基于电流变阻尼超精密气浮工作台建模及控制研究

　　超精密装备(如光刻机)的加工速度和加工精度等性能指标已成为衡量一个国家科学技术水平的重要方面。而成功实现超精密加工系统的关键之一就是开发和研制高速、高定位精度、高响应速度、高稳定性及大行程的定位加工平台。

　　一个运动工作台系统由工件台、导轨、驱动等子系统组成,对比传统的“伺服电机2丝杠2接触支撑导轨”运动系统,“直线电机2气浮支撑导轨”传动系统由于极大程度上减少了机械传动机构的弹性、侧隙及支撑导轨摩擦带来的非线性与延迟等问题,从而动态响应快、加速度高,可以实现极高的运动动态精度。然而,直线气浮系统传动阻尼小,抗干扰能力较差,并随驱动功率的增大而变得更差。因为干扰力和负载变化直接影响其动态性能,最终极大地影响了高定位稳定性和动态精度的实现。

　　为解决直线气浮系统以上问题,目前研究尝试完全主动控制、结构阻尼及智能材料半主动控制等方法。其中以电流变液作为智能材料,通过调节电场强度来实时调节系统阻尼的半主动控制是最有效的方法之一。电流变液[1](Electrorheological Fluid, ERF)通常是指具有高介电常数的固体粒子均匀分散于低介电常数的绝缘液体介质中所形成的一类稳定悬浮液,在足够大的外加电场作用下,其粘度在几毫秒的时间内急剧增大,同时伴随屈服应力、弹性模量的显著增加,在极端情况下液体甚至发生固化,一旦撤去外加电场,又迅速恢复至原状态。因ERF液固态转换快速(毫秒级)、可控可逆、粘度可无级连续变化且能耗极低等优点,在汽车、航空航天及民用基础设施中得到研究和应用。

　　然而关于ERF应用于超精密气浮运动台的理论研究及产品相关报道很少。仅HitoshiHashizume应用电流变液于纳米直线气浮定位工作台上[2-3],实验证实了电流变液可控阻尼可有效地提高抗干扰能力和定位精度。

　　本文作者针对已开发的直线电机驱动的超精密气浮运动台,设计了电流变剪切模式阻尼器;通过辨识得出电流变剪切阻尼器力学类稳态模型;分别对零电场线性及高电场非线性电流变阻尼2种情况下的气浮工作台应用误差积分LQR控制器;为达到综合最优,进一步提出开关及滑模控制器,实验证实这2种控制策略均能同时提高系统的响应速度、减少建立时间、降低跟踪误差及纹波。

　　1　超精密气浮运动台及电流变阻尼器

　　安装电流变阻尼装置的超精密工作台[4]结构简图如图1所示。由直线电机驱动气浮导轨支撑的工作台(滑块)作大行程运动,由光栅检测位置,滑块上安装负载。为实现中心驱动,在滑块一端两侧分别安装电流变液剪切阻尼装置,共有2个液槽、1个连接件、2个短电极及2个长电极组成。滑块通过连接件带动2个长方形短电极(接高压电源负极)剪切槽内的电流变液,而长电极(接高压电源正极)固定在槽内侧底边,液槽固定在基台上。