一種電機(jī)位置干擾力校準(zhǔn)方法
【專利摘要】一種電機(jī)位置干擾力校準(zhǔn)方法，包括：離線測(cè)試獲得各個(gè)電機(jī)的位置干擾力表；將所述位置干擾力表通過(guò)前饋加到對(duì)應(yīng)的所述電機(jī)上，抵消所述電機(jī)所受的位置干擾力；所述位置干擾力表包括正向位置干擾力表和反向位置干擾力表，對(duì)應(yīng)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)方向。該發(fā)明將位置干擾力表直接前饋加到電機(jī)上，避免了將前饋加到PID輸出上，再分配到各驅(qū)動(dòng)電機(jī)過(guò)程中引進(jìn)的誤差，且每個(gè)電機(jī)正反向各有一張位置干擾力表，在正反向運(yùn)動(dòng)時(shí)分別使用各自的位置干擾表，從而提高控制精度。
【專利說(shuō)明】一種電機(jī)位置干擾力校準(zhǔn)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及運(yùn)動(dòng)臺(tái)精密定位領(lǐng)域，特別涉及一種電機(jī)位置干擾力校準(zhǔn)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]光刻機(jī)領(lǐng)域的工件臺(tái)是高精度定位運(yùn)動(dòng)臺(tái)(以下簡(jiǎn)稱定位臺(tái))，需要進(jìn)行大行程、高精密的運(yùn)動(dòng)，伺服精度一般在納米級(jí)，因此其對(duì)執(zhí)行電機(jī)的要求很高，一般采用永磁鐵直線電機(jī)。為了提高定位臺(tái)的運(yùn)動(dòng)控制精度，一般采用氣浮導(dǎo)軌來(lái)減小摩擦，用冷卻水來(lái)減小電機(jī)的發(fā)熱，此外定位臺(tái)上還有各種線纜用來(lái)傳輸數(shù)據(jù)信號(hào)。這些氣管、水管和線纜對(duì)定位臺(tái)的運(yùn)動(dòng)控制精度產(chǎn)生一定的干擾力作用，且該干擾力與位置相關(guān)，稱之為位置干擾力。
[0003]為了消除或盡量減小位置干擾力對(duì)定位臺(tái)運(yùn)動(dòng)控制的影響，現(xiàn)有專利CN1897453A提出了以下解決方法，如圖1所示，通過(guò)離線測(cè)試方法將電機(jī)14的位置干擾力以表格形式給出，即獲得位置干擾力修正表12 ;將校準(zhǔn)后的位置干擾力修正表通過(guò)前饋加到PID (比例積分微分控制器)11輸出上，控制驅(qū)動(dòng)器13，從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)14運(yùn)動(dòng)。電機(jī)14正向運(yùn)動(dòng)和反向運(yùn)動(dòng)時(shí)共用一個(gè)位置干擾力修正表，且在同一位置處的位置干擾力為正反向的平均力。
[0004]該技術(shù)方案的缺點(diǎn)在于:(I)單個(gè)運(yùn)動(dòng)方向可能不止一臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，從PID輸出的力需要分配到各個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，因此將前饋加到PID輸出上會(huì)引進(jìn)力在分配過(guò)程中的誤差；
(2)正向運(yùn)動(dòng)與反向運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)不一樣，將兩次獲得的力取平均作為前饋輸入會(huì)使得伺服精度降低，如圖2所示，圖中實(shí)線表示正向干擾力，虛線表示反向干擾力，兩者的趨勢(shì)不能完全重合；(3)只解決了由于磁場(chǎng)不均勻引起的波動(dòng)力的影響；(4)校準(zhǔn)過(guò)程中并沒(méi)有將加減速段的數(shù)據(jù)去掉，因此在加減速段的測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是準(zhǔn)確校準(zhǔn)各個(gè)電機(jī)因正反向運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)不同而受到的不同位置干擾力。
