CN112731797A - 一种平面电机运动控制方法、装置及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种平面电机运动控制方法、装置及系统，方法包括：发送运动指令给控制模块，控制模块控制平面电机运动；获取动子的位置的测量数据，将运动指令与测量数据比较得到位置误差e，对测量数据差分得到速度v、加速度a、jerk、snap；将位置误差e与加速度a输入到PID控制器，将a、jerk、snap输入到前馈控制器，并判断：若加速度为0，则PID控制器的积分常数Ki不变，若加速度不为0，将积分常数Ki乘以权重系数k，得到新的积分常数Ki，将误差e与新的积分常数Ki代入PID控制器输出控制量；将PID控制器与前馈控制器输出的控制量叠加控制平面电机运动。本发明能在减小稳态误差的同时，保证超调量较小，能够获得比常规PID控制器更好的控制效果。
Description
技术领域
本发明属于半导体装备技术领域，涉及一种平面电机运动控制方法、装置及系统。
背景技术
光刻机双工件台通过平面电机承载硅片，在不同位置对硅片进行曝光等操作。由于对于硅片的刻蚀精度达到纳米级，因此对工件台的运动控制需要较高的控制精度。
对于应用于光刻机双工件台系统中的运动系统，为了对工件台的运动过程实行高精度稳定控制，使用闭环反馈控制系统对工件台进行精确控制，其控制器为PID控制器，并在控制系统中加入了前馈控制器，以提高系统的响应速度。该前馈控制器的传递函数由加速度、加速度的一阶导数、加速度的二阶导数线性组合而成。在PID控制器中，比例环节能够迅速对误差进行调节，但无法消除稳态误差；积分环节能够对以往系统误差进行累积进而输出控制量，理论上能够完全消除稳态误差，但会增加系统超调量，甚至使系统出现振荡；微分环节适用于有较大滞后特性的被控对象，能有效减小超调量，但对干扰噪声很敏感。
发明内容
本发明的目的在于针对在PID控制器中，积分环节在降低稳态误差的同时，会增加超调量，并可能引起系统振荡的情况，提出一种平面电机运动控制方法、装置及系统，能够尽可能减小比例环节带来的超调，并避免受控对象产生振荡，从而提高双工件台控制系统的控制精度。
本发明的技术方案如下：
一种平面电机运动控制方法，所述平面电机包括动子和定子，方法包括：
S1，发送运动指令给控制模块，控制模块控制平面电机运动；
S2，获取测量模块测量的所述动子的位置的测量数据，将运动指令与测量数据进行比较得到位置误差e，并对测量数据做差分得到速度v、加速度a、加加速度jerk、加加加速度snap；
S3，将位置误差e与加速度a输入到PID控制器，将加速度a、加加速度jerk、加加加速度snap输入到前馈控制器，并进行如下判断：若加速度为0，则所述PID控制器的积分常数Ki不变，若加速度不为0，则将所述积分常数Ki乘以小于1的权重系数k，得到新的积分常数Ki，并将所述误差e与新的积分常数Ki代入PID控制器中输出控制量；
S4，将所述PID控制器输出的控制量与前馈控制器输出的控制量叠加控制所述平面电机运动。
可选地，平面电机定子位于O-XYZ坐标系中，其中，Z向垂直于定子表面，
所述测量模块包括Z向电涡流传感器、X向容栅尺和Y向光栅尺，
所述Z向电涡流传感器用于测量所述动子在Z方向的悬浮高度，
所述X向容栅尺和Y向光栅尺分别用于测量动子在X方向和Y方向的位移。
可选地，所述Z向电涡流传感器沿X向间隔分为多组，且每组分别处于同一X坐标线上。
可选地，还通过两个安装于所述动子的侧面的Y向电涡流传感器测量与参照物的距离，并通过两个Y向电涡流传感器测量值的差值判断动子是否有超过允许范围的偏转，其中，两个Y向电涡流传感器位于同一Y坐标线上。
可选地，所述X向容栅尺的读数头安装于动子侧面，标尺贴于参照物上；
所述Y向光栅尺的读数头安装于所述参照物上，标尺贴于平面电机定子侧面。
本发明还提供一种平面电机运动控制装置，所述平面电机包括动子和定子，装置包括：
指令发送模块，用于发送运动指令给控制模块，控制模块控制平面电机运动；
