Исследование и разработка прецизионного планарного электропривода тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.03, кандидат технических наук Тяпкин, Михаил Геннадьевич

• Тяпкин, Михаил Геннадьевич
• кандидат технических наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат технических наук Тяпкин, Михаил Геннадьевич

Введение

В.1. Объект исследования

В.2. Обзор мировых образцов прецизионного планарного электропривода

В.З. Цель и задачи работы

В.4. Краткое содержание разделов

Глава 1. Исследование способов увеличения точности планарного электропривода

1.1. Система управления прецизионного планарного электропривода

1.1.1. Конфигурация прецизионного планарного электропривода

1.1.2. Структура управления планарного электропривода

1.1.3. Математическая модель планарного двигателя

1.1.3.1. Описание планарного двигателя ЬМ5РХ1

1.1.3.2. Математическое описание планарного вентильного двигателя

1.1.3.2.1. Математическое описание идеализированного линейного шагового двигателя в неподвижных координатах

1.1.3.2.2. Математическое описание идеализированного линейного шагового двигателя в подвижных координатах

1.1.3.3. Планарный вентильный двигатель

1.1.3.3.1. Структура планарного вентильного двигателя

1.1.3.3.2. Расчет параметров регуляторов тока

1.1.4. Управление вентильным двигателем с учетом ограничений по току и напряжению

1.1.4.1. Ограничения электропривода

1.1.4.2. Управление с учетом ограничений по току

1.1.4.3. Управление с учетом ограничений по току и напряжению

1.1.4.3.1. Общий вид механических характеристик вентильного двигателя с токовым управлением

1.1.4.2.2. Характеристики минимума потерь и ослабления поля

1.1.4.2.3. Расширение диапазона регулирования скорости планарного вентильного двигателя

1.1.5. Генератор траектории

1.2. Система измерения положения планарного электропривода

1.2.1. Индуктивные датчики положения

1.2.2. Оптические датчики положения

1.2.3. Емкостные датчики положения

1.3. Способы увеличения точности планарного электропривода

Глава 2. Емкостная система измерения положения

2.1. Принцип действия емкостного датчика положения

2.2. Функциональная схема емкостной системы измерения положения

2.3. Оптимизация формы чувствительного элемента

2.3.1. Оптимизация расстояния между электродами датчика и поверхностью статора планарного двигателя

2.3.2. Оптимизация ширины электродов

2.3.3. Оптимизация скоса электродов

2.3.4. Чувствительность к поперечной модуляции

2.3.5. Эффект разворота

2.3.6. Результаты оптимизации чувствительного элемента

2.4. Аппаратная обработка сигналов емкостного датчика положения

2.5. Цифровая обработка сигналов емкостного датчика положения

2.5.1. Демодуляция сигналов

2.5.2. Методы вычисления положения

2.5.3. Методы фильтрации сигналов

2.5.4. Коррекция сигналов

2.5.4.1. Методы коррекции сигналов

2.5.4.2. Коррекция сигналов емкостного датчика положения

2.5.5. Выравнивание сигналов датчиков

2.6. Установка емкостной системы измерения положения в якорь планарного двигателя

2.7. Тестирование емкостной системы измерения положения

2.7.1. Инициализация емкостной системы измерения положения

2.7.2. Разрешение емкостной системы измерения положения

2.7.3. Зависимость сигналов емкостной системы измерения положения от величины воздушного зазора

2.7.4. Проверка работы емкостной системы измерения положения на большой скорости

Глава 3. Аттестация точности планарного электропровода с емкостной системой измерения положения

3.1. Аттестационный стенд планарного электропривода

4

3.2. Разрешения планарного электропривода

3.3. Аттестация точности позиционирования планарного электропровода

3.3.1. Методика аттестации точности позиционирования

3.3.2. Методика исключения погрешности измерения

3.3.3. Результаты аттестация точности позиционирования планарного электропровода

3.3.4. Исследование плоскостности позиционирования планарного электропривода

Глава 4. Калибровка погрешности позиционирования планарного электропривода

4.1. Исследование методов калибровки планарного электропровода

4.2. Калибровка короткопериодной погрешности планарного электропровода

4.2.1. Исследование короткопериодной погрешности

4.2.2. Методика калибровки короткопериодной погрешности

4.2.3. Калибровка короткопериодной погрешности

4.3. Калибровка длиннопериодной погрешности

4.3.1. Методика калибровки длиннопериодной погрешности

4.3.2. Калибровка длиннопериодной погрешности

4.4. Структура калибровки обратной связи по положению

Глава 5. Траекторная точность планарного электропривода

5.1. Исследование траекторной точности планарного электропривода

5.1.1. Исследование траекторной точности прототипа планарного электропривода с датчиками положения на элементах Холла

5.1.2. Исследование траекторной точности планарного электропривода с емкостной системой измерения положения

5.2. Способы увеличения траекторной точности планарного электропривода

5.2.1. Компенсация возмущающей силы

5.2.2. Генератор траектории электропривода с кусочно-постоянным рывком

Заключение

Литература

Приложение

П. 1. Основные сокращения

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование и разработка прецизионного планарного электропривода»

Введение.

Современное производство интегрированных компонентов, полупроводниковых пластин, автоматическое производство и монтаж печатных плат, лазерная резка и сверление, а также электронно-лучевая литография и тестирование, требуют высокой производительности и микронной точности.

Точность работы и производительность технологического оборудования определяется координатной системой движения. Координатная система движения должна обладать высокой точностью и быстродействием, иметь возможность длительной непрерывной работы с минимальным количеством отказов для поддержания высокой производительности.

