CN102790474B - 一种平面电机初始位置探测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种平面电机初始位置探测方法，基于所述平面电机本身的位置测量传感器，通过对所述平面电机采用电流环闭环控制和位置环PID闭环控制，并利用噪声激励，依次测得所述平面电机动子的每一个三相线圈组相对定子的精细初始位置，完成平面电机初始位置的探测，不需要附加其它传感器及对应信号处理电子电路，就可实现光刻机工件台多自由度精密运动定位，简化了探测工艺，降低了探测成本。
Description
技术领域
本发明涉及光刻机系统应用领域，尤其涉及一种应用于光刻机工件台多自由度精密运动定位的平面电机初始位置探测方法。
背景技术
平面电机的定子由在平面内布置的永磁阵列组成，平面电机的动子由布置在一个平面上的线圈阵列组成，动子采用气浮支撑，动子中多个出力线圈通过合适的驱动控制方法，可实现水平面三自由度精密运动定位。平面电机在用于光刻机工件台多自由度精密运动定位时，和传统的多个单自由度直线电机层叠设计相比，结构简单、质量轻、刚度高，并且其动子采用气浮支撑，无摩擦力，这些优点使得工件台快速加减速能力更强，速度更快，定位精度更高，可以提高光刻机产率，获得更高的套刻精度。
由于平面电机的电磁和机械特点，每个运动方向都可以单独控制，电磁和机械响应相比至少快一个数量级，所以平面电机会采用电流环来调节电流和电压的非线性，采用位置环控制运行位置的动态特性。
平面电机采用电流环闭环控制中，电流环的输入和输出之间有反馈电路，电流环的输入是电流环给定值，电流环给定值和电流环的反馈值进行比较后的差值在电流环内做PID调节后输出给电机，电流环的输出就是电机的每相的相电流。
平面电机采用位置环闭环控制中，位置环的输入就是外部的脉冲，外部的脉冲经过平滑滤波处理和电子齿轮计算后作为“位置环的设定”，设定和来自编码器反馈的脉冲信号经过偏差计数器的计算后的数值在经过位置环的PID调节(比例增益调节，无积分微分环节)后输出。
为了对平面电机进行换相驱动控制，平面电机启动时，需首先获知动子线圈相对定子永磁阵列的初始位置，即动子线圈在定子永磁磁场中的空间位置相角。
目前，平面电机初始位置探测方法一般都需要附加其它传感器(譬如压力传感器、霍尔传感器等)和对应的信号处理电子电路来实现，这样不仅增加成本，而且增加了结构设计的复杂性。
发明内容
本发明所解决的技术问题在于提供一种平面电机初始位置探测方法，不需要附加其它传感器及对应信号处理电子电路，就能够实现光刻机工件台多自由度精密运动定位。
为了解决上述技术问题，本发明提供一种平面电机初始位置探测方法，所述平面电机包含定子，动子及位置测量传感器，所述动子包含四个三相线圈组，包括：
所述平面电机电流环闭环，选取一个三相线圈组，并向该三相线圈组中通入电流，得到该三相线圈组在所述定子的空间磁场中的初始相角偏置；
所述平面电机电流环闭环，将所述初始相角偏置代入换相算法，改变该三相线圈组中通入电流的空间相角，得到该三相线圈组在所述定子的空间磁场中的空间相角正向变化与所述平面电机运动正方向的关系；
应用所述初始相角偏置以及所述空间相角正向变化与所述平面电机运动正方向的关系，进行所述平面电机位置环PID闭环控制，对所述PID闭环控制输出值注入噪声，得到该三相线圈组在所述定子的空间磁场中的精细初始位置；
依次选取其它三相线圈组，重复上述步骤，完成平面电机的初始位置探测。
进一步的，所述平面电机为气浮动线圈式平面电机或动磁铁式气浮平面电机。
