本章节将帮助工程师和科学家对主动隔振系统有一个大致的了解，它们是如何工作的，什么时候应该应用，以及它们有什么限制。由于半导体制造业在这一领域出现了许多应用，因此得到了特别的关注。
5.4 主动系统的类型
虽然我们已经提到了“位置”和“加速”伺服，在现实中这些系统可以采取许多不同的形式。此外，利用前馈可以提高图16中伺服的基本性能。下面几节将介绍常见的配置，并简要讨论它们的相对优点。
基本的惯性反馈回路使用一个 有 xiao 载荷传感器和一个力制动器，如扬声器“音圈”，以影响反馈。前馈可以在循环中加入几个点。
5.4.1惯性反馈
到目前为止，最 liu 行的主动消振系统类型是惯性反馈系统，如图17所示。注意，气动减振器在这里被建模为一个简单的弹簧。不考虑前馈输入和地面运动传感器（在第5.4.3节中讨论），反馈路径由地震仪、滤波器和力制动器（如扬声器“音圈”）组成。地震仪测量其测试质量和隔离 有 xiao 载荷之间的位移，过滤该信号，然后对 有 xiao 载荷施加一个力，使位移（x1 - x2）为常数，从而使地震仪的输出无效。由于作用在测试质量上的唯 yi力来自其弹簧的压缩，且该压缩被伺服为常数（x1 - x2≈0），因此可以得出测试质量是主动隔离的。同样地，由于隔离 有 xiao 载荷被强迫跟踪测试质量，它也须从振动隔离。这种类型的伺服的详细信息可以在许多参考文献中找到。**
这类系统的性能往往受到伺服系统带宽的限制。如前所述，隔离载荷中的结构共振将实际系统的带宽限制在10-40 hz（通常接近该范围的低端）。这种类型的系统也是“交流耦合”的，因为地震仪没有“直流”响应。因此，这些伺服系统有两个统一增益频率 - 通常在0.1和20赫兹。这在5.6节中有更详细的说明。因此，伺服在~2 hz（系统被动弹簧安装的自然频率）时达到约20-40 db的 最 da 增益。系统的闭环响应在~0.1和~20 hz单位增益频率处有两个新的谐振。由于这些系统的小带宽（在频率上只有20年左右），增益不是很高，除非在负载的自然（开环）谐振频率。那里的高增益 完 quan 抑制了那个共振。因此，将这些系统看作惯性阻尼系统是有帮助的，惯性阻尼系统具有阻尼系统主共振而不降低隔振性能的特性。（被动阻尼也可以抑制这种共振，但显著增加从地面传入的振动。）
5.4.2更多的带宽限制
这些伺服系统也受限于它们较低的单位增益频率可以被惯性传感器中的噪声推低。这在脚注2的参考资料中有详细说明。几乎所有商用主动消振系统都使用检波器作为惯性传感器。这些地震仪是用于地球物理勘探的简单、紧凑、廉价的地震仪。在频率为10hz及以下的情况下，它们的表现甚至比高质量的压电式加速度计还要好。然而，它们的噪声性能不足以使惯性反馈系统的带宽降到~0.1 hz以下。为了打破这一障碍，人们将需要使用更昂贵的传感器，而系统的总成本将不再具有商业可行性。
当惯性反馈技术应用于水平方向时，出现了另一种限制系统带宽的低频“墙”。（注意，六自由度系统有三个“垂直”和三个“水平”伺服。水平自由度是指那些使用水平驱动驱动器 - x、y和扭转【偏航】控制的自由度）。这是倾斜到水平耦合的问题。如果你用水平制动器把 有 xiao 载荷推到一边，它就会倾斜，惯性传感器将这种倾斜视为加速度，并试图通过加速 有xiao 载荷来纠正这种倾斜——当然，这是错误的做法。这个效应是一个基本的限制，它植根于爱因斯坦的等效原理，该原理表明不可能区分加速度和均匀引力场（倾斜引起的）。这个问题的唯 yi解决办法是当你推一个 有 xiao 载荷时不要使它倾斜。这是非常困难的，特别是在几何形状（如半导体制造设备）不是设计来满足这一需求。最 zhong，人们被迫使用水平和垂直驱动器的组合，以影响“纯”水平驱动器。这就变成了一个“微调”问题，即使在最 hao 的情况下也只能产生很小的结果。tmc倾向于另一种解决方案。
