тел: (495) 600-40-84

Производительность и особенности настройки позиционеров серии PILine

      1. Введение

В то время как традиционные системы позиционирования преобразуют вращательное движение двигателя в линейное с использованием ходового винта, позиционеры серии PILine® имеют прямой тип привода. Это позволяет полностью исключить люфт, сократить время отклика и повысить точность позиционирования. Кроме того, такие позиционеры обеспечивают быструю установку в заданное положение.
В то же время, с использованием двигателей PILine существует возможность реализации сверхмедленного перемещения с постоянной скоростью до нескольких нанометров за секунду. В данной статье приводятся данные о возможностях и настройке позиционеров серии PILine.


2. Принцип работы позиционеров серии PILine


Системы позиционирования PILine основываются на ультразвуковых пьезодвигателях прямого типа, которые создают линейное перемещение (рис.1). Пьезоэлектрический актуатор, составляющий основу пьезодвигателя, является преднагруженным. На конце актуатора прикреплён толкатель, который плотно соприкасается с подвижной направляющей. 

Fig.1_Scheme of PILine.JPG

Рис.1 Принципиальная схема пьезодвигателя PILine

Электрическое возбуждение актуатора на его резонансной частоте, которая обычно находится в диапазоне 100-250 кГц, вызывает осцилляции, которые приводят в движение толкатель и соответственно направляющую. Стоит отметить, что преднагрузка обеспечивает самоблокировку двигателя при отключении питания. Скорость движения может регулироваться путём изменения амплитуды возбуждения.

Изменения положения позиционера отслеживаются посредством инкрементного, а в некоторых случаях, абсолютного линейного энкодера. Количество импульсов, зарегистрированных энкодером, является пропорциональным дистанции, на которую переместился позиционер. С использованием передовых энкодеров существует возможность достигнуть субнанометрового разрешения.

Следует отметить, что при использовании датчика положения, двигатель должен работать в режиме обратной связи.

Прямое измерение скорости не представляется возможным с помощью данного метода. Однако, посредством измерения времени Δt = t2 - t1, требуемого для преодоления позиционером дистанции Δs = s2 - s1, величина скорости может быть получена путём использования следующего соотношения v = Δs / Δt.

Следует помнить, что дистанция Δs варьируется в зависимости от используемой частоты регистрации сигнала 1/Δt, поэтому можно получить различные результаты в отношении постоянства скорости (рис.2). 

    Fig.2_Constancy of velocity.JPG

    Рис.2 Зависимость постоянства скорости от координаты. Показания приведены для различной частоты регистрации сигнала с датчика (синий цвет – 4 кГц, зелёный цвет – 100 Гц). 

    В зависимости от задачи, заказчику может требоваться, чтобы платформа перемещалась в заданную координату за минимальное время (без жёстких требований к точности) или с наилучшей точностью за определённое время. Оба случая разобраны более детально ниже

    3. Быстрое позиционирование


    Когда пользователь задаёт требуемую координату, в которую необходимо переместиться, контроллер генерирует соответствующий профиль скорости, который включает в себя следующие сегменты (рис.3): A - ускорение, B – постоянная скорость, C – замедление и установка в заданное положение.

    Fig.3_Velocity trajectory.JPG

    Рис.3 Схема профиля скорости (синий график) при движении платформы серии PILine.

    Профиль скорости в каждой из областей (A, B и C) может быть настроен путём изменения соответствующих параметров контроллера. Для лучшего понимания, вначале стоит сказать о принципах алгоритма обратной связи, после чего будет дана информация об отдельных параметрах контроллера.

    Платформы PILine обычно используются в режиме обратной связи, где используется пропорционально-интегрально-дифференциальный (ПИД) алгоритм для компенсации флуктуаций траектории. Сравнивая фактическое положение позиционера (полученное от датчика) с заданным (рассчитанным контроллером), рассчитывается ошибка траектории, которая служит в качестве параметра для ПИД алгоритма. Используя параметры ПИД алгоритма, контроллер генерирует выходной сигнал для минимизации погрешности.


