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。光刻機是集成電路的制造裝備，它將設(shè)計好的電路版圖轉(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E-Pin升降機構(gòu)作為光刻機的一部分，其作用是吸附硅片做上下往復(fù)運動，是光刻技術(shù)硅片定位的重要部分。本文設(shè)計的光刻機E-Pin升降機構(gòu)的控制系統(tǒng)是利用IR2130芯片設(shè)計功率放大電路來控制H橋，從而驅(qū)動音圈電機執(zhí)行機構(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，在FPGA里編程設(shè)計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，保證了整個控制系統(tǒng)的精度。DSP2812內(nèi)部集成了電機控制的許多外設(shè)模塊，同時集成了Flash存儲器和隨機存儲器RAM，適合運動控制場合。所以在本控制系統(tǒng)中DSP2812作為核心控制器，用于控制算法的實現(xiàn)，滿足整個控制系統(tǒng)的快速性、準(zhǔn)確性的要求。該光刻機E-Pin升降機構(gòu)控制系統(tǒng)在國家重大專項02專項子項目“雙工件臺系統(tǒng)樣機的研發(fā)”的應(yīng)用實驗中，準(zhǔn)確性、快速性、穩(wěn)定性達(dá)到設(shè)計要求。

1 控制系統(tǒng)總體方案

如圖1所示，整個系統(tǒng)由運動控制模塊、傳感器模塊、執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動電路、接口電路模塊組成。

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

運動控制模塊 采用DSP2812作為核心控制器；通過SCI中斷不斷實時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的高度，在FPGA定義通信協(xié)議，通過串口URAT傳輸。

執(zhí)行機構(gòu) 采用音圈電機作為執(zhí)行機構(gòu)。音圈電機具有高頻響應(yīng)、精度高、直接驅(qū)動等優(yōu)點，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)動電路 采用美國整流公司的IR2130驅(qū)動芯片設(shè)計功率驅(qū)動放大電路，用以驅(qū)動H橋電路來控制音圈電機。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計

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個初級線圈和2個二次線圈組成，線圈纏繞在空心軸上，磁芯可以在空心軸中移動。初級線圈連接到1個激勵的交流電源，當(dāng)磁芯移動時，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，二次線圈產(chǎn)生等量但反相的電壓，此時輸出為0；當(dāng)鐵芯向某一方向移動時，二次線圈中的電壓升高或者降低，另一個二次線圈電壓變化則相反。傳感器的電壓輸出與音圈電機位移成正比，因此，知道勵磁信號的輸出電壓和相位就能確定音圈電機的位置和運動方向。

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，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讀寫時序如圖4、5所示。

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

圖5 數(shù)據(jù)寫入時序圖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，從而實現(xiàn)AD7762的數(shù)據(jù)讀寫時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)，來獲得音圈電機的實時高度。

圖6為外力驅(qū)動音圈電機位移曲線，外力為往復(fù)運動規(guī)律，X軸表示采集點數(shù)，采集頻率為10 Hz，Y軸表示音圈電機的位移。

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，實驗數(shù)據(jù)采集頻率達(dá)到設(shè)計要求，滿足實驗需要。

3 驅(qū)動電路模塊

功率驅(qū)動放大電路芯片采用美國整流器公司生產(chǎn)的IR2130驅(qū)動芯片。IR2130是一款高電壓、高速度驅(qū)動芯片，通過3個獨立的高側(cè)和低側(cè)輸出通道來驅(qū)動MOSFET和IGBT。內(nèi)置運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)時間只有425 ns，死區(qū)時間只有2.5 μs，滿足驅(qū)動要求。圖7為設(shè)計的功率驅(qū)動放大電路。

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

4 運動控制模塊

控制系統(tǒng)采用DSP2812作為控制器，2000系列的DSP主要特點是內(nèi)部集成了很多電機控制所需的外設(shè)模塊，同時還集成了一定容量的FLASH存儲器和隨機存儲器RAM，時鐘頻率為150 MHz，所以該系列的DSP非常適合應(yīng)用于實時性要求不高的運動控制場合[5]。

4.1 算法設(shè)計與實現(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)對音圈電機執(zhí)行機構(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誤造成的誤差。

測量的實時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位移數(shù)據(jù)，實時不斷通過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位的音圈電機實時高度。

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)議確定音圈電機的高度，實時更新數(shù)據(jù)。

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

4.2 設(shè)計系統(tǒng)測試結(jié)果

給定音圈電機執(zhí)行機構(gòu)階躍信號，音圈電機的響應(yīng)曲線如圖9所示。

根據(jù)響應(yīng)曲線計算得到E-Pin升降機構(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)時間tS=0.5 s，說明設(shè)計的控制系統(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)計信號采集模塊，自定義信號傳輸協(xié)議，以音圈電機作為執(zhí)行機構(gòu)，設(shè)計了E-Pin升降機構(gòu)的控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對吸附的硅片在上下直線運動中快速準(zhǔn)確定位。通過實驗表明，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.光刻機工件臺和掩膜臺同步控制研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2013.

[2] 戴克中.一種新型的 LVDT 傳感器[J].傳感器技術(shù)，1991，3（1）：19-20.

[3] 劉麗麗.音圈電機位置伺服控制系統(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[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008.

[5] 蘇奎峰，呂強.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)用實例[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007.

[7] 陳興林，劉川.精密運動控制平臺宏微控制系統(tǒng)的設(shè)計[J].中南大學(xué)學(xué)報，2013，6（6）：2318-2322. ■