專利名稱：一種超精密雙層宏微運動平臺的同步控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于自動化技術(shù)和先進制造技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種超精密雙 層宏微運動平臺的同步控制系統(tǒng)，可應用于數(shù)控機床的運動系統(tǒng)，也可應
用于MEMS等其他超精密定位系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
隨著IC制造、精密測量等的不斷發(fā)展，超精密雙層宏微運動平臺得到 了日益廣泛的研究與應用。超精密雙層宏微運動平臺包括兩個宏微運動平 臺，每一個宏微運動平臺就是一個超精密大行程、高精度的定位系統(tǒng)，兩 個宏微運動平臺可呈上下分布，亦可呈左右分布，兩個宏微運動平臺可分 別在其微動平臺上承載工件和模具，并跟蹤給定的軌跡同時以指定速度沿 相同或相反方向運動，在特定的區(qū)域要求兩個宏微運動平臺中微動平臺的 位置或速度完全同步，從而完成工件的加工。
由于MEMS、生物醫(yī)學工程、精密光學工程和超精密加工等領(lǐng)域的快 速發(fā)展，迫切需要能夠在一定的大行程范圍內(nèi)進行納米級精度定位的系統(tǒng) 及裝備，各種大行程、高精度的超精密定位系統(tǒng)應運而生。宏微運動平臺 是實現(xiàn)大行程、高精度運動的一種有效方案，這種方案有效降低了執(zhí)行器 的加工難度，實現(xiàn)成本也比較低。 一般來講，宏動平臺具有大行程的高速 運動能力，微動平臺雖然行程較小，但具有高精度和高頻響的特點。宏動 平臺一般采用永磁直線電機、直流伺服電機等大行程、大負載的驅(qū)動機構(gòu) 進行驅(qū)動，微動平臺采用壓電驅(qū)動器、音圈電機、平面電機等小行程、小 負載、高精度的驅(qū)動機構(gòu)進行驅(qū)動。超精密雙層宏微運動平臺中的兩個宏微運動平臺的結(jié)構(gòu)完全相同，均
具有x、 y、 e向的自由度。在宏微運動平臺中，宏動平臺采用一個永磁直 線電機驅(qū)動，完成x方向的大行程、低精度運動，光柵尺讀數(shù)頭安裝在宏
動平臺上，用于測量宏動平臺的位移，宏動平臺總行程為300mm。微動平 臺由四個直線電機協(xié)調(diào)驅(qū)動，完成X、 Y、 e向的小行程、高精度運動，X、 Y向行程為2mm， e向行程為0.25|amd。宏動平臺與微動平臺的相對位置 由差分傳感器測得。采用激光干涉儀作為宏微運動平臺控制系統(tǒng)的全局位 置檢測元件，激光干涉儀的反光鏡安裝在微動平臺上。宏、微兩級平臺均 采用閉式氣浮導軌。宏微運動平臺的定位精度為10nm，兩個宏微運動平臺 的同步精度5nm。超精密雙層宏微運動平臺的結(jié)構(gòu)如圖1所示，圖中兩個 宏微運動平臺呈左右分布。
如圖1所示，超精密雙層宏微運動平臺包括宏動平臺直線電機1，連接 板2，宏動平臺3，微動平臺直線電機4、 5 (微動平臺的兩個X向直線電 機4a、 4b，微動平臺的兩個Y向直線電機5a、 5b)，微動平臺6，第一宏 微運動平臺7，第二宏微運動平臺8，基本框架9;其中每個宏微運動平臺 由5個直線電機驅(qū)動，為實現(xiàn)超精密雙層宏微運動平臺的運動控制要求， 除進行IO軸聯(lián)動控制外，核心關(guān)鍵在于高速高精的宏微運動平臺控制和兩 個宏微運動平臺間的同步控制問題。宏微運動平臺的控制是使微動平臺上 的工件加工位置的定位精動達到10nm，同步控制是使兩個宏微運動平臺在 相同的運動軌跡下，兩個微動平臺上的工件加工位置的運動位移完全相同， 兩者之差不超過5nm。
