3相リニアステージの開発

技術紹介 8 3 相リニアステージの開発
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技術紹介
8 3 相リニアステージの開発
Development of 3 phase Linear Stage
中里 憲一
Kenichi Nakazato
航機事業部
第二技術部
小林 義幸
Yoshiyuki Kobayash
航機事業部
第二技術部
中原 隆
Takashi Nakahara
航機事業部
第二技術部
キーワード : リニアモータ、 光学系、 ディジタル制御、 位置制御、 3 相交流
Keywords : Linear Motor, Optical system, Digital control, Position control, 3phase AC
要 旨
SUMMARY
一般的に搬送用直動ステージは、 広駆動範囲にお
For the linear stage for carrier, high accuracy
position control and constant speed control in wide
driving range is generally required.
We have developed the linear stage which attains:
more than 500mm in driving range; more than 1.3m/s
in maximum speed: under ±1µm in position control
accuracy; under 20ms in position setting time; and
under 2% (value of 1σ) in speed ripple.
In the following, we introduce the linear stage which
consists of the stage part of 3 phase linear motor and
optical encoder, and driver part controlling the stage
part.
いて、 高精度な位置制御および定速制御が要求され
ます。
本 開 発において、 駆 動 範囲 500[mm] 以 上、 最
大 速 度 1.3[m/s] 以 上、 位 置 制 御 精 度 ± 1[ μ m]
以下、 位置整 定時間 20[ms] 以下 、 速 度リップル
2%(1σにおける値 ) 以下を達成する直動ステージを
開発しましたので、 紹介いたします。
本直動 ( リニア ) ステージは、3 相リニアモータと光
学式エンコーダから成るステージ部と、このステージ
部を制御するためのドライバ部から構成されています。
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1 まえがき
回転モータとボールネジの組み合わせという従来の直動システムは伝達機構のガタ、 剛
性の問題から高速駆動、 高応答性の実現が難しいという問題がありました。これに対しリ
ニアモータを用いた直動システムはボールネジ等の伝達機構が不要であるため応答性が高
く、高速駆動が可能です。
その特長を生かし、半導体/液晶製造装置、 部品実装装置、 検査装置等では、 装置内
の XY ステージ、搬送装置に長ストロークリニアモータが使われています。
このような用途でのリニアモータには高速であることに加え、 速度むら ( 速度リップル )
の低減、位置決め精度の向上が要求されます。
これらの要求を実現するために、 ステージ部 ( 主構成品である長ストローク 3 相リニア
モータおよび光学式エンコーダ ) 及びこのステージ部を駆動し、 位置・ 速度・加速度制
御を行うことが出来る 3 相モータドライバを開発しました。
2 直動(リニア)ステージ仕様
直動 ( リニア ) ステージの仕様 ( 概要 ) を表 1 ∼ 3 に示します。
表 1 直動 ( リニア ) ステージ仕様
項目
最大速度
速度安定性
位置分解能
位置制御精度
整定時間
動作温度範囲
湿度
Copyright
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仕様
備考
1.3[m/s]
2[%] 標準偏差 1σの値
1[μ m]
1[パルス] 1 パルス=1μ m
20[ms]以下
0 ∼ 40[℃]
85% RH
結露なきこと
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表 2 ステージ部 (3 相リニアモータ ) 仕様
項目
仕様
備考
最大推力
200[N]
定格推力
95[N]
負荷質量
100[Kg]
推力定数
68[N/A] 1 相当たりの推力定数
コイルインダクタンス
48[mH] 1 相当たりのインダクタンス
コイル抵抗
19[Ω] 1 相当たりの抵抗
漏えい磁束
0.4[mT] ステージ中央部
可動範囲
500[mm]
温度上昇
63[℃] 定格推力時の温度上昇
表 3 ドライバ部仕様
項目
仕様
主電源電圧
AC200[V]
定格出力電流
2.9[A(rms)]
最大出力電流
5[A(max)]
駆動方式
3 相 PWM 方式
備考
単相
100ms 以下
PWM キャリア周波数 20kHz
制御方式
位置、速度、推力
コマンド入力
シリアル通信
ディスクリート入力
サーボ ON、正・逆方向駆動禁止
ゲイン LOW、リセット
ディスクリート出力
サーボ READY、位置決め完了、
アラーム
エンコーダ形式
2 相インクリメンタルエンコーダ
異常検出
内部電圧、通信異常、モータ異常、
ヒートシンク過熱、過電流、
パラメータ異常、CPU 異常
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ラインドライバ入力
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3 構成
直動 ( リニア ) ステージのブロック図を図 1 に示します。
