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主動(dòng)系統(tǒng)隔振

本章節(jié)將幫助工程師和科學(xué)家對(duì)主動(dòng)隔振系統(tǒng)有一個(gè)大致的了解，它們是如何工作的，什么時(shí)候應(yīng)該應(yīng)用，以及它們有什么限制。由于半導(dǎo)體制造業(yè)在這一領(lǐng)域出現(xiàn)了許多應(yīng)用，因此得到了特別的關(guān)注。

5.4 主動(dòng)系統(tǒng)的類(lèi)型

雖然我們已經(jīng)提到了“位置”和“加速”伺服，在現(xiàn)實(shí)中這些系統(tǒng)可以采取許多不同的形式。此外，利用前饋可以提高圖16中伺服的基本性能。下面幾節(jié)將介紹常見(jiàn)的配置，并簡(jiǎn)要討論它們的相對(duì)優(yōu)點(diǎn)。

基本的慣性反饋回路使用一個(gè) 有 xiao 載荷傳感器和一個(gè)力制動(dòng)器，如揚(yáng)聲器“音圈”，以影響反饋。前饋可以在循環(huán)中加入幾個(gè)點(diǎn)。

5.4.1 慣性反饋

到目前為止，最 liu 行 的主動(dòng)消振系統(tǒng)類(lèi)型是慣性反饋系統(tǒng)，如圖17所示。注意，氣動(dòng)減振器在這里被建模為一個(gè)簡(jiǎn)單的彈簧。不考慮前饋輸入和地面運(yùn)動(dòng)傳感器（在第5.4.3節(jié)中討論），反饋路徑由地震儀、濾波器和力制動(dòng)器（如揚(yáng)聲器“音圈”）組成。地震儀測(cè)量其測(cè)試質(zhì)量和隔離 有 xiao 載荷之間的位移，過(guò)濾該信號(hào)，然后對(duì) 有 xiao 載荷施加一個(gè)力，使位移（X1 - X2）為常數(shù)，從而使地震儀的輸出無(wú)效。由于作用在測(cè)試質(zhì)量上的 唯 yi 力來(lái)自其彈簧的壓縮，且該壓縮被伺服為常數(shù)（X1 - X2≈0），因此可以得出測(cè)試質(zhì)量是主動(dòng)隔離的。同樣地，由于隔離 有 xiao 載荷被強(qiáng)迫跟蹤測(cè)試質(zhì)量，它也須從振動(dòng)隔離。這種類(lèi)型的伺服的詳細(xì)信息可以在許多參考文獻(xiàn)中找到。**

這類(lèi)系統(tǒng)的性能往往受到伺服系統(tǒng)帶寬的限制。如前所述，隔離載荷中的結(jié)構(gòu)共振將實(shí)際系統(tǒng)的帶寬限制在10-40 Hz（通常接近該范圍的低端）。這種類(lèi)型的系統(tǒng)也是“交流耦合”的，因?yàn)榈卣饍x沒(méi)有“直流”響應(yīng)。因此，這些伺服系統(tǒng)有兩個(gè)統(tǒng)一增益頻率 - 通常在0.1和20赫茲。這在5.6節(jié)中有更詳細(xì)的說(shuō)明。因此，伺服在~2 Hz（系統(tǒng)被動(dòng)彈簧安裝的自然頻率）時(shí)達(dá)到約20-40 dB的 最 da 增益。系統(tǒng)的閉環(huán)響應(yīng)在~0.1和~20 Hz單位增益頻率處有兩個(gè)新的諧振。由于這些系統(tǒng)的小帶寬（在頻率上只有20年左右），增益不是很高，除非在負(fù)載的自然（開(kāi)環(huán)）諧振頻率。那里的高增益 完 quan 抑制了那個(gè)共振。因此，將這些系統(tǒng)看作慣性阻尼系統(tǒng)是有幫助的，慣性阻尼系統(tǒng)具有阻尼系統(tǒng)主共振而不降低隔振性能的特性。（被動(dòng)阻尼也可以抑制這種共振，但顯著增加從地面?zhèn)魅氲恼駝?dòng)。）

5.4.2 更多的帶寬限制

這些伺服系統(tǒng)也受限于它們較低的單位增益頻率可以被慣性傳感器中的噪聲推低。這在腳注2的參考資料中有詳細(xì)說(shuō)明。幾乎所有商用主動(dòng)消振系統(tǒng)都使用檢波器作為慣性傳感器。這些地震儀是用于地球物理勘探的簡(jiǎn)單、緊湊、廉價(jià)的地震儀。在頻率為10hz及以下的情況下，它們的表現(xiàn)甚至比高質(zhì)量的壓電式加速度計(jì)還要好。然而，它們的噪聲性能不足以使慣性反饋系統(tǒng)的帶寬降到~0.1 Hz以下。為了打破這一障礙，人們將需要使用更昂貴的傳感器，而系統(tǒng)的總成本將不再具有商業(yè)可行性。

