用于高性能運(yùn)動(dòng)控制的電機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】 [0001] 和【背景技術(shù)】
[0002] 本發(fā)明在其一些實(shí)施例中設(shè)及對(duì)向伺服電機(jī)（servo-motors)饋送電流的電機(jī)伺 服驅(qū)動(dòng)器（motor servo-化ives)性能的改進(jìn)，且更特別但不排他地，設(shè)及對(duì)跨全電流范圍 的電流敏感度的改進(jìn)，即使那個(gè)范圍很大。所述電機(jī)產(chǎn)生與電流直接關(guān)聯(lián)的力（或力矩） W及加速度。更佳的電流使得伺服電機(jī)的更準(zhǔn)確的速度和位置控制成為可能。（向所述電 機(jī)饋送的）所述驅(qū)動(dòng)器遵照命令輸出的電流越準(zhǔn)確，所述驅(qū)動(dòng)器的速度和位置控制就越準(zhǔn) 確。所述電機(jī)性能的改善是通過(guò)改善電流測(cè)量的信噪比達(dá)到的，例如，特別是在所需電流相 對(duì)于使所述電機(jī)加速所需的最大電流是低水平時(shí)。
[0003] 為人熟知的是，為了給電機(jī)驅(qū)動(dòng)器提供可能最佳的性能，使用了閉環(huán)電流控制方 法。所述驅(qū)動(dòng)器利用了產(chǎn)生代表所述驅(qū)動(dòng)器的實(shí)際輸出電流的電信號(hào)的電流感應(yīng)電路。測(cè) 得的輸出電流與期望的電流命令（州rrent command)進(jìn)行比較，而二者之間的誤差被所述 驅(qū)動(dòng)器用來(lái)校正輸出電流。
[0004] 為人熟知的是，輸出電流的校正受到測(cè)量精確度W及測(cè)得的電流在實(shí)際上代表實(shí) 際輸出的程度的限制。測(cè)得信號(hào)與實(shí)際輸出電流的任何偏差都可能使所述驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生錯(cuò)誤 的校正。運(yùn)種偏差通常是由來(lái)自周圍電路和其他噪聲源的量化誤差（或誤差）、電磁干擾 (EMI)造成的。
[000引為人熟知的是，為了達(dá)到所述電機(jī)的高性能的速度和位置控制，使用了閉環(huán)方法。 實(shí)際速度和/或位置被測(cè)量且與期望的速度和/或位置進(jìn)行比較。期望速度和實(shí)際測(cè)得 的速度之間的偏差、速度誤差，或者就此而言期望的和測(cè)得的位置之間的偏差一一位置誤 差一一被用作對(duì)電機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)器的命令（=驅(qū)動(dòng)器命令）的校正。電機(jī)電流中的任何噪 聲，比如說(shuō)量化噪聲，都可能把噪聲引入所述電機(jī)產(chǎn)生的力或力矩中，且可能因此給實(shí)際速 度和實(shí)際位置是否很好地隨期望速度和位置而變化帶來(lái)負(fù)面影響。
[0006] 可用的電機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)器有兩種主要類型：線性驅(qū)動(dòng)器和開關(guān)脈寬調(diào)制（PWM)驅(qū)動(dòng) 器。所述驅(qū)動(dòng)器可W操作許多類型的電機(jī)：?jiǎn)蜗嗪投嘞嚯姍C(jī)，不論是線性還是旋轉(zhuǎn)型的。所 述電機(jī)可W是任何電機(jī)結(jié)構(gòu)的類型，包括直流電機(jī)、永磁同步電機(jī)、異步感應(yīng)電機(jī)、音圈、步 進(jìn)電機(jī)等。
[0007] 現(xiàn)在特別地對(duì)線性驅(qū)動(dòng)器與PWM驅(qū)動(dòng)器之間存在的一些區(qū)別加 W總結(jié)。
[0008] 為人熟知的是，相對(duì)于具有相同輸出功率能力的PWM型驅(qū)動(dòng)器，線性驅(qū)動(dòng)器效率 低下，且因此，相比之下，所述線性驅(qū)動(dòng)器散發(fā)大量的熱量。所述線性驅(qū)動(dòng)器相對(duì)更大且通 常更昂貴。線性驅(qū)動(dòng)器還比PWM驅(qū)動(dòng)器更安靜，產(chǎn)生的對(duì)所述電流感應(yīng)電路造成影響的電 磁噪聲更少。結(jié)果，特別是當(dāng)精細(xì)速度和位置校正需要低水平電流時(shí)，線性驅(qū)動(dòng)器能夠在更 寬的電流范圍上為所述電機(jī)供應(yīng)更佳地重復(fù)期望電流的電流。
