專利名稱：一種提高永磁直線電機運動精度的方法
技術領域：
本發明涉及電機工程技術領域，特別是關于一種提高永磁直線電機運動精度的方法。
背景技術：
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備，對其運動系統的精度要求非常高，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運動精度，成為很多專業人士研究的課題。
在中國專利第CN1592051號中揭示了直線電機通過改進支承，散熱結構，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、設計難度很高。因此，本發明采用改進控制方法來提高精度。
控制方法有很多，在工業伺服控制領域中主要采用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精度。這種方法在高精密的光刻機運動系統中，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將線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定，引起位移精度下降。
發明內容
為解決上述現有技術問題，本發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，在不增加控制復雜性的前提下，提高直線電機運動精度，減少硬件，提高系統的可靠性。
本發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、驅動器、電動機順序連接，在交流直線電機閉環控制的基礎上，在驅動器前加入修正表，當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，精度越高。此修正表，是通過在一定范圍內移動電動機，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，再將采集到的數據進行數據處理而得到的。
由于采用前饋，可以利用盡可能簡單的方法實現前饋控制以改善輸出波動，同時在不增加控制復雜性的前提下提高位置精度，減少硬件，提高了系統的可靠性。
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是本發明的結構示意圖。
具體實施例方式
本發明是關于一種提高永磁直線電機運動精度的方法。本發明的一個具體實施例為先將前饋信號表清零，表的大小根據系統的運算能力，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的電磁力(所對應的電機的電流值轉換為力值，電流與力值之間的關系是線性)。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過換算為力值)，求平均值，從該組數據中減去平均值，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；再將數組倒置再使用一次濾波，將數組倒置回原序列，這樣能夠更加真實的反映信號減小失真。其使用數據處理方法，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，再對反向的數據做與正向數據同樣的處理。這樣，同一位置就有兩個數據(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據處理，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。
下面結合附圖和具體實施方案，對本發明作進一步的說明。
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將線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是本發明的結構示意圖。PID控制模塊、驅動器、電動機順序連接，形成交流直線電機的閉環控制，在驅動器前加入修正表，當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明的較佳實施例，并不能以此來限定本發明的范圍。任何對本發明的裝置作本技術領域內熟知的部件的替換、組合、分立，以及對本發明實施步驟作本技術領域內熟知的等同改變或替換均不超出本發明的揭露以及保護范圍。
權利要求
1.一種提高永磁直線電機運動精度的方法，PID控制模塊、驅動器、電動機順序連接，其特征是在交流直線電機閉環控制的基礎上，在驅動器前加入修正表，當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備所需要的精確定位的范圍確定。
3.如權利要求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，再將采集到的數據進行數據處理而得到的。
全文摘要
本發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、驅動器、電動機組成的直線電動機閉環控制的基礎上，在驅動器前加入修正表，當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，這樣就相當于施加一個反向的力，從而降低了系統波動的程度。本發明利用盡可能簡單的方法實現前饋控制以改善輸出波動，同時在不增加控制復雜性的前提下提高位置精度、減少硬件、提高系統的可靠性。
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 優先權日2006年6月13日
發明者李娟 申請人:上海微電子裝備有限公司