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主動(dòng)隔振系統的歷史發(fā)展及應用(一)?

發(fā)布時(shí)間:2022.07.15 閱讀量:3403


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


【主動(dòng)隔振系統的歷史發(fā)展】


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


主動(dòng)隔振系統是用于國防的機電控制系統的擴展,早在20世紀50年代,主動(dòng)隔振系統就被開(kāi)發(fā)用于直升機座椅等應用。因此,主動(dòng)控制系統專(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)隔振系統已經(jīng)有近20年的歷史,它們在廣泛使用方面進(jìn)展緩慢的原因有很多。主動(dòng)隔振系統比被動(dòng)隔振系統相對更復雜,成本更高,但是,主動(dòng)隔振系統擁有被動(dòng)隔振系統無(wú)法實(shí)現的功能。



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


光刻和檢測過(guò)程通常包括將硅片放置在一個(gè)沉重和/或快速移動(dòng)的平臺上,從而相對于關(guān)鍵的光學(xué)(或其他)元件來(lái)定位硅片。當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 )導致整個(gè)儀器在隔振系統上“彈跳”。


盡管在這樣的移動(dòng)之后,儀器的運動(dòng)可能很?。◣缀撩祝?,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最小的振動(dòng)級別都很敏感,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)隔振系統通過(guò)隔離有效載荷在此類(lèi)階段運動(dòng)發(fā)生后的殘余運動(dòng)來(lái)隔離振動(dòng)。


第二個(gè)使主動(dòng)隔振系統更受歡迎的變化是數字信號處理技術(shù)的進(jìn)步。一般來(lái)說(shuō),基于模擬電子學(xué)的有源系統會(huì )比基于數字的系統表現更好。這是因為高性能模擬電子具有固有的低噪聲和帶寬。(相對便宜的運算放大器可以有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。模擬系統的問(wèn)題是,它們必須手動(dòng)調整,不能(容易)處理非線(xiàn)性反饋或前饋應用。



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


【伺服系統和術(shù)語(yǔ)】


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


它包含三個(gè)基本要素:


1)標記為“G”的塊稱(chēng)為裝置,它代表在應用任何反饋之前你的機械(或電子、液壓、熱等)系統的行為。它表示一個(gè)傳遞函數,即塊的輸出與輸入之比,表示為頻率的函數。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,其中輸入(左邊的線(xiàn))表示地面運動(dòng),輸出(右邊的線(xiàn))表示桌面運動(dòng)。



一個(gè)基本的反饋回路由三個(gè)元素組成:裝置、補償和總和結


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,則傳遞函數的單位為(m/N)。G的傳遞函數有一個(gè)特殊的名稱(chēng):被控對象的傳遞函數。所有傳遞函數(G、H、乘積GH等)都用復數(實(shí)部和虛部同時(shí)存在的數)表示。在任意給定頻率上,一個(gè)復數表示復平面上的一個(gè)向量。矢量的長(cháng)度和角度表示傳遞函數的大小和相位。


3)標記為“H”的塊稱(chēng)為補償,通常表示伺服。對于隔振系統,它可能代表一個(gè)傳感器的總傳遞函數,監測工廠(chǎng)的輸出(加速度計),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,響應的大小、相位和單位為(N/m)。注意,系統的循環(huán)傳遞函數,即乘積(GH),必須是無(wú)單位的。在控制系統的性能和穩定性分析中,回路傳遞函數是最重要的量,我們將在后面討論。


4)圓是一個(gè)求和結。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)加號或減號,以表示是加還是減。請注意,H的輸出總是在這個(gè)結處減去,表示負反饋的概念。累加結的輸出有時(shí)被稱(chēng)為電路中的誤差信號或誤差點(diǎn)。


可以表明,系統的閉環(huán)傳遞函數如方程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,因為其根在復平面的位置決定了系統的穩定性。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,當環(huán)路增益(幅度|GH|)遠小于1時(shí),閉環(huán)傳遞函數僅為分子(G),對于大環(huán)路增益(|GH|>>1),傳遞函數被環(huán)路增益降低或抑制。因此,當閉環(huán)增益大于單位增益時(shí),伺服系統對系統的影響最大。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的主動(dòng)帶寬。


在實(shí)踐中,你不允許使環(huán)路增益在統一增益點(diǎn)之間任意高,仍然有一個(gè)穩定的伺服。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)明顯結果是,只有當|GH|方程1的幅值和相位接近180度時(shí),閉環(huán)傳遞函數才會(huì )變大。當量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的增益。因此,選擇相位裕度是在增益和穩定之間的妥協(xié)在統一增益點(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。大多數伺服器被設計有一個(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在系統中就像新的共振。


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