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2019-01-23 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

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MotionControlofanUltraPrecisionPositioningStage超精密定位平台的运动控制AbstractMotioncontrolsystemofanultraprecisionpositioningstagewithapplicationtoICproductionispresentedConfigurationandmasterslaveprincipleofultraprecisionpositioningstagearepicturedByadoptingmeritsofbothcoarseandfinestage,adesiredmotioncontrolsystemhavingthecapacityoflargeworkspacewithhighresolutionofmotionisenabledTheautomatedsynthesisprocedureofparallelPIDcontrollerandrobustcontrolleraredevelopedusingloopshapingtechniquesForcedecouplingstrategyisintroducedundertheconsiderationofrealityinpracticeThesimulationresultshowsthatthepositioningprecisionachievestonanometersusingdualstageIndexTermsMotioncontrolultraprecisionforcedecouplingnanometer摘要:描述一种应用于集成电路制造的超精密硅片台系统及其运动控制。介绍了超精密硅片台系统配置及其主从控制原理结合粗动台和微动台两者的优点可以实现运动控制的大行程和高精度。利用环路整形技术研究并联PID控制器和鲁棒控制器的自动综合方法。基于实际实现提出力解耦控制策略。仿真结果表明利用双台结构的超精密硅片台的定位精度可达到lnm。介绍半导体和精密工程等行业的不断发展需要更高的生产率和更好的产品质量越来越高的要求继续积极促进高精度运动控制系统快速的发展。一种由粗动台和微动台组成的能实现大行程、高速度和高精度的双台伺服系统近年来应运而生。在双台伺服系统中粗动台用于粗定位并实现大的行程微动台则用于精密定位并在纳米级范围内运动。通常微动台具有低能耗、小负载、微行程和高精度等特征而粗动台则恰恰相反。借助于粗动台和微动台两者的长处大行程高速高精运动就可得以实现。国内外已有许多针对此类复合台的研究。当今对双台伺服系统的研究在硬盘驱动器(harddiskdrives(HDD))领域尤其活跃其中硬盘的精密驱动器就是利用精粗复合技术来实现磁道的高速跟踪的。系统介绍超精密运动平台结构示意图如图所示此处描述一种应用于集成电路制造的超精密运动平台系统。超精密运动平台系统主要由两个相互垂直的长行程直线电机(粗动台)、个短行程电机(微动台)、花岗岩基座和硅片卡盘/气足等组成其位置用一个HP激光干涉仪来测量。大行程电机也被称为直线电机系统“LIMMS”(referredtoas‘LIMMS’motors,whichstandfor‘LinearMotionMotorSystem’)它的行程达到mm。短行程电机按洛仑兹马达原理运动可以把它看成一个小块靠气足浮起在花岗岩上的卡盘在电磁力作用下可作无机械接触的运动卡盘的移动范围大约为mm。短行程线圈设备通过箝位机构与大行程设备连接短行程电机安装与微动平台上大行程电机安装于粗动平台上。卡盘安装于短行程电机上当需要大行程移动时则由大行程电机驱动小行程电机的移动范围非常小但是其精度非常高长行程电机具有大的行程但其精度相对较低。卡盘和长行程动子之间的相对运动由差分传感器(图中未示出)来检测。在短行程电机的驱动力作用下当卡盘运动时差分传感器检测到其运动并触发长行程直线电机运动。短行程电机工作于激光干涉仪控制模式长行程直线电机工作于差分传感器控制模式这就是所谓的主从控制工作原理。运动控制系统如图所示高速高精硅片台运动控制系统处理的伺服问题主要包括动力学模型Gp、轨迹规划r、反馈控制器Gc、前馈补偿Ff以及其他先进的补偿、控制方法。A、动态动力系统模型一个比较精确的系统描述对于运动控制系统设计的方方面面都是不可或缺的。我们可以借助MATLABSimulinkSimmeechanic等工具对精密定位平台的动态动力系统建立模型。当给系统一个输入作为输出平台就会移动无论在低频阶段还是高频阶段系统都有不同程度的反应如图所示频响在大频率范围内呈现双积分特性。