CN102722088A - 一种无接触式粗精动叠层定位***及其运动控制方法 - Google Patents

Abstract

一种无接触式粗精动叠层定位***及其运动控制方法，该定位装置包括一个微动台和对称布置在微动台两侧的两个粗动台，微动台利用音圈电机悬浮在两个粗动台上方，各粗动台之间、各粗动台与微动台之间无机械连接。微动台能够实现六自由度运动，两个粗动台沿Y轴方向运动。沿Y轴方向运动的控制方法中，以激光尺信号为微动台沿Y轴方向位置反馈，利用音圈电机驱动实现微动台沿Y轴方向运动。以电涡流传感器信号为粗动台与微动台之间沿Y轴方向位置偏差，以该偏差为控制器反馈实现粗动台与微动台沿Y轴方向的同步运动。

Description

一种无接触式粗精动叠层定位***及其运动控制方法

技术领域

本发明涉及一种无接触式粗精动叠层定位装置运动控制***，属于半导体光刻设备领域。

背景技术

具有纳米级运动定位精度的超精密微动台是半导体装备关键部件之一，如光刻机中的硅片台、掩模台等。为实现超精密定位要求，以气浮和磁浮约束为支撑方式的执行单元作为一种超精密运动台被广泛应用。气浮约束作为支撑和导向作用时，减小了机械结构传动引起的摩擦力等作用，提高了***运动定位精度。以直线电机为驱动单元时，由通电线圈在永磁阵列气隙磁场中产生的洛仑兹力提供驱动力，通过控制线圈中电流大小来改变执行单元的推力，具有结构简单等优点。

目前光刻设备中通常采用粗精动叠层的结构，包括两个粗动台和一个微动台，两个粗动台之间通过一个横梁连接，微动台安装在横梁上，通过横梁实现两个粗动台与微动台的同步运动。一方面连接横梁增加了结构设计的复杂性，增加了***结构质量，较大的质量将影响***运动响应性能，另一方面，当结构运动时，如果两个粗动台沿Y轴方向存在位置偏差，由于连接梁的作用，使得两个粗动平台之间产生作用力与反作用力的耦合，使得两个粗动平台的性能相互影响，将影响***的运动定位精度。因此设计出无机械连接的粗精动叠层定位装置并设计出针对该定位装置的控制方法具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种应用于半导体装备的定位装置以及位置测量与运动控制算法，不仅满足六自由度运动定位要求，同时解决目前掩模台粗精动叠层结构中由机械结构耦合作用引起的结构复杂、运动性能相互影响等问题。

本发明的技术方案如下：

一种无接触式粗精动叠层定位***，该控制***包括定位装置、位置测量装置、驱动装置和控制单元；

定位装置包括基架、一个微动台和两个对称布置在微动台两侧的粗动台，两个粗动台之间、粗动台与微动台之间无机械连接；

位置测量装置包括：

1）一个激光尺，用于测量微动台质心沿Y轴的绝对位置；

2）两个光栅测量装置，每个光栅测量装置包括一个光栅尺和一个读数头，用于测量粗动台沿Y轴方向的位移；

3）七个电涡流传感器，其中：

第一电涡流传感器和第二电涡流传感器安装在第一粗动台上，布置于一条沿Y轴的直线上，用于测量微动台沿X轴与粗动台的相对位置，第一和第二电涡流传感器测量值的差动作为微动台绕Z轴的转角；

第三电涡流传感器安装在第一粗动台上，测量第一粗动台与微动台之间沿Y轴方向的相对位置；第四电涡流传感器安装在第二粗动台上，测量第二粗动台与微动台之间沿Y轴方向的相对位置；

第五电涡流传感器和第六电涡流传感器安装在第一粗动台上，且位于一条沿Y轴的直线上，第七电涡流传感器安装在第二粗动台上，且与第五电涡流传感器位于一条沿X轴的直线上；该三个电涡流传感器用于测量微动台沿Z轴的绝对位置，第五电涡流传感器和第六电涡流传感器测量值的差动作为微动台绕X轴的转角，第五电涡流传感器和第七电涡流传感器测量值的差动作为微动台绕Y轴的转角；

驱动装置包括：

1）十个音圈电机

微动台包括四个沿Y轴方向驱动的音圈电机、两个沿X轴方向驱动的音圈电机和四个沿Z轴方向驱动的音圈电机；第一音圈电机、第二音圈电机、第五音圈电机的线圈组件固定在第一粗动台上，永磁体组件固定在微动台上，第三音圈电机、第四音圈电机、第六音圈电机的线圈组件固定在第二粗动台上，永磁体组件固定在微动台上；

第七音圈电机、第八音圈电机、第九音圈电机、第十音圈电机结构相同，包括外磁环、内磁环、圆柱线圈组件、重力平衡磁柱；外磁环与内磁环的轴线沿Z轴方向，外磁环与内磁环充磁方向相同，沿径向方向且由圆环外表面指向圆心；圆柱线圈位于内磁环与外磁环之间，绕线轴线沿Z轴方向；磁柱的轴线沿Z轴方向，充磁方向沿Z轴正方向；第七音圈电机、第八音圈电机的圆柱线圈组件固定在第一粗动台上，第九音圈电机、第十音圈电机的圆柱线圈组件固定在第二粗动台上；

2）两个直线电机

两个直线电机分别用于驱动第一粗动台和第二粗动台；

所述控制单元包括含有控制程序的工控机、计数卡、A/D卡、D/A卡和驱动器，计数卡采集光栅尺和激光尺的增量信号，A/D卡采集电涡流传感器的信号，计数卡和A/D卡将采集到的信号输入至工控机，工控机以所述信号作为位置反馈信号对微动台以及粗动台进行控制，控制指令通过D/A卡输出至驱动器，驱动力输出电流给电机，实现微动台以及粗动台的运动。

基于所述的粗精动叠层定位***，采用了一种运动控制方法，该控制方法包括如下步骤：

1）在伺服周期开始，设定微动台的六自由度位移量，其中x_d为沿X轴的位移量，y_d为沿Y轴的位移量，z_d为沿Z轴的位移量，θ_xd为绕X轴的转角位移量，θ_yd为绕Y轴的转角位移量，θ_zd为绕Z轴的转角位移量；然后将计数卡采集的激光尺信号和A/D卡采集的电涡流传感器信号作为微动台控制环路的反馈信号，将A/D卡采集的电涡流传感器信号作为粗动台控制环路的反馈信号；

