CN101458532B - 一种超精密双层宏微运动平台的同步控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超精密双层宏微运动平台的同步控制系统，该系统包括设置在计算机内的主控制模块、两个宏微运动平台控制模块和同步控制模块；两个宏微运动平台控制模块均包括微动平台控制模块，跟随控制模块，宏动平台控制模块，激光测量模块，以及光栅测量模块。本发明引入了微动平台位置转换器，简化了微动平台的控制；提出了力作用转换器，提高了宏动平台的跟踪精度；采用宏动平台跟踪微动平台的控制方式，防止了微动平台运动饱和的发生，提高了宏微运动平台的定位精度；采用了双层宏微运动平台同步控制器，减小了同步误差，并改善了双层宏微运动平台的同步精度。本发明可应用于数控机床的运动系统，也可应用于MEMS等其他超精密定位系统。

Description

一种超精密双层宏微运动平台的同步控制系统

技术领域

本发明属于自动化技术和先进制造技术领域，具体涉及一种超精密双层宏微运动平台的同步控制系统，可应用于数控机床的运动系统，也可应用于MEMS等其他超精密定位系统。

背景技术

随着IC制造、精密测量等的不断发展，超精密双层宏微运动平台得到了日益广泛的研究与应用。超精密双层宏微运动平台包括两个宏微运动平台，每一个宏微运动平台就是一个超精密大行程、高精度的定位系统，两个宏微运动平台可呈上下分布，亦可呈左右分布，两个宏微运动平台可分别在其微动平台上承载工件和模具，并跟踪给定的轨迹同时以指定速度沿相同或相反方向运动，在特定的区域要求两个宏微运动平台中微动平台的位置或速度完全同步，从而完成工件的加工。

由于MEMS、生物医学工程、精密光学工程和超精密加工等领域的快速发展，迫切需要能够在一定的大行程范围内进行纳米级精度定位的系统及装备，各种大行程、高精度的超精密定位系统应运而生。宏微运动平台是实现大行程、高精度运动的一种有效方案，这种方案有效降低了执行器的加工难度，实现成本也比较低。一般来讲，宏动平台具有大行程的高速运动能力，微动平台虽然行程较小，但具有高精度和高频响的特点。宏动平台一般采用永磁直线电机、直流伺服电机等大行程、大负载的驱动机构进行驱动，微动平台采用压电驱动器、音圈电机、平面电机等小行程、小负载、高精度的驱动机构进行驱动。

超精密双层宏微运动平台中的两个宏微运动平台的结构完全相同，均具有X、Y、θ向的自由度。在宏微运动平台中，宏动平台采用一个永磁直线电机驱动，完成X方向的大行程、低精度运动，光栅尺读数头安装在宏动平台上，用于测量宏动平台的位移，宏动平台总行程为300mm。微动平台由四个直线电机协调驱动，完成X、Y、θ向的小行程、高精度运动，X、Y向行程为2mm，θ向行程为0.25μrad。宏动平台与微动平台的相对位置由差分传感器测得。采用激光干涉仪作为宏微运动平台控制系统的全局位置检测元件，激光干涉仪的反光镜安装在微动平台上。宏、微两级平台均采用闭式气浮导轨。宏微运动平台的定位精度为10nm，两个宏微运动平台的同步精度5nm。超精密双层宏微运动平台的结构如图1所示，图中两个宏微运动平台呈左右分布。

如图1所示，超精密双层宏微运动平台包括宏动平台直线电机1，连接板2，宏动平台3，微动平台直线电机4、5(微动平台的两个X向直线电机4a、4b，微动平台的两个Y向直线电机5a、5b)，微动平台6，第一宏微运动平台7，第二宏微运动平台8，基本框架9；其中每个宏微运动平台由5个直线电机驱动，为实现超精密双层宏微运动平台的运动控制要求，除进行10轴联动控制外，核心关键在于高速高精的宏微运动平台控制和两个宏微运动平台间的同步控制问题。宏微运动平台的控制是使微动平台上的工件加工位置的定位精动达到10nm，同步控制是使两个宏微运动平台在相同的运动轨迹下，两个微动平台上的工件加工位置的运动位移完全相同，两者之差不超过5nm。

