(57)【要約】【課題】応答を非振動的にし、整定時間を短くし、しかも外乱力に対する補償を完全に行える位置制御方法を提供する。【解決手段】サーボモータにより力を発生し、２慣性系に近似できる機械系の位置制御方法において、機械位置を比例・微分制御する位置制御ループを構成し、負荷機械およびモータの加速度と位置を各々検出し、負荷機械加速度とモータ加速度の加算値を比例・積分制御する加速度制御ループを前記位置制御ループの内側に構成したことを特徴としたものである。【選択図】　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
サーボモータにより力を発生し、２慣性系に近似できる機械系の位置制御方法において、
機械位置を比例・微分制御する位置制御ループを構成し、負荷機械およびモータの加速度と位置を各々検出し、負荷機械加速度とモータ加速度の加算値を比例・積分制御する加速度制御ループを前記位置制御ループの内側に構成したことを特徴とする位置制御方法。
【請求項２】
前記２慣性系に近似できる機械系の位置制御方法を半導体露光装置、半導体実装装置、超精密工作機械に適用したことを特徴とする請求項１記載の位置制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体露光装置、半導体実装装置、超精密工作機械などの超精密位置制御に用いられる制御方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の技術は図４に示すような制御ブロック線図になっている。これは２慣性系と近似できる機械系の位置のＰＩＤ（比例・積分・微分）制御である。図４において、２５は指令発生器、２６は減算器、２７は比例制御器、２８は積分制御器、２９は微分制御器、３０は加算器、３１はアンプの動特性、３２は外乱力発生器、３３は加算器、３４は減算器、３５はモータの加速度から速度への積分特性、３６はモータの速度から位置への積分特性、３７は機械加速度から機械速度への積分特性、３８は機械速度から機械位置への積分特性、３９は機械系のバネ特性、４０は機械系の粘性摩擦特性、４１は減算器、４２はモータ位置、４３は機械位置である。つまりこの制御系ではモータ位置を検出し、位置偏差をＰＩＤ制御する構成になっている。ただしモータと機械の慣性比が１：１となるように機械系の定数を正規化している（以下従来技術１という）。
また、特開平９−２７４７７８号公報には２慣性系の位置決め制御方法として外乱オブザーバ（公報１０頁、図７中の点線で囲った部分）を用いた技術が開示されている（以下従来技術２という）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平９−２７４７７８号公報　（１０頁、図７）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが従来技術１では下記の問題点がある。すなわち図５はステップ状の位置指令（ステップ幅１）に対する機械位置の応答である。時間ｔ＝０ｓでステップ幅１のステップ指令が加えられている。このときの制御系のパラメータはジグラー・ニコルス方法により設計した最適応答となっている。この系の応答は約３５％のオーバーシュートを生じ、減衰係数が約０．３という振動的な応答になっている。整定時間は約０．０２ｓである。問題点は指令に対して振動的な応答になっていることと、整定時間が長いことである。
図６は、図５のステップ位置指令に加えて、時刻ｔ＝０．０２ｓにステップ状の外乱力（モータの１００％負荷）を発生したときの応答である。機械位置の応答は外乱力を加えた瞬間から一定勾配で偏差を生じている。つまり外乱力の補償が不完全であるという問題があった。
【０００５】
従来技術２は、負荷である機械の加速度を直接検出せずに外乱オブザーバで推定しているため、実測値との誤差が避けられなかった。
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、その目的とするところは応答を非振動的にし、整定時間を短くし、しかも外乱力に対する補償を完全に行える位置制御方法を提供することにある。特に半導体露光装置、半導体実装装置、超精密工作機械などの超精密位置制御に適用できる制御性を発揮できるようにする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の問題を解決するため、本発明では、サーボモータにより力を発生し、２慣性系に近似できる機械系の位置制御方法において、機械位置を比例・微分制御する位置制御ループを構成し、負荷機械およびモータの加速度と位置を各々検出し、負荷機械加速度とモータ加速度の加算値を比例・積分制御する加速度制御ループを前記位置制御ループの内側に構成したものである。
また、前記２慣性系に近似できる機械系の位置制御方法を半導体露光装置、半導体実装装置、超精密工作機械に適用したことを特徴とするものである。