2）根据设定的微动台六自由度位移量以及反馈信号求解每个音圈电机相应出力，其中第一音圈电机、第二音圈电机、第三音圈电机和第四音圈电机控制微动台沿Y方向移动和绕Z轴旋转的自由度，第五音圈电机和第六音圈电机控制微动台沿X方向移动的自由度，第七音圈电机、第八音圈电机、第九音圈电机和第十音圈电机控制微动台沿Z方向移动、绕X轴旋转和绕Y轴旋转的自由度，电机输出力按以下公式计算：

$F_{301}=F_{302}=k_{p301}{e}_y+k_{d301}{\stackrel{\·}{e}}_y+c_{301}\·\frac{{\stackrel{\·}{e}}_y+a_{301}{e}_y}{|{\stackrel{\·}{e}}_y+e_y|+b_{301}}+k_{301}{e}_{{\mathrm{\θ}}_z}+k_{301}{\stackrel{\·}{e}}_{{\mathrm{\θ}}_z}$

$F_{303}=F_{304}=k_{p303}{e}_y+k_{d303}{\stackrel{\·}{e}}_y+c_{303}\·\frac{{\stackrel{\·}{e}}_y+a_{303}{e}_y}{|{\stackrel{\·}{e}}_y+e_y|+b_{303}}-k_{303}{e}_{{\mathrm{\θ}}_z}-k_{303}{\stackrel{\·}{e}}_{{\mathrm{\θ}}_z}$

$F_{305}=F_{306}=k_{p305}{e}_x+k_{d305}{\stackrel{\·}{e}}_x+c_{305}\·\frac{{\stackrel{\·}{e}}_x+a_{305}{e}_x}{|{\stackrel{\·}{e}}_x+{a_{305}e}_x|+b_{305}}$

$F_{307}=k_{p307}{e}_z+k_{d307}{\stackrel{\·}{e}}_y+c_{307}\·\frac{{\stackrel{\·}{e}}_z+a_{307}{e}_z}{|{\stackrel{\·}{e}}_z+a_{307}{e}_y|+b_{307}}+k_{307}{e}_{{\mathrm{\θ}}_x}+k_{307}{\stackrel{\·}{e}}_{{\mathrm{\θ}}_x}+k_{307}{e}_{{\mathrm{\θ}}_y}+k_{307}{\stackrel{\·}{e}}_{{\mathrm{\θ}}_y}$

$F_{308}=k_{p308}{e}_z+k_{d308}{\stackrel{\·}{e}}_z+c_{308}\·\frac{{\stackrel{\·}{e}}_z+a_{308}{e}_z}{|{\stackrel{\·}{e}}_z+a_{308}{e}_z|+b_{308}}+k_{308}{e}_{{\mathrm{\θ}}_x}+k_{308}{\stackrel{\·}{e}}_{{\mathrm{\θ}}_x}-k_{308}{e}_{{\mathrm{\θ}}_y}-k_{308}{\stackrel{\·}{e}}_{{\mathrm{\θ}}_y}$

$F_{309}=k_{p309}{e}_z+k_{d309}{\stackrel{\·}{e}}_z+c_{309}\·\frac{{\stackrel{\·}{e}}_z+a_{309}{e}_z}{|{\stackrel{\·}{e}}_z+a_{309}{e}_z|+b_{309}}-k_{309}{e}_{{\mathrm{\θ}}_x}-k_{309}{\stackrel{\·}{e}}_{{\mathrm{\θ}}_x}+k_{309}{e}_{{\mathrm{\θ}}_y}+k_{309}{\stackrel{\·}{e}}_{{\mathrm{\θ}}_y}$

$F_{3010}=k_{p3010}{e}_z+k_{d3010}{\stackrel{\·}{e}}_z+c_{3010}\·\frac{{\stackrel{\·}{e}}_z+a_{3010}{e}_z}{|{\stackrel{\·}{e}}_z+a_{3010}{e}_z|+b_{3010}}-k_{3010}{e}_{{\mathrm{\θ}}_x}-k_{3010}{\stackrel{\·}{e}}_{{\mathrm{\θ}}_x}-k_{3010}{e}_{{\mathrm{\θ}}_y}-k_{3010}{\stackrel{\·}{e}}_{{\mathrm{\θ}}_y}$

其中：F₃₀₁为第一音圈电机输出力，F₃₀₂为第二音圈电机输出，F₃₀₃为第三音圈电机输出力，F₃₀₄为第四音圈电机输出力，F₃₀₅为第五音圈电机输出力，F₃₀₆为第六音圈电机输出，F₃₀₇为第七音圈电机输出力，F₃₀₈为第八音圈电机输出力，F₃₀₉为第九音圈电机输出力，F₃₀₁₀为第十音圈电机输出力；

k_p301、k_p303、k_p305、k_p307、k_p308、k_p309、k_p3010、k_d301、k_d303、k_d305、k_d307、k_d308、k_d309、k_d3010、c₃₀₁、c₃₀₃、c₃₀₅、c₃₀₇、c₃₀₈、c₃₀₉、c₃₀₁₀、a₃₀₁、a₃₀₃、a₃₀₅、a₃₀₇、a₃₀₈、a₃₀₉、a₃₀₁₀、b₃₀₁、b₃₀₃、b₃₀₅、b₃₀₇、b₃₀₈、b₃₀₉、b₃₀₁₀、k₃₀₁、k₃₀₃、k₃₀₅、k₃₀₇、k₃₀₈、k₃₀₉、k₃₀₁₀为控制器比例系数；

e_y=y_d-y，y_d为微动台沿Y轴方向目标位置，y为激光尺反馈信号，

为e_y对时间的一阶导数；e_x=x_d-x，x_d为微动台沿X轴的目标位置，x为反馈信号，

为e_x对时间的一阶倒数；e_z=z_d-z，z_d为微动台沿Z轴的目标位置，z为反馈信号，

为e_z对时间的一阶倒数；

θ_xd为微动台绕X轴的目标位置，θ_x为反馈信号，

为对时间的一阶倒数；

θ_yd为微动台绕Y轴的目标位置，θ_y为反馈信号，

为对时间的一阶倒数；

θ_zd为微动台绕Z轴的目标转角，θ_z为反馈信号，

为

对时间的一阶倒数；

粗动台仅具有y方向的自由度，其控制***要保持粗动台与微动台在y方向的相对位置不变，设第一粗动台与微动台相对位置保持y_cd1不变，第二粗动台与微动台相对位置保持y_cd2不变。在两个粗动台的运动控制方法中，第一粗动台以第一音圈电机和第二音圈电机的输出力作为前馈，第三电涡流传感器信号为微动台与第一粗动台之间的位置偏差，以该偏差为反馈实现第一粗动台沿Y轴的运动；第二粗动台以第三音圈电机和第四音圈电机的输出力作为前馈，第四电涡流传感器信号为微动台与第二粗动台之间的位置偏差，以该偏差为反馈实现第二粗动台沿Y轴的运动，粗动台直线电机输出力按照以下公式计算：

