一种抑制直线电机定位力补偿控制器的制造方法
【专利摘要】一种抑制直线电机定位力补偿控制器，属于电机补偿控制领域。为了解决目前的补偿控制器结构复杂且控制周期长反应速度慢的问题。本发明的补偿控制器，采用迭代控制器的方法，对永磁同步直线电机的推力波动进行在线补偿，其中补偿控制器采用了PI与重复控制相结合的方式进行设计。这种方法避免了利用扰动模型进行补偿控制时，由复杂的数学模型或者冗杂的建模数据带来的系统开销，将非线性的直线电机推力波动补偿控制大幅简化，可以有效降低控制周期进而提升系统的反应速度。它用于直线电机的定位力补偿。
【专利说明】一种抑制直线电机定位力补偿控制器
【技术领域】
[0001 ] 本发明属于电机补偿控制领域。
【背景技术】
[0002]光刻设备为了保证集成电路芯片的质量和生产效率，要求各个子系统同步运动，实现大行程、高速、高精度的运动。目前，光刻设备的超精密运动平台广泛采用了长行程直线电机作主要的驱动元件。尽管直线电机具有良好的动态性能，可以出色地满足一般伺服设备对控制精度和响应速度的要求，但对超精密运动平台而言，直线电机固有的定位力扰动仍然会对系统的实际性能产生极大的负面影响。在本项目中，根据综合指标，设备采用的是大功率的单边平板铁芯式永磁同步直线电机。由于电机铁芯的存在，该类电机在运动过程中受到的定位力干扰尤为严重。实际测量得到的干扰力在1N数量级，考虑到光刻机工作平台本身的质量，这样的干扰足以引起约50 μ m级的位置误差扰动，这对于以I μ m级控制为目标的光刻机双工件台宏动控制系统而言无疑是极大的挑战。显然，为了实现直线电机的精密运动控制，必须对上述干扰进行补偿控制。
[0003]由此可见，研究铁芯式直线电机的定位力扰动的补偿控制，是实际工程中需要切实解决的关键细节问题之一，对我国光刻设备的发展能起到重要的作用。
[0004]目前，除了对电机本体结构进行优化设计在一定程度上减小齿槽推力和端部效应的方法外，抑制定位力扰动的方法主要还是集中在于补偿控制技术上。对于大推力的直线电机，传统的控制方法主要还是依靠PI控制和PID控制并在辅以前馈控制器。在此基础上，随着控制方法的不断发展，还衍生出了结合神经网络控制、自适应控制、滑膜控制和基于扰动观察器等诸多的补偿控制方法。在不依赖精确力矩波动模型的情况下，将RBF神经网络与PID控制策略结合，基于神经网络自身具备的学习能力对力矩扰动和参数摄动进行实时学习，整定PID控制参数。该方法在一定程度上克服了 PID在高速高精度控制效果时难以调节的不足，提高了 PID控制性能。但是现有方法还存在利用扰动模型进行补偿控制时，由复杂的数学模型或者冗杂的建模数据带来的系统开销，且非线性的直线电机推力波动补偿控制复杂，控制周期长且反应速度低。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是为了解决目前的补偿控制器结构复杂且控制周期长反应速度慢的问题，本发明提供一种抑制直线电机定位力补偿控制器。
[0006]本发明的一种抑制直线电机定位力补偿控制器，它包括位置给定模块、定位力扰动模块、延时模块、ILC控制器、8个运算器、第一 PID控制器、第二 PID控制器、第三PID控制器、斜波响应模块、第一传递函数模块、第二传递函数模块、第三传递函数模块、第四传递函数模块、限带白噪声模块、第一微分模块、第二微分模块、微分变换模块、增益放大器、反馈系数放大器和比例系数放大器；
[0007]位置给定模块输出的位置给定信号发送ILC控制器，定位力扰动模块输出的干扰信号发送给延时模块，延时模块输出的干扰信号发送给ILC控制器；
[0008]斜波响应模块输出的斜波信号与第二微分模块输出的微分信号经第一运算器相减后输入至
