气动作动器、气动主动隔振单元及主动隔振系统

技术领域

本发明涉及主动隔振技术领域，尤其是涉及一种用于主动隔振的气动作动器、气动主动隔振单元及主动隔振系统。

背景技术

光刻机是芯片制造领域的重要装备，由于其套刻精度达纳米级，其对微振动隔离有严格的要求，基座的微振动、操作者的直接扰动、设备自身运动产生的惯性力扰动，会影响光刻机的套刻精度。主动隔振技术是光刻机的关键技术之一，通过主动隔振可以有效隔离和抑制光刻机的振动，为光刻机工作提供环境保障。主动隔振技术在传统的被动隔振基础上引入了作动器、测量系统、控制系统，被动隔振技术对于隔离和抑制高频振动的效果较好，主动隔振的作动器、测量系统、控制系统协同工作，作为隔振系统的重要补充，进一步提升隔振性能，特别是低频隔振性能。

在现有的主动隔振系统中，作动器均只发挥了提供主动控制力的作用，除作动器外必须安装弹簧、阻尼器等传统被动隔振元件，这使得现有主动隔振器结构复杂，性能上限也受到传统被动隔振元件性能的限制。且现有的主动隔振方案中没有详细给出作动器的性能分析，以及由多传感器、多作动器协同工作实现六自由度隔振的详细方案。因此，提出一种能够同时实现被动隔振和主动隔振功能的作动器，并给出详细的六自由度主动隔振方法非常重要。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种用于主动隔振的气动作动器，能够同时实现被动隔振和主动隔振功能，能够对负载实现垂直隔振和水平隔振，主动隔振控制灵敏，控制精确度高。

本发明第一方面实施例的用于主动隔振的气动作动器，所述气动作动器能发挥被动隔振和主动隔振作用；所述气动作动器包括气源、伺服阀和两个空气弹簧；所述气源与所述伺服阀相连，所述伺服阀与两个所述空气弹簧相连，所述伺服阀用于对各个所述空气弹簧内的气压和力分别独立控制；两个所述空气弹簧均为膜式空气弹簧，其中一个为垂直空气弹簧，另一个为水平空气弹簧；

所述气动作动器发挥被动隔振作用时，通过假设单个所述空气弹簧为封闭系统，没有气体流入流出，则此时单个所述空气弹簧施加的力为：

f

其中p

当负载偏离平衡位置的位移为x

/>

其中V

取平衡状态量代替变化的状态量，表示出单个所述空气弹簧的刚度k

根据本发明第一方面实施例的用于主动隔振的气动作动器，通过伺服阀对垂直空气弹簧和水平空气弹簧独立控制，无需再额外连接其它被动隔振单元，能够对负载同时发挥被动隔振和主动隔振的作用，能够对负载实现垂直隔振和水平隔振，主动隔振控制灵敏，控制精确度高。此外，本发明第一方面实施例的用于主动隔振的气动作动器1结构简单。

在一些实施例中，所述气动作动器发挥主动隔振的作用时，考虑到单个所述空气弹簧内的气体体积变化、压力变化以及气体交换带来的热量交换和焓变，建模获得各个力学、热力学量之间满足如下关系式：

其中，

Q

Q

根据关系式(4)和(5)化简方程，并对各时间变量做拉普拉斯变化，得到气动作动器的单个空气弹簧输出力的拉普拉斯关系式：

其中，s是拉普拉斯算子，K

本发明第二方面还提出了一种气动主动隔振单元。

根据本发明第二方面实施例的气动主动隔振单元，包括：

上部刚性部件，所述上部刚性部件用于与负载相连；

下部刚性部件，所述下部刚性部件设置在所述上部刚性部件的下方且与所述上部刚性部件不接触；

如本发明第一方面实施例所述的用于主动隔振的气动作动器，其中，所述垂直空气弹簧和所述水平空气弹簧均设置在所述上部刚性部件和所述下部刚性部件之间，所述垂直空气弹簧的活塞和所述水平空气弹簧的活塞均与所述上部刚性部件相连，所述垂直空气弹簧的腔室部分、所述水平空气弹簧的腔室部分和所述伺服阀均设置在所述下部刚性部件上；

