CN104033531A - 线性运动平台的控制设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种线性运动平台的控制设备，其包括：第一滤波器，其用于对从线性运动平台的线性编码器接收到的信号的频率进行滤波；加法器，其用于将表示命令位置的输入信号和第一滤波器的输出信号的负值相加；控制器，其用于基于加法器的输出信号来生成用于控制线性运动平台的控制信号；以及第二滤波器，其用于对控制信号的频率进行滤波，其中所述第一和第二滤波器的输入终端中的每一个具有用于存储根据所述线性运动平台的驱动位置测量到的截止频率和阻尼率的校正表，从而应用所述校正表以便根据线性运动平台的驱动位置来确定第一和第二滤波器的截止频率和阻尼率。

Description

线性运动平台的控制设备
技术领域
本发明涉及一种线性运动平台的控制设备，并且更特别地涉及一种用于通过将滤波器的截止(cut-off)频率和阻尼(damping)率映射到线性运动平台的驱动位置来消除线性运动平台的随着其驱动位置变化的固有振荡频率的控制设备。
背景技术
当控制线性运动平台时，它固有地进行导致不稳定操作和不合需要的振荡响应的振荡运动。
从而，在这种情况下，通常进行频率响应的分析以确定振荡的类型、频率以及振幅，根据振荡的所述类型、频率以及振幅设计适合的滤波器以便消除线性运动平台的固有振荡运动，从而使它稳定并且提高控制响应的能力。滤波器通常被设计成具有单一截止频率，而不管线性运动平台的位置如何。
然而，线性运动平台的固有振荡根据线性运动平台的类型和结构随着线性运动平台的驱动位置而变化。具体地，线性运动平台的固有振荡频率根据单轴平台的工作/装配/摩擦特性而随着滑块的位置而变化，并且附加地随着滑块沿着用于X-Y平台的两个轴的位置而变化。
图1图示了随着线性运动平台的位置变化的谐振频率的示例，其中“(a)”表示在堆叠式X-Y平台中的X和Y坐标(0mm, 0mm)处Y轴的频率响应，并且“(b)”表示在堆叠式X-Y平台中的X和Y坐标(225mm, 300mm)处Y轴的频率响应。
假设线性运动平台的装配或工作的程度根据其驱动位置而大大地偏离，或者假设线性运动平台具有两个或更多个彼此连接的轴，则固有振荡频率和振幅随着平台的驱动位置而变化，如图1中所示。
因此，在采用滤波器的单一代表性截止频率的传统系统中，滤波器不能够在线性运动平台的整个操作范围上适当地执行其功能，并且因此在某些情况下发生被放大以使线性运动系统不稳定的不稳定频率，对此而言滤波器不能够被应用。
图2图示了通过随着线性运动平台的位置而变化的谐振频率控制响应的示例，其中“(a)”表示在堆叠式X-Y平台中的X和Y坐标(0mm, 0mm)处Y轴的控制响应，并且“(b)”表示在堆叠式X-Y平台中的X和Y坐标(225mm, 300mm)处Y轴的控制响应。
假设固有振荡频率和振幅随着平台的驱动位置而变化，如图1中所示，则具有固定截止频率和固定振幅的滤波器不能够在平台的整个操作范围之上适当地执行其滤波功能，导致与振荡分量混合的控制响应，如图2中所示。
发明内容
[本发明的目的]
本发明的目的是提供用于改变截止频率和阻尼率以便使随着线性运动平台的驱动位置而变化的固有振荡频率衰减的装置。
[用于实现本发明的目的的装置]
根据本发明的实施例，提供了线性运动平台的控制设备。所述线性运动平台包括：第一滤波器，其用于对从线性运动平台的线性编码器接收到的信号的频率进行滤波；加法器，其用于将表示命令位置的输入信号和第一滤波器的输出信号的负值相加；控制器，其用于基于加法器的输出信号来生成用于控制线性运动平台的控制信号；以及第二滤波器，其用于对控制信号的频率进行滤波，其中第一和第二滤波器的输入终端中的每一个具有用于存储根据线性运动平台的驱动位置测量的截止频率和阻尼率的校正表，从而应用所述校正表以便根据线性运动平台的驱动位置来确定第一和第二滤波器的截止频率和阻尼率。
如果所述线性运动平台被置于驱动位置的两个相邻位置之间，则第一和第二滤波器中的每一个滤波器的截止频率和阻尼率通过在相邻驱动位置之一的截止频率和阻尼率与相邻驱动位置中的另一个的截止频率和阻尼率之间进行内插而获得，内插方法是线性内插、拉格朗日多项式(Lagrange’s polynomial)内插、内维尔递归(Neville's recursive)方法、牛顿多项式(Newton’s polynomial)内插、样条(spline)内插等中的一个。
参考附图在以下描述中更详细地说明本发明的另外的方面和特征以及其优点。
[本发明的效果]
根据本发明，通过将滤波器的截止频率和阻尼率映射到线性运动平台的驱动位置来消除线性运动平台的随着其驱动位置变化的固有振荡频率，产生以下优点：
