专利名称：一种主动减震隔振装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及主动减震隔振技术领域，特别涉及一种主动减震隔振装置。
背景技术：
在大规模半导体集成电路生产设备中，如光刻机，要求许多重要部件如激光干涉仪测量系统和曝光系统的振动干扰尽可能小，使得重要的模块处于安静环境中。因为振动的干扰会传递给测量框架，使得测量框架产生不必要的运动，进而将会干扰工件台掩模台的激光干涉仪测量系统等。最终会影响工件台掩模台和镜面误差，导致套刻误差和特征线宽误差加大。因此，在光刻机这样的半导体设备中通常采用减震隔振装置将内部重要部件与基础框架等其他结构的外部世界独立开来形成独立的内部世界。目前用于半导体设备的减震隔振装置主要以基于空气弹簧的主动减震方式为主， 采用有源控制器的主动控制策略，实现六自由度控制，实现低刚度、低共振频率、高衰减率从而实现较低的振动传递率，使得外部扰动对内部世界的影响最小化。2002年10月四日公开的美国专利US6193206B1揭示了一种多级的主动隔，振装置，它在单级隔振的基础之上通过增加隔振的级数来提高隔振的效果，并相应的在多级隔振上采取多级有源主动控制策略，来实现从级(被隔振对象)跟随主级振动实现逐级减震。 但是多级隔振系统的各个运动自由度相互耦合，其隔振传递率并不等于每个单级传递率相乘，级数越多效果越不明显，并且结构越来越复杂，成本越来越高。2002年5月14日公开的美国专利US2005/0256613A1给出了一种基于线性天棚阻尼控制技术的主动隔振装置，通过天棚阻尼调节器将测量得到的被隔振对象的速度信号调谐为阻尼力，并通过一个驱动力执行器来补偿给被隔振对象，从而实现被隔振对象的振动隔离。由于通过对阻尼力的调节来逼近典型二级系统的衰减水平，从而能够降低传递率，提高隔振的效果。然而，该装置是基于线性阻尼技术而设计的，忽略了实现阻尼本身的非线性因素和非线性阻尼的影响。
发明内容
本发明的目的在于提供一种主动减震隔振装置，以实现基于非线性天棚阻尼控制技术的减震隔振。本发明提供一种主动减震隔振装置，其包括基座，其具有振动干扰；隔振平台， 与所述基座相对设置并对基座进行减振、隔振；多个隔振执行模块，连接所述基座和所述隔振平台，每一所述隔振执行模块具有可调的阻尼；多个速度传感器，设置在所述隔振平台上，用于得到所述隔振平台的物理轴速度信号；控制模块，用于根据分数阶天棚阻尼控制技术将所述物理轴速度信号调节成物理轴天棚阻尼力信号；以及多个驱动力执行器，连接所述控制模块和所述隔振平台，用于将所述物理轴天棚阻尼力信号作用于所述隔振平台，以对隔振平台进行实时调节和补偿。在上述主动减震隔振装置中，所述控制模块包括第一物理轴到逻辑轴转换矩阵单元，用于将所述物理轴速度信号转化为逻辑轴速度信号；多轴向分数阶天棚阻尼调节器， 用于将所述逻辑轴速度信号转化为逻辑轴天棚阻尼力信号；逻辑轴到物理轴转换矩阵单元，用于将所述逻辑轴天棚阻尼力信号转化为物理轴天棚阻尼力信号。在上述主动减震隔振装置中，每一轴向的所述分数阶天棚阻尼调节器包括比例增益器，用于将所述逻辑轴速度信号修正为线性天棚阻尼力信号；微分增益器和分数阶微分器，用于将所述逻辑轴速度信号修正为非线性天棚阻尼力信号，所述微分增益器调节所述非线性天棚阻尼力信号的幅值，所述分数阶微分器调节所述非线性天棚阻尼力信号的衰减率；第一求和器，用于叠加所述线性天棚阻尼力信号和所述非线性天棚阻尼力信号，得到所述逻辑轴天棚阻尼力信号。