激光直寫(xie) 技術是一種近年來應用廣泛的超精密加工技術。該技術是一種利用強度可變的激光束，在基片表麵實施有規則的高精度掃描。在掃描過程中，光刻基片隨載物平台而運動。因此影響光刻元件的質量取決(jue) 於(yu) 載物平台的定位精度以及運動的穩定性，影響光刻元件的快速性取決(jue) 於(yu) 係統的響應度。

基於(yu) 數字式伺服的運動控製器是超精密定位係統的關(guan) 鍵。由於(yu) 數字伺服濾波器是數字式伺服的運動控製器的核心，從(cong) 而數字伺服濾波器的設計將影響係統的定位精度。

數字伺服濾波器是指係統的閉環控製與(yu) 調節采用數字技術，所有控製調節實現軟件化。調節器的全部軟件化使控製理論中很多控製思想和手段得以應用。同時利用軟件很容易完成參數的自由化和故障的自診斷功能，使係統控製性能大大提高，從(cong) 而克服了模擬型閉環伺服係統對微弱信號的信噪難分離、控製精度難提高、容易受機械摩擦和溫度影響，位置環控製產(chan) 生零點漂移誤差等缺點。

1 伺服控製係統結構及分析

1．1 伺服控製係統結構

整個(ge) 伺服控製係統的硬件結構如圖1所示。上級裝置由DSP處理器和D／A轉換模塊組成，伺服單元由安川伺服驅動器組成。整個(ge) 係統是一個(ge) 閉環伺服電機控製係統。DSP處理器產(chan) 生梯形運動曲線的數字脈衝(chong) 信號，通過設計的數字濾波器，直接驅動D／A轉換器產(chan) 生模擬電壓，經過伺服單元驅動伺服電機。實際運動中的位置和速度信號由電機反饋給光編碼器，並由光電編碼器產(chan) 生數字信號，然後傳(chuan) 輸給DSP進行采集處理。



1．2 係統分析

該方案的關(guan) 鍵是解決(jue) 電機軸與(yu) 負載之間的粘性摩擦和外界對電機及變換器的幹擾等問題。由於(yu) 摩擦環和外界幹擾的存在，係統的動態及靜態性能受到很大程度的影響，主要表現為(wei) 低速時出現爬行現象，穩態時有較大的靜差或出現極限環振蕩。為(wei) 了滿足激光直寫(xie) 的要求，係統還必須具有響應速度快、定位時間短，穩態精度高等特點。若啟動速度過慢或過衝(chong) ，停止時間過長，係統則具有很強的振蕩，且噪聲大。

2 數字濾波器的設計

2．1 數字伺服濾波器模型設計

通過大量實驗，對係統進行分析後發現：對位置偏差控製采用PID控製方法可以提高精度和階躍響應；加入速度和加速度前饋補償(chang) 控製方法可以提高係統的穩態精度；加入摩擦補償(chang) 可以克服摩擦力的影響。因此，此方案沒計是一種既利用位置誤差進行閉環控製，又利用給定位置信號進行開環的複合控製係統。

則係統控製輸出U(t)=Up(t)+Uva(t)+Uf(t)，其中Up(t)為(wei) PID控製器，Uva(t)為(wei) 速度和加速度補償(chang) 控製器，Uf(t)為(wei) 摩擦補償(chang) 控製器。

位置式PID控製中，其傳(chuan) 遞函數為(wei) ：



實驗設計的速度和加速度前饋補償(chang) 分部時，采用最高階次2，模型簡化為(wei) ：



在Stribeck摩擦模型中，由於(yu) 摩擦力和速度的關(guan) 係，其處加幹擾控製表示為(wei) ：



其中Fc和bc顯粘性摩擦模型等效到位置球的估計係數，該係數根據實際情況確定。

將式（1）和式（3）做Z變換後，於(yu) 是得到帶前饋補償(chang) 的PID控製算式為(wei) ：#p#分頁標題#e#



PID伺服濾波器控製規律如圖2所示。



圖2中Kp為(wei) 比例增益，Ki為(wei) 積分增益，Kd為(wei) 微分增益，Kvff為(wei) 速度前饋增益，Kaff為(wei) 加速前饋增益，Kf為(wei) 粘性摩擦係數，En為(wei) 位置偏差，Vt為(wei) t時刻速度，At為(wei) t時刻的加速度，輸出的B靜態誤差主要用於(yu) 補償(chang) 控製軸受重力的影響。對濾波器輸出對應的模擬量，由輸出的飽和控製器進行限製。