被动水平系统。我们没有使用有源系统来获得“有 xiao 的”低谐振频率，而是开发了一种被动减振系统，能够在水平dofs中调谐到低至0.3 hz。我们的csp®（紧凑型亚赫兹摆系统）不仅是 消 chu 减振器1-2赫兹共振的更可靠和更经济的方法，而且它还提供了 更 hao 的水平振动隔离高达100赫兹或更多 - 远远超出了有源系统的实际情况。不幸的是，这种被动技术在垂直方向上很难实现。tmc建议使用像我们的peps-vx®主动消振系统这样的系统来阻尼三个“垂直”dofs。pzt-based主动系统，如tmc的stacis®，使用另一种方法，允许主动控制水平dofs（见章节5.4.4）。
5.4.3 前馈
图17中惯性反馈系统的性能可以通过添加前馈得到 改 shan。一般来说，前馈比反馈困难得多，但它确实提供了一种在反馈伺服带宽受限的情况下 改 shan 系统性能的方法。有两种“前馈”系统，虽然名字相同，但却*不同。
振动前馈。该方案涉及到地面运动传感器的使用，如图17所示。从概念上讲，这是相当简单的：如果地球上升一个量∆z，载荷通过弹簧的压缩感觉一个力等于ks∆z。然而，地面运动传感器检测到这种运动，并对 有 xiao 载荷施加相等和相反的力。作用在 有 xiao 载荷上的力“抵消”，有 xiao 载荷不受影响。“取消”加了引号，因为这是一个被滥用的术语。它暗示着*消去——这从来不会发生。在实际系统中，须考虑这两种力如何相互抵消。由于各种各样的原因，很难让这些力的匹配度超过10%，这将导致系统响应提高10倍。将这些力量与1%的水平相匹配实际上是不可能的。原因有很多：传感器通常是检波器，没有“平坦”的频率响应。它的响应须被一个仔细匹配的共轭滤波器“压平”。这个信号的增益须仔细匹配，以便执行器产生的力与地面运动产生的力在量级上*相等。这些增益和“共轭滤波器”的特性须随着时间和温度保持在百分之一的恒定范围内。如果系统的质量分布发生变化（这在半导体设备的应用中很常见），增益匹配也是极其困难的。最 hou，消除水平受到传感器固有噪声（噪声基底）的限制。
振动前馈的另一个限制因素是，如果地面不是 无 xian 刚性（实际上不是 无 xian 刚性），它将成为一个反馈系统。这是因为执行器，在推动 有 xiao 载荷的同时，也在推动地面。地面会在这个力的作用下发生偏转，这种偏转会被传感器检测到。如果这种偏差产生的信号电平足够大，就会形成一个不稳定的反馈回路。
由于与振动前馈相关的诸多问题，tmc并没有继续研究它。事实上，尽管可以从其他供应商获得，但我们知道还没有成功的商业应用技术。然而，随着越来越复杂的dsp控制器和算法，它有可能在未来变得更有吸引力。目前已成功应用的技术是命令前馈。
命令前馈。同样如图17所示，命令前馈仅在有一个已知的力作用于载荷的应用程序中有用，并且有一个与该力成比例的信号可用。幸运的是，在半导体制造设备中，对 有 xiao 载荷的主要干扰是处理晶圆的移动级。
这里的概念很简单。一个力作用于一个已知大小的 有 xiao 载荷（通常来自级加速度）。一个与力成比例的电子信号被施加到一个制动器上，该制动器产生一个相等和相反的力。正如前面提到的，在文献中有一种倾向，夸大了这种技术的 有 xiao 性。荒谬的声明声称“*消除”剩余载荷运动是常见的。与振动前馈一样，存在增益调整问题，但与传感器噪声或可能的反馈路径有关的所有问题都被消除了。只要信号是来自（例如）舞台运动控制器的真实命令信号，这就是正确的。如果信号是由读取舞台位置的编码器产生的，那么就有可能形成一个不稳定的反馈回路。这些系统可以很好地执行，抑制阶段诱导的载荷运动一个数量级或更多，将在第5.7节进一步讨论。
