真空机械手控制方法研究

集束型制造设备已经成为半导体生产半导体行业中的主流制造设备。在集束型制造设备中，一台真空机械手负责在不同的制造工序即各制造腔体间搬运晶圆，作用不可或缺。目前真空机械手由200mm晶圆规格向300mm晶圆规格发展，国外进行技术封锁，我国真空机械手相关研究严重滞后。本文以科技部“超大规模集成电路制造装备重大专项”为依托进行了真空机械手控制方法的研究。 本文分析了真空机械手需要解决的关键问题，在研究各种先进控制方法的基础上，对于真空机械手建模、控制器结构、运动学控制方法、动力学控制方法和轨迹规划方法进行了系统研究，主要贡献有： 1)．为实现机械手的实时控制，求解了真空机械手的运动学正反解，解决了反解中的多解取舍问题。采用拉格朗日方法建立了真空机械手并联手臂中串联支链的动力学方程。由于并联手臂中驱动和非驱动关节的混合使用，采用拉格朗日-达朗贝尔方法建立了并联真空机械手的动力学模型，为实现真空机械手的高精度快速控制作了充分的准备。 2)．针对真空机械手控制器的特殊性，研究开放式控制器结构的设计方案。采用PMAC运动控制板构建真空机械手控制器，为开放式模块化真空机械手控制器的实现奠定了基础。针对真空机械手工作的特性，提出集束型设备中传输模组控制器结构，并按照其具体工作顺序，对真空机械手动作指令进行了设计。以上工作为控制算法的实现提供了良好的平台。 3)．对于直接驱动的电机伺服控制问题，提出了IP位置控制来保证电机的良好伺服性能；针对PMSM的建模误差和非线性扰动以及负载扰动提出采用H∞负载扰动观测器对扰动及电机模型变化进行补偿；针对单个电机独立控制时无法对机械强耦合进行有效控制的问题，提出了基于并联方式的双电机3环(位置、速度和加速度) H∞同步控制方法，能够较好地解决机械手并联手臂在运行中发生扭转的问题。通过仿真实验验证了所提出的方法。 4)．电机伺服控制中考虑了双电机的同步问题，但是手臂机械耦合的哥氏力及离心力等因素仅仅是作为电机轴上的扰动来处理。为了进一步提高控制精度和稳定性，提出了针对机械手动力学模型的控制方法。首先采用PD计算力矩控制；为了消除计算力矩控制无法解决的有扰动和模型不准确时的静差问题，提出了模糊补偿的计算力矩控制方法。但该方法仅仅是缓解了而不能完全解决这一问题，因此，在控制器内引入积分项以消除静差。同时，为了提高系统动态响应性能，使用模糊逻辑来调节控制器的各个参数。仿真实验表明了所提出方法的有效性。 5)．在分析各种轨迹规划方法的基础上，结合真空机械手运行中的实际要求提出了真空机械手时间最优轨迹规划方法。使机械手末端能够运行于允许的最大加减速度，并且保证运动的平稳性。推导了动力学方程在笛卡尔空间的表示形式，建立起了关节电机力矩与末端运行的位置、速度和加速度的关系，分析了轨迹规划中加速度规划的变化对关节电机的影响，为选择电机和减小关节机械部件冲击提供了理论依据。给出了所提出规划方法的仿真实验结果，并与关节空间进行的梯形轨迹规划做了对比，证明了本文提出的方法能够有效缩短运行时间，以及满足末端加速度约束。最后，对于本文提出的轨迹规划方法在真空机械手样机上做了实验，并与笛卡尔空间的梯形规划方法的实验结果做了对比，证明所提出的方法能够满足真空机械手运行时兼顾效率与稳定性的要求。