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1、 基于基于SOPC技术的激光直写数字伺服控制器基技术的激光直写数字伺服控制器基 1 二等奖 二等奖 基于SOPC技术的激光直写数字伺服控制器 基于SOPC技术的激光直写数字伺服控制器 大学院校： 哈尔滨工业大学超精密光电仪器工程研究所 参赛队员： 闫磊 程陶 高雅 指导教师： 王雷 大学院校： 哈尔滨工业大学超精密光电仪器工程研究所 参赛队员： 闫磊 程陶 高雅 指导教师： 王雷 一. 设计概述 一. 设计概述 目前，精密、超精密加工技术的应用已从国防尖端和航空航天等少数部门扩展到国民经 济领域。伴随着半导体产业的不断发展，对超大规模集成电路制造业的核心激光直写光刻 技术的需求在不断提高。 激
2、光直写光刻技术利用强度可变的激光束对基片表面实施变剂量曝光，其重要环节是利 用计算机控制激光束进行高精度扫描。在光刻过程中，置于载物台的光刻基片随平台移动， 由声光调制器控制激光束的强弱对其进行变剂量曝光，载物工作台所达到的定位精度以及运 动平稳性将直接影响光刻机的性能和光刻元件的质量，因此需要快速高精度的直线运动进给 系统。 直线电机具有很高的位移分辨率，同时其进给传动链长度为零（即 “直接驱动”或 “零传动”） ，具有较高的动态灵敏度和响应速度，因此取代了传统的“旋转伺服电机 + 滚 珠丝杠”定位机构，成为实现激光直写机载物工作台微米级乃至亚微米级定位的运动伺服核 心。 基于数字式伺服的运
3、动控制器是超精密定位系统的关键。数字式伺服是指系统的闭环控 Nios II 嵌入式处理器设计大赛嵌入式处理器设计大赛2007优秀作品优秀作品 2 制与调节采用数字技术，所有控制调节实现软件化，可直接输出PWM控制信号或驱动DAC芯片 产生直流驱动电压，经电机驱动器功率放大后驱动直线电机。调节器的全部软件化使控制理 论中许多控制思想和手段得以应用：如矢量控制、参数自适应控制、滑模变结构控制、模糊 控制、神经元网络控制等。同时利用软件很容易完成参数的自优化和故障的自诊断功能，使 系统控制性能大大提高，从而克服了模拟型闭环伺服系统对微弱信号的信噪分离困难，很难 将控制精度提高到0.1% 以上级别，以
4、及容易受温度影响，使位置控制产生零点漂移误差等 缺点。 为抑制激光直写载物工作台运动中的气膜扰动等噪声干扰，实现亚微米级快速定位，本 文提出一种基于 Altera 公司 Nios II 嵌入式软核的直线电机数字伺服运动控制器。设计采 用高性能、低成本的 Cyclone II 系列 FPGA，集成双 Nios II 软核应用系统，完成对位移传 感器（激光干涉仪）信号快速采样和高分辨解码，控制对象（静压气浮导轨及直线电机）运 动状态监控、运动特性频谱分析及数字滤波处理，基于积分分离式 PID 控制算法的 PWM 控制 信号或 DAC 直流电压输出等功能。由于采用了高集成度的 SOPC 技术，本设计
5、功能灵活，大 大减小了电磁干扰，提高了处理速度和控制可靠性，同时降低了开发成本，更易于系统升级 和维护。 二. 功能描述 二. 功能描述 2.1 系统整体功能描述 2.1 系统整体功能描述 在激光直写运动控制系统中，为克服电机转动的负载扰动、气浮导轨的气膜扰动以及驱 动系统的机械共振等噪声，实现载物工作台的高精度定位，本文设计了基于双Nios II软核 的数字伺服运动控制系统。 本闭环伺服系统主要包括四部分：控制对象、位移传感器（反馈环节） 、控制单元及执 行器。系统的控制对象为工作于静压气浮导轨之上的载物工作台，它由直线电机驱动；传感 器为RENISHAW激光干涉仪（激光干涉测量尺） ，它基
