一种超精密运动台垂向三自由度静态解耦迭代校正方法

技术领域

本发明属于超精密运动控制领域，具体涉及一种超精密运动台垂向三自由度静态解耦迭代校正方法。

背景技术

超精密运动台是光刻机的核心分系统，其运动性能直接决定光刻的质量和效率。光刻机中的超精密运动台是典型的多自由度运动系统。在对其进行控制时，首先要通过解耦过程将一个多输入多输出控制问题简化为多个单输入单输出控制问题，然后利用成熟的单输入单输出控制技术对各自由度控制系统进行分别设计。解耦过程包括控制解耦和测量解耦，本发明主要针对静态控制解耦过程，其任务是建立一个从逻辑轴控制力或力矩到物理轴电机出力的静态控制解耦矩阵，该矩阵建立依赖于运动台的执行器布局。然而，由于加工及装配误差等不利因素存在，运动台质心位置和各执行器安装位置将与设计值不一致，因而导致力臂误差，使得静态控制解耦矩阵不准确，最终严重影响解耦性能乃至运动控制性能。为了解决这个问题，需要对静态控制解耦矩阵进行校正。现有解决方案大都是通过增加前馈通道补偿耦合误差，这将额外增加控制系统复杂度，并且无法实质改善逻辑轴被控对象的动力学特性。

发明内容

本发明的目的是为了解决运动台质心及执行器位置与设计值不符所带来的动力学耦合问题，提供一种超精密运动台垂向三自由度静态控制解耦矩阵迭代校正方法，利用反馈控制信号对静态控制解耦矩阵进行迭代整定，该方法采用数据驱动的方式构建整定过程中所需的闭环控制系统模型，可以实现快速准确整定。该方法在不增加现有控制系统复杂度的情况下，解决了运动台质心及执行器位置与设计值不符所带来的动力学耦合问题，为后续单自由度运动精度调控奠定了重要基础，具有重要的工程应用价值。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

一种超精密运动台垂向三自由度静态解耦迭代校正方法，所述三自由度分别为Z-垂向平动运动自由度，Rx-绕X轴的旋转运动自由度，Ry-绕Y轴的旋转运动自由度；所述方法的校正对象是m×n维的静态控制解耦矩阵初始值H

加工及装配误差所导致的各执行器力臂误差严重影响静态控制解耦矩阵的准确度。对于超精密运动台垂向三自由度，力臂误差导致的耦合效应是Z自由度运动不受其他自由度的影响，Z自由度的运动对Rx和Ry自由度有很大的影响，且Rx和Ry自由度之间也相互影响。为减小耦合效应，需对静态控制解耦矩阵进行整定。本发明提出一种静态控制解耦矩阵迭代校正方法，其形式为：

式中，H

式中，

式中，Φ

式中，

式中，基于数据驱动思想构造每次试验所需的各自由度被控对象传递函数，形式如下：

式中，

式中，

式中，j＝0,1,…,M-1，M为正整数，j代表第i次实验中各参数的迭代次数；

式中，

式中，

对于第i次实验，给定初值

设定静态控制解耦矩阵初值H

本发明相对于现有技术的有益效果为：与基于前馈补偿的控制解耦迭代整定方法相比，本发明公开的静态控制解耦矩阵迭代校正方法不需要额外增加前馈通道来补偿耦合误差，不增加控制系统复杂度，而且可以改善逻辑被控对象的动力学特性。

附图说明

图1为超精密运动台垂向三自由度静态控制解耦矩阵迭代校正方法控制框图；

图2为超精密运动台垂向三自由度基于前馈补偿的控制解耦迭代整定方法控制框图；

图3为超精密运动台垂向三自由度电机布局图；

图4为本发明实施案例中拟跟踪的参考运动轨迹图；

图5为采用本发明方法前各自由度的跟踪误差图；

图6为采用本发明方法后各自由度的跟踪误差图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案进行进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

实施例1：

一种超精密运动台垂向三自由度静态解耦迭代校正方法，所述三自由度分别为Z-垂向平动运动自由度，Rx-绕X轴的旋转运动自由度，Ry-绕Y轴的旋转运动自由度；所述方法的校正对象是m×n维的静态控制解耦矩阵初始值H

加工及装配误差所导致的各执行器力臂误差严重影响静态控制解耦矩阵的准确度。对于超精密运动台垂向三自由度，力臂误差导致的耦合效应是Z自由度运动不受其他自由度的影响，Z自由度的运动对Rx和Ry自由度有很大的影响，且Rx和Ry自由度之间也相互影响。为减小耦合效应，需对静态控制解耦矩阵进行整定。本发明提出一种静态控制解耦矩阵迭代校正方法，其形式为：

式中，H

式中，

式中，Φ

式中，

Φ

式中，

式中，

式中，基于数据驱动思想构造每次试验所需的各自由度被控对象传递函数，形式如下：

式中，

式中，

式中，j＝0,1,…,M-1，M为正整数，j代表第i次实验中各参数的迭代次数；

式中，

式中，

是/>

式中，

式中，

式中，a

对于第i次实验，给定初值

设定静态控制解耦矩阵初值H

图1为本发明提出的超精密运动台垂向三自由度静态控制解耦矩阵迭代校正方法控制框图，图2为超精密运动台垂向三自由度基于前馈补偿的控制解耦迭代整定方法控制框图。对比可以看出，图1不需要增加额外的前馈通道来补偿耦合误差，不增加控制系统复杂度，因此，更具有优越性。

接下来，将结合附图和实施案例对本发明提出的技术方案做进一步的说明：

图3为精密运动台垂向三自由度的电机布局，当运动台质心位置和各执行器安装位置与设计值一致时，执行器的力臂分别为l

在使用静态控制解耦矩阵初始值H

在实际应用中，不可避免的加工及装配误差将导致各执行器产生力臂误差(如图3中的σ

在实施案例中，各自由度的参考运动轨迹如图4所示，由图可以看出，其中当一个自由度跟踪4阶S曲线时，其余两个自由度保持在各自的零位。本案例的采样周期T

设定W-1的值为10，即进行10次实验，采集每次实验的反馈控制信号

对于第i次实验：

设定M-1的值为4，即在每次实验中模型参数的迭代次数为4；

给定初值

计算模型参数；

更新第i次实验的模型参数

利用更新的模型参数，根据

依次进行10次实验，最终得到校正后的静态控制解耦矩阵如下：

图5显示了利用初始静态控制解耦矩阵时各自由度的跟踪误差。可以看出，在采用初始静态控制解耦矩阵时，Z自由度的运动对Rx和Ry自由度有很大的影响，且Rx和Ry自由度之间也相互影响，从而导致了解耦性能的下降。图6为采用本发明方法校正后各自由度的跟踪误差，可以看出耦合误差大幅减小。说明本发明提出的超精密运动台垂向三自由度静态控制解耦矩阵迭代校正方法可以显著提高解耦精度和控制性能。