超精密定位音圈電機驅動控制系統(tǒng)研究.pdf

1、IC制造業(yè)是高科技產業(yè)的代表，受到世界各國日益重視，其核心指標是光刻機的線寬和產片率。目前，隨著這兩項指標的提高，超精密定位技術正向高精度、高加速度和大行程方向發(fā)展。音圈電機（Voice Coil Motor，VCM）是一種基于洛倫茲力原理設計的直線電機，其具有結構簡單、體積小、加速度高和響應快等特點，廣泛應用于超精密定位系統(tǒng)中。為了實現音圈電機超精密定位運動控制，本文分別從音圈電機數學模型、高精度功率變換器和超精密定位運動控制策略三個

2、方面展開研究。
　　為了建立高頻運動下音圈電機精確數學模型，分別考慮空氣阻尼、電渦流阻尼和彈性剛度特性對定位精度的影響。重點研究音圈電機在高頻運動中存在的遲滯特性，并分析其產生機理和影響因素。通過掃描實驗得出結論即遲滯特性與運動頻率和運動行程密切相關。與此同時，分析電渦流阻尼力產生的原因及影響因素。在兩種不同材料定子的條件下，通過音圈電機自由振蕩實驗，準確辨識空氣阻尼系數和電渦流阻尼系數。除此之外，測試音圈電機的機械諧振頻率，設計

3、陷波器消除機械諧振峰。
　　在響應時間、定位精度和效率都要求極高的光刻機運動控制系統(tǒng)中，音圈電機功率變換器必須同時具備高功率、高精度和高帶寬等特性。為了解決傳統(tǒng)功率變換器高功率和高精度矛盾問題，本文提出一種開關線性串聯混合功率放大器，其中開關功率變換器采用不對稱級聯H橋七電平拓撲結構，多頻率載波PWM調制方法有效解決了不對稱級聯H橋七電平功率變換器的電流倒灌問題。同時，推導不對稱級聯H橋功率變換器輸出電壓諧波和電流紋波表達式，設計

4、LCCR低通濾波器濾除電壓諧波和電流紋波。基于線性功率放大器的電壓閉環(huán)控制用來補償開關功率變換器所產生的電壓誤差，為了快速和準確補償其電壓誤差，采用雙PI控制器，并以模擬電路方式實現。最終，通過直流和交流實驗驗證了開關線性混合功率變換器的有效性，其性能指標，功率：750W；電流峰值：10A；電流紋波：1.2mA；電壓THD：2.4％（250Hz），實驗結果表明開關線性混合功率變換器同時具有高功率、高精度和低失真度等特點。
　　在光

5、刻機超精密定位運動控制系統(tǒng)中，音圈電機運動工況主要包括高精度軌跡跟蹤運動和高精度點對點定位運動，針對不同運動工況和控制要求，采用不同控制策略。在高精度軌跡跟蹤運動控制中，5階S型曲線作為位置指令信號，自抗擾控制(Active Disturbance Rejection Control，ADRC)策略作為位置環(huán)的控制算法。仿真結果表明，與傳統(tǒng)PID控制算法相比，自抗擾控制策略具有強魯棒性和高跟蹤精度。在高精度點對點定位運動控制中，提出一種

6、改進式復合非線性反饋控制策略(Composite Nonlinear Feedback，CNF)，將擴張狀態(tài)觀測器和積分器加入傳統(tǒng)復合非線性控制策略中，仿真結果表明改進式CNF控制算法保留高動態(tài)和低超調等優(yōu)點，同時提高了該算法的穩(wěn)態(tài)精度和抗擾性能。
　　為了驗證音圈電機高精度點對點定位和高精度軌跡跟蹤運動性能，搭建了音圈電機超精密定位實驗平臺，分別在單軸空載和多軸帶負載的情況下進行實驗測試，其中在單軸空載實驗中，音圈電機在±2mm