[0006]為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種電機(jī)位置干擾力校準(zhǔn)方法，包括:離線測(cè)試獲得各個(gè)電機(jī)的位置干擾力表；將所述位置干擾力表通過(guò)前饋加到對(duì)應(yīng)的所述電機(jī)上，補(bǔ)償所述電機(jī)的位置干擾力；其特征在于，所述位置干擾力表包括正向位置干擾力表和反向位置干擾力表，對(duì)應(yīng)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)方向。
[0007]進(jìn)一步，獲得所述正向位置干擾力表包括:
步驟1，電機(jī)驅(qū)動(dòng)定位臺(tái)從起始位置勻速運(yùn)動(dòng)至終點(diǎn)位置；
步驟2，取所述定位臺(tái)勻速段的部分電機(jī)輸入力，記錄對(duì)應(yīng)的定位臺(tái)位置，對(duì)所述部分電機(jī)輸入力進(jìn)行低通濾波后進(jìn)行插值計(jì)算，獲得勻速段的正向位置干擾力表；
步驟3，判斷當(dāng)力差小于給定閾值或者迭代次數(shù)大于等于給定次數(shù)時(shí)，則正向位置干擾力的測(cè)試結(jié)束，否則執(zhí)行步驟4，所述力差為所述正向位置干擾力表中最大位置干擾力和最小位置干擾力之差；
步驟4，將所述正向位置干擾力表迭代至原正向位置干擾力表，獲得新的正向位置干擾力表，重復(fù)步驟I至3。
[0008]較優(yōu)地，在步驟I之前，將所述原正向位置干擾力表清零，所述插值計(jì)算中，對(duì)所述勻速段的邊界點(diǎn)插值后，僅將第一次插值計(jì)算的值迭代到所述原正向位置干擾力表中。
[0009]較優(yōu)地，所述插值計(jì)算中，對(duì)所述勻速段的邊界點(diǎn)插值后，不將其迭代到所述原正向位置干擾力表中。
[0010]較優(yōu)地，還包括步驟5:
獲得所述反向位置干擾力表時(shí)，將定位臺(tái)從終點(diǎn)位置運(yùn)動(dòng)至起始位置，其他步驟相同。[0011 ] 較優(yōu)地，所述定位臺(tái)的起始位置和終點(diǎn)位置均設(shè)置在設(shè)計(jì)行程之內(nèi)，根據(jù)勻速段的正向位置干擾力表，采用數(shù)據(jù)擬合，推算出加減速段的正向位置干擾力表。
[0012]較優(yōu)地，所述給定次數(shù)為3。
[0013]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于位置干擾力前饋表直接加到電機(jī)上，避免了將前饋加到PID輸出上，再分配到各驅(qū)動(dòng)電機(jī)過(guò)程中引進(jìn)的誤差；每個(gè)電機(jī)正反向各有一張位置干擾力表，在正反向運(yùn)動(dòng)時(shí)分別使用各自的位置干擾表，從而提高控制精度；解決所有與位置相關(guān)的力的影響，包括磁場(chǎng)不均勻引起的波動(dòng)；使位置干擾力表覆蓋整個(gè)設(shè)計(jì)行程，并解決了邊界點(diǎn)的數(shù)據(jù)處理問(wèn)題，提高了設(shè)計(jì)行程的伺服精度；迭代次數(shù)少，盡可能減小阻尼力的影響。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0014]關(guān)于本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)與精神可以通過(guò)以下的發(fā)明詳述及所附圖式得到進(jìn)一步的了解。
[0015]圖1為現(xiàn)有技術(shù)中修正電機(jī)位置干擾力的控制環(huán)路示意圖；
圖2為現(xiàn)有技術(shù)中正反向位置干擾力的示意圖；
圖3為應(yīng)用本發(fā)明的定位臺(tái)控制環(huán)路示意圖；
圖4為本發(fā)明校準(zhǔn)過(guò)程中增益平衡器的輸出力示意圖；
圖5為本發(fā)明位置干擾力補(bǔ)償表各次迭代示意圖；
圖6為本發(fā)明第一實(shí)施例單方向位置干擾力表測(cè)試流程圖；
圖7為本發(fā)明第一實(shí)施例位置干擾力校準(zhǔn)流程圖；
圖8為本發(fā)明第二實(shí)施例單方向位置干擾力表測(cè)試流程圖；
圖9為本發(fā)明第三實(shí)施例加減速段位置干擾力表擬合示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0016]下面結(jié)合附圖詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的具體實(shí)施例。