首先，一致的稳定频率响应特性被确保，而不管线性运动平台的驱动位置如何。
其次，一致的控制响应被确保而不管线性运动平台的驱动位置如何。
第三，通过消除线性运动平台的不稳定频率分量而确保改进的控制响应。
第四，线性运动平台的结构的设计是更简化的且更方便的。
附图说明
图1图示了随着线性运动平台的位置而变化的谐振频率的示例；
图2图示了通过随着线性运动平台的位置而变化的谐振频率控制响应的示例；
图3是用于示出传统线性运动系统的结构的框图；
图4是用于示出根据本发明的实施例的线性运动平台的控制设备的结构的框图；
图5是根据本发明的实施例的用于图示将滤波器的截止频率映射到线性运动平台的不同位置的构思的表；以及
图6是根据本发明的实施例的用于图示除测量位置之外的间隔中的滤波器的截止频率的确定的图表。
具体实施方式
在下文中，将参考附图详细地描述本发明的优选实施例，以便使得本技术领域的普通技术人员可以容易地实现本发明。然而，如果在本发明的实施例中包括的传统元件和功能的描述可能使本发明的要点混淆，则这样的描述被省略。此外，具有类似功能的部件在所有附图中由相同的附图标记来表示。
另外，一个元件与另一装置连接，不仅与彼此“直接地连接”而且通过它们之间的其他中间元件与彼此“间接地连接”。并且部件“包括”特定元件的短语意味着该部件可以包括其他元件，除非本说明书规定排除其他元件。
在描述根据本发明的线性运动平台的控制设备之前，回顾传统的线性运动平台对于本发明的理解而言将是有帮助的。
在各行业中，线性运动平台通常被采用以沿着直线传送物品，所述各行业诸如半导体(晶片)、平板显示器(例如LCD、OLED等)以及机床。
线性运动平台的类型包括单轴平台、诸如堆叠式XY平台、分离XY平台以及门架(Gantry)平台之类的X-Y平台，以及与用于旋转或垂直(Z)驱动的附加平台相关联的一种类型的单轴或X-Y平台。
图3是用于图示传统的线性运动系统的结构的框图。
参考图3，线性运动平台一般地包括线性运动平台10、放大器20以及运动控制设备30。
线性运动平台10进一步包括线性电动机11、线性编码器12、线性运动导向件15、13、滑块14以及基座15。
线性电动机或致动器11用来产生用于沿着直线传送物品的线性推力。
在线性电动机11的一个侧面中设置的线性编码器12是用来检测由线性电动机11驱动的滑块14的位置(即，滑块的线性移动距离)的传感器。
在线性电动机11的两个侧面中设置的线性运动导向件13将沿着直线引导由线性电动机11驱动的滑块14。
安装在线性电动机11的顶部上的滑块14被从线性电动机11生成的推力驱动，从而沿着线性运动导向件13的导向件表面移动。
基座15将支承线性运动平台10的结构，即，在线性电动机11、线性编码器12、线性运动导向件13以及滑块14下面。
放大器20放大运动控制设备30的输出信号，即，用于驱动线性运动平台10的线性电动机11的驱动信号，所述驱动信号被应用于线性电动机11。
运动控制设备30从线性运动平台10的线性编码器12接收表示滑块14的位置的反馈信号，并且生成用于驱动线性电动机11以将滑块14移动到期望位置的控制信号。
在如上面所描述的那样构造的线性运动系统中，运动控制设备30可以采用映射的构思以便控制线性运动平台10。
在这里，映射的过程包括以下步骤：检测与线性运动平台的驱动位置有关的定位精度误差；以校正表的形式存储误差的数据；以及当实际地操作线性运动平台时通过使用校正表将线性运动平台驱动到正确位置。这被称作定位精度校正。
更具体地，定位精度误差基于给定间隔来加以检测，被制备为误差表，所述误差表用作用于通过向首先检测到的线性运动平台的位置加对应的误差值或者从首先检测到的线性运动平台的位置减对应的误差值来控制线性运动平台以移动到正确位置的参考。如果平台被放置在检测到定位精度误差的两个相邻位置之间的间隔中，则两个相邻误差值经历线性内插以找出平台的位置，从而通过如此获得的误差来调整平台驱动命令。
当设计滤波器时，本发明采用定位精度校正的构思来根据线性运动平台的驱动位置预先地检测滤波器的截止频率和阻尼率，所述截止频率和阻尼率被以校正表的形式存储。因此，当实际地操作线性运动平台时，校正表被用来根据平台的位置改变滤波器的截止频率和阻尼率。换句话说，鉴于其控制稳定性和控制响应能力来校正线性运动平台的位置。
图4是用于示出根据本发明的实施例的线性运动平台的控制设备的结构的框图。
参考图4，根据本发明的实施例的线性运动平台的控制设备30包括加法器31、PID (比例-积分-微分)电路32、第一滤波器34以及第二滤波器33。
首先，第一滤波器34和第二滤波器33分别将对来自从线性运动平台10的线性编码器12接收到的信号和来自PID电路32的输出信号的不想要的频率进行滤波，所述PID电路32可以借助于软件来体现。
