專利名稱：振動隔離系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體涉及振動隔離系統(tǒng)，更具體來說，本發(fā)明涉及具有非 線性控制的振動隔離系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
某些靈敏的制造工藝和儀器操作需要把一定質(zhì)量(mass)與其周 圍環(huán)境中的振動隔離。靈敏的制造工藝的一個例子是用于生產(chǎn)集成電 路的光刻術(shù)。在其上制作集成電路的晶片被放置在操作臺上，所述操 作臺對于地面振動非常靈敏。任何振動都會影響所述光刻術(shù)的精度， 從而會降低所述集成電路的質(zhì)量。靈敏的儀器操作的一個例子是地震 儀器操作，比如地音探聽器(geophone)。在地震儀器操作中，把一 定質(zhì)量保持靜止，并且測量所述質(zhì)量相對于其周圍環(huán)境的速度，以便 測量地震活動。所述質(zhì)量必須自由浮動，以便檢測地面振動。在靈敏 的儀器操作中的用途的另 一個例子是在用于主動振動隔離的有效載荷 隔離系統(tǒng)中把一定質(zhì)量用作參考質(zhì)量(其中包括慣性參考質(zhì)量)，正 如在授予Vervoordeldonk等人的標(biāo)題為 "Actuator Arrangement for Active Vibration Isolation Comprising an Inertial Reference Mass(包括慣性參考質(zhì)量的用于主動振動隔離的致動器設(shè)置)"的WIP0 國際^^開No. WO 2005/024266 Al中所描述的那樣，其4皮轉(zhuǎn)讓給本申 請的受讓人并且被合并在此以作參考。所述參考質(zhì)量提供了用于測量 到有效載荷的距離的靜止點(diǎn)，比如光刻臺。
圖1是標(biāo)準(zhǔn)懸掛系統(tǒng)的方框圖。該標(biāo)準(zhǔn)模型包括將被隔離的質(zhì)量M,
其中利用剛度k和阻尼d將其支撐在表面上方。在振動隔離應(yīng)用中， 剛度k較小，以便提供低諧振頻率。剛度k應(yīng)當(dāng)盡可能地小，以便提 供最佳的振動隔離，但是這樣做導(dǎo)致當(dāng)所述質(zhì)量M受到外部擾動的激 勵時性能欠佳。首先，當(dāng)受到外力擾動時，所述系統(tǒng)導(dǎo)致較大的時間 和空間漂移。其次，在受到外力擾動之后，這種系統(tǒng)展現(xiàn)出軟懸掛質(zhì) 量的緩慢穩(wěn)定行為。 一種在發(fā)生過度擾動之后減小所述較大漂移的方 法是合并物理終點(diǎn)止動裝置(end stop),以便限制所述質(zhì)量的行程。這樣在所述終點(diǎn)止動裝置處導(dǎo)致對所述質(zhì)量的相對較大的擾動力，并 且可能導(dǎo)致不可預(yù)測的穩(wěn)定時間。此外，如果軟懸掛質(zhì)量的自由行程 受到所述終點(diǎn)止動裝置的限制，則對準(zhǔn)可能會成為問題。
圖2A和2B分別是對應(yīng)于主動懸掛系統(tǒng)的方框圖和剛度k與位置 Xr。f的關(guān)系曲線圖。圖2A中示出的主動懸掛系統(tǒng)包括質(zhì)量M,其位置由 位置傳感器P感測。該位置傳感器P生成位置信號，該位置信號被提 供到線性控制器C,。該線性控制器C,把線性控制信號提供給致動器F， 該致動器驅(qū)動所述質(zhì)量M。該控制環(huán)路不管位置誤差如何都提供相同的 剛度和阻尼，從而導(dǎo)致了在上面針對圖l所討論的性能問題。
圖2B示出了在嘗試以非常低的頻率(比如0. 5Hz)懸掛一定質(zhì)量 時由于真實(shí)致動器中的寄生剛度而導(dǎo)致在主動懸掛系統(tǒng)中出現(xiàn)的穩(wěn)定 性問題。對于0. 2kg的質(zhì)量來說，所述主動懸掛系統(tǒng)的剛度k必須大 約是2N/ffl,這是非常低的。不幸的是，真實(shí)致動器的寄生剛度大約是 10N/m,這是2N/m的所需剛度的5到10倍。
參照圖2B,對應(yīng)于參考質(zhì)量的操作范圍20大約是在1. 5mm的位置
Xr"周圍的IOOJUDI內(nèi)。曲線A示出致動器F的剛度隨著位置Xref而改變，
也就是說，致動器剛度并不是隨著位置恒定的。曲線B示出所述控制 器Cl的剛度隨著位置x f而改變，也就是說，控制器剛度并不是隨著位 置恒定的。曲線C示出了通過組合曲線A的致動器剛度與曲線B的控
制器剛度所得到的組合剛度。
在該例中，問題出現(xiàn)在0到lmm之間的位置x^處，其中曲線C的 組合剛度是負(fù)的。在該負(fù)區(qū)域中，質(zhì)量M的操作不穩(wěn)定。如果可以避 免所述負(fù)區(qū)域，則這將不是問題，但是隨著所述系統(tǒng)在啟動時脫離 (undock)并且隨著所述質(zhì)量M移動到操作范圍20，所述質(zhì)量M肯定會 經(jīng)過所述負(fù)區(qū)域。此外，所述質(zhì)量M還可能由于來自作用在該質(zhì)量上 的地面振動和外力的過度擾動而進(jìn)入所述負(fù)區(qū)域。 一種解決所述穩(wěn)定 性問題的方法是向曲線B的控制器剛度添加剛度和/或阻尼，從而使得 曲線C的組合剛度在0到lmm之間的位置xw處不再是負(fù)的。然而，由 于振動隔離性能會降低，因此上述做法又會產(chǎn)生附加的問題。
