学文网【摘要】随着科学技术的不断发展，工业水平的不断提升，在世界范围内的先进控制技术得到了很大的提升。在以往的电机控制中，由于控制器的控制能力有限，使得被控对象在运行时有很大的误差产生，而以PMAC为核心控制器的电机运行设备具有更高的控制能力。本文在对PMAC运动控制器及直线电机原理进行概述的基础上，重点研究PMAC控制器在直线电机PID调节中的应用，并以具体的实验进行验证。
【关键词】PMAC，PID，直线电机
1.引言
当今社会，自动控制技术和微型计算机作为高科技时代的领导者，更加严格要求各种自动控制系统的定位精准度，由此，在传统旋转电机的基础上配备一套变换机构而构成的直线运动驱动装置，已难以满足当代控制系统愈发精准的要求，因此直线电机的研究、发展与应用工作成为世界各国当今的发展方向，促使直线电机具有越来越开扩的应用领域。
2.PMAC控制器简介
上世纪九十年代，美国Delta Tau公司研发了一种开放式多轴运动控制器，命名为PMAC（Programmable Multi-axis Contro-ller）。PMAC是具有高性能的伺服控制器，其核心为DSP，它可借助高级语言灵活的控制最多八轴同时运行，还能提供内务处理、运动控制、离散开展、同主机交互等功能。
PMAC是一整的可以任务识别的计算机，能自动进行任务等级识别，将高优先级的任务比低优先级的任务先进行操作。其执行速度、分辨率等指标均高于普通的控制器。伺服控制分为PID加Notch和速度、加速度前馈控制。可与MACRO现场总线的高速环网相连接，直接灵活的对生产线实施控制。
相对于其他运动控制器，PMAC的开放性最为突出。其内部寄存器可允许用户按照自身需要来使用。PMAC的A/D和I/O和内部寄存器都是统一编址，A/D和I/O的用法与PMAC其它内存用法相同，具有很强的便利性。内部寄存器和A/D、I/O的地址可以使用PMAC的默认值，用户也可以根据需要自己定义。
3.直线电机的结构与基本工作原理
3.1 直线电机的结构
直线电机是一种传动装置，其工作模式是将电能转换成直线运动机械能，转换过程中不需要中间转换机构。直线电机的结构如***1所示。
1初级2次级行波磁场
3.2 直线电机基本工作原理
将三相对称正弦电流通入直线电机的三相绕组之后，会有气隙磁场产生。若忽略因铁心两端断开而产生的纵向边端效应，气隙磁场的分布与旋转电机无太大差别，因此可认为磁场是沿展开的直线方向呈正弦形分布。三相电流会随着时间发生改变，气隙磁场将按A、B、C相序沿直线移动。此原理接近于旋转电机，但略有区别，气隙磁场是平移的，旋转电机是旋转的，所以气隙磁场又称作行波磁场。
不难看出气隙磁场的移动速度与旋转磁场在定子内圆表面上运动的线速度相同，为Vs，叫做同步速度（m/s），而且Vs=2f。
笔者对行波磁场对次级的作用也进行了分析。假设次级为栅形次级，次级导条受到行波磁场的切割，产生感应电动势同时产生电流。次级导条中的电流与行波磁场相互作用从而产生电磁推力。受到推力之后，若初级是稳定的，次级就顺着行波磁场运动的方向呈直线型运动。若次级以v的速度运动，移动的差率（简称移差率）用s表示，于是有：
4.PMAC+PC下的直线电机PID控制
直线电机的负载连接到直线电机的定子，伺服系统的性能与负载的变化和外部影响有很大的关联。所以要利用闭环的形式对直线电机进行准确度高的伺服控制。
PMAC展示的是PID+前馈控制的控制算法，算法流程如***2所示。