5.4.4pzt-based系统
图18显示了“安静墩”减振器的概念，例如tmc的主动减振器系列。它由一个通过压电换能器（pzt）硬安装到地面上的中间质量组成。该减振器上安装有检波器，检波器信号通过宽带伺服回路反馈到pzt。这就形成了一个“安静墩”来支持隔离的载荷。隔离伺服的活跃以上频率带宽是由≅20 hz弹性体。这种弹性体还可以防止墩通过 有 xiao 载荷相互“交谈”（有xiao 载荷须放置在几个独立的安静墩上）。这个系统有其 独 te 的优点和局限性。
stacis®系统的隔振性能在0.6-20 hz的频率范围内是最 hao 的，但有一些限制（将在下面讨论）。它也比惯性反馈系统需要更少的调谐，弹性体安装使系统几乎*不受负载中的结构共振的影响。有 xiao 载荷与外部设备（对接）的对齐不是问题，因为系统本质上是通过20hz弹性体“硬安装”到地面上的。由于系统对外力（移动阶段）的响应是20hz弹性体支架的响应，所以稳定时间非常好。这可与最 hao的惯性反馈系统相媲美。弹性体支架的刚度也使stacis®几乎*不受房间气流或直接施加在载荷上的其他力的影响，并使其能够支持非常高的重心载荷。
stacis®可以支持，并始终兼容，工具包含任何类型的内置被动或主动气动隔振系统。
不幸的是，压电陶瓷的运动是有限的（大约20 - 25µm）。因此，伺服饱和和“解锁”，如果地面运动超过这个峰 - 峰振幅。幸运的是，在大多数环境中，地面运动 从 wei 超过这个振幅。为了获得良好的隔振特性，pzt伺服的主动带宽为~0.6至~ 200hz。这种高带宽只有在减振器由非常坚硬的地面支撑的情况下才可能实现。减振器需要这个，因为它取决于中间质量的移动量，移动量与高达几百赫兹的pzt电压成比例。如果地面在 有 xiao 带宽内有共振，这可能不是真的。大多数楼层的共振远低于200hz，但这是可以接受的，只要楼层足够大，其共振不是由伺服显着驱动。地面合适的形式规范成为地面合规，在/µ磅力（或µm / n）。一般来说，stacis®须直接安装在混凝土地面上。它只有当支持框架精心设计非常刚性时，才能在架空地面或焊接钢框架上工作。另一个问题是“建筑物摇摆”，即由风引起的建筑物顶部的运动。在上层，这通常超过25毫米，因此如果在上层使用（取决于建筑的长宽比和结构），系统可能饱和。
这种方法包括用一个高带宽伺服装置静置一个小的“中间质量”，然后用一个无源20hz橡胶支架将主载荷安装在那个“安静墩”上。
5.4.5 其他的
还有许多其他类型的主动隔振系统。
第 yi 类广义的“替代”主动系统是混合系统。其中一个是一个安静墩和一个简单的单摆隔振器的混合体。在这里，一个3杆系统只包含3个pzt，它们主动控制每个杆的垂直运动（因此高度、俯仰和滚动的 有 xiao 载荷的运动是主动控制的）。“水平”dofs是使用简单的钟摆从每个1-dof安静墩悬挂隔离。该系统的成本只有全自由度安静墩系统的五分之一，因为pzts要少得多。另一方面，这些系统在水平方向的摆响应有时是不理想的。
还有stacis®安静墩类型系统与惯性反馈系统的混合，以提高弹性体支架的动态性能。这些系统有额外的成本，须针对每个应用程序进行调整。
*这是一个近似的表述，因为peps是一个线性系统，而机械阀门是非线性的。一般来说，小位移的峰值水平较快，而大位移的峰值水平较慢。
**例如，p.g. nelson, rev. sci. instrum., 62, p.2069 (1991)。
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