两个宏微运动平台的同步运动是指按工艺要求的精度和快速性，实现两个宏微运动子系统的相对同步运行(速度同步)或绝对同步运行(角度或位置)或者要求速度一位移实现双重同步运行。通常，对两个宏微运动平台的同步精度的控制难度远远大于对一个宏微运动平台进行控制的难度，这是因为两个宏微运动平台的同步控制不仅要求保证两个的宏微运动平台各自的定位精度，还涉及到两个宏微运动平台控制回路间的的互相关系并使其保持一致性。在双层宏微运动平台中，影响系统同步运行性能的因素主要来自两个方面。其一就是在相对独立的两个宏微运动平台中，两个宏微运动平台各自受到的扰动，从而导致其伺服性能下降，最终影响同步运行的性能。其二就是由于两个宏微运动平台存在一定的耦合，而两个宏微运动平台的运动又不能达到绝对的完全同步，因此产生的一个系统对另一个系统的影响。

对于宏微运动平台的控制，根据控制对象及其应用场合不同，其机械结构形式及宏微运动协同控制方案也有很大的区别。在超精密运动控制中，宏微运动平台一般采用主从控制策略，分为两种：一种是宏动平台为主动系统，微动平台为从动系统，微动平台跟随宏动平台进行运动；另一种是微动平台为主动系统，宏动平台为从动系统，宏动平台跟随微动平台进行运动。这两种方法都有一个共同的缺点是：当从动平台遭受外界干扰而产生输出变化，无法反馈至主动系统，使系统失去其应有的偏差补偿能力。公开号为CN1967386A、公开日为2007年05月23日的中国专利文献提供了一种“步进扫描光刻机晶片台掩模台同步控制系统”，其中掩模台是一个宏微运动平台，晶片台非宏微运动平台，该专利文献在介绍晶片台掩模台同步控制的同时也介绍了掩模台的宏微运动控制，该发明采用一般主从式控制策略对掩模台进行控制(如该专利文献中图5所示)，掩模台中宏动平台是主动系统，微动平台是从动系统，此结构的优点在于，即使主动系统宏动平台受到外界干扰而产生不同于输入命令的输出，从动系统微动平台也会以主动系统宏动平台的输出值作为输入命令，从保证了掩模台的运动精度；缺点在于，若是从动系统微动平台遭受外界干扰而产生输出变化，该结构不具有任何将从动系统微动平台的输出反馈至主动系统宏动平台的功能，因此可能引起微动平台的饱和，微动平台的饱和不仅会使系统失去应有的偏差补偿能力，还可能引起激励系统谐振，导致控制失效。

发明内容

本发明的目的是提供一种超精密双层宏微运动平台的同步控制系统，该系统不仅可以实现双层宏微运动平台的同步运动，而且能提高宏微运动平台的精度和稳定性。

本发明提供的超精密双层宏微运动平台的同步控制系统，其特征在于：该系统包括设置在计算机内的主控制模块、第一、第二宏微运动平台控制模块和同步控制模块；

第一、第二宏微运动平台控制模块的结构相同，分别负责第一、第二宏微运动平台的控制；第一、第二宏微运动平台控制模块分别根据主控制模块提供的控制参数，计算出驱动微动平台执行器的驱动力，并将表示驱动力的数字信号转换成模拟信号，提供给微动平台执行器；然后根据微动平台与宏动平台的相对位置差信息，判断宏动平台是否需要跟随微动平台进行运动；若宏动平台需要跟随微动平台运动，则计算出驱动宏动平台执行器的驱动力，并将数字信号转换成模拟信号，提供给宏动平台执行器；

