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主動隔振系統的歷史發展及應用(一)​

釋出時間₪◕☁:2022.07.15 閱讀量₪◕☁:463


本篇文章將為大家講解主動隔振系統是如何工作的▩↟,應用領域▩↟,以及有什麼限制▩✘。由於主動隔振系統在半導體制造業的大量應用▩↟,因此得到了特別的關注▩✘。


【主動隔振系統的歷史發展】


反饋控制系統已經存在了幾百年▩↟,但是在20世紀有了最大的發展▩✘。在第二次世界大戰期間▩↟,這項技術被用於防禦系統▩↟,取得了非常迅速的進展▩✘。如今這些發展仍在繼續▩↟,即使在今天很多地方也在使用反饋控制系統▩↟,例如戰鬥機控制系統和導彈制導系統▩✘。


主動隔振系統是用於國防的機電控制系統的擴充套件▩↟,早在20世紀50年代▩↟,主動隔振系統就被開發用於直升機座椅等應用▩✘。因此▩↟,主動控制系統專門用於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▩↟,它們在廣泛使用方面進展緩慢的原因有很多▩✘。主動隔振系統比被動隔振系統相對更復雜▩↟,成本更高▩↟,但是▩↟,主動隔振系統擁有被動隔振系統無法實現的功能▩✘。



近年來▩↟,有兩件事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增長▩↟,其次是生產更多☁₪••、更快☁₪••、成本更低的半導體產品的需求▩✘。


光刻和檢測過程通常包括將矽片放置在一個沉重和/或快速移動的平臺上▩↟,從而相對於關鍵的光學(或其他)元件來定位矽片▩✘。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”▩✘。


儘管在這樣的移動之後▩↟,儀器的運動可能很小(幾毫米)▩↟,但儀器的解析度正在接近▩↟,在某些情況下甚至在1奈米以下▩✘。具有這種解析度的儀器不可避免地對最小的振動級別都很敏感▩↟,即使是輕微的振動▩↟,這種解析度的儀器也容易受到影響▩↟,在這種情況下▩↟,主動隔振系統透過隔離有效載荷在此類階段運動發生後的殘餘運動來隔離振動▩✘。


第二個使主動隔振系統更受歡迎的變化是數字訊號處理技術的進步▩✘。一般來說▩↟,基於類比電子學的有源系統會比基於數字的系統表現更好▩✘。這是因為高效能類比電子具有固有的低噪聲和頻寬▩✘。(相對便宜的運算放大器可以有30位的等效解析度和許多兆赫的“取樣率”▩✘。)類比電子產品也很便宜▩✘。模擬系統的問題是▩↟,它們必須手動調整▩↟,不能(容易)處理非線性反饋或前饋應用▩✘。



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演算法▩✘。這使得有源系統更容易用於OEM應用程式(例如半導體行業)▩✘。它們還可以被程式設計來執行各種任務▩↟,根據命令在任務之間自動切換▩↟,還可以進行軟體升級▩↟,無需舉起烙鐵就能“重新連線”反饋系統▩✘。


【伺服系統和術語】


儘管主動隔振系統的術語相當通用▩↟,但也有一些變化▩↟,所有主動控制系統的基礎如下圖所示▩✘。


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▩✘。它表示一個傳遞函式▩↟,即塊的輸出與輸入之比▩↟,表示為頻率的函式▩✘。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式▩↟,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▩✘。



一個基本的反饋迴路由三個元素組成₪◕☁: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▩↟,則傳遞函式的單位為(m/N)▩✘。G的傳遞函式有一個特殊的名稱₪◕☁:被控物件的傳遞函式▩✘。所有傳遞函式(G☁₪••、H☁₪••、乘積GH等)都用複數(實部和虛部同時存在的數)表示▩✘。在任意給定頻率上▩↟,一個複數表示複平面上的一個向量▩✘。向量的長度和角度表示傳遞函式的大小和相位▩✘。


3)標記為“H”的塊稱為補償▩↟,通常表示伺服▩✘。對於隔振系統▩↟,它可能代表一個感測器的總傳遞函式▩↟,監測工廠的輸出(加速度計)▩↟,一些電子過濾器▩↟,放大器▩↟,最後▩↟,制動器產生一個力作用在有效載荷▩✘。在這個例子中▩↟,響應的大小☁₪••、相位和單位為(N/m)▩✘。注意▩↟,系統的迴圈傳遞函式▩↟,即乘積(GH)▩↟,必須是無單位的▩✘。在控制系統的效能和穩定性分析中▩↟,迴路傳遞函式是最重要的量▩↟,我們將在後面討論▩✘。


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)▩✘。每個輸入的旁邊都列印一個加號或減號▩↟,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訊號或誤差點▩✘。


可以表明▩↟,系統的閉環傳遞函式如方程16所示▩✘。這也許是控制理論中最重要的關係▩✘。分母1+GH稱為特徵方程▩↟,因為其根在複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|)遠小於1時▩↟,閉環傳遞函式僅為分子(G)▩↟,對於大環路增益(|GH|>>1)▩↟,傳遞函式被環路增益降低或抑制▩✘。因此▩↟,當閉環增益大於單位增益時▩↟,伺服系統對系統的影響最大▩✘。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頻寬▩✘。


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頻寬的限制▩✘。


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▩↟,閉環傳遞函式才會變大▩✘。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頻寬內的增益▩✘。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▩✘。相位裕度小於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▩✘。


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