本專利申請(qǐng)要求德國專利申請(qǐng)de102014224220.7的優(yōu)先權(quán)，其內(nèi)容通過引用并入本文。

本發(fā)明涉及一種壓電定位裝置以及使用這樣的壓電定位裝置的定位方法。

背景技術(shù)：

壓電致動(dòng)器是已知的，并且被用于以高精度的方式來定位運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)。使用數(shù)/模轉(zhuǎn)換器來控制壓電致動(dòng)器，因此壓電致動(dòng)器的定位精度取決于數(shù)/模轉(zhuǎn)換器的模擬輸出電壓的量化電平或電壓電平。用戶具有增加壓電致動(dòng)器的定位精度的持續(xù)需求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

因此，本發(fā)明是基于提供具有至少一個(gè)壓電致動(dòng)器的壓電定位裝置的目的。該定位裝置通過簡單可靠的方式實(shí)現(xiàn)了了高定位精度。

該目的通過具有權(quán)利要求1的特征的壓電定位裝置來實(shí)現(xiàn)。為了控制該至少一個(gè)壓電致動(dòng)器，控制裝置具有兩個(gè)數(shù)/模轉(zhuǎn)換器。第一數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(在下文也被稱為粗轉(zhuǎn)換器)具有第一電壓范圍δu1，而第二數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(在下文中也被稱為精細(xì)轉(zhuǎn)換器)具有更小的第二電壓范圍δu2。第二電壓范圍δu2覆蓋了粗轉(zhuǎn)換器的至少第一電壓電平δu1，因此至少一個(gè)壓電致動(dòng)器的定位精度取決于精細(xì)轉(zhuǎn)換器的第二電壓電平δu2。由于精細(xì)轉(zhuǎn)換器的第二電壓電平δu2顯著地低于粗轉(zhuǎn)換器的第一電壓電平δu1，因此壓電定位裝置的定位精度能夠以簡單可靠的方式增加。由于至少一個(gè)壓電致動(dòng)器可以以無電勢(shì)的方式進(jìn)行操作，數(shù)/模轉(zhuǎn)換器可以容易地連接到相應(yīng)的連接觸點(diǎn)。壓電致動(dòng)器優(yōu)選為壓電堆疊體的形式。

根據(jù)權(quán)利要求2的定位裝置以簡單的方式確保了高定位精度。粗轉(zhuǎn)換器在具有在第一電壓電平δu1中的最大電壓不準(zhǔn)確度δud，其被稱為差分非線性，并且對(duì)定位精度產(chǎn)生不利的影響。因?yàn)榈诙妷悍秶膗2覆蓋了至少第一電壓電平δu1和最大電壓不準(zhǔn)確度δud之和，特別地，兩倍于最大電壓不準(zhǔn)確度δud，所以精細(xì)轉(zhuǎn)換器也能夠至少部分地補(bǔ)償產(chǎn)生的電壓不準(zhǔn)確度δud。第二電壓范圍δu2優(yōu)選地覆蓋了至多64個(gè)第一電壓電平δu1，并且特別地，至多32個(gè)第一電壓電平δu1，因此為了實(shí)現(xiàn)高定位精度，第二電壓電平δu2應(yīng)盡可能地低。第二電壓范圍δu2取決于差分非線性，并且特別地，取決于粗轉(zhuǎn)換器的噪聲。噪聲通常取決于粗轉(zhuǎn)換器的分辨率或第一電壓電平δu1。由于位置旨在為在位置調(diào)節(jié)期間被高精度地保持在平穩(wěn)或穩(wěn)定的狀態(tài)下，必須在穩(wěn)定狀態(tài)下盡可能避免粗轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換操作，以便不中斷位置調(diào)節(jié)。為此，精細(xì)轉(zhuǎn)換器第二電壓范圍δu2被選擇為盡可能大，大至相應(yīng)的應(yīng)用中所需的分辨率以及噪聲所允許的程度。相應(yīng)地，在穩(wěn)定狀態(tài)下可靠地避免粗轉(zhuǎn)換器的再調(diào)整的條件下，第二電壓范圍δu2被選擇為盡可能小。

根據(jù)權(quán)利要求3的定位裝置保證了高定位精度。相應(yīng)的電壓放大器可以最佳地適應(yīng)于關(guān)聯(lián)的數(shù)/模轉(zhuǎn)換器。

根據(jù)權(quán)利要求4的定位裝置保證了高定位精度。無電抗的電阻器與精細(xì)轉(zhuǎn)換器或關(guān)聯(lián)的第二電壓放大器串聯(lián)連接，并且衰減了粗轉(zhuǎn)換器和精細(xì)轉(zhuǎn)換器的噪聲。粗轉(zhuǎn)換器的噪聲優(yōu)選地被低通濾波器所衰減，因此無電抗的串聯(lián)電阻器的尺寸取決于模擬側(cè)的第一電壓放大器的噪聲、精細(xì)轉(zhuǎn)換器的噪聲、通過串聯(lián)電阻以調(diào)節(jié)電荷的電流測量的任何期望的分辨率、施加于壓電致動(dòng)器的電壓的所需帶寬，這是由于對(duì)于干擾進(jìn)行補(bǔ)償?shù)恼{(diào)節(jié)的帶寬需求。相比于精細(xì)轉(zhuǎn)換器的噪聲，第二電壓放大器的噪聲通?？梢院雎?，并且相應(yīng)地，對(duì)串聯(lián)電阻的尺寸不具有重要性。串聯(lián)電阻器也可以用作分流器或測量電阻器，以便測量在至少一個(gè)壓電致動(dòng)器中流經(jīng)的電流，并且使得其可用于調(diào)節(jié)電荷的數(shù)字調(diào)節(jié)單元變得。

