摘要：在半導體制造業(yè)中，硅片傳輸機器人承擔著精確定位、快速搬運等復雜任務，這對硅片傳輸機器人的控制器提出了嚴格的要求，因此對硅片傳輸機器人的控制模塊進行系統(tǒng)的研究有著重要意義。本文以美國Delta Tau Data Systems公司的PMAC運動控制器為例介紹了PMAC板在硅片傳輸機器人控制器中的應用，并以該公司的PMAC2-PC104型控制板為核心,結合電氣和氣動回路，設計和建立了極坐標型硅片傳輸機器人的控制器，實現(xiàn)了硅片傳輸機器人的基本作業(yè)運動。 關鍵詞：硅片傳輸機器人; PMAC運動控制器;機器人控制器 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：國家863高技術研究發(fā)展計劃資助項目（2002AA421230） 1、 緒論 硅片傳輸機器人（wafer-handling robot）是半導體集成電路（IC）制造業(yè)中重要的傳輸、定位設備，其工作的速度、定位精度和可靠性直接影響到硅片的生產效率和制造質量。硅片傳輸機器人在有限的空間中實現(xiàn)硅片工位的快速轉換，這對硅片傳輸機器人的運動特性、反應靈敏性、動作準確性、以及工作穩(wěn)定性和可靠性等方面，都有較高的要求。因此在設計硅片傳輸機器人控制器過程中，需要充分考慮以上工作特性。 可編程多軸控制器（Programmable Multi Axis Controller，簡稱 PMAC）為一種廣泛應用在工業(yè)控制領域的自動化控制設備，它可配置在普通的PC平臺下，提供開放式模塊化結構的伺服運動控制系統(tǒng)，同時為計算機作伺服控制算法研究和實時監(jiān)控提供了方便，使多軸聯(lián)動參數(shù)匹配化設計更加便利。硅片傳輸機器人本體多為3——5自由度的機械臂，而PMAC板能提供多達８軸的獨立運動控制，所以，硅片傳輸機器人控制器完全可以采用PMAC板作為核心實現(xiàn)其功能。 2、 PMAC運動控制器簡介 PMAC即可編程多軸運動控制器，通常以高速DSP （Digital Signal Processor）為核心，使用一片微處理器來實現(xiàn)多個電機的伺服系統(tǒng)。由Delta Tau Data Systems公司開發(fā)的開放結構運動控制器PMAC是世界上功能較強的運動控制器之一。PMAC運動控制器以Motorola的DSP56K系列數(shù)字信號處理器（DSP-Digital Signal Processor）為核心，形成支持多種總線（ISA、PCI、VME、PC104）插槽的卡式產品或獨立的控制器模塊。一塊控制器可以同時操縱8-32個軸，并且可以并聯(lián)運行。 PMAC運動控制器所控制的每一個軸完全獨立，即塊插卡可以操縱8臺不同機器的8個單軸，或者同一臺機器中的8個軸，或者兩者之間的任意組合。在對伺服數(shù)據的處理能力、軸特性及輸入信號帶寬方面，PMAC控制器由于采用專門的模塊化結構，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位的5位并行數(shù)據，可得到320MHz的有效輸入帶寬。 PMAC運動控制器具有極強的靈活性，可適配于當前普遍應用的多種不同總線結構、不同類型的電機、反饋元件以及指令數(shù)據結構，可隨時對PMAC硬件進行升級。PMAC控制器允許同一控制程序在所有總線上運行，同時允許每一軸上電機和反饋元件的不同組合。 PMAC運動控制器在硬件結構上采用了先進的模塊化設計，結構是開放性，可根據不同的應用系統(tǒng)選取相應的選項及附件。當系統(tǒng)需要對多軸進行聯(lián)動和插補控制時，就可以以一塊PMAC板用于機器人、數(shù)控機床、坐標測量機、激光加工、雕刻機、印刷、包裝等各類自動化設備。在本硅片傳輸機器人控制器中，我們選用的是PMAC2-PC104型控制板。 3、 硅片傳輸機器人控制器的總體設計方案 硅片傳輸機器人為極坐標型機器人，三自由度，關節(jié)處采用帶傳動的方式，按照上述設計要求及設想，硅片傳輸機器人控制系統(tǒng)的性能指標可歸納為： （1） 三軸聯(lián)動，半閉環(huán)控制方式； （2） 快速定位； （3） 具有圓弧插補功能； （4） 能與上位機串行通信； （5） 具有脫機運行的功能； （6） 具有I/O開關量控制功能； （7） 具有補償功能； （8） 具有友好的人機對話界面； （9） 具有開放式的控制方式； （10） 具有連動，點動兩種方式。 圍繞開放性、經濟性、實用性及可靠性等設計要求。 4、硅片傳輸機器人控制器的具體設計實現(xiàn) 4.1 電機驅動模式的選擇 由計算機輸出的控制信號不足以驅動電機或其它執(zhí)行元件運動，此信號還必須通過放大器放大才能驅動電機及其它執(zhí)行元件。驅動器一般分為五大類，它們分別是:速度模式驅動器、扭矩模式驅動器、直接PWM 數(shù)字模式驅動器、正弦輸入模式驅動器、脈沖加方向方式的驅動器。在計算機控制系統(tǒng)中，驅動器模式的選擇對控制系統(tǒng)性能有很大影響。 