摘要：在半导体制造业中，硅片传输机器人承担着精确定位、快速搬运等复杂任务，这对硅片传输机器人的控制器提出了严格的要求，因此对硅片传输机器人的控制模块进行系统的研究有着重要意义。本文以美国Delta Tau Data Systems公司的PMAC运动控制器为例介绍了PMAC板在硅片传输机器人控制器中的应用，并以该公司的PMAC2-PC104型控制板为核心,结合电气和气动回路，设计和建立了极坐标型硅片传输机器人的控制器，实现了硅片传输机器人的基本作业运动。
关键词：硅片传输机器人; PMAC运动控制器;机器人控制器
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：国家863高技术研究发展计划资助项目（2002AA421230）
1、 绪论
硅片传输机器人（wafer-handling robot）是半导体集成电路（IC）制造业中重要的传输、定位设备，其工作的速度、定位精度和可靠性直接影响到硅片的生产效率和制造质量。硅片传输机器人在有限的空间中实现硅片工位的快速转换，这对硅片传输机器人的运动特性、反应灵敏性、动作准确性、以及工作稳定性和可靠性等方面，都有较高的要求。因此在设计硅片传输机器人控制器过程中，需要充分考虑以上工作特性。
可编程多轴控制器（Programmable Multi Axis Controller，简称 PMAC）为一种广泛应用在工业控制领域的自动化控制设备，它可配置在普通的PC平台下，提供开放式模块化结构的伺服运动控制系统，同时为计算机作伺服控制算法研究和实时监控提供了方便，使多轴联动参数匹配化设计更加便利。硅片传输机器人本体多为3——5自由度的机械臂，而PMAC板能提供多达８轴的独立运动控制，所以，硅片传输机器人控制器完全可以采用PMAC板作为核心实现其功能。
2、 PMAC运动控制器简介
PMAC即可编程多轴运动控制器，通常以高速DSP （Digital Signal Processor）为核心，使用一片微处理器来实现多个电机的伺服系统。由Delta Tau Data Systems公司开发的开放结构运动控制器PMAC是世界上功能较强的运动控制器之一。PMAC运动控制器以Motorola的DSP56K系列数字信号处理器（DSP-Digital Signal Processor）为核心，形成支持多种总线（ISA、PCI、VME、PC104）插槽的卡式产品或独立的控制器模块。一块控制器可以同时操纵8-32个轴，并且可以并联运行。
PMAC运动控制器所控制的每一个轴完全独立，即块插卡可以操纵8台不同机器的8个单轴，或者同一台机器中的8个轴，或者两者之间的任意组合。在对伺服数据的处理能力、轴特性及输入信号带宽方面，PMAC控制器由于采用专门的模块化结构，编码器输入的串行处理速度是大多数控制器的10到15倍。而且可从高分辨率编码器件接收低插补位的5位并行数据，可得到320MHz的有效输入带宽。
PMAC运动控制器具有极强的灵活性，可适配于当前普遍应用的多种不同总线结构、不同类型的电机、反馈元件以及指令数据结构，可随时对PMAC硬件进行升级。PMAC控制器允许同一控制程序在所有总线上运行，同时允许每一轴上电机和反馈元件的不同组合。
PMAC运动控制器在硬件结构上采用了先进的模块化设计，结构是开放性，可根据不同的应用系统选取相应的选项及附件。当系统需要对多轴进行联动和插补控制时，就可以以一块PMAC板用于机器人、数控机床、坐标测量机、激光加工、雕刻机、印刷、包装等各类自动化设备。在本硅片传输机器人控制器中，我们选用的是PMAC2-PC104型控制板。
3、 硅片传输机器人控制器的总体设计方案
硅片传输机器人为极坐标型机器人，三自由度，关节处采用带传动的方式，按照上述设计要求及设想，硅片传输机器人控制系统的性能指标可归纳为：
（1） 三轴联动，半闭环控制方式；
（2） 快速定位；
（3） 具有圆弧插补功能；
（4） 能与上位机串行通信；
（5） 具有脱机运行的功能；
（6） 具有I/O开关量控制功能；
（7） 具有补偿功能；
（8） 具有友好的人机对话界面；
（9） 具有开放式的控制方式；
（10） 具有连动，点动两种方式。
围绕开放性、经济性、实用性及可靠性等设计要求。
4、硅片传输机器人控制器的具体设计实现
4.1 电机驱动模式的选择
由计算机输出的控制信号不足以驱动电机或其它执行元件运动，此信号还必须通过放大器放大才能驱动电机及其它执行元件。驱动器一般分为五大类，它们分别是:速度模式驱动器、扭矩模式驱动器、直接PWM 数字模式驱动器、正弦输入模式驱动器、脉冲加方向方式的驱动器。在计算机控制系统中，驱动器模式的选择对控制系统性能有很大影响。