當(dāng)慣性反饋技術(shù)應(yīng)用于水平方向時(shí)，出現(xiàn)了另一種限制系統(tǒng)帶寬的低頻“墻”。（注意，六自由度系統(tǒng)有三個(gè)“垂直”和三個(gè)“水平”伺服。水平自由度是指那些使用水平驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)器 - X、Y和扭轉(zhuǎn)【偏航】控制的自由度）。這是傾斜到水平耦合的問(wèn)題。如果你用水平制動(dòng)器把 有 xiao 載荷推到一邊，它就會(huì)傾斜，慣性傳感器將這種傾斜視為加速度，并試圖通過(guò)加速 有xiao 載荷來(lái)糾正這種傾斜——當(dāng)然，這是錯(cuò)誤的做法。這個(gè)效應(yīng)是一個(gè)基本的限制，它植根于愛(ài)因斯坦的等效原理，該原理表明不可能區(qū)分加速度和均勻引力場(chǎng)（傾斜引起的）。這個(gè)問(wèn)題的 唯 yi 解決辦法是當(dāng)你推一個(gè) 有 xiao 載荷時(shí)不要使它傾斜。這是非常困難的，特別是在幾何形狀（如半導(dǎo)體制造設(shè)備）不是設(shè)計(jì)來(lái)滿(mǎn)足這一需求。最 zhong，人們被迫使用水平和垂直驅(qū)動(dòng)器的組合，以影響“純”水平驅(qū)動(dòng)器。這就變成了一個(gè)“微調(diào)”問(wèn)題，即使在 最 hao 的 情況下也只能產(chǎn)生很小的結(jié)果。TMC傾向于另一種解決方案。

被動(dòng)水平系統(tǒng)。我們沒(méi)有使用有源系統(tǒng)來(lái)獲得“有 xiao 的”低諧振頻率，而是開(kāi)發(fā)了一種被動(dòng)減振系統(tǒng)，能夠在水平DOFs中調(diào)諧到低至0.3 Hz。我們的CSP®（緊湊型亞赫茲擺系統(tǒng)）不僅是 消 chu 減振器1-2赫茲共振的更可靠和更經(jīng)濟(jì)的方法，而且它還提供了 更 hao 的水平振動(dòng)隔離高達(dá)100赫茲或更多 - 遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了有源系統(tǒng)的實(shí)際情況。不幸的是，這種被動(dòng)技術(shù)在垂直方向上很難實(shí)現(xiàn)。TMC建議使用像我們的PEPS-VX®主動(dòng)消振系統(tǒng)這樣的系統(tǒng)來(lái)阻尼三個(gè)“垂直”DOFs。PZT-Based主動(dòng)系統(tǒng)，如TMC的STACIS®，使用另一種方法，允許主動(dòng)控制水平DOFs（見(jiàn)章節(jié)5.4.4）。

5.4.3 前饋

圖17中慣性反饋系統(tǒng)的性能可以通過(guò)添加前饋得到 改 shan。一般來(lái)說(shuō)，前饋比反饋困難得多，但它確實(shí)提供了一種在反饋伺服帶寬受限的情況下 改 shan 系統(tǒng)性能的方法。有兩種“前饋”系統(tǒng)，雖然名字相同，但卻*不同。

振動(dòng)前饋。該方案涉及到地面運(yùn)動(dòng)傳感器的使用，如圖17所示。從概念上講，這是相當(dāng)簡(jiǎn)單的：如果地球上升一個(gè)量?z，載荷通過(guò)彈簧的壓縮感覺(jué)一個(gè)力等于Ks?z。然而，地面運(yùn)動(dòng)傳感器檢測(cè)到這種運(yùn)動(dòng)，并對(duì) 有 xiao 載荷施加相等和相反的力。作用在 有 xiao 載荷上的力“抵消”，有 xiao 載荷不受影響。“取消”加了引號(hào)，因?yàn)檫@是一個(gè)被濫用的術(shù)語(yǔ)。它暗示著*消去——這從來(lái)不會(huì)發(fā)生。在實(shí)際系統(tǒng)中，須考慮這兩種力如何相互抵消。由于各種各樣的原因，很難讓這些力的匹配度超過(guò)10%，這將導(dǎo)致系統(tǒng)響應(yīng)提高10倍。將這些力量與1%的水平相匹配實(shí)際上是不可能的。原因有很多：傳感器通常是檢波器，沒(méi)有“平坦”的頻率響應(yīng)。它的響應(yīng)須被一個(gè)仔細(xì)匹配的共軛濾波器“壓平”。這個(gè)信號(hào)的增益須仔細(xì)匹配，以便執(zhí)行器產(chǎn)生的力與地面運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的力在量級(jí)上*相等。這些增益和“共軛濾波器”的特性須隨著時(shí)間和溫度保持在百分之一的恒定范圍內(nèi)。如果系統(tǒng)的質(zhì)量分布發(fā)生變化（這在半導(dǎo)體設(shè)備的應(yīng)用中很常見(jiàn)），增益匹配也是極其困難的。最 hou，消除水平受到傳感器固有噪聲（噪聲基底）的限制。

