CN106230339A - 一种直线电机大行程位移精度精密控制方法 - Google Patents
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Abstract
一种直线电机大行程位移精度精密控制方法，该方法包括以下步骤：（1）研究直线电机工作原理，建立直线电机数学模型；（2）在建立直线电机数学模型的基础上，针对系统的动态品质要求进行内膜控制器设计；（3）面对实际控制对象模型误差及驱动器饱和效应对控制器的约束，在内模控制的基础上对控制器结构加以改进建立模型状态反馈控制器；（4）建立直线电机精密位移移动平台轨迹跟踪控制器。本发明应用于直线电机驱动控制系统，在建立直线电机动态数学模型及设计多个控制器基础上，克服了控制直驱伺服系统的非线性、不确定性和动态复杂性，实现了大行程下位移精度精密控制，为微纳级半导体光电特性三维检测仪等大行程、高精度检测提供精准移动平台。
Description
技术领域
本发明属于直线电机精密控制技术领域，具体涉及一种直线电机大行程位移精度精密控制方法。
背景技术
直线电机凭借高速度、高加速、高精度及行程不受限制等特性在物流系统、工业加工与装配、信息及自动化系统、交通与民用以及军事国防领域具有广泛应用。作为自动控制驱动电机，如何克服控制直驱伺服系统的非线性、不确定性和动态复杂性，实现大行程（＞300mm）、高精度精密控制，打破国外技术垄断，成为当下研究的重中之重。由高动态导航技术北京市重点实验室牵头制造的微纳级半导体光电特性三维检测仪，提出一种直流电机大行程位移精度精密控制方法, 利用直线电机进行大行程位移精度精密控制给晶圆级光/电参数测试提供精准移动平台，实现位移精度达0.8μm，满足高密度晶圆检测，对推动我国半导体测试技术以及焦平面光电探测器发展具有重要意义。
现有的直线电机位移控制方法存在控制行程小、抗干扰能力较差以及行程较大时精度变低等问题。和已有的直线电机位移精度精密控制方法一样，有效抑制检测仪工作过程中的XY轴移动挠曲效应误差，提高大行程（＞300mm）下的定位精度，克服干扰误差，实现直线电机驱动位移平台的精密轨迹跟踪控制是一项重要而艰苦的任务。已有的研究工作和成果虽然具有一定的借鉴意义，但由于在微纳级半导体光电特性三维检测仪平台上实现直线电机大行程位移精度精密控制有较大的不同之处，因此具体问题还需具体分析。
发明内容
本发明的目的是为微纳级半导体光电特性三维检测仪等实现大行程、高精度的检测提供大行程位移精度精密控制方法。该方法通过建立直线电机数学模型，针对系统的动态品质要求进行内膜控制器设计，并在内模控制的基础上对控制器结构加以改进建立模型状态反馈控制器，提高系统动态响应和抗饱和性能，在此基础上建立轨迹跟踪控制器，实现直线电机驱动位移平台的精密轨迹跟踪控制。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种直线电机大行程位移精度精密控制方法，包括以下步骤：
步骤1，研究和分析直线电机工作原理，建立直线电机数学模型；
步骤2，在建立直线电机数学模型的基础上，建立内膜控制器，改善系统的动态性能和品质；
步骤3，在内模控制的基础上对控制器结构加以改进建立模型状态反馈控制器，提高系统动态响应和抗饱和性能；
步骤4，建立直线电机精密位移移动平台轨迹跟踪控制器，调节控制器参数，使其达到理想的控制效果。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
（1）本发明提供的一种直线电机大行程位移精度精密控制方法，采用直线电机驱动系统，降低了由于机械传动件弹性变形引起的传动误差和传动系统滞后带来的跟踪误差，使整个闭环控制系统动态响应性能大大提高，从而系统具有定位精度高，传动刚度大的优势；