希望有一種能夠克服上述缺陷的振動隔離系統(tǒng)和方法
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一方面提供一種針對一定質(zhì)量的振動隔離系統(tǒng)，其包括 適于連接到所述質(zhì)量的致動器，該致動器對組合控制信號做出響應(yīng)； 適于被連接成測量該質(zhì)量的位置的位置傳感器，該位置傳感器生成位 置信號；響應(yīng)于所述位置信號和位置設(shè)置點(diǎn)信號而生成位置誤差信號 的比較器；以及響應(yīng)于所述位置誤差信號而生成所述組合控制信號的 組合控制器；其中，當(dāng)所述位置誤差信號處于操作范圍之外時，所述 組合控制器調(diào)節(jié)所述組合控制信號，以便改變系統(tǒng)特性。本發(fā)明的另一方面提供一種針對一定質(zhì)量的振動隔離方法，其包 括測量所述質(zhì)量的位置；從所述位置和位置設(shè)置點(diǎn)計算位置誤差； 當(dāng)所述位置誤差處于操作范圍之內(nèi)時，應(yīng)用第一增益以控制所述質(zhì)量； 以及當(dāng)所述位置誤差處于所述操作范圍之外時，應(yīng)用第二增益以控制 所述質(zhì)量；其中，第二增益大于第一增益。本發(fā)明的另一方面提供一種針對一定質(zhì)量的振動隔離系統(tǒng)，其包 括用于測量所述質(zhì)量的位置的裝置；用于從所述位置和位置設(shè)置點(diǎn) 計算位置誤差的裝置；用于在所述位置誤差處于操作范圍之內(nèi)時應(yīng)用 第一增益以控制所述質(zhì)量的裝置；以及用于在所述位置誤差處于所述 操作范圍之外時應(yīng)用第二增益以控制所述質(zhì)量的裝置；其中，第二增 益大于第一增益。通過結(jié)合附圖閱讀下面對當(dāng)前優(yōu)選實(shí)施例的詳細(xì)描述，本發(fā)明的 前述和其他特征及優(yōu)點(diǎn)將變得更加顯而易見。下面的詳細(xì)描述和附圖僅僅是為了說明而不是限制本發(fā)明，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求書 及其等效表述限定。


圖1是標(biāo)準(zhǔn)懸掛系統(tǒng)的方框圖；圖2A和2B分別是對應(yīng)于主動懸掛系統(tǒng)的方框圖和剛度k與位置xw的關(guān)系曲線圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明制作的振動隔離系統(tǒng)的方框圖；圖4A和4B是根據(jù)本發(fā)明制作的振動隔離系統(tǒng)的并行和串行控制結(jié)構(gòu)的方框圖；圖5是對應(yīng)于根據(jù)本發(fā)明制作的振動隔離系統(tǒng)的非線性控制器的 剛度與位置誤差的關(guān)系曲線圖；圖6是根據(jù)本發(fā)明制作的振動隔離系統(tǒng)的非線性控制器的方框圖； 圖7A和7B分別是對應(yīng)于根據(jù)本發(fā)明制作的振動隔離系統(tǒng)的函數(shù)發(fā)生器的剛度與位置誤差的關(guān)系曲線圖和示意圖；圖8是對應(yīng)于根據(jù)本發(fā)明制作的振動隔離系統(tǒng)的受限控制信號與位置誤差的關(guān)系曲線圖；圖9是根據(jù)本發(fā)明制作的振動隔離系統(tǒng)的非線性控制器的示意圖； 圖10是根據(jù)本發(fā)明制作的振動隔離系統(tǒng)的非線性控制器的另 一 個實(shí)施例的方框圖；圖IIA和11B分別是對應(yīng)于根據(jù)本發(fā)明制作的振動隔離系統(tǒng)的非線性控制器的另一個實(shí)施例非線性控制信號與位置誤差的關(guān)系曲線圖和示意圖；以及圖12是采用了根據(jù)本發(fā)明制作的振動隔離系統(tǒng)的用于主動振動隔 離的有效載荷隔離系統(tǒng)的方框圖。
具體實(shí)施方式
圖3是根據(jù)本發(fā)明制作的振動隔離系統(tǒng)的示意圖。用于隔離質(zhì)量 32的振動隔離系統(tǒng)30包括致動器34、位置傳感器36、比較器51以及 組合控制器40。位置傳感器36測量質(zhì)量32的位置，并且生成位置信 號38,該位置信號被提供到比較器51。比較器51把位置信號38與位 置設(shè)置點(diǎn)信號58進(jìn)行比較，并且生成位置誤差信號50。組合控制器 40響應(yīng)于位置誤差信號50而生成組合控制信號46。致動器34響應(yīng)于 組合控制信號46來驅(qū)動質(zhì)量32。在一個實(shí)施例中，組合控制器40包 括線性控制器42和非線性控制器44。在一個實(shí)施例中，比較器51被 包括在組合控制器40中。