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    重庆时时彩开奖结果表6.28: 基于重力补偿器的控制方法.pdf

    摘要
    申请专利号:

    重庆时时彩单双窍门 www.4mum.com.cn CN201210104004.5

    申请日:

    2012.04.11

    公开号:

    CN103365108A

    公开日:

    2013.10.23

    当前法律状态:

    授权

    有效性:

    有权

    法律详情: 专利权人的姓名或者名称、地址的变更IPC(主分类):G03F 7/20变更事项:专利权人变更前:上海微电子装备有限公司变更后:上海微电子装备(集团)股份有限公司变更事项:地址变更前:201203 上海市浦东新区张江高科技园区张东路1525号变更后:201203 上海市浦东新区张江高科技园区张东路1525号|||授权|||实质审查的生效IPC(主分类):G03F 7/20申请日:20120411|||公开
    IPC分类号: G03F7/20 主分类号: G03F7/20
    申请人: 上海微电子装备有限公司
    发明人: 赵辉; 廖飞红; 段立峰
    地址: 201203 上海市浦东新区张江高科技园区张东路1525号
    优先权:
    专利代理机构: 北京连和连知识产权代理有限公司 11278 代理人: 王光辉
    PDF完整版下载: PDF下载
    法律状态
    申请(专利)号:

    CN201210104004.5

    授权公告号:

    |||CN103365108B||||||

    法律状态公告日:

    2017.12.01|||2015.04.15|||2013.11.20|||2013.10.23

    法律状态类型:

    专利权人的姓名或者名称、地址的变更|||授权|||实质审查的生效|||公开

    摘要

    本发明公开一种基于重力补偿器的垂向控制策略及参数校准方法,该重力补偿器可平衡物体重力并在Z、Rx、Ry方向提供物体垂向运动的驱动力,该重力补偿器与垂向电机环路并联,该重力补偿器包括三个独立气路,该重力补偿器与垂向电机共用垂向三个逻辑轴,信号经该逻辑轴后分为两路,一路控制该垂向电机,另一路控制所述重力补偿器。

    权利要求书

    权利要求书
    1.  一种基于重力补偿器的控制方法,其特征在于,包括:
    步骤一:将所述重力补偿器与垂向电机环路并联控制物体做三自由度Z、Rx、Ry运动,所述重力补偿器与垂向电机共用三个分别与所述三自由度对应的逻辑轴,所述重力补偿器提供物体在所述三自由度运动的驱动力;
    步骤二:信号经三个逻辑轴的控制器后分为垂向电机控制通路和重力补偿器控制环路,所述重力补偿器控制环路包括三个独立气路;
    步骤三:对所述重力补偿器控制环路的参数进行校准,使用校准后的参数参与重力补偿器控制环路以控制所述重力补偿器。

    2.  如权利要求1所述的控制方法,其特征在于,所述步骤二中重力补偿器控制环路具有开环和闭环功能,开环时重力补偿器平衡静态重力,闭环时参与动态驱动力补偿。

    3.  如权利要求1所述的控制方法,其特征在于,所述步骤三中待校准参数依次为:比例压力阀因子、执行器偏置和增益平衡矩阵,所述比例压力阀因子为3个,所述执行器偏置有3个,所述增益平衡矩阵为3×3阶,有9个元素。

    4.  如权利要求3所述的控制方法,其特征在于,所述步骤二中重力补偿器控制环路包括:所述比例压力阀因子,所述执行器偏置,所述增益平衡矩阵,测量系统,重力补偿器控制器,重力补偿器单元,比例压力阀和前馈设定值。

    5.  如权利要求5所述的控制方法,其特征在于,所述比例压力阀因子的校准步骤具体包括:
    步骤1.1:所述重力补偿器控制环路断开,所述执行器偏置清零,设置所述前馈设定值;
    步骤1.2:测量重力补偿器单元气腔内部的气压,根据所述气压和重力补偿器的活塞面积得到校准后的比例压力阀因子。

    6.  如权利要求7所述的控制方法,其特征在于,所述比例压力阀因子的校准公式为:
    ,
    其中i的取值为1至3,Factori,cal是校准后的比例压力阀因子,Factori,old 是校准前的比例压力阀因子,F是前馈设定值,Pi是重力补偿器气腔内部的气压,Si为第i个重力补偿器的活塞面积。