主控制模块负责总体控制，计算两个宏微运动平台的目标参数，并将目标参数分别传送到第一、第二宏微运动平台控制模块和同步控制模块；

同步控制模块负责根据第一、第二宏微运动平台控制模块传递的两个微动平台的位置信息，计算两个宏微运动平台的同步误差，并将同步误差与误差允许值进行比较，根据结果决定其中一个宏微运动平台的运动补偿量，再将补偿量传递给该宏微运动平台控制模块。

本发明要实现的是在超精密双层宏微运动平台中是两个宏微运动平台的超精密位移同步运动。本发明在保证超精密双层宏微运动平台的高速运动的前提下，控制和减少了双层宏微运动平台的同步误差，提高了宏微运动平台的定位和跟踪精度。具体而言，本发明具备以下的效果和特点：

1采用双层宏微运动平台同步控制器，减小了同步误差，并最终改善了双层宏微运动平台的同步精度；

2对于宏微运动平台中的宏动、微动平台，提出了一种宏动平台跟踪微动平台的控制方法，引入了跟随控制器，防止了微动平台运动饱和的发生，提高了宏微运动平台的定位精度；

3本发明引入了微动平台位置转换器，将微动平台的位移控制信号转换成四个直线驱动电机各自的输入信号，消除了微动平台四个直线电机的运动耦合，简化了微动平台的控制；

4本发明引入了力作用转换器，计算了宏动平台所受到微动平台的作用反力，并通过宏动平台控制模块对反力进行了抑制，提高了宏动平台的跟踪精度。

附图说明

图1为超精密双层宏微运动平台的结构示意图；

图2a为超精密双层宏微运动平台同步控制系统结构示意图；图2b为图2a中宏微运动平台控制模块200、400的内部结构示意图；

图3为超精密双层宏微运动平台的控制流程图；

图4为包括位置转换器、力作用转换器和同步控制器的超精密双层宏微运动平台同步控制系统控制原理图；

图5为微动平台位置关系图。

具体实施方式

本发明利用在宏微运动平台中宏、微动复合控制策略，采用宏动平台跟踪微动平台的复合运动方式。微动平台是主动系统，其控制系统的输入是宏微运动平台的运动轨迹，反馈是微动平台的实际位置，微动平台的实际位置由微动、宏动平台的相对位置与宏动平台的实际位置相加得出。宏动平台是从动系统，当宏动平台需要跟随微动平台运动时，其输入是微动、宏动平台的相对位置。本发明所提出的宏动平台跟踪微动平台的控制方法，当微动平台受到外界干扰而产生不同于输入命令的输出，宏动平台也会以微动平台的输出值作为输入命令，进而防止了微动平台的饱和；当宏动平台受到外界干扰而产生不同于输入命令的输出，微动平台也会以宏动平台的输出值作为反馈信号调整系统的输入，从而保证宏微运动平台的运动精度。该种方式不仅充分发挥了宏动平台和微动平台的长处，更重要的是保证了微动平台不会发生运动饱和现象。

本发明利用微动平台位置转换器将微动平台加工位置的位移控制信号转换成四个直线电机各自的位移控制信号。由于宏微运动平台中的微动平台由四个直线电机驱动，为了完成微动平台的运动，必须对微动平台进行位置转换，利用本发明提出的微动平台位置转换器，消除了四个直线电机驱动的运动耦合，简化了微动平台的控制。

本发明利用力作用转换器，计算了宏动平台受到的微动平台作用反力。由于驱动微动平台的四个直线电机，其定子固定在宏动平台上，其动子固定在微动平台，所以当以一定的驱动力驱动微动平台直线电机动子运动时，在宏动平台上的电机定子会受到大小相等、方向相反的作用反力。由于宏动平台没有Y向运动，所以Y向的作用反力可以不予考虑。也就是说当驱动微动平台运动时，宏动平台在运动方向X向会受到微动平台X向作用反力，因此在宏动平台控制中必须抑制微动平台X向反力对宏动平台的作用，利用本发明提出的力作用转换器，可将微动平台两个X向直线电机的驱动反力经过一定的转换后施加到宏动平台上，便于宏动平台控制模块对反力的抑制。

