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(蘇州大學機電工程學院，江蘇 蘇州 215606) 田會峰，劉文杰，梁林祖
田會峰（1980—）
男，安徽蕭縣人，碩士研究生 ，研究方向為自動控制。
近年來，隨著自動控制技術和微型計算機的高速發展，對各類自動控制系統的定位精度提出了更高的要求，在這種情況下，傳統的旋轉電機再加上一套變換機構組成的直線運動驅動裝置，已經遠不能滿足現代控制系統的要求，為此，近年來世界許多國家都在研究、發展和應用直線電機，使得直線電機的應用領域越來越廣。
1 PMAC控制器簡介
PMAC(Programmable Multi-axis Controller)是美國Delta Tau公司在上世紀九十年代推出的一種開放式多軸運動控制器。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語言最多控制八軸同時運動，并提供了運動控制、離散開展、內務處理、同主機交互等基本功能。
PMAC是一臺完整的計算機，它還是一臺實時多任務的計算機，能自動對任務進行等級判斷，從而使具有高優先級的任務比具有低優先級的任務先被執行。它的速度、分辨率等指標遠優于一般控制器。伺服控制包括PID加Notch和速度、加速度前饋控制?？蛇B接MACRO現場總線的高速環網，直接進行生產線的連動控制。
與其他運動控制器相比，PMAC的最大特點是開放性。允許用戶根據自己的用途使用內部寄存器。PMAC的A/D和I/O與內部寄存器一樣是統一編址，可以像使用PMAC其它內存一樣來操作A/D和I/O，使用非常方便。內部寄存器和A/D、I/O的地址既可以使用PMAC的默認值，也可以由用戶重新定義，以滿足不同的需要。
2 直線電機的結構與基本工作原理
2.1 直線電機的結構
直線電機的直線電機是一種將電能轉換成直線運動機械能，而不需要任何中間轉換機構的傳動裝置。 直線電機的結構如圖 1所示。
圖1 直線電機結構
1 初級 2 次級 3行波磁場
2.2 直線電機基本工作原理
直線電機的三相繞組中通入三相對稱正弦電流后，也會產生氣隙磁場。當不考慮由于鐵心兩端開斷而引起的縱向邊端效應時，這個氣隙磁場的分布情況與旋轉電機相似，即可看成沿展開的直線發向呈正弦形分布。當三相電流隨時間變化時，氣隙磁場將按A、B、C相序沿直線移動。這個原理與旋轉電機相似，二者的差異是：這個磁場是平移的，而不是旋轉的，因此稱為行波磁場。
顯然，行波磁場的移動速度與旋轉磁場在定子內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
再來看行波磁場對次級的作用。假定次級為柵形次級，次級導條在行波磁場切割下，將感應電動勢并產生電流。而所有導條的電流和氣隙磁場相互作用便產生電磁推力。在這個電磁推力的作用下，如果初級是固定不動的，那么次級就順著行波磁場運動的方向作直線運動。若次級移動的速度用v表示，移動的差率（簡稱移差率）用s表示，則有：
s=
Vs-V=sVs
V=（1-s）Vs
其中，在電機運動狀態下，s在0與1之間。
3 PMAC+PC下的直線電機PID控制
直線電機的負載與直線電機的定子相連，負載的變化和外部擾動直接影響伺服系統的性能。因此，直線電機的控制需要采用閉環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伺服調節器結構圖
在圖2控制算法中，各參數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伺服調節是通過設定不同的I變量來實現的。計算公式如下：
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）。它將轉換成-10V到+10V的電壓輸出。DACout(n)的值由Ix69定義。Ix08是電機X的一個內部位置放大系數(通常設為96)。Ix09是電機X的速度環的一個內部放大系數。FE(n)是伺服周期n內所得的跟隨誤差，即該周期內指令位置和實際位置的差值[CP(n)-AP(n)]。AV(n) 是伺服周期n內的實際速度，即每個伺服周期最后兩個實際位置的差值[AP(n)-AP(n-1)]。CV(n) 是伺服周期n內的指令速度，即每個伺服周期最后兩個指令位置的差值[CP(n)-CP(n-1)]。CA(n) 是伺服周期n內的指令加速度，即每個伺服周期最后兩個指令速度的差值[CV(n)-CV(n-1)]。IE(n)是伺服周期n的跟隨誤差的積分，大小為：
