(57)【要約】【課題】負荷変動などが起こっても、良好な位置決めを実現できるようにする。【解決手段】固定された平面状を2次元方向に移動する、空気で浮揚したスライダ１０９を位置決めする位置決め制御装置であって、スライダをX軸方向に移動させる少なくとも２個のX軸モータ１１０、１１３と、スライダをY軸方向に移動させる少なくとも２個のY軸モータと、各モータにそれぞれ設けられたモータ駆動用の電動力変換部１０７とを備えた位置決め制御装置において、スライダのX軸方向およびY軸方向の位置を検出する少なくとも３個の位置センサと、ギャップ変位を計測するギャップセンサ１１４〜１１７と、位置センサとギャップセンサとの位置情報に基づいてスライダの姿勢情報を生成する座標変換部１０８と、座標変換部より出力される信号と目標姿勢より少なくとも２個のX軸モータと少なくとも２個のY軸モータの電流指令を決定し該電流指令を電動力変換部に送る位置決め制御部１０２とを備える。【選択図】図１
2006113854.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定された平面状を2次元方向に移動する、空気で浮揚したスライダを位置決めする位置決め制御装置であって、前記スライダをX軸方向に移動させる少なくとも２個のX軸モータと、前記スライダをY軸方向に移動させる少なくとも２個のY軸モータと、各モータにそれぞれ設けられたモータ駆動用の電動力変換部とを備えた位置決め制御装置において、
スライダのX軸方向およびY軸方向の位置を検出する少なくとも３個の位置センサと、
スライダと固定された平面状とのギャップ変位を計測する少なくとも３個のギャップセンサと、
前記位置センサとギャップセンサとの位置情報に基づいてスライダの姿勢情報を生成する座標変換部と、
前記座標変換部より出力される信号と目標姿勢より前記少なくとも２個のX軸モータと前記少なくとも２個のY軸モータの電流指令を決定し該電流指令を前記電動力変換部に送る位置決め制御部とを有することを特徴とする位置決め制御装置。
【請求項２】
固定された平面状を2次元方向に移動する、空気で浮揚したスライダを位置決めする位置決め制御装置であって、前記スライダをX軸方向に移動させる少なくとも２個のX軸モータと、前記スライダをY軸方向に移動させる少なくとも２個のY軸モータと、各モータにそれぞれ設けられたモータ駆動用の電動力変換部とを備えた位置決め制御装置の位置決め制御方法において、
前記スライダと固定された平面状とのギャップ変位を計測する少なくとも３個のギャップセンサより、前記スライダのローリング角およびピッチング角およびギャップ長を演算し、
演算された前記ローリング角およびピッチング角及びギャップ長とローリング角目標値およびピッチング角目標値およびギャップ目標値より前記少なくとも２個のX軸モータと前記少なくとも２個のY軸モータの磁束成分電流を演算し、
前記スライダのX軸方向、Y軸方向の位置およびヨーイング角を検出する少なくとも３個の位置センサよりスライダ位置を演算し、
前記スライダ位置とスライダ位置目標値より前記少なくとも２個のX軸モータと前記少なくとも２個のY軸モータの推力成分電流を演算し、
前記磁束成分電流と前記推力成分電流より実電流指令を演算し前記電動力変換部に入力することを特徴とする位置決め制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、位置決め制御装置および制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来技術における平面サーボモータシステムを構築する位置決め制御装置は、図３のようになっている（例えば、特許文献１参照）。
図３において、１１はスライダであり、１２は格子プラテンであり、１３はＸ平面ミラーであり、１４はＹ平面ミラーであり、１５はモータ部であり、１６は上位コントローラ、１７はＸＹサーボドライバ部、１８はＸ１軸モータコア、１９はＸ２軸モータコア、２０はＸ1軸モータ、２１はＸ２軸モータ、２２はＹ１軸モータコア、２３はＹ２軸モータコア、２４はＹ１軸モータ、２５はＹ２軸モータ、３２は３軸レーザ干渉計、５５はＸ軸位置・速度制御部、５６はＹ軸位置・速度制御部、５７は姿勢制御部、５８はＸ１電流駆動インバータ、５９はＸ２電流駆動インバータ、６０はＹ１電流駆動インバータ、６１はＹ２電流駆動インバータ、６２は座標変換部である。