在操作期間，質(zhì)量32通常被定位在質(zhì)量操 作范圍內(nèi)。當(dāng)位置信號38處于對應(yīng)于質(zhì)量操作范圍的操作范圍之外時， 非線性控制器44調(diào)節(jié)組合控制信號46,以便改變系統(tǒng)特性。這里使用 的系統(tǒng)特性被定義為系統(tǒng)剛度和/或阻尼。質(zhì)量32可以是希望對其進(jìn)行隔離的任何質(zhì)量。在一個實(shí)施例中， 質(zhì)量32是光刻臺。在另一個實(shí)施例中，質(zhì)量32是對應(yīng)于地音探聽器 的質(zhì)量。在另一個實(shí)施例中，質(zhì)量32是用于主動振動隔離的有效載荷 隔離系統(tǒng)中的參考質(zhì)量，其中包括慣性參考質(zhì)量。可以利用多于一個 自由度來懸掛質(zhì)量32，以便慮及在多于一個方向上的移動。例如，質(zhì)量32可以被安裝成允許水平或垂直運(yùn)動。所述位置傳感器36可以是用來測量所述質(zhì)量32的位置并且響應(yīng) 于所述測量而生成位置信號38的任何位置傳感器。適當(dāng)?shù)奈恢脗鞲衅?的例子包括電容性傳感器、干涉儀、電感性傳感器、編碼器等等。本 領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識到，可以按照期望從其他測量(比如質(zhì)量速度或 質(zhì)量加速度)確定所述位置。在圖3的例子中，相對于表面48來測量 質(zhì)量32的位置。所述組合控制器40可以是響應(yīng)于所述位置誤差信號50而生成組 合控制信號46的任何非線性控制器。組合控制器40改變所述系統(tǒng)特 性，以便提供漸進(jìn)的剛度和/或阻尼。在一個實(shí)施例中，組合控制器40 具有線性控制器42和非線性控制器44，其中線性控制器42為組合控 制信號46提供線性分量，非線性控制器44為組合控制信號46提供非 線性分量。在一個實(shí)施例中，線性控制器42是PID (比例-積分-微 分)控制器。在一個替換實(shí)施例中，組合控制器40具有第一和第二非 線性控制器，其中第一非線性控制器為組合控制信號46提供第一非線 性分量，第二非線性控制器44為組合控制信號46提供第二非線性分 量。在一個實(shí)施例中，組合控制器40包括比較器51,從而該組合控制 器40響應(yīng)于所述位置信號38和位置設(shè)置點(diǎn)信號58而生成位置誤差信 號50。在一個實(shí)施例中，組合控制器40可以;故實(shí)現(xiàn)為運(yùn)行在計算機(jī)、 微計算機(jī)、微處理器等等之上的一個或多個程序。在另一個實(shí)施例中， 組合控制器40可以被實(shí)現(xiàn)為數(shù)字和/或模擬電路。所述致動器34可以是適于平移所述質(zhì)量32的任何致動器。致動 器34的一個例子是洛倫茲(Lorentz)電動機(jī)。在一個實(shí)施例中，致 動器34的輸出力與所述組合控制信號46的輸入電流成比例。在一個 實(shí)施例中，致動器34是線性驅(qū)動器。在另一個實(shí)施例中，致動器34 是旋轉(zhuǎn)驅(qū)動器，其具有適當(dāng)?shù)膫鲃友b置以把旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)換成線性運(yùn)動。 本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識到，致動器34通常包括諸如電流或電壓放大器 之類的放大器，以便把組合控制信號46提升到所期望的電平，從而操 作該致動器。在操作中，所述位置傳感器36測量所述質(zhì)量32的位置，并且把 表示所述位置的位置信號38提供到比較器51，該比較器從所述位置信 號38和位置設(shè)置點(diǎn)信號58計算位置誤差信號50。響應(yīng)于位置誤差信號50,所述組合控制器40向所述致動器34提供組合控制信號46,以 便調(diào)節(jié)質(zhì)量32的位置。當(dāng)位置誤差信號50處于操作范圍之內(nèi)時，組 合控制器40具有第一增益以便控制質(zhì)量32,即控制由致動器34施加 到質(zhì)量32的力。當(dāng)位置誤差信號50處于所述操作范圍之外時，組合 控制器40具有第二增益以便控制質(zhì)量32,即控制由致動器34施加到 質(zhì)量32的力。第二增益大于第一增益。圖4A和4B是根據(jù)本發(fā)明制作的振動隔離系統(tǒng)的并行和串行控制 結(jié)構(gòu)的方框圖。當(dāng)所述位置誤差處于其操作范圍之外時，所述組合控 制器中的非線性控制器改變所述振動隔離系統(tǒng)的系統(tǒng)特性，從而向由 所述線性控制器提供的剛度和/或阻尼添加額外的剛度和/或阻尼。圖4A示出了并行控制結(jié)構(gòu)。在比較器51處，把位置設(shè)置點(diǎn)信號 58 (xSEtp。int)與表示所述質(zhì)量32的位置的位置信號38 (xj進(jìn)行比較， 以便生成位置誤差信號50 ( ￡ )。