デジタルモーションコントローラー&ドライバー

デジタルピエゾコントローラーには、直線性および整定挙動をデジタルアルゴリズムにより厳密に制御できるなど、特に高精度な位置決めを行うにあたりアナログサーボ回路に比べさまざまな利点があります。これにより、高い精度と優れた動的性能が得られます。

システム全体の線形性は、高精度な位置決めの条件の1つです。ピエゾアクチュエータの典型的な非線形性は10～15 %であり、制御ループによって補正する必要があります。

デジタルコントローラーではより高次の多項式を用いてモーションの非線形性を0.001 %以下にまで減らします。これは、典型的なトラベルレンジである100 µmの場合、1ナノメートル以上の精度に相当します。

弊社のナノポジショニング用デジタルコントローラーはすべて同じ動作です。このため、1つのデジタルコントローラーに合わせてカスタマイズしたピエゾデバイスを、パフォーマンスを損なうことなく別のコントローラーで操作することができます。必要な比較データはステージのIDチップに保存され、起動前にコントローラーにより呼び出されます。

また、ダイナミックデジタル線形化(DDL)により、モーション中に繰り返される周期軌道からのずれを抑えています。

これは、指定位置を特定した後に高い精度で到達する必要のあるスキャン用途や、軌道に沿ってステップ処理を行う必要のある用途に重要です。

XYピエゾスキャンステージおよび従来のPIDコントローラー使用時の楕円スキャン(レーザーマイクロボア用途)。外側の曲線は目標位置、内側の曲線はステージの実際のモーションを示す

DDLコントローラー使用時の楕円スキャン — DDLコントローラー使用時の左図と同じスキャン。トラッキング誤差は数ナノメートルに抑えられており、グラフ上で目標位置と実位置は区別できない

サーボループの役目は、実位置と目標位置とのずれを補正することです。この補正は、ノッチフィルターを搭載した比例積分コントローラーで行うのが一般的です。ただし、用途によっては、線形化アルゴリズムを組み合わせた別の手法の方が良い結果を得られる場合があります。デジタルフィルターでは、不要な機械的励起を防止してノイズを抑えることで、システムの分解能を高めることができます。

PIDパラメーターを最適化したシステム(青)およびアドバンスドピエゾコントロール搭載システム(ピンク)の整定挙動

ナノポジショニングシステムには、アドバンスドピエゾコントロールという別の制御の概念があります。この概念のベースは、位置決めシステムのモデルに基づく状態空間コントローラーです。ノッチフィルターを搭載し、励起スペクトルから機械的共振を削除する従来の比例積分微分(PID)コントローラーとは対照的に、アドバンスドピエゾコントロールでは共振周波数を減衰させます。このため整定時間が短縮され、外部からの干渉の影響を受けにくくなっています。1つもしくは2つのノッチフィルターで減衰を行う場合に比べ、位相忠実度は大きく向上しています。これは、経路忠実性と整定挙動に直接的な効果をもたらしています。

アドバンスドピエゾコントロールにより制御したシステムのボード線図。共振はほぼ抑えられており、ノッチフィルターによる抑制と比べ位相偏移が小さい

機械システムで近接する共振が多数存在する場合、または減衰させる共振周波数が1 kHz以上の場合、この形態では、従来のPIDコントローラーに対する状態コントローラーの利点はなくなります。用途についてご相談ください。

IDチップにステージの関連データが格納されるため、同チップをサポートするモーションコントローラーの構成を迅速に行うことができます。ドライブの種類に応じて、読み出されるデータはステージの種類から、個別の動作パラメーターにまで及びます。ピエゾベースのポジショニングシステムの場合、動作パラメーターを個別に比較することで最適な結果が得られます。これらのパラメーターは、各ステージによって異なります。

デジタルエレクトロニクスをチューニングすると、それらのパラメーターはステージのIDチップに保存されます。このため、別のデジタルコントローラーでも、新たにカスタマイズを行うことなく自動で操作に再利用することができます。このステージとコントローラーの互換性により、システムの使用の柔軟性が大きく高められています。