基于鲁棒控制理论的主动隔振方法研究

发布时间：2020-04-09 23:50

【摘要】：隔振技术是高精尖制造、加工、测量领域的共性核心技术,在以光刻机为代表的半导体制造领域,以金刚石车床为代表的超精密加工领域,以超分辨荧光显微镜、引力波探测为代表的超精密测量领域,都需要精密隔振系统提供稳定可靠的环境保障。主动隔振系统能兼顾基础振动和直接扰动,提供宽频带的隔振。本课题提出一种应用复合型致动器的隔振实验单元,并设计了H_∞控制器对其进行主动控制,主要研究工作如下。首先在分析动力吸振原理的基础上设计了隔振实验单元的机械结构,提出将音圈电机与压电致动器串联作为主动致动器,利用支撑弹簧与压电陶瓷产生的串联刚度,结合音圈电机动子与压电陶瓷组成中间质量,实现动力吸振特性。其次,对隔振实验单元进行了动力学建模。分析了压电致动器输出力与其控制电压以及音圈电机输出力与其控制电流的关系,建立隔振实验单元的动力学模型,然后推导开环系统地面振动位移到负载位移以及负载直接扰动力到负载位移的传递函数,分析了开环系统频率特性。然后,设计了H_∞控制器并进行仿真分析。针对隔振实验单元开环频率特性,需要对两个固有频率附近的地面振动和负载直接扰动力进行主动控制,采用H_∞控制,通过选择适当的加权函数进行频率特性整形设计,并对控制量进行限制。利用Matlab/Simulink对设计的控制器进行仿真,通过仿真验证了控制器的有效性。最后,完成了实验系统的搭建。对设计的压电致动器进行测试,其位移范围0-55μm,电压-位移曲线线性度良好,迟滞环较小,动态位移特性良好。对速度传感器设计了滤波和低频补偿网络。对隔振实验单元主动控制效果和隔振性能进行了实验,实验结果表明,隔振实验单元在无控制时反共振频率为11.6Hz,反共振频率附近振动衰减明显;进行主动控制后,共振峰被消除,传递率在全频带都小于0dB,对于所有频率的振动都有衰减;当地面振动最大速度为7mm/s时,有控制和无控制时负载振动最大速度分别为1.3mm/s和4mm/s;同样大小的直接扰动力作用于负载,有控制和无控制时负载速度最大值分别为2.66mm/s和5.36mm/s,主动控制使得负载抵抗直接扰动的能力更强。
【图文】：

德国,公司,隔振器

1.2 隔振技术发展现状1.2.1 隔振器产品研究现状当前高性能精密隔振商用产品主要掌握在美国、德国和日本的几个厂商手中，包括美国的 TMC 公司和 Kinetic Systems 公司，德国的 IDE 公司和Halcyonics 公司，日本的仓敷化工、明立精机公司等[12-13]。荷兰 ASML 公司 2005 年研制成功了干式 ArF 光刻机 TWINSCANXT:1400[14-15]，实现了 65nm 线宽的加工能力，其 300mm 硅片的产率在保持133WPH 的情况下套刻精度仍能小于 8nm。该光刻机配套使用德国 IDE 公司NGI 90 型隔微振装置[16-17]，如图 1-1 所示，隔振装置采用正负刚度并联来降低隔振器的结构刚度，获得优异隔振性能。重力补偿采用倒立安装方式，空气弹簧的底部是由柔性密封材料制成的，当空气弹簧充满空气时，倒立摆结构具有水平负刚度。倒立摆与其上端的正刚度片簧机构连接。正负刚度并联，可以获得水平方向近零刚度特性。垂直方向通过空气弹簧正刚度与可调磁浮负刚度机构并联，可有效降低垂向刚度。该隔振器固有频率为 0.5-1.5Hz，10Hz 处能取得-45dB 的振动衰减。

隔振器,低刚度

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文国 Minus K 公司的 SM-1 型精密隔振器是基于一种负刚度可调结构的被振器[18-19]，该型精密隔振器竖直方向采用并联结构，压杆机构具有非刚度，而弹性悬架是正刚度的，二者并联得到低刚度，如图 1-2 所示，的大小是可变的，这是由于弹簧的预压力可以通过调节垂向调节螺栓来水平向利用倒立摆获得低刚度，系统固有频率可低至 0.5Hz，对于 1Hz振动信号隔离效果较好。为了保证隔振器工作在负刚度线性区，隔振负向位置可以被改变，，通过由垂向负载调节螺栓驱动的蜗轮蜗杆。为了抑固有频率附近的传递率，使用弹性阻尼耗散系统振动速度，获得固有频动传递率减小 20dB 的隔振性能。该隔振器无需供电和气源，适用于真，在航天器测试、太空环境地面模拟装置中有广泛应用。顶板塔板套管
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TB535

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