Традиционные электропривода на базе вращающихся электрических машин и кинематических преобразователей (например, шарико-винтовые передачи) имеют значительные недостатки и не удовлетворяют современным требованиям высокой скорости, надежности и точности. Прямой электропривод, («direct drive») в котором требуемое пространственное перемещение осуществляется с помощью прямого преобразования электрической энергии, имеет существенные преимущества перед приводом с кинематическими преобразователями. Наиболее важные - создание большой силы без потери скорости и точности, отсутствие дополнительных нелинейностей и упругостей, ухудшающих качество воспроизведения движения и частотный диапазон привода, а также увеличение срока службы вследствие отсутствия износа силовых механических компонентов.

Прецизионный прямой электропривод чаще всего оснащается вентильными двигателями (ВД), которые отличаются высокими удельными ускорениями и малыми пульсациями момента. Вентильный двигатель создается на основе синхронной машины, работающей в режиме самокоммутации за счет положительной обратной связи по положению. Термином «вентильный двигатель» называют либо совокупность устройств вместе с синхронной машиной, обеспечивающих реализацию указанного режима работы, либо синхронную машину, специально сконструированную для применения в составе ВД [1].

Прецизионный прямой электропривод с вентильным двигателем можно классифицировать как высокоточный электропривод с прямым преобразованием электрической энергии в механическую на основе ВД, который состоит из:

устройства управления, реализующего функции управления, регулирования и измерения,

ВД, включающего электрический преобразователь, электромеханический преобразователь - синхронную машину и датчик положения, рабочий орган.

Рост требований к координатным системам движения был предсказан профессором Танигучи Токийского Университета науки [2], который на основании данных технического прогресса в XX веке экстраполировал уровень требуемой точности координатных систем в области микро- и нанотехнологии. Его предсказания, сделанные в 1983 году, теперь соответствуют современным требованиям к типовым системам. Обобщенные требования к типовым координатным системам движения на базе прецизионного прямого электропривода представлены в таблице В.1 [3].

Таблица В.1. Обобщенные требования к прецизионным координатным системам.

Дискретность Точность позиционирования Максимальная скорость перемещения Максимальное ускорение перемещения Динамическая точность отработки

0.1 мкм ±1...3 мкм 1-2 м/с до 50 м/с2 ±5 мкм

Электропривод на базе планарного линейного шагового двигателя (ПЛШД) нашел применение для прецизионных координатных систем движения благодаря тому, что он может развивать большую скорость при высокой точности движения в двух координатах (ХТ), имея одну подвижную часть [4]. На одной рабочей поверхности могут размещаться несколько ПЛШД, кроме того, ПЛШД имеет возможность применяться как традиционно, когда якорь находится над статором, так и будучи установленным под статором, что \ значительно увеличивает эффективность использования пространства и производительность. Отсутствие механического трения и износа магнито-воздушной опоры обеспечивают длительный срок службы. Важную роль в широком ПЛШД является его низкая цена.

ПЛШД представляет собой механизм с параллельной кинематикой (устройство, исполнительное звено которого совмещает в себе несколько независимых кинематических цепей) и обладает рядом преимуществ, таких как: повышенная точность, обусловленная параллельной структурой кинематических звеньев, жесткость, надежность [5]. Технология компоновки параллельной кинематикой, позволяет существенно упростить и облегчить конструкцию электропривода и создать оптимальные условия для скоростной работы. Недостатком механизмов с параллельной кинематикой является повышенная сложность управления.

ПЛШД часто применяются без датчика положения с управлением в разомкнутом по положению (микрошаговом) режиме, но погрешность (ЗОмкм/ 100мм) этого режима велика, а повторяемость (10 мкм) позиционирования недостаточна. Недостатками микрошагового режима также являются большая колебательность и динамическая ошибка, невысокое значение максимальной скорости и невозможность компенсации возмущений [6]. Реализация вентильного режима работы электропривода с использование высокоточного датчика положения позволяет устранить эти недостатки, увеличив скорость и устойчивость двигателя [7].

В.1. Объект исследования.

Объект исследований диссертационной работы - прецизионный планарный электропривод с планарным вентильным двигателем (ПВД). ПВД включает в себя электромеханический преобразователь (ПЛШД), задатчик тока (ЗТ) и электрический преобразователь (ЭП) с контроллером и датчиками тока, датчики положения.

Конструкция ПЛШД (рис. В.1) использует совмещенную взаимно перпендикулярную нарезку пазов на рабочей поверхности статора (индуктора) и ортогональное размещение модулей линейных шаговых двигателей (ЛШД), образующих осевые двигатели X и У. Подвижный якорь ПЛШД удерживается над рабочей поверхностью индуктора с помощью интегрированных аэростатических опор (воздушный зазор составляет 8-15 мкм) и содержит две пары осевых двигателей. Каждая пара осевых двигателей обеспечивает перемещение якоря по одной из взаимно перпендикулярных осей X и V. Число двигателей каждой оси вдвое больше принципиально достаточного минимума, обеспечивающего линейное перемещение, что объясняется необходимостью баланса нормальных и тяговых сил всех модулей относительно центра масс подвижного якоря по оси ф (вращение вокруг вертикальной оси 2Г) [7].

