激光直寫技術(shù)是一種近年來應(yīng)用廣泛的超精密加工技術(shù)。該技術(shù)是一種利用強(qiáng)度可變的激光束，在基片表面實施有規(guī)則的高精度掃描。在掃描過程中，光刻基片隨載物平臺而運動。因此影響光刻元件的質(zhì)量取決于載物平臺的定位精度以及運動的穩(wěn)定性，影響光刻元件的快速性取決于系統(tǒng)的響應(yīng)度。

基于數(shù)字式伺服的運動控制器是超精密定位系統(tǒng)的關(guān)鍵。由于數(shù)字伺服濾波器是數(shù)字式伺服的運動控制器的核心，從而數(shù)字伺服濾波器的設(shè)計將影響系統(tǒng)的定位精度。

數(shù)字伺服濾波器是指系統(tǒng)的閉環(huán)控制與調(diào)節(jié)采用數(shù)字技術(shù)，所有控制調(diào)節(jié)實現(xiàn)軟件化。調(diào)節(jié)器的全部軟件化使控制理論中很多控制思想和手段得以應(yīng)用。同時利用軟件很容易完成參數(shù)的自由化和故障的自診斷功能，使系統(tǒng)控制性能大大提高，從而克服了模擬型閉環(huán)伺服系統(tǒng)對微弱信號的信噪難分離、控制精度難提高、容易受機(jī)械摩擦和溫度影響，位置環(huán)控制產(chǎn)生零點漂移誤差等缺點。

1 伺服控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及分析

1．1 伺服控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

整個伺服控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。上級裝置由DSP處理器和D／A轉(zhuǎn)換模塊組成，伺服單元由安川伺服驅(qū)動器組成。整個系統(tǒng)是一個閉環(huán)伺服電機(jī)控制系統(tǒng)。DSP處理器產(chǎn)生梯形運動曲線的數(shù)字脈沖信號，通過設(shè)計的數(shù)字濾波器，直接驅(qū)動D／A轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生模擬電壓，經(jīng)過伺服單元驅(qū)動伺服電機(jī)。實際運動中的位置和速度信號由電機(jī)反饋給光編碼器，并由光電編碼器產(chǎn)生數(shù)字信號，然后傳輸給DSP進(jìn)行采集處理。



1．2 系統(tǒng)分析

該方案的關(guān)鍵是解決電機(jī)軸與負(fù)載之間的粘性摩擦和外界對電機(jī)及變換器的干擾等問題。由于摩擦環(huán)和外界干擾的存在，系統(tǒng)的動態(tài)及靜態(tài)性能受到很大程度的影響，主要表現(xiàn)為低速時出現(xiàn)爬行現(xiàn)象，穩(wěn)態(tài)時有較大的靜差或出現(xiàn)極限環(huán)振蕩。為了滿足激光直寫的要求，系統(tǒng)還必須具有響應(yīng)速度快、定位時間短，穩(wěn)態(tài)精度高等特點。若啟動速度過慢或過沖，停止時間過長，系統(tǒng)則具有很強(qiáng)的振蕩，且噪聲大。

2 數(shù)字濾波器的設(shè)計

2．1 數(shù)字伺服濾波器模型設(shè)計

通過大量實驗，對系統(tǒng)進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)：對位置偏差控制采用PID控制方法可以提高精度和階躍響應(yīng)；加入速度和加速度前饋補(bǔ)償控制方法可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度；加入摩擦補(bǔ)償可以克服摩擦力的影響。因此，此方案沒計是一種既利用位置誤差進(jìn)行閉環(huán)控制，又利用給定位置信號進(jìn)行開環(huán)的復(fù)合控制系統(tǒng)。

則系統(tǒng)控制輸出U(t)=Up(t)+Uva(t)+Uf(t)，其中Up(t)為PID控制器，Uva(t)為速度和加速度補(bǔ)償控制器，Uf(t)為摩擦補(bǔ)償控制器。

位置式PID控制中，其傳遞函數(shù)為：



實驗設(shè)計的速度和加速度前饋補(bǔ)償分部時，采用最高階次2，模型簡化為：



在Stribeck摩擦模型中，由于摩擦力和速度的關(guān)系，其處加干擾控制表示為：



其中Fc和bc顯粘性摩擦模型等效到位置球的估計系數(shù)，該系數(shù)根據(jù)實際情況確定。

將式（1）和式（3）做Z變換后，于是得到帶前饋補(bǔ)償?shù)腜ID控制算式為：



PID伺服濾波器控制規(guī)律如圖2所示。



圖2中Kp為比例增益，Ki為積分增益，Kd為微分增益，Kvff為速度前饋增益，Kaff為加速前饋增益，Kf為粘性摩擦系數(shù)，En為位置偏差，Vt為t時刻速度，At為t時刻的加速度，輸出的B靜態(tài)誤差主要用于補(bǔ)償控制軸受重力的影響。對濾波器輸出對應(yīng)的模擬量，由輸出的飽和控制器進(jìn)行限制。

2．2 參數(shù)調(diào)節(jié)

