CN102279529A - 柔性双边驱动设备的位置控制装置、及相关参数的整定方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种柔性双边驱动设备的位置控制装置，包括：测量传感器、位置控制单元、及执行单元，通过测量传感器的测量实际位置，经过位置控制单元的转换及补偿，最后由执行单元将修正后的位置传回设备。可以有效的提高系统的同步能力，提高抗干扰性；能减小或者消除干扰带来的伺服误差；能够实现多自由度系统的精密定位，能够在一个周期内的加速减速时减少稳定时间从而增加生产能力；能够极大的改善非线性阻尼调节，减小柔性体在运动过程中的热耗散，提高柔性体的抗疲劳能力，进而提高寿命。另本发明提供的一种应用这样的位置控制装置的柔性双边驱动设备，能够实现工件台的减振和精确的位置补偿。

Description

柔性双边驱动设备的位置控制装置、及相关参数的整定方法

技术领域

本发明涉及一种柔性双边驱动设备的位置控制技术，特别是一种柔性双边驱动设备的位置控制装置、应用该位置控制装置的柔性双边驱动设备、及相关参数的整定方法。

背景技术

光刻设备是一种将掩模图形应用到目标硅片上的机器。现有技术中的光刻装置，主要用于集成电路IC或其它微型器件的制造。通过光刻装置，具有不同掩模图案的多层掩模在精确对准下依次成像在涂覆有光刻胶的硅片上，例如半导体硅片或LCD板。光刻装置大体上分为两类，一类是步进光刻装置，通过将全部掩模图案一次曝光成像在硅片的一个曝光区域；另一类是扫描光刻装置，通过在扫描方向投影光场的正向或者反向扫描移动将所述的掩模成像于硅片上。

在光刻装置中，工件台和掩模台在以纳米级精度进行步进和扫描运动。随着产率要求的提高，需要更高的速度和加速度水平，在加速和减速阶段，伺服运动激发了所述台的动态特性，高加速度与高位置精度是两个相反的过程。一方面，所述的运动台子(工件台和掩模台)需要被设计构造以获得高刚度，以避免运动台的共振模态出现或被激发，或者采用柔性技术进行结构设计，利用柔性减震获得更低的振动水平。另一方面，激发的振动必须在成像工作之前的一段稳定时间内抑制到需求范围内。

美国专利US6635887公开了一种柔性双边驱动工件台装置。该装置中横梁导轨通过两个柔性块分别连接两侧的直线电机动子。直线电机的不同步运动，依靠柔性块的变形和低模态来实现垂直转动(Rz)方向的精密补偿。但该文献没有考虑非线性控制的问题。

中国专利CN1973250A公开了一种定位控制装置。该装置应用于基于重心解耦双边驱动工件台三自由度同步运动控制。这种定位装置使用线性控制器去调节精密工件台的平面三自由度运动。各个轴通过位置闭环来进行精密定位。这种技术缺点在于没有考虑非线性结构动态特性，不能对非线性干扰产生同步误差进行精确地补偿。

蒋丽忠于2007年5月发表的《作大范围运动柔性结构的耦合动力学》，研究了对于大范围运动柔性结构耦合动力学特性，明确指出所述的柔性体运动系统是一个时变、高度非线性的复杂系统，并提出了柔性运动系统的根据参数摄动方法求解系统模态特性的摄动理论。但是，该文献仍然没有解决柔性体结构运动中非线性结构阻尼特性的问题。

贾银刚于2004年12月发表的《分数阶控制系统与控制器设计》，研究了分数阶控制系统与控制器设计基本数学方法，并介绍了控制器从连续系统到离散系统设计的方法原理，对分数阶系统的解析包括：解析法、数值法、滤波器算法等。但研究仍以低阶系统为主。

有鉴于此，如何提供一种柔性双边驱动设备的位置控制装置，来综合解决上述技术问题已成为业界亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种柔性双边驱动设备的位置控制装置，能够有效的提高系统的同步能力，提高抗干扰性。

本发明的目的是将提供一种针对多柔体结构应用非线性补偿的控制器装置，能减小或者消除干扰带来的伺服误差。

本发明的目的是将提供一种针对多柔体结构应用非线性补偿的控制器装置，实现多自由度系统的精密定位，能够在一个周期内的加速减速时减少稳定时间从而增加生产能力。

本发明的目的是将提供一种针对多柔体结构应用非线性补偿的控制器装置，能够极大的改善非线性阻尼调节，减小柔性体在运动过程中的热耗散，提高柔性体的抗疲劳能力，进而提高寿命。

