徐加彥，陳興林，范文超，張廣瑩

（哈爾濱工業(yè)大學(xué) 航天學(xué)院，哈爾濱 150001）

集成電路的不斷發(fā)展對科技和生活產(chǎn)生了日新月異的影響。根據(jù)摩爾定律，每18個(gè)月，集成電路的晶體管數(shù)量增加1倍，性能也提高1倍，但是價(jià)格保持不變。在集成電路集成度不斷提高的過程中，集成電路的制造技術(shù)起到了不可替代的作用。光刻機(jī)是集成電路的制造裝備，它將設(shè)計(jì)好的電路版圖轉(zhuǎn)移到硅片上形成集成電路，是集成電路發(fā)展的關(guān)鍵所在[1]。光刻機(jī)E-Pin升降機(jī)構(gòu)作為光刻機(jī)的一部分，其作用是吸附硅片做上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，是光刻技術(shù)硅片定位的重要部分。本文設(shè)計(jì)的光刻機(jī)E-Pin升降機(jī)構(gòu)的控制系統(tǒng)是利用IR2130芯片設(shè)計(jì)功率放大電路來控制H橋，從而驅(qū)動(dòng)音圈電機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。LVDT位移傳感器獲取模擬信號，通過AD將模擬信號轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號，利用FPGA具有可編程靈活性的特點(diǎn)，在FPGA里編程設(shè)計(jì)電路定義通信傳輸協(xié)議，并采用RS485串口將數(shù)字信號傳輸?shù)紻SP，提高了信號采集的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性，保證了整個(gè)控制系統(tǒng)的精度。DSP2812內(nèi)部集成了電機(jī)控制的許多外設(shè)模塊，同時(shí)集成了Flash存儲(chǔ)器和隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM，適合運(yùn)動(dòng)控制場合。所以在本控制系統(tǒng)中DSP2812作為核心控制器，用于控制算法的實(shí)現(xiàn)，滿足整個(gè)控制系統(tǒng)的快速性、準(zhǔn)確性的要求。該光刻機(jī)E-Pin升降機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)在國家重大專項(xiàng)02專項(xiàng)子項(xiàng)目“雙工件臺(tái)系統(tǒng)樣機(jī)的研發(fā)”的應(yīng)用實(shí)驗(yàn)中，準(zhǔn)確性、快速性、穩(wěn)定性達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

1 控制系統(tǒng)總體方案

如圖1所示，整個(gè)系統(tǒng)由運(yùn)動(dòng)控制模塊、傳感器模塊、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)電路、接口電路模塊組成。

圖1 總體設(shè)計(jì)方案框圖Fig.1 Overall design diagram

運(yùn)動(dòng)控制模塊 采用DSP2812作為核心控制器；通過SCI中斷不斷實(shí)時(shí)更新采集的傳感器高度，將傳感器采集的高度信號進(jìn)行數(shù)字濾波后，計(jì)算傳感器的高度；在中斷子程序中通過控制算法對執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制。

傳感器模塊 采用LVDT位移傳感器獲取音圈電機(jī)的高度，在FPGA定義通信協(xié)議，通過串口URAT傳輸。

執(zhí)行機(jī)構(gòu) 采用音圈電機(jī)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)。音圈電機(jī)具有高頻響應(yīng)、精度高、直接驅(qū)動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于行程小但精度要求很高的控制系統(tǒng)中。

驅(qū)動(dòng)電路 采用美國整流公司的IR2130驅(qū)動(dòng)芯片設(shè)計(jì)功率驅(qū)動(dòng)放大電路，用以驅(qū)動(dòng)H橋電路來控制音圈電機(jī)。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 傳感器模塊

