集中化運動控制提高性能并降低成本
2012/4/23 10:18:25
集中化運動控制提高性能并降低成本
Centralized automation control increases performance and reduces costs
引言：
當半導體產業(yè)繼續(xù)爭取在更大的晶圓上推出更小的芯片引腳，能檢查晶圓并盡可能快查出瑕疵變得更加重要。先進的運動控制器的能力通過集中的自動化控制可以給OEMs不同的優(yōu)勢來成就這些需求。在這篇文章中我們將談論當今半導體OEMs怎么可以增強性能和減少成本通過運用先進的運動控制技術和診斷工具。
作者：Cameron Sheikholeslami,
企業(yè)名稱：ACS Motion Control, Eden Prairie, MN, USA
摘要：
一個高精度電子束晶圓檢查的OEM設備商最近確定了在他們的下一代機器的三核心需求： 1)高分辨率位置反饋、2很緊密的靜態(tài)位置和勻速抖動 3)能很容易地接口到Windows和基于Unix的個人計算機。
成本限制和最少的時間推向市場的要求領導著這位OEM選擇控制系統(tǒng)由標準現(xiàn)成的解決方案組成，指定的配置適應應用需要。
OEM'對極端高分辨率位置反饋裝置的需求是關鍵。以前的幾代機器用標準直線編碼器，然而，這些設備在他們解析位置的準確性上被限制。例如，一臺20µm線性可讀的模擬量編碼器帶12位的分辨率可以只能被解析到大概4.88nm分辨率。直線編碼器也被埋沒在位置臺里面，這就意味著，當他們準確地檢測馬達的位置時，他們會產生一個錯誤，當目標是知道負載的位置時。這個錯誤對于許多應用是微不足道的，但是相對OEM的精確要求的話，它是相當大。
激光干涉儀反饋
為了解決這些問題， OEM商決定使用激光干涉儀作為下一代機器的反饋裝置。由于激光干涉儀以極端高分辨率的來確定位置，他們將是高精密度的運動控制應用的最佳反饋裝置。在這個應用中，試用了632nm波長的He-Ne激光以12位分辨率的話可精確到約0.04nm附近。并且，他們可以直接在負載上測量位置，消除來自直線編碼器誤差來源。
當然激光干涉儀的一定限制性也不可能被避免。一個局限是干涉儀是嚴格意義上的增量設備沒有" home" 參考點，在調零可能引起問題機器。第二個局限是，當在負載位置測量增加準確度時，它也會減少伺服帶寬和穩(wěn)定型，特別是使平臺的剛性不是很好。這是，因為結構共振有一個相位導前特征，當返回值接近電機（可以容易地調整)時，而結構共鳴有一個相位滯后特征，當返回值接近負載載時，是更難調整。從一個實際系統(tǒng)的頻率特性可以看到在圖1顯示不同的頻率響應，當使用激光反饋和編碼器(分別顯示)。
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Figure 1. 不同的頻率響應特性當使用激光反饋和直線編碼器。
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電機換向由于同樣的原因不是很準確。第三個局限是更多與成本的相關，與反光鏡相關。更短的鏡子減少費用，但是他們也減少行程的總范圍。同樣情況下，阻攔激光和丟失反饋是非常容易的，在電機快速地移動，并且摩擦力很低的情況，如不使能軸也許造成電機運行進入硬停止。
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Figure 2. 雙反饋方案用激光干涉儀和直線編碼器。.