Статор ПЛШД представляет собой пассивную поверхность из магнито-мягкого материала с двухмерным массивом зубцов, пространство между которыми заполнено эпоксидной смолой. Технология изготовления статора подробно рассмотрена в [3]. Период зубцов статора современных серийных ПЛШД (т^) составляет: 0.48, 0.64, 1.00, 1.016 мм. Плоскостность поверхности - не хуже 5 мкм, что обусловлено малым рабочим воздушным зазором.

Рис. В.1. Схема построения ПЛШД.

Конструкция индукторного ЛШД с возбуждением от постоянных магнитов, или двухфазного гибридного ЛШД представлена на рис. В.2. Модуль ЛШД состоит из двух П-образных шихтованных сердечников с постоянным магнитом возбуждения и обмотки. На поверхностях полюсов модулей выполнены зубцы (фрезерованием или травлением) с зубцовым делением хр. ЛШД строится из двух однофазных модулей (модули а и (3). Зубчатые зоны полюсов элементарного двигателя сдвинуты. Величины сдвигов зубчатых зон при переходе от крайнего левого к крайнему правому полюсу приведены в таблице В.2 [1]. Электрическое положение двигателя 0 вычисляется, как: 2 к

0 =--х, (В.1)

где х - механическое (линейное) положение.

Таблица В.2. Сдвиги зубчатых зон элементарных ЛШД.

Тип модуля Модуль а Модуль р

Номер полюса 12 3 4 12 3 4

Сдвиг в долях хр 0 1/2 0 1/2 1/4 3/4 1/4 3/4

Сдвиг в эл. градусах 0 180 0 180 90 270 90 270

Принцип работы ЛШД заключается в управлении магнитным потоком за счет изменения суммарного потока, образованного постоянным магнитом и токами в обмотках фаз а и р, от одного полюса к другому [7]. Полюс с наибольшей концентрацией потока с наибольшей силой стремится совместить свои зубцы с зубцами статора. Таким образом, создается тангенциальная сила. Один период изменения токов приводит к перемещению якоря на один период зубцового деления. Питание ЛШД синусоидальными в функции положения токами переводит его в режим вентильного двигателя переменного тока.

9

Следует отметить, что поток взаимной индукции магнита с обмоткой не проходит через постоянный магнит, а замыкается в контурах пар полюсов, поэтому поток возбуждения практически не испытывает колебаний при изменении направлений токов фаз.

9, эл. Ток Ток Направление перемещения положение фазы фазы двигателя а р

О +тах О

90

180 -тах о

270 0 -тах

Поток катушки

Поток постоянного магнита

Рис. В.2. Базовый принцип работы ЛШД.

В общем случае ЛШД развивает силу /% равную (см. раздел 1.3.1.1):

= ■-к • /а • зт(0) + к ■ /р • соз(е), (В.2)

где к -коэффициент, связывающий силу с токами фаз двигателя /а, /р. Управление токами фаз происходит по следующему закону (см. раздел 1.4.2):

[К=1т -««(уД [/р=/1П-8ш(\|/,.))

где 1т - амплитуда тока, у, - заданный угол коммутации вектора тока. Тогда уравнение силы ЛШД примет вид:

Р = к- 1т- зт(0 + ц/,), (В.4)

(В.З)

В случае шагового управления двигателем используется программное задание положения 9*, в случае вентильного - используется информация с датчика положения о реальном положении якоря [8].

Взаимодействие поля возбуждения постоянного магнита и поля обмотки двигателя происходит в зубцовых зонах якоря и индуктора из-за их стремления совместиться. Это создает принципиальное ограничение на развиваемую силу из-за насыщения зубцов: плотность силы ЛШД достигает только 1,5 Н/см2. У ПЛШД, в силу прерывности зубцов индуктора, плотность силы еще меньше (около 1 Н/см2). Насыщение не позволяет значительно форсировать силу ЛШД: пиковая сила ЛШД на форсированных токах обычно не превышает 1,5 длительной силы [1].

За счет взаимодействия полей тока обмотки и постоянного магнита в ПЛШД возникают магнитоэлектрическая, реактивная и зубцовая сила. Кроме того, краевые эффекты полюсов также способствуют возникновению в машине высших гармоник магнитных проводимостей и сопутствующих им гармоник магнитоэлектрических и зубцовых сил [1].

На рис. В.З представлена экспериментальная зависимость силы ПЛШД производства компании Normag от амплитуды тока [9]. На рис. В.4 представлена экспериментальная зависимость силы ПЛШД производства компании Ыогша§ от амплитуды тока и угла коммутации.

• КГ

-О 5 О 0 5 1

"'— А

Рис. В.З. Экспериментальная зависимость силы ЛШД от амплитуды тока.

Рис. В.4. Экспериментальная зависимость силы ЛШД от амплитуды тока и угла

коммутации.

Особенностью ПЛШД является возможность разворота якоря двигателя по оси (р, результатом которого является изменение относительного геометрического расположения зубцовых зон якоря и индуктора, что приводит к уменьшению максимальной силы двигателя. На рис. В.5 представлена экспериментальная зависимость силы ПЛШД производства компании Ыогта§ от угла разворота двигателя по оси ф. При развороте якоря на ±1 угл. градус максимальная сила падает в 2 раза [9].

Рис. В.5. Экспериментальная зависимость силы ЛШД от угла разворота двигателя

по оси ф.

Таким образом, сила ЛШД представляет собой функцию многих переменных: ^ = /(/т,ф„ф,0), (В.5)

а качественное управление двигателем требует учета и компенсации этих нелинейностей.

В.2. Обзор мировых образцов прецизионного планарного электропривода.

