一种双轴同步与差动运动系统及其控制补偿方法

摘要

本发明涉及一种双轴同步与差动运动系统及其控制补偿方法，该系统包括平行设置的主动轴和从动轴，主动轴和从动轴包括分别沿主动轴和从动轴方向运动的直线运动单元，从动轴上还设有旋转机构，旋转机构包括固定件、旋转件及第一连接件和第二连接件，从动轴固定于固定件上，固定件、第一连接件及旋转件依次固定连接，旋转件与第二连接件可旋转式连接，主动轴和从动轴上还分设有检测直线运动单元位移的检测装置。主动轴的位移作为主动轴的反馈信号；主动轴与从动轴位移的差值作为从动轴的反馈信号，实现主动轴和从动轴的闭环控制。主动轴运动时，从动轴跟随主动轴运动，实现同步运动；主动轴静止，从动轴小角度的旋转，实现主动轴和从动轴的差动运动。

权利要求

1.一种双轴同步与差动运动系统，其特征在于，包括平行设置的主动轴和从动轴，所述主动轴和从动轴包括分别沿所述主动轴和从动轴方向运动的直线运动单元，所述从动轴上还设有旋转机构，所述旋转机构包括固定件、旋转件及第一连接件和第二连接件，所述从动轴固定于所述固定件上，所述固定件、第一连接件以及旋转件依次固定连接，所述旋转件与所述第二连接件可旋转式连接，所述主动轴和从动轴上还分别设有检测所述直线运动单元的位移的检测装置。

2.如权利要求1所述的双轴同步与差动运动系统，其特征在于，所述检测装置为光栅尺。

3.如权利要求1所述的双轴同步与差动运动系统，其特征在于，所述直线运动单元包括依次连接的直流伺服电机、减速器、弹性联轴器以及滚珠丝杠。

4.一种双轴同步与差动运动的控制补偿方法，应用于权利要求1所述的双轴同步与差动运动系统，采用PID控制系统对所述双轴同步与差动运动系统进行控制，所述PID控制系统包括设定点生成器、调节器、控制器以及反馈通道，分别对主动轴和从动轴进行控制，其特征在于，主动轴上的检测装置所测的位移作为主动轴的反馈信号；主动轴与从动轴上的检测装置所测位移的差值作为从动轴的反馈信号。

5.如权利要求4所述的双轴同步与差动运动的控制补偿方法，其特征在于，所述系统中还包括陷波器，所述陷波器为所述控制器提供前馈。

6.如权利要求4所述的双轴同步与差动运动的控制补偿方法，其特征在于，所述控制补偿方法中还包括预测补偿，根据对外界干扰的预估对所述控制器的输入信号进行补偿。

7.如权利要求6所述的双轴同步与差动运动的控制补偿方法，其特征在于，所述预测补偿采用灰色预估算法将系统中外界干扰的模型参数进行预估。

8.如权利要求4所述的双轴同步与差动运动的控制补偿方法，其特征在于，所述从动轴的反馈通道中设置有二阶超前补偿或二阶延时补偿。

9.如权利要求4所述的双轴同步与差动运动的控制补偿方法，其特征在于，将所述设定点生成器规划的加速度轨迹作为所述调节器的前馈补偿。

10.如权利要求4所述的双轴同步与差动运动的控制补偿方法，其特征在于，所述主动轴和从动轴上直线方向的零点位置上分别设有零位传感器，系统回归零点位置的方法如下：当主动轴上的零位传感器先触发：则从动轴运动直至从动轴上的零位传感器触发；

当从动轴上的零位传感器先触发：则从动轴不再跟随主动轴运动，同时，主动轴运动直至主动轴上的零位传感器触发；

当主动轴和从动轴上的两个零位传感器同时触发：则主动轴和从动轴均不动作。

说明书

一种双轴同步与差动运动系统及其控制补偿方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种应用于掩膜传输分系统中的双轴同步与差动运动系统及其控制补偿方法。

背景技术

[0002] 目前，虽然有很多双轴同步控制功能的数控系统，但开发具有双轴同步控制功能的数控系统周期长，在进行高速高精度控制时，双轴的反馈以及反馈的处理需及时，这对数控系统本身就产生很高的要求。对于众多国产数控系统来说，由于其插补周期的限制，在数控系统上进行双轴同步控制技术颇有难度。

