摘要：在半導(dǎo)體制造業(yè)中，硅片傳輸機(jī)器人承擔(dān)著精確定位、快速搬運(yùn)等復(fù)雜任務(wù)，這對(duì)硅片傳輸機(jī)器人的控制器提出了嚴(yán)格的要求，因此對(duì)硅片傳輸機(jī)器人的控制模塊進(jìn)行系統(tǒng)的研究有著重要意義。本文以美國(guó)Delta Tau Data Systems公司的PMAC運(yùn)動(dòng)控制器為例介紹了PMAC板在硅片傳輸機(jī)器人控制器中的應(yīng)用，并以該公司的PMAC2-PC104型控制板為核心,結(jié)合電氣和氣動(dòng)回路，設(shè)計(jì)和建立了極坐標(biāo)型硅片傳輸機(jī)器人的控制器，實(shí)現(xiàn)了硅片傳輸機(jī)器人的基本作業(yè)運(yùn)動(dòng)。 關(guān)鍵詞：硅片傳輸機(jī)器人; PMAC運(yùn)動(dòng)控制器;機(jī)器人控制器 Abstract: In the semiconductor manufacturing industry, the wafer-handling robots can execute complex tasks such as precise localization, fast transporting and so on. To achieve better performance of wafer-handling robots, it is essential to carry on system research to the control units of wafer-handling robots. This paper takes American Delta Tau Data Systems Corporation is PMAC movement controller as an example, introducing PMAC board to robot controller application, designing and building a R-theta （polar coordinate） wafer-handling robot controller based on PMAC2-PC104. Key words: wafer-handling robot, PMAC movement controller, robot controller 注：國(guó)家863高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目（2002AA421230） 1、 緒論 硅片傳輸機(jī)器人（wafer-handling robot）是半導(dǎo)體集成電路（IC）制造業(yè)中重要的傳輸、定位設(shè)備，其工作的速度、定位精度和可靠性直接影響到硅片的生產(chǎn)效率和制造質(zhì)量。硅片傳輸機(jī)器人在有限的空間中實(shí)現(xiàn)硅片工位的快速轉(zhuǎn)換，這對(duì)硅片傳輸機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)特性、反應(yīng)靈敏性、動(dòng)作準(zhǔn)確性、以及工作穩(wěn)定性和可靠性等方面，都有較高的要求。因此在設(shè)計(jì)硅片傳輸機(jī)器人控制器過(guò)程中，需要充分考慮以上工作特性。 可編程多軸控制器（Programmable Multi Axis Controller，簡(jiǎn)稱 PMAC）為一種廣泛應(yīng)用在工業(yè)控制領(lǐng)域的自動(dòng)化控制設(shè)備，它可配置在普通的PC平臺(tái)下，提供開放式模塊化結(jié)構(gòu)的伺服運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，同時(shí)為計(jì)算機(jī)作伺服控制算法研究和實(shí)時(shí)監(jiān)控提供了方便，使多軸聯(lián)動(dòng)參數(shù)匹配化設(shè)計(jì)更加便利。硅片傳輸機(jī)器人本體多為3——5自由度的機(jī)械臂，而PMAC板能提供多達(dá)８軸的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)控制，所以，硅片傳輸機(jī)器人控制器完全可以采用PMAC板作為核心實(shí)現(xiàn)其功能。 2、 PMAC運(yùn)動(dòng)控制器簡(jiǎn)介 PMAC即可編程多軸運(yùn)動(dòng)控制器，通常以高速DSP （Digital Signal Processor）為核心，使用一片微處理器來(lái)實(shí)現(xiàn)多個(gè)電機(jī)的伺服系統(tǒng)。