作者: Maksim Apanasenko, Boaz Kramer, Ze'ev Kirshenboim.
ACS Motion Control
介紹
許多工業應用, 半導體晶圓檢測測系統, 有機發光二極管平板顯示器生產和檢測，,這些應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。目前線性伺服驅動已經被應用于滿足這些需求。這種類型的驅動器提供了驚人的性能，可以達到這些應用需要的線性度。但是由于線性伺服驅動器效率低，熱損耗大，體積大、笨重。新一代450mm半導體比目前的300mm半導體大得多，而且這樣的系統需要驅動器具有更高的能力，更高的電壓和電流。這就要求線性驅動器體積非常大，而且能量很有限，因此限制了這個系統的性能和生產量，增加了系統成本，降低了系統可靠性。
NanoPWM是開關PWM驅動器的線性化，這種線性化基于一種獨特的專利技術。
在過去5年中ACS研發的PWMBoost可以滿足這樣的位置系統。NanoPWM驅動器提供更好的位置性能和跟隨性能，并且克服了線性驅動器的缺點。NanoPWM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，而且更經濟。
伺服驅動器的種類
兩種主要的伺服驅動器：線性驅動器和開關PWM驅動器。
圖1描繪了線性驅動器的原理框圖。這個驅動器像一個可變電阻一樣工作，根據電流需求和負載阻抗調節電流。供電電壓被分配在馬達和驅動器之前。當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，加在驅動器上的電壓就是高的。此時驅動器的損耗是很高的。
圖1線性驅動器的原理圖描述
圖2描述了開關PWM驅動的原理圖框圖。驅動器作為通斷開關工作。馬達作為平均電流的綜合集成。平均電流是開關占空比的線性函數。任意給定時刻開關或者是斷開的（沒有電流流過開關）或者是導通的（有低電壓加在開關上）。因此開關損耗是很低的。
圖2—PWM驅動器的原理圖描述
.
表1.各種類型驅動器的優缺點總結
表1—各種驅動器的優缺點
需求
表3-半導體晶圓藍圖
半導體晶圓檢測系統要求亞納米級的靜止誤差和納米級跟隨誤差。今天，大多數系統是為了處理直徑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動器來保持和提高系統的吞吐量。這樣的系統要求驅動器具有線性驅動器和PWM驅動的優點。NanoPWMTM就是這樣的驅動器。它很高效，可以實現高電壓操作，提供高電流。它很緊湊而且成本更低。
圖4和5介紹了NaonPWM的主要特點。
lowEM noise :低電磁噪聲
good performance：良好的性能
High efficiency：高效率
Compact size：結構緊湊
Very reliable：非常可靠
Affordable price：可接受的價位
Regular performance：一般性能
High EM noise ：高電磁噪聲
Complex design：設計復雜
Poor reliability ：可靠性較差
Low efficiency：效率低
Expensive：造價高
圖4-NanoPWM兼容了線性驅動器和PWM驅動器的優點
圖5-相同功率的線性驅動器和PWM驅動器的尺寸對比
性能比較
測試系統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。運動控制系統包括ACS MC4U控制模塊和三種不同的驅動器
• NanoPWM
• Standard PWM標準PWM驅動器
• Standalone linear drive單獨線性驅動器
在每個測試中，驅動器和算法都進行一定的調試使其達到最優性能和相似的帶寬。
入表2中描述，驅動器具有相同的特性
Table 2 – 驅動器的主要性能指標
測試以下性能指標：
靜止抖動
低速跟隨誤差
靜止誤差—NanoPWMvs線性驅動器
測試結果在表6中，總結在表格3中
表6 –NanoPWM（紅色）VS線性驅動器（黃色）靜止抖動
Table 3 - NanoPWM (紅色) VS 線性驅動器 (黃色) 靜止抖動
使用NanoPWM驅動器比使用線性驅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線性驅動器.
跟隨誤差是在1mm/s的速度下測量的，測試結果在表圖7中，總結在表格4中
圖7 NanoPWM驅動器（紅色）VS線性驅動器（黃色）的跟隨誤差
NanoPWM 線性驅動器
Table 4 - NanoPWM (紅) VS線性驅動器 (黃) 跟隨誤差
使用NanoPWM驅動器時跟隨誤差明顯減小，結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標準PWM驅動器
測試結果見圖8，表5進行了總結
圖8-NanoPWM（紅色）vs PWM（黃色）靜止抖動
Table 5 - NanoPWM (紅色) VS PWM drive (黃色) 靜止抖動
使用NanoPWM驅動器的靜止誤差比使用標準PWM驅動器小兩個數量級。平板顯示器加工系統比較龐大，對于馬達電壓和電流的要求超過了目前商業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。NanoPWM給這樣的需求提出了解決方案。
總結
本文介紹了一直新型的線性開關伺服驅動器-NanoPWM,這種驅動器具有線性驅動器和PWM驅動器的所有優點。使用NanoPWM驅動器得到的運動性能超過了目前已經商業化了的線性伺服驅動器的性能。這種驅動器更小，更可靠，更便宜。
這種驅動器可以滿足更高的運動性能需求，適合半導體晶圓檢測和平板顯示器制造系統。 |
