直線電機系統及其控制方法、應用該直線電機系統的光刻的製造方法

2023-10-31 10:47:12 1

直線電機系統及其控制方法、應用該直線電機系統的光刻的製造方法
【專利摘要】本發明涉及新興機械加工【技術領域】，公開了一種直線電機系統，包括直線電機和伺服控制器，所述伺服控制器包括控制輸入、主控制器、從控制器和兩個伺服器。還公開了應用上述直線電機系統的光刻機以及直線電機系統的控制方法。本發明的伺服控制器實時監控直線電機的運行，伺服控制器響應速度快，控制頻率寬，控制隨意度好。
【專利說明】直線電機系統及其控制方法、應用該直線電機系統的光刻 機

【技術領域】
[0001] 本發明涉及新興機械加工【技術領域】，特別是一種直線電機系統及其控制方法、應 用該直線電機系統的光刻機。

【背景技術】
[0002] 在傳統工具機中，伺服電機配合滾珠絲槓副驅動系統，被廣泛使用，這也是傳動工具機 精度沒法提高的原因。隨著數控工具機的廣泛使用，高速響應的精度的要求越來越被重視。
[0003] 直線電機由於其動態響應性能高，反應異常靈敏快捷等優點，被應用到數控工具機 中。直線電機是一種通過將封閉式磁場展開為開放式磁場，將電能直接轉化為直線運動的 機械能，而不需要任何中間轉換機構的傳動裝置。直線電機的結構可以看作是將一臺旋轉 電機沿徑向剖開，並將電機的圓周展開成直線而形成的。其中定子相當於直線電機的初級， 轉子相當於直線電機的次級，當初級通入電流後，在初次級之間的氣隙中產生行波磁場，在 行波磁場與次級永磁體的作用下產生驅動力，從而實現運動部件的直線運動。
[0004] 近年來，人們開始將直線電機技術應用於數控工具機直線運動驅動系統中，代替傳 統的伺服電機加滾珠絲槓副驅動系統，取得了巨大的成功。直線電機和傳統的旋轉電機加 滾珠絲槓運動系統的比較在工具機進給系統中，採用直線電動機直接驅動與原旋轉電機傳動 的最大區別是取消了從電機到工作檯（拖板）之間的機械傳動環節，把工具機進給傳動鏈的長 度縮短為零，因而這種傳動方式又被稱為〃零傳動"。正是由於這種〃零傳動〃方式，帶來 了原旋轉電機驅動方式無法達到的性能指標和優點。
[0005] 而現有的直線電機的控制方式不能使其發揮最佳性能。


【發明內容】

[0006] 本發明的目的是為了解決上述技術問題，提供一種直線電機系統及其控制方法、 應用該直線電機系統的光刻機，通過優化直線電機的控制方式，使其工作在最佳狀態。
[0007] 本發明採取的技術方案是： 一種直線電機系統，包括直線電機，其特徵是，還包括伺服控制器，所述伺服控制器包 括控制輸入、主控制器、從控制器和兩個伺服器，所述控制輸入將同步數據發送至所述主控 制器，所述主控制器對所述同步數據進行處理並得到直線電機的X軸和Y軸坐標，所述主控 制器將所述直線電機的X軸和Y軸坐標傳送至所述從控制器，所述從控制器控制所述兩個 伺服器使所述直線電機的X軸和Y軸同步運動。
[0008] 進一步，所述直線電機系統還包括光柵尺，所述光柵尺設置在所述直線電機上，所 述光柵尺測量所述直線電機的運動量，所述伺服控制器根據所述光柵尺的反饋信號控制所 述直線電機精確運動。
[0009] 進一步，所述控制輸入為PC機輸入，所述光柵尺的精度為0. 2微米，所述直線電機 的運行精度為2微米。
[0010] 一種上述的直線電機系統的控制方法，其特徵是。包括如下步驟： 第一步：所述控制輸入將同步數據輸入至主控制器； 第二步：所述主控制器將所述同步數據進行解碼、計算； 第三步：所述主控制器將計算得到的直線電機的X軸和Y軸坐標傳送至所述從控制 器； 第四步：所述從控制器控制所述兩個伺服器使所述直線電機的X軸和Y軸同步運動。
[0011] 進一步，還包括如下步驟： 第五步：所述光柵尺將所述直線電機的運動量傳送至所述從控制器； 第六步：所述從控制器根據所述光柵尺的反饋信號控制所述直線電機精確運動。
[0012] 一種應用上述直線電機系統的光刻機，包括雷射部件，其特徵是，所述雷射部件由 所述伺服器控制與所述直線電機的X軸和Y軸同步。
[0013] 進一步，所述雷射部件的工作狀態由所述主控制器控制。
[0014] 本發明的有益效果是： (1) 伺服控制器實時監控直線電機的運行； (2) 光柵尺控制使直線電機的運行精度達到微米級； (3) 伺服控制器響應速度快，控制頻率寬，控制隨意度好。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0015] 附圖1為本發明中伺服控制器的結構框圖； 附圖2為本發明中光刻機的工作原理圖； 附圖3為本發明中直線電機系統控制流程圖。

