近年来，随着自动控制技术和微型计算机的高速发展，对各类自动控制系统的定位精度提出了更高的要求，在这种情况下，传统的旋转电机再加上一套变换机构组成的直线运动驱动装置，已经远不能满足现代控制系统的要求，为此，近年来世界许多国家都在研究、发展和应用直线电机，使得直线电机的应用领域越来越广。
1 PMAC控制器简介
PMAC(Programmable Multi-axis Controller)是美国Delta Tau公司在上世纪九十年代推出的一种开放式多轴运动控制器。它是一种以DSP为核心的拥有高性能伺服控制器，可以通过灵活的高级语言最多控制八轴同时运动，并提供了运动控制、离散开展、内务处理、同主机交互等基本功能。
PMAC是一台完整的计算机，它还是一台实时多任务的计算机，能自动对任务进行等级判断，从而使具有高优先级的任务比具有低优先级的任务先被执行。它的速度、分辨率等指标远优于一般控制器。伺服控制包括PID加Notch和速度、加速度前馈控制。可连接MACRO现场总线的高速环网，直接进行生产线的连动控制。
与其他运动控制器相比，PMAC的最大特点是开放性。允许用户根据自己的用途使用内部寄存器。PMAC的A/D和I/O与内部寄存器一样是统一编址，可以像使用PMAC其它内存一样来操作A/D和I/O，使用非常方便。内部寄存器和A/D、I/O的地址既可以使用PMAC的默认值，也可以由用户重新定义，以满足不同的需要。
2 直线电机的结构与基本工作原理
2.1 直线电机的结构
直线电机的直线电机是一种将电能转换成直线运动机械能，而不需要任何中间转换机构的传动装置。 直线电机的结构如图1所示。
图1 直线电机结构
1 初级 2 次级 3行波磁
2.2 直线电机基本工作原理
直线电机的三相绕组中通入三相对称正弦电流后，也会产生气隙磁场。当不考虑由于铁心两端开断而引起的纵向边端效应时，这个气隙磁场的分布情况与旋转电机相似，即可看成沿展开的直线发向呈正弦形分布。当三相电流随时间变化时，气隙磁场将按A、B、C相序沿直线移动。这个原理与旋转电机相似，二者的差异是：这个磁场是平移的，而不是旋转的，因此称为行波磁场。
显然，行波磁场的移动速度与旋转磁场在定子内圆表面上的线速度是一样的，即为Vs ，称为同步速度（m/s），且Vs =2f
再来看行波磁场对次级的作用。假定次级为栅形次级，次级导条在行波磁场切割下，将感应电动势并产生电流。而所有导条的电流和气隙磁场相互作用便产生电磁推力。在这个电磁推力的作用下，如果初级是固定不动的，那么次级就顺着行波磁场运动的方向作直线运动。若次级移动的速度用v表示，移动的差率（简称移差率）用s表示，则有：
Vs-V=sVs
V=（1-s）Vs
其中，在电机运动状态下，s在0与1之间。
3 PMAC+PC下的直线电机PID控制
直线电机的负载与直线电机的定子相连，负载的变化和外部扰动直接影响伺服系统的性能。因此，直线电机的控制需要采用闭环控制这种高精度的伺服控制。
PMAC提供的是PID+前馈控制的控制算法，其算法流程图如图2所示。
图2 PID伺服调节器结构图场
在图2控制算法中，各参数所代表的变量分别如下：
Kp：比例增益(Ix30); Kd：微分增益(Ix31)；Kvff ：速度前馈增益(Ix32)；Ki：积分增益（Ix33）；IM：积分模式(Ix34)；Kaff ：加速度前馈增益(Ix35)。
PID伺服调节是通过设定不同的I变量来实现的。计算公式如下：
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位输出命令（-32768到+32767）。它将转换成-10V到+10V的电压输出。DACout(n)的值由Ix69定义。Ix08是电机X的一个内部位置放大系数(通常设为96)。Ix09是电机X的速度环的一个内部放大系数。FE(n)是伺服周期n内所得的跟随误差，即该周期内指令位置和实际位置的差值[CP(n)-AP(n)]。AV(n) 是伺服周期n内的实际速度，即每个伺服周期最后两个实际位置的差值[AP(n)-AP(n-1)]。CV(n) 是伺服周期n内的指令速度，即每个伺服周期最后两个指令位置的差值[CP(n)-CP(n-1)]。CA(n) 是伺服周期n内的指令加速度，即每个伺服周期最后两个指令速度的差值[CV(n)-CV(n-1)]。IE(n)是伺服周期n的跟随误差的积分，大小为：
