主動(dòng)隔振系統(tǒng)的歷史發(fā)展及應(yīng)用（一）?

本篇文章將為大家講解主動(dòng)隔振系統(tǒng)是如何工作的，應(yīng)用領(lǐng)域，以及有什么限制。由于主動(dòng)隔振系統(tǒng)在半導(dǎo)體制造業(yè)的大量應(yīng)用，因此得到了特別的關(guān)注。

【主動(dòng)隔振系統(tǒng)的歷史發(fā)展】

反饋控制系統(tǒng)已經(jīng)存在了幾百年，但是在20世紀(jì)有了最大的發(fā)展。在第二次世界大戰(zhàn)期間，這項(xiàng)技術(shù)被用于防御系統(tǒng)，取得了非常迅速的進(jìn)展。如今這些發(fā)展仍在繼續(xù)，即使在今天很多地方也在使用反饋控制系統(tǒng)，例如戰(zhàn)斗機(jī)控制系統(tǒng)和導(dǎo)彈制導(dǎo)系統(tǒng)。

主動(dòng)隔振系統(tǒng)是用于國(guó)防的機(jī)電控制系統(tǒng)的擴(kuò)展，早在20世紀(jì)50年代，主動(dòng)隔振系統(tǒng)就被開發(fā)用于直升機(jī)座椅等應(yīng)用。因此，主動(dòng)控制系統(tǒng)專門用于振動(dòng)控制已經(jīng)存在了60多年。在精密振動(dòng)控制行業(yè)，主動(dòng)隔振系統(tǒng)已經(jīng)有近20年的歷史，它們?cè)趶V泛使用方面進(jìn)展緩慢的原因有很多。主動(dòng)隔振系統(tǒng)比被動(dòng)隔振系統(tǒng)相對(duì)更復(fù)雜，成本更高，但是，主動(dòng)隔振系統(tǒng)擁有被動(dòng)隔振系統(tǒng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的功能。

近年來(lái)，有兩件事引起了人們對(duì)主動(dòng)振動(dòng)控制系統(tǒng)的興趣。首先是半導(dǎo)體行業(yè)的快速增長(zhǎng)，其次是生產(chǎn)更多、更快、成本更低的半導(dǎo)體產(chǎn)品的需求。

光刻和檢測(cè)過(guò)程通常包括將硅片放置在一個(gè)沉重和/或快速移動(dòng)的平臺(tái)上，從而相對(duì)于關(guān)鍵的光學(xué)（或其他）元件來(lái)定位硅片。當(dāng)這些階段在晶圓片上從一個(gè)位置掃描到另一個(gè)位置時(shí)，它們會(huì)導(dǎo)致整個(gè)儀器在隔振系統(tǒng)上“彈跳”。

盡管在這樣的移動(dòng)之后，儀器的運(yùn)動(dòng)可能很?。◣缀撩祝?，但儀器的分辨率正在接近，在某些情況下甚至在1納米以下。具有這種分辨率的儀器不可避免地對(duì)最小的振動(dòng)級(jí)別都很敏感，即使是輕微的振動(dòng)，這種分辨率的儀器也容易受到影響，在這種情況下，主動(dòng)隔振系統(tǒng)通過(guò)隔離有效載荷在此類階段運(yùn)動(dòng)發(fā)生后的殘余運(yùn)動(dòng)來(lái)隔離振動(dòng)。

第二個(gè)使主動(dòng)隔振系統(tǒng)更受歡迎的變化是數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的進(jìn)步。一般來(lái)說(shuō)，基于模擬電子學(xué)的有源系統(tǒng)會(huì)比基于數(shù)字的系統(tǒng)表現(xiàn)更好。這是因?yàn)楦咝阅苣M電子具有固有的低噪聲和帶寬。（相對(duì)便宜的運(yùn)算放大器可以有30位的等效分辨率和許多兆赫的“采樣率”。）模擬電子產(chǎn)品也很便宜。模擬系統(tǒng)的問題是，它們必須手動(dòng)調(diào)整，不能（容易）處理非線性反饋或前饋應(yīng)用。

數(shù)字控制器有潛力自動(dòng)調(diào)整自己和處理非線性反饋和前饋算法。這使得有源系統(tǒng)更容易用于OEM應(yīng)用程序（例如半導(dǎo)體行業(yè)）。它們還可以被編程來(lái)執(zhí)行各種任務(wù)，根據(jù)命令在任務(wù)之間自動(dòng)切換，還可以進(jìn)行軟件升級(jí)，無(wú)需舉起烙鐵就能“重新連接”反饋系統(tǒng)。

【伺服系統(tǒng)和術(shù)語(yǔ)】

盡管主動(dòng)隔振系統(tǒng)的術(shù)語(yǔ)相當(dāng)通用，但也有一些變化，所有主動(dòng)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)如下圖所示。