$F_{1001}=F_{302}+F_{301}+k_{p1001}{e}_{y1001}+k_{d1001}{\stackrel{\·}{e}}_{y1001}+c_{1001}\·\frac{{\stackrel{\·}{e}}_{y1001}+a_{1001}{e}_{y1001}}{|{\stackrel{\·}{e}}_{y1001}+a_{1001}{e}_{y1001}|+b_{1001}}$

$F_{1002}=F_{304}+F_{303}+k_{p1002}{e}_{y1002}+k_{d1002}{\stackrel{\·}{e}}_{y1002}+c_{1002}\·\frac{{\stackrel{\·}{e}}_{y1002}+a_{1002}{e}_{y1002}}{|{\stackrel{\·}{e}}_{y1002}+a_{1002}{e}_{y1002}|+b_{1002}}$

其中：F₁₀₀₁为第一粗动台直线电机输出力、F₁₀₀₂为第二粗动台直线电机输出力；

k_p1001、k_p1002、k_d1001、k_d1002、c₁₀₀₁、c₁₀₀₂、a₁₀₀₁、a₁₀₀₂、b₁₀₀₁、b₁₀₀₂为控制器比例系数；

e_y1001=y_cd1-y_c1，y_cd1为第一粗动台与微动台目标相对位置，y_c1第三电涡流传感器反馈信号；

为e_y1001第三电涡流传感器信号对时间的导数；

e_y1002=y_cd2-y_c2，y_cd2为第二粗动台与微动台目标相对位置，y_c2第四电涡流传感器反馈信号；为e_y1002对时间的导数；

3）根据求解的每个驱动电机的输出力得到每个电机的控制指令，该控制指令由D/A卡进行数模转换后输入至驱动器，驱动器成比例地输出电流驱动相应电机，进而实现微动台以及粗动台的运动。

本发明具有以下优点及突出性的技术效果：本发明解决了目前粗精动叠层结构中有机械结构耦合作用引起的结构复杂、运动性能相互影响等问题，所设计的叠层定位装置结构简单，无接触消除了摩擦，同时本发明提供了六自由度结算方法，以及一种控制方法，具有较好的控制效果。

附图说明

图1为本发明定位装置结构原理示意图（轴测图）。

图2为本发明粗动台轴测图。

图3为本发明粗动台侧视图。

图4为本发明微动台结构示意图（轴测图）。

图5为本发明第一音圈电机剖视图。

图6为本发明第五音圈电机结构示意图（轴测图）。

图7为第五音圈电机剖视图。

图8为本发明第七音圈电机结构示意图（轴测图）。

图9为本发明第七音圈电机外磁环图。

图10为本发明第七音圈电机内磁环图。

图11为本发明第七音圈电机磁柱图。

图12为本发明音圈电机线圈位置示意图。

图13为本发明光栅尺示意图（轴测图）。

图14为本发明光栅尺主视图。

图15为本发明第一电涡流传感器-第四电涡流传感器位置示意图。

图16为本发明第五电涡流传感器-第七电涡流传感器位置示意图。

图17为本发明激光尺位置示意图。

图18为本发明激光尺测量示意图。

图19为本发明激光尺测量示意图。

图20为本发明控制原理流程图。

图中：

001-基架；

1001-第一粗动台，1002-第二粗动台

101-直线电机，102-支撑元件，103-导向元件，104-连接元件

200-微动台

201-第一音圈电机，202-第二音圈电机，203-第三音圈电机，204-第四音圈电机

211-第一线圈组件，212-第一永磁体组件，213-第二永磁体组件

2121-第一主永磁体，2142-第二主永磁体，2125第三主永磁体，2131-第四主永磁体，2133-第五主永磁体，2135-第六主永磁体，2122-第一附永磁体，2124-第二附永磁体，2132-第三附永磁体，2134-第四附永磁体，2142-第一铁轭

205-第五音圈电机，206-第六音圈电机

221-第二线圈组件，222-第三永磁体组件，223第四永磁体组件，2221-第七主永磁体，2222-第八主永磁体，2231-第九主永磁体，2232-第十主永磁体，2241-第三铁轭，2242-第四铁轭

207-第七音圈电机，208-第八音圈电机，209-第九音圈电机，2010第十音圈电机

231-第三线圈组件，232-外磁环，233-内磁环，234磁柱

401-第一电涡流传感器，402-第二电涡流传感器，403-第三电涡流传感器，404-第四电涡流传感器，405-第五电涡流传感器，406-第六电涡流传感器，407-第七电涡流传感器

300-光栅尺测量***

301-光栅尺，301-光栅尺安装架，302-光栅尺调整装置，303-光栅尺，304-读数头，305-光栅尺零点标记

900-激光尺，901-反射镜

具体实施方式

下面结合附图对本发明的原理、结构和工作过程来进一步说明本发明。

图1为本发明定位装置的结构示意图（轴测图）。本发明定位装置包括基架001、一个微动平台200、第一粗动台1001、第二粗动台1002，该两个粗动台对称布置在微动平台200两侧。

第一粗动台1001与第二粗动台1002结构相同，图2为第二粗动台1002结构轴测图，图3为第二粗动台1002侧视图。第二粗动1002包括一个直线电机101、一个连接元件104、一个气浮支撑元件102和一个气浮导向元件103。连接元件104与直线电机固接，气浮支撑元件102与直线电机固连，气浮导向元件103与气浮支撑元件102固连。