    Контроллер имеет до пяти независимых ПИД параметров (от 0 до 4). Как показано на рис.4, эти параметры устанавливаются вблизи рассчитанной траектории («commanded position») или заданной пользователем координаты («target position»). Диапазон границ должен сокращаться с ростом ПИД параметра. Границы настраиваются с помощью параметра 0х400. Рекомендуется настройка как минимум трёх диапазонов. Каждый ПИД параметр включает в себя величину диапазона («window enter») и граничные значения («window exit»), определяющие допустимую ошибку при перемещении. 

    Fig.4_PID parameters.JPG
    Рис.4 Диапазоны и граничные значения трёх ПИД параметров обозначены различными цветами.


    Эти величины могут задаваться для рассчитанной траектории (а) или для заданной координаты (b, стандартная настройка). ПИД параметр 0 (зелёный цвет) инициируется только во время установки позиционера в заданное положение, т.е. когда рассчитанная координата становится равной заданной координате. Стоит отметить, что ПИД параметр 2 (красный цвет) является активным до того, как фактическое пложение позиционера достигнет заданного диапазона.

    Как только фактическая координата позиционера достигает одного из заданных диапазонов, автоматически инициируется соответствующий ПИД параметр. Граничные значения должны быть за пределами установленных диапазонов. Граничные значения ПИД параметра 2 игнорируются контроллером PILine. Данный параметр остаётся активным даже в случае выхода позиционера за его границы.

    ПИД параметр 0 (от 0х401 до 0х407) выполняет функцию регулировки процесса установки позиционера в заданную координату.  Этот параметр инициируется только при завершении перемещения. Остальные ПИД параметры (с 1 по 4, 0х411 – 0х447) влияют на особенности перемещения позиционера.

    3.1. Сегмент А: ускорение

    В этом сегменте, платформа ускоряется до тех пор, пока не достигнет максимальной скорости, которая определяется контроллером.

    Время ускорения может быть минимизировано путём:

    · увеличения значения параметра ускорения

    · настройки параметров двигателя

    Стоит отметить, что все эти параметры зависят от внешних условий и должны определяться исходя из особенностей приложения.


    В случае настроек, вначале есть смысл повысить величину ускорения двигателя («motor acceleration», 0хB), которая по умолчанию принимает невысокое значение (рис.5). 


    Fig.5_Acceleration.JPG
    Рис.5 Время перемещения в указанную координату может быть уменьшено путём увеличения ускорения. Пунктирные линии показывают время стабилизации линейной платформы PILine в зависимости от величины ускорения.

    Стоит отметить, что увеличение ускорения приводит к сокращению срока службы позиционера. Дополнительно стоит обратить внимание на такой параметр, как мощность двигателя («motor output»): при нормальных условиях двигатель должен работать при мощности в 50% от максимального значения (0х9). Возможно повышение мощности на 20%. Установка величины более 80% может повлечь повреждение двигателя.

    Вторым методом уменьшения времени ускорения является настройка подаваемого напряжения на двигатель посредством контроллера. До того как платформа начнёт двигаться, требуется преодолеть статическое трение между толкателем и подвижной направляющей. Для этой цели контроллер постепенно увеличивает мощность двигателя. Время, которое связано с этим процессом, может быть сокращено путём увеличения параметра «drive offset» (0х48), который определяет стартовое значение напряжения, подаваемого на двигатель (рис.6). 

    Fig.6_Drive offset.JPG

    Рис.6 Настройка параметра «drive offset» (0х48) позволяет сократить время отклика (показано стрелками)

    Дополнительно, для компенсации влияния массы платформы при вертикальном креплении используется настройка параметров «motor offset positive» (0х33) и «motor offset negative» (0х34). Эти параметры указываются вместе с «motor drive offset». Подходящие исходные значения можно найти и установить, используя следующий макрос в PIMikroMove (рис.7)

    Fig.7_Macro example.JPG

    Рис.7 Запуск данного макроса в PIMikroMove определяет мощность двигателя («motor output») для перемещения платформы в каждом направлении. Эти параметры (0х33 и 0х34) храняться в энергонезависимой памяти контроллера.

