CN100388620C - 一种提高永磁直线电机运动精度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高永磁直线电机运动精度的方法。它是在PID控制模块、驱动器、电动机组成的直线电动机闭环控制的基础上，在驱动器前加入修正表，当电机运动到修正表中所记录的位置时，就按表中的附加力的值，加入前馈控制信号，这样就相当于施加一个反向的力，从而降低了系统波动的程度。本发明利用尽可能简单的方法实现前馈控制以改善输出波动，同时在不增加控制复杂性的前提下提高位置精度、减少硬件、提高系统的可靠性。

Description

一种提高永磁直线电机运动精度的方法

技术领域

本发明涉及电机工程技术领域，特别是关于一种提高永磁直线电机运动精度的方法。

背景技术

直线电机作为光刻机的超精密工件台，是光刻机的核心部件之一，其运动精度直接影响光刻机的分辨力。因为光刻机属于精密设备，对其运动系统的精度要求非常高，所以直线电机作为其中初步定位装置，其精度也需要达到微米级。因此，如何进一步提高系统运动精度，成为很多专业人士研究的课题。

在中国专利第CN1592051号中揭示了直线电机通过改进支承，散热结构，震动隔离等方法来提高精度。但这种方法，精度提高范围有限，而且加工、设计难度很高。因此，本发明采用改进控制方法来提高精度。

控制方法有很多，在工业伺服控制领域中主要采用PID控制(比例积分微分控制)，但是由于存在推力波动、负载变化、摩擦力等非线性因素，对高精密设备会有严重的影响。在中国专利第CN1536456号中揭示了直线电机的一种模糊自调整PID控制方法，其中提出采用模糊控制的方法，可以一定程度上提高精度和响应速度，但是提高范围有限，而且一旦模糊控制模块做好就不可改变系统精度。这种方法在高精密的光刻机运动系统中，是无法满足更改控制精度的要求的。

请参照图1，图1是磁铁和线圈的平衡位置示意图，直线电动机中，磁铁和线圈由于磁力吸引，产成了一系列平衡位置，线圈受到磁铁的吸引移至趋向平衡的位置。将线圈移动离开平衡位置或将线圈移向平衡位置需要更大的力。请参照图2，图2是直线电机在运动过程中受力的示意图，从中可以看出直线电机在运动过程中受到的力是波动的。由于力的波动，直线电机的动子在惯性影响下会造成运动的不稳定，引起位移精度下降。

发明内容

为解决上述现有技术问题，本发明提供一种提高永磁直线电机运动精度的方法，采用前馈控制以改善输出波动，在不增加控制复杂性的前提下，提高直线电机运动精度，减少硬件，提高系统的可靠性。

一种提高永磁直线电机运动精度的方法，由PID控制模块、驱动器、电动机顺序闭环连接而成的控制系统对电动机进行控制，所述控制系统还进一步包括修正表，其特征是，所述方法的步骤如下：

a)将所述修正表清零；

b)控制电动机从起始位置移动到终止位置，利用位置采集传感器采集实际位移信息和每个位置所对应的电磁力信号；

c)从终止位置移动至起始位置，采集每个位置所对应的电磁力信号；

d)将两次采集信号的波动值的平均值作为修正表附加力的值

e)当电动机运动至修正表中所记录的位置时，按表中的附加力的值，加入抵消电磁力的前馈控制信号。

其中所述的修正表由一定运动范围内固定间隔的一系列位置的附加力组成，其范围(起始位置和终止位置)由设备所需要的精确定位的范围确定，而固定间隔越小则运动越趋于平稳，精度越高。此修正表，是通过在一定范围内移动电动机，并同时采集电动机的电流信号和位置信号，将电流值换算为力值，再将采集到的数据进行数据处理而得到的。