振動(dòng)前饋的另一個(gè)限制因素是，如果地面不是 無(wú) xian 剛性（實(shí)際上不是 無(wú) xian 剛性），它將成為一個(gè)反饋系統(tǒng)。這是因?yàn)閳?zhí)行器，在推動(dòng) 有 xiao 載荷的同時(shí)，也在推動(dòng)地面。地面會(huì)在這個(gè)力的作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn)，這種偏轉(zhuǎn)會(huì)被傳感器檢測(cè)到。如果這種偏差產(chǎn)生的信號(hào)電平足夠大，就會(huì)形成一個(gè)不穩(wěn)定的反饋回路。

由于與振動(dòng)前饋相關(guān)的諸多問(wèn)題，TMC并沒(méi)有繼續(xù)研究它。事實(shí)上，盡管可以從其他供應(yīng)商獲得，但我們知道還沒(méi)有成功的商業(yè)應(yīng)用技術(shù)。然而，隨著越來(lái)越復(fù)雜的DSP控制器和算法，它有可能在未來(lái)變得更有吸引力。目前已成功應(yīng)用的技術(shù)是命令前饋。

命令前饋。同樣如圖17所示，命令前饋僅在有一個(gè)已知的力作用于載荷的應(yīng)用程序中有用，并且有一個(gè)與該力成比例的信號(hào)可用。幸運(yùn)的是，在半導(dǎo)體制造設(shè)備中，對(duì) 有 xiao 載荷的主要干擾是處理晶圓的移動(dòng)級(jí)。

這里的概念很簡(jiǎn)單。一個(gè)力作用于一個(gè)已知大小的 有 xiao 載荷（通常來(lái)自級(jí)加速度）。一個(gè)與力成比例的電子信號(hào)被施加到一個(gè)制動(dòng)器上，該制動(dòng)器產(chǎn)生一個(gè)相等和相反的力。正如前面提到的，在文獻(xiàn)中有一種傾向，夸大了這種技術(shù)的 有 xiao 性。荒謬的聲明聲稱(chēng)“*消除”剩余載荷運(yùn)動(dòng)是常見(jiàn)的。與振動(dòng)前饋一樣，存在增益調(diào)整問(wèn)題，但與傳感器噪聲或可能的反饋路徑有關(guān)的所有問(wèn)題都被消除了。只要信號(hào)是來(lái)自（例如）舞臺(tái)運(yùn)動(dòng)控制器的真實(shí)命令信號(hào)，這就是正確的。如果信號(hào)是由讀取舞臺(tái)位置的編碼器產(chǎn)生的，那么就有可能形成一個(gè)不穩(wěn)定的反饋回路。這些系統(tǒng)可以很好地執(zhí)行，抑制階段誘導(dǎo)的載荷運(yùn)動(dòng)一個(gè)數(shù)量級(jí)或更多，將在第5.7節(jié)進(jìn)一步討論。

5.4.4 PZT-Based系統(tǒng)

圖18顯示了“安靜墩”減振器的概念，例如TMC的主動(dòng)減振器系列。它由一個(gè)通過(guò)壓電換能器（PZT）硬安裝到地面上的中間質(zhì)量組成。該減振器上安裝有檢波器，檢波器信號(hào)通過(guò)寬帶伺服回路反饋到PZT。這就形成了一個(gè)“安靜墩”來(lái)支持隔離的載荷。隔離伺服的活躍以上頻率帶寬是由?20 hz彈性體。這種彈性體還可以防止墩通過(guò) 有 xiao 載荷相互“交談”（有xiao 載荷須放置在幾個(gè)獨(dú)立的安靜墩上）。這個(gè)系統(tǒng)有其 獨(dú) te 的優(yōu)點(diǎn)和局限性。

