一种大行程高速双重驱动纳米定位系统

摘要

本发明公开了一种大行程高速双重驱动纳米定位系统，该纳米定位系统包括运动轨迹指令系统(101)、主控计算机(102)、PMAC运动控制板卡(103)、伺服运动控制系统(104)、定位平台和测量控制系统(107)，其中，定位平台包括宏动台(105)和微动台(106)，该纳米定位系统考虑了三轴测量以及三轴控制，可对X、Y₁、Y₂进行精密控制，定位平台采用“长行程的直线电机+短行程的平面电机”的运动方式，运动控制方式选取主从控制，短行程平面电机为主控制对象，用激光干涉仪测量反馈，完成小范围高精度运动，长行程直线电机作为短程电机的从控制系统，用光栅尺测量反馈，完成长行程高速粗运动。通过对平面电机运动解耦以及引入PMAC运动控制板卡极大提高了系统的响应速度和实时性能。

主权项

一种大行程高速双重驱动纳米定位系统，其特征在于：所述纳米定位系统包括运动轨迹指令系统(101)、主控计算机(102)、PMAC运动控制板卡(103)、伺服运动控制系统(104)、定位平台和测量控制系统(107)，其中所述的定位平台包括宏动台（105）和微动台（106），由宏动台来完成高速运动，进行粗定位，解决整个纳米定位系统的速度问题，然后由微动台完成精确微动定位，该纳米定位系统首先利用运动轨迹指令系统（101）对定位平台进行轨迹规划，再利用运动轨迹指令系统（101）将轨迹规划指令输入主控计算机(102)，主控计算机(102)通过PEWIN界面将轨迹规划指令发送给PMAC运动控制板卡(103)，PMAC运动控制板卡(103)按设定的参数和轨迹规划指令来控制定位平台实现移动定位，同时测量控制系统(107)不断地检测定位平台的宏动台（105）和微动台（106）实际位置，并将检测信号实时传输给PMAC运动控制板卡(103)，PMAC运动控制板卡(103)经过采样处理、误差计算及误差补偿，实时反馈给伺服运动控制系统(104)，从而保证定位平台快速跟踪响应速度和纳米级的运动精度；对定位平台的控制具体为：宏动台由长行程直线电机驱动，实现长行程、高速运动，微动台由短行程平面电机驱动，实现高精度微调；长行程由X向与Y向各一台永磁直线电机组成，Y向电机定子与X向电机动子机械固联，采用线性光栅尺构成闭环反馈控制；短行程水平向运动由洛仑兹平面电机进行控制，洛仑兹电机由3个磁性电机组成，其定子线圈与Y向直线电机动子机械固联，采用3轴激光干涉仪作位置检测构成闭环反馈控制；对平面电机驱动时，对平面电机进行运动解耦，由于在系统定位时，主控计算机发给定位平台的位置指令是微动台的(x_CG、y_CG、θ_CGz)向的设定位置，而微动台驱动电机输出的是一个x向和两个y向电机的位置，所以在对微动台进行控制前需要先对其驱动电机进行坐标转换，以保证控制的高效性，从而提高系统的控制精度和响应速度；所述的定位平台的控制采取主从控制，短行程电机为主控制对象，用激光干涉仪测量反馈，完成小范围高精度运动，长程电机作为短程电机的从控制系统，用线性光栅尺测量反馈，完成长行程高速粗运动；长短行程间跟踪运动的相对位置由线性光栅尺检测，当线性光栅尺检测到工件台运动到与目标位置在设定距离为几微米时，停止长程电机的运动，切换到短程电机运动，直至微动台达到目标位置，且从运动总是试图保持两者相对位置为零，以保证高跟踪运动精度和快速跟踪响应速度；该定位系统为了求出输入的指令位置(x_CG,y_CG,θ_CGz)与电机输入位置(x,y₁,y₂)之间的关系，可将位置指令分两步完成，先将微动台质心位置平移到指令位置(x_CG,y_CG)处，再将微动台绕z轴旋转θ_CGz；微动台质心位置平移到指令位置(x_CG,y_CG)处时，此时电机位置(x′,y₁′,y₂′)与指令位置(x_CG,y_CG,θ_CGz)的关系为：$\left\{\begin{array}{c}{x}^{\prime }=x_{\mathrm{CG}}\\ {y_1}^{\prime }=y_{\mathrm{CG}}\\ {y_2}^{\prime }=y_{\mathrm{CG}}\end{array}\right.$S1是y₁电机重心与微动台质心在x轴的距离，S2是y₂电机重心与微动台质心在x轴的距离，S3是x电机重心与微动台质心在y轴的距离，S1、S2和S3均为常数；将微动台进行旋转θ_CGz后，x电机的位置为：x＝x′‑S3*sinθ_CGz由于y₁、y₂电机关于x电机对称，所以y₁、y₂电机的位置为：$\left\{\begin{array}{c}{y}_1={y_1}^{\prime }-S3*(1-\cos {\theta }_{\mathrm{CGz}})+S1*\sin {\theta }_{\mathrm{CGz}}\\ y_2={y_2}^{\prime }-S3*(1-\cos {\theta }_{\mathrm{CGz}})-S2*\sin {\theta }_{\mathrm{CGz}}\end{array}\right.$综合上式可得，$\left\{\begin{array}{c}x=x_{\mathrm{GC}}-S3*\sin {\theta }_{\mathrm{CGz}}\\ y_1=y_{\mathrm{CG}}-S3*(1-\cos {\theta }_{\mathrm{CGz}})+S1*\sin \\ y_2=y_{\mathrm{CG}}-S3*(1-\cos {\theta }_{\mathrm{CGz}})-S2*\sin {\theta }_{\mathrm{CGz}}\end{array},{\theta }_{\mathrm{CGz}}\right.$上式变换可得，$\left\{\begin{array}{c}{x}_{\mathrm{CG}}=x-\frac{S3}{S1+S2}(y_1-y_2)\\ y_{\mathrm{CG}}=\frac{1}{S1+S2}(S1*y_2+S2*y_1)+S3*(1-\cos {\theta }_z)\\ {\theta }_{\mathrm{CGz}}=\arcsin \frac{y_1-y_2}{S1+S2}\end{array}\right.$当θ_CGz很小时，电机位置(x,y₁,y₂)与指令位置(x_CG,y_CG,θ_CGz)的关系，即正向位置坐标转换表达式为：$\left[\begin{array}{c}x\\ y_1\\ y_2\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}1& 0& -S3\\ 0& 1& S1\\ 0& 1& -S2\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{x}_{\mathrm{CG}}\\ y_{\mathrm{CG}}\\ {\theta }_{\mathrm{CGz}}\end{array}\right]$由上式变换，可得驱动电机的逆向位置坐标转换表达式为：$\left[\begin{array}{c}{x}_{\mathrm{CG}}\\ y_{\mathrm{CG}}\\ {\theta }_{\mathrm{CGz}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}1& \frac{S3}{S1+S2}& -\frac{S3}{S1+S2}\\ 0& \frac{S2}{S1+S2}& \frac{S1}{S1+S2}\\ 0& \frac{1}{S1+S2}& -\frac{S1}{S1+S2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}x\\ y_1\\ y_2\end{array}\right].$