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基于SOPC技术的激光直写数字伺服控制器
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2009-03-11
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目前，精密、超精密加工技术的应用已从国防尖端和航空航天等少数部门扩展到国民经
济领域。伴随着半导体产业的不断发展，对超大规模集成电路制造业的核心—激光直写光刻技术的需求在不断提高。激光直写光刻技术利用强度可变的激光束对基片表面实施变剂量曝光，其重要环节是利用计算机控制激光束进行高精度扫描。在光刻过程中，置于载物台的光刻基片随平台移动，由声光调制器控制激光束的强弱对其进行变剂量曝光，载物工作台所达到的定位精度以及运动平稳性将直接影响光刻机的性能和光刻元件的质量，因此需要快速高精度的直线运进给系统。
直线电机具有很高的位移分辨率，同时其进给传动链长度为零（即 “直接驱动”或
“零传动”），具有较高的动态灵敏度和响应速度，因此取代了传统的“旋转伺服电机 + 滚珠丝杠”定位机构，成为实现激光直写机载物工作台微米级乃至亚微米级定位的运动伺服核心。基于数字式伺服的运动控制器是超精密定位系统的关键。数字式伺服是指系统的闭环控制与调节采用数字技术，所有控制调节实现软件化，可直接输出PWM控制信号或驱动DAC芯片产生直流驱动电压，经电机驱动器功率放大后驱动直线电机。调节器的全部软件化使控制理论中许多控制思想和手段得以应用：如矢量控制、参数自适应控制、滑模变结构控制、模糊控制、神经元网络控制等。同时利用软件很容易完成参数的自优化和故障的自诊断功能，使系统控制性能大大提高，从而克服了模拟型闭环伺服系统对微弱信号的信噪分离困难，很难将控制精度提高到0.1% 以上级别，以及容易受温度影响，使位置控制产生零点漂移误差等缺点。
为抑制激光直写载物工作台运动中的气膜扰动等噪声干扰，实现亚微米级快速定位，本
文提出一种基于Altera 公司Nios II 嵌入式软核的直线电机数字伺服运动控制器。设计采
用高性能、低成本的Cyclone II 系列FPGA，集成双Nios II 软核应用系统，完成对位移传
感器（激光干涉仪）信号快速采样和高分辨解码，控制对象（静压气浮导轨及直线电机）运动状态监控、运动特性频谱分析及数字滤波处理，基于积分分离式PID 控制算法的PWM 控制信号或DAC 直流电压输出等功能。由于采用了高集成度的SOPC 技术，本设计功能灵活，大大减小了电磁干扰，提高了处理速度和控制可靠性，同时降低了开发成本，更易于系统升级和维护。
济领域。伴随着半导体产业的不断发展，对超大规模集成电路制造业的核心—激光直写光刻技术的需求在不断提高。激光直写光刻技术利用强度可变的激光束对基片表面实施变剂量曝光，其重要环节是利用计算机控制激光束进行高精度扫描。在光刻过程中，置于载物台的光刻基片随平台移动，由声光调制器控制激光束的强弱对其进行变剂量曝光，载物工作台所达到的定位精度以及运动平稳性将直接影响光刻机的性能和光刻元件的质量，因此需要快速高精度的直线运进给系统。
直线电机具有很高的位移分辨率，同时其进给传动链长度为零（即 “直接驱动”或
“零传动”），具有较高的动态灵敏度和响应速度，因此取代了传统的“旋转伺服电机 + 滚珠丝杠”定位机构，成为实现激光直写机载物工作台微米级乃至亚微米级定位的运动伺服核心。基于数字式伺服的运动控制器是超精密定位系统的关键。数字式伺服是指系统的闭环控制与调节采用数字技术，所有控制调节实现软件化，可直接输出PWM控制信号或驱动DAC芯片产生直流驱动电压，经电机驱动器功率放大后驱动直线电机。调节器的全部软件化使控制理论中许多控制思想和手段得以应用：如矢量控制、参数自适应控制、滑模变结构控制、模糊控制、神经元网络控制等。同时利用软件很容易完成参数的自优化和故障的自诊断功能，使系统控制性能大大提高，从而克服了模拟型闭环伺服系统对微弱信号的信噪分离困难，很难将控制精度提高到0.1% 以上级别，以及容易受温度影响，使位置控制产生零点漂移误差等缺点。
为抑制激光直写载物工作台运动中的气膜扰动等噪声干扰，实现亚微米级快速定位，本
文提出一种基于Altera 公司Nios II 嵌入式软核的直线电机数字伺服运动控制器。设计采
用高性能、低成本的Cyclone II 系列FPGA，集成双Nios II 软核应用系统，完成对位移传
感器（激光干涉仪）信号快速采样和高分辨解码，控制对象（静压气浮导轨及直线电机）运动状态监控、运动特性频谱分析及数字滤波处理，基于积分分离式PID 控制算法的PWM 控制信号或DAC 直流电压输出等功能。由于采用了高集成度的SOPC 技术，本设计功能灵活，大大减小了电磁干扰，提高了处理速度和控制可靠性，同时降低了开发成本，更易于系统升级和维护。
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