在上述主动减震隔振装置中，所述分数阶微分器的微分阶数的范围为大于等于0 而小于1。在上述主动减震隔振装置中，所述微分阶数的范围为0. 5 0. 9。在上述主动减震隔振装置中，所述主动减震隔振装置还包括多个位置传感器，所述多个位置传感器设置在所述隔振平台上，用于得到所述隔振平台的物理轴位置信号，而且，所述控制模块还包括第一控制环路，所述第一控制环路包括第二物理轴到逻辑轴转换矩阵单元，用于将所述物理轴位置信号转化为逻辑轴位置信号；多轴向求和比较器，用于将所述逻辑轴位置信号与基于所述隔振平台重心的逻辑轴期望位置信号进行比较以得到逻辑轴位置误差信号；多轴向位置控制器，用于将所述逻辑轴位置误差信号转化为逻辑轴驱动力信号，其中，所述逻辑轴驱动力信号通过所述逻辑轴到物理轴转换矩阵单元转化为物理轴驱动力信号，所述物理轴驱动力信号通过所述多个驱动力执行器作用于所述隔振平台。在上述主动减震隔振装置中，所述控制模块还包括第二控制环路，所述第二控制环路包括二阶微分算子，用于将所述逻辑轴期望位置信号转换为逻辑轴期望加速度信号； 前馈增益环节，用于将所述逻辑轴期望加速度信号转换为逻辑轴前馈驱动力信号，其中，所述逻辑轴前馈驱动力信号通过所述逻辑轴到物理轴转换矩阵单元转化为物理轴前馈驱动力信号，所述物理轴前馈驱动力信号通过所述多个驱动力执行器作用于所述隔振平台。在上述主动减震隔振装置中，所述主动减震隔振装置还包括多个伺服控制阀，每一所述伺服控制阀连接一气动隔振执行模块和所述气源，而且，所述控制模块还包括第三控制环路，所述第三控制环路包括一阶微分算子，用于将所述物理轴速度信号转换为物理轴加速度信号；低通滤波器，用于对所述物理轴加速度信号进行滤波以得到低频加速度信号；转换因子，用于将所述低频加速度信号转换为气动伺服力信号，其中，所述气动伺服力信号控制每一所述伺服控制阀调节所述气源对每一气动隔振执行模块供给的气压。在上述主动减震隔振装置中，所述低通滤波器的低通截止频率范围为0.2 0. 6Hz。在上述主动减震隔振装置中，所述低通滤波器的低通截止频率为0. 3Hz。在上述主动减震隔振装置中，所述隔振执行模块为气动隔振执行模块，多个气动隔振执行模块连接所述基座和所述隔振平台，每一所述气动隔振执行模块包括空气弹簧和空气阻尼器，所述空气弹簧具有可调的刚度，所述空气阻尼器具有可调的阻尼系数；以及气源，用于为所述多个气动隔振执行模块供给气压。
与现有技术相比，本发明提供的一种主动减震隔振装置，通过使用非线性的分数阶天棚阻尼控制技术(也称，分数阶天棚阻尼控制技术)，将被隔振对象的速度信号转换成天棚阻尼力信号作用于被隔振对象，从而实现被隔振对象的低振动传递率和高衰减率的隔振效果，能提高阻尼控制的鲁棒性，改善减震隔振装置的动力学特性。此外，通过设置第一控制环路，将被隔振对象的实际位置信号与期望位置信号之间的误差信号转换成驱动力信号作用于被隔振对象，从而将被隔振对象精确地定位在期望位置，实现精密的定位功能；通过设置第二控制环路，将被隔振对象的期望位置信号转换成前馈驱动力信号作用于被隔振对象，从而提高定位控制的响应速度；通过设置第三控制环路，将被隔振对象的速度信号转换成气动伺服力信号以调节气动隔振执行模块的气压，提高气动响应速度。