兩個宏微運動平臺的同步運動是指按工藝要求的精度和快速性，實現(xiàn) 兩個宏微運動子系統(tǒng)的相對同步運行(速度同步)或絕對同步運行(角度或位 置)或者要求速度一位移實現(xiàn)雙重同步運行。通常，對兩個宏微運動平臺的 同步精度的控制難度遠遠大于對一個宏微運動平臺進行控制的難度，這是 因為兩個宏微運動平臺的同步控制不僅要求保證兩個的宏微運動平臺各自的定位精度，還涉及到兩個宏微運動平臺控制回路間的的互相關(guān)系并使其 保持一致性。在雙層宏微運動平臺中，影響系統(tǒng)同步運行性能的因素主要 來自兩個方面。其一就是在相對獨立的兩個宏微運動平臺中，兩個宏微運 動平臺各自受到的擾動，從而導致其伺服性能下降，最終影響同步運行的 性能。其二就是由于兩個宏微運動平臺存在一定的耦合，而兩個宏微運動 平臺的運動又不能達到絕對的完全同步，因此產(chǎn)生的一個系統(tǒng)對另一個系 統(tǒng)的影響。
對于宏微運動平臺的控制，根據(jù)控制對象及其應用場合不同，其機械 結(jié)構(gòu)形式及宏微運動協(xié)同控制方案也有很大的區(qū)別。在超精密運動控制中， 宏微運動平臺一般采用主從控制策略，分為兩種 一種是宏動平臺為主動 系統(tǒng)，微動平臺為從動系統(tǒng)，微動平臺跟隨宏動平臺進行運動；另一種是 微動平臺為主動系統(tǒng)，宏動平臺為從動系統(tǒng)，宏動平臺跟隨微動平臺進行 運動。這兩種方法都有一個共同的缺點是當從動平臺遭受外界干擾而產(chǎn) 生輸出變化，無法反饋至主動系統(tǒng)，使系統(tǒng)失去其應有的偏差補償能力。
公開號為CN1967386A
公開日為2007年05月23日的中國專利文獻提供 了一種"步進掃描光刻機晶片臺掩模臺同步控制系統(tǒng)"，其中掩模臺是一個 宏微運動平臺，晶片臺非宏微運動平臺，該專利文獻在介紹晶片臺掩模臺 同步控制的同時也介紹了掩模臺的宏微運動控制，該發(fā)明采用一般主從式 控制策略對掩模臺進行控制(如該專利文獻中圖5所示)，掩模臺中宏動平 臺是主動系統(tǒng)，微動平臺是從動系統(tǒng)，此結(jié)構(gòu)的優(yōu)點在于，即使主動系統(tǒng) 宏動平臺受到外界干擾而產(chǎn)生不同于輸入命令的輸出，從動系統(tǒng)微動平臺 也會以主動系統(tǒng)宏動平臺的輸出值作為輸入命令，從保證了掩模臺的運動 精度；缺點在于，若是從動系統(tǒng)微動平臺遭受外界干擾而產(chǎn)生輸出變化， 該結(jié)構(gòu)不具有任何將從動系統(tǒng)微動平臺的輸出反饋至主動系統(tǒng)宏動平臺的 功能，因此可能引起微動平臺的飽和，微動平臺的飽和不僅會使系統(tǒng)失去 應有的偏差補償能力，還可能引起激勵系統(tǒng)諧振，導致控制失效。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種超精密雙層宏微運動平臺的同步控制系統(tǒng)， 該系統(tǒng)不僅可以實現(xiàn)雙層宏微運動平臺的同步運動，而且能提高宏微運動 平臺的精度和穩(wěn)定性。
本發(fā)明提供的超精密雙層宏微運動平臺的同步控制系統(tǒng)，其特征在于 該系統(tǒng)包括設置在計算機內(nèi)的主控制模塊、第一、第二宏微運動平臺控制
模塊和同步控制模塊；
第一、第二宏微運動平臺控制模塊的結(jié)構(gòu)相同，分別負責第一、第二
宏微運動平臺的控制；第一、第二宏微運動平臺控制模塊分別根據(jù)主控制 模塊提供的控制參數(shù)，計算出驅(qū)動微動平臺執(zhí)行器的驅(qū)動力，并將表示驅(qū) 動力的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號，提供給微動平臺執(zhí)行器；然后根據(jù)微動 平臺與宏動平臺的相對位置差信息，判斷宏動平臺是否需要跟隨微動平臺 進行運動；若宏動平臺需要跟隨微動平臺運動，則計算出驅(qū)動宏動平臺執(zhí) 行器的驅(qū)動力，并將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號，提供給宏動平臺執(zhí)行器；
主控制模塊負責總體控制，計算兩個宏微運動平臺的目標參數(shù)，并將 目標參數(shù)分別傳送到第一、第二宏微運動平臺控制模塊和同步控制模塊；
同步控制模塊負責根據(jù)第一、第二宏微運動平臺控制模塊傳遞的兩個 微動平臺的位置信息，計算兩個宏微運動平臺的同步誤差，并將同步誤差 與誤差允許值進行比較，根據(jù)結(jié)果決定其中一個宏微運動平臺的運動補償 量，再將補償量傳遞給該宏微運動平臺控制模塊。