Основные областями применения прецизионного планарного электропривода являются:

оборудование для обработки печатных плат,

распайка, резка, установка кристаллов (большие интегральные схемы БИС, сверхбольшие интегральные схемы СБИС, гибридные интегральные схемы ГИС), изготовление полупроводниковых элементов, монтаж элементов,

системы транспортировки, сборки и упаковки элементов, лазерные технологические комплексы, измерительные и тестирующие машины, медицинское оборудование.

Первые шаги к созданию прецизионных планарных электроприводов были сделаны американскими фирмами AT&T [10] и Megamation [11]. В настоящще время основными производителями прецизионных планарных электроприводов являются такие фирмы, как: HIWIN (Тайвань), Ruchservomotor (Беларусь), IDAM (Германия), Yokogava (Япония), Yaskawa/MotoMan (Япония, США), ELMO (Израиль). На рынке ПЛШД также присутствуют фирмы Baldor (Англия), ACP&D (Англия). Большая работа по исследованию, разработке и практическому применению прецизионных планарных электроприводов ведется в Microdynamic Systems Laboratory (США) Института Робототехники в Карнеги-Меллон Университете [12].

На рис. В. 6 представлен пример использования прецизионного планарного электропривода в составе станка «4090(1» фирмы Electroglas для тестирования кремниевых пластин [13].

Планарный двигатель

Рис. В.6. Станок «4090р> фирмы Е1есЦт^1аз для тестирования кремниевых пластин.

Еще один пример использования прецизионного планарного электропривода для тестирования кремниевых пластин фирмы IDAM представлен на рис. В.7 [14]. Особенностью данной конструкции является использование двух якорей, что позволяет обеспечивать разворот рабочего органа до ±15 угл. градусов. Точностные параметры приведены в таблице В.З. На рис. В.8 представлен многокоординатный электропривод на базе прецизионного планарного электропривода фирмы IDAM: (а) - трехкоординатный XYZ, (б) - четырехкоординатный XYZcp, (в) - сборочный узел "Chip Implanter CI 400".

Рис. В.7. Станок фирмы IDAM для тестирования кремниевых пластин.

Таблица В.З. Основные параметры станка фирмы IDAM.

Параметр Значение

Максимальная скорость, ускорение 0.6 м/с, 6 м/с2

Максимальный ход по оси X, при ф = 0 960 мм

по оси Y, при ф = 15 690 мм

по ОСИ ф ±15 угл. градусов

Дискретность по осям X, Y, ф 0.1 мкм, 0.1 угл. секунд

Точность по осям X, Y, ф ±8 мкм, ±8.7 угл. секунд

Повторяемость по осям X, Y, ф ±2 мкм, ±2.2 угл. секунд

(а) (б) (в)

Рис. В.8. Многокоординатный электропривод на базе прецизионного планарного

электропривода фирмы IDAM.

На рис. В.9 представлен ПЛШД фирмы АСР&Э, используемый в медицинских технологиях для тестирования молекул ДНК. В прямоугольное отверстие якоря помещается форма с образцами ДНК [15].

Рис. В.9. Устройство фирмы ACP&D для тестирования молекул ДНК.

На рис. В. 10 представлен станок фирмы H1WIN с ходом 1000 мм х 1000 мм и повторяемостью ±3 мкм. Оптический датчик, крепится непосредственно на якорь двигателя, установленного снизу статора, и используется для проверки компонентов и проводников на печатной плате, тестирования ЖК-дисплеев [16].

Статор планарного двигателя

Якорь планарного двигателя

Рис. В. 10. Станок фирмы HI WIN для тестирования печатных плат.

На рис. В. И представлен аналогичный станок фирмы Yaskawa/MotoMan, на одной рабочей поверхности размещены несколько якорей [17]. Дискретность электропривода, оснащенного оптическими датчиками положения, составляет 0.25 мкм.

Рис. В.11. Станок фирмы Yaskawa/MotoMan. 15

Один из вариантов современного прецизионного планарного электропривода разработан компанией Уоко§а\¥а и назван РЬА^8Е11У [18], и представлен на рис. В. 12 вместе с блоком управления. РЬАМЕБЕКУ имеет высокую точность (±1 мкм) и повторяемость (±0.1 мкм, ±0.2 угл секунды), малое время регулирования (вхождение в отклонения до 1 мкм за 15 - 20 мс). Высокая точность и разрешающая способность (0.027 мкм, 0.05 угл секунды) достигнуты с помощью лазерного интерферометра, измеряющего положение двигателя по осям (X, У, ср). За счет обратной связи по оси ср, угловые развороты якоря снижаются до 1 угловой минуты.

Рис. В. 12. Прецизионный планарный электропривод РЬАЫЕЗЕЯУ.

Пример реализации более сложной кинематической системы на базе прецизионных планарных электроприводов представлен в [19], рис. В. 13. На рисунке представлена система с параллельной кинематикой - ТКЛРЬАЫАН., имеющая следующий диапазон пространственных перемещений:

максимальное перемещение 600x400* 150 мм,

максимальный угол наклона вокруг горизонтальных осей 30 угл градусов, угол поворота вокруг вертикальной оси 360 угл градусов.

Рис. В. 13. Система с параллельной кинематикой ТШРЬАЫАИ..