硅片传输机器人是一种点位运动的精密系统，其控制方式是点位控制，考虑到所要求的定位精度高，且速度上的要求也不明显，因此在本硅片传输机器人控制器中选用了位置控制模式。
4.2 PMAC对伺服电机的控制
硅片传输机器人要求实现点对点的位置的转移，其控制方式采用的是位置控制。PMAC对位置的控制采用的是脉冲加方向的模式。该硅片传输机器人控制器使用PMAC2-PC104系列的多轴控制器，能控制脉冲加方向输入伺服电机驱动器，这些驱动器既可以工作在开环模式下（实际是通过内部的子程序将脉冲串引入到自己的编码计数器，建立一个伪闭环）又可以在闭环模式下工作（实际上是将外部设备的反馈连接到PMAC2-PC104中建立闭环）。
PMAC2-PC104使用全数字脉冲频率控制（PFM）电路建立它的脉冲和方向控制信号。这个电路重复地把最新的 指令频率值加到一个累加器中。信号输出的脉冲串的频率正比于指令值，而且不存在模拟脉冲发生器的偏移，波形失真等问题。
4.3 硅片传输机器人的气动控制回路
硅片传输机器人末端执行器的翻转动作由摆动气缸实现，硅片的抓取动作由真空发生器的真空吸附作用实现，因此在硅片传输机器人的控制系统中采用气动控制回路。此气动回路需要两个输出口进行电磁阀的控制，两个输入口接受摆动气缸磁性位置开关的信号。由于所需的I/O口的数量较少，可直接将PMAC2-PC104上的标志位（flag）改做通用I/O口，其中对输出口的控制由与该口所对应的M变量的值来控制。硅片传输机器人的气动回路和气动回路电控图如图4-1，4-2所示。
如图4-1所示，系统启动时接通气源，摆动气缸1运动至左端极限位置，此时磁性开关1吸合；真空发生器2此时并无负压产生，不产生吸附作用。当YA1得电时，电磁阀6换向至左位，摆动气缸向右运动至极限位置，此时磁性开关A2吸合。当YA2得电时，两位两通电磁阀7换向至左位，真空发生器的进气口有空气流入，真空孔产生负压，此时具有吸附作用。硅片传输机器人的末端执行器正是利用这种工作机理实现了硅片的抓取和释放，翻转动作则由摆动气缸驱动。
在图4-1中摆动气缸的速度是由连接在两个气孔的单向节流阀采用排气节流的方式控制，以保证活塞运行的平稳性。一般不采用进气节流方式，因为此方式进气流量小，进气腔压力上升缓慢，排气迅速，排气腔压力很低，主要靠压缩空气的膨胀使活塞运动，很难控制气缸的速度达到稳定，通常进气节流方式只用于单作用气缸、夹紧气缸和低摩擦力气缸。
如图4-2所示，PMAC的ACC1（JMACH1）中的33和34这两个输出端口的内部是集电极开路（OC）输出，两个控制电磁阀线圈的固态继电器（SSR1和SSR2）导通需要提供+5V电压，因此在33、34端口处采用了3.3K的上拉电阻，目的是起到限制电流的作用，防止灌入集电极的电流过大损坏元器件。
由图4-2中能够了解到，当M114置1，OC门导通，PMAC-PC104的ACC1（JMACH1）中的33的电压为0，固态继电器的控制端截止，输出端也截止，电磁阀的线圈YA1无电流通过，电磁阀不动作。当M114置0，OC门截止，33的电压为1，固态继电器的控制端导通，输出端也导通，电磁阀的线圈YA1有电流通过，电磁阀动作。当A1吸合的时候20端口（HOME4 标志）的输入值为0，对应的M420被赋值为0，当A1断开的时候20端口（HOME4 标志）的输入值为1，对应的M420被赋值为1。PMAC可以通过查询M420的状态，得到A1、A2磁性开关的状态，判断出摆动气缸目前位于哪一个极限位置。
图4-1 硅片传输机器人气动回路图
图4-2 硅片传输机器人气动回路控制图
4.4 硅片传输机器人控制器的硬件调试
硅片传输机器人在进行首次运动之前，必须进行控制系统的硬件调试。利用PMAC和伺服驱动系统构成的控制平台，通过对PMAC和伺服系统中的参数的设置调节系统的稳定性、快速性和准确性。硅片传输机器人系统的硬件调试主要包括: PMAC板的参数设置、电机伺服系统的PID参数调整和前馈参数调节。
4.4.1 PMAC板的参数设置
PMAC板的有关参数必须预先设置，才能在给定的系统（电机、码盘）下工作。设置过程可以使用在线命令设置的方式。下面以1#电机为例，介绍几个重要的必须设置的I变量。
I100：电机使能参数。I100=0，电机没有使能，电机将不会运转；I100=1，电机使能。
I102：指令输出地址。告知PMAC2对电机1的指令输出位置，使用PFM，输出必须写到正确的轴的接口电路的C指令寄存器。对电机1，I102=$C004.