本发明的目的是将提供一种应用这样的位置控制装置的柔性双边驱动设备，实现工件台的减振和精确的位置补偿。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种柔性双边驱动设备的位置控制装置，所述柔性双边驱动设备具有工件台、纵向第一电机、纵向第二电机、及横向电机，所述纵向第一电机和纵向第二电机能够控制工件台在纵向上的运动，而横向电机能够控制工件台在横向上的运动，其中，所述横向和纵向在平面上正交，所述位置控制装置包括：测量传感器、位置控制单元、及执行单元，其中，所述测量传感器与所述柔性双边驱动设备各电机的驱动轴连接，并测量得到各物理轴位置信号；所述位置控制单元将测量的各物理轴位置信号进行处理，形成基于质心的误差信号，再将各基于质心的误差信号转化为物理轴执行信号；所述执行单元连接于所述位置控制单元，接收各物理轴控制信号并以此控制各驱动轴运动。

进一步的，所述位置控制单元包括：位置转换矩阵、设定值发生器、求和比较器、位置控制器、增益转换矩阵，其中，所述位置转换矩阵与所述测量传感器连接，将各物理轴位置信号转换为逻辑轴位置信号；所述设定值发生器能够针对纵向第一电机、纵向第二电机、及工件台发出期望位置命令信号；所述求和比较器与所述位置转换矩阵及设定值发生器连接，接收并比各较逻辑轴位置信号和各期望位置命令信号，产生基于质心的误差信号；所述位置控制器与所述求和比较器连接，将各误差信号调谐整定后得到逻辑轴控制力信号；所述增益转换矩阵与所述位置控制器连接，将各逻辑轴控制力信号转化为物理轴执行信号。

其中，所述位置控制单元包括垂直转动方向的非线性控制器，用于调整垂直转动方向上的位置信号。

在具体实施例中，所述垂直转动方向的非线性控制器包括：比例增益，用于将控制偏差信号比例线性关系转换为比例控制力信号；积分增益，用于将控制偏差信号的累积偏差按照比例线性关系转换为静差调节力信号；非线性积分器，用于将控制偏差信号的累积偏差按照非线性关系转换为非线性静差调节力信号；非线性微分器，用于将控制偏差信号按照非线性关系转换为非线性阻尼力信号；求和器，用于叠加所述比例控制力信号、非线性静差调节力信号至所述非线性阻尼力信号。

其中，所述非线性积分器的积分阶数α调节静差力的累积率，其典型应用范围：α∈[0，2)；所述的非线性微分器的微分阶数β调节非线性阻尼力的衰减率，其典型应用范围：β∈[0，2)。

本发明还提供了一种应用在上述位置控制装置中的非线性控制器参数的协调整定方法，其特征在于包括步骤：

(1)确定垂直转动轴控制频域指标：带宽、增益裕度、相位裕度；

(2)设定控制器参数K_p、f_i、f_d的初始值；

(3)根据最低相位裕度要求，修正参数f_i、f_d；

(4)根据最低幅值裕度要求，修正参数f_i、f_d；

(5)根据最低带宽要求，修正参数K_p；

(6)判断系统的开环传函的裕度指标是否满足系统需求，如果满足进行第(7)步，如果不满足，则返回第(3)步；

(7)根据最大相位裕度要求，修正参数阶数α、β；

(8)根据最大幅值裕度要求，修正参数阶数α、β；

(9)根据最大带宽要求，修正参数阶数α、β；

(10)判断系统的开环传函的裕度指标是否满足系统需求，如果满足则完成；如果不满足，则返回第(7)步。。

本发明提供一种应用上述位置控制装置的柔性双边驱动设备，包括纵向光栅尺和横向光栅尺，所述位置控制装置能够根据所述纵向光栅尺和横向光栅尺测量得到的位置信号进行调谐和解耦，对应转换为纵向第一、第二电机、及横向电机的力输出，且解耦之后力输出能够使得工件台的质心在纵向、横向、及垂直转动方向的位置得到精确控制和定位。

