文|编辑 祥说

介绍

光刻机通常由工作平台及其减振系统、精密定位系统、测量系统、光源系统和精确控制系统组成，其中精密定位系统包括高速、高精密工件台和掩模台。

目前在光刻机精密定位系统中，由于直线电机可直接实现直线运动，可以获得比旋转电机大得多的加速度和减速度，且噪音低，在推力、速度、定位精度、效率等方面比旋转电机具有更多的优势。

因而被广泛运用于许多高速、高精密的运动控制中。

直线电机是光刻机中的关键驱动部件，由于其驱动直接性、简洁性，运动平台和负载与直线电机动子直接固接，因此负载的变化、外界的扰动和系统参数的变化都将直接影响到控制系统的性能，进而影响光刻的质量。

如何有效地抑制各种扰动的影响是直线电机驱动系统的运动控制器的基本任务之一。

对于负载变化、系统模型参数的变化、摩擦等干扰，国内外许多学者对此展开了研究，如汪镭等采用模型参考自适应控制、杨开明等采用极点配置法。

FGHIFJ 等采用基于摩擦力模型的补偿法、FengGuang 等采用自抗扰控制器、LiuMeiqin等采用模型预测控制器或将这些方法结合的智能控制等加以解决，但是这些方法通常都比较复杂，且难以实现。

干扰观测器由ohnishi首先提出，umeno和hon进一步完善。

它具有以下优点：在没有较大模型误差的情况下，具有干扰抑制的独立调整特性和响应快的特点。

与比例校正相结合，设计时可选择阶次、相对阶次和低通滤波器带宽等参数，具有更大的灵活性。

单纯的pi调节器动态校正可以有效抑制阶跃干扰，但对于周期性的交变干扰抑制能力差，对这两种干扰都能有效抑制。

并且实现简单，易于实时控制，不需要额外的力（力矩）传感器，具有良好的干扰抑制性能和对系统参数变化的鲁棒性。

为消除高频干扰，可以采用在实践中已被广泛应用的数字低通滤波的方法。

本文依托国家自然科学基金委项目重大项目、上海市科委联合资助项目《精密机械减振隔振技术研究》，设计了光刻机模拟宏动平台。

在此基础上参考大量文献，对光刻机宏动运动试验台中的掩模台定位运动平台提出了一种不完全微分干扰观测器的控制策略。

直线电机驱动掩模台宏动定位系统的数学模型图

图1为所设计的光刻机宏动运动试验平台的掩模台驱动直线电机，掩模台通过气浮轴承、连接臂直接固连在直线电机平台的动子上.

而直线电机平台则通过一排螺栓固定在运动试验台的支架上，直线电机采用荷兰公司的UL系列无铁芯直线电机。

参考相关文献，经矢量控制后得直线电机平台的数学模型为直线电机电压平衡方程：

如果把外界扰动和摩擦力全部计入外部干扰 ，得到直线电机运动平台的简化模型。

如图 2 所示。

掩模台宏动定位平台 伺服控制系统设计

根据上述分析，本文所采用的伺服控制系统结构如图3所示。

图中，x为系统输入，G（s ）为pId控制器的传递函数，C为 pid控制器的输出，u为控制器的输出，d为等效干扰，p（s）为控制对象的传递函数，y为系统的输出，H（s）为控制对象Q（s）的名义模型。

2.1控制器设计

采用PID控制方法简单，其中比例环节的作用是减小偏差，积分环节主要用于消除静态误差，提高系统的稳定性，微分环节可加快系统的动作速度，减少调节时间,该控制方法具有简单、稳定性好、可靠性高等优点。

此外，在PID控制中，微分信号的引入可改善系统的动态特性，但也容易引起高频干扰，在误差扰动突变时尤其显出微分项的不足。

若在控制算法中加入低通滤波器，即采用不完全微分法，如图4所示，则可使系统性能得到改善。

不完全微分PID有如下两种结构：一种是如图4a所示的将低通滤波器直接加在微分环节上；

另一种是如图4b所示的将低通滤波器加在整个pid控制之后，本文采用的是前者。

图4a所示的不完全微分结构的传递函数为：

式中前面两项同普通 PID控制器中的一样，只是第三项不同，离散并推导整理后的结果为：

其中：t为采样时间，a为低通滤波器系数。

PID控制器的参数可以通过方法、解析法、衰减曲线法及仿真试验法来进行确定， 本文所采用的参数是经过大量仿真试验来得到的。

2.2干扰观测器设计

由于干扰观测器不需要对干扰信号建立准确的数学模型，而且它本身的结构也非常简单，因此在预测干扰信号时避免了大量的数学计算，能够很好地满足实时需要。

在系统设计时，考虑到系统的干扰可以归结为外部扰动以及由于执行机构和其理想数学模型之间的参数变化而产生的误差。

因此，利用干扰观测器对干扰信号有效地预测和补偿，那么在一定的误差内就可以将实际执行机构的模型用其参考模型来等价。

仿真试验研究

按照前面所设计的控制模型及参数，进行只有PID控制器和PID控制器+扰动观测器的对比仿真研究。

根据前面所建立的模型和参数，编程先求出G1（s）和G2（s） ，然后代入用MATLKAB 所搭建的仿真模型中。

输入采用幅值为1频率为1HZ的正弦波，扰动采用幅值为3、频率为2.5HZ的正弦波，由于期望输出和实际输出的比较不易看清楚。

因此在本文中既给出了仿真情况下的跟踪信号，也给出了仿真情况下的跟踪误差信号和跟踪信号的局部放大信号。

图7是只有pid控制器的正弦输入跟踪信号，从图中看不出输入和输出有什么分别，但从图11的误差信号和图12的局部放大信号可以看出其中的差别的。

其响应速度比较快，误差分布范围内变化；

图 10是pid干扰观测器的正弦跟踪信号，从图形上看和图7没有什么区别， 但从图8图所示的误差跟踪信号就可以明显的看出来，有扰动观测器的跟踪误差信号在。

结论

光刻机是微制造IC领域的一项关键设备，而掩模台定位系统又是光刻机中的一项关键技术，其运动性能直接关系到芯片的光刻质量。

本文提出的基于不完全微分pid干扰观测器的控制方法仿真结果表明，在具有相同的扰动下，仅采用普通pid控制时，系统跟踪误差在0.025范围内变化。

而采用本文提出的控制方法，系统跟踪误差在0.015的范围内变化，后者比前者具有更好的控制性能，因而可以使系统得到较好的抗干扰能力、 跟踪性能和控制效果。

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