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)用要求極其高的運動性能，在低速勻速運動的納米級運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。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。
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和驅(qū)動器之前。當(dāng)馬達以低速運行被要求提供大力矩時，電流就是高的，加在馬達上的電壓就是低的，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)缺點總結(jié)
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| PWM 驅(qū)動 | 線性驅(qū)動器 | 特點 |
| 運動性能 | 好 | 非常好 | 由于電流紋波和零點交越失真，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
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。NanoPWMTM就是這樣的驅(qū)動器。它很高效，可以實現(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。
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
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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帶動的直線平臺，交叉滾珠軸承機械和基本分辨率為0.4mico-meter的magnascale 激光模擬量SIN-COS編碼器。運動控制系統(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單獨線性驅(qū)動器 在每個測試中，驅(qū)動器和算法都進行一定的調(diào)試使其達到最優(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小（小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，對于馬達電壓和電流的要求超過了目前商業(yè)化了的線性馬達的容許能力。有機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。使用NanoPWMTM驅(qū)動器得到的運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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