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主動(dòng)隔振系統(tǒng)的歷史發(fā)展及應(yīng)用(一)?

發(fā)布時(shí)間:2022.07.15 閱讀量:4717


本篇文章將為大家講解主動(dòng)隔振系統(tǒng)是如何工作的,應(yīng)用領(lǐng)域,以及有什么限制。由于主動(dòng)隔振系統(tǒng)在半導(dǎo)體制造業(yè)的大量應(yīng)用,因此得到了特別的關(guān)注。


【主動(dòng)隔振系統(tǒng)的歷史發(fā)展】


反饋控制系統(tǒng)已經(jīng)存在了幾百年,但是在20世紀(jì)有了最大的發(fā)展。在第二次世界大戰(zhàn)期間,這項(xiàng)技術(shù)被用于防御系統(tǒng),取得了非常迅速的進(jìn)展。如今這些發(fā)展仍在繼續(xù),即使在今天很多地方也在使用反饋控制系統(tǒng),例如戰(zhàn)斗機(jī)控制系統(tǒng)和導(dǎo)彈制導(dǎo)系統(tǒng)。


主動(dòng)隔振系統(tǒng)是用于國(guó)防的機(jī)電控制系統(tǒng)的擴(kuò)展,早在20世紀(jì)50年代,主動(dòng)隔振系統(tǒng)就被開(kāi)發(fā)用于直升機(jī)座椅等應(yīng)用。因此,主動(dòng)控制系統(tǒng)專(zhuān)門(mén)用于振動(dòng)控制已經(jīng)存在了60多年。在精密振動(dòng)控制行業(yè),主動(dòng)隔振系統(tǒng)已經(jīng)有近20年的歷史,它們?cè)趶V泛使用方面進(jìn)展緩慢的原因有很多。主動(dòng)隔振系統(tǒng)比被動(dòng)隔振系統(tǒng)相對(duì)更復(fù)雜,成本更高,但是,主動(dòng)隔振系統(tǒng)擁有被動(dòng)隔振系統(tǒng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的功能。



近年來(lái),有兩件事引起了人們對(duì)主動(dòng)振動(dòng)控制系統(tǒng)的興趣。首先是半導(dǎo)體行業(yè)的快速增長(zhǎng),其次是生產(chǎn)更多、更快、成本更低的半導(dǎo)體產(chǎn)品的需求。


光刻和檢測(cè)過(guò)程通常包括將硅片放置在一個(gè)沉重和/或快速移動(dòng)的平臺(tái)上,從而相對(duì)于關(guān)鍵的光學(xué)(或其他)元件來(lái)定位硅片。當(dāng)這些階段在晶圓片上從一個(gè)位置掃描到另一個(gè)位置時(shí),它們會(huì)導(dǎo)致整個(gè)儀器在隔振系統(tǒng)上“彈跳”。


盡管在這樣的移動(dòng)之后,儀器的運(yùn)動(dòng)可能很小(幾毫米),但儀器的分辨率正在接近,在某些情況下甚至在1納米以下。具有這種分辨率的儀器不可避免地對(duì)最小的振動(dòng)級(jí)別都很敏感,即使是輕微的振動(dòng),這種分辨率的儀器也容易受到影響,在這種情況下,主動(dòng)隔振系統(tǒng)通過(guò)隔離有效載荷在此類(lèi)階段運(yùn)動(dòng)發(fā)生后的殘余運(yùn)動(dòng)來(lái)隔離振動(dòng)。


第二個(gè)使主動(dòng)隔振系統(tǒng)更受歡迎的變化是數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的進(jìn)步。一般來(lái)說(shuō),基于模擬電子學(xué)的有源系統(tǒng)會(huì)比基于數(shù)字的系統(tǒng)表現(xiàn)更好。這是因?yàn)楦咝阅苣M電子具有固有的低噪聲和帶寬。(相對(duì)便宜的運(yùn)算放大器可以有30位的等效分辨率和許多兆赫的“采樣率”。)模擬電子產(chǎn)品也很便宜。模擬系統(tǒng)的問(wèn)題是,它們必須手動(dòng)調(diào)整,不能(容易)處理非線性反饋或前饋應(yīng)用。



數(shù)字控制器有潛力自動(dòng)調(diào)整自己和處理非線性反饋和前饋算法。這使得有源系統(tǒng)更容易用于OEM應(yīng)用程序(例如半導(dǎo)體行業(yè))。它們還可以被編程來(lái)執(zhí)行各種任務(wù),根據(jù)命令在任務(wù)之間自動(dòng)切換,還可以進(jìn)行軟件升級(jí),無(wú)需舉起烙鐵就能“重新連接”反饋系統(tǒng)。


【伺服系統(tǒng)和術(shù)語(yǔ)】


盡管主動(dòng)隔振系統(tǒng)的術(shù)語(yǔ)相當(dāng)通用,但也有一些變化,所有主動(dòng)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)如下圖所示。


它包含三個(gè)基本要素:


1)標(biāo)記為“G”的塊稱(chēng)為裝置,它代表在應(yīng)用任何反饋之前你的機(jī)械(或電子、液壓、熱等)系統(tǒng)的行為。它表示一個(gè)傳遞函數(shù),即塊的輸出與輸入之比,表示為頻率的函數(shù)。這個(gè)比率同時(shí)有大小和相位,可能是也可能不是無(wú)單位的。例如,它可以表示一個(gè)振動(dòng)傳遞函數(shù),其中輸入(左邊的線)表示地面運(yùn)動(dòng),輸出(右邊的線)表示桌面運(yùn)動(dòng)。



一個(gè)基本的反饋回路由三個(gè)元素組成:裝置、補(bǔ)償和總和結(jié)


2)在這種情況下,比值是無(wú)單位的。如果輸入是一個(gè)力,輸出是一個(gè)位置,則傳遞函數(shù)的單位為(m/N)。G的傳遞函數(shù)有一個(gè)特殊的名稱(chēng):被控對(duì)象的傳遞函數(shù)。所有傳遞函數(shù)(G、H、乘積GH等)都用復(fù)數(shù)(實(shí)部和虛部同時(shí)存在的數(shù))表示。在任意給定頻率上,一個(gè)復(fù)數(shù)表示復(fù)平面上的一個(gè)向量。矢量的長(zhǎng)度和角度表示傳遞函數(shù)的大小和相位。


3)標(biāo)記為“H”的塊稱(chēng)為補(bǔ)償,通常表示伺服。對(duì)于隔振系統(tǒng),它可能代表一個(gè)傳感器的總傳遞函數(shù),監(jiān)測(cè)工廠的輸出(加速度計(jì)),一些電子過(guò)濾器,放大器,最后,制動(dòng)器產(chǎn)生一個(gè)力作用在有效載荷。在這個(gè)例子中,響應(yīng)的大小、相位和單位為(N/m)。注意,系統(tǒng)的循環(huán)傳遞函數(shù),即乘積(GH),必須是無(wú)單位的。在控制系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性分析中,回路傳遞函數(shù)是最重要的量,我們將在后面討論。


4)圓是一個(gè)求和結(jié)。它可以有許多輸入,這些輸入全部加起來(lái)形成一個(gè)輸出。所有的輸入和輸出都有相同的單位(比如力)。每個(gè)輸入的旁邊都打印一個(gè)加號(hào)或減號(hào),以表示是加還是減。請(qǐng)注意,H的輸出總是在這個(gè)結(jié)處減去,表示負(fù)反饋的概念。累加結(jié)的輸出有時(shí)被稱(chēng)為電路中的誤差信號(hào)或誤差點(diǎn)。


可以表明,系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)如方程16所示。這也許是控制理論中最重要的關(guān)系。分母1+GH稱(chēng)為特征方程,因?yàn)槠涓趶?fù)平面的位置決定了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。從這個(gè)方程的形式中,還可以立即看出其他幾個(gè)性質(zhì)。



首先,當(dāng)環(huán)路增益(幅度|GH|)遠(yuǎn)小于1時(shí),閉環(huán)傳遞函數(shù)僅為分子(G),對(duì)于大環(huán)路增益(|GH|>>1),傳遞函數(shù)被環(huán)路增益降低或抑制。因此,當(dāng)閉環(huán)增益大于單位增益時(shí),伺服系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)的影響最大。單位增益頻率或單位增益點(diǎn)之間的頻率跨度是伺服系統(tǒng)的主動(dòng)帶寬。


在實(shí)踐中,你不允許使環(huán)路增益在統(tǒng)一增益點(diǎn)之間任意高,仍然有一個(gè)穩(wěn)定的伺服。事實(shí)上,在單位增益頻率附近增益增加的速度是有限制的。因此,系統(tǒng)的環(huán)路增益通常受到可用帶寬的限制。


方程16的另一個(gè)明顯結(jié)果是,只有當(dāng)|GH|方程1的幅值和相位接近180度時(shí),閉環(huán)傳遞函數(shù)才會(huì)變大。當(dāng)量GH接近這一點(diǎn)時(shí),其值接近(-1),方程16的分母變小,閉環(huán)響應(yīng)變大。在單位增益頻率下,GH與180度的相位之差稱(chēng)為相位裕度。相位裕度越大,單位增益點(diǎn)處的放大率越低。


然而,結(jié)果表明,較大的相位裕度也會(huì)降低伺服器在其有源帶寬內(nèi)的增益。因此,選擇相位裕度是在增益和穩(wěn)定之間的妥協(xié)在統(tǒng)一增益點(diǎn)。相位裕度小于60度時(shí),總是會(huì)發(fā)生單位增益的放大。大多數(shù)伺服器被設(shè)計(jì)有一個(gè)在20度和40度之間的相位裕度。在伺服單位增益頻率的放大出現(xiàn)在系統(tǒng)中就像新的共振。


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