以下结合设计实例和附图对本发明作进一步详细的说明。

如图2a所示，本发明超精密双层宏微运动平台的同步控制系统包括设置在计算机内的主控制模块100、第一、第二宏微运动平台控制模块200、400和同步控制模块300。其中，第一、第二宏微运动平台控制模块200、400分别用于控制超精密双层宏微运动平台的两个宏微运动平台，二者的内部结构完全相同。

主控制模块100负责总体控制，主要进行系统管理、任务调度和系统运行监测，对两个宏微运动平台的运动轨迹进行规划，计算出要求的速度和规定的时间等目标参数，并将上述参数通过VME总线传送到第一、第二宏微运动平台控制模块200、400和同步控制模块300。

同步控制模块300负责根据第一、第二宏微运动平台控制模块200、400传递的两个微动平台的位置信息，计算两个宏微运动平台的同步误差，并将同步误差与误差允许值进行比较，并根据结果决定其中一个宏微运动平台的运动补偿量，再将补偿量传递给该宏微运动平台控制模块。

第一、第二宏微运动平台控制模块200、400分别负责第一、第二宏微运动平台的控制。控制模块200、400根据主控制模块100提供的控制参数，首先经过微动平台位置转换后计算出驱动微动平台执行器(四个直线电机)的驱动力，并把它转换成模拟信号，驱动微动平台执行器运动，使微动平台产生相应位移；然后根据微动平台与宏动平台的相对位置差信息，判断宏动平台是否需要跟随微动平台进行运动；若宏动平台需要跟随微动平台运动，则计算出驱动宏动平台执行器(一个直线电机)的驱动力，并把它转换成模拟信号，驱动宏动平台执行器运动，使宏动平台产生相应位移；若若宏动平台不需跟随微动平台运动，则不驱动宏动平台。

如图2b所示，第一、第二宏微运动平台控制模块均包括微动平台控制模块10，跟随控制模块20，宏动平台控制模块30，激光测量模块40和光栅测量模块50。

激光测量模块40接收来自微动平台控制模块10的控制指令后，实时采集微动平台的位置信息，并将微动平台的位置信息传递给微动平台控制模块10、跟随控制模块20。此时激光测量模块40所采集的是微动平台与宏动平台的相对位置差信息。

光栅测量模块50接收来自宏动平台控制模块30的控制指令后，实时采集宏动平台的位置信息，并将宏动平台位置信息传递给微动平台控制模块10。

通常，超精密双层宏微运动平台利用激光干涉仪测量微动平台的位置，利用光栅尺测量宏动平台的位置。

微动平台控制模块10首先发出测量控制指令，并传递给激光测量模块40；并根据主控制模块100所传递的运动参数和激光测量模块40、光栅测量模块50所反馈的微动平台实际位置信息，计算出微动平台的位置误差，经过微动平台位置转换后计算出驱动微动平台执行器(四个直线电机)的驱动力，并把它转换成模拟信号，驱动微动平台执行器运动，使微动平台产生相应位移。

跟随控制模块20根据激光测量模块40所传递的微动平台与宏动平台的相对位置差信息，通过计算确定宏动平台的运动状态，并传递给宏动平台控制模块30。

宏动平台控制模块30首先发出测量控制指令，并传递给光栅测量模块50；并根据跟随控制模块20所传递的运动参数计算出驱动宏动平台执行器(一个直线电机)的驱动力，并把它转换成模拟信号，驱动宏动平台执行器运动，使宏动平台产生相应位移。