位置誤差信號50被提供到所述組合 控制器40的線性控制器42和非線性控制器44。線性控制器42響應(yīng)于 位置誤差信號50而生成線性控制信號52。非線性控制器44響應(yīng)于位 置誤差信號50而生成非線性控制信號54。在求和節(jié)點(diǎn)56處把線性控 制信號52與非線性控制信號54相加，以便生成組合控制信號46。致 動器(未示出)響應(yīng)于組合控制信號46向質(zhì)量32施加力F。當(dāng)位置誤 差信號50表明質(zhì)量32處于其操作范圍之外時(即當(dāng)位置誤差信號50 的絕對值超出預(yù)定值時)，非線性控制信號54對組合控制信號46做 出貢獻(xiàn)。圖4B示出了串行控制結(jié)構(gòu)。在比較器51處，把位置設(shè)置點(diǎn)信號 58 ( xsetp。int)與表示所述質(zhì)量32的位置的位置信號38 ( xr)進(jìn)行比較， 以便生成位置誤差信號50 ( s )。位置誤差信號50被提供到所述組合 控制器40的非線性控制器44。非線性控制器44響應(yīng)于位置誤差信號 50而生成非線性控制信號54,該非線性控制信號被提供到線性控制器 42。線性控制器42響應(yīng)于非線性控制信號54而生成組合控制信號46。 致動器(未示出)響應(yīng)于組合控制信號46向質(zhì)量32施加力F。當(dāng)位置 誤差信號50表明質(zhì)量32處于其操作范圍之外時，非線性控制器44向 組合控制信號46貢獻(xiàn)非線性分量。線性控制器42修改非線性控制信 號54,并且向組合控制信號46貢獻(xiàn)線性分量。本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識 到，可以按照希望交換線性控制器42與非線性控制器44的順序。圖5是對應(yīng)于根據(jù)本發(fā)明制作的振動隔離系統(tǒng)的非線性控制器的 剛度與位置誤差的關(guān)系曲線圖。來自非線性控制器的剛度被加到由線 性控制器提供的剛度上。在該例中，所述控制結(jié)構(gòu)是并行控制結(jié)構(gòu)， 其中所述非線性控制器對位置誤差信號做出響應(yīng)并且生成非線性控制 信號。圖中的每條曲線包括操作范圍部分和漸進(jìn)剛度部分，當(dāng)所述位 置誤差處于其操作范圍之內(nèi)時應(yīng)用所述操作范圍部分，當(dāng)所述位置誤 差處于其操作范圍之外時應(yīng)用所述漸進(jìn)剛度部分。所述剛度在所述操 作范圍部分中是基本剛度，而在所述漸進(jìn)剛度部分中則是增加的剛度。 所述剛度表示所述非線性控制器的增益。圖5的曲線A-D示出了非線性控制器曲線的各實(shí)施例。每條曲線具有操作范圍部分和漸進(jìn)剛度部分，其中所述操作范圍部分在操作范 圍70內(nèi)具有基本剛度k。，所述操作范圍70在該例中對應(yīng)于0±100jum 的位置誤差，所述漸進(jìn)剛度部分在所述操作范圍70之外。在一個實(shí)施 例中，所述基本剛度k。是最小值或零。在另一個實(shí)施例中，所述基本 剛度k。是預(yù)定剛度值，以便在所述振動隔離系統(tǒng)中產(chǎn)生所期望的諧振 頻率。在一個例子中，使用2N/m的較小的基本剛度k。，以便對于軟懸 掛的參考質(zhì)量產(chǎn)生0. 5Hz的諧振頻率。本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識到，當(dāng) 所述非線性控制器在所述操作范圍部分內(nèi)提供了所需的基本剛度時， 可以按照期望省略所述線性控制器。圖5的曲線A-D還示出了不同的漸進(jìn)剛度部分的例子。曲線A具 有傾斜的線性漸進(jìn)剛度部分，其中剛度隨著與所述操作范圍的距離線 性地增大。曲線B具有拋物線漸進(jìn)剛度部分，其中剛度隨著與所述操 作范圍的距離呈拋物線增大。曲線C具有混合漸進(jìn)剛度部分，其中所 述漸進(jìn)剛度部分的剛度最初在平滑過渡部分中隨著與所述操作范圍的 距離呈拋物線增大，并且隨后在線性部分中線性地增大。曲線D具有 階躍漸進(jìn)剛度部分，其中所述漸進(jìn)剛度部分的剛度對于所有位置誤差 而言都是恒定的。本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識到，所述漸進(jìn)剛度部分的形 狀可以是適合于特定系統(tǒng)的系統(tǒng)動態(tài)的任何形狀。例如，所述漸進(jìn)剛 度部分的形狀可以是階躍的、傾斜線性的、拋物線的、雙曲線的、另 一種圓錐曲線或其組合等。在一個實(shí)施例中，所述非線性控制器曲線 的漸進(jìn)剛度部分可以被限幅到預(yù)定最大剛度，從而在所述位置誤差的 絕對值變大時(即當(dāng)所述位置誤差處于預(yù)定范圍之外時)限制所述漸進(jìn)剛度部分的值。在一個實(shí)施例中，所述非線性控制器曲線在所述操 作范圍部分與所述漸進(jìn)剛度部分之間進(jìn)行平滑過渡，以便在所述系統(tǒng) 進(jìn)出所述操作范圍時避免由于過渡效應(yīng)而導(dǎo)致的不合期望的系統(tǒng)激
