CN102537196B - 主动减振系统及其减振单元和绝对位移测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种采用绝对位移反馈的主动减振系统，用以实现对负载主动减振，包括：至少三个减振单元，以实现对所述负载的六自由度的主动减振，所述减振单元上设置有绝对位移测量装置，所述绝对位移测量装置实时检测所述负载的绝对位移；减振控制单元，与所述至少三个减振单元分别连接，所述减振控制单元根据所述绝对位移实现主动反馈控制。本发明中所述采用绝对位移反馈的主动减振系统具有以下优点：采用空气弹簧结合直线执行器进行主动减振，并采用绝对位移反馈技术，能有效提高减振系统减振性能；并采用绝对位移反馈技术，能有效提高减振系统位置环带宽，提高减振系统的位置稳定性具有使用方便，体积较小、成本较低的优点。

Description

主动减振系统及其减振单元和绝对位移测量装置

技术领域

本发明涉及一种集成电路制造工艺设备，尤其涉及一种主动减振系统及其减振单元和绝对位移测量装置。

背景技术

超精密的主动减振系统是许多高科技技术与产品开发的基础，因而一直受到各国的高度重视。随着用户对精密设备要求的提高，很多精密设备(比如光刻机、精密测量仪器等)对振动的要求也越来越苛刻。常见的主动减振器一般采用空气弹簧与主动执行器并联的方式。为有效提高减振系统减振效果，通用的做法是采用各种技术手段减小减振系统的刚度，从而降低减振系统的固有频率。

专利EP 1744215公布了一种主动减振装置。该装置采用负刚度调节机构能有效降低减振系统的刚度，获得极低的固有频率，从而提高系统的减振效果。专利US 6226075公布了一种主动减振装置。该装置采用一种气浮轴承结构获得极低的水平向刚度，采用增大空气弹簧体积的方法获得较低的垂向刚度，从而提高系统的减振效果。

然而，上述方法的缺点是：1、降低减振系统的固有频率，会导致减振系统位置环带宽降低，使得减振系统对外界干扰较敏感(如气源波动、外力扰动)，从而影响减振系统的位置稳定性。2、采用负刚度机构、增大空气弹簧体积等技术降低减振系统刚度，会导致减振系统结构复杂，体积庞大，且成本较高。传统的减振系统采用相对位移反馈技术，为了不影响减振系统的隔振效果，减振系统的位置环带宽设计一般会低于减振系统的固有频率。因此在降低减振系统固有频率的时候，会导致减振系统位置环带宽降低，使得减振系统对外界干扰较敏感(如气源波动、外力扰动)，从而影响减振系统的位置稳定性。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，提供一种采用绝对位移反馈的、能够提高位置环带宽、受外界影响小、并且小体积、低成本的主动减振系统、主动减振系统的减振单元、以及安装于所述减振单元上的绝对位移测量装置。

本发明的目的在于提供一种绝对位移测量装置，以通过其获取负载的绝对位移，并利用该绝对位移实现一种六自由度的主动减振系统，解决现有主动减振系统易受外界干扰，结构复杂，体积庞大，且成本较高等技术问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种采用绝对位移反馈的主动减振系统，用以实现对负载主动减振，包括：

至少三个减振单元，以实现对所述负载的六自由度的主动减振；

绝对位移测量装置，设置在所述减振单元上，实时检测所述负载的绝对位移；

传感器组，设置在所述减振单元上；及

减振控制单元，与所述减振单元连接，所述减振控制单元根据所述绝对位移和所述传感器组的信号实现主动减振控制。

进一步地，所述减振单元，设置于一基础框架上，包括：

空气弹簧机构，包括所述减振单元的外壳、设置在所述外壳内部的活塞和与活塞连接的活塞杆；所述活塞杆的一端穿过所述外壳，所述活塞侧壁上延伸的连杆端部与所述外壳内壁接触形成闭合容腔；所述闭合容腔连接有气管；所述压力气体通过所述气管进入所述闭合容腔形成空气弹簧；及

