压电微动台数据驱动迭代前馈补偿与自适应抑振

为消除压电驱动柔性微定位平台高精控制对平台不确定动力学模型的依赖性,提出了一种数据驱动无模型迭代前馈补偿和自适应陷波滤波结合的控制方法来提高平台的跟踪性能。首先,建立了数据驱动无模型迭代前馈控制器,提高系统对噪声和其他干扰的鲁棒性,同时,证明了在无模型迭代前馈作用下,连续参考输入跟踪误差的有界性和闭环系统的稳定性;其次,构建了自适应陷波滤波器来消除平台谐振的影响,对误差信号进行快速傅里叶变换,并设计谐振频率在线提取算法,实现对陷波滤波器参数的在线实时整定,来进一步提升轨迹跟踪精度;最后,利用所设计的无模型迭代前馈控制器和自适应陷波滤波器对压电微动台进行轨迹跟踪实验。实验结果表明:在跟踪三角波信号时,与单独比例-积分(Proportional Integral,PI)控制和结合自适应陷波滤波器的PI控制相比较,最大跟踪误差分别减小78.25%和70.83%,能够有效提升平台的稳定性和跟踪精度。

全簧片式空间大行程并联柔性微定位平台及其轨迹控制

为了解决传统微定位平台运动范围小、寄生运动和交叉轴耦合严重导致运动精度低等问题,提出了一种音圈电机驱动的全簧片式大行程、空间多自由度并联柔性解耦微定位平台。首先,介绍了含簧片型柔性球铰的大行程多自由度并联柔性机构的结构和变形原理。接着,以空间三自由度为例,推导了动平台的运动学方程,建立了机构的输入刚度模型,并基于柔度矩阵法对柔性球铰进行了柔度建模和设计,从而确定了微定位平台的参数。此外,分别对三自由度方向进行了系统动力学模型辨识,并基于模型设计了一种相位超前PI反馈控制结合滑模前馈控制的复合控制器。最后,搭建了平台实验系统来验证其轨迹跟踪性能。实验结果表明:与经典的PID控制相比,该复合控制方法能够使得轨迹跟踪性能提高95%以上,加入的滑模前馈也能够有效消除单纯反馈控制产生的相位滞后。并且,所提出的多自由度微定位平台能够实现±3.23 mm×±21.50 mrad×±20.30 mrad的运动范围,具有行程大、稳定性好和精度高等特点,可以用于许多需要大行程高精度的空间定位场合。

三自由度压电偏摆台耦合迟滞模型建模与逆补偿

为了解决三自由度压电驱动纳米偏摆台中的多轴耦合与迟滞问题,设计了一种可以同时表征多个压电驱动器间耦合效应及其自身迟滞效应的耦合迟滞模型,并利用其逆模型进行前馈补偿以提升平台的定位和轨迹跟踪精度。首先,搭建了三自由度压电驱动偏摆台的控制系统并建立其运动学模型,将末端平台三自由度运动转化为三个压电驱动器的输出。然后,建立基于Prandtl-Ishlinskii模型的耦合迟滞模型,并对该模型及其逆模型的参数进行辨识。最后,通过开环逆模型前馈补偿来验证模型的有效性,并利用结合逆模型前馈和反馈的复合控制方法进行轨迹跟踪控制。实验结果表明:逆模型开环前馈补偿使三个压电驱动器间最大耦合位移均降低了70%以上,证明了所建立耦合迟滞模型的有效性,结合闭环反馈的复合控制方法对空间轨迹进行跟踪的最大均方根误差仅为0.06 mrad和0.42μm,相比单纯闭环反馈分别减少了72%和87.5%,最大误差也减少了76%以上,有效消除了平台中耦合迟滞的影响,提高了平台的定位精度。

基于动态模糊系统模型的压电陶瓷驱动器控制

针对压电陶瓷驱动器(PZT)的迟滞非线性对周期性超精密跟踪精度的影响,对基于Takagi-Sugeno(T-S)型模糊规则的动态模糊系统(DFS)前馈+PI控制方法进行了研究。介绍了DFS模型前提部分和结论部分的辨识方法;结合直接逆模型控制和迭代学习控制的思想,提出了周期性轨迹跟踪的DFS前馈+PI控制方法。最后,针对20Hz的三角波和正弦波期望轨迹进行了跟踪控制实验。实验结果表明:提出的控制方法对三角波和正弦波期望轨迹的最大跟踪误差分别为0.25%和0.27%,相对于PI控制,跟踪精度分别提高了52倍和64倍,而最大跟踪绝对误差分别降低到5.1nm和5.5nm。结果显示这种控制方法易于实现,周期性轨迹跟踪精度高。

