高精度激光直寫數(shù)字伺服濾波器的設(shè)計(jì)

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(shí)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(tái)而運(yùn)動(dòng)。因此影響光刻元件的質(zhì)量取決于載物平臺(tái)的定位精度以及運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)控制器的核心，從而數(shù)字伺服濾波器的設(shè)計(jì)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(shí)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(shí)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(hào)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(diǎn)漂移誤差等缺點(diǎn)。

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(gè)伺服控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。上級(jí)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(dòng)器組成。整個(gè)系統(tǒng)是一個(gè)閉環(huán)伺服電機(jī)控制系統(tǒng)。DSP處理器產(chǎn)生梯形運(yùn)動(dòng)曲線的數(shù)字脈沖信號(hào)，通過設(shè)計(jì)的數(shù)字濾波器，直接驅(qū)動(dòng)D／A轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生模擬電壓，經(jīng)過伺服單元驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)。實(shí)際運(yùn)動(dòng)中的位置和速度信號(hào)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(hào)，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(dòng)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(shí)出現(xiàn)爬行現(xiàn)象，穩(wěn)態(tài)時(shí)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(shí)間短，穩(wěn)態(tài)精度高等特點(diǎn)。若啟動(dòng)速度過慢或過沖，停止時(shí)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(jì)
2．1 數(shù)字伺服濾波器模型設(shè)計(jì)
通過大量實(shí)驗(yàn)，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(jì)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(hào)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。

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(shí)刻速度，At為t時(shí)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。