由于采用前馈，可以利用尽可能简单的方法实现前馈控制以改善输出波动，同时在不增加控制复杂性的前提下提高位置精度，减少硬件，提高了系统的可靠性。

附图说明

图1是磁铁和线圈及其平衡位置示意图。

图2是直线电机运动过程中受力示意图。

图3是本发明的结构示意图。

具体实施方式

本发明是关于一种提高永磁直线电机运动精度的方法。本发明的一个具体实施例为：先将前馈信号表清零，表的大小根据系统的运算能力，运动范围确定。然后，控制电机移动到起始位置，以较慢的速度移动到终止位置(才可以精确补偿磁力影响)；利用位置采集传感器，例如公知的编码器，一种光栅尺，可以通过相对移动采集位置信息，精度可达微米级，采集实际位移信息，同时采集每个位置所对应的电磁力(所对应的电机的电流值转换为力值，电流与力值之间的关系是线性)。再从终止位置以较慢的速度移动到到起始位置，同时进行位置和电磁力的信号采集。接着，将采集的正向信号(直线电动机的电流值经过换算为力值)，求平均值，从该组数据中减去平均值，即只留下波动值。再使用滤波算法，例如公知的低通滤波算法，对其进行信号进行过滤；再将数组倒置再使用一次滤波，将数组倒置回原序列，这样能够更加真实的反映信号减小失真。其使用数据处理方法，可以采用公知的线性插值法，确定各个实际位置上的附加力的值。然后，再对反向的数据做与正向数据同样的处理。这样，同一位置就有两个数据(附加力的值)，对其取平均作为修正表在该位置上的附加力的值。最后，找出修正表中的最大、最小值，判断两者之差是否小于允许波动的范围，如果不满足则将该次得到的修正表与原修正表累加作为新的修正表，此次不必清零，再开始进行新的采样与数据处理，直到所得到新的修正表的最大、最小值之差满足条件(由所需要的精度确定)为止。

在电机控制过程中，在运行到修正表中做记录的位置时，将引入前馈信号修正表中记录的附加力的值并将其换算成电流量，作为电机控制的输入量。另外，在使用修正表前后，采集电动机电磁力信号，可以计算其波动量。在未使用修正表前，采集到直线电机的电磁力波动达25牛顿，而经过修正表的校准后，采集的电机的电磁力波动可以减小到0.25牛顿。

下面结合附图和具体实施方案，对本发明作进一步的说明。

图1为磁铁和线圈及其平衡位置示意图。1表示直线电动机中的磁铁和线圈，由于磁力的吸引，产成了一系列平衡位置2，而线圈受到磁铁的吸引移至趋向平衡的位置。

图2是直线电机运动过程中受力示意图。因为将线圈移动离开平衡位置或将线圈移向平衡位置需要更大的力，所以直线电机在运动过程中所受到的力是波动的，波动曲线4在波动范围3之间。

图3是本发明的结构示意图。PID控制模块、驱动器、电动机顺序连接，形成交流直线电机的闭环控制，在驱动器前加入修正表，当电机运动到修正表中所记录的位置时，就按表中的附加力的值，加入前馈控制信号，以抵消磁力。

以上介绍的仅仅是基于本发明的较佳实施例，并不能以此来限定本发明的范围。任何对本发明的装置作本技术领域内熟知的部件的替换、组合、分立，以及对本发明实施步骤作本技术领域内熟知的等同改变或替换均不超出本发明的揭露以及保护范围。

Claims (3)

1.一种提高永磁直线电机运动精度的方法，由PID控制模块、驱动器、电动机顺序闭环连接而成的控制系统对电动机进行控制，所述控制系统还进一步包括修正表，其特征是，所述方法的步骤如下：

a)将所述修正表清零；

b)控制电动机从起始位置移动到终止位置，利用位置采集传感器采集实际位移信息和每个位置所对应的电磁力信号；

c)从终止位置移动至起始位置，采集每个位置所对应的电磁力信号；

d)将两次采集信号的波动值的平均值作为修正表附加力的值；

e)当电动机运动至修正表中所记录的位置时，按表中的附加力的值，加入抵消电磁力的前馈控制信号。

2.如权利要求1所述的提高永磁直线电机运动精度的方法，其特征在于所述的修正表由一定运动范围内固定间隔的一系列位置的附加力组成，其起始位置和终止位置由设备所需要的精确定位的范围确定。

3.如权利要求1所述的提高永磁直线电机运动精度的方法，其特征在于所述的修正表，是通过在一定范围内移动电动机，并同时采集电动机的电流信号和位置信号，将电流值换算为力值，再将采集到的数据进行数据处理而得到的。