它包含三個(gè)基本要素：

1）標(biāo)記為“G”的塊稱為裝置，它代表在應(yīng)用任何反饋之前你的機(jī)械(或電子、液壓、熱等)系統(tǒng)的行為。它表示一個(gè)傳遞函數(shù)，即塊的輸出與輸入之比，表示為頻率的函數(shù)。這個(gè)比率同時(shí)有大小和相位，可能是也可能不是無(wú)單位的。例如，它可以表示一個(gè)振動(dòng)傳遞函數(shù)，其中輸入（左邊的線）表示地面運(yùn)動(dòng)，輸出（右邊的線）表示桌面運(yùn)動(dòng)。

一個(gè)基本的反饋回路由三個(gè)元素組成：裝置、補(bǔ)償和總和結(jié)

2）在這種情況下，比值是無(wú)單位的。如果輸入是一個(gè)力，輸出是一個(gè)位置，則傳遞函數(shù)的單位為（m/N）。G的傳遞函數(shù)有一個(gè)特殊的名稱：被控對(duì)象的傳遞函數(shù)。所有傳遞函數(shù)（G、H、乘積GH等）都用復(fù)數(shù)（實(shí)部和虛部同時(shí)存在的數(shù)）表示。在任意給定頻率上，一個(gè)復(fù)數(shù)表示復(fù)平面上的一個(gè)向量。矢量的長(zhǎng)度和角度表示傳遞函數(shù)的大小和相位。

3）標(biāo)記為“H”的塊稱為補(bǔ)償，通常表示伺服。對(duì)于隔振系統(tǒng)，它可能代表一個(gè)傳感器的總傳遞函數(shù)，監(jiān)測(cè)工廠的輸出（加速度計(jì)），一些電子過(guò)濾器，放大器，最后，制動(dòng)器產(chǎn)生一個(gè)力作用在有效載荷。在這個(gè)例子中，響應(yīng)的大小、相位和單位為（N/m）。注意，系統(tǒng)的循環(huán)傳遞函數(shù)，即乘積（GH），必須是無(wú)單位的。在控制系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性分析中，回路傳遞函數(shù)是最重要的量，我們將在后面討論。

4）圓是一個(gè)求和結(jié)。它可以有許多輸入，這些輸入全部加起來(lái)形成一個(gè)輸出。所有的輸入和輸出都有相同的單位（比如力）。每個(gè)輸入的旁邊都打印一個(gè)加號(hào)或減號(hào)，以表示是加還是減。請(qǐng)注意，H的輸出總是在這個(gè)結(jié)處減去，表示負(fù)反饋的概念。累加結(jié)的輸出有時(shí)被稱為電路中的誤差信號(hào)或誤差點(diǎn)。

可以表明，系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)如方程16所示。這也許是控制理論中最重要的關(guān)系。分母1+GH稱為特征方程，因?yàn)槠涓趶?fù)平面的位置決定了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。從這個(gè)方程的形式中，還可以立即看出其他幾個(gè)性質(zhì)。

首先，當(dāng)環(huán)路增益（幅度|GH|）遠(yuǎn)小于1時(shí)，閉環(huán)傳遞函數(shù)僅為分子（G），對(duì)于大環(huán)路增益（|GH|>>1），傳遞函數(shù)被環(huán)路增益降低或抑制。因此，當(dāng)閉環(huán)增益大于單位增益時(shí)，伺服系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)的影響最大。單位增益頻率或單位增益點(diǎn)之間的頻率跨度是伺服系統(tǒng)的主動(dòng)帶寬。

在實(shí)踐中，你不允許使環(huán)路增益在統(tǒng)一增益點(diǎn)之間任意高，仍然有一個(gè)穩(wěn)定的伺服。事實(shí)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(tǒng)的環(huán)路增益通常受到可用帶寬的限制。

方程16的另一個(gè)明顯結(jié)果是，只有當(dāng)|GH|方程1的幅值和相位接近180度時(shí)，閉環(huán)傳遞函數(shù)才會(huì)變大。當(dāng)量GH接近這一點(diǎn)時(shí)，其值接近（-1），方程16的分母變小，閉環(huán)響應(yīng)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(diǎn)處的放大率越低。

然而，結(jié)果表明，較大的相位裕度也會(huì)降低伺服器在其有源帶寬內(nèi)的增益。因此，選擇相位裕度是在增益和穩(wěn)定之間的妥協(xié)在統(tǒng)一增益點(diǎn)。相位裕度小于60度時(shí)，總是會(huì)發(fā)生單位增益的放大。大多數(shù)伺服器被設(shè)計(jì)有一個(gè)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(xiàn)在系統(tǒng)中就像新的共振。