    7.  如权利要求5所述的控制方法,其特征在于,所述执行器偏置的校准根据逻辑轴控制器的输出进行计算,并采用叠代方法来计算校准后的执行器偏置。

    8.  如权利要求8所述的控制方法,其特征在于,所述执行器偏置的校准步骤具体包括:
    步骤2.1:所述重力补偿器控制环路断开,设置所述前馈设定值,所述执行器偏置清零;
    步骤2.2:使用校准后的比例压力阀因子,垂向电机控制通路闭环,三个逻辑轴设定值为0;
    步骤2.3:追踪逻辑轴控制器的输出,取平均值;
    步骤2.4:计算重力补偿器输出力的增量,再叠加到校准前执行器偏置上,得到校准后的执行器偏置;
    步骤2.5:重复步骤2.3和2.4,直到所有重力补偿器输出力的增量都小于设定值,校准结束。

    9.  如权利要求9所述的控制方法,其特征在于,所述执行器偏置的校准公式为:

    其中,,Offset1,old,Offset2,old,Offset3,old为校准前执行器偏置,Offset1,cal,Offset2,cal,Offset3,cal为校准后的执行器偏置,FZTRxTRy分别为Z、Rx、Ry的逻辑轴控制器的输出,GB为增益平衡矩阵,取初始设计值,ΔF为重力补偿器输出力的增量。

    10.  如权利要求5所述的控制方法,其特征在于,所述增益平衡矩阵的校准采用计算逻辑轴间相互串扰的方法来计算增益平衡矩阵。

    11.  如权利要求12所述的控制方法,其特征在于,所述增益平衡矩阵的校准步骤具体包括:
    步骤3.1:校准垂向电机伺服环路,使用校准后的比例压力阀因子和执行器偏置,使垂向电机闭环,逻辑轴设定值为0,重力补偿器控制环路闭合;
    步骤3.2:计算Z逻辑轴设定点加速度、Rx逻辑轴控制器的输出、Ry轴逻辑控制器的输出相对于各自平均值的偏差,计算Z自由度对Rx自由度、Z自由度对Ry自由度的串扰和串扰系数,更新增益平衡矩阵的对应系数;
    步骤3.3:计算Rx对Z和Ry自由度的串扰和更新增益平衡矩阵的对应系数,以及计算Ry对Z和Rx自由度的串扰和更新增益平衡矩阵的对应系数;
    步骤3.4:将校准前与校准后的增益平衡矩阵进行比较,如果增益平衡矩阵的所有元素的变化量小于给定值,则校准结束,否则返回步骤3.2继续计算。