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要得到激光干涉儀帶來的所有好處，無需到限制， OEM終于決定使用使用激光干涉儀和直線編碼器的一種雙重反饋方案(圖2)。 MC4U被設計這樣即能使OEM商的機器運行在以編碼器反饋的單反饋方式，以激光干涉儀反饋的單反饋方式，和雙反饋方式下激光干涉儀提供位置反饋和編碼器提供速度反饋(所有模式都以直線編碼器作為換向)。并且，在飛速切換進行中允許用戶在任何時候在兩種模式間切換，即使電機在運動中。
對于”home” 在這不是問題，直線編碼器零位能十分地準確和滿足從復性要求的，用于設置直線編碼器和激光干涉儀的參考位置。用MC4U可以使用先進的調試工具來解決調試的困難，并且能在快速運行中在不同的反饋方式之間簡單的切換并改變調試參數(shù)。因為它使用直線編碼器，總是在刷新，電機的換向就沒問題。可能發(fā)生短行程范圍和安全問題，如果當反饋在快速切換過程中激光被阻擋，以至于，如果電機運行超行程范圍或如果控制器丟失干涉儀反饋由于光線阻擋，它會簡單的使用線性編碼器，恢復到單反饋方式。
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Figure 3.當使用編碼器反饋和激光干涉儀反饋時的特性比較. 0.27s后, 反饋源從編碼器切換到激光干涉儀. 圖示平臺在靜止時的位置誤差,用坐標軸 y-axis 每格單位為10nm。
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當用編碼器反饋對激光干涉儀反饋時的性能比較在圖3.能被看到。是平臺靜止時的位置誤差的實際展現(xiàn)，坐標軸Ｙ軸單位為10nm。在圖示的初期，使用僅編碼器反饋，給了合理的位置抖動在附近+/- 20nm。在0.3s附近的圖示階段，快速切換從單反饋編碼器方式到單反饋激光干涉儀方式激活狀態(tài)，位置的抖動減少到<+/- 5nm.
OEM使用的調試工具包括頻率特性作用(FRF)分析軟件，一個能產生系統(tǒng)響應的柏德圖分析工具。這個強有力的工具允許OEM準確地確定系統(tǒng)(即傳遞函數(shù))的機電特性，用使他們用適當?shù)倪^濾器處理由反饋裝置的位置導致的相位導前/相位滯后反饋裝置的共鳴。
先進的運動控制系統(tǒng)可以幫助使自動化晶圓傳輸系統(tǒng)簡化半導體生產商的生產和增加制造線容量。通常這些系統(tǒng)使用與最小的重量和安裝空間的特別設計的機器人，移動在一個直線轉換臺到傳輸晶圓從一個地方到另一個地方。
- 典型的設計這樣一個控制系統(tǒng)的挑戰(zhàn)是:
- 實時反向運動學計算. 移動電機的坐標系和移動的晶圓的是不同的?？刂破餍枰獙崟r計算轉換移動晶圓和電機運動之間復雜的等式.
- 移動機械臂最少的接線同時保證最下的重量。
- 可擴性: 增加軸和IO的可能型不影響基本的解決方案.
對于這樣有限制的系統(tǒng)，一個完全集成的控制器拓撲結構不是理想的方案，由于許多長而重的電纜要求連接到電機到集成了控制器和驅動器的機架上。長的電機電纜是特別易受EMI噪聲，并且可能極大降低整體控制性能。然而，一個快速的EtherCAT網(wǎng)絡拓撲結構(其他網(wǎng)絡，例如CANOPEN或DeviceNet，不可能實現(xiàn)必需的網(wǎng)絡通信容量)用一個外形緊湊的主站控制底和小而輕驅動器直接裝在移動的機械臂上，這就提供一個最佳方案。唯一的電纜需要在緊湊型主控制器的和從屬驅動器之間是EtherCAT通信電纜，對EMI不是敏感的并且對移動的系統(tǒng)來說這種重量和阻力是無意義的。這種解決方案也是可升級的，使它簡單增加其他的驅動軸或傳送機器不同的輸入/輸出模塊。
總結
在整個集成電路制造過程后退是基于重大成本限制，削減在檢測設備的成本，但仍然得超過早先代機器的性能是OEMS廠商的責任。先進的運動控制器能使OEMs制造商集中所有自動化控制和達到高性能要求。運動控制系統(tǒng)不僅提供半導體OEMs以增加的性能，但是他們可以通過運用現(xiàn)成的部件，同時減少費用并且先進的運動控制技術和診斷工具。
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