2．2 參數調節

在位置PID調節器中比例增益Kp的大小決(jue) 定係統的快速性，積分增益Ki的作用是消除係統的靜態誤差。微分增益Kd的作用是增加阻尼，減少振蕩。調節過程是先調節Kp，再調節Ki，然後調節Kd。第1次設定Ki增益時，如果把Ki設定為(wei) 一非O值將引起突然的“跳躍”。為(wei) 避免這種情況，需要把積分限(積分部分的飽和控製器)設置為(wei) 0，Ki設定為(wei) 期望值，再設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(cong) 而使積分從(cong) 前一個(ge) 點開始平穩運算。接著調節Kvff，Kaff，從(cong) 而提高係統的穩態精度。最後調節Kf，從(cong) 而克服摩擦力的影響。

在啟動階段調節Kvff，Kaff過大會(hui) 使速度過快而導致位置過衝(chong) 。在減速階段調節Kvff，Kaff過小，會(hui) 使定位時間過長。根據最優(you) 控製思想，如果係統按照最大加速度啟動，最大速度運動，最大減速度製動，就可以以最短時間無超調地達到協調點。因此，參數調節時應按照啟動，勻速，減速3個(ge) 階段分別設置。

3 MATLAB設計與(yu) 仿真

3．1 仿真模塊設計

根據設計原理，圖l中的偏差計數模塊就等效為(wei) 帶前饋補償(chang) 的PID控製器，並設計成圖2中所對應的部分，並且將D／A轉換器等效設計成離散的數據通過零階保持器；將安川伺服驅動器等效速度環和電流環；輸出的信號采用仿真示波器進行觀察。因此整個(ge) 伺服三環PID仿真原理如圖3所示。



其中，rin(k)為(wei) 采樣K#p#分頁標題#e#時刻的位置輸入信號，為(wei) 了能模擬實際的效果，將輸入的rin(k)設置為(wei) 不規則的位置信號，此時輸入指令為(wei) 正弦疊加信號；drin(k)為(wei) 采樣K時刻的速度輸入信號；ddrin(k)為(wei) 采樣K時刻的加速度輸入信號，並且drin(k+1)=(rin(k+1)-rin(k))／ts，ddrin(k+1)=(drin(k+1)-drin(k))／ts。

3．2 仿真波形

對於(yu) 高精度的激光直寫(xie) ，衡量其性能主要取決(jue) 於(yu) 速度的穩定、響應度和位置的精確。因此在圖3的仿真中，要根據實際情況，多次調節控製係統參數，並經過分析和對比，從(cong) 中得到一幅速度穩定、位置精確的跟蹤圖，其仿真波形如圖4所示。



圖4(a)為(wei) 速度跟蹤結果，設置的速度和實際的速度重合，速度穩定，穩定控製在0．1％內(nei) 。在0時刻附近出現了速度突然的“跳躍”，是由於(yu) 沒有調節積分限。因此在實際情況中應先把積分限(飽和控製器)設置為(wei) O，Ki設定為(wei) 期望值，再設置積分限到期望的積分限。

圖4(b)為(wei) 位置跟蹤結果，輸出的實際位置和設置的目標位置重合。位置定位精確高，精度控製在0．1％內(nei) 。

仿真結果表明在帶有摩擦條件下，位置跟蹤沒有存在“平頂”現象，速度跟蹤沒有存在“死區”現象。位置跟蹤定位精度高，速度跟蹤穩態精度高。

4 軟件實現

伺服單元模塊由伺服驅動器設計，其參數調節可以在伺服驅動器中設置，詳細參考驅動器用戶手冊(ce) 。PID數字濾波器+前饋複合控製係統由DSP2812實現。操作流程為(wei) ：先將PID複合仿真模塊的MATLAB語言生成CCS中的C語言，然後移植到CCS軟件中，並根據PID控製算式原理結合軟件設計流程進行修改。

5 結論

介紹了伺服控製係統結構，針對係統中存在的摩擦環節和實際要求進行分析，然後結合根據控製原理，設計了伺服PID數字濾波器。通過MATLAB仿真驗證該數字濾波器速度穩定；位置跟蹤誤差收斂於(yu) 零。並從(cong) 中得到了關(guan) 於(yu) 調節控製參數的經驗。最終的實際結果表明，整個(ge) 係統輸入與(yu) 輸出時差小於(yu) 100 Ls；無噪音無振蕩；定位精度誤差控製±1μm範圍內(nei) 。