近年來，隨著自動(dòng)控制技術(shù)和微型計(jì)算機(jī)的高速發(fā)展，對(duì)各類自動(dòng)控制系統(tǒng)的定位精度提出了更高的要求，在這種情況下，傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)電機(jī)再加上一套變換機(jī)構(gòu)組成的直線運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置，已經(jīng)遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)代控制系統(tǒng)的要求，為此，近年來世界許多國(guó)家都在研究、發(fā)展和應(yīng)用直線電機(jī)，使得直線電機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣。
1 PMAC控制器簡(jiǎn)介
PMAC(Programmable Multi-axis Controller)是美國(guó)Delta Tau公司在上世紀(jì)九十年代推出的一種開放式多軸運(yùn)動(dòng)控制器。它是一種以DSP為核心的擁有高性能伺服控制器，可以通過靈活的高級(jí)語言最多控制八軸同時(shí)運(yùn)動(dòng)，并提供了運(yùn)動(dòng)控制、離散開展、內(nèi)務(wù)處理、同主機(jī)交互等基本功能。
PMAC是一臺(tái)完整的計(jì)算機(jī)，它還是一臺(tái)實(shí)時(shí)多任務(wù)的計(jì)算機(jī)，能自動(dòng)對(duì)任務(wù)進(jìn)行等級(jí)判斷，從而使具有高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)比具有低優(yōu)先級(jí)的任務(wù)先被執(zhí)行。它的速度、分辨率等指標(biāo)遠(yuǎn)優(yōu)于一般控制器。伺服控制包括PID加Notch和速度、加速度前饋控制。可連接MACRO現(xiàn)場(chǎng)總線的高速環(huán)網(wǎng)，直接進(jìn)行生產(chǎn)線的連動(dòng)控制。
與其他運(yùn)動(dòng)控制器相比，PMAC的最大特點(diǎn)是開放性。允許用戶根據(jù)自己的用途使用內(nèi)部寄存器。PMAC的A/D和I/O與內(nèi)部寄存器一樣是統(tǒng)一編址，可以像使用PMAC其它內(nèi)存一樣來操作A/D和I/O，使用非常方便。內(nèi)部寄存器和A/D、I/O的地址既可以使用PMAC的默認(rèn)值，也可以由用戶重新定義，以滿足不同的需要。
2 直線電機(jī)的結(jié)構(gòu)與基本工作原理
2.1 直線電機(jī)的結(jié)構(gòu)
直線電機(jī)的直線電機(jī)是一種將電能轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)機(jī)械能，而不需要任何中間轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)裝置。 直線電機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 直線電機(jī)結(jié)構(gòu)
1 初級(jí) 2 次級(jí) 3行波磁
2.2 直線電機(jī)基本工作原理
直線電機(jī)的三相繞組中通入三相對(duì)稱正弦電流后，也會(huì)產(chǎn)生氣隙磁場(chǎng)。當(dāng)不考慮由于鐵心兩端開斷而引起的縱向邊端效應(yīng)時(shí)，這個(gè)氣隙磁場(chǎng)的分布情況與旋轉(zhuǎn)電機(jī)相似，即可看成沿展開的直線發(fā)向呈正弦形分布。當(dāng)三相電流隨時(shí)間變化時(shí)，氣隙磁場(chǎng)將按A、B、C相序沿直線移動(dòng)。這個(gè)原理與旋轉(zhuǎn)電機(jī)相似，二者的差異是：這個(gè)磁場(chǎng)是平移的，而不是旋轉(zhuǎn)的，因此稱為行波磁場(chǎng)。
顯然，行波磁場(chǎng)的移動(dòng)速度與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)在定子內(nèi)圓表面上的線速度是一樣的，即為Vs ，稱為同步速度（m/s），且Vs =2f
