[发明专利]基于重力补偿器的控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种精密运动装备，尤其涉及一种基于重力补偿器的控制方法。

背景技术

精密运动装备中，物体重力对垂向运动的影响较大，需要采取措施进行补偿。在近些年的光刻机中，普遍采用重力补偿器加垂向电机的组合，重力补偿器（简称GC）专门平衡驱动物体的重力，以气体驱动最常见，也有靠磁性悬浮或者弹簧驱动的，而垂向电机则负责驱动物体的垂向运动，进行解耦控制。

现有技术中对重力补偿器的详细介绍可以参考US6337484。如专利US6337484中所示，该技术方案将微动台的水平和垂向运动分开控制。垂向驱动采用重力补偿器，包括一个气缸和一个Z向Lorentz（洛伦兹）电机，气缸与洛伦兹电机并联，垂向驱动一共包括三组重力补偿器。气缸提供稳定的静态力，平衡微动台重力。Lorentz电机提供动态力，驱动微动台垂向运动。重力补偿器中设计水平和旋转气浮轴承使其具有X、Y、Rx、Ry、Rz方向自由度，通过Lorentz电机驱动物体相对于下层物体做解耦运动。该专利只涉及重力补偿器的结构，并未涉及对重力补偿器的控制策略以及控制参数的校正的公开或介绍。

现有技术中的精密运动装备中，采用三个气动重力补偿器来补偿物体重力的方案比较常见，但同时针对三个重力补偿器的控制策略尚不多见。目前已知的重力补偿器控制目标是：一、补偿物体重力；二、参与Z向驱动。现有技术中的针对重力补偿器的控制策略中，使三个重力补偿器的气缸共用一个气路，因此气动伺服环路只有一个，且只能调节一个气压值。其缺点是当物体存在倾斜时，一个气路很难调节平衡。另外校准参数只有执行器偏置，不利于提高重力补偿器的控制精度。

发明内容

为了克服现有技术中存在的缺点，本发明提供一种新的基于重力补偿器的控制方法，用以实现物体在Z、Rx、Ry方向的精密运动。

为了实现上述发明目的，本发明公开一种基于重力补偿器的控制方法，其特征在于，包括：

步骤一：将所述重力补偿器与垂向电机环路并联控制物体做三自由度Z、Rx、Ry运动，所述重力补偿器与垂向电机共用三个分别与所述三自由度对应的逻辑轴，所述重力补偿器提供物体在所述三自由度运动的驱动力；

步骤二：信号经三个逻辑轴的控制器后分为垂向电机控制通路和重力补偿器控制环路，所述重力补偿器控制环路包括三个独立气路；

步骤三：对所述重力补偿器控制环路的参数进行校准，使用校准后的参数参与重力补偿器控制环路以控制所述重力补偿器。

其中，所述步骤二中重力补偿器控制环路具有开环和闭环功能，开环时重力补偿器平衡静态重力，闭环时参与动态驱动力补偿。

其中，所述步骤三中待校准参数依次为：比例压力阀因子、执行器偏置和增益平衡矩阵，所述比例压力阀因子为3个，所述执行器偏置有3个，所述增益平衡矩阵为3×3阶，有9个元素。

其中，所述步骤二中重力补偿器控制环路包括：所述比例压力阀因子，所述执行器偏置，所述增益平衡矩阵，测量系统，重力补偿器控制器，重力补偿器单元，比例压力阀和前馈设定值。

其中，所述比例压力阀因子的校准步骤具体包括：

步骤1.1：所述重力补偿器控制环路断开，所述执行器偏置清零，设置所述前馈设定值；

步骤1.2：测量重力补偿器单元气腔内部的气压，根据所述气压和重力补偿器的活塞面积得到校准后的比例压力阀因子。

其中，所述比例压力阀因子的校准公式为：

，

其中i的取值为1至3，Factor_i,cal是校准后的比例压力阀因子，Factor_i,old 是校准前的比例压力阀因子，F是前馈设定值，P_i是重力补偿器气腔内部的气压，S_i为第i个重力补偿器的活塞面积。

其中，所述执行器偏置的校准根据逻辑轴控制器的输出进行计算，并采用叠代方法来计算校准后的执行器偏置。

其中，所述执行器偏置的校准步骤具体包括：

步骤2.1：所述重力补偿器控制环路断开，设置所述前馈设定值，所述执行器偏置清零；

步骤2.2：使用校准后的比例压力阀因子，垂向电机控制通路闭环，三个逻辑轴设定值为0；

步骤2.3：追踪逻辑轴控制器的输出，取平均值；