Около Maksim Apanasenko, Boaz Kramer, and Ze’ev Kirshenboim, ACS Motion Control, Bloomington, Minn.
Новая линейка коммутационных ШИМ-сервоприводов заменяет существующие приводы в высокопроизводительных системах позиционирования.
Многие промышленные приложения, такие как системы контроля полупроводниковых пластин и обработка и контроль органических светодиодных дисплеев с плоским экраном (FPD), требуют высокой производительности при перемещении с субнанометровым разрешением позиционирования, субнанометровым дрожанием при остановке и последующей погрешностью в несколько нанометров при движении с постоянными низкими скоростями. До сих пор для удовлетворения таких потребностей в основном использовались линейные сервоприводы. Эти типы приводов обеспечивают хорошую линейность и низкий уровень электромагнитного шума, необходимый для достижения такого уровня производительности. Однако линейные приводы имеют несколько недостатков, включая более низкую эффективность и надежность, рассеивание значительного количества тепла, и они, как правило, громоздки и имеют большие размеры. Они также недоступны при высоком напряжении и токе и также могут быть дорогостоящими.
В производстве полупроводников новое поколение полупроводников диаметром 450 мм значительно крупнее нынешнего поколения диаметром 300 мм, и для таких систем требуются приводы с гораздо большей мощностью, напряжением и током. Требуемые линейные сервоприводы чрезвычайно велики, но слишком ограничены по мощности и, таким образом, ограничивают производительность и пропускную способность систем, увеличивают их стоимость и негативно влияют на их надежность.
Новая линейка сервоприводов с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) NanoPWM обеспечивает лучшую производительность позиционирования и слежения без недостатков линейных приводов. Приводы NanoPWM компактны, эффективны и надежны, обеспечивая более высокую мощность при более низкой цене по сравнению со многими ведущими линейными сервоприводами.
Типы сервоприводов
В настоящее время доступны два основных типа сервоприводов: линейные приводы и переключающие ШИМ-приводы.
На рисунке 1 показана схематическая структура типичного линейного привода. Привод действует как переменный резистор, который регулирует свое значение в соответствии с текущими потребностями и импедансом нагрузки. Напряжение питания делится между двигателем (нагрузкой) и самим приводом. Когда двигатель движется с низкой скоростью и требуется обеспечить высокое усилие (или крутящий момент), ток высок, падение напряжения на двигателе низкое, а падение напряжения на приводе высокое. Основным недостатком линейных приводов является их неэффективность в виде рассеивания большого количества мощности, напрасной траты энергии в виде тепла.
На рисунке 2 показана принципиальная схема коммутационного ШИМ-привода. Здесь привод действует как переключатель включения-выключения. Двигатель действует как интегратор, усредняющий напряжение и ток, причем средний ток является линейной функцией рабочего цикла переключения. В любой данный момент выключатель либо разомкнут (ток через выключатель не протекает), либо замкнут (низкое падение напряжения на выключателе). Таким образом, мощность (тепло), рассеиваемая на самом переключателе, невелика.
По сравнению с линейными приводами ШИМ-приводы более эффективны. Однако в ШИМ-приводе генерируется больше электромагнитного шума (EM). Для большинства приложений это не вызывает особого беспокойства. Но там, где требуется субнанометрическое позиционирование, это может стать серьезной проблемой. Другая проблема заключается в том, что в ШИМ-приводе отклик нелинейный, а это означает, что в лучшем случае это не очень корректный отклик. Тем не менее, для подавляющего большинства применений ШИМ-приводы справляются с этой задачей достаточно хорошо.
Приводы NanoPWM сочетают в себе преимущества как линейных сервоприводов, так и ШИМ-приводов. Уникальный каскад питания на приводах NanoPWM имитирует линейный усилитель и даже улучшает его.