    3.2. Сегмент B: движение позиционера с постоянной скоростью


    На этом участке, позиционер перемещается с постоянной максимальной скоростью. Время прохождения участка B может быть сокращено путём увеличения скорости позиционера (параметр 0х49).

    В некоторых случаях, особенно при перемещении на короткие дистанции, платформа после ускорения (сегмент А) может сразу начать замедляться (сегмент C) и не достигает максимальной скорости. В этом случае, можно попытаться увеличить ускорение (0хВ) и торможение (0хС)


    3.3. Сегмент C: торможение и стабилизация позиционера

    На этом участке происходит торможение позиционера по мере приближения к заданной координате.

    Время прохождения этого участка может быть уменьшено путём:

    · Повышения параметра торможения

    · Настройка параметра (0х422)

    · Расширение диапазона допустимой ошибки при стабилизации позиционера

    Повышение параметра торможения (0хС) аналогично повышению ускорения на участке А, что описано в пункте 3.1.


    Настройка параметра 0х422 связана с быстротой перехода позиционера в диапазон стабилизации («settling window»), что показано на рис.8


    Fig.8_Adjusting of 0x422.JPG

    Рис.8 Увеличение параметра 0х422 позволяет быстрее перейти к участку стабилизации. В конце временного интервала Δt, контроллер переходит в режим стабилизации.


    Если точность не играет важную роль для пользователя, существует возможность расширения диапазона погрешности при стабилизации (рис.9)

    Fig.9_Settling.JPG

    Рис.9 Участок стабилизации позиционера в увеличенном масштабе. Слева показан диапазон стабилизации, установленный по умолчанию. Расширение этого диапазона (справа) приводит к более раннему переходу контроллера в режим стабилизации

    4. Повышение точности позиционирования

    В случае, когда требуется высокая точность позиционирования, должна быть принята во внимание величина скорости позиционирования. Более высокая точность может быть получена посредством уменьшения диапазона стабилизации (параметр 0х406) и его граничных значений (параметр 0х407).

    Точность позиционирования ограничивается периодом линейной шкалы, зависит от разрешения датчика и коэффициента интерполяции. Для повышения точности позиционирования рекомендуется рассматривать:

    · позиционеры с более точной линейной шкалой

    · контроллеры с внутренней интерполяцией

    Как упоминалось в пункте 2, датчик используется для определения положения и скорости позиционера. Для платформ серии PILine могут быть использованы оптические и магнитные инкрементные и абсолютные энкодеры в зависимости от требуемой точности, энергопотребления и бюджета. В большинстве случаев используются оптические инкрементные датчики. Эти датчики определяют дистанцию до заданной референсной точки с помощью регистрации периодического сигнала, связанного с перемещением линейной шкалы. Период шкалы может принимать значения от одного до нескольких десятков микрометров. С помощью двух фотодиодов со сдвигом периода на 90°, генерируется два синусоидальных сигнала, которые позволяют определить направление перемещения. Эти сигналы затем обрабатываются с помощью схемы интерполяции, которая разделяет каждый период на несколько одинаковых импульсов. Разрешение определяется путём деления периода шкалы на коэффициент интерполяции. Использование платформ PILine с энкодером PIOne с периодом 0.5 мкм и коэффициентом интерполяции более 1000 позволяет получить разрешение в субнанометровом диапазоне. Как правило, интерполяторы с коэффициентом от 256 до 8192 встраиваются непосредственно в электронные схемы. Особенностью нового контроллера C-867.1U является встроенный интерполятор с коэффициентом до 20000, что позволяет многократно увеличить разрешение позиционера. Данная особенность наилучшим образом применяется в тех приложениях, где требуется прецизионное позиционирование наряду с очень медленной скоростью перемещения (рис.10). 


    Fig.10_Slow motion.JPG
    Рис.10 Траектория движения линейной платформы M-683 серии PILine с энкодером серии PIOne, управление с помощью контроллера C-867.1U. Рассчитанная траектория воспроизводится с высокой точностью. 

