电控位移平台控制器硬件设计文献综述.docVIP

电控位移平台控制器硬件设计 徐斌 （测控技术与仪器08（1）班 前言 电控位移台( 简称电移台) 是通过精密测量获得工作台的位置信号并依靠步进电机驱动的一种执行装置，它通过丝杠将步进电机的角位移转换成平台的线性移动，平台线性移动的距离和步进电机的角位移量成正比[1]。 电控位移台属于精密工作台的一种，它主要由三部分构成：测量装置、控制装置和驱动定位装置。作为精密仪器，精度的高低除精密机械部分的运动精度外，很大程度上取决于它的定位与测量系统，因此对于电控位移台而言，定位和测量系统的设计尤为重要。实现高精度的精密定位，一定要有与之相适应的高分辨率的位置测量装置。在选择测量装置时除具有高分辨率的性能外，还应考虑测量范围、重复精度、可靠度及稳定性等。尽管目前测长的方法很多，但精度达到亚微米级的测量方法是有限的。实现动态测量主要有两种方法：激光测长和光栅测长。激光测长是比较理想的方法，因为激光测长无需使用光栅测长时的高倍频就能获得较小的当量。光栅因受光衍射现象的影响，一般情况下，测量精度达到0.1微米是比较困难的[2]。 从目前的发展趋势看，由于微型计算机为主体的数字技术发展得很快，伺服系统也普遍采用了微机数字闭环控制系统。除了控制点位外还配有速度、加速度控制以及计算机对系统误差进行修正和监视，使工作台达到较高的动态和静态精度[2]。用微机控制不仅具有速度快、准确、灵活等优点，而且也便于实现电控位移台和整机设备的统一控制。 本次设计主要完成电控位移台的硬件部分，并配合软件设计实现精度要求。包括测量部分及控制部分的硬件设计。 2电控位移台各环节的研究现状及趋势 2.1 工作台位移信号的检测现状 目前在电控位移台中所采用的大行程测量手段主要有光栅测量和激光干涉仪测量。在位移测量领域内广泛应用的技术和产品是感应同步器、光栅、磁栅、容栅和球栅。这5种测量系统都是将一个栅距周期内的绝对式测量和周期外的增量式测量结合了起来，测量单位不是像激光一样的是光波波长，而是通用的米制（或英制）标尺。这五种测量系统都有各自的优势，在竞争中都得到存在和发展并相互补充。在总的发展趋势下，光栅、球栅、磁栅和容栅都在向更高精度、更高分辨力、更大测量长度和更快测量速度发展，而发展得最快、技术性最高、使用得最普遍、市场占有率最高的是光栅位移传感器，而且光栅测量系统在改进抗污染、抗划伤的能力和改善安装使用条件上也达到了更高的技术前沿。 当前国外生产的用于光刻设备上的工作台达到的最高技术指标为：激光测量的分辨率为0.6nm；最大行程超过300mm；硅片工作台速度250nm/s，而掩模工作台的速度可高达1m/s,加速度为1g,定位精度可达到0.1nm.。 目前国内外生产的电控位移台所运用的检测装置主要是光栅传感器，它应用莫尔条纹原理，是18世纪法国研究人员莫尔先生首先发现的一种光学现象。从技术角度上讲，莫尔条纹是两条线或两个物体之间以恒定的角度和频率发生干涉的视觉结果，当人眼无法分辨这两条线或两个物体时，只能看到干涉的花纹，这种光学现象就是莫尔条纹。 光栅传感器的核心部件是光栅副，即标尺光栅和指示光栅，其中标尺光栅附在移动的工作台上，指示光栅与光电接收器附在一起，当两光栅重叠在一起并使两栅线成很小的夹角时，让标尺光栅沿着垂直于栅线的方向移动，指示光栅固定不变时，莫尔条纹的运动方向近似垂直于光栅的移动方向。光栅每移动一个栅距，莫尔条纹就移动一个条纹间隔，光栅改变运动方向，莫尔条纹的运动也随之改变方向，两者之间有着对应的运动关系，可以通过测量莫尔条纹的位移来获取标尺光栅的位移量和移动方向[2]，从而获取电控平台的位移信号。 2.2位移台定位驱动现状 目前电控位移台多利用步进电机来驱动丝杠实现定位。步进电机又称为脉冲电动机，是将电脉冲信号转换为相应的角位移或者是直线位移的电磁机械装置，也是一种输出机械位移增量与输入数字脉冲对应的增量驱动器件[3]。在电控位移台中，步进电机受驱动控制线路的控制，将代表进给脉冲的电平信号直接变换为具有一定方向、大小和速度的机械转角位移，并通过齿轮和丝杠带动工作台移动。 步进电机的工作就是步进转动，其功用是将脉冲电信号变换为相应的角位移或者是直线位移。步进电机的角位移量与脉冲数成正比，它的转速与脉冲频率（f）成正比。给一个电脉冲信号，步进电机转子就转过相应的角度，这个角度就称作步进电机的步距角，目前常用步进电机的步距角大多为一步1.8o或半步0.9o。 步进电机必须使用专用的步进电机驱动器而不能直接接到工频交流或者直流电源上工作。常见步进电机的驱动方式：全电压驱动和高低压驱动。全电压驱动是指在电机移步与锁步时都加载额定电压。为了防止电机过流及改善驱动特性，需加限流电阻。由于步