專利名稱：一種超精密雙層宏微運(yùn)動(dòng)平臺(tái)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(dòng)化技術(shù)和先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種超精密雙 層宏微運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的同步控制系統(tǒng)，可應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，也可應(yīng)
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(cè)量等的不斷發(fā)展，超精密雙層宏微運(yùn)動(dòng)平臺(tái)得到 了日益廣泛的研究與應(yīng)用。超精密雙層宏微運(yùn)動(dòng)平臺(tái)包括兩個(gè)宏微運(yùn)動(dòng)平 臺(tái)，每一個(gè)宏微運(yùn)動(dòng)平臺(tái)就是一個(gè)超精密大行程、高精度的定位系統(tǒng)，兩 個(gè)宏微運(yùn)動(dòng)平臺(tái)可呈上下分布，亦可呈左右分布，兩個(gè)宏微運(yùn)動(dòng)平臺(tái)可分 別在其微動(dòng)平臺(tái)上承載工件和模具，并跟蹤給定的軌跡同時(shí)以指定速度沿 相同或相反方向運(yùn)動(dòng)，在特定的區(qū)域要求兩個(gè)宏微運(yùn)動(dòng)平臺(tái)中微動(dòng)平臺(tái)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(xué)工程、精密光學(xué)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(jìn)行納米級(jí)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(yīng)運(yùn)而生。宏微運(yùn)動(dòng)平臺(tái) 是實(shí)現(xiàn)大行程、高精度運(yùn)動(dòng)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(shí)現(xiàn)成本也比較低。 一般來(lái)講，宏動(dòng)平臺(tái)具有大行程的高速 運(yùn)動(dòng)能力，微動(dòng)平臺(tái)雖然行程較小，但具有高精度和高頻響的特點(diǎn)。宏動(dòng) 平臺(tái)一般采用永磁直線電機(jī)、直流伺服電機(jī)等大行程、大負(fù)載的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu) 進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，微動(dòng)平臺(tái)采用壓電驅(qū)動(dòng)器、音圈電機(jī)、平面電機(jī)等小行程、小 負(fù)載、高精度的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。超精密雙層宏微運(yùn)動(dòng)平臺(tái)中的兩個(gè)宏微運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)完全相同，均
具有x、 y、 e向的自由度。在宏微運(yùn)動(dòng)平臺(tái)中，宏動(dòng)平臺(tái)采用一個(gè)永磁直 線電機(jī)驅(qū)動(dòng)，完成x方向的大行程、低精度運(yùn)動(dòng)，光柵尺讀數(shù)頭安裝在宏
動(dòng)平臺(tái)上，用于測(cè)量宏動(dòng)平臺(tái)的位移，宏動(dòng)平臺(tái)總行程為300mm。微動(dòng)平 臺(tái)由四個(gè)直線電機(jī)協(xié)調(diào)驅(qū)動(dòng)，完成X、 Y、 e向的小行程、高精度運(yùn)動(dòng)，X、 Y向行程為2mm， e向行程為0.25|amd。宏動(dòng)平臺(tái)與微動(dòng)平臺(tái)的相對(duì)位置 由差分傳感器測(cè)得。采用激光干涉儀作為宏微運(yùn)動(dòng)平臺(tái)控制系統(tǒng)的全局位 置檢測(cè)元件，激光干涉儀的反光鏡安裝在微動(dòng)平臺(tái)上。宏、微兩級(jí)平臺(tái)均 采用閉式氣浮導(dǎo)軌。宏微運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的定位精度為10nm，兩個(gè)宏微運(yùn)動(dòng)平臺(tái) 的同步精度5nm。超精密雙層宏微運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，圖中兩個(gè) 宏微運(yùn)動(dòng)平臺(tái)呈左右分布。
如圖1所示，超精密雙層宏微運(yùn)動(dòng)平臺(tái)包括宏動(dòng)平臺(tái)直線電機(jī)1，連接 板2，宏動(dòng)平臺(tái)3，微動(dòng)平臺(tái)直線電機(jī)4、 5 (微動(dòng)平臺(tái)的兩個(gè)X向直線電 機(jī)4a、 4b，微動(dòng)平臺(tái)的兩個(gè)Y向直線電機(jī)5a、 5b)，微動(dòng)平臺(tái)6，第一宏 微運(yùn)動(dòng)平臺(tái)7，第二宏微運(yùn)動(dòng)平臺(tái)8，基本框架9;其中每個(gè)宏微運(yùn)動(dòng)平臺(tái) 由5個(gè)直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)，為實(shí)現(xiàn)超精密雙層宏微運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)控制要求， 除進(jìn)行IO軸聯(lián)動(dòng)控制外，核心關(guān)鍵在于高速高精的宏微運(yùn)動(dòng)平臺(tái)控制和兩 個(gè)宏微運(yùn)動(dòng)平臺(tái)間的同步控制問題。宏微運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的控制是使微動(dòng)平臺(tái)上 的工件加工位置的定位精動(dòng)達(dá)到10nm，同步控制是使兩個(gè)宏微運(yùn)動(dòng)平臺(tái)在 相同的運(yùn)動(dòng)軌跡下，兩個(gè)微動(dòng)平臺(tái)上的工件加工位置的運(yùn)動(dòng)位移完全相同， 兩者之差不超過5nm。
