專利名稱：一種提高永磁直線電機運動精度的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電機工程技術(shù)領(lǐng)域，特別是關(guān)于一種提高永磁直線電機運動精度的方法。
背景技術(shù)：
直線電機作為光刻機的超精密工件臺，是光刻機的核心部件之一，其運動精度直接影響光刻機的分辨力。因為光刻機屬于精密設(shè)備，對其運動系統(tǒng)的精度要求非常高，所以直線電機作為其中初步定位裝置，其精度也需要達到微米級。因此，如何進一步提高系統(tǒng)運動精度，成為很多專業(yè)人士研究的課題。
在中國專利第CN1592051號中揭示了直線電機通過改進支承，散熱結(jié)構(gòu)，震動隔離等方法來提高精度。但這種方法，精度提高范圍有限，而且加工、設(shè)計難度很高。因此，本發(fā)明采用改進控制方法來提高精度。
控制方法有很多，在工業(yè)伺服控制領(lǐng)域中主要采用PID控制(比例積分微分控制)，但是由于存在推力波動、負載變化、摩擦力等非線性因素，對高精密設(shè)備會有嚴重的影響。在中國專利第CN1536456號中揭示了直線電機的一種模糊自調(diào)整PID控制方法，其中提出采用模糊控制的方法，可以一定程度上提高精度和響應(yīng)速度，但是提高范圍有限，而且一旦模糊控制模塊做好就不可改變系統(tǒng)精度。這種方法在高精密的光刻機運動系統(tǒng)中，是無法滿足更改控制精度的要求的。
請參照圖1，圖1是磁鐵和線圈的平衡位置示意圖，直線電動機中，磁鐵和線圈由于磁力吸引，產(chǎn)成了一系列平衡位置，線圈受到磁鐵的吸引移至趨向平衡的位置。將線圈移動離開平衡位置或?qū)⒕€圈移向平衡位置需要更大的力。請參照圖2，圖2是直線電機在運動過程中受力的示意圖，從中可以看出直線電機在運動過程中受到的力是波動的。由于力的波動，直線電機的動子在慣性影響下會造成運動的不穩(wěn)定，引起位移精度下降。

發(fā)明內(nèi)容
為解決上述現(xiàn)有技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種提高永磁直線電機運動精度的方法，采用前饋控制以改善輸出波動，在不增加控制復(fù)雜性的前提下，提高直線電機運動精度，減少硬件，提高系統(tǒng)的可靠性。
本發(fā)明提供的提高永磁直線電機運動精度的方法，為PID控制模塊、驅(qū)動器、電動機順序連接，在交流直線電機閉環(huán)控制的基礎(chǔ)上，在驅(qū)動器前加入修正表，當(dāng)電機運動到修正表中所記錄的位置時，就按表中的附加力的值，加入前饋控制信號，以抵消磁力。
其中所述的修正表由一定運動范圍內(nèi)固定間隔的一系列位置的附加力組成，其范圍(起始位置和終止位置)由設(shè)備所需要的精確定位的范圍確定，而固定間隔越小則運動越趨于平穩(wěn)，精度越高。此修正表，是通過在一定范圍內(nèi)移動電動機，并同時采集電動機的電流信號和位置信號，將電流值換算為力值，再將采集到的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)處理而得到的。
由于采用前饋，可以利用盡可能簡單的方法實現(xiàn)前饋控制以改善輸出波動，同時在不增加控制復(fù)雜性的前提下提高位置精度，減少硬件，提高了系統(tǒng)的可靠性。


圖1是磁鐵和線圈及其平衡位置示意圖。
圖2是直線電機運動過程中受力示意圖。
圖3是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式
本發(fā)明是關(guān)于一種提高永磁直線電機運動精度的方法。本發(fā)明的一個具體實施例為先將前饋信號表清零，表的大小根據(jù)系統(tǒng)的運算能力，運動范圍確定。然后，控制電機移動到起始位置，以較慢的速度移動到終止位置(才可以精確補償磁力影響)；利用位置采集傳感器，例如公知的編碼器，一種光柵尺，可以通過相對移動采集位置信息，精度可達微米級，采集實際位移信息，同時采集每個位置所對應(yīng)的電磁力(所對應(yīng)的電機的電流值轉(zhuǎn)換為力值，電流與力值之間的關(guān)系是線性)。再從終止位置以較慢的速度移動到到起始位置，同時進行位置和電磁力的信號采集。接著，將采集的正向信號(直線電動機的電流值經(jīng)過換算為力值)，求平均值，從該組數(shù)據(jù)中減去平均值，即只留下波動值。