气浮支撑元件102的下表面与基架001的上表面正面相对，支撑元件102下表面有气孔，气孔轴线沿Z轴方向，气浮支撑元件102与基架001之间形成沿Z轴方向的气浮支撑，气浮支撑方式采用真空预载的方式；气浮导向元件103的侧面与基架001的侧面正面相对，气浮导向元件103的侧面有气孔，气孔的轴线沿X轴方向，气浮导向元件103与基架001之间形成气浮导向，导向方向沿Y轴方向，气浮方式为真空预载的方式。

图4为微动台200结构轴测图，微动台200由沿Y轴方向驱动的第一音圈电机201、第二音圈电机202、第三音圈电机203、第四音圈电机204实现沿Y轴方向的运动及绕Z轴的转动。由沿X轴方向驱动的第五音圈电机205、第六音圈电机206实现沿X轴的运动。由沿Z轴驱动的第七音圈电机207、第八音圈电机208、第九音圈电机209、第十音圈电机2010实现微动台200沿Z轴的运动和绕X轴、Y轴的转动。因此通过这十个音圈电机实现微动平台200的六自由度运动。

第一音圈电机201、第二音圈电机202、第三音圈电机203、第四音圈电机204结构相同，图5为第一音圈电机201结构剖视图。第一音圈电机201包括第一永磁体组件212、第二永磁体组件213、第一线圈组件211。第一线圈组件211位于第一永磁体组件212与第二永磁体组件213之间，并保留间隙。

如图12所示，第一音圈电机201与第二音圈电机202的线圈组件固定在第一粗动台1001上，第一音圈电机201与第二音圈电机202的永磁体组件固定在微动平台200上。第三音圈电机203与第四音圈电机204的线圈组件固定在第二粗动台1002上，第三音圈电机203与第四音圈电机204的永磁体组件固定在微动平台200上。当第一音圈电机201、第二音圈电机202、第三音圈电机203、第四音圈电机204沿Y轴方向驱动力相同时，实现微动平台200沿Y轴运动，当该四个音圈电机沿Y轴方向驱动力不相同时，实现微动平台200绕Z轴的转动。

如图4所示，第五音圈电机205与第六音圈电机206结构相同，且位于沿X轴的同一条直线上。图6为第五音圈电机220轴测图，图7为第五音圈电机220剖视图。如图12所示，第五音圈电机205的线圈组件固定在第一粗动台1001上，其永磁体组件固定在微动台200上，第六音圈电机206的线圈组件固定在第二粗动台1002上，其永磁体组件固定在微动台200上。线圈通电时，第五音圈电机205与第六音圈电机206驱动微动台200沿X轴方向运动。

第七音圈电机207、第八音圈电机208、第九音圈电机209、第十音圈电机2010的结构相同。图8为第七音圈电机207结构轴测图。第七音圈电机207包括外磁环232、内磁环233、圆柱线圈组件231、重力平衡磁柱234。

图9为第七音圈电机207中外磁环232主视图。图10为第七音圈电机207中内磁环233主视图。图11为第七音圈电机207中磁柱234主视图。外磁环232与内磁环233的轴线沿Z轴方向，外磁环232与内磁环233充磁方向相同，沿径向方向且由圆环外表面指向圆心。圆柱线圈231位于内磁环233与外磁环232之间，绕线轴线沿Z轴方向。磁柱234的轴线沿Z轴方向，充磁方向沿Z轴正方向。如图4所示，第七音圈电机207与第八音圈电机208的线圈组件固定于第一粗动台1001上，且位于同一条沿Y轴的直线上，第九音圈电机209与第十音圈电机2010的线圈组件固定于第二粗动台1002上，且位于同一条沿Y轴的直线上。该四个音圈电机的外磁环232、内磁环233和磁柱234固定在微动平台200上。圆柱线圈231通电时，通电线圈231与内磁环233、外磁环232之间产生洛仑兹力，当该四个音圈电机产生的沿Z轴洛仑兹力大小相同时，实现微动平台200沿Z轴方向运动，当该四个音圈电机产生的洛仑兹力大小不同时，实现微动平台200绕X轴转动与绕Y轴转动。线圈通电时，通电线圈231与磁柱234之间产生洛仑兹力，改变电流的大小使得产生的洛仑兹力与微动台200的重力相等，达到微动台200重力平衡的目的。

第一粗动台1001、第二粗动台1002、微动台200的位置测量方案如下：

光栅尺测量装置包括结构相同的第一光栅尺3001测量装置和第二光栅尺测量装置3002，图13为第一光栅尺测量装置3001轴测图，图14为第一光栅尺测量装置3001主视图。该两个光栅测量装置沿X轴方向对称布置在两个粗动台的两侧。每个光栅测量装置包括一个光栅尺303、一个光栅尺安装架301、一个读数头304和光栅尺调整装置302。光栅尺调整装置302固定于基架001上，光栅尺安装架301与光栅尺调整装置302固定连接，通过调整光栅尺调整架302使光栅尺安装架301的长边方向沿Y轴方向。光栅尺303粘贴固定于光栅尺安装架301表面上，光栅条纹沿Y轴方向。光栅读数头304与直线电机101连接，当直线电机101沿Y轴运动时，光栅尺测量装置用来检测第一粗动台1001与第二粗动台1002沿Y轴方向的位置。

如图15、图16所示，微动台200与第一粗动台1001、第二粗动台1002的相对位置测量***中包括七个电涡流传感器，每个电涡流传感器安装在第一粗动台1001、第二粗动台1002上，测量金属导体安装在微动台200上。第一电涡流传感器401、第二电涡流传感器402安装在第一粗动台1001上，并位于沿Y轴的一条直线上，测量微动台200与粗动台100之间沿x轴方向相对距离，第一电涡流传感器401与第二电涡流传感器402信号的差动可测量微动台200与两个粗动台之间绕Z轴的相对转角。第三电涡流传感器403、第四电涡流传感器404分别安装在第一粗动台1001与第二粗动台1002上，并位于一条沿X轴方向的直线上，分别测量微动台200相对于第一粗动台1001、第二粗动台1002沿Y轴方向的距离。第五电涡流传感器405、第六电涡流传感器406安装在第一粗动台1001上，并位于一条沿Y轴方向的直线上，第七电涡流传感器407安装在第二粗动台1002上，且与第五电涡流传感器405位于一条沿X轴的直线上。第五电涡流传感器405、第六电涡流传感器406、第七电涡流传感器407用于测量微动台200与第一粗动台1001、第二粗动台1002之间沿Z轴方向距离，第五电涡流传感器405与第六电涡流传感器406的差动测量微动台200绕X轴转角，第五电涡流传感器405、第七电涡流传感器407的差动测量微动台200绕Y轴的转角。