В Microdynamic Systems Laboratory был разработан проект гибкой производственной линии "Miniature Factories for Precision Assembly" [12], [20], рис. В. 14. Якорь планарного двигателя с интегрированными электромагнитными датчиками положения (с разрешением 0.2 мкм) и оптическим координационным датчиком (с разрешением 0.15 мкм) используется в качестве "курьера" и обеспечивает транспортировку элементов в плоскости XY между сборочными узлами. Сборочные узлы оснащены манипуляторами (оси Z и ср) и ответными частями координационного оптического датчика, что позволяет обеспечить высокоточное позиционирование курьера (±1.5 мкм) вблизи сборочного узла. Основание производственной линии состоит из отдельных статоров планарного двигателя, что позволяет переконфигурировать систему.

Якорь планарного двигателя Оптический Рабочая поверхность

с интегрированными координационный станка

электромагнитными датчик датчиками положения

Рис. В.14. Миниатюрная фабрика для прецизионной сборки.

В таблицу В.4 сведены основные параметры современных прецизионных планарных электроприводов ведущих мировых производителей.

Таблица В.4. Основные параметры современных прецизионных планарных электроприводов.

Производитель Параметр "—-—^^ Ruchservomotor IDAM Уоко§а\уа Microdynamic Systems Laboratory

Период нарезки статора, мм 0.64 0.64, 1.00 0.64, 1.00 - 1.016

Максимальная скорость, м/с 0.9 1.5 1 0.5 0.8

Максимальное ускорение, м/с2 40 30 20 16 > 10

Тип датчика положения датчик Холла датчик Холла датчик Холла оптический датчик лазерный интерферометр электромагнитный датчик оптический датчик

Разрешение измерительной системы по осям X, У, мкм 1 - 0.1 0.03 0.027 0.2 0.15

по оси (р, угл секунды 0.8 - - - 0.05 5.15 -

Дискретность по осям X, У, мкм 1 1 1 - 0.1 0.2 -

Точность по осям X, У, мкм ±15 ±15 ±20 ±1.2 ±1 ±9 ±1.5

ПО ОСИ ф, утл секунды - - - - <60 (динамич.) ±85 -

Повторяемость по осям X, У, мкм 3 3 2 0.3 ±0.1 2.5 -

ПО ОСИ ф, угл секунды - - - - ±0.2 70 -

Низкий ценовой сегмент рынка занимает планарный электропривод, оснащенный датчиками положения на элементах Холла [14], [16], [21] и электромагнитными датчиками положения [7], при этом точность электропривода не превышает ±10 мкм. Из таблица В.4 видно, что представленный сегмент рынка не удовлетворяет растущему требованию точности координатных систем движения, связанному с постепенной миниатюризацией электронных компонентов (таблица В.1). Основным препятствием на пути увеличения точности и повторяемости электроприводов в низком ценовом сегменте является система измерения положения, подверженная эффекту насыщения со стороны ПЛШД, что ухудшает ее точность. Использование в качестве измерительной системы лазерных интерферометров [18] или оптических двухкоординатных энкодеров позволяет увеличить точность планарного электропривода до ±1 мкм, но приводит к значительному увеличению его стоимости, что сводит на нет преимущество низкой цены самого электропривода.

В связи с этим разработка прецизионного планарного электропривода, значительно превосходящего по точности мировые аналоги, без увеличения стоимости электропривода является актуальной задачей.

В.З. Цель и задачи работы.

Цель работы - исследование и разработка прецизионного планарного электропривода на базе планарного линейного шагового двигателя, значительно превосходящего по точности мировые аналоги в низком ценовом сегменте.

Для достижения поставленной цели требуется решить следующие задачи:

1. Исследовать способы увеличения точности планарного электропривода при сохранении его цены.

2. Разработать высокоточную систему измерения положения.

3. Разработать методики аттестации точности планарного электропривода.

4. Разработать методики калибровки планарного электропривода.

5. Практически реализовать и исследовать систему измерения положения и методы калибровки на экспериментальном планарном электроприводе.

В.4. Краткое содержание разделов.

В главе 1 исследуются способы увеличения точности планарного электропривода. Рассмотрена система управления прецизионного планарного электропривода, описываются: конфигурация планарного электропривода, структура управления прецизионным планарным электроприводом с компенсацией разворота и учетом ограничений тока и силы двигателя, математическая модель планарного вентильного двигателя. Рассмотрены оптимальные законы управления в зависимости от параметров двигателя с расширенным диапазоном скорости. Приводится описание двухкоординатного генератора траектории. Рассматриваются достоинства и недостатки различных датчиков положения. Обосновывается выбор разработки интегрированной системы измерения положения на базе емкостного датчика, обеспечивающей высокое разрешение и повторяемость. Сделан вывод о необходимости разработки методики калибровки планарного электропривода на всей рабочей области для обеспечения высокой точности позиционирования при сохранении цены планарного электропривода.

В главе 2 приводятся результаты разработки емкостной системы измерения положения, включая оптимизацию чувствительного элемента емкостного датчика и разработку аппаратной части системы измерения положения. Разработаны методы цифровой обработки синусно-косинунсых датчиков положения с амплитудной модуляцией. Исследуются методы коррекции сигналов, для увеличения точности измерения положения разработан алгоритм автоматической коррекции амплитуд и постоянного смещения сигналов датчика, как основных нелинейностей. Далее решается задача автоматического программного выравнивания измерительных осей датчика относительно осей движения мотора. Приводятся результаты интегрирования разработанной системы измерения положения в якорь ПЛШД. Определяется разрешающая способность опытного образца емкостной системы измерения положения.