硅片傳輸機器人是一種點位運動的精密系統(tǒng)，其控制方式是點位控制，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器人控制器中選用了位置控制模式。 4.2 PMAC對伺服電機的控制 硅片傳輸機器人要求實現(xiàn)點對點的位置的轉移，其控制方式采用的是位置控制。PMAC對位置的控制采用的是脈沖加方向的模式。該硅片傳輸機器人控制器使用PMAC2-PC104系列的多軸控制器，能控制脈沖加方向輸入伺服電機驅動器，這些驅動器既可以工作在開環(huán)模式下（實際是通過內部的子程序將脈沖串引入到自己的編碼計數(shù)器，建立一個偽閉環(huán)）又可以在閉環(huán)模式下工作（實際上是將外部設備的反饋連接到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。這個電路重復地把最新的 指令頻率值加到一個累加器中。信號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，波形失真等問題。 4.3 硅片傳輸機器人的氣動控制回路 硅片傳輸機器人末端執(zhí)行器的翻轉動作由擺動氣缸實現(xiàn)，硅片的抓取動作由真空發(fā)生器的真空吸附作用實現(xiàn)，因此在硅片傳輸機器人的控制系統(tǒng)中采用氣動控制回路。此氣動回路需要兩個輸出口進行電磁閥的控制，兩個輸入口接受擺動氣缸磁性位置開關的信號。由于所需的I/O口的數(shù)量較少，可直接將PMAC2-PC104上的標志位（flag）改做通用I/O口，其中對輸出口的控制由與該口所對應的M變量的值來控制。硅片傳輸機器人的氣動回路和氣動回路電控圖如圖4-1，4-2所示。 如圖4-1所示，系統(tǒng)啟動時接通氣源，擺動氣缸1運動至左端極限位置，此時磁性開關1吸合；真空發(fā)生器2此時并無負壓產生，不產生吸附作用。當YA1得電時，電磁閥6換向至左位，擺動氣缸向右運動至極限位置，此時磁性開關A2吸合。當YA2得電時，兩位兩通電磁閥7換向至左位，真空發(fā)生器的進氣口有空氣流入，真空孔產生負壓，此時具有吸附作用。硅片傳輸機器人的末端執(zhí)行器正是利用這種工作機理實現(xiàn)了硅片的抓取和釋放，翻轉動作則由擺動氣缸驅動。 在圖4-1中擺動氣缸的速度是由連接在兩個氣孔的單向節(jié)流閥采用排氣節(jié)流的方式控制，以保證活塞運行的平穩(wěn)性。一般不采用進氣節(jié)流方式，因為此方式進氣流量小，進氣腔壓力上升緩慢，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動，很難控制氣缸的速度達到穩(wěn)定，通常進氣節(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這兩個輸出端口的內部是集電極開路（OC）輸出，兩個控制電磁閥線圈的固態(tài)繼電器（SSR1和SSR2）導通需要提供+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大損壞元器件。 由圖4-2中能夠了解到，當M114置1，OC門導通，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無電流通過，電磁閥不動作。當M114置0，OC門截止，33的電壓為1，固態(tài)繼電器的控制端導通，輸出端也導通，電磁閥的線圈YA1有電流通過，電磁閥動作。當A1吸合的時候20端口（HOME4 標志）的輸入值為0，對應的M420被賦值為0，當A1斷開的時候20端口（HOME4 標志）的輸入值為1，對應的M420被賦值為1。PMAC可以通過查詢M420的狀態(tài)，得到A1、A2磁性開關的狀態(tài)，判斷出擺動氣缸目前位于哪一個極限位置。 [align=center] 圖4-1 硅片傳輸機器人氣動回路圖[/align] [align=center] 圖4-2 硅片傳輸機器人氣動回路控制圖[/align] 4.4 硅片傳輸機器人控制器的硬件調試 硅片傳輸機器人在進行首次運動之前，必須進行控制系統(tǒng)的硬件調試。利用PMAC和伺服驅動系統(tǒng)構成的控制平臺，通過對PMAC和伺服系統(tǒng)中的參數(shù)的設置調節(jié)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、快速性和準確性。硅片傳輸機器人系統(tǒng)的硬件調試主要包括: PMAC板的參數(shù)設置、電機伺服系統(tǒng)的PID參數(shù)調整和前饋參數(shù)調節(jié)。 4.4.1 PMAC板的參數(shù)設置 PMAC板的有關參數(shù)必須預先設置，才能在給定的系統(tǒng)（電機、碼盤）下工作。設置過程可以使用在線命令設置的方式。下面以1#電機為例，介紹幾個重要的必須設置的I變量。 I100：電機使能參數(shù)。I100=0，電機沒有使能，電機將不會運轉；I100=1，電機使能。 