大理石平臺定位技術與控制參數校準技術
[一]、超定位技術
超定位技術是機械與儀器中的關鍵技術,無論大行程的定位,還是小范圍內的對準,都離不開定位技術,超定位系統包括超位移機構、檢測裝置與控制系統3部分。超位移機構使工作臺產生運動,檢測裝置進行運動信息的采集和反饋,控制器通過反饋信息與目標信息進行比較產生控制信號,控制超位移機構的運動。
三維超定位系統與一維定位控制系統相同,由驅動機構、執行機構、測量傳感機構和控制系統組成,三維系統的執行機構和傳感機構可以通過使用一維直線定位系統進行3個方向的疊加而成,或通過其他藕合結構來實現,也就是說三維定位系統中會出現3套或多套執行機構和傳感機構,如何控制他們共同工作達到定位,實現3軸聯動是該系統的一個主要問題。因此,大理石平臺在選擇系統的位移執行機構、傳感機構時可以參考現在已有的納米級二維工作臺和直線定位系統所采用的方案,而控制方法和控制器的選擇則要考慮選擇適合控制多被控對象的復雜系統并能實現控制的方案。
傳統的“旋轉電機+滾珠絲杠”驅動方式,從電機主軸到工作臺之間存在許多中間環節,如聯軸器、絲杠、螺母、軸承等。這些中間環節,不僅加大系統的轉動慣量,影響系統運動特性,而且會產生摩擦、彈性變形、滯后和非線性誤差,影響加工精度。
直線驅動元件能夠實現“直接驅動零傳動”很適合應用于超定位系統。直線驅動系統了動力源和工作臺之間的所有中間傳動環節。目前應用的超直線驅動元件主要有:直線電機、音圈電機、壓電陶瓷驅動器和超聲波電機。其中直線電機和音圈電機都是通過電磁原理將電力轉化為直線運動;壓電陶瓷驅動器則是利用原料的物理特性,實現直線推力輸出;超聲波電機利用壓電陶瓷條的高頻振動特性,利用干摩擦將微小振幅轉化為連續輸出,可以提供無行程限制的的連續直線位移輸出,前2者的運動驅動力遠大于后2種壓電陶瓷驅動器。
從驅動技術的研究和應用程度來看,直線電機和壓電陶瓷的運動學分析、控制技術都比較成熟,應用于超機床或者定位平臺的研究也較深入,許多家企業都有相關的產品出售,并達到較。超聲波電機在國內尚處于起步研究階段,但在已經出現產品,并逐漸應用于大行程系統之中。因為依靠摩擦力驅動,系統動態因素復雜,能夠實現其長時間穩定輸出控制的方案尚在研究中。
綜合以上的3個方面來看,采用直線電機和壓電陶瓷的直線驅動方案,技術相對成熟,可以盡量簡化過程。目前許多大行程超的定位系統都是采用這2種驅動方式協同合作而實現的。但隨著研究的深入,技術的革新,音圈電機和超聲波電機擁有很好的應用前景。
[二]、控制參數校準技術
光刻機工作臺是多變量的控制系統,存在動力學模型非線性、各白由度強藕合的特點,大理石平板控制策略在工程實施過程中存在著不可避免的簡化,導致控制精度的下降。此外,工作臺長期高速運動所致的器件溫漂,部件運動過程中的松動也會造成控制參數與實際模型不匹配,進而影響控制精度。因此,需要對工作臺的運動特點進行分析,設計相應的參數校準方法,通過對控制參數的校準與標定進而補償工作臺系統中的不確定因素。
1、電動機常數校準
電動機常數負責將控制器輸出的力轉換為驅動電動機運動的電流值,基于控制系統中實測的機械傳遞函數,計算出系統的測試質量,通過測試質量與工作臺實際質量的比值,校正電動機常數,使控制器輸出力轉換為驅動電流。
2、加速度前饋控制參數校準
加速度前饋環路與位置反饋環路之問存在耦合。理論上,如果加速度前饋控制參數足夠準確,工作臺運動所需驅動力由前饋環節提供,此時,位置誤差將為零。基于上述分析,將實測反饋環路的控制力轉移到前饋環節,通過改變前饋控制參數來承擔所轉移的反饋控制力,進而起到校準前饋控制參數的目的。校準過程應該迭代進行,基于跟隨誤差較小的原則建立目標函數,并采用梯度矢量求解的方法對固定前饋控制結構中的參數進行了校準;基于工作臺的規劃加速度和實測反饋控制力,計算出轉換質量并進行疊加,實現了前饋控制參數的迭代校準。
3、解耦控制參數校準
解耦控制器是微動臺動力學模型的逆變換,由于工程實施過程中存在簡化,解耦控制參數無法與系統特性匹配。在水平向3白由度運動控制中,如果解耦參數準確,一個方向的運動對其他兩個方向的跟隨誤差不會產生影響,基于此,利用運動方向的規劃加速度和非運動方向的反饋控制力計算串擾系數,將非運動方向的反饋控制力通過解耦參數的改變(即校準過程)進行轉移;基于運動過程中非運動方向跟隨誤差較小的原則,構建目標函數并進行極值求解,對解耦控制器中的參數進行了校準。