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提高實時調(diào)焦伺服系統(tǒng)性能的一種新方法

時間:2008-03-22 14:02:00來源:ronggang

導(dǎo)語:?對二元光學(xué)元件激光直寫設(shè)備實時調(diào)焦伺服系統(tǒng)的要求與實現(xiàn)方法進行了較為全面的介耋呂,并分析了影響調(diào)焦伺服系統(tǒng)性能的主要因素
[align=center][/align]摘要:對二元光學(xué)元件激光直寫設(shè)備實時調(diào)焦伺服系統(tǒng)的要求與實現(xiàn)方法進行了較為全面的介介紹,并分析了影響調(diào)焦伺服系統(tǒng)性能的主要因素。提出了采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對離焦信號進行線性化處理,同時采用壓電陶瓷作為執(zhí)行元件,并進行動態(tài)非線性補償;可大大提高調(diào)焦伺服系統(tǒng)的精度與帶寬。同時,在線估算離焦信號的帶寬,以此調(diào)節(jié)刻劃的速度,可大大提高刻劃的效率。 關(guān)鏈詞:實時調(diào)焦;BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò);線性化處理;動態(tài)非線性補償;頻帶估算 1 引言 二元光學(xué)(衍射光學(xué))元件的設(shè)計與制作是以波動光學(xué)為理論基礎(chǔ),以計算機為設(shè)計工具,以超精密加工、光刻和復(fù)制技術(shù)為主要加工手段的綜合性技術(shù)前沿。目前,激光直寫設(shè)備是制作二元光學(xué)元件的關(guān)鍵設(shè)備。但是用它制作衍射光學(xué)元件時,因裝調(diào)和主軸的軸向跳動以及光刻膠的表面不光滑導(dǎo)致激光束的焦點偏離光刻面。為了保證加工質(zhì)量,激光直寫設(shè)備必須具有一套高性能的實時調(diào)焦伺服系統(tǒng),使加工面始終處于焦深之內(nèi)。為了提高設(shè)備的分辨率,光刻頭顯傲物鏡的數(shù)值孔徑不斷增大,焦深范圍很小,要求調(diào)焦的精度越來越高。隨著刻劃速度的提高,要求調(diào)焦伺服系統(tǒng)的頻帶加寬。因此,調(diào)焦伺服系統(tǒng)的性能是影響整個系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素。 實時調(diào)焦伺服系統(tǒng)的精度主要由三個方面決定:一是探焦單元及其智能傳感器的精度,二是執(zhí)行機構(gòu)的分辨率,三是調(diào)焦伺服控制器的性能。調(diào)焦伺服系統(tǒng)的帶寬主要由執(zhí)行機構(gòu)與控制器決定。焦點探鋇l方法主要有刀IZl法、臨界角法和象散法。采用臨界角法探焦,光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡單。分辨率高,動態(tài)范圍寬,在激光直寫設(shè)備中,采用了此方法。采用臨界角法時,離焦量與輸出信號的關(guān)系為非線性⋯1(圖1)。由于壓電陶瓷的位移分辨率可達納米量級,開環(huán)頻響達lld-Iz以上,且輸出力矩大,在超高精度調(diào)焦伺服系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。壓電元件的控制方式有電壓法與電流法,當壓電元件采用電壓控制時,控制電壓與伸長量為非線性 J,如圖2所示;著采用電流控制,壓電元件的非線性得到了很大的改善,但壓電元件的動態(tài)特性大大降低。本文提出采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對離焦信號進行線性化處理,并對壓電元件進行模擬與前饋補償,使壓電元件采用電壓控制也可獲得很好的線性度。 