图1为一种基于天棚阻尼控制技术的隔振装置的结构示意图；图2为如图1所示的隔振装置的力学模型示意图；图3为本发明的减震隔振装置的结构示意图；图4为本发明的减震隔振装置中通过控制模块实现隔振功能的示意图；图5为控制模块中分数阶天棚阻尼调节器的结构示意图；图6为对应于不同α值本发明的减震隔振装置的阶跃输入响应曲线对比图；图7为对应于不同α值本发明的减震隔振装置的传输函数特性对比图；图8为本发明的减震隔振装置中通过控制模块的第一控制环路和第二控制环路实现定位功能的示意图；图9为本发明的减震隔振装置中通过控制模块的第三控制环路进一步实现定位功能的示意图；图10为本发明的减震隔振装置的位置控制性能曲线图。
具体实施例方式为使本发明的目的、特征更明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式
作进一步的说明。在描述本发明的减震隔振装置之前，首先对一种基于天棚阻尼控制技术的隔振装置进行说明，其结构示意图如图1所示。图1中，该隔振装置包括基座100、驱动力执行器 101、阻尼力控制器102、速度传感器103、隔振平台104以及气动隔振执行模块107。其中， 基座100与隔振平台104相对设置，基座100具有大地噪声或者其他动力设备的振动干扰， 对隔振平台104有不可忽视的影响。气动隔振执行模块107连接基座100和隔振平台104， 其包括空气弹簧和空气阻尼器。空气弹簧具有可调的刚度，而空气阻尼器具有可调的阻尼系数。具体而言，气动隔振执行模块107利用空气弹簧的原理能提供可调的刚度和非常低的阻尼系数来隔离基座100的振动，从而实现隔振平台104相对基座100的震动隔离和减振。速度传感器103设置在隔振平台104上，用于得到隔振平台104的物理轴速度信号。阻尼力控制器102能够根据天棚阻尼控制技术将该物理轴速度信号调节为天棚阻尼力信号， 进而送入驱动力执行器101以作用于隔振平台104，从而改善其阻尼特性。图2为如图1所示的隔振装置的力学模型示意图。图2中，隔振平台104的质量
6为Mp，气动隔振执行模块107提供的气压刚度和阻尼系数分别为K和Cd，通过驱动力执行器 101提供的天棚阻尼力信号的阻尼系数为Cs，基座100的振动位移为Ztl，隔振平台104的振
动位移为Zl。该模型满足如下公式
权利要求
1.一种主动减震隔振装置，其特征在于，包括 基座，其具有振动干扰；隔振平台，与所述基座相对设置并对基座进行减振、隔振；多个隔振执行模块，连接所述基座和所述隔振平台，每一所述隔振执行模块具有可调的阻尼；多个速度传感器，设置在所述隔振平台上，用于得到所述隔振平台的物理轴速度信号；控制模块，用于根据分数阶天棚阻尼控制技术将所述物理轴速度信号调节成物理轴天棚阻尼力信号；以及多个驱动力执行器，连接所述控制模块和所述隔振平台，用于将所述物理轴天棚阻尼力信号作用于所述隔振平台，以对隔振平台进行实时调节和补偿。
2.根据权利要求1所述的主动减震隔振装置，其特征在于，所述控制模块包括第一物理轴到逻辑轴转换矩阵单元，用于将所述物理轴速度信号转化为逻辑轴速度信号；多个轴向的分数阶天棚阻尼调节器，用于将所述逻辑轴速度信号转化为逻辑轴天棚阻尼力信号；逻辑轴到物理轴转换矩阵单元，用于将所述逻辑轴天棚阻尼力信号转化为物理轴天棚阻尼力信号。
3.根据权利要求2所述的主动减震隔振装置，其特征在于，每一轴向的所述分数阶天棚阻尼调节器包括比例增益器，用于将所述逻辑轴速度信号修正为线性天棚阻尼力信号； 微分增益器和分数阶微分器，用于将所述逻辑轴速度信号修正为非线性天棚阻尼力信号，所述微分增益器调节所述非线性天棚阻尼力信号的幅值，所述分数阶微分器调节所述非线性天棚阻尼力信号的衰减率；第一求和器，用于叠加所述线性天棚阻尼力信号和所述非线性天棚阻尼力信号，得到所述逻辑轴天棚阻尼力信号。