本发明的柔性双边驱动设备的位置控制装置，可以有效的提高系统的同步能力，提高抗干扰性；能减小或者消除干扰带来的伺服误差；能够实现多自由度系统的精密定位，能够在一个周期内的加速减速时减少稳定时间从而增加生产能力；能够极大的改善非线性阻尼调节，减小柔性体在运动过程中的热耗散，提高柔性体的抗疲劳能力，进而提高寿命；而本发明提供的一种应用这样的位置控制装置的柔性双边驱动设备，能够实现工件台的减振和精确的位置补偿。

附图说明

图1描述了一种柔性双边驱动设备的位置控制装置的方框图；

图2描述了应用于Rz结构的一种非线性控制器；

图3描述了一种应用位置控制装置的柔性双边驱动设备一个实施例的立体结构图；

图4描述了应用非线性动力学方程描述的应用实例工件台Rz向结构传函；

图5描述了应用非线性动力学方程描述的应用实例工件台Rz向结构传函的阶跃响应曲线；

图6描述了非线性控制器参数整定流程；

图7描述了线性控制器和非线性控制器传函特性；

图8描述了应用实例工件台Rz向结构传函采用线性控制器和非线性控制器阶跃响应曲线。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明也可通过其他不同的具体实例加以实施或应用，本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用，在不背离本发明的精神下进行各种修饰与变更。

在本发明中，涉及一种对含有柔性体结构系统的控制装置。这里先对所述柔性体结构系统进行说明，本发明中主要是解决柔性双边驱动设备的系统产生的问题，例如，有两台纵向直线电机驱动的双边同步控制。在双边驱动控制中，两套伺服系统的输出通过横梁以及横向电机耦合在一起，按同一给定信号驱动两台电机运动，没有电气参数上的直接耦合关系。在理想的状态下，假设两台直线电机的各种性能完全一致，并且作用于其上的负载是完全对称的，那么输入相同指令时，两台电机应当以相同的加速度，速度，位移进行运动。然而，在实际情况中，两纵向直线电机的性能不会完全一致，而且由于横梁上的横向直线电机的运动带来的两纵向直线电机负载的动态变化，引起了纵向直线电机的速度发生变化，从而引起了位置不同步，为了使伺服系统回到同步状态，需要将不同步引起的垂直转动轴实现闭环控制，可以实时的动态的修正不同步误差。

更进一步的是，在所述的柔性体结构系统中，横向运动负载的移动导致垂直转动方向的转动惯量相对质心位置发生变化，根据柔性体结构系统耦合动力学如公式(1)可知，其结构的模态频率计算公式由(2)给出。

$G_p\left(s\right)=\frac{K_t}{J_t{s}^2+C_{t}s+k_t}---\left(1\right)$

其中，J_t为Rz向转动惯量，C_t为柔性体结构阻尼，K_t为柔性体结构的扭转刚度。

$f_r=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\sqrt{\frac{K_t}{J_t}}$

其中，f_r为共振频率。

根据公式(2)可知，双边驱动系统在长行程运动时，相对质心位置的转动惯量J_t的摄动，共振频率f_r跟随发生变化。这导致系统在全行程上各个点的控制性能产生较大的差异，影响双边同步性能。

此外，纵向两电机不同步运动同时导致柔性体在垂直转动方向不断的扭振，根据试验可知，柔性体往复扭振会使得柔性体不断的发热。这是由于柔性体本身的非线性热耗散机制，将机械能转化为了热能，这将加速柔性体的疲劳发生塑性变形。在公式(1)中，C_t为非线性结构阻尼，这导致耦合动力学公式(1)与传统线性动力学公式不一致。

同时，阻尼引起的非线性热耗散导致系统的实际阻尼水平减弱，因而，柔性体动力学系统的稳定时间将会变得更长。

因此，本发明中根据前沿的分数阶微积分知识来描述这种系统：

$G_p\left(s\right)=\frac{K_{t0}}{J_{t0}{s}^{\mathrm{\α}}+C_{t0}{s}^{\mathrm{\β}}+k_{t0}}---\left(3\right)$

