磁悬浮导向装置及其控制系统和控制方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种用于磁悬浮导向装置及其控制系统和控制方法。磁悬浮导向装置包括动子滑块单元和导轨单元，动子滑块单元成对地布置于导轨单元的两侧。每对动子包括第一动子滑块单元和第二动子滑块单元。控制系统包括位置设定装置、间隙测量传感器以及控制电路。位置设定装置用于设定动子滑块单元相对于导轨单元悬浮的初始高度。间隙测量传感器用于测量动子滑块单元与导轨单元之间的悬浮间隙高度。控制电路与位置设定装置和间隙测量传感器通信连接，并用于根据位置设定装置和间隙测量传感器所得到的值，来获得动子滑块单元所需的期望电流。本申请的磁悬浮导向装置具有更大的预载力，预载力可调以及具有较高的动态响应能力。

Magnetic levitation guiding device and its control system and control method

The invention discloses a magnetic levitation guiding device, a control system and a control method thereof. The magnetic levitation guiding device comprises a movable slide block unit and a guide rail unit, and the sliding block units are arranged on both sides of the rail unit in pairs. Each pair consists of the first mover slider element and the second mover slider element. The control system includes position setting device, clearance measuring sensor and control circuit. The position setting device is used to set the initial height of the slider block relative to the guideway unit. The clearance measuring sensor is used to measure the clearance between the slider and guideway elements. The control circuit is connected with the position setting device and the gap measuring sensor, and is used to obtain the desired current required by the movable slider unit according to the values obtained by the position setting device and the clearance measuring sensor. The magnetic suspension guiding device has larger preload, adjustable preload force and high dynamic response ability.

【技术实现步骤摘要】
磁悬浮导向装置及其控制系统和控制方法
本专利技术涉及一种磁悬浮导向装置，适用于高速无摩擦静音运动装置，诸如半导体制造设备、液晶显示制造设备、检测设备中的运动台定位装置，运动台上承载有硅片、掩模、玻璃基底或者类似的基底用以曝光或者检测。
技术介绍
随着光刻技术的进步和半导体工业快速发展，对于光刻设备有四项基本性能指标：线宽均匀性(CD，CriticalDimensionUniformity)、焦深(Focus)、套刻(Overlay)和产率(Throughput)。为了提高线宽均匀性，光刻机工件台掩模台必须提高水平向精密定位能力。为了提高焦深误差精度，工件台掩模台必须提高垂向精密定位能力。为了提高光刻机套刻误差精度，工件台掩模台必须提高其内部模态来提升动态定位特性。此外，光刻设备必须增加产率，因此工件台必须高速运动，快速启动和停止。光刻设备的高速、高加速和高精密的定位能力是相互矛盾的。为了克服这个矛盾，当前工件台掩模台技术采用了粗微动结构，实现高速和高精度的技术分离。粗动结构主要由直线电机组成，可以实现大行程和高速度运动。微动台则层叠安装于粗动台上，可以动态补偿定位偏差，微动台实现纳米精度，并具有多自由度运动来进行光刻曝光和对准。