位移传感器，所述位移传感器有两个，两个所述位移传感器分别设置在所述上部刚性部件与所述下部刚性部件之间，分别用于测量所述上部刚性部件和所述下部刚性部件之间相对运动的垂直方向和水平方向的位移；

加速度传感器，所述加速度传感器有两个，两个所述加速度传感器设置在所述上部刚性部件上，分别用于测量负载的垂直方向和水平方向的振动加速度信号。

本发明第三方面还提出了一种主动隔振系统。

根据本发明第三方面实施例的主动隔振系统，包括：

四个如本发明第二方面实施例的所述的气动主动隔振单元；

负载平台，所述负载平台下方的矩形四角与四个所述气动主动隔振单元的所述上部刚性部件固接，其中，四个所述气动主动隔振单元的所述水平空气弹簧的布置方向按轮换对称方式布置；

基座，所述基座与四个所述气动主动隔振单元的所述下部刚性部件固接；

控制系统，所述控制系统与各个所述气动主动隔振单元的所述位移传感器和所述加速度传感器相连，用于将所述位移传感器测得的位移信号和所述加速度传感器测得的振动加速度信号进行处理，以获得各个所述气动主动隔振单元中的所述伺服阀对两个所述空气弹簧分别一一对应独立控制的两个驱动电压。

在一些实施例中，所述控制系统的处理包括如下步骤：

信号预处理，对所述位移传感器测得的位移信号和所述加速度传感器测得的振动加速度信号进行滤波、放大，使得预处理后得到的运动信号接近所述主动隔振系统的真实值；

工作空间转换运算，将预处理得到的运动信号按照运动合成规则，合成为工作空间的六自由度矢量，相应地，将预处理得到的运动信号转换成工作空间的运动信号；

模态空间转换运算，将工作空间的六自由度矢量转换成模态空间的运动矢量，相应地，将工作空间的运行信号转换成模态空间的运动信号；

单自由度主动隔振控制器，设计六个单自由度主动隔振控制器分别一一对应地控制模态空间的六自由度矢量中的六个模态自由度，并采用反馈控制策略，目标是分别提升六个模态自由度方向上的振动隔离和抑制效果；

驱动力合成与转换，将六个单自由度主动隔振控制器的输出结果等效转化为作用在负载质心处的驱动力和力矩，将六个单自由度主动控制器等效的驱动力和力矩加和，获得六自由度总驱动力矢量；六自由总驱动力矢量由各个所述空气弹簧实现，通过雅克比矩阵转换为各个所述空气弹簧的驱动力；

驱动电压运算输出，根据控制系统给出的各个所述空气弹簧的预期驱动力，及已知的各个所述空气弹簧的驱动力与对应的驱动电压的关系，计算并输出各个所述伺服阀的与两个所述空气弹簧一一对应的两个驱动电压。

在一些实施例中，所述模态空间转换运算具体为：

对工作空间的运动矢量r＝[x y zαβγ]

η＝Φ

其中模态矩阵Φ由以下方法计算获得，模态矩阵Φ为正交矩阵；

模态矩阵Φ的计算方法为：将所述主动隔振系统的负载视为刚体，将负载的支撑结构等效为弹簧、阻尼，求解负载的六自由度自由振动方程，获得相互正交的归一化的特征向量

通过模态空间转换运算可以将工作空间的运动信号转换为模态空间的运动信号，由于在模态空间中隔振系统的六自由度动力学方程是相互解耦的，转换后的模态空间的运动和力测量信号不必以矢量的含义存在，模态空间的运动和力测量信号的各个分量可以分别作为模态空间六个独立自由度的运动和力的测量，各个分量用于各个独立自由度的单自由度主动隔振控制。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本发明的用于主动隔振的气动作动器的剖面示意图；

