数1】 通常の外乱オブザーバの場合(Equation 1) For a normal disturbance observer
【0044】[0044]
【数2】
図8は、シミュレーションの結果を示している。図8
(A)はPID制御のみ制御の結果を示しており、図8
(B)はPID制御器と従来の外乱オブザーバを組み合
わせた制御の結果を示しており、更に図8(C)はPI
D制御機と本発明に係る簡易型の外乱オブザーバを組み
合わせた制御の結果を示している。尚、各図において、
横軸は時間であり、縦軸は外乱による変位量である。(Equation 2) FIG. 8 shows the result of the simulation. FIG.
FIG. 8A shows the result of only the PID control, and FIG.
FIG. 8B shows the result of control in which a PID controller and a conventional disturbance observer are combined, and FIG.
9 shows a result of control in which a D controller and a simple disturbance observer according to the present invention are combined. In each figure,
The horizontal axis represents time, and the vertical axis represents displacement due to disturbance.
【0045】図8(A)に示すように、PID制御器の
みでは外乱の影響を排除することができず、よって外乱
による振動が発生してしまう。これに対し、図8(B)
に示すPID制御器と従来の外乱オブザーバを組み合わ
せた制御では、外乱の影響が抑制されていることが判
る。As shown in FIG. 8A, the influence of the disturbance cannot be eliminated only by the PID controller, so that the vibration due to the disturbance occurs. On the other hand, FIG.
It can be seen that in the control in which the PID controller shown in (1) and the conventional disturbance observer are combined, the influence of the disturbance is suppressed.
【0046】また、本実施例に係るPID制御機と本発
明に係る簡易型の外乱オブザーバを組み合わせた制御で
は、図8(C)に示すように、図8(B)に示すPID
制御器と従来の外乱オブザーバを組み合わせた制御と同
様に外乱の影響が抑制されている。即ち、従来の外乱オ
ブザーバから、低周波外乱防止に機能しない加速度のフ
ィードバックである逆モデル制御器15を除去し、外乱
オブザーバの簡易化を図っても、外乱の影響が確実に抑
制されることが立証された。In the control in which the PID controller according to the present embodiment is combined with the simple disturbance observer according to the present invention, as shown in FIG. 8C, the PID shown in FIG.
As with the control in which the controller and the conventional disturbance observer are combined, the influence of the disturbance is suppressed. That is, even if the inverse model controller 15, which is the feedback of acceleration that does not function for low-frequency disturbance prevention, is removed from the conventional disturbance observer, and the disturbance observer is simplified, the influence of disturbance can be reliably suppressed. Proven.
【0047】また、図9は図1に示される構成の位置制
御器1を用い、これに本実施例に係る簡易型の外乱オブ
ザーバを設けた制御系を用いた場合の追従偏差と、PD
I制御器のみの制御系を用いた場合の追従偏差と、従来
の外乱オブザーバを設けた制御系を用いた場合の追従偏
差を比較して示している。同図に示されるように、本実
施例に係る簡易型の外乱オブザーバを設けた構成(図で
は、簡易外乱除去制御器と示している)は、全体に現れ
る追随偏差(主に、可動ステージ4と共に移動するケー
ブルの反力と思われる)の影響が、外乱オブザーバを設
けたものと略同程度まで減少していることが判る。FIG. 9 shows a follow-up deviation when the position controller 1 having the structure shown in FIG. 1 is used and the control system provided with the simplified disturbance observer according to the present embodiment is used.
The following is a comparison between the following deviation when using a control system including only the I controller and the following deviation when using a conventional control system provided with a disturbance observer. As shown in the figure, the configuration provided with the simplified disturbance observer according to the present embodiment (in the figure, shown as a simple disturbance rejection controller) has a tracking error (mainly a movable stage 4) that appears as a whole. It can be seen that the influence of the disturbance moving observer is reduced to about the same level as that provided with the disturbance observer.