[0009]ILC控制器输出的控制信号同时输入至第一 PID控制器和工作区I，第一 PID控制器输出的控制信号与ILC控制器输出的控制信号通过第二运算器相加，同时通过第二运算器再与第一微分模块输出的微分信号相减后输入至第二 PID控制器,第二 PID控制器输出的控制信号与第七运算器输出的信号经第三运算器相减后输入至第一传递函数模块，第一传递函数模块输出的信号发送至第三传递函数模块，同时所述第一传递函数模块输出的信号与第三PID控制器输出的控制信号经第四运算器相减后输入至增益放大器，增益放大器输出的放大信号与反馈系数放大器输出的放大信号经第五运算器相减后输入至第二传递函数模块，第二传递函数模块输出的信号输入至比例系数放大器，同时所述第二传递函数模块输出的信号与第三传递函数模块输出的信号经第七运算器相减后同时输入至第三运算器和第三PID控制，
[0010]比例系数放大器输出的放大信号与第八运算器输出的信号经第六运算器相加后输入至微分变换模块，微分变换模块输出的变换信号同时输入至反馈系数放大器和第二微分模块，第二微分模块输出的微分信号同时输入至第一运算器、第一微分模块和第四传递函数模块，第四传递函数模块输出的信号和限带白噪声模块输出的信号经第八运算器相加后输入至第六运算器。
[0011]本发明的有益效果在于，本发明采用了迭代学习的控制器，实验结果也证明这种方法对定位力能够进行那个有效的补偿控制。本发明的补偿控制器对永磁同步直线电机的推力波动进行在线补偿，其中补偿控制器采用了 PI与重复控制相结合的方式进行设计。这种方法避免了利用扰动模型进行补偿控制时，由复杂的数学模型或者冗杂的建模数据带来的系统开销，将非线性的直线电机推力波动补偿控制大幅简化，可以有效降低控制周期进而提升系统的反应速度。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]图1为【具体实施方式】一所述的一种抑制直线电机定位力补偿控制器的原理示意图。
【具体实施方式】
[0013]【具体实施方式】一:结合图1说明本实施方式，本实施方式所述的一种抑制直线电机定位力补偿控制器，它包括位置给定模块、定位力扰动模块、延时模块、ILC控制器、8个运算器、第一 PID控制器、第二 PID控制器、第三PID控制器、斜波响应模块、第一传递函数模块、第二传递函数模块、第三传递函数模块、第四传递函数模块、限带白噪声模块、第一微分模块、第二微分模块、微分变换模块、增益放大器、反馈系数放大器和比例系数放大器；
[0014]位置给定模块输出的位置给定信号发送ILC控制器，定位力扰动模块输出的干扰信号发送给延时模块，延时模块输出的干扰信号发送给ILC控制器；
[0015]斜波响应模块输出的斜波信号与第二微分模块输出的微分信号经第一运算器相减后输入至
[0016]ILC控制器输出的控制信号同时输入至第一 PID控制器和工作区I，第一 PID控制器输出的控制信号与ILC控制器输出的控制信号通过第二运算器相加，同时通过第二运算器再与第一微分模块输出的微分信号相减后输入至第二 PID控制器,第二 PID控制器输出的控制信号与第七运算器输出的信号经第三运算器相减后输入至第一传递函数模块，第一传递函数模块输出的信号发送至第三传递函数模块，同时所述第一传递函数模块输出的信号与第三PID控制器输出的控制信号经第四运算器相减后输入至增益放大器，增益放大器输出的放大信号与反馈系数放大器输出的放大信号经第五运算器相减后输入至第二传递函数模块，第二传递函数模块输出的信号输入至比例系数放大器，同时所述第二传递函数模块输出的信号与第三传递函数模块输出的信号经第七运算器相减后同时输入至第三运算器和第三PID控制，
[0017]比例系数放大器输出的放大信号与第八运算器输出的信号经第六运算器相加后输入至微分变换模块，微分变换模块输出的变换信号同时输入至反馈系数放大器和第二微分模块，第二微分模块输出的微分信号同时输入至第一运算器、第一微分模块和第四传递函数模块，第四传递函数模块输出的信号和限带白噪声模块输出的信号经第八运算器相加后输入至第六运算器。