6、于激光干涉测量原理，将工作台的位移 信息转换成相应的正交脉冲信号，经信号调理电路，实现脉冲信号逻辑电平转换；控制单元 为集成有双Nios II嵌入式软核处理器的Altera DE2开发平台，它在C/OS-II实时操作系统 的调度下，完成信号采集、数字滤波、PID 控制算法、DAC芯片接口、PWM 控制量输出及人 机交互等任务；执行器为电机伺服驱动器，它具有直流电压驱动及PWM 驱动两种工作模式， 控制算法运算的结果可通过DAC接口模块或自定义外设PWM 模块输出，以不同驱动方式控制 电机伺服驱动器工作。数字伺服系统构成示意图如下图2-1所示。 基于基于SOPC技术的激光直写数字伺服控制器基技术
7、的激光直写数字伺服控制器基 3 图2-1 数字伺服系统构成示意图 2.2 系统功能单元详述 2.2 系统功能单元详述 2.2.1 信号调理电路 激光干涉仪输出四路差分信号A+、A-、B+、B-，其相位关系正交，逻辑电平为5V TTL。 选用带宽10MHz的差分信号接收芯片DS26LV32，能同时完成差分信号转单端及电平转换功 能，得到LVTTL 正交相位脉冲A、B，供控制单元的GPIO采样。同时，可控制芯片使能状态， 防止误采样。 信号调理电路示意图如下图2-2所示。 图2-2 信号调理电路示意图 2.2.2 脉冲信号细分解码单元 Nios II 嵌入式处理器设计大赛嵌入式处理器设计大赛200
8、7优秀作品优秀作品 4 脉冲信号细分解码单元由细分辩向模块及M/T法解码模块构成。 细分辩向模块在正交脉冲A、B的上升沿与下降沿产生标准宽度尖脉冲，并进行逻辑或， 得到四细分脉冲pulse，根据激光干涉仪分辨力指标计算得四细分后系统分辨力为80nm/脉 冲，由相位超前与滞后关系计算电机运动方向direc。标准频率信号CLK_100提供延时基准， 防止尖脉冲的宽度过窄使后续处理出现误计数。该顶层模块示意图如下图2-3所示。 图2-3 脉冲细分辨向顶层模块示意图 细分辨向模块功能仿真结果如下图2-4所示，图中CLK_100为100MHz标准频率信号。 图2-4 脉冲细分辨向模块仿真结果 M/T法解
9、码模块处理四细分信号，同时获得电机运动的相对位置及速度，使电机可工作 于“位置环”或“速度环+ 位置双环”控制模式下。根据激光干涉原理，由运动方向direc 对四细分脉冲pulse进行加减计数，可获得电机相对位置量position；用被测信号同步预置 闸门信号T1得到实际闸门信号T2，在T2内同时对标准频率CLK_50及四细分脉冲pulse计数得到 计数值NC、NP，则四细分脉冲频率 fP = NP fC/NC, 根据fP 每个脉冲对应的电机位移，可获得电 机运动速度。采用同步闸门保证整数倍计数，实现了信号在测量范围内的等精度测量；采用 被测频率与标准频率同时计数，使得电机运动速度变化时自动切
10、换测周法与测频法，保证了 速度测量的宽频带。该顶层模块示意图如下图2-5所示。 基于基于SOPC技术的激光直写数字伺服控制器基技术的激光直写数字伺服控制器基 5 图2-5 M/T法解码顶层模块示意图 M/T法解码模块仿真结果如下图2-6所示，图中CLK_100为100MHz标准频率信号，T1为预 置闸门，T2为同步闸门，NC、NP分别为标准频率与四细分频率计数结果。 图2-6 M/T法解码模块仿真结果 2.2.3 数据处理单元 数据处理单元主要由Nios硬件平台， （包括双Nios II嵌入式软核处理器、内存、片上及 自定义外设等） ，配合PC机端LabWinsows/CVI虚拟仪器软件，构成
11、闭环控制系统的核心。 LabWinsows/CVI虚拟仪器平台：设置PID控制参数、控制位置大小；经串口上传Nios 硬 件平台采集的位置量跟随信号，进行FFT运算，并绘制时、频响应曲线；根据FFT分析结果， 设置相应的FIR数字滤波器参数，如滤波器类型、阶数、量化系数、窗函数类型；设定系统 激励信号（正弦、方波、阶跃等信号） ，并观察滤波后位置跟随曲线。 Nios II 嵌入式处理器设计大赛嵌入式处理器设计大赛2007优秀作品优秀作品 6 Nios 硬件平台：采用双核Nios 处理器，通过串口与上位机软件通讯，实时更新控制 量、PID参数、FIR系数等参数，利用自定义乘加指令完成高效的FIR