【0048】上記した各実験により、逆モデル制御器を
省略した簡易型の外乱オブザーバであっても、低周波外
乱を漸次除去でき、従来の外乱オブザーバと同様の効果
を得ることができることが立証された。更に、本実施例
では制御部10としてPMACを用い、また外乱推定処
理をPMACのPLCC0の拡張サーボ機構ではなく、
PMACの標準制御器として設けられている「ノッチフ
ィルタ(Notch filter)」を使用しているため、制御周波
数を上げることが可能となり、より高精度で応答性の速
いな外乱抑制制御を行なうことが可能となる。From the above experiments, it has been proved that even with a simple disturbance observer in which the inverse model controller is omitted, the low-frequency disturbance can be gradually removed and the same effect as that of the conventional disturbance observer can be obtained. Was. Further, in the present embodiment, PMAC is used as the control unit 10, and the disturbance estimation processing is performed not by the extended servo mechanism of the PLCC0 of the PMAC.
Since the "Notch filter" provided as a standard controller of PMAC is used, it is possible to increase the control frequency, and it is possible to perform disturbance suppression control with higher accuracy and quick response. It becomes possible.
【0049】次に、図6に示された本実施例に係る簡易
外乱オブザーバを適用した制御系において、可調整変数
を部分モデルマッチングにより決定する方法について説
明する。通常、外乱推定を適正な制御器とするために導
入するフィルタは、その推定特性を高めるためと、調整
の容易さより一般に二次系を採用することが多い。しか
しながら、実際に低周域の外乱抑制特性を補償するので
あれば、その変数は安定性を補償する任意の値でよい。
ここでは、特に前向き制御器について自由度を確保でき
るよう、図10に示す制御器を採用する。この図10に
示す制御系を展開すると、下式のようになる。Next, a method of determining an adjustable variable by partial model matching in the control system to which the simplified disturbance observer according to the present embodiment shown in FIG. 6 is applied will be described. Normally, a filter introduced to make disturbance estimation an appropriate controller often employs a secondary system in general in order to improve its estimation characteristics and to facilitate adjustment. However, as long as the disturbance suppression characteristics in the low frequency range are actually compensated for, the variable may be any value that compensates for the stability.
Here, the controller shown in FIG. 10 is adopted so that the degree of freedom can be particularly ensured for the forward controller. When the control system shown in FIG. 10 is developed, the following equation is obtained.
【0050】[0050]
【数3】 また、特性多項式は次式で与えられる。(Equation 3) The characteristic polynomial is given by the following equation.
【0051】[0051]
【数4】
このときの他特性多項式では、三次或いは四次での変数
の完全な自由度がなく、完全なマッチングができない。
従って、ここでは部分モデルマッチングを検討する。部
分モデルマッチングを採用する場合、通常では低次項か
ら順に下式に一致させるように変数を決定するため、応
答周波数ωを上げていくと系が振動的になる場合が多
い。(Equation 4) At this time, in the other characteristic polynomial, there is no complete degree of freedom of the variable of the third or fourth order, and perfect matching cannot be performed.
Therefore, the partial model matching is considered here. When the partial model matching is employed, usually, the variables are determined so as to match the following equation in order from the low-order term. Therefore, when the response frequency ω is increased, the system often becomes oscillatory.
【0052】R(s)=(s+ω)n
そこで、応答周波数ωと共に可調整変数であるPID制
御器の積分要素Kiを0と仮定し、完全マッチングを行
なう。積分要素Kiを0と仮定したときの特性多項式
は、次式のようになる。R (s) = (s + ω)n
Therefore, the PID system which is an adjustable variable together with the response frequency ω
Assuming that the integral element Ki of the controller is 0, perfect matching is performed.
Now. Characteristic polynomial assuming integral element Ki is 0
Is as follows:
【0053】[0053]
【数5】
この系に対し、完全マッチング(s+ω)nを行なうと、
各可調整変数は四次の連立方程式から求められる。そし
て、求められた連立方程式により、可調整変数K0,
K1,K2,l1により、応答周波数ωを自由に選定する
ことができる。また、その時の外乱除去制御器の離散モ
デルでは、次式のように与えられる。(Equation 5) When perfect matching (s + ω) n is performed on this system,
Each adjustable variable is obtained from a fourth-order simultaneous equation. Then, according to the obtained simultaneous equations, the adjustable variables K 0 ,
The response frequency ω can be freely selected based on K 1 , K 2 , and l 1 . Further, in the discrete model of the disturbance rejection controller at that time, it is given by the following equation.