由Delta Tau Data Systems公司開發(fā)的開放結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)控制器PMAC是世界上功能較強(qiáng)的運(yùn)動(dòng)控制器之一。PMAC運(yùn)動(dòng)控制器以Motorola的DSP56K系列數(shù)字信號(hào)處理器（DSP-Digital Signal Processor）為核心，形成支持多種總線（ISA、PCI、VME、PC104）插槽的卡式產(chǎn)品或獨(dú)立的控制器模塊。一塊控制器可以同時(shí)操縱8-32個(gè)軸，并且可以并聯(lián)運(yùn)行。 PMAC運(yùn)動(dòng)控制器所控制的每一個(gè)軸完全獨(dú)立，即塊插卡可以操縱8臺(tái)不同機(jī)器的8個(gè)單軸，或者同一臺(tái)機(jī)器中的8個(gè)軸，或者兩者之間的任意組合。在對(duì)伺服數(shù)據(jù)的處理能力、軸特性及輸入信號(hào)帶寬方面，PMAC控制器由于采用專門的模塊化結(jié)構(gòu)，編碼器輸入的串行處理速度是大多數(shù)控制器的10到15倍。而且可從高分辨率編碼器件接收低插補(bǔ)位的5位并行數(shù)據(jù)，可得到320MHz的有效輸入帶寬。 PMAC運(yùn)動(dòng)控制器具有極強(qiáng)的靈活性，可適配于當(dāng)前普遍應(yīng)用的多種不同總線結(jié)構(gòu)、不同類型的電機(jī)、反饋元件以及指令數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，可隨時(shí)對(duì)PMAC硬件進(jìn)行升級(jí)。PMAC控制器允許同一控制程序在所有總線上運(yùn)行，同時(shí)允許每一軸上電機(jī)和反饋元件的不同組合。 PMAC運(yùn)動(dòng)控制器在硬件結(jié)構(gòu)上采用了先進(jìn)的模塊化設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)是開放性，可根據(jù)不同的應(yīng)用系統(tǒng)選取相應(yīng)的選項(xiàng)及附件。當(dāng)系統(tǒng)需要對(duì)多軸進(jìn)行聯(lián)動(dòng)和插補(bǔ)控制時(shí)，就可以以一塊PMAC板用于機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床、坐標(biāo)測(cè)量機(jī)、激光加工、雕刻機(jī)、印刷、包裝等各類自動(dòng)化設(shè)備。在本硅片傳輸機(jī)器人控制器中，我們選用的是PMAC2-PC104型控制板。 3、 硅片傳輸機(jī)器人控制器的總體設(shè)計(jì)方案 硅片傳輸機(jī)器人為極坐標(biāo)型機(jī)器人，三自由度，關(guān)節(jié)處采用帶傳動(dòng)的方式，按照上述設(shè)計(jì)要求及設(shè)想，硅片傳輸機(jī)器人控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)可歸納為： （1） 三軸聯(lián)動(dòng)，半閉環(huán)控制方式； （2） 快速定位； （3） 具有圓弧插補(bǔ)功能； （4） 能與上位機(jī)串行通信； （5） 具有脫機(jī)運(yùn)行的功能； （6） 具有I/O開關(guān)量控制功能； （7） 具有補(bǔ)償功能； （8） 具有友好的人機(jī)對(duì)話界面； （9） 具有開放式的控制方式； （10） 具有連動(dòng)，點(diǎn)動(dòng)兩種方式。 圍繞開放性、經(jīng)濟(jì)性、實(shí)用性及可靠性等設(shè)計(jì)要求。 4、硅片傳輸機(jī)器人控制器的具體設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn) 4.1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模式的選擇 由計(jì)算機(jī)輸出的控制信號(hào)不足以驅(qū)動(dòng)電機(jī)或其它執(zhí)行元件運(yùn)動(dòng)，此信號(hào)還必須通過(guò)放大器放大才能驅(qū)動(dòng)電機(jī)及其它執(zhí)行元件。驅(qū)動(dòng)器一般分為五大類，它們分別是:速度模式驅(qū)動(dòng)器、扭矩模式驅(qū)動(dòng)器、直接PWM 數(shù)字模式驅(qū)動(dòng)器、正弦輸入模式驅(qū)動(dòng)器、脈沖加方向方式的驅(qū)動(dòng)器。在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，驅(qū)動(dòng)器模式的選擇對(duì)控制系統(tǒng)性能有很大影響。 