根據(jù)權(quán)利要求5的定位裝置確保了高定位精度。低通濾波器衰減了粗轉(zhuǎn)換器的噪聲和動(dòng)態(tài)響應(yīng)，而精細(xì)轉(zhuǎn)換器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)未受到不利影響。因此，定位裝置具有高動(dòng)態(tài)響應(yīng)和高定位精度。低通濾波器的截止頻率取決于所需要的最大移動(dòng)速度，該最大移動(dòng)速度引起了壓電致動(dòng)器處的最大電壓變化。補(bǔ)償?shù)屯V波器優(yōu)選地被提供在計(jì)算單元中，從而計(jì)算第一數(shù)/模轉(zhuǎn)換器的第一電壓值和第二數(shù)/模轉(zhuǎn)換器的第二電壓值，因此第一轉(zhuǎn)換器/放大器電路的低通衰減動(dòng)態(tài)響應(yīng)被第二轉(zhuǎn)換器/放大電路器所補(bǔ)償。補(bǔ)償?shù)屯V波器的截止頻率相應(yīng)地起因于所需要的最大移動(dòng)速度。

根據(jù)權(quán)利要求6的定位裝置實(shí)現(xiàn)了高精度的位置調(diào)節(jié)。位置測量傳感器為控制裝置提供了至少一個(gè)壓電致動(dòng)器的實(shí)際位置和/或待調(diào)節(jié)的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的實(shí)際位置。

根據(jù)權(quán)利要求7的定位裝置確保了有高可靠度的期望的定位精度。位置調(diào)節(jié)單元使得可以將測量的實(shí)際位置調(diào)節(jié)至預(yù)定的期望位置。為此，位置調(diào)節(jié)單元特別地被設(shè)計(jì)為，使得穩(wěn)定狀態(tài)控制誤差不會(huì)發(fā)生。特別地，位置調(diào)節(jié)單元具有帶有積分部的調(diào)節(jié)器。例如，調(diào)節(jié)器是pid調(diào)節(jié)器的形式。位置調(diào)節(jié)單元優(yōu)選地具有期望值濾波器，該期望值濾波器在將至少一個(gè)壓電致動(dòng)器的加速度和/或速度的物理極限考慮在內(nèi)的情況下，預(yù)設(shè)了期望位置。特別地，期望值濾波器具有路徑發(fā)生器的功能。

根據(jù)權(quán)利要求8的定位裝置確保了結(jié)合了高動(dòng)態(tài)響應(yīng)的高定位精度。位置先導(dǎo)控制單元提供了先導(dǎo)控制操縱變量，該先導(dǎo)控制操縱變量通過數(shù)/模轉(zhuǎn)換器基本上無延時(shí)地轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的輸出電壓。因此，位置調(diào)節(jié)具有高動(dòng)態(tài)響應(yīng)。位置先導(dǎo)控制單元與位置調(diào)節(jié)單元相互作用，因此先導(dǎo)控制操縱變量和控制操縱變量相加以形成總體操縱變量。

根據(jù)權(quán)利要求9的定位裝置以簡單可靠的方式確保了位置調(diào)節(jié)單元的高穩(wěn)定狀態(tài)精度。如果未達(dá)到預(yù)定控制誤差極限值的絕對(duì)值，則檢測單元產(chǎn)生控制信號(hào)。控制信號(hào)因此可以用于識(shí)別位置調(diào)節(jié)單元或位置調(diào)節(jié)何時(shí)變化至穩(wěn)定或平穩(wěn)的狀態(tài)。例如，位置調(diào)節(jié)單元的參數(shù)和/或用于控制粗轉(zhuǎn)換器或精細(xì)轉(zhuǎn)換器的計(jì)算單元的參數(shù)可能基于控制信號(hào)發(fā)生改變，從而在位置調(diào)節(jié)的穩(wěn)定狀態(tài)下避免第一轉(zhuǎn)換器輸出電壓u1中的不良改變。如果位置控制誤差在最小周期中未達(dá)到預(yù)定的控制誤差極限值，則優(yōu)選地產(chǎn)生控制信號(hào)。如果使用期望值限幅器和/或期望值濾波器，當(dāng)濾波的期望位置附加地對(duì)應(yīng)于預(yù)定的期望位置或者對(duì)應(yīng)于被期望值限幅器所限制的最大期望位置時(shí)，則優(yōu)選地產(chǎn)生控制信號(hào)。