本發(fā)明要實現(xiàn)的是在超精密雙層宏微運動平臺中是兩個宏微運動平臺 的超精密位移同歩運動。本發(fā)明在保證超精密雙層宏微運動平臺的高速運 動的前提下，控制和減少了雙層宏微運動平臺的同步誤差，提高了宏微運動平臺的定位和跟蹤精度。具體而言，本發(fā)明具備以下的效果和特點
1采用雙層宏微運動平臺同步控制器，減小了同步誤差，并最終改善 了雙層宏微運動平臺的同步精度；
2對于宏微運動平臺中的宏動、微動平臺，提出了一種宏動平臺跟蹤 微動平臺的控制方法，引入了跟隨控制器，防止了微動平臺運動飽和的發(fā) 生，提高了宏微運動平臺的定位精度；
3本發(fā)明引入了微動平臺位置轉(zhuǎn)換器，將微動平臺的位移控制信號轉(zhuǎn) 換成四個直線驅(qū)動電機各自的輸入信號，消除了微動平臺四個直線電機的 運動耦合，簡化了微動平臺的控制；
4本發(fā)明引入了力作用轉(zhuǎn)換器，計算了宏動平臺所受到微動平臺的作 用反力，并通過宏動平臺控制模塊對反力進行了抑制，提高了宏動平臺的 跟蹤精度。


圖1為超精密雙層宏微運動平臺的結(jié)構(gòu)示意圖2a為超精密雙層宏微運動平臺同步控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；圖2b為圖 2a中宏微運動平臺控制模塊200、 400的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3為超精密雙層宏微運動平臺的控制流程圖4為包括位置轉(zhuǎn)換器、力作用轉(zhuǎn)換器和同步控制器的超精密雙層宏微 運動平臺同步控制系統(tǒng)控制原理圖； 圖5為微動平臺位置關(guān)系圖。
具體實施例方式
本發(fā)明利用在宏微運動平臺中宏、微動復合控制策略，采用宏動平臺 跟蹤微動平臺的復合運動方式。微動平臺是主動系統(tǒng)，其控制系統(tǒng)的輸入 是宏微運動平臺的運動軌跡，反饋是微動平臺的實際位置，微動平臺的實際位置由微動、宏動平臺的相對位置與宏動平臺的實際位置相加得出。宏 動平臺是從動系統(tǒng)，當宏動平臺需要跟隨微動平臺運動時，其輸入是微動、 宏動平臺的相對位置。本發(fā)明所提出的宏動平臺跟蹤微動平臺的控制方法， 當微動平臺受到外界干擾而產(chǎn)生不同于輸入命令的輸出，宏動平臺也會以 微動平臺的輸出值作為輸入命令，進而防止了微動平臺的飽和；當宏動平 臺受到外界干擾而產(chǎn)生不同于輸入命令的輸出，微動平臺也會以宏動平臺 的輸出值作為反饋信號調(diào)整系統(tǒng)的輸入，從而保證宏微運動平臺的運動精 度。該種方式不僅充分發(fā)揮了宏動平臺和微動平臺的長處，更重要的是保 證了微動平臺不會發(fā)生運動飽和現(xiàn)象。
本發(fā)明利用微動平臺位置轉(zhuǎn)換器將微動平臺加工位置的位移控制信號 轉(zhuǎn)換成四個直線電機各自的位移控制信號。由于宏微運動平臺中的微動平 臺由四個直線電機驅(qū)動，為了完成微動平臺的運動，必須對微動平臺進行 位置轉(zhuǎn)換，利用本發(fā)明提出的微動平臺位置轉(zhuǎn)換器，消除了四個直線電機 驅(qū)動的運動耦合，簡化了微動平臺的控制。
本發(fā)明利用力作用轉(zhuǎn)換器，計算了宏動平臺受到的微動平臺作用反力。 由于驅(qū)動微動平臺的四個直線電機，其定子固定在宏動平臺上，其動子固 定在微動平臺，所以當以一定的驅(qū)動力驅(qū)動微動平臺直線電機動子運動時， 在宏動平臺上的電機定子會受到大小相等、方向相反的作用反力。由于宏 動平臺沒有Y向運動，所以Y向的作用反力可以不予考慮。也就是說當驅(qū) 動微動平臺運動時，宏動平臺在運動方向X向會受到微動平臺X向作用反 力，因此在宏動平臺控制中必須抑制微動平臺X向反力對宏動平臺的作用， 利用本發(fā)明提出的力作用轉(zhuǎn)換器，可將微動平臺兩個X向直線電機的驅(qū)動 反力經(jīng)過一定的轉(zhuǎn)換后施加到宏動平臺上，便于宏動平臺控制模塊對反力 的抑制。
以下結(jié)合設計實例和附圖對本發(fā)明作進一步詳細的說明。