误差及差分获取模块，用于获取测量模块测量的所述动子的位置的测量数据，将运动指令与测量数据进行比较，得到位置误差e，并对测量数据做差分得到速度v、加速度a、加加速度jerk、加加加速度snap；
控制模块，用于将位置误差e与加速度a输入到PID控制器，将加速度a、加加速度jerk、加加加速度snap输入到前馈控制器，并进行如下判断：若加速度为0，则所述PID控制器的积分常数Ki不变，若加速度不为0，则将积分常数Ki乘以权重系数k，得到新的积分常数Ki，并将所述误差e与新的积分常数Ki代入PID控制器中输出控制量，将所述PID控制器输出的控制量与前馈控制器输出的控制量叠加控制所述平面电机运动。
本发明还提供一种平面电机运动控制系统，包括以上所述的平面电机运动控制装置，还包括：
测量模块，所述测量模块包括Z向电涡流传感器、X向容栅尺和Y向光栅尺，所述Z向电涡流传感器用于测量所述动子在Z方向的悬浮高度，所述X向容栅尺和Y向光栅尺分别用于测量动子在X方向和Y方向的位移，其中，平面电机定子位于O-XYZ坐标系中，其中，Z向垂直于定子表面。
可选地，还包括两个安装于所述动子的侧面的Y向电涡流传感器，且两个Y向电涡流传感器位于同一Y坐标线上，每个Y向电涡流传感器的靶面均为参照物的侧面，根据两Y向电涡流传感器测量值的差值，判断动子是否有超过允许范围的偏转。
可选地，所述定子的表面加工有散热孔。
可选地，所述定子为磁钢阵列，所述动子包括六组三相通电线圈。
本发明根据工件台运动过程中，加速度的绝对值大小，将运动过程分为加减速段与匀速段；对控制工件台平面电机运动的PID控制器，在保证比例系数与微分系数不变的同时，按照加速度的不同改变积分系数的值，从而对平面电机进行控制。本发明能够在尽可能减小稳态误差的同时，保证超调量较小，能够获得比普通PID控制器更好的控制效果。
附图说明
通过结合下面附图对其实施例进行描述，本发明的上述特征和技术优点将会变得更加清楚和容易理解。
图1是本发明实施例的平面电机运动控制方法的流程示意图；
图2是本发明实施例的测量模块的安装位置示意图；
图3是本发明实施例的平面电机的俯视图；
图4是本发明实施例的控制模块的控制框图；
图5是本发明应用在工件台上时工件台运行的时域特性对比图。
图中：1-磁钢阵列；2-散热孔；3-三相通电线圈；
8-Z向电涡流传感器；9-Y向电涡流传感器；11-X向容栅尺；12-Y向光栅尺；13-线缆台。
具体实施方式
下面将参考附图来描述本发明所述的实施例。本领域的普通技术人员可以认识到，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式或其组合对所描述的实施例进行修正。因此，附图和描述在本质上是说明性的，而不是用于限制权利要求的保护范围。此外，在本说明书中，附图未按比例画出，并且相同的附图标记表示相同的部分。
下面结合附图及实施例进一步说明本发明的具体内容。
一种平面电机运动控制方法，所述平面电机包括动子和定子，图2是本实施例的平面电机运动控制系统的俯视图，平面电机的定子为磁钢阵列1，该定子为平面方形，在所述定子上建立有固定坐标系O-XYZ，定子其表面加工有散热孔2。等间距排布的散热孔2，原点O位于定子上表面X方向和Y方向坐标均最小的散热孔中心；固定坐标系O-XYZ中X轴和Y轴分别沿着定子垂直的两边，Z轴垂直于定子上表面向上。
动子包括六组三相通电线圈3，具体的，是三相通电线圈3两两沿Y轴并排并沿X轴方向布置，动子可在电磁力作用下移动。
由于工件台要求位置精度达到纳米级，需要各项控制指标性能优秀，如图1所示，平面电机运动控制方法包括：
S1，发送运动指令给控制模块，控制模块将运动指令转化为控制信号输入到电机驱动器，电机驱动器控制平面电机运动。
具体说，所述运动指令包括动子的运动速度以及加速度，控制模块将运动指令转化为控制信号输入到电机驱动器，由电机驱动器控制电机按照运动指令设置的速度与加速度运动到指定位置。
S2，获取测量模块测量的所述动子的位置的测量数据，并且所述测量数据通过AD转换与标定处理，将运动指令与测量数据进行比较，得到位置误差e，并对测量数据做差分得到速度v、加速度a、加加速度jerk、加加加速度snap；