上記手段により、加速度制御により応答が安定化するとともに外乱力がＰＩ制御により完全に補償でき、さらに機械位置のＰＤ制御により、非振動的な速い位置の応答が可能となる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明を図面に基づいて説明する。図１に本発明の制御ブロック線図を示す。図において、１は位置指令発生器、２は減算器、３は位置の比例制御器、４は位置の微分制御器、５は加算器、６は減算器、７は加速度の比例制御器、８は加速度の積分制御器、９は加算器、１０はアンプの動特性、１２は加算器、１３は減算器、１４はモータの加速度から速度への積分特性、１５はモータの速度から位置への積分特性、１６は機械の加速度から速度への積分特性、１７は機械の速度から位置への積分特性、１８は機械系のバネ特性、１９は機械系の粘性摩擦、２０は減算器、２１はモータの位置、２２は機械の位置（図示しない機械位置検出器から出力される）、２３はモータ加速度、２４は機械の加速度である。負荷機械の加速度を検出する加速度検出器（図示しない）からの機械の加速度信号は減算器６へ入力される。なお、位置制御用のサーボモータ、サーボモータに電力を供給する電力供給手段、位置指令を出す上位制御装置は従来のものと同じであるので省略する。ただし、このブロック線図ではモータと機械の質量が１：１となるように機械系を正規化している。
【０００８】
位置指令発生器１と機械位置２２の偏差を減算器２で求め、その偏差を位置の比例制御器３と位置の微分制御器４へ入力する。位置の比例制御器３と位置の微分制御器４の出力は各々加算器５に入力されることで加算された後減算器６へ入力される。減算器６では加算器５からの出力信号から減算器１３と機械の加速度２４の信号を減算した信号を加速度の比例制御器７と加速度の積分制御器８に入力する。加速度の比例制御器７と加速度の積分制御器８の出力信号は各々加算器９に入力されることで加算され後、アンプの動特性１０を介して加算器１２へ入力される。加算器１２はアンプの動特性１０の出力信号と外乱力発生器１１から出力される信号を加算して減算器１３へその加算した信号を出力する。減算器１３は加算器１２の出力信号から加算器４４の出力信号を減算し、その減算した信号をモータの加速度から速度への積分特性１４へ出力する。モータの加速度から速度への積分特性１４は減算器１３からの出力信号を入力し、積分した信号をモータの速度から位置への積分特性１５へ出力する。モータの速度から位置への積分特性１５はモータの加速度から速度への積分特性１４からの出力信号を積分しモータ位置信号２１を求める。加算器４４は機械系のバネ特性１８と機械系の粘性摩擦１９の信号とを加算した信号を機械の加速度から速度への積分特性１６と減算器１３へ出力する。
【０００９】
本発明が図４に示した従来の技術と異なる構成部分は、モータおよび機械の加速度と機械位置を計測し、モータと機械の加速度の加算値をＰＩ制御するマイナーループを構成し、さらに機械位置をＰＤ制御する部分である。
図２は本発明である図１の機械位置制御系のステップ応答である。応答は非振動的であり、整定時間も０．００５ｓ以下と速いことが分かる。
図３は、さらにステップ外乱力（モータ最大力の１００％、立ち上がりｔ＝０．０２ｓ）を加えた場合の本発明による応答である。このときの応答は図２の外乱力が無い場合の応答と等しく、外乱力が完全に補償されていることが明らかである。
本発明には、計測周波数範囲がＤＣ〜位置ループのバンド幅の数倍という加速度センサが必要であるが、これは例えばアナログデバイス社から目的に合う安価な加速度計が販売されているので、それを適用できる。
【００１０】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によればサーボモータにより力を発生し、２慣性系に近似できる機械系の位置制御方法において、機械位置を比例・微分制御する位置制御ループを構成し、負荷機械およびモータの加速度と位置を各々検出し、負荷機械加速度とモータ加速度の加算値を比例・積分制御する加速度制御ループを前記位置制御ループの内側に構成したので、位置の応答が非振動的かつ速い整定時間となり、しかも外乱力の補償が完全にできるという効果がある。特に半導体露光装置、半導体実装装置、超精密工作機械などの超精密位置制御に適用できる制御性を発揮できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例を示す機械位置制御系のブロック線図。
【図２】本発明による機械位置のステップ応答。
【図３】本発明による機械位置と外乱力のステップ応答。
【図４】従来の機械位置制御系のブロック線図。
【図５】従来の機械位置制御方法による位置のステップ応答。
【図６】従来の機械位置制御方法による位置と外乱力のステップ応答。
【符号の説明】
１　位置指令発生器
２、６、１３、２０　減算器
３、２６、３４、４１　位置の比例制御器
４　位置の微分制御器
５、９、１２、３０、３３、４４　加算器
７　加速度の比例制御器
８　加速度の積分制御器
１０、３１　アンプの動特性
１１，３２　外乱力発生器
１４、３５　モータの加速度から速度への積分特性
１５、３６　モータの速度から位置への積分特性
１６、３７　機械の加速度から速度への積分特性
１７、３８　機械の速度から位置への積分特性
１８、３９　機械系のバネ特性
１９、４０　機械系の粘性摩擦
２１、４２　モータの位置
２２、４３　機械の位置
２３　モータ加速度
２４　機械の加速度
２５　指令発生器
２７　比例制御器
２８　積分制御器
２９　微分制御器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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