スライダ１１は固定物であるプラテンに対し空気などで浮揚しており、Ｘ軸方向にＸ１軸モータ２０、Ｘ２軸モータ２１の2個のモータを搭載し、Ｙ軸方向にＹ１軸モータ２２、Ｙ２軸モータ２３を搭載して、2次元平面を駆動できるようにしてある。制御系については、３次元レーザ干渉計によりスライダ位置が計測されるが、Ｘ座標に関して並列に２箇所計測し、その差分を計測することでヨーイング角を算出する。以上により、Ｘ座標位置、Ｙ座標位置およびヨーイング座標θ角度を検出し、各座標ごとにフィードバック制御部５５，５６，６３を有し、目標位置との偏差を評価し、推力指令を決定する。また、あらかじめピッチング角、ローリング角を実験的に測定した結果をテーブルとして制御系内部に格納しておき、検出したＸ軸座標、Ｙ座標、θ座標に応じてピッチング角、ローリング角を考慮した電流指令を、姿勢制御部５７にて演算し、各電流駆動インバータ５８，５９，６０，６１に電流振幅指令、転流角指令を出力している。
このように、従来の位置決め制御装置は、浮揚したスライダの姿勢を安定化してスライダの位置決めを実行しているのである。
【特許文献１】特開２００４−３８４２６号公報（第１２頁、図４）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
従来の位置決め制御装置は、スライダのピッチング角およびローリング角をテーブルにより管理しているために、スライダ上に何らかの負荷が搭載され、質量中心がずれた場合に発生するピッチング角、ローリング角の変化をリアルタイムに修正することができないので、安定した運動性能が得られないという問題があった。また、このような場合はスライダとプラテンとのギャップが安定しないために、発生推力がばらつき、位置決め性能が劣化するというような問題もあった。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、スライダ上に何らかの負荷が搭載され、質量中心がずれた場合でもリアルタイムでローリング角およびピッチング角およびギャップ長を制御するとともにスライダの姿勢を安定化し、良好な位置制御性能を得ることができる位置決め制御装置および位置決め制御方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したのである。
【０００５】
請求項１に記載の発明は、固定された平面状を2次元方向に移動する、空気で浮揚したスライダを位置決めする位置決め制御装置であって、前記スライダをX軸方向に移動させる少なくとも２個のX軸モータと、前記スライダをY軸方向に移動させる少なくとも２個のY軸モータと、各モータにそれぞれ設けられたモータ駆動用の電動力変換部とを備えた位置決め制御装置において、
スライダのX軸方向およびY軸方向の位置を検出する少なくとも３個の位置センサと、スライダと固定された平面状とのギャップ変位を計測する少なくとも３個のギャップセンサと、前記位置センサとギャップセンサとの位置情報に基づいてスライダの姿勢情報を生成する座標変換部と、前記座標変換部より出力される信号と目標姿勢より前記少なくとも２個のX軸モータと前記少なくとも２個のY軸モータの電流指令を決定し該電流指令を前記電動力変換部に送る位置決め制御部とを有するものである。
【０００６】
また、請求項２に記載の発明は、固定された平面状を2次元方向に移動する、空気で浮揚したスライダを位置決めする位置決め制御装置であって、前記スライダをX軸方向に移動させる少なくとも２個のX軸モータと、前記スライダをY軸方向に移動させる少なくとも２個のY軸モータと、各モータにそれぞれ設けられたモータ駆動用の電動力変換部とを備えた位置決め制御装置の位置決め制御方法において、
前記スライダと固定された平面状とのギャップ変位を計測する少なくとも３個のギャップセンサより、前記スライダのローリング角およびピッチング角およびギャップ長を演算し、演算された前記ローリング角およびピッチング角及びギャップ長とローリング角目標値およびピッチング角目標値およびギャップ目標値より前記少なくとも２個のX軸モータと前記少なくとも２個のY軸モータの磁束成分電流を演算し、前記スライダのX軸方向、Y軸方向の位置およびヨーイング角を検出する少なくとも３個の位置センサよりスライダ位置を演算し、前記スライダ位置とスライダ位置目標値より前記少なくとも２個のX軸モータと前記少なくとも２個のY軸モータの推力成分電流を演算し、前記磁束成分電流と前記推力成分電流より実電流指令を演算し前記電動力変換部に入力するものである。
【発明の効果】
【０００７】
