专利名称：一种直线电机单自由度隔振装置及其运动控制方法
一种直线电机单自由度隔振装置及其运动控制方法本发明涉及一种直线电机单自由度隔振装置及其运动控制方法，属于半导体装备技术领域。
背景技术：
光刻机工件台扫描过程可分为加速、扫描、减速三个阶段，将加速段结束至扫描开始定义为工件台调整时间，该值的大小直接影响着光刻机整机的生产率。在加速段，工件台直线电机会产生较大的反作用力作用在直线电机定子上，当直线电机定子与基座固定时，该反作用力会引起基座的振动，进而耦合至基座上的测量系统中，增大了工件台的调整时 间，制约了其工作效率。
发明内容
本发明的目的是提供一种直线电机单自由度隔振装置及其运动控制方法，既能保证平衡块在直线电机运动过程中不产生单侧漂移，又能够避免将较大的反作用力传递至基座上。本发明的技术方案如下该隔振装置包括一个沿X轴方向运动的平衡块、一个防漂移驱动单元以及控制单元;所述平衡块的上表面与直线电机的定子固连，平衡块的下表面通过第一气浮轴承与基座连接，平衡块的一侧安装有第一光栅尺，第一光栅尺的光栅条纹沿X轴方向布置，在直线电机动子上安装有与第一光栅尺对应的第一光栅读数头；所述防漂移驱动单元包括一个防漂移直线电机、一个光栅尺和一个导轨；导轨与防漂移直线电机的动子相固连，导轨的一端在YZ平面通过第二气浮轴承与所述的平衡块连接，导轨在XY平面的一侧通过第二气浮轴承与防漂移直线电机定子连接，导轨在XZ平面的一侧通过第二气浮轴承与防漂移直线电机的定子连接；防漂移直线电机的定子与基座相固连，导轨的一侧安装有第二光栅尺，第二光栅尺的光栅条纹沿X轴方向，在防漂移直线电机定子上安装有与第二光栅尺对应的第二光栅尺读数头；所述控制单元包括含有控制程序的工控机、光栅计数卡、D/A卡和驱动器，光栅计数卡分别采集第一光栅尺和第二光栅尺信号，光栅计数卡将采集到的两路光栅信号输入至工控机，工控机以所述两路光栅信号为位置反馈信号对防漂移直线电机进行控制，控制指令通过D/A卡输出至驱动器。第一气浮轴承采用真空预载轴承、永磁预载轴承或重力预载轴承；第二气浮轴承采用真空预载轴承或者永磁预载轴承。所述直线电机单自由度隔振装置的控制方法有两种 第一技术方案包括如下步骤I)在伺服周期开始，设定平衡块位移为零，然后采用光栅计数卡采集第二光栅尺的信号，得到平衡块相对于基座的位移信号，并将该位移信号输入工控机作为位置反馈信号，得到平衡块的位移偏差eb ；2)采用第一非线性环节对位移偏差eb进行处理，第一非线性环节表达式为^(-) = ^+^[l-gV,+2g_vJ其中eb为平衡块的位移偏差，ap为偏置系数，bp为放大系数，Cp为上升速率系数；3)将第一非线性环节的输出信号通过平衡块线性控制器处理后，得到防漂移电机的控制指令，该控制指令由D/A卡进行数模转换后输入至驱动器，驱动器成比例地输出电流驱动防漂移电机；在下一个伺服周期重复I)至3)步骤，进而驱动平衡块向设定位置运动。第二技术方案包括如下步骤I)在伺服周期开始，设定直线电机和平衡块合质心位移为零，然后采用光栅计数卡分别采集第一光栅尺信号和第二光栅尺的信号，分别得到直线电机动子相对于平衡块的位移信号和平衡块相对于基座的位移信号，由两路信号计算得到平衡块与直线电机合质心位移，作为反馈信号，得到合质心的位移偏差eb ;2)采用第二非线性环节对位移偏差eb进行处理，第二非线性环节表达式为
权利要求
1.一种直线电机单自由度隔振装置，所述的直线电机包含直线电机动子(13)和直线电机定子(12)，其特征在于该隔振装置包括一个沿X轴方向运动的平衡块(11)、一个防漂移驱动单元以及控制单元； 所述平衡块(11)的上表面与直线电机的定子(12)固连，平衡块(11)的下表面通过第一气浮轴承(4a)与基座(I)连接，平衡块(11)的一侧安装有第一光栅尺(2b)，第一光栅尺(2b)的光栅条纹沿X轴方向布置，在直线电机动子(13)上安装有与第一光栅尺(2b)对应的第一光栅读数头(2a)； 