CN215339960U - 一种用于承载移动平台的主动减震控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于承载移动平台的主动减震控制系统，涉及减震控制技术领域，该系统分布在减震平台和设备底座之间，包括四个气浮支撑、主控制器以及与其相连的四个z向电磁作动器和位移传感器组、六轴传感器；气浮支撑、z向电磁作动器和位移传感器组沿减震平台四个边角对称设置；气浮支撑用于提供被动减震和承载功能；z向电磁作动器的动子固定在减震平台、定子固定在设备底座，用于主动调整减震平台的高度；位移传感器组用于检测减震平台相对于设备底座的z向位移；六轴传感器用于检测减震平台的三轴运动加速度和角速度；主控制器用于计算减震平台的水平运动姿态，并控制z向电磁作动器的动子运动，提升了减震平台的自适应减震性能。

Description

一种用于承载移动平台的主动减震控制系统

技术领域

本实用新型涉及减震控制技术领域，尤其是一种用于承载移动平台的主动减震控制系统。

背景技术

在半导体量测领域，量测设备用于检测半导体制造过程中的缺陷和关键尺寸，在对晶圆进行测量时，普遍采用微米或纳米移动平台1进行晶圆的移动和传输。由于测量主要针对高度集成的微细图形，量测设备对被测目标的震动非常敏感，大部分量测设备采用将移动平台1设置在减震平台2上，以达到在测量过程中减小震动的目的。如图1所示，减震平台2通过减震支撑4与设备底座3连接，设备底座3放置于地面，移动平台1设置在减震平台2上，可沿导轨x/y方向移动。量测设备5在量测过程中，通常需要移动晶圆，以测量不同位置参数，移动平台1在移动过程中会带来较大震动，严重影响测量精度。而目前设备的减震支撑4通常为弹簧减震或空压减震，虽然这种被动式的抗震系统能够使量测设备具备一定的抗震性能，但对于低频震动的减震效果仍旧较差。

实用新型内容

本发明人针对上述问题及技术需求，提出了一种用于承载移动平台的主动减震控制系统，通过主动减震提高减震平台的减震性能。

本实用新型的技术方案如下：

一种用于承载移动平台的主动减震控制系统，包括四个气浮支撑、主控制器以及与主控制器相连的四个z向电磁作动器、四个位移传感器组、六轴传感器；在减震平台每个边角处，均设有一个气浮支撑、z向电磁作动器和位移传感器组，且四个边角对称设置；

气浮支撑的一端固定在减震平台、另一端固定在设备底座，用于提供被动减震和承载功能；

z向电磁作动器的动子固定在减震平台、定子固定在设备底座，用于主动调整减震平台的高度；

位移传感器组包括z向位移传感器，用于检测减震平台相对于设备底座的z向位移；

六轴传感器位于减震平台面向设备底座的表面中心，用于检测减震平台的三轴运动加速度和角速度；

主控制器用于计算减震平台的水平运动姿态，并控制z向电磁作动器的动子运动。

其进一步的技术方案为，主动减震控制系统还包括与主控制器相连的两个x向电磁作动器和两个y向电磁作动器，两个x向电磁作动器分别位于减震平台的x边上，x向电磁作动器的动子固定在减震平台、定子固定在设备底座；两个y向电磁作动器分别位于减震平台的y边上，y向电磁作动器的动子固定在减震平台、定子固定在设备底座，x向电磁作动器和y向电磁作动器用于主动调整减震平台的x方向位置和y方向位置，保持减震平台在原点位置。

其进一步的技术方案为，位移传感器组还包括x向位移传感器、y向位移传感器，分别用于检测减震平台相对于设备底座的x向位移和y向位移；

主动减震控制系统还包括设于移动平台的霍尔传感器，霍尔传感器与主控制器相连，用于检测移动平台x、y方向的直线电机驱动电流；

主控制器用于计算减震平台的运动位置，并控制x向电磁作动器和y向电磁作动器的动子运动。

其进一步的技术方案为，x向电磁作动器、y向电磁作动器和z向电磁作动器的结构相同，均包括定子和动子，定子包括U型磁轭和两组磁极极性相反的条形永磁体，磁极极性相反的条形永磁体相对设置在U型磁轭的对称面上，且两组条形永磁体产生的磁场方向相反；动子包括矩形空心线圈，通电线圈在U型磁轭空隙中沿垂直磁场方向运动，主控制器还用于控制线圈的电流方向和大小；