【具體實施方式】
[0016] 下面結合附圖對本發明直線電機系統及其控制方法、應用該直線電機系統的光刻 機的【具體實施方式】作詳細說明。
[0017] 參見附圖1，直線電機系統包括直線電機以及控制直線電機的伺服控制器，伺服控 制器包括控制輸入、主控制器、從控制器和兩個伺服器，控制輸入將同步數據發送至主控制 器，主控制器對同步數據進行處理並得到直線電機的X軸和Y軸坐標，主控制器將直線電機 的X軸和Y軸坐標傳送至從控制器，從控制器控制兩個伺服器使直線電機的X軸和Y軸同 步運動。
[0018] 直線電機採用DANAHER公司生產直線電機，其具有零接觸、免維護、無刷設計特 點。3相正弦波換向，峰值加速度很容易達到10g以上的加速度。具有高定位精度和高分 辨率，運動穩定下來的時間極短，熱損失低，模塊化永磁體設計，靜音運行。直線電機還配有 熱保護及霍爾傳感器，可通過伺服器監控電機的運行情況。
[0019] 伺服器為電機的執行機構，米用與Danaher電機相配套的伺服器S300，S300伺服 器提供多種控制方式，本發明中採用數字量控制輸入。控制方式類似步進電機控制。伺服 器S300響應速度快，控制頻率寬，控制隨意度好。
[0020] 本發明的主控制器晶片和從控制器晶片均採用NXP的ARM7 MCU晶片。主控制器 晶片負責與上位機通信，負責協調機械部分與雷射部分的工作，負責將PC機下發的數據進 行解碼、計算，然後將計算得到X，Y坐標軌跡下發給從CPU，負責控制雷射的功率，電壓，以 及雷射器的狀態的檢測。從控制器晶片負責控制X軸和Y軸運動及同步；負責檢測X軸或 Y軸電機的工作狀態；負責同步機械部分與雷射部分。
[0021] 在直線電機上還可設置光柵尺，光柵尺測量直線電機的運動量，伺服控制器根據 光柵尺的反饋信號控制直線電機精確運動。
[0022] 光柵尺採用精度為0. 2微米，可以大大提高電機的運行精度，運行精度可達到微 米級。本案中考慮到運行速度以及精度的要求，以及運行誤差及重複性，運行精度設定在2 微米。
[0023] 直線電機、伺服器及光柵尺的相互配合實現了精確控制的目的。直線電機的工作 原理基本與步進電機的原理相同，但它控制更加精細，並且不會產生失步現象。伺服器與步 進電機控制器原理一致，將電機的步數細分；伺服器可以通過讀取光柵尺的反饋信號精確 定位在給定的位置上。直線電機走過一個交變磁極定為一圈，本案電機一圈為32mm (由直 線電機參數決定)，而伺服器可以將32_細分到0. 032 μ m。而光柵尺的精度是0. 2 μ m，伺 服器通過讀取光柵尺的反饋數據精確定位在微米級的範圍內。
[0024] 參見附圖2,將上述直線電機系統應用至光刻機，實現光刻機對圖形工件的精確切 害I]。光刻機包括雷射部件，雷射部件由伺服器控制與直線電機的X軸和Y軸同步，雷射部件 的工作狀態由主控制器控制。PC機將同步指令發送至伺服控制器的控制板，伺服控制器同 時控制X軸驅動器、Y軸驅動器和雷射驅動器對光刻機進行控制。三個驅動器通過伺服器 的同步定時器實現同步。