如圖2a所示，本發(fā)明超精密雙層宏微運動平臺的同步控制系統(tǒng)包括設置在計算機內(nèi)的主控制模塊100、第一、第二宏微運動平臺控制模塊200、 400和同步控制模塊300。其中，第一、第二宏微運動平臺控制模塊200、 400分別用于控制超精密雙層宏微運動平臺的兩個宏微運動平臺，二者的內(nèi) 部結(jié)構(gòu)完全相同。
主控制模塊100負責總體控制，主要進行系統(tǒng)管理、任務調(diào)度和系統(tǒng) 運行監(jiān)測，對兩個宏微運動平臺的運動軌跡進行規(guī)劃，計算出要求的速度 和規(guī)定的時間等目標參數(shù)，并將上述參數(shù)通過VME總線傳送到第一、第二 宏微運動平臺控制模塊200、 400'和同步控制模塊300。
同步控制模塊300負責根據(jù)第一、第二宏微運動平臺控制模塊200、400 傳遞的兩個微動平臺的位置信息，計算兩個宏微運動平臺的同步誤差，并 將同步誤差與誤差允許值進行比較，并根據(jù)結(jié)果決定其中一個宏微運動平 臺的運動補償量，再將補償量傳遞給該宏微運動平臺控制模塊。
第一、第二宏微運動平臺控制模塊200、 400分別負責第一、第二宏微 運動平臺的控制?？刂颇K200、 400根據(jù)主控制模塊100提供的控制參數(shù)， 首先經(jīng)過微動平臺位置轉(zhuǎn)換后計算出驅(qū)動微動平臺執(zhí)行器(四個直線電機) 的驅(qū)動力，并把它轉(zhuǎn)換成模擬信號，驅(qū)動微動平臺執(zhí)行器運動，使微動平 臺產(chǎn)生相應位移；然后根據(jù)微動平臺與宏動平臺的相對位置差信息，判斷 宏動平臺是否需要跟隨微動平臺進行運動；若宏動平臺需要跟隨微動平臺 運動，則計算出驅(qū)動宏動平臺執(zhí)行器(一個直線電機)的驅(qū)動力，并把它 轉(zhuǎn)換成模擬信號，驅(qū)動宏動平臺執(zhí)行器運動，使宏動平臺產(chǎn)生相應位移； 若若宏動平臺不需跟隨微動平臺運動，則不驅(qū)動宏動平臺。
如圖2b所示，第一、第二宏微運動平臺控制模塊均包括微動平臺控制 模塊10，跟隨控制模塊20，宏動平臺控制模塊30，激光測量模塊40和光 柵測量模塊50。
激光測量模塊40接收來自微動平臺控制模塊10的控制指令后，實時 釆集微動平臺的位置信息，并將微動平臺的位置信息傳遞給微動平臺控制
ii模塊IO、跟隨控制模塊20。此時激光測量模塊40所采集的是微動平臺與 宏動平臺的相對位置差信息。
光柵測量模塊50接收來自宏動平臺控制模塊30的控制指令后，實時 采集宏動平臺的位置信息，并將宏動平臺位置信息傳遞給微動平臺控制模 塊10。
通常，超精密雙層宏微運動平臺利用激光干涉儀測量微動平臺的位置， 利用光柵尺測量宏動平臺的位置。
微動平臺控制模塊10首先發(fā)出測量控制指令，并傳遞給激光測量模塊 40;并根據(jù)主控制模塊100所傳遞的運動參數(shù)和激光測量模塊40、光柵測 量模塊50所反饋的微動平臺實際位置信息，計算出微動平臺的位置誤差， 經(jīng)過微動平臺位置轉(zhuǎn)換后計算出驅(qū)動微動平臺執(zhí)行器(四個直線電機)的 驅(qū)動力，并把它轉(zhuǎn)換成模擬信號，驅(qū)動微動平臺執(zhí)行器運動，使微動平臺 產(chǎn)生相應位移。
跟隨控制模塊20根據(jù)激光測量模塊40所傳遞的微動平臺與宏動平臺 的相對位置差信息，通過計算確定宏動平臺的運動狀態(tài)，并傳遞給宏動平 臺控制模塊30。
宏動平臺控制模塊30首先發(fā)出測量控制指令，并傳遞給光柵測量模塊 50;并根據(jù)跟隨控制模塊20所傳遞的運動參數(shù)計算出驅(qū)動宏動平臺執(zhí)行器 (一個直線電機)的驅(qū)動力，并把它轉(zhuǎn)換成模擬信號，驅(qū)動宏動平臺執(zhí)行 器運動，使宏動平臺產(chǎn)生相應位移。
超精密雙層宏微運動平臺的控制流程如下
系統(tǒng)初始化后首先執(zhí)行步驟Sl，主控制模塊100進行目標軌跡設定， 并把相關(guān)參數(shù)傳遞給第一、第二宏微運動平臺控制模塊200、 400和同步控 制模塊300;