[0009] 有許多高精度定位應(yīng)用，需要高度動(dòng)態(tài)性、大質(zhì)量或慣性的加速度的結(jié)合，因此需 要較低靜止位置抖動(dòng)的高強(qiáng)度電流，也就是說(shuō)，在為了對(duì)運(yùn)種較小誤差進(jìn)行校正只需要非 常低水平的電流時(shí)，在靜止時(shí)離期望位置幾納米和納米W下的偏差，W及在W恒定速度運(yùn) 動(dòng)時(shí)幾納米及W下的跟隨誤差。
[0010] 運(yùn)種應(yīng)用的實(shí)例包括利用高精度定位臺(tái)的、空氣軸承類型和機(jī)械軸承類型的晶圓 光刻檢驗(yàn)與計(jì)量系統(tǒng)。運(yùn)種定位臺(tái)可W包括帶有單個(gè)線性電機(jī)和位置反饋的系統(tǒng)，W及龍 口軸系統(tǒng)，每個(gè)龍口軸利用兩個(gè)電機(jī)和兩個(gè)位置反饋?，F(xiàn)有技術(shù)的晶圓光刻檢驗(yàn)與計(jì)量系 統(tǒng)需要靜止抖動(dòng)W及在W恒定速度移動(dòng)幾個(gè)納米之后的誤差在納米和亞納米水平。運(yùn)種應(yīng) 用，或者類似的，還使用需要相對(duì)大慣性的高加速度與因此的大電流和幾個(gè)微度及W下的 低靜止抖動(dòng)的組合的高精度旋轉(zhuǎn)定位桌。
[0011] 對(duì)于在恒定速度或者靜止期間需要高度動(dòng)態(tài)性和納米與亞納米、微度與亞微度、 靜止抖動(dòng)與低跟隨誤差的定位應(yīng)用，現(xiàn)有技術(shù)中唯一可行的伺服驅(qū)動(dòng)器是所述線性驅(qū)動(dòng) 器。更特別地，現(xiàn)有的PWM伺服驅(qū)動(dòng)器通常不被用于在靜止期間需要小于大約10納米的抖 動(dòng)和跟隨誤差的應(yīng)用中。在恒定速度時(shí)W PWM驅(qū)動(dòng)器能夠達(dá)到的跟隨誤差通常更糟。
[0012] 授予E Anger等人的US3775654公開了一種可編程的和可手動(dòng)操作的控制系統(tǒng)， 用于控制機(jī)器相對(duì)于工件的位置，所述機(jī)器因此可W在所述工件被傳送帶移動(dòng)時(shí)在所述工 件上的各種不同的地方執(zhí)行工作。所述系統(tǒng)包括一對(duì)同步解算器，其提供指示所述機(jī)器相 對(duì)于基準(zhǔn)位置的位置的輸出信號(hào)和一對(duì)同步解算器，其提供指示所述傳送帶相對(duì)于所述基 準(zhǔn)位置的位置的輸出信號(hào)。所述機(jī)器指示解算器的輸出為所述傳送帶指示解算器提供了輸 入，且所述傳送帶指示解算器的輸出與由連續(xù)循環(huán)計(jì)數(shù)器產(chǎn)生的命令信號(hào)進(jìn)行比較，該連 續(xù)循環(huán)計(jì)數(shù)器已經(jīng)由來(lái)自存儲(chǔ)器的信號(hào)預(yù)先設(shè)置，W使得在不使用有差異的機(jī)械齒輪的情 況下，在所述工件上選擇的地方與機(jī)器之間的位移被電子地測(cè)得。安排所述控制系統(tǒng)，所述 機(jī)器因此將獨(dú)立于所述工件，與所述工件同步移動(dòng)，并在所述機(jī)器從一個(gè)預(yù)先編程的地方 移動(dòng)到所述工件上新被編程的位置的同時(shí)，與所述工件同步。
[0013] 授予Jehudalsh-aialom的EP0189794公開了一種電磁致動(dòng)器，包括具有電樞和帶 有多個(gè)線圈的靜子的步進(jìn)電機(jī)、與所述線圈相連W為所述線圈提供電力的電源裝置、與所 述線圈相連W在被選擇時(shí)通過(guò)所述線圈對(duì)來(lái)自所述電源裝置的電路完成使能的線圈切換 裝置，W及適配于監(jiān)控所述電樞的位置和向邏輯裝置和微處理器提供當(dāng)前電樞位置信號(hào)的 類型的電樞位置感應(yīng)裝置，所述微處理器適配于向所述電源裝置提供幅度控制信號(hào)，并向 所述邏輯裝置提供方向和相位前置信號(hào)，所述邏輯裝置適配于給所述線圈切換裝置產(chǎn)生切 換選擇信號(hào)；其特征在于所述微處理器適配于W線性控制律操作，W提供控制幅度U，且還 根據(jù)公式
[0014]
[0015] 向所述電源裝置提供平方律補(bǔ)償。
