CN112548598B - 一种模式切换刚柔耦合运动平台及控制方法 - Google Patents

一种模式切换刚柔耦合运动平台及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明实施例公开了一种刚柔耦合运动平台的模式切换控制方法，包括：获取运动平台的当前位置，并判断当前位置与目标位置之间的差距是否在运动平台的柔性铰链的形变范围内；若当前位置与目标位置之间的差距不在柔性铰链的形变范围内，则保持电机为三相交流驱动模式，保持所述电机的三相导通以驱动运动平台接近目标位置；若当前位置与目标位置之间的差距在柔性铰链的形变范围内，则锁定运动平台的刚性框架，所述电机切换为单相直流驱动模式，选择所述电机的两电极导通形成单相电流闭环控制，以使柔性铰链形变来弥补当前位置与目标位置之间的差距以到达目标位置。本发明控制效率高，可实现长行程纳米级的定位。

Description

一种模式切换刚柔耦合运动平台及控制方法
技术领域
本发明涉及运动平台，尤其涉及一种模式切换刚柔耦合平台及控制方法。
背景技术
现有的刚柔耦合运动平台，融合长行程直线平台与柔性铰链纳米平台，通过弹性变形补偿摩擦死区，精度更高，已经广泛应用于高速精密制造装备中。在控制上，将非线性摩擦扰动转换为弹性扰动进行补偿，理论上可以实现零误差控制。然而，由于直线电机的制造误差，用于矢量控制的三相绕组的电阻和电感往往不一致，造成三相电流叠加后产生电流波动，容易引起刚度相对较低的柔性铰链振动。另一方面，现有位置、速度、电流三个环路控制中，位置环的响应速度远低于电流环，因此，即便采用了无摩擦的气浮平台，精度也只能实现亚微米级。
当采用音圈电机驱动时，由于磁场恒定，单一线圈的电阻和电感也恒定，控制力波动小，能够实现更高的控制精度。当采用音圈电机控制柔性铰链时，现有的控制方法，精度可以达到柔性铰链行程的万分之一到十万分之一。
因此，光刻机平台采用直线电机驱动的刚性平台串联音圈电机驱动的柔性平台的宏微复合方式来实现长行程纳米级定位。但是存在切换控制效率低、两套驱动成本高的弊端。
发明内容
本发明实施例所要解决的技术问题在于，针对现有的刚柔耦合平台切换控制效率低、两套驱动成本高的缺陷，提供一种模式切换刚柔耦合运动平台的控制方法，以实现长行程纳米级定位精度的运动平台的高效率控制。
为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种模式切换刚柔耦合运动平台的控制方法，包括：
获取所述运动平台的当前位置，并判断所述当前位置与目标位置之间的差距是否在所述运动平台的柔性铰链的形变范围内；
若所述当前位置与所述目标位置之间的差距不在所述柔性铰链的形变范围内，则保持电机为三相交流驱动模式，保持所述电机的三相导通以驱动所述运动平台接近所述目标位置；
若所述当前位置与所述目标位置之间的差距在所述柔性铰链的形变范围内，则将所述电机切换为单相直流驱动模式，选择所述电机的任意两电极导通形成单相电流闭环控制，以使所述柔性铰链形变来弥补所述当前位置与所述目标位置之间的差距以到达所述目标位置。
另一方面，本发明实施例还提供了一种模式切换刚柔耦合运动平台的控制系统，包括：
位置获取单元，用于获取所述运动平台的当前位置；
判断单元，用于判断所述当前位置与目标位置之间的差距是否在所述运动平台的柔性铰链的形变范围内；
控制单元，用于根据所述判断单元的判断结果，在不同的控制方式之间切换以控制驱动所述运动平台的三相电机；若所述当前位置与所述目标位置之间的差距不在所述柔性铰链的形变范围内，则保持电机为三相交流驱动模式，保持所述电机的三相导通以驱动所述运动平台接近所述目标位置；若所述当前位置与所述目标位置之间的差距在所述柔性铰链的形变范围内，则将所述电机切换为单相直流驱动模式，选择所述电机的其中两电极导通形成单相电流闭环控制，以使所述柔性铰链形变来弥补所述当前位置与所述目标位置之间的差距以到达所述目标位置。
