陳興林,劉 川,周乃新,王 斌
(哈爾濱工業(yè)大學(xué)航天學(xué)院,150001哈爾濱)
光刻機(jī)的工件臺(tái)和掩模臺(tái)是高動(dòng)態(tài)精密伺服運(yùn)動(dòng)平臺(tái),它要求在高速運(yùn)動(dòng)的情況下,采用長(zhǎng)行程直線電機(jī)宏動(dòng)跟隨平面電機(jī)高精密微動(dòng)的驅(qū)動(dòng)方式,在較短的行程內(nèi)實(shí)現(xiàn)平臺(tái)高精度的定位與跟蹤.以ASML已經(jīng)商用的最先進(jìn)光刻機(jī)Twinscan XT 1950i機(jī)型為例,工作時(shí)最高速度大于0.5 m/s,加速度大于15 m/s2,定位精度小于4 nm,穩(wěn)定時(shí)間小于10 ms[1].為減小平面電機(jī)的運(yùn)動(dòng)范圍和加速度,就必須提高直線電機(jī)宏動(dòng)精密運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的軌跡跟蹤精度,因此,選擇一種能夠抗擊干擾,提高系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能,減小系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)間,準(zhǔn)確控制宏動(dòng)精密運(yùn)動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)的算法顯得尤為重要.
在光刻機(jī)的宏動(dòng)臺(tái)伺服系統(tǒng)中,系統(tǒng)中的擾動(dòng)會(huì)造成伺服性能的下降,如:齒槽效應(yīng)、端部效應(yīng)力、摩擦力、紋波推力等非線性因素[2],因此對(duì)宏動(dòng)精密運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的控制系統(tǒng)性能提出了更高的要求.在提高系統(tǒng)動(dòng)態(tài)跟蹤性能方面,Tomizuka M[3]提出了零相位跟蹤控制器(zero phase error tracking controller,ZPETC),其基本思想是基于零極點(diǎn)對(duì)消來抑制系統(tǒng)延遲而引起的相位誤差,并針對(duì)那些具有不穩(wěn)定零極點(diǎn)的系統(tǒng),在抵消掉不穩(wěn)定零點(diǎn)之后,ZPETC再補(bǔ)償這些零點(diǎn)產(chǎn)生的相位移,最終獲得零相位誤差.但是,ZPETC在具有上述優(yōu)點(diǎn)的同時(shí),存在著對(duì)系統(tǒng)建模誤差和對(duì)系統(tǒng)參數(shù)變化敏感的缺點(diǎn).為此,趙希梅[4]提出將ZPETC和干擾觀測(cè)器(disturbance observer,DOB)[5]相結(jié)合的方法,仿真得出了很好的效果.Tsu-Chin Tsao等又提出自適應(yīng)零相位跟蹤控制算法[6],通過系統(tǒng)參數(shù)的自適應(yīng)辨識(shí)來建立模型.K.Ohishi等[7]提出一種零相位誤差跟蹤(zero phase error tracking,ZPET)和前饋(feed forward,F(xiàn)F)控制相結(jié)合的控制方法,并將此ZPET-FF方法應(yīng)用于磁道跟蹤伺服控制中.
本文提出將ZPETC-FF和DOB相結(jié)合的方法應(yīng)用到精密運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的控制中,首先建立精密運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的控制模型,其次規(guī)劃平臺(tái)五階S曲線運(yùn)動(dòng)軌跡,再給出ZPETC-FF和DOB相結(jié)合的具體算法,最后通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該方法的有效性.
本文研究的精密運(yùn)動(dòng)平臺(tái)只針對(duì)宏動(dòng)臺(tái),微動(dòng)臺(tái)固定在宏動(dòng)臺(tái)上不動(dòng).宏動(dòng)臺(tái)由氣浮導(dǎo)軌導(dǎo)向,直線電機(jī)驅(qū)動(dòng),用光柵尺測(cè)量臺(tái)體與基礎(chǔ)框架之間的位移x作為位置反饋.考慮平臺(tái)中各質(zhì)量塊連接剛度足夠,建立等效模型示意圖,如圖1所示.其中,m為直線電機(jī)動(dòng)子上的總質(zhì)量,F(xiàn)為直線電機(jī)力輸入,c為阻尼系數(shù).因?yàn)橄到y(tǒng)由氣浮導(dǎo)軌支撐,所以臺(tái)體與氣浮臺(tái)面之間的剛度k,可以忽略不計(jì).