x向电磁作动器的U型磁轭的开口方向为x方向，定子磁场沿y方向分布，动子带动减震平台沿x方向移动；y向电磁作动器的U型磁轭的开口方向为y方向，定子磁场沿x方向分布，动子带动减震平台沿y方向移动；z向电磁作动器的U型磁轭的开口方向为正向z方向，定子磁场沿x方向分布，动子带动减震平台沿z方向移动。

其进一步的技术方案为，x向位移传感器、y向位移传感器和z向位移传感器的型号相同，均基于EX-422V型号实现；六轴传感器内部集成有三轴加速度传感器和三轴角速度传感器，六轴传感器基于ISM330DLC型号实现；霍尔传感器基于HS-PHA05V4B12型号实现；主控制器基于STM32H743VG芯片实现。

本实用新型的有益技术效果是：

当移动平台在减震平台上移动时，主控制器获取位移传感器组和六轴传感器采集的三向位移位置及减震平台的三轴运动加速度和角速度，计算减震平台的水平运动姿态和运动位置，与参考值进行PID运算得到减震平台的水平度控制量和运动位置控制量，转换后传输给相应的x向电磁作动器、y向电磁作动器和z向电磁作动器，利用三向电磁作动器产生的三向洛伦兹力控制减震平台的保持水平且位于原点位置，实现主动减震，降低移动平台移动过程中的震动对测量的影响，提高系统响应的及时性和准确性。

附图说明

图1是现有的被动式抗震系统的结构示意图。

图2是本申请提供的主动减震控制系统的主视图。

图3是本申请提供的主动减震控制系统的D-D剖视图。

图4是本申请提供的z向电磁作动器的结构示意图。

图5是本申请提供的减震平台水平运动姿态的三环控制系统。

图6是本申请提供的减震平台运动位置的三环控制系统。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式做进一步说明。

结合图2、图3所示，一种用于承载移动平台的主动减震控制系统分布在减震平台2和设备底座3之间，移动平台1位于减震平台2上，带动待测晶圆移动，量测设备5固定于减震平台2的中心位置上方。主动减震控制系统包括四个气浮支撑10、主控制器(图中未示出)以及与主控制器相连的两个x向电磁作动器61、两个y向电磁作动器62、四个z向电磁作动器63、四个位移传感器组、六轴传感器。在减震平台2每个边角处，均设有一个气浮支撑10、z向电磁作动器63和位移传感器组，且四个边角对称设置，装配时应注意位置关系，避免妨碍位移传感器组的采集工作。可选的，本申请的主控制器基于STM32H743VG芯片实现。

气浮支撑10的一端固定在减震平台2、另一端固定在设备底座3，用于提供被动减震和承载功能。

x向电磁作动器61、y向电磁作动器62和z向电磁作动器63的结构相同，均包括定子和动子。以z向电磁作动器为例，如图4所示，定子包括U型磁轭81和两组磁极极性相反的条形永磁体82，磁极极性相反的条形永磁体82相对设置在U型磁轭81的对称面上，且两组条形永磁体82产生的磁场方向(图中采用虚线表示)相反。动子包括矩形空心线圈9，通电的矩形空心线圈9在U型磁轭81空隙中沿垂直磁场方向运动，主控制器还用于控制矩形空心线圈9的电流方向和大小。按照图中磁场方向以及电流方向可知z向电磁作动器63产生竖直方向(也即z向)的洛伦兹力。