    5. Позиционирование с различной скоростью

    Двигатели PILine отличаются работой в широком диапазоне скоростей: от 10 нм/сек до 100 мм/сек. Скорость перемещения по её величине можно разделить на три группы:

      • Очень медленное перемещение (от 10 нм/сек до 10 мкм/сек)
      • Медленное перемещение (от 10 мкм/сек до 1 мм/сек)
      • Быстрое перемещение (более 1 мм/сек)

    Особенности перемещения в каждом из этих диапазонах будут обсуждаться в следующих подразделах.


        5.1. Очень медленное перемещение (от 10 нм/сек до 10 мкм/сек)


    Позиционирование на сверхмедленных скоростях имеет важное значение при сканировании объектов с малыми размерами. Настройка параметров контроллера в соответствии с установленными требованиями играет важную роль для достижения оптимальной производительности позиционера.

    Ключевым требованием для данного диапазона является равномерное движение. Для этой цели, некоторые контроллеры двигателей PILine (например, C-867.262) работают в режиме, когда неиспользуемый электрод двигателя также приводится в движение. Амплитуда регулируется с помощью параметра 0х6F. Это позволяет регулировать вектор движения толкателя, что уменьшает силу, с которой толкатель воздействует на направляющую в направлении её перемещения. Уменьшение силы приводит к понижению скорости направляющей.

    С другой стороны, в этом режиме уменьшается толкающее усилие. Наилучшие результаты достигаются при установке параметра максимальной мощности двигателя («maximum motor output») в пределах 50%-70%.

    Отклонения от траектории, зачастую возникающие в этом диапазоне скоростей, должны быть скомпенсированы путём установки высоких значений P-периода (подробности в пункте 6). Настройка считается завершённой, если фактическая траектория оказывается близкой к траектории, рассчитанной контроллером (рис.11). 


    Fig.11_Tuning of P-term.JPG

    Рис.11 Перемещение со скоростью 1 мкм/сек до и после настройки P-периода.

    Стоит отметить, что в контроллерах для управления двигателями PILine предусмотрена схема для автоматической настройки частоты возбуждения, что может препятствовать настройке P-периода. До начала оптимизации P-периода, убедитесь, что параметр 0х52 (automatic frequency search) отключен. Кроме того, небольшое увеличение выходной частоты (0х51, output frequency) может быть полезным при перемещении с очень медленной скоростью.


    5.2. Медленное перемещение (от 10 мкм/сек до 1 мм/сек)


    Типичными приложениями для данного диапазона скоростей являются системы для захвата изображения или формирование ячеек с помощью лазерной резки.

    В этом режиме двигатель может производить характерный шум. Однако он не является вредным для двигателя. Шум может быть устранён путём настройки параметра 0х6f (motor offset), о котором шла речь в пункте 5.1. Использование данного параметра также позволяет снизить погрешность при перемещении, а также требуемую мощность двигателя.


    5.3. Быстрое перемещение (более 1 мм/сек)

    Данный диапазон скоростей используется для приложений, где требуется максимально сократить время движения и стабилизации. Типичными приложениями являются: позиционирование линз в оптической схеме или регулировка затворов. В этих случаях главным требованием является быстрое и точное позиционирование. Форма траектории движения играет второстепенную роль. Во многих случаях, настройки контроллера по умолчанию будут являться оптимальными. Использование параметра «motor offset» не требуется, так как это может привести к понижению скорости перемещения и толкающего усилия.

          6. Перемещение по рассчитанной траектории с минимальной погрешностью

    Когда требуется минимальная погрешность при позиционировании, должен быть настроен P-период в соответствии с текущей скоростью платформы. Настройка I-периода и D-периода не требуется, однако их уменьшение в некоторых случаях может оказаться полезным. На рис.12 изображён график, полученный эмпирическим путём для типичной платформы серии PILine. На графике показан оптимальный P-период в зависимости от скорости перемещения, когда отклонение фактической траектории от рассчитанной является минимальным.  

    Fig.12_P-term dependence from velocity.JPG

    Рис.12 Зависимость P-периода от скорости перемещения линейной платформы серии PILine, показанная в логарифмическом масштабе.

    Для того, чтобы получить минимальное отклонение от рассчитанной траектории, функция настройки P-периода относительно скорости может быть задействована во всех поддерживаемых программных средах.