12、实时运算，采集传感器 信号进行积分分离式PID运算，并驱动自定义外设PWM模块或DAC模块，控制直线电机伺服驱 动器工作。数据处理单元构成示意图如下图2-7所示。 + - R(s)e(s) Y(s) 16bit DAC + + + FIR Nios UART LabWindows/CVI FFT FIR PWM DAC PWM / 图2-7 数据处理单元构成示意图 1) 快速傅立叶变换： N 个样本点的离散傅立叶变换（DFT）定义为 2 1 0 ( )( ),0,1,1 N j kn N NN n X kx n WWekN = = L FFT作为DFT的快速算法，运算效率较高，适合数字信号的实
13、时处理。由于本系统中气膜 扰动、机械共振等噪声信号频率相对固定，因此，我们采用事后处理的方法，利用CVI程序 对Nios系统采集的反馈信号进行FFT运算。在保证频谱分析结果的可信度的同时，避免了利 用Nios软核实时FFT运算，大大减小了系统的运算负担。用幅值为400000脉冲，频率1Hz正弦 激励测试系统频响，样频率fs=250Hz，取样点数为N=340，得到位置时域响应曲线及频谱分 析曲线分别如下图2-8 (a )、(b )所示。 基于基于SOPC技术的激光直写数字伺服控制器基技术的激光直写数字伺服控制器基 7 (a) (b) 图2-8 1Hz正弦激励下的时域及频域响应曲线 用幅值为200
14、000脉冲，频率2Hz正弦激励测试系统频响，取样点数及采样频率不变，得 到位置时域响应曲线及频谱分析曲线分别如下图2-9 (a )、(b )所示。 (a) Nios II 嵌入式处理器设计大赛嵌入式处理器设计大赛2007优秀作品优秀作品 8 (b) 图2-9 2Hz正弦激励下的时域及频域响应曲线 基于基于SOPC技术的激光直写数字伺服控制器基技术的激光直写数字伺服控制器基 9 由系统频率响应曲线可看出，在560Hz频率范围内，系统存在噪声干扰，尤其在5Hz左 右噪声较大，这个结果与理论分析中存在的气膜扰动频率十分接近，其他噪声可能来源于机 械振动、电磁干扰等。 2) FIR 数字滤波器：有限脉
15、冲响应（FIR）滤波器是数字系统设计中应用较为广泛的滤波 器，在保证幅度特性满足技术要求的同时能获得严格的线性相位。阶 FIR 滤波器系统 函数 H(z)为： 1 0 ( )( ) N n n H zh n z = = 应用于数字系统中，其输出yn与输入xn函数为： 0 ( ) N k y na k x nk = = 在LabWindows/CVI中设定截至频率为2Hz、采样频率100Hz、加汉宁窗、量化系数1000的 128阶低通FIR滤波器，其系数分布曲线如下图2-10所示。 图2-10 2Hz低通FIR滤波器系数分布曲线 滤波器系数矩阵经串口下载至Nios硬件平台中，利用了自定义乘加指令
16、对输入xn与系 数a(k)相乘及累加，实现了对输入信号的实时数字滤波。作用于幅值为400000脉冲、频率为 1Hz的正弦激励，系统时频响应曲线分别如下图2-11 (a )(b )所示。 (a) Nios II 嵌入式处理器设计大赛嵌入式处理器设计大赛2007优秀作品优秀作品 10 (b) 图2-11 滤波后1Hz正弦激励下的时域及频域响应曲线 在LabWindows/CVI中设定截至频率为5Hz、采样频率100Hz、加布莱克曼窗、量化系数 1000的100阶低通FIR滤波器，其系数分布曲线如下图2-12所示。 图2-12 5Hz低通FIR滤波器系数分布曲线 作用于幅值为200000脉冲、频率为2Hz的正弦激励，系统时频响应曲线分别如下图2-13 (a )(b )所示。 (a) 基于基于SOPC技术的激光直写数字伺服控制器基技术的激光直写数字伺服控制器基 11 (b) 图2-13 滤波后2Hz正弦激励下的时域及频域响应曲线 由分析结果可知，加入FIR数字滤波器后，反馈信号中噪声被抑