根據(jù)權(quán)利要求10的定位裝置以簡單可靠的方式確保了高定位精度。計(jì)算單元使用期望電壓值計(jì)算粗轉(zhuǎn)換器的第一電壓值和精細(xì)轉(zhuǎn)換器的第二電壓值，這些值必須由粗轉(zhuǎn)換器和精細(xì)轉(zhuǎn)換器提供，作為模擬轉(zhuǎn)換器輸出電壓。粗轉(zhuǎn)換器的第一電壓值優(yōu)選地首先計(jì)算，因此，為轉(zhuǎn)換期望電壓值所需的精細(xì)轉(zhuǎn)換器的第二電壓值將基本上處于第二電壓范圍δu2的中心。因此，如果期望電壓值在正向和負(fù)向上變化，精細(xì)轉(zhuǎn)換器具有可用的相同大的電壓范圍，以便使用第二電壓值來轉(zhuǎn)換期望電壓值中的變化。這確保了，僅當(dāng)不再可以使用第二電壓值或精細(xì)轉(zhuǎn)換器來轉(zhuǎn)變期望電壓值的變化時(shí)，粗轉(zhuǎn)換器的第一電壓值才將基本上改變。在即時(shí)的時(shí)間步長上，計(jì)算單元優(yōu)選地計(jì)算所需的第一電壓值，并且將其與在更早的時(shí)間步長中計(jì)算的第一電壓值相比較。如果期望電壓值和更早的時(shí)間步長的第一電壓值的差值的絕對(duì)值超過了極限值，則更早的第一電壓值將被即時(shí)的第一電壓值所替代。例如，極限值大于零，但最多為δu2/2。

根據(jù)權(quán)利要求11的定位裝置確保了在位置調(diào)節(jié)的穩(wěn)定狀態(tài)下的高定位精度。因?yàn)闃O限值在位置調(diào)節(jié)的穩(wěn)定狀態(tài)下改變或增加，可以強(qiáng)制為使得，在位置調(diào)節(jié)期間，粗轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換輸出電壓變化在固定位置處變得極為不可能。這使得在位置調(diào)節(jié)的穩(wěn)定狀態(tài)下，避免粗轉(zhuǎn)換器的輸出電壓中的不良變化。在位置調(diào)節(jié)的動(dòng)態(tài)狀態(tài)下，例如，極限值被設(shè)定為δu2/4，因此在達(dá)到或檢測到穩(wěn)定狀態(tài)前，強(qiáng)制或強(qiáng)迫地進(jìn)行粗轉(zhuǎn)換器的再調(diào)整。如果檢測到穩(wěn)定狀態(tài)，例如，極限值被設(shè)定為δu2/2，其結(jié)果是用于補(bǔ)償干擾的粗轉(zhuǎn)換器的輸出電壓的變化變得不可能。

根據(jù)權(quán)利要求12的定位裝置確保了高定位精度。因?yàn)樵跓o電抗的電阻器或串聯(lián)電阻器處確定測量電壓，該測量電壓可用于為至少一個(gè)壓電致動(dòng)器建立電壓調(diào)節(jié)或電荷調(diào)節(jié)。電壓調(diào)節(jié)或電荷調(diào)節(jié)提供了內(nèi)部控制回路，該內(nèi)部控制回路與作為外部控制回路的位置調(diào)節(jié)疊加。

根據(jù)權(quán)利要求13的定位裝置確保了高定位精度。電荷調(diào)節(jié)單元使得可以避免或補(bǔ)償至少一個(gè)壓電致動(dòng)器的滯后效應(yīng)。提供內(nèi)部控制回路的電荷調(diào)節(jié)單元準(zhǔn)確地設(shè)定了至少一個(gè)壓電致動(dòng)器的電荷的實(shí)際狀態(tài)，特別地，通過形成外部位置控制回路的位置調(diào)節(jié)單元，預(yù)先設(shè)定了電荷的期望狀態(tài)。

根據(jù)權(quán)利要求1至13的壓電定位裝置可以有利地用于投射曝光設(shè)備。特別地，這使得可以高精度地定位投射曝光設(shè)備的至少一個(gè)部件(例如透鏡元件、反射鏡和/或待彎曲的板)。

本發(fā)明還基于提供一種定位方法的目的，其以簡單可靠的方式實(shí)現(xiàn)了高定位精度。

該目的通過具有權(quán)利要求15的特征的定位方法實(shí)現(xiàn)。根據(jù)本發(fā)明的定位方法的優(yōu)點(diǎn)對(duì)應(yīng)于已經(jīng)描述的根據(jù)本發(fā)明的壓電定位裝置的優(yōu)點(diǎn)。特別地，也可以用權(quán)利要求1至13的特征來改進(jìn)該定位方法。該定位方法優(yōu)選地用于根據(jù)權(quán)利要求14的投射曝光設(shè)備中。

附圖說明

本發(fā)明的其他特征、優(yōu)點(diǎn)和細(xì)節(jié)可以從示范性實(shí)施例的以下描述中獲得。在附圖中：

圖1示出了壓電定位裝置的示意圖，該壓電定位裝置具有用第一數(shù)/模轉(zhuǎn)換器和第二數(shù)/模轉(zhuǎn)換器控制的壓電致動(dòng)器，

圖2示出了數(shù)/模轉(zhuǎn)換器的特性曲線的示意圖，

圖3示出了使用計(jì)算單元來進(jìn)行壓電致動(dòng)器的位置調(diào)節(jié)的信號(hào)流圖，該計(jì)算單元用于計(jì)算數(shù)/模轉(zhuǎn)換器的電壓值，以及，