    说明书

    说明书基于重力补偿器的控制方法
    技术领域
    本发明涉及一种精密运动装备,尤其涉及一种基于重力补偿器的控制方法。
    背景技术
    精密运动装备中,物体重力对垂向运动的影响较大,需要采取措施进行补偿。在近些年的光刻机中,普遍采用重力补偿器加垂向电机的组合,重力补偿器(简称GC)专门平衡驱动物体的重力,以气体驱动最常见,也有靠磁性悬浮或者弹簧驱动的,而垂向电机则负责驱动物体的垂向运动,进行解耦控制。
    现有技术中对重力补偿器的详细介绍可以参考US6337484。如专利US6337484中所示,该技术方案将微动台的水平和垂向运动分开控制。垂向驱动采用重力补偿器,包括一个气缸和一个Z向Lorentz(洛伦兹)电机,气缸与洛伦兹电机并联,垂向驱动一共包括三组重力补偿器。气缸提供稳定的静态力,平衡微动台重力。Lorentz电机提供动态力,驱动微动台垂向运动。重力补偿器中设计水平和旋转气浮轴承使其具有X、Y、Rx、Ry、Rz方向自由度,通过Lorentz电机驱动物体相对于下层物体做解耦运动。该专利只涉及重力补偿器的结构,并未涉及对重力补偿器的控制策略以及控制参数的校正的公开或介绍。
    现有技术中的精密运动装备中,采用三个气动重力补偿器来补偿物体重力的方案比较常见,但同时针对三个重力补偿器的控制策略尚不多见。目前已知的重力补偿器控制目标是:一、补偿物体重力;二、参与Z向驱动。现有技术中的针对重力补偿器的控制策略中,使三个重力补偿器的气缸共用一个气路,因此气动伺服环路只有一个,且只能调节一个气压值。其缺点是当物体存在倾斜时,一个气路很难调节平衡。另外校准参数只有执行器偏置,不利于提高重力补偿器的控制精度。
    发明内容
    为了克服现有技术中存在的缺点,本发明提供一种新的基于重力补偿器的控制方法,用以实现物体在Z、Rx、Ry方向的精密运动。
    为了实现上述发明目的,本发明公开一种基于重力补偿器的控制方法,其特征在于,包括:
    步骤一:将所述重力补偿器与垂向电机环路并联控制物体做三自由度Z、Rx、Ry运动,所述重力补偿器与垂向电机共用三个分别与所述三自由度对应的逻辑轴,所述重力补偿器提供物体在所述三自由度运动的驱动力;
    步骤二:信号经三个逻辑轴的控制器后分为垂向电机控制通路和重力补偿器控制环路,所述重力补偿器控制环路包括三个独立气路;
    步骤三:对所述重力补偿器控制环路的参数进行校准,使用校准后的参数参与重力补偿器控制环路以控制所述重力补偿器。
    其中,所述步骤二中重力补偿器控制环路具有开环和闭环功能,开环时重力补偿器平衡静态重力,闭环时参与动态驱动力补偿。
    其中,所述步骤三中待校准参数依次为:比例压力阀因子、执行器偏置和增益平衡矩阵,所述比例压力阀因子为3个,所述执行器偏置有3个,所述增益平衡矩阵为3×3阶,有9个元素。
    其中,所述步骤二中重力补偿器控制环路包括:所述比例压力阀因子,所述执行器偏置,所述增益平衡矩阵,测量系统,重力补偿器控制器,重力补偿器单元,比例压力阀和前馈设定值。
    其中,所述比例压力阀因子的校准步骤具体包括:
    步骤1.1:所述重力补偿器控制环路断开,所述执行器偏置清零,设置所述前馈设定值;
    步骤1.2:测量重力补偿器单元气腔内部的气压,根据所述气压和重力补偿器的活塞面积得到校准后的比例压力阀因子。
    其中,所述比例压力阀因子的校准公式为:
    ,
    其中i的取值为1至3,Factori,cal是校准后的比例压力阀因子,Factori,old 是校准前的比例压力阀因子,F是前馈设定值,Pi是重力补偿器气腔内部的气压,Si为第i个重力补偿器的活塞面积。
    其中,所述执行器偏置的校准根据逻辑轴控制器的输出进行计算,并采用叠代方法来计算校准后的执行器偏置。
    其中,所述执行器偏置的校准步骤具体包括:
    步骤2.1:所述重力补偿器控制环路断开,设置所述前馈设定值,所述执行器偏置清零;
    步骤2.2:使用校准后的比例压力阀因子,垂向电机控制通路闭环,三个逻辑轴设定值为0;
    步骤2.3:追踪逻辑轴控制器的输出,取平均值;
    步骤2.4:计算重力补偿器输出力的增量,再叠加到校准前执行器偏置上,得到校准后的执行器偏置;
    步骤2.5:重复步骤2.3和2.4,直到所有重力补偿器输出力的增量都小于设定值,校准结束。
    其中,所述执行器偏置的校准公式为:

