氏名　Truong Ngoc Minhl
学位の種類　博士（工学）
学位記番号　博甲第435号
学位授与の日付　平成19年8月31日
学位論文題目　Robust and Adaptive Control in High Precision Positioning System for Semiconductor Device Stage　（半導体デバイスステージ用高精度位置決めシステムにおけるロバスト適応制御）
論文審査委員
　主査　教授　高田　雅介
　副査　教授　大石　潔
　副査　教授　原田　信弘
　副査　准教授　岡元　智一郎
　副査　准教授　伊東　淳一

• 論文目次
• 論文要旨
• 論文審査の結果の要旨

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Chapter 1.　Introduction　p.1
　1.1　Control of Friction　p.2
　1.2　Literature Review　p.2
　1.2.1　Friction Modeling And Identification　p.3
　1.2.2　Controller Design　p.6
　1.3　Motivations and Contributions of the Thesis　p.7
　1.4　Outline of the Thesis　p.9
Chapter 2.　High Precision Positioning Stage Control System　p.11
　2.1　Introduction　p.11
　2.2　System Descriptions　p.13
　2.3　Operating Principle　p.16
　2.4　Applied Voltage for Clamp and Shear Mechanism　p.18
　2.5　System Modeling　p.18
　2.6　Summary　p.22
Chapter 3.　Friction Models　p.23
　3.1　Friction Models　p.23
　3.1.1　Static Friction Models　p.24
　3.1.2　Dynamic Friction Models　p.31
　3.2　Summary　p.37
Chapter 4.　Identification of Friction Models Parameters　p.39
　4.1　Estimation of the Model Properties　p.40
　4.2　Experimental Setup　p.41
　4.3　Indentification Experiments　p.42
　4.3.1　Step 1　p.42
　4.3.2　Step 2　p.43
　4.3.3　Step 3　p.44
　4.4　Summary　p.45
Chapter 5.　Robust Feedback Controller for Positioning Tracking　p.49
　5.1　Problem Formulation　p.50
　5.2　Coprime Factorizations　p.51
　5.3　Bobust Feedback Controller Design　p.54
　5.4　Simulation Results　p.57
　5.5　Summary
Chapter 6.　Enhanced Regulation and Positioning Tracking Performance　p.63
　6.1　Bang-Nang Control　p.64
　6.2　Model-Based Observer　p.65
　6.3　Model-Based Feed-Forward　p.67
　6.4　Adaptive Friction Compensation Scheme　p.68
　6.4.1　Design of Parameter Adjustment Law Using Lyapunov Theory　p.71
　6.4.2　Boundness of Internal Signals　p.72
　6.4.3　Position Errors Convergence　p.72
　6.5　Experimental Result　p.73
　6.5.1　Performance Indexes　p.73
　6.5.2　Controller Parameters　p.74
　6.5.3　Comparative Experimental Results　p.75
Chapter 7.　Conclusion　p.91
　7.1　Conclusions　p.91
　7.2　Suggestions for Future Work　p.93
Bibliography　p.95
Publications　p.103

