CN104124852A - 直线电机系统及其控制方法、应用该直线电机系统的光刻机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及新兴机械加工技术领域，公开了一种直线电机系统，包括直线电机和伺服控制器，所述伺服控制器包括控制输入、主控制器、从控制器和两个伺服器。还公开了应用上述直线电机系统的光刻机以及直线电机系统的控制方法。本发明的伺服控制器实时监控直线电机的运行，伺服控制器响应速度快，控制频率宽，控制随意度好。

Description

直线电机系统及其控制方法、应用该直线电机系统的光刻机

技术领域

本发明涉及新兴机械加工技术领域，特别是一种直线电机系统及其控制方法、应用该直线电机系统的光刻机。

背景技术

在传统机床中，伺服电机配合滚珠丝杠副驱动系统，被广泛使用，这也是传动机床精度没法提高的原因。随着数控机床的广泛使用，高速响应的精度的要求越来越被重视。

直线电机由于其动态响应性能高，反应异常灵敏快捷等优点，被应用到数控机床中。直线电机是一种通过将封闭式磁场展开为开放式磁场，将电能直接转化为直线运动的机械能，而不需要任何中间转换机构的传动装置。直线电机的结构可以看作是将一台旋转电机沿径向剖开，并将电机的圆周展开成直线而形成的。其中定子相当于直线电机的初级，转子相当于直线电机的次级，当初级通入电流后，在初次级之间的气隙中产生行波磁场，在行波磁场与次级永磁体的作用下产生驱动力，从而实现运动部件的直线运动。

近年来，人们开始将直线电机技术应用于数控机床直线运动驱动系统中，代替传统的伺服电机加滚珠丝杠副驱动系统，取得了巨大的成功。直线电机和传统的旋转电机加滚珠丝杠运动系统的比较在机床进给系统中，采用直线电动机直接驱动与原旋转电机传动的最大区别是取消了从电机到工作台（拖板）之间的机械传动环节，把机床进给传动链的长度缩短为零，因而这种传动方式又被称为"零传动"。正是由于这种"零传动"方式，带来了原旋转电机驱动方式无法达到的性能指标和优点。

而现有的直线电机的控制方式不能使其发挥最佳性能。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述技术问题，提供一种直线电机系统及其控制方法、应用该直线电机系统的光刻机，通过优化直线电机的控制方式，使其工作在最佳状态。

本发明采取的技术方案是：

一种直线电机系统，包括直线电机，其特征是，还包括伺服控制器，所述伺服控制器包括控制输入、主控制器、从控制器和两个伺服器，所述控制输入将同步数据发送至所述主控制器，所述主控制器对所述同步数据进行处理并得到直线电机的X轴和Y轴坐标，所述主控制器将所述直线电机的X轴和Y轴坐标传送至所述从控制器，所述从控制器控制所述两个伺服器使所述直线电机的X轴和Y轴同步运动。

进一步，所述直线电机系统还包括光栅尺，所述光栅尺设置在所述直线电机上，所述光栅尺测量所述直线电机的运动量，所述伺服控制器根据所述光栅尺的反馈信号控制所述直线电机精确运动。

进一步，所述控制输入为PC机输入，所述光栅尺的精度为0.2微米，所述直线电机的运行精度为2微米。

一种上述的直线电机系统的控制方法，其特征是。包括如下步骤：

第一步：所述控制输入将同步数据输入至主控制器；

第二步：所述主控制器将所述同步数据进行解码、计算；

第三步：所述主控制器将计算得到的直线电机的X轴和Y轴坐标传送至所述从控制器；

第四步：所述从控制器控制所述两个伺服器使所述直线电机的X轴和Y轴同步运动。

进一步，还包括如下步骤：

第五步：所述光栅尺将所述直线电机的运动量传送至所述从控制器；

第六步：所述从控制器根据所述光栅尺的反馈信号控制所述直线电机精确运动。

一种应用上述直线电机系统的光刻机，包括激光部件，其特征是，所述激光部件由所述伺服器控制与所述直线电机的X轴和Y轴同步。

进一步，所述激光部件的工作状态由所述主控制器控制。

本发明的有益效果是：

（1）伺服控制器实时监控直线电机的运行；

（2）光栅尺控制使直线电机的运行精度达到微米级；

（3）伺服控制器响应速度快，控制频率宽，控制随意度好。

附图说明

附图1为本发明中伺服控制器的结构框图；

附图2为本发明中光刻机的工作原理图；

附图3为本发明中直线电机系统控制流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明直线电机系统及其控制方法、应用该直线电机系统的光刻机的具体实施方式作详细说明。

参见附图1，直线电机系统包括直线电机以及控制直线电机的伺服控制器，伺服控制器包括控制输入、主控制器、从控制器和两个伺服器，控制输入将同步数据发送至主控制器，主控制器对同步数据进行处理并得到直线电机的X轴和Y轴坐标，主控制器将直线电机的X轴和Y轴坐标传送至从控制器，从控制器控制两个伺服器使直线电机的X轴和Y轴同步运动。