其中，J_t0为初始状态下的垂直转动方向转动惯量，C_t0为初始状态下的柔性体线性结构阻尼，K_t0为初始状态下的柔性体结构的扭转刚度。

在本发明中涉及到的提高双边同步控制精度的方法，根据水平垂直转动方向非线性系统描述，提出一种非线性控制策略，对垂直转动方向进行位置闭环控制，然后解耦到纵向第一、纵向第二两个运动轴上，从而实现纵向两个运动轴的同步控制，提高定位精度。同时考虑到干扰的影响，在三个方向的控制上加入了干扰信号的补偿修正量，将位置误差与控制器的驱动力补偿，从而修正驱动力，有效的提高了轴间的误差，提升了系统的同步性能以及抗干扰的性能。

本发明针对上述的结构设计的相应的控制策略，至少解决了以下的问题：(1)柔性体垂直转动模态频率摄动对控制影响的问题。这种现象是由于横向运动负载位置变化，导致作用在纵向两台电机的负载处于动态的变化，引起电机伺服位移发生变化，造成位置不同步；(2)获得更高的相位裕度，减小垂直转动非线性阻尼系统稳定时间。相位裕度的提升能够减小运动负载所受到噪声的干扰对系统的同步以及定位的影响，解决了机械系统的时间延迟因素导致系统不同步性问题。

下面结合附图1至图5，对本发明作进一步详细的描述，其中，柔性双边驱动设备就以在光刻系统中常用的具体曝光台设备为例，进行详细说明，这样，工件台为曝光台，但是本发明不以此为限。

图1表示了一种柔性双边驱动设备的位置控制装置的方框图，用于定位当前的带柔性机构的H型双边驱动装置的精密曝光台115。所述装置包括：设定值发生器(101)，X、Y、Rz(横、纵、垂直)轴的求和比较器(102)，X、Y、Rz轴的位置控制器(103)，增益转换矩阵(104)，执行器系统(105)，X、Y1、Y2物理轴驱动器(106)，位置转换矩阵(107)，测量系统(108)，纵向第一电机(110)，纵向第二电机(111)，柔性体结构(112)，横向电机(113)，横梁导轨(114)和曝光台(115)，前馈增益环节(120)，前馈求和器(121)。其中，X、Y方向如图1所示，而Rz(图中未标示)为根据右手法则，以垂直于X、Y方向所获得。

测量传感器模块(108)将测量到的运动台上物理轴位置信号(x_m，y_m1，y_m2)，所述的实际位置信号通过编码尺测量。模块107则将所述的物理轴位置信号转化为逻辑轴位置信号(x，y，θ_rz)，形式由下式给出：

$V=\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& -(0.5+\frac{x_m}{L})& 0.5+\frac{x_m}{L}\\ 0& -\frac{1}{L}& \frac{1}{L}\end{array}\right]---\left(4\right)$

其中，x_m为曝光台(115)上X向测量位置，L为Y1和Y2两个测量编码尺之间的X向距离。物理轴测量位置信号转换为逻辑轴位置信号计算公式如下：

$\left[\begin{array}{c}x\\ y\\ {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{rz}}\end{array}\right]=V\·\left[\begin{array}{c}{x}_m\\ y_{\mathrm{ml}}\\ y_{m2}\end{array}\right]---\left(5\right)$

模块101是X、纵、Rz向运动模块的设定点发生器(运动台期望位置的指示信号)，该装置是一个数字信号处理器或者一个微处理器。产生曝光台(115)在X方向上期望的位置(x_r，y_r，R_zr)和加速度(acc_x，acc_y，acc_rz)的命令信号。X、Y、Rz轴的位置命令信号(x_r，y_r，R_zr)通过命令发生器101与代表实际X轴位置信号(x，y，θ_rz)在节点102处做比较。

求和比较器(102)产生基于重心的误差信号，每个轴位置的误差信号被控制器103调谐整定后化得到逻辑轴控制力信号

其中，控制器103中，X、Y轴控制器103a、103b为横、纵方向的线性控制器，用于调整纵向、横向上的位置信号；Rz轴控制器103c为垂直转动方向的非线性控制器，用以调谐Rz柔性体的非线性动力学特性行为，即用于调整垂直转动方向上的位置信号。

轨迹信号发生器101也产生加速度控制信号，为期望的控制力用于补偿跟踪误差信号。轨迹命令发生器产生的加速度命令信号经过前馈增益模块120，产生前馈补偿信号由求和器121合并到控制力信号。最终的控制信号，被送入增益转换矩阵(104)。所述的增益转换矩阵(104)将逻辑轴信号转化为物理轴执行器驱动力信号，其计算矩阵由下式给出：