圖4示出了計(jì)算單元的信號(hào)流圖，該計(jì)算單元用于計(jì)算第一數(shù)/模轉(zhuǎn)換器的第一電壓值和第二數(shù)/模轉(zhuǎn)換器的第二電壓值。

具體實(shí)施方式

壓電定位裝置1具有用于定位運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)2的壓電致動(dòng)器3。從電學(xué)角度而言，壓電致動(dòng)器3充當(dāng)了電容值為c的電容器，并且其縱向尺寸基于電荷的實(shí)際狀態(tài)而改變?？v向尺寸上的改變被記為δx。壓電致動(dòng)器3為已知且常規(guī)的，并且，例如為壓電堆疊體的形式。

壓電致動(dòng)器3經(jīng)由連接觸點(diǎn)4、5連接到控制裝置6?？刂蒲b置6具有數(shù)字信號(hào)處理器7。第一轉(zhuǎn)換器/放大器電路8具有到數(shù)字信號(hào)處理器7的信號(hào)連接，但通過第一隔離元件11與后者處于直流(dc)隔離。第一轉(zhuǎn)換器/放大器電路8連接到第一連接觸點(diǎn)4。第二轉(zhuǎn)換器/放大器電路9經(jīng)由無電抗的串聯(lián)電阻器10連接到第二連接觸點(diǎn)5。串聯(lián)電阻器10具有阻值r。第二轉(zhuǎn)換器/放大器電路9具有到數(shù)字信號(hào)處理器7的信號(hào)連接，但通過第二隔離元件11’與后者處于直流隔離。

第一轉(zhuǎn)換器/放大器電路8具有第一數(shù)/模轉(zhuǎn)換器12，該第一數(shù)/模轉(zhuǎn)換器12經(jīng)由低通濾波器13連接到第一電壓放大器14。第一數(shù)/模轉(zhuǎn)換器12具有第一電壓范圍δu1，并且以第一電壓電平δu1提供第一模擬轉(zhuǎn)換器輸出電壓u1。第一轉(zhuǎn)換器/放大器電路8連接到第一電壓源15，該第一電壓源提供第一移位電壓。第一移位電壓使第一轉(zhuǎn)換器/放大器電路8的參考電位相對(duì)于參考電位(接地)移位。這需要直流隔離，該直流隔離借助于數(shù)字信號(hào)處理器7和第一轉(zhuǎn)換器/放大器電路8之間的隔離元件11’。

第二轉(zhuǎn)換器/放大器電路9具有第二數(shù)/模轉(zhuǎn)換器16，該第二數(shù)/模轉(zhuǎn)換器16連接到第二電壓放大器17。第二數(shù)/模轉(zhuǎn)換器16具有第二電壓范圍δu2，并且以第二電壓電平δu2提供第二模擬轉(zhuǎn)換器輸出電壓u2。第二轉(zhuǎn)換器/放大器電路9連接到第二電壓源18，該第二電壓源18提供第二移位電壓。第二移位電壓使第二轉(zhuǎn)換器/放大器電路9的參考電位相對(duì)于參考電位移位。這需要直流隔離，該直流隔離借助于數(shù)字信號(hào)處理器7和第二轉(zhuǎn)換器/放大器電路9間的隔離元件11’。如果第二移位電壓為0v，則不需要第二隔離元件11’。但是，借助于隔離元件11’的直流隔離可能對(duì)于安全原因是有用的，這是由于在發(fā)生故障的情況下，數(shù)字信號(hào)處理器7采用這種方式與第二轉(zhuǎn)換器/放大器電路9的可能帶有高壓的部件電氣隔離。相應(yīng)的情況適用于第一移位電壓和第一隔離元件11。

第二轉(zhuǎn)換器/放大器電路9優(yōu)選地相對(duì)于參考電位對(duì)稱地操作，因此，可能借助于第二隔離元件11’省去直流隔離。為此，第二移位電壓被設(shè)為0v。這是有利的，一方面，這是由于經(jīng)由無電抗的串聯(lián)電阻器10進(jìn)行的電流測量，通常采用具有差分輸入或相應(yīng)的前置放大器的數(shù)/模轉(zhuǎn)換器來進(jìn)行，差分輸入或差分前置放大器的共模信號(hào)通常被限制在相對(duì)于參考電位的+/-5v。另一方面，出于安全原因，使連接觸點(diǎn)4、5的電壓電位在參考電位附近是有利的。如果連接觸點(diǎn)4、5的其中一個(gè)無意地接觸到參考電位或壓電定位裝置1的框架接地，例如在啟動(dòng)測量期間，這將不會(huì)導(dǎo)致壓電致動(dòng)器3的去極化或損壞。

如果壓電致動(dòng)器3的工作范圍例如是-20v到120v，并且第一電壓范圍δu1是0v到135v，并且第二電壓范圍δu2是-2.5v到2.5v，第一移位電壓被設(shè)定為-17.5v，且第二移位電壓被設(shè)定為0v。這確保了，在發(fā)生故障的情況下(無論連接觸點(diǎn)4、5中的哪個(gè)接觸到參考電位或框架接地)，至多-17.5v到117.5v的電壓將施加到壓電致動(dòng)器3上，也就是說，在發(fā)生故障的情況下，所施加的電壓在壓電致動(dòng)器3的工作范圍內(nèi)。