В главе 3 производится аттестация точности позиционирования прецизионного планарного электропривода с емкостной системой измерения положения с помощью лазерного интерферометра. Планарным электроприводом достигнуто субмикронное разрешение на всей рабочей поверхности якоря. Разрабатывается геометрическая модель аттестационного стенда планарного электропривода, на основании которой предложен алгоритм исключения погрешности измерения при аттестации точности. Разработана методика аттестации точности планарного электропривода. Емкостная система измерения положения позволяет обеспечить субмикронную повторяемость позиционирования

20

планарного электропривода. По результатам аттестации сделан вывод о необходимости калибровки планарного электропривода на всей рабочей области для увеличения точности позиционирования.

В главе 4 исследуются методы калибровки планарных электроприводов. Сделан вывод о необходимости разработки метода калибровка планарного электропривода, позволяющего значительно уменьшить размеры калибровочных таблиц. Погрешность позиционирования планарного электропривода складывается из погрешности системы измерения положения и дефектов статора планарного двигателя. В связи с этим, предлагается разбить погрешности позиционирования на короткопериодную и длиннопериодную составляющие. Разработан метод калибровки короткопериодной погрешности, основывающийся на геометрических особенностях емкостного датчика положения. Короткопериодная калибровочная таблица для каждой оси представляет собой одномерный массив значений с линейной интерполяцией между точками, период калибровочной таблицы равен трем периодам статора. Для калибровки длиннопериодной погрешности по трем осям используются двумерные калибровочные таблицы. Разработана методика построения длиннопериодной калибровочной таблицы. Приводится структура калиброванного управления планарного электропривода. Ожидаемым результатом калибровки прецизионного планарного электропривода, выполненного по опытным данным, является увеличение точности позиционирования до ±2.5 мкм на всей рабочей области.

В главе 5 исследуется точность разработанного прецизионного планарного электропривода с емкостной системой измерения положения при отработке траекторных движений. Основными недостатками, ухудшающими тракторную точность планарного электропривода, являются отсутствие учета максимальной скорости изменения ускорения при генерации траектории и отсутствие компенсации зубцовых сил ПЛШД. Сделан вывод о необходимости модификации системы управления, приводятся способы увеличения траекторной точности планарного электропривода.

В заключении суммируются результаты исследований и полученные выводы, представляются результаты проделанной работы.

Заключение диссертации по теме «Электротехнические комплексы и системы», Тяпкин, Михаил Геннадьевич

Заключение.

В диссертации содержится решение задачи повышения точности прецизионного планарного электропривода на базе планарного линейного шагового двигателя при сохранении низкой цены электропривода.

Основными результаты диссертационной работы являются:

1. Исследованы способы значительного увеличения точности планарного электропривода при сохранении его цены.

2. Разработана система измерения положения на базе емкостного датчика положения и цифрового интерполятора, интегрируемая в якорь серийного планарного линейного шагового двигателя, и обеспечивающая измерение положения по трем осям (X, У, ср) с субмикронным и секундным разрешением.

3. Разработаны методы цифровой обработки и автоматического повышения точности синусно-косинусных датчиков положения с амплитудной модуляцией сигналов.

4. Разработан метод аттестации и аттестационный стенд на базе эталонных датчиков положения для проверки точности планарного электропривода. Разработан метод исключения погрешности измерения планарного электропривода.

5. Разработан метод калибровки планарного электропривода, позволяющий значительно сократить размеры калибровочной таблицы за счет разбиения двумерной калибровочной таблицы на одномерную короткопериодную калибровочную таблицу и двумерную длиннопериодную калибровочную таблицу.

6. Исследована точность позиционирования и траекторная точность прототипа планарного электропривода с интегрированной емкостной системой измерения положения.

Разработанные методы цифровой обработки и автоматического повышения точности могут быть использованы для любых синусно-косинусных датчиков положения с амплитудной модуляцией сигналов.

Разработанные методы аттестации точности и исключения погрешности измерения могут быть использованы для аттестации точности многокоординатных электроприводов, обеспечивающих перемещение в плоскости.

Представленные методы использованы при разработке прототипа прецизионного планарного электропривода с емкостной системой измерения положения. Сравнение параметров точности разработанного прототипа с электроприводами мировых производителей в низком ценовом сегменте (таблица 3.1) показывает, что разработанный прототип значительно превосходит по точности и повторяемости мировые аналоги. Данное сравнение позволяет считать, что поставленные в работе задачи решены, а цель диссертации

157 достигнута. Увеличения траекторией точности планарного электропривода требует модернизацию алгоритмов системы управления, что является перспективным направлением развития прецизионного планарного электропривода.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Тяпкин, Михаил Геннадьевич, 2013 год

Литература.

[1] А.П. Балковой, В.К. Цаценкин. Прецизионный электропривод с вентильными двигателями. - МЭИ, 2010. - 328 С.

[2] N.Taniguchi. Current Status in, and Future Trends of, Ultraprecision Machining and Ultrafine Materials Processing // Annals of the CIRP, v. 32, n. 2. - 1983. - P. 573-582.

[3] B.B. Жарский, Карпович C.E., Ляшук. Ю.Ф., Межинский Ю.С. Прецизионные координатные системы на основе электропривода прямого действия // Мн.: ГНПКТМ "Планар", 2001,- 199 С.

[4] Saweyr В.A. Linear magnetic drive system. - U.S. Patent 3735231, May 22, 1973.

[5] Parallel Robots (Second Edition) / J.-P. Merlet. - The Netherlands: Springer, 2006. - 401 pp.

[6] E.R Pelta. Precise positioning without geartrains // Machine Design, 1987. - P. 79-83.

[7] A. E. Quaid. A Planar Robot for High-Performance Manipulation // Technical report, Carnegie Mellon University, the Robotics Institute, 2000. - 207 P.

