精度位置控制應(yīng)用中運(yùn)用NanoPWM驅(qū)動(dòng)器代替線性驅(qū)動(dòng)器

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

兩種主要的伺服驅(qū)動(dòng)器：線性驅(qū)動(dòng)器和開關(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描述了開關(guān)PWM驅(qū)動(dòng)的原理圖框圖。驅(qū)動(dòng)器作為通斷開關(guān)工作。馬達(dá)作為平均電流的綜合集成。平均電流是開關(guān)占空比的線性函數(shù)。任意給定時(shí)刻開關(guān)或者是斷開的(沒(méi)有電流流過(guò)開關(guān))或者是導(dǎo)通的(有低電壓加在開關(guān)上)。因此開關(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?？煽?/p>

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[!--empirenews.page--]

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)。