又一方面，本发明实施例还提供了一种模式切换刚柔耦合运动平台，包括导轨、在导轨上运动的刚性框架、柔性铰链、通过所述柔性铰链连接在所述框架内的工作台、驱动所述刚性框架和柔性铰链运动的三相电机以及接触切换装置，所述接触切换装置安装在所述刚性框架上，用于控制所述刚性框架与所述导轨接触或非接触，所述运动平台是用上述方法进行控制的。
实施本发明实施例，具有如下有益效果：本发明的刚柔耦合运动平台，在大行程运动过程中，由三相电机进行位置、速度和电流三环控制，实现高速运动。当运动平台的位置误差小于柔性铰链行程时，锁定刚性框架，判断三相电机的转子位置，切换成单相电流闭环控制模式。本申请的控制方法，对同一个三相电机，实现了两种控制方式，第一种三相交流驱动模式适合长行程低精度运动控制，第二种单相直流驱动模式，也就是单相电流闭环控制方式将三相电机等效为音圈电机，适合短行程高精度控制。二者的结合，实现了两种控制方式的优点，但是却可以避免采用两套控制系统，避免了在不同控制系统之间切换，提高了控制效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明提供的第一实施例控制方法流程图；
图2是本发明提供的第二实施例控制系统方框图；
图3是本发明提供的模式切换刚柔耦合平台结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
控制方法
请参见图1，本申请实施例提供了一种模式切换刚柔耦合运动平台的控制方法，包括如下步骤：
步骤S101，获取所述运动平台的当前位置。在本申请的实施例中，所述位置可以通过光栅尺、编码器或者磁栅来获取。
步骤S102，判断所述当前位置与目标位置之间的差距是否在所述运动平台的柔性铰链的形变范围内。在运动平台正常工作前，所述目标位置作为初始参数被设置好了。位置获取单元(例如光栅尺、编码器或者磁栅)可以实时获取所述运动平台的当前位置，并将当前位置与所述目标位置进行比较，判断二者之间的差距是否在柔性铰链的形变范围内。
步骤S103，若所述当前位置与所述目标位置之间的差距不在所述柔性铰链的形变范围内，则进入三相交流驱动模式。三相交流驱动模式有多种实现方式，例如磁场定向控制(FOC)和方波控制。在该控制模式下，所述当前位置和所述目标位置被输入到位置环、速度环和电流环内，控制三相电机驱动所述运动平台接近所述目标位置。
步骤S104，若所述当前位置与所述目标位置之间的差距在所述柔性铰链的形变范围内，则进入单相直流驱动模式，即单相电流闭环控制模式。在该控制模式下，对于气浮运动平台，所述运动平台的刚性框架被锁定，从而所述刚性框架被固定在导轨上，无法进行长行程运动。选择三相电机的三个电极中的两个导通，也就是导通所述三相电机的三个绕组中的两个绕组，以使所述柔性铰链发生形变，通过形变带动工作平台继续运动，来弥补所述当前位置与所述目标位置之间的差距以到达所述目标位置。
本申请实施例提供的控制方法，在长行程运动过程中，直线电机的三相电极全部导通，电机由三个环路进行控制，实现高速运动。当运动到目标位置附近，当前位置与目标位置之间的差距小于柔性铰链的形变时，运动平台的框架被锁定，并切换控制方式，改成单相电流闭环控制，实现高精度定位。这两种控制方式作用在同一个三相电机上，不同控制方式之间切换效率高，成本低。
进一步地，在本申请的一个实施例中，所述单相电流闭环控制包括：
获取驱动所述运动平台的电机的转子的位置；
根据所述转子的位置、所述当前位置和所述目标位置，从所述三相电机的三相逆变电路中选择合适的桥臂通电以导通对应的电机绕组，从而将三相电机等效为音圈电机。
进一步地，在本申请的一个实施例中，所述转子的位置通过霍尔位置传感器或编码盘获取。
进一步地，在本申请的一个实施例中，根据所述转子的位置、所述当前位置和所述目标位置，从所述三相电机的三相逆变电路中选择合适的桥臂通电以导通对应的电机绕组包括：
若所述当前位置与所述目标位置的差值为负数，则从所述三相电机的三相逆变电路中选择合适的桥臂通电以使所述三相电机正向转动；