执行器，提供所述负载水平向、垂向的控制力；

所述空气弹簧机构与所述执行器并联连接，对所述负载进行减振。

进一步地，针对所述减振单元，所述活塞杆的一端上连接有承载板，所述承载板上放置所述负载；所述执行器的动子与所述承载板的下表面连接，所述直线执行器的定子设置在所述外壳的上表面。

进一步地，针对所述减振单元，所述执行器为直线电机或音圈电机。

进一步地，针对所述减振单元，所述气管上设置气动伺服阀，调节所述闭合容腔内的气压。

进一步地，针对所述减振单元，所述连杆与所述外壳内壁通过密封薄膜密封，形成密闭容腔；所述活塞内设置有摆机构，所述摆机构由至少三根柔性细杆组成，通过所述柔性细杆支撑所述活塞杆。

进一步地，针对所述减振单元，所述柔性细杆的垂向刚度大，水平刚度小。

进一步地，所述传感器组包括：

负载速度传感器，设置在所述承载板的上表面，监测所述负载的速度，并将监测结果传输至减振控制单元；

基础框架速度传感器，设置在所述外壳的上表面，监测所述基础框架的速度，并将监测结果传输至减振控制单元。

进一步地，所述绝对位移测量装置包括：

相对位移传感装置，获取负载的相对位移信号；

信号处理单元，连接于所述相对位移传感装置，将所述相对位移传感装置输出的信号转化成绝对位移信号。

进一步地，针对所述绝对位移测量装置，所述相对位移传感装置包括：

装置外壁；

质量块，设置于所述装置外壁内；

弹簧机构，连接于所述质量块与装置外壁之间；

阻尼器，位于所述质量块和装置外壁之间，用于增加质量块与装置外壁的阻尼，提高装置衰减意外瞬态扰动所引起的瞬态振动的能力；及

非接触式相对位移传感器，用于感测所述质量块与装置外壁的相对位移。

进一步地，针对所述绝对位移测量装置，所述弹簧机构包括水平向、垂向弹簧机构，分别位于所述质量块与装置外壁的水平向、垂向之间。

进一步地，针对所述绝对位移测量装置，所述阻尼器包括水平向、垂向阻尼器，分别位于所述质量块与装置外壁的水平向、垂向之间。

进一步地，针对所述绝对位移测量装置，所述相对位移传感器为非接触式位移传感器，包括水平向、垂向相对位移传感器，分别检测所述质量块和装置外壁水平向、垂向的相对位移。

进一步地，针对所述绝对位移测量装置，所述装置外壁与所述质量块的一阶固有频率大于所述相对位移传感器的频率测量范围。

进一步地，针对所述绝对位移测量装置，所述信号处理单元包括依次连接的预处理单元、A/D转换单元、低频校正单元、及反向器。

进一步地，所述减振控制单元包括前馈控制器、速度反馈控制器以及绝对位移反馈控制器，所述前馈控制器产生前馈控制信号，所述速度反馈控制器产生速度反馈控制信号，所述绝对位移反馈控制器产生绝对位移反馈信号，所述前馈控制信号、速度反馈控制信号、绝对位移反馈信号共同驱动所述直线执行器工作，产生主动反馈控制力。

进一步地，针对所述减振控制单元，所述前馈控制器接收所述基础框架速度传感器的信号后，产生前馈控制信号，所述前馈控制信号驱动所述直线执行器工作，以增加减振效果。

进一步地，针对所述减振控制单元，所述速度反馈控制器设置速度参考信号，并将接收的所述负载速度传感器的信号与所述速度参考信号比较后，产生速度反馈控制信号驱动所述直线执行器工作，以产生速度反馈控制力。

进一步地，针对所述减振控制单元，所述绝对位移反馈控制器设置位移参考信号，并将接收的所述绝对位移测量装置的信号与所述位移参考信号比较后，产生绝对位移反馈信号驱动所述直线执行器，以增加减振系统减振性能，提高减振系统位置稳定性。