超精密双层宏微运动平台的控制流程如下：

系统初始化后首先执行步骤S1，主控制模块100进行目标轨迹设定，并把相关参数传递给第一、第二宏微运动平台控制模块200、400和同步控制模块300；

然后执行步骤S2，第一、第二宏微运动平台控制模块200、400和同步控制模块300从主控制模块100中读入运动参数；

步骤S3：第一、第二宏微运动平台控制模块200、400根据主控制模块传递的参数分别对两个宏微运动平台进行初始化和参数详细设定。其中步骤S3a是控制模块200对第一宏微运动平台进行参数设定，步骤S3b是控制模块400对第二宏微运动平台进行参数设定，步骤S3a和S3b同时进行；

步骤S4：微动平台控制模块10根据位移指令，计算驱动微动平台所需的驱动力，并驱动微动平台输出相应的位移。其中S4a为第一微动平台控制模块驱动第一宏微运动平台中的微动平台进行运动，S4b为第二微动平台控制模块驱动第二宏微运动平台中的微动平台进行运动；

步骤S5：激光测量模块40控制相应的激光干涉仪进行微动平台的位置检测，并把位置信息传递给跟随控制模块20和微动平台控制模块10。其中S5a为第一激光测量模块对第一宏微运动平台中的微动平台进行测量，S5b为第二激光测量模块对第二宏微运动平台中的微动平台进行测量；

步骤S6：跟随控制模块计算微动平台和宏动平台的跟随误差，如果跟随误差大于差分传感器的阀值(1.5μm)，则转向S7；否则宏动平台不进行运动。其中步骤S6a为第一宏微运动平台的跟随控制模块20进行跟随判断，步骤S6b为第二宏微运动平台的跟随控制模块20进行跟随判断；

步骤7：宏动平台控制模块30根据跟随控制模块20传递的参数，计算驱动宏动平台所需的驱动力，并驱动宏动平台跟随微动平台进行运动，输出相应的位移。其中步骤7a为第一宏动平台控制模块驱动第一宏微运动平台中的宏动平台进行运动，步骤7b为第二宏动平台控制模块驱动第二宏微运动平台中的宏动平台进行运动；

步骤8：光栅测量模块50控制相应的光栅尺进行宏动平台的输出位置测量，并把位置信息传递给微动平台控制模块10。其中S8a为第一光栅测量模块对第一宏微运动平台中的宏动平台进行测量，S8b为第二光栅测量模块对第二宏微运动平台中的宏动平台进行测量；

步骤9：同步控制模块300计算两个宏微运动平台中微动平台的位置同步误差，比较同步误差与允许误差的大小，如果同步误差大于允许误差，则转向S10，否则转向S11；

步骤S10：同步控制模块300对同步误差进行补偿，并把补偿参数传递给第二宏微运动平台的微动平台控制模块，并转向步骤S4b；

步骤S11：判断运动是否结束？若未结束，则转向S2，否则结束运动。

实例：

如图4所示，微动平台控制模块10包括微动平台位置转换器11、微动平台X向第一电机控制器12、微动平台X向第二电机控制器13、微动平台Y向第一电机控制器14、微动平台Y向第二电机控制器15。

宏动平台控制模块30包括宏动平台控制器31和力作用转换器32。

如图4所示，主控制模块100发出位移指令Yref，微动平台位置转换器11接收位移指令，并将位移指令与微动平台实际位置的差进行位置转换运算，得到微动平台四个电机各自的目标位置信号，并分别传输给微动平台X向第一电机控制器12、微动平台X向第二电机控制器13、微动平台Y向第一电机控制器14、微动平台Y向第二电机控制器15。

其中微动平台实际位置是由光栅激光测量模块50测得的宏动平台实际位置信号和激光测量模块40测得的微动平台相对宏动平台位置信号相加而得。

微动平台位置转换器11的作用是将输入的微动平台加工位置的位移信号转换成四个直线电机各自的位移信号。由于宏微运动平台中的定位精度最终体现在微动平台加工位置的精度上，所以控制系统的输入信号是微动平台加工位置的位移信号。微动平台位置转换器11包括两方面的内容：(1)将微动平台加工位置的位移信号转换成微动平台质心的位移信号；(2)将微动平台质心的位移信号转换成四个驱动电机各自的位移信号。

