專利名稱：一種直線電機單自由度隔振裝置及其運動控制方法
一種直線電機單自由度隔振裝置及其運動控制方法本發(fā)明涉及一種直線電機單自由度隔振裝置及其運動控制方法，屬于半導(dǎo)體裝備技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
光刻機工件臺掃描過程可分為加速、掃描、減速三個階段，將加速段結(jié)束至掃描開始定義為工件臺調(diào)整時間，該值的大小直接影響著光刻機整機的生產(chǎn)率。在加速段，工件臺直線電機會產(chǎn)生較大的反作用力作用在直線電機定子上，當(dāng)直線電機定子與基座固定時，該反作用力會引起基座的振動，進(jìn)而耦合至基座上的測量系統(tǒng)中，增大了工件臺的調(diào)整時 間，制約了其工作效率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種直線電機單自由度隔振裝置及其運動控制方法，既能保證平衡塊在直線電機運動過程中不產(chǎn)生單側(cè)漂移，又能夠避免將較大的反作用力傳遞至基座上。本發(fā)明的技術(shù)方案如下該隔振裝置包括一個沿X軸方向運動的平衡塊、一個防漂移驅(qū)動單元以及控制單元;所述平衡塊的上表面與直線電機的定子固連，平衡塊的下表面通過第一氣浮軸承與基座連接，平衡塊的一側(cè)安裝有第一光柵尺，第一光柵尺的光柵條紋沿X軸方向布置，在直線電機動子上安裝有與第一光柵尺對應(yīng)的第一光柵讀數(shù)頭；所述防漂移驅(qū)動單元包括一個防漂移直線電機、一個光柵尺和一個導(dǎo)軌；導(dǎo)軌與防漂移直線電機的動子相固連，導(dǎo)軌的一端在YZ平面通過第二氣浮軸承與所述的平衡塊連接，導(dǎo)軌在XY平面的一側(cè)通過第二氣浮軸承與防漂移直線電機定子連接，導(dǎo)軌在XZ平面的一側(cè)通過第二氣浮軸承與防漂移直線電機的定子連接；防漂移直線電機的定子與基座相固連，導(dǎo)軌的一側(cè)安裝有第二光柵尺，第二光柵尺的光柵條紋沿X軸方向，在防漂移直線電機定子上安裝有與第二光柵尺對應(yīng)的第二光柵尺讀數(shù)頭；所述控制單元包括含有控制程序的工控機、光柵計數(shù)卡、D/A卡和驅(qū)動器，光柵計數(shù)卡分別采集第一光柵尺和第二光柵尺信號，光柵計數(shù)卡將采集到的兩路光柵信號輸入至工控機，工控機以所述兩路光柵信號為位置反饋信號對防漂移直線電機進(jìn)行控制，控制指令通過D/A卡輸出至驅(qū)動器。第一氣浮軸承采用真空預(yù)載軸承、永磁預(yù)載軸承或重力預(yù)載軸承；第二氣浮軸承采用真空預(yù)載軸承或者永磁預(yù)載軸承。所述直線電機單自由度隔振裝置的控制方法有兩種 第一技術(shù)方案包括如下步驟I)在伺服周期開始，設(shè)定平衡塊位移為零，然后采用光柵計數(shù)卡采集第二光柵尺的信號，得到平衡塊相對于基座的位移信號，并將該位移信號輸入工控機作為位置反饋信號，得到平衡塊的位移偏差eb ；2)采用第一非線性環(huán)節(jié)對位移偏差eb進(jìn)行處理，第一非線性環(huán)節(jié)表達(dá)式為^(-) = ^+^[l-gV,+2g_vJ其中eb為平衡塊的位移偏差，ap為偏置系數(shù)，bp為放大系數(shù)，Cp為上升速率系數(shù)；3)將第一非線性環(huán)節(jié)的輸出信號通過平衡塊線性控制器處理后，得到防漂移電機的控制指令，該控制指令由D/A卡進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換后輸入至驅(qū)動器，驅(qū)動器成比例地輸出電流驅(qū)動防漂移電機；在下一個伺服周期重復(fù)I)至3)步驟，進(jìn)而驅(qū)動平衡塊向設(shè)定位置運動。第二技術(shù)方案包括如下步驟I)在伺服周期開始，設(shè)定直線電機和平衡塊合質(zhì)心位移為零，然后采用光柵計數(shù)卡分別采集第一光柵尺信號和第二光柵尺的信號，分別得到直線電機動子相對于平衡塊的位移信號和平衡塊相對于基座的位移信號，由兩路信號計算得到平衡塊與直線電機合質(zhì)心位移，作為反饋信號，得到合質(zhì)心的位移偏差eb ;2)采用第二非線性環(huán)節(jié)對位移偏差eb進(jìn)行處理，第二非線性環(huán)節(jié)表達(dá)式為
權(quán)利要求