所述防漂移驱动单元包括一个防漂移直线电机、一个光栅尺和一个导轨(10);导轨(10)与防漂移直线电机的动子(9)相固连，导轨(10)的一端在YZ平面通过第二气浮轴承(4b)与所述的平衡块(11)连接，导轨(10)在XY平面的一侧通过第三气浮轴承(4c)与防漂移直线电机定子(7)连接，导轨(10)在XZ平面的一侧通过第四气浮轴承(4d)与防漂移直线电机的定子(7)连接；防漂移直线电机的定子(7)与基座⑴相固连，导轨(10)的一侧安装有第二光栅尺(5b)，第二光栅尺(5b)的光栅条纹沿X轴方向，在防漂移直线电机定 子(7)上安装有与第二光栅尺(5b)对应的第二光栅尺读数头(5a)； 所述控制单元包括含有控制程序的工控机、光栅计数卡、D/A卡和驱动器，光栅计数卡分别采集第一光栅尺(2b)和第二光栅尺(5b)信号，光栅计数卡将采集到的两路光栅信号输入至工控机，工控机以所述两路光栅信号为位置反馈信号对防漂移直线电机进行控制，控制指令通过D/A卡输出至驱动器。
2.如权利要求I所述的直线电机单自由度隔振装置，其特征在于第一气浮轴承(4a)采用真空预载轴承、永磁预载轴承或重力预载轴承；第二气浮轴承(4b)采用真空预载轴承或者永磁预载轴承。
3.—种如权利要求I所述直线电机单自由度隔振装置的控制方法，其特征在于该方法包括如下步骤 1)在伺服周期开始，设定平衡块位移为零，然后采用光栅计数卡采集第二光栅尺(5b)的信号，得到平衡块相对于基座的位移信号，并将该位移信号输入工控机作为位置反馈信号，得到平衡块的位移偏差eb ； 2)采用第一非线性环节对位移偏差eb进行处理，第一非线性环节表达式为 ^ = aP+bP^l~ ecp-eb2+e-cp-j 其中eb为平衡块的位移偏差，ap为偏置系数，bp为放大系数，Cp为上升速率系数； 3)将第一非线性环节的输出信号通过平衡块线性控制器处理后，得到防漂移电机的控制指令，该控制指令由D/A卡进行数模转换后输入至驱动器，驱动器成比例地输出电流驱动防漂移电机；在下一个伺服周期，重复I)至3)步骤，进而驱动平衡块向设定位置运动。
4.一种如权利要求I所述直线电机单自由度隔振装置的控制方法，其特征在于该方法包括如下步骤 I)在伺服周期开始，设定直线电机和平衡块合质心位移为零，然后采用光栅计数卡分别采集第一光栅尺(2b)信号和第二光栅尺(5b)的信号，分别得到直线电机动子相对于平衡块的位移信号和平衡块相对于基座的位移信号，由两路信号计算得到平衡块与直线电机合质心位移，作为反馈信号，得到合质心的位移偏差eb ；2)采用第二非线性环节对位移偏差eb进行处理，第二非线性环节表达式为 渉卜旮’ Kl>" 其中a为非线性增益系数，eb为合质心的位移偏差，5为设定阈值。
3)将第二非线性环节的输出信号通过平衡块线性控制器处理后，得到防漂移电机的控制指令，该控制指令由D/A卡进行数模转换后输入至驱动器，驱动器成比例地输出电流驱动防漂移电机；在下一个伺服周期，重复I)至3)步骤，进而驱动平衡块向设定位置运动。
5.如权利要求3或4所述的直线电机单自由度隔振装置控制方法，其特征在于平衡块线性控制器采用PID控制器、超前滞后控制器或鲁棒控制器。
全文摘要
一种直线电机单自由度隔振装置及其运动控制方法，该隔振装置包括一个平衡块、一个防漂移驱动单元以及控制单元。平衡块的上表面与直线电机的定子固连，平衡块的下表面通过第一气浮轴承与基座连接；防漂移驱动单元用于平衡块的位置控制，驱动单元与平衡块之间采用第二气浮轴承连接，防漂移驱动单元包括一个防漂移直线电机、一个光栅尺和一个导轨；运动控制方法有两种第一技术方案采用第二光栅尺信号作为反馈信号输入至控制单元，对平衡块进行变刚度非线性控制；第二技术方案采用第一光栅尺信号和第二光栅尺信号作为反馈信号输入至控制单元，获取直线电机动子与平衡块的合质心位移信号，对平衡块进行非线性防漂移控制。
文档编号H02P21/05GK102647143SQ20121011696
公开日2012年8月22日 申请日期2012年4月19日 优先权日2012年4月19日
发明者余东东, 季国锋, 尹文生, 张鸣, 徐登峰, 成荣, 朱煜, 李鑫, 杨开明, 穆海华, 胡金春 申请人:清华大学