目前这种结构采用气浮轴承结构驱动设计技术，无法实现多自由度运动与执行器的一体化耦合设计，导致系统运动结构的质量增大，驱动力随着增大，驱动反力施加给系统的残余振动也增大，从而影响了系统的动态性能。此外，由于产率要求高加速度导致附加倾翻力矩加大，工件台掩模台的气浮静刚度约束采用高刚性设计，对导向平面度、预载变形、气浮工艺参数设计要求非常高。同时，考虑到配套的电、气、水、真空通路与柜，工件台掩模台系统结构复杂、庞大、可靠性低、维修维护传统精密气浮运动台利用高压气浮轴承支撑，保证运动台在平台上作无摩擦运动，其关键部件结构主要由高精密的气浮导轨和气浮滑块结构组成。气浮结构由提供正压的气浮垫和真空预紧力(或磁吸力预载)结构由加工成一体。气浮导向装置工作时，气浮结构通入正压气体，在气浮垫与大理石导轨之间形成气膜，使气浮垫受到气浮力N的支撑，保证气浮垫在大理石平台上作无摩擦运动。真空预紧力结构则通入负压气体，使真空预紧力结构受到与气浮力N方向相反的真空预紧力F作用。通过调节气浮力N和真空预紧力F的大小，可以调节气浮垫及气浮导向装置的气浮刚度。如果提高气浮垫的气浮刚度，需要同时增加气浮压力N和真空预紧力F，而增加真空预紧力F会导致气浮垫产生预压弯曲，由于气浮的气膜厚度δ一般只有几微米到十几微米，因此，当弯曲量σ过大使气浮垫与导轨接触时，气浮垫运动将产生机械摩擦，使气浮结构失去作用。当提高承载力时，需要进一步提高供给气压，气浮易发生气振，而且气浮和真空预载的导向装置在基于真空环境应用的运动台中却不能使用。图1示出一种传统的导轨导向装置。如图1所示，该导向装置包括：导轨单元100、动子滑块单元101以及导轨副单元102三部分共同构成。导轨单元100通常用金属导轨或刚性高的陶瓷导轨。动子滑块单元101主要包括机械滑块或气浮滑块，通常可设计为机械部件(如交叉滚子导轨)或气浮部件(如气浮垫)。导轨副单元102由机械滚子轴承组成或由高压气悬浮轴承组成，或由永磁悬浮轴承组成。导向装置具有多个运动自由度，第一运动自由度方向为X方向，指向导轨单元100的长轴方向。第二运动自由度方向为Y方向，与导轨单元100的长轴方向互相垂直正交。导向装置的第三运动自由度方向为Z方向，它与第一运动自由度方向和第二运动自由度方向均垂直正交，指向动子滑块单元101。其中，动子滑块单元101在导轨单元100上沿着第一运动自由度方向能够自由运动。动子滑块单元101在导轨单元100上沿着第二运动自由度方向具有自由运动功能或具有高刚性约束。滑块101在导轨单元100上沿着第三运动自由度方向具有高刚性约束，可承担运动负载。机械滚子轴承102与导轨单元100和动子滑块单元101直接接触，具有高的结构刚性和承载能力，但在高速场景应用下噪声大，难于做到高精度。高压气悬浮轴承与导轨单元100与动子滑块单元101非直接接触，具有较高的结构刚性和承载能力，噪声低，但对应用环境要求高。永磁悬浮轴承与导轨单元100与动子滑块单元101非直接接触，具有较低轴承刚性和较高的承载能力，无噪声，但在静态时难以处于稳定悬浮状态。传统精密运动台还利用机械轴承导轨支撑运动台运动，典型的机械轴承包括：球轴承、滚子轴承、滑动接触轴承。但是为了减小滑动轴承或滚子轴承的振动和噪声，常使用润滑油，运动接触摩擦过程中会产生颗粒污染应用环境，并且接触摩擦力还会限制运动台的速度和精度。这种方案的实施难度大。综上所述，传统的气浮或机械导轨轴承装置或支撑方法并不能满足精密运动台中应用环境需求。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种具有更大的预载力，预载力可调，以及具有较高的动态响应能力的磁悬浮导向装置。为实现上述目的，根据本专利技术的一方面，提供了一种用于磁悬浮导向装置的控制系统，所述磁悬浮导向装置包括动子滑块单元和导轨单元，所述动子滑块单元成对地布置于所述导轨单元的两侧，每对所述动子包括第一动子滑块单元和第二动子滑块单元。所述控制系统包括：位置设定装置，所述位置设定装置用于设定所述动子滑块单元相对于所述导轨单元悬浮的初始高度；间隙测量传感器，所述间隙测量传感器用于测量所述动子滑块单元与所述导轨单元之间的悬浮间隙高度；以及控制电路，所述控制电路与所述位置设定装置和所述间隙测量传感器通信连接，并用于根据所述位置设定装置和所述间隙测量传感器所得到的值，来获得所述动子滑块单元所需的期望电流。