兩個(gè)宏微運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的同步運(yùn)動(dòng)是指按工藝要求的精度和快速性，實(shí)現(xiàn) 兩個(gè)宏微運(yùn)動(dòng)子系統(tǒng)的相對(duì)同步運(yùn)行(速度同步)或絕對(duì)同步運(yùn)行(角度或位 置)或者要求速度一位移實(shí)現(xiàn)雙重同步運(yùn)行。通常，對(duì)兩個(gè)宏微運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的 同步精度的控制難度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于對(duì)一個(gè)宏微運(yùn)動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行控制的難度，這是 因?yàn)閮蓚€(gè)宏微運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的同步控制不僅要求保證兩個(gè)的宏微運(yùn)動(dòng)平臺(tái)各自的定位精度，還涉及到兩個(gè)宏微運(yùn)動(dòng)平臺(tái)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(yùn)動(dòng)平臺(tái)中，影響系統(tǒng)同步運(yùn)行性能的因素主要 來(lái)自兩個(gè)方面。其一就是在相對(duì)獨(dú)立的兩個(gè)宏微運(yùn)動(dòng)平臺(tái)中，兩個(gè)宏微運(yùn) 動(dòng)平臺(tái)各自受到的擾動(dòng)，從而導(dǎo)致其伺服性能下降，最終影響同步運(yùn)行的 性能。其二就是由于兩個(gè)宏微運(yùn)動(dòng)平臺(tái)存在一定的耦合，而兩個(gè)宏微運(yùn)動(dòng) 平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)又不能達(dá)到絕對(duì)的完全同步，因此產(chǎn)生的一個(gè)系統(tǒng)對(duì)另一個(gè)系 統(tǒng)的影響。
對(duì)于宏微運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的控制，根據(jù)控制對(duì)象及其應(yīng)用場(chǎng)合不同，其機(jī)械 結(jié)構(gòu)形式及宏微運(yùn)動(dòng)協(xié)同控制方案也有很大的區(qū)別。在超精密運(yùn)動(dòng)控制中， 宏微運(yùn)動(dòng)平臺(tái)一般采用主從控制策略，分為兩種 一種是宏動(dòng)平臺(tái)為主動(dòng) 系統(tǒng)，微動(dòng)平臺(tái)為從動(dòng)系統(tǒng)，微動(dòng)平臺(tái)跟隨宏動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)；另一種是 微動(dòng)平臺(tái)為主動(dòng)系統(tǒng)，宏動(dòng)平臺(tái)為從動(dòng)系統(tǒng)，宏動(dòng)平臺(tái)跟隨微動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行 運(yùn)動(dòng)。這兩種方法都有一個(gè)共同的缺點(diǎn)是當(dāng)從動(dòng)平臺(tái)遭受外界干擾而產(chǎn) 生輸出變化，無(wú)法反饋至主動(dòng)系統(tǒng)，使系統(tǒng)失去其應(yīng)有的偏差補(bǔ)償能力。
公開號(hào)為CN1967386A
公開日為2007年05月23日的中國(guó)專利文獻(xiàn)提供 了一種"步進(jìn)掃描光刻機(jī)晶片臺(tái)掩模臺(tái)同步控制系統(tǒng)"，其中掩模臺(tái)是一個(gè) 宏微運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，晶片臺(tái)非宏微運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，該專利文獻(xiàn)在介紹晶片臺(tái)掩模臺(tái) 同步控制的同時(shí)也介紹了掩模臺(tái)的宏微運(yùn)動(dòng)控制，該發(fā)明采用一般主從式 控制策略對(duì)掩模臺(tái)進(jìn)行控制(如該專利文獻(xiàn)中圖5所示)，掩模臺(tái)中宏動(dòng)平 臺(tái)是主動(dòng)系統(tǒng)，微動(dòng)平臺(tái)是從動(dòng)系統(tǒng)，此結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于，即使主動(dòng)系統(tǒng) 宏動(dòng)平臺(tái)受到外界干擾而產(chǎn)生不同于輸入命令的輸出，從動(dòng)系統(tǒng)微動(dòng)平臺(tái) 也會(huì)以主動(dòng)系統(tǒng)宏動(dòng)平臺(tái)的輸出值作為輸入命令，從保證了掩模臺(tái)的運(yùn)動(dòng) 精度；缺點(diǎn)在于，若是從動(dòng)系統(tǒng)微動(dòng)平臺(tái)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(dòng)系統(tǒng)微動(dòng)平臺(tái)的輸出反饋至主動(dòng)系統(tǒng)宏動(dòng)平臺(tái)的 功能，因此可能引起微動(dòng)平臺(tái)的飽和，微動(dòng)平臺(tái)的飽和不僅會(huì)使系統(tǒng)失去 應(yīng)有的偏差補(bǔ)償能力，還可能引起激勵(lì)系統(tǒng)諧振，導(dǎo)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(yùn)動(dòng)平臺(tái)的同步控制系統(tǒng)， 該系統(tǒng)不僅可以實(shí)現(xiàn)雙層宏微運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的同步運(yùn)動(dòng)，而且能提高宏微運(yùn)動(dòng) 平臺(tái)的精度和穩(wěn)定性。
本發(fā)明提供的超精密雙層宏微運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的同步控制系統(tǒng)，其特征在于 該系統(tǒng)包括設(shè)置在計(jì)算機(jī)內(nèi)的主控制模塊、第一、第二宏微運(yùn)動(dòng)平臺(tái)控制
模塊和同步控制模塊；
第一、第二宏微運(yùn)動(dòng)平臺(tái)控制模塊的結(jié)構(gòu)相同，分別負(fù)責(zé)第一、第二
宏微運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的控制；第一、第二宏微運(yùn)動(dòng)平臺(tái)控制模塊分別根據(jù)主控制 模塊提供的控制參數(shù)，計(jì)算出驅(qū)動(dòng)微動(dòng)平臺(tái)執(zhí)行器的驅(qū)動(dòng)力，并將表示驅(qū) 動(dòng)力的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，提供給微動(dòng)平臺(tái)執(zhí)行器；然后根據(jù)微動(dòng) 平臺(tái)與宏動(dòng)平臺(tái)的相對(duì)位置差信息，判斷宏動(dòng)平臺(tái)是否需要跟隨微動(dòng)平臺(tái) 進(jìn)行運(yùn)動(dòng)；若宏動(dòng)平臺(tái)需要跟隨微動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)，則計(jì)算出驅(qū)動(dòng)宏動(dòng)平臺(tái)執(zhí) 行器的驅(qū)動(dòng)力，并將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，提供給宏動(dòng)平臺(tái)執(zhí)行器；
主控制模塊負(fù)責(zé)總體控制，計(jì)算兩個(gè)宏微運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的目標(biāo)參數(shù)，并將 目標(biāo)參數(shù)分別傳送到第一、第二宏微運(yùn)動(dòng)平臺(tái)控制模塊和同步控制模塊；