然后執(zhí)行步驟S2，第一、第二宏微運動^P臺控制模塊200、 400和同步控制模塊300從主控制模塊100中讀入運動參數(shù)；
步驟S3:第一、第二宏微運動平臺控制模塊200、 400根據(jù)主控制模 塊傳遞的參數(shù)分別對兩個宏微運動平臺進行初始化和參數(shù)詳細設定。其中 步驟S3a是控制模塊200對第一宏微運動平臺進行參數(shù)設定，步驟S3b是 控制模塊400對第二宏微運動平臺進行參數(shù)設定，步驟S3a和S3b同時進 行；
步驟S4:微動平臺控制模塊10根據(jù)位移指令，計算驅(qū)動微動平臺所 需的驅(qū)動力，并驅(qū)動微動平臺輸出相應的位移。其中S4a為第一微動平臺 控制模塊驅(qū)動第一宏微運動平臺中的微動平臺進行運動，S4b為第二微動 平臺控制模塊驅(qū)動第二宏微運動平臺中的微動平臺進行運動；
步驟S5:激光測量模塊40控制相應的激光干涉儀進行微動平臺的位 置檢測，并把位置信息傳遞給跟隨控制模塊20和微動平臺控制模塊10。其 中S5a為第一激光測量模塊對第一宏微運動平臺中的微動平臺進行測量， S5b為第二激光測量模塊對第二宏微運動平臺中的微動平臺進行測量；
步驟S6:跟隨控制模塊計算微動平臺和宏動平臺的跟隨誤差，如果跟 隨誤差大于差分傳感器的閥值(1.5^n)，則轉(zhuǎn)向S7;否則宏動平臺不進行運 動。其中步驟S6a為第一宏微運動平臺的跟隨控制模塊20進行跟隨判斷， 步驟S6b為第二宏微運動平臺的跟隨控制模塊20進行跟隨判斷；
步驟7:宏動平臺控制模塊30根據(jù)跟隨控制模塊20傳遞的參數(shù)，計算 驅(qū)動宏動平臺所需的驅(qū)動力，并驅(qū)動宏動平臺跟隨微動平臺進行運動，輸 出相應的位移。其中步驟7a為第一宏動平臺控制模塊驅(qū)動第一宏微運動平 臺中的宏動平臺進行運動，步驟7b為第二宏動平臺控制模塊驅(qū)動第二宏微 運動平臺中的宏動平臺進行運動；
步驟8:光柵測量模塊50控制相應的光柵尺進行宏動平臺的輸出位置 測量，并把位置信息傳遞給微動平臺控制模塊10。其中S8a為第一光柵測 量模塊對第一宏微運動平臺中的宏動平臺進行測量，S8b為第二光柵測量模塊對第二宏微運動平臺中的宏動平臺進行測量；
步驟9:同步控制模塊300計算兩個宏微運動平臺中微動平臺的位置同
步誤差，比較同步誤差與允許誤差的大小，如果同步誤差大于允許誤差，
則轉(zhuǎn)向SIO，否則轉(zhuǎn)向S11;
步驟S10:同步控制模塊300對同步誤差進行補償，并把補償參數(shù)傳
遞給第二宏微運動平臺的微動平臺控制模塊，并轉(zhuǎn)向步驟S4b;
步驟S11:判斷運動是否結(jié)束？若未結(jié)束，則轉(zhuǎn)向S2，否則結(jié)束運動。
實例:
如圖4所示，微動平臺控制模塊10包括微動平臺位置轉(zhuǎn)換器11、微動 平臺X向第一電機控制器12、微動平臺X向第二電機控制器13、微動平 臺Y向第一電機控制器14、微動平臺Y向第二電機控制器15。
宏動平臺控制模塊30包括宏動平臺控制器31和力作用轉(zhuǎn)換器32。
如圖4所示，主控制模塊100發(fā)出位移指令Yref，微動平臺位置轉(zhuǎn)換 器11接收位移指令，并將位移指令與微動平臺實際位置的差進行位置轉(zhuǎn)換 運算，得到微動平臺四個電機各自的目標位置信號，并分別傳輸給微動平 臺X向第一電機控制器12、微動平臺X向第二電機控制器13、微動平臺Y 向第一電機控制器14、微動平臺Y向第二電機控制器15。
其中微動平臺實際位置是由光柵激光測量模塊50測得的宏動平臺實際 位置信號和激光測量模塊40測得的微動平臺相對宏動平臺位置信號相加而 得。
微動平臺位置轉(zhuǎn)換器ll的作用是將輸入的微動平臺加工位置的位移信 號轉(zhuǎn)換成四個直線電機各自的位移信號。由于宏微運動平臺中的定位精度 最終體現(xiàn)在微動平臺加工位置的精度上，所以控制系統(tǒng)的輸入信號是微動 平臺加工位置的位移信號。微動平臺位置轉(zhuǎn)換器11包括兩方面的內(nèi)容(1) 將微動平臺加工位置的位移信號轉(zhuǎn)換成微動平臺質(zhì)心的位移信號；(2)將微動平臺質(zhì)心的位移信號轉(zhuǎn)換成四個驅(qū)動電機各自的位移信號。