再來看行波磁場(chǎng)對(duì)次級(jí)的作用。假定次級(jí)為柵形次級(jí)，次級(jí)導(dǎo)條在行波磁場(chǎng)切割下，將感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)并產(chǎn)生電流。而所有導(dǎo)條的電流和氣隙磁場(chǎng)相互作用便產(chǎn)生電磁推力。在這個(gè)電磁推力的作用下，如果初級(jí)是固定不動(dòng)的，那么次級(jí)就順著行波磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)的方向作直線運(yùn)動(dòng)。若次級(jí)移動(dòng)的速度用v表示，移動(dòng)的差率（簡(jiǎn)稱移差率）用s表示，則有：
Vs-V=sVs
V=（1-s）Vs
其中，在電機(jī)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，s在0與1之間。
3 PMAC+PC下的直線電機(jī)PID控制
直線電機(jī)的負(fù)載與直線電機(jī)的定子相連，負(fù)載的變化和外部擾動(dòng)直接影響伺服系統(tǒng)的性能。因此，直線電機(jī)的控制需要采用閉環(huán)控制這種高精度的伺服控制。
PMAC提供的是PID+前饋控制的控制算法，其算法流程圖如圖2所示。
圖2 PID伺服調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)圖場(chǎng)
在圖2控制算法中，各參數(shù)所代表的變量分別如下：
Kp：比例增益(Ix30); Kd：微分增益(Ix31)；Kvff ：速度前饋增益(Ix32)；Ki：積分增益（Ix33）；IM：積分模式(Ix34)；Kaff ：加速度前饋增益(Ix35)。
PID伺服調(diào)節(jié)是通過設(shè)定不同的I變量來實(shí)現(xiàn)的。計(jì)算公式如下：
DACout(n)=2-19*Ix30*[{Ix08*[FE(n)+(Ix32*CV(n)+Ix35*CA(n))/128+Ix33*IE(n)/223]}-Ix31*Ix09*AV(n)/128]
其中：DACout(n)是伺服周期n中16位輸出命令（-32768到+32767）。它將轉(zhuǎn)換成-10V到+10V的電壓輸出。DACout(n)的值由Ix69定義。Ix08是電機(jī)X的一個(gè)內(nèi)部位置放大系數(shù)(通常設(shè)為96)。Ix09是電機(jī)X的速度環(huán)的一個(gè)內(nèi)部放大系數(shù)。FE(n)是伺服周期n內(nèi)所得的跟隨誤差，即該周期內(nèi)指令位置和實(shí)際位置的差值[CP(n)-AP(n)]。AV(n) 是伺服周期n內(nèi)的實(shí)際速度，即每個(gè)伺服周期最后兩個(gè)實(shí)際位置的差值[AP(n)-AP(n-1)]。CV(n) 是伺服周期n內(nèi)的指令速度，即每個(gè)伺服周期最后兩個(gè)指令位置的差值[CP(n)-CP(n-1)]。CA(n) 是伺服周期n內(nèi)的指令加速度，即每個(gè)伺服周期最后兩個(gè)指令速度的差值[CV(n)-CV(n-1)]。IE(n)是伺服周期n的跟隨誤差的積分，大小為：
4 直線電機(jī)的PID控制實(shí)驗(yàn)
4.1 PID 濾波器工作原理
傳統(tǒng)的伺服系統(tǒng)是根據(jù)反饋控制原理來設(shè)計(jì)的,很難達(dá)到無跟隨誤差控制,亦很難同時(shí)達(dá)到高速度和高精度的要求。PMAC作為全數(shù)字伺服系統(tǒng),它利用計(jì)算機(jī)的硬件和軟件技術(shù),采用新的控制方法改善系統(tǒng)的性能,可同時(shí)滿足高速度和高精度的要求。系統(tǒng)的位置、速度和電流的校正環(huán)節(jié)PID控制由軟件實(shí)現(xiàn)。引入了前饋控制,實(shí)際上構(gòu)成了具有反饋-前饋的復(fù)合控制的系統(tǒng)結(jié)構(gòu),使位置跟蹤滯后誤差大為減小,提高了位置控制精度。這種系統(tǒng)在理論上可以完全消除系統(tǒng)的靜態(tài)位置誤差、速度誤差、加速度誤差以及外界擾動(dòng)引起的誤差,即實(shí)現(xiàn)完全的“無誤差調(diào)節(jié)”。