勵。曲線B和C都示出了平滑的過渡。
圖6是根據(jù)本發(fā)明制作的振動隔離系統(tǒng)的非線性控制器的方框圖。 所述非線性控制器對所述位置誤差信號做出響應(yīng)，并且生成所述非線 性控制信號。與各元件和信號相鄰的小曲線圖表示該點(diǎn)處的信號作為 所述位置誤差信號的函數(shù)。
在該例中，所述非線性控制器44接收所述位置誤差信號50( s ), 該位置誤差信號被提供到第一增益元件80和第二增益元件82。第一增 益元件80生成第一經(jīng)縮放的位置誤差信號84,該信號被提供到第一函 數(shù)發(fā)生器86和第二函數(shù)發(fā)生器88。第一函數(shù)發(fā)生器86生成負(fù)輸入控 制信號90，反相器92將其轉(zhuǎn)換成反相的負(fù)輸入控制信號94。第二函 數(shù)發(fā)生器88生成正輸入控制信號96,在求和節(jié)點(diǎn)98處把該信號與反 相的負(fù)輸入控制信號94相加，以便生成正控制信號100。在一個實(shí)施 例中，在可選的限制器102處對正控制信號100進(jìn)行限幅，以便生成 受限控制信號104。限制器102可以被用來對受限控制信號104進(jìn)行限 幅，即當(dāng)所述位置誤差處于預(yù)定范圍之外時限制該受限控制信號104 的幅度。這樣做在某些振動隔離系統(tǒng)中是合乎期望的，以便在所述振 動隔離系統(tǒng)遇到大的位置漂移時限制剛度并且避免潛在的不穩(wěn)定性和 震蕩。在另一個實(shí)施例中，省略了限制器102,并且正控制信號100 被直接提供到乘法器108。第二增益元件82對位置誤差信號5 0做出響 應(yīng)，以便生成第二經(jīng)縮放的位置誤差信號106,該信號被提供到乘法器 108。乘法器108把受限控制信號104與第二經(jīng)縮放的位置誤差信號106 相乘，以便生成所述非線性控制信號54。
針對所期望的性能可以改變所述非線性控制器44的元件和值。第 一增益元件80的的增益ld可以被選擇來通過縮放所述位置誤差信號50 而調(diào)節(jié)非線性控制器44的總體范圍。第二增益元件82的增益K2可以 被選擇來調(diào)節(jié)非線性控制器44的總體增益。在另一個實(shí)施例中，可以 用比例-微分(PD)控制器來替換第二增益元件82 (其在圖6的例子 中是比例控制器)，以便在所述操作范圍之外增大所述振動隔離系統(tǒng) 的阻尼常數(shù)。在一個實(shí)施例中，第一函數(shù)發(fā)生器86和第二函數(shù)發(fā)生器88可以是二極管-電阻器電路，其中第一電阻器的值決定非線性控制 器曲線的漸進(jìn)剛度部分的增益。本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識到，所述函數(shù) 發(fā)生器可以是在所述操作范圍內(nèi)提供零或最小剛度并且隨著與該操作 范圍的距離而增加剛度的任何模擬和/或數(shù)字電路。第一函數(shù)發(fā)生器86 和第二函數(shù)發(fā)生器88可以是相同的或不同的。所述剛度可以是關(guān)于所 述操作范圍的中心(零位置誤差)對稱或不對稱的。
圖7A和7B分別是對應(yīng)于根據(jù)本發(fā)明制作的振動隔離系統(tǒng)的函數(shù) 發(fā)生器的剛度與位置誤差的關(guān)系曲線圖和示意圖。第二函數(shù)發(fā)生器88 是二極管-電阻器電路，其包括接收第一經(jīng)縮放的位置誤差信號84的 第一電阻器Rl、 二極管Dl、第二電阻器R2以及提供正輸入控制信號 96的運(yùn)算放大器U1。圖7A的剛度與位置誤差的關(guān)系曲線圖示出了如 何能夠通過第一電阻器R1的電阻來確定非線性控制器曲線的漸進(jìn)剛度 部分的增益。所述剛度表示所述非線性控制器的增益。第二函數(shù)發(fā)生 器88提供了非線性控制器曲線，其對于所述漸進(jìn)剛度部分中的負(fù)位置 誤差近似為零，并且對于正位置誤差具有正值和正斜率。對應(yīng)于零歐 姆的第一電阻器電阻的曲線A在所述漸進(jìn)剛度部分中具有指數(shù)增益。 對應(yīng)于3300歐姆的第一電阻器電阻的曲線B在所述漸進(jìn)剛度部分中具 有大約-R2/Rl的恒定增益，并且類似于標(biāo)準(zhǔn)反相放大器。第一電阻器 Rl和第二電阻器R2的電阻值可以^皮選擇來為特定振動隔離系統(tǒng)提供 所期望的增益。本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識到，二極管Dl的二極管方向(偏 置方向)可以反轉(zhuǎn)，以便建立圖6的第一函數(shù)發(fā)生器86，即提供這樣 的非線性控制器曲線其對于所述漸進(jìn)剛度部分中的正位置誤差近似 為零，并且對于負(fù)位置誤差具有負(fù)值和負(fù)斜率。
