作者: Maksim Apanasenko, Boaz Kramer, Ze'ev Kirshenboim.
ACS Motion Control
介紹
許多工業(yè)應(yīng)用, 半導(dǎo)體晶圓檢測(cè)測(cè)系統(tǒng), 有機(jī)發(fā)光二極管平板顯示器生產(chǎn)和檢測(cè)，,這些應(yīng)用要求極其高的運(yùn)動(dòng)性能，在低速勻速運(yùn)動(dòng)的納米級(jí)運(yùn)動(dòng)中保持亞納米級(jí)的靜止抖動(dòng)和跟隨誤差。目前線性伺服驅(qū)動(dòng)已經(jīng)被應(yīng)用于滿足這些需求。這種類(lèi)型的驅(qū)動(dòng)器提供了驚人的性能，可以達(dá)到這些應(yīng)用需要的線性度。但是由于線性伺服驅(qū)動(dòng)器效率低，熱損耗大，體積大、笨重。新一代450mm半導(dǎo)體比目前的300mm半導(dǎo)體大得多，而且這樣的系統(tǒng)需要驅(qū)動(dòng)器具有更高的能力，更高的電壓和電流。這就要求線性驅(qū)動(dòng)器體積非常大，而且能量很有限，因此限制了這個(gè)系統(tǒng)的性能和生產(chǎn)量，增加了系統(tǒng)成本，降低了系統(tǒng)可靠性。
NanoPWM是開(kāi)關(guān)PWM驅(qū)動(dòng)器的線性化，這種線性化基于一種獨(dú)特的專(zhuān)利技術(shù)。
在過(guò)去5年中ACS研發(fā)的PWMBoost可以滿足這樣的位置系統(tǒng)。NanoPWM驅(qū)動(dòng)器提供更好的位置性能和跟隨性能，并且克服了線性驅(qū)動(dòng)器的缺點(diǎn)。NanoPWM非常緊湊，有更高的效率和可靠性，可以提供更高的能量，電流和電源，而且更經(jīng)濟(jì)。
伺服驅(qū)動(dòng)器的種類(lèi)
兩種主要的伺服驅(qū)動(dòng)器：線性驅(qū)動(dòng)器和開(kāi)關(guān)PWM驅(qū)動(dòng)器。
圖1描繪了線性驅(qū)動(dòng)器的原理框圖。這個(gè)驅(qū)動(dòng)器像一個(gè)可變電阻一樣工作，根據(jù)電流需求和負(fù)載阻抗調(diào)節(jié)電流。供電電壓被分配在馬達(dá)和驅(qū)動(dòng)器之前。當(dāng)馬達(dá)以低速運(yùn)行被要求提供大力矩時(shí)，電流就是高的，加在馬達(dá)上的電壓就是低的，加在驅(qū)動(dòng)器上的電壓就是高的。此時(shí)驅(qū)動(dòng)器的損耗是很高的。
圖1線性驅(qū)動(dòng)器的原理圖描述
圖2描述了開(kāi)關(guān)PWM驅(qū)動(dòng)的原理圖框圖。驅(qū)動(dòng)器作為通斷開(kāi)關(guān)工作。馬達(dá)作為平均電流的綜合集成。平均電流是開(kāi)關(guān)占空比的線性函數(shù)。任意給定時(shí)刻開(kāi)關(guān)或者是斷開(kāi)的（沒(méi)有電流流過(guò)開(kāi)關(guān)）或者是導(dǎo)通的（有低電壓加在開(kāi)關(guān)上）。因此開(kāi)關(guān)損耗是很低的。
圖2—PWM驅(qū)動(dòng)器的原理圖描述
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表1.各種類(lèi)型驅(qū)動(dòng)器的優(yōu)缺點(diǎn)總結(jié)
表1—各種驅(qū)動(dòng)器的優(yōu)缺點(diǎn)
需求
表3-半導(dǎo)體晶圓藍(lán)圖
半導(dǎo)體晶圓檢測(cè)系統(tǒng)要求亞納米級(jí)的靜止誤差和納米級(jí)跟隨誤差。今天，大多數(shù)系統(tǒng)是為了處理直徑300mm 的晶圓。下一代晶圓的直徑將達(dá)到450mm。這要求有同樣或者更好的位置控制性能，由于尺寸和重量更大，我們需要更大的馬達(dá)和驅(qū)動(dòng)器來(lái)保持和提高系統(tǒng)的吞吐量。這樣的系統(tǒng)要求驅(qū)動(dòng)器具有線性驅(qū)動(dòng)器和PWM驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)。NanoPWMTM就是這樣的驅(qū)動(dòng)器。它很高效，可以實(shí)現(xiàn)高電壓操作，提供高電流。它很緊湊而且成本更低。
圖4和5介紹了NaonPWM的主要特點(diǎn)。
lowEM noise :低電磁噪聲
good performance：良好的性能
High efficiency：高效率
Compact size：結(jié)構(gòu)緊湊
