摘要：在半導體制造業中，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，實現了硅片傳輸機器人的基本作業運動。 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，同時為計算機作伺服控制算法研究和實時監控提供了方便，使多軸聯動參數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多個電機的伺服系統。由Delta Tau Data Systems公司開發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選取相應的選項及附件。當系統需要對多軸進行聯動和插補控制時，就可以以一塊PMAC板用于機器人、數控機床、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的性能指標可歸納為： （1） 三軸聯動，半閉環控制方式； （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 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。在計算機控制系統中，驅動器模式的選擇對控制系統性能有很大影響。 硅片傳輸機器人是一種點位運動的精密系統，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器，建立一個偽閉環）又可以在閉環模式下工作（實際上是將外部設備的反饋連接到PMAC2-PC104中建立閉環）。 PMAC2-PC104使用全數字脈沖頻率控制（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行器的翻轉動作由擺動氣缸實現，硅片的抓取動作由真空發生器的真空吸附作用實現，因此在硅片傳輸機器人的控制系統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行器正是利用這種工作機理實現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流閥采用排氣節流的方式控制，以保證活塞運行的平穩性。一般不采用進氣節流方式，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定，通常進氣節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，得到A1、A2磁性開關的狀態，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，必須進行控制系統的硬件調試。利用PMAC和伺服驅動系統構成的控制平臺，通過對PMAC和伺服系統中的參數的設置調節系統的穩定性、快速性和準確性。硅片傳輸機器人系統的硬件調試主要包括: PMAC板的參數設置、電機伺服系統的PID參數調整和前饋參數調節。 4.4.1 PMAC板的參數設置 PMAC板的有關參數必須預先設置，才能在給定的系統（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。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=$C004. I116：最大允許的編程速度，可以由%作為速度極限來修調。 I117：最大允許的編程加速度，可以由%作為加速度極限來修調。 I119：允許最大的JOG加速度。可用TA（I120）和TS（I）以及TM（）來代替，使用I119變量時，I120和I121總是為0。 I122：手動最大速度。 I125：標志和方式變量，確定PMAC知道到哪里尋找它的限位和回零標志輸入。如果已連接了限位開關到+LIM1、-LIM1或將+LIM1、-LIM1限位針接地，I125就必須設為49125（$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，該參數定義了從控制環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環中的積分電路將會由于過載保護而關斷。所以，該參數值應慎重選擇。 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 電機伺服系統的PID參數調節 在PMAC板中，比例增益變量為I130，提供系統的剛性。積分增益變量為I133，用于消除系統的穩態誤差。微分增益變量為I131，用于提供系統的阻尼以保證系統的穩定。另外還有幾個伺服控制I變量可以減小伺服系統的軌跡誤差:電機速度前饋增益I132，可以減小由I131引起的軌跡誤差，增大系統阻尼，改善系統動態性能。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。這幾個參數在調整PID參數過程中也起著重要的作用。 PMAC2-PC104 多軸控制器的PID參數設置是由PMACTUNINGPRO軟件執行的，PMACTUNINGPRO執行程序有很好的調試工具，它可以進行數據采集，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。 以下是#3電機PID調試過程中的實例，具體的調節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。輸入設定為系統允許的最大值的60%——70%，由0逐漸加大比例增益P，直至系統出現振蕩；再反過來，從此時的比例增益P逐漸減小，直至系統振蕩消失，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Ti；比例增益P確定后，設定一個較大的積分時間常數Ti的初值，然后逐漸減小Ti，直至系統出現振蕩，之后再反過來，逐漸加大Ti，直至系統振蕩消失。記錄此時的Ti，設定PID的積分時間常數Ti為當前值的150%——180%。積分時間常數Ti調試完成。 （3） 確定積分時間常數Td；積分時間常數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，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 前饋參數調節 速度前饋增益Kvff和加速度前饋增益Kaff的調節需要在基本PID參數調節好后進行。基本參數的調節可以根據伺服軸的階躍響應特性進行，前饋控制參數的調節則根據拋物線響應特性進行。手動調整PID參數可根據FOLLOW ERROR-TIME曲線來進行。圖4-5是已經調節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動等運動，較好地解決了硅片傳輸機器人驅動系統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。