集中化运动控制提高性能并降低成本
2012/4/23 10:18:25
集中化运动控制提高性能并降低成本
Centralized automation control increases performance and reduces costs
引言：
当半导体产业继续争取在更大的晶圆上推出更小的芯片引脚，能检查晶圆并尽可能快查出瑕疵变得更加重要。先进的运动控制器的能力通过集中的自动化控制可以给OEMs不同的优势来成就这些需求。在这篇文章中我们将谈论当今半导体OEMs怎么可以增强性能和减少成本通过运用先进的运动控制技术和诊断工具。
作者：Cameron Sheikholeslami,
企业名称：ACS Motion Control, Eden Prairie, MN, USA
摘要：
一个高精度电子束晶圆检查的OEM设备商最近确定了在他们的下一代机器的三核心需求： 1)高分辨率位置反馈、2很紧密的静态位置和匀速抖动 3)能很容易地接口到Windows和基于Unix的个人计算机。
成本限制和最少的时间推向市场的要求领导着这位OEM选择控制系统由标准现成的解决方案组成，指定的配置适应应用需要。
OEM'对极端高分辨率位置反馈装置的需求是关键。以前的几代机器用标准直线编码器，然而，这些设备在他们解析位置的准确性上被限制。例如，一台20µm线性可读的模拟量编码器带12位的分辨率可以只能被解析到大概4.88nm分辨率。直线编码器也被埋没在位置台里面，这就意味着，当他们准确地检测马达的位置时，他们会产生一个错误，当目标是知道负载的位置时。这个错误对于许多应用是微不足道的，但是相对OEM的精确要求的话，它是相当大。
激光干涉仪反馈
为了解决这些问题， OEM商决定使用激光干涉仪作为下一代机器的反馈装置。由于激光干涉仪以极端高分辨率的来确定位置，他们将是高精密度的运动控制应用的最佳反馈装置。在这个应用中，试用了632nm波长的He-Ne激光以12位分辨率的话可精确到约0.04nm附近。并且，他们可以直接在负载上测量位置，消除来自直线编码器误差来源。
当然激光干涉仪的一定限制性也不可能被避免。一个局限是干涉仪是严格意义上的增量设备没有" home" 参考点，在调零可能引起问题机器。第二个局限是，当在负载位置测量增加准确度时，它也会减少伺服带宽和稳定型，特别是使平台的刚性不是很好。这是，因为结构共振有一个相位导前特征，当返回值接近电机（可以容易地调整)时，而结构共鸣有一个相位滞后特征，当返回值接近负载载时，是更难调整。从一个实际系统的频率特性可以看到在图1显示不同的频率响应，当使用激光反馈和编码器(分别显示)。
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Figure 1. 不同的频率响应特性当使用激光反馈和直线编码器。
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电机换向由于同样的原因不是很准确。第三个局限是更多与成本的相关，与反光镜相关。更短的镜子减少费用，但是他们也减少行程的总范围。同样情况下，阻拦激光和丢失反馈是非常容易的，在电机快速地移动，并且摩擦力很低的情况，如不使能轴也许造成电机运行进入硬停止。
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Figure 2. 双反馈方案用激光干涉仪和直线编码器。.
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要得到激光干涉仪带来的所有好处，无需到限制， OEM终于决定使用使用激光干涉仪和直线编码器的一种双重反馈方案(图2)。 MC4U被设计这样即能使OEM商的机器运行在以编码器反馈的单反馈方式，以激光干涉仪反馈的单反馈方式，和双反馈方式下激光干涉仪提供位置反馈和编码器提供速度反馈(所有模式都以直线编码器作为换向)。并且，在飞速切换进行中允许用户在任何时候在两种模式间切换，即使电机在运动中。
对于”home” 在这不是问题，直线编码器零位能十分地准确和满足从复性要求的，用于设置直线编码器和激光干涉仪的参考位置。用MC4U可以使用先进的调试工具来解决调试的困难，并且能在快速运行中在不同的反馈方式之间简单的切换并改变调试参数。因为它使用直线编码器，总是在刷新，电机的换向就没问题。可能发生短行程范围和安全问题，如果当反馈在快速切换过程中激光被阻挡，以至于，如果电机运行超行程范围或如果控制器丢失干涉仪反馈由于光线阻挡，它会简单的使用线性编码器，恢复到单反馈方式。
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Figure 3.当使用编码器反馈和激光干涉仪反馈时的特性比较. 0.27s后, 反馈源从编码器切换到激光干涉仪. 图示平台在静止时的位置误差,用坐标轴 y-axis 每格单位为10nm。
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当用编码器反馈对激光干涉仪反馈时的性能比较在图3.能被看到。是平台静止时的位置误差的实际展现，坐标轴Ｙ轴单位为10nm。在图示的初期，使用仅编码器反馈，给了合理的位置抖动在附近+/- 20nm。在0.3s附近的图示阶段，快速切换从单反馈编码器方式到单反馈激光干涉仪方式激活状态，位置的抖动减少到<+/- 5nm.
OEM使用的调试工具包括频率特性作用(FRF)分析软件，一个能产生系统响应的柏德图分析工具。这个强有力的工具允许OEM准确地确定系统(即传递函数)的机电特性，用使他们用适当的过滤器处理由反馈装置的位置导致的相位导前/相位滞后反馈装置的共鸣。
先进的运动控制系统可以帮助使自动化晶圆传输系统简化半导体生产商的生产和增加制造线容量。通常这些系统使用与最小的重量和安装空间的特别设计的机器人，移动在一个直线转换台到传输晶圆从一个地方到另一个地方。
- 典型的设计这样一个控制系统的挑战是:
- 实时反向运动学计算. 移动电机的坐标系和移动的晶圆的是不同的。控制器需要实时计算转换移动晶圆和电机运动之间复杂的等式.
- 移动机械臂最少的接线同时保证最下的重量。
- 可扩性: 增加轴和IO的可能型不影响基本的解决方案.
对于这样有限制的系统，一个完全集成的控制器拓扑结构不是理想的方案，由于许多长而重的电缆要求连接到电机到集成了控制器和驱动器的机架上。长的电机电缆是特别易受EMI噪声，并且可能极大降低整体控制性能。然而，一个快速的EtherCAT网络拓扑结构(其他网络，例如CANOPEN或DeviceNet，不可能实现必需的网络通信容量)用一个外形紧凑的主站控制底和小而轻驱动器直接装在移动的机械臂上，这就提供一个最佳方案。唯一的电缆需要在紧凑型主控制器的和从属驱动器之间是EtherCAT通信电缆，对EMI不是敏感的并且对移动的系统来说这种重量和阻力是无意义的。这种解决方案也是可升级的，使它简单增加其他的驱动轴或传送机器不同的输入/输出模块。
总结
在整个集成电路制造过程后退是基于重大成本限制，削减在检测设备的成本，但仍然得超过早先代机器的性能是OEMS厂商的责任。先进的运动控制器能使OEMs制造商集中所有自动化控制和达到高性能要求。运动控制系统不仅提供半导体OEMs以增加的性能，但是他们可以通过运用现成的部件，同时减少费用并且先进的运动控制技术和诊断工具。
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