图2为本发明的气动主动隔振单元的剖面示意图；

图3为本发明的主动隔振系统的示意图；

图4为主动隔着系统中的位移传感器、加速度传感器、空气弹簧相对于负载平台质心的位置关系的示意图之一；

图5为主动隔着系统中的位移传感器、加速度传感器、空气弹簧相对于负载平台质心的位置关系的示意图之二。

附图标记：

气动作动器1；气源101；伺服阀102；空气弹簧103；垂直空气弹簧103A；水平空气弹簧103B；腔室部分1031；密封膜1032；活塞1033；气动主动隔振单元2；上部刚性部件201；下部刚性部件202；位移传感器203；垂直位移传感器203A；水平位移传感器203B；加速度传感器204；垂直加速度传感器204A；水平加速度传感器204B；主动隔振系统3；负载平台301。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面结合图1至图5来描述本发明实施例的用于主动隔振的气动作动器1、气动主动隔振单元2和主动隔振系统3。

如图1和图2所示，本发明第一方面提出了一种用于主动隔振的气动作动器1。

如图1和图2所示，根据本发明实施例的用于主动隔振的气动作动器1，气动作动器1本身能同时发挥被动隔振和主动隔振作用。气动作动器1包括气源101、伺服阀102和两个空气弹簧103；气源101与伺服阀102相连，伺服阀102与两个空气弹簧103相连，伺服阀102用于对各个空气弹簧103内的气压和力独立控制。

具体地，气源101使用气体储罐和恒压电动泵，由电动泵保持输入伺服阀102的气源101的压力恒定。伺服阀102是气动作动器1中的控制元件，连接气源101和两个空气弹簧103。伺服阀102采用喷嘴挡板阀(如图1和图2所示)，在气动主动隔振应用场景中，喷嘴挡板阀即伺服阀可以实现电压信号到气体质量流量、压力的连续控制，喷嘴挡板阀分辨率高、灵敏度合适、响应速度快，比较适合高精度控制。伺服阀102能够对两个空气弹簧103分别独立地控制，即伺服阀102可以同时有两个驱动电压，两个驱动电压分别一一对应地控制两个空气弹簧103。两个空气弹簧103均是气动作动器1的执行部件，均选用膜式空气弹簧103，其中一个为垂直空气弹簧103A，另一个为水平空气弹簧103B。膜式空气弹簧103的主要结构包括腔室部分1031、密封膜1032和活塞1033等，其中伺服阀102与每个空气弹簧103的腔室部分1031之间可以通过一根管道连通，每个空气弹簧103的活塞1033与负载固连。每个空气弹簧103的腔室部分1031内充满高压气体，伺服阀102可以控制每个空气弹簧103的腔室部分1031内的气体压力的变化，使气动作动器1对负载施加主动控制力。

气动作动器1发挥被动隔振作用时，仅考虑空气弹簧103的特性。假设单个空气弹簧103为封闭系统，没有气体流入流出，则单个空气弹簧103发挥被动隔振作用，此时单个空气弹簧103施加的力为：

f

其中p

当负载偏离平衡位置的位移为x

其中V

由于隔振应用过程中，负载一般只在平衡位置附近发生微小运动，可以近似认为“力-位移”满足线性关系，因此，取平衡状态量代替变化的状态量，表示出单个空气弹簧103的刚度k

刚度k

根据本发明第一方面实施例的用于主动隔振的气动作动器1，通过伺服阀102对垂直空气弹簧103A和水平空气弹簧103B独立控制，无需再额外连接其它被动隔振单元，能够对负载同时发挥被动隔振和主动隔振的作用，能够对负载实现垂直隔振和水平隔振，主动隔振控制灵敏，控制精确度高。此外，本发明第一方面实施例的用于主动隔振的气动作动器1结构简单。

在一些实施例中，气动作动器1发挥主动隔振的作用时，整体考虑气动作动器1的功能部件气源101、伺服阀102、空气弹簧103的特性。由于在工作过程中，单个空气弹簧103内的气体流入流出，考虑到单个空气弹簧103内的气体体积变化、压力变化以及气体交换带来的热量交换和焓变，建模获得各个力学、热力学量之间满足如下关系式：

