用于高性能運(yùn)動控制的電機(jī)伺服驅(qū)動器的制造方法
【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)及對向伺服電機(jī)（servo-motors)饋送電流的電機(jī)伺 服驅(qū)動器（motor servo-化ives)性能的改進(jìn)，且更特別但不排他地，設(shè)及對跨全電流范圍 的電流敏感度的改進(jìn)，即使那個范圍很大。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)動器遵照命令輸出的電流越準(zhǔn)確，所述驅(qū)動器的速度和位置控制就越準(zhǔn) 確。所述電機(jī)性能的改善是通過改善電流測量的信噪比達(dá)到的，例如，特別是在所需電流相 對于使所述電機(jī)加速所需的最大電流是低水平時。
[0003] 為人熟知的是，為了給電機(jī)驅(qū)動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)動器利用了產(chǎn)生代表所述驅(qū)動器的實(shí)際輸出電流的電信號的電流感應(yīng)電路。測 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)動器用來校正輸出電流。
[0004] 為人熟知的是，輸出電流的校正受到測量精確度W及測得的電流在實(shí)際上代表實(shí) 際輸出的程度的限制。測得信號與實(shí)際輸出電流的任何偏差都可能使所述驅(qū)動器產(chǎn)生錯誤 的校正。運(yùn)種偏差通常是由來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)際測得 的速度之間的偏差、速度誤差，或者就此而言期望的和測得的位置之間的偏差一一位置誤 差一一被用作對電機(jī)伺服驅(qū)動器的命令（=驅(qū)動器命令）的校正。電機(jī)電流中的任何噪 聲，比如說量化噪聲，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負(fù)面影響。
[0006] 可用的電機(jī)伺服驅(qū)動器有兩種主要類型：線性驅(qū)動器和開關(guān)脈寬調(diào)制（PWM)驅(qū)動 器。所述驅(qū)動器可W操作許多類型的電機(jī)：單相和多相電機(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)在特別地對線性驅(qū)動器與PWM驅(qū)動器之間存在的一些區(qū)別加 W總結(jié)。
[0008] 為人熟知的是，相對于具有相同輸出功率能力的PWM型驅(qū)動器，線性驅(qū)動器效率 低下，且因此，相比之下，所述線性驅(qū)動器散發(fā)大量的熱量。所述線性驅(qū)動器相對更大且通 常更昂貴。線性驅(qū)動器還比PWM驅(qū)動器更安靜，產(chǎn)生的對所述電流感應(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，線性驅(qū)動器能夠在更 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的高強(qiáng)度電流，也就是說，在為了對運(yùn)種較小誤差進(jìn)行校正只需要非 常低水平的電流時，在靜止時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) 動時幾納米及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)與計量系統(tǒng)。運(yùn)種定位臺可W包括帶有單個線性電機(jī)和位置反饋的系統(tǒng)，W及龍 口軸系統(tǒng)，每個龍口軸利用兩個電機(jī)和兩個位置反饋?，F(xiàn)有技術(shù)的晶圓光刻檢驗(yàn)與計量系 統(tǒng)需要靜止抖動W及在W恒定速度移動幾個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，還使用需要相對大慣性的高加速度與因此的大電流和幾個微度及W下的 低靜止抖動的組合的高精度旋轉(zhuǎn)定位桌。
[0011] 對于在恒定速度或者靜止期間需要高度動態(tài)性和納米與亞納米、微度與亞微度、 靜止抖動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)動器是所述線性驅(qū)動 器。更特別地，現(xiàn)有的PWM伺服驅(qū)動器通常不被用于在靜止期間需要小于大約10納米的抖 動和跟隨誤差的應(yīng)用中。在恒定速度時W PWM驅(qū)動器能夠達(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操作的控制系統(tǒng)， 用于控制機(jī)器相對于工件的位置，所述機(jī)器因此可W在所述工件被傳送帶移動時在所述工 件上的各種不同的地方執(zhí)行工作。所述系統(tǒng)包括一對同步解算器，其提供指示所述機(jī)器相 對于基準(zhǔn)位置的位置的輸出信號和一對同步解算器，其提供指示所述傳送帶相對于所述基 準(zhǔn)位置的位置的輸出信號。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)計數(shù)器產(chǎn)生的命令信號進(jìn)行比較，該連 續(xù)循環(huán)計數(shù)器已經(jīng)由來自存儲器的信號預(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，并在所述機(jī)器從一個預(yù)先編程的地方 移動到所述工件上新被編程的位置的同時，與所述工件同步。