（2）本发明提供的一种直线电机大行程位移精度精密控制方法，基于模型状态反馈的内模控制器可以克服内模控制器响应慢、无超调、抗干扰能力差等缺点，提高伺服控制系统的响应速度；
（3）本发明提供的一种直线电机大行程位移精度精密控制方法，采用速度前馈可有效提高控制器速度环的动态特性，提高系统的响应速度。加速度前馈则可以减小速度前馈带来的超调量，在不影响伺服系统绝对稳定性的前提下提高控制器轨道跟踪精度；
（4）本发明提供的一种直线电机大行程位移精度精密控制方法，可以实现直线电机驱动位移平台的大行程（＞300mm）、高精度精密轨迹跟踪控制。
附图说明
图1为直流电机工作原理示意图；
图2为一种直线电机大行程位移精度精密控制方法流程图；
图3为直流电机驱动检测晶圆示意图。
具体实施方式
下面结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
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化机构的传动装置，具有高速响应、动刚度高、速度快，行程长度不受限制等突出优点。如图1所示，直线电机的结构可以看作是将一台旋转电机沿径向剖开，并将电机的周围展开成直线形成的，其中定子1是直线电机的初级，转子2相当于直线电机的次级，在初次级之间的气息中产生行波磁场5，励磁绕组3在行波磁场5与次级永磁体4的在作用下产生驱动力，从而实现运动部件的直线运动。但由于直线电机驱动系统没有任何中间缓冲过程，影响控制系统性能的各种扰动因素如非线性摩擦、机械振动等将直接反映到直线电机运动控制中，加上直线电机所固有的力波纹、端部效应等非线性及不确定因素的影响，增加了直线电机的高速、高精度运动控制器设计难度，因此我们提供了一种直线电机大行程位移精度精密控制方法。
本发明提供的一种直线电机大行程位移精度精密控制方法的流程图如图2所示，包括以下步骤：
步骤1，研究直线电机工作原理，建立直线电机数学模型；
直线电机驱动系统由于取消了滚珠丝杠、联轴器等响应时间常数较大的机械传动件，降低了由于这些机械传动件弹性变形引起的传动误差和传动系统滞后带来的跟踪误差，具有高速度、高加速、高精度及行程不受限制等突出优点。所述直线电机数学模型，采用理论推导和系统辨识相结合方法确定直线电机驱动系统传递函数，建立速度环和位置环数学模型为：
其中：为电磁推力系数；为永磁体极距；L为直线电机d、q轴电感；R为初级绕组等效电阻；为黏摩擦系数；M为电机初级质量；为永磁体励基波磁链。为速度环传递函数的误差补偿系数，为位置环传递函数的误差补偿系数。
步骤2，在建立直线电机数学模型的基础上，建立内膜控制器，改善系统的动态性能和品质；
理想内模控制器输出始终等于输入，且可实现完全的扰动重构及跟踪控制，但难于物理实现。因此，通过增加滤波器环节并调整滤波器参数和结构来保证内模控制器的可行性，提高系统的动态品质，设计的内模控制器为
其中：为低通滤波器，为滤波器的阶次，取值为被控对象传递函数分母与分子的阶次差，是滤波器参数，是内模控制器唯一的设计参数。滤波器的调整需要同时兼顾外扰抑制特性和目标跟踪特性折衷处理，通常按外扰抑制特性选定初值，根据具体控制对象加以调整。
步骤3，在内模控制的基础上对控制器结构加以改进建立模型状态反馈控制器，提高系统动态响应和抗饱和性能。
内模控制器具有完全的输入跟踪及干扰重构等优点，但是，内模控制的输出无超调、响应时间慢，且假定控制器的输出完全作用于被控对象，未考虑实际控制对象模型误差及驱动器饱和效应对控制器的约束，对于高速度、高响应的直线电机伺服系统，就需要在传统内模控制的基础上对控制器结构加以改进，在充分发挥内模控制优点的基础上提高内模控制器的动态响应和抗饱和性能。基于模型状态反馈的控制器中MSF的控制量和输出的估计值分别为：