压电驱动器的开闭环迭代学习控制

由于开闭环迭代学习控制方法能在加快收敛速度的情况下降低跟踪误差,本文利用该控制方法来提高压电驱动器(PZT)的高频轨迹跟踪精度。首先,提出了离散时间下的开环P型结合闭环PI型的迭代学习律,并且给出了基于该学习律的收敛性条件。然后,设计了用于PZT系统的离散开闭环迭代学习控制器。最后,针对50Hz单频和25Hz+50Hz复频三角波轨迹进行了跟踪控制实验。实验结果表明:所提出的迭代学习控制器对上述2种轨迹的最大跟踪误差分别为10.6nm和12.5nm,相对于PID控制器,分别降低了96.25%和95.62%。结果显示:提出的控制方法易于实现,无需准确的PZT迟滞和系统模型就可以获得很高的跟踪精度,能有效地满足高频和复频轨迹跟踪的精度要求。

基于Matlab与T-S模糊系统的压电驱动器磁滞特性建模及实验验证

针对压电驱动器的磁滞特性,提出了一种基于MISO模糊系统的磁滞建模方法,将一维输入空间中的多值函数映射为多维输入空间的单值函数,有效地解决了磁滞曲线多值映射的问题。基于Matlab7.1软件,该方法根据磁滞系统的输入输出数据,在最大隶属度、最近邻居和超半径概念的基础上,基于1阶T-S型模糊推理对模糊系统进行训练和参数优化,从而精确地建立了压电驱动器的磁滞特性模型。

电容式位移传感器的线性度标定与不确定度评定

由于光刻投影物镜装调中电容传感器的线性度指标不能够满足位移调节精度的需求,本文提出了一种提高电容传感器测量线性度的方法。该方法采用压电驱动器提供位移进给;采用高精度激光测长干涉仪校准电容传感器的线性度,提供位移反馈以保证运动控制精度。采用高阶曲线拟合方法得到拟合系数对传感器线性度进行在线标定;对标定实验中的环境、安装、机构以及控制等进行不确定度分析与评定以保证电容传感器的线性度测量精度;最后进行电容传感器线性度的标定实验。实验结果表明:本文提出的线性度标定方法能够减小各误差项对于测量结果的影响,标定后传感器线性度由0.047 14%提高至0.004 84%,近一个数量级,并且线性度重复性较高,重复性偏差为0.38nm,全行程内线性度的合成不确定度为5.70nm,能够满足光刻物镜中位移控制精度的需求。

高精度位移传感器线性度标定方法研究

针对光学系统中光学元件的高精度位移调节和检测问题,提出一种非接触电容位移传感器的线性度标定方法,搭建了一个运动轴、测量轴和传感轴三轴共线的标定平台,从测量原理上消除阿贝误差。介绍了标定平台的组成和标定方法的原理,采用对称平行四边形机构实现微位移调节,基于柔度矩阵法分析了调节机构的输出柔度和行程。试验结果表明,机构的柔度为13.585μm/N,运动行程为543.4μm,分辨率约为10 nm。经过标定补偿计算,传感器的线性度由0.047 14%提高至0.004 84%。该线性度标定方法精度高,标定后的传感器满足精密位移调节机构使用要求。

高精度六维激光测量系统误差补偿算法研究

根据极大规模集成电路制造对光刻物镜中敏感光学元件调节机构高精度的调整要求,研究设计了一套基于双频激光干涉仪的高精度六自由度位姿检测测量系统。但由于双频激光干涉仪是一种线性增量式的测长仪器,其固有的机械安装误差及运动平台在工作过程中引入的倾斜或旋转运动都将导致测量光程的变化而产生阿贝误差与余弦误差。为此,根据系统测量原理,采用解析法基于空间齐次变换建立了系统误差补偿数学模型,并深入分析了装调误差对测量精度的影响,实现了调节机构六自由度运动的高精度测量。

电阻应变式位移传感器电路设计与实现

超精密平台中使用压电陶瓷驱动器提供位移进给,采用集成应变式位移传感器的驱动器能够减小磁滞与蠕变特性,提高位移控制精度。设计并实现应变式位移传感器位移检测电路,介绍电阻应变式位移传感器位移测量原理;设计位移传感器电路,采用仪表放大器、同相衰减器与低通滤波器电路得到正比于位移变化的电压信号并输出;最后对位移传感器电路进行实验验证。实验结果表明:设计的传感器检测电路的电噪声峰-峰值为0.390mV,输出电压分辨率小于0.6mV,对应的位移传感器的分辨可达1nm,能够有效提高压电陶瓷的精度。

工件偏心检测系统的设计与实现

工件偏心检测在光学系统装调中有重要作用,设计并实现了工件的偏心检测系统。首先,依据实验室的条件设计了工件偏心检测系统的整体方案;其次,对测量系统进行数学建模,对建立的检测模型进行数学分析,说明检测的可能性,同时通过实际的数据采集证明了数学分析的准确性,依据测量原理的数学分析,提出使用最小二乘法从检测信号中拟合待测信号,并通过仿真实验证明这种方法的可行性;再次,在MFC架构下使用Signallib及MATLAB静态库生成工具编写偏心检测软件,使用编写的软件采集数据,并对数据进行分析,证明了提出检测方法的可行性及软件系统的可靠性;最后,重新分析整个测量原理的假设,提出了降低假设要求而提高测量效果的方法。实验证明偏心检测系统具备良好的检测效果,同时设计的软件系统具备良好的数据可视化能力,工件偏心检测系统的分析和设计思路可以广泛地应用于系统检测中。

