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主動系統隔振

本章節將幫助工程師和科學家對主動隔振系統有一個大致的了解，它們是如何工作的，什么時候應該應用，以及它們有什么限制。由于半導體制造業在這一領域出現了許多應用，因此得到了特別的關注。

5.1 歷史

反饋控制系統已經存在了幾 百 nian，但是在20世紀有了 最 da 的發展。在 第 er 次世界大戰期間，這項技術被用于防御系統，取得了非常迅速的進展。這些發展還在繼續，甚至在今,天，大多數關于控制系統的文本都以戰斗機控制和 導 dan 制導系統為例。

主動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，主動消振系統就被開發用于直升機座椅等應用。因此，主動控制系統專門用于振動控制已經存在了60多年。在精密振動控制行業，主動隔振系統已經有近20年的歷史。它們之所以遲遲沒有得到廣泛應用，原因有很多。

主動隔振系統相對比被動隔振系統更復雜，成本也更高。然而，主動系統可以提供純被動系統無法提供的功能。

近年來，有兩件事重新引起了人們對主動振動控制系統的興趣。首先是半導體行業的快速發展，其次是生產更多、更快、成本更低的半導體的愿望。光刻和檢測過程通常包括將硅片放置在一個沉重和/或快速移動的平臺上，從而相對于關鍵的光學（或其他）元件來定位硅片。當這些階段在晶圓片上從一個位置掃描到另一個位置時，它們會導致整個儀器在隔振系統上“彈跳”。盡管在這樣的移動之后，儀器的運動可能很小（幾毫米），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 xiao 的振動級別都很敏感。在這些情況下，主動系統通過減少獨立 有 xiao 載荷在這種階段運動發生后的殘余運動來幫助解決問題。

第 er 個使主動系統更受歡迎的變化是數字信號處理技術的進步。一般來說，基于模擬電子學的有源系統會比基于數字的系統表現 更 hao。這是因為高性能模擬電子具有固有的低噪聲和寬帶寬。（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”。）模擬電子產品也很便宜。模擬系統的問題是，它們須手動調整，不能（容易）處理非線性反饋或前饋應用（見5.4.3節）。數字控制器有潛力自動調整自己和處理非線性反饋和前饋算法。這使得有源系統更容易用于OEM應用程序（例如半導體行業）。它們還可以被編程來執行各種任務，根據命令在任務之間自動切換，還可以進行軟件升級，無需舉起烙鐵就能“重新連接”反饋系統。為了加深讀者對這些系統的成本和效益的理解，我們提供了伺服控制系統的術語和技術的簡要介紹。

5.2 伺服系統和術語

盡管主動系統的術語相當通用，但也有一些變體。下面的討論介紹了TMC使用的術語，應該有助于您理解活動系統中涉及的概念。所有主動控制系統的基礎如圖16所示。

它包含三個基本要素：

1）標記為“G”的塊稱為裝置，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。它表示一個傳遞函數，即塊的輸出與輸入之比，表示為頻率的函數。這個比率同時有大小和相位，可能是也可能不是無單位的。例如，它可以表示一個振動傳遞函數，其中輸入（左邊的線）表示地面運動，輸出（右邊的線）表示桌面運動。

一個基本的反饋回路由三個元素組成：裝置、補償和總和結。

2）在這種情況下，比值是無單位的。如果輸入是一個力，輸出是一個位置，則傳遞函數的單位為（m/N）。G的傳遞函數有一個 特 shu 的名稱：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（實部和虛部同時存在的數）表示。在任意給定頻率上，一個復數表示復平面上的一個向量。矢量的長度和角度表示傳遞函數的大小和相位。

3）標記為“H”的塊稱為補償，通常表示您的伺服。對于隔振系統，它可能代表一個傳感器的總傳遞函數，監測工廠的輸出（加速度計），一些電子過濾器，放大器，最 hou，制動器產生一個力作用在 有 xiao 載荷。在這個例子中，響應的大小、相位和單位為（N/m）。注意，系統的循環傳遞函數，即乘積（GH），須是無單位的。在控制系統的性能和穩定性分析中，回路傳遞函數是重要的量，我們將在后面討論。

4）圓是一個求和結。它可以有許多輸入，這些輸入全部加起來形成一個輸出。所有的輸入和輸出都有相同的單位（比如力）。每個輸入的旁邊都打印一個加號或減號，以表示是加還是減。請注意，H的輸出總是在這個結處減去，表示負反饋的概念。累加結的輸出有時被稱為電路中的誤差信號或誤差點。