    其中,,Offset1,old,Offset2,old,Offset3,old为校准前执行器偏置,Offset1,cal,Offset2,cal,Offset3,cal为校准后的执行器偏置,FZTRxTRy分别为Z、Rx、Ry的逻辑轴控制器的输出,GB为增益平衡矩阵,取初始设计值,ΔF为重力补偿器输出力的增量。
    其中,所述增益平衡矩阵的校准采用计算逻辑轴间相互串扰的方法来计算增益平衡矩阵。
    其中,所述增益平衡矩阵的校准步骤具体包括:
    步骤3.1:校准垂向电机伺服环路,使用校准后的比例压力阀因子和执行器偏置,使垂向电机闭环,逻辑轴设定值为0,重力补偿器控制环路闭合;
    步骤3.2:计算Z逻辑轴设定点加速度、Rx逻辑轴控制器的输出、Ry轴逻辑控制器的输出相对于各自平均值的偏差,计算Z自由度对Rx自由度、Z自由度对Ry自由度的串扰和串扰系数,更新增益平衡矩阵的对应系数;
    步骤3.3:计算Rx对Z和Ry自由度的串扰和更新增益平衡矩阵的对应系数,以及计算Ry对Z和Rx自由度的串扰和更新增益平衡矩阵的对应系数;
    步骤3.4:将校准前与校准后的增益平衡矩阵进行比较,如果增益平衡矩阵的所有元素的变化量小于给定值,则校准结束,否则返回步骤3.2继续计算。
    现有技术中存在的重力补偿器控制方法基于单气路控制,同时只校准一个参数:执行器偏置,校准方法基于差分传感器的测量。本发明中的重力补偿器控制方法,基于三气路控制策略,同时校准三种参数:比例压力阀因子、执行器偏置和增益平衡矩阵,一共有15个参数。比例压力阀因子和增益平衡矩阵为新增测校项,执行器偏置校准所用方法与已知方法不同。三个校准项按顺序进行,完全解耦。通过三个参数的校准,可使重力补偿器开环和闭环状态下的控制环路性能达到最优。
    附图说明
    关于本发明的优点与精神可以通过以下的发明详述及所附图式得到进一步的了解。
    图1是本发明的第一实施方式的重力补偿器的结构布局示意图;
    图2是本发明的第一实施方式的重力补偿器的控制环路图;
    图3是本发明的第二实施方式的重力补偿器的结构布局示意图;
    图4是本发明的第二实施方式的重力补偿器的控制环路图;
    图5是本发明所涉及的重力补偿器参数校准流程图。
    具体实施方式
    下面结合附图详细说明本发明的具体实施例。
    本发明提供一种基于重力补偿器的垂向控制方法,该重力补偿器可平衡物体重力并在Z、Rx、Ry方向提供物体垂向运动的驱动力,该重力补偿器与垂向电机环路并联,该重力补偿器包括三个独立气路,该重力补偿器与垂向电机共用垂向三个逻辑轴,信号经该逻辑轴后分为两路,一路控制该垂向电机,另一路控制该重力补偿器。
    图1是本发明的第一实施方式的重力补偿器的结构布局示意图。如图1中所示,重力补偿器采用通用的气浮结构,布局为三角形。1为工件台承载台,即运动对象或称运动物体。工件台承载台1的质心在点O。2是重力补偿器,整个系统中采用三个重力补偿器2a、2b、2c呈等腰三角形布置,沿垂向分别提供一个气动力,三个气动力组合来平衡工件台承载台1的重力。3是垂向电机,三个电机3a、3b、3c呈等腰三角形布置,与三个重力补偿器交错布置,沿垂向分别提供一个电机力,驱动工件台承载台1在垂向作三自由度(Z、Rx、Ry)运动。在本发明中Z方向是指与水平面相垂直的方向,X方向是指与水平面平行的方向,Y方向是指与水平面平行且与X方向垂直的方向,Rx方向是指绕X轴转动的方向,Ry方向是指绕Y轴转动的方向。
    图2是本发明的第一实施方式的重力补偿器的控制环路图。如图2中所示,运动物体1垂向三自由度Z、Rx、Ry同时控制,因此有三个伺服逻辑轴。在逻辑轴控制器之后,信号被分为两路:第一路用来控制垂向电机,第二路用来控制重力补偿器。垂向电机和重力补偿器并联控制运动物体1。第一路垂向电机控制通道为:垂向电机GB矩阵,垂向电机,工件台结构,测量系统。图2中,103a、103b、103c 是控制器输出位置,104a、104b、104c 是测量系统输出位置,105a、105b、105c是前馈设定值输出位置。该第一路控制通道为通用技术,不再赘述。第二路重力补偿器控制环路包括:重力补偿器GB矩阵,GC控制器,前馈设定值,执行器偏置,比例压力阀因子,比例压力阀,GC单元,工件台结构以及测量系统。以下将结合图2详细介绍该GC控制环路。
    重力补偿器控制环路具有开环和闭环功能,开环时重力补偿器平衡静态重力,闭环时参与动态驱动力补偿。在该重力补偿器控制环路中,增益平衡GB矩阵负责将逻辑轴Z、Rx、Ry的控制力转换为三个GC的输出力。三个GC的输出力分别经过对应的GC1控制器、GC2控制器及GC3控制器,GC控制器负责对GC输出力进行调节。GC控制器和前馈设定值中间有逻辑开关101a、101b、101c,分别负责对应气路的GC的开环和闭环控制。执行器偏置提供一个修正值,以保证运动物体1在前馈设定值的作用下能准确地浮起并且没有倾斜,同样的,该执行器偏置针对三个气路分别修正。比例压力阀因子用于抵消比例压力阀的增益和比例压力阀至重力补偿器单元之间的气路压力的变化。以上介绍的部件均为数字控制器部件。以下介绍的部件为硬件部件,包括比例压力阀、GC单元、工件台结构,此处不赘述。在GC单元中,安装有压力传感器102a、102b、102c,分别用于测量三路GC气腔内部的气压值。运动物体1的控制依靠测量系统进行闭环反馈,测量系统将所测传感器物理轴的数值转换为垂向三个逻辑轴的测量值Z、Rx、Ry。