若所述当前位置与所述目标位置的差值为正数，则从所述三相电机的三相逆变电路中选择合适的桥臂通电以使所述三相电机反向转动。
若所述当前位置与所述目标位置的差值为负数，意味着所述运动平台还没有到达目标位置，转子需要继续正转以使运动平台继续向前靠近所述目标位置。若所述当前位置与所述目标位置的差值为正数，意味着所述运动平台超出了目标位置，转子需要反转以使运动平台后退靠近所述目标位置。
进一步地，在本申请的一个实施例中，根据所述转子的位置、所述当前位置和所述目标位置，从所述三相电机的三相逆变电路中选择合适的桥臂通电以导通对应的电机绕组还包括：
根据所述转子的位置，从所述三相电机的三相逆变电路中选择两相桥臂分别输入正电压和负电压，以使所述三相电机的输出力最大。
下面以霍尔位置传感器为例，阐述如何根据转子的位置，从所述三相电机的三相逆变电路中选择两相桥臂分别输入正电压和负电压，以使所述三相电机的输出力最大。
假设永磁同步电机(PMSM)的霍尔位置传感器信号与电机的三相逆变电路中的三个桥臂A、B和C之间的信号输入的关系如下：
表1 PMSM正转桥臂电压选择
Figure GDA0003426439920000051
表2 PMSM反转桥臂电压选择
Figure GDA0003426439920000052
其中“+”和“-”分别表示该相的上桥臂和下桥臂。例如A+表示A相的上桥臂，A-表示A相的下桥臂。“√”表示该桥臂导通。正转时，霍尔传感器的状态值依次为：101-001-011-010-110-100；反转时，霍尔传感器的状态值依次为：100-110-010-011-001-101。
情况1：
当运动平台的刚性框架锁定时，若位置差距(即当前位置值-目标位置值)为负值，即运动平台需要正向运动补偿差距。因此锁定刚性框架后，读取当前霍尔位置信号。假设当前霍尔位置信号为：101，那么要使运动平台正向运动，则下一时刻切换控制模式(关闭FOC控制，只控制单相线圈)，霍尔位置信号应该为001，那么只需要单独将B相下桥臂和C相上桥臂导通即可进入电流环闭环控制模式，柔性铰链受力发生形变，补偿最后的位置差距，达到超精密定位目的。
情况2：
当运动平台的刚性框架锁定时，若位置差距(当前位置值-目标位置值)为正值，即运动平台需要反向运动补偿差距。因此锁定刚性框架后，读取当前霍尔位置信号。假设当前霍尔位置信号为：001，那么要使运动平台反向运动，则下一时刻切换控制模式(关闭FOC控制，只控制单相线圈)，霍尔位置信号应该为101，那么只需要单独将A相下桥臂和B相上桥臂导通即可进入电流环闭环控制，柔性铰链受力发生形变，补偿最后的位置差距，达到超精密定位目的。
在本发明的一个优选实施例中，在所述单相电流闭环控制下，测量所述柔性铰链的当前形变量，并根据所述柔性铰链的目标形变量和刚度，计算出到达所述目标位置所需要的电流，并将计算出的所述电流输入到所述绕组中。通过直接计算出所需的电流，可以进一步提高控制效率。
控制系统
请参阅图2，本申请实施例提供了一种模式切换刚柔耦合运动平台的控制系统，包括：
位置获取单元100，用于获取所述运动平台的当前位置；
判断单元200，用于判断所述当前位置与目标位置之间的差距是否在所述运动平台的柔性铰链的形变范围内；
控制单元300，用于根据所述判断单元的判断结果，在不同的控制方式之间切换以控制驱动所述运动平台的三相电机400；若所述当前位置与所述目标位置之间的差距不在所述柔性铰链的形变范围内，则保持电机为三相交流驱动模式，保持所述电机的三相导通以驱动所述运动平台接近所述目标位置；若所述当前位置与所述目标位置之间的差距在所述柔性铰链的形变范围内，则将所述电机切换为单相直流驱动模式，选择所述电机的任意两电极导通形成单相电流闭环控制，以使所述柔性铰链形变来弥补所述当前位置与所述目标位置之间的差距以到达所述目标位置。
控制系统的具体工作原理已经在上述控制方法的实施例中进行了详细阐述，在此不再累述。
刚柔耦合运动平台