[8] Балковой А.П., Толстых О. А. Особенности шагового и вентильного режимов управления синхронной машиной // Труды МЭИ, Электропривод и системы управления. - М. Издательский дом МЭИ, 2006. - №682 - С. 4-18.

[9] А.Е. Quaid, Y. Xu, R.L. Hollis. Force characterization and commutation of planar linear motors // in. Proc. IEEE Int'l Conf. on Robotics and Automation. -1997. - P. 1202-1207.

[10] P. F. Lilenthal, J. P. Flemming, E. G. Harokopos, and G. С. V. Orden. A flexible manufacturing workstation. AT&T Technical Journal. - 1988. - P. 5-14.

[11] J. Schneider and A. Kaufman. Printed circuit robotics and transitioning technologies. Printed Circuit Assembly, vol. 1, no. 4. - 1987.

[12] www.msl.ri.cmu.edu

[13] www.electroglas.com

[14] www.directdrives.de

[15] www.acpd.co.uk/cobraapplications.html

[16] www.hiwin.com

[17] P. Krishnamurthy, F. Khorrami, T.L. Ng, and I. Cherepinsky. Control Design and Implementation for Sawyer Motors Used in Manufacturing Systems // In Proceedings of IEEE Trans. Contr. Sys. Techn. - 2011. - P. 1467-1478.

[18] www, yokogawa. соm

[19] J. Zentner. Zur optimalen Gestaltung von Parallelkinematikmaschinen mit Planarantrieben: Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades Doktoringenieur. - TUI. ISLE, 2005. - 123 P.

[20] R.L. Hollis, A.A. Rizzi, H.B. Brown, A.E. Quaid, and Z.J. Butler. Toward a second-generation minifactory for precision assembly // In Proc. IARP Workshop Microrobots, Micromachines and Microsystems, Moscow, Russia, April 24-25 2003. Int'l. Advanced Robotics Program.

[21] www.ruchservomotor.com

[22] Пинегин С.В., Орлов А.В., Табачников Ю.Б. Прецизионные опоры качения и опоры с газовой смазкой. - М: Машиностроение, 1984. - 216 С.

[23] Денисенко В.В. ПИД-регуляторы: вопросы реализации. Часть 1. Современные технологии автоматизации. - 2007. - № 4. С. 86-97.

[24] Денисенко В.В. ПИД-регуляторы: вопросы реализации. Часть 2. Современные технологии автоматизации. - 2008. - № 1. С. 86-99.

[25] Толстых. О.А. Разработка и исследование калиброванного электропривода с вентильным двигаем: Диссертация кандидата технических наук. - Москва, 2010. - 118 С..

[26] Мухаммед Галлеев. Разработка замкнутого по положению планарного дискретного электропривода: Диссертация кандидата технических наук. - Москва, 1994. - 171 С..

[27] Уайт Д., Вудсон Г. Электромеханическое преобразование энергии // М.-Л.: Энергия, 1964.-528 С..

[28] Вольдек А.И. Электрические машины. Учебник для вузов. 2-е изд. перераб. и доп. Л.: Энергия, 1974.

[29] Теория автоматизированного электропривода: Учеб. Пособие для вузов / Чиликин М.Г., Ключев В.И., Сандлер А.С. - М.: Энергия. - 616 С.

[30] Дискретный электропривод с шаговыми двигателями / Под общ. ред. М.Г. Чиликина -М.: Энергия, 1971.-624 С.

[31] Рассудов Л. Н. Система управления вентильным двигателем в расширенном диапазоне: Диссертация магистра техники и технологии. - Москва, 2012. - 93 С.

[32] T.D. Schmidt. Method and apparatus for cooling hot spots of linear motor system. U. S. Patent 5138206.- 1992.

[33] www.numerik.cvcro-proiect.de/frontend

[34] F. Zhu. Development of capacitive position transducers through a mechatronic approach: PhD-thesis, Delft University of Technology. - 1992. - P. 41-81.

[35] В. В. Жарский. Измерительная система для реализации обратных связей в координатных позиционерах на линейных шаговых двигателях // Вестник БИТУ. - 2009. - № 6. - С. 66-70.

[36] A novel multi-DOF precision positioning methodology using two-axis Hall-effect sensors // In proceeding of the American Control Conference 2005, vol. 5. - P. 3042-3047.

[37] ISO 230-2, test code for machine tools: Part 2: Determination of accuracy and repeatability of positioning of numerically controlled axes. 2006.

[38] Hsiao S.S. Measuring system for linear planar stepping motor. U.S. Patent 6965176. Hiwin Mikrosystem Corp. 2005.

[39] Butler Zack J., Rizzi Alfred A., Hollis Ralph L. Integrated Precision 3-DOF Position Sensor for Planar Linear Motors // In Proceeding of the 1998 IEEE International Conference on Robotics & Automation. - Leuven, Belgium. - May, 1998. - P. 2652-2658.

[40] A. E. Brennemann, R. L. Hollis. Magnetic and Optical-Fluorescence Position Sensing for Planar Linear Motors // In Proceeding of the Int'l Conf. on Intelligent Robots and Systems. 1995. -P. 101-107.

[41] Кулагин Б.П. Разработка и исследование двухкоординатного линейного шагового электропривода устройств ввода-вывода фотоизображений для ЭВМ: Диссертация кандидата технических наук. - Москва, 1988. - 186 С.

