激光直寫技術(shù)是一種近年來(lái)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" title="定位精度">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" title="數(shù)字伺服">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(duì)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)" title="控制系統(tǒng)">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" title="伺服驅(qū)動(dòng)器">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" title="數(shù)字濾波器">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(duì)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(zhǎng),，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(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)：對(duì)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(duì)濾波器輸出對(duì)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(shí),，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(gè)點(diǎn)開始平穩(wěn)運(yùn)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(dòng)階段調(diào)節(jié)Kvff，Kaff過大會(huì)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(huì)使定位時(shí)間過長(zhǎng),。根據(jù)最優(yōu)控制思想,，如果系統(tǒng)按照最大加速度啟動(dòng)，最大速度運(yùn)動(dòng),，最大減速度制動(dòng),，就可以以最短時(shí)間無(wú)超調(diào)地達(dá)到協(xié)調(diào)點(diǎn),。因此,，參數(shù)調(diào)節(jié)時(shí)應(yīng)按照啟動(dòng),，勻速，減速3個(gè)階段分別設(shè)置,。
3 MATLAB設(shè)計(jì)與仿真
3．1 仿真模塊設(shè)計(jì)
根據(jù)設(shè)計(jì)原理,，圖l中的偏差計(jì)數(shù)模塊就等效為帶前饋補(bǔ)償?shù)腜ID控制器，并設(shè)計(jì)成圖2中所對(duì)應(yīng)的部分,，并且將D／A轉(zhuǎn)換器等效設(shè)計(jì)成離散的數(shù)據(jù)通過零階保持器,；將安川伺服驅(qū)動(dòng)器等效速度環(huán)和電流環(huán)；輸出的信號(hào)采用仿真示波器進(jìn)行觀察,。因此整個(gè)伺服三環(huán)PID仿真原理如圖3所示,。
其中，rin(k)為采樣K時(shí)刻的位置輸入信號(hào),，為了能模擬實(shí)際的效果,，將輸入的rin(k)設(shè)置為不規(guī)則的位置信號(hào)，此時(shí)輸入指令為正弦疊加信號(hào),；drin(k)為采樣K時(shí)刻的速度輸入信號(hào),；ddrin(k)為采樣K時(shí)刻的加速度輸入信號(hào)，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(duì)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(shí)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(duì)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(shí)際的速度重合,，速度穩(wěn)定，穩(wěn)定控制在0．1％內(nèi),。在0時(shí)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(shí)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(shí)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,。
4 軟件實(shí)現(xiàn)
伺服單元模塊由伺服驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)，其參數(shù)調(diào)節(jié)可以在伺服驅(qū)動(dòng)器中設(shè)置,，詳細(xì)參考驅(qū)動(dòng)器用戶手冊(cè),。PID數(shù)字濾波器+前饋復(fù)合控制系統(tǒng)由DSP2812實(shí)現(xiàn)。操作流程為：先將PID復(fù)合仿真模塊的MATLAB語(yǔ)言生成CCS中的C語(yǔ)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(jì)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(duì)系統(tǒng)中存在的摩擦環(huán)節(jié)和實(shí)際要求進(jìn)行分析,，然后結(jié)合根據(jù)控制原理，設(shè)計(jì)了伺服PID數(shù)字濾波器,。通過MATLAB仿真驗(yàn)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(yàn),。最終的實(shí)際結(jié)果表明,，整個(gè)系統(tǒng)輸入與輸出時(shí)差小于100 Ls；無(wú)噪音無(wú)振蕩,；定位精度誤差控制±1μm范圍內(nèi),。