如图3所示，本申请实施例提供了一种模式切换刚柔耦合运动平台，包括导轨1、在导轨上运动的刚性框架21、柔性铰链23、通过所述柔性铰链23连接在所述框架21内的工作台22、驱动所述刚性框架21和柔性铰链23运动的三相电机3以及接触切换装置5，所述接触切换装置5安装在所述刚性框架21上，用于控制所述刚性框架21与所述导轨1接触或非接触。所述刚性框架21、工作台22和柔性铰链23可一体成型成刚柔耦合平台2。所述导轨1可为气浮导轨。气浮导轨1经研磨，具有较好的直线度和平面度，较直线导轨更能满足光刻等对直线度和精度都有高要求的场合。通过给气道24接入压缩空气，使得刚柔耦合平台2浮于气浮导轨1上。
三相电机3安装在工作平台22的底部，用于驱动整个刚柔耦合平台2在气浮导轨1上运动。三相电机3的驱动方式为非接触驱动方式。
在具体实施过程中，检测组件4安装在刚柔耦合平台2上(具体安装在工作平台22下)，用于检测所述运动平台的位移和速度。在本申请的一个实施例中，检测组件4还可以测量柔性铰链23的形变量。检测组件4还可以检测刚性框架21的位移和速度。
在具体实施过程中，请参考图3，接触切换装置5包括固定安装在刚性框架21上的定子51和设置在定子51上且可伸缩的动子52，控制动子52伸缩可实现框架21与气浮导轨1的接触切换。在具体实施过程中，接触切换装置5的作动器可采用多种形式，如气缸、压电、磁致伸缩材料、音圈电机、直线电机和电磁开关等状态切换装置。
具体地，本刚柔耦合平台可采用上述的控制方法进行控制。
首先，可通过检测组件4获取所述运动平台的当前位置。
接着，可通过控制组件(未示出)判断所述当前位置与目标位置之间的差距是否在所述运动平台的柔性铰链的形变范围内。在运动平台正常工作前，所述目标位置作为初始参数被设置在控制组件中。检测组件4可以实时获取所述运动平台的当前位置，然后发送给控制组件，控制组件将当前位置与所述目标位置进行比较，判断二者之间的差距是否在柔性铰链的形变范围内。
若所述当前位置与所述目标位置之间的差距不在所述柔性铰链的形变范围内，则控制组件进入FOC控制模式。在该控制模式下，所述当前位置和所述目标位置被输入到控制组件的位置环、速度环和电流环内，控制三相电机3驱动所述运动平台接近所述目标位置。
若所述当前位置与所述目标位置之间的差距在所述柔性铰链的形变范围内，则控制组件进入单相电流闭环控制模式。在该控制模式下，所述运动平台的刚性框架21被所述接触切换装置5锁定，从而所述刚性框架21被固定在导轨1上，无法进行长行程运动。导通所述三相电机4的三个绕组中的两个绕组，以使所述柔性铰链23发生形变，通过形变带动工作平台22继续运动，来弥补所述当前位置与所述目标位置之间的差距以到达所述目标位置。
以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。

Claims (10)

1.一种刚柔耦合运动平台的模式切换控制方法，其特征在于，包括：
获取所述运动平台的当前位置，并判断所述当前位置与目标位置之间的差距是否在所述运动平台的柔性铰链的形变范围内；
若所述当前位置与所述目标位置之间的差距不在所述柔性铰链的形变范围内，则保持电机为三相交流驱动模式，保持所述电机的三相导通以驱动所述运动平台接近所述目标位置；
若所述当前位置与所述目标位置之间的差距在所述柔性铰链的形变范围内，则将所述电机切换为单相直流驱动模式，选择所述电机的其中两电极导通形成单相电流闭环控制，以使所述柔性铰链形变来弥补所述当前位置与所述目标位置之间的差距以到达所述目标位置；
其中，所述单相电流闭环控制包括：获取驱动所述运动平台的电机的转子的位置；根据所述转子的位置、所述当前位置和所述目标位置，从三相电机的三相逆变电路中选择合适的桥臂通电以导通对应的电机绕组，从而将三相电机等效为音圈电机。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述转子的位置通过霍尔位置传感器或编码盘获取。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述转子的位置、所述当前位置和所述目标位置，从所述三相电机的三相逆变电路中选择合适的桥臂通电以导通对应的电机绕组包括：