进一步的，所述定子为分段式霍尔永磁阵列或能够在水平面X、Y两个方向产生与分段式霍尔永磁阵列相似正弦磁通密度分布的其它类型永磁阵列。
进一步的，所述动子相对所述定子旋转45度布置。
进一步的，所述三相线圈组由三个不同相位的线圈等间距布置形成。
进一步的，所述四个三相线圈组包含两个沿矩形一条对角线布置的第一方向三相线圈组和两个沿矩形另一条对角线布置的第二方向三相线圈组。
进一步的，所述第一方向三相线圈组的出力方向沿所述定子的空间磁场的第一方向，所述第二方向三相线圈组的出力方向沿所述定子的空间磁场的第二方向。
进一步的，所述向该三相线圈组中通入电流时，采用正弦换相电流控制方法或状态空间矢量控制方法来控制该三相线圈组中通入的电流大小。
进一步的，通过将所述动子定位在所述定子空间磁场的已知空间相角处，记录所述位置测量传感器读数，得到所述三相线圈组的初始相角偏置。
进一步的，当所述三相线圈组在所述定子的空间磁场中的空间相角正向变化，所述平面电机运动方向为正，保持所述位置测量传感器的反馈极性或向该三相线圈组通入电流的相序。
进一步的，当所述三相线圈组在所述定子的空间磁场中的空间相角正向变化，所述平面电机运动方向为负，反转所述位置测量传感器的反馈极性或者向该三相线圈组通入电流的相序。
进一步的，所述噪声为白噪声。
进一步的，所述得到该三相线圈组在所述定子的空间磁场中的精细初始位置的方法，包括：
改变该三相线圈组在所述定子的空间磁场中的空间相角，并对所述PID闭环控制输出值注入噪声，读取位置测量传感器的值，得到平面电机运动的加速度值；
根据所述加速度值及所述PID闭环控制输出值注入噪声的求和新值，采用数学方法进行处理，得到所述加速度值作为输出，求和新值作为输入激励的比例增益；
找出比例增益最大时对应的该三相线圈组在所述定子的空间磁场中的空间相角，即该三相线圈组在所述定子的空间磁场中的精细初始位置。
进一步的，所述数学方法为曲线拟合或频域分析。
进一步的，对所述PID闭环控制输出值注入噪声测量多次求平均值，提高所述加速度值作为输出，求和新值作为输入激励的比例增益的测量精度。
进一步的，所述得到该三相线圈组在所述定子的空间磁场中的精细初始位置之后，将所述位置测量传感器的反馈极性或者该三相线圈组的通电相序调整到正确配置。
与现有技术相比，本发明提供的平面电机初始位置探测方法，基于所述平面电机本身的位置测量传感器，通过对所述平面电机采用电流环闭环控制和位置环PID闭环控制，并利用噪声激励，依次测得所述平面电机动子的每一个三相线圈组相对定子的精细初始位置，完成平面电机初始位置的探测，不需要附加其它传感器及对应信号处理电子电路，就可实现光刻机工件台多自由度精密运动定位，简化了探测工艺，降低了探测成本。
附图说明
图1A为本发明使用的平面电机定子与动子结构及安装示意图；
图1B为本发明使用的平面电机定子与动子相关定义参数示意图；
图2为本发明平面电机初始位置探测方法的流程示意图；
图3为本发明使用的平面电机定子的垂向磁通密度分布图；
图4为本发明的平面电机初始位置探测的噪声注入示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的平面电机初始位置探测方法作进一步详细说明。需说明的是，以下说明中X向为水平向第一方向，Y向为水平向第二方向，Z向为垂直于第一方向与第二方向的垂向。
本发明提供一种平面电机初始位置探测方法，采用的平面电机为气浮动线圈式平面电机或动磁铁式气浮平面电机，包含定子，动子及位置测量传感器，所述动子包含四个三相线圈组。
