高精度應(yīng)用中革命性的驅(qū)動器技術(shù)NanoPWM驅(qū)動器
標(biāo)題：高精度應(yīng)用中革命性的驅(qū)動器技術(shù)NanoPWM驅(qū)動器
副標(biāo)題：精度位置控制應(yīng)用中運(yùn)用NanoPWM 驅(qū)動器代替線性驅(qū)動器
作者: Maksim Apanasenko, Boaz Kramer, Ze'ev Kirshenboim.
ACS Motion Control (1. 2014)
摘要
許多工業(yè)應(yīng)用, 半導(dǎo)體晶圓檢測系統(tǒng), 有機(jī)發(fā)光二極管平板顯示器生產(chǎn)和檢測，,這些應(yīng)用要求極其高的運(yùn)動性能，在低速勻速運(yùn)動的納米級運(yùn)動中保持亞納米級的靜止抖動和跟隨誤差。目前線性伺服驅(qū)動已經(jīng)被應(yīng)用于滿足這些需求。這種類型的驅(qū)動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)動器體積非常大，而且能量很有限，因此限制了這個系統(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。
NanoPWMTM是開關(guān)PWM驅(qū)動器的線性化，這種線性化基于一種獨(dú)特的專利技術(shù)。
在過去5年中ACS研發(fā)的PWMBoostTM可以滿足這樣的位置系統(tǒng)。NanoPWMTM驅(qū)動器提供更好的位置性能和跟隨性能，并且克服了線性驅(qū)動器的缺點(diǎn)。NanoPWMTM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)動器的種類
兩種主要的伺服驅(qū)動器：線性驅(qū)動器和開關(guān)PWM驅(qū)動器。
圖1描繪了線性驅(qū)動器的原理框圖。這個驅(qū)動器像一個可變電阻一樣工作，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)動器之前。當(dāng)馬達(dá)以低速運(yùn)行被要求提供大力矩時，電流就是高的，加在馬達(dá)上的電壓就是低的，加在驅(qū)動器上的電壓就是高的。此時驅(qū)動器的損耗是很高的。
圖1線性驅(qū)動器的原理圖描述
圖2描述了開關(guān)PWM驅(qū)動的原理圖框圖。驅(qū)動器作為通斷開關(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)。任意給定時刻開關(guān)或者是斷開的（沒有電流流過開關(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。
Figure 2 – schematic description of a PWM drive
圖2—PWM驅(qū)動器的原理圖描述
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表1.各種類型驅(qū)動器的優(yōu)缺點(diǎn)總結(jié)
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| PWM 驅(qū)動 | 線性驅(qū)動器 | 特點(diǎn) |
| 運(yùn)動性能 | 好 | 非常好 | 由于電流紋波和零點(diǎn)交越失真，PWM驅(qū)動器性能低于線性驅(qū)動器 |
| 輸出功率 | 高 | 低 | 線性驅(qū)動器由于低效率限制了電流和能量 |
| 電磁噪聲 | 高 | 低 |
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| 效率 | 高 | 低 |
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| 可靠性 | 高 | 有限 |
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| 尺寸和重量 | 小輕 | 大重 |
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| 成本 | 低 | 高 |
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表1—各種驅(qū)動器的優(yōu)缺點(diǎn)
需求
表3-半導(dǎo)體晶圓藍(lán)圖
半導(dǎo)體晶圓檢測系統(tǒng)要求亞納米級的靜止誤差和納米級跟隨誤差。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)動器來保持和提高系統(tǒng)的吞吐量。這樣的系統(tǒng)要求驅(qū)動器具有線性驅(qū)動器和PWM驅(qū)動的優(yōu)點(diǎn)。NanoPWMTM就是這樣的驅(qū)動器。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NaonPWMTM的主要特點(diǎn)。
low EM 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?/span>
Affordable price：可接受的價位
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：造價高
圖4-NanoPWMTM兼容了線性驅(qū)動器和PWM驅(qū)動器的優(yōu)點(diǎn)
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圖5-相同功率的線性驅(qū)動器和PWM驅(qū)動器的尺寸對比
性能比較測試系統(tǒng)包括一個無貼心直線馬達(dá)帶動的直線平臺，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)動控制系統(tǒng)包括ACS MC4U控制模塊和三種不同的驅(qū)動器 · NanoPWMTM · Standard PWM標(biāo)準(zhǔn)PWM驅(qū)動器 · Standalone linear drive單獨(dú)線性驅(qū)動器 在每個測試中，驅(qū)動器和算法都進(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)動器具有相同的特性
Table 2 – 驅(qū)動器的主要性能指標(biāo)
測試以下性能指標(biāo)： 靜止抖動 低速跟隨誤差 靜止誤差—NanoPWMTMvs線性驅(qū)動器 |
測試結(jié)果在表6中，總結(jié)在表格3中
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表6 –NanoPWMTM（紅色）VS線性驅(qū)動器（黃色）靜止抖動
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| NanoPWMTM | 線性驅(qū)動器 | |
| 靜止抖動[nm] p-p | 0.8 | 3.6 |
| RMS noise[nm] | 0.1 | 0.44 |
Table 3 - NanoPWM (紅色) VS 線性驅(qū)動器 (黃色) 靜止抖動
使用NanoPWMTM驅(qū)動器比使用線性驅(qū)動器時的靜止抖動明顯減?。ㄐ?/span>4.5倍：0.8nmVr3.6nm）
低速跟隨誤差-NanoPWM VS線性驅(qū)動器.
跟隨誤差是在1mm/s的速度下測量的，測試結(jié)果在表圖7中，總結(jié)在表格4中
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圖7 NanoPWMTM驅(qū)動器（紅色）VS線性驅(qū)動器（黃色）的跟隨誤差
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| NanoPWMTM | 線性驅(qū)動器 | |
| 跟隨誤差[nm] p-p | 22 | 48 |
Table 4 - NanoPWMTM (紅) VS線性驅(qū)動器 (黃) 跟隨誤差
使用NanoPWMTM驅(qū)動器時跟隨誤差明顯減小，結(jié)果得到跟平滑的運(yùn)動軌跡，這樣的軌跡在晶圓檢測過程中十分重要。
靜止誤差-NanoPWM VS標(biāo)準(zhǔn)PWM驅(qū)動器
測試結(jié)果見圖8，表5進(jìn)行了總結(jié)
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圖8-NanoPWMTM（紅色）vs PWM（黃色）靜止抖動
Table 5 - NanoPWMTM (紅色) VS PWM drive (黃色) 靜止抖動
使用NanoPWMTM驅(qū)動器的靜止誤差比使用標(biāo)準(zhǔn)PWM驅(qū)動器小兩個數(shù)量級。平板顯示器加工系統(tǒng)比較龐大，對于馬達(dá)電壓和電流的要求超過了目前商業(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，都要在幾個納米的誤差范圍內(nèi)。NanoPWMTM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)動器-NanoPWMTM,這種驅(qū)動器具有線性驅(qū)動器和PWM驅(qū)動器的所有優(yōu)點(diǎn)。使用NanoPWMTM驅(qū)動器得到的運(yùn)動性能超過了目前已經(jīng)商業(yè)化了的線性伺服驅(qū)動器的性能。這種驅(qū)動器更小，更可靠，更便宜。 這種驅(qū)動器可以滿足更高的運(yùn)動性能需求，適合半導(dǎo)體晶圓檢測和平板顯示器制造系統(tǒng)。
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