I116：最大允许的编程速度，可以由%作为速度极限来修调。
I117：最大允许的编程加速度，可以由%作为加速度极限来修调。
I119：允许最大的JOG加速度。可用TA（I120）和TS（I）以及TM（）来代替，使用I119变量时，I120和I121总是为0。
I122：手动最大速度。
I125：标志和方式变量，确定PMAC知道到哪里寻找它的限位和回零标志输入。如果已连接了限位开关到+LIM1、-LIM1或将+LIM1、-LIM1限位针接地，I125就必须设为49125（$C000）；如果不使用限位开关，且并未把限位针接地，则把I125设为$2C000。若设置不正确，电机将不会运转。
I129：DAC微调，用该参数可以调整零漂，可以人为地增加或减小来调整以达到最佳的效果。也可以自动调整。
I169：输出命令DAC限制，该参数定义了从控制环送来的最大输出量的大小。如果计算出的值比该限制大一些，那么输出量将为该限制所限定。若该限制被"触犯"一段时间，随动误差将会开始增加，PID环中的积分电路将会由于过载保护而关断。所以，该参数值应慎重选择。
I910：编码器、计时器解码控制，I910=7 四倍频控制。
I916：输出模式选择。
4.4.2 电机伺服系统的PID参数调节
在PMAC板中，比例增益变量为I130，提供系统的刚性。积分增益变量为I133，用于消除系统的稳态误差。微分增益变量为I131，用于提供系统的阻尼以保证系统的稳定。另外还有几个伺服控制I变量可以减小伺服系统的轨迹误差:电机速度前馈增益I132，可以减小由I131引起的轨迹误差，增大系统阻尼，改善系统动态性能。电机加速度前馈增益I135，可减小惯性迟滞引起的跟踪误差。电机摩擦前馈增益I168，主要用于帮助克服由于摩擦而带来的误差。这几个参数在调整PID参数过程中也起着重要的作用。
PMAC2-PC104 多轴控制器的PID参数设置是由PMACTUNINGPRO软件执行的，PMACTUNINGPRO执行程序有很好的调试工具，它可以进行数据采集，从而根据需要绘出DAC-TIME、POSITION-TIME、ACCELARATION-TIME和FOLLOW ERROR-TIME等曲线，利用这些曲线来进行分析和调节。
以下是#3电机PID调试过程中的实例，具体的调节方法是根据上述的原则而进行。其步骤为：
（1） 确定比例增益P；确定比例增益P 时，首先去掉PID的积分项和微分项，一般是令Ti=0、Td=0，使PID为纯比例调节。输入设定为系统允许的最大值的60%——70%，由0逐渐加大比例增益P，直至系统出现振荡；再反过来，从此时的比例增益P逐渐减小，直至系统振荡消失，记录此时的比例增益P，设定PID的比例增益P为当前值的60%——70%。比例增益P调试完成。
（2） 确定积分时间常数Ti；比例增益P确定后，设定一个较大的积分时间常数Ti的初值，然后逐渐减小Ti，直至系统出现振荡，之后再反过来，逐渐加大Ti，直至系统振荡消失。记录此时的Ti，设定PID的积分时间常数Ti为当前值的150%——180%。积分时间常数Ti调试完成。
（3） 确定积分时间常数Td；积分时间常数Td一般不用设定，为0即可。若要设定，与确定 P和Ti的方法相同，取不振荡时的30%。
经过调节，3#电机阶跃响应曲线如图4-3所示。
图4-3 调整后的3#电机阶跃响应曲线
4.4.3 前馈参数调节
速度前馈增益Kvff和加速度前馈增益Kaff的调节需要在基本PID参数调节好后进行。基本参数的调节可以根据伺服轴的阶跃响应特性进行，前馈控制参数的调节则根据抛物线响应特性进行。手动调整PID参数可根据FOLLOW ERROR-TIME曲线来进行。图4-5是已经调节好的电机抛物线运动跟随运动误差曲线。从图中可以看出，误差已经大大减少，达到了使用要求。
图4-4 调整后3#电机抛物线运动跟随误差曲线
5、 结论
经过调试，硅片传输机器人控制器基本实现了对硅片传输机器人本体的控制，可操纵硅片传机器人进行单轴单动以及多轴联动等运动，较好地解决了硅片传输机器人驱动系统中伺服电机的控制问题，有效地解决了旋转、升降机构的耦合运动问题。
