用于高性能运动控制的电机伺服驱动器的制造方法
【技术领域】 [0001] 和【背景技术】
[0002] 本发明在其一些实施例中设及对向伺服电机（servo-motors)馈送电流的电机伺 服驱动器（motor servo-化ives)性能的改进，且更特别但不排他地，设及对跨全电流范围 的电流敏感度的改进，即使那个范围很大。所述电机产生与电流直接关联的力（或力矩） W及加速度。更佳的电流使得伺服电机的更准确的速度和位置控制成为可能。（向所述电 机馈送的）所述驱动器遵照命令输出的电流越准确，所述驱动器的速度和位置控制就越准 确。所述电机性能的改善是通过改善电流测量的信噪比达到的，例如，特别是在所需电流相 对于使所述电机加速所需的最大电流是低水平时。
[0003] 为人熟知的是，为了给电机驱动器提供可能最佳的性能，使用了闭环电流控制方 法。所述驱动器利用了产生代表所述驱动器的实际输出电流的电信号的电流感应电路。测 得的输出电流与期望的电流命令（州rrent command)进行比较，而二者之间的误差被所述 驱动器用来校正输出电流。
[0004] 为人熟知的是，输出电流的校正受到测量精确度W及测得的电流在实际上代表实 际输出的程度的限制。测得信号与实际输出电流的任何偏差都可能使所述驱动器产生错误 的校正。运种偏差通常是由来自周围电路和其他噪声源的量化误差（或误差）、电磁干扰 (EMI)造成的。
[000引为人熟知的是，为了达到所述电机的高性能的速度和位置控制，使用了闭环方法。 实际速度和/或位置被测量且与期望的速度和/或位置进行比较。期望速度和实际测得 的速度之间的偏差、速度误差，或者就此而言期望的和测得的位置之间的偏差一一位置误 差一一被用作对电机伺服驱动器的命令（=驱动器命令）的校正。电机电流中的任何噪 声，比如说量化噪声，都可能把噪声引入所述电机产生的力或力矩中，且可能因此给实际速 度和实际位置是否很好地随期望速度和位置而变化带来负面影响。
[0006] 可用的电机伺服驱动器有两种主要类型：线性驱动器和开关脉宽调制（PWM)驱动 器。所述驱动器可W操作许多类型的电机：单相和多相电机，不论是线性还是旋转型的。所 述电机可W是任何电机结构的类型，包括直流电机、永磁同步电机、异步感应电机、音圈、步 进电机等。
[0007] 现在特别地对线性驱动器与PWM驱动器之间存在的一些区别加 W总结。
[0008] 为人熟知的是，相对于具有相同输出功率能力的PWM型驱动器，线性驱动器效率 低下，且因此，相比之下，所述线性驱动器散发大量的热量。所述线性驱动器相对更大且通 常更昂贵。线性驱动器还比PWM驱动器更安静，产生的对所述电流感应电路造成影响的电 磁噪声更少。结果，特别是当精细速度和位置校正需要低水平电流时，线性驱动器能够在更 宽的电流范围上为所述电机供应更佳地重复期望电流的电流。
[0009] 有许多高精度定位应用，需要高度动态性、大质量或惯性的加速度的结合，因此需 要较低静止位置抖动的高强度电流，也就是说，在为了对运种较小误差进行校正只需要非 常低水平的电流时，在静止时离期望位置几纳米和纳米W下的偏差，W及在W恒定速度运 动时几纳米及W下的跟随误差。
[0010] 运种应用的实例包括利用高精度定位台的、空气轴承类型和机械轴承类型的晶圆 光刻检验与计量系统。运种定位台可W包括带有单个线性电机和位置反馈的系统，W及龙 口轴系统，每个龙口轴利用两个电机和两个位置反馈。现有技术的晶圆光刻检验与计量系 统需要静止抖动W及在W恒定速度移动几个纳米之后的误差在纳米和亚纳米水平。运种应 用，或者类似的，还使用需要相对大惯性的高加速度与因此的大电流和几个微度及W下的 低静止抖动的组合的高精度旋转定位桌。