[0025] 參見附圖3,直線電機系統的控制方法包括如下步驟： 第一步：控制輸入將同步數據輸入至主控制器。
[0026] 第二步：主控制器將同步數據進行解碼、計算。
[0027] 第三步：主控制器將計算得到的直線電機的X軸和Y軸坐標傳送至從控制器。
[0028] 第四步：從控制器控制兩個伺服器使直線電機的X軸和Y軸同步運動。
[0029] 第五步：光柵尺將直線電機的運動量傳送至從控制器。
[0030] 第六步：從控制器根據光柵尺的反饋信號控制直線電機精確運動。
[0031] 以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對於本【技術領域】的普通技術人 員，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為 本發明的保護範圍。
【權利要求】
1. 一種直線電機系統，包括直線電機，其特徵在於：還包括伺服控制器，所述伺服控制 器包括控制輸入、主控制器、從控制器和兩個伺服器，所述控制輸入將同步數據發送至所述 主控制器，所述主控制器對所述同步數據進行處理並得到直線電機的X軸和Y軸坐標，所述 主控制器將所述直線電機的X軸和Y軸坐標傳送至所述從控制器，所述從控制器控制所述 兩個伺服器使所述直線電機的X軸和Y軸同步運動。
2. 根據權利要求1所述的直線電機系統，其特徵在於：所述直線電機系統還包括光柵 尺，所述光柵尺設置在所述直線電機上，所述光柵尺測量所述直線電機的運動量，所述伺服 控制器根據所述光柵尺的反饋信號控制所述直線電機精確運動。
3. 根據權利要求2所述的直線電機系統，其特徵在於：所述控制輸入為PC機輸入，所 述光柵尺的精度為〇. 2微米，所述直線電機的運行精度為2微米。
4. 一種如權利要求2或3所述的直線電機系統的控制方法，其特徵在於：包括如下步 驟： 第一步：所述控制輸入將同步數據輸入至主控制器； 第二步：所述主控制器將所述同步數據進行解碼、計算； 第三步：所述主控制器將計算得到的直線電機的X軸和Y軸坐標傳送至所述從控制 器； 第四步：所述從控制器控制所述兩個伺服器使所述直線電機的X軸和Y軸同步運動。
5. 根據權利要求4所述的控制方法，其特徵在於：還包括如下步驟： 第五步：所述光柵尺將所述直線電機的運動量傳送至所述從控制器； 第六步：所述從控制器根據所述光柵尺的反饋信號控制所述直線電機精確運動。
6. -種應用如權利要求1所述的直線電機系統的光刻機，包括雷射部件，其特徵在於： 所述雷射部件由所述伺服器控制與所述直線電機的X軸和Y軸同步。
7. 根據權利要求6所述的光刻機，其特徵在於：所述雷射部件的工作狀態由所述主控 制器控制。
【文檔編號】H02P25/06GK104124852SQ201410308167
【公開日】2014年10月29日 申請日期:2014年7月1日 優先權日:2014年7月1日
【發明者】鄭春濱 申請人:上海福訊光電有限公司