[0017]第一實(shí)施例
直線電機(jī)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中所受到的力包括電機(jī)驅(qū)動(dòng)力、線纜力、磁場(chǎng)波動(dòng)力、剛度阻尼力等，其中線纜力、磁場(chǎng)波動(dòng)力和剛度阻尼力等均與位置相關(guān)，在此統(tǒng)稱為位置干擾力。
[0018]如圖3所示的定位臺(tái)控制環(huán)路示意圖，設(shè)定點(diǎn)發(fā)生器20 (SPG，Set PointGenerator)用于軌跡規(guī)劃生成加速度、速度和位移的序列值，其生成的速度前饋系數(shù)29和加速度前饋系數(shù)30通過(guò)前饋加到比例積分微分控制器21的輸出上，共同作用于增益調(diào)度器22 (GS, Gain Scheduling)。增益調(diào)度器22的輸出作用于增益平衡器23 (GB，GainBalance)，增益調(diào)度器22用于將比例積分微分控制器21輸出力從質(zhì)心位置轉(zhuǎn)換到驅(qū)動(dòng)點(diǎn)，增益平衡器23用于將作用在驅(qū)動(dòng)點(diǎn)的邏輯軸的輸出力轉(zhuǎn)換為物理軸的輸出力。已轉(zhuǎn)換為物理軸的輸出力通過(guò)執(zhí)行器作用于定位臺(tái)1，位置傳感器接收定位臺(tái)的位置信號(hào)傳送給測(cè)量系統(tǒng)28，測(cè)量系統(tǒng)28用于將各個(gè)傳感器的值轉(zhuǎn)換為邏輯軸的位置測(cè)量值。正向位置干擾力表(Disturbance Force Positive Table)、反向位置干擾力表(Disturbance ForceNegative Table)分別為電機(jī)正向運(yùn)動(dòng)、反向運(yùn)動(dòng)時(shí)位置干擾力修正表,通過(guò)前饋?zhàn)饔糜趫?zhí)行器，補(bǔ)償?shù)诫姍C(jī)中，提高電機(jī)的伺服精度。設(shè)定點(diǎn)發(fā)生器20前饋、測(cè)量系統(tǒng)28反饋?zhàn)饔糜诒壤e分微分控制器21，形成控制環(huán)路。
[0019]電機(jī)個(gè)數(shù)由具體定位臺(tái)確定，一個(gè)邏輯軸方向可對(duì)應(yīng)一個(gè)、兩個(gè)或多個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。一般同一個(gè)邏輯軸方向有一個(gè)或多個(gè)執(zhí)行器，本實(shí)施例中給出了兩個(gè)執(zhí)行器，分別為第一執(zhí)行器261和第二執(zhí)行器262，分別對(duì)應(yīng)兩組正反向位置干擾力表和位置傳感器，即第一正向位置干擾力表241、第一反向位置干擾力表242、第一位置傳感器271和第二正向位置干擾力表251、第二反向位置干擾力表252、第二位置傳感器272,可以校正兩個(gè)電機(jī)位置干擾力。每個(gè)電機(jī)各有一個(gè)位置干擾力表，且分別包括正向位置干擾力表和反向位置干擾力表。
[0020]由牛頓第二定律可知，在所受合外力為零時(shí)，定位臺(tái)保持靜止或勻速運(yùn)動(dòng)。在這一過(guò)程中，如果位置干擾力前饋準(zhǔn)確，那么電機(jī)所需的驅(qū)動(dòng)力均來(lái)自前饋，即等于定位臺(tái)所受的位置干擾力，此時(shí)圖3中A點(diǎn)的輸出力，即增益平衡器23的輸出力應(yīng)該為零。但是，通常在電機(jī)位置干擾力校準(zhǔn)前，A點(diǎn)的輸出力不為0，那么輸入電機(jī)驅(qū)動(dòng)力包括位置干擾力前饋和GB的輸出力。通過(guò)校準(zhǔn)和迭代，應(yīng)當(dāng)使得GB的輸出力不斷趨向于O。
[0021]本實(shí)施例中電機(jī)位置干擾力校準(zhǔn)具體實(shí)施步驟如下:
步驟1，將原位置干擾力表清零，表的大小根據(jù)系統(tǒng)的運(yùn)算能力和運(yùn)動(dòng)范圍確定；
步驟2，將定位臺(tái)運(yùn)動(dòng)到起始位置，為保證設(shè)計(jì)行程內(nèi)均為勻速運(yùn)動(dòng)，可以將定位臺(tái)運(yùn)動(dòng)的起始位置和終點(diǎn)位置均設(shè)置在設(shè)計(jì)行程之外。如果設(shè)計(jì)行程是[a，b]，加速段距離為Λ，那么定位臺(tái)運(yùn)動(dòng)的起始位置是a- Λ，終點(diǎn)位置是b+ Δ ；