在刻劃太口徑元件內(nèi)外圈時,由于線速度差異很大,充分利用光刻頭的調(diào)焦頻帶,最大限度地提高刻劃效率有著非常重要的意義,文中給出了在線估算離焦信號的頻帶,自適應(yīng)調(diào)節(jié)主軸的轉(zhuǎn)速,可極大的提高設(shè)備的效率。 [align=center] 圖2 壓電陶瓷特性曲線[/align] 2 離焦信號的非線性估計與動態(tài)標定 離焦信號的檢測由于采用了臨界角法,離焦量的太小與傳感器的輸出之間存在著嚴重的非線性關(guān)系,幾乎所有的調(diào)焦系統(tǒng)都是利用離焦曲線中間的近似線性區(qū)進行調(diào)焦。執(zhí)行元件采用音圈電機或壓電陶瓷,由于音圈電機的分辨率很難超過0.1微米,因此在亞微米與納米級的定位系統(tǒng)中廣泛采用了壓電陶瓷作執(zhí)行元件,其控制方法為電流控制。這種方法有四個缺點:一是離焦曲線的線性度不高,影響調(diào)焦精度;二是當光刻時大的擾動使離焦量超過近似線性區(qū)時,調(diào)節(jié)時同過長,影響刻劃的質(zhì)量;三是調(diào)焦的頻率太砥,調(diào)焦伺服控制系統(tǒng)的使用范圍大為降低;四是當光刻物鏡的改變或工作較長一段時問后需重新定標,使用很不方便。 [align=center] 圖3 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)原理圖[/align] 由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)擅長從輸入、輸出數(shù)據(jù)中學(xué)習有用的知識,它不需要精確的數(shù)學(xué)模型,能夠解決傳統(tǒng)自動化技術(shù)無法解決的許多復(fù)雜的、不確定性的、非線性的自動化問題,且容易用軟件實現(xiàn),而成為當前主要的智能控制技術(shù)之一。BP網(wǎng)絡(luò)是人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實際應(yīng)用較為成熟的網(wǎng)絡(luò)模型,其網(wǎng)絡(luò)模型具有結(jié)構(gòu)簡單、算法易于掌握等特點。 在二元光學(xué)元件激光直寫設(shè)備的調(diào)焦伺服系統(tǒng)控制系統(tǒng)中,離焦信號在整個工作范圍內(nèi)的非線性特性可用一多項式來描述:
式中:y為離焦量;x為離焦信號探測器ω[sub]i[/sub](i=0,1,2,……n)離焦量的太小與傳感器的輸出之間存在著嚴 感系統(tǒng)的特性參數(shù)。 利用基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自動實現(xiàn)離焦傳感系統(tǒng)的非線性估計與在線標定,特性參數(shù)訓(xùn)練原理如圖3所示。對應(yīng)每一個實際輸人 ,可得到一個非線性數(shù)據(jù)集{1,x,x[sup]2[/sup],……x[sup]n[/sup], },這些作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸人模式,學(xué)習算法描述如 式中:di(k)為第i個輸人的期望輸出;yi(k)為對第i個輸人的估計輸出;e(k)為誤差;wn(k)為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在第k步的第n個連接權(quán);η為學(xué)習因子,影響穩(wěn)定性和收斂速度。 對于一組實際檢測到的離焦信號xt與相應(yīng)的傳感器的輸出 構(gòu)成數(shù)據(jù)對(ft,Yt ),用式(1)擬合離焦特性曲線。設(shè) w0,w1,w2,w3為常數(shù),將作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸人, 為輸出,按(2)、(3)、(4)式算法修正權(quán)值。所有的輸入輸出數(shù)據(jù)對構(gòu)成一次迭代學(xué)習,經(jīng)過多次學(xué)習,直到均方差(MSE)滿足要求,均方差越小則學(xué)習時問越短,訓(xùn)練完畢.