其中，

Q

Q

根据关系式(4)和(5)化简方程，并对各时间变量做拉普拉斯变化，得到气动作动器1的单个空气弹簧103输出力的拉普拉斯关系式：

其中，s是拉普拉斯算子，K

从主动隔振项中可以看出，从伺服阀102即喷嘴挡板阀输入到腔室压力的传递函数是一个一阶惯性环节，有滞后效应，T

也就是说，在该实施例中，气动作动器1的单个空气弹簧103输出力(参见关系式(6))作用在负载上，实现对负载振动的高精度抑制和隔振。

本发明第二方面提出了一种气动主动隔振单元2。

根据本发明实施例的气动主动隔振单元2，包括上部刚性部件201、下部刚性部件202、如本发明第一方面实施例的用于主动隔振的气动作动器1、位移传感器203和加速度传感器204。

其中，上部刚性部件201用于与负载相连。下部刚性部件202设置在上部刚性部件201的下方且与上部刚性部件201不接触。

垂直空气弹簧103A和水平空气弹簧103B均设置在上部刚性部件201和下部刚性部件202之间，垂直空气弹簧103A的活塞1033和水平空气弹簧103B的活塞1033均与上部刚性部件201相连，垂直空气弹簧103A的腔室部分1031、水平空气弹簧103B的腔室部分1031和伺服阀102均设置在下部刚性部件202上。

位移传感器203有两个，两个位移传感器203分别设置在上部刚性部件201与下部刚性部件202之间，分别用于测量上部刚性部件201和下部刚性部件202之间相对运动的垂直方向和水平方向的位移；具体地，两个位移传感器203器中的一个为垂直位移传感器203A且另一个为水平位移传感器203B，垂直位移传感器203A用于测量上部刚性部件201和下部刚性部件202之间相对运动的垂直方向的位移，水平位移传感器203B用于测量上部刚性部件201和下部刚性部件202之间相对运动的水平方向的位移。

加速度传感器204有两个，两个加速度传感器204设置在上部刚性部件201上，分别用于测量负载的垂直方向和水平方向的振动加速度信号。具体地，两个加速度传感器204器中的一个为垂直加速度传感器204A且另一个为水平加速度传感器204B，垂直加速度传感器204A用于测量负载的垂直方向的振动加速度信号，水平加速度传感器204B用于测量用于测量负载的水平方向的振动加速度信号。

可以理解的是，由位移传感器203测得的上部刚性部件201和下部刚性部件202之间相对运动的垂直方向和水平方向的位移和由加速度传感器204测得的负载垂直方向和水平方向的振动加速度信号，可以转化为伺服阀102对各单个空气弹簧103分别一一对应独立控制的驱动电压，进而，由上述的关系式(6)可以获得气动作动器1的单个空气弹簧103DE输出力，该输出力作用于负载上，以对负载进行主动隔振。

根据本发明第二方面实施例的气动主动隔振单元2，能够对负载同时发挥被动隔振和主动隔振的作用，能够对负载实现垂直隔振和水平隔振，主动隔振控制灵敏，控制精确度高。此外，本发明实施例的气动主动隔振单元2结构简化。

如图3至图5所示，本发明第三方面还提出了一种主动隔振系统3。

如图3所示，根据本发明第三方面实施例的主动隔振系统3，包括四个如本发明第二方面实施例的气动主动隔振单元2、负载平台301、基座(图中未示出)和控制系统(图中未示出)。

负载平台301下方的矩形四角与四个气动主动隔振单元2的上部刚性部件201固接，也就是说，四个气动主动隔振单元2呈矩形四角布置并支撑负载平台301,由于每个气动主动隔振单元2中安装有一个垂直空气弹簧103A和一个水平空气弹簧103B。垂直空气弹簧103A发挥两方面功能，一是承载，二是施加垂直方向的主动控制力，水平空气弹簧103B用于施加水平方向的主动控制力。基座与四个气动主动隔振单元2的下部刚性部件202固接。上部刚性部件201和下部刚性部件202之间由于有垂直空气弹簧103A和水平空气弹簧103B的存在可以发生相对运动。为了保持对称性并实现六自由度控制，四个气动主动隔振单元2的水平空气弹簧103B的布置方向按轮换对称方式布置，即四个气动主动隔振单元2中，对角的两个水平空气弹簧103B的方向相反，相邻的两个水平空气弹簧103B的方向垂直。

