超精密定位音圈電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)研究.pdf

1、IC制造業(yè)是高科技產(chǎn)業(yè)的代表，受到世界各國日益重視，其核心指標(biāo)是光刻機(jī)的線寬和產(chǎn)片率。目前，隨著這兩項(xiàng)指標(biāo)的提高，超精密定位技術(shù)正向高精度、高加速度和大行程方向發(fā)展。音圈電機(jī)（Voice Coil Motor，VCM）是一種基于洛倫茲力原理設(shè)計(jì)的直線電機(jī)，其具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、加速度高和響應(yīng)快等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于超精密定位系統(tǒng)中。為了實(shí)現(xiàn)音圈電機(jī)超精密定位運(yùn)動(dòng)控制，本文分別從音圈電機(jī)數(shù)學(xué)模型、高精度功率變換器和超精密定位運(yùn)動(dòng)控制策略三個(gè)

2、方面展開研究。
　　為了建立高頻運(yùn)動(dòng)下音圈電機(jī)精確數(shù)學(xué)模型，分別考慮空氣阻尼、電渦流阻尼和彈性剛度特性對定位精度的影響。重點(diǎn)研究音圈電機(jī)在高頻運(yùn)動(dòng)中存在的遲滯特性，并分析其產(chǎn)生機(jī)理和影響因素。通過掃描實(shí)驗(yàn)得出結(jié)論即遲滯特性與運(yùn)動(dòng)頻率和運(yùn)動(dòng)行程密切相關(guān)。與此同時(shí)，分析電渦流阻尼力產(chǎn)生的原因及影響因素。在兩種不同材料定子的條件下，通過音圈電機(jī)自由振蕩實(shí)驗(yàn)，準(zhǔn)確辨識(shí)空氣阻尼系數(shù)和電渦流阻尼系數(shù)。除此之外，測試音圈電機(jī)的機(jī)械諧振頻率，設(shè)計(jì)

3、陷波器消除機(jī)械諧振峰。
　　在響應(yīng)時(shí)間、定位精度和效率都要求極高的光刻機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中，音圈電機(jī)功率變換器必須同時(shí)具備高功率、高精度和高帶寬等特性。為了解決傳統(tǒng)功率變換器高功率和高精度矛盾問題，本文提出一種開關(guān)線性串聯(lián)混合功率放大器，其中開關(guān)功率變換器采用不對稱級聯(lián)H橋七電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，多頻率載波PWM調(diào)制方法有效解決了不對稱級聯(lián)H橋七電平功率變換器的電流倒灌問題。同時(shí)，推導(dǎo)不對稱級聯(lián)H橋功率變換器輸出電壓諧波和電流紋波表達(dá)式，設(shè)計(jì)

4、LCCR低通濾波器濾除電壓諧波和電流紋波?；诰€性功率放大器的電壓閉環(huán)控制用來補(bǔ)償開關(guān)功率變換器所產(chǎn)生的電壓誤差，為了快速和準(zhǔn)確補(bǔ)償其電壓誤差，采用雙PI控制器，并以模擬電路方式實(shí)現(xiàn)。最終，通過直流和交流實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了開關(guān)線性混合功率變換器的有效性，其性能指標(biāo)，功率：750W；電流峰值：10A；電流紋波：1.2mA；電壓THD：2.4％（250Hz），實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明開關(guān)線性混合功率變換器同時(shí)具有高功率、高精度和低失真度等特點(diǎn)。
　　在光

5、刻機(jī)超精密定位運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中，音圈電機(jī)運(yùn)動(dòng)工況主要包括高精度軌跡跟蹤運(yùn)動(dòng)和高精度點(diǎn)對點(diǎn)定位運(yùn)動(dòng)，針對不同運(yùn)動(dòng)工況和控制要求，采用不同控制策略。在高精度軌跡跟蹤運(yùn)動(dòng)控制中，5階S型曲線作為位置指令信號(hào)，自抗擾控制(Active Disturbance Rejection Control，ADRC)策略作為位置環(huán)的控制算法。仿真結(jié)果表明，與傳統(tǒng)PID控制算法相比，自抗擾控制策略具有強(qiáng)魯棒性和高跟蹤精度。在高精度點(diǎn)對點(diǎn)定位運(yùn)動(dòng)控制中，提出一種

6、改進(jìn)式復(fù)合非線性反饋控制策略(Composite Nonlinear Feedback，CNF)，將擴(kuò)張狀態(tài)觀測器和積分器加入傳統(tǒng)復(fù)合非線性控制策略中，仿真結(jié)果表明改進(jìn)式CNF控制算法保留高動(dòng)態(tài)和低超調(diào)等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)提高了該算法的穩(wěn)態(tài)精度和抗擾性能。
　　為了驗(yàn)證音圈電機(jī)高精度點(diǎn)對點(diǎn)定位和高精度軌跡跟蹤運(yùn)動(dòng)性能，搭建了音圈電機(jī)超精密定位實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，分別在單軸空載和多軸帶負(fù)載的情況下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試，其中在單軸空載實(shí)驗(yàn)中，音圈電機(jī)在±2mm