$W=\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& a\·x+c_1& -(b\·x+d)\\ 0& -a\·x+c_2& b\·x+d\end{array}\right]---\left(6\right)$

其中，α为曝光台(115)运动质心位置变化对Y1和Y2电机驱动力分配的线性影响因子，b为曝光台(115)运动质心位置变化引起转动惯量变化对Y1和Y2电机驱动力分配的线性影响因子，c₁和c₂分别为曝光台(115)运动质心与Y1和Y2电机驱动点距离的初始分配比，d为初始转动惯量对Y1和Y2电机驱动力分配比。上述的分配因子在实际控制模型中不可知，可以通过实际模型的参数估计模型作为名义模型来进行控制。

逻辑轴执行力信号转换为物理轴驱动力信号计算公式如下：

$\left[\begin{array}{c}{f}_x\\ f_1\\ f_2\end{array}\right]=W\·\left[\begin{array}{c}{f}_x^{*}\\ f_y^{*}\\ T_{\mathrm{rz}}^{*}\end{array}\right]---\left(7\right)$

所述的转化后物理轴驱动力信号通过执行器系统105直接驱动X、Y1、Y2三个直线电机驱动运动部件按照基于质心的位置设定值运动。

如图2所示，描述了应用于Rz结构的一种非线性控制器，给出了所述的Rz控制器103c应用的一种非线性控制器，包括：控制器比例增益(301)，控制器积分增益(302)，控制器非线性积分器(303)，控制器微分增益(304)，控制器非线性微分器(305)，控制器求和器(306)。其数学形式描述如公式(8)：

$G_{\mathrm{cs}}\left(s\right)=K_p+\frac{2\mathrm{\π}{f}_i}{s^{\mathrm{\α}}}+2\mathrm{\π}{f}_d{s}^{\mathrm{\β}}---\left(8\right)$

其中，K_p为控制器增益，f_i为积分频率，α为积分阶数，f_d为微分频率，β为微分阶数。控制器增益K_p将比较器102c的控制偏差信号比例线性关系转换为控制力信号，

将控制偏差信号的累积偏差按照非线性关系转换为非线性静差调节力信号，2πf_ds^β微分器将控制偏差信号按照非线性关系转换为非线性阻尼力信号，积分阶数α调节静差力的累积率，微分阶数β调节非线性阻尼力的衰减率，其典型应用范围：α∈[0，2)，β∈[0，2)。

公式(8)描述了所述非线性控制器的连续域描述，为了获得能够使用的离散控制器，本专利所述的微积分算子采用一阶向后差分的Maclaurin公式展开，其数学形式描述如公式(9)：

$s^{\mathrm{\α}}={\left(\frac{1-z^{-1}}{T}\right)}^{\mathrm{\α}}=\frac{1}{T^{\mathrm{\α}}}\underset{i=0}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{(-1)}^i\frac{\mathrm{\Γ}(\mathrm{\α}+1)}{\mathrm{\Γ}(i+1)\mathrm{\Γ}(\mathrm{\α}-i+1)}{z}^{-i}$

其中，T为离散周期，Γ( )为阶乘算子，α为积分阶数，z为离散算子，N为离散的阶数。

图3为应用了位置控制装置的柔性双边驱动设备一个实施例的立体结构图。曝光台设备的主要零部件有位置控制装置(200)，Y向缓冲器(201)，X向缓冲器(202)，Y向L侧平衡质量块(203)，Y向R侧平衡质量块(204)，Y向L侧直线电机(即纵向第一电机)(205)，Y向R侧直线电机(即纵向第二电机)(206)，X向直线电机(即横向电机)(207)，大理石基座(208)，曝光台(209)，X向导轨(210)，Y向导轨(211)，Y向底面气浮垫(212)，Y向侧面气浮垫(213)，Y向辅助气浮垫(214)，柔性装置(215)，X向导轨柔性连接板(216)，气浮垫转接板(217)，X向直线电机固定板(218)，Y向光栅尺(219)，X向光栅尺(220)。

