bob半岛官网-高精度激光直写数字伺服滤波器的设计

激光平写出技术是一种近年来应用于普遍的超强仪器加工技术。该技术是一种利用强度星型的激光束，在基片表面实行有规则的高精度扫瞄。在扫瞄过程中，光刻基片随载物平台而运动。

因此影响光刻元件的质量各不相同载物平台的定位精度以及运动的稳定性，影响光刻元件的快速性各不相同系统的号召度。　　基于数字式控制器的运动控制器是超强仪器定位系统的关键。由于数字控制器滤波器是数字式控制器的运动控制器的核心，从而数字控制器滤波器的设计将影响系统的定位精度。

　　数字控制器滤波器是指系统的闭环控制与调节使用数字技术，所有掌控调节构建软件化。调节器的全部软件化使掌控理论中很多掌控思想和手段以求应用于。同时利用软件很更容易已完成参数的自由化和故障的自临床功能，使系统控制性能大大提高，从而解决了仿真型闭环伺服系统对黯淡信号的信噪无以分离出来、控制精度无以提升、更容易不受机械摩擦和温度影响，方位环控制产生零点飘移误差等缺点。

　　1控制器控制系统结构及分析　　1．1控制器控制系统结构　　整个控制器控制系统的硬件结构如图1右图。上级装置由DSP处理器和D／A切换模块构成，控制器单元由安川控制器驱动器构成。

整个系统是一个闭环伺服电机控制系统。DSP处理器产生梯形运动曲线的数字脉冲信号，通过设计的数字滤波器，必要驱动D／A转换器产生仿真电压，经过控制器单元驱动伺服电机。

实际运动中的方位和速度信号由电机对系统给光编码器，并由光电编码器产生数字信号，然后传输给DSP展开收集处置。　　　　1．2系统分析　　该方案的关键是解决问题电机轴与阻抗之间的粘性摩擦和外界对电机及变换器的阻碍等问题。由于摩擦环和外界阻碍的不存在，系统的动态及静态性能受到相当大程度的影响，主要展现出为短距离时经常出现乌龟现象，稳态时有较小的静差或经常出现无限大的环波动。为了符合激光直写的拒绝，系统还必需具备响应速度慢、定位时间较短，稳态精度高等特点。

若启动速度太快或过冲，暂停时间过长，系统则具备很强的波动，且噪声大。　　2数字滤波器的设计　　2．1数字控制器滤波器模型设计　　通过大量实验，对系统展开分析后找到：对方位偏差掌控使用PID掌控方法可以提升精度和阶跃号召；重新加入速度和加速度前馈补偿掌控方法可以提升系统的稳态精度；重新加入摩擦补偿可以解决摩擦力的影响。因此，此方案没计是一种既利用方位误差展开闭环控制，又利用等价方位信号展开开环的填充控制系统。　　则系统控制输入U(t)=Up(t)+Uva(t)+Uf(t)，其中Up(t)为PID控制器，Uva(t)为速度和加速度补偿控制器，Uf(t)为摩擦补偿控制器。

　　方位式PID掌控中，其传递函数为：（1）　　实验设计的速度和加速度前馈补偿分部时，使用最低阶次2，模型简化为：　（2）　　在Stribeck摩擦模型中，由于摩擦力和速度的关系，其处加阻碍掌控回应为：　（3）　　其中Fc和bc贞粘性摩擦模型等效到方位球的估算系数，该系数根据实际情况确认。　　将式（1）和式（3）做到Z转换后，于是获得带上前馈补偿的PID掌控算式为：　　PID控制器滤波器掌控规律如图2右图。　　　　图2中Kp为比例增益，Ki为分数增益，Kd为微分增益，Kvff为速度前馈增益，Kaff为加快前馈增益，Kf为粘性摩擦系数，En为方位偏差，Vt为t时刻速度，At为t时刻的加速度，输入的B静态误差主要用作补偿掌控轴不受重力的影响。

对滤波器输入对应的模拟量，由输入的饱和状态控制器展开容许。　　2．2参数调节　　在方位PID调节器中比例增益Kp的大小要求系统的快速性，分数增益Ki的起到是避免系统的静态误差。微分增益Kd的起到是减少阻尼，增加波动。

调节过程是再行调节Kp，再行调节Ki，然后调节Kd。第1次原作Ki增益时，如果把Ki原作为一非O值将引发忽然的冲刺。为防止这种情况，必须把分数缩(分数部分的饱和状态控制器)设置为0，Ki原作为期望值，再行设置分数限到希望的分数缩。这样就清理了所有以前的分数值，从而使分数从前一个点开始稳定运算。

接着调节Kvff，Kaff，从而提升系统的稳态精度。最后调节Kf，从而解决摩擦力的影响。　　在启动阶段调节Kvff，Kaff过大会使速度过慢而造成方位过冲。

在滑行阶段调节Kvff，Kaff过小，不会使定位时间过长。根据最优控制思想，如果系统按照仅次于加速度启动，仅次于速度运动，仅次于减半速度制动器，就可以以最短时间无超调地超过协商点。

因此，参数调节时应按照启动，直线运动，滑行3个阶段分别设置。　　3MATLAB设计与建模　　3．1建模模块设计　　根据设计原理，图l中的偏差计数模块就等效为带上前馈补偿的PID控制器，并设计成图2中所对应的部分，并且将D／A转换器等效设计成线性的数据通过零阶维持器；将安川控制器驱动器等效速度环和电流的环；输入的信号使用建模示波器展开仔细观察。

因此整个控制器三环PID建模原理如图3右图。　　　　　　　　其中，rin(k)为取样K时刻的方位输出信号，为了能仿真实际的效果，将输出的rin(k)设置为点状的方位信号，此时输出指令为正弦变换信号；drin(k)为取样K时刻的速度输出信号；ddrin(k)为取样K时刻的加速度输出信号，并且drin(k+1)=(rin(k+1)-rin(k))／ts，ddrin(k+1)=(drin(k+1)-drin(k))／ts。　　3．2建模波形　　对于高精度的激光平写出，取决于其性能主要各不相同速度的平稳、号召度和方位的准确。

因此在图3的建模中，要根据实际情况，多次调节控制系统参数，并经过分析和对比，借此获得一幅速度平稳、方位准确的追踪图，其建模波形如图4右图。　　　　图4(a)为速度追踪结果，设置的速度和实际的速度重合，速度平稳，平稳掌控在0．1％内。

在0时刻附近经常出现了速度忽然的冲刺，是由于没调节分数缩。因此在实际情况中应再行把分数缩(饱和状态控制器)设置为O，Ki原作为期望值，再行设置分数限到希望的分数缩。　　图4(b)为方位追踪结果，输入的实际方位和设置的目标方位重合。

方位定位准确低，精度掌控在0．1％内。　　建模结果表明在具有摩擦条件下，方位追踪没不存在平顶现象，速度追踪没不存在杀区现象。

方位追踪定位精度低，速度追踪稳态精度高。　　4软件构建　　控制器单元模块由控制器驱动器设计，其参数调节可以在控制器驱动器中设置，详尽参照驱动器用户手册。

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