第一數(shù)/模轉(zhuǎn)換器12具有n個(gè)位(bit)，因此第一數(shù)字輸入可以接收2ⁿ個(gè)輸入值d1。第一電壓電平δu1取決于第一電壓范圍δu1和2ⁿ個(gè)數(shù)字輸入值d1。第二數(shù)/模轉(zhuǎn)換器16相應(yīng)地具有m個(gè)位，因此第二數(shù)字輸入可以接收2^m個(gè)輸入值d2。第二電壓電平δu2取決于第二電壓范圍δu2和2^m個(gè)輸入值d2。第一數(shù)/模轉(zhuǎn)換器12用于在更大的電壓范圍δu1中且以更高的電壓電平δu1提供轉(zhuǎn)換器輸出電壓u1，而第二數(shù)/模轉(zhuǎn)換器16用于在更小的電壓范圍δu2中且以更低的電壓電平δu2提供第二轉(zhuǎn)換器輸出電壓u2。相應(yīng)地，第一數(shù)/模轉(zhuǎn)換器12也在下文稱為粗轉(zhuǎn)換器12，反之，第二數(shù)/模轉(zhuǎn)換器16在下文稱為精細(xì)轉(zhuǎn)換器16。相應(yīng)地應(yīng)用以下內(nèi)容：

δu1>δu2且δu1>δu2。

此外，第二電壓范圍δu2覆蓋了至少一個(gè)第一電壓電平δu1，因此應(yīng)用以下內(nèi)容：

δu2≥δu1。

這些關(guān)系在圖2中進(jìn)行闡明。

實(shí)際上，第一電壓電平δu1具有電壓不準(zhǔn)確度。最大電壓不準(zhǔn)確度δud通過圖2中的示例進(jìn)行闡明。在最壞的情況下，最大電壓不準(zhǔn)確度δud可能在一個(gè)電壓電平δu1中以負(fù)向發(fā)生，并且可能在隨后的電壓電平δu1中以正向發(fā)生。這通過圖2中的電壓電平δu1和2·δu1的示例進(jìn)行闡明。發(fā)生的電壓不準(zhǔn)確度也稱為數(shù)/模轉(zhuǎn)換器中的差分非線性。相應(yīng)地，以下內(nèi)容優(yōu)選地應(yīng)用于第二電壓范圍δu2：

δu2≥δu1+δud，特別是δu2≥δu1+2·δud。

壓電致動(dòng)器3的定位精度依賴于第二電壓電平δu2，也就是說，精細(xì)轉(zhuǎn)換器16的分辨率。電壓電平δu2更低，定位精度相應(yīng)地更高。相應(yīng)地，以下內(nèi)容應(yīng)用于第二電壓范圍δu2：

δu2≤64·δu1，特別是δu2≤32·δu1。

這確保了對(duì)于給定的位數(shù)m盡可能低的第二電壓電平δu2。

為了測量待調(diào)節(jié)的實(shí)際位置x，定位裝置1具有位置測量傳感器19。位置測量傳感器19例如測量待定位的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)2中的部件的實(shí)際位置x。位置測量傳感器19也可以測量例如實(shí)際位置x或者壓電致動(dòng)器3的調(diào)節(jié)行程。位置測量傳感器19具有到控制裝置6的信號(hào)連接，并且經(jīng)由第一模數(shù)轉(zhuǎn)換器20將實(shí)際位置x的數(shù)字測量值xm提供給數(shù)字信號(hào)處理器7。

串聯(lián)電阻器10被用作分流器或測量電阻，為了確定已流向壓電致動(dòng)器3的電流。為此，定位裝置1具有電壓測量傳感器21，該電壓測量傳感器測量21在串聯(lián)電阻器10兩端下降的電壓um。電壓測量傳感器21具有到控制裝置6的信號(hào)連接，并且經(jīng)由第二模數(shù)轉(zhuǎn)換器22將電壓um的數(shù)字測量值um提供給數(shù)字信號(hào)處理器7。

控制裝置6用于調(diào)節(jié)實(shí)際位置x和壓電致動(dòng)器3的電荷q的實(shí)際狀態(tài)。電荷調(diào)節(jié)形成了內(nèi)部控制回路，而位置調(diào)節(jié)形成了一個(gè)疊加在該內(nèi)部控制回路上的外部控制回路。為了調(diào)節(jié)位置和電荷，數(shù)字信號(hào)處理器7形成位置調(diào)節(jié)單元23、位置先導(dǎo)控制單元24、電荷調(diào)節(jié)單元25、計(jì)算單元26和檢測單元27。