圖8是對應(yīng)于根據(jù)本發(fā)明制作的振動隔離系統(tǒng)的受限控制信號與 位置誤差的關(guān)系曲線圖。圖8針對圖6的非線性控制器44提供了作為 位置誤差信號50的函數(shù)的受限控制信號104的測量值，其中受限控制 信號104被反相。在該例中，第一函數(shù)發(fā)生器86和第二函數(shù)發(fā)生器88 是針對圖7A和7B所討論的二極管-電阻器電路。在圖8的曲線A中， 第一電阻器Rl具有零歐姆的電阻并且沒有使用限制器102,從而導(dǎo)致 各漸進(jìn)剛度部分中的指數(shù)增益。在曲線B中，第一電阻器R1具有2. 3k 歐姆的電阻并且沒有使用限制器102,從而在沒有限幅的情況下導(dǎo)致各 漸進(jìn)剛度部分中的接近線性的增益，也就是說，所述受限控制信號的幅度不受限制。在曲線C中，第一電阻器Rl具有2, 3k歐姆的電阻并 且使用了限制器102,從而在有限幅的情況下導(dǎo)致各漸進(jìn)剛度部分中的
線性增益。
圖9是根據(jù)本發(fā)明制作的振動隔離系統(tǒng)的非線性控制器的示意圖， 其中類似的元件具有與圖6相同的附圖標(biāo)記。在該例中，第一函數(shù)發(fā) 生器86和第二函數(shù)發(fā)生器88是二極管-電阻器電路。
圖10是根據(jù)本發(fā)明制作的振動隔離系統(tǒng)的非線性控制器的另 一 個 實(shí)施例的方框圖。該非線性控制器對位置誤差信號做出響應(yīng)，并且生 成非線性控制信號?？梢园言摲蔷€性控制信號與來自所述線性控制器 的線性控制信號相組合，以便生成組合控制信號。
在該例中，非線性控制器144接收位置誤差信號50 ( 5 ),該信 號被提供到第一增益元件180。第一增益元件180生成經(jīng)縮放的位置誤 差信號184,該信號被提供到函數(shù)發(fā)生器186。函數(shù)發(fā)生器186生成輸 入控制信號190,該信號被提供到第二增益元件182。與函數(shù)發(fā)生器186 相鄰的小曲線圖表示該點(diǎn)處的信號作為經(jīng)縮放的位置誤差信號184的 函數(shù)。第二增益元件182生成非線性控制信號54。
在另一個實(shí)施例中，所述非線性控制器144可以包括用來對所述 非線性控制信號54進(jìn)行限幅的限制器，即在所述位置誤差處于預(yù)定范 圍之外時限制非線性控制信號54的幅度。第一增益元件180的增益L 可以被選擇來通過縮放所述位置誤差信號50而調(diào)節(jié)非線性控制器144 的總體范圍。第二增益元件182的增益K2可以被選擇來調(diào)節(jié)非線性控 制器44的總體增益。
圖1U和11B分別是對應(yīng)于根據(jù)本發(fā)明制作的振動隔離系統(tǒng)的非 線性控制器的另一個實(shí)施例的非線性控制信號與位置誤差的關(guān)系曲線 圖和示意圖。在該例中，非線性控制器144是雙二極管-電阻器電路， 其包括第一電阻器Rll、第一二極管Dll、第二二極管D12、第二電阻 器R12和運(yùn)算放大器Ull。第一二極管Dll和第二二極管D12被安裝在 雙二極管配置中，其中每個二極管的陰極連接到另 一個二極管的二極 管。這樣提供了所述非線性控制器曲線的操作范圍部分第一二極管 Dll和第二二極管D12都不導(dǎo)通，直到位置誤差信號50的絕對值提供 足夠的正向偏置電壓。所述非線性控制器曲線的漸進(jìn)剛度部分的增益 可以由第一電阻器Rll的電阻決定。非線性控制器曲線A具有第一漸進(jìn)剛度部分192、操作部分192以及第二漸進(jìn)剛度部分196。曲線A在 各漸進(jìn)剛度部分中具有大約-R12/R11的恒定增益。本領(lǐng)域技術(shù)人員將 認(rèn)識到，可以針對特定用途按照期望進(jìn)一步適配非線性控制器曲線A。
圖12是采用了根據(jù)本發(fā)明制作的振動隔離系統(tǒng)的用于主動振動隔 離的有效載荷隔離系統(tǒng)的方框圖。所述振動隔離系統(tǒng)提供靜止參考質(zhì) 量。用于隔離有效載荷202的有效載荷隔離系統(tǒng)200包括致動器208、 隔振體(airmount ) 210、質(zhì)量32和振動隔離系統(tǒng)30。在一個例子中， 有效載荷202是光刻機(jī)中的測定框架(metroframe)。比如是洛倫茲 電動機(jī)的致動器208可以4皮布置在有效載荷202與地面216之間。隔 振體210包括活塞212和充氣外殼214，活塞212可以在該充氣外殼中 移動。閥門220通過通道221連接到外殼214。