硅片傳輸機(jī)器人是一種點(diǎn)位運(yùn)動(dòng)的精密系統(tǒng)，其控制方式是點(diǎn)位控制，考慮到所要求的定位精度高，且速度上的要求也不明顯，因此在本硅片傳輸機(jī)器人控制器中選用了位置控制模式。 4.2 PMAC對(duì)伺服電機(jī)的控制 硅片傳輸機(jī)器人要求實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的位置的轉(zhuǎn)移，其控制方式采用的是位置控制。PMAC對(duì)位置的控制采用的是脈沖加方向的模式。該硅片傳輸機(jī)器人控制器使用PMAC2-PC104系列的多軸控制器，能控制脈沖加方向輸入伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，這些驅(qū)動(dòng)器既可以工作在開環(huán)模式下（實(shí)際是通過(guò)內(nèi)部的子程序?qū)⒚}沖串引入到自己的編碼計(jì)數(shù)器，建立一個(gè)偽閉環(huán)）又可以在閉環(huán)模式下工作（實(shí)際上是將外部設(shè)備的反饋連接到PMAC2-PC104中建立閉環(huán)）。 PMAC2-PC104使用全數(shù)字脈沖頻率控制（PFM）電路建立它的脈沖和方向控制信號(hào)。這個(gè)電路重復(fù)地把最新的 指令頻率值加到一個(gè)累加器中。信號(hào)輸出的脈沖串的頻率正比于指令值，而且不存在模擬脈沖發(fā)生器的偏移，波形失真等問(wèn)題。 4.3 硅片傳輸機(jī)器人的氣動(dòng)控制回路 硅片傳輸機(jī)器人末端執(zhí)行器的翻轉(zhuǎn)動(dòng)作由擺動(dòng)氣缸實(shí)現(xiàn)，硅片的抓取動(dòng)作由真空發(fā)生器的真空吸附作用實(shí)現(xiàn)，因此在硅片傳輸機(jī)器人的控制系統(tǒng)中采用氣動(dòng)控制回路。此氣動(dòng)回路需要兩個(gè)輸出口進(jìn)行電磁閥的控制，兩個(gè)輸入口接受擺動(dòng)氣缸磁性位置開關(guān)的信號(hào)。由于所需的I/O口的數(shù)量較少，可直接將PMAC2-PC104上的標(biāo)志位（flag）改做通用I/O口，其中對(duì)輸出口的控制由與該口所對(duì)應(yīng)的M變量的值來(lái)控制。硅片傳輸機(jī)器人的氣動(dòng)回路和氣動(dòng)回路電控圖如圖4-1，4-2所示。 如圖4-1所示，系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)接通氣源，擺動(dòng)氣缸1運(yùn)動(dòng)至左端極限位置，此時(shí)磁性開關(guān)1吸合；真空發(fā)生器2此時(shí)并無(wú)負(fù)壓產(chǎn)生，不產(chǎn)生吸附作用。當(dāng)YA1得電時(shí)，電磁閥6換向至左位，擺動(dòng)氣缸向右運(yùn)動(dòng)至極限位置，此時(shí)磁性開關(guān)A2吸合。當(dāng)YA2得電時(shí)，兩位兩通電磁閥7換向至左位，真空發(fā)生器的進(jìn)氣口有空氣流入，真空孔產(chǎn)生負(fù)壓，此時(shí)具有吸附作用。硅片傳輸機(jī)器人的末端執(zhí)行器正是利用這種工作機(jī)理實(shí)現(xiàn)了硅片的抓取和釋放，翻轉(zhuǎn)動(dòng)作則由擺動(dòng)氣缸驅(qū)動(dòng)。 在圖4-1中擺動(dòng)氣缸的速度是由連接在兩個(gè)氣孔的單向節(jié)流閥采用排氣節(jié)流的方式控制，以保證活塞運(yùn)行的平穩(wěn)性。一般不采用進(jìn)氣節(jié)流方式，因?yàn)榇朔绞竭M(jìn)氣流量小，進(jìn)氣腔壓力上升緩慢，排氣迅速，排氣腔壓力很低，主要靠壓縮空氣的膨脹使活塞運(yùn)動(dòng)，很難控制氣缸的速度達(dá)到穩(wěn)定，通常進(jìn)氣節(jié)流方式只用于單作用氣缸、夾緊氣缸和低摩擦力氣缸。 如圖4-2所示，PMAC的ACC1（JMACH1）中的33和34這兩個(gè)輸出端口的內(nèi)部是集電極開路（OC）輸出，兩個(gè)控制電磁閥線圈的固態(tài)繼電器（SSR1和SSR2）導(dǎo)通需要提供+5V電壓，因此在33、34端口處采用了3.3K的上拉電阻，目的是起到限制電流的作用，防止灌入集電極的電流過(guò)大損壞元器件。 由圖4-2中能夠了解到，當(dāng)M114置1，OC門導(dǎo)通，PMAC-PC104的ACC1（JMACH1）中的33的電壓為0，固態(tài)繼電器的控制端截止，輸出端也截止，電磁閥的線圈YA1無(wú)電流通過(guò)，電磁閥不動(dòng)作。