上述结果是由于硅片台系统采用气浮轴承而使得摩擦近似为零的缘故当不考虑高频谐振时模型可以用一等效自由刚体来近似代替如式():()式中m为等效自由运动质量。图中陷波滤波器Gn配置在叠加前馈信号的加法器之后以减小前馈对机械谐振的激励陷波滤波器Gn的传递函数为:()式中为零点频率为零点阻尼率为极点频率为极点阻尼率。B、控制器综合文献中给出了一些双台系统的控制器设计方法。由于定位台系统采用了气浮轴承和气浮导轨除了运动自由度在其他方向几乎不产生任何运动所以可用环路整形技术只考虑单自由度运动方向上控制器综合。环路整形的目标是使设计的控制器开环频率响应特性具有如下特征:a)在低频段具有高增益以使得系统跟踪误差小且抑制干扰性能强b)在期望频宽附近区域具有dBdec的斜率以保证足够的相位裕量和系统稳定性c)有限的灵敏度峰点幅值d)有限的控制能量。)并联PID控制器设计传统PID反馈控制器的传递函数如公式()所示:()式中为比例增益为积分常数为微分常数为控制器的第一个零点为控制器的第二个零点。由式()可知控制器Gc(s)可以分解为两个零点、一个积分和一个微分增益。因控制器的两零点增大开环传递函数的斜率并增加相位所以两零点应该配置在开环传递函数的交叉频率之前以获得必要的相位裕量并尽可能靠近交叉频率以使低频区域具有高的增益。并且开环频率响应的幅频以dBdec开始相位初始值为°。为设计方便图的开环传递函数G可简写为:()由于开环传递函数的dB剪切频率近似等于闭环传递函数的频宽所以根据式()可推导出:()再由式()解出比例增益和积分常数:()()为限制控制器的带宽可在传统PID控制器传递函数的基础上额外增加一个极点以便使控制增益在高频区域衰减。在实际应用中纯微分项用来代替其中N取为第二个零点。的倍左右。因此完整的并联PID控制器可写为:()式中为极点频率)鲁棒控制器设计本文考虑使用理论来设计鲁棒反馈控制器。由图所示的控制系统互联结构知鲁棒控制器的设计问题即求解所描述的混合灵敏度问题:()式中S为输出灵敏度传递函数T为补充灵敏度传递函数。加权传递函数W用于抑制干扰和反映对低频区域的性能要求以获得在特定频率点上的期望灵敏度。加权传递函数W源于表述系统的不确定性同时也可用于描述对系统高频区域的性能要求如控制器动态的高频衰减。为获得期望的开环传递函数的环路形状特征现采用文献所介绍的方法来解如下设计问题:()其中的机电系统动力学模型一般使用通过实验辨识得到的模型。对和分别进行加权而不是S和T进行加权这样通过低频区域的双积分作用和S的双微分作用可使得开环传递函数在低频区域具有高的增益从而获得好的跟踪性能和强的干扰抑制性能。为提高式()的解算效率可首先把开环传递函数的幅值用一增益调整使得其在期望频宽处与dB线相交。容易证明图中的开环互联系统为:符合如式()所描述的设计问题。为保持所设计的控制具有尽可能低的复杂性使用一阶加权传递函数W和W进行设计有:()其中为待设计的参数。为获得前述的环路整形特征目标应先求取加权传递函数W的个待设计参数:()其中代表闭环传递函数的峰值。()()式中为低频点为期望在低频点的增益为期望的系统频宽。W的参数和可直接由()()解得:按经验加权传递函数的参数和可分别取为频宽的倍和倍选取为。然后控制器可使用Matlab鲁棒控制工具箱来完成鲁棒控制器可用平衡截断法进行降阶以便于实际应用。C、力解耦由上述系统描述可知卡盘在X、Y和Rz个自由度上的位置由个短行程电机来精确定位。图所示的左右部分分别表示个短行程电机和卡盘由图可知短行程电机的作用点与硅片卡盘的质心不一致短行程电机的输出力FxFyFy以及卡盘质心所受的力力矩具有以下映射关系:微动台的控制器是沿着X,Y和Rz方向进行设计的控制器输出的表征力力矩的控制信号必须首先进行力解耦转换为短行程电机所需要的表征力的设定信号。由式()易得两者之间的关系即:其中J为:仿真为了验证本文所说的方法本文进行了对算法进行了仿真验证仿真的设定轨迹采用点到点的三阶平滑轨迹以限制机械谐振被激励。粗动台的控制采用并联PID控制器微动台的控制采用鲁棒控制器。仿真采用定步长采样时间为us。一些重要的仿真参数如表、表所示。图所示为微动台的跟踪轨迹双台系统沿y向的跟踪轨迹如图所示。由图、图可知微动台在um范围内运动这意味着短行程电机以高精度在一个非常有限的范围内运动同时长行程电机以相对较低地精度作长行程跟随运动。图可知在约ms的跟踪时间内精度为nm。仿真结果说明结合粗动台和微动台两者的长处所期望的高速高精、大行程的运动控制系统是可以实现的。结论本文给出一种基于闭环控制实验数据的动力学模型辨识的便利方法。利用环路整形技术实现了并联PID控制器和鲁棒控制器的自动综合。描述了微动台的力解耦控制策略。仿真结果表明结合粗动台和微动台两者的长处高速高精、大行程的运动控制系统是可以实现的。

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