综上所述，本发明中所述采用绝对位移反馈的主动减振系统具有以下优点：采用空气弹簧结合直线执行器进行主动减振，并采用绝对位移反馈技术，能有效提高减振系统减振性能；并采用绝对位移反馈技术，能有效提高减振系统位置环带宽，提高减振系统的位置稳定性具有使用方便，体积较小、成本较低的优点。

附图说明

图1a、图1b为本发明一实施例中所述主动减振系统的应用示意图。

图2为本发明一实施例中减振控制单元的控制原理示意图。

图3a、图3b为本发明一实施例中减振单元的结构示意图。

图4为本发明一实施例中绝对位移测量装置的结构示意图。

图5为本发明一实施例中所述主动减振系统振动传递率比较图。

具体实施方式

为使本发明的内容更加清楚易懂，以下结合说明书附图，对本发明的内容作进一步说明。当然本发明并不局限于该具体实施例，本领域内的技术人员所熟知的一般替换也涵盖在本发明的保护范围内。

其次，本发明利用示意图进行了详细的表述，在详述本发明实例时，为了便于说明，示意图不依照一般比例局部放大，不应以此作为对本发明的限定。

本发明的核心思想是：通过提供一种绝对位移测量装置，以通过其获取负载的绝对位移，并利用该绝对位移实现一种六自由度的主动减振系统，所述主动减振系统上包括至少三个设置有绝对位移测量装置和传感器组的减振单元以及减振控制单元，对负载和基础框架共同实时监测，反馈振动情况，并及时做出相应的主动减振，以实现有效提高减振系统减振性能；并采用绝对位移反馈技术，以有效提高减振系统位置环带宽，提高减振系统的位置稳定性，具有使用方便，体积较小、成本较低的优点。

图1a、图1b为本发明一实施例中所述主动减振系统的应用示意图。如图1a所示，本发明提供一种采用绝对位移反馈的主动减振系统，所述主动减振系统包括减振控制单元4和至少三个减振单元(例如包括3a、3b、3c等)，以实现六自由度主动减振。图1b为所述主动减振系统的一个应用，如图1b中基础框架2放置于地基1上，所述基础框架2上设置有至少三个减振单元，例如包括3a，3b，3c，负载(被隔振装置)5放置于所述减振单元上。

主动减振系统一方面隔离来自地基1与基础框架2之间的振动，另一方面消除负载5上直接扰动产生的振动，保证负载5的位置稳定性。

图2为本发明一实施例中减振控制单元的控制原理示意图。请结合图1a和图2，所述减振控制单元4包括前馈控制器、速度反馈控制器以及绝对位移反馈控制器，所述前馈控制器产生前馈控制信号，所述速度反馈控制器产生速度反馈控制信号，所述绝对位移反馈控制器产生绝对位移反馈信号，所述前馈控制信号、速度反馈控制信号、绝对位移反馈信号共同驱动所述直线执行器工作，产生主动反馈控制力，以实现对负载5的绝对位移反馈控制。具体地，所述前馈控制器接收所述基础框架速度传感器的信号后，产生前馈控制信号，所述前馈控制信号驱动所述直线执行器工作，以增加减振效果；所述速度反馈控制器设置速度参考信号，并将接收的所述负载速度传感器的信号与所述速度参考信号比较后，产生速度反馈控制信号驱动所述直线执行器工作，以产生速度反馈控制力；所述绝对位移反馈控制器设置位移参考信号，并将接收的所述绝对位移测量装置的信号与所述位移参考信号比较后，产生绝对位移反馈信号驱动所述直线执行器，以增加减振系统位置稳定性。其中，减振系统位置环带宽越大，减振系统位置稳定性越好。传统的减振系统采用相对位移反馈技术，为了不影响减振系统的隔振效果，减振系统的位置环带宽设计一般会低于减振系统的固有频率。因此在降低减振系统固有频率的时候，会导致减振系统位置环带宽降低，使得减振系统对外界干扰较敏感(如气源波动、外力扰动)，从而影响减振系统的位置稳定性。本发明采用绝对位移反馈技术，使得减振系统位置环带宽设计不受减振系统固有频率影响。因此可以提高减振系统的位置环带宽，增加减振系统的位置稳定性。