在位置PID調(diào)節(jié)器中比例增益Kp的大小決定系統(tǒng)的快速性，積分增益Ki的作用是消除系統(tǒng)的靜態(tài)誤差。微分增益Kd的作用是增加阻尼，減少振蕩。調(diào)節(jié)過程是先調(diào)節(jié)Kp，再調(diào)節(jié)Ki，然后調(diào)節(jié)Kd。第1次設(shè)定Ki增益時，如果把Ki設(shè)定為一非O值將引起突然的“跳躍”。為避免這種情況，需要把積分限(積分部分的飽和控制器)設(shè)置為0，Ki設(shè)定為期望值，再設(shè)置積分限到期望的積分限。這樣就清除了所有以前的積分值，從而使積分從前一個點開始平穩(wěn)運算。接著調(diào)節(jié)Kvff，Kaff，從而提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度。最后調(diào)節(jié)Kf，從而克服摩擦力的影響。

在啟動階段調(diào)節(jié)Kvff，Kaff過大會使速度過快而導(dǎo)致位置過沖。在減速階段調(diào)節(jié)Kvff，Kaff過小，會使定位時間過長。根據(jù)最優(yōu)控制思想，如果系統(tǒng)按照最大加速度啟動，最大速度運動，最大減速度制動，就可以以最短時間無超調(diào)地達(dá)到協(xié)調(diào)點。因此，參數(shù)調(diào)節(jié)時應(yīng)按照啟動，勻速，減速3個階段分別設(shè)置。

3 MATLAB設(shè)計與仿真

3．1 仿真模塊設(shè)計

根據(jù)設(shè)計原理，圖l中的偏差計數(shù)模塊就等效為帶前饋補(bǔ)償?shù)腜ID控制器，并設(shè)計成圖2中所對應(yīng)的部分，并且將D／A轉(zhuǎn)換器等效設(shè)計成離散的數(shù)據(jù)通過零階保持器；將安川伺服驅(qū)動器等效速度環(huán)和電流環(huán)；輸出的信號采用仿真示波器進(jìn)行觀察。因此整個伺服三環(huán)PID仿真原理如圖3所示。



其中，rin(k)為采樣K時刻的位置輸入信號，為了能模擬實際的效果，將輸入的rin(k)設(shè)置為不規(guī)則的位置信號，此時輸入指令為正弦疊加信號；drin(k)為采樣K時刻的速度輸入信號；ddrin(k)為采樣K時刻的加速度輸入信號，并且drin(k+1)=(rin(k+1)-rin(k))／ts，ddrin(k+1)=(drin(k+1)-drin(k))／ts。

3．2 仿真波形

對于高精度的激光直寫，衡量其性能主要取決于速度的穩(wěn)定、響應(yīng)度和位置的精確。因此在圖3的仿真中，要根據(jù)實際情況，多次調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)參數(shù)，并經(jīng)過分析和對比，從中得到一幅速度穩(wěn)定、位置精確的跟蹤圖，其仿真波形如圖4所示。



圖4(a)為速度跟蹤結(jié)果，設(shè)置的速度和實際的速度重合，速度穩(wěn)定，穩(wěn)定控制在0．1％內(nèi)。在0時刻附近出現(xiàn)了速度突然的“跳躍”，是由于沒有調(diào)節(jié)積分限。因此在實際情況中應(yīng)先把積分限(飽和控制器)設(shè)置為O，Ki設(shè)定為期望值，再設(shè)置積分限到期望的積分限。

圖4(b)為位置跟蹤結(jié)果，輸出的實際位置和設(shè)置的目標(biāo)位置重合。位置定位精確高，精度控制在0．1％內(nèi)。

仿真結(jié)果表明在帶有摩擦條件下，位置跟蹤沒有存在“平頂”現(xiàn)象，速度跟蹤沒有存在“死區(qū)”現(xiàn)象。位置跟蹤定位精度高，速度跟蹤穩(wěn)態(tài)精度高。#p#分頁標(biāo)題#e#

4 軟件實現(xiàn)

伺服單元模塊由伺服驅(qū)動器設(shè)計，其參數(shù)調(diào)節(jié)可以在伺服驅(qū)動器中設(shè)置，詳細(xì)參考驅(qū)動器用戶手冊。PID數(shù)字濾波器+前饋復(fù)合控制系統(tǒng)由DSP2812實現(xiàn)。操作流程為：先將PID復(fù)合仿真模塊的MATLAB語言生成CCS中的C語言，然后移植到CCS軟件中，并根據(jù)PID控制算式原理結(jié)合軟件設(shè)計流程進(jìn)行修改。

5 結(jié)論

介紹了伺服控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，針對系統(tǒng)中存在的摩擦環(huán)節(jié)和實際要求進(jìn)行分析，然后結(jié)合根據(jù)控制原理，設(shè)計了伺服PID數(shù)字濾波器。通過MATLAB仿真驗證該數(shù)字濾波器速度穩(wěn)定；位置跟蹤誤差收斂于零。并從中得到了關(guān)于調(diào)節(jié)控制參數(shù)的經(jīng)驗。最終的實際結(jié)果表明，整個系統(tǒng)輸入與輸出時差小于100 Ls；無噪音無振蕩；定位精度誤差控制±1μm范圍內(nèi)。