基于SOPC技術(shù)的激光直寫數(shù)字伺服控制器

目前，精密、超精密加工技術(shù)的應(yīng)用已從國防尖端和航空航天等少數(shù)部門擴展到國民經(jīng)
濟領(lǐng)域。伴隨著半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，對超大規(guī)模集成電路制造業(yè)的核心—激光直寫光刻技術(shù)的需求在不斷提高。激光直寫光刻技術(shù)利用強度可變的激光束對基片表面實施變劑量曝光，其重要環(huán)節(jié)是利用計算機控制激光束進(jìn)行高精度掃描。在光刻過程中，置于載物臺的光刻基片隨平臺移動，由聲光調(diào)制器控制激光束的強弱對其進(jìn)行變劑量曝光，載物工作臺所達(dá)到的定位精度以及運動平穩(wěn)性將直接影響光刻機的性能和光刻元件的質(zhì)量，因此需要快速高精度的直線運進(jìn)給系統(tǒng)。
直線電機具有很高的位移分辨率，同時其進(jìn)給傳動鏈長度為零（即 “直接驅(qū)動”或
“零傳動”），具有較高的動態(tài)靈敏度和響應(yīng)速度，因此取代了傳統(tǒng)的“旋轉(zhuǎn)伺服電機 + 滾珠絲杠”定位機構(gòu)，成為實現(xiàn)激光直寫機載物工作臺微米級乃至亞微米級定位的運動伺服核心?；跀?shù)字式伺服的運動控制器是超精密定位系統(tǒng)的關(guān)鍵。數(shù)字式伺服是指系統(tǒng)的閉環(huán)控制與調(diào)節(jié)采用數(shù)字技術(shù)，所有控制調(diào)節(jié)實現(xiàn)軟件化，可直接輸出PWM控制信號或驅(qū)動DAC芯片產(chǎn)生直流驅(qū)動電壓，經(jīng)電機驅(qū)動器功率放大后驅(qū)動直線電機。調(diào)節(jié)器的全部軟件化使控制理論中許多控制思想和手段得以應(yīng)用：如矢量控制、參數(shù)自適應(yīng)控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制、模糊控制、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)控制等。同時利用軟件很容易完成參數(shù)的自優(yōu)化和故障的自診斷功能，使系統(tǒng)控制性能大大提高，從而克服了模擬型閉環(huán)伺服系統(tǒng)對微弱信號的信噪分離困難，很難將控制精度提高到0.1% 以上級別，以及容易受溫度影響，使位置控制產(chǎn)生零點漂移誤差等缺點。
為抑制激光直寫載物工作臺運動中的氣膜擾動等噪聲干擾，實現(xiàn)亞微米級快速定位，本
文提出一種基于Altera 公司Nios II 嵌入式軟核的直線電機數(shù)字伺服運動控制器。設(shè)計采
用高性能、低成本的Cyclone II 系列FPGA，集成雙Nios II 軟核應(yīng)用系統(tǒng)，完成對位移傳
感器（激光干涉儀）信號快速采樣和高分辨解碼，控制對象（靜壓氣浮導(dǎo)軌及直線電機）運動狀態(tài)監(jiān)控、運動特性頻譜分析及數(shù)字濾波處理，基于積分分離式PID 控制算法的PWM 控制信號或DAC 直流電壓輸出等功能。由于采用了高集成度的SOPC 技術(shù)，本設(shè)計功能靈活，大大減小了電磁干擾，提高了處理速度和控制可靠性，同時降低了開發(fā)成本，更易于系統(tǒng)升級和維護(hù)。