如图1A和图1B，平面电机的定子1为分段式霍尔永磁阵列，其空间磁场分布特征是X、Y向磁通密度分别在X、Y方向正弦分布，Z向磁通密度在X、Y向都为正弦分布，并且Z向磁通密度相角超前于水平向90度。动子2相对分段式霍尔永磁阵列旋转45度布置，包括四个三相线圈组20，21，22，23，均为三相线圈组，其中，三相线圈组20，21为Y向三相线圈组，沿矩形一条对角线布置，长边平行于分段式霍尔永磁阵列的X方向，三相线圈组22，23为X向三相线圈组，沿矩形另一条对角线布置，长边平行于分段式霍尔永磁阵列的Y方向，每个三相线圈组可产生水平推力和垂向磁悬浮力，若动子2采用气浮支撑，并通过合适的驱动控制，可以限制动子2只能通过水平推力产生水平面内的X、Y和绕Z轴旋转的三自由度运动，而不会产生Z向、绕X轴和绕Y轴的运动，即三相线圈组20，21出力方向沿所述定子永磁磁场的Y向，三相线圈组22，23出力方向沿所述定子永磁磁场的X向。其中，四个三相线圈组20，21，22，23均由三个不同相位的线圈等间距布置形成，如图1B所示，三相线圈组22由第一相线圈221，第二相线圈222，第三相线圈223等间距布置形成，使得通电时三相线圈组22的出力方向为X向，三相线圈组22在X向上水平移动。
图1B中的分段式霍尔永磁阵列，定义水平方向垂向充磁方向相同的相邻N极或S极之间距离的一半D为磁极距τ。三个不同相位的线圈等间距布置，总宽度W为4τ，对应空间相角720度。每相占有的宽度为4τ/3，对应空间相角240度。每个线圈长度L为4τ，对应空间相角720度。三个不同相位的线圈的布置形式并不限于上述方式。
定义Z向磁通密度向上为正，定义沿X、Y轴正方向Z向磁通密度从负向最大到正向最大变化过程的中点为磁通密度分布参考原点O，垂向磁通密度分布如图2所示。
以三相线圈组22为例，定义初始时刻第一相线圈221中点与磁通密度分布参考原点O的距离为d0，对应的空间相角为d0/τ*π。定义三相线圈组22中电流顺时针方向为正，并且若三相线圈组22仅有第一相线圈221和第二相线圈222两相通电时，电流为第一相线圈221入，第二相线圈222出，第一相线圈221电流方向为逆时针，第二相线圈222线圈电流方向为顺时针，以此形成电流环闭环。
本发明中可以采用正弦换相电流控制方法或者状态空间矢量控制方法来控制三相线圈组中通入的电流大小。
本发明的其他具体实施例中，所述定子也可以为能够在水平面X、Y两个方向产生与分段式霍尔永磁阵列相似正弦磁通密度分布的其它类型永磁阵列。
如图2所示，应用上述平面电机，本发明提供一种平面电机初始位置探测方法，包括：
S1，所述平面电机电流环闭环，选取一个三相线圈组，并向该三相线圈组中通入电流，得到该三相线圈组的初始相角偏置。
请参考图1A、图1B和图3，所述平面电机电流环闭环，选取三相线圈组22，向第一相线圈221和第二相线圈222两相通电，电流第一相线圈221入，第二相线圈222出，通电过程中控制电流大小从零开始平滑增加到设定的终点值。为防止电流变化过程中第一相线圈221和第二相线圈222过热，并且为了使产生的绕Y向轴的偏心转矩不致压迫气膜使其厚度变化太大，在气膜刚度的容许范围内，终点电流值须为小于第一相线圈221和第二相线圈222额定电流的某一较小值，该值可以根据平面电机的电磁学模型计算得到或者通过实验得到。
本实施例中，第一相线圈221和第二相线圈222两相线圈通电之后，因X向和Z向磁通密度的分布，产生Z向和X向的洛仑兹力，但因气浮轴承对Z向运动的限制，使得线圈只能产生水平方向的运动。