位移傳感器采用英國RDP公司的LVDT位移傳感器。LVDT電感式位移傳感器是由1個(gè)初級線圈和2個(gè)二次線圈組成，線圈纏繞在空心軸上，磁芯可以在空心軸中移動(dòng)。初級線圈連接到1個(gè)激勵(lì)的交流電源，當(dāng)磁芯移動(dòng)時(shí)，在二次線圈中形成互感電流。二次線圈A和B以串聯(lián)的方式連接，Va和Vb反相輸出，傳感器的輸出為Va與Vb之差[2]。當(dāng)鐵芯處于中心位置時(shí)，二次線圈產(chǎn)生等量但反相的電壓，此時(shí)輸出為0；當(dāng)鐵芯向某一方向移動(dòng)時(shí)，二次線圈中的電壓升高或者降低，另一個(gè)二次線圈電壓變化則相反。傳感器的電壓輸出與音圈電機(jī)位移成正比，因此，知道勵(lì)磁信號的輸出電壓和相位就能確定音圈電機(jī)的位置和運(yùn)動(dòng)方向。

2.2 信號采集模塊

信號采集模塊整體框架如圖2所示。LVDT位移傳感器的輸出信號是-5 V～+5 V的模擬電壓。模擬信號經(jīng)過AD芯片，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號輸出給FPGA，并在FPGA中定義通信傳輸協(xié)議。

圖2 信號采集模塊的設(shè)計(jì)方案Fig.2 Design diagram of signal acquisition module

將LVDT輸出的模擬信號給AD之前，需將單路的模擬信號轉(zhuǎn)換為雙路的差分信號。設(shè)計(jì)的電路如圖3所示，為了保證信號精度，差分電路需采用精度為0.1%的高精度電阻。

圖3 差分運(yùn)放電路Fig.3 Differential-operational amplifying circuit

模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片采用ADI公司的AD7762芯片，AD7762是一款高性能、24位輸出、高帶寬的高性能芯片，該芯片內(nèi)置低通數(shù)字FIR濾波器，最高采樣頻率為40 MHz。當(dāng)以625 kSPS采樣時(shí)，信噪比可達(dá)106 dB，因此選用此款芯片進(jìn)行高速數(shù)據(jù)的采集。AD7762讀寫時(shí)序如圖4、5所示。

圖4 數(shù)據(jù)讀取時(shí)序圖Fig.4 Parallel interface timing diagram

圖5 數(shù)據(jù)寫入時(shí)序圖Fig.5 Register write timing diagram

FPGA選用Altera公司的EP3C25E144C3N，利用Quartus 11.0軟件對FPGA進(jìn)行編程，從而實(shí)現(xiàn)AD7762的數(shù)據(jù)讀寫時(shí)序和信號傳輸通信協(xié)議[4]。

通信協(xié)議中通信波特率設(shè)置為115200 b/s，前2個(gè)字節(jié)作為起始位的判斷標(biāo)志。

DSP2812處理器通過RS485串口來讀取信號采集模塊的數(shù)據(jù)，來獲得音圈電機(jī)的實(shí)時(shí)高度。

圖6為外力驅(qū)動(dòng)音圈電機(jī)位移曲線，外力為往復(fù)運(yùn)動(dòng)規(guī)律，X軸表示采集點(diǎn)數(shù)，采集頻率為10 Hz，Y軸表示音圈電機(jī)的位移。

圖6 對信號采集模塊測試仿真曲線圖Fig.6 Simulation diagram of signal acquisition module

從圖中可以看出，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集頻率達(dá)到設(shè)計(jì)要求，滿足實(shí)驗(yàn)需要。

3 驅(qū)動(dòng)電路模塊

功率驅(qū)動(dòng)放大電路芯片采用美國整流器公司生產(chǎn)的IR2130驅(qū)動(dòng)芯片。IR2130是一款高電壓、高速度驅(qū)動(dòng)芯片，通過3個(gè)獨(dú)立的高側(cè)和低側(cè)輸出通道來驅(qū)動(dòng)MOSFET和IGBT。內(nèi)置運(yùn)算放大器通過外部電流敏感電阻來提供橋電流的模擬反饋[3]。

IR2130的開關(guān)時(shí)間只有425 ns，死區(qū)時(shí)間只有2.5 μs，滿足驅(qū)動(dòng)要求。圖7為設(shè)計(jì)的功率驅(qū)動(dòng)放大電路。