控制系统为电子设备，与各个气动主动隔振单元2的位移传感器203和加速度传感器204相连，用于将位移传感器203测得的位移信号和加速度传感器204测得的振动加速度信号进行处理，以获得各个气动主动隔振单元2中的伺服阀102对两个空气弹簧103分别一一对应独立控制的两个驱动电压。因此，通过关系式(6)，可以获得四个气动主动隔振单元2中的气动作动器1的各个空气弹簧103的输出力，各个空气弹簧103的输出力作用于负载上，能够对负载的振动进行高精度抑制和隔振。

主动隔振系统从功能上还可以分为被动隔振系统、测量系统、控制系统、气动作动器，其中被动隔振系统、测量系统、气动作动器都已经集成在所述的气动主动隔振单元中，主动隔振系统的控制系统需要额外设计，由外设计算机、电路实现。

根据本发明第三方面实施例的制动隔振控制系统，能够对负载同时发挥被动隔振和主动隔振的作用，能够对负载实现垂直隔振和水平隔振，主动隔振控制灵敏，控制精确度高。

在一些实施例中，控制系统的处理包括如下步骤：

S1：信号预处理，对位移传感器203测得的位移信号和加速度传感器204测得的振动加速度信号进行滤波、放大，使得预处理后得到的运动信号接近主动隔振系统3的真实值。

S2：工作空间转换运算，将预处理得到的运动信号按照运动合成规则，合成为工作空间的六自由度矢量，相应地，将预处理得到的运动信号转换成工作空间的运动信号，其中，运动信号包括位移信号和振动加速度信号。图4和图5给出了本实施例中传感器、气动作动器1相对于负载平台301质心的位置关系。以位移信号为例，四个主动隔振单元共有8个位移传感器203，直接测量的位移信号为d＝[d

同样，工作空间的振动加速度信号的转换运算类似于上述的工作空间的位移信号的转换运算，在此不再赘述。

S3：模态空间转换运算，将工作空间的六自由度矢量转换成模态空间的运动矢量，相应地，将工作空间的运行信号转换成模态空间的运动信号。

模态空间转换运算具体为：

对工作空间的运动矢量r＝[x y zαβγ]

η＝Φ

其中模态矩阵Φ由以下方法计算获得，模态矩阵Φ为正交矩阵；

模态矩阵Φ的计算方法为：将主动隔振系统3的负载视为刚体，将负载的支撑结构等效为弹簧、阻尼，求解负载的六自由度自由振动方程，获得相互正交的归一化的特征向量

通过模态空间转换运算可以将工作空间的运动信号转换为模态空间的运动信号，由于在模态空间中隔振系统的六自由度动力学方程是相互解耦的，转换后的模态空间的运动和力测量信号不必以矢量的含义存在，模态空间的运动和力测量信号的各个分量可以分别作为模态空间六个独立自由度的运动和力的测量，各个分量用于各个独立自由度的单自由度主动隔振控制。

S4：单自由度主动隔振控制器，设计六个单自由度主动隔振控制器分别一一对应地控制模态空间的六自由度矢量中的六个模态自由度，并采用反馈控制策略，目标是分别提升六个模态自由度方向上的振动隔离和抑制效果。

S5：驱动力合成与转换，将六个单自由度主动隔振控制器的输出结果等效转化为作用在负载质心处的驱动力和力矩，将六个单自由度主动控制器等效的驱动力和力矩加和，获得六自由度总驱动力矢量。

具体地，获得六自由度总驱动力矢量F

S6：驱动电压运算输出，根据控制系统给出的各个空气弹簧103的预期驱动力，及已知的各个空气弹簧103的驱动力与对应的驱动电压的关系，计算并输出各个伺服阀102的与两个空气弹簧103一一对应的两个驱动电压。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。