當(dāng)M114置0，OC門截止，33的電壓為1，固態(tài)繼電器的控制端導(dǎo)通，輸出端也導(dǎo)通，電磁閥的線圈YA1有電流通過(guò)，電磁閥動(dòng)作。當(dāng)A1吸合的時(shí)候20端口（HOME4 標(biāo)志）的輸入值為0，對(duì)應(yīng)的M420被賦值為0，當(dāng)A1斷開的時(shí)候20端口（HOME4 標(biāo)志）的輸入值為1，對(duì)應(yīng)的M420被賦值為1。PMAC可以通過(guò)查詢M420的狀態(tài)，得到A1、A2磁性開關(guān)的狀態(tài)，判斷出擺動(dòng)氣缸目前位于哪一個(gè)極限位置。 [align=center] 圖4-1 硅片傳輸機(jī)器人氣動(dòng)回路圖[/align] [align=center] 圖4-2 硅片傳輸機(jī)器人氣動(dòng)回路控制圖[/align] 4.4 硅片傳輸機(jī)器人控制器的硬件調(diào)試 硅片傳輸機(jī)器人在進(jìn)行首次運(yùn)動(dòng)之前，必須進(jìn)行控制系統(tǒng)的硬件調(diào)試。利用PMAC和伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)成的控制平臺(tái)，通過(guò)對(duì)PMAC和伺服系統(tǒng)中的參數(shù)的設(shè)置調(diào)節(jié)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、快速性和準(zhǔn)確性。硅片傳輸機(jī)器人系統(tǒng)的硬件調(diào)試主要包括: PMAC板的參數(shù)設(shè)置、電機(jī)伺服系統(tǒng)的PID參數(shù)調(diào)整和前饋參數(shù)調(diào)節(jié)。 4.4.1 PMAC板的參數(shù)設(shè)置 PMAC板的有關(guān)參數(shù)必須預(yù)先設(shè)置，才能在給定的系統(tǒng)（電機(jī)、碼盤）下工作。設(shè)置過(guò)程可以使用在線命令設(shè)置的方式。下面以1#電機(jī)為例，介紹幾個(gè)重要的必須設(shè)置的I變量。 I100：電機(jī)使能參數(shù)。I100=0，電機(jī)沒(méi)有使能，電機(jī)將不會(huì)運(yùn)轉(zhuǎn)；I100=1，電機(jī)使能。 I102：指令輸出地址。告知PMAC2對(duì)電機(jī)1的指令輸出位置，使用PFM，輸出必須寫到正確的軸的接口電路的C指令寄存器。對(duì)電機(jī)1，I102=$C004. I116：最大允許的編程速度，可以由%作為速度極限來(lái)修調(diào)。 I117：最大允許的編程加速度，可以由%作為加速度極限來(lái)修調(diào)。 I119：允許最大的JOG加速度。可用TA（I120）和TS（I）以及TM（）來(lái)代替，使用I119變量時(shí)，I120和I121總是為0。 I122：手動(dòng)最大速度。 I125：標(biāo)志和方式變量，確定PMAC知道到哪里尋找它的限位和回零標(biāo)志輸入。如果已連接了限位開關(guān)到+LIM1、-LIM1或?qū)?LIM1、-LIM1限位針接地，I125就必須設(shè)為49125（$C000）；如果不使用限位開關(guān)，且并未把限位針接地，則把I125設(shè)為$2C000。若設(shè)置不正確，電機(jī)將不會(huì)運(yùn)轉(zhuǎn)。 I129：DAC微調(diào)，用該參數(shù)可以調(diào)整零漂，可以人為地增加或減小來(lái)調(diào)整以達(dá)到最佳的效果。也可以自動(dòng)調(diào)整。 I169：輸出命令DAC限制，該參數(shù)定義了從控制環(huán)送來(lái)的最大輸出量的大小。如果計(jì)算出的值比該限制大一些，那么輸出量將為該限制所限定。若該限制被"觸犯"一段時(shí)間，隨動(dòng)誤差將會(huì)開始增加，PID環(huán)中的積分電路將會(huì)由于過(guò)載保護(hù)而關(guān)斷。所以，該參數(shù)值應(yīng)慎重選擇。 I910：編碼器、計(jì)時(shí)器解碼控制，I910=7 四倍頻控制。 I916：輸出模式選擇。 4.4.2 電機(jī)伺服系統(tǒng)的PID參數(shù)調(diào)節(jié) 在PMAC板中，比例增益變量為I130，提供系統(tǒng)的剛性。積分增益變量為I133，用于消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。微分增益變量為I131，用于提供系統(tǒng)的阻尼以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定。