《 自 动 化 技 术 与 应 用 》２ ０ ０ ７ 年 第 ２ ６ 卷 第 １ １ 期
Techniques of Automation & Applications | 125
经验交流
Technical Communications
联到一起使用，总共控制可达１２８根轴
［１］
。
其实 ＰＭＡＣ 实际就是一台完整的计算机，它可通过固化或
下载存储在它自己内部的程序进行单独的操作。此外，
它还处理
实时、多任务的优先级判别执行；它除了执行运动程序、ＰＬＣ 程
序、伺服更新、资源管理外，作为下位机，它与用于人机交互的
上位机通讯，实现指令的下载和终端数据传输。
４ 光刻机控制系统的直线电机ＰＩＤ控制
４．１ 光刻机控制系统的硬件结构图
４．２ 直线电机的原理
［３］
直线电机的基本原理就是利用磁场作用原理，将电能直接
转换成直线运动动能的设备。直线电机与旋转电机类似，通入三
相电流后，也会在气隙中产生磁场，如果不考虑端部效应，磁场
在直线方向成正弦分布，只是这个磁场是平移而不是旋转的，因
此称为行波磁场。行波磁场与次级相互作用便产生电磁推力。
４．３ PMAC＋PC下的直线电机PID控制
直线电机的进给机构系统的运行过程采用闭环反馈控制工
作方式，
用直线电机内置的光栅尺检测光刻机运动平台的实际位
移，并将检测信息通过直线电机的编码器输出端口反馈给 ＰＭＡＣ
控制器，由控制器的ＰＩＤ调节器根据目标位移与实际位移的差值
自动调节电机的控制参数，快速控制光刻机的运动平台运行，
完
成所需的进给。
直线电机闭环伺服控制原理如图所示：
４．４ 基于PMAC的控制算法
在直线交流伺服系统中 ，传统的控制策略如ＰＩＤ 反馈控制、
解耦控制等 ，在交流伺服系统中得到了广泛的应用。
但在高精度
微进给的高性能场合 ，就必须考虑到对象结构与参数变化、
各种
非线性的影响、
运行环境的改变以及环境干扰等时变和不确定因
素 ，才能得到满意的控制效果。因此 ，在这种情况下，考虑到
ＰＭＡＣ 强大的伺服控制功能，传统的 ＰＩＤ 控制算法的基础上，再
加上速度和加速度的前馈，用速度前馈来减小微分增益所带来的
图２ 光刻机系统的硬件结构图
图３ 直线电机闭环伺服控制原理
跟随误差，用加速度前馈来补偿由于惯性所带来的跟随误差，同
时，加上陷波滤波器来防止谐振，以抵消共振。
正是基于上述的分
析，提出了基于 ＰＭＡＣ 的直线电机速度 ／ 加速度前馈控制，其算
法如图４ 所示。
其中上图部分参数意义分别表示如下：
Ｋ
ｐ
：比例增益（Ｉｘ３０）；Ｋ
ｄ
：微分增益（Ｉｘ３１）；Ｋ
ｖｆｆ
：速度前馈增益
（Ｉｘ３２）；Ｋ
ｉ
：积分增益
（Ｉｘ３３）
；ＩＭ：积分模式（Ｉｘ３４）；Ｋ
ａｆｆ
：加速度前
馈增益（Ｉｘ３５）。
对电机 ｘ 使用的计算控制输出的 ＰＩＤ 算法的实际计算
公式如下：
ＤＡＣｏｕｔ（ｎ）＝２
－１９
＊Ｉｘ３０＊［｛Ｉｘ０８＊［ＦＥ（ｎ）＋（Ｉｘ３２＊ＣＶ（ｎ）＋Ｉｘ３５＊ＣＡ
（ｎ））／１２８＋Ｉｘ３３＊ＩＥ（ｎ）／２
２３
］｝－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：
∑
−
=
1
0
)]
(
[
n
j
j
FE
ＰＩＤ 伺服调节中，我们主要调节其中 ４ 个参数：
Ｉｘ３０ 比例参数“Ｐ”
，保证系统刚性；Ｉｘ３１ 微分参数“Ｄ”
，保
证减速时的稳定性；
Ｉｘ３２速度前馈参数，
消除启动时的振动；Ｉｘ３３积分参数
“Ｉ”
，
消除稳态误差。
５ 直线电机 PID 性能在光刻机控制系统
中的应用
ＰＩＤ控制是一种最优的控制策略，
其输入Ｅ（ｓ）与输出Ｕ（ｓ）之
间成比例、积分、微分关系。即有传递函数：
其中 Ｋ
ｐ
为比例增益，为积分增益，Ｋ
ｄ
＝Ｋ
ｐ
Ｔ
ｄ
为微分增益，
图 ４ PID＋ 速度／ 加速度前馈控制算法