步驟3，在整個(gè)校準(zhǔn)過(guò)程中以較低的速度，例如5mm/s勻速移動(dòng)定位臺(tái)至終點(diǎn)位置，并在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中獲取增益平衡器23的輸出(即部分電機(jī)輸入力)，以及設(shè)定點(diǎn)加速度和位置傳感器采集的定位臺(tái)位置信息。由于阻尼力與速度成正比，為盡可能減小阻尼力的影響，定位臺(tái)在整個(gè)校準(zhǔn)過(guò)程以低速運(yùn)動(dòng)為宜。
[0022]步驟4，由于定位臺(tái)在加減速時(shí)合外力不為零，根據(jù)設(shè)定點(diǎn)加速度去除加減速段的數(shù)據(jù)，只保留勻速段的數(shù)據(jù)值；
步驟5，對(duì)增益平衡器23的輸出值進(jìn)行低通濾波處理，以消除隨機(jī)高頻干擾的影響；具體為對(duì)采集的增益平衡器23的輸出值求平均值，從輸出值中減去平均值，只留下波動(dòng)值；再使用低通濾波算法，對(duì)其進(jìn)行過(guò)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(shí)的反映信號(hào)減小失真。
[0023]步驟6，對(duì)低通濾波處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行插值計(jì)算，確定各個(gè)實(shí)際位置上的干擾力的值，獲得位置干擾力表。由于位置干擾力表定義的位置和追蹤到的實(shí)際位置不一定重合，需要進(jìn)行插值計(jì)算。
[0024]步驟7，找出位置干擾力表中的最大、最小值，判斷兩者之差(稱之為力差)是否小于給定閾值，或者迭代次 數(shù)超過(guò)給定次數(shù)；如果不滿足則執(zhí)行步驟8，直至“力差”小于給定閾值，或者迭代次數(shù)超過(guò)給定次數(shù)，或者同時(shí)滿足上述兩個(gè)條件，可認(rèn)為測(cè)試完成，進(jìn)行步驟9。圖6圖示了本實(shí)施例單方向位置干擾力表的測(cè)試流程圖。
[0025]步驟8，將處理后的位置干擾力表迭代到原位置干擾力表中，以便重復(fù)測(cè)試時(shí)能及時(shí)生效，重復(fù)步驟2至7。從第二次迭代起，位置干擾力的邊界點(diǎn)即加速結(jié)束點(diǎn)和減速開(kāi)始點(diǎn)位置處的值只計(jì)算不補(bǔ)償，否則會(huì)引起力差無(wú)法收斂。由圖5可知，位置干擾力表一次次的逼近理想值，三次迭代后的結(jié)果相差不大，因此一般迭代三次即可。如圖4所示，前饋環(huán)路中，增益平衡器23的輸出值經(jīng)過(guò)三次迭代后已幾乎為零。
[0026]以上為正向位置干擾力表的校準(zhǔn)過(guò)程，反向位置干擾力表的校準(zhǔn)方法與正向一致，只是起始位置和終點(diǎn)位置調(diào)換。
[0027]步驟9，應(yīng)用最終的位置干擾力表，對(duì)每個(gè)電機(jī)位置干擾力進(jìn)行校準(zhǔn)。在運(yùn)動(dòng)之前根據(jù)當(dāng)前位置和目標(biāo)位置判斷是正向運(yùn)動(dòng)還是反向運(yùn)動(dòng)，并據(jù)此選擇與電機(jī)相應(yīng)的位置干擾力表。當(dāng)各個(gè)電機(jī)運(yùn)動(dòng)到位置干擾力表中所記錄的位置時(shí)，就按表中的補(bǔ)償力的值，加入前饋控制信號(hào)，以抵消位置干擾力。
[0028]本實(shí)施例的校準(zhǔn)過(guò)程參考圖7所示。
[0029]經(jīng)過(guò)位置干擾力校準(zhǔn)補(bǔ)償后，定位臺(tái)的伺服誤差可以從600nm提高到200nm之內(nèi)，顯著的提高了伺服定位精度。
[0030]第二實(shí)施例
本實(shí)施例位置干擾力表的測(cè)試流程圖參照?qǐng)D8所示，與第一實(shí)施例不同的是:(I)省略實(shí)施例步驟1，即不需要將原有的位置干擾力表清零；(2)步驟8中，每次迭代時(shí)，邊界點(diǎn)的值都是只計(jì)算，不補(bǔ)償。
[0031]第三實(shí)施例