This paper focuses on the high precision positioning system using a non-resonant ultrasonic motor （NRUSM） in the presence of friction and parameter uncertainties. This paper proposes the synthesis of controller. The approach effectively combines the design techniques of robust control, adaptive control and model-based friction compensation, and improves the performance by preserving the advantages of these control approaches. Specifically, the approach guarantees a superior performance in terms of both transient response and final tracking accuracy in the presence of friction. This result overcomes the drawbacks of friction and makes the approach attractive to real applications. The design is conceptually simple and amenable to implementation.
　In this paper, the robust feedback controller is based on both doubly coprime factorization and disturbance observer. It is capable to stabilize the positioning system with achieving little overshoot and robustness in the presence of friction and parameter uncertainties. For servo tasks on NRUSM system, the dynamic LuGre friction model and the static friction model are compared with respect to their performance. The dynamic friction model based on the LuGre model is capable of modeling more practical friction phenomenon.
This paper discusses the three different friction compensation schemes such as a simple bang-bang based on the static friction model, the friction observer based on LuGre model and the proposed feed-forward friction compensator based on LuGre model which is embedding the system knowledge available. All of the algorithms are implemented and compared by the tested NRUSM system. The experimental results point out the importance of controller structure. The proposed feed-forward friction compensator based on LuGre model has the best tracking performance. The tracking performance of simple bang-bang based on the static friction model is the worst.
Moreover, in order to deal with both the unknown parameters such as the friction coefficients and the uncertain nonlinearities caused by modeling errors, this paper formulates the adaptive friction compensation in terms of adaptive robust control using Lyapunov function. The proposed adaptation law guarantees the both performance of asymptotic motion and force tracking without any persistent excitation conditions. In this paper, the experimental results of tested NRUSM system verify the effectiveness of the proposed control method.
Both the proposed feed-forward friction compensator based on LuGre model and the proposed adaptive friction compensation using Lyapunov function realize small tracking error and small settling time for the regulator task with high tracking velocity.
Throughout each part of this thesis, the numerical simulation results and the experimental results verify the effectiveness of the control strategies. The proposed controllers is effectively applied in many industrial applications such as robotic manipulators, semiconductor manufacturing, etc.

　本論文は、「Robust and Adaptive Control in High Precision Positioning System for Semiconductor Device Stage（半導体デバイスステージ用高精度位置決めシステムにおけるロバスト適応制御）」と題し、7章より構成されている。
　第1章「序論」では、先ず、研究背景と動機付けを説明している。次に、メカトロニクスのサーボ制御系に関する概要を示すとともに、本研究の目的および構成を述べている。
　第2章では、本論文の主テーマである「非共振超音波モータによる半導体デバイスステージ用新しい高精度位置決めシステム」のシステム構成と状態方程式のモデル化を行う。本論文で採用したアクチュエータの「非共振超音波モータ」は0.69nmの繰り返し精度の記録を有するので、高精度位置決め制御系を期待されてきた。しかしながら、制御系と外乱トルク（特に摩擦トルク）のモデル化が最大の課題である。その課題に対する十分な解決方法は未だない。本論文はこれを解決するものである。
　第3章では、非共振超音波モータの摩擦トルクに関して物理的に考察する。従来から提唱されてきた摩擦モデルの説明し、非共振超音波モータの静的な摩擦トルクと動的な摩擦トルクを考察する。そして、非共振超音波モータによる高精度位置決めシステムとしての摩擦モデルを新しく構築する。
　第4章では、摩擦モデルとして「LuGreモデル」を採用する。LuGreモデルのパラメータの同定法を本論文では新しく提案し、数値シミュレーションと実験によってその特性の有効性を確認する。
　第5章では、非共振超音波モータによる高精度位置決めシステムに用いるロバストフィードバック制御系を、既約分解表現と外乱オブザーバによって構築する。実験と数値シミュレーションによって、ロバスト制御系の有効性を確認する。
　第6章は、第5章で構築した「既約分解表現と外乱オブザーバによるロバストフィードバック制御系」よりも高精度で高性能な位置決め制御系を構成するために、本論文の主題であるLuGreモデルを用いたフィードフォワード制御法と摩擦オブザーバによるロバスト適応制御法の2つを新しく提案している。そして、この2つの制御法を組み合わせることにより、自己調整型の高精度位置決め制御系を確立し、実機実験と数値シミュレーションによって、その有効性を立証している。
　第7章では、「結論」として、本論文で得られた研究成果をまとめて、総括している。
　以上のように、本論文では、1nm以下の位置精度を実現する可能性を持つ非共振超音波モータを用いて、半導体ステージ用の新しい高精度モーション制御法を確立した。
　よって、本論文は工学上及び工業上貢献するところが大きく、博士（工学）の学位論文として十分な価値を有するものと認める。