基于ARM的高分辨率压电陶瓷驱动电源

根据压电陶瓷微位移器对驱动电源的需求,设计了压电驱动电源系统。详细介绍了电源系统中的数字电路部分和模拟电路部分,并对驱动电源的精度与稳定性进行了分析与改进。最后对驱动电源的性能进行了实验验证,实验结果表明:所设计的电源输出电压噪声低于0.43 mV、输出最大非线性误差低于0.024%、分辨率可达1.44 mV,能够满足高分辨率微位移定位系统中静态定位控制的需求。

压电陶瓷定位系统电容传感器容错控制

针对压电陶瓷定位系统中电容传感器故障对定位精度的影响,对使用扩展卡尔曼滤波(EKF)进行容错控制的方法进行了研究。以传感器采样电路故障和掉电故障为对象,对三阶轨迹规划算法下电容传感器的EKF滤波公式进行了分析,提出以离散化迭代计算的EKF代替传统的将非线性系统线性化的方法。在压电陶瓷定位系统实验平台上,使用激光干涉仪作为测量基准,在传感器采样电路故障和掉电故障的情况下,实现了500μm行程,绝对精度小于3.5μm,误差小于0.7%的定位控制。结果表明,基于EKF的电容传感器容错控制可以有效减小传感器故障引起的控制误差,增加压电陶瓷定位系统的鲁棒性。

电磁驱动柔顺微定位平台闭环频域逆迭代学习控制

为了克服音圈电机电磁驱动柔顺微定位平台在大行程范围内存在的低阻尼谐振和动力学特性差异等问题,利用综合数据驱动频域逆迭代前馈补偿和含相位超前校正PI反馈控制的复合闭环频域逆迭代学习控制方法对其进行高速高精控制。首先,搭建了音圈电机驱动双平行四边形柔性机构微定位系统,并针对不同工作点位进行了动力学模型辨识。然后,为提高系统相对稳定性,设计了含相位超前校正环节的PI反馈控制器。同时,利用输入输出数据对系统频响函数进行在线逆估计并进行前馈补偿,来进一步消除谐振的影响。最后,利用所提出的控制方法进行了跟踪实验并与其它方法进行了对比。实验结果表明,提出的控制方法对三角波期望轨迹的最大跟踪误差为0.175%,相比于PID控制、相位超前PI控制、传递函数逆模型前馈控制,跟踪均方根误差分别减少了8.75,5.43和2.21倍,能够较好满足大行程微纳米定位跟踪精度高、速度快、抗干扰能力强的要求。

一种步进式压电陶瓷驱动器负载模型研究

为了能够准确高效地以步进式压电陶瓷驱动器进行定位控制,文中对其在不同负载力条件下的位移性能进行了研究。首先,设计和实施了测定驱动器位移-负载力曲线的实验;然后,通过高阶多项式拟合的方法对实验结果进行拟合,分析得到可用的拟合结果,将其作为被测驱动器的位移-负载力关系;最后,随机选取了其他的负载力条件,将实测位移量与通过拟合曲线进行计算的结果进行对比,验证该位移-负载力模型的准确性。实验结果表明,使用该方法获得的步进式压电陶瓷驱动器的位移-负载力模型可用2阶多项式关系进行描述,与实测值的误差约为1%,可为后续针对该驱动器进行定位控制算法设计提供支撑。

193nm投影光刻物镜光机系统关键技术研究进展

结合双/多曝光的193nm投影光刻是未来5~10年大规模集成电路工业化生产的主要方法.投影物镜作为光刻机的核心分系统,其光机系统关键技术的研究进展直接影响物镜整体性能的提升.本文分析了当前集成电路装备制造业对193nm投影物镜的需求,阐述了曝光系统设计、光学元件被动支撑、位姿调节、主动变形、元件更换和系统数值孔径调节等物镜光机系统关键技术研究现状,提炼了阻碍物镜未来发展的关键科学技术问题.目前,193nm光刻物镜尚需进一步阐明高阶热像差的产生机理和校正策略,解决多自由度位姿标定问题,形成完备的物镜研制方法,指导高成像质量物镜的制造.

光刻物镜热像差主动补偿系统设计与实验

光刻物镜硅片刻蚀过程中的Z5像散会使光刻物镜波像差产生严重的劣化。为了对像散进行实时补偿,提出一种Z5像散主动补偿系统。该系统由实时数据平台、驱动力系统、柔性支撑结构和光学透镜构成。采用球面干涉仪作为光学透镜表面面形的检测设备,利用最小二乘法及线性叠加原理确定驱动参数与面形关系。实验进行了主动补偿系统的驱动器响应函数测试、补偿行程测试、补偿精度测试、补偿分辨率测试。结果表明,系统Z5像散补偿行程达到735nm,Z5像散补偿精度小于2nm,引入的高阶像差小于1nm,像散补偿分辨率为2nm,该系统能够有效补偿光刻物镜系统波前像差,使光刻物镜满足像质要求。