光刻机工件台直线电机的完全跟踪控制.pdfVIP

光刻机工件台直线电机的完全跟踪控制

陈兴林;刘川;耿长青;徐加彦

【摘要】提出一种将完全跟踪控制(PTC)和扩张状态观测器(ESO)相结合的复合控

制方法以提高宏动直线电机的跟踪性能.利用多速率采样系统的特性构建宏动系统

状态传递函数矩阵的精确逆矩阵,以避免传统的近似逆模型和插值带来的限制,从而

实现完全跟踪控制;利用扩张状态观测器观测系统内部的动态变化,补偿系统中的各

种扰动,从而减小扰动可能带来的稳态跟踪误差.研究结果表明:该方法保证了系统的

动态跟踪精度和良好的鲁棒性,提高了系统的动态性能.

【期刊名称】《中南大学学报（自然科学版）》

【年(卷),期】2015(046)009

【总页数】7页(P3238-3244)

【关键词】完全跟踪控制;扩张状态观测器;精密伺服;光刻机;工件台

【作者】陈兴林;刘川;耿长青;徐加彦

【作者单位】哈尔滨工业大学航天学院,黑龙江哈尔滨,150001;哈尔滨工业大学航

天学院,黑龙江哈尔滨,150001;青岛市工程咨询院,山东青岛,266071;哈尔滨工业大

学航天学院,黑龙江哈尔滨,150001

【正文语种】中文

【中图分类】TP273+.3

光刻机的工件台是高动态精密伺服运动平台，它要求在高速运动的情况下，采用长

行程直线电机宏动跟随平面洛伦兹电机高精密微动的驱动方式，在较短行程内实现

平台纳米级的精确定位与跟踪。以阿斯麦(ASML)商用的最先进光刻机Twinscan

XT1950i机型为例，工作时最高速度大于0.5m/s，加速度大于15m/s2，定

位精度在几nm左右，稳定时间小于20ms。因此，选择一种能够抗击干扰，准

确控制平台运动的控制算法显得尤为重要。对于光刻机的控制，迭代算法取得了许

多的成果，涉及到很多方面[1−3]。Heertjes等[1]将迭代学习控制应用在ASML

光刻机工件台洛伦兹电机的控制中，取得了比较好的效果；石阳春等[2]将迭代学

习控制应用在光刻机的直线电机控制中；武志鹏等[3]将迭代学习控制应用在光刻

机工件台和掩膜台的同步控制中。对于光刻机中的刚体结构，迭代学习控制在施加

控制的最后时刻，控制对象能够精确到达目标位置，取得比较好的效果，但是对于

挠性结构，在控制的最后时刻，有时尽管对象已经到达预定位置却会出现摆动，因

此，对于挠性结构系统，迭代算法也不太适合。Fujimoto等[4]提出了完全跟踪的

控制策略(perfecttrackingcontroller，PTC)，该方法应用在飞行仿真转台控制

[5]、精密伺服平台控制[6]、硬盘驱动[7]控制等很多领域，近年来正成为国内外研

究的热点。Kazuaki等[8]考虑了NIKON光刻机在高动态运行时台体垂直方向上

的挠性特征，将完全跟踪控制应用在光刻机的控制中，取得了比较理想的效果。

Han等[9]在自抗扰控制(activedisturbancerejectioncontrol，ADRC)中提出了

扩张状态观测器(extendedstateobserver，ESO)，该状态观测器不依赖被控对

象精确的数学模型，在未知不确定扰动作用下，对系统的扰动进行估计并给予补偿，

具有较强的鲁棒性。近年来，该方法应用在姿态控制[10]、电力传动[11−12]、电

力电子[13−14]等许多领域，都获得了很好的控制效果。本文在光刻机工件台的

“长行程直线电机宏动跟随平面洛伦兹电机高精密微动”运动系统的基础上，提出

一种针对直线电机的完全跟踪控制和扩张状态观测器相结合的复合控制策略。首先

介绍完全跟踪控制算法以及对其鲁棒控制器进行设计，再对光刻机工件台的X向

和Y向直线电机分别进行建模，最后通过实验验证该方法的有效性。

利用多速率采样系统的特点，设计光刻机工件台直线电机的完全跟踪控制器，以提

高系统的动态跟踪性能。

1.1多速率采样系统与完全跟踪控制

完全跟踪是指离散控制系统在理想状态下，被控对象的状态与这一时刻的期望状态

完全相等，即系统跟踪误差为0。PTC以多速率采样理论为基础，对于单一采样周

期的离散控制系统，完全跟踪在理论上不能实现[5]。多速率采样系统完全跟踪控

制器的结构如图1所示。

系统中存在3个周期：指令输入周期Tr、控制量输入周期Tu、系统反馈采样周期

Ty，各采样周期存在以下关系：

图2所示为多速率采样周期。图2中，SM为采样，HM