首先，將期望位置xs提供給期望值限幅器28，并且將任何被限制的期望位置xs’提供給位置調(diào)節(jié)單元23中的期望值濾波器29。期望值濾波器29具有路徑發(fā)生器的功能，并且特別地，將壓電致動(dòng)器3的物理極限考慮在內(nèi)。期望值濾波器29在輸出端提供計(jì)算的第二期望位置xs。借助于第一加法器31，將從期望位置xs中減去已被測量且數(shù)字化的實(shí)際位置xm，并且計(jì)算出位置控制誤差ex。使用加法器31上游的死區(qū)時(shí)間元件30，可以將運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)2的死區(qū)時(shí)間和/或定位裝置1的死區(qū)時(shí)間考慮在內(nèi)。位置控制誤差ex被提供給前置濾波器32和下游的位置調(diào)節(jié)器33。位置調(diào)節(jié)器33在輸出端提供調(diào)節(jié)操縱變量ur。位置調(diào)節(jié)單元23與位置先導(dǎo)控制單元24相互作用。為此，作為先導(dǎo)控制操縱變量的期望位置xs借助于第二加法器34被加到調(diào)節(jié)操縱變量ur中，以形成總體操縱變量up。

操縱變量up提供電荷調(diào)節(jié)單元的23電荷的期望狀態(tài)qs。電荷調(diào)節(jié)單元25還被提供有數(shù)字化的測量電壓um，該測量電壓um在具有阻值r的變換元件35中被轉(zhuǎn)換為在前置濾波器36中濾波的電流im，然后借助于積分器37進(jìn)行積分。積分器37在輸出端提供壓電致動(dòng)器3的電荷的實(shí)際狀態(tài)q。電荷的實(shí)際狀態(tài)q借助于第三加法器38，從電荷的期望狀態(tài)qs中減去，因此第三加法器38在輸出端輸出電荷控制誤差eq。在第二變換元件39中，電荷控制誤差eq被轉(zhuǎn)換為期望電壓值us，該期望電壓值us旨在作為模擬轉(zhuǎn)換器輸出電壓u1和u2之和，被數(shù)/模轉(zhuǎn)換器12、16輸出。

期望電壓值us被提供給計(jì)算單元26，該計(jì)算單元26計(jì)算數(shù)/模轉(zhuǎn)換器12和16的數(shù)字輸入值d1和d2。計(jì)算單元26也被提供有由檢測單元27產(chǎn)生的控制信號(hào)s。為此，檢測單元27被提供有期望位置xs、xs'、及xs和位置控制誤差ex。檢測單元27以這種方式設(shè)計(jì)：如果xs＝xs或xs'＝xs，并且位置控制誤差ex的絕對(duì)值在最小周期內(nèi)未達(dá)到預(yù)設(shè)的控制誤差極限，則產(chǎn)生控制信號(hào)s。在這種情況下，檢測單元27探測位置調(diào)節(jié)的穩(wěn)定或平穩(wěn)狀態(tài)。例如，如果探測到穩(wěn)定狀態(tài)，則將s＝1應(yīng)用于控制信號(hào)s，否則s＝0。

在圖4中詳細(xì)闡明了計(jì)算單元26。為了闡明時(shí)間步長，即時(shí)的時(shí)間步長表示為[k]并且前一個(gè)時(shí)間步長表示為[k-1]。粗轉(zhuǎn)換器12所需要的第一電壓值u1s[k]借助于變換元件39，從期望電壓值us[k]計(jì)算。第一電壓值u1s[k]將粗轉(zhuǎn)換器12的參數(shù)考慮在內(nèi)，例如第一電壓范圍δu1和第一電壓電平δu1和/或分辨率。該第一電壓值u1s[k]提供給第一選擇元件40。選擇元件40也提供有選擇元件40的輸出電壓值ua[k-1]。該輸出電壓值儲(chǔ)存于存儲(chǔ)元件41中。

選擇元件40基于轉(zhuǎn)換信號(hào)sa[k]，在u1s[k]和ua[k-1]之間進(jìn)行選擇。如果sa[k]＝1，則選擇元件40選擇第一電壓值u1s[k]作為即時(shí)的輸出電壓ua[k]，否則，也就是說，如果sa[k]＝0，則選擇更早的輸出電壓值ua[k-1]。輸出電壓值ua[k]指定模擬的第一轉(zhuǎn)換器輸出電壓u1被粗轉(zhuǎn)換器12輸出。在這種情況下，粗轉(zhuǎn)換器12的相應(yīng)的數(shù)字輸入值d1在計(jì)算元件42中進(jìn)行計(jì)算。

輸出電壓值ua[k]也被提供給補(bǔ)償?shù)屯V波器50。補(bǔ)償?shù)屯V波器50確保了第一轉(zhuǎn)換器/放大器電路8的動(dòng)態(tài)響應(yīng)(其由于低通濾波器13而經(jīng)受低通衰減)借助于第二轉(zhuǎn)換器/放大器電路9得到補(bǔ)償。這意味著，在壓電致動(dòng)器3處的電壓的小信號(hào)行為期間，整個(gè)動(dòng)態(tài)響應(yīng)可用于補(bǔ)償干擾。低通濾波器13的截止頻率且從而也是補(bǔ)償?shù)屯V波器50的截止頻率，取決于壓電致動(dòng)器3所需要的最大移動(dòng)速度。