另外還有幾個(gè)伺服控制I變量可以減小伺服系統(tǒng)的軌跡誤差:電機(jī)速度前饋增益I132，可以減小由I131引起的軌跡誤差，增大系統(tǒng)阻尼，改善系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能。電機(jī)加速度前饋增益I135，可減小慣性遲滯引起的跟蹤誤差。電機(jī)摩擦前饋增益I168，主要用于幫助克服由于摩擦而帶來(lái)的誤差。這幾個(gè)參數(shù)在調(diào)整PID參數(shù)過(guò)程中也起著重要的作用。 PMAC2-PC104 多軸控制器的PID參數(shù)設(shè)置是由PMACTUNINGPRO軟件執(zhí)行的，PMACTUNINGPRO執(zhí)行程序有很好的調(diào)試工具，它可以進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，從而根據(jù)需要繪出DAC-TIME、POSITION-TIME、ACCELARATION-TIME和FOLLOW ERROR-TIME等曲線，利用這些曲線來(lái)進(jìn)行分析和調(diào)節(jié)。 以下是#3電機(jī)PID調(diào)試過(guò)程中的實(shí)例，具體的調(diào)節(jié)方法是根據(jù)上述的原則而進(jìn)行。其步驟為： （1） 確定比例增益P；確定比例增益P 時(shí)，首先去掉PID的積分項(xiàng)和微分項(xiàng)，一般是令Ti=0、Td=0，使PID為純比例調(diào)節(jié)。輸入設(shè)定為系統(tǒng)允許的最大值的60%——70%，由0逐漸加大比例增益P，直至系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩；再反過(guò)來(lái)，從此時(shí)的比例增益P逐漸減小，直至系統(tǒng)振蕩消失，記錄此時(shí)的比例增益P，設(shè)定PID的比例增益P為當(dāng)前值的60%——70%。比例增益P調(diào)試完成。 （2） 確定積分時(shí)間常數(shù)Ti；比例增益P確定后，設(shè)定一個(gè)較大的積分時(shí)間常數(shù)Ti的初值，然后逐漸減小Ti，直至系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩，之后再反過(guò)來(lái)，逐漸加大Ti，直至系統(tǒng)振蕩消失。記錄此時(shí)的Ti，設(shè)定PID的積分時(shí)間常數(shù)Ti為當(dāng)前值的150%——180%。積分時(shí)間常數(shù)Ti調(diào)試完成。 （3） 確定積分時(shí)間常數(shù)Td；積分時(shí)間常數(shù)Td一般不用設(shè)定，為0即可。若要設(shè)定，與確定 P和Ti的方法相同，取不振蕩時(shí)的30%。 經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)，3#電機(jī)階躍響應(yīng)曲線如圖4-3所示。 [align=center] 圖4-3 調(diào)整后的3#電機(jī)階躍響應(yīng)曲線[/align] 4.4.3 前饋參數(shù)調(diào)節(jié) 速度前饋增益Kvff和加速度前饋增益Kaff的調(diào)節(jié)需要在基本PID參數(shù)調(diào)節(jié)好后進(jìn)行。基本參數(shù)的調(diào)節(jié)可以根據(jù)伺服軸的階躍響應(yīng)特性進(jìn)行，前饋控制參數(shù)的調(diào)節(jié)則根據(jù)拋物線響應(yīng)特性進(jìn)行。手動(dòng)調(diào)整PID參數(shù)可根據(jù)FOLLOW ERROR-TIME曲線來(lái)進(jìn)行。圖4-5是已經(jīng)調(diào)節(jié)好的電機(jī)拋物線運(yùn)動(dòng)跟隨運(yùn)動(dòng)誤差曲線。從圖中可以看出，誤差已經(jīng)大大減少，達(dá)到了使用要求。 [align=center] 圖4-4 調(diào)整后3#電機(jī)拋物線運(yùn)動(dòng)跟隨誤差曲線[/align] 5、 結(jié)論 經(jīng)過(guò)調(diào)試，硅片傳輸機(jī)器人控制器基本實(shí)現(xiàn)了對(duì)硅片傳輸機(jī)器人本體的控制，可操縱硅片傳機(jī)器人進(jìn)行單軸單動(dòng)以及多軸聯(lián)動(dòng)等運(yùn)動(dòng)，較好地解決了硅片傳輸機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中伺服電機(jī)的控制問(wèn)題，有效地解決了旋轉(zhuǎn)、升降機(jī)構(gòu)的耦合運(yùn)動(dòng)問(wèn)題。