一实施例中，所述控制电路可包括第一求和器、控制器、预载力输入器、第二求和器、第三求和器、第一非线性补偿器、第二非线性补偿器、第一电流驱动器、第二电流驱动器以及第四求和器，其中所述位置设定装置的输出端与所述第一求和器的输入端通信连接，所述第一求和器的输出端与所述控制器的输入端通信连接，所述控制器的输出端与所述第二求和器的输入端和所述第三求和器的输入端通信连接；所述预载力输入器的输出端与所述第二求和器的输入端和所述第三求和器的输入端通信连接；所述第二求和器和所述第三求和器的输出端与第一非线性补偿器和第二线性补偿器的输入端通信连接；所述间隙测量传感器的输入端与所述第一非线性补偿器和第二非线性补偿器的输入端通信连接；所述第一非线性补偿器和所述第二非线性补偿器的输出端分别与所述第一电流驱动器和所述第二电流驱动器的输入端通信连接；以及所述第一电流驱动器和所述第二电流驱动器的输出端分别与所述第一动子滑块单元和所述第二动子滑块单元电连接，用于控制所述第一动子滑块单元和所述第二动子滑块单元的运动。一实施例中，所述动子滑块单元可包括铁芯和线圈绕组，所述线圈绕组缠绕于所述铁芯上，其中所述第一电流驱动器和所述第二电流驱动器分别为所述第一动子滑块单元的线圈绕组和所述第二动子滑块单元的线圈绕组供电。一实施例中，所述间隙测量传感器可包括设置于所述动子滑块单元上的第一间隙测量传感器和第二间隙测量传感器，所述第一间隙测量传感器用于测量一对所述动子滑块单元中的一个动子滑块单元与所述铁芯之间的距离，以及所述第二间隙测量传感器本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于磁悬浮导向装置的控制系统，所述磁悬浮导向装置包括动子滑块单元和导轨单元，所述动子滑块单元成对地布置于所述导轨单元的两侧，每对所述动子包括第一动子滑块单元和第二动子滑块单元，其特征在于，所述控制系统包括：位置设定装置，所述位置设定装置用于设定所述动子滑块单元相对于所述导轨单元悬浮的初始高度；间隙测量传感器，所述间隙测量传感器用于测量所述动子滑块单元与所述导轨单元之间的悬浮间隙高度；以及控制电路，所述控制电路与所述位置设定装置和所述间隙测量传感器通信连接，并用于根据所述位置设定装置和所述间隙测量传感器所得到的值，来获得所述动子滑块单元所需的期望电流。

【技术特征摘要】
1.一种用于磁悬浮导向装置的控制系统，所述磁悬浮导向装置包括动子滑块单元和导轨单元，所述动子滑块单元成对地布置于所述导轨单元的两侧，每对所述动子包括第一动子滑块单元和第二动子滑块单元，其特征在于，所述控制系统包括：位置设定装置，所述位置设定装置用于设定所述动子滑块单元相对于所述导轨单元悬浮的初始高度；间隙测量传感器，所述间隙测量传感器用于测量所述动子滑块单元与所述导轨单元之间的悬浮间隙高度；以及控制电路，所述控制电路与所述位置设定装置和所述间隙测量传感器通信连接，并用于根据所述位置设定装置和所述间隙测量传感器所得到的值，来获得所述动子滑块单元所需的期望电流。2.根据权利要求1所述的磁悬浮导向装置的控制系统，其特征在于，所述控制电路包括第一求和器、控制器、预载力输入器、第二求和器、第三求和器、第一非线性补偿器、第二非线性补偿器、第一电流驱动器、第二电流驱动器以及第四求和器，其中所述位置设定装置的输出端与所述第一求和器的输入端通信连接，所述第一求和器的输出端与所述控制器的输入端通信连接，所述控制器的输出端与所述第二求和器的输入端和所述第三求和器的输入端通信连接；所述预载力输入器的输出端与所述第二求和器的输入端和所述第三求和器的输入端通信连接；所述第二求和器和所述第三求和器的输出端与第一非线性补偿器和第二线性补偿器的输入端通信连接；所述间隙测量传感器的输入端与所述第一非线性补偿器和第二非线性补偿器的输入端通信连接；所述第一非线性补偿器和所述第二非线性补偿器的输出端分别与所述第一电流驱动器和所述第二电流驱动器的输入端通信连接；以及所述第一电流驱动器和所述第二电流驱动器的输出端分别与所述第一动子滑块单元和所述第二动子滑块单元电连接，用于控制所述第一动子滑块单元和所述第二动子滑块单元的运动。3.根据权利要求1所述的磁悬浮导向装置的控制系统，其特征在于，所述动子滑块单元包括铁芯和线圈绕组，所述线圈绕组缠绕于所述铁芯上，其中所述第一电流驱动器和所述第二电流驱动器分别为所述第一动子滑块单元的线圈绕组和所述第二动子滑块单元的线圈绕组供电。4.根据权利要求1所述的磁悬浮导向装置的控制系统，其特征在于，所述间隙测量传感器包括设置于所述动子滑块单元上的第一间隙测量传感器和第二间隙测量传感器，所述第一间隙测量传感器用于测量一对所述动子滑块单元中的一个动子滑块单元与所述铁芯之间的距离，以及所述第二间隙测量传感器用于测量该对所述动子滑块单元中的另一个动子滑块单元与所述铁芯之间的距离。5.根据权利要求1所述的磁悬浮导向装置的控制系统，其特征在于，所述动子滑块单元的铁芯为E型铁芯且所述线圈绕组缠绕于所述E型铁芯的中间的突支上，以及所述导轨单元为I型铁芯；或者，所述动子滑块单元的铁芯为C型铁芯且所述线圈绕组缠绕于所述C型铁芯的中部上，以及所述导轨单元为I型铁芯。一实施例中，铁芯由软...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴立伟，杨晓峰，陈庆生，
申请(专利权)人：复旦大学，
类型：发明
国别省市：上海,31