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专用多轴运动控制卡及其控制算法的研究
作 者: 杜威
导 师: 陈兴林
学 校: 哈尔滨工业大学
专 业: 控制科学与工程
关键词: 运动控制器设计 气浮工件台 扰动观测器 PID
分类号: TP273
类 型: 硕士论文
年 份: 2012年
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内容摘要
随着芯片制造业发展,光刻机的精度和产率的要求越来越高,对其承载芯片的工件平台运动系统提出了更高的指标要求。本文立足于光刻机工件平台运动控制系统的研究,该平台为双台气浮结构,宏动平台使用长行程三相交流力矩直线电机,而微动台使用了高频响,短行程的音圈电机。为解决该控制问题,首先查阅了国内外在光刻载物台的硬件结构上的发展。得到了当前流行的控制器结构,作为参考设计。通过高精度伺服控制理论的发展,其中前馈控制,鲁棒反馈控制以及摩擦抑制作为对精度有重要影响的因素,已经有模块化发展的趋势。结合工件平台的特点,从该运动控制系统的运行环境和分析了控制中可能会遇到的问题。对于高精度控制的需求,找到了扰动观测器的扰动抑制理论。而对于工件平台运动轨迹已知的特性,使用了零相位前馈理论来利用系统运动指令的超前量来拓展系统的带宽,使之具有更好的动态性能。于是重点对这两种理论的原理进行了分析,为控制算法的设计提供理论基础。继而从工件平台控制核心部件运动控制器入手,由于该系统所处的特有工作环境和对处理能力的要求,设计了专用的多轴运动控制卡,并详细的介绍了其硬件设计和逻辑设计,加工成成品后,对各个逻辑模块进行了相应的验证。该逻辑和硬件设计,能够保证该卡同时与多总线能够进行不冲突和低延时的稳定数据交换,而该卡的内部数据传输具有更高的数据吞吐量,能够配合高速运算单元完成特定控制算法的实现。实验平台搭建完成后,通过对运动平台对测试信号的响应测定,对双工件平台系统进行了合理的参数估计和建模分析,同时利用前文所述的控制理论进行了控制器的设计和仿真。最后在运动控制卡内对所述的控制算法进行了实现并进行了实验和数据分析。
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全文目录
摘要 4-5 Abstract 5-6 目录 6-9 第1章 绪论 9-18 1.1 课题背景与实际意义 9-10 1.2 国内外光刻机发展概况 10-11 1.3 国内外伺服理论的发展 11-17 1.3.1 高精度伺服控制的模块化 11-12 1.3.2 国内外对双自由度闭环控制的研究现状 12-13 1.3.3 国内外对前馈控制的研究现状 13-14 1.3.4 国内外对摩擦模型的研究现状 14-17 1.4 本文的研究内容 17-18 第2章 工件平台控制方法 18-26 2.1 工件平台控制特点 18-19 2.2 闭环控制器设计理论 19-23 2.2.1 扰动观测器原理 19-21 2.2.2 扰动观测器稳定性分析 21-23 2.3 前馈控制器设计理论 23-25 2.4 本章小结 25-26 第3章 运动控制卡的硬件设计 26-39 3.1 运动控制卡硬件总体方案 26-29 3.1.1 传统运动控制卡的特点分析 26 3.1.2 多轴专用运动控制卡的设计特点 26-27 3.1.3 硬件设计总体方案设计 27-29 3.2 板上电源、稳压与保护设计 29-30 3.2.1 系统功耗分析与电源接入 29-30 3.2.2 电路的稳压与保护设计 30 3.3 运动控制卡的外围设备接口设计 30-35 3.3.1 接口分析 30-31 3.3.2 VME接入设计 31-34 3.3.3 光纤模块接入设计 34-35 3.3.4 多串口接入设计 35 3.4 运算单元与逻辑控制单元的互联与扩展设计 35-38 3.4.1 DSP和FPGA的配置管理和故障诊断 35-36 3.4.2 DSP与FPGA的总线连接 36-37 3.4.3 DSP与FPGA的存储扩展 37-38 3.5 本章小结 38-39 第4章 运动控制卡的逻辑设计 39-59 4.1 FPGA逻辑的总体方案 39-40 4.2 双口RAM软核的时序特征 40-42 4.3 EMIF64 接口逻辑设计 42-46 4.3.1 EMIF64 接口逻辑特点 42-43 4.3.2 EMIF64 接口逻辑设计 43-45 4.3.3 EMIF64 逻辑设计结果仿真与实验波形 45-46 4.4 VME总线接口逻辑设计 46-49 4.4.1 VME总线逻辑特点 46-47 4.4.2 VME总线接口数据传输基本波形 47 4.4.3 VME总线接口状态机设计 47-48 4.4.4 VME总线逻辑设计结果仿真与实验波形 48-49 4.5 采用 2eVME协议的VME64x接口逻辑设计 49-52 4.5.1 2eVME协议简介与波形 49-50 4.5.2 2eVME接口状态机设计 50-51 4.5.3 2eVME协议接口仿真 51-52 4.6 VME自定义总线接口逻辑设计 52-53 4.6.1 VME自定义总线逻辑特点与波形 52-53 4.6.2 VME自定义总线接口设计 53 4.6.3 VME自定义总线逻辑设计结果仿真与实验波形 53 4.7 光纤接口逻辑设计 53-56 4.7.1 光纤接口逻辑特点与波形 53-54 4.7.2 光纤接口逻辑 54-55 4.7.3 光纤逻辑设计结果仿真与实验波形 55-56 4.8 串口接口逻辑设计 56-58 4.8.1 串口接口逻辑特点与波形 56 4.8.2 串口接口状态机设计 56-57 4.8.3 串口逻辑设计结果仿真与实验波形 57-58 4.9 本章小结 58-59 第5章 实验平台建模与实验 59-74 5.1 宏动平台建模与实验 59-69 5.1.1 长行程直线电机及其驱动器参数 59 5.1.2 气浮平台摩擦建模 59-60 5.1.3 宏动平台的速度环估计 60-61 5.1.4 测试曲线设计 61-62 5.1.5 宏动平台的双闭环控制器设计 62-66 5.1.6 宏动平台的前馈控制器设计 66-69 5.2 微动台参数与双台耦合影响分析 69-70 5.3 运动控制卡宏动平台控制实验 70-73 5.4 本章小结 73-74 结论 74-75 参考文献 75-79 攻读硕士期间发表的学术论文 79 攻读硕士期间申请的专利 79-81 致谢 81
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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 自动化系统 > 自动控制、自动控制系统
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