[0003] 现有方式为采用同步控制器或控制卡与数控系统相结合的模式，由于同步控制器或控制卡的强大功能，可能会造成该控制器或控制卡的资源浪费，除此之外，还要考虑同步控制器或控制卡与数控系统的接口是否兼容的问题，也是研究中的障碍。

[0004] 由于实际的设备应用在掩模传输分系统中会存在很多扰动，如被控对象本身的机械结构和动力学特性，例如摩擦阻尼、传动关系、管线刚度等；也与被控对象的运行环境、控制系统的电气特性有很大关系，而结构扰动、配线干扰、配线粘性力、前向通道扰动、反馈通道扰动、控制激起的振动、机体振动、随机噪声等振动和噪声，会影响掩模传输分系统的运动控制通道对此系统的伺服精度。

发明内容

[0005] 本发明提供一种双轴同步与差动运动系统及其控制补偿方法，以解决现有技术中的双轴同步与差动运动系统及其控制补偿方法难以实现且控制精度低的问题。

[0006] 为解决上述技术问题，本发明提供一种双轴同步与差动运动系统，包括平行设置的主动轴和从动轴，所述主动轴和从动轴包括分别沿所述主动轴和从动轴方向运动的直线运动单元，所述从动轴上还设有旋转机构，所述旋转机构包括固定件、旋转件及第一连接件和第二连接件，所述从动轴固定于所述固定件上，所述固定件、第一连接件以及旋转件依次固定连接，所述旋转件与所述第二连接件可旋转式连接，所述主动轴和从动轴上还分别设有检测所述直线运动单元的位移的检测装置。

[0007] 较佳地，所述检测装置为光栅尺。

[0008] 较佳地，所述直线运动单元包括依次连接的直流伺服电机、减速器、弹性联轴器以及滚珠丝杠。

[0009] 本发明还提供了一种双轴同步与差动运动的控制补偿方法，应用于上述的双轴同步与差动运动系统，采用PID控制系统对所述双轴同步与差动运动系统进行控制，所述PID控制系统包括设定点生成器、调节器、控制器以及反馈通道，分别对所述主动轴和从动轴进行控制，主动轴上的检测装置所测的位移作为主动轴的反馈信号；主动轴与从动轴上的检测装置所测位移的差值作为从动轴的反馈信号。

[0010] 较佳地，所述系统中还包括陷波器，所述陷波器为所述控制器提供前馈。

[0011] 较佳地，所述控制补偿方法中还包括预测补偿，根据对外界干扰的预估对所述控制器的输入信号进行补偿。

[0012] 较佳地，所述预测补偿采用灰色预估算法将系统中外界干扰的模型参数进行预估。

[0013] 较佳地，所述从动轴的反馈通道中设置有二阶超前补偿或二阶延时补偿。

[0014] 较佳地，将所述设定点生成器规划的加速度轨迹作为所述调节器的前馈补偿。

[0015] 较佳地，所述主动轴和从动轴上直线方向的零点位置上分别设有零位传感器，系统回归零点位置的方法如下：

[0016] 当主动轴上的零位传感器先触发：则从动轴运动直至从动轴上的零位传感器触发；

[0017] 当从动轴上的零位传感器先触发：则从动轴不再跟随主动轴运动，同时，主动轴运动直至主动轴上的零位传感器触发；

[0018] 当主动轴和从动轴上的两个零位传感器同时触发：则主动轴和从动轴均不动作。

[0019] 与现有技术相比，本发明具有以下优点：本发明提供的双轴同步与差动运动系统及其控制补偿方法，该系统包括平行设置的主动轴和从动轴，所述主动轴和从动轴包括分别沿所述主动轴和从动轴方向运动的直线运动单元，所述从动轴上还设有旋转机构，所述旋转机构包括固定件、旋转件及第一连接件和第二连接件，所述从动轴固定于所述固定件上，所述固定件、第一连接件以及旋转件依次固定连接，所述旋转件与所述第二连接件可旋转式连接，所述主动轴和从动轴上还分别设有检测所述直线运动单元的位移的检测装置。其中，主动轴上的检测装置所测的位移作为主动轴的反馈信号；主动轴与从动轴上的检测装置所测位移的差值作为从动轴的反馈信号，以实现主动轴和从动轴的闭环控制，同时，当主动轴运动时，从动轴的检测到两轴之间的位移变化量，为补偿该位移变化量使从动轴跟随主动轴运动，从而实现主动轴和从动轴的同步运动；当主动轴静止，从动轴相对于主动轴做小角度的旋转，从而实现主动轴和从动轴的差动运动。本发明简单易行，控制精度高。