[0011] 对于在恒定速度或者静止期间需要高度动态性和纳米与亚纳米、微度与亚微度、 静止抖动与低跟随误差的定位应用，现有技术中唯一可行的伺服驱动器是所述线性驱动 器。更特别地，现有的PWM伺服驱动器通常不被用于在静止期间需要小于大约10纳米的抖 动和跟随误差的应用中。在恒定速度时W PWM驱动器能够达到的跟随误差通常更糟。
[0012] 授予E Anger等人的US3775654公开了一种可编程的和可手动操作的控制系统， 用于控制机器相对于工件的位置，所述机器因此可W在所述工件被传送带移动时在所述工 件上的各种不同的地方执行工作。所述系统包括一对同步解算器，其提供指示所述机器相 对于基准位置的位置的输出信号和一对同步解算器，其提供指示所述传送带相对于所述基 准位置的位置的输出信号。所述机器指示解算器的输出为所述传送带指示解算器提供了输 入，且所述传送带指示解算器的输出与由连续循环计数器产生的命令信号进行比较，该连 续循环计数器已经由来自存储器的信号预先设置，W使得在不使用有差异的机械齿轮的情 况下，在所述工件上选择的地方与机器之间的位移被电子地测得。安排所述控制系统，所述 机器因此将独立于所述工件，与所述工件同步移动，并在所述机器从一个预先编程的地方 移动到所述工件上新被编程的位置的同时，与所述工件同步。
[0013] 授予Jehudalsh-aialom的EP0189794公开了一种电磁致动器，包括具有电枢和带 有多个线圈的静子的步进电机、与所述线圈相连W为所述线圈提供电力的电源装置、与所 述线圈相连W在被选择时通过所述线圈对来自所述电源装置的电路完成使能的线圈切换 装置，W及适配于监控所述电枢的位置和向逻辑装置和微处理器提供当前电枢位置信号的 类型的电枢位置感应装置，所述微处理器适配于向所述电源装置提供幅度控制信号，并向 所述逻辑装置提供方向和相位前置信号，所述逻辑装置适配于给所述线圈切换装置产生切 换选择信号；其特征在于所述微处理器适配于W线性控制律操作，W提供控制幅度U，且还 根据公式
[0014]
[0015] 向所述电源装置提供平方律补偿。
[0016] 授予Wa化er的US4274042公开了一种Ξ相交流电机驱动器系统，其中变频无极变 幅交流电流被从可控娃控制的直流变交流换流器供应给交流电机负载，所述变频无极变幅 交流电流由可控娃控制的交流变直流转换器通过包括感应器的直流链路的方式提供。所述 直流负载电流被命令W由所述转换器的输出电压和所述换能器的输入电压之间的差限定 的速率上升，该输入电压出现在所述感应器的两端。对于在负方向上的命令遭遇到的固有 通信传输延迟的结果，误差信号错位被放置在反馈信号通路内，控制所述交流变直流转换 器W限制用于正方向上的变化的命令，从而在正方向上提供系统响应，其看上去更像是在 负方向上的响应。
【发明内容】
[0017] 当前的实施例适用于PWM和线性驱动器，W及其他形式的驱动器。当被施加到PWM 驱动器时，它们可W给所述PWM驱动器赋予可与等价的线性驱动器的性能相比拟的性能， 且当被施加于所述线性驱动器时，可W给所述线性驱动器赋予现有技术的线性驱动器无法 达到的性能。
[0018] 如所解释的那样，一些定位应用需要使用带有大电流范围的驱动器。在未加速时， 即，在站立或者在W恒定速度移动时，在过渡状态期间（诸如加速）所需的电机电流可W是 稳态相位期间电流的上千倍。当然，稳态所需的电流可能接近零。
[0019] 在此应当注意的是，术语"加速"也指减速，其可W被理解为负加速。术语"加速" 还指对克服大扰动所需的加速的校正。
[0020] 更一般地，当需要高强度时（诸如加速和减速状态的过渡期间和当遇到高强度干 扰时）就需要大电流。