令(U，0)表示微動平臺加工位置在X向、Y向和繞Z軸轉(zhuǎn)動的位移 信號；(A,&A)表示微動平臺質(zhì)心在在X向、Y向和繞Z軸轉(zhuǎn)動的的位
移信號；(A,^)分別表示X向第一、第二電機在X向的位移信號；(&y2)
分別表示Y向第一、第二電機在Y向的位移信號；(az,a:t)表示微動平
臺加工位置相對質(zhì)心的位移，(仏丄)分別表示X向和Y向直線電機質(zhì)心到 微動臺質(zhì)心的距離，如圖5所示。
則
yG= y - AX sin P —cos P
X2=XG + //sin 6>G
微動平臺位置轉(zhuǎn)換器ll的輸入為(u")，輸出為(《,12,};,72)，因
此微動平臺位置轉(zhuǎn)換器11的構(gòu)成如下
1、 先對輸入信號中的角位移信號^進行sin和cos運算，將^轉(zhuǎn)換成sh^ 禾口 cosS 。
;^=Z - AX cos 6 +sin 6 -sin 0
2、 按照〗v v Av . 。
AV z) 「 ^進仃計算，將輸入的1放動平臺 7 — AX sin 6* _ cos 6* — L sin汐
y2= y — AX sin 6 _cos 6 +丄sin 6
加工位置信號()轉(zhuǎn)換成四個直線電機的輸出位置信號(《，i2，[:r2 )。
四個微動平臺電機控制器12、 13、 14、 15根據(jù)各自的目標位置信號
(xpx2，};,y2)計算出驅(qū)動各自電機所需的驅(qū)動力信號，并用它們驅(qū)動微動
平臺，四個微動平臺電機控制器12、 13、 14、 15采用PID控制器。
激光干涉儀檢測出微動平臺的位移后，由激光測量模塊40將微動平臺 的位移數(shù)據(jù)從激光干涉儀中取出，并傳遞給跟隨控制模塊20和微動平臺位 置轉(zhuǎn)換器11。跟隨控制模塊20根據(jù)微動平臺的位移和宏動平臺實際位置得出宏動平臺的輸入信號，并傳遞給宏動平臺控制器31。
跟隨控制模塊20是本發(fā)明提出的宏、微動復合控制策略中的一部分。 跟隨控制模塊20根據(jù)微動平臺與宏動平臺的相對位置差信息進行計算，使 得宏動平臺跟隨微動平臺。
跟隨控制模塊20的具體實現(xiàn)如下跟隨控制模塊20從激光測量模塊 40讀取出微動平臺與宏動平臺的相對位置差信息，將此相對位置信息與差 分傳感器的閥值(1.5toi)進行比較，若相對位置大于1.5to，則將此相對位 置信息傳遞給宏動平臺控制器31，使宏動平臺跟隨微動平臺進行運動；若 相對位置小于1.5tai，則將傳遞給宏動平臺控制器31的位置信息置零。
宏動平臺控制器31根據(jù)跟隨控制模塊20所傳遞的位置信息計算出驅(qū) 動宏動平臺所需的原始驅(qū)動力信號，宏動平臺控制器31采用PID控制器。 由力作用控制器32得到的反作用力信號與宏動平臺原始驅(qū)動力信號相減得 到修正后的宏動平臺驅(qū)動力信號，并用它驅(qū)動宏動平臺運動。
力作用轉(zhuǎn)換器32是將微動平臺中兩個電機的驅(qū)動力信號轉(zhuǎn)換成宏動平
臺的反作用力信號。
力作用轉(zhuǎn)換器32的實現(xiàn)如下力作用轉(zhuǎn)換器32從微動平臺X向第一、 第二電機控制器12、 13讀取出微動平臺X向第一、第二電機的驅(qū)動力，然 后將這兩個微動平臺X向電機的驅(qū)動力相加后進行取反運算，作為宏動平 臺的反作用力信號。
光柵尺檢測出宏動平臺的位移后，由光柵測量模塊50將宏動平臺的位 移數(shù)據(jù)從光柵尺中取出，并傳遞給微動平臺位置轉(zhuǎn)換器11。
由于第一、第二宏微運動平臺的目標位移可以相等也可成一定的比例 關(guān)系，比例值為a (通常a為1 4)，所以在控制中將第一宏微運動平臺中 微動平臺的實際位置信號乘以倍數(shù)a和第二宏微運動平臺中微動平臺的實 際位置信號同時作為同步控制模塊300的輸入，經(jīng)過同步控制模塊300的 計算得出同步誤差的補償量，并將補償量傳遞給第二宏微運動平臺控制模
16塊400。需要說明的是，第二宏微運動平臺控制模塊400的輸入?yún)⒖嘉灰浦?令是a*Yref。