【0054】[0054]
【数6】
その時のknで比例ゲインKρを修正し、最終的にパラ
メータを決定する。このように、応答周波数ωを設定し
た制御系設計であれば、等価二次系の応答周波数ωと比
較し、制御性能を決定することができる。また、微分ゲ
インKdが完全な自由パラメータであることから、位置
ループ特性を維持したまま、速度ループ特性を変更する
ことも可能である。(Equation 6) Correct the proportional gain K [rho at k n at that time, and finally to determine the parameters. As described above, if the control system is designed with the response frequency ω set, the control performance can be determined by comparing with the response frequency ω of the equivalent secondary system. Further, since the differential gain Kd is a completely free parameter, it is possible to change the speed loop characteristic while maintaining the position loop characteristic.
【0055】以上、本発明を精密ステージ機構に適用し
て説明したが、本発明は対象物を移動及び位置決めする
装置の速度制御方式及び位置制御方式にも広く応用可能
であることは勿論である。Although the present invention has been described above by applying the present invention to a precision stage mechanism, it goes without saying that the present invention can be widely applied to a speed control system and a position control system of a device for moving and positioning an object. .
【0056】[0056]
【発明の効果】上述の如く本発明によれば、外乱オブザ
ーバが前向き制御器のみにより構成されているため、制
御系の構成の簡単化及び処理の高速化を図ることができ
る。また、外乱オブザーバとしてノッチフィルタを用い
たことにより、外乱推定処理に拡張サーボ演算処理を行
なう必要がなくなり、処理の高速化を図ることが可能と
なる。As described above, according to the present invention, since the disturbance observer is constituted only by the forward controller, the structure of the control system can be simplified and the processing can be speeded up. Further, by using the notch filter as the disturbance observer, it is not necessary to perform the extended servo calculation process in the disturbance estimation process, and it is possible to speed up the process.
【図1】本発明の一実施例である位置制御装置を適用し
たステージ機構を1軸について示す構成図である。FIG. 1 is a configuration diagram showing a stage mechanism to which a position control device according to an embodiment of the present invention is applied with respect to one axis.
【図2】従来の外乱オブザーバを適用した位置制御装置
の制御系を示すブロック図である。FIG. 2 is a block diagram illustrating a control system of a position control device to which a conventional disturbance observer is applied.
【図3】図2に示す制御系を展開した状態を示すブロッ
ク図である。FIG. 3 is a block diagram showing a state where the control system shown in FIG. 2 is developed.
【図4】図3に示す制御系を更に展開した状態を示すブ
ロック図である。FIG. 4 is a block diagram showing a state in which the control system shown in FIG. 3 is further developed.
【図5】図4に示す制御系を更に展開した状態を示すブ
ロック図である。FIG. 5 is a block diagram showing a state where the control system shown in FIG. 4 is further developed.
【図6】図1に示すステージ機構の制御部を等価モデル
で表現した図である。6 is a diagram expressing a control unit of the stage mechanism shown in FIG. 1 by an equivalent model.
【図7】図6に示す等価モデルの条件を示す図である。FIG. 7 is a diagram showing conditions of the equivalent model shown in FIG. 6;
【図8】図6に示す条件で制御部を駆動させたときのシ
ミュレーションの結果を示す図であり、(A)は従来の
外乱オブザーバ及び本発明に係る簡易外乱オブザーバの
いずれをも設けていない制御部のシミュレーションの結
果を示しており、(B)は従来の外乱オブザーバを設け
た制御部のシミュレーションの結果を示しており、
(C)は本発明に係る簡易外乱オブザーバを設けた制御
部のシミュレーションの結果を示している。8A and 8B are diagrams showing simulation results when the control unit is driven under the conditions shown in FIG. 6; FIG. 8A shows neither a conventional disturbance observer nor a simple disturbance observer according to the present invention; (B) shows the result of simulation of the control unit provided with the conventional disturbance observer, and (B) shows the result of simulation of the control unit.
(C) shows the result of a simulation of the control unit provided with the simple disturbance observer according to the present invention.
【図9】本発明に係る簡易外乱オブザーバを設けた制御
部の追従偏差と、従来の外乱オブザーバ及び本発明に係
る簡易外乱オブザーバのいずれをも設けていない制御部
の追従偏差と、従来の外乱オブザーバを設けた制御部の
追従偏差を比較して示す図である。FIG. 9 shows the following deviation of the control unit provided with the simple disturbance observer according to the present invention, the following deviation of the control unit not provided with any of the conventional disturbance observer and the simple disturbance observer according to the present invention, and the conventional disturbance. It is a figure which compares and shows the following deviation of the control part provided with the observer.