此時的權(quán)值為估計參數(shù)。在二元光學(xué)元件激光直寫設(shè)備開始工作之前或工作一段時間后,驅(qū)動壓電陶瓷使其產(chǎn)生已知位移,測出傳感器的輸出值,這樣就在線獲得樣本,利用樣本訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),就可精確實現(xiàn)離焦量的非線性估計與在線動態(tài)標定。 為了在保證擬合精度的前提下縮短訓(xùn)練時間,在進行離焦量的非線性估計時,可只對離焦信號曲線的正半周進行擬合,得出估計參數(shù)。在實際調(diào)焦工作過程中,當離焦信號為負時,先對離焦信號取絕對值后,根據(jù)(1)求出離焦量。對離焦量取負號即得真正的離焦量。 由于在獲取樣本時,應(yīng)驅(qū)動壓電陶瓷使其移動標準長度。一般在z軸的導(dǎo)軌上安裝光柵尺,作為其定位標準。在調(diào)焦時,壓電陶瓷的位移精確度也直接影響調(diào)焦的精度與頻響。由于壓電元件存在嚴重的遲滯非線性,電壓與變位量的非線性一般高于15% ,使得壓電元件的開環(huán)定位精度較低,使其應(yīng)用受到很大的限制。在靜態(tài)及準靜態(tài)定位應(yīng)用中,可采用電荷(電流)控制法,使得壓電陶瓷的非線性度低于0-8%,文獻[4]給出了具體的實現(xiàn)方法。但采用電荷控制,使得流過壓電元件的電流要比電壓控制大得多,隨著頻率的升高,對于壓電陶瓷的驅(qū)動電源要求越來越高。目前電流式壓電陶瓷驅(qū)動電源的頻響很低,遠遠滿足不了實時調(diào)焦系統(tǒng)的頻響要求。 由于上述原因,在實時調(diào)焦伺服系統(tǒng)中,壓電陶瓷應(yīng)采用電壓控制,其非線性特性則通過模型加以擬合。壓電元件在不同電壓下的遲滯回環(huán)總是變化的,其滯后回環(huán)的位置與其以前所加電壓的歷史有密切關(guān)系。采用一種簡單的模型補償方法可使系統(tǒng)的頻響達到300Hz與小于3% 的非線性。其方法如下: 壓電元件的輸人與輸出的關(guān)系可定為: (6) 3 離焦信號的頻帶估算 調(diào)焦伺服控制器是調(diào)焦伺服系統(tǒng)的核心部分。由于二元光學(xué)元件激光直寫設(shè)備的主要功能為制作回轉(zhuǎn)對稱的衍射光學(xué)元件,且制作元件的口徑超過200毫米,刻劃時若主軸以恒速轉(zhuǎn)動,則在刻劃元件的內(nèi)圈與外圈時線速度相差l0oO倍以上。同時,在加工不同種類元件時,光刻膠的表面形貌差別很大,對調(diào)焦頻率的要求差別也很大。若使用統(tǒng)一的回轉(zhuǎn)加工速度,將使得整個設(shè)備的效率很低。為了提高加工的效率,在調(diào)焦伺服系統(tǒng)控制器的設(shè)計時,增加調(diào)節(jié)主軸速度的功能。主軸速度的調(diào)節(jié)是依據(jù)刻劃同心圓時,在兩個同心圓之間光刻膠不曝光,這時使光刻頭不動作讓主軸旋轉(zhuǎn)一圈,同時采集離焦信號,根據(jù)離焦信號估算出離焦信號的頻帶,依據(jù)離焦信號的頻帶與光刻頭的調(diào)焦頻率求出主軸允許的最大轉(zhuǎn)速,最后根據(jù)主軸允許的最大轉(zhuǎn)速設(shè)定主軸的回轉(zhuǎn)速度。 假定光刻膠表面不平與回轉(zhuǎn)軸軸向跳動等因素造成的離焦信號如圖4(a),離焦信號的幅值是光刻頭位置的函數(shù)。當光刻頭相對于光刻膠以單位線速度移動時,函數(shù)的形狀不變;當光刻頭移動的線速度變慢時,離焦信號函數(shù)如圖4(b),當光刻頭的線速度變快時,離焦信號如圖4(c)。由圖中可以看出,當線速度加大時,離焦信號的頻帶成比例地增加。離焦信號頻帶的在線估算是調(diào)焦伺服控制器的主要功能之一。由于精確計算離焦信號的頻帶很困難,同時也難達到實時運算的要求,在二元光學(xué)元件激光直寫設(shè)備的調(diào)焦伺服控制器的設(shè)計中,采用了一種簡單的方法估算頻帶:在采集離焦信號的同時判斷其采樣點是否為極值點,同時紀錄其采樣時刻,求出相鄰兩極值點的時間問隔△t,當主軸旋轉(zhuǎn)一周,求出相鄰極值點的最短時間間隔△t⋯ 則離焦信號的頻帶可粗略估算為1/(2△t[sub]max[/sub])。 [align=center] 圖4 離焦信號頻帶估算原理圖 圖5 調(diào)焦伺服控制系統(tǒng)原理框圖[/align] 當采樣時間間隔很短時,與離焦信號相等的點很多.極值點的判別主要依據(jù)采樣值是否經(jīng)過上升階段與下降階段,這些點附近相同采樣值的最中間點可認為是投值點。 4 調(diào)焦伺服控制器的設(shè)計 調(diào)焦伺服系統(tǒng)由直流伺服電機、連軸節(jié)、滾珠絲杠、光柵尺、壓電陶瓷、汽浮導(dǎo)軌與調(diào)焦伺服控制器等構(gòu)成,其中伺服電機為z軸粗定位及調(diào)試用。調(diào)焦伺服控制器的功能框圖如圖5所示,其主要功能是: (1)驅(qū)動壓電陶瓷,同時根據(jù)z軸上安裝的光柵尺反饋量測出壓電陶瓷的各種參數(shù)。 (2)禁能壓電陶瓷驅(qū)動器,使主軸在恒定的轉(zhuǎn)速下旋轉(zhuǎn)一周,主軸旋轉(zhuǎn)的同時采集離焦信號,根據(jù)離焦信號求出主軸的最大轉(zhuǎn)速。 (3)對四相限探測器(離焦信號探測器)輸出的信號進行濾波,然后進行歸一化處理以消除光源波動對調(diào)焦精度的影響。 (4)利用歸一化后的信號對離焦曲線進行非線性估計,用高次多項式對離焦信號進行擬和,得到離焦量與檢測到的離焦信號之間的一一對應(yīng)關(guān)系。 [align=center] 圖6 調(diào)焦伺服控制器工作流程圖[/align] (5)采集離焦信號,并根據(jù)離焦量的大小與變化趨勢求出壓電陶瓷的驅(qū)動電壓,并輸出驅(qū)動信號。 在整個設(shè)備開始工作時,調(diào)焦伺服控制器輸出電壓信號驅(qū)動壓電陶瓷,根據(jù)安裝在z軸上的光柵尺的反饋信號對離焦量進行定標。伺服控制器采用16位單片機80C196為CPU,總控計算機為PII266。由于離焦量的線性估計與頻帶估計的軟件編制較為復(fù)雜,故單片機采集離焦信號后傳給總控計算機,總控計算機根據(jù)傳來的信號計算出式(1)中的各項系數(shù)及主軸最合適的速度,然后傳回單片機。控制器軟件流程圖如圖6所示。 5 結(jié)論 在二元光學(xué)元件激光直寫設(shè)備調(diào)焦伺服控制系統(tǒng)的設(shè)計中,離焦信號的檢測采用了臨界角法。當啟動設(shè)備后,首先驅(qū)動壓電陶瓷,檢測壓電陶瓷的變位量,同時采集離焦信號傳給主機,利用離焦信號與變位量對離焦信號曲線進行高次多項式擬和,把多項式系數(shù)的值轉(zhuǎn)回并存入單片機。以后采集離焦信號后直接利用多項式進行計算得出實際的離焦量,依據(jù)離焦量計算驅(qū)動壓電陶瓷的驅(qū)動電壓,可實現(xiàn)0.2微米的調(diào)焦精度。在刻劃的過程中,可禁能壓電陶瓷并采集離焦信號,估算出離焦信號的頻帶,實時調(diào)節(jié)主軸的轉(zhuǎn)速,可大大提高刻劃的效率。 參考文獻: [1] 熊木地,肖文禮,邢忠寶,等.激光直寫設(shè)備調(diào)焦伺服系統(tǒng)的研究[j]光學(xué)精密工程.2000 8(1):79-83 [2] 劉君華.智能傳感系統(tǒng)[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,1999. [3] 沈毅,張建秋,王世忠,等紙漿濃度傳感器非線性怙計和動態(tài)標定的一種新方法[J].儀器儀表學(xué)報1997,18(1):l-6. [4] 吳一輝.納米分辨宰壓電式徽定位系統(tǒng)的研究[D]:[學(xué)位論文].長春:中科院長春光機所 1996. [5] 賈紅光,吳一揮,王立鼎,等.壓電元件的動態(tài)非線性及其校正方法[J]儀器儀表學(xué)報,1999,20(4)增刊 182-185. 提高實時調(diào)焦伺服系統(tǒng)性能的一種新方法.pdf

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