图17为激光测量装置示意图，激光尺900测量微动台200沿Y轴方向绝对位置。

两个粗动台以光栅尺测量装置为测量传感器，将整体定位装置移动到光栅尺零点标记305处，如图18所示，以此时微动台200的质心为坐标系并记录激光尺读数A。

微动台200六自由度位置计算如下：

Y轴方向位置：微动台200沿Y轴位置采用激光尺测量，如图19所示，当微动台由初始点运动到某一位置时，激光尺读数为B，则微动台200在全局坐标系下的沿Y轴方向位置为

y=B-A

X轴方向位置：微动台200沿X轴方向位置由第一电涡流传感器401、第二电涡流传感器402测得，第一电涡流传感器401信号为x₄₀₁，第二电涡流传感器402信号为x₄₀₂，微动台200沿X轴方向位置为：

X=(x₄₀₁+x₄₀₂)/2

Z轴方向位置：微动台200沿Z轴方向位置由第五电涡流传感器405、第六电涡流传感器406与第七电涡流传感器407测得，第五电涡流传感器405信号为x₄₀₅，第六电涡流传感器406信号为x₄₀₆，第七电涡流传感器407信号为x₄₀₇，即微动台200沿Z轴方向位置为：

Z=(x₄₀₅+x₄₀₆+x₄₀₇)/3

绕X轴转角：以逆时针为正，微动台200绕X轴转角由第五电涡流传感器405、第六电涡流传感器406测得，即：

θ_X=(x₄₀₆-x₄₀₅)/L₂

绕Y轴转角：以逆时针为正，微动台200绕Y轴转角由第五电涡流传感器405、第七电涡流传感器407测得，即：

θ_Y=(x₄₀₇-x₄₀₅)/L₃

绕Z轴转角：以逆时针为正，微动台200绕Z轴转角由第一电涡流传感器401、第二电涡流传感器402测得，即：

θ_Z=(x₄₀₂-x₄₀₁)/L₁

第一粗动台1001与微动台200之间沿Y轴相对位置由第三电涡流传感器403测得，即：

x_相1＝x₄₀₃

第二粗动台1002与微动台200之间沿Y轴相对位置由第四电涡流传感器404测得，即：

x_相2＝x₄₀₄

各粗动台与微动台200的控制框图如图所示。测量装置测量得到的信号通过A/D转化将数字量输入到计算机中，利用设计的控制方法处理这些数字信号，并将计算得到的数字量输出给D/A卡，经过D/A转化后的模拟量输入到各音圈电机和直线电机的驱动器中，驱动器根据这些模拟量值给各音圈电机的线圈输入电流，根据洛仑兹力法则各音圈电机和直线电机驱动微动台和各粗动台运动，微动台与各粗动台的位置由测量装置测量得到。

在微动台以及粗动台的运动控制中，采用了一种运动控制方法，该控制方法包括如下步骤：

1）在伺服周期开始，设定微动台的六自由度位移量，其中x_d为沿X轴的位移量，y_d为沿Y轴的位移量，z_d为沿Z轴的位移量，θ_xd为绕X轴的转角位移量，θ_yd为绕Y轴的转角位移量，θ_zd为绕Z轴的转角位移量；然后将计数卡采集的激光尺信号和A/D卡采集的电涡流传感器信号作为微动台控制环路的反馈信号，将A/D卡采集的电涡流传感器信号作为粗动台控制环路的反馈信号；

2）根据设定的微动台六自由度位移量以及反馈信号求解每个音圈电机相应出力，其中第一音圈电机、第二音圈电机、第三音圈电机和第四音圈电机控制微动台沿Y方向移动和绕Z轴旋转的自由度，第五音圈电机和第六音圈电机控制微动台沿X方向移动的自由度，第七音圈电机、第八音圈电机、第九音圈电机和第十音圈电机控制微动台沿Z方向移动、绕X轴旋转和绕Y轴旋转的自由度，电机输出力按以下公式计算：

$F_{301}=F_{302}=k_{p301}{e}_y+k_{d301}{\stackrel{\·}{e}}_y+c_{301}\·\frac{{\stackrel{\·}{e}}_y+a_{301}{e}_y}{|{\stackrel{\·}{e}}_y+e_y|+b_{301}}+k_{301}{e}_{{\mathrm{\θ}}_z}+k_{301}{\stackrel{\·}{e}}_{{\mathrm{\θ}}_z}$

$F_{303}=F_{304}=k_{p303}{e}_y+k_{d303}{\stackrel{\·}{e}}_y+c_{303}\·\frac{{\stackrel{\·}{e}}_y+a_{303}{e}_y}{|{\stackrel{\·}{e}}_y+e_y|+b_{303}}-k_{303}{e}_{{\mathrm{\θ}}_z}-k_{303}{\stackrel{\·}{e}}_{{\mathrm{\θ}}_z}$

$F_{305}=F_{306}=k_{p305}{e}_x+k_{d305}{\stackrel{\·}{e}}_x+c_{305}\·\frac{{\stackrel{\·}{e}}_x+a_{305}{e}_x}{|{\stackrel{\·}{e}}_x+{a_{305}e}_x|+b_{305}}$

$F_{307}=k_{p307}{e}_z+k_{d307}{\stackrel{\·}{e}}_y+c_{307}\·\frac{{\stackrel{\·}{e}}_z+a_{307}{e}_z}{|{\stackrel{\·}{e}}_z+a_{307}{e}_y|+b_{307}}+k_{307}{e}_{{\mathrm{\θ}}_x}+k_{307}{\stackrel{\·}{e}}_{{\mathrm{\θ}}_x}+k_{307}{e}_{{\mathrm{\θ}}_y}+k_{307}{\stackrel{\·}{e}}_{{\mathrm{\θ}}_y}$