两个x向电磁作动器61分别位于减震平台2的x边上，x向电磁作动器61的动子通过L型转接块固定在减震平台2，定子固定在设备底座3，且x向电磁作动器61的U型磁轭81的开口方向为x方向，定子磁场沿y方向分布，动子带动减震平台2沿x方向移动。两个y向电磁作动器62分别位于减震平台2的y边上，y向电磁作动器62的动子通过L型转接块固定在减震平台2，定子固定在设备底座3，且y向电磁作动器62的U型磁轭81的开口方向为y方向，定子磁场沿x方向分布，动子带动减震平台2沿y方向移动。z向电磁作动器63的动子固定在减震平台2，定子固定在设备底座3，且z向电磁作动器63的U型磁轭81的开口方向为正向z方向，定子磁场沿x方向分布，动子带动减震平台2沿z方向移动。

x向电磁作动器61和y向电磁作动器62用于主动调整减震平台2的x方向位置和y方向位置，保持减震平台2在原点位置。z向电磁作动器63用于主动调整减震平台2的高度，保持减震平台2处于水平位置。

位移传感器组包括x向位移传感器71、y向位移传感器72、z向位移传感器73，分别用于检测减震平台2相对于设备底座3的x向位移、y向位移和z向位移。可选的，x向位移传感器71、y向位移传感器72和z向位移传感器73的型号相同，均基于EX-422V型号实现。

六轴传感器位于减震平台2面向设备底座3的表面中心(图中未示出)，六轴传感器内部集成有三轴加速度传感器和三轴角速度传感器，用于检测减震平台2的三轴运动加速度和角速度。可选的，六轴传感器基于ISM330DLC型号实现。

本申请的主动减震控制系统还包括设于移动平台1的霍尔传感器(图中未示出)，霍尔传感器与主控制器相连，用于检测移动平台x、y方向的直线电机驱动电流。可选的，霍尔传感器基于HS-PHA05V4B12型号实现。

采用上述主动减震系统的控制方法主要包括减震平台水平度控制、减震平台平面运动控制两部分，下面分别进行详细说明：

1)减震平台水平度控制原理：在移动平台1移动过程中，主控制器通过获取z向位移、三轴运动加速度和角速度，对减震平台的俯仰、横滚两个方向的角度和角速度进行计算，进而获取减震平台2的水平运动姿态，与z向参考位移进行PID运算得到减震平台的水平度控制量，进而控制z向电磁作动器63的动子运动，降低移动平台1移动导致的减震平台震动。

通过六轴传感器、位移传感器进行相对位姿解算已有较多经典算法，如适合多传感数据融合的卡尔曼滤波算法、互补滤波融合法、运动姿态的四元数表示法及其与欧拉角的换算等，此处不做过多赘述。

如图5所示，减震平台水平度控制采用三环控制系统，内环为角速度控制环，中间环为角度控制环，外环为位移控制环。俯仰和横滚两个欧拉角角度的参考值和测量值之差作为控制偏差输入，输入至中间环角度控制器。中间环角度控制器的输出作为内环角速度控制器的参考值，其与角速度的差作为内环控制偏差输入，内环角速度控制器的输出为执行机构即作动器的控制信号。本实施例的内环控制器和中间环控制器均采用PID控制方法。外环位移控制环以位移参考值与位移调节器的输出偏差作为输入，位移调节器用于调整位移传感器的反馈数据，位移控制器采用带有超前、滞后调节参数的阻尼控制方法。为保证水平度控制的优先级和稳定性，本实施例的位移环频率应远低于角度控制环。

2)减震平台平面运动控制原理：在移动平台1移动过程中，主控制器通过获取x、y向位移、三轴运动加速度和角速度计算减震平台2的运动位置，与x、y向参考位移以及参考作用力进行PID运算得到减震平台的运动位置控制量，进而控制x向电磁作动器61和y向电磁作动器62的动子运动，降低移动平台1移动导致的减震平台震动。

如图6所示，减震平台的运动控制也采用三环控制系统，内环为位移控制环，中间环为速度控制环，外环为力控制环。位移控制环用于保持减震平台在运动原点，速度控制环用于控制减震平台在原点时停止运动，力控制环为前馈主动控制，主动控制信号为移动平台的运动信号，移动平台的运动信号包括运动速度及方向、加速度及方向、移动平台所在位置等，该信息可通过移动平台控制器提供，本实施例通过霍尔传感器检测移动平台x、y方向的直线电机驱动电流，通过信号变换，转换为力控制器的输入值，与参考作用力、减震平台的加速度调节结果共同作为力控制器的输入信号，本实施例的力控制器、速度控制器、位移控制器均采用PID控制器。