圖1 運(yùn)動(dòng)平臺(tái)機(jī)械模型
直線電機(jī)因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)和負(fù)載形式的不同,其數(shù)學(xué)模型差別較大[8-11],本文結(jié)合直線電機(jī)的具體結(jié)構(gòu)和負(fù)載形式,建立如下的數(shù)學(xué)模型:
式中:i(t)為直線電機(jī)線圈回路中的電流輸入;Fd為推力擾動(dòng);km表示直線電機(jī)的力常數(shù).
式中:U(t)表示加在直線電機(jī)動(dòng)子線圈兩邊的電壓;E表示線圈移動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的反電勢(shì);R表示線圈回路電阻;L表示線圈回路電感.
式中ke表示和速度有關(guān)的反電動(dòng)勢(shì)系數(shù).聯(lián)立解式(1)~(4),可得到直線電機(jī)位移與控制電壓之間的傳遞函數(shù)為
為達(dá)到高精度點(diǎn)對(duì)點(diǎn)軌跡規(guī)劃,采用五階S曲線軌跡.相比低階軌跡,五階軌跡的軌跡輪廓更光滑,對(duì)基礎(chǔ)框架沖擊更小,振動(dòng)更少,達(dá)到的位置精度更高[12].圖2所示為一種典型的五階加速軌跡,改變給定的約束條件,amax,jmax,dmax和fmax都可能不存在,因此軌跡規(guī)劃存在很多種可能情形.各時(shí)間段計(jì)算公式見式(6)~(10).
圖2 五階點(diǎn)對(duì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡
式中f0、d0、j0、a0、v0、x0為初始邊界條件,t為時(shí)間.
精密運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的控制器結(jié)構(gòu)如圖3所示,包括雙環(huán)PID控制、ZPETC-FF和DOB.雙環(huán)PID控制器設(shè)計(jì)了速度環(huán)控制器和位置環(huán)控制器,采用二自由度控制系統(tǒng)可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定性及抗干擾能力的情況下,通過配置系統(tǒng)零極點(diǎn)提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力.
圖3 運(yùn)動(dòng)平臺(tái)控制器結(jié)構(gòu)
前饋控制器采用ZPETC的原理設(shè)計(jì),反饋控制則運(yùn)用兩個(gè)PID反饋控制器來實(shí)現(xiàn),其傳遞函數(shù)分別為C1(z-1)和C2(z-1).ZPETC-FF控制器由信號(hào)估計(jì)器G(z-1)(signal estimator)、儲(chǔ)存器z-n+2(memory)、低通濾波器F(z-1)(LPF)和預(yù)校正器Gf(z-1)(Pre-compensator)等幾個(gè)部分組成.
由圖3可知,反饋控制系統(tǒng)的閉環(huán)系統(tǒng)傳遞函數(shù)為
式中:z-d為閉環(huán)系統(tǒng)所造成的d步延遲;Bc+(z-1)為穩(wěn)定的零點(diǎn)多項(xiàng)式,Bc-(z-1)為不穩(wěn)定的零點(diǎn)多項(xiàng)式.
前饋控制系統(tǒng)中的Gf(z-1)傳遞函數(shù)為
由上式可見,ZPETC是非因果的,在運(yùn)用時(shí)至少要提前1步獲得指令,也就是超前兩個(gè)采樣周期的信號(hào)(d=2).