【図10】制御器に対し、可調整変数を部分モデルマッ
チングにより決定する方法を説明するための図である。FIG. 10 is a diagram for explaining a method of determining an adjustable variable by a partial model matching for a controller.
【図11】従来の一例である外乱オブザーバを適用した
位置制御装置の制御系を示すブロック図である。FIG. 11 is a block diagram illustrating a control system of a position control device to which a disturbance observer is applied, which is an example of the related art.
1 位置制御器 2 モータドライバ 3 モータ 4 負荷 5 位置検出器 6 外乱オブザーバ 7 ローパスフィルタ 8 入力トルク推定フィルタ 9 モータトルク定数逆モデル 10 制御部 13 安定性フィルタ 14 低周波外乱防止フィルタ 15 逆モデル制御器 16 切断部 1 Position controller 2 Motor driver 3 Motor 4 Load 5 Position detector 6 disturbance observer 7 Low-pass filter 8 Input torque estimation filter 9 Motor torque constant inverse model 10 control unit 13 Stability filter 14 Low frequency disturbance prevention filter 15 Inverse model controller 16 Cutting part
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 5H004 GA02 HA07 HB07 JB03 JB04 JB22 KB02 KB04 KB06 MA12 MA15 5H303 BB02 BB07 BB12 CC04 DD04 EE03 FF09 HH01 KK02 KK03 KK04 KK11 ────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of front page F term (reference) 5H004 GA02 HA07 HB07 JB03 JB04 JB22 KB02 KB04 KB06 MA12 MA15 5H303 BB02 BB07 BB12 CC04 DD04 EE03 FF09 HH01 KK02 KK03 KK04 KK11
Claims (5)
部材の位置を検出し位置検出値を出力する位置検出器
と、 位置指令値に基づいて前記被駆動部材を駆動する駆動装
置と、 前記位置検出値と前記位置指令値との差により前記駆動
装置の目標駆動値を生成するPID制御器と、 外乱を抑制したい周波数帯域で前記目標駆動値をフィル
タリングした指令推定値と、前記位置検出値から推定さ
れた推定負荷入力値とに基づき推定負荷外乱値を算出す
る外乱オブザーバとを有し、 算出された推定負荷外乱値に基づいて外乱値を打ち消す
ように前記目標駆動値に対する補正を行なう位置制御装
置において、 前記外乱オブザーバを前向き制御器のみにより構成した
ことを特徴とする位置制御装置。A position detector that detects a position of a driven member that is driven in at least one axis direction and outputs a position detection value; a driving device that drives the driven member based on a position command value; A PID controller for generating a target driving value of the driving device based on a difference between a position detection value and the position command value; a command estimation value obtained by filtering the target driving value in a frequency band in which disturbance is to be suppressed; A disturbance observer for calculating an estimated load disturbance value based on the estimated load input value estimated from the position, and a position for correcting the target drive value so as to cancel the disturbance value based on the calculated estimated load disturbance value. In the control device, the disturbance observer is constituted by only a forward controller.
フィルタと、外乱要素となる低周波外乱を除去するため
の低周波外乱防止フィルタとを有することを特徴とする
位置制御装置。2. The position control device according to claim 1, wherein the disturbance observer includes a stability filter for guaranteeing stability, and a low-frequency disturbance prevention filter for removing low-frequency disturbance serving as a disturbance element. A position control device comprising:
おいて、 前記外乱オブザーバとしてノッチフィルタを用いてなる
ことを特徴とする位置制御装置。3. The position control device according to claim 1, wherein a notch filter is used as the disturbance observer.
位置制御装置において、 前記駆動装置は、リニアモータであることを特徴とする
位置制御装置。4. The position control device according to claim 1, wherein the drive device is a linear motor.
位置制御装置において、 前記被駆動部材は、少なくとも1軸方向に駆動されるス
テージであることを特徴とする位置制御装置。5. The position control device according to claim 1, wherein the driven member is a stage that is driven in at least one axial direction.
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