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大理石平台定位技术与控制参数校准技术

2020-12-30 09:31:02

[一]、超定位技术
超定位技术是机械与仪器中的关键技术,无论大行程的定位,还是小范围内的对准,都离不开定位技术,超定位系统包括超位移机构、检测装置与控制系统3部分。超位移机构使工作台产生运动,检测装置进行运动信息的采集和反馈,控制器通过反馈信息与目标信息进行比较产生控制信号,控制超位移机构的运动。
三维超定位系统与一维定位控制系统相同,由驱动机构、执行机构、测量传感机构和控制系统组成,三维系统的执行机构和传感机构可以通过使用一维直线定位系统进行3个方向的叠加而成,或通过其他藕合结构来实现,也就是说三维定位系统中会出现3套或多套执行机构和传感机构,如何控制他们共同工作达到定位,实现3轴联动是该系统的一个主要问题。因此,大理石平台在选择系统的位移执行机构、传感机构时可以参考现在已有的纳米级二维工作台和直线定位系统所采用的方案,而控制方法和控制器的选择则要考虑选择适合控制多被控对象的复杂系统并能实现控制的方案。
传统的“旋转电机+滚珠丝杠”驱动方式,从电机主轴到工作台之间存在许多中间环节,如联轴器、丝杠、螺母、轴承等。这些中间环节,不仅加大系统的转动惯量,影响系统运动特性,而且会产生摩擦、弹性变形、滞后和非线性误差,影响加工精度。
直线驱动元件能够实现“直接驱动零传动”很适合应用于超定位系统。直线驱动系统了动力源和工作台之间的所有中间传动环节。目前应用的超直线驱动元件主要有:直线电机、音圈电机、压电陶瓷驱动器和超声波电机。其中直线电机和音圈电机都是通过电磁原理将电力转化为直线运动;压电陶瓷驱动器则是利用原料的物理特性,实现直线推力输出;超声波电机利用压电陶瓷条的高频振动特性,利用干摩擦将微小振幅转化为连续输出,可以提供无行程限制的的连续直线位移输出,前2者的运动驱动力远大于后2种压电陶瓷驱动器。
从驱动技术的研究和应用程度来看,直线电机和压电陶瓷的运动学分析、控制技术都比较成熟,应用于超机床或者定位平台的研究也较深入,许多家企业都有相关的产品出售,并达到较。超声波电机在国内尚处于起步研究阶段,但在已经出现产品,并逐渐应用于大行程系统之中。因为依靠摩擦力驱动,系统动态因素复杂,能够实现其长时间稳定输出控制的方案尚在研究中。
综合以上的3个方面来看,采用直线电机和压电陶瓷的直线驱动方案,技术相对成熟,可以尽量简化过程。目前许多大行程超的定位系统都是采用这2种驱动方式协同合作而实现的。但随着研究的深入,技术的革新,音圈电机和超声波电机拥有很好的应用前景。
[二]、控制参数校准技术
光刻机工作台是多变量的控制系统,存在动力学模型非线性、各白由度强藕合的特点,大理石平板控制策略在工程实施过程中存在着不可避免的简化,导致控制精度的下降。此外,工作台长期高速运动所致的器件温漂,部件运动过程中的松动也会造成控制参数与实际模型不匹配,进而影响控制精度。因此,需要对工作台的运动特点进行分析,设计相应的参数校准方法,通过对控制参数的校准与标定进而补偿工作台系统中的不确定因素。
1、电动机常数校准
电动机常数负责将控制器输出的力转换为驱动电动机运动的电流值,基于控制系统中实测的机械传递函数,计算出系统的测试质量,通过测试质量与工作台实际质量的比值,校正电动机常数,使控制器输出力转换为驱动电流。
2、加速度前馈控制参数校准
加速度前馈环路与位置反馈环路之问存在耦合。理论上,如果加速度前馈控制参数足够准确,工作台运动所需驱动力由前馈环节提供,此时,位置误差将为零。基于上述分析,将实测反馈环路的控制力转移到前馈环节,通过改变前馈控制参数来承担所转移的反馈控制力,进而起到校准前馈控制参数的目的。校准过程应该迭代进行,基于跟随误差较小的原则建立目标函数,并采用梯度矢量求解的方法对固定前馈控制结构中的参数进行了校准;基于工作台的规划加速度和实测反馈控制力,计算出转换质量并进行叠加,实现了前馈控制参数的迭代校准。
3、解耦控制参数校准
解耦控制器是微动台动力学模型的逆变换,由于工程实施过程中存在简化,解耦控制参数无法与系统特性匹配。在水平向3白由度运动控制中,如果解耦参数准确,一个方向的运动对其他两个方向的跟随误差不会产生影响,基于此,利用运动方向的规划加速度和非运动方向的反馈控制力计算串扰系数,将非运动方向的反馈控制力通过解耦参数的改变(即校准过程)进行转移;基于运动过程中非运动方向跟随误差较小的原则,构建目标函数并进行极值求解,对解耦控制器中的参数进行了校准。

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