$F_{308}=k_{p308}{e}_z+k_{d308}{\stackrel{\·}{e}}_z+c_{308}\·\frac{{\stackrel{\·}{e}}_z+a_{308}{e}_z}{|{\stackrel{\·}{e}}_z+a_{308}{e}_z|+b_{308}}+k_{308}{e}_{{\mathrm{\θ}}_x}+k_{308}{\stackrel{\·}{e}}_{{\mathrm{\θ}}_x}-k_{308}{e}_{{\mathrm{\θ}}_y}-k_{308}{\stackrel{\·}{e}}_{{\mathrm{\θ}}_y}$

$F_{309}=k_{p309}{e}_z+k_{d309}{\stackrel{\·}{e}}_z+c_{309}\·\frac{{\stackrel{\·}{e}}_z+a_{309}{e}_z}{|{\stackrel{\·}{e}}_z+a_{309}{e}_z|+b_{309}}-k_{309}{e}_{{\mathrm{\θ}}_x}-k_{309}{\stackrel{\·}{e}}_{{\mathrm{\θ}}_x}+k_{309}{e}_{{\mathrm{\θ}}_y}+k_{309}{\stackrel{\·}{e}}_{{\mathrm{\θ}}_y}$

$F_{3010}=k_{p3010}{e}_z+k_{d3010}{\stackrel{\·}{e}}_z+c_{3010}\·\frac{{\stackrel{\·}{e}}_z+a_{3010}{e}_z}{|{\stackrel{\·}{e}}_z+a_{3010}{e}_z|+b_{3010}}-k_{3010}{e}_{{\mathrm{\θ}}_x}-k_{3010}{\stackrel{\·}{e}}_{{\mathrm{\θ}}_x}-k_{3010}{e}_{{\mathrm{\θ}}_y}-k_{3010}{\stackrel{\·}{e}}_{{\mathrm{\θ}}_y}$

其中：F₃₀₁为第一音圈电机输出力，F₃₀₂为第二音圈电机输出，F₃₀₃为第三音圈电机输出力，F₃₀₄为第四音圈电机输出力，F₃₀₅为第五音圈电机输出力，F₃₀₆为第六音圈电机输出，F₃₀₇为第七音圈电机输出力，F₃₀₈为第八音圈电机输出力，F₃₀₉为第九音圈电机输出力，F₃₀₁₀为第十音圈电机输出力；

k_p301、k_p303、k_p305、k_p307、k_p308、k_p309、k_p3010、k_d301、k_d303、k_d305、k_d307、k_d308、k_d309、k_d3010、c₃₀₁、c₃₀₃、c₃₀₅、c₃₀₇、c₃₀₈、c₃₀₉、c₃₀₁₀、a₃₀₁、a₃₀₃、a₃₀₅、a₃₀₇、a₃₀₈、a₃₀₉、a₃₀₁₀、b₃₀₁、b₃₀₃、b₃₀₅、b₃₀₇、b₃₀₈、b₃₀₉、b₃₀₁₀、k₃₀₁、k₃₀₃、k₃₀₅、k₃₀₇、k₃₀₈、k₃₀₉、k₃₀₁₀为控制器比例系数；

e_y=y_d-y，y_d为微动台沿Y轴方向目标位置，y为激光尺反馈信号，为e_y对时间的一阶导数；e_x=x_d-x，x_d为微动台沿X轴的目标位置，x为反馈信号，

为e_x对时间的一阶倒数；e_z=z_d-z，z_d为微动台沿Z轴的目标位置，z为反馈信号，

为e_z对时间的一阶倒数；

θ_xd为微动台绕X轴的目标位置，θ_x为反馈信号，

为

对时间的一阶倒数；

θ_yd为微动台绕Y轴的目标位置，θ_y为反馈信号，

为

对时间的一阶倒数；

θ_zd为微动台绕Z轴的目标转角，θ_z为反馈信号，

为

对时间的一阶倒数；

粗动台仅具有y方向的自由度，其控制***要保持粗动台与微动台在y方向的相对位置不变，设第一粗动台与微动台相对位置保持y_cd1不变，第二粗动台与微动台相对位置保持y_cd2不变。在两个粗动台的运动控制方法中，第一粗动台以第一音圈电机和第二音圈电机的输出力作为前馈，第三电涡流传感器信号为微动台与第一粗动台之间的位置偏差，以该偏差为反馈实现第一粗动台沿Y轴的运动；第二粗动台以第三音圈电机和第四音圈电机的输出力作为前馈，第四电涡流传感器信号为微动台与第二粗动台之间的位置偏差，以该偏差为反馈实现第二粗动台沿Y轴的运动，粗动台直线电机输出力按照以下公式计算：

$F_{1001}=F_{302}+F_{301}+k_{p1001}{e}_{y1001}+k_{d1001}{\stackrel{\·}{e}}_{y1001}+c_{1001}\·\frac{{\stackrel{\·}{e}}_{y1001}+a_{1001}{e}_{y1001}}{|{\stackrel{\·}{e}}_{y1001}+a_{1001}{e}_{y1001}|+b_{1001}}$

$F_{1002}=F_{304}+F_{303}+k_{p1002}{e}_{y1002}+k_{d1002}{\stackrel{\·}{e}}_{y1002}+c_{1002}\·\frac{{\stackrel{\·}{e}}_{y1002}+a_{1002}{e}_{y1002}}{|{\stackrel{\·}{e}}_{y1002}+a_{1002}{e}_{y1002}|+b_{1002}}$

其中：F₁₀₀₁为第一粗动台直线电机输出力、F₁₀₀₂为第二粗动台直线电机输出力；

k_p1001、k_p1002、k_d1001、k_d1002、c₁₀₀₁、c₁₀₀₂、a₁₀₀₁、a₁₀₀₂、b₁₀₀₁、b₁₀₀₂为控制器比例系数；

e_y1001=y_cd1-y_c1，y_cd1为第一粗动台与微动台目标相对位置，y_c1第三电涡流传感器反馈信号；为e_y1001第三电涡流传感器信号对时间的导数；

e_y1002=y_cd2-y_c2，y_cd2为第二粗动台与微动台目标相对位置，y_c2第四电涡流传感器反馈信号；

为e_y1002对时间的导数；

3）根据求解的每个驱动电机的输出力得到每个电机的控制指令，该控制指令由D/A卡进行数模转换后输入至驱动器，驱动器成比例地输出电流驱动相应电机，进而实现微动台以及粗动台的运动。

Claims (2)