曝光台(209)有3个自由度，分别为X、Y、Rz。在大理石基座(208)的左右两侧分别安装了Y向L侧直线电机(205)和Y向R侧直线电机(206)。Y向导轨(211)固连在大理石基座(208)上。Y向L侧平衡质量块(203)与Y向L侧直线电机(205)的定子固连。Y向L侧平衡质量块(204)与Y向R侧直线电机(206)的定子固连。X向导轨(210)穿过曝光台(209)，X向导轨(210)一端通过转接板将X向辅助气浮垫(214)和Y向L侧直线电机(205)的动子固连在一起，X向导轨(210)另一端通过柔性连接板(216)、气浮垫转接板(217)将Y向底面气浮垫(212)和Y向R侧直线电机(206)动子固连在一起。X向电机(207)定子与X向导轨(210)固连，X向电机(207)定子一端通过柔性装置(215)与Y向侧向气浮垫(213)固连。X向电机(207)动子与曝光台(209)固连。

曝光台(209)的Y向驱动由Y向L侧直线电机(205)、Y向R侧直线电机(206)提供。Y向侧面气浮垫(213)与Y向导轨(211)侧平面形成垂直气浮轴承。侧平面的垂直气浮轴承提供Y向运动的导向功能。对气浮轴承的气膜厚度和气膜刚度都有一定的要求。Y向底面气浮垫(212)与Y向导轨(211)上平面形成水平向气浮轴承。Y向辅助气浮垫(214)与大理石基座(208)上表面形成水平向气浮轴承。水平向气浮轴承支撑X向导轨(210)和X向电机(207)以及相连转接板的重力。当Y向L侧直线电机(205)和Y向R侧直线电机(206)驱动不同步时，X向导轨(210)形成一定的偏角，其解耦由Y向直线电机动子与定子之间的间隙提供。X向电机(207)与X相导轨(210)固连，X向电机(207)也产生一定的偏角，其结构由柔性装置(215)提供。以上提供了曝光台(209)Rz向的自由度。曝光台(209)的X向运动由X向电机(207)驱动。X向导轨(210)与曝光台(209)之间形成垂直气浮轴承，提供X向运动的导向。

位置控制装置(200)，将Y向L侧光栅尺(219a)，Y向R侧光栅尺(219b)，X向光栅尺(220)所测量得到的位置信号(x_m，y_m1，y_m2)进行调谐和解耦之后，转换为Y向L侧直线电机(205)和Y向R侧直线电机(206)的力(f_y1，f_y2)输出和X向直线电机(即横向电机)(207)力f_x的输出。力信号f_x在X向直线电机(207)的动子驱动下使得曝光台(209)沿着X向导轨(210)在X向按照指令运动；力信号(f_y1，f_y2)驱动Y向L侧直线电机(205)、Y向R侧直线电机(206)的动子驱动下使得曝光台(209)沿着Y向导轨(211)在Y向按照指令运动。解耦之后的信号(f_y1，f_y2，f_x)能够很好的适应柔性装置(215)的动态特性，使得给曝光台(209)在Rz向精确的按照制定位置运动。

如图4所示，给出了所述的应用非线性动力学方程描述的应用实例台子Rz向结构传函。在所述的传函曲线中，实线为台子Rz向结构传函的传统线性描述，虚线为台子Rz向结构传函的非线性描述。显然地，Rz柔性体由于把部分机械能转化成了热能致使实际阻尼变弱，在共振频率附近，模态峰增大，相位更陡峭，台子Rz向结构传函的非线性描述体现了这一特征。台子Rz向结构传函的传统线性描述则是一种理想结构特性，不能准确的描述这一实际特征。

如图5所示，给出了所述的应用非线性动力学方程描述的应用实例台子Rz向结构传函的阶跃响应曲线。在所述的传函曲线中，实线为台子Rz向结构传函的传统线性描述的阶跃响应，虚线为台子Rz向结构传函的非线性描述的阶跃响应。显然地，台子Rz向结构传函的非线性描述的阶跃响应振荡周期数比传统线性理想特性描述的阶跃响应要多，振荡幅度更大，稳定时间更长。

如图6所示，给出了应用于Rz结构的所述的非线性控制器参数整定流程。通常的，所述的线性控制器可调参数包括：K_p、f_i、f_d，而所述的非线性控制器可调参数包括：K_p、f_i、f_d、α、β。因此，所述的非线性控制器参数整定相对较复杂些。所述的非线性控制器参数整定流程步骤包括：