令(X，Y，θ)表示微动平台加工位置在X向、Y向和绕Z轴转动的位移信号；(X_G，Y_G，θ_G)表示微动平台质心在在X向、Y向和绕Z轴转动的的位移信号；(X₁，X₂)分别表示X向第一、第二电机在X向的位移信号；(Y₁，Y₂)分别表示Y向第一、第二电机在Y向的位移信号；(ΔX，ΔY)表示微动平台加工位置相对质心的位移，(H，L)分别表示X向和Y向直线电机质心到微动台质心的距离，如图5所示。

则 $\left\{\begin{array}{c}{X}_G=X-\mathrm{\Δ}X\cos \mathrm{\θ}+\mathrm{\Δ}Y\sin \mathrm{\θ}\\ Y_G=Y-\mathrm{\Δ}X\sin \mathrm{\θ}-\mathrm{\Δ}Y\cos \mathrm{\θ}\\ {\mathrm{\θ}}_G=\mathrm{\θ}\end{array}\right.$

$\left\{\begin{array}{c}{X}_1=X_G-H\sin {\mathrm{\θ}}_G\\ X_2=X_G+H\sin {\mathrm{\θ}}_G\\ Y_1=Y_G-L\sin {\mathrm{\θ}}_G\\ Y_2=Y_G+L\sin {\mathrm{\θ}}_G\end{array}\right.$

微动平台位置转换器11的输入为(X，Y，θ)，输出为(X₁，X₂，Y₁，Y₂)，因此微动平台位置转换器11的构成如下：

1、先对输入信号中的角位移信号θ进行sin和cos运算，将θ转换成sinθ和cosθ。

2、按照 $\left\{\begin{array}{c}{X}_1=X-\mathrm{\Δ}X\cos \mathrm{\θ}+\mathrm{\Δ}Y\sin \mathrm{\θ}-H\sin \mathrm{\θ}\\ X_2=X-\mathrm{\Δ}X\cos \mathrm{\θ}+\mathrm{\Δ}Y\sin \mathrm{\θ}+H\sin \mathrm{\θ}\\ Y_1=Y-\mathrm{\Δ}X\sin \mathrm{\θ}-\mathrm{\Δ}Y\cos \mathrm{\θ}-L\sin \mathrm{\θ}\\ Y_2=Y-\mathrm{\Δ}X\sin \mathrm{\θ}-\mathrm{\Δ}Y\cos \mathrm{\θ}+L\sin \mathrm{\θ}\end{array}\right.$ 进行计算，将输入的微动平台加工位置信号(X，Y，θ)转换成四个直线电机的输出位置信号(X₁，X₂，Y₁，Y₂)。

四个微动平台电机控制器12、13、14、15根据各自的目标位置信号(X₁，X₂，Y₁，Y₂)计算出驱动各自电机所需的驱动力信号，并用它们驱动微动平台，四个微动平台电机控制器12、13、14、15采用PID控制器。

激光干涉仪检测出微动平台的位移后，由激光测量模块40将微动平台的位移数据从激光干涉仪中取出，并传递给跟随控制模块20和微动平台位置转换器11。跟随控制模块20根据微动平台的位移和宏动平台实际位置得出宏动平台的输入信号，并传递给宏动平台控制器31。

跟随控制模块20是本发明提出的宏、微动复合控制策略中的一部分。跟随控制模块20根据微动平台与宏动平台的相对位置差信息进行计算，使得宏动平台跟随微动平台。

跟随控制模块20的具体实现如下：跟随控制模块20从激光测量模块40读取出微动平台与宏动平台的相对位置差信息，将此相对位置信息与差分传感器的阀值(1.5μm)进行比较，若相对位置大于1.5μm，则将此相对位置信息传递给宏动平台控制器31，使宏动平台跟随微动平台进行运动；若相对位置小于1.5μm，则将传递给宏动平台控制器31的位置信息置零。