DACout（n）表示伺服周期n中16位输出命令（-32768到+32767），其值由Ix69定义，它将转换为-10V到+10V的电压输出。Ix08表示电机X中一个内部位置放大系数（通常设为96）。而Ix09表示电机X中速度环的一个内部放大系数。FE（n）表示伺服周期n内得到的跟随误差，是该周期内指令位置与实际位置的差值[CP（n）-AP（n）]。AV（n）表示伺服周期n内的实际速度，是每个伺服周期最后两个实际位置的差值[AP（n）-AP（n-1）]。CV（n）表示伺服周期n内的指令速度，是每个伺服周期最后两个指令位置的差值[CP（n）-CP（n-1）]。CA（n）表示伺服周期n内的指令加速度，是每个伺服周期最后两个指令的速度差值[CV（n）-CV（n-1）]。IE（n）表示伺服周期n的跟随误差的积分，其值为：
5.直线电机的PID控制实验
5.1 PID滤波器工作原理
过去伺服系统的设计主要按照反馈控制原理进行，不能完全实现无跟随误差控制，也很难满足速度上和精度上的较高要求。PMAC属于全数字伺服系统，通过采用计算机的硬件以及软件技术，以新的控制方法对系统的性能进行完善，并能实现速度和精度的高要求。通过软件来决定系统的位置、速度以及电流的校正环节PID控制。利用前馈控制技术，形成以“反馈-前馈”为模式的复合控制系统，大大缩小了位置跟踪滞后造成的误差，位置控制精度明显提高。理论上，这种系统可以对速度误差、加速度误差、静态位置误差以及外界干扰引起的误差消除完全，真正实现“无误差调节”。
为了保证稳态和动态特性均为良好状态，同时满足系统对位置控制的要求，就要校正和完善系统的控制环节。控制环节占据整个系统的较为重要的地位，因此确定系统的基本特性（包括机械传动、电动机选型等）之后，就要对系统的控制环进行校正。通常是在伺服环滤波器的调节下，按照被控物理系统的动力学性能来设置伺服环参数，保证能够实现刚性高、稳定性强以及跟随误差小的系统伺服特性能。
5.2 PID滤波器的调节
为达到适合PC及其兼容机的PMAC执行程序的目的，PEWIN32提供了一个调节PID+速度/加速度前馈+NOTCH滤波器参数的较为简便方法。
在用阶跃响应对PID参数进行调节后，保持参数稳定，利用正弦波响应来调整前馈，并取得“速度”和“跟随误差”两项数据。
步骤如下：
在初始化阶段，要连接正确光刻机控制系统，安装PEWIN32执行软件，确保主机与PMAC正常通信，并对PMAC进行初始化设置和简单人工操作。
（1）将所有电机闭环。通过#1j/、#2j/和#4j/***命令执行。
（2）输入正弦波的运动大小和时间，按下“Do a Parabolic”键，执行正弦波响应。
（3）待主机传输数据后，将数据进行采集整理，利用曲线与命令曲线的形式展现采集的数据，进行比较。仔细分析响应曲线中的速度系数、平均速度误差、加速度系数、平均加速度误差、最大误差以及各种变量值。
（4）加大Ix32，重复响应过程，到跟随误差曲线形状类似方波为止。选择“What To Plot”的“加速度”和“跟随误差”两项。增加Ix35，观察响应曲线和数据值的变化，如果不够明显，缩短运动时间或者加大运动长度。继续增加Ix35，所有系数均为正数方可。此时的跟随误差主要由噪声或机械摩擦导致的，误差较小。
（5）Ix34=1，增加Ix32，调节Ix35，得到合适的响应曲线为止。
如***3、4所示，通过实验结果可以看出，调节PID参数，可以使光刻机系统的动态性能和稳态性能较为理想。
6.结束语
笔者围绕直线电机，将其作为光刻机控制系统的快速伺服进给单元进行了研究，可满足光刻机零传动的需求。利用PID+前馈控制法实现直线电机的控制，整体上提高了直线电机进给系统稳态性能和动态性能，为直线电机以及PMAC控制器的使用提供参考，也为其在速度快、精度高的控制系统领域的发展奠定了基础。
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