(1)确定Rz轴控制频域指标：带宽、增益裕度、相位裕度；

(2)设定控制器参数K_p、f_i、f_d的初始值；

(3)根据最低相位裕度要求，修正参数f_i、f_d；

(4)根据最低幅值裕度要求，修正参数f_i、f_d；

(5)根据最低带宽要求，修正参数K_p；

(6)判断系统的开环传函(包括控制器传函和被控对象传函)的裕度指标是否满足系统需求，如果满足进行第(7)步，如果不满足，则返回第(3)步循环(3)、(4)、(5)，直到满足要求为止；

(7)根据最大相位裕度要求，修正参数阶数α(alpha)、β(beta)；

(8)根据最大幅值裕度要求，修正参数阶数α、β；

(9)根据最大带宽要求，修正参数阶数α、β；

(10)判断系统的开环传函(包括控制器传函和被控对象传函)的裕度指标是否满足系统需求，如果满足进行第(11)步，如果不满足，则返回第(7)步循环(7)、(8)、(9)，直到满足要求为止；。

(11)参数整定结束。

如图7所示，给出了所述的线性控制器和非线性控制器传函特性。图7所示的传函曲线给出的所述的线性控制器和所述的非线性控制器的K_p、f_i、f_d是一致的，所述的非线性控制器在调节参数α、β情况下，所述的非线性控制器传函特性开始发生不同于线性控制器传函特性的变化。相比之下，所述的非线性控制器传函特性能获得更高的增益提升，在积分频率f_i之前能够获得更高的增益衰减，在微分转折频率f_d之后能够获得更高的相位提升。典型地，α为非线性控制器的积分器阶数，典型值取0.001～0.3之间。典型地，β为非线性控制器的微分器阶数，典型值取1.0～1.3之间。

所述的应用实例台子Rz向结构非线性描述传函分别在所述的线性控制器和非线性控制器控制下，频域性能参数如表1所示。在同样的K_p、f_i、f_d参数调谐下，显然地，在所述的非线性控制器控制的开环性能优于在所述的线性控制器控制的台子的开环性能，伺服带宽提升了近1倍，相位裕度提升了0.5倍。所述的非线性控制器对伺服带宽的提升使得克服台子横向向运动导致的Rz模态频率摄动带来的扰动变化的能力更好，所述的非线性控制器对相位裕度的提升，克服并显著地改善了Rz柔性体的阻尼衰减，减小了Rz非线性阻尼系统的稳定时间。

表1开环控制传函频域性能参数

频域参数	非线性控制器	线性控制器
			伺服带宽[Hz]	22.108	12.6342
增益裕度[dB]	31.7383	39.6025
			相位裕度[°]	63.5689	44.8097

如图8所示，给出了所述的应用实例台子的Rz向结构传函采用线性控制器和非线性控制器进行控制的阶跃响应对比曲线。时域响应性能对比如表2所示，显然地，在同样的控制参数情况下非线性控制器的控制性能更优，稳定时间更短。

表2单位阶跃响应时域性能参数

基于双边驱动柔性体结构中，针对柔性体本身的非线性动力学特性行为，对Rz轴应用非线性控制器比经典线性控制器更能够提高Y向两个轴抗干扰的能力，从而达到减小同步误差的目的，减小稳定时间。

上述实施例仅为例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何本领域技术人员均可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰与变化。因此，本发明的权利保护范围，应以权利要求书的范围为依据。

Claims (11)

1.一种柔性双边驱动设备的位置控制装置，所述柔性双边驱动设备具有工件台、纵向第一电机、纵向第二电机、及横向电机，所述纵向第一电机和纵向第二电机能够控制工件台在纵向上的运动，而横向电机能够控制工件台在横向上的运动，其中，所述横向和纵向在平面上正交，其特征在于，所述位置控制装置包括：测量传感器、位置控制单元、及执行单元，其中，所述测量传感器与所述柔性双边驱动设备各电机的驱动轴连接，并测量得到各物理轴位置信号；所述位置控制单元将测量的各物理轴位置信号进行处理，形成基于工件台质心的误差信号，再将各基于工件台质心的误差信号转化为物理轴执行信号；所述执行单元连接于所述位置控制单元，接收各物理轴控制信号并以此控制各驱动轴运动。