同步控制模塊負(fù)責(zé)根據(jù)第一、第二宏微運(yùn)動(dòng)平臺(tái)控制模塊傳遞的兩個(gè) 微動(dòng)平臺(tái)的位置信息，計(jì)算兩個(gè)宏微運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的同步誤差，并將同步誤差 與誤差允許值進(jìn)行比較，根據(jù)結(jié)果決定其中一個(gè)宏微運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償 量，再將補(bǔ)償量傳遞給該宏微運(yùn)動(dòng)平臺(tái)控制模塊。
本發(fā)明要實(shí)現(xiàn)的是在超精密雙層宏微運(yùn)動(dòng)平臺(tái)中是兩個(gè)宏微運(yùn)動(dòng)平臺(tái) 的超精密位移同歩運(yùn)動(dòng)。本發(fā)明在保證超精密雙層宏微運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的高速運(yùn) 動(dòng)的前提下，控制和減少了雙層宏微運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的同步誤差，提高了宏微運(yùn)動(dòng)平臺(tái)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(diǎn)
1采用雙層宏微運(yùn)動(dòng)平臺(tái)同步控制器，減小了同步誤差，并最終改善 了雙層宏微運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的同步精度；
2對(duì)于宏微運(yùn)動(dòng)平臺(tái)中的宏動(dòng)、微動(dòng)平臺(tái)，提出了一種宏動(dòng)平臺(tái)跟蹤 微動(dòng)平臺(tái)的控制方法，引入了跟隨控制器，防止了微動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)飽和的發(fā) 生，提高了宏微運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的定位精度；
3本發(fā)明引入了微動(dòng)平臺(tái)位置轉(zhuǎn)換器，將微動(dòng)平臺(tái)的位移控制信號(hào)轉(zhuǎn) 換成四個(gè)直線驅(qū)動(dòng)電機(jī)各自的輸入信號(hào)，消除了微動(dòng)平臺(tái)四個(gè)直線電機(jī)的 運(yùn)動(dòng)耦合，簡(jiǎn)化了微動(dòng)平臺(tái)的控制；
4本發(fā)明引入了力作用轉(zhuǎn)換器，計(jì)算了宏動(dòng)平臺(tái)所受到微動(dòng)平臺(tái)的作 用反力，并通過宏動(dòng)平臺(tái)控制模塊對(duì)反力進(jìn)行了抑制，提高了宏動(dòng)平臺(tái)的 跟蹤精度。


圖1為超精密雙層宏微運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)示意圖2a為超精密雙層宏微運(yùn)動(dòng)平臺(tái)同步控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；圖2b為圖 2a中宏微運(yùn)動(dòng)平臺(tái)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(yùn)動(dòng)平臺(tái)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(yùn)動(dòng)平臺(tái)同步控制系統(tǒng)控制原理圖； 圖5為微動(dòng)平臺(tái)位置關(guān)系圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明利用在宏微運(yùn)動(dòng)平臺(tái)中宏、微動(dòng)復(fù)合控制策略，采用宏動(dòng)平臺(tái) 跟蹤微動(dòng)平臺(tái)的復(fù)合運(yùn)動(dòng)方式。微動(dòng)平臺(tái)是主動(dòng)系統(tǒng)，其控制系統(tǒng)的輸入 是宏微運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)軌跡，反饋是微動(dòng)平臺(tái)的實(shí)際位置，微動(dòng)平臺(tái)的實(shí)際位置由微動(dòng)、宏動(dòng)平臺(tái)的相對(duì)位置與宏動(dòng)平臺(tái)的實(shí)際位置相加得出。宏 動(dòng)平臺(tái)是從動(dòng)系統(tǒng)，當(dāng)宏動(dòng)平臺(tái)需要跟隨微動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)時(shí)，其輸入是微動(dòng)、 宏動(dòng)平臺(tái)的相對(duì)位置。本發(fā)明所提出的宏動(dòng)平臺(tái)跟蹤微動(dòng)平臺(tái)的控制方法， 當(dāng)微動(dòng)平臺(tái)受到外界干擾而產(chǎn)生不同于輸入命令的輸出，宏動(dòng)平臺(tái)也會(huì)以 微動(dòng)平臺(tái)的輸出值作為輸入命令，進(jìn)而防止了微動(dòng)平臺(tái)的飽和；當(dāng)宏動(dòng)平 臺(tái)受到外界干擾而產(chǎn)生不同于輸入命令的輸出，微動(dòng)平臺(tái)也會(huì)以宏動(dòng)平臺(tái) 的輸出值作為反饋信號(hào)調(diào)整系統(tǒng)的輸入，從而保證宏微運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)精 度。該種方式不僅充分發(fā)揮了宏動(dòng)平臺(tái)和微動(dòng)平臺(tái)的長(zhǎng)處，更重要的是保 證了微動(dòng)平臺(tái)不會(huì)發(fā)生運(yùn)動(dòng)飽和現(xiàn)象。
本發(fā)明利用微動(dòng)平臺(tái)位置轉(zhuǎn)換器將微動(dòng)平臺(tái)加工位置的位移控制信號(hào) 轉(zhuǎn)換成四個(gè)直線電機(jī)各自的位移控制信號(hào)。由于宏微運(yùn)動(dòng)平臺(tái)中的微動(dòng)平 臺(tái)由四個(gè)直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)，為了完成微動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)，必須對(duì)微動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行 位置轉(zhuǎn)換，利用本發(fā)明提出的微動(dòng)平臺(tái)位置轉(zhuǎn)換器，消除了四個(gè)直線電機(jī) 驅(qū)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)耦合，簡(jiǎn)化了微動(dòng)平臺(tái)的控制。