其中，平面电机定子位于O-XYZ坐标系中，其中，Z向垂直于定子表面，所述测量模块包括Z向电涡流传感器、Y向电涡流传感器、X向容栅尺和Y向光栅尺，所述Z向电涡流传感器的靶面均为定子的上表面，用于测量所述动子在Z方向的悬浮高度。所述Z向电涡流传感器沿X向间隔分为多组，且每组分别处于同一X坐标线上。
所述X向容栅尺和Y向光栅尺分别用于测量动子在X方向和Y方向的位移。所述X向容栅尺的读数头安装于动子侧面，标尺贴于参照物上靠近动子的侧面上；所述Y向光栅尺的读数头安装于所述参照物上，标尺贴于平面电机定子侧面。所述参照物可以是线缆台13。
S3，将位置误差e与加速度a输入到PID控制器，将加速度a、加加速度jerk、加加加速度snap输入到前馈控制器，并进行如下判断：若加速度为0(匀速段)，则所述PID控制器的积分常数Ki不变，若加速度不为0(加减速段)，则将积分常数Ki乘以小于1的权重系数k，得到新的积分常数Ki，并将所述误差e与新的积分常数Ki代入PID控制器中输出控制量。其具体的控制框图如图4所示。
S4，将所述PID控制器输出的控制量与前馈控制器输出的控制量叠加后输入到电机驱动器(即受控对象)，控制所述平面电机运动。
图5是本发明所设计的平面电机运动控制装置应用在双工件台运动系统上的实际运行结果。由图5可知，当在工件台运动的加减速段与匀速段应用不同的积分常数时，超调量相对于在加减速段与匀速段应用不变的积分常数明显减少，而调节时间基本相同，可见本发明具有较好的控制性能。
进一步地，还通过两个安装于所述动子的侧面的Y向电涡流传感器测量与参照物的距离，并通过两个Y向电涡流传感器测量值的差值判断动子是否有超过允许范围的偏转，其中，两个Y向电涡流传感器位于同一Y坐标线上。
本发明还提供一种平面电机运动控制装置，所述平面电机包括动子和定子，装置包括：
指令发送模块，用于发送运动指令给控制模块，控制模块将运动指令转化为控制信号输入到电机驱动器，电机驱动器控制平面电机运动；
误差及差分获取模块，用于获取测量模块测量的所述动子的位置的测量数据，将运动指令与测量数据进行比较，得到位置误差e，并对测量数据做差分得到速度v、加速度a、加加速度jerk、加加加速度snap；
控制模块，用于将位置误差e与加速度a输入到PID控制器，将加速度a、加加速度jerk、加加加速度snap输入到前馈控制器，并进行如下判断：若加速度为0，则所述PID控制器的积分常数Ki不变，若加速度不为0，则将积分常数Ki乘以权重系数k，得到新的积分常数Ki，并将所述误差e与新的积分常数Ki代入PID控制器中输出控制量，将所述PID控制器输出的控制量与前馈控制器输出的控制量叠加后输入到电机驱动器，控制电机运行到指定位置。
测量模块持续检测位置数据并回传，循环执行上述步骤，达到高精度稳定控制的效果。对于前馈控制器及PID控制器，其初始值均通过仿真法设定，每个电机的初始值均单独设定。
还包括偏差判定模块，包括两个Y向电涡流传感器9均安装于所述动子的侧面，且位于同一Y坐标线上，靶面均为线缆台13的侧面，根据两电涡流传感器测量值的差值，判断动子是否有超过允许范围的偏转。
本发明还提供一种种平面电机运动控制系统，包括以上所述的平面电机运动控制装置，还包括：
测量模块，如图2、图3所示，测量模块包括十二个Z向电涡流传感器8、两个Y向电涡流传感器9、一个X向容栅尺11、和一个Y向光栅尺12。
所述十二个Z向电涡流传感器8均安装于所述动子的下表面，靶面均为所述定子的上表面，用于测量所述动子在Z方向的悬浮高度，并且，Z向电涡流传感器8相对于动子的位置固定，共分为三组，且每组分别处于同一X坐标线上。如图2所示，在每个三相通电线圈3上都设置有两个Z向电涡流传感器8，并且，在Y轴方向并排的两个三相通电线圈3的Z向电涡流传感器8都处于同一X坐标线上。
所述X向容栅尺11的读数头安装于动子侧面，标尺贴于线缆台13上靠近动子的侧面上，用于测量所述动子在X方向的运动。