附图说明

[0020] 图1为本发明一具体实施方式中双轴同步与差动运动系统应用于掩膜传输分系统中的结构示意图；

[0021] 图2为本发明一具体实施方式中旋转机构的结构示意图；

[0022] 图3为本发明一具体实施方式中PID控制系统伺服环路设计逻辑框图（增加二阶延时补偿）；

[0023] 图4为本发明一具体实施方式中PID控制系统伺服环路设计逻辑框图（增加二阶超前补偿）；

[0024] 图5为本发明一具体实施方式中增加预测补偿的PID控制系统伺服环路设计逻辑框图（增加二阶延时补偿）；

[0025] 图6为本发明一具体实施方式中增加预测补偿的PID控制系统伺服环路设计逻辑框图（增加二阶超前补偿）；

[0026] 图7为本发明一具体实施方式中系统回归零点位置的流程框图；

[0027] 图8为本发明一具体实施方式中主动轴PID控制系统跟踪曲线仿真图；

[0028] 图9为本发明一具体实施方式中从动轴跟随主动轴运动的PID控制系统跟踪曲线仿真图；

[0029] 图10为本发明一具体实施方式中增加预测补偿后主动轴PID控制系统跟踪曲线仿真图；

[0030] 图11为本发明一具体实施方式中增加预测补偿后从动轴跟随主动轴运动的PID控制系统跟踪曲线仿真图；

[0031] 图12为本发明一具体实施方式中在PID控制系统和增加预测补偿的PID控制时主动轴和从动轴的误差曲线仿真图。

[0032] 图中：100-主动轴、200-从动轴、101-固定件、102-第一连接件、103-旋转件、104-第二连接件。

具体实施方式

[0033] 为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。需说明的是，本发明附图均采用简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

[0034] 本发明提供的双轴同步与差动运动系统，如图1和图2所示，包括平行设置的主动轴100和从动轴200，所述主动轴100和从动轴200包括分别沿所述主动轴100和从动轴200方向运动的直线运动单元，在本实施例中，所述直线运动单元为电机丝杠结构，包括依次连接的直流伺服电机、减速器、弹性联轴器以及滚珠丝杠，当然，所述直线运动单元根据实际应用的需要也可以使用直线电机等其它直线驱动机构。请重点参考图1，掩模传输分系统共有4个自由度的控制需求，分别是X向、Y1向、Y2向和Z向，其控制精度要求较高，且四个方向均是典型的单轴系统，即每个方向的逻辑轴对应一个控制电机和伺服控制器，其中，Y1向设有主动轴100，Y2向设有从动轴200，具体地，主动轴100和从动轴200采用直流伺服电机，经过减速器减速，通过弹性联轴器直接与滚珠丝杠连接来驱动Y向运动，所述Y向运动由主动轴
100和从动轴200的同步运动来实现。所述从动轴200上还设有旋转机构，所述旋转机构包括固定件101、旋转件103及第一连接件102和第二连接件104，所述从动轴200固定于所述固定件101上，所述固定件101、第一连接件102以及旋转件103依次固定连接，所述旋转件103与所述第二连接件104可旋转式连接，通过机械结构来实现主动轴100和从动轴200的差动，从而实现小角度旋转。所述主动轴100和从动轴200上还分别设有检测所述直线运动单元的位移的检测装置（图中未示出），用于测量所述直流伺服电机的运动位移，较佳地，所述检测装置为光栅尺，所述光栅尺的分辨率为0.1um。

[0035] 本发明还提供了一种双轴同步与差动运动的控制补偿方法，请参考图3至图6，并结合图1和图2，应用于上述的双轴同步与差动运动系统，采用PID控制系统对所述双轴同步与差动运动系统进行控制，PID控制系统包括设定点生成器、调节器、控制器以及反馈通道，分别对所述主动轴100和从动轴200进行控制，主动轴100上的检测装置所测的位移作为主动轴100的反馈信号；主动轴100与从动轴200上的检测装置所测位移的差值作为从动轴200的反馈信号，实现闭环控制方式，较佳地，所述系统中还包括陷波器，所述陷波器为所述控制器提供前馈，消除可能存在的结构噪声。较佳地，由于在加速和减速段，产生的位置误差较大，将所述设定点生成器规划的加速度轨迹作为所述调节器的前馈补偿，能够消除这些位置误差，改善加速段的跟随特性。较佳地，所述从动轴200的反馈通道中设置有二阶超前补偿或二阶延时补偿，以改善控制通道的开环和闭环特性，提高控制精度。