用于隔離質(zhì)量32 (其是對于所述有效載荷隔離系統(tǒng)200軟懸掛的 靜止參考質(zhì)量)的振動隔離系統(tǒng)30包括驅(qū)動該質(zhì)量32的致動器34以 及測量該質(zhì)量32的位置的位置傳感器36。位置傳感器36測量質(zhì)量32 與地面216之間的距離，并且生成位置信號38,該位置信號被提供到 組合控制器40。組合控制器40對位置信號38做出響應(yīng)，以便生成組 合控制信號46。致動器34對組合控制信號46做出響應(yīng)，以便驅(qū)動質(zhì) 量32。在一個實(shí)施例中，組合控制器40包括線性控制器和非線性控制 器。在操作期間，質(zhì)量32通常被定位在質(zhì)量操作范圍內(nèi)。當(dāng)位置信號 38處在對應(yīng)于質(zhì)量操作范圍的操作范圍之外時，非線性控制器44調(diào)節(jié) 組合控制信號46，以便改變系統(tǒng)特性。這里使用的系統(tǒng)特性被定義為 系統(tǒng)剛度和/或阻尼。本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識到，組合控制器40可以 是對位置誤差信號5 0做出響應(yīng)以便生成組合控制信號46并且改變系 統(tǒng)特性的任何非線性控制器。
傳感器226測量參考質(zhì)量32與有效載荷202之間的距離Z2。傳感 器226向比較器228發(fā)送輸出信號。比較器228還接收參考信號Zref 并且從Zref中減去接收自傳感器226的輸出信號。由比較器228把基 于上述比較的輸出信號施加到控制器206?？刂破?06連接到致動器 208,并且可以連接到閥門220。本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識到，控制器206 可以是非線性組合控制器，其改變所述系統(tǒng)特性以便提供漸進(jìn)剛度和/ 或阻尼。在一個實(shí)施例中，控制器206包括線性控制器和非線性控制 器。雖然這里所公開的本發(fā)明的實(shí)施例當(dāng)前被視為是優(yōu)選的，但是在 不脫離本發(fā)明的范圍的情況下可以做出許多改變和修改。在一個例子 中，用來生成及處理這里討論的各種信號的電子裝置可以是模擬電路、 數(shù)字電路或者模擬和數(shù)字電路的組合。在另一個例子中，這里描述的 控制環(huán)路還可以包括濾波器，比如低通濾波器、通用二階濾波器和/或 陷波濾波器。關(guān)于使用濾波器的 一 個示例是使用濾波器來調(diào)節(jié)系統(tǒng)動 態(tài)，比如使用濾波器來濾除導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定的機(jī)械諧振。關(guān)于使用濾 波器的另一個示例是使用低通濾波器來減輕傳感器噪聲的影響。本發(fā) 明的范圍被表示在所附權(quán)利要求書中，其中意圖包含落在其等效表述 的含義和范圍內(nèi)的所有改變。
權(quán)利要求
1. 一種用于把質(zhì)量與振動隔離的系統(tǒng)，包括適于連接到所述質(zhì)量32的致動器34，該致動器34對組合控制信號46做出響應(yīng)；適于被連接成測量質(zhì)量32的位置的位置傳感器36，該位置傳感器36生成位置信號38；比較器51，其響應(yīng)于位置信號38和位置設(shè)置點(diǎn)信號58而生成位置誤差信號50；以及組合控制器40，其響應(yīng)于位置誤差信號50而生成組合控制信號46；其中，當(dāng)位置誤差信號50處于操作范圍之外時，組合控制器40調(diào)節(jié)所述組合控制信號46，以便改變系統(tǒng)特性。
2、 權(quán)利要求l的系統(tǒng)，其中，所述致動器34是洛倫茲電動機(jī)。
3、 權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中，所述組合控制器40包括線性控制 器42和非線性控制器44,該線性控制器42為組合控制信號46提供線 性分量，并且該非線性控制器44為所述組合控制信號46提供非線性 分量。
4、 權(quán)利要求3的系統(tǒng)，其中，線性控制器42和非線性控制器44 被連接在從包括串行控制結(jié)構(gòu)和并行控制結(jié)構(gòu)的組中選擇的控制結(jié)構(gòu) 內(nèi)。
5、 權(quán)利要求3的系統(tǒng)，其中，所述非線性分量具有處于操作范圍 之外的漸進(jìn)剛度部分。
6、 權(quán)利要求3的系統(tǒng)，其中，所述非線性分量具有處于操作范圍 內(nèi)的操作范圍部分，其具有從包括零剛度、最小剛度以及預(yù)定剛度的 組中選擇的基本剛度。
7、 權(quán)利要求5的系統(tǒng)，其中，所述漸進(jìn)剛度部分的形狀是從包括 階躍、傾斜線性、拋物線、雙曲線、圓錐曲線及其組合的組中選擇的。
8、 權(quán)利要求5的系統(tǒng)，其中，所述漸進(jìn)剛度部分具有平滑過渡部分。
9、 權(quán)利要求l的系統(tǒng)，其中，所述操作范圍是零位置誤差周圍的 正或負(fù)100 |u m。