I102：指令輸出地址。告知PMAC2對電機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。對電機1，I102=$C004. I116：最大允許的編程速度，可以由%作為速度極限來修調。 I117：最大允許的編程加速度，可以由%作為加速度極限來修調。 I119：允許最大的JOG加速度?？捎肨A（I120）和TS（I）以及TM（）來代替，使用I119變量時，I120和I121總是為0。 I122：手動最大速度。 I125：標志和方式變量，確定PMAC知道到哪里尋找它的限位和回零標志輸入。如果已連接了限位開關到+LIM1、-LIM1或將+LIM1、-LIM1限位針接地，I125就必須設為49125（$C000）；如果不使用限位開關，且并未把限位針接地，則把I125設為$2C000。若設置不正確，電機將不會運轉。 I129：DAC微調，用該參數(shù)可以調整零漂，可以人為地增加或減小來調整以達到最佳的效果。也可以自動調整。 I169：輸出命令DAC限制，該參數(shù)定義了從控制環(huán)送來的最大輸出量的大小。如果計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"一段時間，隨動誤差將會開始增加，PID環(huán)中的積分電路將會由于過載保護而關斷。所以，該參數(shù)值應慎重選擇。 I910：編碼器、計時器解碼控制，I910=7 四倍頻控制。 I916：輸出模式選擇。 4.4.2 電機伺服系統(tǒng)的PID參數(shù)調節(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。另外還有幾個伺服控制I變量可以減小伺服系統(tǒng)的軌跡誤差:電機速度前饋增益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)動態(tài)性能。電機加速度前饋增益I135，可減小慣性遲滯引起的跟蹤誤差。電機摩擦前饋增益I168，主要用于幫助克服由于摩擦而帶來的誤差。這幾個參數(shù)在調整PID參數(shù)過程中也起著重要的作用。 PMAC2-PC104 多軸控制器的PID參數(shù)設置是由PMACTUNINGPRO軟件執(zhí)行的，PMACTUNINGPRO執(zhí)行程序有很好的調試工具，它可以進行數(shù)據采集，從而根據需要繪出DAC-TIME、POSITION-TIME、ACCELARATION-TIME和FOLLOW ERROR-TIME等曲線，利用這些曲線來進行分析和調節(jié)。 以下是#3電機PID調試過程中的實例，具體的調節(jié)方法是根據上述的原則而進行。其步驟為： （1） 確定比例增益P；確定比例增益P 時，首先去掉PID的積分項和微分項，一般是令Ti=0、Td=0，使PID為純比例調節(jié)。輸入設定為系統(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；再反過來，從此時的比例增益P逐漸減小，直至系統(tǒng)振蕩消失，記錄此時的比例增益P，設定PID的比例增益P為當前值的60%——70%。比例增益P調試完成。 （2） 確定積分時間常數(shù)Ti；比例增益P確定后，設定一個較大的積分時間常數(shù)Ti的初值，然后逐漸減小Ti，直至系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩，之后再反過來，逐漸加大Ti，直至系統(tǒng)振蕩消失。記錄此時的Ti，設定PID的積分時間常數(shù)Ti為當前值的150%——180%。積分時間常數(shù)Ti調試完成。 （3） 確定積分時間常數(shù)Td；積分時間常數(shù)Td一般不用設定，為0即可。若要設定，與確定 P和Ti的方法相同，取不振蕩時的30%。 經過調節(jié)，3#電機階躍響應曲線如圖4-3所示。 [align=center] 圖4-3 調整后的3#電機階躍響應曲線[/align] 4.4.3 前饋參數(shù)調節(jié) 速度前饋增益Kvff和加速度前饋增益Kaff的調節(jié)需要在基本PID參數(shù)調節(jié)好后進行?；緟?shù)的調節(jié)可以根據伺服軸的階躍響應特性進行，前饋控制參數(shù)的調節(jié)則根據拋物線響應特性進行。手動調整PID參數(shù)可根據FOLLOW ERROR-TIME曲線來進行。圖4-5是已經調節(jié)好的電機拋物線運動跟隨運動誤差曲線。從圖中可以看出，誤差已經大大減少，達到了使用要求。 [align=center] 圖4-4 調整后3#電機拋物線運動跟隨誤差曲線[/align] 5、 結論 經過調試，硅片傳輸機器人控制器基本實現(xiàn)了對硅片傳輸機器人本體的控制，可操縱硅片傳機器人進行單軸單動以及多軸聯(lián)動等運動，較好地解決了硅片傳輸機器人驅動系統(tǒng)中伺服電機的控制問題，有效地解決了旋轉、升降機構的耦合運動問題。