宏动平台控制器31根据跟随控制模块20所传递的位置信息计算出驱动宏动平台所需的原始驱动力信号，宏动平台控制器31采用PID控制器。由力作用控制器32得到的反作用力信号与宏动平台原始驱动力信号相减得到修正后的宏动平台驱动力信号，并用它驱动宏动平台运动。

力作用转换器32是将微动平台中两个电机的驱动力信号转换成宏动平台的反作用力信号。

力作用转换器32的实现如下：力作用转换器32从微动平台X向第一、第二电机控制器12、13读取出微动平台X向第一、第二电机的驱动力，然后将这两个微动平台X向电机的驱动力相加后进行取反运算，作为宏动平台的反作用力信号。

光栅尺检测出宏动平台的位移后，由光栅测量模块50将宏动平台的位移数据从光栅尺中取出，并传递给微动平台位置转换器11。

由于第一、第二宏微运动平台的目标位移可以相等也可成一定的比例关系，比例值为a(通常a为1～4)，所以在控制中将第一宏微运动平台中微动平台的实际位置信号乘以倍数a和第二宏微运动平台中微动平台的实际位置信号同时作为同步控制模块300的输入，经过同步控制模块300的计算得出同步误差的补偿量，并将补偿量传递给第二宏微运动平台控制模块400。需要说明的是，第二宏微运动平台控制模块400的输入参考位移指令是a*Yref。

同步控制模块300的输入为第二宏微运动平台的目标位移、第一、二宏微运动平台中微动平台的位置信息、第一宏微运动平台的位置误差。其中第一宏微运动平台中微动平台的位置信息是将其实际位置信号乘以倍数a后的信号，第二宏微运动平台中微动平台的位置信息就是其实际位置。同步控制模块300的输出是第二宏微运动平台的补偿量。

同步控制模块300的输出也可以是第一宏微运动平台的补偿量。

同步控制模块300的实现如下：首先对输入的第二宏微运动平台的目标位移进行计算，根据目标位移的轨迹信息判断当前时刻是否是需要两台同步运动的时间区域，若不是，则同步控制模块300不进行同步补偿，输出的补偿量为0。若当前时刻是需要两台同步运动的时间区域，则同步控制模块300对输入的第一、二宏微运动平台中微动平台的位置信息进行比较，同步控制模块300将输入的两个位置信息相减后取绝对值，并将得到的数据与同步控制精度5nm进行比较，若两个位置信息的差值大于5nm，则将第一宏微运动平台的位置误差作为补偿量输出给第二宏微运动平台控制模块400；若两个位置信息的差值小于5nm，则同步控制模块300不进行同步补偿，输出的补偿量为0。

本发明不仅局限于上述具体实施方式，本领域一般技术人员根据本发明公开的内容，可以采用其它多种具体实施方式实施本发明，因此，凡是采用本发明的设计结构和思路，做一些简单的变化或更改的设计，都落入本发明保护的范围。

Claims (4)

1.一种超精密双层宏微运动平台的同步控制系统，其特征在于：该系统包括设置在计算机内的主控制模块(100)、第一、第二宏微运动平台控制模块(200、400)和同步控制模块(300)；

第一、第二宏微运动平台控制模块(200、400)的结构相同，分别负责第一、第二宏微运动平台的控制；第一、第二宏微运动平台控制模块(200、400)分别根据主控制模块(100)提供的控制参数，计算出驱动微动平台执行器的驱动力，并将表示驱动力的数字信号转换成模拟信号，提供给微动平台执行器；然后根据微动平台与宏动平台的相对位置差信息，判断宏动平台是否需要跟随微动平台进行运动；若宏动平台需要跟随微动平台运动，则计算出驱动宏动平台执行器的驱动力，并将数字信号转换成模拟信号，提供给宏动平台执行器；