[0016] 授予Wa化er的US4274042公開了一種Ξ相交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)，其中變頻無(wú)極變 幅交流電流被從可控娃控制的直流變交流換流器供應(yīng)給交流電機(jī)負(fù)載，所述變頻無(wú)極變幅 交流電流由可控娃控制的交流變直流轉(zhuǎn)換器通過(guò)包括感應(yīng)器的直流鏈路的方式提供。所述 直流負(fù)載電流被命令W由所述轉(zhuǎn)換器的輸出電壓和所述換能器的輸入電壓之間的差限定 的速率上升，該輸入電壓出現(xiàn)在所述感應(yīng)器的兩端。對(duì)于在負(fù)方向上的命令遭遇到的固有 通信傳輸延遲的結(jié)果，誤差信號(hào)錯(cuò)位被放置在反饋信號(hào)通路內(nèi)，控制所述交流變直流轉(zhuǎn)換 器W限制用于正方向上的變化的命令，從而在正方向上提供系統(tǒng)響應(yīng)，其看上去更像是在 負(fù)方向上的響應(yīng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0017] 當(dāng)前的實(shí)施例適用于PWM和線性驅(qū)動(dòng)器，W及其他形式的驅(qū)動(dòng)器。當(dāng)被施加到PWM 驅(qū)動(dòng)器時(shí)，它們可W給所述PWM驅(qū)動(dòng)器賦予可與等價(jià)的線性驅(qū)動(dòng)器的性能相比擬的性能， 且當(dāng)被施加于所述線性驅(qū)動(dòng)器時(shí)，可W給所述線性驅(qū)動(dòng)器賦予現(xiàn)有技術(shù)的線性驅(qū)動(dòng)器無(wú)法 達(dá)到的性能。
[0018] 如所解釋的那樣，一些定位應(yīng)用需要使用帶有大電流范圍的驅(qū)動(dòng)器。在未加速時(shí)， 即，在站立或者在W恒定速度移動(dòng)時(shí)，在過(guò)渡狀態(tài)期間（諸如加速）所需的電機(jī)電流可W是 穩(wěn)態(tài)相位期間電流的上千倍。當(dāng)然，穩(wěn)態(tài)所需的電流可能接近零。
[0019] 在此應(yīng)當(dāng)注意的是，術(shù)語(yǔ)"加速"也指減速，其可W被理解為負(fù)加速。術(shù)語(yǔ)"加速" 還指對(duì)克服大擾動(dòng)所需的加速的校正。
[0020] 更一般地，當(dāng)需要高強(qiáng)度時(shí)（諸如加速和減速狀態(tài)的過(guò)渡期間和當(dāng)遇到高強(qiáng)度干 擾時(shí)）就需要大電流。
[0021] 在穩(wěn)態(tài)相位期間由被刻度W覆蓋整個(gè)電流范圍的感應(yīng)器執(zhí)行的電流測(cè)量產(chǎn)生了 代表實(shí)際電流的電信號(hào)，其比由感應(yīng)器和測(cè)量電路采得的電噪聲小。為了獲得具有與使 用單個(gè)感應(yīng)器的當(dāng)前技術(shù)相同的信噪比和分辨率的大范圍電流W及帶有更高信噪比和更 高分辨率的低水平電流的組合，本發(fā)明的實(shí)施例因此可W使用分開的電流感應(yīng)器和測(cè)量電 路、用于測(cè)量大電流（粗測(cè)量）的第一感應(yīng)器和測(cè)量電路W及用于測(cè)量小電流（精測(cè)量）的 第二感應(yīng)器和測(cè)量電路。分開的測(cè)量改善了位置抖動(dòng)和跟隨誤差。結(jié)果是驅(qū)動(dòng)器可提供改 進(jìn)的速度和定位精度。當(dāng)把本粗和精測(cè)量技術(shù)應(yīng)用于PWM驅(qū)動(dòng)器時(shí)，所述PWM驅(qū)動(dòng)器提供 了與用單個(gè)電流測(cè)量感應(yīng)器的等價(jià)線性驅(qū)動(dòng)器相同或更佳的性能，并且從而允許所述PWM 驅(qū)動(dòng)器被用在大電流范圍、高精度應(yīng)用的線性驅(qū)動(dòng)器的場(chǎng)合?？商鎿Q地，相同的粗和精測(cè)量 技術(shù)可W被應(yīng)用到線性驅(qū)動(dòng)器，W進(jìn)一步改進(jìn)其特征，并因此在與用單個(gè)電流測(cè)量感應(yīng)器 的等價(jià)線性驅(qū)動(dòng)器相比較時(shí)，達(dá)到甚至更佳的靜止抖動(dòng)和跟隨誤差。
[0022] 在此每當(dāng)使用術(shù)語(yǔ)"伺服驅(qū)動(dòng)器"時(shí)，其可W是用于帶有一種或多種電流反饋測(cè)量 的單相或多相電機(jī)的伺服驅(qū)動(dòng)器。本粗和精測(cè)量方法可W被應(yīng)用到一種或多種運(yùn)樣的反饋 測(cè)量方法。本實(shí)施例可W可替換地設(shè)及電流和設(shè)及電流向量。