三相线圈组22移动到某一位置后，第一相线圈221产生的力刚好可以和第二相线圈222产生的力在水平方向达到平衡，此时，动子所受X向合力为零，便不再发生移动。平衡位置处，第一相线圈221中点到磁通密度分布参考原点O的距离为d1，对应的空间相角为θ1＝d1/τ*π，垂向磁通密度为Bz*sinθ1。根据三相线圈组22的拓扑结构，图1B中，第一相线圈221上半边线圈处磁通密度为Bzsin(θ1+2π/3)，下半边线圈处磁通密度为Bzsin(θ1-2π/3)。第二相线圈222上半边线圈处磁通密度为Bz*sin(θ1-2π/3)，下半边线圈磁通密度为Bzsin(θ1-2π)＝Bzsinθ1。设第一相线圈221中电流大小为I，第二相线圈222中电流大小为-I，线圈长度为L，则线圈所受的水平向合力Fx＝2BzILsin(θ1+2π/3)-BzILsin(θ1-2π/3)-BzILsinθ1，在平衡位置处，该值为零，可得到三相线圈组22的初始相角偏置θ1＝π/3，即第一相线圈221中点在定子空间磁场中的位置为d1＝τ/3。记录此时位置测量传感器的读数，就是第一相线圈221在定子空间磁场τ/3位置处对应的位置测量传感器的读数。有了这个对应关系，就可以在换相控制时实时根据位置测量传感器的读数得知第一相线圈221在定子空间磁场中的位置，进一步可确定第一相线圈221在该位置处应施加的电流大小。
S2，所述平面电机电流环闭环，将所述初始相角偏置代入换相算法，改变该三相线圈组中通入电流的空间相角，得到该三相线圈组在所述定子的空间磁场中的空间相角正向变化与所述平面电机运动正方向的关系。
请参考图1A、图1B和图3，将步骤S1中探测到的初始相角偏置θ1＝π/3和对应的位置测量传感器的读数代入平面电机换相算法，此时已经可以保证在同样的输入电流下，平面电机能以较高的效率产生水平推力。
仍然采用电流环闭环，改变该三相线圈组中的通入电流，使得平滑的按照电流矢量的旋转正方向改变三相线圈组22的空间相角，此时三相线圈组22会跟随空间相角改变的节拍移动，始终保持电流矢量和磁场的对准。平面电机运动过程中读取位置测量传感器的读数，由位置测量传感器的读数可知平面电机的运动方向，根据三相线圈组22空间相角变化方向和位置测量传感器的读数显示的平面电机运动方向可判定三相线圈组22在所述定子1的空间磁场中的空间相角正向变化与所述平面电机运动正方向的关系。当三相线圈组22在所述定子1的空间磁场中的空间相角正向变化，所述平面电机运动方向为正，保持所述位置测量传感器的反馈极性或向三相线圈组22通入电流的相序；当三相线圈组22在所述定子1的空间磁场中的空间相角正向变化，所述平面电机运动方向为负，反转所述位置测量传感器的反馈极性或者向三相线圈组22通入电流的相序。
本步骤可以避免三相线圈组在所述定子的空间磁场中的空间相角变化正方向和该平面电机运动正方向不一致，导致位置环闭环后形成正反馈，使系统运动失稳而造成损坏。
S3，应用所述初始相角偏置以及所述空间相角正向变化与所述平面电机运动正方向的关系，进行所述平面电机位置环PID闭环控制，对所述PID闭环控制输出值注入噪声，得到该三相线圈组在所述定子的空间磁场中的精细初始位置。
由于平面电机存在线缆干扰，S1测得到的初始相角偏置精度较差，通过系统中加入噪声求取平面电机增益的方法可探测更精细的平面电机初始位置。线缆干扰为低频干扰，求取增益避开低频部分，可以得到无线缆干扰下的电机增益，进而使得初始位置探测更为准确。
请参考图1A和图4，在得到了三相线圈组22的初始相角偏置以及三相线圈组22在所述定子1的空间磁场中的空间相角正向变化与所述平面电机运动正方向的关系，就可以将平面电机位置环闭环，位置环采用PID控制，噪声加在PID控制输出之后，噪声和PID控制输出求和作为总的输出，用于后续给定进行电流换相控制。