[0036] 较佳地，所述控制补偿方法中还包括预测补偿，根据对外界干扰的预估对所述控制器的输入信号进行补偿，具体地，所述预测补偿采用灰色预估算法将系统中外界干扰的模型参数进行预估。

[0037] 具体地，为了减弱系统中不确定部分的影响，改善控制性能，采用灰色预估算法将系统中不确定部分及外界未知干扰的模型参数粗略地进行估计，然后对系统不确定部分和外界未知干扰给于一定的估计补偿，具体方式如下：

[0038] 设由n个非线性不确定子系统组成的系统方程为:

[0039]

[0040] 其中:bD(y,t)代表系统满足匹配条件的不确定部分，包括参数不确定和外干扰。则：

[0041] D(y,t)＝V1Y1+V2Y2+…+VnYn+f(t)

[0042] ＝VYT+f(t)    (2)

[0043] 其中:V＝[V1,V2,…,Vn]，YT＝[Y1,Y2,…,Yn]。

[0044] 在系统启动后，对不确定部分进行预测估计，设系统的原始数据序列为：

[0045]

[0046] （i＝1,2,...,n；k＝1,2,...,N；N≥n）

[0047] 对其计算一次累加生成(1-AGO)的数据序列为：

[0048]

[0049] （i＝1,2,...,n；k＝1,2,...,N；N≥n）

[0050] 而离散序列D(0)(k)为：

[0051] D(0)(k)＝[D(0)(1),D(0)(2),...，D(0)(N)]T    (5)

[0052] 其一次累加生成(1-AGO)的数据序列为:

[0053]

[0054]

[0055] 由最小二乘法可得到D(1)(y,t)的参数向量 的估计值为：

[0056]

[0057]

[0058] 其中:

[0059] 将累加值还原，可以得到不确定部分bD(y,t)的灰色模型为：

[0060]

[0061] 由估计参数可得到灰色预估补偿的控制量 则预测补偿的PID控制量为：

[0062] u＝up+uc    (9)

[0063]

[0064] 在系统启动后，采用灰色预测补偿将主动轴100单轴系统以及从动轴200跟随主动轴100同步运动系统中不确定部分和外界未知干扰进行粗略地估计，然后对D(y,t)给于一定程度的补偿，求出灰色预测补偿的控制作用量uc，将其和PID控制量up一起参与系统的控制。

[0065] 由图8至图12可知，增加预测补偿后，主动轴100的运动以及从动轴200跟随主动轴100运动的控制精度更高，效果更好，且误差更小。

[0066] 较佳地，请参考图7，并结合图1，由于Y向零点位置关系到Y向运动的起点、运动位移大小、运动的终点等，只有确定了Y向零点位置，才能进行主动轴100和从动轴200的同步运动和差动运动，因而所述主动轴100和从动轴200上直线方向的零点位置上分别设有零位传感器（图中未示出），系统回归零点位置，即寻找零位传感器的过程，根据主动轴100和从动轴200的零位传感器触发顺序，将做不同处理，分以下三种情况：

[0067] 1.当主动轴100上的零位传感器先触发：则从动轴200运动直至从动轴200上的零位传感器触发；

[0068] 2.当从动轴200上的零位传感器先触发：则从动轴200不再跟随主动轴100运动，同时，主动轴100运动直至主动轴100上的零位传感器触发；

[0069] 3.当主动轴100和从动轴200上的两个零位传感器同时触发：则主动轴100和从动轴200均不动作。

[0070] 话句话说，Y向的零位传感器是主动轴100和从动轴200的零位传感器的虚拟传感器，即为主动轴100和从动轴200上零位传感器的或关系。首先，先检测Y向零位传感器是否有效，如果有效，再判断是主动轴100零位传感器有效还是从动轴200零位传感器有效，若主动轴100零位传感器有效，则主动轴100不动，运动从动轴200至零位传感器有效；若从动轴200零位传感器有效，则从动轴200开环，不做跟随，运动主动轴100至零位传感器有效；如果检测到主动轴100和从动轴200零位传感器均有效，此为粗回零点位置的过程，即为找零位传感器从无到有的运动，然后运动主动轴100和从动轴200从有到无，此为精回零点位置的过程。如果检测到Y向零位传感器无效，则主动轴100和从动轴200的零位传感器均无效，则运动主动轴100找零位传感器，从动轴200做跟随运动，当检测到Y向零位传感器有效时重复上述粗回零点和精回零点的运动。