4.根据权利要求3所述的主动减震隔振装置，其特征在于，所述分数阶微分器的微分阶数的范围为大于等于0而小于1。
5.根据权利要求4所述的主动减震隔振装置，其特征在于，所述微分阶数的范围为 0. 5 0. 9。
6.根据权利要求2所述的主动减震隔振装置，其特征在于，所述主动减震隔振装置还包括多个位置传感器，所述多个位置传感器设置在所述隔振平台上，用于得到所述隔振平台的物理轴位置信号，而且，所述控制模块还包括第一控制环路，所述第一控制环路包括 第二物理轴到逻辑轴转换矩阵单元，用于将所述物理轴位置信号转化为逻辑轴位置信号；多轴向求和比较器，用于将所述逻辑轴位置信号与基于所述隔振平台重心的逻辑轴期望位置信号进行比较以得到逻辑轴位置误差信号；多轴向位置控制器，用于将所述逻辑轴位置误差信号转化为逻辑轴驱动力信号，其中，所述逻辑轴驱动力信号通过所述逻辑轴到物理轴转换矩阵单元转化为物理轴驱动力信号，所述物理轴驱动力信号通过所述多个驱动力执行器作用于所述隔振平台。
7.根据权利要求6所述的主动减震隔振装置，其特征在于，所述控制模块还包括第二控制环路，所述第二控制环路包括二阶微分算子，用于将所述逻辑轴期望位置信号转换为逻辑轴期望加速度信号；前馈增益环节，用于将所述逻辑轴期望加速度信号转换为逻辑轴前馈驱动力信号，其中，所述逻辑轴前馈驱动力信号通过所述逻辑轴到物理轴转换矩阵单元转化为物理轴前馈驱动力信号，所述物理轴前馈驱动力信号通过所述多个驱动力执行器作用于所述隔振平台。
8.根据权利要求2所述的主动减震隔振装置，其特征在于，所述主动减震隔振装置还包括多个伺服控制阀，每一所述伺服控制阀连接一气动隔振执行模块和所述气源，而且，所述控制模块还包括第三控制环路，所述第三控制环路包括一阶微分算子，用于将所述物理轴速度信号转换为物理轴加速度信号；低通滤波器，用于对所述物理轴加速度信号进行滤波以得到低频加速度信号；转换因子，用于将所述低频加速度信号转换为气动伺服力信号，其中，所述气动伺服力信号控制每一所述伺服控制阀调节所述气源对每一气动隔振执行模块供给的气压。
9.根据权利要求8所述的主动减震隔振装置，其特征在于，所述低通滤波器的低通截止频率范围为0. 2 0. 6Hz。
10.根据权利要求9所述的主动减震隔振装置，其特征在于，所述低通滤波器的低通截止频率为0. 3Hz。
11.根据权利要求1所述的主动减震隔振装置，其特征在于，所述隔振执行模块为气动隔振执行模块，多个气动隔振执行模块连接所述基座和所述隔振平台，每一所述气动隔振执行模块包括空气弹簧和空气阻尼器，所述空气弹簧具有可调的刚度，所述空气阻尼器具有可调的阻尼系数；以及气源，用于为所述多个气动隔振执行模块供给气压。
全文摘要
本发明公开了一种主动减震隔振装置，通过使用非线性的分数阶天棚阻尼控制技术，将被隔振对象的速度信号转换成天棚阻尼力信号作用于被隔振对象，从而实现被隔振对象的低振动传递率和高衰减率的隔振效果，能提高阻尼控制的鲁棒性，改善减震隔振装置的动力学特性。
文档编号F16F15/02GK102235458SQ201010169749
公开日2011年11月9日 申请日期2010年5月7日 优先权日2010年5月7日
发明者吴立伟, 李志龙, 陈锐 申请人:上海微电子装备有限公司