图3a、图3b为本发明一实施例中减振单元的结构示意图。如图3a、3b所示，采用绝对式位移反馈的减振单元，包括空气弹簧机构，所述空气弹簧机构与供气气源通过气管12实现气路相通，所述空气弹簧机构包括减振单元的外壳6、活塞8、与所述活塞8连接的活塞杆7，活塞杆7的一端穿过外壳6，活塞8侧壁上延伸的连杆(图中未标示)与外壳6内壁接触形成闭合容腔，闭合容腔与气管12接通行程空气弹簧。活塞杆7上方设置承载板7a，承载板7a上放置负载5，气动伺服阀13设置于所述供气气源气路上，即设置于所述气管12管路上，与所述闭合容腔相连通，以调节气室气压。外壳6内壁和连杆之间还设置了密封薄膜10，形成了密闭容腔，所述活塞8还设置由至少三根柔性细杆9组成的摆机构，摆机构通过所述柔性细杆9支撑所述活塞杆7。其中，所述柔性细杆9的垂向刚度大，水平刚度小。

所述外壳6与所述基础框架2连接，压力气体通过气动伺服阀13的控制下进入所述气室，在垂向形成低刚度的空气弹簧，用于支撑负载5的重量，从而衰减来自基础框架2的垂向振动。所述柔性细杆9使得减振单元具有较低的水平向刚度，衰减来自基础框架2的水平振动。

所述采用绝对式位移反馈的减振单元还包括设置于所述空气弹簧机构上的直线执行器，包括垂向直线执行器18a和水平向直线执行器18a，提供所述载板7a水平向、垂向的控制力；传感器组，包括负载速度传感器和基础框架速度传感器，负载速度传感器包括垂向负载速度传感器16a和水平向负载速度传感器16b，感测所述承载板7a的速度，并将感测结果传输给减振控制单元4；基础框架速度传感器包括垂向基础框架速度传感器15a和水平向基础框架速度传感器15b，感测所述基础框架2的速度，并将感测结果传输给减振控制单元4；以及所述的绝对位移测量装置17，感测所述载板7a的绝对位移，并将感测结果传输给减振控制单元4；以共同实现水平向、垂向主动减振。

进一步地，所述绝对位置测量装置17和所述负载速度传感器16a、16b设置于所述载板7a上表面，所述基础框架速度传感器15a、15b设置于所述气室外壳6上，所述直线执行器18a、18b包括定子和动子，所述定子固设于所述气室外壳6上表面，所述动子固设于所述承载板7a下表面。所述基础框架速度传感器15a、15b用于测量基础框架2的垂向与水平向的速度信号，用于前馈控制。所述负载速度传感器16a、16b用于测量负载的垂向与水平向速度信号，用于速度反馈控制，增加减振系统阻尼。所述绝对位移测量装置用于测量负载5垂向与水平向绝对位移，用于绝对位移反馈控制，提高减振系统的位置环带宽，增加减振系统减振效果。所述直线执行器18a、18b的动子固定在承载板7a下表面，定子固定在外壳6上，用于提供垂向、水平向主动控制力，所述直线执行器可以是直线电机或音圈电机等。单个减振单元可以实现水平向、垂向两自由度的主动减振。三个或三个以上减振单元组成的减振系统可以实现六自由度的主动减振。在本实施例中，所述传感器组还包括相对位移传感器，包括垂向相对位移传感器14a和水平向相对位移传感器14b，用于监测、记录负载5与基础框架2的垂向、水平向的相对位移。

图4为本发明一实施例中绝对位移测量装置的结构示意图。如图4所示，所述绝对位移测量装置包括：相对位移传感装置，获取负载的相对位移信号；信号处理单元，连接于所述相对位移传感装置，将所述相对位移信号转化成绝对位移信号。所述相对位移传感装置将监测的相对位移信号传递给所述信号处理单元，所述信号处理单元转化成垂向、水平向的绝对位移信号。