若所述当前位置与所述目标位置的差值为负数，则从所述三相电机的三相逆变电路中选择合适的桥臂通电以使所述三相电机正向转动；
若所述当前位置与所述目标位置的差值为正数，则从所述三相电机的三相逆变电路中选择合适的桥臂通电以使所述三相电机反向转动。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，根据所述转子的位置、所述当前位置和所述目标位置，从所述三相电机的三相逆变电路中选择合适的桥臂通电以导通对应的电机绕组还包括：
根据所述转子的位置，从所述三相电机的三相逆变电路中选择两相桥臂分别输入正电压和负电压，以使所述三相电机的输出力最大。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述单相电流闭环控制下，测量所述柔性铰链的当前形变量，并根据所述柔性铰链的目标形变量和刚度，计算出到达所述目标位置所需要的电流，并将计算出的所述电流输入到所述电机绕组中。
6.一种刚柔耦合运动平台的模式切换控制系统，其特征在于，包括：
位置获取单元，用于获取所述运动平台的当前位置；
判断单元，用于判断所述当前位置与目标位置之间的差距是否在所述运动平台的柔性铰链的形变范围内；
控制单元，用于根据所述判断单元的判断结果，在不同的控制方式之间切换以控制驱动所述运动平台的三相电机；若所述当前位置与所述目标位置之间的差距不在所述柔性铰链的形变范围内，则保持电机为三相交流驱动模式，保持所述电机的三相导通以驱动所述运动平台接近所述目标位置；若所述当前位置与所述目标位置之间的差距在所述柔性铰链的形变范围内，则将所述电机切换为单相直流驱动模式，选择所述电机的其中两电极导通形成单相直流电流闭环控制，以使所述柔性铰链形变来弥补所述当前位置与所述目标位置之间的差距以到达所述目标位置；
所述单相直流电流闭环控制包括：
获取驱动所述运动平台的电机的转子的位置；
根据所述转子的位置、所述当前位置和所述目标位置，从所述三相电机的三相逆变电路中选择合适的桥臂通电以导通对应的电机绕组，从而将三相电机等效为音圈电机。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述转子的位置通过霍尔位置传感器或编码盘获取。
8.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，根据所述转子的位置、所述当前位置和所述目标位置，从所述三相电机的三相逆变电路中选择合适的桥臂通电以导通对应的电机绕组包括：
若所述当前位置与所述目标位置的差值为负数，则从所述三相电机的三相逆变电路中选择合适的桥臂通电以使所述三相电机正向转动；
若所述当前位置与所述目标位置的差值为正数，则从所述三相电机的三相逆变电路中选择合适的桥臂通电以使所述三相电机反向转动。
9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，根据所述转子的位置、所述当前位置和所述目标位置，从所述三相电机的三相逆变电路中选择合适的桥臂通电以导通对应的电机绕组还包括：
根据所述转子的位置，从所述三相电机的三相逆变电路中选择两相桥臂分别输入正电压和负电压，以使所述三相电机的输出力最大。
10.一种模式切换刚柔耦合运动平台，包括导轨、在导轨上运动的刚性框架、柔性铰链、通过所述柔性铰链连接在所述框架内的工作台、驱动所述刚性框架和柔性铰链运动的三相电机以及接触切换装置，所述接触切换装置安装在所述刚性框架上，用于控制所述刚性框架与所述导轨接触或非接触，其特征在于，所述运动平台采用如权利要求1-5任一项所述的控制方法。
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