1.一种无接触式粗精动叠层定位***，其特征在于：该控制***包括定位装置、位置测量装置、驱动装置和控制单元；

所述的定位装置包括基架、一个微动台和两个对称布置在微动台两侧的粗动台，两个粗动台之间、粗动台与微动台之间无机械连接；

所述的位置测量装置包括：

1）一个激光尺，用于测量微动台质心沿Y轴的绝对位置；

2）两个光栅测量装置，每个光栅测量装置包括一个光栅尺和一个读数头，用于测量粗动台沿Y轴方向的位移；

3）七个电涡流传感器，其中：

第一电涡流传感器和第二电涡流传感器安装在第一粗动台上，布置于一条沿Y轴的直线上，用于测量微动台沿X轴与粗动台的相对位置，第一和第二电涡流传感器测量值的差动作为微动台绕Z轴的转角；

第三电涡流传感器安装在第一粗动台上，测量第一粗动台与微动台之间沿Y轴方向的相对位置；第四电涡流传感器安装在第二粗动台上，测量第二粗动台与微动台之间沿Y轴方向的相对位置；

第五电涡流传感器和第六电涡流传感器安装在第一粗动台上，且位于一条沿Y轴的直线上，第七电涡流传感器安装在第二粗动台上，且与第五电涡流传感器位于一条沿X轴的直线上；该三个电涡流传感器用于测量微动台沿Z轴的绝对位置，第五电涡流传感器和第六电涡流传感器测量值的差动作为微动台绕X轴的转角，第五电涡流传感器和第七电涡流传感器测量值的差动作为微动台绕Y轴的转角；

所述驱动装置包括：

1）十个音圈电机

微动台包括四个沿Y轴方向驱动的音圈电机、两个沿X轴方向驱动的音圈电机和四个沿Z轴方向驱动的音圈电机；第一音圈电机、第二音圈电机、第五音圈电机的线圈组件固定在第一粗动台上，永磁体组件固定在微动台上，第三音圈电机、第四音圈电机、第六音圈电机的线圈组件固定在第二粗动台上，永磁体组件固定在微动台上；

第七音圈电机、第八音圈电机、第九音圈电机、第十音圈电机结构相同，包括外磁环、内磁环、圆柱线圈组件、重力平衡磁柱；外磁环与内磁环的轴线沿Z轴方向，外磁环与内磁环充磁方向相同，沿径向方向且由圆环外表面指向圆心；圆柱线圈位于内磁环与外磁环之间，绕线轴线沿Z轴方向；磁柱的轴线沿Z轴方向，充磁方向沿Z轴正方向；第七音圈电机、第八音圈电机的圆柱线圈组件固定在第一粗动台上，第九音圈电机、第十音圈电机的圆柱线圈组件固定在第二粗动台上；

2）两个直线电机

两个直线电机分别用于驱动第一粗动台和第二粗动台；

所述控制单元包括含有控制程序的工控机、计数卡、A/D卡、D/A卡和驱动器，计数卡采集光栅尺和激光尺的增量信号，A/D卡采集电涡流传感器的信号，计数卡和A/D卡将采集到的信号输入至工控机，工控机以所述信号作为位置反馈信号对微动台以及粗动台进行控制，控制指令通过D/A卡输出至驱动器，驱动力输出电流给电机，实现微动台以及粗动台的运动。

2.一种如权利要求1所述的无接触式粗精动叠层定位***的运动控制方法，其特征在于所述控制方法包括如下步骤：

1）在伺服周期开始，设定微动台的六自由度位移量，其中x_d为沿X轴的位移量，y_d为沿Y轴的位移量，z_d为沿Z轴的位移量，θ_xd为绕X轴的转角位移量，θ_yd为绕Y轴的转角位移量，θ_zd为绕Z轴的转角位移量；然后将计数卡采集的激光尺信号和A/D卡采集的电涡流传感器信号作为微动台控制环路的反馈信号，将A/D卡采集的电涡流传感器信号作为粗动台控制环路的反馈信号；

2）根据设定的微动台六自由度位移量以及反馈信号求解每个音圈电机相应出力，其中第一音圈电机、第二音圈电机、第三音圈电机和第四音圈电机控制微动台沿Y方向移动和绕Z轴旋转的自由度，第五音圈电机和第六音圈电机控制微动台沿X方向移动的自由度，第七音圈电机、第八音圈电机、第九音圈电机和第十音圈电机控制微动台沿Z方向移动、绕X轴旋转和绕Y轴旋转的自由度，电机输出力按以下公式计算：

$F_{301}=F_{302}=k_{p301}{e}_y+k_{d301}{\stackrel{\·}{e}}_y+c_{301}\·\frac{{\stackrel{\·}{e}}_y+a_{301}{e}_y}{|{\stackrel{\·}{e}}_y+e_y|+b_{301}}+k_{301}{e}_{{\mathrm{\θ}}_z}+k_{301}{\stackrel{\·}{e}}_{{\mathrm{\θ}}_z}$

$F_{303}=F_{304}=k_{p303}{e}_y+k_{d303}{\stackrel{\·}{e}}_y+c_{303}\·\frac{{\stackrel{\·}{e}}_y+a_{303}{e}_y}{|{\stackrel{\·}{e}}_y+e_y|+b_{303}}-k_{303}{e}_{{\mathrm{\θ}}_z}-k_{303}{\stackrel{\·}{e}}_{{\mathrm{\θ}}_z}$

$F_{305}=F_{306}=k_{p305}{e}_x+k_{d305}{\stackrel{\·}{e}}_x+c_{305}\·\frac{{\stackrel{\·}{e}}_x+a_{305}{e}_x}{|{\stackrel{\·}{e}}_x+{a_{305}e}_x|+b_{305}}$

$F_{307}=k_{p307}{e}_z+k_{d307}{\stackrel{\·}{e}}_y+c_{307}\·\frac{{\stackrel{\·}{e}}_z+a_{307}{e}_z}{|{\stackrel{\·}{e}}_z+a_{307}{e}_y|+b_{307}}+k_{307}{e}_{{\mathrm{\θ}}_x}+k_{307}{\stackrel{\·}{e}}_{{\mathrm{\θ}}_x}+k_{307}{e}_{{\mathrm{\θ}}_y}+k_{307}{\stackrel{\·}{e}}_{{\mathrm{\θ}}_y}$