[0071] 需要说明的是，本实施例中的双轴同步与差动运动的控制补偿方法满足以下控制条件：

[0072] 1.同步运动过程中从动轴200跟随主动轴100运动；

[0073] 2.主动轴100和从动轴200回零点位置时速度和加速度保持一致；

[0074] 3.运动接口：主动轴100运动前，从动轴200保持闭环，否则主动轴100不能动，因为主动轴100运动，需要从动轴200的跟随运动，以实现双轴的同步运动；

[0075] 4.运动接口：从动轴200运动前，主动轴100必须闭环，否则从动轴200不能动，因为从动轴200相对于主动轴100做差动运动，即从动轴200绕着主动轴100旋转；

[0076] 5.条件接口判断条件关系：当Y向零位传感器没有信号时，从动轴不能调用条件运动接口，以保证主动轴100回零位传感器在从动轴200之前。

[0077] 本发明的双轴同步运动与差动运动的控制方法应用在掩模传输分系统中，该系统双轴被控对象的模型可近视为 转化为状态方程的形式为：y'＝Ay+Bu+bD(y,t)，式中， B＝[0m]T。外加干扰为：D(y,t)＝V1y1+V2y2+f，取初始干扰参数为V＝[5.0-5.05.0]。指令信号的幅值为0.5，频率为3.0Hz的正弦信号，经过5个采样周期，采用PID控制系统，得到干扰参数估计结果为 仿真结果如下：

[0078] 1.采用PID控制系统，即忽略被控系统中不确定部分的影响。

[0079] 仿真结果如图8和图9所示，从仿真结果可以看出，在正弦输入信号作用下，主动轴100运动的PID控制系统有较大的滞后现象，而从动轴200跟随主动轴100运动的跟随性能不理想。

[0080] 2.采用灰色预测补偿的PID控制系统，即考虑了被控系统中不确定部分及外界未知干扰的影响。

[0081] 仿真结果如图10和图11所示，从仿真结果可以看出，在正弦输入信号作用下，主动轴100运动的PID控制系统滞后现象大大减弱，而从动轴200跟随主动轴100运动的跟随性能较佳。

[0082] 请参考图12，从各种情况下的误差曲线的仿真结果来看，基于预测补偿的双轴同步运动系统可以可实时、平滑地进行跟踪，延时较小，滞后现象大大减弱，跟踪性能较佳；与PID控制系统相比，基于预测补偿的PID控制系统在考虑到双轴同步运动与差动运动系统中不确定部分及外界未知干扰影响的情况下也可以消除系统稳态误差，减小系统的振荡和超调量，使系统更为快速地收敛到目标值，并具有一定的鲁棒性。

[0083] 综上所述，本发明提供的双轴同步与差动运动系统及其控制补偿方法，该系统包括平行设置的主动轴100和从动轴200，所述主动轴100和从动轴200包括分别沿所述主动轴100和从动轴200方向运动的直线运动单元，所述直线运动单元可以为电机丝杠结构，包括依次连接的直流伺服电机、减速器、弹性联轴器以及滚珠丝杠，此外直线运动单元根据实际应用需要也可以使用直线电机等其他直线驱动机构。所述从动轴200上还设有旋转机构，所述旋转机构包括固定件101、旋转件103及第一连接件102和第二连接件104，所述从动轴200固定于所述固定件101上，所述固定件101、第一连接件102以及旋转件103依次固定连接，所述旋转件103与所述第二连接件104可旋转式连接，所述主动轴100和从动轴200上还分别设有检测所述直线运动单元的位移的检测装置。其中，主动轴100上的检测装置所测的位移作为主动轴100的反馈信号；主动轴100与从动轴200上的检测装置所测位移的差值作为从动轴的反馈信号，以实现主动轴100和从动轴200的闭环控制，同时，当主动轴100运动时，从动轴200的检测到两轴之间的位移变化量，为补偿该位移变化量使从动轴200跟随主动轴100运动，从而实现主动轴100和从动轴200的同步运动；当主动轴100静止，从动轴200相对于主动轴100做小角度的旋转，从而实现主动轴100和从动轴200的差动运动。本发明简单易行，控制精度高。

[0084] 显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。