Very reliable：非常可靠
Affordable price：可接受的價(jià)位
Regular performance：一般性能
High EM noise ：高電磁噪聲
Complex design：設(shè)計(jì)復(fù)雜
Poor reliability ：可靠性較差
Low efficiency：效率低
Expensive：造價(jià)高
圖4-NanoPWM兼容了線性驅(qū)動(dòng)器和PWM驅(qū)動(dòng)器的優(yōu)點(diǎn)
圖5-相同功率的線性驅(qū)動(dòng)器和PWM驅(qū)動(dòng)器的尺寸對(duì)比
性能比較
測(cè)試系統(tǒng)包括一個(gè)無(wú)貼心直線馬達(dá)帶動(dòng)的直線平臺(tái)，交叉滾珠軸承機(jī)械和基本分辨率為0.4mico-meter的magnascale激光模擬量SIN-COS編碼器。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)包括ACS MC4U控制模塊和三種不同的驅(qū)動(dòng)器
• NanoPWM
• Standard PWM標(biāo)準(zhǔn)PWM驅(qū)動(dòng)器
• Standalone linear drive單獨(dú)線性驅(qū)動(dòng)器
在每個(gè)測(cè)試中，驅(qū)動(dòng)器和算法都進(jìn)行一定的調(diào)試使其達(dá)到最優(yōu)性能和相似的帶寬。
入表2中描述，驅(qū)動(dòng)器具有相同的特性
Table 2 – 驅(qū)動(dòng)器的主要性能指標(biāo)
測(cè)試以下性能指標(biāo)：
靜止抖動(dòng)
低速跟隨誤差
靜止誤差—NanoPWMvs線性驅(qū)動(dòng)器
測(cè)試結(jié)果在表6中，總結(jié)在表格3中
表6 –NanoPWM（紅色）VS線性驅(qū)動(dòng)器（黃色）靜止抖動(dòng)
Table 3 - NanoPWM (紅色) VS 線性驅(qū)動(dòng)器 (黃色) 靜止抖動(dòng)
使用NanoPWM驅(qū)動(dòng)器比使用線性驅(qū)動(dòng)器時(shí)的靜止抖動(dòng)明顯減小（小4.5倍：0.8nmVr3.6nm）
低速跟隨誤差-NanoPWM VS線性驅(qū)動(dòng)器.
跟隨誤差是在1mm/s的速度下測(cè)量的，測(cè)試結(jié)果在表圖7中，總結(jié)在表格4中
圖7 NanoPWM驅(qū)動(dòng)器（紅色）VS線性驅(qū)動(dòng)器（黃色）的跟隨誤差
NanoPWM 線性驅(qū)動(dòng)器
Table 4 - NanoPWM (紅) VS線性驅(qū)動(dòng)器 (黃) 跟隨誤差
使用NanoPWM驅(qū)動(dòng)器時(shí)跟隨誤差明顯減小，結(jié)果得到跟平滑的運(yùn)動(dòng)軌跡，這樣的軌跡在晶圓檢測(cè)過(guò)程中十分重要。
靜止誤差-NanoPWM VS標(biāo)準(zhǔn)PWM驅(qū)動(dòng)器
測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖8，表5進(jìn)行了總結(jié)
圖8-NanoPWM（紅色）vs PWM（黃色）靜止抖動(dòng)
Table 5 - NanoPWM (紅色) VS PWM drive (黃色) 靜止抖動(dòng)
使用NanoPWM驅(qū)動(dòng)器的靜止誤差比使用標(biāo)準(zhǔn)PWM驅(qū)動(dòng)器小兩個(gè)數(shù)量級(jí)。平板顯示器加工系統(tǒng)比較龐大，對(duì)于馬達(dá)電壓和電流的要求超過(guò)了目前商業(yè)化了的線性馬達(dá)的容許能力。有機(jī)LED顯示要求更高的精確度，跟隨精度和靜止抖動(dòng)，都要在幾個(gè)納米的誤差范圍內(nèi)。NanoPWM給這樣的需求提出了解決方案。
總結(jié)
本文介紹了一直新型的線性開(kāi)關(guān)伺服驅(qū)動(dòng)器-NanoPWM,這種驅(qū)動(dòng)器具有線性驅(qū)動(dòng)器和PWM驅(qū)動(dòng)器的所有優(yōu)點(diǎn)。使用NanoPWM驅(qū)動(dòng)器得到的運(yùn)動(dòng)性能超過(guò)了目前已經(jīng)商業(yè)化了的線性伺服驅(qū)動(dòng)器的性能。這種驅(qū)動(dòng)器更小，更可靠，更便宜。
這種驅(qū)動(dòng)器可以滿足更高的運(yùn)動(dòng)性能需求，適合半導(dǎo)體晶圓檢測(cè)和平板顯示器制造系統(tǒng)。 |
