CN101132164A - 消除外部磁场对电机干扰的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种消除外部磁场对电机干扰的方法。本发明的消除外部磁场对电机干扰的方法，通过控制器、测量系统完成，电机、控制器、测量系统顺序连接，其中，所述的消除外部磁场对电机干扰方法包括下列步骤：(1)测量系统测量电机运动时的数个位置；(2)将测量系统测得的电机位置反馈给控制器，控制器产生对应电机位置的补偿量维持电机匀速运动。采用本发明的方法能够预先测量外部磁场的干扰大小，并在实际运行时加以补偿，从而消除位置干扰和速度干扰对电机的影响。

Description

消除外部磁场对电机干扰的方法

技术领域

本发明涉及电机技术领域，特别涉及一种消除外部磁场对电机干扰的方法。

背景技术

任何设备都处于或强或弱的外部磁场的包围之中。如果该设备的工作原理和磁场有关，则必然要受到外部磁场的干扰。对精度要求特别高的设备来说，这种干扰不可忽略。特别是在光刻机等高精度设备中，其中的电机就是利用磁场原理进行工作，所以很容易受到生产线上其他设备的干扰，而电机是光刻机的核心部件之一，其运动精度直接影响光刻机的套刻精度。

外部磁场的干扰有两种：位置干扰和速度干扰。位置干扰如图1所示，由于霍尔效应，磁场中的导体，例如电机动子，在有电流通过时，会受到电场力(用F_pos表示)的作用：

F_pos＝BIL

其中B为导体所处位置的磁通量，L为导体有效长度，I为电流。

由于外部磁场源S产生的磁场是不均匀的，所以电机动子在a1、a2、a3不同位置的B也不同。从而，电机动子在不同位置受到不同的电场力，这就是干扰。

速度干扰的原理如图2所示：电机的动子线圈以速度v切割外部磁场，相当于发电机。在线圈两端产生电动势U。用R表示“发电机”的负载(R可以看作常数)，则因运动而导致的电流I为：

$I=\frac{U}{R}=\frac{\mathrm{BLv}}{R}$

和位置干扰一样，I又会产生干扰力，用F_vel表示：

$F_{\mathrm{vel}}=\mathrm{BIL}=\frac{B^2{L}^2}{R}v$

外部磁场的干扰是位置干扰和速度干扰的总和。其中，低速运动时，外部磁场的干扰以位置干扰为主；高速运动时，以速度干扰为主。

在美国专利US4317188和US4897825中揭示了电机采用加装屏蔽罩或者耦合动子线圈的方法消除外部磁场的干扰，其缺点是增加结构的重量和复杂性，不利于装配和维护。

消除外部磁场对电机的干扰，还有很多方法。比如美国专利US5121016中揭示了一种直线电机，在该电机的动子上安装专门的测速线圈，巧妙连接测速线圈和动子的驱动线圈，以消除外部磁场干扰，达到准确测定电机速度的目的。但该电机只能提高测速精度，而不能满足光刻机对定位精度高的要求。

在申请号为CN200610027706.2的中国专利中，电机通过软件方法使电机不受自身磁场不均匀性的干扰，而该电机是针对自身磁场的不均匀性，没有考虑外部磁场的干扰，且内外磁场干扰的机制不同，所以不能用该方法消除外部磁场的干扰。

发明内容

为解决上述现有技术问题，本发明提供一种消除外部磁场对电机干扰的方法，通过该方法能预先测量外部磁场的干扰大小，并在实际运行时加以补偿，从而消除位置干扰和速度干扰对电机的影响。

本发明提供的消除外部磁场对电机干扰的方法，通过控制器、测量系统完成，电机、控制器、测量系统顺序连接，所述的方法包括下列步骤：(1)测量系统测量电机运动时的数个位置；(2)将测量系统测得的电机位置反馈给控制器，控制器产生对应电机位置的补偿量维持电机匀速运动。

