大理石平台运动驱动与传递与控制参数校准技术

[一]、超运动驱动与传递
为了获得较高的运动精度和分辨率，超机床对运动驱动和传递系统有很高的要求，既要求有平稳的超低速运动特性，又要有大的调速范围，还要求电磁兼容性好。
一般来说，超运动驱动有两种方式：直接驱动和间接驱动。直接驱动主要采用直线电机，大理石平台可以减少中间环节带来的误差，具有动态特性好、机械结构简单、低摩擦的优点，主要问题是行程短、推力小。另外，由于摩擦小，很容易发生振荡，需要用的控制策略来弥补。间接驱动是由电机产生回转运动，然后通过运动传递装置将回转运动转换成直线运动。它是目前超机床运动驱动方式的主流。电机通常采用低速性能好的直流伺服电机，如美国ParkHannifin公司的DM和DR系列直接驱动伺服执行器，输出力矩大，位置控制分辨率达到64万分之一。运动传递装置通常由联轴器、丝杠和螺母组成，它们的精度和性能将直接影响运动平稳性和精度，也是间接驱动方式的主要误差来源。美国麻省理工学院设计了两种联轴节，分别采用球槽和柔性铰链结构，用于电机与丝杠不同轴误差。我国科技大学设计了一种框架式浮动单元，用于连接螺母和工作台，可4个方向的运动误差。丝杠往往选择的滚珠丝杠，另外也有气浮丝杠和磁浮丝杠用于超机床的实验研究，如俄罗斯研制的气浮/磁浮丝杠分辨率达到了0.01μm。日本新宿大学的Fukada通过在滑动丝杠、螺母和工作台间插入弹性体，将扭矩转化为微位移，使滑动丝杠达到纳米级分辨率。
[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，大理石平板平台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。