Одна из областей, где важно субнанометровое позиционирование, — это производство полупроводниковых пластин. Например, для систем контроля полупроводниковых пластин требуется дрожание в режиме ожидания менее нанометра и последующая ошибка отслеживания в несколько нанометров. Дрожание в режиме ожидания определяется как величина отклонения от идеального положения. В мире полупроводников это может составлять порядка десятков атомов, что может быть чрезвычайно трудно контролировать.
Сегодня большинство систем рассчитано на обработку пластин диаметром 300 мм. Следующее поколение пластин имеет диаметр 450 мм. Они требуют такой же и лучшей производительности позиционирования, а из-за больших размеров и веса для поддержания и повышения производительности машины требуются более мощные двигатели и приводы. Для таких систем требуются приводы, сочетающие в себе преимущества линейных и ШИМ-приводов.
Сравнение производительности
В серии тестов сравнивается производительность двух типов этапов:
1. Линейный каскад с бесщеточным линейным двигателем, механическими подшипниками с поперечными роликами и лазерным аналоговым синусоидальным энкодером Magnascale с базовым разрешением 0,4 мкм.
2. Высокопроизводительный портальный модуль позиционирования 30-мм пластин XY для контроля положения с двигателями с железным сердечником и энкодером Magnascale с базовым разрешением 0,25 мкм. На этом этапе дрожание в режиме ожидания, а также время перемещения и установления были измерены только с использованием привода NanoPWM.
Система управления движением состоит из модуля управления MC4U ACS Motion Control с тремя типами приводов: привод NanoPWM, стандартный привод PWM и автономный линейный привод. В каждом тесте алгоритмы привода и управления были настроены на оптимальную производительность и аналогичную пропускную способность.
NanoPWM и линейные приводы имели схожие характеристики с точки зрения напряжения, пикового тока и постоянного тока. Основными протестированными и измеренными параметрами производительности были дрожание в режиме ожидания и ошибка следования/слежения при движении с постоянной низкой скоростью. Индивидуальные результаты суммируются ниже:
Ошибка остановки – NanoPWM в сравнении с линейным приводом, линейная ступень
Результаты показаны на рисунке 3.
Дрожание в режиме ожидания при использовании привода NanoPWM значительно меньше, чем дрожание при использовании линейного привода. (в 4,5 раза меньше: 0,8 нм против 3,6 нм)
Ошибка слежения при низкой скорости – NanoPWM в сравнении с линейным приводом, линейная ступень
Ошибка слежения была измерена при движении с постоянной скоростью 1 мм/сек. Результаты показаны на рисунке 4.
При использовании привода NanoPWM ошибка отслеживания значительно уменьшается, что приводит к гораздо более плавному перемещению, что жизненно важно для таких приложений, как процесс контроля пластин.
Ошибка остановки – NanoPWM по сравнению со стандартным ШИМ-приводом, линейный каскад
При использовании NanoPWM джиттер в режиме ожидания составляет около 2% от джиттера, достигаемого при использовании стандартных ШИМ-приводов. Системы управления плоскопанельными дисплеями отличаются большими размерами, а требования к напряжению и току двигателя и приводов выходят за рамки возможностей серийно выпускаемых линейных сервоприводов. OLED-дисплеи также требуют более высокой точности и отслеживания, а также постоянного дрожания в несколько нанометров.
Перемещение и настройка измерений с помощью привода NanoPWM, портальной ступени
В этом тесте измерялось время перемещения и оседания при агрессивном перемещении на 20 мм с использованием ускорения 2 g. Теоретическое время перемещения составляет 80 мс. Требование состоит в том, чтобы переместиться и установиться в окне 100 нм в течение 100 мс и в окне 2 нм в течение 160 мс.
Этот тип перемещения требует высокого ускорения, чтобы свести к минимуму теоретическое время перемещения, но именно такое ускорение вызывает вибрации в системе, что увеличивает время схватывания. При использовании привода NanoPWM с усовершенствованным алгоритмом управления ServoBoost технические характеристики выполняются с хорошим запасом.
Система управления движением ACS
www.acsmotioncontrol.com
Свежие комментарии