在上述的消除外部磁场对电机干扰的方法中，所述的补偿量由补偿数组确定，补偿数组由电机位置及控制器在对应上述电机位置且维持电机匀速运动的补偿力组成。

在上述的消除外部磁场对电机干扰的方法中，所述的电机位置处于补偿数组中的两个相邻电机位置之间，利用插值方法在上述对应两个相邻电机位置的补偿量中取一个中间值作为补偿量。

在上述的消除外部磁场对电机干扰的方法中，所述的补偿数组具有一补偿量且由两个测量数组运算得到，该补偿量为

其中，f_l、f_l′分别为两个测量数组中控制器在P_l位置时的控制力。

在上述的消除外部磁场对电机干扰的方法中，所述的补偿数组具有一补偿量且由一个测量数组运算得到，该补偿量为

其中，f_l为控制器在P_l位置时的控制力，V′为电机能匀速运行的最高速度。

在上述的消除外部磁场对电机干扰的方法中，所述的测量系统包括编码器和激光干涉仪。

在上述的消除外部磁场对电机干扰的方法中，所述的控制器为比例-积分-微分控制器。

本发明由于采用了上述的技术方案，使之与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：

1.不影响电机的安装位置，也不影响电机结构；

2.采用补偿数组，因此电机定位精度较高，不增加光刻机重量和成本；

3.可以随外部磁场的改变随时调整，始终保持较好的补偿效果；

4.当控制系统的性能提高(例如测试设备的精度提高、控制算法改进、处理器的运算速度提高)之后，补偿效果也随之改善。

附图说明

本发明的消除外部磁场对电机干扰的方法由以下的实施例及附图给出。

图1为现有技术中外部磁场的位置干扰示意图。

图2为现有技术中外部磁场的速度干扰示意图。

图3为光刻机的控制系统示意图。

图4为本发明的消除外部磁场中位置干扰方法示意图。

具体实施方式

以下将对本发明的消除外部磁场对电机干扰的方法作进一步的详细描述。

本发明提供了一种消除外部磁场对电机干扰方法，可以预先测量外部磁场的干扰大小、并在实际运行时加以补偿。所述方法需要电机处于如图3所示光刻机的控制系统之中。其中1为测量系统，包括编码器、激光干涉仪等元件，2为控制器，例如比例-积分-微分控制器(Proportion-integral-derivate，PID)，3为电机，由测量系统1、控制器2、电机3顺序连接组成控制系统。其中测量系统1随时测得电机的位置并反馈给控制器2，控制器2向电机3输出的控制值，也就是控制力的大小，电机3即按照这个控制值产生一定大小的力。当电机3在外部磁场的干扰下偏离目标位置时，测量系统1会探测到该偏离误差，控制器2随之调整控制值，使电机3回到目标位置。因此该控制值反映了外部磁场干扰的大小和方向。

消除外部磁场中位置干扰方法的原理如图4所示，假设位置干扰力F_pos是正向向前的，电机动子需要受到F大小的力才能以速度V运动。当动子做正向向前运动时，控制器输出“F-F_pos”的控制值；而反向运动时，控制器输出“-F-F_pos”的控制值。如果把两个方向上的控制值求平均，就可以算出补偿力为“-F_pos”。具体实施步骤如下(前3步是测量，第4步是补偿)：首先令电机3动子用低而均匀的速度V从行程的一端运动到另一端，同时控制器2记录下在各个位置所输出的控制值，用一个测量数组[f₁@P₁，f₂@P₂，f₃@P₃，...，f_n@P_n]表示，其中“f_i@P_i”(i从1到n)是指“控制器在P_i位置的控制值是f_i”；令电机动子用同样的速度V从另一端回到这一端，同样记录下一个测量数组[f_n’@P_n，f_n-1’@P_n-1，f_n-2’@P_n-2，...，f₁’@p₁]；把上述两个数组中对应位置的控制值求平均，得到位置干扰的补偿数组[C₁@P₁，C₂@P₂，C₃@P₃，...，C_n@P_n]其中补偿量C_i(i从1到n)为