圖7 功率驅(qū)動(dòng)放大電路Fig.7 Power amplifier circuit

4 運(yùn)動(dòng)控制模塊

控制系統(tǒng)采用DSP2812作為控制器，2000系列的DSP主要特點(diǎn)是內(nèi)部集成了很多電機(jī)控制所需的外設(shè)模塊，同時(shí)還集成了一定容量的FLASH存儲(chǔ)器和隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM，時(shí)鐘頻率為150 MHz，所以該系列的DSP非常適合應(yīng)用于實(shí)時(shí)性要求不高的運(yùn)動(dòng)控制場合[5]。

4.1 算法設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

軟件部分使用CCS3.3軟件編程，CCS3.3是TI公司的一款高性能開發(fā)軟件，可以開發(fā)除了TI3000系列以外的所有DSP[6]?？刂葡到y(tǒng)程序流程如圖8所示，通過位置環(huán)對音圈電機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行閉環(huán)控制?？刂葡到y(tǒng)過程中對讀取的音圈電機(jī)數(shù)字高度進(jìn)行FIR濾波，以減少由于傳感器通信模塊的傳輸錯(cuò)誤造成的誤差。

測量的實(shí)時(shí)性是提高控制精度的重要因素[7]。從FPGA傳輸出來的音圈電機(jī)位移數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)不斷通過RS485發(fā)出，在算法中通過SCI中斷來讀取RS485的數(shù)據(jù)。RS485是以8位的數(shù)據(jù)格式發(fā)出數(shù)據(jù)，SCI中斷子程序根據(jù)通信協(xié)議將接收到的數(shù)據(jù)解析成16位的音圈電機(jī)實(shí)時(shí)高度。

圖8 控制系統(tǒng)的程序流程圖Fig.8 Program flow chart of control system

根據(jù)判斷是否按照順序依次接收到AA、55，若滿足條件，則取后兩位按照順序高低位拼接成16位數(shù)據(jù)。若不滿足條件，則舍棄。

SCI中斷子程序：接收信號采集卡不斷傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，并根據(jù)上述通信協(xié)議確定音圈電機(jī)的高度，實(shí)時(shí)更新數(shù)據(jù)。

定時(shí)器中斷：讀取音圈電機(jī)的高度，并通過改進(jìn)的PID算法對音圈電機(jī)控制。通過程序調(diào)試發(fā)現(xiàn)，定時(shí)中斷為1 ms時(shí)效果較好。

4.2 設(shè)計(jì)系統(tǒng)測試結(jié)果

給定音圈電機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)階躍信號，音圈電機(jī)的響應(yīng)曲線如圖9所示。

根據(jù)響應(yīng)曲線計(jì)算得到E-Pin升降機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差為0，超調(diào)量σ%=21.893%，調(diào)節(jié)時(shí)間tS=0.5 s，說明設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性、快速性滿足要求。

圖9 音圈電機(jī)的響應(yīng)曲線Fig.9 Response curve of the voice coil motor

5 結(jié)語

本文針對E-Pin升降機(jī)構(gòu)吸附硅片準(zhǔn)確定位問題，采用TI公司2000系列的DSP和Altera公司的FPGA，設(shè)計(jì)信號采集模塊，自定義信號傳輸協(xié)議，以音圈電機(jī)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)了E-Pin升降機(jī)構(gòu)的控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對吸附的硅片在上下直線運(yùn)動(dòng)中快速準(zhǔn)確定位。通過實(shí)驗(yàn)表明，控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確性、快速性、穩(wěn)定性達(dá)到要求。

[1] 谷林.光刻機(jī)工件臺(tái)和掩膜臺(tái)同步控制研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2013.

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[3] 劉麗麗.音圈電機(jī)位置伺服控制系統(tǒng)的研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2010.

[4] 夏宇聞.Verilog數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008.

[5] 蘇奎峰，呂強(qiáng).DSP原理及C語言程序開發(fā)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008.

[6] 萬明山.TMS320F281X DSP原理及應(yīng)用實(shí)例[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007.

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