借助于第四加法器43，粗轉(zhuǎn)換器12的低通濾波的輸出電壓值ua[k]從期望電壓值us[k]中減去，因此加法器43輸出第二電壓值u2s[k]，該第二電壓值u2s[k]旨在由精細(xì)轉(zhuǎn)換器16作為第二模擬轉(zhuǎn)換器輸出電壓u2輸出。該第二電壓值u2s[k]在計(jì)算元件44中被轉(zhuǎn)換為精細(xì)轉(zhuǎn)換器16的數(shù)字輸入值d2。

為了計(jì)算轉(zhuǎn)換信號(hào)sa[k]，來自于前一個(gè)時(shí)間步長的輸出電壓值ua[k-1](其存儲(chǔ)于存儲(chǔ)元件46中所)借助于第五加法器45，從期望電壓值us[k]中減去。加法器45輸出電壓差，借助于絕對(duì)值形成單元47形成電壓差的差值的絕對(duì)值δu[k]。差值的絕對(duì)值δu[k]被提供給比較器48，以將其與極限值l[k]進(jìn)行比較。如果差值的絕對(duì)值δu[k]超過了極限值l[k]，則輸出轉(zhuǎn)換信號(hào)sa[k]＝1，并且導(dǎo)致選擇元件40選擇第一電壓值u1s[k]。否則，則輸出轉(zhuǎn)換信號(hào)sa[k]＝0，并且導(dǎo)致選擇元件40選擇更早的輸出電壓值ua[k-1]。

第二選擇元件49基于由檢測單元27提供的控制信號(hào)s[k]，在第一極限值lu和第二極限值ls之間進(jìn)行選擇，并且基于該選擇，提供即時(shí)的極限值l[k]。如果控制信號(hào)s[k]表征位置調(diào)節(jié)的不穩(wěn)定或動(dòng)態(tài)狀態(tài)，則選擇第一極限值lu，反之，如果控制信號(hào)s[k]表征位置調(diào)節(jié)的穩(wěn)定或平穩(wěn)狀態(tài)，則選擇第二極限值ls。以下是成立的：

lu<ls。

這確保了在位置調(diào)節(jié)的穩(wěn)定狀態(tài)下，第一轉(zhuǎn)換器輸出電壓u1的變化變得不可能。

壓電定位裝置1是投射曝光設(shè)備的一部分，例如投射曝光設(shè)備的至少一個(gè)部件，例如反射鏡、透鏡元件和/或待彎曲的板，借助于壓電定位裝置1，可以被高精度地定位。

定位裝置1的操作方法如下：

為了設(shè)定期望位置xs，借助于期望值限幅器28和期望值濾波器29，計(jì)算出合適的軌跡和關(guān)聯(lián)的期望位置xs。位置控制誤差ex取決于期望位置xs和數(shù)字化的實(shí)際位置xm，其借助于位置測量傳感器19來確定，并且經(jīng)由前置濾波器32，提供給位置調(diào)節(jié)器33，該位置調(diào)節(jié)器33輸出調(diào)節(jié)操縱變量ur。例如，位置調(diào)節(jié)器33采用pid調(diào)節(jié)器的形式。期望位置xs經(jīng)由位置先導(dǎo)控制單元24被附加地添加，并且壓電致動(dòng)器3的產(chǎn)生的電荷的期望狀態(tài)qs被提供給電荷調(diào)節(jié)單元25。

電荷調(diào)節(jié)單元25計(jì)算電荷控制誤差eq，并且在輸出端輸出需要的期望電壓值us。期望電壓值us必須通過數(shù)/模轉(zhuǎn)換器12和16轉(zhuǎn)換為模擬轉(zhuǎn)換器輸出電壓u1和u2。為了計(jì)算電荷控制誤差eq，數(shù)字化的測量電壓um被轉(zhuǎn)換為電流im，并且積分以形成電荷的實(shí)際狀態(tài)q。

在已經(jīng)描述的方式中，計(jì)算單元46用于從期望電壓值us計(jì)算數(shù)/模轉(zhuǎn)換器12、16的數(shù)字輸入值d1和d2。在這種情況下，位置調(diào)節(jié)最初處于動(dòng)態(tài)狀態(tài)，因此檢測單元27發(fā)送相應(yīng)的控制信號(hào)s至計(jì)算單元26，計(jì)算單元26使用比較器48的第一極限值lu。

數(shù)/模轉(zhuǎn)換器12、16以對(duì)應(yīng)于輸入值d1和d2及它們的特性曲線的方式，提供期望的模擬轉(zhuǎn)換器輸出電壓u1和u2。轉(zhuǎn)換器輸出電壓u1借助于低通濾波器13進(jìn)行濾波，然后以借助于電壓放大器14以期望的方式放大的形式施加于壓電驅(qū)動(dòng)器3。粗轉(zhuǎn)換器12的噪聲信號(hào)被低通濾波器13和串聯(lián)電阻器10所衰減。相比之下，轉(zhuǎn)換器輸出電壓u2借助于第二電壓放大器17，在沒有低通濾波器的情況下被放大，并且施加于壓電致動(dòng)器3，這是由于第二電壓電平δu2比第一電壓電平δu1低得多。壓電致動(dòng)器3的定位精度因此取決于第二電壓電平δu2。