[42] Kuang-Chao Fan, Bor-Cheng Lee, Yi-Cheng Chung. A Planar Laser Diffraction Encoder in Littrow Configuration for 2D Nanometric Positioning // International Journal of Automation and Smart Technology. Vol. 1 No. 2. - 2011. - P. 93-99.

[43] Clark E. Lampson. Incremental optical positioning sensor. US. Patent 5818039. Yaskawa Electronic America, Inc. October 6, 1998.

[44] Gao, Wei. Surface Encoder for Measurement of In-plane Motion. Precision nanometrology: Sensors and Measuring Systems for Nanomanufacturing. Springer. 2010. - P. 69-108.

[45] M. Tano, W. Gao, S. Kiyono, Y. Tomita, K. Makino, H Morita. Precision positioning of a Sawyer motor-driven stage by a surface encoder. Journal of Physics: Conference Series 13. - 2005. -P. 90-93.

[46] Gregory A. Fries, Alfred A. Rizzi, and Ralph L. Hollis. Fluorescent Dye Based Optical Position Sensing for Planar Linear Motors // To appear in the Proceedings of the 1999 IEEE International Conference on Robotics & Automation Detroit, Michigan. - May, 1999.

[47] Wing-Choi Ma, A. Rizzi, R. Hollis. Optical Coordination Sensor for Precision Cooperating Robots. IEEE International Conference on Robotics and Automation. - April, 2000. - P. 16211626.

[48] www.renishaw.ru/ru/laser-interferometer-svstems

[49] http://www.sios.de

[50] PLANESERV Planar Servomotor. Yokogawa Technical Report English Edition. No. 32 2001.

[51] M. Kim, W. Moon, E. Yoon, K.Lee. A new capacitive displacement sensor with high accuracy and long-range // Sensors and Actuators A: Physical. Volumes 130-131. - 2006. - P. 135-141.

[52] S. Avramov-Zamurovic 1, N. G. Dagalakis, R. Lee, Y. S. Kim, J. M. Yoo, S. H. Yang. Embedded Capacitive Displacement Sensor for Nanopositioning Applications // IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, Volume 60, No. 7. - 2011. - P. 2730-2727.

[53] Ацюковский В.А. Емкостные дифференциальные датчики перемещения. Гос. энергетическое издательство. 1960.

[54] G.L. Miller. Capacitive incremental position measurement and motion control. U. S. Patent 4893071.-January 9 1990.

[55] G.L. Miller. Capacitively commutated brushless DC servomotor. U. S. Patent 4958115. -September 18 1990.

[56] L.K. Baxter. Capacitive Sensors: Design and Applications. John Wiley&Sons. 1996. - 320 P.

[57] Цаценкин В. К. Безредукторный автоматизированный электропривод с вентильными двигателями. - М.: Изд-во МЭИ. 1991. - 240 С.

[58] Тяпкин М.Г. Разработка аналого-цифрового преобразователя угла для электромагнитного датчика положения: Диссертация бакалавра техники и технологии. -Москва, 2007.-49 С.

[59] AnalogDevices manual. Closed-loop position estimation with signal compensation for sinusoidal encoders with the AMD401. Technical Report AN401-23. Analog Devices Inc. - 2000.

[60] Venema, Steven and Blake Hannaford. Kalman Filter based calibration of precision motor control // In Proceedings of IROS, Pittsburgh, PA, USA. 1995. - P. 92-98.

[61] Heydemann, Peter L. M.. Determination and correction of quadrature fringe measurement errors in interferometers. Applied Optics 20(19). 1981. - P. 3382-3384.

[62] S. Balemi. Automatic calibration of sinusoidal encoder signals // In Proc. of 16th IF AC World Congress, Prague. - July 2005. - P. 1189-1195.

[63] Тяпкин М.Г. Измерительная система планарного электропривода: Диссертация магистра техники и технологии. Москва, 2010. - 82 С.

[64] ISO 230-2, test code for machine tools: Part 2: Determination of accuracy and repeatability of positioning of numerically controlled axes. - 2006.

[65] ISO 230-6, test code for machine tools: Part 6. Determination of positioning accuracy on body and face diagonals (diagonal displacement tests). - 2002.

[66] ISO 230-4, test code for machine tools: Part 4. Circular tests for numerically controlled machine tools. - 2005.

[67] Rahneberg I., Buechner H.-J., Jaeger G. Optical system for the simultaneous measurement of two-dimensional straightness errors and the roll angle // Optical Sensors 2009. Proceedings of the SPIE, Volume 7356. - 2009. - P. 73560S-73560S-9.

[68] S. Awtar and A. H. Slocum. Target block alignment error in XY stage metrology // Precis. Eng.31(3). - 2007. - P. 185-187.

[69] Tan K.K., Huang S.N. and Seet H.L. Geometrical Error Compensation of Precision Motion Systems using Radial Basis Function // IEEE Transaction on Instrumentation and Measurement, Vol.49(5). - 2000. - P. 984-991.

[70] Enhancing the Accuracy and Performance of Machine Tools Content. HEIDENHAIN Presentation. - Vietinghoff, 2012.

[71] C.S. Teo. Accuracy enhancement for high precision gantry stage: Doctoral dissertation. National University of Singapore. - 2007. - 127 P.

[72] http://www.heidenhain.ru/ru RU/dokumentaciia-informaciia/

[73] Hwang Joo-Ho, Shim Jong-Youp, Ko Tae-Jo. Evaluation method for multi-axis errors for a 4 axis machine tool // Journal of the Korean Society of Precision Engineering. Volume 28, Issue 8. -2011.-P. 904-914.