4 直线电机的PID控制实验
4.1 PID 滤波器工作原理
传统的伺服系统是根据反馈控制原理来设计的,很难达到无跟随误差控制,亦很难同时达到高速度和高精度的要求。PMAC作为全数字伺服系统,它利用计算机的硬件和软件技术,采用新的控制方法改善系统的性能,可同时满足高速度和高精度的要求。系统的位置、速度和电流的校正环节PID控制由软件实现。引入了前馈控制,实际上构成了具有反馈-前馈的复合控制的系统结构,使位置跟踪滞后误差大为减小,提高了位置控制精度。这种系统在理论上可以完全消除系统的静态位置误差、速度误差、加速度误差以及外界扰动引起的误差,即实现完全的“无误差调节”。
为了获得良好的稳态特性和动态特性以满足系统对位置控制精度的要求,需要对系统的控制环进行校正和调整。在整个系统中,它对系统的影响是巨大的,所以当系统的基本特性(包括机械传动、电动机选型等)确立以后,就需要对系统的控制环进行调整,也称为校正。即通过伺服环滤波器的调节,根据被控物理系统的动力学性能对伺服环参数进行设置,达到系统伺服特性刚性好、系统稳定及跟随误差小的目的。
4.2 PID滤波器的调节
为适用于PC及其兼容机的PMAC执行程序，PEWIN32提供了一个调节PID+速度/加速度前馈+NOTCH滤波器参数的比较容易的方法。
在用阶跃响应调节好PID 参数后,保持这些参数不动的情况下,采用正弦波响应来调整前馈,并选取“速度”和“跟随误差”这两项。
步骤如下:
准备阶段及初始化 正确连接光刻机控制系统，安装PEWIN32执行软件，使主机与PMAC正常通信，并对PMAC进行初始化设置和简单手动操作。
(1)使所有电机闭环 使用#1j/、#2j/和#4j/在线命令使电机闭环。
(2)输入正弦波运动大小和运动时间,按下“Do a Parabolic”键 ,执行一个正弦波响应；
(3)等待主机下传数据,进行数据采集并将采集到的数据画成曲线与命令曲线比较。观察响应曲线,包括速度系数、平均速度误差、加速度系数、平均加速度误差、最大误差和各种变量值；
(4)增大Ix32,重复响应过程,直到跟随误差曲线形状看起来像方波。在“What To Plot”框中选择“加速度”和“跟随误差”。加入 Ix35 ,观察响应曲线和数据值的变化,如果看不到相关变化,增加运动长度或减少运动时间。继续增加Ix35,直到所有系数保持为正。此时跟随误差很小，大部分是由于噪声或机械摩擦引起的；
(5)Ix34 = 1,增大Ix32,调整Ix35,直到得到理想的响应曲线。
图3 PMAC的PID+前馈调整界面
图4 前馈调节后正弦波响应曲线
实验结果表明，通过PID参数的调节使光刻机系统获得较好的动态性能和稳态性能。
5 结束语
本文主要利用直线电机作为光刻机控制系统的快速伺服进给单元，实现光刻机的零传动，通过PID+前馈控制法对直线电机的控制，使直线电机进给系统能够获得良好的动态和稳态性能，为直线电机及PMAC在高速高精度控制系统的应用打下了基础。
参考文献：
[1]北京元茂兴设备技术有限责任公司.PMAC用户指南
[2]北京元茂兴设备技术有限责任公司.PMAC软件说明
[3]杨更更，叶佩清，扬开明，等.基于PMAC的数控系统PID参数自适应调节[J].机械工程师，2002(4)
[4]吴玉厚，潘振宁，张珂，高玉山.PMAC控制器中PID调节的应用[J].沈阳建筑工程学院学报（自然科学版），2004(20)2.
[5]朱华征，范大鹏，庞新良.基于可编程多轴控制器的三轴转台控制系统[J].兵工自动化，2004(23)1.
（转载）