[0021] 在稳态相位期间由被刻度W覆盖整个电流范围的感应器执行的电流测量产生了 代表实际电流的电信号，其比由感应器和测量电路采得的电噪声小。为了获得具有与使 用单个感应器的当前技术相同的信噪比和分辨率的大范围电流W及带有更高信噪比和更 高分辨率的低水平电流的组合，本发明的实施例因此可W使用分开的电流感应器和测量电 路、用于测量大电流（粗测量）的第一感应器和测量电路W及用于测量小电流（精测量）的 第二感应器和测量电路。分开的测量改善了位置抖动和跟随误差。结果是驱动器可提供改 进的速度和定位精度。当把本粗和精测量技术应用于PWM驱动器时，所述PWM驱动器提供 了与用单个电流测量感应器的等价线性驱动器相同或更佳的性能，并且从而允许所述PWM 驱动器被用在大电流范围、高精度应用的线性驱动器的场合。可替换地，相同的粗和精测量 技术可W被应用到线性驱动器，W进一步改进其特征，并因此在与用单个电流测量感应器 的等价线性驱动器相比较时，达到甚至更佳的静止抖动和跟随误差。
[0022] 在此每当使用术语"伺服驱动器"时，其可W是用于带有一种或多种电流反馈测量 的单相或多相电机的伺服驱动器。本粗和精测量方法可W被应用到一种或多种运样的反馈 测量方法。本实施例可W可替换地设及电流和设及电流向量。
[0023] 本实施例可W更一般地用于任何种类的致动器W及任何可W被测量W形成所述 致动器的一部分控制的可测量的特征。无论哪里，只要对于该特征存在大范围并且需要用 于稳态的低水平范围时，就可W由两个专用感应器单独地测量运两个范围。
[0024] 除了测量反馈信号之外，还可W把相同的处理应用到用于任何致动器的驱动器的 由外部提供的命令信号。对于该命令信号范围的低部分，其可W被放大且被放大的信号可 被用于在低部分范围上进行更精确的控制。
[00巧]根据本发明的一些实施例的一个方面，提供有用于电机的基于反馈的运动控制和 定位的伺服驱动器系统，包括：
[0026] 电流测量设备，被设置成获得对正被所述驱动器电机抽取的电流进行的测量，从 中提供反馈；
[0027] 该电流具有操作范围，该操作范围包括用于加速的相对较大的、但仍保留在用于 所述电机的稳态操作的相对较小的电流范围内的电流范围，所述电流测量设备具有优化用 于测量所述相对较大电流范围的第一粗感应器W及优化用于测量所述相对较小电流范围 的第二精感应器，从而使稳态操作期间的反馈精度最大化。
[0028] 实施例可W包括用于对所述第一感应器和所述第二感应器W相同速率分别采样 的采样器。
[0029] 在实施例中，所述驱动器是脉宽调制驱动器，或者线性驱动器或者任何其他适当 的驱动器。
[0030] 在实施例中，所述电机可W是单相电机、直流电机、多相电机、Ξ相电机、交流电 机、两相电机、线性电机或者旋转电机或者任何其他适当的电机。
[0031] 实施例可W在电机电流在预先确定的阔值W下时开启第二精感应器，并且在所述 电机电流在该预先确定的阔值W上时使所述第二精感应器电气短路。
[0032] 所述感应器可W包括电阻器、电流镜像电路、变压器、基于霍尔效应的电流感应器 或者任何其他适当的感应器。
[0033] 所述驱动器可被用于具有单相的电机，并且所述第一和第二感应器可W被应用到 所述电机的一种电流测量。
[0034] 可替换地，所述驱动器可被用于具有多相的电机，且所述第一和第二感应器可被 提供用于所述电机的至少一种电流测量。通常，感应器对可被提供到所述电机的一个、一些 或者全部相。
[0035] 在实施例中，外部控制器可被用于产生模拟电流命令，所述驱动器被连接W接收 来自所述外部控制器的模拟命令。所述驱动器获得或提供模拟命令的精或粗测量。
[0036] 所述驱动器系统可W产生一个或多个用于控制所述电机的电流命令，并可W基于 所述一个或多个电流命令选择所述第一和第二感应器之一。所述驱动器可W通过其放大获 得模拟命令的精测量，并可W在放