10、 4又利要求3的系統(tǒng)，還包括求和節(jié)點(diǎn)56,該求和節(jié)點(diǎn)響應(yīng)于線性控制信號52和非線性控制信號54而生成組合控制信號46; 其中，非線性控制器44包括第一增益元件80，其響應(yīng)于位置誤差信號50而生成第一經(jīng)縮放的 位置誤差信號84;第一函數(shù)發(fā)生器86,其響應(yīng)于該第一經(jīng)縮放的位置誤差信號84而 生成負(fù)輸入控制信號90;反相器92,其響應(yīng)于該負(fù)輸入控制信號90而生成反相的負(fù)輸入控 制信號94;第二函數(shù)發(fā)生器88,其響應(yīng)于該第一經(jīng)縮放的位置誤差信號"而 生成正輸入控制信號96;求和節(jié)點(diǎn)98,其響應(yīng)于該反相的負(fù)輸入控制信號94和該正輸入控 制信號96而生成正控制信號100;第二增益元件82,其響應(yīng)于該位置誤差信號50而生成第二經(jīng)縮放 的位置誤差信號106;乘法器108,其響應(yīng)于該正控制信號IOO和該第二經(jīng)縮放的位置誤 差信號106而生成非線性控制信號54。
11、 權(quán)利要求10的系統(tǒng)，還包括限制器102,其響應(yīng)于所述正控 制信號100而生成受限控制信號104，該受限控制信號104被提供到所 述乘法器108作為正控制信號100。
12、 權(quán)利要求10的系統(tǒng)，其中，第一函數(shù)發(fā)生器86與第二函數(shù) 發(fā)生器88至少其中之一是二極管-電阻器電路。
13、 權(quán)利要求10的系統(tǒng)，其中，所述第二增益元件82是比例-微分(PD)控制器。
14、 權(quán)利要求3的系統(tǒng)，還包括求和節(jié)點(diǎn)56,其響應(yīng)于線性控制 信號52和非線性控制信號54而生成組合控制信號46;其中，非線性控制器44包括第一增益元件180,其響應(yīng)于位置誤差信號50而生成經(jīng)縮放的位 置誤差信號184;函數(shù)發(fā)生器186,其響應(yīng)于該經(jīng)縮放的位置誤差信號184而生成輸 入控制信號190;以及第二增益元件182，其響應(yīng)于該輸入控制信號190而生成非線性控 制信號54。
15、 權(quán)利要求14的系統(tǒng)，還包括限制器102,其響應(yīng)于所述非線 性控制信號54而限制該非線性控制信號54。
16、 權(quán)利要求14的系統(tǒng)，其中，所述函數(shù)發(fā)生器186是雙二極管 -電阻器電路。
17、 權(quán)利要求l的系統(tǒng)，其中，所述質(zhì)量32是用于主動振動隔離 的有效載荷隔離系統(tǒng)中的參考質(zhì)量。
18、 一種用于把質(zhì)量與振動隔離的方法，包括 測量所述質(zhì)量的位置； 從所述位置和位置設(shè)置點(diǎn)計算位置誤差；當(dāng)所述位置誤差處于操作范圍之內(nèi)時，應(yīng)用第一增益以控制所述 質(zhì)量；以及當(dāng)所述位置誤差處于所述操作范圍之外時，應(yīng)用第二增益以控制 所述質(zhì)量；其中，第二增益大于第一增益。
19、 權(quán)利要求18的方法，還包括當(dāng)所述位置誤差處于預(yù)定范圍 之外時限制第二增益。
20、 權(quán)利要求18的方法，其中，所述第二增益隨著所述位置誤差 的絕對值而增大。
21、 一種用于把質(zhì)量與振動隔離的系統(tǒng)，包括 用于測量所述質(zhì)量的位置的裝置；用于從所述位置和位置設(shè)置點(diǎn)計算位置誤差的裝置；用于在所述位置誤差處于操作范圍之內(nèi)時應(yīng)用第一增益以控制所 述質(zhì)量的裝置；以及用于在所述位置誤差處于所述操作范圍之外時應(yīng)用第二增益以控 制所述質(zhì)量的裝置；其中，第二增益大于第一增益。
22、 權(quán)利要求21的方法，還包括用于在所述位置誤差處于預(yù)定 范圍之外時限制第二增益的裝置。
23、 權(quán)利要求21的方法，其中，所述第二增益隨著所述位置誤差 的絕對值而增大。
24、 權(quán)利要求23的方法，其中，所述第二增益根據(jù)從包括階躍、 傾斜線性、拋物線、雙曲線、圓錐曲線及其組合的組中選擇的函數(shù)而 增大。
全文摘要
一種用于把質(zhì)量與振動隔離的系統(tǒng)和方法，包括適于連接到所述質(zhì)量32的致動器34，該致動器34對組合控制信號46做出響應(yīng)；適于被連接成測量該質(zhì)量32的位置的位置傳感器36，該位置傳感器36生成位置信號38；響應(yīng)于所述位置信號38和位置設(shè)置點(diǎn)信號58而生成位置誤差信號50的比較器51；以及響應(yīng)于所述位置誤差信號50而生成組合控制信號46的組合控制器40；其中，當(dāng)所述位置誤差信號50處于操作范圍之外時，所述組合控制器40調(diào)節(jié)所述組合控制信號46，以便改變系統(tǒng)特性。
文檔編號G03F7/20GK101305206SQ200680041729
公開日2008年11月12日 申請日期2006年11月2日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月8日
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