它就是P_i位置处对外部磁场的位置干扰的补偿量。把该补偿数组存储在控制器2中。当电机3投入实际运行状态时，测量系统1测量电机3的位置，控制器2根据电机3的位置，从该补偿数组中取出相应的补偿量，并将其叠加到控制器2输出上。如果电机3动子恰好处于补偿数组中的某个位置P_i(i从1到n)，则把C_i取出作为补偿量。如果电机动子处于补偿数组中的两个相邻位置P_i和P_i+l之间，(f从1到n-1)，则可以用插值的方法在C_i和C_i+1之间取一个中间值作为补偿量。

消除外部磁场中速度干扰的方法步骤如下(前2步是测量，第3步是补偿，尸，是电机能匀速运行的最高速度)：令电机动子用V’速度从行程的一端运动到另一端，同时记录下控制器2在各个位置所输出的力，用一个测量数组[f₁@P₁，f₂@P₂，f₃@P₃，...，f_n@P_n]表示；根据上述数组计算得到速度干扰的补偿数组[C₁@P₁，C₂@P₂，C₃@P₃,...,C_n@P_n]，其中补偿量C_i(z从1到刀)为

它就是外部磁场在P_i位置处的

把该补偿数组存储在控制器2中；当电机3投入实际运行状态时，测量系统1测量电机3的位置，控制器2根据电机3动子的位置和速度V’计算出补偿量并将其叠加到控制器2输出上。如果电机3动子恰好处于补偿数组中的某个位置P_i(i从1到n)，则用V’×C_i作为补偿量。如果电机动子处于补偿数组中的两个相邻位置P_i和P_i+1之间(i从1到n-1)，则可以用插值的方法在C_i和C_i+1之间取一个中间值C，用V’×C作为补偿量。

如果需要同时补偿位置干扰和速度干扰，则可以分别根据位置干扰的补偿数组、速度干扰的补偿数组计算出两种干扰的补偿量，同时叠加到控制器2的输出上。

采用本发明的消除外部磁场对电机干扰的方法，不影响电机的安装位置，也不影响电机结构；由于采用补偿数组，因此电机定位精度较高，不增加光刻机重量和成本；可以随外部磁场的改变随时调整，始终保持较好的补偿效果；当控制系统的性能提高(例如测试设备的精度提高、控制算法改进、处理器的运算速度提高)之后，补偿效果也随之改善。

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。任何对本发明的方法作本技术领域内熟知的步骤的替换、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 (7)

1.一种消除外部磁场对电机干扰的方法，通过控制器、测量系统完成，其中电机、控制器、测量系统顺序连接，其特征在于，所述的方法包括下列步骤：

(1)测量系统测量电机运动时的数个位置；

(2)将测量系统测得的电机位置反馈给控制器，控制器产生对应电机位置的补偿量维持电机匀速运动。

2.如权利要求1所述的消除外部磁场对电机干扰的方法，其特征在于：所述的补偿量由补偿数组确定，补偿数组由电机位置及控制器在对应上述电机位置且维持电机匀速运动的补偿力组成。

3.如权利要求2所述的消除外部磁场对电机干扰的方法，其特征在于：当所述的电机位置处于补偿数组中的两个相邻电机位置之间时，利用插值方法在上述两个相邻电机位置所对应的补偿量中取一个中间值作为补偿量。

4.如权利要求2所述的消除外部磁场对电机干扰的方法，其特征在于：所述的补偿数组具有一补偿量且由两个测量数组运算得到，该补偿量为

其中，f_i、f_i′分别为两个测量数组中控制器在P_i位置时的控制力。

5.如权利要求2所述的消除外部磁场对电机干扰的方法，其特征在于：所述的补偿数组具有一补偿量且由一个测量数组运算得到，该补偿量为

其中，f_i为控制器在P_i位置时的控制力，V′为电机能匀速运行的最高速度。

6.如权利要求1所述的消除外部磁场对电机干扰的方法，其特征在于：所述的测量系统包括编码器和激光干涉仪。

7.如权利要求1所述的消除外部磁场对电机干扰的方法，其特征在于：所述的控制器为比例-积分-微分控制器。

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