ステージ部は 3 相リニアモータ、 光学式エンコーダ、 リニアガイド、 可動テーブルから
構成されています。 ( 写真 1、図 2 参照 )
また、ドライバ部は制御部とアンプ部から構成されています。 ( 写真 2 参照 )
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図 1 直動(リニア)ステージ・ブロック図
��リニアモータ
光学式エンコーダ
可動テーブル
リニアガイド
写真 1 ステージ部外観
制御部
図 2 ステージ部外観寸法
アンプ部
写真 2 ドライバ部(基板)
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4 開発のポイント
以下に開発時のポイントとなった速度リップルの低減、整定時間の向上について述べます。
4.1 速度リップル
3 相リニアモータにはいくつかの方式がありますが、 本直動 ( リニア ) ステージでは、
速度リップルの原因となるコギング推力の発生しないコアレス Linear DC Motor(LDM)
方式を採用しました。
3 相リニアモータを構成するためには、まず、マグネットを一定間隔に並べ、磁束密度を
空間的に正弦波状に分布させます。 3 個のコイル ( 各コイルを U、V、 W 相と言う ) は、
マグネットの間隔を 180°( π ) としたとき、 空間的に 120°(2/3 π ) となる位置に配置
します。 ( 図 3 参照 )
図 3 3相リニアモータ構成
この状態で各コイルに 120°の位相差を持った電流を正弦波状に流すことにより一定で
変動の無い推力を発生させることができます。
しかしながら、マグネットが発生する磁束密度に空間的な高調波が含まれていると、そ
の分は推力リップルとしてあらわれ、速度リップル等の原因となります。
そこで、マグネット部のパラメータを変更しつつ、その磁束密度の空間的高調波成分を解
析し、高調波成分の低減を行いました。
その解析結果の一例を図 4-1、 4-2 および図 5( 磁束密度の空間周波数成分分析 ) に
示します。
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図 4-1 磁束線図
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図 4-2 磁束密度分布
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2 7 dB
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高調波
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基本周波数
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図 5 磁束密度の空間周波数成分分析
図 5 から推力変動の原因となる高調波成分は基本周波数の 1/20 以下と小さな値とな
り、速度リップルとして影響しないことがわかりました。
直動ステージで速度リップルの評価を行ったときの速度波形を図 6 に示します。
この例では速度 10[mm/s] で定速制御を行っています。
速度の平均値に対する分布 (1σ ) は制御目標の± 2% 以内を達成しました。
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−2%
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図 6 速度波形
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4.2 整定時間
フィードバックループのゲインを単純に上げることによる、モータの応答性の改善には限
界があります。そこで、モータの応答性をより向上させるために 2 自由度制御を採用しまし
た。 2 自由度制御とは、 二つ (2 自由度 ) の異なる制御特性を独立に実現するための手法
です。本装置では、クローズドループを構成するフィードバック制御と、応答性を向上させ
るフィードフォワード制御を用いています ( 図 7)。
電流フィード
フォワード
速度フィード
フォワード
位置
コマンド
+
位置補償器
+
+
−
速度補償器
+
+
−
電流補償器
リニアステージ
−
速度演算
エンコーダ
図 7 制御ブロック図
このような構成とすることにより、モータの構造共振点の影響を受けることなく、 応答
性を向上しました。
フィードフォワード制御を行った時の位置のグラフを図 8 に示します。この例では、
100[mm] を駆動するコマンドでの、ステージの動きを示しています。
本リニアステージでは、コマンドが目標値に達してからステージ位置が目標値の± 5[ μ
m] 以内入るまでの時間を整定時間としており、その整定時間は、 20[ms] を達成するこ
とができました。
コマンドが目標値に達した時刻
コマンド
100.02
99.98
99.96
99.94
99.92
99.9
0.45
ステージ位置
(フィードフォワード制御あり)
整定範囲
± 5[μm]
整定範囲:±5[μm]
位置[mm]
100
ステージ位置
(フィードフォワード制御なし)
整定時間:20[ms]
0.5
0.55
0.6
時間[s]
図8
位置制御性
図 8 位置制御性
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5 むすび
今回、 3 相リニアモータを使用した搬送用直動ステージを開発し、 性能評価を行い、
所定の機能・ 性能を得ることができました。
今後、半導体や液晶製造装置の搬送系を中心に提案を行っていきたいと考えています。
また、更なる性能向上を目指し、ステージの高剛性化、制御則の最適化、制御信号の低
ノイズ化等を行い、より高精度なステージや 2 次元ステージ等の開発を進めて行きたいと
考えています。
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