請求項１および請求項２に記載の発明によると、固定平面とのギャップ位置をリアルタイムに計測することができ、また３個以上のセンサを有することでローリング角、ピッチング角およびギャップ長を検出することができる。また、検出されたローリング角およびピッチング角およびギャップ長を制御することができ、スライダの姿勢を安定化することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
【実施例１】
【０００９】
図１は、本発明の位置決め制御装置例の構成概略図である。ここでは、各軸モータがX軸に2個、Y軸に2個搭載され、位置センサがX軸に2個、Y軸に2個の計4個搭載されている場合を示している。図において、101は上位位置指令器、102は位置決め制御部、103は各電動力変換部への電圧発生用ゲート信号、104はX1軸電動力変換部、105はX2軸電動力変換部、106はY1軸電動力変換部、107はY2軸電動力変換部、108は座標変換部、109はスライダ、110はX1軸モータ、111はY2軸モータ、112はY1軸モータ、113はX2軸モータ、114はX1軸位置・ギャップセンサ、115はX2軸位置・ギャップセンサ、116はY1軸位置・ギャップセンサ、117はY2軸位置・ギャップセンサである。
本発明が特許文献１と異なる部分は、位置センサのみならず、ギャップセンサを備えた部分である。これにより、あらかじめ位置に応じたピッチング角、ローリング角をルックアップテーブルに格納する必要がなく、且つスライダ上に負荷が搭載され、質量中心位置が変化したためにピッチング角、ローリング角が変化した場合であっても、リアルタイムで計測しているため、その変動に対応することができる。
【実施例２】
【００１０】
図２は本発明の位置決め制御方法を示すブロック図である。図において201はX位置速度制御部、202はY位置速度制御部、203はθy位置速度制御部、204はθp位置速度制御部、205はθr位置速度制御部、206は推力トルク指令／推力成分電流指令変換部、207はトルク指令／磁束成分電流指令変換部、208はdq2相／UVW3相逆変換部である。その他の符号は図１と同一であるので重複説明を省略する。
図に基づいて処理の流れを説明する。
まず、X１、X2、Y1およびY2位置・ギャップセンサからの信号が座標変換部108に入力される。それらの信号から、スライダ質量中心X座標位置X、スライダ質量中心Y座標位置Y、スライダ質量中心周りヨーイング角θy、スライダ質量中心周りピッチング角θp、スライダ質量中心周りローリング角θrが導出される。例えば、位置センサX1におけるX座標をX1,ギャップをｄX1、位置センサX2におけるX座標をX2,ギャップをｄX2、位置センサY1におけるY座標をY1,ギャップをｄY1、位置センサY2におけるY座標をY2,ギャップをｄY2とすると、以下の式により、スライダ質量中心X座標位置X、スライダ質量中心Y座標位置Y、スライダ質量中心周りヨーイング角θy、スライダ質量中心周りピッチング角θp、スライダ質量中心周りローリング角θrが求められる。
【００１１】
X=(1/L){(L−Ly)・X1＋Ly・X2}              ・・・（１）
Y=(1/L){(L−Lx)・Y1＋Lx・Y2}              ・・・（２）
θy=(1/2L){(X2−X1)+(Y1−Y2)}             ・・・（３）
θp=(1/L)(dX1−dX2)                       ・・・（４）
θr=(1/L)(dY1−dY2)                       ・・・（５）
【００１２】
ここでＬはスライダ1辺の長さ、LyはスライダのY軸方向の質量中心までの長さ、LxはスライダのX軸方向の質量中心までの長さである。その後、スライダ質量中心X座標位置X、スライダ質量中心Y座標位置Y、スライダ質量中心周りヨーイング角θy、スライダ質量中心周りピッチング角θp、スライダ質量中心周りローリング角θrは各座標の位置速度制御部へ入力され、上位位置指令器から出力される目標位置に対して制御がかけられる。ここでの制御は、いわゆるPID制御器でもかまわないし、H∞制御に代表されるようなアドバンスト制御器でもかまわない。さらに各位置速度制御部より推力もしくはトルク指令が出力される。つまり、X位置速度制御部からは推力指令Fxが、Y位置速度制御部からは推力指令Fyが、θy位置速度制御部からはトルク指令τθyが、θp位置速度制御部からはトルク指令τθpが、θr位置速度制御部からはトルク指令τθrが出力される。推力指令Fx、推力指令Fyおよびトルク指令τθyは推力トルク指令／推力成分電流指令変換部206に入力され、各軸モータの推力成分電流指令に変換される。例えば、以下の式でX1軸モータ推力成分電流指令iqx1、X2軸モータ推力成分電流指令iqx2、Y1軸モータ推力成分電流指令iqy1、Y2軸モータ推力成分電流指令iqy2を求めることができる。