进一步的，所述相对位移传感装置包括装置外壁102；质量块103，设置于所述装置外壁102内；弹簧机构(包括水平向弹簧104a和垂向弹簧104b)、通过所述弹簧机构连接于所述质量块103与所述装置外壁102之间；阻尼器，包括水平向阻尼器105a和垂向阻尼器105b，位于所述质量块103和装置外壁102水平向之间，所述阻尼器用于增加质量块103与装置外壁102的阻尼，提高该装置衰减意外瞬态扰动所引起的瞬态振动的能力；非接触式相对位移传感器，包括水平向非接触式相对位移传感器106a和垂向非接触式相对位移传感器106b，用于感测所述质量块103与装置外壁102的相对位移。负载放置于所述承载板7a上，所述负载振动通过承载板7a传递到气室活塞杆7，进而传递到活塞8上；装置外壁102与质量块103发生相对位移变化，非接触式相对式位移传感器106a，106b检测质量块103与装置外壁102水平向、垂向的相对位移。其中，装置外壁102和质量块103的一阶固有频率远大于所述相对位移传感器106a、106b的频率测量范围。

进一步的，针对所述绝对位移测量装置，所述信号处理单元包括依次连接的预处理单元107、A/D转换单元108、低频校正单元109、及反向器110。

相对位移传感器106a、106b检测的位移信号，传递给信号预处理单元107，信号预处理单元107包括：幅值调理、低通滤波等功能。预处理过后的位移信号经过A/D转化单元108，可以得到数字式相对位移信号。所述数字式相对位移信号经过低频校正单元109、反相器110转化成负载水平向、垂向绝对位移信号。

图5为本发明一实施例中所述主动减振系统振动传递率比较图。图5中主动减振系统固有频率为2Hz；曲线1为采用相对位移反馈的主动减振系统振动传递率，曲线2为采用绝对位移反馈的主动减振系统振动传递率。由图5可知采用绝对位移反馈的主动减振系统能获得更好的减振特性。

综上所述，本发明采用绝对位移反馈技术，使得减振系统位置环带宽设计不受减振系统固有频率影响。因此可以提高减振系统的位置环带宽，增加减振系统的位置稳定性。本发明中所述采用绝对位移反馈的主动减振系统具有以下优点：采用空气弹簧结合直线执行器进行主动减振，并采用绝对位移反馈技术，能有效提高减振系统减振性能；并采用绝对位移反馈技术，能有效提高减振系统位置环带宽，提高减振系统的位置稳定性具有使用方便，体积较小、成本较低的优点。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (18)

1.一种采用绝对位移反馈的主动减振系统，用以实现对负载主动减振，其特征在于，包括：

至少三个减振单元，以实现对所述负载的六自由度的主动减振；

绝对位移测量装置，设置在所述减振单元上，实时检测所述负载的绝对位移；传感器组，设置在所述减振单元上；及

减振控制单元，与所述减振单元连接，所述减振控制单元根据所述绝对位移和所述传感器组的信号实现主动减振控制；

所述减振控制单元包括前馈控制器、速度反馈控制器以及绝对位移反馈控制器，所述前馈控制器产生前馈控制信号，所述速度反馈控制器产生速度反馈控制信号，所述绝对位移反馈控制器产生绝对位移反馈信号，所述前馈控制信号、速度反馈控制信号、绝对位移反馈信号共同驱动直线执行器工作，产生主动控制力。

2.如权利要求1所述的采用绝对位移反馈的主动减振系统，其特征在于，所述减振单元，设置于一基础框架上，包括：

空气弹簧机构，包括所述减振单元的外壳、设置在所述外壳内部的活塞和与活塞连接的活塞杆；所述活塞杆的一端穿过所述外壳，所述活塞侧壁上延伸的连杆端部与所述外壳内壁接触形成闭合容腔；所述闭合容腔连接有气管；压力气体通过所述气管进入所述闭合容腔形成空气弹簧；及

所述执行器，提供所述负载水平向、垂向的控制力；

所述空气弹簧机构与所述执行器并联连接，对所述负载进行减振。

3.如权利要求2所述的采用绝对位移反馈的主动减振系统，其特征在于，所述活塞杆的一端上连接有承载板，所述承载板上放置所述负载；所述执行器的动子与所述承载板的下表面连接，所述直线执行器的定子设置在所述外壳的上表面。