1.一種直線電機單自由度隔振裝置，所述的直線電機包含直線電機動子(13)和直線電機定子(12)，其特征在于該隔振裝置包括一個沿X軸方向運動的平衡塊(11)、一個防漂移驅(qū)動單元以及控制單元； 所述平衡塊(11)的上表面與直線電機的定子(12)固連，平衡塊(11)的下表面通過第一氣浮軸承(4a)與基座(I)連接，平衡塊(11)的一側(cè)安裝有第一光柵尺(2b)，第一光柵尺(2b)的光柵條紋沿X軸方向布置，在直線電機動子(13)上安裝有與第一光柵尺(2b)對應(yīng)的第一光柵讀數(shù)頭(2a)； 所述防漂移驅(qū)動單元包括一個防漂移直線電機、一個光柵尺和一個導(dǎo)軌(10);導(dǎo)軌(10)與防漂移直線電機的動子(9)相固連，導(dǎo)軌(10)的一端在YZ平面通過第二氣浮軸承(4b)與所述的平衡塊(11)連接，導(dǎo)軌(10)在XY平面的一側(cè)通過第三氣浮軸承(4c)與防漂移直線電機定子(7)連接，導(dǎo)軌(10)在XZ平面的一側(cè)通過第四氣浮軸承(4d)與防漂移直線電機的定子(7)連接；防漂移直線電機的定子(7)與基座⑴相固連，導(dǎo)軌(10)的一側(cè)安裝有第二光柵尺(5b)，第二光柵尺(5b)的光柵條紋沿X軸方向，在防漂移直線電機定 子(7)上安裝有與第二光柵尺(5b)對應(yīng)的第二光柵尺讀數(shù)頭(5a)； 所述控制單元包括含有控制程序的工控機、光柵計數(shù)卡、D/A卡和驅(qū)動器，光柵計數(shù)卡分別采集第一光柵尺(2b)和第二光柵尺(5b)信號，光柵計數(shù)卡將采集到的兩路光柵信號輸入至工控機，工控機以所述兩路光柵信號為位置反饋信號對防漂移直線電機進(jìn)行控制，控制指令通過D/A卡輸出至驅(qū)動器。
2.如權(quán)利要求I所述的直線電機單自由度隔振裝置，其特征在于第一氣浮軸承(4a)采用真空預(yù)載軸承、永磁預(yù)載軸承或重力預(yù)載軸承；第二氣浮軸承(4b)采用真空預(yù)載軸承或者永磁預(yù)載軸承。
3.—種如權(quán)利要求I所述直線電機單自由度隔振裝置的控制方法，其特征在于該方法包括如下步驟 1)在伺服周期開始，設(shè)定平衡塊位移為零，然后采用光柵計數(shù)卡采集第二光柵尺(5b)的信號，得到平衡塊相對于基座的位移信號，并將該位移信號輸入工控機作為位置反饋信號，得到平衡塊的位移偏差eb ； 2)采用第一非線性環(huán)節(jié)對位移偏差eb進(jìn)行處理，第一非線性環(huán)節(jié)表達(dá)式為 ^ = aP+bP^l~ ecp-eb2+e-cp-j 其中eb為平衡塊的位移偏差，ap為偏置系數(shù)，bp為放大系數(shù)，Cp為上升速率系數(shù)； 3)將第一非線性環(huán)節(jié)的輸出信號通過平衡塊線性控制器處理后，得到防漂移電機的控制指令，該控制指令由D/A卡進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換后輸入至驅(qū)動器，驅(qū)動器成比例地輸出電流驅(qū)動防漂移電機；在下一個伺服周期，重復(fù)I)至3)步驟，進(jìn)而驅(qū)動平衡塊向設(shè)定位置運動。
4.一種如權(quán)利要求I所述直線電機單自由度隔振裝置的控制方法，其特征在于該方法包括如下步驟 I)在伺服周期開始，設(shè)定直線電機和平衡塊合質(zhì)心位移為零，然后采用光柵計數(shù)卡分別采集第一光柵尺(2b)信號和第二光柵尺(5b)的信號，分別得到直線電機動子相對于平衡塊的位移信號和平衡塊相對于基座的位移信號，由兩路信號計算得到平衡塊與直線電機合質(zhì)心位移，作為反饋信號，得到合質(zhì)心的位移偏差eb ；2)采用第二非線性環(huán)節(jié)對位移偏差eb進(jìn)行處理，第二非線性環(huán)節(jié)表達(dá)式為 渉卜旮’ Kl>" 其中a為非線性增益系數(shù)，eb為合質(zhì)心的位移偏差，5為設(shè)定閾值。
3)將第二非線性環(huán)節(jié)的輸出信號通過平衡塊線性控制器處理后，得到防漂移電機的控制指令，該控制指令由D/A卡進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換后輸入至驅(qū)動器，驅(qū)動器成比例地輸出電流驅(qū)動防漂移電機；在下一個伺服周期，重復(fù)I)至3)步驟，進(jìn)而驅(qū)動平衡塊向設(shè)定位置運動。
5.如權(quán)利要求3或4所述的直線電機單自由度隔振裝置控制方法，其特征在于平衡塊線性控制器采用PID控制器、超前滯后控制器或魯棒控制器。
全文摘要
一種直線電機單自由度隔振裝置及其運動控制方法，該隔振裝置包括一個平衡塊、一個防漂移驅(qū)動單元以及控制單元。平衡塊的上表面與直線電機的定子固連，平衡塊的下表面通過第一氣浮軸承與基座連接；防漂移驅(qū)動單元用于平衡塊的位置控制，驅(qū)動單元與平衡塊之間采用第二氣浮軸承連接，防漂移驅(qū)動單元包括一個防漂移直線電機、一個光柵尺和一個導(dǎo)軌；運動控制方法有兩種第一技術(shù)方案采用第二光柵尺信號作為反饋信號輸入至控制單元，對平衡塊進(jìn)行變剛度非線性控制；第二技術(shù)方案采用第一光柵尺信號和第二光柵尺信號作為反饋信號輸入至控制單元，獲取直線電機動子與平衡塊的合質(zhì)心位移信號，對平衡塊進(jìn)行非線性防漂移控制。
文檔編號H02P21/05GK102647143SQ20121011696
公開日2012年8月22日 申請日期2012年4月19日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月19日
發(fā)明者余東東, 季國鋒, 尹文生, 張鳴, 徐登峰, 成榮, 朱煜, 李鑫, 楊開明, 穆海華, 胡金春 申請人:清華大學(xué)