位置环PID控制参数可根据平面电机的电磁学模型或者实验方法得到。期望的PID控制参数不能太松，以免在噪声作用下平面电机发生较大移动，使得探测不准。也不能过紧，以免在平面电机模型变化较大时，控制系统稳定裕度不够，发生振荡。
噪声类型可为白噪声或者其它类型的噪声，选择合适的幅值大小，使得既能够激励平面电机产生移动又不致移动过大。
在步骤S1中得到的三相线圈组22的初始相角偏置θ1的基础上，在换相中加入正负两个方向的变化量(-Δθ，+Δθ)，Δθ为一较小的角度值，譬如π/6或其它值。将此范围等间隔的划分为N点，为保证探测精度，间隔应足够小，譬如间隔2Δθ/(N-1)≤π/36(即对应角度小于5度)。
将三相线圈组22的初始相角偏置θ1和变化量Δθ求和，逐一加入到换相算法中。在每一次设定新的偏置相角后，加入噪声进行测试。测试过程中，读取求和之后的PID控制输出的求和新值与位置测量传感器值，根据位置测量传感器值可得到平面电机运动的加速度值。根据求和后PID控制输出的求和新值和平面电机运动加速度值，采用数学方法(譬如曲线拟合或者频域分析方法)进行处理，得到平面电机加速度作为输出，求和后PID控制输出求和新值(电流给定)作为输入激励的增益值。为提高测量精度，每个偏置相角下对应的比例增益值可用噪声激励测量多次求平均值。
找出比例增益最大时对应的三相线圈组22在所述定子的空间磁场中的空间相角，此空间相角就是本发明中最终获得的平面电机初始偏置角，即三相线圈组22在所述定子的空间磁场中的精细初始位置。有了该偏置角，并将位置测量传感器反馈极性或者三相线圈组22的通电相序调整到正确配置，就可以进行高性能的位置环反馈控制和电流环换相控制。
S4，依次选取其它三相线圈组，重复上述步骤，完成平面电机的初始位置探测。
综上所述，本发明提供的平面电机初始位置探测方法，基于所述平面电机本身的位置测量传感器，通过对所述平面电机采用电流环闭环控制和位置环PID闭环控制，并利用噪声激励，依次测得所述平面电机动子的每一个三相线圈组相对定子的精细初始位置，完成平面电机初始位置的探测，不需要附加其它传感器及对应信号处理电子电路，就可实现光刻机工件台多自由度精密运动定位，简化了探测工艺，降低了探测成本。
显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (15)
1.一种平面电机初始位置探测方法，所述平面电机包含定子，动子及位置测量传感器，所述动子包含四个三相线圈组，其特征在于，包括：
所述平面电机电流环闭环，选取一个三相线圈组，并向该三相线圈组中通入电流，得到该三相线圈组在所述定子的空间磁场中的初始相角偏置；
所述平面电机电流环闭环，将所述初始相角偏置代入换相算法，改变该三相线圈组中通入电流的空间相角，得到该三相线圈组在所述定子的空间磁场中的空间相角正向变化与所述平面电机运动正方向的关系；
应用所述初始相角偏置以及所述空间相角正向变化与所述平面电机运动正方向的关系，进行所述平面电机位置环PID闭环控制，对所述PID闭环控制输出值注入噪声，得到该三相线圈组在所述定子的空间磁场中的精细初始位置；
依次选取其它三相线圈组，重复上述步骤，完成平面电机的初始位置探测；
所述得到该三相线圈组在所述定子的空间磁场中的精细初始位置的方法，包括：
改变该三相线圈组在所述定子的空间磁场中的空间相角，并对所述PID闭环控制输出值注入噪声，读取位置测量传感器的值，得到平面电机运动的加速度值；