圖3中z-n+2中的n為儲(chǔ)存器的大小,它和兩個(gè)采樣時(shí)間之前的臺(tái)體運(yùn)動(dòng)周期匹配,將以前控制周期內(nèi)的控制信號(hào)作為未來時(shí)刻的值,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的重復(fù)控制.F(z-1)為低通濾波器,用于消除跟蹤誤差信號(hào)中的高頻噪聲.G(z-1)用于估計(jì)出系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)跟蹤誤差,以計(jì)算Gf(z-1).圖3中的控制系統(tǒng),滿足以下等式:
并且有
由此可得系統(tǒng)的跟蹤誤差為
利用歐拉公式ejωT=cosωT+jsinωT,將復(fù)數(shù)序列由指數(shù)形式轉(zhuǎn)變成三角函數(shù)形式可知,當(dāng)z=ejωT時(shí),表達(dá)式Bc+(z-1)Bc-(z)/[Bc-(1)]2的相位差為0;當(dāng)ω趨近于0時(shí),z趨近于1,則有Bc+(z-1)Bc-(z)/[Bc-(1)]2的幅值也趨近于1,所以系統(tǒng)的跟蹤誤差收斂于0.
DOB的基本原理就是將外部力矩干擾及模型參數(shù)變化造成的實(shí)際對(duì)象與名義模型的逆P-1n(s)的輸出的差異,等效到控制輸入端,即觀測(cè)出等效干擾,在控制中引入等量的補(bǔ)償,實(shí)現(xiàn)對(duì)干擾的完全抑制.DOB的原理如圖4所示.
圖4 DOB的原理框圖
圖中,Gp(s)為對(duì)象的傳遞函數(shù),Gn-1(s)為名義系統(tǒng)模型Gn(s)的逆,u為速度環(huán)的給定輸入信號(hào),d為系統(tǒng)的外部干擾,為干擾的估計(jì)量,ξ為測(cè)量噪聲,P(s)為實(shí)際對(duì)象的傳遞函數(shù),Q(s)為低通濾波器.
由圖4求出等效干擾的估計(jì)值及從u到y(tǒng)的傳遞函數(shù)GUY(s)分別為
將圖4作等效變換,可得到簡(jiǎn)化的框圖,如圖5所示.
圖5 原理圖等效變換
由圖5可求得從d到y(tǒng)的傳遞函數(shù)GDY(s)和從ε到y(tǒng)的傳遞函數(shù)Gεy(s)分別為
圖5表明,這個(gè)擾動(dòng)估計(jì)與補(bǔ)償系統(tǒng)本身也是一個(gè)反饋回路,系統(tǒng)的帶寬要受到魯棒穩(wěn)定性的限制,所以Q(s)的帶寬也不能太寬,要在擾動(dòng)抑制和魯棒穩(wěn)定性之間找一個(gè)折中,另外,Q(s)的設(shè)計(jì)要滿足Q(s)Gn-1(s)為正則.在本文中,Q(s)為3階濾波器,時(shí)間常數(shù)取為τ=0.002,則
在低頻段時(shí),Q(s)→1,有
在高頻段時(shí),Q(s)→0,有
可以看出,在低頻段時(shí),DOB使得實(shí)際對(duì)象的響應(yīng)與名義模型的響應(yīng)一致,實(shí)現(xiàn)了對(duì)實(shí)際模型與名義模型偏差的補(bǔ)償.
圖6為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),精密運(yùn)動(dòng)平臺(tái)電機(jī)采用線性無刷直線伺服電機(jī)BLMC-192-A,行程為200 mm,母線最高電壓320 VDC,運(yùn)動(dòng)位置由RENISHAW公司的XL-80激光干涉儀測(cè)得,其定位精度±1 nm,線性測(cè)量精度±0.5×10-6;運(yùn)動(dòng)控制卡為自制版卡,采用TI公司的TMS320C6416型DSP芯片,主頻1 GHz;運(yùn)動(dòng)平臺(tái)質(zhì)量m為38 kg.反電動(dòng)勢(shì)常數(shù)ke為26.89 V/m/s,力常數(shù)km為33.09 N/A,25℃時(shí)電阻值R為6.4 Ω,電感值L為1.9 mH.