综上，通过对减震平台水平度控制，保持减震台水平度和高度稳定。通过对移动平台的运动检测，主动调节减震平台x、y方向的作用力，提高调节的及时性，有效降低移动平台移动带来的震动。

以上所述的仅是本申请的优选实施方式，本实用新型不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本实用新型的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种用于承载移动平台的主动减震控制系统，其特征在于，包括四个气浮支撑、主控制器以及与所述主控制器相连的四个z向电磁作动器、四个位移传感器组、六轴传感器；在减震平台每个边角处，均设有一个气浮支撑、z向电磁作动器和位移传感器组，且四个边角对称设置；

所述气浮支撑的一端固定在所述减震平台、另一端固定在设备底座，用于提供被动减震和承载功能；

所述z向电磁作动器的动子固定在所述减震平台、定子固定在所述设备底座，用于主动调整所述减震平台的高度；

所述位移传感器组包括z向位移传感器，用于检测所述减震平台相对于所述设备底座的z向位移；

所述六轴传感器位于所述减震平台面向设备底座的表面中心，用于检测所述减震平台的三轴运动加速度和角速度；

所述主控制器用于计算所述减震平台的水平运动姿态，并控制所述z向电磁作动器的动子运动。

2.根据权利要求1所述的用于承载移动平台的主动减震控制系统，其特征在于，所述主动减震控制系统还包括与所述主控制器相连的两个x向电磁作动器和两个y向电磁作动器，两个所述x向电磁作动器分别位于所述减震平台的x边上，所述x向电磁作动器的动子固定在所述减震平台、定子固定在所述设备底座；两个所述y向电磁作动器分别位于所述减震平台的y边上，所述y向电磁作动器的动子固定在所述减震平台、定子固定在所述设备底座，所述x向电磁作动器和y向电磁作动器用于主动调整所述减震平台的x方向位置和y方向位置，保持所述减震平台在原点位置。

3.根据权利要求2所述的用于承载移动平台的主动减震控制系统，其特征在于，所述位移传感器组还包括x向位移传感器、y向位移传感器，分别用于检测所述减震平台相对于所述设备底座的x向位移和y向位移；

所述主动减震控制系统还包括设于移动平台的霍尔传感器，所述霍尔传感器与所述主控制器相连，用于检测移动平台x、y方向的直线电机驱动电流；

所述主控制器用于计算所述减震平台的运动位置，并控制所述x向电磁作动器和y向电磁作动器的动子运动。

4.根据权利要求2所述的用于承载移动平台的主动减震控制系统，其特征在于，所述x向电磁作动器、y向电磁作动器和z向电磁作动器的结构相同，均包括定子和动子，所述定子包括U型磁轭和两组磁极极性相反的条形永磁体，所述磁极极性相反的条形永磁体相对设置在所述U型磁轭的对称面上，且两组条形永磁体产生的磁场方向相反；所述动子包括矩形空心线圈，通电线圈在U型磁轭空隙中沿垂直磁场方向运动，所述主控制器还用于控制线圈的电流方向和大小；

所述x向电磁作动器的U型磁轭的开口方向为x方向，定子磁场沿y方向分布，所述动子带动所述减震平台沿x方向移动；所述y向电磁作动器的U型磁轭的开口方向为y方向，定子磁场沿x方向分布，所述动子带动所述减震平台沿y方向移动；所述z向电磁作动器的U型磁轭的开口方向为正向z方向，定子磁场沿x方向分布，所述动子带动所述减震平台沿z方向移动。

5.根据权利要求3所述的用于承载移动平台的主动减震控制系统，其特征在于，所述x向位移传感器、y向位移传感器和z向位移传感器的型号相同，均基于EX-422V型号实现；所述六轴传感器内部集成有三轴加速度传感器和三轴角速度传感器，所述六轴传感器基于ISM330DLC型号实现；所述霍尔传感器基于HS-PHA05V4B12型号实现；所述主控制器基于STM32H743VG芯片实现。

Images