為了獲得良好的穩(wěn)態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性以滿足系統(tǒng)對(duì)位置控制精度的要求,需要對(duì)系統(tǒng)的控制環(huán)進(jìn)行校正和調(diào)整。在整個(gè)系統(tǒng)中,它對(duì)系統(tǒng)的影響是巨大的,所以當(dāng)系統(tǒng)的基本特性(包括機(jī)械傳動(dòng)、電動(dòng)機(jī)選型等)確立以后,就需要對(duì)系統(tǒng)的控制環(huán)進(jìn)行調(diào)整,也稱為校正。即通過伺服環(huán)濾波器的調(diào)節(jié),根據(jù)被控物理系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)性能對(duì)伺服環(huán)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置,達(dá)到系統(tǒng)伺服特性剛性好、系統(tǒng)穩(wěn)定及跟隨誤差小的目的。
4.2 PID濾波器的調(diào)節(jié)
為適用于PC及其兼容機(jī)的PMAC執(zhí)行程序，PEWIN32提供了一個(gè)調(diào)節(jié)PID+速度/加速度前饋+NOTCH濾波器參數(shù)的比較容易的方法。
在用階躍響應(yīng)調(diào)節(jié)好PID 參數(shù)后,保持這些參數(shù)不動(dòng)的情況下,采用正弦波響應(yīng)來調(diào)整前饋,并選取“速度”和“跟隨誤差”這兩項(xiàng)。
步驟如下:
準(zhǔn)備階段及初始化 正確連接光刻機(jī)控制系統(tǒng)，安裝PEWIN32執(zhí)行軟件，使主機(jī)與PMAC正常通信，并對(duì)PMAC進(jìn)行初始化設(shè)置和簡(jiǎn)單手動(dòng)操作。
(1)使所有電機(jī)閉環(huán) 使用#1j/、#2j/和#4j/在線命令使電機(jī)閉環(huán)。
(2)輸入正弦波運(yùn)動(dòng)大小和運(yùn)動(dòng)時(shí)間,按下“Do a Parabolic”鍵 ,執(zhí)行一個(gè)正弦波響應(yīng)；
(3)等待主機(jī)下傳數(shù)據(jù),進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并將采集到的數(shù)據(jù)畫成曲線與命令曲線比較。觀察響應(yīng)曲線,包括速度系數(shù)、平均速度誤差、加速度系數(shù)、平均加速度誤差、最大誤差和各種變量值；
(4)增大Ix32,重復(fù)響應(yīng)過程,直到跟隨誤差曲線形狀看起來像方波。在“What To Plot”框中選擇“加速度”和“跟隨誤差”。加入 Ix35 ,觀察響應(yīng)曲線和數(shù)據(jù)值的變化,如果看不到相關(guān)變化,增加運(yùn)動(dòng)長(zhǎng)度或減少運(yùn)動(dòng)時(shí)間。繼續(xù)增加Ix35,直到所有系數(shù)保持為正。此時(shí)跟隨誤差很小，大部分是由于噪聲或機(jī)械摩擦引起的；
(5)Ix34 = 1,增大Ix32,調(diào)整Ix35,直到得到理想的響應(yīng)曲線。
圖3 PMAC的PID+前饋調(diào)整界面
圖4 前饋調(diào)節(jié)后正弦波響應(yīng)曲線
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過PID參數(shù)的調(diào)節(jié)使光刻機(jī)系統(tǒng)獲得較好的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能。
5 結(jié)束語
本文主要利用直線電機(jī)作為光刻機(jī)控制系統(tǒng)的快速伺服進(jìn)給單元，實(shí)現(xiàn)光刻機(jī)的零傳動(dòng)，通過PID+前饋控制法對(duì)直線電機(jī)的控制，使直線電機(jī)進(jìn)給系統(tǒng)能夠獲得良好的動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能，為直線電機(jī)及PMAC在高速高精度控制系統(tǒng)的應(yīng)用打下了基礎(chǔ)。
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（轉(zhuǎn)載）