本發(fā)明利用力作用轉(zhuǎn)換器，計(jì)算了宏動(dòng)平臺(tái)受到的微動(dòng)平臺(tái)作用反力。 由于驅(qū)動(dòng)微動(dòng)平臺(tái)的四個(gè)直線電機(jī)，其定子固定在宏動(dòng)平臺(tái)上，其動(dòng)子固 定在微動(dòng)平臺(tái)，所以當(dāng)以一定的驅(qū)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)微動(dòng)平臺(tái)直線電機(jī)動(dòng)子運(yùn)動(dòng)時(shí)， 在宏動(dòng)平臺(tái)上的電機(jī)定子會(huì)受到大小相等、方向相反的作用反力。由于宏 動(dòng)平臺(tái)沒有Y向運(yùn)動(dòng)，所以Y向的作用反力可以不予考慮。也就是說(shuō)當(dāng)驅(qū) 動(dòng)微動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)時(shí)，宏動(dòng)平臺(tái)在運(yùn)動(dòng)方向X向會(huì)受到微動(dòng)平臺(tái)X向作用反 力，因此在宏動(dòng)平臺(tái)控制中必須抑制微動(dòng)平臺(tái)X向反力對(duì)宏動(dòng)平臺(tái)的作用， 利用本發(fā)明提出的力作用轉(zhuǎn)換器，可將微動(dòng)平臺(tái)兩個(gè)X向直線電機(jī)的驅(qū)動(dòng) 反力經(jīng)過一定的轉(zhuǎn)換后施加到宏動(dòng)平臺(tái)上，便于宏動(dòng)平臺(tái)控制模塊對(duì)反力 的抑制。
以下結(jié)合設(shè)計(jì)實(shí)例和附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。
如圖2a所示，本發(fā)明超精密雙層宏微運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的同步控制系統(tǒng)包括設(shè)置在計(jì)算機(jī)內(nèi)的主控制模塊100、第一、第二宏微運(yùn)動(dòng)平臺(tái)控制模塊200、 400和同步控制模塊300。其中，第一、第二宏微運(yùn)動(dòng)平臺(tái)控制模塊200、 400分別用于控制超精密雙層宏微運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的兩個(gè)宏微運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，二者的內(nèi) 部結(jié)構(gòu)完全相同。
主控制模塊100負(fù)責(zé)總體控制，主要進(jìn)行系統(tǒng)管理、任務(wù)調(diào)度和系統(tǒng) 運(yùn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)兩個(gè)宏微運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行規(guī)劃，計(jì)算出要求的速度 和規(guī)定的時(shí)間等目標(biāo)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(yùn)動(dòng)平臺(tái)控制模塊200、 400'和同步控制模塊300。
同步控制模塊300負(fù)責(zé)根據(jù)第一、第二宏微運(yùn)動(dòng)平臺(tái)控制模塊200、400 傳遞的兩個(gè)微動(dòng)平臺(tái)的位置信息，計(jì)算兩個(gè)宏微運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的同步誤差，并 將同步誤差與誤差允許值進(jìn)行比較，并根據(jù)結(jié)果決定其中一個(gè)宏微運(yùn)動(dòng)平 臺(tái)的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償量，再將補(bǔ)償量傳遞給該宏微運(yùn)動(dòng)平臺(tái)控制模塊。
第一、第二宏微運(yùn)動(dòng)平臺(tái)控制模塊200、 400分別負(fù)責(zé)第一、第二宏微 運(yùn)動(dòng)平臺(tái)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(dòng)平臺(tái)位置轉(zhuǎn)換后計(jì)算出驅(qū)動(dòng)微動(dòng)平臺(tái)執(zhí)行器(四個(gè)直線電機(jī)) 的驅(qū)動(dòng)力，并把它轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，驅(qū)動(dòng)微動(dòng)平臺(tái)執(zhí)行器運(yùn)動(dòng)，使微動(dòng)平 臺(tái)產(chǎn)生相應(yīng)位移；然后根據(jù)微動(dòng)平臺(tái)與宏動(dòng)平臺(tái)的相對(duì)位置差信息，判斷 宏動(dòng)平臺(tái)是否需要跟隨微動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)；若宏動(dòng)平臺(tái)需要跟隨微動(dòng)平臺(tái) 運(yùn)動(dòng)，則計(jì)算出驅(qū)動(dòng)宏動(dòng)平臺(tái)執(zhí)行器(一個(gè)直線電機(jī))的驅(qū)動(dòng)力，并把它 轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，驅(qū)動(dòng)宏動(dòng)平臺(tái)執(zhí)行器運(yùn)動(dòng)，使宏動(dòng)平臺(tái)產(chǎn)生相應(yīng)位移； 若若宏動(dòng)平臺(tái)不需跟隨微動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)，則不驅(qū)動(dòng)宏動(dòng)平臺(tái)。
如圖2b所示，第一、第二宏微運(yùn)動(dòng)平臺(tái)控制模塊均包括微動(dòng)平臺(tái)控制 模塊10，跟隨控制模塊20，宏動(dòng)平臺(tái)控制模塊30，激光測(cè)量模塊40和光 柵測(cè)量模塊50。
激光測(cè)量模塊40接收來(lái)自微動(dòng)平臺(tái)控制模塊10的控制指令后，實(shí)時(shí) 釆集微動(dòng)平臺(tái)的位置信息，并將微動(dòng)平臺(tái)的位置信息傳遞給微動(dòng)平臺(tái)控制
ii模塊IO、跟隨控制模塊20。此時(shí)激光測(cè)量模塊40所采集的是微動(dòng)平臺(tái)與 宏動(dòng)平臺(tái)的相對(duì)位置差信息。
光柵測(cè)量模塊50接收來(lái)自宏動(dòng)平臺(tái)控制模塊30的控制指令后，實(shí)時(shí) 采集宏動(dòng)平臺(tái)的位置信息，并將宏動(dòng)平臺(tái)位置信息傳遞給微動(dòng)平臺(tái)控制模 塊10。
通常，超精密雙層宏微運(yùn)動(dòng)平臺(tái)利用激光干涉儀測(cè)量微動(dòng)平臺(tái)的位置， 利用光柵尺測(cè)量宏動(dòng)平臺(tái)的位置。
微動(dòng)平臺(tái)控制模塊10首先發(fā)出測(cè)量控制指令，并傳遞給激光測(cè)量模塊 40;并根據(jù)主控制模塊100所傳遞的運(yùn)動(dòng)參數(shù)和激光測(cè)量模塊40、光柵測(cè) 量模塊50所反饋的微動(dòng)平臺(tái)實(shí)際位置信息，計(jì)算出微動(dòng)平臺(tái)的位置誤差， 經(jīng)過微動(dòng)平臺(tái)位置轉(zhuǎn)換后計(jì)算出驅(qū)動(dòng)微動(dòng)平臺(tái)執(zhí)行器(四個(gè)直線電機(jī))的 驅(qū)動(dòng)力，并把它轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，驅(qū)動(dòng)微動(dòng)平臺(tái)執(zhí)行器運(yùn)動(dòng)，使微動(dòng)平臺(tái) 產(chǎn)生相應(yīng)位移。