同步控制模塊300的輸入為第二宏微運動平臺的目標位移、第一、二 宏微運動平臺中微動平臺的位置信息、第一宏微運動平臺的位置誤差。其 中第一宏微運動平臺中微動平臺的位置信息是將其實際位置信號乘以倍數(shù) a后的信號，第二宏微運動平臺中微動平臺的位置信息就是其實際位置。同 步控制模塊300的輸出是第二宏微運動平臺的補償量。
同步控制模塊300的輸出也可以是第一宏微運動平臺的補償量。 同步控制模塊300的實現(xiàn)如下首先對輸入的第二宏微運動平臺的目 標位移進行計算，根據(jù)目標位移的軌跡信息判斷當前時刻是否是需要兩臺 同步運動的時間區(qū)域，若不是，則同步控制模塊300不進行同步補償，輸 出的補償量為0。若當前時刻是需要兩臺同步運動的時間區(qū)域，則同步控制 模塊300對輸入的第一、二宏微運動平臺中微動平臺的位置信息進行比較， 同步控制模塊300將輸入的兩個位置信息相減后取絕對值，并將得到的數(shù) 據(jù)與同歩控制精度5nm進行比較，若兩個位置信息的差值大于5nm，則將
第一宏微運動平臺的位置誤差作為補償量輸出給第二宏微運動平臺控制模 塊400;若兩個位置信息的差值小于5nm，則同步控制模塊300不進行同 步補償，輸出的補償量為0。
本發(fā)明不僅局限于上述具體實施方式
，本領(lǐng)域一般技術(shù)人員根據(jù)本發(fā) 明公開的內(nèi)容，可以采用其它多種具體實施方式
實施本發(fā)明，因此，凡是 采用本發(fā)明的設計結(jié)構(gòu)和思路，做一些簡單的變化或更改的設計，都落入 本發(fā)明保護的范圍。
權(quán)利要求
1、一種超精密雙層宏微運動平臺的同步控制系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)包括設置在計算機內(nèi)的主控制模塊(100)、第一、第二宏微運動平臺控制模塊(200、400)和同步控制模塊(300)；第一、第二宏微運動平臺控制模塊(200、400)的結(jié)構(gòu)相同，分別負責第一、第二宏微運動平臺的控制；第一、第二宏微運動平臺控制模塊(200、400)分別根據(jù)主控制模塊(100)提供的控制參數(shù)，計算出驅(qū)動微動平臺執(zhí)行器的驅(qū)動力，并將表示驅(qū)動力的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號，提供給微動平臺執(zhí)行器；然后根據(jù)微動平臺與宏動平臺的相對位置差信息，判斷宏動平臺是否需要跟隨微動平臺進行運動；若宏動平臺需要跟隨微動平臺運動，則計算出驅(qū)動宏動平臺執(zhí)行器的驅(qū)動力，并將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號，提供給宏動平臺執(zhí)行器；主控制模塊(100)負責總體控制，計算兩個宏微運動平臺的目標參數(shù)，并將目標參數(shù)分別傳送到第一、第二宏微運動平臺控制模塊(200、400)和同步控制模塊(300)；同步控制模塊(300)負責根據(jù)第一、第二宏微運動平臺控制模塊(200、400)傳遞的兩個微動平臺的位置信息，計算兩個宏微運動平臺的同步誤差，并將同步誤差與誤差允許值進行比較，根據(jù)結(jié)果決定其中一個宏微運動平臺的運動補償量，再將補償量傳遞給該宏微運動平臺控制模塊。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的同步控制系統(tǒng)，其特征在于第一、第二宏 微運動平臺控制模塊(200、 400)均包括微動平臺控制模塊(10)，跟隨控 制模塊(20)，宏動平臺控制模塊(30)，激光測量模塊(40)，以及光柵測 量模塊(50);微動平臺控制模塊(10)首先發(fā)出測量控制指令，并傳遞給激光測量 模塊(40);并根據(jù)主控制模塊(100)所傳遞的運動參數(shù)和激光測量模塊(40)、光柵測量模塊(50)所反饋的微動平臺實際位置信息，計算出微動 平臺的位置誤差信號，經(jīng)過微動平臺位置轉(zhuǎn)換后計算出驅(qū)動微動平臺執(zhí)行 