此外，第一滤波器34和第二滤波器33分别具有配备有校正表的输入终端，所述校正表存储根据线性运动平台的驱动位置预先检测到的截止频率和阻尼率，如上面所描述的那样。因此，可以通过根据线性运动平台的驱动位置使用校正表来改变滤波器的截止频率和阻尼率。
加法器31将输入命令位置和第一滤波器34的输出信号的负值相加，将输出信号应用于PID电路32。
PID电路32使从加法器31接收到的信号（即输入命令位置与平台的位置之间的差）成比例、对该信号进行积分并且求微分，以便生成控制信号。这是在本领域中使用的公知的技术，其具体描述被省略。此外，PID电路32可以被如对于本领域的技术人员而言公知的诸如PIV控制、前馈控制等等之类的另一控制电路代替。
图5是根据本发明的实施例的用于图示将滤波器的截止频率映射到线性运动平台的不同位置的构思的表。
在线性运动平台的控制设备中设置的第一和第二滤波器一般包含截止频率和阻尼率。例如，在包含X-Y轴的线性运动平台中，滤波器的截止频率和阻尼率可以被定义为取决于线性运动平台的数个轴中的每一个轴的位置的函数，如由等式1所示出的那样。
[等式1]
F_frequency (X) = f (Position_x, Position_y)
F_damping (X) = f (Position_x, Position_y)
F_frequency (Y) = f (Position_x, Position_y)
F_damping (Y) = f (Position_x, Position_y)
其中F_frequency表示滤波器的截止频率，并且F_damping表示阻尼率。此外，Position_x和Position_y分别表示线性运动平台的XY轴的驱动位置。
基于上述等式，根据线性运动平台的驱动位置检测滤波器的截止频率和振幅，并且所检测到的数据被用来根据平台的驱动位置构造包含截止频率和阻尼率的校正表，如图5中所示。
如图5中所示出的校正表被存储于在发明的线性运动平台的控制设备中设置的存储器中，参考第一和第二滤波器的输入终端。
因此，第一和第二滤波器可以具有根据线性运动平台的X和Y坐标确定的截止频率和阻尼率。
图6是根据本发明的实施例的用于图示除测量位置之外的间隔中的滤波器的截止频率的确定的图表。
如图6中所示，如果滤波器的截止频率被以每100 mm的间隔定义，则置于所定义的两个相邻位置之间的线性运动平台的位置可以具有通过线性地内插两个相邻截止频率所获得的滤波器的截止频率。
例如，如果线性运动平台被放置在50 mm的位置处，则滤波器的截止频率可以被定义为160Hz。
如果线性运动平台被置于所检测到的位置中的两个相邻位置之间，则可以在线性内插、拉格朗日多项式内插、内维尔递归方法、牛顿多项式内插、样条内插等（其在本领域内公知，并且所以它们的具体描述被省略）之中选择用于在该位置处获得滤波器的截止频率和阻尼率的内插方法。
本发明不应限于参考附图在上面所描述的实施例，而是具有本技术领域的普通知识的那些人可以在不背离本发明的要点的情况下对实施例进行替换、修改以及变更。
[附图标记的描述]
10： 线性运动平台
11： 线性电动机
12： 线性编码器
13： 线性运动导向件
14： 滑块
15： 基座
20： 放大器
30： 运动控制设备
31： 加法器
32： PID电路
33： 第二滤波器
34： 第一滤波器

Claims (2)

1.一种线性运动平台的控制设备，包括：
第一滤波器，其用于对从所述线性运动平台的线性编码器接收到的信号的频率进行滤波；
加法器，其用于将表示命令位置的输入信号和所述第一滤波器的输出信号的负值相加；
控制器，其用于基于所述加法器的输出信号来生成用于控制所述线性运动平台的控制信号；以及
第二滤波器，其用于对所述控制信号的频率进行滤波，其中所述第一和第二滤波器的输入终端中的每一个具有用于存储根据所述线性运动平台的驱动位置测量到的截止频率和阻尼率的校正表，从而应用所述校正表以便根据所述线性运动平台的驱动位置来确定所述第一和第二滤波器的截止频率和所述阻尼率。
2.如权利要求1中所限定的线性运动平台的控制设备，其中如果所述线性运动平台被置于所述驱动位置的两个相邻位置之间，则所述第一和第二滤波器中的每一个滤波器的截止频率和阻尼率通过在所述相邻驱动位置之一的截止频率和阻尼率与所述相邻驱动位置中的另一个的截止频率和阻尼率之间进行内插而获得，内插方法是线性内插、拉格朗日多项式内插、内维尔递归方法、牛顿多项式内插、样条内插等中的一个。
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