跟隨控制模塊20根據(jù)激光測(cè)量模塊40所傳遞的微動(dòng)平臺(tái)與宏動(dòng)平臺(tái) 的相對(duì)位置差信息，通過計(jì)算確定宏動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，并傳遞給宏動(dòng)平 臺(tái)控制模塊30。
宏動(dòng)平臺(tái)控制模塊30首先發(fā)出測(cè)量控制指令，并傳遞給光柵測(cè)量模塊 50;并根據(jù)跟隨控制模塊20所傳遞的運(yùn)動(dòng)參數(shù)計(jì)算出驅(qū)動(dòng)宏動(dòng)平臺(tái)執(zhí)行器 (一個(gè)直線電機(jī))的驅(qū)動(dòng)力，并把它轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，驅(qū)動(dòng)宏動(dòng)平臺(tái)執(zhí)行 器運(yùn)動(dòng)，使宏動(dòng)平臺(tái)產(chǎn)生相應(yīng)位移。
超精密雙層宏微運(yùn)動(dòng)平臺(tái)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(jìn)行目標(biāo)軌跡設(shè)定， 并把相關(guān)參數(shù)傳遞給第一、第二宏微運(yùn)動(dòng)平臺(tái)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(yùn)動(dòng)^P臺(tái)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(yùn)動(dòng)參數(shù)；
步驟S3:第一、第二宏微運(yùn)動(dòng)平臺(tái)控制模塊200、 400根據(jù)主控制模 塊傳遞的參數(shù)分別對(duì)兩個(gè)宏微運(yùn)動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行初始化和參數(shù)詳細(xì)設(shè)定。其中 步驟S3a是控制模塊200對(duì)第一宏微運(yùn)動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，步驟S3b是 控制模塊400對(duì)第二宏微運(yùn)動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，步驟S3a和S3b同時(shí)進(jìn) 行；
步驟S4:微動(dòng)平臺(tái)控制模塊10根據(jù)位移指令，計(jì)算驅(qū)動(dòng)微動(dòng)平臺(tái)所 需的驅(qū)動(dòng)力，并驅(qū)動(dòng)微動(dòng)平臺(tái)輸出相應(yīng)的位移。其中S4a為第一微動(dòng)平臺(tái) 控制模塊驅(qū)動(dòng)第一宏微運(yùn)動(dòng)平臺(tái)中的微動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，S4b為第二微動(dòng) 平臺(tái)控制模塊驅(qū)動(dòng)第二宏微運(yùn)動(dòng)平臺(tái)中的微動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)；
步驟S5:激光測(cè)量模塊40控制相應(yīng)的激光干涉儀進(jìn)行微動(dòng)平臺(tái)的位 置檢測(cè)，并把位置信息傳遞給跟隨控制模塊20和微動(dòng)平臺(tái)控制模塊10。其 中S5a為第一激光測(cè)量模塊對(duì)第一宏微運(yùn)動(dòng)平臺(tái)中的微動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行測(cè)量， S5b為第二激光測(cè)量模塊對(duì)第二宏微運(yùn)動(dòng)平臺(tái)中的微動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行測(cè)量；
步驟S6:跟隨控制模塊計(jì)算微動(dòng)平臺(tái)和宏動(dòng)平臺(tái)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(dòng)平臺(tái)不進(jìn)行運(yùn) 動(dòng)。其中步驟S6a為第一宏微運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的跟隨控制模塊20進(jìn)行跟隨判斷， 步驟S6b為第二宏微運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的跟隨控制模塊20進(jìn)行跟隨判斷；
步驟7:宏動(dòng)平臺(tái)控制模塊30根據(jù)跟隨控制模塊20傳遞的參數(shù)，計(jì)算 驅(qū)動(dòng)宏動(dòng)平臺(tái)所需的驅(qū)動(dòng)力，并驅(qū)動(dòng)宏動(dòng)平臺(tái)跟隨微動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，輸 出相應(yīng)的位移。其中步驟7a為第一宏動(dòng)平臺(tái)控制模塊驅(qū)動(dòng)第一宏微運(yùn)動(dòng)平 臺(tái)中的宏動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，步驟7b為第二宏動(dòng)平臺(tái)控制模塊驅(qū)動(dòng)第二宏微 運(yùn)動(dòng)平臺(tái)中的宏動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)；
步驟8:光柵測(cè)量模塊50控制相應(yīng)的光柵尺進(jìn)行宏動(dòng)平臺(tái)的輸出位置 測(cè)量，并把位置信息傳遞給微動(dòng)平臺(tái)控制模塊10。其中S8a為第一光柵測(cè) 量模塊對(duì)第一宏微運(yùn)動(dòng)平臺(tái)中的宏動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行測(cè)量，S8b為第二光柵測(cè)量模塊對(duì)第二宏微運(yùn)動(dòng)平臺(tái)中的宏動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行測(cè)量；
步驟9:同步控制模塊300計(jì)算兩個(gè)宏微運(yùn)動(dòng)平臺(tái)中微動(dòng)平臺(tái)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(duì)同步誤差進(jìn)行補(bǔ)償，并把補(bǔ)償參數(shù)傳
遞給第二宏微運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的微動(dòng)平臺(tái)控制模塊，并轉(zhuǎn)向步驟S4b;
步驟S11:判斷運(yùn)動(dòng)是否結(jié)束？若未結(jié)束，則轉(zhuǎn)向S2，否則結(jié)束運(yùn)動(dòng)。
實(shí)例:
如圖4所示，微動(dòng)平臺(tái)控制模塊10包括微動(dòng)平臺(tái)位置轉(zhuǎn)換器11、微動(dòng) 平臺(tái)X向第一電機(jī)控制器12、微動(dòng)平臺(tái)X向第二電機(jī)控制器13、微動(dòng)平 臺(tái)Y向第一電機(jī)控制器14、微動(dòng)平臺(tái)Y向第二電機(jī)控制器15。
