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精密运动平台宏微控制系统的设计陈兴林,刘川,刘杨,张旭,王伟峰豕ひ荡笱Ш教煅г海诹酰,.高动态精密伺服运动平台是光刻机的重要部件。它要求在高速运动的情况下,采用长行程直线电机宏动跟随音圈电机高精密微动的驱动方式,在较短行程内实现对平台的精确定位。因此,直线电机作长行程宏动控制、磁力轴承及压电陶瓷等作微动精密补偿在国外一直是作为关键技术来研究和使用‘。为了实现工件台大行程、高速、高精度的运动控制要求,控制系统须具有极高的动态响应和轨迹跟踪性能。近似时中南大学学报匀豢蒲О摘要:基于高动态精密伺服运动双台系统模型提出一种非线性宏微控制方法。该方法采用长行程直线电机宏动跟随音圈电机高精密微动的驱动方式,并引入扩张状态观测器。系统在定位误差较大时,采用近似时间最优控制律的轻阻尼宏动台,以允许的最大速度快速响应,在接近目标位置后,再用采用复合非线性反馈控制律的重阻尼微动台来补偿宏动台超调引起的位置偏差,最终实现系统快速高精度的定位。通过扩张状态观测器观测系统的动态变化,补偿系统中的各种扰动,减小系统的稳态跟踪误差。研究结果表明:该方法改善系统的动态性能和抗干扰能力,提高系统的定位精度。关键词:双台;直线电机;音圈电机;状态观测器;非线性中图分类号:.文献标志码:文章编号:———,..,琇琇,,;第卷第年,:—瓵琣瑃·瑃,篸猻;籿籹收稿日期:——;修回日期:基金项目:国家科技重大专项项目通信作者:支一校拇ㄗ恃羧耍┦垦芯可邮鹿饪袒üぜǹ刂葡低成杓疲坏缁埃:.
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爿·一≥一≥·籄:阂惠嘁惠隴;芝罢;马善玩·;宦骋豢鄇;鱆;%·九—猚芝宏微运动控制系统模型刂破魃杓控制中,取得了较好的效梨。但是,线性工/》雎院甓臀⒍涞鸟詈献饔谩玩间最优控带琍是对母慕谙低澄蟛罱闲∈保捎孟咝钥刂律来代替原诳9睾姆窍咝钥刂坡産刂坡,实现对快速运动对象的准确定位。这种控制方法现已成功应用到硬盘磁头寻道伺服作区的控制律本质是比例控制,其性能具有常规的局限性,难以实现快速响应与低超调的矛盾【俊等【提出一种复合非线性反馈,控制技术,通过动态改变闭环系统极点的阻尼,将轻阻尼系统的快速响应性能和重阻尼系统的低超调特性相结合,将刂萍际跤τ玫接才的伺服控制系统中,实现了硬盘快速低超调的平稳定位。仍贑幕∩希訡控制技术进行了改进,使控制时问减少】,并将这种改进的方法应用到硬盘磁头定位控制中【。本文作者将控制律和刂坡上嘟岷希捎弥毕叩缁甓疨控制跟随音圈电机微动刂频姆绞剑⒃擞美┱状态观测器【,对系统中的扰动进行补偿,以实现对系统快速平稳的定位,最后通过实验验证了该方法的有效性。运动平台宏微运动控制系统的建模方式有很多种【,本文针对光刻机工件台控制系统,建立了宏微控制系统的等效模型,如图尽:甓ㄓ芍毕电机驱动,气浮导轨导向;微动台由音圈电机驱动,由固定在宏动台上的气浮导轨导向;平衡质量块也是由气浮导轨导向,克服电机运动对基础框架的冲击。用光栅尺测量宏动台相对基础框架的位移,用激光干涉仪测量微动台相对基础框架的位移黄渲校入为,音圈电机力输入为,宏动台与平衡质量块之问的阻尼与刚度分别为和,微动台与宏动台之问的阻尼与刚度分别为和,宏动和微动中的哓乓一—.:九;眷;%马整个控制器分为霾糠郑航剖奔渥钣趴刂坡、复合非线性反馈控制律透骺刂坡伤对应的扩张状态观测器:甓毕叩缁捎控制,微动音圈电机采用刂疲捎煤甓跟踪微动的主从控制方式。控制结构如图尽零点基础框架图晡⒖刂频刃P图刂平峁箍蛲陈兴林,等:精密运动平台宏微控制系统的设计第爿研鵍
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担翰一闿,誰;甹弦蝗隰礛鲁引水少。酉石吨錠一百旷以,貺醴一酲口盘;露耓群厂——吨:日隆甠口%曩白口一趔剁一卣±/徊近似时间最优控制律宏动系统为行程大、带宽小、精度较低的运动系统,采用近似时间最优控制律。近似时间最优控制在误差较大时,利用允许的最大控制信号来加速和减速,当误差较小时为线性控制,这样可以逼近男阅埽哂懈玫穆嘲粜浴F淇刂坡晌#幌的阻尼从而抑制线性反馈部分造成的超调,最终的受控系统达到对设定点快速平稳的定位与跟踪,使输出焖僮既返囟ㄎ坏侥勘晡恢眉紫壬杓葡咝宰刺蠢】刂坡晌#使系统岛全局渐进稳定。微动系统—秃甓低订一曰置相比,阻尼比乞更大,自然频率哆也更高。因为设定值为常数,所以岛:九。式中:甄为“淖畲笾担籹甝为饱和函数;为位置式中:惴匠反馈增益;忽为速度反馈增益;口为加速度求解方程折扣系数;为线性区域的长度。为保证苁连续,参数必须满足以下约束关系:在区域躖,,控制系统是线性的,运用文献ǖ闩渲玫姆椒ǎ傻迷鲆媛如闹担式中:自和直鹞1栈废低矯~的阻尼比和自然频率,极点为:在以往双台的控制中,宏动系统都是采用增大宏动系统阻尼的方法,以减小运动系统的超调量。本文将选择较小的阻尼,使宏动系统快速的接近目标位置,再用微动系统来补偿掉这部分偏差,采用