2.如权利要求1所述的柔性双边驱动设备的位置控制装置，其特征在于，所述位置控制单元包括：位置转换矩阵、设定值发生器、求和比较器、位置控制器、增益转换矩阵，其中，所述位置转换矩阵与所述测量传感器连接，将各物理轴位置信号转换为逻辑轴位置信号；所述设定值发生器能够针对纵向第一电机、纵向第二电机、及工件台发出期望位置命令信号；所述求和比较器与所述位置转换矩阵及设定值发生器连接，接收并比各较逻辑轴位置信号和各期望位置命令信号，产生基于质心的误差信号；所述位置控制器与所述求和比较器连接，将各误差信号调谐整定后得到逻辑轴控制力信号；所述增益转换矩阵与所述位置控制器连接，将各逻辑轴控制力信号转化为物理轴执行信号。

3.如权利要求1所述的柔性双边驱动设备的位置控制装置，其特征在于，所述位置控制单元包括垂直转动方向的非线性控制器，用于调整垂直转动方向上的位置信号。

4.如权利要求3所述的柔性双边驱动设备的位置控制装置，其特征在于，所述垂直转动方向的非线性控制器包括：

比例增益，用于将控制偏差信号按照比例线性关系转换为比例控制力信号；

积分增益，用于将控制偏差信号的累积偏差按照比例线性关系转换为静差调节力信号；

非线性积分器，用于将控制偏差信号的累积偏差按照非线性关系转换为非线性静差调节力信号；

非线性微分器，用于将控制偏差信号按照非线性关系转换为非线性阻尼力信号；

求和器，用于叠加所述比例控制力信号、非线性静差调节力信号至所述非线性阻尼力信号。

5.如权利要求4所述的柔性双边驱动设备的位置控制装置，其特征在于，所述非线性积分器的积分阶数α调节静差力的累积率，其典型应用范围：α∈[0，2)；所述的非线性微分器的微分阶数β调节非线性阻尼力的衰减率，其典型应用范围：β∈[0，2)。

6.如权利要求1所述的柔性双边驱动设备的位置控制装置，其特征在于，所述位置控制单元包括横、纵方向的线性控制器，用于调整纵向、横向上的位置信号。

7.如权利要求2所述的柔性双边驱动设备的位置控制装置，其特征在于，所述期望位置命令信号包括期望位置信号和加速度信号。

8.如权利要求2或7所述的柔性双边驱动设备的位置控制装置，其特征在于，所述位置控制单元还包括：前馈增益模块、及前馈求和器，所述前馈增益模块与所述设定值发生器连接，将加速度信号转化为前馈补偿信号，并由与位置控制器连接的前馈求和器合并入逻辑轴控制力信号。

9.如权利要求1所述的柔性双边驱动设备的位置控制装置，其特征在于，所述执行单元包括执行器、及物理轴驱动器，其中，所述执行器与位置控制单元连接，接收各物理轴执行信号，并分别发送给所述物理轴驱动器，并由物理轴驱动器分别控制各电机的驱动轴。

10.一种应用如权利要求1所述的位置控制装置的柔性双边驱动设备，其特征在于，所述柔性双边驱动设备还包括：纵向光栅尺和横向光栅尺，所述位置控制装置能够根据所述纵向光栅尺和横向光栅尺测量得到的位置信号进行调谐和解耦，对应转换为纵向第一、第二电机、及横向电机的力输出，且解耦之后力输出能够使得工件台的质心在纵向、横向、及垂直转动方向的位置得到精确控制和定位。

11.一种应用在如权利要求1所述的位置控制装置中的非线性控制器参数的协调整定方法，其特征在于包括步骤：

(1)确定垂直转动轴控制频域指标：带宽、增益裕度、相位裕度；

(2)设定控制器参数K_p、f_i、f_d的初始值；

(3)根据最低相位裕度要求，修正参数f_i、f_d；

(4)根据最低幅值裕度要求，修正参数f_i、f_d；

(5)根据最低带宽要求，修正参数K_p；

(6)判断系统的开环传函的裕度指标是否满足系统需求，如果满足进行第(7)步，如果不满足，则返回第(3)步；

(7)根据最大相位裕度要求，修正参数阶数α、β；

(8)根据最大幅值裕度要求，修正参数阶数α、β；

(9)根据最大带宽要求，修正参数阶数α、β；

(10)判断系统的开环传函的裕度指标是否满足系统需求，如果满足则完成；如果不满足，则返回第(7)步。

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