圖6 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)物圖
精密運(yùn)動(dòng)平臺(tái)要跟蹤的五階S曲線參數(shù)如表1所示,擬合出的曲線見圖7.圖8為只有PID控制時(shí),運(yùn)動(dòng)平臺(tái)跟蹤五階S曲線的跟蹤誤差,在加減速時(shí),最大誤差為0.16 mm;在速度為勻速時(shí),最大誤差為0.05 mm.此時(shí)系統(tǒng)跟蹤誤差較大是因?yàn)橄到y(tǒng)中沒有濾波器,引入了很多的噪聲,而且沒有前饋補(bǔ)償,帶寬有限,最終導(dǎo)致控制誤差偏大.
表1 五階S曲線參數(shù)
圖7 五階S曲線
圖8 PID控制下的誤差曲線
圖9為速度和加速度前饋、PID和DOB復(fù)合控制下的跟蹤誤差曲線,圖10為圖9局部放大的誤差曲線.在引入干擾觀測(cè)器后,系統(tǒng)中的未知擾動(dòng)和測(cè)量噪聲得到有效抑制,并對(duì)擾動(dòng)進(jìn)行估計(jì)和補(bǔ)償,使控制誤差明顯減小.在加減速時(shí),最大誤差為0.8 μm;在勻速運(yùn)行時(shí),誤差逐步減小,在第670個(gè)采樣點(diǎn)附近,系統(tǒng)趨于穩(wěn)定,誤差始終保持在一定范圍內(nèi),最大誤差為0.03 μm.
圖9 PID+DOB控制下的誤差曲線
圖10 放大的誤差曲線(PID+DOB)
圖11為ZPETC-FF、PID和DOB復(fù)合控制下的軌跡跟蹤誤差曲線,圖12為圖11局部放大的誤差曲線.在加減速時(shí),最大誤差為0.5 μm;在勻速運(yùn)行時(shí),誤差逐步減小,在第500個(gè)采樣點(diǎn)附近,系統(tǒng)趨于穩(wěn)定,誤差始終保持在一定范圍內(nèi),最大誤差為0.02 μm.誤差減小的原因主要有以下兩點(diǎn):1)臺(tái)體的運(yùn)動(dòng)軌跡已經(jīng)規(guī)劃好,ZPETCFF預(yù)先獲得位置指令,將控制指令提前,并且不斷重復(fù)修正,所以跟蹤誤差減小,系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)間也減??;2)ZPETC-FF是一種非因果的前饋控制器,提高了系統(tǒng)位置閉環(huán)帶寬,減小了加減速時(shí)的位置跟蹤誤差,提高了系統(tǒng)控制精度.
圖11 ZPETC-FF+PID+DOB控制下的誤差曲線
在圖9~12中,宏動(dòng)臺(tái)在加減速運(yùn)動(dòng)時(shí),存在誤差峰值,且峰值幅度隨速度的增大而增大,原因主要有以下4點(diǎn):1)電機(jī)加減速時(shí),控制指令加減速變化較大,引起繞組電流變化,導(dǎo)致磁阻推力相應(yīng)變化,從而造成較大位置誤差;2)直線電機(jī)加減速時(shí),系統(tǒng)沖擊較大,電機(jī)定子存在較大慣性時(shí)滯.臺(tái)體減速時(shí)的誤差要小于臺(tái)體加速時(shí)的誤差,這是因?yàn)榕_(tái)體從高速開始逐步減速時(shí),具有較大的慣性,其運(yùn)動(dòng)慣性極大地阻尼掉了磁阻推力的干擾影響,這是實(shí)驗(yàn)結(jié)果中臺(tái)體在減速時(shí)位置誤差相對(duì)較小的主要原因.3)臺(tái)體的運(yùn)動(dòng)軌跡為5階S曲線,系統(tǒng)即有5階輸入指令,在前饋沒有完全物理實(shí)現(xiàn)的情況下,低階系統(tǒng)不能夠完全跟蹤5階高階輸入指令,系統(tǒng)必然存在靜差,從而在加減速時(shí)產(chǎn)生相比勻速時(shí)更大的位置偏差.4)前饋補(bǔ)償?shù)氖阶右话憔哂斜容^復(fù)雜的形式,故全補(bǔ)償條件的物理實(shí)現(xiàn)有困難.在工程實(shí)際中,大多采用滿足跟蹤精度要求的部分補(bǔ)償條件,或者在對(duì)系統(tǒng)性能起主要影響的頻段內(nèi)實(shí)現(xiàn)近似全補(bǔ)償,以使前饋補(bǔ)償?shù)男问胶?jiǎn)單并易于物理實(shí)現(xiàn),因此在加減速和勻速時(shí),都存在誤差.