4.如权利要求3所述的采用绝对位移反馈的主动减振系统，其特征在于，传感器组包括：

负载速度传感器，设置在所述承载板的上表面，监测所述负载的速度，并将监测结果传输至减振控制单元；

基础框架速度传感器，设置在所述外壳的上表面，监测所述基础框架的速度，并将监测结果传输至减振控制单元。

5.如权利要求2或3所述的采用绝对位移反馈的主动减振系统，其特征在于，所述执行器为直线电机或音圈电机。

6.如权利要求2所述的采用绝对位移反馈的主动减振系统，其特征在于，所述气管上设置气动伺服阀，调节所述闭合容腔内的气压。

7.如权利要求2所述的采用绝对位移反馈的主动减振系统，其特征在于，所述连杆与所述外壳内壁通过密封薄膜密封，形成密闭容腔；所述活塞内设置有摆机构，所述摆机构由至少三根柔性细杆组成，通过所述柔性细杆支撑所述活塞杆。

8.如权利要求7所述的采用绝对位移反馈的主动减振系统，其特征在于，所述柔性细杆的垂向刚度大，水平刚度小。

9.如权利要求2所述的采用绝对位移反馈的主动减振系统，其特征在于，所述绝对位移测量装置，包括：

相对位移传感装置，获取负载的相对位移信号；

信号处理单元，连接于所述相对位移传感装置，将所述相对位移传感装置输出的信号转化成绝对位移信号。

10.如权利要求9所述的采用绝对位移反馈的主动减振系统，其特征在于，所述相对位移传感装置包括：

装置外壁；

质量块，设置于所述装置外壁内；

弹簧机构，连接于所述质量块与装置外壁之间；

阻尼器，位于所述质量块和装置外壁之间，用于增加质量块与装置外壁的阻尼；及

非接触式相对位移传感器，用于感测所述质量块与装置外壁的相对位移。

11.如权利要求10所述的采用绝对位移反馈的主动减振系统，其特征在于，所述弹簧机构包括水平向、垂向弹簧机构，分别位于所述质量块与装置外壁的水平向、垂向之间。

12.如权利要求10所述的采用绝对位移反馈的主动减振系统，其特征在于，所述阻尼器包括水平向、垂向阻尼器，分别位于所述质量块与装置外壁的水平向、垂向之间。

13.如权利要求10所述的采用绝对位移反馈的主动减振系统，其特征在于，所述相对位移传感器为非接触式位移传感器，包括水平向、垂向相对位移传感器，分别检测所述质量块和装置外壁水平向、垂向的相对位移。

14.如权利要求10所述的采用绝对位移反馈的主动减振系统，其特征在于，所述装置外壁与所述质量块的一阶固有频率大于所述相对位移传感器的频率测量范围。

15.如权利要求9所述的采用绝对位移反馈的主动减振系统，其特征在于，所述信号处理单元包括依次连接的预处理单元、A/D转换单元、低频校正单元、及反向器。

16.如权利要求4所述的采用绝对位移反馈的主动减振系统，其特征在于，所述前馈控制器接收所述基础框架速度传感器的信号后，产生前馈控制信号，所述前馈控制信号驱动所述直线执行器工作，以增加减振效果。

17.如权利要求4所述的采用绝对位移反馈的主动减振系统，其特征在于，所述速度反馈控制器设置速度参考信号，并将接收的所述负载速度传感器的信号与所述速度参考信号比较后，产生速度反馈控制信号驱动所述直线执行器工作，以产生速度反馈控制力。

18.如权利要求1所述的采用绝对位移反馈的主动减振系统，其特征在于，所述绝对位移反馈控制器设置位移参考信号，并将接收的所述绝对位移测量装置的信号与所述位移参考信号比较后，产生绝对位移反馈信号驱动所述直线执行器，以增加减振系统减振性能，提高减振系统位置稳定性。

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