    第一实施方式的重力补偿器控制环路中需要校准的参数有三种:比例压力阀因子,执行器偏置和增益平衡矩阵。其中,所述比例压力阀因子有3个,所述执行器偏置有3个,所述增益平衡矩阵有9个元素。所述三种参数的校准按顺序进行,完全解耦。所述重力补偿器参数的详细校准流程见下面第三段。
    图3是本发明的第二实施方式的重力补偿器的结构布局示意图。三个重力补偿器2a、2b、2c与三个垂向电机3a、3b、3c布局重合,每个位置处重力补偿器与电机并联,连接到工件台承载台1上。所述重力补偿器控制策略仍然适用,所述重力补偿器参数校准方法仍然适用。
    图4是本发明的第二实施方式的重力补偿器的控制环路图。如图4中所示,运动物体1垂向三自由度Z、Rx、Ry同时控制,因此有三个伺服逻辑轴。在逻辑轴控制器之后,信号被分为两路:第一路用来控制垂向电机,第二路用来控制重力补偿器,垂向电机和重力补偿器,并联控制运动物体1。与第一实施方式中公开的控制方法相比较,GC控制器和GC前馈设定值在垂向逻辑轴上,不在气路物理轴上。GB矩阵在前馈设定值后将逻辑轴作用力转换为气路物理轴作用力。所述GC参数校准中,比例压力阀因子校准仍然独立且不受影响,执行器偏置和增益平衡矩阵的校准耦合在一起,互为前提,需要反复校准。
    重力补偿器参数校准,其中比例压力阀因子、执行器偏置校准在重力补偿器开环状态下进行测试,增益平衡矩阵校准在重力补偿器闭环状态下进行测试。校准方法如下所述。校准流程如图5所示。
    第一步、比例压力阀因子校准
    记3个比例压力阀因子分别为:Factor1,Factor2,Factor3,校准前为:Factor1,old,Factor2,old,Factor3,old,校准后为:Factor1,cal,Factor2,cal,Factor3,cal。
    1.1a 判断是否进入该比例压力阀因子校准步骤,若“是”,则进入步骤1.1;若“否”,则判断是否进入执行器偏置校准步骤;
    1.1          所有GC控制环路开关101断开;
    1.2          所有GC执行器偏置清零;
    1.3          所有GC前馈设定值设置为F;
    1.4          分别读取3个GC压力传感器(102a, 102b, 102c)的读数Pi(i=1, 2,3),分别取平均值;
    1.5          根据下式计算校准后的比例阀因子:
                           ··········· ()
    其中:Si为第i个GC的活塞面积,取设计值。
    第二步、执行器偏置校准
    记3个执行器偏置分别为:Offset1,Offset2,Offset3,校准前为:Offset1,old,Offset2,old,Offset3,old,校准后为:Offset1,cal,Offset2,cal,Offset3,cal。
    2.1a 判断是否进入执行器偏置校准步骤,若“是”,则进入步骤2.1;若“否”,则判断是否进入增益平衡矩阵校准步骤;
    2.1         所有GC控制环路开关101断开;
    2.2         所有GC前馈设定值设置为初始值;
    2.3         所有GC执行器偏置Offseti清零;
    2.4         使用校准后的比例压力阀因子Factori,cal;
    2.5         垂向电机闭环,逻辑轴设定值为(0, 0, 0);
    2.6         追踪103a, 103b, 103c位置Z、Rx、Ry逻辑轴控制器输出,分别取平均值得到[FZTRxTRy];
    2.7         根据下式计算3个GC力的增量[ΔFGC1FGC2FGC3]:
                               ············· ()
    其中:GB为GC的增益平衡矩阵,取初始设计值。
    2.8         将3个GC力的增量[ΔFGC1FGC2FGC3]叠加到GC原有偏置Offseti,old上,得到校准后的执行器偏置,如下:
                        ·········· ()
    2.9         重复步骤2.6 ~ 2.8,直到3个GC力的增量[ΔFGC1FGC2FGC3]都小于某个设定值,校准结束。
    第三步、增益平衡矩阵校准
    比例压力阀因子和执行器偏置校准结束后,GC开环控制性能已达到最优。为使GC闭环伺服性能达到最优,需要校准GC环路中的增益平衡矩阵。
    校准增益平衡矩阵,前提是垂向电机伺服环路已校准完毕,即图2中从103位置到104位置之间的环路校准完毕。所述环路中校准对象和校准方法已属常见知识,此处不阐述。
    GC的增益平衡矩阵形式如下:

    3.1a 判断是否进入增益平衡矩阵校准步骤,若“是”,则进入步骤3.1;若“否”,则流程结束;
    3.1         判断垂向电机环路是否校准完毕,若“是”,则进入步骤3.2;若“否”,则流程结束;
    3.2         使用校准后的比例压力阀因子和执行器偏置;
    3.3         垂向电机闭环,逻辑轴设定值为(0, 0, 0);
    3.4         所有GC控制环路开关101闭合;
    3.5         首先计算Z对Rx和Ry方向的串扰;
    3.6         令Z轴以原点为中心做往复运动;
    3.7         追踪105a位置的Z轴设定点加速度Z_setpacc、103b位置的Rx轴控制器输出Rx_ctrlout、103c位置的Ry轴控制器输出Ry_ctrlout;
    3.8         计算Z轴设定点加速度、Rx轴控制器输出、Ry轴控制器输出相对于各自平均值的偏差,如下:
                    ······· ()
    根据下式计算Z向对Rx向、Z向对Ry向的串扰Z2RxZ2Ry,并计算串扰系数HZ2RxHZ2Ry
                  ······· ()
                 ······ ()
                            ··········· ()
                            ··········· ()
    其中:Z_Default_mass为运动物体1在Z向的默认质量(设计值)。
    根据HZ2Rx和HZ2Ry按下式更新增益平衡矩阵第一列系数:
                    ········ ()
                    ········ ()
    3.9         同理,计算Rx对Z和Ry方向的串扰,更新增益平衡矩阵第二列系数;
    3.10     同理,计算Ry对Z和Rx方向的串扰,更新增益平衡矩阵第三列系数;
    3.11     校准前与校准后的增益平衡矩阵进行比较,如果所有元素的变化量小于某个给定值,则校准结束,否则返回至步骤3.5,继续测试。
    本发明中的重力补偿器垂向控制方法,基于三气路控制策略,同时校准三个参数:比例压力阀因子、执行器偏置和增益平衡矩阵。比例压力阀因子和增益平衡矩阵为新增测校项,执行器偏置校准所用方法与已知方法不同。三个校准项按顺序进行,完全解耦。通过三个参数的校准,可使重力补偿器开环和闭环状态下的控制环路性能达到最优。
    本说明书中公开的只是本发明的较佳具体实施例,以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明的限制。凡本领域技术人员依本发明的构思通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案,皆应在本发明的范围之内。

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    基于 重力 补偿 控制 方法
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