[0023] 本實(shí)施例可W更一般地用于任何種類的致動(dòng)器W及任何可W被測(cè)量W形成所述 致動(dòng)器的一部分控制的可測(cè)量的特征。無(wú)論哪里，只要對(duì)于該特征存在大范圍并且需要用 于穩(wěn)態(tài)的低水平范圍時(shí)，就可W由兩個(gè)專用感應(yīng)器單獨(dú)地測(cè)量運(yùn)兩個(gè)范圍。
[0024] 除了測(cè)量反饋信號(hào)之外，還可W把相同的處理應(yīng)用到用于任何致動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)器的 由外部提供的命令信號(hào)。對(duì)于該命令信號(hào)范圍的低部分，其可W被放大且被放大的信號(hào)可 被用于在低部分范圍上進(jìn)行更精確的控制。
[00巧]根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例的一個(gè)方面，提供有用于電機(jī)的基于反饋的運(yùn)動(dòng)控制和 定位的伺服驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)，包括：
[0026] 電流測(cè)量設(shè)備，被設(shè)置成獲得對(duì)正被所述驅(qū)動(dòng)器電機(jī)抽取的電流進(jìn)行的測(cè)量，從 中提供反饋；
[0027] 該電流具有操作范圍，該操作范圍包括用于加速的相對(duì)較大的、但仍保留在用于 所述電機(jī)的穩(wěn)態(tài)操作的相對(duì)較小的電流范圍內(nèi)的電流范圍，所述電流測(cè)量設(shè)備具有優(yōu)化用 于測(cè)量所述相對(duì)較大電流范圍的第一粗感應(yīng)器W及優(yōu)化用于測(cè)量所述相對(duì)較小電流范圍 的第二精感應(yīng)器，從而使穩(wěn)態(tài)操作期間的反饋精度最大化。
[0028] 實(shí)施例可W包括用于對(duì)所述第一感應(yīng)器和所述第二感應(yīng)器W相同速率分別采樣 的采樣器。
[0029] 在實(shí)施例中，所述驅(qū)動(dòng)器是脈寬調(diào)制驅(qū)動(dòng)器，或者線性驅(qū)動(dòng)器或者任何其他適當(dāng) 的驅(qū)動(dòng)器。
[0030] 在實(shí)施例中，所述電機(jī)可W是單相電機(jī)、直流電機(jī)、多相電機(jī)、Ξ相電機(jī)、交流電 機(jī)、兩相電機(jī)、線性電機(jī)或者旋轉(zhuǎn)電機(jī)或者任何其他適當(dāng)?shù)碾姍C(jī)。
[0031] 實(shí)施例可W在電機(jī)電流在預(yù)先確定的闊值W下時(shí)開啟第二精感應(yīng)器，并且在所述 電機(jī)電流在該預(yù)先確定的闊值W上時(shí)使所述第二精感應(yīng)器電氣短路。
[0032] 所述感應(yīng)器可W包括電阻器、電流鏡像電路、變壓器、基于霍爾效應(yīng)的電流感應(yīng)器 或者任何其他適當(dāng)?shù)母袘?yīng)器。
[0033] 所述驅(qū)動(dòng)器可被用于具有單相的電機(jī)，并且所述第一和第二感應(yīng)器可W被應(yīng)用到 所述電機(jī)的一種電流測(cè)量。
[0034] 可替換地，所述驅(qū)動(dòng)器可被用于具有多相的電機(jī)，且所述第一和第二感應(yīng)器可被 提供用于所述電機(jī)的至少一種電流測(cè)量。通常，感應(yīng)器對(duì)可被提供到所述電機(jī)的一個(gè)、一些 或者全部相。
[0035] 在實(shí)施例中，外部控制器可被用于產(chǎn)生模擬電流命令，所述驅(qū)動(dòng)器被連接W接收 來(lái)自所述外部控制器的模擬命令。所述驅(qū)動(dòng)器獲得或提供模擬命令的精或粗測(cè)量。
[0036] 所述驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)可W產(chǎn)生一個(gè)或多個(gè)用于控制所述電機(jī)的電流命令，并可W基于 所述一個(gè)或多個(gè)電流命令選擇所述第一和第二感應(yīng)器之一。所述驅(qū)動(dòng)器可W通過(guò)其放大獲 得模擬命令的精測(cè)量，并可W在放