器的驅(qū)動力，并把它轉(zhuǎn)換成模擬信號，驅(qū)動微動平臺執(zhí)行器運動，使微動 平臺產(chǎn)生相應位移；跟隨控制模塊(20)根據(jù)激光測量模塊(40)所傳遞的微動平臺與宏 動平臺的相對位置差信息，通過計算確定宏動平臺的運動狀態(tài)，并傳遞給 宏動平臺控制模塊(30);宏動平臺控制模塊(30)首先發(fā)出測量控制指令，并傳遞給激光測量 模塊(40);并根據(jù)跟隨控制模塊(20)所傳遞的運動參數(shù)計算出驅(qū)動宏動 平臺執(zhí)行器的驅(qū)動力，并把它轉(zhuǎn)換成模擬信號，驅(qū)動宏動平臺執(zhí)行器運動， 使宏動平臺產(chǎn)生相應位移；激光測量模塊(40)接收來自微動平臺控制模塊(10)的控制指令后， 實時采集微動平臺的位置信息，并將微動平臺的位置信息傳遞給微動平臺 控制模塊(10)和跟隨控制模塊(20);光柵測量模塊(50)接收來自宏動平臺控制模塊(30)的控制指令后， 實時采集宏動平臺的位置信息，并將宏動平臺位置信息傳遞給微動平臺控 制模塊(10)。
3、根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的同步控制系統(tǒng)，其特征在于微動平臺 控制模塊(10)包括微動平臺位置轉(zhuǎn)換器(11)、微動平臺X向第一電機控 制器(12)、微動平臺X向第二電機控制器(13)、微動平臺Y向第一電機 控制器(14)、以及微動平臺Y向第二電機控制器(15);微動平臺位置轉(zhuǎn)換器(11)用于將輸入的微動平臺加工位置的位移信 號轉(zhuǎn)換成四個直線電機各自的位移信號，并分別傳送給微動平臺X向第一電機控制器(12)、微動平臺X向第二電機控制器(13)、微動平臺Y向第一電機控制器(14)、以及微動平臺Y向第二電機控制器(15);微動平臺X向第一電機控制器(12)、微動平臺X向第二電機控制器(13)、微動平臺Y向第一電機控制器(14)、以及微動平臺Y向第二電機控制器(15)均根據(jù)各自的目標位置信號計算出驅(qū)動各自電機所需的驅(qū)動力信號，并將驅(qū)動力信號分別傳送給微動平臺。
4、根據(jù)權(quán)利要求3所述的同步控制系統(tǒng)，其特征在于宏動平臺控制模塊(30)包括宏動平臺控制器(31)和力作用轉(zhuǎn)換器(32);宏動平臺控制器(31)根據(jù)跟隨控制模塊(20)所傳遞的位置信息計算出驅(qū)動宏動平臺所需的原始驅(qū)動力信號，并傳送給宏動平臺；力作用轉(zhuǎn)換器(32)用于將微動平臺中兩個電機的驅(qū)動力信號轉(zhuǎn)換成宏動平臺的反作用力信號，并傳送給宏動平臺。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種超精密雙層宏微運動平臺的同步控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括設置在計算機內(nèi)的主控制模塊、兩個宏微運動平臺控制模塊和同步控制模塊；兩個宏微運動平臺控制模塊均包括微動平臺控制模塊，跟隨控制模塊，宏動平臺控制模塊，激光測量模塊，以及光柵測量模塊。本發(fā)明引入了微動平臺位置轉(zhuǎn)換器，簡化了微動平臺的控制；提出了力作用轉(zhuǎn)換器，提高了宏動平臺的跟蹤精度；采用宏動平臺跟蹤微動平臺的控制方式，防止了微動平臺運動飽和的發(fā)生，提高了宏微運動平臺的定位精度；采用了雙層宏微運動平臺同步控制器，減小了同步誤差，并改善了雙層宏微運動平臺的同步精度。本發(fā)明可應用于數(shù)控機床的運動系統(tǒng)，也可應用于MEMS等其他超精密定位系統(tǒng)。
文檔編號G05D3/20GK101458532SQ20081004837
公開日2009年6月17日 申請日期2008年7月11日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月11日
發(fā)明者葉燚璽, 偉 姜, 曾理湛, 李小平, 欣 羅, 陳學東, 金 雷, 鮑秀蘭 申請人:華中科技大學