[發明專利]一種無接觸式單自由度定位裝置及其同步運動控制方法

有效

• 申請號: 201210179247.5
• 申請日: 2012-06-01
• 公開（公告）號: CN102722086A
• 公開（公告）日: 2012-10-10
• 發明（設計）人: 朱煜;楊開明;李鑫;崔樂卿;胡金春;張鳴;徐登峰;穆海華;尹文生;余東東
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: G03F7/20
• 分類號: G03F7/20;G05D3/12;H01L21/68
• 代理公司: 北京鴻元知識產權代理有限公司 11327
• 代理人: 邸更巖

1.一種無接觸式單自由度定位裝置，其特征在于：該定位裝置包括兩個沿Y軸方向運動的粗動臺，同時該兩個粗動臺之間無機械連接；每個粗動臺包括一個直線電機（101）、一個支撐元件（102）和一個導向元件（103）；粗動臺在洛侖茲力作用下沿Y軸運動；支撐元件（102）的下表面與基架（001）的上表面正面相對，支撐元件（102）下表面有氣孔，氣孔軸線沿Z軸方向，在支撐元件（102）與基架之間形成沿Z軸方向的氣浮支撐；導向元件（103）的側面與基架的側面正面相對，導向元件（103）的側面有氣孔，氣孔的軸線沿X軸方向，導向元件（103）與基架之間形成氣浮導向，導向方向沿Y軸方向。

2.如權利要求1中所述的一種無接觸式單自由度定位裝置，其特征在于：每個粗動平臺各還包括一個光柵測量裝置，光柵測量裝置包括一個光柵尺（303）、一個光柵尺安裝架（301）、一個讀數頭（304）和光柵尺調整裝置（302）；光柵尺調整裝置（302）固定于基架（001）上，光柵尺安裝架（301）與光柵尺調整裝置（302）固定連接，通過調整光柵尺調整裝置（302）使光柵尺安裝架（301）的長邊方向沿Y軸方向；光柵尺（303）固定于光柵尺安裝架表面上，光柵條紋沿Y軸方向；光柵讀數頭（304）與直線電機（101）連接，當直線電機沿Y軸運動時，光柵尺（303）用來檢測粗動臺直線電機（101）沿Y軸方向的位置。

3.一種如權利要求1所述的無接觸式單自由度定位裝置的同步運動控制方法，其特征在于所述控制方法包括如下步驟：

1）在伺服周期開始，設定第一光柵尺測量裝置（3001）的輸出信號為x₁₀₀₁，作為第一粗動臺（1001）的位置反饋，第二光柵尺測量裝置（3002）的輸出信號為x₁₀₀₂，以第一光柵尺測量裝置（3001）信號和第二光柵尺測量裝置（3002）的輸出信號的差值作為第二粗動臺（1002）的位置反饋；

2）第一粗動臺（1001）和第二粗動臺（1002）均以加速度作為控制器前饋，根據設定的位置反饋信號求解每個電機相應的出力，實現第一粗動臺（1001）沿Y軸運動，第二粗動臺（1002）對第一粗動臺（1001）的跟隨運動；電機輸出力按以下公式計算：

F1001=My··d+kp1001ey1001+kd1001e·y1001+c1001·e·y1001+a1001ey1001|e·y1001+a1001ey1001|+b1001]]>

F1002=My··d+kp1002ey1002+kd1002e·y1002+c1002·e·y1002+a1002ey1002|e·y1002+a1002ey1002|+b1002]]>

其中：

y_d-粗動臺目標運動位置；

x₁₀₀₁-第一光柵尺信號，x₁₀₀₂-第二光柵尺信號；

e_y1001＝y_d-x₁₀₀₁、e_y1002＝x₁₀₀₁-x₁₀₀₂

M-粗動臺質量；

F₁₀₀₁-計算得到的對第一粗動臺施加的力；

F₁₀₀₂-計算得到的對第二粗動臺施加的力；

k_p1001、k_d1001、k_p1002、k_d1002、c₁₀₀₁、a₁₀₀₁、b₁₀₀₁、c₁₀₀₂、a₁₀₀₂、b₁₀₀₂為控制器增益系數；

3）根據求解電機的輸出力得到每個電機的控制指令，該控制指令由D/A卡進行數模轉換后輸入至驅動器，驅動器成比例地輸出電流驅動相應電機，進而實現微動臺以及粗動臺的運動。

4.一種如權利要求1所述的無接觸式單自由度定位裝置的同步運動控制方法，其特征在于所述控制方法包括如下步驟：

1）在伺服周期開始，設定第一光柵尺測量裝置（3001）的輸出信號為x₁₀₀₁，作為第一粗動臺（1001）的位置反饋，第二光柵尺測量裝置（3002）的輸出信號為x₁₀₀₂，以第一光柵尺測量裝置（3001）信號和第二光柵尺測量裝置（3002）的輸出信號的差值作為第二粗動臺（1002）的位置反饋；

2）第一粗動臺（1001）以加速度作為控制器前饋，第二粗動臺（1002）以第一粗動臺（1001）的控制器輸出作為控制器前饋，根據設定的位置反饋信號求解每個電機相應的出力，實現第一粗動臺（1001）沿Y軸運動，第二粗動臺（1002）對第一粗動臺（1001）的跟隨運動；電機輸出力按以下公式計算：

F1001=My··d+kp1001ey1001+kd1001e·y1001+c1001·e·y1001+a1001ey1001|e·y1001+a1001ey1001|+b1001]]>

F1002=F1001+kp1002ey1002+kd1002e·y1002+c1002·e·y1002+a1002ey1002|e·y1002+a1002ey1002|+b1002]]>

其中：

y_d-粗動臺目標運動位置；

x₁₀₀₁-第一光柵尺信號，x₁₀₀₂-第二光柵尺信號；

e_y1002＝x₁₀₀₁-x₁₀₀₂?e_y1001＝y_d-x₁₀₀₁

M-粗動臺質量；

F₁₀₀₁-第一粗動臺控制器輸出；

F₁₀₀₂-第二粗動臺控制器輸出；

k_p1001、k_d1001、k_p1002、k_d1002、c₁₀₀₁、a₁₀₀₁、b₁₀₀₁、c₁₀₀₂、a₁₀₀₂、b₁₀₀₂為控制器增益系數；

3）根據求解電機的輸出力得到每個電機的控制指令，該控制指令由D/A卡進行數模轉換后輸入至驅動器，驅動器成比例地輸出電流驅動相應電機，進而實現微動臺以及粗動臺的運動。