根据所述加速度值及所述PID闭环控制输出值注入噪声的求和新值，采用数学方法进行处理，得到所述加速度值作为输出，求和新值作为输入激励的比例增益；
找出比例增益最大时对应的该三相线圈组在所述定子的空间磁场中的空间相角，即该三相线圈组在所述定子的空间磁场中的精细初始位置。
2.如权利要求1所述的平面电机初始位置探测方法，其特征在于，所述平面电机为气浮动线圈式平面电机或动磁铁式气浮平面电机。
3.如权利要求1所述的平面电机初始位置探测方法，其特征在于，所述定子为分段式霍尔永磁阵列或能够在水平面X、Y两个方向产生与分段式霍尔永磁阵列相似正弦磁通密度分布的其它类型永磁阵列。
4.如权利要求1所述的平面电机初始位置探测方法，其特征在于，所述动子相对所述定子旋转45度布置。
5.如权利要求1所述的平面电机初始位置探测方法，其特征在于，所述三相线圈组由三个不同相位的线圈等间距布置形成。
6.如权利要求1所述的平面电机初始位置探测方法，其特征在于，所述四个三相线圈组包含两个沿矩形一条对角线布置的第一方向三相线圈组和两个沿矩形另一条对角线布置的第二方向三相线圈组。
7.如权利要求6所述的平面电机初始位置探测方法，其特征在于，所述第一方向三相线圈组的出力方向沿所述定子的空间磁场的第一方向，所述第二方向三相线圈组的出力方向沿所述定子的空间磁场的第二方向。
8.如权利要求1所述的平面电机初始位置探测方法，其特征在于，所述向该三相线圈组中通入电流时，采用正弦换相电流控制方法或状态空间矢量控制方法来控制该三相线圈组中通入的电流大小。
9.如权利要求1所述的平面电机初始位置探测方法，其特征在于，通过将所述动子定位在所述定子空间磁场的已知空间相角处，记录所述位置测量传感器读数，得到所述三相线圈组的初始相角偏置。
10.如权利要求9所述的平面电机初始位置探测方法，其特征在于，当所述三相线圈组在所述定子的空间磁场中的空间相角正向变化，所述平面电机运动方向为正，保持所述位置测量传感器的反馈极性或向该三相线圈组通入电流的相序。
11.如权利要求9所述的平面电机初始位置探测方法，其特征在于，当所述三相线圈组在所述定子的空间磁场中的空间相角正向变化，所述平面电机运动方向为负，反转所述位置测量传感器的反馈极性或者向该三相线圈组通入电流的相序。
12.如权利要求1所述的平面电机初始位置探测方法，其特征在于，所述噪声为白噪声。
13.如权利要求1所述的平面电机初始位置探测方法，其特征在于，所述数学方法为曲线拟合或频域分析。
14.如权利要求1所述的平面电机初始位置探测方法，其特征在于，对所述PID闭环控制输出值注入噪声测量多次求平均值，提高所述加速度值作为输出，求和新值作为输入激励的比例增益的测量精度。
15.如权利要求1所述的平面电机初始位置探测方法，其特征在于，所述得到该三相线圈组在所述定子的空间磁场中的精细初始位置之后，将所述位置测量传感器的反馈极性或者该三相线圈组的通电相序调整到正确配置。
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| CN101834550A (zh) * | 2010-04-27 | 2010-09-15 | 西安交通大学 | 基于磁悬浮平面电机的定位装置 |
| CN201769981U (zh) * | 2010-08-02 | 2011-03-23 | 尹红 | 自行滑车 |
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