直线电机采用DANAHER公司生产直线电机，其具有零接触、免维护、无刷设计特点。3相正弦波换向，峰值加速度很容易达到 10g 以上的加速度。具有高定位精度和高分辨率，运动稳定下来的时间极短，热损失低，模块化永磁体设计，静音运行。直线电机还配有热保护及霍尔传感器，可通过伺服器监控电机的运行情况。

伺服器为电机的执行机构，采用与Danaher电机相配套的伺服器S300，S300伺服器提供多种控制方式，本发明中采用数字量控制输入。控制方式类似步进电机控制。伺服器S300响应速度快，控制频率宽，控制随意度好。

本发明的主控制器芯片和从控制器芯片均采用NXP的ARM7 MCU芯片。主控制器芯片负责与上位机通信，负责协调机械部分与激光部分的工作，负责将PC机下发的数据进行解码、计算，然后将计算得到X,Y坐标轨迹下发给从CPU，负责控制激光的功率，电压，以及激光器的状态的检测。从控制器芯片负责控制X轴和Y轴运动及同步；负责检测X轴或Y轴电机的工作状态；负责同步机械部分与激光部分。

在直线电机上还可设置光栅尺，光栅尺测量直线电机的运动量，伺服控制器根据光栅尺的反馈信号控制直线电机精确运动。

光栅尺采用精度为0.2微米，可以大大提高电机的运行精度，运行精度可达到微米级。本案中考虑到运行速度以及精度的要求，以及运行误差及重复性，运行精度设定在2微米。

直线电机、伺服器及光栅尺的相互配合实现了精确控制的目的。直线电机的工作原理基本与步进电机的原理相同，但它控制更加精细，并且不会产生失步现象。伺服器与步进电机控制器原理一致，将电机的步数细分；伺服器可以通过读取光栅尺的反馈信号精确定位在给定的位置上。直线电机走过一个交变磁极定为一圈，本案电机一圈为32mm（由直线电机参数决定），而伺服器可以将32mm细分到0.032μm。而光栅尺的精度是0.2μm，伺服器通过读取光栅尺的反馈数据精确定位在微米级的范围内。

参见附图2，将上述直线电机系统应用至光刻机，实现光刻机对图形工件的精确切割。光刻机包括激光部件，激光部件由伺服器控制与直线电机的X轴和Y轴同步，激光部件的工作状态由主控制器控制。PC机将同步指令发送至伺服控制器的控制板，伺服控制器同时控制X轴驱动器、Y轴驱动器和激光驱动器对光刻机进行控制。三个驱动器通过伺服器的同步定时器实现同步。

参见附图3，直线电机系统的控制方法包括如下步骤：

第一步：控制输入将同步数据输入至主控制器。

第二步：主控制器将同步数据进行解码、计算。

第三步：主控制器将计算得到的直线电机的X轴和Y轴坐标传送至从控制器。

第四步：从控制器控制两个伺服器使直线电机的X轴和Y轴同步运动。

第五步：光栅尺将直线电机的运动量传送至从控制器。

第六步：从控制器根据光栅尺的反馈信号控制直线电机精确运动。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种直线电机系统，包括直线电机，其特征在于：还包括伺服控制器，所述伺服控制器包括控制输入、主控制器、从控制器和两个伺服器，所述控制输入将同步数据发送至所述主控制器，所述主控制器对所述同步数据进行处理并得到直线电机的X轴和Y轴坐标，所述主控制器将所述直线电机的X轴和Y轴坐标传送至所述从控制器，所述从控制器控制所述两个伺服器使所述直线电机的X轴和Y轴同步运动。

2.根据权利要求1所述的直线电机系统，其特征在于：所述直线电机系统还包括光栅尺，所述光栅尺设置在所述直线电机上，所述光栅尺测量所述直线电机的运动量，所述伺服控制器根据所述光栅尺的反馈信号控制所述直线电机精确运动。

3.根据权利要求2所述的直线电机系统，其特征在于：所述控制输入为PC机输入，所述光栅尺的精度为0.2微米，所述直线电机的运行精度为2微米。

4.一种如权利要求2或3所述的直线电机系统的控制方法，其特征在于：包括如下步骤：

第一步：所述控制输入将同步数据输入至主控制器；

第二步：所述主控制器将所述同步数据进行解码、计算；

第三步：所述主控制器将计算得到的直线电机的X轴和Y轴坐标传送至所述从控制器；

第四步：所述从控制器控制所述两个伺服器使所述直线电机的X轴和Y轴同步运动。

5.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于：还包括如下步骤：

第五步：所述光栅尺将所述直线电机的运动量传送至所述从控制器；

第六步：所述从控制器根据所述光栅尺的反馈信号控制所述直线电机精确运动。

6.一种应用如权利要求1所述的直线电机系统的光刻机，包括激光部件，其特征在于：所述激光部件由所述伺服器控制与所述直线电机的X轴和Y轴同步。

7.根据权利要求6所述的光刻机，其特征在于：所述激光部件的工作状态由所述主控制器控制。