其中，为被控对象状态反馈矩阵，为MSF控制器增益，为被控对象状态矢量。MSF控制器设计关键在于增益和反馈增益矩阵计算。
步骤4，建立直线电机精密位移移动平台轨迹跟踪控制器。
直线电机精密位移移动平台轨迹跟踪控制器中，轨迹规划模块用于平台位移、速度和加速度规划；反馈校正采用PID/MSF级联控制器，其中PID控制器用来保证平台稳定性和鲁棒性，MSF控制器用于控制对直线电机的速度环，复合前馈控制由速度前馈和加速度前馈两部分组成。
大行程下位移精度精密控制方法主要应用于微纳级半导体光电特性三维检测仪通过直线电机驱动检测晶圆。结合图3，针对晶圆自身翘曲以及厚度不均匀性，进行探针大行程下高精度定位与压力控制实现需要大行程下位移精度精密控制方法。由于直线电机的输出速度是由精密光栅编码器位置信号差分得到的，为了避免差分运算带来的高频干扰信号，采用直线电机的位置信号作为参数辨识的输出信号实现直线电机参数辨识，在此基础上完成模型状态反馈控制器设计和速度前馈/加速度前馈控制器设计，上述设计克服了传统内模控制响应慢、无超调及抗饱和性能差等缺点。该级联控制器与速度/加速度前馈控制相结合，构成了PID/MSF+VFC/AFC复合轨迹跟踪控制器。 目前微纳级半导体光电特性三维检测仪可实现XY轴＞300mm行程检测，定位精度达0.8µm。
综上所述，本发明提供的方法为直线电机大行程位移精度精密控制方法奠定了基础。并在微纳级半导体光电特性三维检测仪测试中达到了理想的控制效果。
最后应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (4)
1.一种直线电机大行程位移精度精密控制方法，包括以下步骤，
步骤1，研究和分析直线电机工作原理，建立直线电机数学模型；
步骤2，在建立直线电机数学模型的基础上，建立内膜控制器，改善系统的动态性能和品质；
步骤3，在内模控制的基础上对控制器结构加以改进建立模型状态反馈控制器，提高系统动态响应和抗饱和性能；
步骤4，建立直线电机精密位移移动平台轨迹跟踪控制器，调节控制器参数，使其达到预期的控制效果，
其特征在于，直线电机精密位移移动平台轨迹跟踪控制器中，轨迹规划模块用于速度、加速度和平台位移规划；反馈校正采用PID/MSF级联控制器。
2.根据权利要求1所述的一种直线电机大行程位移精度精密控制方法，特点如下：该直线电机数学模型，将理论推导和系统辨识结合来确定直线电机驱动系统传递函数，并分别建立速度环和位置环数学模型：
其中：为电磁推力系数；为永磁体极距；L为直线电机d、q轴电感；R为初级绕组等效电阻；为黏摩擦系数；M为电机初级质量； 为永磁体励基波磁链，为速度环传递函数的误差补偿系数，为位置环传递函数的误差补偿系数。
3.根据权利要求1所述的一种直线电机大行程位移精度精密控制方法，特点如下：通过增加滤波器环节并调整滤波器参数和结构来保证内模控制器的可行性，来达到提高系统的动态性能和品质的目标，设计的内模控制器为：
其中：为低通滤波器，为滤波器的阶次，取值为被控对象传递函数分母与分子的阶次差，是滤波器参数，是内模控制器唯一的设计参数，为低通滤波器误差补偿系数。
4.根据权利要求1所述的一种直线电机大行程位移精度精密控制方法，特点如下：在已有内模控制器的基础上对控制器结构加以改进和完善，在充分发挥内模控制优点，提高内模控制器的动态响应和抗饱和性能，基于模型状态反馈的控制器中MSF的控制量和输出的估计值分别为：
其中，为被控对象状态反馈矩阵，为MSF控制器增益，为被控对象状态矢量，MSF控制器设计关键在于增益和反馈增益矩阵计算，为MSF误差补偿系数，为输出误差补偿系数。
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