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高精度激光直写数字伺服滤波器的设计-体育平台首页


本文摘要:激光平写技术是近年来得到广泛应用的一种超强仪器加工技术。

激光平写技术是近年来得到广泛应用的一种超强仪器加工技术。这种技术是利用强度星激光束有规律地高精度扫描基片表面。在扫描过程中,光刻衬底随着装载平台移动。因此,它影响不同光刻元件质量的载体平台的定位精度和运动稳定性,影响不同光刻元件快速性的系统调用程度。

基于数字控制器的运动控制器是超强仪器定位系统的关键。由于数字控制器滤波器是数字控制器运动控制器的核心,所以数字控制器滤波器的设计会影响系统的定位精度。

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数字控制器滤波器是指利用数字技术对系统进行闭环控制和调节,所有的控制调节都内置于软件中。调节器的整个软件使控制理论中的许多控制思想和方法得以应用。同时,利用软件更容易完成参数自由化和故障自诊功能,大大提高了系统的控制性能,从而解决了模拟闭环伺服系统无法分离微弱信号的信号和噪声、无法提高控制精度、更容易不受机械摩擦和温度影响、方位环控制产生零漂移误差的缺点。

1控制器控制系统的结构与分析1.1控制器控制系统的结构整个控制器控制系统的硬件结构如右图1所示。上位装置由数字信号处理器和数模转换模块组成,控制器单元由安川控制器驱动程序组成。整个系统是一个闭环伺服电机控制系统。数字信号处理器产生梯形运动曲线的数字脉冲信号。

通过设计的数字滤波器,需要驱动D/A转换器产生模拟电压,并通过控制器单元驱动伺服电机。实际运动中的方位和速度信号由电机转系统给光学编码器,数字信号由光电编码器产生,然后传输到DSP进行采集和处理。

1.2该方案系统分析的关键是解决电机轴与阻抗之间的粘性摩擦以及电机和变频器的外部障碍物。由于没有摩擦环和外界障碍物,系统的动静态性能受到相当大的影响,主要表现为短距离内经常出现海龟现象,稳态时经常出现小的静态误差或无限的环波动。为了满足激光直写的抑制要求,系统必须具有响应速度慢、定位时间短、稳态精度高的特点。如果启动速度过快或过冲,暂停时间过长,系统会有很强的波动和很大的噪声。

2数字滤波器的设计2.1数字控制器滤波器模型的设计通过大量实验,对系统进行分析后发现,采用PID控制方法可以提高精度和阶跃响应;重新加入速度和加速度前馈补偿控制方法,可以提高系统的稳态精度;重新增加摩擦补偿可以解决摩擦的影响。因此,该方案不是利用方位误差扩展闭环控制,利用等效方位信号扩展开环的灌装控制系统。那么系统控制输入u (t)=Up(t),UVA (t),UF (t),其中Up(t)为PID控制器,Uva(t)为速度和加速度补偿控制器,Uf(t)为摩擦补偿控制器。

在方位PID控制中,传递函数如下:(1)速度和加速度前馈补偿的实验设计采用最低阶2,模型简化如下:(2)在Stribeck摩擦模型中,由于摩擦力和速度的关系,阻塞控制的响应为:(3)Fc和bc粘性摩擦模型相当于方位球的估计系数,根据实际情况确定。公式(1)和公式(3)Z转换后,得到带前馈补偿的PID控制公式:PID控制器滤波器的控制规律如图2右图所示。

在图2中,Kp是比例增益,Ki是分数增益,Kd是微分增益,Kfff是速度前馈增益,Kaff是加速度前馈增益,Kf是粘性摩擦系数,en是方位角偏差,Vt是t时刻的速度,at是a 2.2方位PID调节器中的参数调整,比例增益Kp要求系统的快速性,分数增益Ki用于避免系统的静态误差。差分增益Kd可以减小阻尼,增加波动。调整过程就是再次调整Kp,Ki,Kd。

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原Ki第一次增益时,如果把原Ki当成非O值,会造成突然冲刺。为了防止出现这种情况,必须将分数缩减(小数部分的饱和控制器)设置为0,以Ki为期望值,然后将分数限制设置为期望的分数缩减。

这样就把之前的所有分值都清零了,这样就可以从之前的点开始稳定的操作分值了。然后调整Kfff和Kaff,提高系统的稳态精度。最后调整Kf,解决摩擦力的影响。

启动阶段调整Kvff时,过多的Kaff会使速度过慢,造成方位超调。滑动阶段调整Kvff,Kaff太小,不会使定位时间过长。根据最优控制的思想,如果系统紧挨着加速启动,紧挨着速度移动,以半速刹车,可以在最短的时间内超过协商点而不超调。

因此,参数调整应按启动、直线运动和滑动三个阶段进行设置。3MATLAB设计与建模3.1建模模块设计根据设计原理,图L中的偏差计数模块相当于一个带前馈补偿的PID控制器,设计为图2中的对应部分,D/A转换器等效设计为线性数据通过零阶保持器;安川控制器驱动器相当于速度环和电流环;使用模拟示波器仔细观察输入信号。

因此,整个控制器的三环PID建模原理如图3右图所示。Rin(k)是采样时刻k的方位输出信号,为了模拟实际效果,将输出rin(k)设为点方位信号,输出命令为正弦变换信号。Drin(k)是采样时刻k的速度输出信号;Drin (k)是采样时刻k的加速度输出信号,drin (k 1)=(rin (k 1)-rin (k))/ts,ddrin(k 1)=(drin(k 1)-drin(k))/ts。

3.2高精度激光平写的建模波形取决于其性能,主要是速度稳定性、调用程度和方位精度不同。因此,在图3的建模中,需要根据实际情况多次调整控制系统的参数,通过分析比较,可以得到速度稳定、方位准确的跟踪图,其建模波形如图4右图所示。图4(a)显示了速度跟踪结果。设定速度与实际速度一致,速度稳定,控制在0.1%以内。

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时间0附近有一个突然的速度冲刺,这是由于分数收缩没有调整。所以在实际情况下,应将分数缩减(饱和状态控制器)设置为o,以Ki作为期望值,然后将分数限制设置为期望的分数缩减。图4(b)为方位跟踪结果,输入的实际方位与设定的目标方位一致。方位定位精度低,精度控制在0.1%以内。

建模结果表明,在摩擦条件下,方位跟踪不存在平顶现象,速度跟踪不存在死区现象。方位跟踪定位精度低,速度跟踪稳态精度高。4软件构建的控制器单元模块由控制器驱动程序设计,其参数调整可在控制器驱动程序中设置,具体参见驱动程序用户手册。


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