[0013] 授予Jehudalsh-aialom的EP0189794公開了一種電磁致動器，包括具有電樞和帶 有多個線圈的靜子的步進(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在被選擇時通過所述線圈對來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，并向 所述邏輯裝置提供方向和相位前置信號，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；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)動器系統(tǒng)，其中變頻無極變 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，誤差信號錯位被放置在反饋信號通路內(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)動器，W及其他形式的驅(qū)動器。當(dāng)被施加到PWM 驅(qū)動器時，它們可W給所述PWM驅(qū)動器賦予可與等價的線性驅(qū)動器的性能相比擬的性能， 且當(dāng)被施加于所述線性驅(qū)動器時，可W給所述線性驅(qū)動器賦予現(xiàn)有技術(shù)的線性驅(qū)動器無法 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)動器。在未加速時， 即，在站立或者在W恒定速度移動時，在過渡狀態(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"加速"也指減速，其可W被理解為負(fù)加速。術(shù)語"加速" 還指對克服大擾動所需的加速的校正。
[0020] 更一般地，當(dāng)需要高強(qiáng)度時（諸如加速和減速狀態(tài)的過渡期間和當(dāng)遇到高強(qiáng)度干 擾時）就需要大電流。
[0021] 在穩(wěn)態(tài)相位期間由被刻度W覆蓋整個電流范圍的感應(yīng)器執(zhí)行的電流測量產(chǎn)生了 代表實(shí)際電流的電信號，其比由感應(yīng)器和測量電路采得的電噪聲小。為了獲得具有與使 用單個感應(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)器和測量電 路、用于測量大電流（粗測量）的第一感應(yīng)器和測量電路W及用于測量小電流（精測量）的 第二感應(yīng)器和測量電路。分開的測量改善了位置抖動和跟隨誤差。結(jié)果是驅(qū)動器可提供改 進(jìn)的速度和定位精度。當(dāng)把本粗和精測量技術(shù)應(yīng)用于PWM驅(qū)動器時，所述PWM驅(qū)動器提供 了與用單個電流測量感應(yīng)器的等價線性驅(qū)動器相同或更佳的性能，并且從而允許所述PWM 驅(qū)動器被用在大電流范圍、高精度應(yīng)用的線性驅(qū)動器的場合?？商鎿Q地，相同的粗和精測量 技術(shù)可W被應(yīng)用到線性驅(qū)動器，W進(jìn)一步改進(jìn)其特征，并因此在與用單個電流測量感應(yīng)器 的等價線性驅(qū)動器相比較時，達(dá)到甚至更佳的靜止抖動和跟隨誤差。
[0022] 在此每當(dāng)使用術(shù)語"伺服驅(qū)動器"時，其可W是用于帶有一種或多種電流反饋測量 的單相或多相電機(jī)的伺服驅(qū)動器。本粗和精測量方法可W被應(yīng)用到一種或多種運(yùn)樣的反饋 測量方法。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器W及任何可W被測量W形成所述 致動器的一部分控制的可測量的特征。無論哪里，只要對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，就可W由兩個專用感應(yīng)器單獨(dú)地測量運(yùn)兩個范圍。
[0024] 除了測量反饋信號之外，還可W把相同的處理應(yīng)用到用于任何致動器的驅(qū)動器的 由外部提供的命令信號。對于該命令信號范圍的低部分，其可W被放大且被放大的信號可 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)施例的一個方面，提供有用于電機(jī)的基于反饋的運(yùn)動控制和 定位的伺服驅(qū)動器系統(tǒng)，包括：
[0026] 電流測量設(shè)備，被設(shè)置成獲得對正被所述驅(qū)動器電機(jī)抽取的電流進(jìn)行的測量，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)操作的相對較小的電流范圍內(nèi)的電流范圍，所述電流測量設(shè)備具有優(yōu)化用 于測量所述相對較大電流范圍的第一粗感應(yīng)器W及優(yōu)化用于測量所述相對較小電流范圍 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)動器是脈寬調(diào)制驅(qū)動器，或者線性驅(qū)動器或者任何其他適當(dāng) 的驅(qū)動器。
[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)的一種電流測量。
[0034] 可替換地，所述驅(qū)動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)的至少一種電流測量。通常，感應(yīng)器對可被提供到所述電機(jī)的一個、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)動器被連接W接收 來自所述外部控制器的模擬命令。所述驅(qū)動器獲得或提供模擬命令的精或粗測量。
[0036] 所述驅(qū)動器系統(tǒng)可W產(chǎn)生一個或多個用于控制所述電機(jī)的電流命令，并可W基于 所述一個或多個電流命令選擇所述第一和第二感應(yīng)器之一。所述驅(qū)動器可W通過其放大獲 得模擬命令的精測量，并可W在放