再使用濾波算法，例如公知的低通濾波算法，對其進行信號進行過濾；再將數(shù)組倒置再使用一次濾波，將數(shù)組倒置回原序列，這樣能夠更加真實的反映信號減小失真。其使用數(shù)據(jù)處理方法，可以采用公知的線性插值法，確定各個實際位置上的附加力的值。然后，再對反向的數(shù)據(jù)做與正向數(shù)據(jù)同樣的處理。這樣，同一位置就有兩個數(shù)據(jù)(附加力的值)，對其取平均作為修正表在該位置上的附加力的值。最后，找出修正表中的最大、最小值，判斷兩者之差是否小于允許波動的范圍，如果不滿足則將該次得到的修正表與原修正表累加作為新的修正表，此次不必清零，再開始進行新的采樣與數(shù)據(jù)處理，直到所得到新的修正表的最大、最小值之差滿足條件(由所需要的精度確定)為止。
在電機控制過程中，在運行到修正表中做記錄的位置時，將引入前饋信號修正表中記錄的附加力的值并將其換算成電流量，作為電機控制的輸入量。另外，在使用修正表前后，采集電動機電磁力信號，可以計算其波動量。在未使用修正表前，采集到直線電機的電磁力波動達25牛頓，而經(jīng)過修正表的校準后，采集的電機的電磁力波動可以減小到0.25牛頓。
下面結(jié)合附圖和具體實施方案，對本發(fā)明作進一步的說明。
圖1為磁鐵和線圈及其平衡位置示意圖。1表示直線電動機中的磁鐵和線圈，由于磁力的吸引，產(chǎn)成了一系列平衡位置2，而線圈受到磁鐵的吸引移至趨向平衡的位置。
圖2是直線電機運動過程中受力示意圖。因為將線圈移動離開平衡位置或?qū)⒕€圈移向平衡位置需要更大的力，所以直線電機在運動過程中所受到的力是波動的，波動曲線4在波動范圍3之間。
圖3是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。PID控制模塊、驅(qū)動器、電動機順序連接，形成交流直線電機的閉環(huán)控制，在驅(qū)動器前加入修正表，當(dāng)電機運動到修正表中所記錄的位置時，就按表中的附加力的值，加入前饋控制信號，以抵消磁力。
以上介紹的僅僅是基于本發(fā)明的較佳實施例，并不能以此來限定本發(fā)明的范圍。任何對本發(fā)明的裝置作本技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)熟知的部件的替換、組合、分立，以及對本發(fā)明實施步驟作本技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)熟知的等同改變或替換均不超出本發(fā)明的揭露以及保護范圍。
權(quán)利要求
1.一種提高永磁直線電機運動精度的方法，PID控制模塊、驅(qū)動器、電動機順序連接，其特征是在交流直線電機閉環(huán)控制的基礎(chǔ)上，在驅(qū)動器前加入修正表，當(dāng)電機運動到修正表中所記錄的位置時，就按表中的附加力的值，加入抵消磁力的前饋控制信號。
2.如權(quán)利要求1所述的提高永磁直線電機運動精度的方法，其特征在于所述的修正表由一定運動范圍內(nèi)固定間隔的一系列位置的附加力組成，其起始位置和終止位置由設(shè)備所需要的精確定位的范圍確定。
3.如權(quán)利要求1所述的提高永磁直線電機運動精度的方法，其特征在于所述的修正表，是通過在一定范圍內(nèi)移動電動機，并同時采集電動機的電流信號和位置信號，將電流值換算為力值，再將采集到的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)處理而得到的。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種提高永磁直線電機運動精度的方法。它是在PID控制模塊、驅(qū)動器、電動機組成的直線電動機閉環(huán)控制的基礎(chǔ)上，在驅(qū)動器前加入修正表，當(dāng)電機運動到修正表中所記錄的位置時，就按表中的附加力的值，加入前饋控制信號，這樣就相當(dāng)于施加一個反向的力，從而降低了系統(tǒng)波動的程度。本發(fā)明利用盡可能簡單的方法實現(xiàn)前饋控制以改善輸出波動，同時在不增加控制復(fù)雜性的前提下提高位置精度、減少硬件、提高系統(tǒng)的可靠性。
文檔編號G05D13/00GK1897453SQ20061002770
公開日2007年1月17日 申請日期2006年6月13日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月13日
發(fā)明者李娟 申請人:上海微電子裝備有限公司