4.1 PID 濾波器工作原理
傳統的伺服系統是根據反饋控制原理來設計的,很難達到無跟隨誤差控制,亦很難同時達到高速度和高精度的要求。PMAC作為全數字伺服系統,它利用計算機的硬件和軟件技術,采用新的控制方法改善系統的性能,可同時滿足高速度和高精度的要求。系統的位置、速度和電流的校正環節PID控制由軟件實現。引入了前饋控制,實際上構成了具有反饋-前饋的復合控制的系統結構,使位置跟蹤滯后誤差大為減小,提高了位置控制精度。這種系統在理論上可以完全消除系統的靜態位置誤差、速度誤差、加速度誤差以及外界擾動引起的誤差,即實現完全的“無誤差調節”。
為了獲得良好的穩態特性和動態特性以滿足系統對位置控制精度的要求,需要對系統的控制環進行校正和調整。在整個系統中,它對系統的影響是巨大的,所以當系統的基本特性(包括機械傳動、電動機選型等)確立以后,就需要對系統的控制環進行調整,也稱為校正。即通過伺服環濾波器的調節,根據被控物理系統的動力學性能對伺服環參數進行設置,達到系統伺服特性剛性好、系統穩定及跟隨誤差小的目的。
4.2 PID濾波器的調節
為適用于PC及其兼容機的PMAC執行程序，PEWIN32提供了一個調節PID+速度/加速度前饋+NOTCH濾波器參數的比較容易的方法。
在用階躍響應調節好PID 參數后,保持這些參數不動的情況下,采用正弦波響應來調整前饋,并選取“速度”和“跟隨誤差”這兩項。
步驟如下:
準備階段及初始化 正確連接光刻機控制系統，安裝PEWIN32執行軟件，使主機與PMAC正常通信，并對PMAC進行初始化設置和簡單手動操作。
(1)使所有電機閉環 使用#1j/、#2j/和#4j/在線命令使電機閉環。
(2)輸入正弦波運動大小和運動時間,按下“Do a Parabolic”鍵 ,執行一個正弦波響應；
(3)等待主機下傳數據,進行數據采集并將采集到的數據畫成曲線與命令曲線比較。觀察響應曲線,包括速度系數、平均速度誤差、加速度系數、平均加速度誤差、最大誤差和各種變量值；
(4)增大Ix32,重復響應過程,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 ,觀察響應曲線和數據值的變化,如果看不到相關變化,增加運動長度或減少運動時間。繼續增加Ix35,直到所有系數保持為正。此時跟隨誤差很小，大部分是由于噪聲或機械摩擦引起的；
(5) Ix34 = 1,增大Ix32,調整Ix35,直到得到理想的響應曲線。
圖3 PMAC的PID+前饋調整界面
圖4 前饋調節后正弦波響應曲線
實驗結果表明，通過PID參數的調節使光刻機系統獲得較好的動態性能和穩態性能。
5 結束語
本文主要利用直線電機作為光刻機控制系統的快速伺服進給單元，實現光刻機的零傳動，通過PID+前饋控制法對直線電機的控制，使直線電機進給系統能夠獲得良好的動態和穩態性能，為直線電機及PMAC在高速高精度控制系統的應用打下了基礎。
其它作者：劉文杰（1966-），江蘇蘇州人，碩士生導師，博士，副教授 研究方向為機電一體化；梁林祖（1980-），山東德州人 ，碩士研究生， 研究方向為機械設計。
參考文獻：
[1]北京元茂興設備技術有限責任公司.PMAC用戶指南
[2]北京元茂興設備技術有限責任公司.PMAC軟件說明
[3]楊更更，葉佩清，揚開明，等.基于PMAC的數控系統PID參數自適應調節[J].機械工程師，2002(4)
[4]吳玉厚，潘振寧，張珂，高玉山.PMAC控制器中PID調節的應用[J].沈陽建筑工程學院學報（自然科學版），2004(20)2.
[5]朱華征，范大鵬，龐新良.基于可編程多軸控制器的三軸轉臺控制系統[J].兵工自動化，2004(23)1.
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號