所述Y向光栅尺12的读数头安装于线缆台13上，标尺贴于平面电机定子侧面，用于测量所述动子在Y方向的运动。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种平面电机运动控制方法，所述平面电机包括动子和定子，其特征在于，方法包括：
发送运动指令给控制模块，控制模块控制平面电机运动；
获取测量模块测量的所述动子的位置的测量数据，将所述运动指令与所述测量数据进行比较得到位置误差e，并对所述测量数据做差分得到速度v、加速度a、加加速度jerk、加加加速度snap；
将所述位置误差e与所述加速度a输入到PID控制器，将加速度a、加加速度jerk、加加加速度snap输入到前馈控制器，并进行如下判断：若加速度为0，则所述PID控制器的积分常数Ki不变，若加速度不为0，则将所述积分常数Ki乘以小于1的权重系数k，得到新的积分常数Ki，并将所述误差e与新的积分常数Ki代入PID控制器中输出控制量；
将所述PID控制器输出的控制量与前馈控制器输出的控制量叠加控制所述平面电机运动。
2.根据权利要求1所述的平面电机运动控制方法，其特征在于，
平面电机定子位于O-XYZ坐标系中，其中，Z向垂直于定子表面，
所述测量模块包括Z向电涡流传感器、X向容栅尺和Y向光栅尺，
所述Z向电涡流传感器用于测量所述动子在Z方向的悬浮高度，
所述X向容栅尺和Y向光栅尺分别用于测量动子在X方向和Y方向的位移。
3.根据权利要求2所述的平面电机运动控制方法，其特征在于，
所述Z向电涡流传感器沿X向间隔分为多组，且每组分别处于同一X坐标线上。
4.根据权利要求2所述的平面电机运动控制方法，其特征在于，
还通过两个安装于所述动子的侧面的Y向电涡流传感器测量与参照物的距离，并通过两个Y向电涡流传感器测量值的差值判断动子是否有超过允许范围的偏转，其中，两个Y向电涡流传感器位于同一Y坐标线上。
5.根据权利要求4所述的平面电机运动控制方法，其特征在于，
所述X向容栅尺的读数头安装于动子侧面，标尺贴于参照物上；
所述Y向光栅尺的读数头安装于所述参照物上，标尺贴于平面电机定子侧面。
6.一种平面电机运动控制装置，所述平面电机包括动子和定子，其特征在于，装置包括：
指令发送模块，用于发送运动指令给控制模块，控制模块控制平面电机运动；
误差及差分获取模块，用于获取测量模块测量的所述动子的位置的测量数据，将运动指令与测量数据进行比较，得到位置误差e，并对测量数据做差分得到速度v、加速度a、加加速度jerk、加加加速度snap；
控制模块，用于将位置误差e与加速度a输入到PID控制器，将加速度a、加加速度jerk、加加加速度snap输入到前馈控制器，并进行如下判断：若加速度为0，则所述PID控制器的积分常数Ki不变，若加速度不为0，则将积分常数Ki乘以权重系数k，得到新的积分常数Ki，并将所述误差e与新的积分常数Ki代入PID控制器中输出控制量，将所述PID控制器输出的控制量与前馈控制器输出的控制量叠加控制所述平面电机运动。
7.一种平面电机运动控制系统，其特征在于，包括权利要求6所述的平面电机运动控制装置，还包括：
测量模块，所述测量模块包括Z向电涡流传感器、X向容栅尺和Y向光栅尺，所述Z向电涡流传感器用于测量所述动子在Z方向的悬浮高度，所述X向容栅尺和Y向光栅尺分别用于测量动子在X方向和Y方向的位移，其中，平面电机定子位于O-XYZ坐标系中，其中，Z向垂直于定子表面。
8.根据权利要求7所述的平面电机运动控制系统，其特征在于，
还包括两个安装于所述动子的侧面的Y向电涡流传感器，且两个Y向电涡流传感器位于同一Y坐标线上，每个Y向电涡流传感器的靶面均为参照物的侧面，根据两Y向电涡流传感器测量值的差值，判断动子是否有超过允许范围的偏转。
9.根据权利要求7所述的平面电机运动控制系统，其特征在于，
所述定子的表面加工有散热孔。
10.根据权利要求7所述的平面电机运动控制系统，其特征在于，
所述定子为磁钢阵列，所述动子包括六组三相通电线圈。
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