Enhanced Tracking Control (ETC) 動態軌跡強化控制

 

概述

Aerotech 獨一無二動態軌跡強化控制 (Enhanced Tracking Control) 功能,可提升點對點定位裡位移整定時間,與與降低輪廓運動過程中之追隨誤差。它可用於Aerotech控制器(A3200, Ensemble® and Soloist®),甚至包含Nmark® GCL 高效能振鏡控制器。動態軌跡強化控制與傳統比例­-積分-微分 (PID) 控制架構並行工作,且增加伺服機構,用於抵抗外部干擾源所延伸之位置誤差的抵抗能力。

背景

在精密定位系統中,軸承對於許多機械動態誤差產生極大貢獻度。一個簡單的庫倫摩擦模型對於巨觀尺度運動相當足夠,但在微米級與更細微的微觀尺度,其機械行為更為複雜。許多滾動原件,不同預壓與潤滑程度,導致所施加力和產生位移之間滯後(hysteretic)關係。簡單而言,機械並不會像線性伺服理論預測那樣移動。結果為控制器嘗試將平台拉到最後位置時,整定時間裡出現一段拖尾的位置誤差,或者,在機械平台改變運動方向時,產生峰值位置誤差。

伺服迴路增益的頻率響應曲線清楚地表明了軸承摩擦力的影響 (如下圖一)。理想的響應為高增益值在低頻段 (表示良好的控制權力) 經過交越頻率再到低增益值高頻段 (對於防止不必要的機械振動是必需的) 。軸承摩擦力在低頻段產生一個抑制響應,低迴路增益代表對干擾源的響應較慢。動態軌跡強化控制增強了伺服機構低頻響應,使動態行為更接近理想的無摩擦系統。



ETC_freqresp

圖一, 軸承摩擦表現在伺服迴路增益中,可以觀察到低頻增益值在使用ETC 技術前較低

調整技巧

動態軌跡強化控制演算法可以直接進行調整不需要改變現有的PID值。首先應該對系統進行一般調整到好的性能和穩定指標,最好使用迴路傳輸進行量化。動態軌跡強化控制演算法要求兩個額外參數:比例因子與頻寬。自動調機工具用來鑒定比例因子(慣性,馬達常數與感測器解析度),和頻寬設定為控制器交越頻率的一部份。

範例一. 提升點對點定位

動態軌跡強化控制演算法透過消除整定中一段拖尾次微米誤差用來提升點對點定位效能(圖二)。

當滾動元件幾乎(但不完全)在最後終位置,具有滾動元件軸承的系統需要很長時間在準靜態調件。當使用動態軌跡強化控制演算法,加強低頻段伺服迴路增益,以提供額外能力來推動軸承摩擦力,有效降低整定時間。

ETC_moveandsettle

圖二,ETC 消除整定內一段拖尾之次微米誤差

範例二. 提升動態追隨性

動態軌跡強化控制演算法也被使用在抑制干擾源,以提升動態追隨效能。追隨誤差通常在運動方向反向時來的更差,對於伺服機構追隨性來說,小圓輪廓循圓加工是最具挑戰。圖三展示雷射加工應用,當使用ETC,複雜輪廓中降低四倍之峰值追隨誤差。


ETC_Tracking Error

圖三,ETC可以在複雜輪廓中提供一個降低四倍峰值追隨誤差

提升掃描振鏡鏡片控制

在現代雷射微加工製程中,掃描振鏡控制一直是一個重要課題,如何在最短時間移動對多路徑,維持動態軌跡精度,同時具備長時間工作的製程穩定性,是現在雷射產業極需克服的議題。高速雷射掃振鏡的輕質量反射鏡片特別容易受到微小干擾力的影響。即使是最高品質的軸承也表現出非線性摩擦行為,這會降低精密定位應用的定位性能。

圖四展示追隨誤差,同時在有使用或沒有使用ETC的情況下頻率127Hz循圓過程,在演算法啟用情況下,最終達到提升產品品質。

ETC_Fast Circles

圖四,追隨誤差,同時在有使用或沒有使用ETC的情況下頻率127Hz循圓過程

總結

Aerotech態軌跡強化控制 (ETC) 功能在精密應用中提升點對點定位的整定時間與降低追隨誤差。請聯繫Aerotech討論您應用需求與發現ETC可以提升製程的產能與品質。

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