[0018]本实施方式中的定位力扰动模块为:
[0019]直线电机在运行过程中受到的干扰力由以下几个部分组成:齿槽推力波动、纹波推力波动、边端效应、磁阻推力波动、端部效应、永磁体磁链谐波扰动、电阻变化扰动。其中，齿槽力波动和边端效应由于只与电机初级和次级的相对位置有关，通常合称为直线电机的定位力。齿槽力是由于永磁直线电机动子铁心和定子磁场相互作用而成，吸引动子向某一磁拉力平衡点移动；边端效应是由于直线电机的开槽和动子的长度有限，磁钢端部与电枢铁心端部作用导致。就目标直线电机而言，尽管已经在电机本体的设计上进行优化，比如齿槽斜向排列，来降低齿槽力可能造成的扰动，但是实际运行时仍需考虑如何补偿。
[0020]为了补偿目标电机定位力的扰动，首先要从理论上对定位力的产生机理进行分析。就齿槽定位力而言，其特点与普通的旋转电机类似，都根据齿槽行程而确定变化周期。当电机磁路关于永磁体的气隙对称时，假设电机的次级运动速度为Vtl,经过dt时间其运行的行程为dx，则可利用能量法计算推力Tm如式所示。
【权利要求】
1.一种抑制直线电机定位力补偿控制器，其特征在于，它包括位置给定模块、定位力扰动模块、延时模块、ILC控制器、8个运算器、第一 PID控制器、第二 PID控制器、第三PID控制器、斜波响应模块、第一传递函数模块、第二传递函数模块、第三传递函数模块、第四传递函数模块、限带白噪声模块、第一微分模块、第二微分模块、微分变换模块、增益放大器、反馈系数放大器和比例系数放大器； 位置给定模块输出的位置给定信号发送ILC控制器，定位力扰动模块输出的干扰信号发送给延时模块，延时模块输出的干扰信号发送给ILC控制器； 斜波响应模块输出的斜波信号与第二微分模块输出的微分信号经第一运算器相减后输入至 ILC控制器输出的控制信号同时输入至第一 PID控制器和工作区I，第一 PID控制器输出的控制信号与ILC控制器输出的控制信号通过第二运算器相加，同时通过第二运算器再与第一微分模块输出的微分信号相减后输入至第二 PID控制器，第二 PID控制器输出的控制信号与第七运算器输出的信号经第三运算器相减后输入至第一传递函数模块，第一传递函数模块输出的信号发送至第三传递函数模块，同时所述第一传递函数模块输出的信号与第三PID控制器输出的控制信号经第四运算器相减后输入至增益放大器，增益放大器输出的放大信号与反馈系数放大器输出的放大信号经第五运算器相减后输入至第二传递函数模块，第二传递函数模块输出的信号输入至比例系数放大器，同时所述第二传递函数模块输出的信号与第三传递函数模块输出的信号经第七运算器相减后同时输入至第三运算器和第三PID控制， 比例系数放大器输出的放大信号与第八运算器输出的信号经第六运算器相加后输入至微分变换模块，微分变换模块输出的变换信号同时输入至反馈系数放大器和第二微分模块，第二微分模块输出的微分信号同时输入至第一运算器、第一微分模块和第四传递函数模块，第四传递函数模块输出的信号和限带白噪声模块输出的信号经第八运算器相加后输入至第六运算器。
2.根据权利要求1所述的一种抑制直线电机定位力补偿控制器，其特征在于，所述定位力扰动模块采用定位力扰动模型/ = Z =.^ = 6.25//Z实现。T 0.01 z.
【文档编号】H02P21/14GK104201963SQ201410460927
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2014年9月11日 优先权日:2014年9月11日
【发明者】陈兴林, 刘法志, 刘启循, 魏凯, 刘帅, 张之万, 杨绪东 申请人:哈尔滨工业大学