通過對(duì)比3種控制策略的位置跟蹤誤差曲線,發(fā)現(xiàn)采用ZPETC-FF+PID+DOB的控制策略的系統(tǒng)誤差更小,系統(tǒng)達(dá)到的精度更高,驗(yàn)證了該方法的有效性.
圖12 放大的誤差曲線(ZPETC-FF+PID+DOB)
本文針對(duì)精密運(yùn)動(dòng)平臺(tái)系統(tǒng),提出了基于ZPETC-FF和DOB相結(jié)合的復(fù)合控制策略,通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的有效性.結(jié)論如下:
1)對(duì)于軌跡預(yù)知的系統(tǒng),ZPETC-FF能夠提高系統(tǒng)的帶寬和跟蹤能力,減小系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)間,使系統(tǒng)達(dá)到一個(gè)很高的精度.
2)DOB作為魯棒反饋控制器,能夠有效抑制干擾和補(bǔ)償系統(tǒng)擾動(dòng).
3)采用ZPETC-FF、DOB和PID相結(jié)合的復(fù)合控制方式,可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定性及抗干擾能力的同時(shí),提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力,此控制模型可以推廣到其他軌跡預(yù)知的控制系統(tǒng).
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該方法滿足光刻機(jī)工件臺(tái)對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的高速、高精度軌跡控制要求.
[1]SCHMIDT R H.Ultra-precision engineering in lithographic exposure equipment for the semiconductor industry[J].PhilosophicalTransactionsoftheRoyalSocietyA:Mathematical,Physical and Engineering Sciences,2012,370(1973):3950-3972.
[2]孫宜標(biāo),閆峰,劉春芳.基于μ理論的永磁直線同步電機(jī)魯棒重復(fù)控制[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2009,29(30):52-57.
[3]TUMIZUKA M.Zero phase error tracking algorithm for digital control[J].ASME Journal of Dynamic Systems Measurement and Control,1987,109(4):65-68.
[4]趙希梅,郭慶鼎.基于ZPETC和DOB的永磁直線同步電機(jī)的魯棒跟蹤控制[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2007,27(30):60-63.
[5]OHNISHI K.A new servo method in mechatronics[J].IEEE Transaction son Electrical and Electronic Engineering,1987,107(D-1):83-86.
[6]TSAO T C,TOMIZUKA M.Adaptive zero phase error tracking algorithm for digital control[J].Journal of Dynamic System,Measurement and Control,1987,109(4):349-354.
[7]OHISHI K,MIYAZAKI T,INOMATA K,et al.Robust feed-forward tracking servo system considering force disturbance for the optical recording system[J].IEEE Trans.Ind.Electron,2006,53(3):838-847.
[8]陳幼平,杜志強(qiáng),艾武,等.一種短行程直線電機(jī)的數(shù)學(xué)模型及其實(shí)驗(yàn)研究[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2005,25(7):131-136.
[9]YAN M,HUANG K,SHIU Y,et al.Disturbance observer and adaptive controller design for a linearmotor-driven table system[J].International Journal of Advanced Manufacturing Technology,2007,35(3/4):408-415.
[10]LI S H,LIU Z G.Adaptive speed control for permanent magnet synchronous motor system with variations of load inertia[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2009,56(8):3050-3059.
[11]武志鵬,陳興林,劉川.光刻機(jī)工件臺(tái)宏微系統(tǒng)的滑模變結(jié)構(gòu)控制[J].光電工程,2011,38(9):50-54.
[12]武志鵬,陳興林.精密硅片臺(tái)步進(jìn)掃描運(yùn)動(dòng)的5階S曲線規(guī)劃[J].光電工程,2012,39(8):99-104.