宏動(dòng)平臺(tái)控制模塊30包括宏動(dòng)平臺(tái)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(dòng)平臺(tái)位置轉(zhuǎn)換 器11接收位移指令，并將位移指令與微動(dòng)平臺(tái)實(shí)際位置的差進(jìn)行位置轉(zhuǎn)換 運(yùn)算，得到微動(dòng)平臺(tái)四個(gè)電機(jī)各自的目標(biāo)位置信號(hào)，并分別傳輸給微動(dòng)平 臺(tái)X向第一電機(jī)控制器12、微動(dòng)平臺(tái)X向第二電機(jī)控制器13、微動(dòng)平臺(tái)Y 向第一電機(jī)控制器14、微動(dòng)平臺(tái)Y向第二電機(jī)控制器15。
其中微動(dòng)平臺(tái)實(shí)際位置是由光柵激光測(cè)量模塊50測(cè)得的宏動(dòng)平臺(tái)實(shí)際 位置信號(hào)和激光測(cè)量模塊40測(cè)得的微動(dòng)平臺(tái)相對(duì)宏動(dòng)平臺(tái)位置信號(hào)相加而 得。
微動(dòng)平臺(tái)位置轉(zhuǎn)換器ll的作用是將輸入的微動(dòng)平臺(tái)加工位置的位移信 號(hào)轉(zhuǎn)換成四個(gè)直線電機(jī)各自的位移信號(hào)。由于宏微運(yùn)動(dòng)平臺(tái)中的定位精度 最終體現(xiàn)在微動(dòng)平臺(tái)加工位置的精度上，所以控制系統(tǒng)的輸入信號(hào)是微動(dòng) 平臺(tái)加工位置的位移信號(hào)。微動(dòng)平臺(tái)位置轉(zhuǎn)換器11包括兩方面的內(nèi)容(1) 將微動(dòng)平臺(tái)加工位置的位移信號(hào)轉(zhuǎn)換成微動(dòng)平臺(tái)質(zhì)心的位移信號(hào)；(2)將微動(dòng)平臺(tái)質(zhì)心的位移信號(hào)轉(zhuǎn)換成四個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)各自的位移信號(hào)。
令(U，0)表示微動(dòng)平臺(tái)加工位置在X向、Y向和繞Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)的位移 信號(hào)；(A,&A)表示微動(dòng)平臺(tái)質(zhì)心在在X向、Y向和繞Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)的的位
移信號(hào)；(A,^)分別表示X向第一、第二電機(jī)在X向的位移信號(hào)；(&y2)
分別表示Y向第一、第二電機(jī)在Y向的位移信號(hào)；(az,a:t)表示微動(dòng)平
臺(tái)加工位置相對(duì)質(zhì)心的位移，(仏丄)分別表示X向和Y向直線電機(jī)質(zhì)心到 微動(dòng)臺(tái)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(dòng)平臺(tái)位置轉(zhuǎn)換器ll的輸入為(u")，輸出為(《,12,};,72)，因
此微動(dòng)平臺(tái)位置轉(zhuǎn)換器11的構(gòu)成如下
1、 先對(duì)輸入信號(hào)中的角位移信號(hào)^進(jìn)行sin和cos運(yùn)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(jìn)仃計(jì)算，將輸入的1放動(dòng)平臺(tái) 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(hào)()轉(zhuǎn)換成四個(gè)直線電機(jī)的輸出位置信號(hào)(《，i2，[:r2 )。
四個(gè)微動(dòng)平臺(tái)電機(jī)控制器12、 13、 14、 15根據(jù)各自的目標(biāo)位置信號(hào)
(xpx2，};,y2)計(jì)算出驅(qū)動(dòng)各自電機(jī)所需的驅(qū)動(dòng)力信號(hào)，并用它們驅(qū)動(dòng)微動(dòng)
平臺(tái)，四個(gè)微動(dòng)平臺(tái)電機(jī)控制器12、 13、 14、 15采用PID控制器。
激光干涉儀檢測(cè)出微動(dòng)平臺(tái)的位移后，由激光測(cè)量模塊40將微動(dòng)平臺(tái) 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(dòng)平臺(tái)位 置轉(zhuǎn)換器11。跟隨控制模塊20根據(jù)微動(dòng)平臺(tái)的位移和宏動(dòng)平臺(tái)實(shí)際位置得出宏動(dòng)平臺(tái)的輸入信號(hào)，并傳遞給宏動(dòng)平臺(tái)控制器31。
跟隨控制模塊20是本發(fā)明提出的宏、微動(dòng)復(fù)合控制策略中的一部分。 跟隨控制模塊20根據(jù)微動(dòng)平臺(tái)與宏動(dòng)平臺(tái)的相對(duì)位置差信息進(jìn)行計(jì)算，使 得宏動(dòng)平臺(tái)跟隨微動(dòng)平臺(tái)。
跟隨控制模塊20的具體實(shí)現(xiàn)如下跟隨控制模塊20從激光測(cè)量模塊 40讀取出微動(dòng)平臺(tái)與宏動(dòng)平臺(tái)的相對(duì)位置差信息，將此相對(duì)位置信息與差 分傳感器的閥值(1.5toi)進(jìn)行比較，若相對(duì)位置大于1.5to，則將此相對(duì)位 置信息傳遞給宏動(dòng)平臺(tái)控制器31，使宏動(dòng)平臺(tái)跟隨微動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)；若 相對(duì)位置小于1.5tai，則將傳遞給宏動(dòng)平臺(tái)控制器31的位置信息置零。
宏動(dòng)平臺(tái)控制器31根據(jù)跟隨控制模塊20所傳遞的位置信息計(jì)算出驅(qū) 動(dòng)宏動(dòng)平臺(tái)所需的原始驅(qū)動(dòng)力信號(hào)，宏動(dòng)平臺(tái)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(hào)與宏動(dòng)平臺(tái)原始驅(qū)動(dòng)力信號(hào)相減得 到修正后的宏動(dòng)平臺(tái)驅(qū)動(dòng)力信號(hào)，并用它驅(qū)動(dòng)宏動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)。
力作用轉(zhuǎn)換器32是將微動(dòng)平臺(tái)中兩個(gè)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力信號(hào)轉(zhuǎn)換成宏動(dòng)平
臺(tái)的反作用力信號(hào)。
力作用轉(zhuǎn)換器32的實(shí)現(xiàn)如下力作用轉(zhuǎn)換器32從微動(dòng)平臺(tái)X向第一、 第二電機(jī)控制器12、 13讀取出微動(dòng)平臺(tái)X向第一、第二電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力，然 后將這兩個(gè)微動(dòng)平臺(tái)X向電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力相加后進(jìn)行取反運(yùn)算，作為宏動(dòng)平 臺(tái)的反作用力信號(hào)。