可以表明，系統的閉環傳遞函數如方程16所示。這也許是控制理論中重要的關系。分母1+GH稱為特征方程，因為其根在復平面的位置決定了系統的穩定性。從這個方程的形式中，還可以立即看出其他幾個性質。

首先，當環路增益（幅度|GH|）遠小于1時，閉環傳遞函數僅為分子（G），對于大環路增益（|GH| >> 1），傳遞函數被環路增益降低或抑制。因此，當閉環增益大于單位增益時，伺服系統對系統的影響最 da。單位增益頻率或單位增益點之間的頻率跨度是伺服系統的主動帶寬。在實踐中，你不允許使環路增益在統一增益點之間任意高，仍然有一個穩定的伺服。事實上，在單位增益頻率附近增益增加的速度是有限制的。因此，系統的環路增益通常受到可用帶寬的限制。

方程16的另一個明顯結果是，只有當|GH|方程1的幅值和相位接近180度時，閉環傳遞函數才會變大。當量GH接近這一點時，其值接近（-1），方程16的分母變小，閉環響應變大。在單位增益頻率下，GH與180度的相位之差稱為相位裕度。相位裕度越大，單位增益點處的放大率越低。然而，結果表明，較大的相位裕度也會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在統一增益點。相位裕度小于60度時，總是會發生單位增益的放大。大多數伺服器被設計有一個在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。

5.3 主動消振

上一節提供了關于伺服系統如何工作的定性描述，并介紹了廣泛的概念和術語。實際上，大多數主動消振系統比圖16所示的簡單圖要復雜得多。通常有3到6個自由度被控制：三個平移運動（X、Y和Z運動）和三個旋轉,運動（滾、俯仰和偏航）。此外，在一個系統中可能有許多類型的傳感器，例如用于調平系統的高度傳感器和用于檢測 有 xiao 載荷運動的加速度計。這些結合在一個系統使用并行或嵌套伺服回路。雖然這些可以用圖16所示的框圖表示，并使用相同的技術進行分析，但細節可能會變得非常復雜。然而，也有一些普遍的規則，特別適用于主動減振伺服系統。

多個傳感器。雖然你可以用加速度計來測量載荷的慣性運動，也可以用位置傳感器來測量它相對于地球的位置，但你不能在任何給定的頻率同時使用它們。換句話說，位置伺服的主動帶寬不能與加速度計伺服的主動帶寬重疊。直觀地說，這只是說你不能強迫 有 xiao 載荷同時跟蹤兩個獨立的傳感器。這有一些嚴重的后果。

將 有 xiao 載荷鎖定在慣性傳感器（加速度計）上使 有 xiao 載荷*；然而，加速度計的輸出并沒有包含任何關于地球位置的信息。同樣地，將 有 xiao 載荷鎖定在位置傳感器上將迫使 有 xiao載荷更緊密地跟蹤地球——包括地球的振動。你不可能讓一個 有 xiao 載荷既能緊密地跟蹤地球又能有良好的隔振性能！例如，如果你需要在1赫茲的振動隔離，你須增加伺服的加速度計部分的增益。這意味著相對于地球定位 有 xiao 載荷的伺服系統須降低其增益。其結果是一個安靜的平臺，但需要更長的時間移動回它的名義位置時，受到干擾。這將在第5.6節中進一步討論。

獲得位置伺服的限制。如上所述，位置傳感器也將地面振動與 有 xiao 載荷耦合。這為高度控制伺服（如TMC的PEPS®精密電子定位系統）的統一增益頻率設置了實際限制。為了避免降低系統的隔振性能，將脈沖信號的單位增益頻率限制在3 Hz以內。這反過來限制了它的低頻增益（它決定了系統在擾動后恢復的速度）。它的主要優點是定位更 精 que（比機械閥 精 que 100倍），更 hao 的阻尼，更 hao 的高頻隔振，以及使用前饋輸入進行電子“操縱”有 xiao 載荷的能力（稍后討論）。它不會提高 有 xiao 載荷升級的速度。* PEPS還可以與TMC的PEPS-VX®系統相結合，該系統使用慣性載荷傳感器來提高載荷的振動水平。

結構共振。主動隔振系統的另一個重要問題是 有 xiao 載荷中的結構共振。這些共振形成了實際的帶寬限制，任何隔振伺服使用慣性傳感器直接安裝到 有 xiao 載荷。即使是一個相當剛性的 有 xiao 載荷，其 第 yi 次共振頻率也會在100-500赫茲的范圍內。如果阻尼良好，這是可以接受的。然而，在大多數結構中，它們不是。這限制了這種伺服器的帶寬在10-40赫茲左右。雖然一個定制的伺服系統可以做得更 hao ，一個通用的現成的主動消振系統很少做得更 hao。

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