STACIS®系統(tǒng)的隔振性能在0.6-20 Hz的頻率范圍內(nèi)是 最 hao 的，但有一些限制（將在下面討論）。它也比慣性反饋系統(tǒng)需要更少的調(diào)諧，彈性體安裝使系統(tǒng)幾乎*不受負(fù)載中的結(jié)構(gòu)共振的影響。有 xiao 載荷與外部設(shè)備（對(duì)接）的對(duì)齊不是問(wèn)題，因?yàn)橄到y(tǒng)本質(zhì)上是通過(guò)20hz彈性體“硬安裝”到地面上的。由于系統(tǒng)對(duì)外力（移動(dòng)階段）的響應(yīng)是20hz彈性體支架的響應(yīng)，所以穩(wěn)定時(shí)間非常好。這可與 最 hao 的 慣性反饋系統(tǒng)相媲美。彈性體支架的剛度也使STACIS®幾乎*不受房間氣流或直接施加在載荷上的其他力的影響，并使其能夠支持非常高的重心載荷。

STACIS®可以支持，并始終兼容，工具包含任何類(lèi)型的內(nèi)置被動(dòng)或主動(dòng)氣動(dòng)隔振系統(tǒng)。

不幸的是，壓電陶瓷的運(yùn)動(dòng)是有限的（大約20 - 25µm）。因此，伺服飽和和“解鎖”，如果地面運(yùn)動(dòng)超過(guò)這個(gè)峰 - 峰振幅。幸運(yùn)的是，在大多數(shù)環(huán)境中，地面運(yùn)動(dòng) 從 wei 超過(guò)這個(gè)振幅。為了獲得良好的隔振特性，PZT伺服的主動(dòng)帶寬為~0.6至~ 200Hz。這種高帶寬只有在減振器由非常堅(jiān)硬的地面支撐的情況下才可能實(shí)現(xiàn)。減振器需要這個(gè)，因?yàn)樗Q于中間質(zhì)量的移動(dòng)量，移動(dòng)量與高達(dá)幾百赫茲的PZT電壓成比例。如果地面在 有 xiao 帶寬內(nèi)有共振，這可能不是真的。大多數(shù)樓層的共振遠(yuǎn)低于200Hz，但這是可以接受的，只要樓層足夠大，其共振不是由伺服顯著驅(qū)動(dòng)。地面合適的形式規(guī)范成為地面合規(guī)，在/µ磅力（或µm / N）。一般來(lái)說(shuō)，STACIS®須直接安裝在混凝土地面上。它只有當(dāng)支持框架精心設(shè)計(jì)非常剛性時(shí)，才能在架空地面或焊接鋼框架上工作。另一個(gè)問(wèn)題是“建筑物搖擺”，即由風(fēng)引起的建筑物頂部的運(yùn)動(dòng)。在上層，這通常超過(guò)25毫米，因此如果在上層使用（取決于建筑的長(zhǎng)寬比和結(jié)構(gòu)），系統(tǒng)可能飽和。

這種方法包括用一個(gè)高帶寬伺服裝置靜置一個(gè)小的“中間質(zhì)量”，然后用一個(gè)無(wú)源20Hz橡膠支架將主載荷安裝在那個(gè)“安靜墩”上。

5.4.5 其他的

還有許多其他類(lèi)型的主動(dòng)隔振系統(tǒng)。

第 yi 類(lèi)廣義的“替代”主動(dòng)系統(tǒng)是混合系統(tǒng)。其中一個(gè)是一個(gè)安靜墩和一個(gè)簡(jiǎn)單的單擺隔振器的混合體。在這里，一個(gè)3桿系統(tǒng)只包含3個(gè)PZT，它們主動(dòng)控制每個(gè)桿的垂直運(yùn)動(dòng)（因此高度、俯仰和滾動(dòng)的 有 xiao 載荷的運(yùn)動(dòng)是主動(dòng)控制的）。“水平”DOFs是使用簡(jiǎn)單的鐘擺從每個(gè)1-DOF安靜墩懸掛隔離。該系統(tǒng)的成本只有全自由度安靜墩系統(tǒng)的五分之一，因?yàn)镻ZTs要少得多。另一方面，這些系統(tǒng)在水平方向的擺響應(yīng)有時(shí)是不理想的。

還有STACIS®安靜墩類(lèi)型系統(tǒng)與慣性反饋系統(tǒng)的混合，以提高彈性體支架的動(dòng)態(tài)性能。這些系統(tǒng)有額外的成本，須針對(duì)每個(gè)應(yīng)用程序進(jìn)行調(diào)整。

*這是一個(gè)近似的表述，因?yàn)镻EPS是一個(gè)線性系統(tǒng)，而機(jī)械閥門(mén)是非線性的。一般來(lái)說(shuō)，小位移的峰值水平較快，而大位移的峰值水平較慢。

**例如，P.G. Nelson, Rev. Sci. Instrum., 62, p.2069 (1991)。

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