現(xiàn)代控制技術(shù)簡介有很多種方法可消除精密運(yùn)動(dòng)平臺設(shè)計(jì)中導(dǎo)致平臺穩(wěn)定性變差并發(fā)生定位偏差的因素。在整機(jī)設(shè)計(jì)環(huán)境下評估光柵性能時(shí)，控制環(huán)架構(gòu)是一個(gè)重要的考慮因素。本文闡述了雷尼紹RESOLUTE?絕對式光柵系統(tǒng)在此類應(yīng)用中的潛力 — 傳統(tǒng)上只有周期誤差在1 nm范圍內(nèi)的超細(xì)柵距增量式光柵才可勝任此類要求。盡管在某些應(yīng)用中采用超細(xì)柵距系統(tǒng)是合乎情理的，但盡可能地尋找替代解決方案可能是更好的選擇。與超細(xì)柵距光柵相比，RESOLUTE光柵具有如下優(yōu)點(diǎn)：扭擺和間隙公差更寬松，無需返回基準(zhǔn)位置，更容易安裝，系統(tǒng)尺寸更小，工作速度大幅提高，柵尺選擇更加靈活，比如長度更長、抗污性能更佳且成本更低 — 總擁有成本 (TCO) 因此更低。
標(biāo)準(zhǔn)的“比例-積分-微分 (PID)”控制器發(fā)明于大約90年前，但發(fā)展到現(xiàn)在，這種控制器通常已無法滿足當(dāng)今大部分要求苛刻的運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用。控制器微處理功能的進(jìn)步帶來了現(xiàn)代控制方法。這些方法一般使用函數(shù)觀測器來精確模擬系統(tǒng)。觀測器使用輸入電流和位置信息以及工廠(運(yùn)動(dòng)平臺或其他設(shè)備)的標(biāo)稱參數(shù)，能夠估算實(shí)際系統(tǒng)的速度、加速度和干擾信息。
圖1：配有板載RESOLUTE光柵的ACS測試平臺展示
ACS對RESOLUTE光柵的研究
最新的伺服控制算法，比如ACS的ServoBoost?，為負(fù)載、干擾、共振、坐標(biāo)軸交互以及齒槽扭矩的變化提供實(shí)時(shí)自動(dòng)補(bǔ)償。這樣一來，可以縮短系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)間，降低亞納米級靜止定位誤差(抖動(dòng))并減少隨后出現(xiàn)的誤差。ServoBoost?及其他類似算法可用于半導(dǎo)體檢測、平板顯示器檢測、電子元件裝配及醫(yī)療診斷行業(yè)中的高性能伺服控制應(yīng)用。比如，電子束光刻機(jī)的納米定位平臺一般可達(dá)到最小~1 nm的步長，而穩(wěn)定時(shí)間僅需幾微秒。影響運(yùn)動(dòng)平臺性能的因素，包括材料硬度、軸承、機(jī)器軸的直線度和正交性、電機(jī)類型以及光柵誤差等平臺機(jī)械特性。
全球設(shè)備控制器制造商ACS與雷尼紹攜手開發(fā)了一個(gè)試驗(yàn)平臺(圖1)，用于評估采用ServoBoost?控制算法的RESOLUTE光柵系統(tǒng)性能。如今，帶有BiSS?的RESOLUTE補(bǔ)充和完善了ACS的控制算法套件 — 在了解了客戶的需求后，ACS采納了雷尼紹的建議，在算法中加入了開放式BiSS串行通信協(xié)議。試驗(yàn)臺是一個(gè)經(jīng)改良的配有交叉滾子軸承的無鐵直線伺服平臺;裝備單個(gè)1 nm分辨率的RESOLUTE光柵和一個(gè)備用超細(xì)柵距 (400 nm) 激光衍射系統(tǒng)。初步測試表明，每次“啟動(dòng)”控制算法時(shí)，相較于標(biāo)準(zhǔn)PID控制，平臺性能有了顯著提升。
圖2：RESOLUTE光柵和備用超細(xì)柵距系統(tǒng)反饋的抖動(dòng)性能在一段時(shí)間內(nèi)(以秒計(jì))的比較
圖3：RESOLUTE光柵和備用超細(xì)柵距系統(tǒng)反饋的運(yùn)動(dòng)和穩(wěn)定性能在一段時(shí)間內(nèi)(以毫秒計(jì))的比較
圖2顯示了RESOLUTE光柵和備用超細(xì)柵距系統(tǒng)反饋的抖動(dòng)性能比較。在使用標(biāo)準(zhǔn)PID控制器時(shí)，可以清晰地看到超細(xì)柵距系統(tǒng)的抖動(dòng)性能更低，RESOLUTE光柵的測量抖動(dòng)值為6.84 nm RMS(黃色)，而超細(xì)柵距編碼器為3.98 nm RMS(紅色)。而使用ServoBoost?的效果則是可大大減少這些數(shù)值的差別和大小，分別達(dá)到1.91 nm RMS(綠色)和1.46 nm RMS(藍(lán)色)。顯然，強(qiáng)大的控制算法對這兩種編碼器系統(tǒng)的抖動(dòng)性能差異進(jìn)行了很大程度的補(bǔ)償。
圖3表明了在運(yùn)動(dòng)和穩(wěn)定時(shí)間或跟蹤誤差方面亦有了顯著改進(jìn)。黃色曲線顯示的是命令伺服平臺改變位置然后保持靜止的過程中平臺的運(yùn)動(dòng)速度變化曲線(每格100 mm/秒)，而綠色和紅色曲線分別顯示的是采用標(biāo)準(zhǔn)PID和ServoBoost?控制器時(shí)的位置誤差(每格2微米)。高級控制算法顯著改善了穩(wěn)定誤差和性能，并消除了使用PID控制器時(shí)向平臺發(fā)出保持位置命令后隨即出現(xiàn)的阻尼振蕩。
“ACS的ServoBoost?算法與雷尼紹的RESOLUTE光柵相結(jié)合，將有利于設(shè)備制造商在諸多要求嚴(yán)苛的應(yīng)用中使用絕對式光柵，從而發(fā)揮絕對式光柵的優(yōu)勢，而傳統(tǒng)上需要更為昂貴的激光增量式光柵才能滿足這些應(yīng)用要求?！薄狝CS Motion Control(以色列)
關(guān)于ACS
ACS Motion Control是一家跨國公司，總部位于以色列的Migdal Ha-Emek，該公司為精密運(yùn)動(dòng)設(shè)備提供基于EtherCAT?網(wǎng)絡(luò)的高性能機(jī)器控制系統(tǒng)。ACS Motion Control的高性能控制器和驅(qū)動(dòng)器現(xiàn)在可與RESOLUTE絕對式光柵和BiSS串行通信協(xié)議兼容，這使得ACS的專有性能算法套件第一次具有了互操作性。該算法套件包括可選的ACS ServoBoost?和Smarter Gantry Control算法。
（轉(zhuǎn)載）