$F_{308}=k_{p308}{e}_z+k_{d308}{\stackrel{\·}{e}}_z+c_{308}\·\frac{{\stackrel{\·}{e}}_z+a_{308}{e}_z}{|{\stackrel{\·}{e}}_z+a_{308}{e}_z|+b_{308}}+k_{308}{e}_{{\mathrm{\θ}}_x}+k_{308}{\stackrel{\·}{e}}_{{\mathrm{\θ}}_x}-k_{308}{e}_{{\mathrm{\θ}}_y}-k_{308}{\stackrel{\·}{e}}_{{\mathrm{\θ}}_y}$

$F_{309}=k_{p309}{e}_z+k_{d309}{\stackrel{\·}{e}}_z+c_{309}\·\frac{{\stackrel{\·}{e}}_z+a_{309}{e}_z}{|{\stackrel{\·}{e}}_z+a_{309}{e}_z|+b_{309}}-k_{309}{e}_{{\mathrm{\θ}}_x}-k_{309}{\stackrel{\·}{e}}_{{\mathrm{\θ}}_x}+k_{309}{e}_{{\mathrm{\θ}}_y}+k_{309}{\stackrel{\·}{e}}_{{\mathrm{\θ}}_y}$

$F_{3010}=k_{p3010}{e}_z+k_{d3010}{\stackrel{\·}{e}}_z+c_{3010}\·\frac{{\stackrel{\·}{e}}_z+a_{3010}{e}_z}{|{\stackrel{\·}{e}}_z+a_{3010}{e}_z|+b_{3010}}-k_{3010}{e}_{{\mathrm{\θ}}_x}-k_{3010}{\stackrel{\·}{e}}_{{\mathrm{\θ}}_x}-k_{3010}{e}_{{\mathrm{\θ}}_y}-k_{3010}{\stackrel{\·}{e}}_{{\mathrm{\θ}}_y}$

其中：F₃₀₁为第一音圈电机输出力，F₃₀₂为第二音圈电机输出，F₃₀₃为第三音圈电机输出力，F₃₀₄为第四音圈电机输出力，F₃₀₅为第五音圈电机输出力，F₃₀₆为第六音圈电机输出，F₃₀₇为第七音圈电机输出力，F₃₀₈为第八音圈电机输出力，F₃₀₉为第九音圈电机输出力，F₃₀₁₀为第十音圈电机输出力；

k_p301、k_p303、k_p305、k_p307、k_p308、k_p309、k_p3010、k_d301、k_d303、k_d305、k_d307、k_d308、k_d309、k_d3010、c₃₀₁、c₃₀₃、c₃₀₅、c₃₀₇、c₃₀₈、c₃₀₉、c₃₀₁₀、a₃₀₁、a₃₀₃、a₃₀₅、a₃₀₇、a₃₀₈、a₃₀₉、a₃₀₁₀、b₃₀₁、b₃₀₃、b₃₀₅、b₃₀₇、b₃₀₈、b₃₀₉、b₃₀₁₀、k₃₀₁、k₃₀₃、k₃₀₅、k₃₀₇、k₃₀₈、k₃₀₉、k₃₀₁₀为控制器比例系数；

e_y=y_d-y，y_d为微动台沿Y轴方向目标位置，y为激光尺反馈信号，

为e_y对时间的一阶导数；e_x=x_d-x，x_d为微动台沿X轴的目标位置，x为反馈信号，

为e_x对时间的一阶倒数；e_z=z_d-z，z_d为微动台沿Z轴的目标位置，z为反馈信号，为e_z对时间的一阶倒数；θ_xd为微动台绕X轴的目标位置，θ_x为反馈信号，

为

对时间的一阶倒数；

θ_yd为微动台绕Y轴的目标位置，θ_y为反馈信号，

为

对时间的一阶倒数；

θ_zd为微动台绕Z轴的目标转角，θ_z为反馈信号，

为

对时间的一阶倒数；

粗动台仅具有y方向的自由度，其控制***要保持粗动台与微动台在y方向的相对位置不变，设第一粗动台与微动台相对位置保持y_cd1不变，第二粗动台与微动台相对位置保持y_cd2不变。在两个粗动台的运动控制方法中，第一粗动台以第一音圈电机和第二音圈电机的输出力作为前馈，第三电涡流传感器信号为微动台与第一粗动台之间的位置偏差，以该偏差为反馈实现第一粗动台沿Y轴的运动；第二粗动台以第三音圈电机和第四音圈电机的输出力作为前馈，第四电涡流传感器信号为微动台与第二粗动台之间的位置偏差，以该偏差为反馈实现第二粗动台沿Y轴的运动，粗动台直线电机输出力按照以下公式计算：

$F_{1001}=F_{302}+F_{301}+k_{p1001}{e}_{y1001}+k_{d1001}{\stackrel{\·}{e}}_{y1001}+c_{1001}\·\frac{{\stackrel{\·}{e}}_{y1001}+a_{1001}{e}_{y1001}}{|{\stackrel{\·}{e}}_{y1001}+a_{1001}{e}_{y1001}|+b_{1001}}$

$F_{1002}=F_{304}+F_{303}+k_{p1002}{e}_{y1002}+k_{d1002}{\stackrel{\·}{e}}_{y1002}+c_{1002}\·\frac{{\stackrel{\·}{e}}_{y1002}+a_{1002}{e}_{y1002}}{|{\stackrel{\·}{e}}_{y1002}+a_{1002}{e}_{y1002}|+b_{1002}}$

其中：F₁₀₀₁为第一粗动台直线电机输出力、F₁₀₀₂为第二粗动台直线电机输出力；k_p1001、k_p1002、k_d1001、k_d1002、c₁₀₀₁、c₁₀₀₂、a₁₀₀₁、a₁₀₀₂、b₁₀₀₁、b₁₀₀₂为控制器比例系数；e_y1001=y_cd1-y_c1，y_cd1为第一粗动台与微动台目标相对位置，y_c1第三电涡流传感器反馈信号；

为e_y1001第三电涡流传感器信号对时间的导数；

e_y1002=y_cd2-y_c2，y_cd2为第二粗动台与微动台目标相对位置，y_c2第四电涡流传感器反馈信号；

为e_y1002对时间的导数；

3）根据求解的每个驱动电机的输出力得到每个电机的控制指令，该控制指令由D/A卡进行数模转换后输入至驱动器，驱动器成比例地输出电流驱动相应电机，进而实现微动台以及粗动台的运动。

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