由于已經(jīng)設(shè)定的轉(zhuǎn)換輸出電壓u1和u2，壓電致動(dòng)器3以δx改變其縱向范圍，因此設(shè)定期望的實(shí)際位置x。如果達(dá)到位置調(diào)節(jié)的基本上穩(wěn)定的狀態(tài)，檢測單元27檢測到這個(gè)狀態(tài)，并且提供相應(yīng)的控制信號(hào)s給計(jì)算單元26。計(jì)算單元26相應(yīng)地使用比較器的更大的第二極限值ls，因此只有當(dāng)使用精細(xì)轉(zhuǎn)換器16不能設(shè)定期望電壓值us的變化時(shí)，粗轉(zhuǎn)換器12會(huì)再次改變其設(shè)定的轉(zhuǎn)換器輸出電壓u1。

例如，第一極限值lu是δu2/4，結(jié)果是粗轉(zhuǎn)換器12的變化被強(qiáng)制處于位置調(diào)節(jié)的動(dòng)態(tài)狀態(tài)。與此相反，例如，第二極限值ls是δu2/2，結(jié)果是精細(xì)轉(zhuǎn)換器16的第二電壓范圍δu2被優(yōu)化利用。

根據(jù)本發(fā)明的定位裝置和根據(jù)本發(fā)明的兩級(jí)數(shù)/模轉(zhuǎn)換器構(gòu)思具有粗轉(zhuǎn)換器和精細(xì)轉(zhuǎn)換器，因此通過使用電壓或電荷控制，確保了壓電致動(dòng)器(特別是壓電堆疊體)的高精度位置調(diào)節(jié)。整個(gè)調(diào)節(jié)范圍或移動(dòng)范圍優(yōu)選地通過單個(gè)壓電疊層的縱向范圍來實(shí)現(xiàn)。由于壓電堆疊體即使且直接地對(duì)電壓或電荷的變化做出反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了高動(dòng)態(tài)的位置調(diào)節(jié)。至少一個(gè)壓電致動(dòng)器或至少一個(gè)壓電堆疊體優(yōu)選地由不導(dǎo)電的陶瓷組成。因此，特別地，壓電致動(dòng)器可以以無電勢(shì)的方式操作。由于串聯(lián)電阻器處的測量，也使診斷系統(tǒng)故障成為可能，例如線纜斷開和/或短路。作為細(xì)分為粗轉(zhuǎn)換器和精細(xì)轉(zhuǎn)換器的結(jié)果，可以有意地避免差分非線性，這是由于小的位置控制誤差通?？墒褂镁?xì)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行補(bǔ)償，并且只有在相對(duì)大的位置變化情況下，粗轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換器輸出電壓才發(fā)生改變。粗轉(zhuǎn)換器和精細(xì)轉(zhuǎn)換器的控制理念基本是這樣的：在可能的情況下，意在使用精細(xì)轉(zhuǎn)換器來設(shè)定變化的期望電壓值，因此不需要改變粗轉(zhuǎn)換器。如果這是不可能的，粗轉(zhuǎn)換器和精細(xì)轉(zhuǎn)換器兩者都發(fā)生改變和被設(shè)定，使得精細(xì)轉(zhuǎn)換器盡可能地靠近其中心位置或在其電壓范圍的中心。這通過計(jì)算單元來確保。粗轉(zhuǎn)換器的期望值改變的數(shù)量通過計(jì)算單元被最小化，因此粗轉(zhuǎn)換器的差分非線性僅作為位置控制回路中的一次性干擾變量以隔離的方式起作用，并且在沒有任何問題的情況下，可以被位置控制回路補(bǔ)償。將計(jì)算單元連接到檢測單元也確保了粗轉(zhuǎn)換器中的變化不會(huì)在位置調(diào)節(jié)的穩(wěn)定狀態(tài)下發(fā)生，也就是說，實(shí)際位置的設(shè)定意在被精確地保持。將粗轉(zhuǎn)換器和精細(xì)轉(zhuǎn)換器之間的期望值分布與位置調(diào)節(jié)的路徑發(fā)生器相結(jié)合，來調(diào)整或重新調(diào)整粗轉(zhuǎn)換器，使得在正向和負(fù)向上盡可能相同的電壓范圍可用于精細(xì)轉(zhuǎn)換器。因此，僅通過精細(xì)轉(zhuǎn)換器，可以實(shí)現(xiàn)以高度準(zhǔn)確的方式保持實(shí)際位置所需的電壓變化。

選擇電源電壓，使得根據(jù)本發(fā)明的定位裝置可以容易地適配于壓電致動(dòng)器的電壓范圍，并且可靠地保護(hù)后者不遭受過電壓。數(shù)字電荷調(diào)節(jié)使得可以基本上避免壓電致動(dòng)器的滯后效應(yīng)。如果使用低壓陶瓷制成的壓電堆疊體，該定位裝置的節(jié)能和高度集成的結(jié)構(gòu)是可能的。部件的數(shù)目相對(duì)較小，因此由噪聲、熱漂移或部件公差造成的不利影響是小的。

總體上，根據(jù)本發(fā)明的定位裝置以簡單可靠的方式下確保了高精度和高動(dòng)態(tài)的位置調(diào)節(jié)。根據(jù)本發(fā)明的定位裝置原則上適用于定位任何期望的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)或其部件。