光柵尺檢測(cè)出宏動(dòng)平臺(tái)的位移后，由光柵測(cè)量模塊50將宏動(dòng)平臺(tái)的位 移數(shù)據(jù)從光柵尺中取出，并傳遞給微動(dòng)平臺(tái)位置轉(zhuǎn)換器11。
由于第一、第二宏微運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的目標(biāo)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(yùn)動(dòng)平臺(tái)中 微動(dòng)平臺(tái)的實(shí)際位置信號(hào)乘以倍數(shù)a和第二宏微運(yùn)動(dòng)平臺(tái)中微動(dòng)平臺(tái)的實(shí) 際位置信號(hào)同時(shí)作為同步控制模塊300的輸入，經(jīng)過同步控制模塊300的 計(jì)算得出同步誤差的補(bǔ)償量，并將補(bǔ)償量傳遞給第二宏微運(yùn)動(dòng)平臺(tái)控制模
16塊400。需要說(shuō)明的是，第二宏微運(yùn)動(dòng)平臺(tái)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(yùn)動(dòng)平臺(tái)的目標(biāo)位移、第一、二 宏微運(yùn)動(dòng)平臺(tái)中微動(dòng)平臺(tái)的位置信息、第一宏微運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的位置誤差。其 中第一宏微運(yùn)動(dòng)平臺(tái)中微動(dòng)平臺(tái)的位置信息是將其實(shí)際位置信號(hào)乘以倍數(shù) a后的信號(hào)，第二宏微運(yùn)動(dòng)平臺(tái)中微動(dòng)平臺(tái)的位置信息就是其實(shí)際位置。同 步控制模塊300的輸出是第二宏微運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的補(bǔ)償量。
同步控制模塊300的輸出也可以是第一宏微運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的補(bǔ)償量。 同步控制模塊300的實(shí)現(xiàn)如下首先對(duì)輸入的第二宏微運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的目 標(biāo)位移進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)目標(biāo)位移的軌跡信息判斷當(dāng)前時(shí)刻是否是需要兩臺(tái) 同步運(yùn)動(dòng)的時(shí)間區(qū)域，若不是，則同步控制模塊300不進(jìn)行同步補(bǔ)償，輸 出的補(bǔ)償量為0。若當(dāng)前時(shí)刻是需要兩臺(tái)同步運(yùn)動(dòng)的時(shí)間區(qū)域，則同步控制 模塊300對(duì)輸入的第一、二宏微運(yùn)動(dòng)平臺(tái)中微動(dòng)平臺(tái)的位置信息進(jìn)行比較， 同步控制模塊300將輸入的兩個(gè)位置信息相減后取絕對(duì)值，并將得到的數(shù) 據(jù)與同歩控制精度5nm進(jìn)行比較，若兩個(gè)位置信息的差值大于5nm，則將
第一宏微運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的位置誤差作為補(bǔ)償量輸出給第二宏微運(yùn)動(dòng)平臺(tái)控制模 塊400;若兩個(gè)位置信息的差值小于5nm，則同步控制模塊300不進(jìn)行同 步補(bǔ)償，輸出的補(bǔ)償量為0。
本發(fā)明不僅局限于上述具體實(shí)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(shí)施方式
實(shí)施本發(fā)明，因此，凡是 采用本發(fā)明的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和思路，做一些簡(jiǎn)單的變化或更改的設(shè)計(jì)，都落入 本發(fā)明保護(hù)的范圍。
權(quán)利要求
1、一種超精密雙層宏微運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的同步控制系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)包括設(shè)置在計(jì)算機(jī)內(nèi)的主控制模塊(100)、第一、第二宏微運(yùn)動(dòng)平臺(tái)控制模塊(200、400)和同步控制模塊(300)；第一、第二宏微運(yùn)動(dòng)平臺(tái)控制模塊(200、400)的結(jié)構(gòu)相同，分別負(fù)責(zé)第一、第二宏微運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的控制；第一、第二宏微運(yùn)動(dòng)平臺(tái)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(jì)算出驅(qū)動(dòng)微動(dòng)平臺(tái)執(zhí)行器的驅(qū)動(dòng)力，并將表示驅(qū)動(dòng)力的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，提供給微動(dòng)平臺(tái)執(zhí)行器；然后根據(jù)微動(dòng)平臺(tái)與宏動(dòng)平臺(tái)的相對(duì)位置差信息，判斷宏動(dòng)平臺(tái)是否需要跟隨微動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)；若宏動(dòng)平臺(tái)需要跟隨微動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)，則計(jì)算出驅(qū)動(dòng)宏動(dòng)平臺(tái)執(zhí)行器的驅(qū)動(dòng)力，并將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，提供給宏動(dòng)平臺(tái)執(zhí)行器；主控制模塊(100)負(fù)責(zé)總體控制，計(jì)算兩個(gè)宏微運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的目標(biāo)參數(shù)，并將目標(biāo)參數(shù)分別傳送到第一、第二宏微運(yùn)動(dòng)平臺(tái)控制模塊(200、400)和同步控制模塊(300)；同步控制模塊(300)負(fù)責(zé)根據(jù)第一、第二宏微運(yùn)動(dòng)平臺(tái)控制模塊(200、400)傳遞的兩個(gè)微動(dòng)平臺(tái)的位置信息，計(jì)算兩個(gè)宏微運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的同步誤差，并將同步誤差與誤差允許值進(jìn)行比較，根據(jù)結(jié)果決定其中一個(gè)宏微運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償量，再將補(bǔ)償量傳遞給該宏微運(yùn)動(dòng)平臺(tái)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(yùn)動(dòng)平臺(tái)控制模塊(200、 