本實(shí)施例與第一實(shí)施例不同的是:(I)步驟2中，運(yùn)動(dòng)的起始和結(jié)束位置都在設(shè)計(jì)行程之內(nèi)；(2)在步驟6和步驟7之間增加下述步驟，根據(jù)勻速段的位置干擾力表，采用數(shù)據(jù)擬合的方式，推算出加減速段的位置干擾力表。如圖9所示，根據(jù)勻速段數(shù)據(jù)(圖中所示圓圈表示)進(jìn)行擬和(圖中實(shí)線表示)，根據(jù)擬合圖形的走向向加減速段延伸，圖中五角星表示的點(diǎn)就是根據(jù)擬和圖形走勢(shì)推算出來(lái)的。
[0032]本說(shuō)明書(shū)中所述的只是本發(fā)明的較佳具體實(shí)施例，以上實(shí)施例僅用以說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案而非對(duì)本發(fā)明的限制。凡本領(lǐng)域技術(shù)人員依本發(fā)明的構(gòu)思通過(guò)邏輯分析、推理或者有限的實(shí)驗(yàn)可以得到的技術(shù)方案，皆應(yīng)在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種電機(jī)位置干擾力校準(zhǔn)方法,包括: 離線測(cè)試獲得各個(gè)電機(jī)的位置干擾力表； 將所述位置干擾力表通過(guò)前饋加 到對(duì)應(yīng)的所述電機(jī)上，抵消所述電機(jī)所受的位置干擾力； 其特征在于，所述位置干擾力表包括正向位置干擾力表和反向位置干擾力表，對(duì)應(yīng)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)方向。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的校準(zhǔn)方法，其特征在于，獲得所述正向位置干擾力表包括: 步驟1，電機(jī)驅(qū)動(dòng)定位臺(tái)從起始位置勻速運(yùn)動(dòng)至終點(diǎn)位置； 步驟2，取所述定位臺(tái)勻速段的部分電機(jī)輸入力，記錄對(duì)應(yīng)的定位臺(tái)位置，對(duì)所述部分電機(jī)輸入力進(jìn)行低通濾波后進(jìn)行插值計(jì)算，獲得勻速段的正向位置干擾力表； 步驟3，判斷當(dāng)力差小于給定閾值或者迭代次數(shù)大于等于給定次數(shù)時(shí)，則正向位置干擾力的測(cè)試結(jié)束，否則執(zhí)行步驟4，所述力差為所述正向位置干擾力表中最大位置干擾力和最小位置干擾力之差； 步驟4，將所述正向位置干擾力表迭代至原正向位置干擾力表，獲得新的正向位置干擾力表，重復(fù)步驟I至3。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的校準(zhǔn)方法，其特征在于，在步驟I之前，將所述原正向位置干擾力表清零，所述插值計(jì)算中，對(duì)所述勻速段的邊界點(diǎn)插值后，僅將第一次插值計(jì)算的值迭代到所述原正向位置干擾力表中。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的校準(zhǔn)方法，其特征在于，所述插值計(jì)算中，對(duì)所述勻速段的邊界點(diǎn)插值后，不將其迭代到所述原正向位置干擾力表中。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的校準(zhǔn)方法，其特征在于，還包括步驟5: 獲得所述反向位置干擾力表時(shí)，將定位臺(tái)從終點(diǎn)位置運(yùn)動(dòng)至起始位置，其他步驟相同。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的校準(zhǔn)方法，其特征在于，所述定位臺(tái)的起始位置和終點(diǎn)位置均設(shè)置在設(shè)計(jì)行程之內(nèi)，根據(jù)勻速段的正向位置干擾力表，采用數(shù)據(jù)擬合，推算出加減速段的正向位置干擾力表。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的校準(zhǔn)方法，其特征在于，所述給定次數(shù)為3。
【文檔編號(hào)】G05D13/62GK103901904SQ201210582462
【公開(kāi)日】2014年7月2日 申請(qǐng)日期:2012年12月28日 優(yōu)先權(quán)日:2012年12月28日
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