主控制模块(100)负责总体控制，计算两个宏微运动平台的目标参数，并将目标参数分别传送到第一、第二宏微运动平台控制模块(200、400)和同步控制模块(300)；

同步控制模块(300)负责根据第一、第二宏微运动平台控制模块(200、400)传递的两个微动平台的位置信息，计算两个宏微运动平台的同步误差，并将同步误差与误差允许值进行比较，根据结果决定其中一个宏微运动平台的运动补偿量，再将补偿量传递给该宏微运动平台控制模块。

2.根据权利要求1所述的同步控制系统，其特征在于：第一、第二宏微运动平台控制模块(200、400)均包括微动平台控制模块(10)，跟随控制模块(20)，宏动平台控制模块(30)，激光测量模块(40)，以及光栅测量模块(50)；

微动平台控制模块(10)首先发出测量控制指令，并传递给激光测量模块(40)；并根据主控制模块(100)所传递的运动参数和激光测量模块(40)所反馈的微动平台与宏动平台相对位置差信息、光栅测量模块(50)所反馈的宏动平台实际位置信息，计算出微动平台的位置误差信号，经过微动平台位置转换后计算出驱动微动平台执行器的驱动力，并把它转换成模拟信号，驱动微动平台执行器运动，使微动平台产生相应位移；

跟随控制模块(20)根据激光测量模块(40)所传递的微动平台与宏动平台的相对位置差信息，通过计算确定宏动平台的运动状态，并传递给宏动平台控制模块(30)；

宏动平台控制模块(30)首先发出测量控制指令，并传递给光栅测量模块(50)；并根据跟随控制模块(20)所传递的运动参数计算出驱动宏动平台执行器的驱动力，并把它转换成模拟信号，驱动宏动平台执行器运动，使宏动平台产生相应位移；

激光测量模块(40)接收来自微动平台控制模块(10)的控制指令后，实时采集微动平台与宏动平台的相对位置差信息，并将微动平台与宏动平台的相对位置差信息传递给微动平台控制模块(10)和跟随控制模块(20)；

光栅测量模块(50)接收来自宏动平台控制模块(30)的控制指令后，实时采集宏动平台的位置信息，并将宏动平台位置信息传递给微动平台控制模块(10)。

3.根据权利要求1或2所述的同步控制系统，其特征在于：微动平台控制模块(10)包括微动平台位置转换器(11)、微动平台X向第一电机控制器(12)、微动平台X向第二电机控制器(13)、微动平台Y向第一电机控制器(14)、以及微动平台Y向第二电机控制器(15)；

微动平台位置转换器(11)用于将输入的微动平台加工位置的位移信号转换成四个直线电机各自的位移信号，并分别传送给微动平台X向第一电机控制器(12)、微动平台X向第二电机控制器(13)、微动平台Y向第一电机控制器(14)、以及微动平台Y向第二电机控制器(15)；

微动平台X向第一电机控制器(12)、微动平台X向第二电机控制器(13)、微动平台Y向第一电机控制器(14)、以及微动平台Y向第二电机控制器(15)均根据各自的目标位置信号计算出驱动各自电机所需的驱动力信号，并将驱动力信号分别传送给微动平台。

4.根据权利要求3所述的同步控制系统，其特征在于：宏动平台控制模块(30)包括宏动平台控制器(31)和力作用转换器(32)；

宏动平台控制器(31)根据跟随控制模块(20)所传递的位置信息计算出驱动宏动平台所需的原始驱动力信号，并传送给宏动平台；

力作用转换器(32)用于将微动平台X向第一电机和微动平台X向第二电机的驱动力信号转换成宏动平台的反作用力信号，并传送给宏动平台。

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