400)均包括微動(dòng)平臺(tái)控制模塊(10)，跟隨控 制模塊(20)，宏動(dòng)平臺(tái)控制模塊(30)，激光測(cè)量模塊(40)，以及光柵測(cè) 量模塊(50);微動(dòng)平臺(tái)控制模塊(10)首先發(fā)出測(cè)量控制指令，并傳遞給激光測(cè)量 模塊(40);并根據(jù)主控制模塊(100)所傳遞的運(yùn)動(dòng)參數(shù)和激光測(cè)量模塊(40)、光柵測(cè)量模塊(50)所反饋的微動(dòng)平臺(tái)實(shí)際位置信息，計(jì)算出微動(dòng) 平臺(tái)的位置誤差信號(hào)，經(jīng)過微動(dòng)平臺(tái)位置轉(zhuǎn)換后計(jì)算出驅(qū)動(dòng)微動(dòng)平臺(tái)執(zhí)行 器的驅(qū)動(dòng)力，并把它轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，驅(qū)動(dòng)微動(dòng)平臺(tái)執(zhí)行器運(yùn)動(dòng)，使微動(dòng) 平臺(tái)產(chǎn)生相應(yīng)位移；跟隨控制模塊(20)根據(jù)激光測(cè)量模塊(40)所傳遞的微動(dòng)平臺(tái)與宏 動(dòng)平臺(tái)的相對(duì)位置差信息，通過計(jì)算確定宏動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，并傳遞給 宏動(dòng)平臺(tái)控制模塊(30);宏動(dòng)平臺(tái)控制模塊(30)首先發(fā)出測(cè)量控制指令，并傳遞給激光測(cè)量 模塊(40);并根據(jù)跟隨控制模塊(20)所傳遞的運(yùn)動(dòng)參數(shù)計(jì)算出驅(qū)動(dòng)宏動(dòng) 平臺(tái)執(zhí)行器的驅(qū)動(dòng)力，并把它轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，驅(qū)動(dòng)宏動(dòng)平臺(tái)執(zhí)行器運(yùn)動(dòng)， 使宏動(dòng)平臺(tái)產(chǎn)生相應(yīng)位移；激光測(cè)量模塊(40)接收來(lái)自微動(dòng)平臺(tái)控制模塊(10)的控制指令后， 實(shí)時(shí)采集微動(dòng)平臺(tái)的位置信息，并將微動(dòng)平臺(tái)的位置信息傳遞給微動(dòng)平臺(tái) 控制模塊(10)和跟隨控制模塊(20);光柵測(cè)量模塊(50)接收來(lái)自宏動(dòng)平臺(tái)控制模塊(30)的控制指令后， 實(shí)時(shí)采集宏動(dòng)平臺(tái)的位置信息，并將宏動(dòng)平臺(tái)位置信息傳遞給微動(dòng)平臺(tái)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(dòng)平臺(tái) 控制模塊(10)包括微動(dòng)平臺(tái)位置轉(zhuǎn)換器(11)、微動(dòng)平臺(tái)X向第一電機(jī)控 制器(12)、微動(dòng)平臺(tái)X向第二電機(jī)控制器(13)、微動(dòng)平臺(tái)Y向第一電機(jī) 控制器(14)、以及微動(dòng)平臺(tái)Y向第二電機(jī)控制器(15);微動(dòng)平臺(tái)位置轉(zhuǎn)換器(11)用于將輸入的微動(dòng)平臺(tái)加工位置的位移信 號(hào)轉(zhuǎn)換成四個(gè)直線電機(jī)各自的位移信號(hào)，并分別傳送給微動(dòng)平臺(tái)X向第一電機(jī)控制器(12)、微動(dòng)平臺(tái)X向第二電機(jī)控制器(13)、微動(dòng)平臺(tái)Y向第一電機(jī)控制器(14)、以及微動(dòng)平臺(tái)Y向第二電機(jī)控制器(15);微動(dòng)平臺(tái)X向第一電機(jī)控制器(12)、微動(dòng)平臺(tái)X向第二電機(jī)控制器(13)、微動(dòng)平臺(tái)Y向第一電機(jī)控制器(14)、以及微動(dòng)平臺(tái)Y向第二電機(jī)控制器(15)均根據(jù)各自的目標(biāo)位置信號(hào)計(jì)算出驅(qū)動(dòng)各自電機(jī)所需的驅(qū)動(dòng)力信號(hào)，并將驅(qū)動(dòng)力信號(hào)分別傳送給微動(dòng)平臺(tái)。
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(dòng)平臺(tái)控制模塊(30)包括宏動(dòng)平臺(tái)控制器(31)和力作用轉(zhuǎn)換器(32);宏動(dòng)平臺(tái)控制器(31)根據(jù)跟隨控制模塊(20)所傳遞的位置信息計(jì)算出驅(qū)動(dòng)宏動(dòng)平臺(tái)所需的原始驅(qū)動(dòng)力信號(hào)，并傳送給宏動(dòng)平臺(tái)；力作用轉(zhuǎn)換器(32)用于將微動(dòng)平臺(tái)中兩個(gè)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力信號(hào)轉(zhuǎn)換成宏動(dòng)平臺(tái)的反作用力信號(hào)，并傳送給宏動(dòng)平臺(tái)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種超精密雙層宏微運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的同步控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括設(shè)置在計(jì)算機(jī)內(nèi)的主控制模塊、兩個(gè)宏微運(yùn)動(dòng)平臺(tái)控制模塊和同步控制模塊；兩個(gè)宏微運(yùn)動(dòng)平臺(tái)控制模塊均包括微動(dòng)平臺(tái)控制模塊，跟隨控制模塊，宏動(dòng)平臺(tái)控制模塊，激光測(cè)量模塊，以及光柵測(cè)量模塊。本發(fā)明引入了微動(dòng)平臺(tái)位置轉(zhuǎn)換器，簡(jiǎn)化了微動(dòng)平臺(tái)的控制；提出了力作用轉(zhuǎn)換器，提高了宏動(dòng)平臺(tái)的跟蹤精度；采用宏動(dòng)平臺(tái)跟蹤微動(dòng)平臺(tái)的控制方式，防止了微動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)飽和的發(fā)生，提高了宏微運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的定位精度；采用了雙層宏微運(yùn)動(dòng)平臺(tái)同步控制器，減小了同步誤差，并改善了雙層宏微運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的同步精度。本發(fā)明可應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，也可應(yīng)用于MEMS等其他超精密定位系統(tǒng)。
文檔編號(hào)G05D3/20GK101458532SQ20081004837
公開日2009年6月17日 申請(qǐng)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(xué)東, 金 雷, 鮑秀蘭 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)