高精度激光直寫(xiě)數字伺服濾波器的設計

激光直寫(xiě)技術(shù)是一種近年來(lái)應用廣泛的超精密加工技術(shù)。該技術(shù)是一種利用強度可變的激光束，在基片表面實(shí)施有規則的高精度掃描。在掃描過(guò)程中，光刻基片隨載物平臺而運動(dòng)。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(dòng)的穩定性，影響光刻元件的快速性取決于系統的響應度。
基于數字式伺服的運動(dòng)控制器是超精密定位系統的關(guān)鍵。由于數字伺服濾波器是數字式伺服的運動(dòng)控制器的核心，從而數字伺服濾波器的設計將影響系統的定位精度。
數字伺服濾波器是指系統的閉環(huán)控制與調節采用數字技術(shù)，所有控制調節實(shí)現軟件化。調節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用。同時(shí)利用軟件很容易完成參數的自由化和故障的自診斷功能，使系統控制性能大大提高，從而克服了模擬型閉環(huán)伺服系統對微弱信號的信噪難分離、控制精度難提高、容易受機械摩擦和溫度影響，位置環(huán)控制產(chǎn)生零點(diǎn)漂移誤差等缺點(diǎn)。

1 伺服控制系統結構及分析
1．1 伺服控制系統結構
整個(gè)伺服控制系統的硬件結構如圖1所示。上級裝置由DSP處理器和D／A轉換模塊組成，伺服單元由安川伺服驅動(dòng)器組成。整個(gè)系統是一個(gè)閉環(huán)伺服電機控制系統。DSP處理器產(chǎn)生梯形運動(dòng)曲線(xiàn)的數字脈沖信號，通過(guò)設計的數字濾波器，直接驅動(dòng)D／A轉換器產(chǎn)生模擬電壓，經(jīng)過(guò)伺服單元驅動(dòng)伺服電機。實(shí)際運動(dòng)中的位置和速度信號由電機反饋給光編碼器，并由光電編碼器產(chǎn)生數字信號，然后傳輸給DSP進(jìn)行采集處理。

1．2 系統分析
該方案的關(guān)鍵是解決電機軸與負載之間的粘性摩擦和外界對電機及變換器的干擾等問(wèn)題。由于摩擦環(huán)和外界干擾的存在，系統的動(dòng)態(tài)及靜態(tài)性能受到很大程度的影響，主要表現為低速時(shí)出現爬行現象，穩態(tài)時(shí)有較大的靜差或出現極限環(huán)振蕩。為了滿(mǎn)足激光直寫(xiě)的要求，系統還必須具有響應速度快、定位時(shí)間短，穩態(tài)精度高等特點(diǎn)。若啟動(dòng)速度過(guò)慢或過(guò)沖，停止時(shí)間過(guò)長(cháng)，系統則具有很強的振蕩，且噪聲大。

2 數字濾波器的設計
2．1 數字伺服濾波器模型設計
通過(guò)大量實(shí)驗，對系統進(jìn)行分析后發(fā)現：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；加入速度和加速度前饋補償控制方法可以提高系統的穩態(tài)精度；加入摩擦補償可以克服摩擦力的影響。因此，此方案沒(méi)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(kāi)環(huán)的復合控制系統。
則系統控制輸出U(t)=Up(t)+Uva(t)+Uf(t)，其中Up(t)為PID控制器，Uva(t)為速度和加速度補償控制器，Uf(t)為摩擦補償控制器。

PID伺服濾波器控制規律如圖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，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)誤差主要用于補償控制軸受重力的影響。對濾波器輸出對應的模擬量，由輸出的飽和控制器進(jìn)行限制。