【００１３】
iqx1=Kq{(1/L)・(L-Ly)・Fx−τθy/(2L)}    ・・・（６）
iqx2=Kq{(1/L)Ly・Fx＋τθy/(2L)}          ・・・（７）
iqy2=Kq{(1/L)(L-Lx)・Fy−τθy/(2L)}      ・・・（８）
iqy2=Kq{(1/L)Lx・Fy＋τθy/(2L)}          ・・・（９）
【００１４】
ここでKqは電流／推力変換定数である。また、トルク指令τθp、トルク指令τθrはトルク指令／磁束成分電流指令変換部207に入力され、各軸モータの磁束成分電流指令に変換される。例えば、以下の式でX1軸モータ磁束成分電流指令idx1、X2軸モータ磁束成分電流指令idx2、Y1軸モータ磁束成分電流指令idy1、Y2軸モータ磁束成分電流指令idy2を求めることができる。
【００１５】
idx1=−Kdτθr/(2Lx)                      ・・・（１０）
idx2=Kdτθr/{2(L−Lx)}                   ・・・（１１）
idx3=−Kdτθp/(2Ly)                      ・・・（１２）
idy2=Kdτθp/{2(L−Ly)}                   ・・・（１３）
【００１６】
ここでKdは電流／磁束吸引力変換定数である。
以上より求められた各iq*、id*（ここで*はX1,X2,Y1,Y2）をdq2相／UVW3相逆変換部208へ入力する。ここでは、通常のベクトル制御により2相→3相変換が行われ、各軸電動力変換部への電圧発生用ゲート信号が生成され、出力される。
【００１７】
このように、固定平面とのギャップをリアルタイムに計測し、制御を行うような構成をしているので、スライダの姿勢を安定化させ、高精度な位置決めを行うことができる。
【産業上の利用可能性】
【００１８】
固定された平面、例えば平面モータシステムのプラテンとスライダ間のギャップを観測することによって姿勢を安定化する制御を行うので、平面モータシステムの位置決め用途にも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の第１実施例を示す位置決め制御装置の概略図
【図２】本発明の第２の実施例を示すブロック線図
【図３】従来の位置決め制御装置の概略図
【符号の説明】
【００２０】
１１、１０９  スライダ
１２  格子プラテン
１３  Ｘ平面ミラー
１４  Ｙ平面ミラー
１５  モータ部
１６  上位コントローラ
１７  ＸＹサーボドライバ部
１８  Ｘ１軸モータコア
１９  Ｘ２軸モータコア
２０、１１０  X1軸モータ
２１、１１３  X2軸モータ
２２  Ｙ１軸モータコア
２３  Ｙ２軸モータコア
２４、１１２  Y1軸モータ
２５、１１１  Y2軸モータ
３２  ３軸レーザ干渉計
５５  Ｘ軸位置・速度制御部
５６  Ｙ軸位置・速度制御部
５７  姿勢制御部
５８  Ｘ１電流駆動インバータ
５９  Ｘ２電流駆動インバータ
６０  Ｙ１電流駆動インバータ
６１  Ｙ２電流駆動インバータ
６２、１０８  座標変換部
１０１  上位位置指令器
１０２  位置決め制御部
１０３  各電動力変換部への電圧発生用ゲート信号
１０４  X1軸電動力変換部
１０５  X2軸電動力変換部
１０６  Y1軸電動力変換部
１０７  Y2軸電動力変換部
１１４  X1軸位置・ギャップセンサ
１１５  X2軸位置・ギャップセンサ
１１６  Y1軸位置・ギャップセンサ
１１７  Y2軸位置・ギャップセンサ
２０１  X位置速度制御部
２０２  Y位置速度制御部
２０３  θy位置速度制御部
２０４  θp位置速度制御部
２０５  θr位置速度制御部
２０６  推力トルク指令／推力成分電流指令変換部
２０７  トルク指令／磁束成分電流指令変換部
２０８  dq2相／UVW3相逆変換部
【図１】
2006113854.tif 000003
【図２】
2006113854.tif 000004
【図３】
2006113854.tif 000005